Acquisition of biomedical signals using microphones of MEMS technology

Abstract

En el presente trabajo se estudia y desarrolla un sistema para la adquisición de señales biomédicas basado en micrófonos de tecnología MEMS (del inglés Micro-Electro-Mechanical Systems). Los micrófonos MEMS están diseñados para operar en frecuencias de audio, mientras que el contenido espectral de algunas señales biomédicas se encuentra en frecuencias fuera de este rango. Por lo tanto, cada señal biomédica requiere un abordaje especial. En particular, en este trabajo se analiza la capacidad de los micrófonos MEMS para adquirir señales de presión en la vía aérea, pulso arterial y sonidos cardíacos. Luego de la adquisición y muestreo de las señales, cada una es filtrada y amplificada considerando su ancho de banda y su amplitud, y la respuesta en frecuencia de los MEMS es compensada cuando es necesario. Al obtener simultáneamente las señales de sonido cardíaco y pulso arterial, el sistema desarrollado permite la medición del tiempo de tránsito de pulso (PTT, del inglés Pulse Transit Time) el cual puede ser utilizado para realizar una estimación continua de la presión arterial. Se desarrolló un dispositivo y se realizaron mediciones de las señales consideradas. Las señales de presión en la vía aérea no resultaron fisiológicamente comprensibles. En cambio, las señales de pulso arterial mostraron similitud con las observadas en la bibliografía. Para el sonido cardíaco se obtuvieron los sonidos s1, s2 y, en algunos casos, s3. Se pudo realizar la medición de PTT de manera no invasiva, siendo este trabajo, por tanto, simiente para desarrollos futuros.

A system for biomedical signal acquisition using MEMS microphones (Micro Electro-Mechanical Systems) as sensors is studied and developed. While these microphones are designed for audio, typical biomedical signals? spectrums are far below audio frequencies. Therefore, a special approach is required for acquiring biomedical signals using MEMS microphones. This paper is focused on consider these microphones for acquiring signals of pressure in the airway, arterial pulse, and heart sounds. After acquisition and sampling of the signals, each one is properly filtered and amplified considering its bandwidth and amplitude, and the frequency response of the MEMS is compensated when required. In addition, the developed system allows the measurement of the pulse transit time (PTT), allowing a continuous estimation of blood pressure, because it was possible simultaneously obtaining the heart sounds and the arterial pulse signal. Measurements on the signals acquired were performed. Airway pressure signals obtained were not physiologically understandable. On the other hand, arterial pulse signals showed similarity with those observed in the literature. The cardiac sound s1 and s2 were successfully obtained and, in some cases, s3 was also detected. It was possible to measure the PTT in a non-invasive way, resulting this work a first step for future works.