Low power wearable wireless ECG system for long-term homecare

Wang, Yishan; Heinen, Stefan (Thesis advisor); Leonhardt, Steffen (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xxii, 116 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Diese Arbeit hat ein neuartiges tragbares drahtloses EKG-System vorgeschlagen. Mit der Berücksichtigung der langfristigen Homecare-Anwendung bemüht es sich, die Größe und den Energieverbrauch des Sensorknotens zu steuern. Als Ergebnis dieser Arbeit widmet sich in drei Aspekte: neue Elektrode Platzierungen Design, drahtlose EKG-System-Design und mehrere Power-Control-Technologien.In der neuen Elektrodenplatzierung Untersuchung wurde sich ein Experiment entwickelt, um die besten Gliedmaß-Elektroden-Placements zu untersuchen. Das Experiment verglich 14 verschiedene Plazierungen für Gliedmaßelektroden. Die detektierten Signale verschiedener Plazierungen wurden mit dem Standard-Bleisystem verglichen. Die besten Plazierungen für vier Gliedmaßelektroden wurden entsprechend den Korrelationskoeffizienten zwischen dem Standard und den neuen Plazierungen ausgewählt.Im drahtlosen EKG-Systemdesign wurde für die EKG-Signale ein geräuscharmes analoges Frontend implementiert, wobei praktische Probleme wie dc-Offset, verursacht durch Körperbewegungen, EMI gekoppelt von der Leistungsleitung und Elektrodenimpedanzfehlanpassung, berücksichtigt wurden. Das Messergebnis zeigte eine hervorragende Leistung auch unter Körperbewegungen. Mit den neuen Elektrodenplatzierungen und der geräuscharmen Analogfront wurden zwei drahtlose EKG-Systeme mit ZigBee und BLE realisiert. Die Größen beider Sensorknoten wurden in 5,5 cm • 2,5 cm gesteuert, wodurch der Sensorknoten bequem am Körper getragen werden konnte, ohne die Mobilität des Benutzers zu beeinträchtigen. Die EKG-Signale wurden in Echtzeit auf dem PC oder Smartphone angezeigt.Diese Arbeit angewandt mehrere Power-Control-Technologien auf analoge und digitale Wege, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Zunächst wurde die einstellbare Leistungsregelung in den ZigBee- und BLE-Sensorknoten mit einer Batterielebensdauer von 52 Stunden bzw. 55 Stunden betrieben. Zweitens wurde die dynamische Sendeleistungssteuerung im ZigBee-System verwendet, um die Tx-Ausgangsleistung dynamisch entsprechend der Empfangs-Signalstärkeanzeige einzustellen. Es sparte 20% - 30% Leistung bei regelmäßigen Bewegungen. Drittens wurde Compressed Sensing (CS) angewendet, um die Größe der übertragenen Daten zu reduzieren. Digital CS wurde erstmals im BLE-System implementiert. EKG-Signale wurden in Echtzeit mit geringer Verzerrung unter einem Kompressionsverhältnis von 2 erfolgreich rekonstruiert. Die Batterielebensdauer wurde um 12 Stunden verlängert. Analog CS wurde auch durch einen integrierten Encoder mit 0,13 μm CMOS-Technologie realisiert. Anstelle der Verwendung von 64 parallelen SAR-ADCs wurde nur ein SAR-ADC verwendet. Die Gesamtleistungsaufnahme betrug 23,5 μW. Schließlich wurde ein integriertes analoges Frontend in 0,13 μm CMOS-Technik konzipiert und implementiert. Der Offset und das 1 / f-Rauschen des ersten Gm wurden notiert. Ac-Kopplungsschaltung und gehackter Strom gekoppelter Instrumentationsverstärker waren die Lösungen, um die Geräusche, die in EKG-Signalen auftraten, zu reduzieren. Die Messergebnisse zeigten, dass der Chip nur 5 μA Strom verbrauchte und 46,3 dB Verstärkung und 0,56 Hz - 90 Hz Bandbreite lieferte. Darüber hinaus wurden hohe Gleichspannungs-Gleichspannungs-Offset (500 mV) und Gleichtaktspannung (0,2 V - 1,0 V) erreicht, um eine hohe Toleranz für Körperbewegung und Elektrodenfehlanpassung zu schaffen.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2017-02015