SISTEMA Y PROCEDIMIENTO PARA LA CALIBRACIÓN DE ETAPAS DE ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE BIOPOTENCIALES ELÉCTRICOS.

Sistema y procedimiento para la calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos.

El sistema propuesto comprende medios para la definición de la banda espectral de captura de acuerdo con el tipo de biopotencial objeto de monitorización y medios para el ajuste de los niveles de ganancia en tensión previos a la digitalización de dicho biopotencial. Así mismo, la presente invención describe el procedimiento asociado a la definición de la banda espectral de captura de acuerdo con el tipo de biopotencial objeto de monitorización y al ajuste de los niveles de ganancia en tensión previos a la digitalización de dicho biopotencial.

SISTEMA Y PROCEDIMIENTO PARA LA CALIBRACIÓN DE ETAPAS DE ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE BIOPOTENCIALES ELÉCTRICOS

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un sistema y un procedimiento para la calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos. El sistema propuesto comprende medios para la definición de la banda espectral de captura de acuerdo con el tipo de biopotencial objeto de monitorización y medios para el ajuste de los niveles de ganancia en tensión previos a la digitalización de dicho biopotencial. Así mismo, la presente invención describe el procedimiento asociado a la definición de la banda espectral de captura de acuerdo con el tipo de biopotencial objeto de monitorización y al ajuste de los niveles de ganancia en tensión previos a la digitalización de dicho biopotencial.

El campo técnico dentro del que se enmarca la presente invención es el de las tecnologías físicas, y más en concreto, el de las tecnologías de la información y las comunicaciones aplicadas a la bioingeniería.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Todo sistema de monitorización de biopotenciales eléctricos comprende una etapa para la adquisición y acondicionamiento de las señales capturadas por los electrodos; una sección de procesamiento digital, precedida por un convertidor analógico-a-digital, para el análisis y codificación de los datos, y un módulo de comunicaciones para la transferencia de información al usuario.

La presente invención se centra en la primera de dichas etapas, esto es, la sección de adquisición y acondicionamiento de señal y, más en concreto, en la descripción de medios y procedimientos de calibración para el acondicionamiento de señal.

Puesto que la etapa de adquisición y acondicionamiento de señal está en la cabecera de todo sistema de monitorización de biopotenciales eléctricos, los medios empleados para su implementación determinan en gran medida la precisión y la eficiencia del dispositivo sensor en su conjunto.

Aspectos de precisión están particularmente vinculados a los medios de adquisición, para los que se han propuesto numerosos aparatos y procedimientos conducentes a contrarrestar potenciales errores en la interfaz entre tejido humano y electrodo. Así, en el documento de estado de la técnica con número de publicación US 201110251817 A1 con título "Method and apparatus to determine impedance variations in a skin/electrode interface" se describe un sistema para corregir tensiones de offset y errores de ganancia originados por variaciones de impedancia en la interfaz. Así mismo, el documento de estado de la técnica con número de publicación EP 2298164 A2 con título "Cardiac monitoring Circuit with adaptive sampling" muestra un sistema de adquisición de actividad cardiaca que utiliza un canal secundario para la medida de bioimpedancia con el objetivo de suspender la monitorización ECG en tanto que el valor de impedancia no esté por debajo de un determinado umbral. Aún en otro documento de estado de la técnica con número de publicación US 8174416 B2 con título "Automatic common-mode rejection calibration" se presentan medios y procedimientos para compensar desbalances de tensión y mejorar la razón de rechazo del modo común en una etapa diferencial de adquisición de biopotenciales. En otro caso, el documento de estado de la técnica con número de publicación EP 2086111 B1 con título "Instrumentation amplifier" muestra un amplificador de instrumentación con balance de corriente para eliminar componentes en DC de las señales capturadas por un sistema de adquisición EEG.

Aspectos de eficiencia están más relacionados con los medios de acondicionamiento de señal, cuyo cometido es ajustar el funcionamiento del sistema de monitorización al tipo particular de biopotencial objeto de análisis. Consideraciones esenciales en el acondicionamiento realizado por la etapa de adquisición son, por un lado, la definición de la banda espectral de captura de acuerdo con la señal inspeccionada y, por otro, la selección del nivel de amplificación necesario para que las formas de onda recibidas se adapten al rango dinámico de la sección de procesado subsiguiente, y así evitar una pérdida sustancial de información.

El ajuste de ambos aspectos es particularmente relevante en sistemas multi-sensor, como los empleados en implantes intracraneales para predicción epileptogénica (véase, por ejemplo, el documento de estado de la técnica con número de publicación US 6671555 B2 con título "Closed loop neuromodulation for suppression ofepileptic activity) o en interfaces cerebro-máquina destinadas a mejorar la calidad de vida de pacientes con severos problemas de desplazamiento (véase, por ejemplo, el documento de estado de la técnica con número de publicación US 8332024 B2 con título "Low-power analog architecture for brain-machines interfaces"). Dado que las acciones a realizar por estos sistemas se basan en la interpretación de la actividad cerebral medida desde un colectivo de electrodos, las respectivas etapas de adquisición y acondicionamiento de señal deben operar con las mismas características de transferencia espectral a la mayor resolución posible, de forma que se mejoren tanto la selectividad como la especificidad del dispositivo multi-sensor.

Convencionalmente, el ajuste de ambos aspectos, banda espectral y ganancia, se realiza durante el proceso de fabricación de la etapa de adquisición y acondicionamiento de señal e implica el uso de componentes discretos de alta precisión, de técnicas de ajuste de elementos de circuito (trimming) y/o de procedimientos de corrección usando datos de calibración almacenados en memorias locales. Así, por ejemplo, el documento con número de publicación US4237900, con título "Implantable calibration means and calibration method for an implantable body transducef describe un sistema en el que la medida de biopotencial eléctrico se realiza en base a las características en tensión de un condensador incorporado a un circuito resonante LC; características que previamente han sido almacenadas en una memoria ROM durante el proceso de fabricación. Este procedimiento de ajuste, sin embargo, aumenta el coste de producción del sistema de monitorización en su conjunto y adolece de falta de adaptación frente a cambios en las condiciones ambientales.

Una segunda posibilidad más orientada a integración monolítica y que potencialmente ofrece mayor flexibilidad consiste en trasladar las tareas de ajuste de las características de amplificación y filtrado del sistema de monitorización a la sección de procesamiento digital posterior a la etapa de adquisición y acondicionamiento de señal. Ejemplos de realización de esta estrategia se muestran en los documentos del estado de la técnica US 7171166 B2 con título "Programmable wireless electrode system for medical monitoring" y

US 2008/0140159 A1 con título "Implantable device for monitoring biological signáis". El inconveniente de esta estrategia es que conlleva un sobredimensionado del sistema de monitorización, dado que se requieren medios de digitalización que han de cubrir rangos de tensión y frecuencia muy superiores a los estrictamente necesarios para monitorizar el biopotencial eléctrico bajo observación, lo que da lugar a altas resoluciones de procesamiento digital y, consecuentemente, a factores de forma y consumos de potencia elevados.

Una tercera posibilidad que trata de combinar las ventajas de los procedimientos anteriores consiste en dotar de programabilidad a la etapa de acondicionamiento de señal. De acuerdo con esta opción, la selección de las características de filtrado y amplificación se restringe a la etapa de acondicionamiento y no supone un incremento de resolución en los medios de procesamiento y digitalización del sistema de monitorización ni aumenta el coste de producción del sistema sensor. Así, en el documento de estado de la técnica US 2010/0106041 A1 con título "Systems and methods for multichannel wireless implantable neural recording" se muestran medios para la programación continua de la ganancia de la etapa de acondicionamiento de 68 a 77dB, medios analógicos para la definición del límite inferior de la banda espectral de captura en un rango entre 0.1 Hz y 1kHz y medios digitales para la sintonización de la frecuencia de corte superior de dicha banda en el rango entre 0.7 y 10kHz. En otro ejemplo, reportado en el documento de estado de la técnica EP 2298164 A2 con título "Cardiac monitoring Circuit with adaptive sampling", se muestran medios basados en condensadores conmutados para sintonizar el límite superior de la banda espectral de captura entre 1.87Hz and 3.94Hz y medios para ajustar digitalmente la ganancia de la etapa de acondicionamiento...

1.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, donde la entrada de la etapa de adquisición y acondicionamiento se conecta a un electrodo que captura una señal bioeléctrica y la salida de la etapa de adquisición y acondicionamiento se conecta a una etapa de procesamiento de señales bioeléctricas, estando la etapa de adquisición y acondicionamiento y la etapa de procesamiento integradas en un sistema de monitorización de biopotenciales eléctricos, donde adicionalmente la entrada de la etapa de adquisición y acondicionamiento comprende:

un amplificador de bajo ruido para amplificar la señal bioeléctrica capturada;

un circuito de estimación de artefactos de la señal bioeléctrica cuya entrada se conecta a un electrodo de referencia y cuya salida se conecta a la salida del amplificador de bajo ruido;

un amplificador de ganancia variable conectado a la salida del amplificador de bajo ruido para ajustar unos niveles de tensión de la señal bioeléctrica una vez sustraída una señal proveniente de la salida del circuito de estimación de artefactos; y,

un convertidor analógico-digital conectado a la salida del amplificador de ganancia variable;

caracterizado por que el sistema de calibración comprende,

un modulo de calibración de la señal de salida del convertidor analógico-digital que programa automáticamente unos parámetros de ajuste que definen una frecuencia de corte inferior del amplificador de bajo ruido, una frecuencia de corte superior de del convertidor analógico-digital y una ganancia del amplificador de ganancia variable; y,

un sintetizador de frecuencia basado en barrido digital para generar formas de onda sinusoidales cuya entrada se conecta a la salida del módulo de calibración y cuya salida se conecta a la entrada del amplificador de bajo ruido y a la entrada del circuito de estimación de artefactos.

2.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 1, caracterizado por que a la entrada del módulo de calibración se introduce:

- una señal de reloj CLTK correspondiente a un tren de pulsos con frecuencia FTC conocida;

- una señal CONF correspondiente a una entrada secuencial de datos; y,

- una señal de control DATA generada por el convertidor analógico-digital.

3.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 2, caracterizado por que el sintetizador de frecuencia al menos comprende:

un divisor de frecuencia programable que genera una señal de reloj CLKDIV a partir de la señal de reloj CLKTC y de una señal de frecuencia NFREQ generadas previamente por la etapa de procesamiento de señales bioeléctricas;

un convertidor fase-amplitud conectado a la salida del divisor de frecuencia programable que genera una forma de onda sinusoidal cuantizada en tiempo- discreto;

un convertidor digital-analógico con P-bits de resolución conectado a la salida del convertidor fase-amplitud temporizado por la señal de reloj CLKDIV;

un circuito de adaptación que elimina réplicas espectrales generadas por retenciones de una señal generada en el convertidor digital-analógico.

4.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de

biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 3, caracterizado por que el divisor de frecuencia programable comprende medios de detección de sobredisparos en un acumulador digital de L-bits de resolución, temporizado por la señal de reloj CLKTC y cuya palabra de control de paso es la señal de frecuencia NFREQ.

5.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de

biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 4, caracterizado por que la señal de reloj

CLKDIV tiene una frecuencia FDIV=NFREQ/2L, donde FTC es la frecuencia de la señal de reloj CLKTC.

6.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de

biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 3, caracterizado por que el circuito de adaptación comprende un amplificador operacional para convertir corriente a tensión y condensadores en el camino de realimentación del amplificador operacional.

7.- Sistema de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 1, caracterizado por que el amplificar de ganancia variable comprende un lazo de cancelación de offset para eliminar componentes en DC a la entrada del convertidor analógico digital.

8.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, que hace uso del sistema de calibración descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que comprende las siguientes fases:

conectar las entradas del amplificador de bajo ruido a las salidas del sintetizador de frecuencia, y simultáneamente deshabilitar el circuito para la estimación de artefactos;

sintonizar unas frecuencias de corte que definen una banda pasante de la etapa de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos;

conectar las entradas del amplificador de bajo ruido al electrodo que captura una señal bioeléctrica y al electrodo de referencia y desconectar las entradas del amplificador de bajo ruido de las salidas del sintetizador de frecuencia y simultáneamente habilitar el circuito para la estimación de artefactos ; y,

ajustar la ganancia en tensión del amplificador de ganancia variable en el módulo de calibración.

9.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 8, caracterizado por que la fase de sintonización de las frecuencias de corte que definen la banda pasante de la etapa de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos adicionalmente comprende las siguientes etapas:

inicializar los elementos que conforman el sistema de calibración de la etapa de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos;

sintonizar una frecuencia de corte de baja frecuencia BF; y,

sintonizar una frecuencia de corte de alta frecuencia AF.

10.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 9, caracterizado por que la etapa de

inicialización de los elementos que conforman el sistema de calibración comprende la siguientes subfases:

configurar la señal de frecuencia digital NFREQ a través de la señal CONF y generar el sintetizador de frecuencias un tono de señal que se sitúa en la banda pasante de la etapa de adquisición y acondicionamiento, realizándose la carga en el sintetizador de frecuencias de la señal de frecuencia digital NFREQ mediante el disparo del pulso FLOAD\

definir unas palabras binarias de control BFC<V.NBF> y AFC<V.NAF> para que la característica de transferencia de la etapa de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos tenga el ancho de banda menos restrictivo;

esperar un tiempo transitorio marcado por un cambio de estado de una señal lógica TRAN del nivel alto al nivel bajo, siendo la señal TRAN una señal de salida del sintetizador de frecuencias;

calibrar el amplificador de ganancia variable mediante la obtención de una palabra digital PGC; y,

capturar mediante el convertidor analógico-digital, un valor máximo de amplitud Va, obtenido a la salida del amplificador de ganancia variable, y almacenar dicho valor en el módulo de calibración.

11.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 9, caracterizado por que la etapa de sintonizar la frecuencia de corte de baja frecuencia BF comprende las siguientes subetapas:

i) configurar la señal de frecuencia digital NFREQ a través de la conexión serie CONF de forma que el sintetizador de frecuencias genere un tono de señal a la frecuencia de corte BF deseada, realizándose la carga de la señal de frecuencia digital NFREQ mediante el disparo del pulso FLOAD;

ii) definir una palabra de control BFC<'\.NBF> de forma que un codo paso-alta de la característica de transferencia de la etapa de adquisición y acondicionamiento de señal esté a la mayor frecuencia posible, esto es, BFC = "11...1";

iii) definir una palabra de control AFC<'\.NAF> de forma que el codo paso-baja de la característica de transferencia de la cabecera de la etapa de adquisición y

acondicionamiento de señal esté a la menor frecuencia posible, esto es, AFC = "00... 0";

iv) esperar un tiempo transitorio marcado por el cambio de estado de una señal lógica TRAN del nivel alto al nivel bajo, siendo la señal TRAN una señal de salida del sintetizador de frecuencias;

v) detectar y almacenar un valor digitalizado del valor máximo de amplitud VaiBF obtenido a la salida del amplificador de ganancia variable, almacenándose el valor digitalizado en el módulo de calibración; y,

vi) comparar, en el módulo de calibración, el valor digitalizado de VaBF con una versión escalada de Va, siendo el factor de escala a inferior a la unidad y representativo de una atenuación de la característica de transferencia de la etapa de adquisición y acondicionamiento de señal en el codo paso-alta;

o si Va>BF < a- Va se decrementa en un bit menos significativo la palabra digital BFC y se ejecuta de nuevo la subetapa v); o si VaBF > a-Va se almacena el último valor definido de BFC en el módulo de calibración siendo este valor BFC el valor que sintoniza la frecuencia de corte de baja frecuencia BF.

12.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 9, caracterizado por que la etapa de sintonización de la frecuencia de corte de baja frecuencia AF comprende las siguientes subetapas;

i) configurar la señal de frecuencia digital NFREQ a través de la señal CONF para que el sintetizador de frecuencias genere un tono de señal a la frecuencia de corte AF, realizándose la carga de la señal de frecuencia digital NFREQ en el sintetizador de frecuencias mediante el disparo del pulso FLOAD;

ii) definir una palabra de control AFC<'\\NAF> para que el codo paso-baja de la característica de transferencia de la etapa de adquisición y acondicionamiento esté a la menor frecuencia posible, AFC = "00... 0";

iii) definir una palabra de control BFC<'\\NBF> con el último valor de la palabra digital BFC previamente almacenado en el módulo de calibración;

iv) esperar un tiempo transitorio marcado por el cambio de estado de la señal lógica TRAN del nivel alto al nivel bajo;

v) detectar y almacenar un valor digitalizado del valor máximo de amplitud Va¡AF obtenido a la salida del amplificador de ganancia variable almacenándose el valor digitalizado en el módulo de calibración; y,

vi) comparar el valor digitalizado de VaAF con una versión escalada de la versión digital de la amplitud Va.siendo el valor de escala a;

o si Va¡AF < a- Va se incrementa en un bit menos significativo la palabra digital AFC y se ejecuta de nuevo las etapa v); o si Va¡AF > a- Va se almacena el último valor definido para la palabra digital AFC en el módulo de calibración, siendo este valor AFC el valor que sintoniza la frecuencia de corte de alta frecuencia AF.

13.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 10, caracterizado por que la subfase de calibración del amplificador de ganancia variable comprende la siguientes subetapas:

i) inicializar un índice IPG con valor `0 lógico;

ii) fijar el bit más significativo de una palabra digital PGC al valor lógico `1 y fijar el resto de bits al valor lógico `0, esto es, PGC ="10...0"; y,

iii) incrementar el índice IPG en 1,

o si NPG-IPG < 1, se almacena el último valor definido para la palabra digital PGC dándose el amplificador por calibrado; o si NPG-IPG > 1,

generar una palabra digital PGCI de longitud NPG-IPG con el valor del bit más significativo a `1 lógico y el resto de bits a `0 lógico;

detectar y almacenar un valor digitalizado de un máximo de amplitud VPk,PG obtenido a la salida del amplificador de ganancia variable; y,

comparar el valor digitalizado de VpKPG con un fondo de escala VFS del convertidor analógico-digital;

o si VpKPG < VFS se incrementa PGC en PGCI y se vuelve a la subetapa

iü);

o si VpKPG = VFS se decrementa PGC en PGCI y se vuelve a la subetapa iii).

14.- Procedimiento de calibración de etapas de adquisición y acondicionamiento de biopotenciales eléctricos, según la reivindicación 8, caracterizado por que la fase de

ajuste de la ganancia en tensión del amplificador de ganancia variable comprende las siguientes etapas:

i) inicializar una palabra digital PGC con todos sus bits al valor lógico `1, de forma que la ganancia PG del amplificador de ganancia variable toma su valor máximo;

ii) detectar unos valores máximo y mínimo de señal Vpk,max y Vpkmin, respectivamente, a la salida del amplificador a lo largo de un periodo de tiempo previamente definido;

iii) enviar información relativa al periodo de tiempo de detección al módulo de calibración a través de la señal CONF, codificada como número de ciclos de la señal de reloj CLKTC; y,

iv) comparar los valores digitalizados de VpKmax y Vpkmin con dos valores escalados del valor de fondo de escala VFS del convertidor analógico-digital, siendo un primer factor de escala p cercano e inferior a la unidad, y un segundo factor de escala y cercano y superior a cero,

a. si VpKmax > p-VFS o Vpk min < y-VFS, se disminuye el valor de PGC en un bit menos significativo y se vuelve a la etapa ii);

b. si Vpk,max < p-VFS o Vpkmin > y-VFS, se notifica a a través del canal DATA que la fase de auto-calibración se ha realizado.