Standardisierte analoge Eingangsstufe für EKG-Systeme mit eigener Software ausstatten

Das flexible Analog-Frontend ADAS1000 ist speziell für EKG-Systeme ausgelegt.Analog Devices

EKG-Geräte und Patientenüberwachungssysteme stehen üblicherweise in Krankenhäusern und Kliniken, aber auch im Krankenwagen und bei Soforthilfeorganisationen. Einteilen lassen sie sich in Diagnosesysteme und Patientenüberwachungssysteme. Diagnosesysteme, die Herzspezialisten nutzen, verlangen höchste Genauigkeit und minimales Rauschen. Sie messen in einem Frequenzbereich von 0,05 Hz bis 150 Hz und betrachten die Amplituden, das Timing und die Impulsflanken eines EKG-Signalverlaufs (Bild 1). Damit ermöglichen die Geräte saubere Diagnosen und erlauben Rückschlüsse über eine bestimmte Art von Herzversagen oder andere Krankheiten.

Bild 1: Typischer Signalverlauf eines EKG. Für eine exakte Diagnose braucht der Arzt diese Daten in bestmöglicher Qualität.Analog Devices

Die zweite Gerätegruppe, Patientenüberwachungssysteme, wird in Krankenhäusern, Ambulanzen und bei Operationen eingesetzt. Dabei überwacht ein Arzt die Herzaktivität, um Veränderungen oder Trends zu erkennen. Für diese Einsatzzwecke ist Rauschen weniger kritisch. Die Messfrequenz liegt typischerweise im Bereich von 0,5 Hz bis 40 Hz. Typische Überwachungssysteme für den Einsatz am Krankenbett bieten zusätzliche Funktionen wie Temperatur-, Blutsauerstoff- und CO₂-Messungen. Außerdem messen sie Parameter wie Blutdruck und Atmungsfrequenz und heißen daher auch Multi-Parameter-Überwachungssysteme.

Der Markt für EKG-Geräte ist groß genug, um die Entwicklung einer Einchip-Lösung wirtschaftlich zu rechtfertigen. So hat Analog Devices die analoge Eingangsstufe ADAS1000 für EKG-Geräte herausgebracht. Das Bauteil erfasst EKG-Signale über Elektroden, die mit der Haut des Patienten verbundenen sind. Da der Markt und die Anforderungen von verschiedenen Systemen unterschiedlich sind, wurde der ADAS1000 als Teil eines flexiblen Konzeptes realisiert. Der Anwender kann das optimale Verhältnis aus Leistungseigenschaften wie Rauschpegel, Ausgangsdatenrate, Anzahl ausgewählter Kanäle und Stromverbrauch selbst wählen. Daher lässt sich der ADAS1000 in Systemen für diagnostische EKG-Messungen ebenso wie in Patientenüberwachungsgeräten für das Krankenbett, in Langzeit-EKG- und Stresstestsystemen sowie in Defibrillatoren einsetzen.

EKG-Messung und die Signalkette

Bild 2: Das vereinfachte Blockdiagramm des ADAS1000 zeigt die fünf identischen AD-Wandler sowie den Kanal zur Messung der Atmung.Analog Devices

Die Signalkette des ADAS1000 lässt sich in mehrere Blöcke einteilen. Das Bauteil unterstützt fünf identische, simultan arbeitende Sampling-Eingangskanäle. Bild 2 zeigt das vereinfachte Blockdiagramm.

Nach dem Durchlaufen einer flexiblen Schaltmatrix ist jeder Eingang mit einem differenziellen Verstärker verbunden. Der Eingangsbereich von ±1 V ist um eine Gleichtaktspannung von 1,5 V zentriert. Diese Stufe bietet eine Gleichtaktunterdrückung von 110 dB und verstärkt das Signal um wählbare Stufen bis 2 V/V. Dank der begrenzten Verstärkung kann das gesamte System DC-gekoppelt werden. Hunderte von Millivolt Offset der Elektroden lassen sich auch ohne Kondensatoren beseitigen, die Eingangselektroden sind daher direkt an den Eingang des Chip angeschlossen. DC-Kopplung spart Platz auf der Leiterplatte, da keine großen Kondensatoren nötig sind. Außerdem sorgt die DC-Kopplung dafür, dass sich die Eingangsstufe sehr schnell von hohen Eingangspulsen oder Übersteuerungen erholt.

Angenommen, ein Ersthelfer detektiert mit seinem EKG-System einen fehlenden Herzschlag. Nachdem er per Defibrillator am Herzen des Patienten eine Schockbehandlung durchgeführt hat, möchte er die Reaktion möglichst schnell sehen, um den Erfolg der Maßnahme zu überprüfen. Gegenüber Systemen mit AC-Kopplung, die Ladungen im Kondensator sekundenlang speichern können und die Eingangsverstärker in der Sättigung halten können, erholt sich eine Eingangsstufe mit DC-Kopplung in wenigen Millisekunden. Daher erfassen Systeme mit DC-Kopplung das EKG-Signal in der kürzest möglichen Zeit.

Beste Signalqualität

Dem Eingangsverstärker ist ein aktives Anti-Aliasing-Filter (AAF) nachgeschaltet. Dieses Filter hat eine feste Cut-Off-Frequenz von 65 kHz und bietet zusätzliche Verstärkung. Zusammen mit der Verstärkung des Eingangsverstärkers wird das Signal um bis zu 2,8 V/V verstärkt, bevor es den A/D-Wandler (ADC) und den ADC-Puffer erreicht.

Die Architektur des ADC basiert auf dem SAR-Konzept (Successive Approximation Register), um gute Linearität, ein herausragendes Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und geringen Stromverbrauch zu erreichen. Die Wandler haben eine maximale Abtastrate von 2 MSample/s und bieten viel Flexibilität: Wenn Leistungsfähigkeit wichtig und Stromverbrauch weniger bedeutend ist, können die ADCs mit maximaler Abtastrate arbeiten. Dies liefert 20 effektive Bits nach Mittelwertbildung und Filterung. Daraus ergibt sich eine Auflösung von 4 µV, die für Diagnosesysteme ausreicht. Falls so viel Leistung gar nicht erforderlich ist, kann man die Abtastrate senken und Strom sparen. Das empfiehlt sich zum Beispiel bei Langzeit-EKG-Systemen, die tagelang mit einer einzigen Batterie laufen müssen.

Der ADAS1000 bietet auf seinem Chip Rechenleistung einschließlich Funktionen zur Mittelwertbildung mehrerer Samples, Filterung und SPI-Kommunikation. Bei 16 effektiven Bits beträgt die maximale Ausgangsdatenrate 128 kHz. Bei 18 effektiven Bits sinkt die maximale Ausgangsdatenrate auf 16 kHz und entsprechend auf 2 kHz für 20 Bit. Der Stromverbrauch ändert sich je nach Datenrate und Zahl der effektiven Bits. In der leistungsstärksten Betriebsart (High-Performance Mode) mit allen fünf Kanälen und aktiviertem RLD (Right Leg Drive) benötigt der Chip 22 mW. Diese Leistungsaufnahme lässt sich auf 11 mW reduzieren, indem man die Abtastrate senkt oder Funktionen abschaltet. Dank dieser Flexibilität ist der ADAS1000 in einer Vielzahl von Medizinsystemen mit EKG-Messfunktionen einsetzbar.

Eingangs-Multiplexing, Gleichtaktauswahl und Right Leg Drive

Bild 3: Das Multiplexing an jedem EKG-Eingangskanal gibt dem Entwickler viel Freiheit beim Entwurf seiner Applikation.Analog Devices

Jeder Eingangskanal ist mit einer Multiplexerstufe verbunden, bevor die Signale in die EKG-Eingangsstufe eingespeist werden. Diese Schaltmatrix bringt zusätzlichen Nutzen und Flexibilität für den Anwender. Bild 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Eingangsmultiplexerschaltung.

Über den Multiplexer sind viele Signalpfade für zahlreiche Funktionen an jedem EKG-Kanal verfügbar. Dazu gehören auch zwei Optionen zum Erkennen offener Verbindungen (Lead-Off Detection). Der ADAS1000 enthält auch einen Kalibrierungs-DAC, der Sinus- oder Rechtecksignale erzeugt. Diese Signale lassen sich für Kalibrierungs- oder Testzwecke auf alle Eingangskanäle schalten.

Wenn ein Patient an ein EKG-System angeschlossen ist, nimmt der menschliche Körper viele unerwünschte Signale auf. Zu diesen Gleichtaktstörungen gehören das 50- oder 60-Hz-Brummen der Versorgungsspannung, Signale von Neonröhren oder von anderen Geräten, die an den Patienten angeschlossen sind. Störungen wie diese erschweren die Messung der interessierenden Millivolt-Signale aus dem EKG-Signalverlauf. Die durchschnittliche Amplitude des QRS-Pulses (Bild 1) liegt im Bereich von 2 mV.

Mit dem rechten Bein

Die so genannte Right-Leg-Elektrode wird normalerweise verwendet, um den Gleichtaktpegel des menschlichen Körpers zu treiben und zu steuern. Sie hilft, Rauschen und Interferenzen von externen Quellen zu unterdrücken. Der ADAS1000 gestattet dem Anwender, entweder die 1,5 V Gleichtakt-Referenzspannung vom Chip zu selektieren oder die Gleichtaktspannung von einer oder mehreren Elektroden als RLD-Signal zu nutzen. Bei einem kompletten EKG-System mit 12 Anschlüssen (Leads) kommen zwei ADAS1000-Bauteile zum Einsatz – die Gleichtaktspannung des Slaves kann in diesem Fall vom Master abgeleitet werden.

Der RLD-Ausgang ist ein spezieller Pin. Falls die RLD-Elektrode abfällt, kann man das Treibersignal intern auf eine beliebige andere Elektrode umleiten, um die Gleichtaktansteuerung für einwandfreie EKG-Resultate aufrecht zu erhalten. Die Gleichtaktspannung kann auch für Abschirmzwecke verwendet werden. Dazu ist auf dem Chip ein Puffer mit Eins-Verstärkung integriert, der die Abschirmung der Elektrodenkabel aktiv treiben kann.

Elektroden- oder Lead-Information?

Der ADAS1000 besteht aus fünf EKG-Kanälen und einem RLD. In einem typischen EKG-System mit fünf Leads werden vier EKG-Eingangskanäle zusätzlich zum RLD-Pfad verwendet. Normalerweise sind dies der linke Arm, der rechte Arm, das linke Bein und eine Elektrode auf der Brust des Patienten in Herznähe (LA, RA, LL, V1). Beim ADAS1000 bleibt damit ein Eingangskanal frei. Dieser lässt sich für die Messung anderer Signale wie Blutdruck, Temperatur oder andere Parameter nutzen. Falls der ADAS1000 in Systemen mit zwei oder drei Leads zur Anwendung kommt, lassen sich ungenutzte Kanäle abschalten, um die Stromaufnahme zu reduzieren.

Informationen jedes Eingangskanals kann der ADAS1000 als Elektrodensignale bezogen auf die Gleichtaktspannung oder als Lead/Vektor-Information bereitstellen. Als Lead- oder Vektor-Information erfolgt die Berechnung zwischen zwei oder mehr Elek­troden­signalen. Lead I zum Beispiel ist die Differenz zwischen LA und RA und Lead II ist die Differenz zwischen LL und RA. Es ist auch möglich, die EKG-Aktivität am Herzen mit drei Elektroden zu messen (LA, LL and RA) und zu berechnen.

Tabelle 1: Die Leads und die zugehörigen Elektroden.Analog Devices

Ein ADAS1000 eignet sich für EKG-Systeme mit bis zu acht Leads. Bei Systemen mit mehr Leads, zum Beispiel 12, kann eine Master/Slave-Konfiguration mit zwei ADAS1000 implementiert werden. Für die Leads V1′ bis V6′ werden die Elektroden V1 bis V6 auf WCT (Wilsons Central Terminal) bezogen: Das ist der Durchschnittswert der Elektroden LA, LL und RA. Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Leads und die Elektroden, von denen sie abgeleitet werden. Der Anwender kann Lead- oder Elektrodeninformation mit Datenraten von 2 oder 16 kHz ausgeben lassen. Falls bis zu 128 kHz pro Kanal erforderlich sind, kann der ADAS1000 aufgrund der Einschränkungen einer seriellen Schnittstelle nur Elektrodendaten liefern.

Offene Verbindungen aufspüren

Es ist wichtig, dass ein EKG-System erkennt, wenn eine Elektrode nicht mehr über die Haut mit dem Patienten verbunden ist. Dies sorgt für Sicherheit und kann kostbare Zeit sparen, wenn ein Patient über 48 oder 72 Stunden per Langzeit-EKG überwacht wird. Der ADAS1000 unterstützt zur Erkennung offener Verbindungen (Lead-Off Detection, LOD) wahlweise die beiden Methoden AC und DC. Beide liefern ein Signal und stellen die Information über die offene Verbindung über die SPI-Schnittstelle zur Verfügung.

Bei DC-LOD-Methode werden kleine Ströme, in Stufen von 10 nA zwischen 10 nA und 70 nA, in den Elektrodeneingang eingespeist. Bei richtig angeschlossener Elektrode fließt dieser Strom in das rechte Bein des Patienten und verursacht eine minimale Spannungsverschiebung. Sobald sich die Verbindung der Elektrode mit dem Körper des Patienten löst, lädt der Strom die Kapazität dieser Verbindung und der Anschluss nimmt positives Potenzial an. Dies verursacht eine Spannungsänderung, die als offener Anschluss gewertet wird. Positive und negative Erkennungspegel sind für jeden Kanal programmierbar.

Alternativ wird bei der AC-LOD über jede einzelne Elektrode ein 2-kHz-Signal außerhalb des EKG-Band-Sinusverlaufs auf den Patienten geleitet und die resultierende Spannung gemessen. Zusätzlich zur LOD wird auch die Spannungsamplitude gemessen, um eine Rückmeldung über die Qualität des Elektrodenkontakts mit der Haut des Patienten zu erhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die AC-Lead-Off-Signale individuell konfiguriert und mit einem invertierten Trägersignal getrieben werden können, um den Gesamtstrom, der in die RLD-Schaltung getrieben wird, zu minimieren. Die Laufzeitverzögerung zur Erkennung einer offenen Verbindung beträgt weniger als 10 ms.

Die Atmung analysieren

Viele Überwachungs- und EKG-Systeme ermitteln die Atemfrequenz des Patienten. Eine der vielen Möglichkeiten zur Messung der Atemfrequenz basiert auf Impedanzmessungen des Brustkorbs. Dazu wird ein hochfrequenter Differenzstrom in die zwei Elektroden getrieben. Die Impedanzänderung bewirkt eine Differenzspannung, die sich mit der Atemfrequenz ändert. Das Anregungssignal, eine programmierbare Frequenz zwischen 50 kHz und 56 kHz, wird von einem integrierten DAC erzeugt und gelangt per AC-Kopplung über die Leads I, II oder III auf den Patienten. Dies bedeutet, dass keine speziellen Elektroden zur Messung der Atemfrequenz erforderlich sind.

Externe Eingänge für Atemfrequenzmessungen (Respiration Inputs) sind ebenfalls verfügbar. Es bleibt dem Anwender überlassen, wie er den Patienten zur Messung der Atmemfrequenz an das System anschließt. Die erfassten Signale sind amplitudenmoduliert mit einem Träger bei der getriebenen Frequenz und einer engen Modulationshüllkurve bei der Atemfrequenz. Die Modulations­tiefe ändert sich mit den RFI- und Schutzfiltern in den Elektrodenverbindungen. Viele EKG-Kabel enthalten Serienwiderstände für Schutzzwecke, was sich auf die Reaktion und die Empfindlichkeit auswirkt.

Bild 4: Signalpfad zur Messung der Atemfrequenz mit internen und externen Kondensatoren.Analog Devices

Bild 4 zeigt den integrierten Signalpfad des Kanals zur Messung der Atemfrequenz (Respiration Channel) und die Kopplung des Anregungssignals zum Patienten über ein internes RC-Netzwerk. Mit diesem On-Chip-Netzwerk kann der Anwender die Atemfrequenz bis auf 200 mΩ genau messen. Der injizierte Strom liegt bei 30 µA. Falls eine höhere Auflösung erforderlich ist, bietet der ADAS1000 die Option, das Anregungssignal über ein externes RC-Netzwerk einzuspeisen und die Messauflösung auf 20 mΩ zu erhöhen. Über On-Board-Schalter lässt sich dazu der interne Signalpfad abschalten.

Schrittmacher erkennen

Während der EKG-Aufnahme hilft es dem Mediziner, wenn das System einen eventuell implantierten Herzschrittmacher automatisch erkennt. Der ADAS1000 verfügt über diese Funktion und liefert sogar Informationen über die Pulsamplitude und die Pulsbreite des Schrittmachers. Um sicher zu sein, dass der Puls detektiert wird, greift er die ADCs bei der höchsten Abtastfrequenz ab. Die Erkennung erfolgt an drei oder vier Vektoren/Leads (Lead I, II, III und aVF) und in dem Bereich, in dem der Chip Pulsbreiten von 100 µs bis 4 ms und Pulsamplituden von 400 µV bis 250 mV erkennen kann. Falls der Anwender seinen eigenen Algorithmus zur Schrittmachererkennung implementieren möchte, stehen 128-kHz-ADC-Daten an der schnellen SPI-Schnittstelle bereit. Dies erlaubt es, den Algorithmus auf einem externen Prozessor oder DSP laufen zu lassen.

In wenigen Schritten zum Komplettsystem

Die Eingangsstufe ADAS1000 enthält viele Features, die ein EKG-System braucht. Dazu gehören fünf Eingangskanäle und eine RLD-Funktion, um Systeme mit bis zu acht Leads zu ermöglichen. Diese Konfiguration deckt den Großteil des EKG-Marktes ab. Sollten mehr Leads erforderlich sein, kann ein zweiter Chip im Slave-Betrieb zugeschaltet werden. So sind bis zu 12 Leads möglich.

Für ein komplettes Patientenüberwachungssystem ist ein Prozessor erforderlich. Der ADAS1000 ist direkt an einen Blackfin Embedded-Prozessor, eine Kombination aus DSP und RISC-Prozessor, anschließbar. Der Blackfin-Prozessor kann Steuerfunktionen bereitstellen und zugleich die Datenverarbeitung sowie die grafische Benutzeroberfläche unterstützen. Typische EKG-Algorithmen wie Baseline Wander Removal, Rauschreduktion und R-Wave-Erkennung können alle auf dem Blackfin-DSP laufen.

Für die Patientensicherheit gemäß Standard IEC 60601-1 hat Analog Devices Produkte mit iCoupler-Technologie im Programm. Dabei handelt es sich um eine Produktfamilie mit erhöhter galvanischer Isolation bis 5 kV.

(lei)