Bio-impedance Signal Decomposer: Enhanced Accuracy and Reduced Latency Solution

Parandatud täpsuse ja vähendatud latentsiga bioimpedantssignaali lahutaja

Andrei Krivoshei

《Estonian Journal of Engineering》 17卷3期 (2011/09) Pp. 201-219

摘要

südametegevusele ja hingamisele vastavateks komponentideks. Lahutamise raskus ja mittetriviaalsus on põhjustatud bioimpedantssignaali komponentide mittestatsionaarsusest ning nende spektrite ülekattuvusest. Ühe võimaliku probleemi lahendusena on antud ülevaade bioimpedantssignaali lahutajast (BISD). Koos BISD-süsteemiga on vaadeldud ka rakendusspetsiifilist, ortonormaalset baasi kasutavat mudelit südamesignaali kirjeldamiseks. Artikli põhiosas on südamesignaali amplituudi määramiseks esitatud poolsünkroonne hindamisalgoritm, mis baseerub kirjeldatud mudelil ja maksimumide otsimise algoritmil artikli samas osas. Eelnevale tuginevalt on välja töötatud südamesignaali lock-in-detektori ja saadud südamesignaali sageduse järeltöötluse algoritm. Kirjeldatud algoritmid võimaldavad BISD-süsteemi reaktsioonikiirust muutuvale sisendsignaalile parandada kuni kaks korda. Ka väga erinevate algsignaalide korral suudab BISD-süsteem anda adekvaatse hinnangu amplituudile ainult mõne südamelöögi järel. BISDsüsteem kohandub uuele signaalile umbes 8 sekundiga (kaasa arvatud 4-sekundiline ”pehme start”). Pakutud täiustused lubavad BISD-süsteemi latentsust vähendada kahelt sekundilt ühele sekundile.

並列摘要

The paper presents an overview of the electrical bio-impedance (EBI) signal decomposition into its cardiac and respiratory components. This problem mainly originates from the nonstationarity of the signal components and overlapping of their harmonic spectra. In the introductory part of the paper, an overview of the bio-impedance signal decomposer (BISD), as a solution of the problem, is accompanied with an introduction to a cardiac BI signal model, which is constructed from the components of the application-specific orthonormal basis. In the main part of the paper a semi-synchronous cardiac signal amplitude estimator, which is based on the cardiac signal model and on the proposed extrema searching algorithm, is proposed. After that, the cardiac signal lock-in detection algorithm is proposed. Finally, a conditioning of the estimated cardiac signal frequency is discussed. The proposed amplitude estimator, lock-in detector and frequency conditioning increase twice the reaction speed of the BISD to the input EBI signal. The proposed version of the BISD estimates the cardiac signal amplitude during only a few cardiac periods, even if very large difference between amplitudes exists in different conditions. As a result, the entire BISD becomes locked during 8 s (including 4 s of soft start). The proposed improvements allowed reducing the latency of the BISD from 2 to 1 s.

並列關鍵字

bio-impedance ； signal decomposition ； heart rate monitoring ； amplitude estimator ； lock-in detector ； model-based signal processing