طراحی مدار واسط برای ثبت سیگنال ecg با مصرف توان کم و حجم داده کم

سیگنال های زیستی اطلاعات مفیدی برای تشخیص بیماری ها دارند. در بسیاری از موارد نیاز به ثبت طولانی مدت این سیگنال ها می ‏باشد. اندازه‏ گیری و ارسال پیوسته و طولانی مدت سیگنال‏ های زیستی نیاز به صرف انرژی بالایی دارد که با توجه به محدودیت حجم و وزن این نوع دستگاه‏ های قابل حمل و کاشتنی نمی ‏توان از باتری بزرگ و سنگین با طول عمر بالا استفاده نمود. بنابراین باید توان مصرفی مدار را کاهش داد. همچنین با پیشرفت تکنولوژی کار طراحی مدارهای آنالوگ پیوسته سخت تر می شود و روش های آنالوگ عموماً منجر به واحدهایی با مساحت تراشه زیاد و قابلیت برنامه ریزی محدود می شوند. از طرفی مدارهای دیجیتال با روند تکنولوژی همگام هستند. این موضوع ما را به سمت طراحی تمام دیجیتال کشانده است که منجر به کاهش توان مصرفی و مساحت تراشه می شود. علاوه بر اعمال راه ‏کارهای طراحی مناسب از نظر توان و مساحت اشغالی بلوک ‏های مختلف سیستم ‏های ثبت سیگنال زیستی، فشرده‏ سازی سیگنال نیز یک روش مستقیم برای کاهش مصرف توان به کمک کاهش میزان داده‏ ی ارسالی می‏ باشد. در این راستا، در این رساله، دو مرحله برای انجام پژوهش در نظر گرفته شده است. در مرحله اول، سعی شده که مدار واسط یک سیستم ثبت سیگنال زیستی با مساحت و توان مصرفی پایین به صورت تمام دیجیتال طراحی و پیاده ‏سازی شود. بنابراین، بلوک دیاگرام یک سیستم ثبت سیگنال تمام دیجیتال پیشنهاد شده است که بر اساس آن، پردازش سیگنال پزشکی در حوزه زمان و دیجیتال انجام می شود. برای این منظور ابتدا سیگنال توسط یک مبدل ولتاژ به زمان به حوزه زمان منتقل شده و راه کارهایی برای پردازش هایی مثل تقویت، فیلتر ضد تداخل، حذف اثر آفست dc الکترود، مدار افزایش نسبت حذف نویز تغذیه (psrr) و حذف اثر تغییرات محیطی و فرآیند ساخت در این حوزه ارائه شده است. سپس، با انتقال سیگنال به حوزه دیجیتال سایر پردازش ها مانند فیلترهای بالاگذر و پایین گذر دیجیتال انجام می شود. استفاده از این روش منجر به حذف بلوک های پر مصرف آنالوگ و همچنین حذف خازن های بزرگ کوپلاژ گردید. برای نشان دادن کارایی این روش، بخش ابتدایی مدار واسط ثبت سیگنال قلب علاوه بر سطح سیستمی، در سطح مداری و در تکنولوژی 0.18 ?m cmosبا ولتاژ تغذیه 0.5v به صورت دیجیتال طراحی و شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که توان مصرفی سیستم 274nw، psrr آن برابر با 67.7db و لرزش پالس ساعت 5ns می باشد. همچنین، روش حذف اثر آفست پیشنهادی میزان آفست را از 50mv به محدوده قابل تحمل مدار (5mv) رسانده است. در مرحله دوم، با توجه به اینکه همه‏ ی قسمت ‏های سیگنال زیستی دارای اهمیت یکسانی نیستند و اصطلاحاً در حوزه زمان تُنُک می ‏باشند، نمونه‏ برداری با نرخ ثابت نایکوئیست، داده‏ های تکراری را تولید خواهد کرد که منجر به افزایش حجم پردازش و توان مصرفی خواهد شد. در این راستا، الگوریتم نمونه ‏برداری وفقی جدیدی که متناسب با نرخ تغییرات سیگنال، نرخ نمونه‏ برداری را تغییر می ‏دهد با قابلیت پیاده‏ سازی در بخش آنالوگ سیستم، پیشنهاد شده است. الگوریتم پیشنهادی توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی و مدار کنترل دیجیتال در تکنولوژی 0.18 ?m cmos با تغذیه 1v طراحی و شبیه سازی شده است. نتایج شبیه ‏ سازی نشان می ‏دهد روش نمونه برداری وفقی قادر به فشرده سازی داده ecg با ضریب ???? است، ضمن اینکه دقت بازیابی نیز خوب prd برابر با %2.67 می ‏ باشد. همچنین، متوسط توان مصرفی %90.5 کاهش یافته است.