An embedded system for evoked biopotential acquisition and processing

This work presents an autonomous embedded system for evoked biopotential acquisition and processing. The system is versatile and can be used on different evoked potential scenarios like medical equipments or brain computer interfaces, fulfilling the strict real-time constraints that they impose. The embedded system is based on an ARM9 processor with capabilities to port a real-time operating system. Initially, a benchmark of the Windows CE operative system running on the embedded system is presented in order to find out its real-time capability as a set. Finally, a brain computer interface based on visual evoked potentials is implemented. Results of this application recovering visual evoked potential using two techniques: the fast Fourier transform and stimulus locked inter trace correlation, are also presented.Fil: Garcia, Pablo Andres. 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; ArgentinaFil: Toccaceli, Graciela Mabel. 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

An analog building block for signal conditioning instrumentation circuits

The design of analog signal conditioning circuits for instrumentation applications often requires designing a specific circuit for each case. For board-level design solutions, these circuits are generally implemented by using Operational Amplifiers (OA) and Instrumentation Amplifiers (IA). An analog building block (ABB) is proposed, which can be implemented with three standard OAs. Using different connection schemes and just adding a few resistors, it allows implementing several analog circuits such as common-mode conditioners, single-ended to differential and differential to single-ended converters, voltage and current amplifiers, current-to-voltage and voltage-to-current converters, among others. The proposed ABB is analyzed and applied to several typical analog conditioning problems. The design equations and experimental results for these circuits are presented.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; Argentin

Amplificadores de instrumentación en aplicaciones biomédicas

Durante décadas, el procesamiento analógico de señales fue el único tipo de procesamiento electrónico posible. Con el advenimiento de las técnicas digitales, se incorpora la posibilidad de procesar las señales digitalmente. A partir de la reducción del costo de los procesadores digitales de señales (DSP) y de los convertidores analógico-digital (ADC), el procesamiento analógico fue cediendo terreno al digital y se podría decir que perdió protagonismo en el escenario electrónico actual. En aplicaciones biomédicas existen al menos dos tareas donde las técnicas analógicas son insustituibles: la amplificación de las débiles señales bioeléctricas a niveles apropiados para ser procesadas o digitalizadas y el rechazo a fuentes de interferencia electromagnética (EMI). Una señal comprometida en su rango de entrada por un gran nivel de EMI, no podrá ser mejorada aún con las más sofisticadas técnicas de procesamiento digital de señales. Además, una señal adquirida con EMI de 50 Hz, resulta muy difícil de "limpiar" por técnicas digitales sin degradar su calidad; resultando más complejo aún realizarlo en tiempo real. En esta tesis se analizan los mecanismos por los cuales la red de distribución de energía eléctrica (50Hz) interfiere en el registro de biopotenciales. Se proponen aquí un modelo simple para describir estos mecanismos y métodos específicos para determinar sus parámetros en forma experimental. Se analizan también las soluciones clásicas para la implementación de Amplificadores para Biopotenciales (A.B.) y se proponen circuitos originales apuntando a aplicaciones actuales como equipos alimentados a baterías con bajas tensiones de alimentación. Todo esto sin resignar características importantes en un A.B. como un elevado CMRR y una alta impedancia de entrada para señales de modo común. Como un caso particular, se presenta el problema de adquisición de biopotenciales sin electrodo de masa ("sistemas de dos electrodos"); se analizan en detalle sus características en cuanto a su vulnerabilidad a EMI y se propone una estrategia para la implementación de A.B. específicos para este tipo de aplicación. Los temas tratados en esta Tesis, tanto los de análisis como aquellos referidos a técnicas de diseño, fueron en primer lugar abordados en forma teórica, obteniendo expresiones analíticas útiles para la comprensión conceptual de los mecanismos involucrados y para el diseño de los circuitos. Luego, las expresiones obtenidas fueron validadas experimentalmente para lo cual, en algunos casos, se requirió el desarrollo de nuevas técnicas de medida.Facultad de Ingenierí

Interfaces para control cerebral

La función de una interfaz para control cerebral basada en señales de electroencefalograma (EEG), en forma general denominada BCI (Brain control Interface), es establecer un enlace directo entre el cerebro y una máquina, sin utilizar acciones motoras directas. Una BCI permite realizar operaciones simples a partir de la interpretación de las señales de EEG. Su desarrollo está principalmente orientado hacia la ayuda a personas con discapacidades motoras severas, que poseen deterioros en el sistema nervioso y muscular, pero no presentan lesiones cerebrales. Existen diversos paradigmas en la concepción de estas interfaces. En este trabajo se analizan fundamentalmente aquellas estrategias basadas en el procesamiento de los llamados "ritmos cerebrales". Estas señales se observan en la actividad cerebral bajo determinadas circunstancias, y pueden acondicionarse para generar acciones de control. Gran parte de los ensayos fueron realizados sobre solo un sujeto. Si bien la estadística no es significativa, los resultados obtenidos concuerdan aceptablemente con los reportados en la literatura. El objetivo de estos ensayos no fue arribar a conclusiones definitivas sino introducirnos en el tema, validar el sistema diseñado y fundamentalmente definir sus requerimientos que fueron surgiendo a lo largo del trabajo de tesis.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

Dispositivo de asistencia a discapacitados motores: switch controlado por señales electromiográficas

En el presente trabajo, se propone la utilización de señales de EMG. Estas señales tienen su origen en los potenciales eléctricos (potenciales de acción) que se desarrollan en las membranas de las fibras musculares al intentar contraer un músculo. La detección de una contracción muscular, por más débil que sea, permite establecer una vía de comunicación alternativa entre un usuario y su entorno. En este sentido, se ha desarrollo de un sistema completo que, a partir de la detección de una contracción muscular, envía un evento a la PC a través de un puerto USB emulando el click del mouse, permitiendo así, sin instalar software alguno, el control de numerosos programas asistivos controlables solo por un click. (Párrafo extraído del texto a modo de resumen)Facultad de Ingenierí

On the stability of shield-driver circuits

This paper analyzes the stability of shield-driver circuits (SDCs) applied to the measurement of remote signal sources (such as bioelectric signals) and then proposes design ideas to guarantee it. According to the performed analysis, there are at least two factors that explain the potential instability of the SDC: 1) a high order of the SDC transfer function and 2) the parasitic inductance of the interconnecting cable. The former makes the circuit unstable for intermediate values of the output resistance RS of the signal source, whereas the latter makes the circuit unstable for low values of RS. These theoretical predictions are experimentally validated using several commercial operational amplifiers.Instituto de Investigaciones en Electrónica, Control y Procesamiento de Señale

A Supply-voltage driving scheme for grounded capacitive sensor front-ends

n this article, a novel supply-voltage driving1 (SVDR) scheme for capacitive sensor front-ends is proposed to2 eliminate the parasitic capacitance effects. The suggested circuit3 is intended for remote sensors (and, hence, connected to the4 circuit through a shielded cable) with one electrode grounded5 and of low capacitance (in the 0–10-pF range). The effects of6 the parasitic capacitance of the cable are avoided using the7 active-shielding technique, whereas those of the amplifier input8 through a smart driving of the reference node of the amplifier9 supply voltage. Thanks to these techniques, the input–output10 characteristic shows, without applying any adjustment and/or11 calibration, an offset error lower than 3 fF. The nonlinearity12 error (NLE) is in the order of 0.01% of the full-scale span (FSS),13 which corresponds to 1 fF. Different operational amplifiers (OAs)14 and different lengths (up to 15 m) of the interconnecting cable15 are experimentally tested to demonstrate the feasibility of the16 circuit. In comparison with similar circuits recently suggested in17 the literature, the proposed circuit does not require any bulky18 component, such as a transformer, and consequently, it is a19 lower-cost solution and suitable to be integrated.Peer ReviewedPostprint (published version