מגמות תכנון של מערכות להרכשת נתונים ביישומים רפואיים

מתיו ויליאם האן, טקסס אינסטרומנטס

התפקיד שיש לאינטגרציה גבוהה יותר במספר הערוצים ובפונקציות האנלוגיות גם יחד, יכול להיות רב חשיבות בעת עמידה בדרישות של הרכשת אותות אנלוגיים עבור מבחר של יישומים רפואיים הקיימים כיום. כדי לשפר בצורה יעילה את היתרונות הקיימים באינטגרציה גבוהה יותר ועם זאת להגיע ליעדי העלויות והביצועים, יש צורך להכיר הן את התועלת שבתהליך וגם את פשרות התכנון הרלונטיות ביותר למערכת שבה מדובר. מאמר זה מציג השוואה במגמות התכנון ובפשרות התכנון בכל הנוגע לביצועי מערכות משופרים. כמו כן, נבחן במאמר זה את נושא העלות הנמוכה לכל ערוץ עבור מערכות הרכשת נתונים אנלוגיים של שני תחומים ייחודיים מאוד בתחום הרפואי: רישום חשמלי של הלב (אלקטרוקרדיוגרפיה – א.ק.ג.) ובטומוגרפיה ממוחשבת (סי. טי.).
אלקטרוקרדיוגרפיה
בדיקת אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG) היא שיטה בלתי פולשנית ללכידה ולעיבוד החתימה האלקטרונית של פעימות הלב באמצעות אלקטרודות מוצמדות לעור. תחומי היישומים שנעשים ב- ECG רחבים ומגוונים, ומן הסתם כמותם גם הדרישות העומדות בפני מערכות הרכשת הנתונים האנלוגיים. רוחב הפס של האות המתקבל באמצעות ECG ורוחב הפס של ההרמוניות שלו נמוך (150 הרץ). האתגרים בהרכשת אותות ECG כרוכים בעיקר בדחיית רעש חיצוני ביחידת הממשק האנלוגי (analog front end) (AFE), בסינון רעשים, בדגימה ובעיבוד האותות על ידי מעגלי שיפור אותות במערכת הפנימית (back end) בהמרה מאנלוגי לספרתי (ADC) וביחידת מעבדי המיקרו (MCU).
למערכת אופיינית של הרכשת נתוני ECG ברמה הבסיסית יש צורך בשתיים עד שלוש אלקטרודות לפחות, שאותן חשה יחידת הגבר אנלוגית הפרשית ביחידת ממשק המשתמש, מסנן מעביר פס עם יחידת הגבר, וממיר בשיטת אוגר הקירובים העוקבים (SAR). האסטרטגיה להסרת הרעש ממערכת הרכשת אותות ECG והדרגה שאליה מורידים אותו, תלויים ביעד של עלות המערכת הכוללת. עלותן של מערכות ECG לא רפואיות מהסוג הבסיסי נמוכה במידה רבה מאוד, כתוצאה מאינטגרציה בתחום האנלוגי. למעשה, סביר להניח ש”טלאי” ECG לשימוש חד פעמי יכלול את יחידת הממשק האנלוגי, סינון, מגברי ההגברה, וממיר ADC בעל רזולוציה נמוכה המשולב ביחידת MCU. איור 1 מציג תרשים בלוקים ברמה גבוהה של מערכת הרכשת נתוני ECG. שים לב לאזור המוקף בקו אשר מציג את החלקים האנלוגיים, שבדרך כלל, מתאימים לאינטגרציה של מערכות הרכשת נתוני ECG מהסוג הבסיסי.
אינטגרציה רחבה יותר נחשבת כיום גם היא למגמה קיימת במערכות ECG מהרמה הבינונית עד הגבוהה, שבהן קיים מספר גבוה יותר של מוליכים. למערכות אלו יש צורך ביחידות ממשק אנלוגיות עם רעש נמוך ורזולוציות עם מספר סיביות גבוה יותר מאשר נדרש למערכות אחרות במערכת הרכשת נתונים. כמו כן נדרשות להן פונקציות משולבות, שהן ייעודיות למערכות ECG, כמו למשל ממתח ביטול הרעש המשותף (right leg drive), אלקטרודת יחוס שוות ערך (central reference) בשיטת Wilson (לצורך מדידות בחיבור חזה), גילוי התנתקות חיבור ואמצעים לעיבוד נפרד של אותות דופק הלב. דוגמה טובה לסוג זה של אינטגרציה מודגמת על ידי ממיר ADC להספק נמוך, עם רעש נמוך, לדגימה בו זמנית ב-24 סיביות דגם ADS1298, אשר כולל את כל הפונקציות האלה למערכת אלקטרוקרדיוגרם עם ערבל (“מולטיפלקסר”) לממשק האנלוגי, אשר מאפשר למשתמש לעבור בין הכניסות של האלקטרודות, אותות הבדיקה שבכניסות, ממתח ביטול הרעש המשותף, מתח האספקה וחיישן טמפרטורה פנימי.

איור 1: תרשים בלוקים של מערכת אופיינית להרכשת נתוני ECG

איור 3: דוגמה של מערכת מונוליטית להרכשת נתוני טומוגרפיה ממוחשבת: יחידת אינגרטור ממשק AFE עם ממיר (ADC (Cin = Cshunt + Cp + COPA2: תרשים בלוקים פונקציונליים של ADS1298

סריקות בטומוגרפיה ממוחשבת
טומוגרפיה רפואית ממוחשבת (CT) היא שיטה המשמשת לעיבוד תמונות דו ממדיות שנוצרו בקרני X (רנטגן) (“פרוסות”) ויצירה של הצגה תלת ממדית של אזור המטרה בתוך הגוף. לכידת “פרוסה” של נתונים מופעלת כאשר קרני X המשודרות דרך הגוף פוגעות במערך צפוף של דיודות אור (“פוטו–דיודה”) וגורמות להפקה של זרם הנגרם מאור שנקלט בחיישנים, מוגבר, נדגם ומסונן על ידי מערכת הרכשת הנתונים. מערכת הרכשת הנתונים מורכבת מיחידת ממשק אנלוגי משולבת, מממיר ADC ומכמות משמעותית של עיבוד עוקב, על מנת לקלוט את הכמות הרבה של הפרוסות הדו ממדיות שבנתוני קרני X ולהרכיב את התמונה הרצויה.
בניגוד למערכות ECG, יישומי סריקת CT הם רפואיים במידה נרחבת ונתונים למערך מסוים מאוד של עלות לעומת ביצועים. אפשר לקבל תמונה טובה יותר בעזרת יחס אות לרעש (SNR) טוב יותר. יחס אות לרעש טוב יותר מושג על ידי הגדלה של כמות האות לעומת הרעש. ההשגה של כמות אות גדולה יותר מתבצעת על ידי הגדלת מספר גלאי דיודות האור. לכן, שלושה מבין אילוצי התכנון בהרכשת אותות סריקה של מערכת CT הם יחס אות לרעש, אי הליניאריות הפנימית (INL) וצפיפות הערוצים (כלומר, השטח בממ”ר למספר הערוצים). מאחר שצפיפויות משטחיות של מערכים של חיישני דיודות אור החדשניים ביותר במערכות מודרניות של סורקי CT ירדו אל מתחת לסף של 1 ממ”ר לערוץ, הפחתה דומה בצפיפות המשטח לערוץ של מערכת הרכשת הנתונים מתורגמת לעלייה בכמות נתוני התמונה (כלומר באותות) שאותם לוכדים לכל פרוסה. כתוצאה מכך, לעתים קרובות המשמעות של העלייה הזו בצפיפות היא שאפשר למקם את דיודות האור ואת יחידות הממשק האנלוגיות המשמשות לאינטגרציה (עיין באיור 3) בקרבה גדולה יותר האחת לשניה. המשמעות של עובדה זו היא שאפשר להקטין עוד את הקיבול הפרזיטי (Cp) של החיבור מדיודת האור אל יחידת AFE. מאחר שרעש המתח של דיודת האור ביחידת הממשק האנלוגי המשמשת לאינטגרציה הוא פונקציה של שיעור סך כל הקיבול הנראה בצומת ההופכת של האינטגרטור (Cin), ההקטנה של קיבול זה למינימום משפרת את יחס SNR הכולל של מערכת הרכשת הנתונים.
אחת ההשפעות השליליות של צפיפות הערוצים המוגדלת במערכת הרכשת הנתונים המשולב של סורק CT, היא הסחיפה של הקיזוז ושל אי הליניאריות הפנימית בפונקצית המעבר של יחידת AFE הנובעת מהחימום העצמי הפנימי. פרוסות נתוני הטומוגרפיה הממוחשבת מייצגות תצלומים המסתמכים על הדיוק המוחלט של מערכת הרכשת הנתונים, אשר הוא מתבסס על הכיול הראשוני של המערכת, במטרה לבנות תמונה תלת ממדית נקייה של העצם הרצוי. על כן יש לשמור את הסחיפה הפנימית במצב מזערי באמצעות טכניקות תכנון של הספק נמוך, מארזים, ומערך הנחת הרכיבים. באופן דומה, כתוצאה מהקרבה “המשופרת” של מערכת הרכשת הנתונים אל מערך דיודות האור, כל ההשפעות של החימום הפנימי עלולות גם להשרות חימום עצמי במערך דיודות האור, עובדה שיכולה להשפיע באופן מכריע על יכולת התגובה של דיודות האור ועל יחס אות לרעש הכולל של מערכת הרכשת הנתונים.
בעוד ההשוואה בין מערכות ECG לבין סריקת CT מתפשטת על פני טווח רחב של מורכבות פונקציונלית ואתגרי תכנון, שתיהן מונעות לעבר הפחתת עלויות, וזאת מבלי להקריב ביצועים בתכנונים של מערכות הדור הבא. התפקיד של טכנולוגיית העיבוד המודרני ושל שילוב הפונקציות יכול להיות משמעותי בהשגת מטרה זו, בין אם הם מתבצעים על ידי שילוב יחידת AFE עם ממיר ADC על השבב או על ידי הגדלה של מספר הערוצים. כדי שאיש ההנדסה יוכל באמת לממש את היתרונות של ההתקדמות בתחום האינטגרציה למען עלות לעומת ביצועים, עליו לקבל הבנה מעמיקה של אתגרי התכנון ההנדסי החשובים ביותר לתכנון שהוא מעורב בו.