Il ruolo dell’amplificatore nelle applicazioni Ecg

ELETTROMEDICALE –

Alcune considerazioni chiave per la scelta degli amplificatori, che rappresentano un elemento critico all’interno delle applicazioni per elettrocardiografia.

La nuova generazione di elettrocardiografi, sempre più ricchi di funzioni, fa affidamento su elevati livelli di precisione: in tale contesto la scelta dell'amplificatore rappresenta un aspetto fondamentale per garantire le caratteristiche necessarie.

Elementi base degli Ecg
La funzione principale di un elettrocardiografo è di misurare i potenziali di tensione generati sul corpo umano a ogni contrazione della parete cardiaca. L'Ecg rileva ed elabora i segnali cardiaci e li trasforma in forme d'onda inviandoli su uno schermo di visualizzazione o a una stampante. Per gli Ecg di tipo base questo spesso rappresenta l'unica funzionalità che devono garantire; gli Ecg di nuova generazione puntano invece a fare molto di più che generare una semplice forma d'onda in uscita. I nuovi strumenti infatti integrano dei set di funzioni sempre più ricchi e avanzati, quali la memorizzazione delle forme d'onda, la trasmissione dati attraverso soluzioni di comunicazione wireless e l'elaborazione dei segnali. Gli amplificatori utilizzati all'interno del circuito di condizionamento dei segnali rappresentano degli elementi vitali per l'implementazione di queste funzionalità avanzate.

L'acquisizione del segnale
In genere, negli Ecg, vengono utilizzati tre, cinque o dieci elettrodi per acquisire il segnale in diversi punti del corpo. Le tensioni che si manifestano sulla pelle variano in un range di grandezza da 100 uV fino a 3 mV, ma su ciascun elettrodo possono essere presenti potenziali DC di quasi 300 mV. È fondamentale, quindi, che il circuito front-end di rilevazione del segnale sia in grado di individuare una tensione target molto modesta, nonostante la presenza di una tensione di modo comune relativamente importante. Altri fattori da considerare sono la presenza di rumore legato, per esempio, alle interferenze a 50 o 60 Hz provenienti da plafoniere o monitor, al movimento del paziente e alle interferenze elettromagnetiche emesse da altre apparecchiature. Dato il valore estremamente contenuto del segnale target, è necessario ricorrere a un amplificatore che permetta di estrarre il segnale cardiaco (isolandolo da rumori e tensioni di modo comune) e di aumentarlo applicandogli un guadagno. Esistono numerosi fattori che influenzano la capacità di un amplificatore di estrarre e di amplificare un segnale: particolare attenzione deve essere prestata a parametri quali la reiezione di modo comune, l'offset di tensione di ingresso e la deriva della tensione di offset, così come lo swing di uscita e il rumore dell'amplificatore.

Aumentare la precisione
Nonostante il fatto che il segnale target sia in genere pari a meno di un millivolt, gli elettrodi possono avere un potenziale Dc nell'ordine di alcune centinaia di millivolt. L'utilizzo di una configurazione basata su un amplificatore per strumentazione permette all'amplificatore di annullare qualsiasi segnale comune agli ingressi differenziali, sia esso proveniente dagli elettrodi o dal rumore di modo comune (come un'interferenza a 60 Hz), e di amplificare il segnale cardiaco. Per garantire che l'amplificatore possa gestire gli input differenziali e il rumore di modo comune è importante considerare la reiezione di modo comune del circuito amplificatore alla Dc nonché sullo spettro di frequenza, soprattutto a livelli di linea (50 o 60 Hz). La scelta di un amplificatore con un'elevata reiezione di modo comune permetterà di rimuovere la maggior parte del rumore indesiderato e di ottenere misure di maggiore precisione.

Minimizzare l'errore d'uscita
Una delle funzioni chiave dell'amplificatore è di fornire un guadagno su una tensione target relativamente piccola, incrementando la risoluzione del circuito rivelatore. A causa dell'elevato livello di guadagno richiesto nelle applicazioni Ecg, la tensione di offset dell'amplificatore può essere fondamentale. Qualsiasi tensione di offset indotta dall'amplificatore viene moltiplicata in base al guadagno del circuito. Supponendo che la contrazione del cuore generi un potenziale di 1 mV su un dato elettrodo e che il circuito amplificatore sia configurato per un guadagno di 1000, l'uscita del circuito amplificatore sarà idealmente pari a 1 V. Tuttavia, se l'offset di ingresso dell'amplificatore è di 100 mV, questo creerà un errore in uscita di 100 mV, cioè il 10%. È importante, quindi, ricordare che l'errore di offset all'ingresso dell'amplificatore è riferito all'ingresso e sarà proporzionale al guadagno dell'amplificatore. Come in tutti i componenti elettrici, il comportamento dell'amplificatore cambia nel corso del tempo e in base alla temperatura. Questo è altrettanto vero per quanto riguarda la tensione di offset dell'amplificatore, la quale può essere fonte di un aumento del tasso di errore in caso di deriva. L'errore legato alla tensione di offset può essere minimizzato scegliendo un amplificatore a bassa deriva - come ad esempio un modello di tipo auto-zero - o mediante l'attuazione di regolazioni periodiche di sistema per calibrare l'offset e la deriva. Nell'esempio precedente, un potenziale di 1 mV dall'elettrodo produce un cambiamento di tensione di 1V in uscita del circuito amplificatore. Per un sistema ad alimentazione singola a 5 V - supponendo che l'uscita dell'amplificatore possa variare tra entrambe le linee di alimentazione - questo suggerisce che il circuito amplificatore può rilevare, con un'elevata accuratezza, tensioni da zero a 5 mV. Se l'amplificatore non supporta un'uscita rail-to-rail, la gamma complessiva di tensioni che possono essere rilevate con precisione è inferiore e va quindi a limitare la gamma dinamica del circuito di rilevazione.

Errore di rumore
Il rumore dell'amplificatore è un altro importante fattore che può influire sulla precisione delle misurazioni Ecg. Il rumore di un amplificatore può non essere costante con il variare della frequenza - soprattutto alle basse frequenze, dove il rumore 1/f può diventare la fonte principale di disturbo. In un'applicazione Ecg la banda del segnale di interesse è tipicamente da Dc fino a 100 Hz, pertanto il rumore 1/f può rappresentare un'ulteriore fonte di errore.

Per concludere
Gli apparati Ecg stanno evolvendo al di là della semplice misurazione dell'attività elettrica del cuore. Oggi gli Ecg possono effettuare un'analisi autonoma del segnale, fornire visualizzazioni in tempo reale e addirittura permettere a delle unità portatili di registrare l'attività elettrica cardiaca su un periodo esteso di tempo. L'attuazione di queste caratteristiche avanzate si basa sulla precisione con cui segnali cardiaci possono essere acquisiti ed elaborati: la scelta e la progettazione dell'amplificatore rappresentano dei fattori critici ai fini dell'accuratezza delle misurazioni Ecg.

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