Concevoir un ECG haute résolution avec un amplificateur entièrement différentiel et un CAN haute résolution

Les électrocardiogrammes (ECG) non invasifs médicaux typiques créent des représentations visuelles basiques de l'état de santé du cœur pour une analyse clinique et une intervention médicale. Cependant, certains détails du fonctionnement cardiaque, comme le « potentiel tardif », nécessitent une électronique ECG à résolution extrêmement élevée. La résolution spatiale requise pour ces images peut être compromise par le bruit et par d'autres facteurs affectant les performances du détecteur de l'ECG, du système de détection, voire de la technique d'acquisition.

Les concepteurs peuvent éviter de nombreux problèmes et développer un système ECG très précis en intégrant efficacement un circuit d'attaque à faible bruit et un convertisseur analogique-numérique (CAN) haute résolution.

Cet article traite brièvement du fonctionnement des ECG avant de détailler les problèmes relatifs à l'association d'un amplificateur de circuit d'attaque à un CAN haute résolution pour cette application. Il présente ensuite un exemple de combinaison incluant le circuit d'attaque CAN haute vitesse et entièrement différentiel ADA4945-1ACPZ-R7 d'Analog Devices et le CAN AD7768BSTZ 24 bits à huit canaux d'Analog Devices, puis explique comment configurer des résistances et des condensateurs externes pour atteindre des performances optimales.

Le système ECG

L'ECG est un test non invasif qui reflète les conditions cardiaques sous-jacentes en captant des signaux électriques en millivolts (mV) générés par le cœur. Les signaux de l'ECG peuvent être détectés à plusieurs endroits du corps, mais des dizaines d'années de pratique médicale ont suffi à standardiser l'emplacement de ces points dans une formation imaginaire dérivée de trois membres, appelée le triangle d'Einthoven (Figure 1).

Figure 1 : Les signaux ECG peuvent être détectés à plusieurs endroits du corps, mais le triangle d'Einthoven définit ceux qui sont généralement pris en compte. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le triangle définit le placement des électrodes RA (bras droit), LA (bras gauche) et LL (jambe gauche). Ces électrodes permettent également d'obtenir les valeurs V_I, V_II et V_III.

Les données de ce système permettent aux médecins de comprendre le mécanisme de fréquence cardiaque sous-jacent. Cependant, un examen approfondi des données peut fournir les preuves d'une épaisseur accrue (hypertrophie) ou de lésions au niveau de différentes parties du muscle cardiaque. De plus, le graphique simple de l'ECG en deux dimensions peut fournir des preuves de graves problèmes de circulation sanguine au niveau du cœur ou des représentations d'activité électrique anormale qui peuvent indiquer une prédisposition du patient à des perturbations anormales du rythme cardiaque.

Le signal ECG d'un cœur en bonne santé se présente sous la forme d'une combinaison normale de trois déviations graphiques visibles sur un électrocardiogramme typique, appelée complexe QRS (Figure 2).

Figure 2 : Les points Q, R et S créent le complexe QRS, qui correspond généralement à la partie centrale la plus visible d'un tracé d'ECG. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le complexe QRS correspond à la partie centrale la plus visible du signal. Ce signal correspond à la dépolarisation du ventricule droit et du ventricule gauche du cœur humain. Chez les adultes, le complexe QRS dure normalement 0,08 à 0,10 seconde (s). Si un complexe QRS dure plus de 0,12 s, il est considéré comme anormal. Le défi de mesure au niveau du système ECG consiste à capturer le signal QRS en intégralité et de manière fiable.

Ce défi n'est pas si complexe. En théorie, le taux d'échantillonnage d'un équipement ECG est d'au moins 50 Hz. En pratique, les ECG affichent une fréquence d'échantillonnage de plus de 500 Hz avec un convertisseur interne de détecteur ECG dont la vitesse de conversion typique est supérieure ou égale à 1 kilohertz (kHz). Avec ces taux d'échantillonnage, la résolution requise des convertisseurs internes du système de détection ECG typique doit être de 12 bits.

Ces spécifications de résolution et de vitesse conviennent à un détecteur ECG à usage général. Cependant, certaines arythmies cardiaques peuvent uniquement être détectées à l'aide de détecteurs ECG dont la résolution est supérieure. Par exemple, pour les patients qui souffrent de tachycardie ventriculaire (TV) soutenue, des formes d'onde haute fréquence à faible amplitude peuvent se présenter au niveau du complexe QRS terminal qui dure quelques dizaines de millisecondes. Ces « potentiels tardifs » dans les résultats de l'ECG pourraient provenir des post-dépolarisations précoces de cellules dans le ventricule droit (Figure 3).

Figure 3 : Des potentiels tardifs dans les résultats de l'ECG apparaissent lors du complexe QRS, mais sont souvent trop insignifiants pour s'afficher sur des détecteurs ECG typiques. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les amplitudes des potentiels tardifs sont souvent trop faibles pour s'afficher sur un ECG normal. Cependant, avec des systèmes dont la résolution est supérieure à 20 bits, le CAN établit une moyenne en interne des mesures du complexes QRS pour filtrer les bruits aléatoires, afin de faire apparaître les potentiels tardifs sur l'image de l'ECG.

Il existe des situations cliniques importantes où les ECG haute résolution non invasifs peuvent détecter des potentiels tardifs cardiaques. Par exemple, chez les patients souffrant d'un infarctus du myocarde (IM) grave, la détection des potentiels tardifs est importante pour établir un pronostic. La présence d'un potentiel tardif ventriculaire chez ce type de patients est un indicateur de risques de futurs IM ou de mort cardiaque soudaine. Auparavant, ce diagnostic de classification et d'anticipation était uniquement possible grâce à des techniques invasives ou légèrement invasives.

Cependant, pour faire apparaître des signaux qui sont à l'origine indétectables avec un ECG, des techniques avancées d'acquisition et de traitement des signaux utilisant des CAN Sigma-Delta (ƩΔ) haute résolution sont nécessaires.

Systèmes de conversion haute résolution

Un système ECG typique comporte 12 électrodes fixées sur la peau du patient qui détectent les signaux cardiaques en millivolts divisés par 1000 ou microvolts (µV). Chacun de ces signaux d'électrode est acheminé jusqu'au circuit d'entrée de mise en forme des signaux où les amplificateurs de mesure détectent le signal en microvolts afin de le préparer pour l'amplificateur de circuit d'attaque, puis pour le CAN ƩΔ haute résolution (Figure 4).

Figure 4 : Schéma fonctionnel de la mise en forme des signaux au niveau du circuit d'entrée d'un ECG pour un système de détection médical haute résolution, commençant par trois amplificateurs de mesure opérationnels. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les premiers dispositifs de la chaîne de signaux sont trois amplificateurs de mesures opérationnels de précision. Parfois, un second étage de gain peut être inclus. Ces dispositifs établissent la mise à la terre du système et créent un gain différentiel pour les signaux de faible niveau en microvolts. L'amplificateur de circuit d'attaque et le filtre passe-bas (LPF) captent le signal de l'ECG à gain différentiel qui fournit suffisamment de puissance d'attaque et de filtrage pour le CAN ƩΔ haute résolution.

Amplificateur de circuit d'attaque et CAN ƩΔ

La relation entre l'amplificateur de circuit d'attaque et le CAN ƩΔ est une fonction essentielle du schéma fonctionnel de mise en forme des signaux au niveau de l'entrée. Un circuit d'attaque CAN entièrement différentiel ADA4945-1 stimule l'entrée au niveau du CAN ƩΔ AD7768-4 haute résolution (Figure 5).

Figure 5 : Schéma de connexion typique pour le CAN ƩΔ haute résolution AD7768-4 avec l'amplificateur de circuit d'attaque ADA4945-1. (Source de l'image : DigiKey Electronics, d'après un document source d'Analog Devices)

L'amplificateur de circuit d'attaque ADA4945-1 et le réseau du filtre passe-bas R/C envoient le signal vers l'entrée du CAN ƩΔ (AD7768-4).

L'AD7768-4 est un CAN ƩΔ à échantillonnage simultané de 24 bits à quatre canaux. L'AD7768-4 est reconfiguré avec des modes de puissance qui peuvent être sélectionnés et des options de filtres numériques pour s'adapter à une large gamme d'applications, notamment les ECG, les modules entrée/sortie industriels, l'instrumentation, les tests audio, les boucles de contrôle et la surveillance des états.

Performances de mesure

L'ADA4945-1 dispose d'un mode pleine puissance et d'un mode basse consommation, tous deux entièrement caractérisés, permettant d'optimiser les compromis entre la puissance et les performances du système. La largeur de bande pleine puissance de l'amplificateur ADA4945-1 est de 145 mégahertz (MHz), tandis qu'elle est de 80 MHz en mode basse consommation. Avec une alimentation de 5 V, la tension de bruit d'entrée à 100 kHz en mode pleine puissance est de 1,8 nV/√Hz, contre 3 nV/√Hz en mode basse consommation. Enfin, le courant de repos de fonctionnement de l'ADA4945-1 en mode pleine puissance s'élève à 4 milliampères (mA) (valeur typique) et à 4,2 mA (max.). En mode basse consommation, il s'élève à 1,4 mA (typ.) et à 1,6 mA (max.).

Le mode basse consommation de l'AD7768-4 fournit un débit de données de sortie (ODR) de 32 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s) et une largeur de bande de 12,8 kHz en cas d'utilisation d'un filtre numérique à large bande. Le signal sinusoïdal appliqué à l'entrée de 1 kHz correspond à -0,5 dB par rapport à la pleine échelle. Le mode de puissance intermédiaire fournit un débit de données de sortie de 128 Kéch./s avec une largeur de bande de 51,2 kHz en cas d'utilisation d'un filtre à large bande. Le signal sinusoïdal appliqué à l'entrée de 1 kHz correspond à -0,5 dB par rapport à la pleine échelle. Le mode de puissance rapide fournit un débit de données de sortie de 256 Kéch./s avec une largeur de bande de 102,4 kHz en cas d'utilisation d'un filtre à large bande. Le Tableau 2 (ci-dessous) présente les performances et la consommation d'énergie pour les combinaisons ADA4945-1 et AD7768-4 en fonction de la puissance.

La réponse du filtre configuré de l'AD7768-4 présente une fréquence de coupure de 0,433 multiplié par le débit de données de sortie. Une ondulation passe-bande de ±0,005 dB permet de réaliser des mesures de domaine de fréquence pour identifier les performances de fréquence des amplificateurs de circuit d'attaque par rapport à celles de l'entrée.

Dans la Figure 5, un réseau résistance-condensateur (R/C) est présent entre la sortie de l'amplificateur et l'entrée du CAN. Le réseau R/C effectue diverses tâches. Par exemple, C1 et C2 sont des réservoirs de charge pour le CAN et l'alimentent avec un courant de charge rapide allant jusqu'aux condensateurs d'échantillonnage.

De plus, ces condensateurs associés à la résistance d'entrée (RIN) forment un filtre passe-bas permettant de supprimer les pointes de conversion associées à la commutation d'entrée. La résistance d'entrée stabilise également l'amplificateur lors de l'application de charges capacitives élevées et empêche l'amplificateur d'osciller (Tableau 1).

Tableau 1 : Valeurs appropriées pour RIN, C1 et C2. (Source des données : Analog Devices)

Avec le système de la Figure 5, ce montage d'évaluation produit un rapport signal/bruit (SNR) de 106,7 dB et une distorsion harmonique totale (THD) de -114,8 dB avec un niveau de puissance de sous-système de seulement 18,45 milliwatts (mW) (Tableau 2).

Tableau 2 : Comparaison des performances en mélangeant les deux modes de l'amplificateur ADA4945-1 et les trois modes du CAN AD7768-4. (Source des données : Analog Devices)

Le rapport signal/bruit de la combinaison de l'amplificateur opérationnel et du CAN montre que la résolution du système est :

Résolution = (SNR - 1,76)/6,02

= 17,43 bits

Cette combinaison d'un amplificateur CAN de circuit d'attaque haute résolution et d'un CAN Σ-Δ produit une sortie précise et élimine complètement la nécessité de post-traitement.

Pour évaluer le matériel, les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation EVAL-AD7768-4FMCZ avec le CAN AD7768-4 ainsi qu'une carte mezzanine d'amplificateur (AMC) intégrant l'amplificateur ADA4945-1 (Figure 6).

Figure 6 : La carte d'évaluation EVAL-AD7768-4FMCZ pour le CAN AD7768-4 peut être utilisée pour tester la conception en ajoutant une carte mezzanine d'amplificateur équipée de l'amplificateur ADA4945-1. (Source de l'image : Analog Devices avec la légende ADA4945-1 ajoutée par DigiKey Electronics dans un souci de clarté)

Cette plateforme d'évaluation peut être configurée pour utiliser une carte mezzanine AMC-ADA4500-2ARMZ pour circuits d'attaque CAN, avec un seul canal, en tant qu'entrée de l'amplificateur du circuit d'attaque. La carte d'évaluation pour conception très rapide EVAL-SDP-CH1Z est connectée à la plateforme d'évaluation EVAL-AD7768-4FMCZ pour pouvoir utiliser le logiciel d'évaluation fourni. Une source audio de précision est utilisée pour l'analyse CA.

Conclusion

Les ECG haute résolution peuvent détecter de manière non invasive des anomalies cardiaques qui, avec d'autres dispositifs, ne seraient pas détectées ou présenteraient des indicateurs nécessitant l'application de procédures de détection invasives ou légèrement invasives. Cependant, la résolution requise pour ces ECG peut être compromise par le bruit et par d'autres facteurs affectant les performances au niveau du détecteur de l'ECG, du système de détection et même de la technique d'acquisition.

Comme illustré, les concepteurs peuvent éviter de nombreux problèmes et développer un ECG haute résolution et haute précision en combinant efficacement le circuit d'attaque CAN entièrement différentiel et haute vitesse ADA4945-1ACPZ-R7 d'Analog Devices et le CAN 24 bits à huit canaux AD7768BSTZ d'Analog Devices. Cette combinaison crée également des circuits filtrants tampons/numériques qui éliminent le recours à des équipements de post-traitement.