Transcript 생체계측

Presentation
Professor. 우응제
Team.7
1등 전현재 남형규 송정용 이혜수 조성준
ECG Measurement System
입력에서 구리선 3개를 뽑아냄
ECG
Amplifier
ADC
(Analog)
전
극
uP
(Digital)
“ ionic”
Current
“ electronic”
Current
변환이 일어나는 곳이 전극 !
도체부
착
Display
Equivalent circuit Model
전극이 붙는 자리
(전극을 피부에 붙이면 DC 전압이 발생 )
Rb1
Ec1
Cd1
Rs1
Rd1
전극의 재질,
크기, 모양에
따라 다르다.
Rb2
Cd2
Rs2
Ec2
Rd2
Cd3
Rb3
Rs3
Ec3
Rd3
심장에서
만들어지는 전압
5mV
0V
Stage 1. buffer
차등증폭기를 바로 연결하면 loading effect가 발생하므로 buffer를 우선!
Rin 크게 하기 위해 사용
OU T
2
R2
TL082
1k
4
Vee
Vin
R1
U 2A
4
Vee
-
OU T
3
+
V+
-
TL082
V-
2
Vc c
8
Amplifier
입력전압
-
-
1
V-
+
+
V+
U 1A
3
8
Vc c
1k
V1
R2
1k
1
+
심장에서 만들어지는 전압
5mv
Vin = Vecg + Vc
= Vp – Vn
(Vc 는 En1과 En2의 차)
Contact Potential 접촉전압(피부.전극 사이)
~±300mV까지 생길수 있음
-5mv
0.05~100hz
V1
Vin = Vecg + Vc
↕5mv
300mv
전극을 붙이고 움직이면
Vc가 변한다.
If,
1+2R2/R1=1000
Saturation 되어 300v
출력 x
↕5v
Stage 2. 차등증폭기
buffer 연결 후, 증폭을 위해 차등증폭기를 달아준다.
R3
-
Vee
R2
TL082
TL082
2
4
Vee
-
R1
V+
Vc c
1
R5
V+
+
+
R2
R3
OU T
3
3
1
8
TL082
-
V-
2
OU T
U 2A
4
Vee
U 1A
4
2
R4
1
V-
OU T
V-
+
V+
3
8
Vc c
U 1A
8
Vc c
R6
0
Vin = Vecg + Vc
R1=1K, R2=7K, R3=R4로 설정
V2 15배 증폭!
↕5mv
300mv
4.5v
V2 (5v 아래에 있다.)
↕75mv
Stage 3. High pass filter
DC 성분을 없애고 더 증폭 시키기 위해 high pass filter를 사용한다!
C1
V2
V3
R7
미지수 임의로 지정
(R5=3.3M, C1=1uF)
Signal이 0.05에서 시작
V3
0
증폭하여야 한다!
↕75mv
Stage 4. Low pass filter
High pass filter 연결 후, 비반전 Low pass filter를 연결한다.
C2
R8
R9
U1A
4
Vee
2
TL082
-
V-
0
R8=1K, R9=69K로 설정
V4 70배 증폭!
+
Vcc
8
3
1
V+
OUT
V4
5.25v
Result
ECG를 입력 받아 Stage 1~4를 거친 결과를 알아보자!
심장에서 만들어진 전압
5mV
0V
최종출력전압
V4
5.25v
차단 주파수 0.05Hz (high pass) ~ 100Hz (low pass) 범위에서
1000배 이상 증폭된 출력신호를 얻을 수 있다.
전극을 만드는 기본적인 구조
-
+
e-
e-
I
C
C C
ClNa+
음극
(cathode)
C
양극
(anode)
A
m 
n
 ne
 A  me


Case 1. pt electrode
M
L
K
11
Na
M
2
L
K
8
1
17
Cl
2
8
7
원래는 18개의 전자가 다
있어야지 stable 한 상태가
되는데 Na 은 최외각에 전자가
1개 밖에 없어서
원래는 18개의 전자가 다
있어야지 stable 한 상태가
되는데 Cl 은 최외각에 전자가
7개 밖에 없어서
Na  Na   e 가 된다.
Cl  e   Cl 가 된다.
Case 1. pt electrode
-
-Q

e Na
pt
e  Na

e Na
E
I
E ext
+Q
e  Na
+

Cl

+Q
Cl  pt 

pt
Cl

E int



-Q
Na

Charge double layer = CDL
pt
Cl  pt 
Cl  pt 
Charge double layer = CDL
Case 1. pt electrode
i) E < 2[v], I = 0
(외부) Eext -> Na과 Cl 이동(용액)
전자 이동(도체,도선)
-> Charge double layer -> No chemical reaction
-> 내부 Eint -> 전계상쇄 -> I = 0
ii) E > 2[v], I > 0
음극
2H 2O  2e 
H 2  2OH
양극
Pt전극<-전원<-양극

Pt전극->전원->음극
2H 2O  O 2  4H
4OH
용액 내 이동

 4H


 4e 
 4H 2O
Case 1. pt electrode
요약 - pt 전극은 변하지 않음!!!
- CDL을 통과하는 전하가 적음!!! -> Capacitor
- 교류 인가 시에는 용액에서 Na과 Cl이 이동
CDL의 극성이 변화!!!
- 분극 전극(polarization electrode)!!!
Case 1. pt electrode
전극 – 전해질 경계의 등가회로
(=2v for pt)
Ehc : Half-cell Potential(HCP)
E hc  2V (크다)
C d 가 크고,R d 는 작다.
R s 는 용액의농도에따라 결정
(농도 R s)
Case 2. Ag/AgCl electrode
-
+
I
E
e  Na

Ag
AgCl

e Na

e  Na


e Na

Cl

Cl  Ag 
Cl Ag

Na

Charge double layer = CDL

Ag
Cl  Ag 

Cl Ag

AgCl
Charge double layer = CDL
Case 2. Ag/AgCl electrode
If) E > 0.1[v], I > 0
음극
용액을 통해서 이동
AgCl  Ag   Cl 


Ag  e  Ag
음극<-전원(전선)<-양극
Ag 증가
AgCl 감소

양극

Cl  Ag  AgCl

Ag  Ag  e

양극->전원(전선)->음극
Ag 감소
AgCl 증가
Case 2. Ag/AgCl electrode
요약 - Ag/AgCl 전극 변화.
- CDL을 통해서 Charge가 이동.
(Ag  ,Cl  )
- 교류의 경우에는 양극/음극 역할 변경.
- 비분극형 전극(Non-polarization electrode)
Case 2. Ag/AgCl electrode
Non-polarization electrode
병리학의 분류
• Anatomical Pathology(해부병리)
인체의 각 장기의 형태학. 장기나 세포, 조직
을 육안으로 보거나, 현미경으로 본 후 장기
의 현재 상태, 질병 상태를 진단
• Clinical Pathology(임상병리)
임상병리사는 의사의 지시에 따라 질병의 예
방이나 진단, 치료를 돕기 위해 병원에서 환
자들의 혈액, 소변, 체액, 조직 등을 이용하여
각종 의학적 검사를 수행하고 분석한다
진단기구의 분류
장점
Centralization
Point of care
•한 번에 수십 개에서 수백 개의
•진료가 이루어지는 곳에서 혈액 분석
샘플을 비교
•단시간에 결과를 확인 가능(응급실)
•검사 당 단가가 비교적 저렴
단점
•초기 설치비용 비쌈
•샘플을 모으는데 많은 시간소
요
•단시간에 검사 결과를 확인해
야하는 응급실에는 부적합
•환자 진료와 동시에 POC설치 위해서
는 공간을 차지
(의료 장소가 커지면서 POC 분야
확대)
Critical-care analytes
Blood Gases and
Related Parameters
Electrolytes
Metabolites
PO2
Na+
Glucose
K+
Lactate
C2+
Creatinine
Cl-
Urea
호흡관련
질병
PCO2
pH
산도,수소
원소의 양
Hematocrit
Totla Hemogrobin
SaO2(O2-saturation)
pH 측정
V
Reference
Electrode
HCl 용액
Sample
H+Responsive glass
membrane
Pco 측정
2

pH  log[HCO3 ]  logk  loga  log PCO2
PO2 측정
Ag/AgCl 전극
+0.7V-
Sample
i
Sample
O2 Membrane
A
전류측정
Glass coated Pt전극




Anode O2  H 2O  4e  2 H 2O2   4OH Cathode 4 Ag  4Cl  4 AgCl  4e
4OH   4 KCl  4 KO4  4Cl 
PO2 측정
• 플래티늄 전극 부근
화학반응 일어나지 않음
물의 전기분해
• AgCl 전극 부근
화학반응 일어남
AgCl 생성
산소포화도와 전기적특성의 관계
[참고] Bias Voltage는 어떻게?
•Buffer의 역할
Loading effect 제거
버퍼
신호의 전달 지연
증폭(gain)은 없음
Voltage Regulator
[참고] Current는 어떻게?
U2
+
OUT
-
+
OUT
-
0
OPAMP
계측용 증폭기(IA)이용
IA
V-I Converter이용
SaO2(O2-saturation)혈중 산소 포화도
• Pulse eximetry
Hbo2
SaO2 
100[%]
Total _ Hb
- 총 헤모글로빈과 산화 헤모글로빈의 비율
2가지 측정법
 Invasive method
혈액 Sample을 이용한 측정
 Non-invasive method
Pulse oximetry(맥박산소계측)방법
광센서를 이용한 방법