Design et EKG med høj opløsning med en fuld differentialforstærker og ADC med høj opløsning

Typiske medicinske ikke-invasive EKG'er opretter grundlæggende visuelle gengivelser af hjertets sundhedstilstand til klinisk analyse og medicinsk indgriben. Der er dog nogle oplysninger om hjertets funktion, f.eks. "sent potentiale", som kræver EKG-elektronik med meget høj opløsning. Den rumlige opløsning, der kræves til disse billeder, kan kompromitteres af støj og andre ydeevnehæmmere på elektrokardiogram-detektoren (EKG), detektorsystemet og endda af optagelsesteknikken.

Designere kan undgå mange problemer og udvikle et EKG-system med høj præcision ved effektivt at anvende en driver med lav støj og en ADC (analog-til-digital-konverter) med høj opløsning.

Denne artikel beskriver kort, hvordan EKG'er fungerer, inden den beskrivelser af de problemer, der er knyttet til parring af en driverforstærker og en ADC med høj opløsning til denne applikation. Den introducerer derefter en prøvekombination, der omfatter Analog Devices' højtydende, fuldt differential ADC-driver ADA4945-1ACPZ-R7 og Analog Devices' otte kanalers, 24-bit ADC AD7768BSTZ, og viser, hvordan eksterne modstande og kondensatorer konfigureres for at opnå optimal ydeevne.

EKG-systemet

EKG er en ikke-invasiv test, der afspejler de underliggende hjertetilstande ved at indsamle hjertegenererede elektriske signaler i millivolt (mV). EKG-signalerne kan registreres mange steder på kroppen, men årtiers medicinsk tradition har standardiseret placeringen af disse steder i en imaginær formation af tre standardledninger, der kaldes Einthovens trekant (figur 1).

Figur 1: EKG-signaler kan registreres mange steder på kroppen, men Einthovens trekant definerer de generelt accepterede steder. (Billedkilde: DigiKey)

Trekanten beskriver placeringen af elektroder RA (højre arm), LA (venstre arm) og LL (venstre ben). De danner også værdierne V_I, V_II og V_III.

Med dataene fra dette system kan læger forstå hjertets underliggende frekvens og rytme. Men med yderligere undersøgelse kan dataene give bevis for øget tykkelse (hypertrofi) og skader på de forskellige dele af hjertemusklen. Desuden kan den enkle todimensionale EKG-graf give bevis for akut nedsat blodgennemstrømning til hjertemusklen eller mønstre med unormal elektrisk aktivitet, der kan disponere patienten for unormale hjerterytmeforstyrrelser.

Det normale hjertes EKG-signal vises og fremhæver den normale kombination af tre af de grafiske takker, der ses på et typisk elektrokardiogram, kaldet QRS-komplekset (figur 2).

Figur 2: Q-, R- og S-punkterne danner QRS-komplekset, normalt den centrale og visuelt mest synlige del af en EKG-sporing. (Billedkilde: DigiKey)

QRS-komplekset er den centrale og tydelige del af signalet. Dette signal svarer til depolariseringen af det menneskelige hjertes højre og venstre ventrikler. Hos voksne varer QRS-komplekset normalt 0,08 til 0,10 sekunder (s). En varighed for et QRS-kompleks på mere end 0,12 s. anses for at være unormalt. Måleudfordringen i EKG-systemet er en pålidelig og fuldstændig optagelse af QRS-signalet.

Denne udfordring er ikke for vanskelig. Teoretisk set er samplingfrekvensen for EKG-udstyr mindst 50 Hz. Rigtige EKG-implementeringer har en samplingfrekvens på mere end 500 Hz med en typisk konverteringshastighed for EKG-detektorens interne konverter ≥ 1 kilohertz (kHz). Med disse samplingfrekvenser er den påkrævede opløsning af typiske EKG-registreringssystemers interne konvertere 12 bit.

Disse opløsnings- og hastighedsspecifikationer stemmer overens med en universal EKG-detektor. Nogle uregelmæssigheder i hjertet kan dog kun registreres med EKG-detektorer med højere opløsning. Patienter med vedvarende ventrikulær takykardi (VT) kan f.eks. have lav amplitude, højfrekvente bølgeformer i det terminale QRS-kompleks, der varer ved i et tocifret antal millisekunder. Disse "sene potentialer" i EKG-resultater menes at være forårsaget af cellers tidlige efterdepolariseringer i højre ventrikel (figur 3).

Figur 3: Sene potentialer i EKG-resultaterne forekommer under QRS-komplekset, men er ofte for små til at blive vist på typiske EKG-detektorer. (Billedkilde: DigiKey)

De sene potentialeamplituder er ofte for små til at blive vist på et normalt EKG. På højopløsningssystemer på over 20 bit vil ADC'en beregne gennemsnit af optagelserne af QRS-komplekset internt for at filtrere tilfældig støj fra, så sene potentialer bliver synlige i EKG-billedet.

Der er markante kliniske implikationer, når ikke-invasive EKG'er med høj opløsning kan påvise sene hjertepotentialer. Hos patienter, der har akut myokardieinfarkt (MI), er påvisning af sent potentiale f.eks. prognostisk signifikant. Det ventrikulære sene potentiales tilstedeværelse hos disse patienter er en indikator for risikoen for efterfølgende MI eller pludselig hjertedød. Tidligere var denne klassificering og efterfølgende diagnose kun mulig i form af invasive eller minimalt invasive teknikker.

Men for at gøre de signaler, der oprindeligt ikke kunne registreres, synlige ved hjælp af et EKG er det nødvendigt med avancerede signaloptagelses- og behandlingsteknikker ved hjælp af højopløselige sigma-delta-ADC'er (ƩΔ).

Konverteringssystemer med høj opløsning

Et typisk EKG-system har tolv elektroder, der anbringes på patientens hud og registrerer hjertesignaler i millivolt – divideret med 1.000, eller mikrovolt (mV). Hvert af disse elektrodesignaler kommer til signalbehandlingens front-end, hvor instrumenteringsforstærkerne forstærker mikrovoltsignalet som forberedelse til driverforstærkeren og i sidste instans den højopløselige ƩΔ-ADC (figur 4).

Figur 4: Et blokdiagram over EKG-front-end-signalbehandling til et medicinsk registreringssystem med høj opløsning, der starter med tre opamp-instrumenteringsforstærkere. (Billedkilde: DigiKey)

De første enheder i signalkæden er tre præcise opamp-instrumenteringsforstærkere og muligvis en anden forstærkningsfase. Disse enheder etablerer systemjordforbindelse og differentialforstærkning for signaler med lavt mikrovoltniveau. Driverforstærkeren og lavpasfilteret (LPF) opsamler det differentialforstærkede EKG-signal og tilvejebringer rigeligt træk og filtrering for ƩΔ-ADC med høj opløsning.

Driverforstærker og ƩΔ-ADC

En kritisk funktion i blokdiagrammet over front-end-signalbehandlingen er relationen mellem driverforstærker og ƩΔ-ADC. En ADA4945-1 fuldt differential ADC-driver stimulerer inputtet til AD7768-4 ƩΔ-ADC med høj opløsning (figur 5).

Figur 5: Typisk forbindelsesdiagram for højopløselig ƩΔ-ADC AD7768-4, med ADA4945-1 som driverforstærker. (Billedkilde: DigiKey, baseret på kildemateriale fra Analog Devices)

ADA4945-1-driverforstærkeren og R/C, LPF-netværket sender signalet til inputtet på ƩΔ-ADC (AD7768-4).

AD7768-4 er en ƩΔ-ADC med fire kanaler til 24-bit samtidig sampling. AD7768-4 er omkonfigureret med valgbare effekttilstande og digitale filtermuligheder, der passer til en bred vifte af anvendelser, herunder EKG'er, industrielle input-/outputmoduler, instrumentering, lydtest, kontrolkredsløb og tilstandsovervågning.

Måling af ydeevne

ADA4945-1 har to fuldt karakteriserede fuldeffekt- og laveffekttilstande, der optimerer afvejninger mellem systemeffekt og ydeevne. Fuldeffekt-båndbredden på ADA4945-1 er 145 megahertz (MHz), mens båndbredden i laveffekttilstand er 80 MHz. Med en 5 volt-strømforsyning er støjen i indgangsspændingen ved 100 kHz i fuldeffekttilstanden 1,8 nV/√Hz i forhold til 3 nV/√Hz i laveffekttilstanden. Endelig er driftshvilestrømmen på ADA4945-1 i fuldeffekttilstand 4 milliampere (mA) (typ) og 4,2 mA (maks.). I laveffekttilstand er den 1,4 mA (typ) og 1,6 mA (maks.).

Med laveffekttilstanden på AD7768-4 kan der opnås en 32-kSPS (kilosamples pr. sekund) outputdatahastighed (ODR) og 12,8 kHz båndbredde ved brug af det digitale bredbåndsfilter. 1 kHz-inputtets anvendte sinusbølgesignal er -0,5 decibel (dB) fra fuld skala. Middeleffekttilstand har ODR på 128 kSPS med 51,2 kHz båndbredde ved brug af bredbåndsfilteret. 1 kHz-inputtets anvendte sinusbølgesignal er -0,5 dB fra fuld skala. Middeleffekttilstand giver ODR på 256 kSPS med 102,4 kHz båndbredde ved brug af bredbåndsfilteret. Tabel 2 (nedenfor) viser ydeevnen og effektforbruget for effektkombinationerne med ADA4945-1 og AD7768-4.

Det konfigurerede filterrespons for AD7768-4 har en frakoblingsfrekvens på 0,433 × ODR. Med en båndpas-rippel på ±0,005 dB kan frekvensdomænemålinger bestemme ydeevnen for drivforstærkere sammenlignet med inputfrekvens.

På figur 5 er der et R/C-netværk (modstand-kondensator) mellem forstærkeroutput og ADC-input. R/C-netværket udfører en række forskellige opgaver. C1 og C2 er f.eks. ladningsreservoirer til ADC og forsyner ADC med en hurtig ladestrøm til samplingkondensatorerne.

Desuden danner disse kondensatorer sammen med RIN-modstanden et lavpasfilter for at fjerne fejl knyttet til inputkoblingen. Inputmodstanden stabiliserer også forstærkeren ved træk af store kapacitive belastninger og forhindrer forstærkeren i at oscillere (tabel 1).

Tabel 1: Korrekte værdier for RIN, C1 og C2. (Datakilde: Analog Devices)

Med systemet på figur 5 giver dette evalueringsfikstur et signal-støj-forhold (SNR) på 106,7 dB og en samlet harmonisk forvrængning (THD) på -114,8 dB med et delsystemeffektniveau ned til 18,45 milliwatt (mW) (tabel 2).

Tabel 2: Sammenligning af ydeevne ved hjælp af en blanding af to ADA4945-1-forstærkertilstande og tre AD7768-4 ADC-tilstande. (Datakilde: Analog Devices)

SNR for kombinationen af operationsforstærker/ADC viser, at systemopløsningen er:

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

                                 = 17,43 bit

Denne højopløselige kombination af driver til ADC-forstærker og Σ-Δ-ADC giver et nøjagtigt output og fjerner fuldstændigt behovet for efterbehandling.

Med henblik på at evaluere hardwaren kan designere bruge evalueringskortet EVAL-AD7768-4FMCZ sammen med AD7768-4 og et forstærkermezzaninkort (AMC), der indeholder en ADA4945-1 (figur 6).

Figur 6: Evalueringskortet EVAL-AD7768-4FMCZ til AD7768-4 kan bruges til at teste designet ved at tilføje et AMC udfyldt med ADA4945-1. (Billedkilde: Analog Devices med billedforklaring til ADA4945-1 tilføjet af DigiKey af hensyn til tydelighed)

Denne evalueringsplatform kan konfigureres til at bruge et AMC-ADA4500-2ARMZ-mezzaninkort til ADC-drivere med kun én kanal som driverforstærkerinput. Evalueringskortet EVAL-SDP-CH1Z med højtydende design er forbundet med evalueringsplatformen EVAL-AD7768-4FMCZ for at bruge den medfølgende evalueringssoftware. En præcisionslydkilde bruges til AC-analyse.

Konklusion

Højopløselige EKG'er kan ikke-invasivt registrere hjerteanomalier, der enten ikke ville blive bemærket eller ville have indikatorer, der ville kræve invasive eller minimalt invasive registreringsprocedurer. Den opløsning, der kræves til disse EKG'er, kan imidlertid kompromitteres af støj og andre ydeevnehæmmere på EKG-detektoren, detektorsystemet og endda af optagelsesteknikken.

Som vist kan designere undgå mange problemer og udvikle en højpræcis og højopløselig EKG ved effektivt at kombinere Analog Devices' ADA4945-1ACPZ-R7 højtydende, fuldt differentierede ADC-driver og Analog Devices' otte kanalers, 24-bit AD7768BSTZ ADC. Kombinationen skaber også buffer-/digitalfiltreringskredsløb, der fjerner behovet for udstyr til efterbehandling.