22.04.2013 07:53 | EKG-Chip AD8232

Neue Maßstäbe in der Herzmessung setzen

Fachartikel von Jan-Hein Broeders

Da der Herzschlag viel über den Gesundheitszustand eines Menschen verrät, lohnt es sich, diese Frequenzen zu messen. Analog Devices stellt einen Chip vor, der über eine passende analoge Eingangsstufe integriert und so wenig Energie benötigt, dass eine mobile Überwachung möglich wird.

Die Weltbevölkerung wächst und die Lebenserwartung steigt: Um die Krankheitskosten dennoch überschaubar zu halten, übernehmen Anbieter von Gesundheitsdiensten, Versicherungen und Regierungen eine proaktivere Rolle beim Überwachen der Gesundheit. Während Vitalparameter bisher meist bei Menschen mit gesundheitlichen Beschwerden überwacht wurden, ist es heute von breiterem Interesse, diese Kennwerte zu beobachten, um unerwarteten gesundheitlichen Situationen vorzubeugen.

Was fürs Herz

Die Herzfrequenz ist ein solcher Kennwert. Sie gibt Aufschluss über die Verfassung eines Menschen oder dient dazu, physische Grenzen herauszufinden. Um dieses Entwicklungsziel zu unterstützen, hat Analog Devices den Chip AD8232 auf den Markt gebracht. Die integrierte analoge Eingangsstufe kann EKG-Signale messen oder die Herzfrequenz überwachen und nimmt dabei nur wenig Leistung auf. Das Bauteil eignet sich daher speziell für batteriegespeiste und tragbare Systeme.

Auf einen Blick

Der AD8232 ist ein Schaltungsblock mit allen Funktionen, der in Anwendung für Messungen am menschlichen Herzen Verwendung findet. Das Bauteil kommt im 4 x 4 mm großen Gehäuse und nimmt nur wenig Leistung auf. Er eignet sich für Anwendungen im Gesundheits- und Sportbereich sowie im Home-Care-Sektor.

Von allen Biopotenzialmessungen kommen EKG-Messungen und Messungen der Herzfrequenz am häufigsten vor, da die Ergebnisse gute Indikatoren für die physische Verfassung des Menschen sind. Damit können Sportler gesundheitlich im bedenkenlosen Bereich trainieren sowie Informationen über physische Fortschritte und Erfolge während des Trainings erhalten. Die während des Trainierens aufgenommenen Herzfrequenzen ermuntern die Sportler zum Üben ohne eine Überlastung ihres Körpers zu riskieren. Durch das Verfolgen der Herzfrequenz lässt sich die Herzleistung überwachen, um festzustellen, ob sich der Körper während des Fitnessprogramms im gesundheitlich bedenkenlosen Bereich befindet. Ferner gibt das Herzfrequenzüberwachen über eine längere Zeit Aufschluss über langfristige Trainingsfortschritte. Kann der Sportler intensiver trainieren ohne dass die Herzfrequenz steigt, wird er kräftiger und effizienter.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Herzfrequenz zu messen: über mechanische Kontakte oder vollständig kontaktlos. Der AD8232 nutzt zwei oder drei Elektroden, um die Herzsignale des menschlichen Körpers aufzunehmen. Der Chip wandelt die kleinen, mit Rauschanteilen behafteten Signale der Elektroden in ein größeres, gefiltertes Signal, das sich auf einfache Weise mit einem externen A/D-Wandler oder einem in einem Mikrocontroller integrierten ADC digitalisieren lässt.

Die Signalkette

Bild 1: Das vereinfachte Blockdiagramm des Bausteins AD8232. (Bild: Analog Devices)

Das Bauteil (Bild 1) besteht im Prinzip aus vier einzelnen Unterfunktionen. Der Eingang ist um eine differenzielle Verstärkerstufe mit nachgeschalteter Verstärkerstufe und Tiefpassfilterung angeordnet. Zusätzlich sind ein Right-Leg-Drive-Verstärker (RLD)  und ein Referenzpuffer integriert. Die Hauptfunktion in der Signalkette ist der Instrumentenverstärker. Seine symmetrische Eingangsstufe hat eine Gleichtaktunterdrückung von mindestens 80 dB. Die am Körper des Patienten angeschlossenen Elektroden sind direkt an die hochohmigen Eingänge dieses Verstärkers angeschlossen. Seine Eingangsimpedanz beträgt 100 MΩ. Diese Stufe arbeitet mit einer festen Verstärkung von 100 V/V. Sie verstärkt die niedrigen EKG-Signale am Eingang. Da ein DC-Offset bei dieser hohen Verstärkung den Eingangsverstärker leicht in die Sättigung bringen kann, ist er mit einem zweipoligen Hochpassfilter gekoppelt, um das Halbzellenpotenzial der Elektroden zu unterdrücken und Bewegungsartefakte zu filtern.

Die zweite Stufe besteht aus einem Operationsverstärker, der das Signal zusätzlich um 11 V/V verstärkt. Damit erreicht man eine Gesamtverstärkung von 1100 V/V und begrenzt das maximale differenzielle Eingangssignal auf 2,7 mVss. Das Bauteil ist gegen Überspannung geschützt. Falls also die Eingangsspannung den maximalen Pegel übersteigt, verzerrt sich zwar das Ausgangssignal, das Bauteil bleibt aber intakt.

Die Operationsverstärkerstufe lässt sich als zweipoliges Tiefpassfilter konfigurieren, um Leitungsrauschen und andere Interferenzen zu entfernen. Das Ausgangssignal repräsentiert eine saubere, verstärkte Version des EKG-Signals, wie am Eingang des AD8232 anliegend. Je nachdem, wie die Signalverarbeitung erfolgt, lässt sich der Chip als Herzfrequenzmonitor-Bauteil oder als EKG-System verwenden.

Ein Lob auf die Leistung

Der Haupttreiber hinter dem AD8232 ist Leistung. Da die meisten portablen Systeme batteriegespeist mit unipolarer Spannung arbeiten, muss sich der Massepegel auf einen festen Referenzpegel anheben lassen (Pseudomasse) – vorzugsweise auf den Mid-Scale oder der Gleichtaktpegel des ADC, der sich weiter hinten in der Signalkette befindet. Zum Unterstützen kann ein integrierter Referenzverstärker Verwendung finden, um diese Spannung zu puffern und den gemeinsamen Referenzpunkt im AD8232 zu setzen. Zwei Widerstände lassen sich verwenden, um die Referenz auf einen beliebigen Pegel einzustellen. Jedoch ließe sich auch der Referenzspannungsausgang des ADC verwenden. Weist der ADC keine interne Referenzspannung auf, ist es möglich, den REF-Ausgang des AD8232 zu verwenden, um die Referenz für den ADC zur Verfügung zu stellen. Diese ratiometrische Messung hat eine hohe Genauigkeit ohne unmittelbare Notwendigkeit für absolute Genauigkeit.

Bedeutung der Filterung

Bild 2: Das empfohlene Schaltungsdiagramm des Verstärkers und verschiedene Filterstufen zum Optimieren der Signalübertragung. (Bild: Analog Devices)

Die vom menschlichen Körper abgeleiteten Signale sind schwach und verrauscht. Zusätzlich sind diese kleinen Signale empfindlich gegenüber bewegungsbezogenen Artefakten. Deshalb spielt die Filterung eine wichtige Rolle, um ein nutzbares Signal zu erhalten. Der Eingangsverstärker liefert Verstärkung und unterstützt zugleich die Hochpassfilterung.

Er verstärkt die kleinen EKG-Signale um 100 V/V und unterdrückt zugleich die Elektroden-Offsets, die bis zu ±300 mV betragen können. Die -3-dB-Cut-Off-Frequenz (Grenzfrequenz) des ersten Filters beträgt FHP1 -3 dB = 100/(2π · R1 · C1). Wegen seiner Verstärkung und der Rückkopplungsarchitektur des Verstärkers ist die Filter-Cut-Off-Frequenz 100 Mal höher als normalerweise erwartet.

Bild 3: Der Filterbereich im AD8232. (Bild: Analog Devices)

Das empfohlene Schaltungsdiagramm des Verstärkers und verschiedene Filterstufen zur Optimierung der Signalübertragung sind in Bild 2 dargestellt. Der Eingangsstufe mit Hochpassfilterung folgt ein Netzwerk mit AC-Kopplung, das den zweiten Pol repräsentiert. Die Cut-Off-Frequenz ist als reguläres Hochpassfilter erster Ordnung eingestellt: FHP2 -3 dB = 1/(2π · R2 · C2). Die zwei kombinierten Hochpassfilter bieten einen gesamten Roll-Off von -40 dB pro Dekade. Das Schaltungsdiagramm zeigt, dass die Eingangsstufe zwei Schalter enthält. Diese sind integriert, um den Filterverlauf während einer schnellen Signal-Rückgewinnung (Fast-Signal-Restore) zu ändern.

Tiefpass bei 25 Hz

Die zweite Filterstufe unterstützt ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Sallen-Key-Konfiguration. Dieses Filter ist wichtig, um Bewegungsartefakte zu entfernen und das Ergebnis zu korrigieren. Die empfohlene Cut-Off-Frequenz beträgt etwa 25 Hz. Der Ausgang dieser Verstärkerstufe weist zwischen positiver Versorgung und Masse einen Spannungshub von 100 mV auf. Damit lässt sich fast der gesamte Dynamikbereich des ADC, der dem AD8232 nachgeschaltet ist, nutzen, um die System-Performance zu maximieren.

Bild 4: AD8232-Filterdesigntool zum Verbessern des Filterverlaufs in der Applikation. (Bild: Analog Devices)

Um Entwickler zu unterstützen, die den AD8232 einsetzen und seinen Filterverlauf verbessern müssen, hat Analog Devices ein Softwaretool (Bild 4) entwickelt. Es simuliert das Filter, dessen Roll-Off-Verhalten und evaluiert den Phasenverlauf. Ein Herzfrequenzmonitor für den Einsatz im Haushalt benötigt einen anderen Filterverlauf als ein Gerät, das sich an Sport und Fitness richtet. Die integrierten Default-Einstellungen ermöglichen es, schnell mit der Entwicklung zu beginnen.

Ein weiterer Verstärker ist integriert, um die Verbindung zur dritten Elektrode, genannt Right-Leg-Drive (RLD), zu bilden. Der RLD kann die Gleichtaktspannung zwischen Patienten/Anwender und dem AD8232 aufbereiten und hilft, die Performance des Bausteins zu verbessern. Der RLD ist keine Pflichtfunktion, aber er macht die Applikation immun gegenüber Störungen von außen wie 50-/60-Hz-Rauschen der Netzspannung, von Schaltnetzteilen oder der Strahlung von LED-Beleuchtungen und Leuchtstofflampen.

Erkennen offener Verbindungen und Fast-Restore-Betriebsart

Der AD8232 erkennt eine offene Verbindung zwischen Elektrode und Patienten oder Benutzer. Eine vom Anwender wählbare Option erlaubt das Erkennen entweder anhand einer DC- oder einer AC-Verbindung (Lead-Off-Detection). In der Betriebsart DC-Lead-Off-Detection erkennt das System das Eingangspotenzial der Elektroden. Beim Trennen einer Elektrode, gelangt der Eingang wegen der integrierten Bias-Widerstände auf High-Pegel. Über den zugehörigen Pin (LO- oder LO+) erhält der Betreiber oder Anwender die Mitteilung, dass eine Verbindung offen ist. Auch lässt sich die AC-Lead-Off-Detection-Betriebsart wählen, wenn der AD8232 mit nur zwei Elektroden betrieben wird (ohne RLD). Das Bauteil erkennt eine offene Elektrodenverbindung, indem es einen kleinen 100-kHz-Anregungsstrom in die Elektroden leitet. Da nur zwei Elektroden in Verwendung sind, kann der AD8232 nicht erkennen, welche Elektrodenverbindung offen ist. In der AC-Lead-Off-Detection-Betriebsart wird daher nur der Pin LO+ geflagged.

Bild 5: AD8232 Einschwingverhalten mit und ohne aktiviertem Fast Restore-Mode. (Bild: Analog Devices)

Ein nützliches Feature am AD8232 ist der schnelle Restore-Mode. Um diesen zu unterstützen, stellt sich der AD8232 automatisch auf eine höhere Filter-Cut-Off-Frequenz ein, wenn einer der Anschlüsse eine plötzliche Änderung am Eingang zeigt. Zum Beispiel lässt sich der AD8232 in den Handgriff eines Trainingsgeräts wie eines Crosstrainers eingebauen. Sobald der Benutzer den Griff umfasst, hilft dieses Feature dem Bauteil, sich schneller zu erholen und brauchbare Messungen in kürzerer Zeit zu erzielen. Nachdem das Signal eingeschwungen ist, ändert sich die Filteraktion automatisch zur Verbesserung des gesamten Rauschverhaltens des Systems.

Auf gute Partnerschaft

Analog Devices entwickelte den AD8232 für EKG-Messungen mit wenigen Anschlüssen und für den Einsatz in Applikationen zur Messung der Herzfrequenz. Das Bauteil eignet sich für Healthcare-Applikationen im Haushalt sowie für Anwendungen bei Trainings- oder Sportaktivitäten. Viele Healthcare-Systeme verlangen EKG-Messungen mit nur wenigen Anschlüssen. Dazu zählen portable EKG-Systeme und medizinische Herzfrequenzmonitore. Der AD8232 eignet sich auch für AEDs (Automatic Defibrillators). Bevor ein Defibrillator einen hohen Spannungsimpuls abgeben darf, muss er die Herzaktivität messen und den Impuls mit dieser synchronisieren. Ein weiterer, jedoch komplett anderer Markt mit schnellem Wachstum besteht im Sektor der Sport- und Trainingsgeräte. Die Messung der Herzfrequenz beim Training kann Athleten helfen, Übungen zu verbessern und ihren Trainingslevel zu bestimmen. Der AD8232 lässt sich in Monitorsystemen für Trainingsequipment wie Crosstrainer oder Laufbänder einsetzen.

Der Chip liefert ein analoges Ausgangssignal. Es erlaubt dem Systemintegrator, falls erforderlich, die Implementierung einer zusätzlichen Filterung vor dem Konvertieren des Signals in den digitalen Bereich mit einem eigenständigen A/D-Wandler (ADC) oder einem Mikrocontroller mit internem ADC. Analog Devices Familie von Cortex-M3-Prozessoren hat eingebaute High-Performance-Analogfunktionen wie A/D-Wandler mit 12 bis 24 Bit Auflösung. Eines der empfohlenen Bauteile ist der ADuCM301. Er arbeitet reibungslos mit dem AD8232 zusammen.

Falls ein Standalone-ADC erforderlich ist, gibt es andere Optionen wie der Low-Power-12-Bit-AD7170 oder der AD7171 mit 16 Bit. Diese nehmen 125 beziehungsweise 135 µA auf und können an der gleichen Versorgungsspannung arbeiten wie die Eingangsstufe, um die gesamte Leistungsaufnahme zu minimieren und die Batterielaufzeit zu verlängern. Falls die Applikation von der Netzspannung gespeist wird, ist eine galvanische Trennung erforderlich, um den Patienten oder Anwender zu schützen. Die iCoupler-Technik – dabei handelt es sich um eine mikro-elektromechanische (MEMS)-Nachbildung eines Transformators, die höhere Datenraten zulässt, für größere Immunität gegenüber Transienten sorgt und exaktere Übertragung der Signale ermöglicht als Varianten mit Optokopplern – hat eine galvanische Isolation bis zu 5 kV, einschließlich isolierter Leistung bis 500 mW. Die Produkte sind IEC-, CSA- und UL-qualifiziert und können helfen, diese Anforderungen zu erfüllen. Wenn eine Datenübertragung über eine Wireless-Funkverbindung erforderlich ist, kann der ADUCRF101 eine Variante sein. Er lässt sich direkt an den AD8232 anschließen und überträgt Herzinformationen über seine eingebaute Sub-1-GHz-Funkverbindung.

(rao)

Jan-Hein Broeders

Über den Autor

Jan-Hein Broeders ist Healthcare Business Development Manager Europe bei Analog Devices in München.

Weitere Infos

Analog Devices GmbH
Wilhelm-Wagenfeld-Str.6
D 80807 München

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