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
