Fully Integrated Bioimpedance Spectroscopy Interface for Wearable Electrical Impedance Myography
Tid: Fr 2024-09-27 kl 13.00
Plats: Ka-Sal C (Sven-Olof Öhrvik), Kistagången 16, Kista
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/2593490856
Språk: Engelska
Ämnesområde: Informations- och kommunikationsteknik
Respondent: Alejandro David Fernández Schrunder , Elektronik och inbyggda system, Mixed-Signals ICs and Systems
Opponent: Professor Andreas Demosthenous, University College London, Department of Electronic & Electrical Engineering
Handledare: Professor Ana Rusu, Elektronik och inbyggda system; Associate Professor Saul Rodriguez, Elektronik och inbyggda system
QC 20240829
Abstract
Multifrekvent ytelektroimpedansmyografi (MF-sEIM) är en teknik som ger värdefull elektrofysiologisk information om muskler. Denna teknik mäter bioimpedans-spektroskopi (bio-Z-spektroskpi) av muskler och tillämpar Ohms lag genom att injicera en högfrekvent småsignalström i vävnader och mäta spänningssvaret. Eftersom biologiska vävnader är elektrolytiska ledare, ger denna teknik information om grundläggande dielektriska egenskaper hos vävnader, som är en objektiv biomarkör för neuromuskulära störningar och har praktiskt värde i flera tillämpningar för muskelsjukvård. På grund av dess mångsidighet och enkel integration är denna teknik en utmärkt kandidat för att komplettera fristående ytelektromyografi (sEMG) i bärbara enheter för kontinuerlig övervakning av muskelhälsa. Icke desto mindre ställer bärbar MF-sEIM utmanande krav på bio-Z-spektroskopigränssnittet. Tidigare rapporterade lösningar uppfyller inte dessa krav, eller gör det med låg energieffektivitet.
Denna avhandling fokuserar på forskning och utveckling av ett helt integrerat bio-Z-spektroskopigränssnitt, som uppfyller de utmanande kraven för bärbar MF-sEIM på ett energieffektivt sätt. De elektrofysiologiska mekanismerna för MF-sEIM och kraven på systemnivå för klinisk relevans undersöktes, eftersom MF-sEIM är en relativt ny teknik som kräver standardisering. Från de definerade kraven på systemnivå utvecklades huvudbyggstenarna för bio-Z-spektroskopigränssnittet, dvs. strömsignalgeneratorn (CSG) och spänningsavläsningen. CSG genererar pseudo-sinusvågor genom direkt digital syntes (DDS) för att erhålla den erforderliga linjäriteten med hög energieffektivitet. En CSG i fullströmsläge med hög linjäritet föreslogs också för att uppfylla de striktare noggrannhetskraven på bioimpedansmätning för klinisk diagnostik. Spänningsavläsningen är baserad på en demoduleringsarkitektur med låg IF-kvadratur (I/Q) och har en pseudo 2-vägs bandpass (BP) Delta-Sigma ADC för att uppnå hög precision och energi till brus effektivitet. En mixer-framför analog front-end (AFE) föreslogs också för att möjliggöra bio-Z-spektroskopimätningar med användning av torra elektroder. Bio-Z-gränssnittet integrerades med en 16-kanals sEMG AFE och en 4-kanals neuromuskulär stimulator (NMES) i en applikationsspecifik integrerad krets (ASIC). Experimentella resultat visar att det implementerade bio-Z-spektroskopigränssnittet uppnår en prestanda som är jämförbar med den senaste tekniken, samtidigt som den kan detektera storsignalsimpedansen hos muskler och dess tidsvariation. Ett prototyp, baserat på den multimodala ASIC, utvecklades. Detta system visar potentialen i att kombinera realtidsövervakning av MF-sEIM och sEMG för att upptäcka muskeltrötthet, vilket möjliggör effektiva NMES med återkoppling.