Firmware design of a portable medical device to measure the quadriceps muscle group after a total knee arthroplasty by EMG, LBIA and clinical score methods

El objetivo de este proyecto es el diseño del firmware de un dispositivo médico portátil para mediciones de EMG y LBIA, que se utilizará para la evaluación de pacientes de artroplastia total de rodilla, para estudiar la progresión de diferentes prótesis de rodilla (Medial-Pivot y Ultra-Congruente). En la tesis, se expone el conocimiento actual de los estudios y aplicaciones de EMG y LBIA, junto con los dispositivos comerciales utilizados actualmente. Además, se han estudiado e implementado las diferentes técnicas de filtrado y procesamiento digital para señales de EMG y LBIAs. Adicionalmente, se ha realizado un estudio estadístico preliminar con datos LBIA de 12 pacientes de artroplastia total de rodilla. El diseño del firmware de esta tesis incluye: los procesos de adquisición de datos con el uso de diferentes ADCs (Conversor Analógico a Digital) (de la propia placa y externos, utilizando la interfaz SPI) y un DAC (Conversor Digital a Analógico), el correspondiente procesamiento de la señal y la extracción de sus características, la comunicación con un dispositivo externo utilizando un módulo BLE externo con interfaz UART, el proceso de encriptación de los datos médicos, la funcionalidad de manejo de errores y la aproximación del nivel de batería. En esta tesis, todos los flujos de trabajo de los procesos se exponen y explican mediante diagramas de flujo, mientras que se justifica cada cálculo y configuración. Además, todo el código correspondiente se ha programado en lenguaje C y se expone en los anexos. También se ha revisado la normativa aplicable y se ha analizado tanto el impacto ambiental como el coste económico del producto. Por último, se proponen mejoras para futuros trabajos.The aim of this project is the firmware design for a portable medical device for EMG and LBIA measurements which will be used for the assessment of total knee arthroplasty patients to study the progression of different knee prostheses (Medial-Pivot and Ultra-Congruent). For its realization, the state of the art of the EMG and LBIA studies and applications are exposed, along with the currently used medical devices. In addition, the different digital filtering and processing techniques for these studies have been studied and implemented. Furthermore, a preliminary statistical study has been performed with LBIA data from 12 patients with total knee arthroplasty. The firmware design of this thesis includes: the acquiring data processes with the use of different ADCs (from the actual board and external, using the SPI interface) and a DAC, the corresponding signal processing and feature abstraction, the communication with an external device using an external BLE module with UART interface, the medical data encrypting process, the error handling functionality, and the battery level approximation. In this work, all the process workflows are exposed and explained using flowcharts, while every calculation and configuration is justified. In addition, all the corresponding code has been programmed using C language and exposed in the Annexes. Moreover, the applicable regulation has been reviewed, and both the environmental impact and economic cost of the product have been analyzed. Finally, improvements are proposed for future work.L'objectiu d'aquest projecte és el disseny del microprogramari d'un dispositiu mèdic portàtil per a mesures d'EMG i LBIA. L’aparell mèdic s'utilitzarà per a l'avaluació de pacients d'artroplàstia total de genoll per estudiar la progressió de dues pròtesis de genoll (Medial-Pivot i Ultra- Congruent). En el treball, s'exposa el coneixement actual dels estudis i aplicacions d'EMG i LBIA, juntament amb els dispositius comercials utilitzats actualment. A més, s'han estudiat i implementat les diferents tècniques de filtrat i processament digital dels senyals de EMG i LBIA. Addicionalment, s'ha fet un estudi estadístic preliminar amb dades de LBIA de 12 pacients amb artroplàstia total de genoll. El disseny del microprogramari d'aquesta tesi inclou: els processos d'adquisició de dades fent ús de diferents ADCs (de la pròpia placa i externs, utilitzant la interfície SPI) i un DAC, el processament dels senyals i l'abstracció de les seves característiques, la comunicació amb un dispositiu extern utilitzant un mòdul BLE extern amb interfície UART, el procés d'encriptació de les dades mèdiques, la funcionalitat de l’avaluació d'errors i l'aproximació del nivell de bateria. En aquest treball, totes les funcionalitats del dispositiu s'exposen i s'expliquen mitjançant diagrames de flux i es justifiquen els càlculs i configuracions corresponents. Tot el codi desenvolupat s'ha programat en llenguatge C i s'exposa als annexos. A més, s'ha revisat la normativa aplicable i s'ha analitzat tant l'impacte ambiental com el cost econòmic de l’aparell. Finalment, es proposen millores per a futurs desenvolupaments

Comparison of low complexity coherent receivers for UDWDM-PONs (λ-to-the-User)

It is predicted that demand in future optical access networks will reach multigigabit/s per user. However, the limited performance of the direct detection receiver technology currently used in the optical network units at the customers' premises restricts data rates per user. Therefore, the concept of coherent-enabled access networks has attracted attention in recent years, as this technology offers high receiver sensitivity, inherent frequency selectivity, and linear field detection enabling the full compensation of linear channel impairments. However, the complexity of conventional (dual-polarization digital) coherent receivers has so far prevented their introduction into access networks. Thus, to exploit the benefits of coherent technology in access networks, low complexity coherent receivers, suitable for implementation in ONUs, are needed. In this paper, the recently proposed low complexity coherent (i.e., polarization-independent Alamouti-coding heterodyne) receiver is, for the first time, compared in terms of its minimum receiver sensitivity with five previously reported receiver designs, including a detailed discussion on their advantages and limitations. It is shown that, of all the configurations considered, the Alamouti-coding based receiver approach allows the lowest number of photons per bit (PPB) transmitted (with a lower bound of 15.5 PPB in an ideal implementation of the system), while requiring the lowest optical receiver hardware complexity (in terms of the optical component count). It also exhibits comparable complexity to the currently deployed direct-detection receivers, which typically require over 1000 PPB. Finally, a comparison of experimentally achieved receiver sensitivities and transmission distances using these receivers is presented. The highest spectral efficiency and longest transmission distance at the highest bit rate (10 Gb/s) was reported using the Alamouti-coding receiver, which is also the only one, to date, to have been demonstrated in a full system bidirectional transmission