Electrical Stimulator and Surface Electromyography Integrated Circuits for Musculoskeletal Healthcare
Tid: Fr 2024-10-18 kl 10.00
Plats: Ka-Sal C (Sven-Olof Öhrvik), Kistagången 16, Kista
Språk: Engelska
Ämnesområde: Informations- och kommunikationsteknik
Respondent: Yu-Kai Huang , Elektronik och inbyggda system, Mixed-Signals ICs and Systems
Opponent: Professor Ángel Rodríguez-Vázquez, University of Seville, Sevilla, Spain
Handledare: Associate Professor Saul Rodriguez, Elektronik och inbyggda system; Professor Ana Rusu, Elektronik och inbyggda system
QC 20240925
Abstract
Denna avhandling presenterar ett innovativt tillvägagångssätt för utveckling av ett fullt integrerat flerkanals neuromuskulärt elektriskt stimulator (NMES) system och ett flerkanals ytelektromyografi (sEMG) insamlingssystem för applikationer inom muskuloskeletal hälsovård. Huvudmålet är att integrera terapeutiska och diagnostiska verktyg i en kompakt bärbar enhet, vilket möjliggör sluten elektrisk terapi. Genom att utnyttja framsteg inom halvledarteknologi undersöker denna avhandling implementeringen av applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC) för att kombinera högspännings (HV) NMES och lågspännings sEMG-signalupptagningskretsar på ett enda chip med hjälp av en 180 nm bipolär-CMOS-DMOS-teknologi.
Forskningen adresserar flera centrala utmaningar i befintliga NMES- och sEMG-system: behovet av en kompakt flerkanals NMES-enhet; behovet av säker elektrisk muskelstimulering; behovet av spatiotemporal information genom flerkanals signalupptagning; samt behovet av hög kanalantal och effektiv chipytanvändning. För att övervinna dessa utmaningar och främja NMES-teknologin, föreslår denna avhandling flera innovativa kretsslösningar, inklusive en konfigurerbar HV-tolerant flerkanals stimulator, en integrerad failsafe skyddskrets och en induktorlös on-chip HV-generator. Dessutom utforskas kanaldelningstekniker omfattande, och ett nytt frekvensdelningsmultiplexat flerkanals biopotential-insamlingssystem utvecklas, som kännetecknas av låg brusnivå, låg strömförbrukning och minimerad systemkomplexitet.
En betydande insats i denna avhandling är integrationen av flerkanals NMES- och sEMG-system i en ASIC, vilket leder till utvecklingen av ett realtids inbäddat system för bärbara medicinska applikationer. Detta inbäddade system inkorporerar den föreslagna ASIC för tvåvägsgränssnitt med muskler och en standard mikrokontroller för datainsamling, signalbehandling och styrning av stimulansmönster. Det föreslagna systemet underlättar kontinuerlig insamling av vitala fysiologiska förhållanden (t.ex. rörelseavsikt, kontraktionskraft och trötthetsnivå) i människans muskelsystem, vilket möjliggör snabba justeringar och interventioner via elektrisk stimulering. In-vivo experimentella resultat visar dess potential att förbättra resultaten av elektrisk terapi genom sluten styrning och banar väg för förbättrad patientvård.