Význam vyšší míry integrace, ať již v případě rostoucího počtu kanálů nebo analogových funkcí, může být při řešení požadavků celé řady současných zdravotnických aplikací a souvisejícího zpracování analogových signálů docela zásadní. Abychom efektivně využili výhod v podobě vyšší míry integrace a stále přitom ještě dosahovali žádaného poměru ceny vůči výkonu, musíme porozumět výhodám daného postupu a také návrhovým kompromisům, které se předmětného systému dotýkají nejvíce. Toto pojednání proto nabízí cílené porovnání architektur a jejich trendů a také návrhových kompromisů, souvisejících s lepší výkonností celého systému. Také nás bude u analogových systémů sběru dat ve dvou naprosto specifických oblastech lékařské elektroniky,
- EKG a
- CT skenování,
zajímat nižší cena, přepočtená na jeden kanál.
Elektrokardiografie
Elektrokardiografie (EKG) je neinvazivní metodou pro zachycení a následné zpracování „elektrického podpisu“ srdeční činnosti a to prostřednictvím elektrod, připevněných na kůži. EKG aplikace mají široké a zároveň různorodé pole působnosti, a tomu budou odpovídat i požadavky, kladené na analogové systémy sběru dat. Pokud jde o šířku pásma, nebudou EKG signály, včetně svých harmonických, přehnaně náročné (150 Hz). Problémy při získávání EKG signálu se „točí“ především okolo- potlačení vnějšího rušení na AFE (Analog Front-End),
- filtrace šumu,
- vzorkování a také
- zpracování signálu koncovými strukturami, tj.
- A/D převodníkem (ADC) a
- blokem mikrokontroléru (MCU).
Typický EKG systém pro základní (low – end) sběr dat si žádá nejméně dvě až tři elektrody, jejichž výstupy snímáme rozdílovým AFE (Analog Front-End) blokem se zesílením, pásmovou propustí a analogovým blokem zesílení, až do SAR převodníku s postupnou aproximací (Successive Approximation Register, SAR) s nižším rozlišením (10 až 12 bitů). Strategie a také úroveň, na kterou při sběru dat dokážeme potlačit šum EKG signálu, závisí na finančních možnostech celého systému. Cena základních EKG systémů, které se však v nemocniční praxi nevyužívají, se výrazně snížila integrací analogové části. Osobní EKG patch bude nejspíš obsahovat AFE, filtraci, zesilovače a také A/D převodník s nízkým rozlišením, integrovaný do MCU. Na obr. 1 vidíme blokový diagram typického EKG systému sběru dat na jeho vyšší úrovni. Povšimněte si prosím, že ohraničená plocha, zachycující analogovou část, se při integraci základních EKG systémů sběru dat obvykle stává terčem oprávněné kritiky.
Obr. 1: Blokový diagram typického EKG systému sběru dat
Rozsáhlejší míra integrace se stává trendem i v případě preciznějších a také špičkových EKG systémů s větším počtem vývodů, které si žádají AFE s nižší hladinou šumu a vícebitová rozlišení sběru dat, stejně jako zapracování funkcí, specifických pro EKG, např. buzení pravé nohy, Wilsonovy centrální reference (pro měření hrudního svodu), detekci rozpojení nebo zajištění samostatného zpracování krokových signálů. Vhodným příkladem takového druhu integrace se stává integrovaný obvod ADS1298, nízkopříkonový a nízkošumový, souběžně vzorkující A/D převodník s 24bitovým rozlišením, podporující všechny výše zmíněné funkce pro EKG, spolu se vstupním multiplexerem, umožňujícím uživateli přepínat mezi vstupy elektrod, vstupními testovacími signály, budicí referencí pravé nohy, napájecím napětím a vnitřním čidlem teploty.
Obr. 2: Funkční blokový diagram obvodu ADS1298, viz také článek IO, používané i nad rámec původního záměru?
Počítačová tomografie (CT)
Počítačová tomografie (CT) je lékařskou metodou, používanou při zpracování 2rozměrných rentgenových snímků či zobrazení („řezů“) s cílem získat 3rozměrné znázornění zkoumané oblasti lidského těla. K zachytávání „řezů“ dat dochází ve chvíli, kdy rentgenové paprsky, procházející tělem, vyjdou a zasáhnou husté pole fotodiod, generující fotoproud, který již dokážeme sejmout, zesílit, navzorkovat a také vyfiltrovat v systému sběru dat, složeném z integrovaného AFE, A/D převodníku a také značného množství struktur, vyhrazených post – zpracování, při kterém zpracováváme početné řezy 2D rentgenových snímků – dat a rekonstruujeme požadovaný obraz.
Na rozdíl od EKG budou CT aplikace do značné míry klinickou záležitostí, která je předmětem velmi specifického souboru kompromisů v otázce poměru ceny a dosahovaného výkonu. Větší odstup signálu vůči šumu (Signal-to-Noise Ratio, SNR) přitom může znamenat kvalitnější zobrazení. Lepšího SNR pak dosáhneme, budeme – li mít k dispozici „více“ užitečného signálu než šumu. Toho zase dosáhneme navýšením počtu detektorů, složených z fotodiod. Hovoříme zde proto o třech klíčových omezeních návrhu CT systémů ve spojení se zpracováním signálů:
- SNR,
- integrální nelinearitě (Integral Nonlinearity, INL) a
- hustotě kanálu (tj. plocha v mm2 / # kanálů).
Vzhledem k tomu, že plošná hustota nejnovějších polí, složených z čidel – fotodiod, klesla v moderních CT skenerech pod hranici 1 mm2 / kanál, bude se podobné zmenšení plošné hustoty, vztažené na kanál, transformovat v našem systému sběru dat na rostoucí množství obrazových dat (tj. signálu), zachycených v rámci daného řezu. Takový posun ve věci hustoty pak často znamená, že fotodioda a také „integrující“ AFE (viz obr. 3) mohou být vzájemně umístěny blíže u sebe, což také znamená, že lze účinněji minimalizovat parazitní kapacity (Cp) spoje mezi fotodiodou a AFE. Protože napěťový šum integrujícího front – endu s fotodiodou bude funkcí poměru, do kterého vstupuje celková kapacita, pozorovaná na invertujícím uzlu integrátoru (Cin), dosáhneme minimalizací této kapacity také zlepšení celkového SNR systému sběru dat.
Obr. 3: Příklad monolitického CT systému sběru dat: Integrátor AFE + A/D převodník; (Cin= Cshunt+ Cp + COPA)
Protichůdným účinkem takového posílení hustoty kanálu, v rámci integrovaného systému sběru dat – CT skeneru, se však stává offset a jeho drift spolu s integrální nelinearitou přenosové funkce AFE, za čímž stojí vnitřní samo – zahřívání. Datové řezy CT reprezentují jakési „momentky“ v čase, které závisí na absolutní přesnosti systému sběru dat, vycházející z počáteční kalibrace systému s cílem rekonstruovat pravdivý 3D obraz zkoumaného objektu. Musíme proto interní drift udržet na nejmenší možné úrovni – např.
- vhodnými postupy nízkopříkonového návrhu,
- způsobem zapouzdření a také
- odpovídajícím rozmístěním součástek (Layout).
Podobně, máme – li již blízce „optimalizovanou“ vzdálenost systému sběru dat vůči poli fotodiod, může každý ohřev sebe sama způsobit stejný efekt i na fotodiodě, což následně výrazně ovlivní citlivost fotoprvku spolu s celkovým SNR systému sběru dat.
I když porovnání snímacích technik u EKG a CT zahrnuje celou řadu provozních komplikací a také náročných úkolů pro vývojáře, v obou případech se požaduje snížení ceny návrhů nové generace, kterého však nesmíme dosáhnout tím, že bychom obětovali něco z výkonnosti. Při dosahování tohoto cíle nám mohou výrazně pomoci moderní postupy a technologie, stejně jako praktická integrace, a nezáleží přitom na tom, zda se bude právě jednat o spojení AFE a A/D převodníku na jednom čipu nebo větší počet kanálů. Aby však mohli inženýři poctivě zapracovat všechny výhody, vyplývající při rozvoji integrace z poměru ceny vůči výkonu, potřebují důkladně porozumět technickým problémům, které budou v jeho nebo také jejím řešení nejdůležitější.
Download a odkazy:
- Více informací naleznete na www.ti.com/medical-ca.
-
Prohlédněte si blokové diagramy systémů:
-
EKG: www.ti.com/ecgsbd-ca.
-
CT skener: www.ti.com/ctsbd-ca.
-
- Stáhněte si Medical Applications Guides od TI: www.ti.com/medicalguides-ca.
Něco o autorovi
- Matthew William Hann,
Precision Analog Applications Manager ve společnosti TI, má více než desetileté odborné zkušenosti s produkty – teplotními čidly, rozdílovými zesilovači, přístrojovými zesilovači, zesilovači s nastavitelným ziskem, výkonovými zesilovači a řadou obvodů AFE – EKG od TI. V rámci své praxe aplikačního inženýra Matt systematicky získával odbornou kvalifikaci pro návrh analogových front – endů ve zdravotnických aplikacích typu EKG, EEG, EMG, monitorování hladiny cukru v krvi a pulsní oxymetrii. Své BSEE obdržel na University of Arizona, Tucson. Zastihnete jej na ti_matthann@ list.ti.com (z pochopitelných důvodů zveřejňujeme v neklikatelné podobě a s mezerou za zavináčem).
