Tra i potenziali biologici l'Ecg e la frequenza cardiaca sono tra quelli maggiormente misurati in quanto rappresentano buoni indicatori delle nostre condizioni fisiche. Il controllo di questi parametri consente all'individuo di allenarsi in maniera sicura, in quanto si può modulare l'intensità dell'esercizio fisico senza incorrere in sforzi eccessivi che potrebbero risultare dannosi per la salute. Si è in grado inoltre di misurare i progressi in quanto un allenamento più intenso, che non comporti un aumento del battito cardiaco, è un chiaro indicatore di una migliore forma fisica. Il corpo si rafforza e diventa più efficiente lavorando in sicurezza. L'AD8232 è un circuito integrato a basso consumo di potenza usato come front end analogico nella misura dell'Ecg e di altri potenziali biologici. Per ottenere i segnali cardiaci dal corpo umano impiega due o tre elettrodi. I segnali biologici prelevati dagli elettrodi sono di bassa intensità e accompagnati da un elevato livello di rumore; l'integrato filtra questi segnali e li amplifica a un livello tale da poter essere facilmente convertiti in segnali digitali tramite un convertitore analogico-digitale.
Descrizione della catena del segnale
In linea di principio il dispositivo può essere descritto identificando quattro blocchi funzionali. Lo stadio di ingresso consiste di un instrumentation amplifier con in cascata uno stadio di amplificazione che provvede anche al filtraggio del segnale. Si ha poi il “right leg drive amplifier” e un buffer per la tensione di riferimento. Nella catena del segnale la funzione principale è svolta dall'instrumentation amplifier. Lo stadio di ingresso bilanciato fornisce una reiezione di modo comune di almeno 80dB. Gli elettrodi dal corpo sono connessi direttamente sugli ingressi ad alta impedenza (100 MΩ è il valore dell'impedenza di ingresso). Un guadagno fisso, pari a 100, consente di amplificare i piccoli segnali Ecg. A causa dell'elevato guadagno una piccola componente Dc nel segnale potrebbe facilmente saturare il dispositivo e per questo motivo l'amplificatore è accoppiato con un filtro passa alto del secondo ordine, che, oltre ad eliminare eventuali residui in continua serve a filtrare gli artefatti dovuti al movimento. Il secondo stadio comprende un amplificatore operazionale che fornisce un guadagno ulteriore pari a 11; il guadagno totale, dato dalla moltiplicazione dei guadagni dei due stadi, è pertanto pari a 1100, e pone un limite pari a 2.7 mVpp al segnale di ingresso. Il dispositivo è protetto contro l'overvoltage, pertanto quando il valore della tensione di ingresso supera il massimo consentito l'uscita viene distorta ma il dispositivo non si danneggia. L'amplificatore operazionale può essere configurato come un filtro passa basso del secondo ordine che serve a ripulire il segnale dal rumore e dalle interferenze. Il segnale di uscita rappresenta pertanto una versione del segnale di ingresso amplificata e filtrata. A seconda di come il segnale viene elaborato l'integrato può essere usato come cardiofrequenzimetro oppure come sistema Ecg di media prestazione. Il driver principale nello sviluppo dell'AD8232 è stato il consumo di potenza. I sistemi portatili alimentati a batteria sono, nella maggioranza dei casi, ad alimentazione singola. In questi casi bisogna generare un potenziale di riferimento, generalmente posto a metà della tensione di alimentazione, oppure al valore di modo comune dell'Adc che segue nella catena del segnale. Da qui la necessità di disporre di un buffer per la tensione di riferimento che può essere impiegato per fissare il punto di riferimento interno all'AD8232. Mediante due resistenze esterne è possibile impostare il livello al valore desiderato; altrimenti è possibile utilizzare la tensione di riferimento fornita dall'Adc come ingresso del buffer amplifier. Nel caso in cui l'Adc non abbia un proprio voltage reference interno, si può utilizzare l'uscita dell'AD8232; ne risulta un sistema raziometrico molto preciso anche in assenza di un riferimento accurato.
L'importanza del filtraggio
I segnali elettrici generati dal corpo umano sono deboli e rumorosi. Inoltre questi segnali sono soggetti ad artefatti generati dal movimento. Per questo motivo il filtraggio assume un ruolo cruciale nell'estrazione del segnale utile. Lo stadio di ingresso oltre ad amplificare il segnale fornisce la funzione di filtro passa alto. Questa funzione è importante in quanto rimuove l'offset degli elettrodi che, in confronto al segnale utile, può essere molto elevato, fino a ±300 mV. La frequenza di taglio a -3 dB del primo filtro è data dalla relazione Fc=100/(2πR1C1). La frequenza di taglio del filtro risulta cento volte maggiore rispetto al valore atteso a motivo del guadagno e dell'architettura di feedback dell'amplificatore. Lo stadio di ingresso è seguito da una rete in Ac che rappresenta il secondo polo del filtro. In questo caso la frequenza di taglio è quella classica data dalla relazione Fc=1/(2πR2C2). La combinazione dei due filtri passa alto fornisce un'attenuazione di 40 dB/decade. Come indicato nello schema lo stadio di ingresso include due switch che vengono utilizzati per cambiare la risposta del filtro durante la fase di fast signal restore. Il secondo stadio utilizza una configurazione Sallen Key per realizzare un filtro passa basso del secondo ordine. Questo filtro ha un ruolo chiave nell'eliminazione degli artefatti e nella correzione della baseline. La frequenza di taglio suggerita è 25 Hz. L'uscita di questo amplificatore può andare da Vs-100mV a ground, coprendo praticamente l'intero range dinamico dell'Adc che segue nella catena, massimizzando quindi le prestazioni del sistema.
Per assistere i progettisti durante la fase di progettazione è stato realizzato un tool di sviluppo che consente la simulazione del filtro, la verifica del roll off e la risposta di fase. Un cardiofrequenzimetro usato per il monitoraggio domestico di un soggetto a rischio di cardiopatie ha requisiti differenti rispetto allo stesso strumento usato da un atleta durante l'allenamento. In questi due casi estremi la risposta del filtro deve essere diversa, e per questo il tool prevede già delle impostazioni di default; in questo modo è possibile accelerare le fasi di progettazione, risparmiando sulle spese di sviluppo e accorciando il time to market del prodotto.
Un amplificatore operazionale fornisce la connessione ad un terzo elettrodo, il cosiddetto Rld (Right Leg Drive). L'Rld può essere usato per regolare la tensione di modo comune tra il soggetto e l'AD8232 e serve ad ottimizzare le prestazioni del dispositivo, ma non è una funzione mandataria. Si rivela utile nel controllo dei disturbi provenienti dall'ambiente, come il rumore a 50/60 Hz proveniente dalla rete, il rumore generato da alimentatori switching e il rumore RF generato dalle nuove lampade a Led, lampade fluorescenti o altri sistemi di illuminazione.
Disconnessione elettrodi e Fast Restore
L'AD8232 rileva la disconnessione di un elettrodo dal paziente. Una opzione selezionabile dall'utente consente di rilevare la disconnessione in Dc o Ac. In Dc il sistema misura il potenziale degli elettrodi. Se un elettrodo si stacca l'ingresso, a causa delle resistenze di polarizzazione integrate, si porta verso l'alto e un flag sulla corrispondente uscita digitale, LO+ oppure LO- segnala l'anomalia. Se non si usa l'Rld è possibile selezionare una modalità in Ac in cui una corrente a 100kHz, di basso valore, viene iniettata sugli elettrodi. Se un elettrodo è disconnesso l'uscita LO+ viene asservita. Un'altra caratteristica molto utile dell'AD8232 è la modalità Fast Restore. In questa modalità il dispositivo regola automaticamente la frequenza di taglio quando uno degli elettrodi registra una variazione repentina del segnale, accelerandone la risposta. Una volta che la situazione si ristabilisce la banda del filtro viene riportata al valore originale consentendo così una misura ottimale dei segnali. Situazioni di questo si hanno quando si maneggiano gli elettrodi, e la modalità fast restore consente di avere uno strumento che è in grado di effettuare misurazioni affidabili in tempo breve.
Applicazioni dell'AD8232
L'AD8232 è stato sviluppato per applicazioni per la misura di Ecg e battito cardiaco con un basso numero di elettrodi. I prodotti che lo utilizzano sono pensati per uso domestico, sportivo, e in generale legato all'attività fisica. Molti sistemi medicali richiedono la misura dell'Ecg con pochi elettrodi, come ad esempio gli elettrocardiografi portatili e i cardiofrequenzimetri per applicazioni mediche. Un'altra applicazione in cui l'AD8232 può essere utilizzato è il defibrillatore automatico. Prima che il defibrillatore fornisca lo shock ad alta tensione bisogna verificare l'attività del cuore; in caso di presenza di attività l'impulso deve essere sincronizzato con i battiti cardiaci. Un altro mercato in forte espansione è quello dello sport e del fitness. Misurare la frequenza cardiaca durante l'attività sportiva aiuta gli atleti a migliorare i cicli degli esercizi svolti e determinare il livello ottimale di allenamento. L'AD8232 offre una soluzione anche per queste applicazioni. Inoltre l'integrato può essere impiegato nei sistemi di monitoraggio di cyclette, tapis roulant e altre apparecchiature per il fitness. L'AD8232 fornisce un'uscita analogica. Il progettista potrebbe aggiungere un ulteriore filtro, se richiesto dall'applicazione, prima di convertire il segnale con un buon convertitore analogico-digitale. Esistono microcontrollori che integrano convertitori Adc con ottime prestazioni; ad esempio l'ADuCM360 è un system on chip basato su un processore Cortex M3 a basso consumo con due Adc a 24 bit, e può essere interfacciato direttamente con l'AD8232. Nel caso sia richiesto un Adc standalone, vi sono diverse opzioni: l'AD7170 è un Adc a 12 bit con 125 µA di consumo, mentre se è richiesta una risoluzione più alta si può utilizzare l'AD7171 a 16 bit e soli 135 µA di consumo. Questi dispositivi possono essere alimentati con la stessa tensione utilizzata per l'AD8232, in modo da minimizzare il numero dei componenti ed il consumo di potenza. Se l'applicazione prevede un'alimentazione ricavata dalla tensione di rete, è necessario introdurre una barriera di isolamento al fine di salvaguardare l'incolumità del paziente. La tecnologia iCoupler di Analog Devices è in grado di isolare segnali digitali con un rating di tensione pari a 5kV, e grazie alla tecnologia isoPower è possibile anche fornire una tensione isolata fino a 500 mW di potenza. Questi prodotti sono certificati Iec/Csa e UL e aiutano il progettista a soddisfare i requisiti di sicurezza richiesto dalle applicazioni medicali. Nel caso in cui i dati debbano essere trasmessi via radio l'ADuCRF101 è la soluzione; trattasi di un SoC basato su Cortex M3 con Adc e radio integrati. La radio è progettata per lavorare in banda Ism a frequenze subGHz.
