Progettare un ECG ad alta risoluzione con amplificatore totalmente differenziale e ADC ad alta risoluzione

I tipici ECG medici non invasivi creano rappresentazioni visive di base dello stato di salute del cuore a fini di analisi cliniche e interventi medici. Per rilevare alcuni dettagli del funzionamento del cuore, come il "potenziale tardivo", serve tuttavia un'elettronica ECG ad altissima risoluzione. La risoluzione spaziale richiesta per queste immagini può essere compromessa dal rumore e da altri inibitori delle prestazioni dell'elettrocardiografo (ECG), dal sistema rilevatore e persino dalla tecnica di acquisizione.

I progettisti possono evitare molti problemi e sviluppare un sistema ECG ad alta precisione applicando efficacemente un driver a basso rumore e un convertitore analogico/digitale (ADC) ad alta risoluzione.

Questo articolo tratta brevemente del funzionamento degli ECG prima di entrare nel merito dei problemi associati all'accoppiamento di un amplificatore di pilotaggio con un ADC ad alta risoluzione per questa applicazione. Presenta quindi una combinazione di esempio con il driver ADC totalmente differenziale e ad alta velocità ADA4945-1ACPZ-R7 di Analog Devices e l'ADC AD7768BSTZ a 24 bit e otto canali della stessa azienda, mostrando come configurare condensatori e resistori esterni per ottimizzare le prestazioni.

Il sistema ECG

L'ECG è un test non invasivo che rispecchia le condizioni cardiache sottostanti raccogliendo i segnali elettrici espressi in millivolt (mV) generati dal cuore. I segnali ECG possono essere rilevati in molti punti del corpo, ma decenni di tradizione medica hanno standardizzato quelli accettati in una disposizione immaginaria di tre derivazioni degli arti, chiamata triangolo di Einthoven (Figura 1).

Figura 1: I segnali ECG sono rilevabili in molti punti del corpo, ma il triangolo di Einthoven definisce quelli generalmente accettati. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il triangolo descrive il posizionamento degli elettrodi RA (braccio destro), LA (braccio sinistro) e LL (gamba sinistra). Questi elettrodi formano anche i valori V_I, V_II e V_III.

I dati ottenuti da questo sistema permettono ai medici di capire la frequenza e il ritmo cardiaco. Tuttavia, a un esame più approfondito, i dati possono fornire la prova di un ispessimento (ipertrofia) e di danni alle varie parti del muscolo cardiaco. Inoltre, il semplice grafico ECG bidimensionale può fornire la prova di un'acuta compromissione del flusso sanguigno al muscolo cardiaco o di modelli di attività elettrica anomala che possono predisporre il paziente a disturbi del ritmo cardiaco.

Viene mostrato il segnale ECG di un cuore normale, con evidenziata la normale combinazione di tre delle deflessioni grafiche osservate su un tipico elettrocardiogramma, chiamato complesso QRS (Figura 2).

Figura 2: I punti Q, R e S creano il complesso QRS, che di solito è la parte centrale e più evidente di un tracciato ECG. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il complesso QRS è la parte centrale ed evidente del segnale. Questo segnale corrisponde alla depolarizzazione dei ventricoli destro e sinistro del cuore. Negli adulti, il complesso QRS dura in genere tra 0,08 e 0,10 secondi. Una durata del complesso QRS superiore a 0,12 s è considerata anomala. La sfida di misurazione nel sistema ECG è quella di acquisire in modo affidabile e completo il segnale QRS.

Ma non si tratta di una sfida troppo difficile. In teoria, la frequenza di campionamento per gli apparecchi ECG è di almeno 50 Hz. Le implementazioni ECG reali hanno una frequenza di campionamento superiore a 500 Hz, con una velocità di conversione tipica del convertitore interno del rilevatore ECG ≥1 kHz. Con queste frequenze di campionamento, la risoluzione richiesta per i convertitori interni di un tipico sistema di rilevamento ECG è di 12 bit.

Queste specifiche di risoluzione e velocità sono tipiche di un rilevatore ECG per uso generale. Tuttavia, alcune irregolarità cardiache possono essere rilevate solo con rilevatori ECG a risoluzione superiore. Ad esempio, i pazienti che presentano una tachicardia ventricolare sostenuta (VT) possono avere forme d'onda a bassa ampiezza e ad alta frequenza nel complesso QRS terminale che persistono per decine di millisecondi. Si pensa che questi "potenziali tardivi" nei risultati ECG siano causati da post-depolarizzazioni precoci delle cellule del ventricolo destro (Figura 3).

Figura 3: I "potenziali tardivi" nei risultati ECG si verificano durante il complesso QRS ma spesso sono troppo piccoli per poter essere rilevati dai tipici rilevatori ECG. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Le ampiezze dei "potenziali tardivi" spesso sono troppo piccole per comparire in un normale ECG. Tuttavia, con sistemi ad alta risoluzione superiori a 20 bit, l'ADC media internamente le registrazioni del complesso QRS per filtrare il segnale di rumore random e rendere quindi visibili i potenziali tardivi nell'immagine ECG.

Quando gli ECG non invasivi ad alta risoluzione sono in grado di rilevare potenziali cardiaci tardivi, le implicazioni cliniche sono importanti. Ad esempio, nei pazienti con infarto miocardico acuto (MI), il rilevamento di un potenziale tardivo è molto importante dal punto di vista della prognosi. In questi pazienti, la presenza di un potenziale ventricolare tardivo è un indicatore di rischio di un successivo MI o di morte cardiaca improvvisa. Un tempo, questa classificazione e la successiva diagnosi erano possibili solo con tecniche invasive o minimamente invasive.

Tuttavia, per rendere visibili i segnali che in origine non erano rilevabili con un ECG, sono richieste tecniche avanzate di acquisizione ed elaborazione del segnale che utilizzano ADC sigma-delta (ƩΔ) ad alta risoluzione.

Sistemi di conversione ad alta risoluzione

Un tipico sistema ECG ha dodici elettrodi applicati sulla pelle del paziente, che rilevano i segnali cardiaci espressi in millivolt - divisi per 1.000 microvolt. Ognuno di questi segnali degli elettrodi, dell'ordine dei microvolt, arriva al front-end di condizionamento del segnale dove gli amplificatori strumentali li acquisiscono in preparazione per l'amplificatore di pilotaggio e, infine, l'ADC ƩΔ ad alta risoluzione (Figura 4).

Figura 4: Diagramma a blocchi di condizionamento del segnale front-end dell'ECG per un sistema di rilevamento medico ad alta risoluzione, a partire da tre amplificatori strumentali operazionali. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I primi dispositivi nella catena di segnali sono tre amplificatori strumentali operazionali di precisione ed eventualmente un secondo stadio di guadagno. Questi dispositivi stabiliscono la massa del sistema e il guadagno differenziale per i segnali a basso livello di microvolt. L'amplificatore di pilotaggio e il filtro passa-basso (LPF) acquisiscono il segnale ECG con guadagno differenziale e forniscono un ampio pilotaggio e filtraggio per l'ADC ƩΔ ad alta risoluzione.

Amplificatore di pilotaggio e ADC ƩΔ

Una funzione critica nel diagramma a blocchi del condizionamento dei segnali front-end è la relazione tra l'amplificatore di pilotaggio e l'ADC ƩΔ. Un driver ADC totalmente differenziale ADA4945-1 stimola l'ingresso per l'ADC ƩΔ ad alta risoluzione AD7768-4 (Figura 5).

Figura 5: Tipico schema di collegamento per l'ADC ƩΔ ad alta risoluzione AD7768-4 di Analog Devices con ADA4945-1 come amplificatore di pilotaggio. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, basata sul materiale di Analog Devices)

L'amplificatore di pilotaggio ADA4945-1 e la rete R/C e LPF inviano il segnale all'ingresso dell'ADC ƩΔ (AD7768-4).

AD7768-4 è un ADC ƩΔ di campionamento simultaneo a quattro canali e a 24 bit. AD7768-4 è riconfigurato con modalità di alimentazione selezionabili e opzioni di filtro digitale per soddisfare un'ampia gamma di applicazioni, tra cui ECG, moduli industriali di ingresso/uscita, strumentazione, test audio, anelli di controllo e monitoraggio delle condizioni.

Misurazione delle prestazioni

ADA4945-1 dispone di due modalità totalmente caratterizzate - potenza a pieno regime e bassa potenza - ottimizzando i compromessi tra potenza del sistema e prestazioni. La larghezza di banda in potenza a pieno regime di ADA4945-1 è di 145 MHz, mentre in modalità bassa potenza è di 80 MHz. Con un'alimentazione a 5 V, il rumore della tensione d'ingresso a 100 kHz in modalità potenza a pieno regime è di 1,8 nV/√Hz contro i 3 nV/√Hz in modalità bassa potenza. Infine, la corrente di quiescenza operativa di ADA4945-1 in modalità potenza a pieno regime è di 4 mA (tipica) e di 4,2 mA (max). In modalità bassa potenza è di 1,4 mA (tipica) e 1,6 mA (max).

La modalità bassa potenza di AD7768-4 offre una velocità dei dati in uscita (ODR) di 32 chilocampioni al secondo (kSPS) e una larghezza di banda di 12,8 kHz quando si utilizza il filtro digitale a banda larga. Il segnale a onda sinusoidale applicato all'ingresso a 1 kHz è di -0,5 dB dal fondo scala. La modalità potenza mediana ha un ODR di 128 kSPS con 51,2 kHz di larghezza di banda quando si utilizza il filtro a banda larga. Il segnale a onda sinusoidale applicato all'ingresso a 1 kHz è di -0,5 dB dal fondo scala. La modalità potenza rapida ha un ODR di 256 kSPS con 102,4 kHz di larghezza di banda quando si utilizza il filtro a banda larga. La Tabella 2 (sotto) mostra le prestazioni e il consumo energetico per le combinazioni di potenza di ADA4945-1 e AD7768-4.

La risposta del filtro configurato AD7768-4 ha una frequenza di taglio di 0,433 × ODR. Un ripple in banda passante di ±0,005 dB consente di effettuare misurazioni nel dominio della frequenza per stabilire le prestazioni degli amplificatori operazionali rispetto alla frequenza di ingresso.

Nella Figura 5, è rappresentata una rete resistore-condensatore (R/C) tra l'uscita dell'amplificatore e l'ingresso ADC. La rete R/C svolge diversi compiti. Ad esempio, C1 e C2 sono "serbatoi" di carica per l'ADC e gli forniscono una corrente di carica rapida ai condensatori di campionamento.

Inoltre, combinati con il resistore RIN, questi condensatori formano un filtro passa-basso per rimuovere i glitch legati alla commutazione degli ingressi. La resistenza di ingresso stabilizza inoltre l'amplificatore durante il pilotaggio di grandi carichi capacitivi e gli impedisce di oscillare (Tabella 1).

Tabella 1: Valori appropriati per RIN, C1 e C2. (Dati per gentile concessione di Analog Devices)

Con il sistema rappresentato nella Figura 5, questo apparecchio di valutazione produce un rapporto segnale/rumore (SNR) di 106,7 dB e una distorsione armonica totale (THD) di -114,8 dB con un livello di potenza del sottosistema fino a soli 18,45 mW (Tabella 2).

Tabella 2: Confronto delle prestazioni utilizzando un mix di due modalità amplificatore ADA4945-1 e tre modalità ADC AD7768-4. (Dati per gentile concessione di Analog Devices)

L'SNR della combinazione amplificatore operazionale/ADC mostra che la risoluzione del sistema è:

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

= 17,43 bit

Questa combinazione di amplificatore ADC ad alta risoluzione e ADC Σ-Δ produce un'uscita accurata ed elimina completamente la necessità di post-elaborazione.

Per valutare l'hardware, i progettisti possono utilizzare la scheda di valutazione EVAL-AD7768-4FMCZ con AD7768-4 e una scheda amplificatore mezzanine (AMC) con ADA4945-1 (Figura 6).

Figura 6: La scheda di valutazione EVAL-AD7768-4FMCZ per AD7768-4 può essere utilizzata per testare il progetto aggiungendo una AMC dotata di ADA4945-1. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices con didascalia di ADA4945-1 aggiunta da DigiKey a fini di chiarezza)

Questa piattaforma di valutazione può essere configurata per utilizzare una scheda mezzanine AMC-ADA4500-2ARMZ per driver ADC, con un solo canale, come ingresso dell'amplificatore di pilotaggio. La scheda di valutazione del progetto ad alta velocità EVAL-SDP-CH1Z è collegata alla piattaforma di valutazione EVAL-AD7768-4FMCZ per usare il software di valutazione in dotazione. Per l'analisi in c.a. viene utilizzata una sorgente audio di precisione.

Conclusione

Gli ECG ad alta risoluzione possono rilevare in modo non invasivo anomalie cardiache che passerebbero inosservate o i cui indicatori richiederebbero procedure di rilevamento invasive o minimamente invasive. Tuttavia, la risoluzione richiesta per questi ECG può essere compromessa dal rumore e da altri inibitori delle prestazioni del rilevatore ECG, del sistema del rilevatore e anche dalla tecnica di acquisizione.

Come è stato dimostrato, i progettisti possono evitare molti problemi e sviluppare un ECG ad alta precisione e ad alta risoluzione combinando efficacemente il driver ADC ad alta velocità totalmente differenziale ADA4945-1ACPZ-R7 di Analog Devices e l'ADC AD7768BSTZ a otto canali e a 24 bit di Analog Devices. Questa combinazione crea anche circuiti di filtraggio buffer/digitale che eliminano la necessità di apparecchiature di post-elaborazione.