Real-time synchronization of data streams in low-power ECG and PPG sensors

Abstract

Nyvinninger i innvevde systemer har banet vei for energieffektive og trådløse sensornettverk. Innen helseteknologi har det skjedd stor utvikling, og stadig flere innovative metoder for pasientovervåkning når markedet. Tidligere arbeid har vist at høyt blodtrykk, som er en av de mest utbredte og dødelige lidelsene i dagens samfunn, kan måles og diagnostiseres ved hjelp av synkroniserte EKG- og PPG-sensorer ved å se på tidsforsinkelsen fra et hjerteslag til blodstrømmmen når et perifert område.

Dette arbeidet fokuserer på å designe og implementere en synkroniseringsalgoritme for trådløse og lavenergi EKG- og PPG-sensorer slik at datastrømmene fra dem kan synkroniseres i tidsdomenet. Dette skal gjøres samtidig som at det gjennomsnittlige strømtrekket holdes under 100 µA, og aldri overskrider 10 mA. Det ble funnet at, dersom synkroniseringsnøyaktigheten er høyere enn 2 millisekunder, så kan datastrømmene brukes som grunnlag for estimering av blodtrykk. En spesialtilpasset radioprotokoll ble utviklet for Nordic Semiconductor sin nRF52-serie SoC kombinert med en implementasjon av synkroniseringsprotokollen TTS basert på lineær regresjon for estimering av relativ klokkedrift og -forskyvelse. Denne synkroniseringsprotokollen ble testet på utviklingskort fra Nordic Semiconductor, og synkroniseringsnøyaktigheten viste seg å være tilfredsstillende med gjennomsnittlig feil på 12.0 µs og med standardavvik på 21.2 µs. Videre samarbeider synkroniseringsalgoritmen og RF-protokollen for å oppnå mer robust og energieffektiv kommunikasjon enn det som er mulig med nåværende teknologi, ved å eliminere behovet for vindu-utvidelse for slavenoder. I ekstreme tilfeller gir dette ti ganger kortere tidsluke for kommunikasjon sammenlignet med andre vanlige kommunikasjonsprotokoller og synkroniseringsalgoritmer.

Recent advances in the field of embedded systems have paved the way for increasingly power efficient wireless sensor networks. In the field of health care, the market has seen a surge of innovative patient monitoring solutions as an effect of this development in response to the increasing demand for health care services. Previous work has shown that high blood pressure or hypertension, which is one of the most prevalent and deadly medical conditions in today's society, is diagnosable through the use of synchronized ECG and PPG sensors by studying the pulsatile transit time.

The focus of the work presented in this thesis has been to design and implement a synchronization scheme targeted at low-power and wireless ECG and PPG sensors to synchronize the data streams in time while maintaining low peak current consumption ($< 10$ mA) and low average current ($< 100$ µA). It was found that data streams synchronized to within 2 ms or less can be used to achieve satisfactory pulsatile transit time estimates for blood pressure estimates. A custom RF protocol combined with an implementation of the traditional time synchronization scheme using simple linear regression for clock skew and offset estimation was designed and implemented on the Nordic Semiconductor nRF52 series SoC. This synchronization scheme was deployed on hardware development kits for testing, and the achieved synchronization error was satisfactory (mean 12.0 µs, stddev 21.2 µs). Furthermore, the efforts of the RF protocol and the synchronization scheme were combined to yield more robust communication at lower energy consumption than what is possible using current state-of-the-art synchronization schemes. This is by virtue of eliminating the need for canonical window widening, which in extreme cases yields a tenfold reduction in total timeslot length compared to other common synchronization schemes and communication protocols.