Designa högupplösta EKG-system med en differentialförstärkare och en högupplöst ADC

Typiska icke-invasiva elektrokardiogram (EKG) ger en visuell bild av hjärtats hälsotillstånd och används för klinisk analys och medicinsk behandling. För vissa hjärttillstånd, exempelvis förekomster av ”sen potential”, krävs det dock EKG-elektronik med mycket hög upplösning. Den spatiala upplösning som krävs för sådan avbildning kan försämras av t.ex. brus vid EKG-detektorn, detektorsystemet eller själva registreringstekniken.

Utvecklarna kan förhindra många sådana problem genom att designa exakta EKG-system med en lågstörande drivförstärkare och en högupplöst ADC (AD-omvandlare).

I den här artikeln beskriver vi översiktligt hur EKG fungerar, innan vi ger en mer detaljerad beskrivning av möjliga problem som kan uppstå när man kopplar ihop en drivförstärkare och en högupplöst ADC i den nämnda typen av tillämpningar. Därefter presenterar vi en exempelkombination bestående av Analog Devices snabba differential-ADC-drivförstärkare ADA4945-1ACPZ-R7 och Analog Devices åttakanals-, 24-bitars ADC AD7768BSTZ, och vi visar hur man konfigurerar externa resistorer och kondensatorer för att uppnå optimala prestanda.

EKG-systemet

EKG (elektrokardiogram) är en icke-invasiv avbildande mätning av hjärtats aktivitet i syfte att analysera hjärtats hälsotillstånd. Hjärtaktiviteten avbildas genom att samla in de elektriska signaler (i mV-skala) som uppstår när hjärtat arbetar. EKG-signalerna kan registreras i många punkter på kroppen, men som standard brukar man använda ett antal punkter som tillsammans bildar en V-form – den så kallade Einthovens triangel (figur 1).

Figur 1: EKG-signaler kan registreras i många punkter på kroppen, men normalt används de punkter som ingår i ”Einthovens triangel”. (Bildkälla: DigiKey)

De tre hörnpunkterna i triangeln motsvarar elektrodernas placering, på RA (right arm, höger arm), LA (left arm, vänster arm) och LL (left leg, vänster ben). Punkterna motsvaras också av värdena V_I, V_II och V_III.

Utifrån de data som systemet samlar in, kan läkarna dra slutsatser om hjärtats funktion och rytm. Analyseras den insamlade informationen närmare är det möjligt att upptäcka förstoring (hypertrofi) och skador på olika delar av hjärtmuskeln. Ett enkelt tvådimensionellt EKG-diagram kan dessutom användas för att påvisa akut nedsatt blodflöde till hjärtmuskeln eller onormal elektrisk aktivitet som stör hjärtrytmen.

Nedan visas ett friskt hjärtas EKG-signal, med en normal kombination av tre grafiska komponenter – det så kallade QRS-komplexet – i ett typiskt elektrokardiogram (figur 2).

Figur 2: Punkterna Q, R och S i det så kallade QRS-komplexet, är vanligen den mest centrala och visuellt tydligaste delen av ett elektrokardiogram. (Bildkälla: DigiKey)

QRS-komplexet är den mest centrala och visuellt tydligaste delen av signalen. Signalen motsvarar depolariseringen av den högra och vänstra kammaren i ett människohjärta. Hos en vuxen person varar QRS-komplexet normalt i 0,08–0,10 sekunder. QRS-komplextider över 0,12 sekunder betraktas som onormalt. Den mätningsmässiga utmaningen i ett EKG-system är att fånga upp QRS-signalen korrekt och tillförlitligt.

Det är inte en jättesvår utmaning. Teoretiskt är samplingsfrekvensen för EKG-utrustning åtminstone 50 Hz. Det finns EKG-system med samplingsfrekvenser över 500 Hz, med en typisk omvandlingsfrekvens på minst 1 kHz för EKG-detektorns interna omvandlare. Med sådana samplingsfrekvenser, är den erforderliga upplösningen hos ett typiskt EKG-systems interna omvandlare 12 bitar.

De nämnda upplösnings- och frekvensspecifikationerna överensstämmer med de flesta EKG-detektorer för generellt bruk. Men vissa hjärtrubbningar går endast att detektera med EKG-mätare som har högre upplösning. Hos patienter med exempelvis långvarig ventrikulär takykardi (VT) kan vågformer med låg amplitud och hög frekvens uppstå i det avslutande QRS-komplexet under tiotals millisekunder. Sådana ”sena potentialer” i EKG:t tros orsakas av tidiga efterdepolariseringar av cellerna i den högra kammaren (figur 3).

Figur 3: Sena potentialer i EKG-resultatet inträffar under QRS-komplexet, men är ofta för små för att registreras av vanliga EKG-detektorer. (Bildkälla: DigiKey)

De sena potentialernas amplituder är vanligen för små för att registreras i ett EKG-system av normaltyp. Men i system med högre upplösning än 20 bitar gör ADC:n en intern genomsnittsberäkning av QRS-komplexmätningarna, så att slumpmässigt brus filtreras bort och de sena potentialerna blir synliga.

Det är av väsentlig klinisk och diagnosmässig betydelse att högupplösta EKG-system har kapacitet för att upptäcka sena potentialer, i synnerhet för patienter som har drabbats av akut hjärtinfarkt. Förekomsten av sen potential hos sådana patienter indikerar risk för efterföljande hjärtinfarkt eller plötslig hjärtdöd. Tidigare har sådan klassificering och efterföljande diagnos kunnat fastställas endast med hjälp av invasiva eller minimalt invasiva metoder.

Men för att dessa signaler – som tidigare var oupptäckbara – ska bli synliga i ett EKG, krävs avancerad signalinhämtning och -behandling med högupplösta sigma-delta-ADC:er.

Högupplösta omvandlingssystem

Ett typiskt EKG-system har tolv elektroder som fästs på patientens hud och registrerar de millivolt- eller mikrovoltstora signalerna. Varje elektrodsignal transporteras till signalbehandlingsenhetens ingång, där instrumenteringsförstärkare förstärker mikrovoltsignalen före drivförstärkaren och slutligen den högupplösta sigma-delta-ADC:n (figur 4).

Figur 4: Ett blockdiagram för frontend-signalbehandling i ett högupplöst EKG-system – signalbehandlingen inleds med tre operationsförstärkare för instrumentering. (Bildkälla: DigiKey)

De första enheterna i signalkedjan är tre operationsförstärkare med hög precision och eventuellt ett andra förstärkningssteg. Dessa enheter utgör systemets jord- och differentialförstärkning för mikrovoltsignalerna. Drivförstärkaren och lågpassfiltret (LPF) tar emot den differentialförstärkta EKG-signalen och bidrar med drivning och filtrering före sigma-delta-ADC:n.

Drivförstärkare och sigma-delta-ADC

Avgörande i frontend-sidans signalbehandlingskedja är relationen mellan drivförstärkaren och sigma-delta-ADC:n. Differential-ADC-drivaren ADA4945-1 behandlar indata till den högupplösta sigma-delta-ADC:n AD7768-4 (figur 5).

Figur 5: Typiskt kopplingsschema för den högupplösta sigma-delta-ADC:n AD7768-4, med ADA4945-1 som drivförstärkare. (Bildkälla: DigiKey, baserat på källmaterial från Analog Devices)

Drivförstärkaren ADA4945-1 och ”RC- plus LPF-kedjan” skickar signalen till sigma-delta-ADC:ns (AD7768-4) ingång.

AD7768-4 är en fyrkanalig, 24-bitars simultansamplande sigma-delta-ADC. Med valbara effektlägen och digitala filter kan AD7768-4 konfigureras för en rad tillämpningar, exempelvis EKG-system, industriella indata/utdatamoduler, instrumentering, ljudtestning, styrkretsar och tillståndsövervakning.

Mätprestanda

ADA4945-1 har två fullt karaktäriserade fulleffekt- och lågeffektlägen, för att jämna ut skillnader mellan systemeffekt och prestanda. I fulleffektläget är bandbredden 145 MHz och i lågeffektläget är bandbredden 80 MHz. Med 5 volts försörjning är ingångsspänningens brus vid 100 kHz i fulleffektläget 1,8 nV/√Hz och 3 nV/√Hz i lågeffektläget. Vilströmmen i fulleffektläget är 4 mA (typiskt) och 4,2 mA (max.). I lågeffektläget är vilströmmen 1,4 mA (typiskt) och 1,6 mA (max.).

AD7768-4 erbjuder en utdatafrekvens (ODR) på 32 kilosamplingar per sekund (kSPS) i lågeffektläget, och en bandbredd på 12,8 kHz när det digitala bredbandsfiltret används. Den ingående 1 kHz sinusvågsignalen är -0,5 dB från full skala. Medeleffektläget ger en utdatafrekvens på 128 kSPS vid bandbredden 51,2 kHz när bredbandsfiltret används. Den ingående 1 kHz sinusvågsignalen är -0,5 dB från full skala. Snabbeffektläget ger 256 kSPS ODR med bandbredden 102,4 kHz när bredbandsfiltret används. Tabell 2 (nedan) innehåller prestanda och effektförbrukning för kombinationer av ADA4945-1 och AD7768-4.

Den konfigurerade filterresponsen för AD7768-4 har en gränsfrekvens på 0,433 × ODR. ±0,005 dB bandpassrippel medger frekvensdomänmätningar för att bestämma prestanda för drivförstärkare kontra ingångsfrekvens.

I figur 5 är ett RC-nätverk (resistor-kondensator) inkopplat mellan förstärkarutgången och AD-omvandlarens ingång. RC-nätverket utför en rad uppgifter. Till exempel är C1 och C2 laddningsbehållare för ADC:n, och förser denna med snabbladdningsström för samplingskondensatorerna.

I kombination med RIN-resistorn bildar kondensatorerna ett lågpassfilter för att eliminera störningar från ingångsswitchning. Ingångsresistansen stabiliserar även förstärkaren vid stora kapacitiva laster, och förhindrar att förstärkaren oscillerar (tabell 1).

Tabell 1: Normala värden för RIN, C1 och C2. (Datakälla: Analog Devices)

Med systemet i figur 5, genererar utvärderingsfixturen ett signal-brus-förhållande (SNR) på 106,7 dB och total harmonisk distorsion (THD) på -114,8 dB vid en subsystemeffekt på 18,45 mW (tabell 2).

Tabell 2: Prestandajämförelse med en blandning av två förstärkarlägen hos ADA4945-1 och tre ADC-lägen hos AD7768-4. (Datakälla: Analog Devices)

Signal-brus-förhållandet hos förstärkar-/ADC-kombinationen visar att systemets upplösning är:

Upplösning = (SNR-1,76)/6,02

= 17,43 bitar

Den högupplösta kombinationen av drivar-ADC-förstärkare och sigma-delta-ADC genererar korrekta utsignaler och eliminerar behovet av efterföljande signalbehandling.

För att utvärdera maskinvaran kan man använda utvärderingskortet EVAL-AD7768-4FMCZ med AD7768-4 och ett förstärkarmezzaninkort (AMC) för ADA4945-1 (figur 6).

Figur 6: Utvärderingskortet EVAL-AD7768-4FMCZ för AD7768-4 kan användas för att testa konstruktionen, genom tillägg av ett AMC-kort där ADA4945-1 är ansluten. (Bildkälla: Analog Devices med ADA4945-1-märkning tillagd av DigiKey, för att förtydliga)

Denna utvärderingsplattform kan konfigureras för användning av mezzaninkortet AMC-ADA4500-2ARMZ för ADC-drivkretsar, med endast en kanal, som drivförstärkarens ingång. Utvärderingskortet EVAL-SDP-CH1Z för snabb design är anslutet till utvärderingsplattformen EVAL-AD7768-4FMCZ, så att den medföljande utvärderingsprogramvaran kan användas. En precisionsljudkälla används för AC-analys.

Slutsats

EKG-system med hög upplösning kan användas för icke-invasiva undersökningar och upptäckt av hjärtrubbningar som annars kanske skulle ha förbisetts eller endast gå att upptäcka genom invasiva eller minimalt invasiva ingrepp. Men den upplösning som krävs för sådan EKG-avbildning kan försämras av exempelvis brus vid EKG-detektorn, detektorsystemet eller själva registreringstekniken.

Som har beskrivits ovan kan utvecklarna undvika många problem och utveckla högupplösta och exakta EKG-system genom att kombinera Analog Devices höghastighets differential-ADC-drivare och Analog Devices åttakanals, 24-bitars ADC AD7768BSTZ. Kombinationen ger också buffertkretsar/digitala filterkretsar, vilket eliminerar behovet av efterbehandlingsutrustning.