Instrumentación para neuroprótesis vestibles

La tesis pretende contribuir al conocimiento en adquisición de biopotenciales mediante técnicas no invasivas con aplicación a neuroprótesis (NPs). Las NPs son dispositivos que, interactuando con el cuerpo humano, permiten recuperar o reemplazar capacidades perdidas o disminuidas incrementando drásticamente la comodidad e independencia de las personas. Por lo tanto es de interés que las NPs se utilicen de forma muy sencilla y sin asistencia profesional, en correspondencia con el paradigma de los sistemas ``vestibles''. El objetivo general de la tesis es desarrollar etapas de instrumentación que permitan adquirir biopotenciales útiles a las NPs en forma robusta en las condiciones de medida impuestas por los sistemas vestibles. Por lo tanto, se desarrollan sistemas de adquisición de señal mixta en el estado del arte como plataformas para validar los modelos y circuitos de acondicionamiento propuestos, y se diseñan, implementan y verifican experimentalmente circuitos de acondicionamiento analógico que permiten enfrentar este desafío. En primer lugar, se desarrolla un circuito de realimentación de modo común con ganancia aumentada como estrategia general para la robustez frente a interferencia electromagnética. En segundo lugar se proponen electrodos activos para la medición de señales de electromiograma, desarrollando herramientas de análisis e implementando amplificadores para electrodos de múltiples contactos. Finalmente, los electrodos secos son el factor clave del registro de biopotenciales en sistemas vestibles. Por lo tanto, se desarrolla un electrodo activo con impedancia de entrada aumentada utilizando bootstrap de fuente y conservando una topología de baja complejidad.This thesis contributes to the topic of non-invasive biopotential acquisition techniques applied to Neuroprostheses (NPs). NPs are technological devices that, through interaction with the body, allow to recover or replace lost or diminished capabilities, thus dramatically increasing the comfort and independence of a person. It is desirable for NPs to be able to be used in a simple manner without professional assistance, in correspondence with the paradigm of wearable devices. The general objective of the thesis is to develop instrumentation circuits which allow to acquire the biopotential signals that NPs need robustly, even under the measurement conditions imposed by wearable systems. Therefore, state of the art mixed-signal acquisition systems are developed as a platform upon which models and conditioning circuits can be validated, and a set of analog conditioning circuits are designed, implemented, and experimentally tested. First, a common mode feedback circuit with increased gain is developed as a general strategy for increased robustness against electromagnetic interference. Next, active electrodes for electromyography signal measurement are proposed. An analysis tool as well as an implementation alternative for multiple-input electrodes are proposed. Finally, dry-contact electrodes are a key factor in wearable biopotential measurements. Hence, an active electrode with increased input impedance is developed using power supply bootstrapping and a low complexity topology.Facultad de Ingenierí

Un Conjunto de Datos y Método de Post-Procesamiento para Evaluación de Interfaz Humano-Máquina de Dispositivos de Tipo Apuntador

The evaluation of human-machine interfaces (HMI) requires quantitative metrics to define the ability of a person to effectively achieve their goals using the HMI. In particular, for pointing-device type HMIs such as the computer mouse, an experiment quantifying movement by performing repetitive target selections allows defining a useful metric known as throughput (TP) using the Fitts’ Law test. In this work, a dataset obtained from an automated protocol application is presented, which is made publicly available through an on-line platform. A post-processing method to obtain performance parameters from the dataset is also presented, and its output is used to validate the data against similar experiments in the literature.La evaluacion de interfaces humano-máquina (HMI) requiere métricas cuantitativas para definir la capacidad de una persona para lograr eficazmente sus objetivos utilizando la HMI. En particular, para las HMIs del tipo dispotivo apuntador como el raton de la computadora, un experimento que cuatifica el movimiento al realizar selecciones repetitivas de objetivos permite definir una metrica útil conocida como rendimiento (TP) utilizando la prueba de la Ley de Fitts. En este trabajo, se presenta un conjunto de datos obtenido a partir de la aplicacion de un protocolo automatizado, el cual esta disponible públicamente a través de una plataforma en línea. Tambien se presenta un método de post-procesamiento para obtener parametros de rendimiento a partir del conjunto de datos, y sus resultados se utilizan para validar los datos en comparación con experimentos similares en la literatura.Fil: Madou, Rocío. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Guerrero, Federico Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Spinelli, Enrique Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; Argentin

Sistema multicanal para a aquisição de biopotenciais

Se presenta un sistema compuesto por hardware de adquisición y software de soporte para la medición de biopotenciales en tiempo real desde una PC. El equipo cuenta con 8 canales diferenciales acoplados en continua, muestreados con convertidores analógico-digitales sigma-delta de 24 bits, con ganancia y tasa de muestreo configurables. La resolución del dispositivo está dada por el piso de ruido del sistema que es inferior a 2 µVrms en un ancho de banda de (0.05-100) Hz. Para medidas en un ancho de banda de 1 kHz el piso de ruido resulta menor a 3 µVrms. El coeficiente de rechazo de modo común es de 96 dB, y para lograr medidas de mayor calidad se utilizan electrodos activos y un circuito independiente para reducir la tensión de modo común, lo que posibilita utilizar topologías de medición no diferenciales. La transmisión de datos y de energía para todo el sistema se realiza a través del bus USB. El equipo cuenta con una barrera de aislamiento compatible con normas internacionales de seguridad eléctrica para equipamiento médico. Se relevó la respuesta en frecuencia y se comprobó que cumple con requisitos para dispositivos de electrocardiografía. Se adquirieron distintas señales de biopotenciales para verificar el funcionamiento del equipo y demostrar el uso del software.A biopotential measurement system composed of acquisition hardware and software capable of relaying real-time signals to a PC is presented. The device has 8 DC coupled differential channels sampled by 24 bits sigma-delta analog to digital converters with programmable gain and sampling frequency. The noise floor of the device determines its resolution, and it is less than 2 µVrms in a bandwidth of (0.05-100) Hz. Measurements up to 1 kHz can be carried out with a noise voltage less than 3 µVrms. The common mode rejection ratio is 96 dB. To achieve high-quality measurements active electrodes are used along with a common mode voltage reduction circuit allowing single-ended measurement topologies. A USB connection serves both as data channel and power source. The device includes an isolation barrier in agreement with international standards for the electrical safety of medical equipment. Its frequency response was measured and compared with accepted standards for electrocardiographic devices, and various biopotential measurements were carried out in order to test both hardware and software.é apresentado um sistema composto de hardware de aquisição e software de suporte para a medição de biopotenciais em tempo real a partir de um PC. O aparelho tem 8 canais diferenciais acopladas em contínuo, amostrados com conversores analógico-digital sigma-delta 24 bits. com o ganho e taxa de amostragem configurável. A resolução do dispositivo é determinado pelo nível de ruído do sistema é menos 2 μVrms uma largura de banda (0,05-100) Hz. Para medições em uma largura de banda de 1 kHz o piso de ruído é inferior a 3 μVrms. A razão de rejeição de modo comum é 96 dB, e para se obter medidas de qualidade superior é usado eléctrodos activos e um circuito separado para reduzir a tensão de modo comum, tornando-se possível a utilização de topologias de medição não diferenciais. A transmissão de dados e energia para todo o sistema é feito através do barramento USB. A equipe tem uma barreira de isolamento compatível com as normas de segurança elétrica internacionais para equipamentos médicos. Foi revelada a resposta em frequência e está em conformidade com os requisitos para dispositivos de eletrocardiografia. Se Obteveram diferentes sinais de biopotenciais para vereficar o funcionamento equipamento e demonstrar a utilização do software.Fil: Guerrero, Federico Nicolás. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrotecnia. Laboratorio de Electrónica Industrial, Control e Instrumentación; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Haberman, Marcelo Alejandro. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrotecnia. Laboratorio de Electrónica Industrial, Control e Instrumentación; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Spinelli, Enrique Mario. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrotecnia. Laboratorio de Electrónica Industrial, Control e Instrumentación; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Size constraint to limit interference in DRL-free single-ended biopotential measurements

Purpose: In this work, it is shown that small, battery-powered wireless devices are so robust against electromagnetic interference that single-ended amplifiers can become a viable alternative for biopotential measurements, even without a Driven Right Leg (DRL) circuit. Methods: A power line interference analysis is presented for this case showing that this simple circuitry solution is feasible, and presenting the constraints under which it is so: small-size devices with dimensions less than 40 mm × 20 mm. Results: A functional prototype of a two-electrode wireless acquisition system was implemented using a single-ended amplifier. This allowed validating the power-line interference model with experimental results, including the acquisition of electromyographic (EMG) signals. The prototype, built with a size fulfilling the proposed guidelines, presented power-line interference voltages below 1.2 µVPP when working in an office environment. Conclusion: It can be concluded that a single-ended biopotential amplifier can be used if a sufficiently large isolation impedance is achieved with small-size wireless devices. This approach allows measurements with only two electrodes, a very simple front-end design, and a reduced number of components.Fil: Catacora, Valentin Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Guerrero, Federico Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Spinelli, Enrique Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; Argentin

A simple encoding method for sigma-delta ADC based biopotential acquisition systems

Sigma Delta analogue-to-digital converters allow acquiring the full dynamic range of biomedical signals at the electrodes, resulting in less complex hardware and increased measurement robustness. However, the increased data size per sample (typically 24 bits) demands the transmission of extremely large volumes of data across the isola- tion barrier, thus increasing power consumption on the patient side. This problem is accentuated when a large number of channels is used as in current 128-256 elec- trodes biopotential acquisition systems, that usually opt for an optic bre link to the computer. An analogous problem occurs for simpler low-power acquisition platforms that transmit data through a wireless link to a computing platform. In this paper, a low-complexity encoding method is presented to decrease sample data size with- out losses, while preserving the full DC-coupled signal. The method achieved a 2.3 average compression ratio evaluated over an ECG and EMG signal bank acquired with equipment based on Sigma-Delta converters. It demands a very low processing load: a C language implementation is presented that resulted in an 110 clock cycles average execution on an 8-bit microcontroller.Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale

Surface EMG Multichannel Measurements Using Active, Dry Branched Electrodes

A surface electromiography (sEMG) multichannel aquisition system was implemented using dry electrodes. Branched electrodes were used to obtain spatially selective EMG measurements. Active electrodes coupled with a high dynamic range converter were used to achieve good electromagnetic interference rejection and measurement robustness. Functioning parameters were measured. The device has an equivalent input referred noise less than 1 μV_rms with a voltage gain of 4 , allowing for a ±550 mV electrode offset. The device bandwidth ranges from DC to 500 Hz with a 2000 sps sampling rate. The CMRR is 90 dB further improved by an independent DRL circuit with gain above 30 dB at 50 Hz. Multichannel EMG measurements were successfully conducted and example results are shown.Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale

A simple and reproducible capacitive electrode

Capacitive Electrodes (CE) allow the acquisition of biopotentials through a dielectric layer, without the use of electrolytes, just by placing them on skin or clothing, but demands front-ends with ultra-high input impedances. This must be achieved while providing a path for bias currents, calling for ultra-high value resistors and special components and construction techniques. A simple CE that uses bootstrap techniques to avoid ultra-high value components and special materials is proposed. When electrodes are placed on the skin; that is, with coupling capacitances CS of around 100 pF, they present a noise level of 3.3 μVRMS in a 0.5-100 Hz bandwidth, which is appropriate for electrocardiography (ECG) measurements. Construction details of the CE and the complete circuit, including a fast recovery feature, are presented.Facultad de IngenieríaInstituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale

A capacitive electrode with fast recovery feature

Capacitive electrodes (CEs) allow for acquiring biopotentials without galvanic contact, avoiding skin preparation and the use of electrolytic gel. The signal quality provided by present CEs is similar to that of standard wet electrodes, but they are more sensitive to electrostatic charge interference and motion artifacts, mainly when biopotentials are picked up through clothing and coupling capacitances are reduced to tens of picofarads. When artifacts are large enough to saturate the preamplifier, several seconds (up to tens) are needed to recover a proper baseline level, and during this period biopotential signals are irremediably lost. To reduce this problem, a CE that includes a fast-recovery (FR) circuit is proposed. It works directly on the coupling capacitor, recovering the amplifier from saturation while preserving ultra-high input impedance, as a CE requires. A prototype was built and tested acquiring ECG signals. Several experimental data are presented, which show that the proposed circuit significantly reduces record segment losses due to amplifier saturation when working in real environments.Fil: Spinelli, Enrique Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Haberman, Marcelo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Garcia, Pablo Andres. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; ArgentinaFil: Guerrero, Federico Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales. Universidad Nacional de La Plata. Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señales; Argentin

Un conjunto de datos y método de post-procesamiento para evaluación de interfaz humano-máquina de dispositivos de tipo apuntador

The evaluation of human-machine interfaces (HMI) requires quantitative metrics to define the ability of a person to effectively achieve their goals using the HMI. In particular, for pointing-device type HMIs such as the computer mouse, an experiment quantifying movement by performing repetitive target selections allows defining a useful metric known as throughput (TP) using the Fitts' Law test. In this work, a dataset obtained from an automated protocol application is presented, which is made publicly available through an on-line platform. A post-processing method to obtain performance parameters from the dataset is also presented, and its output is used to validate the data against similar experiments in the literature.La evaluation de interfaces humano-maquina (HMI) requiere métricas cuantitativas para definir la capacidad de una persona para lograr eficazmente sus objetivos utilizando la HMI. En particular, para las HMIs del tipo dispotivo apuntador como el ratón de la computadora, un experimento que cuatifica el movimiento al realizar selecciones repetitivas de objetivos permite definir una métrica util conocida como rendimiento (TP) utilizando la prueba de la Ley de Fitts. En este trabajo, se presenta un conjunto de datos obtenido a partir de la aplicación de un protocolo automatizado, el cual esta disponible publicamente a través de una plataforma en línea. También se presenta un método de post-procesamiento para obtener parámetros de rendimiento a partir del conjunto de datos, y sus resultados se utilizan para validar los datos en comparación con experimentos similares en la literatura.Facultad de Informátic

Real-time embedded processing and instrumentation for wearable BCI application

Este artículo presenta una interfaz cerebro-computadora totalmente autónoma, embebida, inalámbrica y portátil basada en el ritmo alfa occipital que opera en tiempo-real y de forma no-invasiva. En busca de la simplicidad y la versatilidad de un dispositivo vestible, y la independencia de una computadora, se diseñaron e implementaron etapas de adquisición y alimentación en una plataforma portátil con procesamiento embebido. La señal de salida del sistema es de estado lógico on-off que es activado cuando el ritmo cerebral supera un umbral. Para validar la plataforma, se desarrolló una aplicación configurando al dispositivo para que opere como un interruptor disparado por el ritmo alfa. La salida comanda el botón click izquierdo de un mouse inalámbrico comercial conectado a la computadora como un periférico convencional.This article presents a totally autonomous, embedded, wireless and portable brain-computer interface based on occipital alpha rhythms that operates in real-time and non-invasively. In order to achieve the simplicity and versatility of a wearable device, and independence from a computer, the acquisition and power stages were designed and implemented on a portable platform with embedded processing. The output signal of the system is an on-off logic state that is activated when the cerebral rhythm surpasses a threshold. An application was developed in order to validate the platform, configuring the device to operate as a switch triggered by the alpha rhythm. The output commands the left click button of a commercial wireless mouse connected to a computer as a conventional peripheral.Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale