Konstruer et EKG med høy oppløsning med en fullstendig differensial forsterker og ADC med høy oppløsning

Typiske medisinske ikke-invasive elektrokardiogram (EKG) skaper grunnleggende visuelle fremstillinger av hjertets helsetilstand med tanke på klinisk analyse og medisinsk intervensjon. Det er imidlertid visse detaljer om hjertet, f.eks. «sent potensial», som krever ekstremt høyoppløselig EKG-elektronikk. Den romlige oppløsningen som kreves for disse bildene, kan svekkes av støy og andre ytelseshemmere ved elektrokardiogramdetektoren (EKG), detektorsystemet og til og med teknikken som brukes ved innsamling.

Utviklere kan unngå mange problemer og utvikle et EKG-system med høy presisjon ved å bruke en driver med lite lyd og en høyoppløselig analog-til-digital omformer (ADC).

Denne artikkelen beskriver kort hvordan EKG fungerer før det gis detaljer om problemene som er forbundet med sammenkobling av en driverforsterker med en høyoppløselig ADC for dette formålet. Den introduserer deretter en prøvekombinasjon som består av Analog Devices sin ADA4945-1ACPZ-R7 høyhastighets, fullstendig differensiell ADC-driver og Analog Devices sin åttekanalers, 24-biters AD7768BSTZ ADC, og viser hvordan man kan konfigurere eksterne motstander og kondensatorer for å oppnå optimal ytelse.

EKG-systemet

EKG er en ikke-invasiv test som gjenspeiler underliggende hjertetilstander ved å samle inn elektriske signaler i millivolt (mV) som genrereres i hjertet. EKG-signalene kan registreres på mange punkter på kroppen, men flere tiår med medisinsk tradisjon har standardisert plasseringen av disse punktene i en tenkt formasjon som består av ledninger på tre lemmer, ved navn Einthovens trekant (figur 1).

Figur 1: EKG-signaler kan oppdages på mange punkter på kroppen, men normalt brukes punktene som inngår i Einthovens trekant. (Bildekilde: DigiKey)

Trekanten beskriver plasseringen av elektrodene RA (høyre arm), LA (venstre arm) og LL (venstre ben). De danner også verdiene V_I, V_II, og V_III.

Dataene fra dette systemet gjør det mulig for legene å forstå hjertets frekvens og rytme. Men med ytterligere undersøkelse kan dataene gi bevis på økt tykkelse (hypertrofi) og skade på de ulike delene av hjertemuskelen. I tillegg kan den enkle todimensjonale EKG-grafen vise akutt svekket blodtilstrømning til hjertemuskelen eller tegn på unormal elektrisk aktivitet som kan gjøre pasienten mottakelig for unormale hjerterytmeforstyrrelser.

Et normalt hjertes EKG-signal vises, og understreker den normale kombinasjonen av tre av de grafiske avbøyningene man ser på et typisk elektrokardiogram, det såkalte QRS-komplekset (figur 2).

Figur 2: Q-, R- og S-punktene utgjør QRS-komplekset, vanligvis den sentrale og mest synlige delen av en EKG-sporing. (Bildekilde: DigiKey)

QRS-komplekset er den sentrale og åpenbare delen av signalet. Dette signalet samsvarer med depolariseringen av de høyre og venstre ventriklene (kamrene) i menneskehjertet. Hos voksne varer QRS-komplekset vanligvis i 0,08 til 0,10 sekunder. Et QRS-kompleks med en varighet på mer enn 0,12 sek. anses unormalt. Målingsutfordringen i EKG-systemet er å registrere QRS-signalet på en pålitelig og fullstendig måte.

Denne utfordringen er ikke så vanskelig. Teoretisk sett er prøvetakingsfrekvensen for EKG-utstyr minst 50 Hz. Reelle EKG-implementeringer har en prøvetakingsfrekvens på mer enn 500 Hz, med en typisk konverteringshastighet for EKG-detektorens interne omformer på ≥ 1 kilohertz (kHz). Med disse prøvetakingsfrekvensene er den påkrevde oppløsningen i typiske EKG-oppdagelsessystemers interne omformer 12 biter.

Disse oppløsnings- og hastighetsspesifikasjonene samsvarer med en EKG-detektor til generelle formål. Enkelte uregelmessigheter i hjertet kan imidlertid oppdages bare med EKG-detektorer med høyere oppløsning. Pasienter som for eksempel har vedvarende ventrikkeltakykardi (VT), kan ha bølgeformer med lav amplitude og høy frekvens i det terminale QRS-komplekset, som vedvarer i flere titalls millisekunder. Disse «sene potensialene» i EKG-resultater antas å være forårsaket av tidlig etterdepolarisering av celler i høyre ventrikkel (figur 3).

Figur 3: sene potensialer i EKG-resultatene oppstår under QRS-komplekset, men er ofte for små til å vises på vanlige EKG-detektorer. (Bildekilde: DigiKey)

De sene potensielle amplitudene er ofte for små til å vises i et vanlig EKG. Med høyoppløsningssystemer som er høyere enn 20 biter, vil imidlertid ADC-en finne gjennomsnittet i QRS-kompleksmålingene internt for å filtrere ut tilfeldig støy, slik at sene potensialer blir synlige på EKG-bildet.

Det er betydelige kliniske implikasjoner når ikke-invasive, høyoppløselige EKG-er kan oppdage sene potensialer i hjertet. For eksempel er påvisningen prognosemessig viktig når det gjelder pasienter som har akutt hjerteinfarkt. Tilstedeværelsen av sent potensial i ventrikkelen hos slike pasienter er en indikator på fare for plutselig hjerteinfarkt eller død. Tidligere var denne klassifiseringen og påfølgende diagnose mulig bare ved hjelp av invasive eller minimalt invasive teknikker.

For å gjøre de tidligere uoppdagede signalene synlige ved bruk av EKG, kreves det imidlertid avansert signalinnhenting og behandlingsteknikker med høyoppløselige Sigma-delta (ƩΔ) ADC-er.

Omformersystemer med høy oppløsning

Et typisk EKG-system har tolv elektroder som festes til pasientens hud, som registrerer millivolt – dividert med 1000, eller mikrovolt (mV) – hjertesignaler. Hvert av disse elektrodesignalene kommer inn ved signalkondisjoneringsinngangen, der instrumenteringsforsterkerne forsterker mikrovoltsignalet som forberedelse til driverforsterkeren og til slutt Sigma-delta (ƩΔ)-ADC-en med høy oppløsning (figur 4).

Figur 4: et blokkdiagram over signalforsterkningen ved inngangen til EKG-en i et høyoppløselig system for medisinske følere, som starter med tre operasjonsinstrumenteringsforsterkere (op-amp). (Bildekilde: DigiKey)

De første enhetene i signalkjeden er tre presisjons operasjonsinstrumenteringsforsterkere (op-amp) og muligens en ekstra forsterkerfase. Disse enhetene etablerer systemets grunn- og differensialforsterkning for signaler med lavt mikrovoltnivå. Driverforsterkeren og lavpassfilteret (LPF) innhenter det differensialforsterkede EKG-signalet som gir god drift og filtrering for Sigma-delta (ƩΔ)-ADC-en med høy oppløsning.

Driverforsterkeren og Sigma-delta (ƩΔ)ADC

En viktig funksjon i blokkdiagrammet for den inngående signalforsterkningen er forholdet mellom driverforsterkeren og Sigma-delta (ƩΔ)ADC-en. En ADA4945-1 fullstendig differensiell ADC-driver stimulerer inngangen til den høyoppløste AD7768-4 ƩSigma-delta (ƩΔ)ADC-en (figur 5).

Figur 5: typisk koblingsskjema for høyoppløselige Sigma-delta (ƩΔ)ADC-en AD7768-4, med ADA4945-1 som driverforsterker. (Bildekilde: DigiKey, basert på kildemateriale fra Analog Devices)

ADA4945-1-driverforsterkeren og R/C, LPF-nettverket sender signalet til inngangen til Sigma-delta (ƩΔ)-ADC-en (AD7768-4).

AD7768-4 er en fire kanals, 24-biters, simultansamplende Sigma-delta (ƩΔ)-ADC (for samtidig prøvetaking). AD7768-4 er omkonfigurert med valgbare strømmoduser og alternativer for digital filtrering som passer til en rekke bruksområder, inkludert EKG-er, industrielle inn-/utgangsmoduler, instrumentering, lydtesting, kontrollsløyfer og tilstandsovervåking.

Måling av ytelse

ADA4945-1 har to full- og laveffektmoduser, og optimaliserer avveininger mellom systemets kraft og ytelse. Fulleffekt båndbredde på ADA4945-1 er 145 megahertz (MHz), mens i lavstrømsmodus er båndbredden 80 MHz. Med en strømforsyning på 5 volt er inngangsspenningsstøyen på 100 kHz i fulleffektmodus 1,8 nV/√ Hz, mot 3 nV/√ Hz i laveffektmodus. Endelig er driftshvilestrømmen i ADA4945-1 i fulleffektmodus 4 milliampere (mA) (typ) og 4,2 mA (maks). I laveffektmodus er den 1,4 mA (typ) og 1,6 mA (maks).

AD7768-4 sin lavspenningsmodus tilbyr en 32 kilosamples per sekund (kSPS) utgangsdatahastighet (ODR) og 12,8 kHz av båndbredden ved bruk av bredbåndsdigitalfilteret. 1 kHz inngående påført sinusbølgesignal er -0,5 desibel (dB) fra full skala. Median spenningsmodus har 128 kSPS-ODR med 51,2 kHz av båndbredden ved bruk av bredbåndsfilteret. 1 kHz inngående påført sinusbølgesignal er -0,5 dB fra full skala. Hurtig spenningsmodus har 256 kSPS-ODR med 102,4 kHz av båndbredden ved bruk av bredbåndsfilteret. Tabell 2 (nedenfor) viser ytelsen og strømforbruket for effektkombinasjonene i ADA4945-1 og AD7768-4.

AD7768-4 sin konfigurerte filterrespons har en 0,433 x ODR sperrefrekvens (cutoff frequency). En ±0,005 dB rippel i gjennomgangsområdet tillater frekvensområdemålinger for å avgjøre drivforsterkere kontra inndatafrekvensytelse.

I figur 5 er det et motstandskondensator (R/C)-nettverk mellom forsterkerutgangen og ADC-inngangen. R/C-nettverket utfører en rekke oppgaver. For eksempel er C1 og C2 ladereservoarer til ADC-en og mater ADC-en med rask ladestrøm til prøvetakingskondensatorene.

I tillegg danner disse kondensatorene, i kombinasjon med RIN-motstand, et lavpassfilter for å fjerne spenningsspisser knyttet til inngangsvekslingen. Den inngående motstanden stabiliserer også forsterkeren ved drift av store kapasitive belastninger og hindrer forsterkeren i å svinge (tabell 1).

Tabell 1: Passende verdier for RIN, C1 og C2. (Datakilde: Analog Devices)

Med systemet i figur 5 gir denne evalueringsinnretningen et signal-til-støy-forhold (SNR) på 106,7 dB og en total harmonisk forvrengning (THD) på −114,8 dB med et effektnivå i undersystmet som er så lavt som 18,45 milliwatt (mW) (tabell 2).

Tabell 2: Ytelsessammenligning ved hjelp av en blanding av to ADA4945-1-forsterkermoduser og tre ADC-moduser hos AD7768-4. (Datakilde: Analog Devices)

SNR i operasjonsforsterkeren (op-amp)/ADC-kombinasjonen viser at systemets oppløsning er:

            Oppløsning = (SNR – 1,76)/6,02

                                 = 17,43 bits

Denne høyoppløsnings driveren for ADC-forsterkeren og Sigma-delta (Σ-Δ)-ADC-kombinasjonen gir en nøyaktig utgang og fjerner behovet for etterbehandling.

For å evaluere maskinvaren kan designerne bruke EVAL-AD7768-4FMCZ evalueringskort med AD7768-4 og et forsterker Mezzanine-kort (AMC) som inneholder ADA4945-1 (figur 6).

Figur 6: EVAL-AD7768-4FMCZ evalueringskort for AD7768-4 kan brukes til å teste konstruksjonen ved å legge til en AMC-kort der ADA4945-1 er tilkoblet. (Bildekilde: Analog Devices med ADA4945-1-bildeforklaring lagt til av DigiKey for å klargjøre)

Denne evalueringsplattformen kan konfigureres til å bruke et AMC-ADA4500-2ARMZ Mezzaninekort for ADC-drivere med bare én kanal som driverens forsterkerinngang. EVAL-SDP-CH1Z høyhastighetskonstruerte evalueringskort er koblet til EVAL-AD7768-4FMCZ evalueringsplattformen for å bruke den medfølgende evalueringsprogramvaren. En presisjonslydkilde brukes til AC-analyse.

Konklusjon

EKG med høy oppløsning kan ikke-invasivt oppdage uregelmessigheter i hjertet (hjerteanomalier) som enten ikke oppdages eller har indikatorer som krever invasiv eller minimalt invasive påvisningsprosedyrer. Den romlige oppløsningen som kreves for disse bildene, kan imidlertid svekkes av støy og andre ytelseshemmere ved EKG-detektoren, detektorsystemet og til og med teknikken som brukes ved innsamling.

Som vist kan konstrukstørene unngå mange problemer og utvikle en høypresisjons EKG med høy oppløsning ved å kombinere Analog Devices sin ADA4945-1ACPZ-R7 høyhastighets, fullstendig differensielle ADC-driver og Analog Devices sin åttekanalers, 24-biters AD7768BSTZ ADC. Kombinasjonen oppretter også buffer-/digitalfiltreringskretser som eliminerer behovet for etterbehandlingsutstyr.