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Entwicklung eines hochauflösenden EKGs mit einem volldifferenziellen Verstärker und einem hochauflösenden ADC

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Ein EKG stellt in der Medizin eine typische nicht-invasive Untersuchungsmethode dar und liefert eine einfache grafische Darstellung des Gesundheitszustands des Herzens für klinische Bewertungen und medizinische Eingriffe. Es gibt jedoch Details der Herzfunktion, z. B. „Spätpotentiale“, die eine EKG-Elektronik mit extrem hoher Auflösung erfordern. Die zur Darstellung dieser Details erforderliche räumliche Auflösung kann durch Rauschen und andere leistungshemmende Faktoren am EKG-Detektor und am Detektorsystem und sogar durch das Erfassungsverfahren beeinträchtigt werden.

Entwickler können viele Probleme vermeiden und ein hochauflösendes EKG-System entwickeln, indem sie einen rauscharmen Treiber und einen Analog/Digital-Wandler (ADC) mit hoher Auflösung effektiv einsetzen.

Dieser Artikel geht kurz auf die Erstellung von EKGs ein, bevor er detailliert die Probleme im Zusammenhang mit der Kombination eines Treiberverstärkers mit einem hochauflösenden ADC erörtert, die für diese Anwendung erforderlich ist. Anschließend stellt er eine Beispielkombination bestehend aus dem volldifferenziellen Highspeed-ADC-Treiber ADA4945-1ACPZ-R7 von Analog Devices und dem 24-Bit-ADC AD7768BSTZ (ebenfalls von Analog Devices) mit acht Kanälen vor und beschreibt, wie externe Widerstände und Kondensatoren für optimale Performance konfiguriert werden.

Das EKG-System

Das EKG ist ein nicht-invasives Verfahren, mit dem Herzleiden erkannt werden können, indem es die vom Herz erzeugten elektrischen Signale im Millivolt-Bereich (mV) erfasst. Die EKG-Signale können an vielen Stellen des Körpers erfasst werden. Über die Jahrzehnte hinweg haben sich für diese Stellen jedoch Standardpositionen herauskristallisiert, die in einer imaginären Figur aus drei Extremitätenableitungen angeordnet sind, dem sogenannten Einthoven-Dreieck (Abbildung 1).

Abbildung: EKG-Signale sind an vielen Stellen des Körpers messbarAbbildung 1: EKG-Signale können an vielen Stellen des Körpers erfasst werden. Das Einthoven-Dreieck legt jedoch die allgemein anerkannten Positionen fest. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Das Dreieck beschreibt die Platzierung der Elektroden RA (rechter Arm), LA (linker Arm) und LL (linkes Bein). Sie liefern die Werte VI, VII und VIII.

Durch die mit diesem System gesammelten Daten können Ärzte den Mechanismus von Herzfrequenz und Herzrhythmus besser verstehen. Durch weitere Untersuchungen können die Daten jedoch Hinweise auf eine Hypertrophie (Vergrößerung des Herzens) sowie auf Schäden in den verschiedenen Bereichen des Herzmuskels liefern. Darüber hinaus kann das einfache, zweidimensionale Elektrokardiogramm Hinweise auf eine akut beeinträchtigte Durchblutung des Herzmuskels oder auf eine ungewöhnliche elektrische Aktivität geben, die den Patienten für abnormale Herzrhythmusstörungen prädisponiert.

Die Abbildung zeigt am Beispiel eines gewöhnlichen EKG-Signals die normale Kombination von drei der Auslenkungen in einem typischen Elektrokardiogramm, den sogenannten QRS-Komplex (Abbildung 2).

Diagramm: QRS-Komplex bestehend aus den Punkten Q, R und SAbbildung 2: Die Punkte Q, R und S bilden den QRS-Komplex, bei dem es sich üblicherweise um den zentralen und auffälligste Abschnitt einer EKG-Kurve handelt. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der QRS-Komplex ist der zentrale und auffälligste Abschnitt des Signals. Dieses Signal entspricht der Depolarisation des rechten und linken Ventrikels des menschlichen Herzens. Bei Erwachsenen hat der QRS-Komplex üblicherweise eine Dauer von 0,08 bis 0,10 Sekunden (s). Eine Dauer von über 0,12 s für den QRS-Komplex wird als abnormal betrachtet. Die Herausforderung bei Messungen mit einem EKG-System besteht darin, das QRS-Signal zuverlässig und vollständig zu erfassen.

Diese Herausforderung lässt sich nicht allzu schwer meistern. Theoretisch beträgt die Abtastrate für EKG-Geräte mindestens 50 Hz. In der Praxis weisen sie jedoch eine Abtastfrequenz von über 500 Hz auf, wobei die typische Umwandlungsrate des internen Wandlers des EKG-Detektors mindestens 1 Kilohertz (kHz) beträgt. Mit diesen Abtastraten beträgt die erforderliche Auflösung typischer interner Wandler von EKG-Detektorsystemen 12 Bit.

Diese Spezifikationen für Auflösung und Rate entsprechen einem Universal-EKG-Detektor. Manche Unregelmäßigkeiten am Herzen können jedoch nur mit EKG-Detektoren mit höherer Auflösung erfasst werden. Beispielsweise können bei Patienten mit anhaltender ventrikulärer Tachykardie (VT) im QRS-Komplex Wellenformen mit hohen Frequenzen und geringer Amplitude auftreten, die nur für den Bruchteil von Millisekunden Bestand haben. Für diese „Spätpotentiale“ im EKG wird angenommen, dass sie von frühen Nachdepolarisationen von Zellen im rechten Ventrikel verursacht werden (Abbildung 3).

Diagramm des EKG-Verlaufs während des QRS-KomplexesAbbildung 3: Spätpotentiale im EKG treten während des QRS-Komplexes auf, sind jedoch häufig zu schwach, um von typischen EKG-Detektoren erfasst zu werden. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die Amplituden von Spätpotentialen sind häufig zu niedrig, um in einem normalen EKG gesehen werden zu können. Bei Systemen mit hohen Auflösungen von über 20 Bit mittelt der ADC die Aufzeichnungen des QRS-Komplexes intern, um zufälliges Rauschen herauszufiltern. Dadurch werden Spätpotentiale im EKG sichtbar.

Es hat beträchtliche klinische Folgen, wenn nicht-invasive EKGs mit hoher Auflösung Spätpotentiale erfassen können. Bei Patienten mit einem akuten Herzmuskelinfarkt (AMI, akuter Myokardinfarkt) etwa ist die Erfassung von Spätpotentialen prognostisch von Bedeutung. Das Auftreten ventrikulärer Spätpotentiale bei diesen Patienten ist ein Risikoindikator für einen späteren MI oder einen plötzlichen Herztod. Früher waren diese Klassifizierung und die spätere Diagnose nur mithilfe von invasiven oder minimal-invasiven Verfahren möglich.

Um jedoch die ursprünglich nicht erfassbaren Signale mit einem EKG sichtbar zu machen, sind fortgeschrittene Verfahren zur Datenerfassung und -verarbeitung unter Verwendung von hochauflösenden Sigma-Delta-(ΔΣ)-ADCs erforderlich.

Hochauflösende Wandlersysteme

Ein typisches EKG-System hat zwölf Elektroden, die an der Haut des Patienten angebracht werden und die im Millivolt-Bereich – geteilt durch 1000, oder Mikrovolt (mV) – liegenden Herzsignale messen. Alle diese Elektrodensignale kommen am Frontend zur Signalaufbereitung an, wo das Mikrovolt-Signal von den Instrumentenverstärkern zur Vorbereitung für den Treiberverstärker und letztendlich den hochauflösenden ƩΔ-ADC verstärkt wird (Abbildung 4).

Blockdiagramm eines EKG-Frontends zur SignalaufbereitungAbbildung 4: Ein Blockdiagramm eines EKG-Frontends zur Signalaufbereitung für ein hochauflösendes medizinisches Messsystem, das mit aus drei Operationsverstärkern bestehenden Instrumentenverstärkern beginnt. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Bei den ersten Komponenten in der Signalkette handelt es sich um aus drei Präzisions-Operationsverstärkern bestehende Instrumentenverstärker und gegebenenfalls eine zweite Verstärkerstufe. Diese Komponenten legen die Systemmasse und die Differenzverstärkung für die im niedrigen Mikrovolt-Bereich liegenden Signale fest. Der Treiberverstärker und der Tiefpassfilter (LPF) erfassen das differenzverstärkte EKG-Signal und sorgen für ausreichende Ansteuerung und Filterung für den hochauflösenden ƩΔ-ADC.

Treiberverstärker und ƩΔ-ADC

Der Beziehung zwischen Treiberverstärker und ƩΔ-ADC kommt im Blockdiagramm des Frontends zur Signalaufbereitung eine tragende Rolle zu. Ein ADA4945-1, ein volldifferenzieller ADC-Treiber, stimuliert den Eingang des hochauflösenden ƩΔ-ADC AD7768-4 (Abbildung 5).

Abbildung eines typischen Anschlussplans für den hochauflösenden ƩΔ-ADC AD7768-4 von Analog DevicesAbbildung 5: Diese Abbildung zeigt den typischen Anschlussplan für den hochauflösenden ƩΔ-ADC AD7768-4 mit dem ADA4945-1 als Treiberverstärker. (Bildquelle: Digi-Key Electronics, basierend auf Ausgangsmaterial von Analog Devices)

Der Treiberverstärker ADA4945-1 und der RC-LPF senden das Signal an den Eingang des ƩΔ-ADC (AD7768-4).

Der AD7768-4 ist ein 24-Bit-Vierkanal-ƩΔ-ADC mit simultaner Abtastung. Der AD7768-4 kann mit auswählbaren Leistungsmodi und digitalen Filteroptionen für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten neu konfiguriert werden. Hierzu zählen unter anderem EKGs, industrielle Ein-/Ausgangsmodule, Instrumente, Audioprüfungen, Regelkreise und die Zustandsüberwachung.

Messleistung

Der ADA4945-1 verfügt über zwei vollständig charakterisierte Voll- und Niedrigleistungsmodi zur Optimierung von Kompromissen zwischen Stromverbrauch und Performance des Systems. Die Bandbreite des ADA4945-1 beträgt bei voller Leistung 145 Megahertz (MHz), wohingegen sie im Niedrigleistungsmodus 80 MHz beträgt. Mit einer 5-V-Spannungsversorgung beträgt das Eingangsspannungsrauschen bei 100 kHz im Vollleistungsmodus 1,8 nV/√Hz im Vergleich zu 3 nV/√Hz im Niedrigleistungsmodus. Der Betriebsruhestrom des ADA4945-1 schließlich beträgt im Vollleistungsmodus 4 Milliampere (mA) (typisch) und 4,2 mA (max.). Im Niedrigleistungsmodus sind es 1,4 mA (typisch) und 1,6 mA (max.).

Der Niedrigleistungsmodus des AD7768-4 bietet eine Ausgangsdatenrate (ODR, Output Data Rate) von 32 Kilosamples pro Sekunde (kSPS) und eine Bandbreite von 12,8 kHz bei Verwendung des digitalen Breitbandfilters. Das am Eingang anliegende Sinuswellensignal mit 1 kHz liegt bei −0,5 Dezibel (dB) der vollen Skala. Bei mittlerer Leistung beträgt die ODR 128 kSPS mit einer Bandbreite von 51,2 kHz bei Verwendung des Breitbandfilters. Das am Eingang anliegende Sinuswellensignal mit 1 kHz liegt bei −0,5 dB der vollen Skala. Der Schnellmodus bietet eine ODR von 256 kSPS mit einer Bandbreite von 102,4 kHz bei Verwendung des Breitbandfilters. Tabelle 2 (unten) zeigt Performance und Stromverbrauch der mit den Komponenten ADA4945-1 und AD7768-4 möglichen Leistungskombinationen.

Die für den AD7768-4 konfigurierte Filterantwort hat eine Grenzfrequenz von 0,433 × ODR. Eine Welligkeit im Durchlassbereich von ±0,005 dB ermöglicht Frequenzraummessungen, um die Performance des Treiberverstärkers im Vergleich zur Eingangsfrequenzleistung zu ermitteln.

In Abbildung 5 befindet sich zwischen dem Verstärkerausgang und dem ADC-Eingang ein RC-Netzwerk. Dieses RC-Netzwerk übernimmt verschiedene Aufgaben. Beispielsweise fungieren C1 und C2 als Ladungsspeicher für den ADC und versorgen die Abtastkondensatoren mit Schnellladestrom.

Des Weiteren bilden diese Kondensatoren in Kombination mit dem Widerstand RIN einen Tiefpassfilter, um Störungen im Zusammenhang mit Schaltvorgängen am Eingang zu beseitigen. Außerdem stabilisiert der Eingangswiderstand den Verstärker beim Ansteuern großer kapazitiver Lasten und verhindert ein Schwingen des Verstärkers (Tabelle 1).

Verstärkermodus ADC-Modus RIN (Ω) C1, C2 (pF) FC (MHz) Versorgungsspannung (V)
Niedrigleistung Niedrigleistung 82 82 23,7 0 und 5
Niedrigleistung Mittlere Leistung 82 120 16,2 0 und 5
Schnelle Leistung Vollleistung 82 470 4,1 0 und 5

Tabelle 1: Geeignete Werte für RIN, C1 und C2. (Datenquelle: Analog Devices)

Mit dem System aus Abbildung 5 liefert diese Bewertungsvorrichtung ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 106,7 dB und einen Gesamtklirrfaktor (THD) von –114,8 dB mit einem Subsystem-Leistungspegel von lediglich 18,45 Milliwatt (mW) (Tabelle 2).

Verstärkermodus ADC-Modus Leistung (mW) SNR (dB) THD (dB) SINAD (dB)
Niedrigleistung Niedrigleistung 18,45 106,7 –114,8 106,2
Niedrigleistung Mittlere Leistung 18,80 106,7 –117,7 106,3
Schnelle Leistung Vollleistung 30,5 105,9 –116,6 105,6

Tabelle 2: Performancevergleich mit einer Mischung aus zwei Modi des Verstärkers ADA4945-1 und drei Modi des ADC AD7768-4. (Datenquelle: Analog Devices)

Das SNR der Kombination aus Operationsverstärker und ADC ergibt folgende Systemauflösung:

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

                                 = 17,43 Bit

Diese Kombination aus hochauflösendem ADC-Treiberverstärker und Σ-Δ-ADC liefert einen exakten Ausgang und macht eine Nachbearbeitung komplett überflüssig.

Zur Bewertung der Hardware können Entwickler die Evaluierungskarte EVAL-AD7768-4FMCZ mit dem AD7768-4 und eine Verstärker-Mezzanine-Karte (AMC, Amplifier Mezzanine Card) mit dem ADA4945-1 verwenden (Abbildung 6).

Abbildung Evaluierungskarte EVAL-AD7768-4FMCZ von Analog Devices für den AD7768-4Abbildung 6: Die Evaluierungskarte EVAL-AD7768-4FMCZ für den AD7768-4 kann zum Testen des Designs verwendet werden, indem eine AMC hinzugefügt wird, auf der sich der ADA4945-1 befindet. (Bildquelle: Analog Devices mit der von Digi-Key Electronics hinzugefügten Angabe ADA4945-1 für mehr Klarheit)

Diese Evaluierungsplattform kann so konfiguriert werden, dass sie eine Mezzanine-Karte AMC-ADA4500-2ARMZ für ADC-Treiber – mit nur einem Kanal – als Treiberverstärkereingang verwendet. Die Hochgeschwindigkeits-Evaluierungskarte EVAL-SDP-CH1Z wird mit der Evaluierungsplattform EVAL-AD7768-4FMCZ verbunden, um die mitgelieferte Evaluierungssoftware zu verwenden. Zur AC-Analyse wird eine Präzisions-Audioquelle verwendet.

Fazit

Mit hochauflösenden EKGs können auf nicht-invasive Weise Herzanomalien erkannt werden, die ansonsten entweder nicht bemerkt würden oder die Indikatoren aufweisen, die invasive oder minimal-invasive Verfahren erfordern würden. Allerdings kann die zur Darstellung dieser EKGs erforderliche Auflösung durch Rauschen und andere leistungshemmende Faktoren am EKG-Detektor und am Detektorsystem und sogar durch das Erfassungsverfahren beeinträchtigt werden.

Wie gezeigt können Entwickler viele Probleme vermeiden und ein hochpräzises, hochauflösendes EKG-Design entwickeln, indem sie den volldifferenziellen Hochgeschwindigkeits-ADC-Treiber ADA4945-1ACPZ-R7 von Analog Devices und den 24-Bit-ADC AD7768BSTZ mit acht Kanälen (ebenfalls von Analog Devices) effektiv kombinieren. Die Kombination ergibt außerdem Schaltkreise zur Pufferung und digitalen Filterung, die Geräte zur Nachbearbeitung überflüssig machen.

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