L’acquisizione dati nel medicale

IC ANALOGICI –

I sistemi Ecg più avanzati richiedono Afe con rumore più basso e risoluzione a più bit del sistema di acquisizione dati, nonché funzioni integrate specifiche per l’Ecg. Un buon esempio di questo tipo di integrazione è offerto dall’ADS1298 di Texas Instruments.

La più elevata integrazione di funzioni multicanale e analogiche può risultare utile per soddisfare le esigenze connesse all'acquisizione dei segnali analogici che caratterizzano parte importante delle attuali applicazioni medicali. Per usufruire efficacemente dei benefici offerti da un più alto livello di integrazione, rispettando l'obiettivo costi/prestazioni, è necessario comprendere sia i vantaggi di elaborazione sia i trade-off della progettazione più significativi per il sistema di interesse.

L'elettrocardiografia
L'elettrocardiografia è un metodo non invasivo che impiega elettrodi cutanei per acquisire ed elaborare i segnali elettrici del cuore. Poiché le applicazioni Ecg riguardano un ambito ampio e differenziato, i requisiti connessi al sistema di acquisizione dei dati analogici sono molteplici e svariati. Il segnale Ecg e le relative armoniche sono associati a una bassa larghezza di banda (150 Hz). Le principali difficoltà connesse all'acquisizione del segnale Ecg concernono primariamente la reiezione dei rumori esterni nel front-end analogico, il filtraggio dei rumori, il campionamento e l'elaborazione dei segnali da parte dei circuiti di condizionamento back-end, del convertitore analogico-digitale e del microcontrollore. Un tipico sistema di acquisizione di dati Ecg di fascia bassa richiede almeno due o tre elettrodi sottoposti a rivelamento da un blocco di guadagno dell'Afe differenziale, un filtro passabanda e un blocco di guadagno analogico, nonché un convertitore basato su registro ad approssimazioni successive a risoluzione più bassa (10-12 bit). La strategia e il grado in cui il rumore viene rimosso da un sistema di acquisizione dei segnali Ecg dipendono dall'obiettivo di costo dell'intero sistema. Il costo dei sistemi Ecg di fascia bassa per uso non clinico è stato notevolmente ridotto dall'integrazione analogica. Di fatto, è molto probabile che un cerotto Ecg usa e getta disponga di un Mcu in cui sono integrati l'Afe, i filtri, gli amplificatori di guadagno e un convertitore Adc a bassa risoluzione.
Un più elevato livello di integrazione rappresenta anche il trend per i sistemi Ecg di fascia più avanzata, caratterizzati da un numero di connettori più elevato. Per questi sistemi sono richiesti Afe con rumore più basso e risoluzione a più bit del sistema di acquisizione dati, nonché funzioni integrate specifiche per l'Ecg, ad esempio il bias  della gamba destra,  il riferimento al centrale di Wilson (per la misura del connettore del torace), il rilevamento di  lead-off e features per l'elaborazione separata dei segnali emessi dal pace-maker. Un buon esempio di questo tipo di integrazione è offerto dall'ADS1298 di Texas Instruments, un convertitore Adc a 24 bit di campionamento simultaneo a basso consumo e basso rumore, in cui sono inclusi tutte le funzioni Ecg appena indicate e un multiplexer front-end che consente all'utente di attivare e disattivare gli ingressi degli elettrodi, i segnali del test di ingresso, il riferimento al comando della gamba destra, la tensione di alimentazione e un sensore della temperatura interno.

Scansioni di tomografia computerizzata
La tomografia computerizzata medicale è un metodo utilizzato per elaborare immagini a raggi X bidimensionali in modo da ottenere una rappresentazione tridimensionale dell'area del corpo di interesse. L'acquisizione di una "fettina" di dati inizia quando i raggi X trasmessi attraverso il corpo vengono sottoposti a un processo di scintillografia e colpiscono una matrice densa di fotodiodi, generando una fotocorrente che viene rilevata, amplificata, campionata e filtrata da un sistema di acquisizione dati composto da un Afe di integrazione, da un Adc e da una significativa quantità di componenti di post-elaborazione che acquisiscono le numerose fettine di dati a raggi X bidimensionali per ricostruire l'immagine desiderata. Diversamente dall'Ecg, le scansioni di tomografia computerizzata trovano applicazione principalmente in ambito clinico e sono soggette a un insieme molto specifico di trade-off costo/prestazione. Un'immagine migliore può essere ottenuta ottimizzando il rapporto segnale-rumore. È possibile migliorare la qualità del rapporto Snr aumentando la quantità del segnale anziché ridurre il rumore. Allo scopo, risulta utile incrementare il numero dei rivelatori a fotodiodo. Pertanto, i tre principali vincoli di progettazione che devono essere rispettati nell'acquisizione dei segnali della scansione CT sono il rapporto segnale-rumore, la non linearità integrale e la densità dei canali (area in mm2 )/numero di canali). Considerando che le densità superficiali delle matrici avanzate di sensori a fotodiodo dei moderni scanner CT sono scese sotto la soglia di 1 mm2/canale, una simile riduzione nella densità superficiale per canale del sistema di acquisizione dati si tradurrà in un aumento della quantità dei dati di immagine (ovvero segnali) acquisiti per ciascuna fettina. A seguito di questo aumento della densità, è spesso possibile collocare il fotodiodo e un Afe di integrazione più vicino l'uno all'altro e, di conseguenza, ridurre ulteriormente la capacità parassita (Cp) della connessione dal fotodiodo all'Afe. Poiché il rumore di tensione di un fotodiodo front-end di integrazione è una funzione della capacità totale registrata al nodo di inversione dell'integratore (Cin), la riduzione di tale capacità produrrà un miglioramento del rapporto Snr complessivo del sistema di acquisizione dati. Un altro effetto dell'accresciuta densità dei canali del sistema di acquisizione dati integrato in uno scanner CT consiste nella deriva dell'offset e nella non linearità integrale della funzione di trasferimento all'Afe dovute all'autoriscaldamento interno. Le fettine di dati CT rappresentano delle istantanee temporali che dipendono dall'assoluta accuratezza del sistema di acquisizione dati, a sua volta basata sulla calibrazione iniziale del sistema stesso, per ricostruire un'immagine 3D nitida dell'oggetto desiderato. Per questo motivo, la deriva interna deve essere tenuta al minimo attraverso tecniche di progettazione a basso consumo, packaging e disposizione dei componenti. Analogamente, a causa della prossimità "ottimizzata" del sistema di acquisizione dati alla matrice di fotodiodi, qualsiasi effetto di autoriscaldamento potrà indurre un autoriscaldamento anche nel fotodiodo, compromettendo il fattore di risposta del fotodiodo e il rapporto Snr complessivo del sistema di acquisizione dati. Nonostante il confronto tra Ecg e scansione CT implichi la trattazione di numerosi problemi connessi alle funzionalità e di molte difficoltà legate alla progettazione, entrambi i sistemi sono finalizzati a ridurre i costi delle progettazioni di prossima generazione senza sacrificarne le prestazioni. La moderna tecnologia di elaborazione e l'integrazione delle funzioni possono svolgere un ruolo significativo nel raggiungimento di questo obiettivo, indipendentemente dal fatto che si scelga di integrare l'Afe e l'Adc sul chip o di aumentare il numero dei canali. Affinché il tecnico possa effettivamente usufruire dei vantaggi che i progressi nelle tecniche di integrazione offrono in termini di costi/prestazioni, è necessario che egli comprenda appieno le difficoltà più rilevanti per il proprio progetto.

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