Eckdaten

Dieser Artikel geht kurz auf die Erstellung von EKGs ein, bevor er detailliert die Probleme bei 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 ist ein nichtinvasives Verfahren, mit dem Herzleiden erkannt werden können, indem es die vom Herz erzeugten elektrischen Signale im Millivolt-Bereich 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 (Bild 1).

EKG-Signale können an vielen Stellen des Körpers erfasst werden.

Bild 1: EKG-Signale können an vielen Stellen des Körpers erfasst werden. Das Einthoven-Dreieck legt jedoch die allgemein anerkannten Positionen fest. Digi-Key Electronics

Bild 2: Die Punkte Q, R und S bilden den QRS-Komplex, bei dem es sich üblicherweise um den zentralen und auffälligsten Abschnitt einer EKG-Kurve handelt.

Bild 2: Die Punkte Q, R und S bilden den QRS-Komplex, bei dem es sich üblicherweise um den zentralen und auffälligsten Abschnitt einer EKG-Kurve handelt. Digi-Key Electronics

Bild 3: Spätpotenziale im EKG treten während des QRS-Komplexes auf, sind jedoch häufig zu schwach, um von typischen EKG-Detektoren erfasst zu werden.

Bild 3: Spätpotenziale im EKG treten während des QRS-Komplexes auf, sind jedoch häufig zu schwach, um von typischen EKG-Detektoren erfasst zu werden. Digi-Key Electronics

Bild 4: Ein Blockdiagramm eines EKG-Frontends zur Signalaufbereitung für ein hochauflösendes medizinisches Messsystem, das mit aus drei Operationsverstärkern bestehenden Instrumentenverstärkern beginnt.

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

Bild 5: Diese Abbildung zeigt den typischen Anschlussplan für den hochauflösenden ƩΔ-ADC AD7768-4 mit dem ADA4945-1 als Treiberverstärker.

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

Bild 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.

Bild 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. Analog Devices mit der von Digi-Key Electronics hinzugefügten Angabe ADA4945-1 für mehr Klarheit

Tabelle 1: Geeignete Werte für RIN, C1 und C2

Tabelle 1: Geeignete Werte für RIN, C1 und C2 Analog Devices

Tabelle 2: Performancevergleich mit einer Mischung aus zwei Modi des Verstärkers ADA4945-1 und drei Modi des ADC AD7768-4

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

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.

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

QRS-Signal zuverlässig erfassen

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 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 kHz beträgt. Mit diesen Abtastraten beträgt die erforderliche Auflösung typischer interner Wandler von EKG-Detektorsystemen 12 Bit.

EKG-Detektoren mit höherer Auflösung

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 Spätpotenziale im EKG wird angenommen, dass sie von frühen Nachdepolarisationen von Zellen im rechten Ventrikel verursacht werden (Bild 3).

Die Amplituden von Spätpotenzialen 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 Spätpotenziale im EKG sichtbar.

Es hat beträchtliche klinische Folgen, wenn nichtinvasive EKGs mit hoher Auflösung Spätpotenziale erfassen können. Bei Patienten mit einem akuten Herzmuskelinfarkt (AMI, akuter Myokardinfarkt) etwa ist die Erfassung von Spätpotenzialen prognostisch von Bedeutung. Das Auftreten ventrikulärer Spätpotenziale 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 minimalinvasiven 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-ADCs (ΔΣ) 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 (Bild 4).

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 (Bild 5).

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 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 mA (typisch) und 4,2 mA (maximal). Im Niedrigleistungsmodus sind es 1,4 mA (typisch) und 1,6 mA (maximal).

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 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 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 Bild 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).

Mit dem System aus Bild 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 mW (Tabelle 2).

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 ΣΔ-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 (Bild 6).

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 Präzisionsaudioquelle verwendet.

Fazit

Mit hochauflösenden EKGs können auf nichtinvasive Weise Herzanomalien erkannt werden, die ansonsten entweder nicht bemerkt würden oder die Indikatoren aufweisen, die invasive oder minimalinvasive 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 und den 24-Bit-ADC AD7768BSTZ mit acht Kanälen von Analog Devices effektiv kombinieren. Die Kombination ergibt außerdem Schaltkreise zur Pufferung und digitalen Filterung, die Geräte zur Nachbearbeitung überflüssig machen.