완전 차동 증폭기 및 고분해능 ADC를 사용하여 고분해능 ECG 설계

비침습 방식의 일반 의료용 ECG는 임상 분석 및 의료 개입을 위해 심장의 건강 상태에 대한 기본적인 시각적 표시를 생성합니다. 그러나 “후전위”와 같은 심장 수술과 관련한 일부 세부 사항은 초고분해능 ECG 전자 장치를 필요로 합니다. 이러한 이미지에 필요한 공간 분해능은 심전계(ECG) 감지기 및 감지기 시스템의 잡음과 기타 성능 방해 요소, 심지어 획득 기술에 의해 저하될 수 있습니다.

설계자는 저잡음 구동기와 고분해능 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 효과적으로 적용하여 많은 문제를 방지하고 고정밀 ECG 시스템을 개발할 수 있습니다.

이 기사에서는 ECG 작동 방식을 간략하게 설명하고 구동기 증폭기를 이 응용 분야에 적합한 고분해능 ADC와 연결하는 과정에서 발생하는 문제점을 자세히 살펴봅니다. 그런 다음 Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7 고속 완전 차동 ADC 구동기와 Analog Devices 8채널 24비트 AD7768BSTZ ADC로 구성된 샘플 조합을 소개하고 최적의 성능을 실현하도록 외부 저항기 및 커패시터를 구성하는 방법을 보여줍니다.

ECG 시스템

ECG는 심장에서 생성되는 mV 전기 신호를 수집하여 기본 심장 상태를 반영하는 비침습 방식 테스트입니다. 신체의 다양한 지점에서 ECG 신호를 감지할 수 있지만, 수십년 간 축적된 의료적 전통에 따라 세 개의 사지 유도를 가상으로 형성하는 허용 위치를 표준화했으며, 이 위치를 아인트호벤의 삼각형이라고 합니다(그림 1).

그림 1: 신체의 다양한 지점에서 ECG 신호를 감지할 수 있지만, 아인트호벤의 삼각형은 일반적으로 허용되는 위치를 정의합니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 삼각형은 전극 RA(오른쪽 팔), LA(왼쪽 팔), LL(왼쪽 다리)의 배치를 설명합니다. 또한 V_I, V_II 및 V_III 값을 형성합니다.

이 시스템의 데이터를 사용하여 의사는 심장의 기본 박동 및 리듬 메커니즘을 이해할 수 있습니다. 하지만 보다 자세한 조사를 통해 데이터는 심장 근육의 다양한 부분에 대한 두께 증가(비대) 및 손상 증거를 제공할 수 있습니다. 또한 간단한 2D ECG 그래프는 심장 근육에서 심각하게 손상된 혈류의 흔적 또는 환자가 비정상 심전도 장애에 취약해질 수 있는 비정상적인 전기 활동 패턴에 대한 증거를 제공할 수 있습니다.

QRS파라고 하는 일반 심전계에 표시된 정상적인 세 그래픽 굴절 조합을 중심으로 정상적인 심장의 ECG 신호가 표시됩니다(그림 2).

그림 2: Q, R 및 S 지점은 일반적으로 ECG 추적의 중심이자 시각적으로 가장 명확한 부분인 QRS파를 생성합니다. (이미지 출처: DigiKey)

QRS파는 신호의 중심이자 명확한 부분입니다. 이 신호는 인간 심장의 우심실과 좌심실의 탈분극에 해당합니다. 성인의 QRS파는 일반적으로 0.08초 ~ 0.10초 동안 지속됩니다. QRS파 주기가 0.12보다 크면 비정상으로 간주됩니다. ECG 시스템의 측정 과제는 QRS 신호를 안정적이고 완벽하게 잡아내는 것입니다.

이는 그렇게 어려운 문제는 아닙니다. 이론적으로 ECG 장비의 샘플링 속도는 최소 50Hz입니다. 실제 ECG 구현의 샘플링 주파수는 500Hz 이상이고 ECG 감지기의 일반적인 내부 컨버터 변환 속도는 1kHz 이상입니다. 이러한 샘플링 속도에서 일반 ECG 감지 시스템 내부 컨버터에 필요한 분해능은 12비트입니다.

이 분해능 및 속도 사양은 범용 ECG 감지기와 일치합니다. 하지만 일부 심장 이상은 고분해능 ECG 감지기에서만 감지될 수 있습니다. 예를 들어 지속적 심실성 빈맥(VT)이 있는 환자의 경우 단자 QRS파에서 낮은 진폭, 고주파 파형이 수십 밀리초 동안 지속될 수 있습니다. ECG 결과의 이러한 “후전위”는 우심실 세포의 조기 후탈분극이 원인일 수 있습니다(그림 3).

그림 3: ECG 결과에서 후전위는 QRS파 중에 발생하지만 너무 작아서 일반 ECG 감지기에는 표시되지 않습니다. (이미지 출처: DigiKey)

후전위 진폭은 너무 작아서 일반 ECG에 표시되지 않습니다. 하지만 20비트를 초과하는 고분해능 시스템을 사용하는 경우 ADC는 QRS파 기록을 내부적으로 평균을 내서 무작위 잡음을 필터링하므로 후전위가 ECG 이미지에 표시됩니다.

비침습성 고분해능 ECG에서 심장 후전위를 감지할 수 있는 경우 임상적으로 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어 급성 심근경색증(MI) 환자의 경우 후전위 감지를 예측하는 것이 중요합니다. 환자에게 심실 후전위가 있을 경우 후속 MI 또는 심장 돌연사 위험을 나타냅니다. 이전에는 이런 증상을 분류하여 후속 진단하려면 침습 기술이나 최소 침습 기술을 통해서만 가능했습니다.

하지만 원래 감지되지 않는 신호를 ECG를 사용하여 표시하려면 고분해능 시그마-델타(ƩΔ) ADC를 통해 신호를 받아 처리하는 고급 기술이 필요합니다.

고분해능 변환 시스템

일반 ECG 시스템에는 환자의 피부에 부착하여 밀리볼트 또는 1,000으로 나눈 마이크로 볼트(mV) 단위로 심장 신호를 감지하는 12개의 전극이 있습니다. 각 전극 신호가 신호 조정 프런트 엔드에 도달하면 계측 증폭기가 구동기 증폭기 및 고분해능 ƩΔ ADC에 대비하여 마이크로 볼트 신호를 구합니다(그림 4).

그림 4: 고분해능 의료 감지 시스템의 ECG 프런트 엔드 신호 조정 제품 구성도(세 연산 증폭 계측 증폭기로 시작). (이미지 출처: DigiKey)

신호 체인의 첫 번째 장치는 세 개의 정밀 연산 증폭기인 계측 증폭기이며 두 번째 이득 단계입니다. 이 장치는 낮은 마이크로 볼트 수준 신호에 대한 시스템 접지 및 차동 이득을 설정합니다. 구동기 증폭기 및 저역 통과 필터(LPF)는 고분해능 ƩΔ ADC를 구동하고 필터링하는 데 충분한 차동 이득 ECG 신호를 획득합니다.

구동기 증폭기 및 ƩΔ-ADC

구동기 증폭기와 ƩΔ-ADC 관계는 프런트 엔드 신호 조정 제품 구성도에서 중요한 기능입니다. ADA4945-1 완전 차동 ADC 구동기는 고분해능 AD7768-4 ƩΔ ADC에 대한 입력을 자극합니다(그림 5).

그림 5: ADA4945-1을 구동기 증폭기로 사용하는 고분해능 ƩΔ ADC AD7768-4의 일반 연결 구성도 (이미지 출처: DigiKey, Analog Devices의 출처 자료에 기반)

ADA4945-1 구동기 증폭기 및 R/C, LPF 네트워크는 ƩΔ ADC(AD7768-4)의 입력으로 신호를 전송합니다.

AD7768-4는 4채널 24비트 동시 샘플링 ƩΔ ADC입니다. AD7768-4는 ECG, 산업용 입/출력 모듈, 계측, 오디오 테스트, 제어 루프, 조건 모니터링 등 광범위한 응용 분야에 적합한 선택 가능한 전력 모드 및 디지털 필터 옵션으로 재구성됩니다.

성능 측정

ADA4945-1에는 시스템 전력과 성능 사이의 트레이드 오프를 최적화하여 완전히 특성화된 두 최대 전력 및 저전력 모드가 있습니다. ADA4945-1의 최대 전력 대역폭은 145MHz이고, 저전력 모드의 대역폭은 80MHz입니다. 5V 전원 공급 장치를 사용할 때 100kHz 대역폭에서 입력 전압 잡음은 최대 전력 모드의 경우 1.8nV/√Hz이고, 저전력 모드의 경우 3nV/√Hz입니다. 마지막으로 ADA4945-1의 작동 정동작 전류는 최대 전력 모드의 경우 4mA(통상) 및 4.2mA(최대)이고, 저전력 모드의 경우 1.4mA(통상) 및 1.6mA(최대)입니다.

AD7768-4 저전력 모드에서 광대역 디지털 필터를 사용할 경우 32kSPS 출력 데이터 전송률(ODR) 및 12.8kHz 대역폭을 제공합니다. 1kHz 입력에 적용된 사인파 신호는 전체 범위에서 -0.5dB입니다. 중간 전력 모드에서 광대역 필터를 사용할 경우 ODR은 128kSPS이고 대역폭은 51.2kHz입니다. 1kHz 입력에 적용된 사인파 신호는 전체 범위에서 -0.5dB입니다. 고속 전력 모드에서 광대역 필터를 사용할 경우 ODR은 256kSPS이고 대역폭은 102.4kHz입니다. 표 2(아래)는 ADA4945-1 및 AD7768-4 전력 조합의 성능 및 전력 소비를 보여줍니다.

AD7768-4 구성 필터 응답의 열차단 주파수는 0.433 × ODR입니다. 주파수 도메인 측정에서는 ±0.005dB 저역 통과 리플을 사용하여 구동 증폭기와 입력 주파수 성능을 비교합니다.

그림 5에서 증폭기 출력과 ADC 입력 사이에 저항기 커패시터(R/C) 네트워크가 있습니다. R/C 네트워크는 다양한 작업을 수행합니다. 예를 들어 C1 및 C2는 ADC에 대한 전하 저장 장치이며 ADC에 샘플링 커패시터에 대한 빠른 전하 전류를 제공합니다.

또한 이 커패시터는 RIN 저항기와 함께 저역 통과 필터를 형성하여 입력 스위칭 관련 결함을 제거합니다. 또한 입력 저항은 큰 정전 용량 부하를 구동할 때 증폭기를 안정화하여 증폭기를 진동으로부터 보호합니다(표 1).

표 1: RIN, C1 및 C2에 적절한 값 (데이터 출처: Analog Devices)

그림 5의 시스템에서 이 평가 기구는 18.45mW의 낮은 서브 시스템 전력 수준에서 106.7dB의 신호 대 잡음비(SNR)와 -114.8dB의 총 고조파 왜곡(THD)을 생성합니다(표 2).

표 2: 두 ADA4945-1 증폭기 모드와 세 AD7768-4 ADC 모드를 혼합하여 성능 비교 (데이터 출처: Analog Devices)

연산 증폭기/ADC 조합의 SNR은 다음과 같은 시스템 분해능을 보여줍니다.

분해능 = (SNR – 1.76)/6.02

= 17.43비트

이 고분해능 구동기 ADC 증폭기 및 Σ-Δ ADC 조합은 출력을 정확하게 생성하므로 사후 처리가 전혀 필요하지 않습니다.

하드웨어를 평가하기 위해 설계자는 AD7768-4를 포함하는 EVAL-AD7768-4FMCZ 평가 기판과 ADA4945-1을 포함하는 증폭기 메자닌 카드(AMC)를 사용할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: AD7768-4용 EVAL-AD7768-4FMCZ 평가 기판을 사용하면 ADA4945-1에서 채워지는 AMC를 추가하여 설계를 테스트할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, 명확히 하기 위해 DigiKey에서 추가한 ADA4945-1 설명선 사용)

한 채널에서만 ADC 구동기용 AMC-ADA4500-2ARMZ 메자닌 카드를 구동기 증폭기 입력으로 사용하도록 평가 플랫폼을 구성할 수 있습니다. EVAL-SDP-CH1Z 고속 설계 평가 기판은 EVAL-AD7768-4FMCZ 평가 플랫폼에 연결되어 제공된 평가 소프트웨어를 사용합니다. AC 분석에는 정밀한 오디오 소스가 사용됩니다.

결론

고분해능 ECG는 모르고 지나치거나 침습(또는 최소 침습) 감지 절차가 필요한 심장 이상을 비침습적으로 감지할 수 있습니다. 하지만 ECG에 필요한 분해능은 ECG 감지기 및 감지기 시스템의 잡음과 기타 성능 방해 요소, 심지어 취득 기술에 의해 저하될 수 있습니다.

설계자는 그림과 같이 Analog Devices ADA4945-1ACPZ-R7 고속 완전 차동 ADC 구동기와 Analog Devices 8채널 24비트 AD7768BSTZ ADC를 효과적으로 결합하여 많은 문제를 방지하고 고정밀 고분해능 ECG를 개발할 수 있습니다. 또한 이 조합은 버퍼/디지털 필터링 회로를 생성하므로 사후 처리 장비가 필요하지 않습니다.