Microchip Technology Inc. prezintă principalele considerente de selecţie ale unui amplificator cu aplicaţii în electrocardiografe (ECG). Noua generaţie de electrocardiografe (ECG) ‘function-rich’ se bazează pe un nivel ridicat de precizie pentru a oferi funcţii avansate şi de aceea selecţia amplificatorului joacă un rol vital în furnizarea acestora.
De Kevin Tretter, Senior Product Marketing Engineer, Divizia Produse “Analog & Interface”, Microchip Technology Inc.
Elementele de bază ale ECG
Funcţia de bază a electrocardiografului (ECG) este de a măsura potenţiale electrice în organism, care sunt create cu fiecare contracţie a pereţilor inimii. Aparatul ECG condiţionează semnalele cardiace şi le dă la ieşire ca forme de undă, fie pe un ecran, fie ca un grafic pe hârtie (print-out). Pentru un ECG clasic, aceasta este adesea limita lui de funcţionalitate. Noul ECG are scopul de a face mult mai mult decât pur şi simplu o formă de undă de ieşire. Caracteristici avansate, cum ar fi stocarea formei de undă, folosirea comunicaţiilor fără fir pentru transmiterea datelor, prelucrarea ulterioară a semnalelor, sunt funcţii noi încorporate în setul de funcţionalităţi. Amplificatoarele utilizate în condiţionarea semnalelor sunt esenţiale pentru punerea în aplicare a acestor avansate caracteristici. În schema bloc a unui sistem ECG, prezentată în Figura 1, amplificatoare sunt desenate cu verde în secţiunea din stânga, jos.
Capturarea semnalului
De obicei, ECG utilizează trei, cinci sau zece electrozi pentru a captura semnalul de la diferite puncte de pe corp. Tensiunile care apar pe o zonă de piele, au nivele de la 100μV până la 3mV, şi cu toate acestea, poate fi un potenţial DC de aproape 300 de mV la fiecare electrod. Este esenţial, prin urmare, un circuit ‘front-end’ de detectare de semnal care să fie capabil să detecteze tensiuni cu nivele foarte mici, în ciuda prezenţei unei tensiuni relativ mare de ‘mod comun’. Alţi factori care se iau în considerare sunt prezenţa zgomotului electric, cum ar fi interferenţe de 50 sau 60Hz de la surse electrice pentru corpuri de iluminat sau din monitoare, mişcarea pacientului şi interferenţe electromagnetice de la alte echipamente.
Având în vedere nivelele extrem de mici ale semnalului ţintă, este necesar un amplificator pentru a extrage semnalul cardiac din tensiunea de mod comun şi din fondul zgomotos, oferind o amplificare a semnalului. Există o serie de factori care influenţează capacitatea unui amplificator de a extrage şi a amplifica un semnal, iar o atenţie trebuie acordată ‘rejecţiei de mod comun’, tensiunii de offset la intrare şi deriva tensiunii de offset, precum şi între ce limite variază tensiunea la ieşire şi zgomotul amplificatorului.
Creşterea preciziei
În ciuda faptului că semnalul ţintă este de obicei mai mic de un millivolt, electrozii pot avea un potenţial de curent continuu de ordinul a câteva sute de milivolţi. Folosind o configuraţie de amplificator de instrumentaţie, se poate anula orice amplificare de semnal care este comun pentru intrările diferenţiale, captat simultan de electrozi sau un zgomot de mod comun, cum ar fi o interferenţă de 50Hz, dar amplificând semnalul cardiac. Pentru a se asigura rejecţia semnalelor de mod comun la intrările amplificatorului diferenţial şi rejecţia zgomotului de mod comun, este important să se ia în considerare ca circuitele amplificatorului să facă rejecţia la semnale DC, cât şi între frecvenţă, în special la frecvenţe ale reţelei de alimentare de 50 sau 60Hz. Alegerea unui amplificator cu o rejecţie de mod comun ridicată va elimina mai mult zgomotul nedorit şi va permite măsurători de precizie mai mare.
Minimizarea erorii la ieşire
Una dintre funcţiile cheie ale amplificatorului este de a oferi o creştere a unor tensiuni relativ mici, crescând rezoluţia circuitelor detector. Din cauza valorii mari a amplificării (gain) necesare în aplicaţiile ECG, tensiunea de offset a amplificatorului este crucială. Orice tensiune de offset necompensată la intrarea amplificatorului va fi, de asemenea, amplificată de circuit. Presupunând că o contracţie a inimii creează un potenţial de 1mV pe un electrod anume, şi circuitul amplificatorului este configurat pentru o amplificare de 1000, la ieşirea amplificatorului va fi în cazul ideal 1V.
Cu toate acestea, în cazul în care tensiunea de offset a amplificatorului este de 100μV, acest lucru va crea o eroare la ieşire de 100mV, sau o eroare de 10%. Este important, prin urmare, să ne amintim de offset-ul la intrarea amplificatorului menţionat, şi că acesta va fi scalat în funcţie de amplificarea (gain) aleasă de amplificator.
Ca la toate componentele electrice, apar schimbări ale caracteristicilor amplificatorului în timp şi în funcţie de temperatură. Acest lucru este cu siguranţă adevărat şi pentru tensiunea de offset a amplificatorului, care poate genera o rată mai mare de eroare – offset drift. Eroarea cauzată de tensiunea de offset poate fi minimizată prin selectarea unui amplificator ‘low-drift’, cum ar fi un amplificator cu o topologie bazată pe ‘auto-zero’ sau prin punerea în aplicare a sistemului de etalonări periodice pentru a calibra şi anula tensiunea de offset şi deriva (drift).
În exemplul de mai sus, un potenţial de electrod de 1mV a produs o schimbare a tensiunii de 1V la ieşirea din circuitul amplificator. Pentru un sistem cu alimentare unică la 5V, acest lucru ar sugera faptul că circuitul amplificator ar putea detecta cu precizie tensiuni de la zero la 5mV, presupunând că ieşirea amplificatorului poate varia între ambele bare de alimentare (rail-to-rail) (Gnd şi 5Vcc). În cazul în care amplificatorul nu acceptă o variaţie (swing) la ieşire între Gnd şi 5Vcc, gama generală de tensiuni care ar putea fi detectată cu precizie ar fi mai mică şi ar limita, prin urmare, domeniul dinamic de detecţie.
Eroarea cauzată de zgomot
Zgomotul de amplificare este alt factor important care afectează precizia. Un zgomot de amplificare nu poate fi constant în frecvenţă, în special la frecvenţe joase de lucru, unde ‘zgomotul 1 /f’ (pink noise) poate deveni sursa dominantă de zgomot. Într-o aplicaţie ECG, lăţimea de bandă a semnalul achiziţionat este de obicei de la DC până la 100Hz, deci ‘zgomotul 1/f’ va fi o altă sursă de eroare.
Concluzie
Aparatele ECG nu execută o măsurare pur şi simplu a activităţii electrice a inimii. Astăzi, aparatele ECG pot efectua autonom analiza semnalelor, oferă afişarea în timp real, şi chiar permit dispozitivelor portabile înregistrarea activităţii electrice cardiace pe o perioadă extinsă de timp.
Punerea în aplicare a acestor funcţii avansate se bazează pe precizia cu care semnalele cardiace pot fi capturate şi condiţionate, astfel că selecţia unui amplificator şi design-ul electronic sunt factori critici în precizia măsurătorilorECG.
www.microchip.com