An electrode impedance measurement system suitable for electrical stimulation applications

Abstract

Die Abschätzung der Impedanz der Elektroden während der Elektrische Stimulation ist wichtig für die Sicherheit und Compliance-Control der Applikation. Diese Arbeit stellt eine Weiterentwicklung und Überprüfung einer neuen Elektrodenimpedanz Messsystem geeignet für die Aufnahme und Stimulation Elektroden Setups. Die Implementierung basiert auf dem integrierten 12-bit-Impedanzwandler Chip AD5934 (Analog Devices Inc., Norwood MA, USA). Die Hardware ist mit Strom versorgt und wird durch einen PC mit dem USB gesteuert. Eine graphische Benutzeroberfläche gestattet eine flexible Programmierung der Impedanz Messsystem und erfasst die komplexe Impedanz in dem Frequenz Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. Es war notwendig das System in den gewünschten Messbereich von 100 - bis 5.6 k- zu kalibrieren. Die Verifizierung vom System zeigte eine Genauigkeit von 3.3% und 1.9% für 100 - und 1 k-, für eine elektrische Spannung von 200 mV. Zusätzlich wurden Überprüft resisitv-kapazitive Lasten die ähnliche Ergebnisse zeigen. Das System ermöglich eine genaue Elektroden Impedanz Messung währen der elektrischen Stimulation. Deshalb, werden die Messungen zwischen den Stimulationsimpulse durchgeführt. Der Messzeitpunkt war mit einer Frequenz von 10 kHz kürzer als 20 ms und ermögliche Stimulationsraten bis 30pps. Das neue Design erfolgt eine genaue Impedanz Messungen der Stimulation oder Aufzeichnungselektroden. Die kompakte Hardware und Computer-basierte Steuerung erlaubt eine flexible Anwendung für neuroprothetischer Applikationen.

Estimation of the electrode impedance during electrical stimulation is important for safety and compliance control of the application. This thesis presents a development and verification of a new electrode impedance measurement system which is suitable for recording and stimulation electrode setups. The implementation is based on the integrated 12-bit impedance converter chip AD5934 (Analog Devices Inc., Norwood MA, USA). The hardware measurement is powered and controlled by a personal computer using the Universal Serial Bus data link. A graphical user interface allowed flexible programming of the impedance measurement systems and acquired the complex impedance in a range from 10 kHz to 100 kHz. First, the system had to be calibrated within the desired measurement range from 100 - to 5.6 k-. The verification of the system showed an accuracy of 3.3% and 1.9% for 100 - and 1 k-, respectively using an excitation voltage of 200 mV. In addition, resistive-capacitive loads were used for verification which shows similar results. The system allows accurate electrode impedance measurements during electrical stimulation. Therefore, the measurements are performed between the stimulation pulses. The timing of a measurement using 10 kHz was shorter than 20 ms which allows stimulation rates up to 30pps. The novel design achieved accurate impedance measurements of stimulation or recording electrodes. The compact hardware and computer-based control allows flexible application for neuroprosthetics devices.