1. ECG 설계

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Transcript 1. ECG 설계

<MEDICAL INSTRUMENTATION>
4 TEAM
(2009103850 류문영,
2009103851 박주원 , 2006200408 마진영,)
1. ECG 설계
* 1단계- 등가신호로 표현
5mV
0V
305mV
300mV
1. ECG 설계
* 2단계- 신호의 증폭
+
V+
3
8
Vcc
U1A
2
-
1
V-
OUT
TL082
신호의 증폭을 위해 차동
증폭기를 바로 달아줄 경
우 Loading Effect 발생하므
로,
4
Vee
U2A
4
Vee
TL082
-
V-
2
+
Vcc
8
3
1
V+
OUT
⇒ BUFFER의 사용!
1. ECG 설계
i=0
3
8
Vcc
U1A
V+
* 2단계- 신호의 증폭
+
2
305mV
V-
OUT
-
TL082
1
i1
4
i1
입력
U2A
4
Vee
-
OUT
3
i1
1
V+
i=0
TL082
V-
2
+
R2
R1
1k
VB
R2
1k
VF
8
Vcc
위 양단의 입력 전류 0이고, R1, R2에 흐르는 전류 i1이 모두 같음.
VE  VF  i1 ( R1  2 R2 )  (1 
VA
1k
Vee
300mV
VE
2 R2
)(VA  VB )
R1
1. ECG 설계
* 2단계- 신호의 증폭(Non-inverting Amp.)
R3
R4
U1A
4
Vee
15배 증폭!
-
V-
TL082
2
3
+
8
Vcc
R3
1
4.575V
V+
OUT
4.5V
출력
R5
R6
0
*** Inverting Amp사용시
Loading Effect 발생하므로
Non-inverting amp. 를 쓴다!
1. ECG 설계
* 3단계 – High Pass Filter
4.575V
0.075V
DC성분의 제거 필요!
4.5V
0V
* 심전도 신호의 주파수 대역폭:
Band Width = 0.05Hz ~ 100Hz
C1
R7
0
전압이득 : 1
Cutoff Frequency: f1 
1
 0.05HZ
2 R7C1
1. ECG 설계
* 4단계 – Low Pass Filter
0.075V
5V
고주파 차단 & 증폭!
0V
C2
R8
0V
전압이득: 67
1
f

Cutoff Frequency: 2 2 R C  100HZ
R9
9
4
Vee
U1A
TL082
-
V-
2
3
+
V+
OUT
Vcc
8
0
1
2
Inverting의 경우(일반적 LPF)
Loading Effect발생
⇒ Non-inverting 형태의 LPF사용!
1. ECG 설계
* 완성!
C2
1k
1k
4
-
3
+
V+
OUT
3
+
4
V-
OUT
3
1
R7
R2
1k
TL082
-
C1
V+
OUT
1k
2
+
1
Vcc
Vcc
8
4
-
V-
2
TL082
0
TL082
2
R1
U2A
U1A
8
1k
Vee
U1A
V+
Vee
R2
TL082
Vee
R9
Vee
4
-
R4
1
V-
OUT
2
R8
R3
V-
+
V+
3
8
Vcc
U1A
R3
1
0
1k
R4
1k
8
Vcc
0
등가회로 ⇒ Buffer ⇒ Non-inverting Amp. ⇒ HPF ⇒ LPF
Loading
Effect 방지
증폭(15배)
0.05Hz
이하의
주파수
차단
100Hz 이상의
주파수 차단
및 증폭
2. Electrode
M
L
K
Cl-
11
최 외각 전자를
잃어버리려고 함
Na
Na
Na
Na+ + e-
+
음극
M
양극
L
K
전류의 흐름
전자의 흐름
17
최 외각 전자를
얻으려고 함
Cl
Cl + e-
Cl-
∴ 이온화 되기 쉽다
2. Electrode
1) Pt 전극
ⓐ E < 2[V] , I = 0
(외부) Eext → Na+ 와 Cl-이동 (용액)
e- 이동 (도체,도선)
E(external)
→ charge double layer→ No chemical reaction
→ (내부) Eint → 전계상태 → I = 0
e- Na
+
e- Na
Cl- Pt+
e- Na
Cl-
e- Na
+
Cl- Pt+
Pt- Pt+
Cl
+
ⓑ E > 2[V] , I > 0
Pt
+
E (internal)
2H2O + 2eH2↑ + 2OH-
요약
Charge double
Layer (CDL)
Charge double
Layer (CDL)
양극
음극
Pt+
2H2O → O2↑+ 4H+ + 4e4OH- + 4H+ → 4H20
용액에서 이동
①Pt 전극은 변하지 않음
②CDL를 통과하는 전하가 적음 Capacitor
③교류인가 시 용액에서 Na+와 Cl-가 이동해서
CDL의 극성이 변함
⇒ Polarigable electrode
2. Electrode
전극 – 전해질 경계의 등가회로
Cd
Ehc
Rs
Rd
* Ehc = 2V (크다)
* Cd가 크고 Rd가 작다.
* Rs는 용액의 농도에 따라 결정
농도↑ ⇒ Rs↓
2. Electrode
2) Ag/AgCl 전극
E > 0.1[V] , I > 0
음극
Na
+
Na
+
Na
+
Ag
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
AgCl
Na
+
Cl- Ag
+
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Ag
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Cl Ag
+
Cl- Ag
+
Cl Ag
+
AgCl
용액에서 이동
AgCl → Ag+ + ClAg+ + e- → Ag
요
약
양극
Cl- + Ag+ → AgCl
Ag → Ag+ + e-
①Ag/AgCl 전극변화
②CDL를 통해 charge(Ag+,Cl-)가 이동
③교류인가 시 양극/음극 역할이 변경
2. Electrode
전극 – 전해질 경계의 등가회로
Cd↓
Ehc↓
Rs
Rs
Half cell
potential
⇒움직임에 의한 Noise가 비교적 적게 생김
Rd↓
⇒Non-Polargable electrode
Ag/AgCl 전극은 Half cell potential 이 적기 때문에
신체 움직임에 의한 Noise가 적어서
생체 신호 측정 전극에 적절!
3. Chemical Biosensor
1) 임상병리와 해부병리
• 임상병리(Clinical Pathology):
인체의 검체(혈액, 오줌, 체액 등)를 다룬다.
• 해부병리(Anatomical Pathology):
장기나 세포, 조직을 육안으로 보거나 현미경으로
본 후 장기의 현재 상태, 질병상태를 진단한다.
3. Chemical Biosensor
2) 체성분 분석 방식


Pointer of care(POC): 개인병원에서 사용.
한 개의 sample을 즉각 처리
시장이 점점 커지고 있다.
Centralization : 여러 개의 sample이 모인 후 기계가동
분석처리가 느리지만,
단가가 저렴하다는 장점이 있다.
3. Chemical Biosensor
3) pH 측정
v
왼쪽전극(reference electrode)
은 sample용액에 들어있고,
오른쪽전극은 HCL용액에 들어
있다. HCL용액을 가진 실험관
은 H+-responsive glass
membrane 으로 구성되어있다.
HCL용액의 H+이온 농도를 아
니깐, PH식에 의해 sample의 H+
이온 농도를 알 수 있다.
3. Chemical Biosensor
4) PCO2 측정

PH전극과 CO2막을 이용
1. 막 오른쪽의 CO2가
상대적으로 많다면
왼쪽으로 diffusion
2. H+농도가 떨어진다.
3. PH가 낮아진다.
sample
CO2
V
PH=log[HCO3-]-log[K]
-log[a]-log[pco2]
3. Chemical Biosensor
5) PO2 측정

O2 막과 정전압 인가 전류측정
sample
음극(Ag/AgCl)
양극(pt전극)
+CO2
A
02가 많으면 화학반응이 많
아져(Charge carrier의 생성
이 많아짐) 같은 전압을 걸
어줘도, 전류가 잘 흐른다.
3. Chemical Biosensor
5) PO2 측정
0.7V 전압 인가
: Bias 전압은 1.5V전압을 전압분배를 하여
0.7V를 만든 후,
항상 공급되어야 하기 때문에 Buffer를 사용.

전류측정
: I-V converter를 사용.

3. Chemical Biosensor
6) O2 Saturation

혈중 산소포화도(=Pulse oximetry)
Sa O2=
HbO 2
*100 (%)
Hb
측정방법
1. Invasive method
2.Noninvasive method
혈액샘플
pulse oximetry , 광센서(귓볼,손)
3. Chemical Biosensor
6) O2 Saturation

동맥(artery) :
심장 박동에 의해 밀려나온 혈액을 온몸으로 보내는 혈관 .
산화 Hb (O2 풍족)가 있어 선분홍색이다.

정맥(vein) :
몸의 각 부분에서 혈액을 모아 심장으로 보내는 혈관.
O2를 잃어버린 Hb가 있어 검붉은색이다.
3. Chemical Biosensor
7) 빛의 성질


E  h*
c
f
c

파장의 길이 = (광속)/ (주파수)
에너지 = 플랑크 상수 * (광속/파장의 길이)