Een ECG met hoge resolutie ontwerpen met een volledige differentiaalversterker en ADC met hoge resolutie

Typische niet-invasieve ECG's maken elementaire visuele representaties van de gezondheidsstatus van een hart voor klinische analyse en medische ingrepen. Maar bepaalde details van de werking van het hart, zoals het 'late potentiaal', vereisen ECG-elektronica met hoge resolutie. De ruimtelijke resolutie die voor deze afbeeldingen nodig is, kan door ruis en andere stoorfactoren bij de ECG (elektrocardiogram)-detector, het detectiesysteem en zelfs bij de acquisitietechniek worden beïnvloed.

Ontwerpers kunnen veel problemen voorkomen en een uiterst nauwkeurig ECG-systeem ontwikkelen door een driver met lage ruis en een analoog-digitaal-convertor (ADC) met hoge resolutie toe te passen.

In dit artikel wordt kort besproken hoe ECG's werken voordat op de problemen met het combineren van een driver-versterker en een ADC met hoge resolutie voor deze toepassing wordt ingegaan. Vervolgens wordt een voorbeeldoplossing geïntroduceerd bestaande uit de Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7 volledige ADC-differentiaalversterker en de Analog Devices achtkanaals 24-bits AD7768BSTZ ADC, en wordt getoond hoe de externe weerstanden en condensatoren moeten worden geconfigureerd voor optimale prestaties.

Het ECG-systeem

Het ECG is een niet-invasieve test die de onderliggende hartconditie weergeeft door de door het hart gegenereerde elektrische signalen op millivolt (mV)-niveau te verzamelen. De ECG-signalen kunnen op talloze punten op het lichaam worden gedetecteerd, maar in de medische traditie van tientallen jaren zijn algemeen aanvaarde locaties van deze punten gestandaardiseerd in een imaginaire formatie van drie punten op ledematen, de zogeheten driehoek van Einthoven (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: ECG-signalen kunnen op veel punten op het lichaam worden gedetecteerd, maar de algemeen aanvaarde locaties vormen de driehoek van Einthoven. (Bron afbeelding: DigiKey)

De driehoek beschrijft de plaatsing van de elektrodes RA (rechter arm), LA (linker arm) en LL (linker been). Ze vormen ook de waardes V_I, V_II en V_III.

De gegevens uit dit systeem stellen artsen in staat de onderliggende hartslag en ritmemechanismes van het hart te begrijpen. Maar door de gegevens nader te beschouwen kan bewijs worden gevonden voor toegenomen dikte (hypertrofie) van en schade aan verschillende delen van de hartspier. Bovendien kan de eenvoudige tweedimensionale ECG-grafiek bewijs leveren voor een acuut verzwakte bloedstroom naar de hartspier of patronen van abnormale elektrische activiteit waardoor de patiënt aanleg kan hebben tot abnormale verstoringen van het hartritme.

Het ECG-signaal van een normaal hart is afgebeeld, met de nadruk op de normale combinatie van drie van de grafische pieken in een typisch elektrocardiogram, het zogeheten QRS-complex (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De punten Q, R en S definiëren het QRS-complex, meestal het centrale en duidelijkst zichtbare deel van een ECG-spoor. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het QRS-complex is het centrale en meest in het oog springende deel van het signaal. Het signaal komt overeen met het depolariseren van de rechter en linker kamers van het menselijk hart. Bij volwassenen duurt het QRS-complex meestal 0,08 tot 0,10 seconde (s). Een QRS-complex dat langer dan 0,12 s duurt, wordt als abnormaal gezien. De uitdaging in het meten in het ECG-system is het QRS-signaal betrouwbaar en volledig te registreren.

Dit is niet al te lastig. Theoretisch is de bemonsteringsfrequentie voor ECG-apparatuur minstens 50 Hz. Echte ECG-implementaties hebben een bemonsteringsfrequentie van meer dan 500 Hz. De conversiefrequentie in de interne converter van de ECG-detector is doorgaans ≥1 kilohertz (kHz). Met deze bemonsteringsfrequenties is de vereiste resolutie van de interne converters een ECG-detectiesysteem 12 bit.

Deze resolutie en frequentie zijn consistent met een ECG-detector voor algemene doeleinden. Maar er bestaan onregelmatigheden in het hart die alleen met ECG-detectoren met een hogere resolutie kunnen worden gedetecteerd. Zo hebben patiënten met een aanhoudende ventriculaire tachycardie (VT) in het QRS-complex golfvormen van kleine amplitude en hoge frequentie die tientallen milliseconden duren. Gedacht wordt dat deze 'late potentialen' in het ECG veroorzaakt worden door vroege depolarisatie van cellen in de rechter kamer (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Late potentialen in het ECG treden in het QRS-complex op maar zijn vaak te klein om door standaard ECG-detectoren te worden gedetecteerd. (Bron afbeelding: DigiKey)

De amplitudes van de late potentialen zijn vaak te klein om op een normaal ECG te zien. Maar met systemen met een hoge resolutie van meer dan 20 bit middelt de ADC het QRS-complex intern en filtert de witte ruis uit, zodat late potentialen in het ECG-beeld zichtbaar worden.

Er zijn belangrijke klinische implicaties wanneer niet-invasieve ECG's met hoge resolutie late potentialen in het hartritme kunnen detecteren. Zo is bij patiënten met een acuut hartinfarct (myocardinfarct MI) de detectie van late potentialen belangrijk voor de behandeling. De aanwezigheid van late potentialen bij zulke patiënten is een risico-indicator voor een volgend MI of plotseling overlijden door hartfalen. Deze classificatie en de daarop volgende diagnose was vroeger alleen met invasieve of minimaal invasieve technieken mogelijk.

Maar geavanceerde signaalacquisitie en verwerkingstechnieken met gebruik van sigma-delta (ƩΔ) ADC's met hoge resolutie is nodig om de vroeger niet te detecteren signalen met een ECG zichtbaar te maken.

Conversiesystemen met hoge resolutie

Een normaal ECG-systeem heeft twaalf elektrodes die op de huid van de patiënt worden bevestigd en die de hartsignalen detecteren op microvolt (μV)-niveau (1/1000 millivolt) Elk van deze signalen komt bij de front-end aan waar signaalconditionering plaatsvindt en waar de instrumentatieversterkers het microvolt-signaal versterken voor de driver-versterker en uiteindelijk voor de ƩΔ-ADC met hoge resolutie (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een blokdiagram van een ECG front-end met signaalconditionering voor een medisch sensorsysteem met hoge resolutie, met aan de ingang drie opamp instrumentatieversterkers. (Bron afbeelding: DigiKey)

De eerste apparaten in de signaalketen zijn drie precisie opamp instrumentatieversterkers en mogelijk een tweede versterkertrap. Deze apparaten leggen de systeemmassa en de differentiaalversterking vast voor het zwakke microvoltsignaal. De driver-versterker en het laagdoorlaatfilter (LPF) verwerken het differentiaal versterkte ECG-signaal en versterken en filteren dit voor de ƩΔ-ADC met hoge resolutie.

Driver-versterker en ƩΔ-ADC

Een kritieke functie in het blokdiagram voor signaalconditionering is de relatie tussen de driver-versterker en de ƩΔ-ADC. Een ADA4945-1 volledig differentiaal ADC-driver levert de invoer voor de AD7768-4 ƩΔ-ADC met hoge resolutie (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Standaard verbindingsschema voor de AD7768-4 ƩΔ-ADC met hoge resolutie met de ADA4945-1 als driver-versterker. (Bron afbeelding: DigiKey, gebaseerd op bronnen van Analog Devices)

De ADA4945-1 driver-versterker en het R/C, LPF-netwerk geven het signaal aan de ingang van de ƩΔ-ADC (AD7768-4) door.

De AD7768-4 is een vierkanaals, 24-bit, simultaan bemonsterende ƩΔ-ADC. De AD7768-4 kan met verschillende vermogensmodi en opties voor digitaal filteren worden geconfigureerd om hem voor een groot scala aan toepassingen geschikt te maken, zoals ECG's, industriële ingangs-/uitgangsmodules, instrumentatie, audio tests, regellussen en conditiemonitoring.

Meetprestaties

De ADA4945-1 heeft twee volledig gekarakteriseerde modi voor vol en laag vermogen, zodat het door het systeem gebruikte vermogen en de prestaties kunnen worden geoptimaliseerd. De bandbreedte van de ADA4945-1 is 145 megahertz (MHz) op vol vermogen, op laag vermogen is dit 80 MHz. Met een voeding van 5 volt is de 100 kHz ruis aan de ingang op vol vermogen 1,8 nV/√Hz, bij laag vermogen is dit 3 nV/√Hz. De ruststroom tijdens bedrijf van de ADA4945-1 is bij vol vermogen 4 milliampère (mA) (typisch) en 4,2 mA (max). Bij laag vermogen zijn deze cijfers 1,4 en 1,6 mA.

De AD7768-4 levert op laag vermogen een uitgangsfrequentie (ODR) van 32.000 bemonsteringen per seconde (32 kSPS) en een bandbreedte van 12,8 kHz bij gebruik van het digitale breedbandfilter. Het sinusvormige ingangssignaal van 1kHz is -0,5 decibel (dB) onder het maximum. Op gemiddeld vermogen is de ODR 128 kSPS met een bandbreedte van 51,2 kHz bij gebruik van het breedbandfilter. Het sinusvormige ingangssignaal van 1kHz is -0,5 dB onder het maximum. Op snel vermogen is de ODR 256 kSPS met een bandbreedte van 102,4 kHz bij gebruik van het breedbandfilter. In Tabel 2 (hieronder) staan de prestaties en het energieverbruik van de ADA4945-1 en de AD7768-4 voor de verschillende vermogenscombinaties.

De geconfigureerde filterresponsie van de AD7768-4 heeft een drempelfrequentie van 0,433 × ODR. Met een bandrimpel van ±0.005 dB kunnen metingen in het frequentiedomein worden uitgevoerd om de prestatie van de van de driver-versterker tegenover de ingangsfrequentie te bepalen.

In Afbeelding 5 is een weerstand/condensator (R/C)-netwerk tussen de uitgang van de versterker en de ingang van de ADC opgenomen. Dit R/C-netwerk heeft verschillende functies. Zo fungeren C1 en C2 als ladingopslag voor de ADC en geven zij de ADC een snelle laadstroom voor de bemonsteringscondensatoren.

Bovendien vormen deze condensatoren, samen met de RIN-weerstand, een laagdoorlaatfilter om pieken door het schakelen van de ingang te onderdrukken. De ingangsweerstand stabiliseert tevens de versterker bij het aansturen van grote capacitieve belastingen en voorkomt dat de versterker gaat oscilleren (Tabel 1).

Tabel 1: Juiste waardes voor RIN, C1 en C2. (Bron gegevens: Analog Devices)

Met het systeem uit Afbeelding 5 produceert deze evaluatie-opstelling een signaal-ruisverhouding (SNR) van 106,7 dB en een totale harmonische vervorming (THD) van −114,8 dB bij een door het subsysteem opgenomen vermogen van niet meer dan 18,45 milliwatt (mW) (Tabel 2).

Tabel 2: Vergelijking van prestaties van een combinatie van twee versterkermodi van de ADA4945-1 en drie ADC-modi van de AD7768-4. (Bron gegevens: Analog Devices)

De SNR van de combinatie opamp/ADC geeft de volgende systeemresolutie:

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

                                 = 17,43 bit

Deze combinatie van ADC driver-versterker en ƩΔ-ADC met hoge resolutie levert een nauwkeurig uitgangssignaal waar geen nabewerking meer op hoeft te worden uitgevoerd.

Ontwerpers kunnen het EVAL-AD7768-4FMCZ evaluatiebord met de AD7768-4 en een opsteekkaart (AMC) met de ADA4945-1 gebruiken om de hardware te evalueren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het EVAL-AD7768-4FMCZ evaluatiebord voor de AD7768-4 kan worden gebruikt om het ontwerp te testen door er een AMC op te zetten met de ADA4945-1. (Bron afbeelding: Analog Devices met ADA4945-1 met verklarende tekst van DigiKey)

Dit evaluatieplatform kan worden geconfigureerd voor gebruik van een AMC-ADA4500-2ARMZ opsteekkaart voor ADC-drivers, met slechts één kanaal, als de ingang van de driver-versterker. De EVAL-SDP-CH1Z snelle evaluatiebord is met het EVAL-AD7768-4FMCZ evaluatieplatform verbonden om de meegeleverde evaluatiesoftware te gebruiken. Er wordt een nauwkeurige geluidsbron gebruikt voor de wisselspanningsanalyse.

Conclusie

ECG's met hoge resolutie kunnen niet-invasief hartafwijkingen detecteren die ofwel onopgemerkt zouden blijven of indicatoren hebben waarvoor invasieve of minimaal invasieve detectieprocedures nodig zouden zijn. Maar de resolutie die voor deze ECG's nodig is, kan door ruis en andere stoorfactoren bij de ECG-detector, het detectiesysteem en zelfs bij de acquisitietechniek worden beïnvloed.

We hebben laten zien dat ontwerpers veel problemen kunnen vermijden en een uiterst nauwkeurig ECG-systeem met hoge resolutie kunnen ontwikkelen door de Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7 snelle, volledig differentiaal ADC-driver en de Analog Devices achtkanaals 24-bit AD7768BSTZ ADC in combinatie te gebruiken. Deze combinatie zorgt tevens voor een buffer/digitaal filter waardoor geen nabewerking meer nodig is.