Electrical equivalent circuits for biosignal measurements

Abstract

Biosignal measurements are widely employed in several fields of study, including biomedical and wearable industries. The signals measured are generally of low amplitude and consequently call for careful design of the instrumentation electronics, in order to ensure adequate signal-to-noise ratio. In this Bachelor’s thesis work, a literature survey was conducted on the fundamentals of the electrical equivalent circuits of biopotential signals, focusing on skin surface electromyography. The objective of the study was to introduce widely employed electrical equivalent circuits for modelling the interplay between the biosignal source, the analog front end and the surroundings. Directional component values of the most important parts were also estimated.

The results showed that directional equivalent circuits may be formed, but in order to model the behavior more accurately, case sensitive considerations are required. While all parts of the signal chain must be assessed carefully, the most important part of biopotential measurements was found to be the electrode interface. Exact component values were found to be challenging to determine, due to the dynamic nature of the skin-electrode interface. The measurements are prone to sources of noise, artifacts and interference due to the low signal levels measured and high source impedance levels often encountered. Additional requirements are introduced by wearable electronics, including unobtrusiveness and small physical size of the device. Dry or noncontact electrode interfaces introduce additional challenges in forms of increased coupling impedances and motion artifacts.

Biosignaalimittauksia hyödynnetään laaja-alaisesti muun muassa lääketieteen ja puettavan elektroniikan sovelluksissa. Mitattavat signaalit ovat usein amplitudiltaan pieniä ja vaativat näin ollen huolellista elektroniikkasuunnittelua riittävän signaali-kohinasuhteen varmistamiseksi. Tässä työssä tarkasteltiin biosignaalilähteiden sähköisiä sijaiskytkentöjä, keskittyen ihon pinnalta mitattaviin lihassähkösignaaleihin. Työn tavoitteena oli selvittää, millaisia sijaiskytkentöjä biosignaalimittauksille voidaan muodostaa, sekä mitkä ovat kyseisten kytkentöjen tärkeimmät osat ja komponenttiarvot.

Työssä tutkittiin kirjallisuustutkimuksen menetelmin biosignaalien, analogisen etuvahvistusasteen ja ympäristön muodostamia sähköisiä sijaiskytkentöjä. Tutkimuksessa selvisi, että biosignaalien mittaaminen on haasteellista. Biosignaalilähteille pystyy muodostamaan yksinkertaisia suuntaa antavia sijaiskytkentöjä, mutta tarkemmin mittaustilannetta kuvaavat kytkennät vaativat tapauskohtaista arviointia. Jokainen signaaliketjun osa vaatii huolellista tarkastelua, mutta tärkeimmäksi yksittäiseksi osaksi biopotentiaalimittausten sijaiskytkentöjä tunnistettiin elektrodirajapinnat.

Eri biopotentiaalimittausten tarkkojen komponenttiarvojen määrittäminen havaittiin haasteelliseksi iho-elektrodirajapinnan epävakauden vuoksi. Lisäksi erilaiset häiriölähteet kytkeytyvät helposti mittaukseen muun muassa signaalilähteen suuresta impedanssista johtuen. Puettavan elektroniikan tuomat lisävaatimukset, kuten käyttömukavuus ja pieni fyysinen koko asettavat biosignaalimittalaitteille uusia vaatimuksia. Kuivat tai kapasitiiviset elektrodikontaktit tuovat mittauksiin sähköisiä ja mekaanisia lisähaasteita suurempien impedanssitasojen ja lisääntyneiden liikeartifaktien muodossa.