Transcript 생체신호의 측정 ECG측정 시 등가회로모델(Equivalent circuit model)

Medical
Instrumentation
2006200421 이동규
2009103863 이상정
2009103862 이민주
◈ ECG
ECG
Amplifier
ADC
Microprocessor
Display
출처 : http://cafe.naver.com/2007together.cafe
생체신호의 측정
ECG측정 시 등가회로모델(Equivalent circuit model)
-전체 회로도
ECG측정 시 등가회로모델
(Equivalent circuit model)
-부분 회로도(전극)
Vecg는 심장에서 나오는 전압을 의미하고
는 몸의 저항이다. 그리고
는 전극과 피부사이에서
일어나는 일을 등가회로로 나타낸 것이다.
여기서 전극과 피부가 접촉하게 되면 전
원이 생기는데 이를 Ehc로 두었고 그 크기
는 수백 mV이다.
실제 생체신호를 측정시 3개의 전극을 이용해 신호를 측정하는데 두 개의
신호의 차를 통해 신호를 측정하고 나머지 하나의 전극은 그라운드로 둔다.
ECG측정 시 등가회로모델(Equivalent
circuit model)
-부분 회로도(Stage1-증폭기(차동신호->차동신호)
여기서 증폭기의 출력전압(Vo)은 다음과 같은
공식
으로 그 값을 얻어낼
수 있는데 여기서 Vc는 두 전극에서의 Ehc값의
차이고 그 크기는 300mV정도가 나온다. 이를
가리켜 우리는 접촉전압(Contact Potential)이라
부른다.
ECG측정 시 등가회로모델(Equivalent circuit model)
-부분 회로도(Stage2-차동신호->Single Ended Signal)
전 회로를 통해 얻어낸 차동 신호를 이
회로를 통해 Single Ended Signal로 바꾸
어 내 우리가 실제로 이용할 수 있도록
한다. 이 회로에서는 전압이득을 1로 만
든다.
ECG측정 시 등가회로모델(Equivalent circuit model)
-부분 회로도(Stage4-High Pass Filter)
전 회로로 Single Ended Signal로 만들었다
면 이번 회로를 통해 원하지 않는 저주파성
분을 HPF를 통해 제거한다. 이 때 우리가
원하지 않는 저주파 성분은 주파수가 0 인
DC 성분인데 이는 처음에 Ehc전원(전극과
피부의 접촉 때문에 생긴 전원)을 제거하
기 위함이다.
왜 미리 HPF하지 않을까?
Stage1전에 high Pass Filtering을 하게 되면 CMRR이 작아지게 되고 출력에
잡음이 생기므로 하지 않는다!
파형으로 보는 ECG
305 mv
5mv
전극
-5mv
300 mv
0.05 – 100Hz : BW
 Vi 
 V ecg 
Differential
Amplifier
(x 15)
4.575 v
Buffer
4.5 v
 V2 
파형으로 보는 ECG
4.575 v
0.575 v
High-Pass
Filter
0.5 v
4.5 v
 V3 
 V2 
Low-Pass
Filter
(x 67)
5v
0v
 V4 
기타 생체 신호들
◈ EMG
◈ EEG
• BW : 10~10kHz
• Gain : 10000
• Vc : ±300 mV
• BW : 0.1~30Hz
• Gain : 100000
• Vc : ±300 mV
Electrode?
• An electrode is an electrical conductor
used to make contact with a nonmetallic
part of a circuit (e.g. a semiconductor, an
electrolyte or a vacuum). The word was
coined by the scientist Michael Faraday
from the Greek words elektron (meaning
amber, from which the word electricity is
derived) and hodos, a way.
Electrode
𝑒−
-
+
음극 ∶ 𝐶 ↔ 𝐶 𝑛+ + 𝑛𝑒 −
I
양극 ∶ 𝐴𝑚− ↔ 𝐴 + 𝑚𝑒 −
𝑁𝑎+
음극(Cathod)
𝐶𝑙 −
양극(Anode)
Case1 : Pt 전극
M
L
K
-
+
11
𝑁𝑎
𝐶𝑙 −
Pt
②
⑧
①
𝑁𝑎 → 𝑁𝑎+ + 𝑒 −
M
L
Pt
K
𝑁𝑎+
17
𝐶𝑙
②
⑧
⑦
Cl + 𝑒 − → 𝐶𝑙 −
Case1 : Pt 전극
Ⓐ E < 2 [V], I=0
𝑁𝑎+ 와 𝐶𝑙− 이동 (용액)
-
+
(외부)𝐸𝑒𝑥𝑡
𝑒 − 이동 (도체, 도선)
𝐸𝑒𝑥𝑡
Charge double layer
𝑒 − 𝑁𝑎+
𝑒 − 𝑁𝑎+
𝑒 − 𝑁𝑎+
𝑒 − 𝑁𝑎+
+
𝑒 − 𝑁𝑎
𝐸𝑖𝑛𝑡
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝑃𝑡 +
𝑃𝑡 +
𝑃𝑡 +
𝑃𝑡 +
𝑃𝑡 +
𝐶ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝐷𝑜𝑢𝑏𝑙𝑒 𝐿𝑎𝑦𝑒𝑟
No chemical reaction
내부 𝐸𝑖𝑛𝑡
전계 상쇄
I=0
Case1 : Pt 전극
Ⓑ E > 2 [V], I > 0
음극
양극
전원
전원
2𝐻2 𝑂 + 2𝑒 −
Pt전극
2𝐻2 𝑂 → 𝑂2 ↑ + 4𝐻+ + 4𝑒 −
4𝑂𝐻 − + 4𝐻 + →4𝐻2 𝑂
𝐻2 ↑ + 2𝑂𝐻 −
용액 이동
음극
양극
Pt전극
Case1 : Pt 전극
요약
- Pt 전극은 변하지 않음
- CDL를 통과하는 전하가 적음 -> Capacitor
- 교류인가 시에는 용액에서 𝑁𝑎+ 와 𝐶𝑙 − 가 이동해서 𝐶𝐷𝐿의
극성이 변화 (음극 ↔ 양극)
- Polarizable electrode (분극전극)
전극-전해질 경계의 등가회로(Electrode – Electrolyte Interface)
𝐸ℎ𝑐 ≈ 2𝑉(크다)
𝐶𝑑 가 크고 𝑅𝑑 는 작다.
𝑅𝑠 는 용액의 농도에 따라 결정
(농도↑, 𝑅𝑠 ↓)
Case2 : Ag/AgCl 전극
For E > 0.1 [V], I > 0
-
+
음극
양극
용액 이동
𝐴𝑔𝐶𝑙 → 𝐴𝑔+ + 𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 − + 𝐴𝑔+ → 𝐴𝑔𝐶𝑙
𝐴𝑔+ + 𝑒 − → 𝐴𝑔
𝐴𝑔 → 𝐴𝑔+ + 𝑒 −
음극
−
Ag
AgCl
𝑒
𝑒−
e−
𝑒−
𝑒−
+
𝑁𝑎
𝑁𝑎+
𝑁𝑎+
𝑁𝑎+
𝑁𝑎+
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐶𝑙 −
𝐴𝑔+
𝐴𝑔+
𝐴𝑔+
𝐴𝑔+
𝐴𝑔+
Ag
전원
Pt전극
AgCl
양극
전원
Pt전극
Ag 증가
Ag 감소
AgCl 감소
AgCl 증가
Case2 : Ag/AgCl 전극
요약
- Ag/AgCl 전극변화
- CLD을 통해 Charge가 이동
- 교류의 경우는 양극/음극 역할변경
-> Non – Polarizable Electrode (비분극형 전극)
성분 분석 방법 (Type)
• Point of care -> 진료가 이뤄지는 그 곳에서
바로 혈액 분석. 비용이 비교적 많이 든다.
• Centraligation -> 한꺼번에 100~200개의 샘플을 모
아서 처리. 처음 기계 값은 비싸지만 샘플을 모여야
가동시키므로 시간은 오래 걸린다.
pH 측정
• 유리전극을 사용한다.
V
HCl 용액의 Cl- 농도를 알고
있으므로 산도 측정 후, 전압을
재면 샘플의 H+ 농도를 구할 수
있다.
Membrane 바깥 쪽의 농도 차가
생겨 membrane voltage 생성된다.
Reference electronic
sample
HCL용액
H+ 반투막
HCl과 샘플의 pH가 1차이 나면
60mV 생성 -> 60mV/pH
pH=-log[H+]
PCo2 측정
• pH 전극과 Co2 막 (membrane) 이용.
pH측정하면 샘플의 pH 측정가능
sample
HCo3- + H+
H
H+
H2Co3
sample
Co2
Co2 반투막
pH=log[HCo3-] -logk –loga
-logpCo2
PCo2농도를 알고 있는 용액으로
V 채운다.
샘플 < pCo2 :
왼쪽으로 Co2 이동 H+
감소한다.
pH전극
PO2 측정
Ag/Agcl 전극
0.7V : bias 전압
sample
A
음극 :
O2+H2O+4e2H2O2+4e4OH- +4KCl
4KOH+4Cl양극 :
4Ag+4Cl4AgCl+4e-
sample
O2 반투막
Glass-coated pt 전극
4OH-
PO2 측정
• Polarographic method :
정전압 인가 전류 측정하는 방법의 통칭
산소가 많으면 화학반응이 더 잘 일어난다. -> 흐
르는 전류가 증가 -> 일정한 전압을 걸어주고 전
류 측정한다.
*0.7V 만들기 (보통 건전지 사용)
I
[uA]
O2[%]
1.5V의 건전지를 전압분배 하여
만들어준다. 여기서 전압 분배 후
바로 출력 단으로 연결 시 loading
effect 생긴다. 따라서 버퍼를
사용한다.
O2 Saturation(SaO2)
• SaO2=HbO2(산화헤모글로빈) / Total Hb(헤모글로빈)
*100[%]
• 측정 방법
Invasive method : 혈액 sample 이용
Noninvasive method : Pulse Oximetry
(광 센서 이용)