Il sistema di acquisizione dei dati medici sull'uomo, in particolare il sistema di monitoraggio del paziente, presenta ai progettisti la sfida di misurare segnali elettrici molto piccoli in presenza di rumore e tensioni di modo comune molto più grandi. Nella nostra rubrica sull'ECG abbiamo parlato in maniera approfondita di tutti questi problemi e delle relative soluzioni implementate. In uno degli ultimi articoli siamo arrivati ad analizzare la sezione del front-end, il cui compito principale consiste proprio nell'acquisire il segnale biofisico. Gli amplificatori di front-end eseguono il condizionamento essenziale che integra l'elaborazione digitale a valle, che a sua volta affina la misurazione e comunica con altri sistemi. Le misure biofisiche includono segnali elettrici e meccanici per il monitoraggio generale e per fini diagnostici e scientifici sia in ambienti clinici che non-clinici. Soddisfare con successo la sfida relativa all'acquisizione del segnale richiede progettisti di sistemi che abbiano conoscenza della sorgente del segnale, buone capacità di progettazione e circuiti integrati con adeguate funzionalità, caratteristiche e prestazioni. In questo articolo analizzeremo i componenti della catena di elaborazione di un sistema ECG, per comprendere come viene trattato il segnale una volta che è stato acquisito dal front-end.

Le sfide sull'acquisizione del segnale

Il potenziale d'azione creato dalla contrazione delle pareti del cuore trasmette correnti elettriche dal cuore in tutto il corpo. Le correnti elettriche che si diffondono creano potenziali diversi in diversi punti sul corpo, e questi possono essere rilevati da elettrodi posti sulla superficie della pelle, utilizzando trasduttori biologici fatti di metalli e sali. Questo potenziale elettrico è un segnale AC con una larghezza di banda compresa tra 0,05Hz e 100Hz, che arriva a volte fino a 1kHz. L'ampiezza di tale segnale è generalmente intorno a 1mV picco-picco, in presenza di rumori esterni molto più grandi ad alta frequenza oltre ad interferenze di modo normale a 50-60Hz (miste con il segnale sugli elettrodi) e tensioni di modo comune (comuni a tutti i segnali sugli elettrodi).

Il modo comune è costituito da due parti: l'interferenza a 50Hz o 60Hz e l'offset di potenziale DC agli elettrodi. Altro rumore o disturbi a frequenze più alte all'interno della larghezza di banda dei segnali biofisici sono dovuti ad errori legati al movimento che cambiano la situazione all'interfaccia tra pelle ed elettrodo, contrazioni muscolari o picchi elettromiografici, la respirazione (che può essere ritmica o sporadica), il rumore termico, le interferenze elettromagnetiche (EMI) e il rumore proveniente da altri componenti elettronici, che si accoppia all'ingresso. Parte del rumore può essere cancellata con un amplificatore da strumentazione (INA) ad alta impedenza di ingresso, come l'INA333 o l'INA118, che rimuove il rumore di linea AC comune ed amplifica le restanti, ma differenti, porzioni di segnale presenti sugli ingressi; gli INA che presentano un CMR (common-mode rejection) maggiore portano ad una migliore reiezione dei disturbi di modo comune. Originandosi da diversi punti sul corpo, i segnali ECG del braccio sinistro e del braccio destro si trovano a differenti livelli di tensione e sono amplificati dall'INA. Per reiettare ulteriormente il rumore di rete a 50 e 60Hz, un amplificatore operazionale viene utilizzato per invertire il segnale di modo comune e riportarlo di nuovo verso il paziente attraverso la gamba destra, utilizzando un amplificatore (qui si è parlato della tecnica di derivazione della gamba destra e dei vantaggi ad essa associati). Solo pochi microampere o anche meno sono richiesti per conseguire un significativo miglioramento del CMR.

Tensione di alimentazione

Come in molte altre applicazioni, la tensione di alimentazione di sistema nel monitoraggio biofisico prosegue la tendenza verso livelli di tensione bassi e a singola alimentazione. Mentre le alimentazioni bipolari sono ancora utilizzate, i sistemi a 5V sono ormai comuni e tendono verso alimentazioni singole a 3,3V. Questo trend presenta una sfida importante per il progettista, che deve avere a che fare con un potenziale DC all'elettrodo di almeno 300mV, e sottolinea la necessità di una soluzione di precisione per il condizionamento del segnale.

Risposta in frequenza

La frequenza di taglio standard a -3dB per il monitoraggio dei pazienti è compresa fra 0,05Hz e 30Hz, mentre il monitoraggio di grado diagnostico richiede una larghezza di banda tra 0,05Hz e 100Hz o più. Il front-end analogico deve essere accoppiato in AC per eliminare gli errori di offset di potenziale dall'elettrodo.

Requisiti dell'amplificatore da strumentazione

• Stabilità in condizioni di basso guadagno (per una valore di G da 1 a 10)
• Alta reiezione di modo comune (CMR)
• Bassa corrente di polarizzazione in ingresso (I_B)
• Buono swing in uscita rispetto all'alimentazione rail-to-rail
• Offset e deriva molto bassi

Requisiti dell'amplificatore operazionale

• Basso rumore in condizioni di alto guadagno (per un valore di G da 10 a 1000)
• Uscita rail-to-rail
• Offset e deriva molto bassi

La connettività per le attrezzature ECG/EEG ha assunto maggiore importanza dal momento che esiste il bisogno che i dati si muovano dall'equipaggiamento medico ai centri dati come le infrastrutture informatiche di ospedali e cliniche, ma anche computer o addirittura telefoni cellulari.

Nell'immagine seguente è rappresentato lo schema a blocchi di un sistema ECG completo, secondo un progetto di TI, e nel seguito dell'articolo verranno illustrati i vari dispositivi consigliati.

CONVERTITORI ANALOGICO-DIGITALI

Dell'importanza degli ADC in un sistema ECG si è già parlato nello scorso articolo tematico di approfondimento, sottolineando come una buona risoluzione ed un'alta velocità di funzionamento, insieme ad una riduzione [...]

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