Stavba EKG (2) - navrhujeme obvod
V předchozím díle jsem vysvětlil, co to je EKG, jak funguje, jak se používá a v neposlední řadě jsem naťukl, jak by měla EKG křivka vypadat. Dnes poodejdeme trochu stranou z obecné roviny a posuneme se směrem k návrhu konkrétního obvodu celého zařízení. Popíši a zanalyzuji, jaké jsou na zařízení kladeny nároky a jakými parametry by měly jednotlivé blokové části disponovat. Na základě této dílčí analýzy pak načrtu dotyčné části schématu.
Pokaždé než cokoliv navrhneme a zrealizujeme, měli bychom si ujasnit, jaké nároky na zařízení máme. Mé zadání vypadá takto:
Sestrojit EKG s následujícími parametry
- pouze jeden svod (více svodů je převážně otázka pouhé paralelizace)
- velmi dobrá odolnost vůči šumu
- citlivost na takové úrovni, aby bylo možné rozpoznat a analyzovat všechny základní EKG vlny
- digitální
- rozhraní s PC bude USB
- naprogramovat zobrazovací software pro PC; měl by umět zobrazovat EKG křivku v reálném i historickém čase, importovat/exportovat vytvořené záznamy, počítat srdeční rytmus a QTc
- rozumná cena (aby si to mohl dovolit každý kutil)
Navrhujeme-li elektronický obvod, je dobré mít alespoň základní představu, jak bude vypadat jako celek. Myslím, že u EKG jde o jednoduchou představu. Slabý signál z povrchu těla musíme zesílit, převést do digitální podoby a následně přenést do počítače a zpracovat. Teď, když už máme rámcovou představu, můžeme se začít zabývat dalšími detaily. Jak už bývá zvykem, budem se v následujícím rozboru pohybovat stejným směrem jako signál (tj. od vstupu směrem k výstupu).
Elektrody
Signál, který se ze srdce šíři až na povrch těla, musíme nejprve dostat z kůže do drátků 
K tomu se používají právě elektrody. Ty se dají buďto koupit ve specialozavném obchodě (nezkoumal jsem za kolik, ale ve zdravotnictví, pokud zrovna nejde o injekční stříkačku, je drahá každá prkotina) a nebo snadno vyrobit. Abych splnil poslední bod zadání a sice nízkou cenu, budu elektrody vyrábět sám. Nejde o nic složitého - kus měděného plíšku, ke kterému je připájen přívodní vodič a který je k tělu připevněn např. náplastí. Aby se snížil přechodový odpor mezi kůží a elektrodou, používá se speciální vodivý gel. Slyšel jsem, že místo něj je možné použít šampón nebo hustou mýdlovou vodu a to dokonce s lepšími výsledky než s gelem. Takže se bude experimentovat s kosmetickými připravky 
Kvůli single-mode rušení budou mít oba vodiče k elektrodám stínící opletení.
Ochranný obvod
Signál už máme v přístroji, co teď? Ještě než ho začneme zesilovat, filtrovat nebo cokoliv dalšího, musíme si uvědomit 2 věci. První věcí je bezpečnost. Každé malé dítě by mělo vědět, že elektřina může zabíjet. A proč zabíjí? Pokud nepočítáme popáleniny, je příčinou úmrtí zástava srdce, kterou způsobil proud procházející tělem. Podívejme se na naše EKG. Elektrody jsou přivedeny přímo na nejkritičtější místo - na srdeční osu! Pokud by došlo k poruše a na elektrody by se dostalo síťové napětí a uvážíme-li vodivý gel, který ještě zlepšuje vodivost, zástava srdce by byla téměř jistá.
Druhá věc se netýká ochrany připojeného člověka, ale ochrany samotného zařízení. Elektrody jsou z něj volně vyvedeny ven a naším nepřítelem se stává ESD (elektrostatická elektřina), na kterou jsou vstupy CMOS obvodů citlivé a která by je mohla poškodit.
Vzhledem k výše uvedenému se mi jako optimální jeví použití transilů. Špičkově snesou vysoké napětí v řádu jednotek kV, mají rychlou odezvu (výrobci udávají hodnoty okolo 1 ps) a dokáží absorbovat kilowattové výkony. Zapojení by mohlo vypadat třeba takto:
Myslím, že funkce je jednoduchá. Z elektrod neteče skoro žádný proud a tak poměrně velké odpory R1 a R2 nemohou být na škodu. Běžné transily “zabírají” kolem 15 V (záleží na typu). Ochrana před vysokonapěťovou statickou elektřinou je zřejmá. Cokoliv nad oněch 15 V je bleskově svedeno k zemi dříve, než to stihne napáchat nějakou škodu. Jak je ochráněn člověk? Jak je vidět z obrázku, mezi elektrody se nemůže dostat rozdílové napětí větší než 30 V (transily jsou zapojeny do série, na každém úbytek 15 V). Kromě obvodové země jsou transily připojeny i na kovové šasi zařízení, které musí být podle normy vodivě spojeny s ochranným kolíkem v zásuvce. V případě, že by se nám na elektrody nějakým velmi podivným způsobem dostala fáze, transily jsou schopny ji zkratovat. Přesto doporučuji provozovat EKG na baterie a připojovat ho k notebooku. To je zcela bezpečné. Vím, že by šla bezpečnostní ochrana řešit i lépe - např. oddělujícím měničem v napájecí větvi a optickým oddělením rozhraní. Mě osobně však výše uvedené zapojení plně postačuje(v jednoduchosti je síla ;-))
Vstupní zesilovač
Doteď to bylo jednoduché, teď začíná ta pravá zábava.. Signál už je bezpečně zaveden do přístroje a můžeme začít s jeho zpracováním. Prvním krokem je jeho zesílení, aby se s ním mohlo dále pracovat trochu drsněji, aniž by tím utrpěl nějakou újmu. Pokud si dobře pamatujete z předchozího dílu, absolutně maximální amplituda se kterou můžeme počítat je 4 mV a signál je diferenční, protože se měří mezi dvěma body. Volba by logicky měla padnout na diferenční zesilovač. Jelikož se nejedná o nic vysokofrekvenčního, můžeme se vyvarovat diskrétních tranzistorů a využít toho luxusu, jenž nám nabízejí operační zesilovače. První vás asi napadne klasické a profláknuté zapojení diferenčního zesilovače:
Toto zapojení má ale jednu podstatnou nevýhodu a to v podobě vstupní impedance. Ta je sice rovna součtu R1+R2, takže jí můžeme ovlivnit, ale nikdy nedosáhneme impedance, která by se blížila nekonečnu. EKG signál je slabý nejen svou amplitudou, ale i svou měkkostí - i sebemenší zatížení signál výrazně “stáhne” k nule. Proto jsem hledal a přemýšlel, co by se dalo použít jako náhrada. Nejdřív mě napadlo obohatit oba vstupy bufferem s OZ. Pak jsem ale na internetu nalezl podobné zapojení trošku vylepšené. Nevím jak se mu říká česky, ale anglicky je to instrumentation zesilovač:
Zde je situace s impedancí o hodně lepší - OZ mají na vstupech hradlo MOSFETu a jak je známo, to je elektricky izolováno od dalších obvodů. Zisk zesílení je dán vztahem Au = (1 + (2*R1)/Rgain) * (R3/R2) K tomu, aby nám toto zapojení zesilovalo pouze rozdílový signál a žádné common-módy je kritické použití přesných hodnot odporů. Zesilovač si mi podařilo najít jako hotový integrovaný obvod (INA114P). Tím odpadá mnoho starostí právě i s přesnými odpory (o ně se laserem postaral výrobce obvodu). Obvod INA114P je pro naše účely skutečně jak vyšitý. V datasheetu je dokonce EKG popsáno v jedné z appnotes, co víc si přát?
Interference, šum, DRL obvod
Lidské tělo je jedna velká anténa. Indukuje se na něj mnoho rušivých signálů z okolí. Nejvýznamnějším z nich je 50 Hz ze sítě, který je téměř všudypřítomný. Možná namítnete, že se na tělo nakmitá v common-módu a z diferenčního signálu ho zesilovač vyruší (VÝSTUP ZESILOVAČE = ZISK* ((U1+ŠUM) - (U2+ŠUM)) ). Teoreticky by to tak mělo být, ale praxe je trošku jinde. Velká část se sice skutečně potlačí (výrobce udává 115 dB), ale nikoliv všechno. Z toho důvodu se u každého EKG common-mode šum potlačuje ještě aktivně a sice za pomocí takzvaného DRL (driven right leg) obvodu. Na pravou nohu (místo nejdál od srdce) se umisťuje přídavná DRL elektroda. Obvod, na který je připojena, pracuje s common-mode signálem a na onu elektrodu ho přivádí s opačnou polaritou. Jedná se tedy o zápornou zpětnou vazbu, jejímž úkolem je common mode signál z těla zcela odstranit. Schéma řekne opět více, než tisíc slov:
Myslím, že další komentář ohledně DRL asi není potřeba. Přesto, pokud by nebyl jasný, můžete mi napsat a já se pokusím ho více rozebrat.
Tak. V tento okamžik jsme se již zbavily common-mode rušení. A co single-mode rušení? Single-mode rušení je rušení, které se naindukuje na oba vodiče zvlášť, pokaždé s rozdílnou velikostí, polaritou a fází. Původně jsem chtěl navrhnout aktivní notch filtr (pásmovou zádrž) na 50 Hz. Nakonec jsem ale usoudil, že bude lepší ušetřit součástky a zabránit vzniku onoho rušení. Jediné místo, kde by se totiž mohlo naindukovat jsou (ještě relativně krátké) vodiče elektrod. Stačí použít stíněné a po single-mode rušení by neměla být ani památka.
2. stupeň zesilovače s proměnným ziskem
V současné chvíli máme signál předzesílený a máme z něj odstraněnou většinu rušení. Nyní signál zesílíme ještě jednou, tentokrát si ale budeme moci trimrem nastavit optimální zisk a tím pádem i citlivost celého EKG (což je velmi důležité). Jedná se o klasický neinvertující zesilovač:
Aktivní low-pass filtr
Signál už máme i rozumně zesílen a skoro bez šumu, stále ale něco chybí. V předchozím díle jsem uvedl, že fekvenční rozsah EKG nepřesahuje 150 Hz. Proč tedy v signálu držet i složky nad touto frekvenci? Akorát by nám způsobovaly aliasing při vzorkování během A/D převodu a navíc se bude jednat z větší části o šum. Filtr bude klasický dvoupólový butterworth s mezní frekvencí 150 Hz a poklesem 40 dB / dekádu. Celý filtr bude vlastně třípólový, protože poslední pól bude dodatečně umístěn před A/D převodníkem v podobě integračního článku. Výsledný pokles tey bude 60 dB / dekádu. Tento aktivní filtr už nezesiluje (má zisk 1)
Jak jste si možná všimli, prozatím neuvádím hodnoty součástek. Pozorný čténář si je ale jistě spočítá za užití vzorce fm =1/(2 *PI*SQRT(R1*R2*C1*C2)) = 150 Hz. V opačném případě si počkejte na další díl, kde bude uvedené celé schéma ;-).
Digitalizace
Ufff, analogová část je téměř za námi a můžem jít nasekat ze spojitého signálu posloupnost čísel. Jako srdce celé digitální části bude nejvýhodnější použít mikrokontrolér, který už má v sobě zabudován A/D převodník a UART, který později půjde snadno převést na USB. Osobně mám rád architekturu AVR od firmy Atmel (žádná ‘51, Láďo ), tak ani tentokrát nebudu dělat vyjímku. ATmega8 by mohla být rozumná volba. Disponuje jak UARTem, tak 10ti-bitovým A/D převodníkem, který pro naše účely bohatě postačuje. Kontrolér nebude dělat nic náročného - jeho jediný úkol tkví v A/D převodu signálu a jeho následném zasílání na UART již v digitální podobě. Schéma by nemělo moc smysl, protože na něm zkrátka není nic k vidění Signál je přiveden přes integrační člen přímo na nožičku kontroléru.
Převod UART na USB
Už máme digitální data na sériové lince, teď stačí sériovou linku převést na USB a hurá s naměřenými daty do PC. K tomu nám dobře poslouží IO FTDI FT232R v referenčním zapojení dle výrobce:
Napájení
Prošli jsme celou cestu signálu od hrudníku až k USB portu, ale zapomněli jsme (nebo jsme si spíše nevšímali) velice důležité části celého obvodu a to jsou napájecí větve. Dnes už zde neuvidíte schéma, ale řeknu pár slovních poznámek a zásad. V celém zapojení se nachází dost OZ, které jak známo vyžadují symetrické napájení. Resp. to, že ho vyžadují, se učí ve škole, ale není to tak docela pravda. OZ má dva napájecí vstupy (+ a -). Podle toho, co se můžete všude dočíst, by mělo být na + napětí s kladným znaménkem a na - napětí se záporným. Co se ale stane, když na + připojíte dejme tomu +5V a na - připojíte zem (0V)? Myslíte, že to OZ pozná? Nikoliv, bude to pro něj stejné, jako by byl napájen +2,5V a -2,5V. Jakou to má nevýhodu? V některých zapojeních by vadilo, že OZ by “viděl” jako zem potenciál 2,5V. Nám to naopak prospěje. Kdyby v našem obvodu “viděly” všechny OZ jako zem potenciál 0V, výstup ze zesilovače by byl v záporných vlnách EKG skutečně záporný, s čímž by si ale neporadil AD převodník a museli bychom vytvářet offset za pomoci sumačního zesilovače. Nesymetrické napájení to udělalo za nás.
Ještě taková důležitá poznámka k napájecím větvím: Filtrovat, filtrovat, filtrovat a ještě jednou filtrovat! :-).
Software v PC
Tuto část zatím nemám moc promyšlenou, ale byl bych rád, kdyby byl výsledný program multiplatformní. Zatím to směřuje k použití knihovny QT a programovacího jazyka Python. Do software bych rád implementoval funkce, které by sami dokázali provádět základní analýzu EKG.
Blokové schéma
Nevyžaduje komentář, všechny části jsme již prošli a tak tu je jen pro úplnost, přehlednost a rekapitulaci:
A to je pro dnešek všechno. V dalším díle to všechno slepíme dohromady a uvidíte celé schéma (resp. alfa verzi). Protože už jsme ale jednotlivé části probrali, zbyde ještě dostatek prostoru pro další věci. Byl bych rád, kdyby jednou seriál dospěl do konce v tom smyslu, že bude uvolněné finální schéma i všechny výrobní podklady a jako bonus několik dalších článků, které se budou věnovat analýze již změřeného signálu.