Projekt EKG wysokiej rozdzielczości ze wzmacniaczem pełnoróżnicowym i wysokiej rozdzielczości przetwornikiem ADC

Typowe nieinwazyjne EKG medyczne pozwalają uzyskać podstawowe wizualne reprezentacje stanu zdrowia serca do celów analizy klinicznej i interwencji medycznej. Istnieją jednak pewne szczegóły dotyczące pracy serca, takie jak „późny potencjał”, które wymagają zastosowania elektroniki EKG o niezwykle wysokiej rozdzielczości. Rozdzielczość przestrzenna wymagana dla tych obrazów może być pogorszona przez szumy i inne czynniki negatywnie wpływające na parametry pracy detektora elektrokardiogramu (EKG), systemu detektora, a nawet przez technikę akwizycji.

Projektanci mogą uniknąć wielu problemów i stworzyć wysoce precyzyjny system EKG dzięki efektywnemu zastosowaniu sterownika niskoszumowego i wysokiej rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

W tym artykule omówiono pokrótce sposób działania EKG, a następnie przedstawiono szczegółowo kwestie związane z parowaniem wzmacniacza sterownikowego z przetwornikiem analogowo-cyfrowym wysokiej rozdzielczości dla omawianego zastosowania. Następnie przedstawiono przykładową kombinację składającą się z szybkiego, pełnoróżnicowego przetwornika analogowo-cyfrowego firmy Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7 oraz ośmiokanałowego, 24-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego AD7768BSTZ firmy Analog Devices, a także omówiono sposób konfiguracji rezystorów i kondensatorów zewnętrznych w celu uzyskania optymalnych osiągów.

System EKG

EKG jest pomiarem nieinwazyjnym, który odzwierciedla podstawowe warunki pracy serca poprzez akwizycję miliwoltowych (mV) sygnałów elektrycznych generowanych przez serce. Sygnały EKG mogą być wykrywane w wielu punktach ciała, ale dziesięciolecia tradycji medycznej ustandaryzowały akceptowane lokalizacje tych punktów w wyobrażonym układzie trzech elektrod kończyn, zwanym trójkątem Einthovena (rysunek 1).

Rysunek 1: sygnały EKG mogą być wykrywane w wielu punktach ciała, ale trójkąt Einthovena definiuje ogólnie przyjęte miejsca. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Trójkąt opisuje rozmieszczenie elektrod RA (prawe ramię), LA (lewe ramię) i LL (lewa noga). Tworzą one również wartości V_I, V_II oraz V_III.

Dane z tego systemu pozwalają lekarzom zrozumieć podstawowe mechanizmy częstości i rytmu serca. Jednak przy dalszym badaniu dane mogą dostarczyć dowodów na zwiększoną grubość (przerost) i uszkodzenie różnych części mięśnia sercowego. Dodatkowo, prosty dwuwymiarowy wykres EKG może dostarczyć dowodów na ostre zaburzenia przepływu krwi do mięśnia sercowego lub wzorce nieprawidłowej aktywności elektrycznej, które mogą predysponować pacjenta do nieprawidłowych zaburzeń rytmu serca.

Przedstawiono prawidłowy sygnał EKG serca, podkreślając normalną kombinację trzech graficznych odchyleń widzianych na typowym elektrokardiogramie, zwaną zespołem QRS (rysunek 2).

Rysunek 2: punkty Q, R i S tworzą zespół QRS, zwykle centralną i najbardziej widoczną część przebiegu EKG. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zespół QRS jest centralną i najwyraźniejszą częścią przebiegu nie jest uwzględniona w cenie dawać znak. Sygnał odpowiada depolaryzacji prawej i lewej komory ludzkiego serca. U dorosłych zespół QRS trwa zwykle od 0,08 do 0,10 sekundy (s). Czas trwania zespołu QRS dłuższy niż 0,12s jest uważany za nienormalny. Wyzwaniem dla pomiarów w systemie EKG jest niezawodne i całkowite przechwycenie sygnału QRS.

To wyzwanie nie jest zbyt trudne. Teoretycznie, częstotliwość próbkowania dla urządzeń EKG wynosi co najmniej 50Hz. Rzeczywiste realizacje EKG mają częstotliwość próbkowania większą niż 500Hz, przy typowej prędkości przetwarzania wewnętrznego przetwornika detektora EKG ≥1 kiloherc (kHz). Przy tych częstotliwościach próbkowania wymagana rozdzielczość typowych wewnętrznych przetworników systemu detekcji EKG wynosi 12 bitów.

Te specyfikacje rozdzielczości i prędkości są zgodne z detektorem EKG ogólnego przeznaczenia. Jednak niektóre nieregularności pracy serca mogą być wykryte tylko przy użyciu detektorów EKG o wyższej rozdzielczości. Na przykład u pacjentów, u których występuje trwały częstoskurcz komorowy (VT), w zespole terminalnym QRS mogą występować przebiegi o niskiej amplitudzie i wysokiej częstotliwości, które utrzymują się przez dziesiątki milisekund. Uważa się, że te „późne potencjały” w wynikach EKG są spowodowane wczesną afterdepolaryzacją komórek w prawej komorze serca (rysunek 3).

Rysunek 3: późne potencjały w wynikach EKG występują w zespole QRS, ale często są zbyt małe, aby pojawić się na typowych detektorach EKG. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Amplitudy późnych potencjałów są często zbyt małe, aby pojawić się na normalnym EKG. Jednakże w systemach o wysokiej rozdzielczości powyżej 20 bitów, przetwornik analogowo-cyfrowy uśrednia wewnętrznie zarejestrowane zespoły QRS w celu odfiltrowania losowych szumów, aby uwidocznić późne potencjały na obrazie EKG.

Istnieją istotne implikacje kliniczne, kiedy nieinwazyjne, EKG wysokiej rozdzielczości mogą wykryć późne potencjały serca. Na przykład u pacjentów z ostrym zawałem mięśnia sercowego (MI), wykrycie późnych potencjałów jest istotne z punktu widzenia rokowania. Obecność komorowych późnych potencjałów u takich pacjentów jest wskaźnikiem ryzyka wystąpienia kolejnego zawału serca lub nagłego zgonu sercowego. Wcześniej ta klasyfikacja i późniejsza diagnoza była możliwa tylko przy użyciu technik inwazyjnych lub minimalnie inwazyjnych.

Aby jednak uwidocznić pierwotnie niewykrywalne sygnały za pomocą EKG, konieczne jest zastosowanie zaawansowanych technik akwizycji i przetwarzania sygnału za pomocą wysokiej rozdzielczości przetworników analogowo-cyfrowych typu sigma-delta (ƩΔ).

Systemy konwersji o wysokiej rozdzielczości

Typowy układ EKG posiada dwanaście elektrod, które przylegają do skóry pacjenta, wykrywając sygnały miliwoltowe (podzielone przez 1000) lub mikrowoltowe (mV). Każdy z tych sygnałów z elektrod dociera do punktu końcowego kondycjonowania sygnału, gdzie wzmacniacze instrumentacyjne wzmacniają sygnał mikrowoltowy, przygotowując go dla wzmacniacza sterującego i ostatecznie dla przetwornika analogowo-cyfrowego wysokiej rozdzielczości (ƩΔ ADC) (rysunek 4).

Rysunek 4: schemat blokowy kondycjonowania sygnału EKG dla systemu detekcji medycznej wysokiej rozdzielczości, rozpoczynający się od trzech operacyjnych wzmacniaczy instrumentacyjnych. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Pierwsze urządzenia w łańcuchu sygnałowym to trzy precyzyjne operacyjne wzmacniacze instrumentacyjne, ewentualnie z drugim stopniem wzmocnienia. Urządzenia te ustalają systemową masę i wzmocnienie różnicowe dla sygnałów o niskim poziomie mikrowoltowym. Wzmacniacz sterownika i filtr dolnoprzepustowy (LPF) uzyskują różnicowy wzmocniony sygnał EKG, zapewniając wystarczające sterowanie i filtrowanie dla wysokiej rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego ƩΔ.

Wzmacniacz sterownika i przetwornik analogowo-cyfrowy ƩΔ-ADC

Krytyczną funkcją na schemacie blokowym kondycjonowania sygnału czołowego jest wzmacniacz sterownika i przetwornik analogowo-cyfrowy ƩΔ Pełnoróżnicowy sterownik przetwornika analogowo-cyfrowego ADA4945-1 steruje wejściem wysokiej rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego typu ƩΔ AD7768-4 (rysunek 5).

Rysunek 5: typowy schemat połączeń dla przetwornika analogowo-cyfrowego wysokiej rozdzielczości typu ƩΔ AD7768-4, ADA4945-1 (Źródło ilustracji: DigiKey, na podstawie materiałów źródłowych od firmy Analog Devices)

Wzmacniacz sterujący ADA4945-1 oraz układ R/C, LPF wysyłają sygnał na wejście przetwornik analogowo-cyfrowy typu ƩΔ (AD7768-4).

AD7768-4 jest czterokanałowym, 24-bitowym, przetwornikiem analogowo-cyfrowym typu ƩΔ z równoczesnym próbkowaniem. Konfigurację układu AD7768-4 można zmieniać stosując wybrane tryby zasilania i filtry cyfrowe w celu dostosowania do szerokiego zakresu zastosowań, w tym do EKG, przemysłowych modułów wejść/wyjść, oprzyrządowania, testowania dźwięku, pętli regulacji i monitorowania stanu.

Wydajność pomiarowa

ADA4945-1 posiada dwa w pełni scharakteryzowane tryby pełnej mocy i niskiej mocy, optymalizujące kompromis pomiędzy mocą systemu a wydajnością. Szerokość pasma pełnej mocy dla ADA4945-1 wynosi 145 megaherców (MHz), natomiast w trybie niskiej mocy 80MHz. Przy zasilaniu 5V, szumy napięcia wejściowego przy 100kHz w trybie pełnej mocy wynoszą 1,8nV/√Hz w porównaniu z 3nV/√Hz w trybie niskiej mocy. Wreszcie, roboczy prąd spoczynkowy ADA4945-1 w trybie pełnej mocy wynosi 4 miliampery (mA) (typowo) i 4,2 mA (maks.). W trybie niskiej mocy jest to 1,4mA (typowo) i 1,6mA (maks.).

W trybie niskiej mocy AD7768-4 oferuje 32 kilopróbek na sekundę (kSPS) wyjściowej prędkości transmisji danych (ODR) oraz 12,8kHz szerokości pasma przy zastosowaniu szerokopasmowego filtra cyfrowego. Wejściowy sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz znajduje się -0,5 decybela (dB) od pełnej skali. Tryb mocy medianowej ma 128kSPS ODR przy szerokości pasma 51,2kHz, w przypadku zastosowania filtra szerokopasmowego. Wejściowy sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz znajduje się -0,5dB od pełnej skali. Tryb szybkiej mocy zapewnia 256kSPS ODR przy szerokości pasma 102,4kHz w przypadku użycia filtra szerokopasmowego. Tabela 2 (poniżej) przedstawia parametry i zużycie energii dla kombinacji mocy ADA4945-1 i AD7768-4.

Reakcja filtru skonfigurowanego AD7768-4 posiada częstotliwość graniczną 0,433 × ODR. Nierównomierność tłumienności ±0,005 dB umożliwia pomiary w dziedzinie częstotliwości w celu określenia parametrów wzmacniaczy sterujących w zależności od częstotliwości wejściowej.

Na rysunku 5, pomiędzy wyjściem wzmacniacza a wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego znajduje się układ rezystorowo-kondensatorowy (R/C). Układ R/C służy różnym celom. Na przykład C1 i C2 służą jako magazyny ładunku dla przetwornika analogowo-cyfrowego i dostarczają prądu szybkiego ładowania do jego kondensatorów próbkowania.

Ponadto kondensatory te w połączeniu z rezystorem RIN tworzą filtr dolnoprzepustowy, który usuwa zakłócenia związane z przełączaniem wejść. Rezystancja wejściowa stabilizuje również wzmacniacz przy dużych obciążeniach pojemnościowych i zapobiega oscylowaniu wzmacniacza (tabela 1).

Tabela 1: odpowiednie wartości dla RIN, C1 i C2. (Źródło danych: Urządzenia analogowe)

W przypadku systemu przedstawionego na rysunku 5, omawiany układ ewaluacyjny zapewnia stosunek sygnału do szumu (SNR) wynoszący 106,7dB i całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) wynoszące -114,8dB przy mocy podsystemu na poziomie zaledwie 18,45 miliwatów (mW) (tabela 2).

Tabela 2: Porównanie parametrów przy użyciu dwóch różnych trybów wzmacniacza ADA4945-1 oraz trzech trybów przetwornika analogowo-cyfrowego AD7768-4. (Źródło danych: Urządzenia analogowe)

Stosunek SNR wzmacniacza operacyjnego w połączeniu z przetwornikiem analogowo-cyfrowym daje następującą rozdzielczość układu:

           Rozdzielczość = (SNR - 1,76)/6,02

                                 = 17,43 bita

Omawiane połączenie wzmacniacza sterującego oraz przetwornika analogowo-cyfrowego typu Σ-Δ daje dokładny sygnał wyjściowy i całkowicie eliminuje potrzebę przetwarzania końcowego.

Do oceny sprzętu, projektanci mogą użyć płytki ewaluacyjnej EVAL-AD7768-4FMCZ z układem AD7768-4 oraz karty Mezzanine wzmacniacza (AMC) z układem ADA4945-1 (rysunek 6).

Rysunek 6: Tablica oceny EVAL-AD7768-4FMCZ dla modelu AD7768-4 może być używana do testowania projektu poprzez dodanie AMC zamieszkałego przez ADA4945-1. (Źródło ilustracji: Analog Devices z odniesieniem ADA4945-1 dodanym przez DigiKey dla przejrzystości)

Ta platforma ewaluacyjna może być skonfigurowana do użycia karty Mezzanine AMC-ADA4500-2ARMZ dla sterowników ADC, z jednym tylko kanałem, jako wejściem wzmacniacza sterującego. Płytka ewaluacyjna do szybkiego projektowania EVAL-SDP-CH1Z jest podłączona do platformy ewaluacyjnej EVAL-AD7768-4FMCZ co umożliwia wykorzystanie dostarczonego oprogramowania ewaluacyjnego. Precyzyjne źródło dźwięku jest wykorzystywane do analizy prądu zmiennego.

Wnioski

Wysokiej rozdzielczości EKG pozwala na nieinwazyjne wykrywanie anomalii pracy serca, które pozostawałyby niezauważone lub posiadałyby wskaźniki, które wymagałyby inwazyjnych lub minimalnie inwazyjnych procedur wykrywania. Rozdzielczość wymagana do wykonania tych badań EKG może być jednak pogorszona przez szumy i inne czynniki obniżające parametry detektora EKG, systemu detektora, a nawet techniki akwizycji.

Jak widać projektanci mogą uniknąć wielu problemów i opracować wysoce precyzyjny, wysokiej rozdzielczości system EKG poprzez efektywne połączenie szybkiego, pełnoróżnicowego sterownika przetwornika analogowo-cyfrowego ADA4945-1ACPZ-R7 firmy Analog Devices i ośmiokanałowego, 24-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego AD7768BSTZ firmy Analog Devices. Połączenie to zapewnia również buforowe/cyfrowe obwody filtrujące, które eliminują konieczność stosowania urządzeń do przetwarzania końcowego.