Kevin Tretter, višji inženir Product Marketing, Analog & Interface Products Division pri Microchip Technology Inc. predstavlja ključne dejavnike pri izbiri ojačevalnika v aplikaciji (EKG) elektrokardiograma. Nova generacija elektrokardiogramov (EKG) z bogatim naborom funkcij temeljijo na visokem nivoju natančnosti, s čimer so zagotovljene tudi napredne funkcije in izbor ojačevalnika igra pri tem ključno vlogo.
EKG OSNOVE
Osnovna funkcija elektrokardiograma (EKG) je merjenje napetostnih potencialov v telesu, ki se ustvari z vsakim utripom srca. ECG potem prilagodi in zajame srčne signale in jih prikaže kot valovne oblike, bodisi na zaslon ali kot izpis na papir. Za osnovno obliko EKG je to pogosto tudi edina funkcionalnost, pri novih EKG napravah pa je cilj narediti veliko več kot samo prikazati neko krivuljo. Napredne funkcije, kot so shranjevanje valovne oblike, uporaba brezžične komunikacije za prenos podatkov in post-procesiranje signalov, so vedno bolj vključene v nabor funkcij EKG naprav. Ojačevalniki, ki so uporabljeni v vezjih za kondicioniranje vhodnih signalov, so ključnega pomena za izvedbo teh naprednih funkcij. V blok shemi EKG-ja, ki je prikazana na sliki 1, so ojačevalniki prikazani v zeleni barvi, v spodnjem, levem delu diagrama.
ZAJEM SIGNALA
Običajno EKG naprave uporabljajo tri, pet ali deset elektrod za zajemanje signala na različnih točkah telesa. Napetosti, ki se pojavljajo na površini kože, so v razponu od 100 µV do 3 mV, lahko pa se zgodi, da dobimo potencial tudi do 300 mV enosmerne napetosti na vsaki elektrodi. Ključnega pomena je torej, da vhodno vezje za zaznavanje signala lahko odkrije zelo majhne ciljne napetosti kljub prisotnosti sorazmerno visoke napetosti sofaznega načina delovanja. Drugi dejavniki o katerih moramo razmišljati, je prisotnost motenj, kot na primer 50 ali 60 Hz zaradi prižganih luči ali monitorjev, premikanje bolnika in elektromagnetnih motenj zaradi drugih naprav.
Glede na zelo majhen obseg vhodnega signala mora biti ojačevalnik sposoben prepoznati napetost srčnega signala kljub sofazni enosmerni napetosti in motnjam, ter zagotoviti ojačenje tega signala. Obstajajo številni dejavniki, ki vplivajo na sposobnost ojačevalnika za izločanje motenj in ojačenja želenega signala. Skrbno se je treba posvetiti izločanju vplivu sofaznega delovanja, vhodni offset napetosti in drsenju te napetosti, kot tudi nihanju izhodnega signala in šumu ojačevalnika.
POVEČANJE NATANČNOSTI
Kljub dejstvu, da je ciljni signal, ki ga želimo opazovati običajno manjši od enega milivolta, imajo lahko elektrode potencial enosmerne napetosti v razredu nekaj sto milivoltov. Uporaba konfiguracije instrumentacijskega ojačevalnika omogoča operacijskemu ojačevalniku, da zanemari ves ojačeni signal, ki je skupen vsem diferencialnim vhodom, bodisi iz elektrod ali tistih, ki nastanejo zaradi sofaznega delovanja ali vpliva omrežne napetosti 50 Hz, obenem pa ojačiti signal srca. Da bi ojačevalniku zagotovili sposobnost obdelovanja diferencialnih vhodov ne glede na motnje zaradi sofaznega načina delovanja je pomembno, da razmislimo o vezju ojačevalnika, ki bo izločilo vpliv enosmerne kot tudi izmenične napetosti, še posebej na frekvencah omrežnega napajanja pri 50 ali 60 Hz. Izbira ojačevalnika z visoko sposobnostjo dušenja motenj zaradi sofaznosti bo odpravila več nezaželenih motenj in omogočila večjo natančnost meritve.
ZMANJŠANJE IZHODNE NAPAKE
Ena od ključnih funkcij ojačevalnika je zagotoviti ojačenje na relativno majhni ciljni napetosti, s čimer se poveča ločljivost detektorskega vezja. Zaradi visokega ojačenja, ki ga zahtevajo v EKG aplikacije, je offset napetost ojačevalnika ključnega pomena. Vsak premik napetosti, ki ga povzroči ojačevalnik bo v vezju pomnožen s faktorjem ojačenja. Ob predpostavki, da utrip srca povzroči napetostni potencial 1 mV na določeni elektrodi in ima vezje ojačevalnika ojačenje 1000, bo imel izhodni ojačeni signal nivo idealnih 1V. Če je ob tem vhodna offset napetost 100 mV, bo to na izhodu povzročilo napako 100 mV ali 10 odstotkov. Moramo se torej zavedati, da je vpliv napake zaradi offset napetosti ojačevalnika prisoten že na vhodu ojačevalne stopnje in se poveča s faktorjem ojačenja tega vezja.
Kot vsem elektronskim komponentam, se tudi ojačevalniku lastnosti spreminjajo s časom in temperaturo. To še zlasti velja za offset napetost ojačevalnika, ki lahko povzroči višjo stopnjo napake zaradi drsenja. To napako je mogoče zmanjšati z izbiro ojačevalnika z minimalnim drsenjem, na primer z ojačevalnikom, ki ima vgrajeno avtomatsko nastavitev offset napetosti ali z izvajanjem periodičnih kalibracij sistema za izničenje vpliva napetostnega offseta in drsenja.
V zgornjem primeru je 1 mV potencial na elektrodi povzročil spremembo napetosti 1V na izhodu vezja ojačevalnika. Če vezje napajamo s 5 V to pomeni, da bi lahko ojačevalno vezje natančno zaznavalo napetosti od nič do 5 mV, ob predpostavki, da bi lahko bila izhodna napetost ojačevalnika nekje med 0 in napajalno napetostjo. Če ojačevalnik ne podpira celotnega območja med 0 V in napajalno napetostjo, bo celotni obseg napetosti, ki jih je mogoče natančno odkriti manjši, zato dobimo manjši dinamični razpon vezja.
NAPAKA ŠUMA
Šum ojačevalnika je še en pomemben dejavnik, ki lahko vpliva na točnost meritve EKG. Šum ojačevalnika morda ne bo enakomeren pri vseh frekvencah, še posebej izrazit bo pri nizkih frekvencah, kjer lahko 1 / f šum postane prevladujoči vir motenj. Pri uporabi EKG je pasovna širina signala navadno v območju od enosmerne napetosti do 100 Hz, tako da je 1 / f šum še en izmed virov napak.
ZAKLJUČEK
EKG naprave imajo bolj zapleteno nalogo kot je zgolj preprosto merjenje električne aktivnosti srca. Sodobne EKG naprave lahko samostojno opravljajo EKG analize signala in ga prikazujejo v realnem času, poleg tega pa omogočajo snemanje električne aktivnosti srca celo prenosnim napravam in v daljšem časovnem obdobju. Izvajanje teh naprednih funkcij pa se zanašajo na natančnost s katero lahko signale s srca zajamemo in prilagodimo. Izbira primernega operacijskega ojačevalnika in načrtovanje ojačevalnega vezja sta pri tem ključna dejavnika za natančnost meritev na napravah EKG.
Kontron vgrajeni Single Computers!
Kontronov AMD Embedded G seria!
Ojačevalniki so ključnega pomena za natančnost EKG naprav
2011_SE187_10
