Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models
The present Master Thesis focuses on the implementation of the Windkessel fractional-order model for arterial viscoelasticity, which consists of three elements. Its purpose is to implement the input impedance of the model, as it is a feature used to evaluate hemodynamic parameters and to identify va...
Main Author: | |
---|---|
Other Authors: | |
Language: | English |
Published: |
2021
|
Subjects: | |
Online Access: | http://hdl.handle.net/10889/14604 |
id |
nemertes-10889-14604 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Fractional-order circuits Operational transconductance amplifiers Windkessel models Bio-impedance Fractional-order capacitors CMOS analog integrated circuits Κυκλώματα κλασματικής τάξης Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας Windkessel μοντέλα Βιο-εμπέδηση Πυκνωτές κλασματικής τάξης Αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS |
spellingShingle |
Fractional-order circuits Operational transconductance amplifiers Windkessel models Bio-impedance Fractional-order capacitors CMOS analog integrated circuits Κυκλώματα κλασματικής τάξης Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας Windkessel μοντέλα Βιο-εμπέδηση Πυκνωτές κλασματικής τάξης Αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS Μπαξεβανάκη, Κλεονίκη Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
description |
The present Master Thesis focuses on the implementation of the Windkessel fractional-order model for arterial viscoelasticity, which consists of three elements. Its purpose is to implement the input impedance of the model, as it is a feature used to evaluate hemodynamic parameters and to identify vascular pathologies. The model consists of combining the connection of a resistor in series with two parallel branches of a resistor and a fractional-order capacitor. A fully electronically controlled circuit is introduced which offers the capability for implementing all the states of the arterial system for fractional-orders between 0 and 1. As fractional-order capacitors are not yet commercially available elements, many methods have been proposed to approach their behavior. In the present Thesis an innovative method is proposed for the approximation of the total input impedance of the model, which includes the fractional-order capacitor. This method is based on the concept of curve fitting approximation which approaches the frequency response of the impedance function of the circuit. The model is realized using Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) properly connected to each other. In order to achieve the implementation of the model with the minimum number of OTAs, an investigation is performed with two methods, the direct and the partial fraction expansion. The transistors of the OTAs
operate in the weak inversion region, achieving low power consumption and low supply voltage. The performance of the proposed scheme is verified through schematic and post-layout levels using Cadence IC design suite and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) 0.35μm CMOS technology. |
author2 |
Baxevanaki, Kleoniki |
author_facet |
Baxevanaki, Kleoniki Μπαξεβανάκη, Κλεονίκη |
author |
Μπαξεβανάκη, Κλεονίκη |
author_sort |
Μπαξεβανάκη, Κλεονίκη |
title |
Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
title_short |
Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
title_full |
Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
title_fullStr |
Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
title_full_unstemmed |
Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
title_sort |
realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models |
publishDate |
2021 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/14604 |
work_keys_str_mv |
AT mpaxebanakēkleonikē realizationsoffractionalorderviscoelasticarterialwindkesselmodels AT mpaxebanakēkleonikē ylopoiēseiswindkesselmontelōnklasmatikēstaxēsgiatēnartēriakēixōdoelastikotēta |
_version_ |
1771297136880648192 |
spelling |
nemertes-10889-146042022-09-05T05:00:15Z Realizations of fractional-order viscoelastic arterial windkessel models Υλοποιήσεις windkessel μοντέλων κλασματικής τάξης για την αρτηριακή ιξωδοελαστικότητα Μπαξεβανάκη, Κλεονίκη Baxevanaki, Kleoniki Fractional-order circuits Operational transconductance amplifiers Windkessel models Bio-impedance Fractional-order capacitors CMOS analog integrated circuits Κυκλώματα κλασματικής τάξης Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας Windkessel μοντέλα Βιο-εμπέδηση Πυκνωτές κλασματικής τάξης Αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS The present Master Thesis focuses on the implementation of the Windkessel fractional-order model for arterial viscoelasticity, which consists of three elements. Its purpose is to implement the input impedance of the model, as it is a feature used to evaluate hemodynamic parameters and to identify vascular pathologies. The model consists of combining the connection of a resistor in series with two parallel branches of a resistor and a fractional-order capacitor. A fully electronically controlled circuit is introduced which offers the capability for implementing all the states of the arterial system for fractional-orders between 0 and 1. As fractional-order capacitors are not yet commercially available elements, many methods have been proposed to approach their behavior. In the present Thesis an innovative method is proposed for the approximation of the total input impedance of the model, which includes the fractional-order capacitor. This method is based on the concept of curve fitting approximation which approaches the frequency response of the impedance function of the circuit. The model is realized using Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) properly connected to each other. In order to achieve the implementation of the model with the minimum number of OTAs, an investigation is performed with two methods, the direct and the partial fraction expansion. The transistors of the OTAs operate in the weak inversion region, achieving low power consumption and low supply voltage. The performance of the proposed scheme is verified through schematic and post-layout levels using Cadence IC design suite and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) 0.35μm CMOS technology. Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία εστιάζει το ενδιαφέρον της στην υλοποίηση του Windkessel μοντέλου κλασματικής τάξης για τη μελέτη της αρτηριακής ιξωδοελαστικότητας, το οποίο αποτελείται από τρία στοιχεία. Σκοπός είναι η υλοποίηση της εμπέδησης εισόδου του μοντέλου, καθώς είναι ένα χαρακτηριστικό που χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση αιμοδυναμικών παραμέτρων και για την ταυτοποίηση αγγειακών παθολογιών. Το μοντέλο αποτελείται από τον συνδυασμό της σύνδεσης μιας αντίστασης σε σειρά με δύο παράλληλους κλάδους μιας αντίστασης και ενός πυκνωτή κλασματικής τάξης. Με την τοπολογία που υλοποιήθηκε επιτυγχάνεται πλήρης ηλεκτρονικός έλεγχος, αφού με μια τοπολογία είναι δυνατόν να υλοποιούνται όλες τις καταστάσεις του αρτηριακού συστήματος για διάφορες τάξεις μεταξύ 0 και 1. Καθώς οι πυκνωτές κλασματικής τάξης δεν είναι ακόμα εμπορικά διαθέσιμοι, πολλές είναι οι μέθοδοι που έχουν προταθεί για την προσέγγισvη της συμπεριφοράς τους. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία προτείνεται μια αρκετά καινοτόμος μέθοδος για την προσέγγιση της συνολικής εμπέδηδης εισόδου του μοντέλου, η οποία περιλαμβάνει τον πυκνωτή κλασματικής τάξης. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην προσέγγιση της απόκρισης σvυχνότητας της συνάρτησης της εμπέδησης του κυκλώματος. Το μοντέλο υλοποιείται με την χρήση Τελεστικών Ενισχυτών Διαγωγιμότητας (Operational Transconductance Amplifiers - OTAs) κατάλληλα συνδεδεμένων μεταξύ τους. Προκειμένου να επιτευχθεί η υλοποίηση του μοντέλου με τον ελάχιστο αριθμό OTAs, γίνεται διερεύνηση με δύο μεθόδους, την άμεση και την ανάλυση σε μερικά κλάσματα. Τα τρανζίστορ που αποτελούν τα δομικά στοιχεία των OTAs λειτουργούν στην περιοχή της ασθενούς αναστροφής (περιοχή υποκατωφλίου) πετυχαίνοντας χαμηλή κατανάλωση ισχύος και τάση τροφοδοσίας. Η ορθή λειτουργία του προτεινόμενου κυκλώματος επαληθεύεται μέσω εξομοιώσεων σε σχηματικό επίπεδο και σε επίπεδο layout, με τη βοήθεια του λογισμικού Cadence και του Design Kit που είναι διαθέσιμα από την τεχνολογία Austria Mikro Systeme (AMS) 0.35μm CMOS. 2021-03-05T10:28:02Z 2021-03-05T10:28:02Z 2021-02-11 http://hdl.handle.net/10889/14604 en application/pdf |