Electromagnetic compatibility of a multimodal sensor front end for bioelectrical measurements

Abstract

Improving hospital workflows, patient safety and patient comfort are driving new solutions to clinical patient monitoring. Reduced size and weight of the instruments have already enabled monitoring in previously unmonitored areas, such as general wards.

This thesis studies electromagnetic compatibility (EMC) of a multimodal analog front end (AFE) component for vital signs monitoring. The AFE architecture features time-division multiplexing (TDM) for measuring electrocardiogram (ECG), impedance-based respiration rate (RR), and pulse oximetry within one unified architecture. The TDM architecture decreases the number of needed amplifiers, filters, and analog-to-digital converters within the chip, effectively reducing the size and therefore also the cost of the component. Reduced size and cost would be especially beneficial in disposable sensor patches.

To study the feasibility of the AFE, a wireless, battery-powered prototype of a combined ECG and RR sensor was developed. The prototype was tested against relevant EMC standards, with a focus on the electromagnetic immunity of the AFE.

The results show that the current design with unshielded electrode lead wires is highly susceptible to electromagnetic interference at certain resonant frequencies. It was not possible to reduce the level of interference to an acceptable level by adding passive filtering to the signal lines. However, no interference was observed when using shielded coaxial lead wires, excluding some corner cases with extremely high electric field strengths.

The thesis offers a thorough overview of the challenges with the tested design and indicates where to concentrate in future development. With shielded lead wires, the current design has the potential to pass the standard tests with minor modifications. The tested design would need substantial modifications in order to meet the EMC standard requirements with unshielded lead wires.

Sairaaloiden työvaiheiden sekä potilasturvallisuuden ja -hyvinvoinnin parantaminen ajavat kliinisten potilasvalvontaratkaisujen kehitystä. Uudenlaiset kevyt- ja pienikokoiset instrumentit ovat mahdollistaneet potilasvalvonnan myös ennen valvomattomilla alueilla kuten sairaalan vuodeosastoilla.

Tässä diplomityössä tutkitaan multimodaalisen analogisen etuasteen elektromagneettista yhteensopivuutta (EMC) vitaalielintoimintojen valvontaan. Etuasteen arkkitehtuuri mahdollistaa aikajakoisen kanavoinnin sydänsähkökäyrän, impedanssipohjaisen hengitystaajuuden sekä veren happisaturaation mittaamisen yhtenäisessä etuasteessa. Aikajakoinen kanavointi vähentää tarvittavien vahvistimien, suodattimien ja analogia-digitaalimuuntimien määrää sirussa, joka puolestaan pienentää komponentin kokoa ja siten lopulta myös sen hintaa. Pieni koko ja hinta on ehdottoman tärkeää kertakäyttöisissä iholle kiinnitettävissä sensoreissa.

Etuasteen soveltuvuuden tutkimusta varten kehitettiin langaton ja paristotoiminen sydänsähkökäyrää sekä hengitystaajuutta mittaavan sensorin prototyyppi. Prototyyppi testattiin relevantteja EMC-direktiivejä vastaan keskittyen etuasteen elektromagneettisen immuniteettiin.

Tulokset osoittavat, että nykyinen etuasteen kytkentä suojaamattomilla elektrodikaapeleilla on altis elektromagneettisille häiriöille tietyillä taajuusalueilla. Häiriön kytkeytyminen oli niin voimakasta, että edes etuasteeseen lisätyt passiiviset suodatuskomponentitkaan eivät auttaneet alentamaan häiriön tasoa lähelle hyväksyttyä tasoa. Käyttämällä suojattuja elektrodikaapeleita häiriöt kuitenkin pystyttiin eliminoimaan täysin, lukuun ottamatta muutamaa reunatapausta erittäin korkeilla sähkökentän voimakkuuksilla.

Tämä työ tarjoaa kattavan yleiskuvan olemassa olevista haasteista tutkitussa kytkennässä ja rajaa suuntaviivoja keskittymiseen tulevaisuuden kehitystyöhön. Käytettäessä suojattuja elektrodikaapeleita nykyinen etuasteen kytkentä voisi olla toteuttamiskelpoinen pienin muutoksin. Sen sijaan EMC-direktiivien vaatimusten täyttäminen suojaamattomilla elektrodikaapeleilla vaatii vielä paljon työtä.