CBL - Campus del Baix Llobregat

Projecte llegit

Títol: Wearable impedance plethysmography and electrocardiography sensor

Estudiants que han llegit aquest projecte:

Director/a: SERRANO FINETTI, ERNESTO

Departament: EEL

Títol: Wearable impedance plethysmography and electrocardiography sensor

Data inici oferta: 22-02-2022     Data finalització oferta: 22-10-2022


Estudis d'assignació del projecte:
    DG ENG SISTE/TELEMÀT
Tipus: Individual
 
Lloc de realització: EETAC
 
Paraules clau:
Pulso cardiaco, Impedancia eléctrica, diseño analógico, procesamiento digital
 
Descripció del contingut i pla d'activitats:
Existe un interés creciente en desarrollar sensores wearable
que permita la monitorización de la actividad cardiaca en un
punto de medida. Habitualmente, esto se hace mediante
fotopletismografía (como en los smartwatches) para obtener el
pulso, pero existen técnicas como la medida de impedancia
eléctrica que permiten obtener no sólo información cardiaca, a
través de la denominada señal de pletismografía de impedancia
(IPG), si no también información sobre el estado de los
tejidos. En el caso de la señal cardiaca, el interés está en la
detección del pulso cardiaco latido a latido, no promedios
temporales como los provistos por smartwatches o similares.

La adaptación de este tipo de medidas a sensores wearable
exige un diseño cuidadoso de la cadena de señal analógica ya
que las tensiones de alimentación serán muy bajas (típicamente
por debajo de los 3 V). Habitualmente, este tipo de restricción
en la alimentación conlleva problemas con la tensión en modo
común de la propia impedancia medida. Por otro lado, el
reducido margen dinámico hace que se deba prestar especial
atención al ruido introducido por la cadena de señal, y a las
desviaciones en forma de artefactos de movimiento ya que los
sujetos de medida no estarán restringidos en su movilidad.

En este trabajo se persiguen los siguientes objetivos:
1. Diseño de una etapa frontal para medida de impedancia con la
tensión de alimentación más baja posible.
2. Minimización del número de componentes para ahorrar espacio,
coste y consumo.
3. Adaptación para el uso de electrodos secos de alta
impedancia.
4. Reducción del ruido y procesamiento digital para obtener una
buena calidad de señal.
5. Uso de un microcontrolador de 32 bits de la familia STM32
SARM Cortex, de STMicroelectronics para la digitalización y
procesamiento digital.
 
Overview (resum en anglès):
Wearable technology has become increasingly popular in the last few years. This project describes the design and implementation of a wearable impedance plethysmography and electrocardiography sensor. This sensor is developed to be compact and lightweight while having a very extended battery life. This way, it can be easily integrated into other wearable devices or into clothing or shoes.

The acquired IPG and ECG data will be transmitted in real-time to a receiving host for further storage and processing by using the Bluetooth Low Energy protocol. By using a so widespread low energy wireless protocol, the data can be received into any compatible device, such as smartphones, laptops or even specialized systems. An android application showing a real-time graphic of the measured signals is also developed for demonstration purposes.

To meet the low power consumption requirements of the analog front-end circuitry, multiple techniques were used, such as using low power versions of components such as operational amplifiers and even taking advantage of their limitations to improve circuit performance characteristics. Other techniques such as sensing the correct placement of electrodes or disabling parts of the circuitry when not needed or the signal is not available were also used. A current consumption for the analog frontend in the order of only 100 µA to 200 µA at 3V was achieved while continuously providing both IPG and ECG data.

For the digital circuitry, consisting mainly of the nRF51822 System on Chip from Nordic Semiconductor and some peripherals, multiple techniques of power consumption minimization were also used. A current consumption of around 200 µA to 300 µA was achieved, again at 3V, during continuous data processing and transmission.

A prototype was implemented on a PCB. Unfortunately, full functionality was not achieved mainly due to some hardware failures and time constraints, however, as multiple innovative solutions were implemented, this work will provide useful information to improve other research projects in this area.

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