Instrumentación para neuroprótesis vestibles

Abstract

La tesis pretende contribuir al conocimiento en adquisición de biopotenciales mediante técnicas no invasivas con aplicación a neuroprótesis (NPs). Las NPs son dispositivos que, interactuando con el cuerpo humano, permiten recuperar o reemplazar capacidades perdidas o disminuidas incrementando drásticamente la comodidad e independencia de las personas. Por lo tanto es de interés que las NPs se utilicen de forma muy sencilla y sin asistencia profesional, en correspondencia con el paradigma de los sistemas ``vestibles''. El objetivo general de la tesis es desarrollar etapas de instrumentación que permitan adquirir biopotenciales útiles a las NPs en forma robusta en las condiciones de medida impuestas por los sistemas vestibles. Por lo tanto, se desarrollan sistemas de adquisición de señal mixta en el estado del arte como plataformas para validar los modelos y circuitos de acondicionamiento propuestos, y se diseñan, implementan y verifican experimentalmente circuitos de acondicionamiento analógico que permiten enfrentar este desafío. En primer lugar, se desarrolla un circuito de realimentación de modo común con ganancia aumentada como estrategia general para la robustez frente a interferencia electromagnética. En segundo lugar se proponen electrodos activos para la medición de señales de electromiograma, desarrollando herramientas de análisis e implementando amplificadores para electrodos de múltiples contactos. Finalmente, los electrodos secos son el factor clave del registro de biopotenciales en sistemas vestibles. Por lo tanto, se desarrolla un electrodo activo con impedancia de entrada aumentada utilizando bootstrap de fuente y conservando una topología de baja complejidad.

This thesis contributes to the topic of non-invasive biopotential acquisition techniques applied to Neuroprostheses (NPs). NPs are technological devices that, through interaction with the body, allow to recover or replace lost or diminished capabilities, thus dramatically increasing the comfort and independence of a person. It is desirable for NPs to be able to be used in a simple manner without professional assistance, in correspondence with the paradigm of wearable devices. The general objective of the thesis is to develop instrumentation circuits which allow to acquire the biopotential signals that NPs need robustly, even under the measurement conditions imposed by wearable systems. Therefore, state of the art mixed-signal acquisition systems are developed as a platform upon which models and conditioning circuits can be validated, and a set of analog conditioning circuits are designed, implemented, and experimentally tested. First, a common mode feedback circuit with increased gain is developed as a general strategy for increased robustness against electromagnetic interference. Next, active electrodes for electromyography signal measurement are proposed. An analysis tool as well as an implementation alternative for multiple-input electrodes are proposed. Finally, dry-contact electrodes are a key factor in wearable biopotential measurements. Hence, an active electrode with increased input impedance is developed using power supply bootstrapping and a low complexity topology.