EUR | USD

Suunnittele korkean resoluution ECG täysin differentiaalisella vahvistimella ja korkean resoluution AD-muuntimella

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Normaalit ei-invasiiviset EKG-laitteet luovat perustason visuaalisia esityksiä sydämen tilasta kliinistä analyysia ja hoitoa varten. Sydämen toiminnassa on kuitenkin tiettyjä yksityiskohtia, esimerkkinä myöhäispotentiaali, joissa vaaditaan resoluutioltaan erittäin korkeaa EKG-elektroniikkaa. Kohina sekä muut elektrokardiogrammin (EKG) detektoriin, detektoriärjestelmään ja jopa tallennusteknologiaan liittyvät suorituskykyä haittaavat seikat voivat aiheuttaa sen, että kuviin vaadittavaa avaruudellista erotuskykyä ei saavuteta.

Suunnittelijat voivat välttää lukuisia ongelmia ja kehittää hyvin tarkan EKG-järjestelmän käyttämällä efektiivisesti kohinaltaan alhaista ohjainta ja korkean resoluution analogia-digitaalimuunninta (ADC).

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti EKG-laitteiden toimintaa ennen kuin siinä syvennytään ohjainvahvistimen ja tarkan ADC:n yhdistämiseen tällaista sovellusta varten. Sen jälkeen artikkelissa esitellään esimerkkilaitteisto, joka muodostuu erittäin nopeasta ja täysin differentiaalisesta ADC-ohjaimesta Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7 eli sekä kahdeksankanavaisesta ja 24-bittisestä ADC:stä Analog Devices AD7768BSTZ. Artikkelissa myös näytetään miten ulkoiset vastukset ja kondensaattorit tulee konfiguroida optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.

EKG-järjestelmä

EKG on ei-invasiivinen testi, jolla voidaan havaita piileviä sydänsairauksia seuraamalla sydämen synnyttämiä millivolttitason (mV) sähkösignaaleita. EKG-signaalit voidaan havaita monista vartalon eri kohdista, mutta vuosikymmenten lääketieteellisen tradition myötä kohtien sijainneiksi on vakiintunut Einthovenin kolmioksi kutsuttu kuvitteellinen kolmen raajajohtimen muodostelma (Kuva 1).

Kaavio EKG-signaaleista, jotka voidaan havaita monista vartalon kohdistaKuva 1: EKG-signaalit voidaan mitata monista vartalon kohdista, mutta Einthovenin kolmio määrittää yleisesti hyväksytyt kohdat. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Kolmio kuvaa elektrodien RA (oikea käsivarsi), LA (vasen käsivarsi) ja LL (vasen jalka) sijaintia. Ne muodostavat myös arvot VI, VII ja VIII.

Tämän järjestelmän tuottaman datan avulla lääkärit voivat ymmärtää sydämen pulssi- ja rytmimekanismin toimintaa. Datan tarkempi tutkiminen voi kuitenkin tuottaa näyttöä sydänlihaksen paksuuntumisesta (liikakasvusta) ja vaurioista. Lisäksi yksinkertainen, kaksiulotteinen EKG-kaavio voi tuottaa näyttöä sydänlihaksen akuutisti heikentyneestä verenkierrosta tai epänormaalista sähköisestä toiminnasta, joka saattaa altistaa potilaan epänormaaleille sydämen rytmihäiriöille.

Kuvassa näkyy normaalin sydämen EKG-signaali, jossa korostuu tyypillisessä elektrokardiogrammissa näkyvä QRS-kompleksiksi kutsuttu kolmen graafisen poikkeaman yhdistelmä (Kuva 2).

Kaavio QRS-kompleksin muodostavista pisteistä Q, R ja SKuva 2: Pisteet Q, R ja S muodostavat QRS-kompleksin, joka on yleensä EKG-kuvan keskeinen ja visuaalisesti selkein osa. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

QRS-kompleksi on signaalin keskeinen ja ilmeisin osa. Signaali vastaa sydämen oikean ja vasemman kammion depolarisaatiota. Aikuisilla QRS-kompleksin kesto on yleensä 0,08–0,10 sekuntia (s). Kestoltaan yli 0,12 sekunnin QRS-kompleksia pidetään epänormaalina. EKG-järjestelmän mittaushaasteena on täyden QRS-signaalin luotettava tallennus.

Haaste ei ole kovin vaikea. Teoriassa EKG-laitteiston näytteenottotaajuus on vähintään 50 Hz. Todellisissa EKG-laitteistoissa näytteenottotaajuus on yli 500 Hz ja EKG-detektorin sisäisen muuntimen tyypillinen muunnosnopeus on ≥1 kilohertsi (kHz). Nämä näytteenottotaajuudet huomioiden tyypillisen EKG-järjestelmän sisäisiltä muuntimilta vaaditaan 12 bitin tarkkuutta.

Nämä tarkkuus- ja nopeusmääritykset vastaavat yleiskäyttöistä EKG-detektoria. Jotkin sydämen toimintahäiriöt voidaan kuitenkin havaita vain tarkemmilla EKG-detektoreilla. Esimerkiksi potilailla, joilla on jatkuva kammiotakykardia (VT), voi esiintyä QRS-kompleksin lopussa muutaman kymmenen millisekunnin pituisia, amplitudiltaan matalia ja korkeataajuisia aaltomuotoja. Näiden EKG:ssä esiintyvien ”myöhäispotentiaalien” ajatellaan olevan seurausta oikean kammion solujen varhaisesta jälkidepolarisaatiosta (Kuva 3).

Kaavio QRS-kompleksin aikana esiintyvistä EKG-tuloksistaKuva 3: EKG-tuloksissa esiintyvät myöhäispotentiaalit tapahtuvat QRS-kompleksin aikana, mutta ne ovat usein liian pieniä näkyäkseen tyypillisissä EKG-detektoreissa. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Myöhäispotentiaalin amplitudit ovat usein liian pieniä näkyäkseen normaalissa EKG:ssä. Yli 20 bitin tarkkuudella toimivissa korkean resoluution järjestelmissä ADC kuitenkin vähentää sisäisesti satunnaiskohinaa keskiarvoistamalla QRS-kompleksin tallennukset, jolloin myöhäispotentiaalit tulevat EKG-kuvassa näkyviin.

Sydämen myöhäispotentiaalin havaitsemisella ei-invasiivisen ja tarkan EKG:n kautta on merkittäviä kliinisiä käyttökohteita. Myöhäispotentiaalin tunnistaminen on prognostisesti merkittävää esimerkiksi potilailla, joilla on akuutti sydäninfarkti. Myöhäispotentiaalin esiintyminen tällaisella potilaalla merkitsee uuden sydäninfarktin tai sydänperäisen äkkikuoleman riskiä. Aiemmin tällainen luokitus ja diagnosointi oli mahdollista vain invasiivisten tai minimaalisesti invasiivisten tekniikoiden avulla.

Jotta aiemmin tunnistamatta jääneet signaalit saataisiin näkyviin EKG:n avulla, tarvitaan kuitenkin korkeatasoisia signaalin tallennus- ja prosessointitekniikoita, joissa käytetään korkean resoluution sigma-delta (ƩΔ) -tyyppisiä ADC-muuntimia.

Korkean resoluution muunnosjärjestelmät

Tyypillisessä EKG-järjestelmässä on 12 elektrodia, jotka kiinnitetään potilaan ihoon tunnistamaan sydämen sähköisiä signaaleita millivoltin tuhannesosien eli mikrovolttien tarkkuudella. Jokainen näistä elektrodisignaaleista saapuu signaalin käsittelyä varten etuasteeseen, jossa instrumentaatiovahvistimet voimistavat mikrovolttitason signaalin ohjainvahvistinta ja korkean tarkkuuden ƩΔ ADC:tä varten (Kuva 4).

Kaavio EKG:n signaalinkäsittelyn etuasteestaKuva 4: EKG-signaalin esikäsittelyaste korkean resoluution lääketieteellistä tunnistusjärjestelmää varten, sisältäen kolmen operaatiovahvistimen instrumentaatiovahvistimet. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Signaaliketjussa ensimmäisinä laitteina on kolmen tarkan operaatiovahvistimen instrumentaatiovahvistimet sekä mahdollisesti toinen vahvistusaste. Nämä laitteet määrittävät järjestelmän maadoitustason sekä differentiaalivahvistuksen matalille mikrovolttitason signaaleille. Ohjainvahvistin ja alipäästösuodatin (LPF) poimivat differentiaalivahvistetun EKG-signaalin ja ohjaavat ja suodattavat sitä riittävästi korkean resoluution ƩΔ ADC:lle.

Ohjainvahvistin ja ƩΔ ADC

Etuasteen signaalinkäsittelyn lohkokaaviossa ohjainvahvistimen ja ƩΔ ADC:n suhde on kriittisen tärkeä. Täysin differentiaalinen ADC-ohjain ADA4945-1 ohjaa syötteen AD7768-4 ƩΔ ADC:lle (Kuva 5).

Kuvassa tyypillinen kytkentäkaavio korkean resoluution ƩΔ ADC:lle Analog Devices AD7768-4Kuva 5: Tyypillinen kytkentäkaavio korkean resoluution AD7768-4 ƩΔ ADC:lle, ohjainvahvistimena ADA4945-1. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics, Analog Devices -lähdemateriaalin perusteella)

ADA4945-1-ohjainvahvistin sekä R/C-alipäästösuodinverkko lähettävät signaalin ƩΔ ADC:n (AD7768-4) tuloon.

AD7768-4 on nelikanavainen, 24-bittinen, samanaikaista näytteenottoa käyttävä ƩΔ ADC. Valittavien virtatilojen ja erilaisten digitaalisuodinvaihtoehtojen ansiosta AD7768-4 voidaan konfiguroida moniin eri sovelluksiin, esimerkkinä EKG-laitteet, teolliset tulo- ja lähtömoduulit, instrumentaatio, audiotestaus, säätöpiirit ja kunnonvalvonta.

Suorituskyvyn mittaaminen

ADA4945-1 tarjoaa kaksi täysin karakterisoitua toimintatilaa, täyden tehon tila ja virransäästötila, joilla järjestelmän teho ja suorituskyky voidaan optimoida. Täydellä teholla ADA4945-1:n kaistanleveys on 145 megahertsiä (MHz), mutta virransäästötilassa kaistanleveys on 80 MHz. 5 voltin virtalähteellä tulojännitteen kohina 100 kHz:n taajuudella on täydellä teholla 1,8 nV/√Hz, virransäästötilassa 3 nV/√Hz. ADA4945-1:n lepovirta on täyden tehon tilassa 4 milliampeeria (mA) (tyypillinen) ja 4,2 mA (maksimi). Virransäästötilassa arvot ovat 1,4 mA (tyypillinen) ja 1,6 mA (maksimi).

Datan lähtönopeus (ODR) on AD7768-4:n virransäästötilassa 32 000 näytettä sekunnissa (32 kSPS) ja kaistanleveys 12,8 kHz laajakaistaista digitaalisuodatinta käytettäessä. Tuloon syötetty 1 kHz:n siniaaltosignaali on –0,5 desibeliä (dB) täydestä asteikosta. Keskitehotilassa ODR on 128 kSPS ja kaistanleveys 51,2 kHz laajakaistasuodatinta käytettäessä. Tuloon syötetty 1 kHz:n siniaaltosignaali on –0,5 dB täydestä asteikosta. Nopean tehon tilassa ODR on 256 kSPS ja kaistanleveys 102,4 kHz laajakaistasuodatinta käytettäessä. Taulukossa 2 (alla) esitetään ADA4945-1:n ja AD7768-4:n suorituskyky ja virrankulutus niiden eri toimintatiloissa.

AD7768-4:n konfiguroidun suodatinvasteen leikkaustaajuus on 0,433 × ODR. Päästökaistan alhainen ±0005 dB:n rippeli mahdollistaa taajuusaluemittauksen ja ohjausvahvistimen suorituskyvyn määrittämisen tulotaajuuteen nähden.

Kuvassa 5 vahvistimen lähdön ja ADC:n tulon välillä on vastus-kondensaattoriverkko (R/C). Tämä verkko hoitaa monia eri tehtäviä. Esimerkiksi C1 ja C2 toimivat varausreserveinä ADC:lle ja syöttävät ADC:lle näytteenottokondensaattorien vaatiman nopean varausvirran.

Lisäksi nämä kondensaattorit yhdessä RIN-vastuksen kanssa muodostavat alipäästösuodattimen, joka poistaa tulon vaihtoon liittyvät häiriöt. Tuloresistanssi myös stabiloi vahvistimen ohjattaessa suuria kapasitiivisia kuormia ja estää vahvistimen oskilloinnin (Taulukko 1).

Vahvistimen tila ADC-tila RIN (Ω) C1 (C2 – 130lm) FC (MHz) Syöttöjännite (V)
Alhainen teho Alhainen teho 82 82 23,7 0 ja 5
Alhainen teho Keskiteho 82 120 16,2 0 ja 5
Nopea teho Täysi teho 82 470 4,1 0 ja 5

Taulukko 1: Sopivat arvot komponenteille RIN, C1 ja C2. (Tietojen lähde: Analog Devices)

Kuvan 5 mukaisessa järjestelmässä tämä arviointijärjestely tuottaa signaalikohinasuhteen (SNR) 106,7 dB ja harmonisen kokonaissärön (THD) -114,8 dB alijärjestelmän tehon ollessa vain 18,45 milliwattia (mW) (Taulukko 2).

Vahvistimen tila ADC-tila Teho (mW) SNR (dB) THD (dB) SINAD (dB)
Alhainen teho Alhainen teho 18,45 106,7 -114,8 106,2
Alhainen teho Keskiteho 18,80 106,7 -117,7 106,3
Nopea teho Täysi teho 30,5 105,9 -116,6 105,6

Taulukko 2: Suorituskykyvertailu käytettäessä kahden ADA4945-1:n vahvistintilan ja kolmen AD7768-4:n ADC-tilan yhdistelmiä. (Tietojen lähde: Analog Devices)

Operaatiovahvistimen/ADC-yhdistelmän SNR-kohinasuhde osoittaa, että järjestelmän resoluutio on:

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

                                 = 17,43 bittiä

Tämä korkean resoluution ADC-ohjainvahvistimen ja Σ-Δ ADC:n yhdistelmä tuottaa tarkan lähtösignaalin ja poistaa täysin jälkikäsittelyn tarpeen.

Laitteiston arvioimiseen suunnittelijat voivat käyttää EVAL-AD7768-4FMCZ-arviointialustaa, joka sisältää AD7768-4:n ja ADA4945-1:tä käyttävän vahvistintytärkortin (AMC) (Kuva 6).

Kuvassa Analog Devices EVAL-AD7768-4FMCZ -arviointialusta AD7768-4:lleKuva 6: AD7768-4:n arviointialustaa EVAL-AD7768-4FMCZ voidaan käyttää suunnitelman testaamiseen lisäämällä AMC, joka sisältää ADA4945-1:n. (Kuvan lähde: Analog Devices, Digi-Key Electronics on lisännyt ADA4945-1-selitteen selkeyden vuoksi)

Arviointialusta voidaan konfiguroida käyttämään ADC-ohjaimille tarkoitettua AMC-ADA4500-2ARMZ-tytärkorttia yksikanavaisena ohjainvahvistimen syöttöä varten. Erittäin nopea EVAL-SDP-CH1Z-arviointialusta yhdistetään EVAL-AD7768-4FMCZ-arviointialustaan mukana toimitetun arviointiohjelmiston käyttöä varten. AC-analyysissa käytetään tarkkuusäänilähdettä.

Yhteenveto

Korkean resoluution EKG-laitteet voivat ei-invasiivisesti tunnistaa sydämen poikkeamia, joita ei muuten voitaisi havaita tai joiden indikaattorien havaitseminen vaatisi invasiivisia tai minimaalisesti invasiivisia toimenpiteitä. Kohina sekä muut EKG-detektoriin, detektorijärjestelmään ja jopa tallennusteknologiaan liittyvät suorituskykyä haittaavat seikat voivat estää tarvittavan resoluution saavuttamisen.

Kuten artikkelissa näytetään, suunnittelijat voivat välttää monia ongelmia ja kehittää tarkan ja resoluutioltaan korkean EKG:n yhdistämällä erittäin nopean ja täysin differentiaalisen Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7-ADC-ohjaimen sekä kahdeksankanavaisen ja 24-bittisen Analog Devices AD7768BSTZ-ADC:n. Tämä yhdistelmä synnyttää myös puskuri- ja digitaalisuodatuspiirit, jotka poistavat jälkikäsittelylaitteiden tarpeen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa