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Medical Instrumentation 2006200421 이이이 2009103863 이이이 2009103862 이이이 2009105162 이이이

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Medical Instru-mentation

2006200421 이동규2009103863 이상정

2009103862 이민주 2009105162 은슬기

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◈ ECG

ECG Amplifier

ADC

Microprocessor

Display출처 : http://cafe.naver.com/2007together.cafe

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생체신호의 측정ECG 측정 시 등가회로모델 (Equivalent circuit model)- 전체 회로도

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ECG측정 시 등가회로모델(Equivalent circuit model)-부분 회로도(전극)

Vecg 는 심장에서 나오는 전압을 의미하고 는 몸의 저항이다 . 그리고

는 전극과 피부사이에서 일어나는 일을 등가회로로 나타낸 것이다 .

여기서 전극과 피부가 접촉하게 되면 전원이 생기는데 이를 Ehc 로 두었고 그 크기는 수백 mV 이다 .

실제 생체신호를 측정시 3 개의 전극을 이용해 신호를 측정하는데 두 개의 신호의 차를 통해 신호를 측정하고 나머지 하나의 전극은 그라운드로 둔다 .

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ECG 측정 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 Vc 는 두 전극에서의 Ehc 값의 차이고 그 크기는 300mV 정도가 나온다 . 이를 가리켜 우리는 접촉전압 (Contact Potential) 이라 부른다 .

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ECG 측정 시 등가회로모델 (Equivalent circuit model)- 부분 회로도 (Stage2- 차동신호 ->Single Ended Signal)

전 회로를 통해 얻어낸 차동 신호를 이 회로를 통해 Single Ended Signal 로 바꾸어 내 우리가 실제로 이용할 수 있도록 한다 . 이 회로에서는 전압이득을 1 로 만든다 .

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ECG 측정 시 등가회로모델 (Equivalent circuit model)- 부분 회로도 (Stage4-High Pass Filter)

전 회로로 Single Ended Signal 로 만들었다면 이번 회로를 통해 원하지 않는 저주파성분을 HPF 를 통해 제거한다 . 이 때 우리가 원하지 않는 저주파 성분은 주파수가 0 인 DC 성분인데 이는 처음에 Ehc 전원 ( 전극과 피부의 접촉 때문에 생긴 전원 ) 을 제거하 기 위함이다 .

왜 미리 HPF 하지 않을까 ?Stage1 전에 high Pass Filtering 을 하게 되면 CMRR 이 작아지게 되고 출력에 잡음이 생기므로 하지 않는다 !

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파형으로 보는 ECG

5mv

-5mv0.05 – 100Hz : BW

ecgV

DifferentialAmplifier

(x 15)

Buffer

305 mv

300 mv

전극

iV

4.575 v

4.5 v

2V

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파형으로 보는 ECG

2V

0.575 v

0.5 v

High-PassFilter

3V

4.575 v

4.5 v

Low-PassFilter(x 67)

5v

0v

4V

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◈ EMG

• BW : 10~10kHz• Gain : 10000• Vc : ±300 mV

◈ EEG

• BW : 0.1~30Hz• Gain : 100000• Vc : ±300 mV

기타 생체 신호들

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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 de-rived) and hodos, a way.

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Electrode

음극

양극 : 𝐴𝑚−↔𝐴+𝑚𝑒−

+-

I

𝑒−

𝐶𝑙−𝑁𝑎+¿ ¿

음극 (Cathod) 양극 (Anode)

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Case1 : Pt 전극

+-

PtPt 𝐶𝑙−

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎❑11

KL

M

② ⑧ ①

𝐶𝑙❑17

KL

M

② ⑧ ⑦

𝑁𝑎→𝑁𝑎+¿+𝑒−¿

Cl

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Case1 : Pt 전극

Ⓐ E < 2 [V], I=0

+-

𝐶𝑙−

𝐶 h𝑎𝑟𝑔𝑒𝐷𝑜𝑢𝑏𝑙𝑒𝐿𝑎𝑦𝑒𝑟

𝐶𝑙−𝐶𝑙−

𝐶𝑙−𝐶𝑙−

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑃𝑡+¿ ¿

𝑃𝑡+¿ ¿

𝑃𝑡+¿ ¿

𝑃𝑡+¿ ¿

𝑃𝑡+¿ ¿

𝑒−𝑒−𝑒−

𝑒−𝑒−

𝐸𝑒𝑥𝑡

𝐸𝑖𝑛𝑡

( 외부 ) ( 용액 )

𝑒−이동(도체,도선)

Charge double layer

No chemical reaction

내부 전계 상쇄 I = 0

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Case1 : Pt 전극

Ⓑ E > 2 [V], I > 0

음극 양극

2𝐻2𝑂+2𝑒−

𝐻2↑+2𝑂𝐻−

→ + 4

4

용액 이동

양극

전원Pt 전극

음극

전원Pt 전극

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Case1 : Pt 전극요약- Pt 전극은 변하지 않음- CDL 를 통과하는 전하가 적음 -> Capacitor- 교류인가 시에는 용액에서 - Polarizable electrode ( 분극전극 )

전극 - 전해질 경계의 등가회로 (Electrode – Electrolyte Interface)

( 농도↑ , ↓)

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Case2 : Ag/AgCl 전극

+-

AgAg𝐶𝑙−𝐶𝑙−𝐶𝑙−

𝐶𝑙−𝐶𝑙−

𝑒−𝑒−e−

𝑒−𝑒−

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝑁𝑎+¿ ¿

𝐴𝑔+¿ ¿

𝐴𝑔+¿ ¿

𝐴𝑔+¿ ¿

𝐴𝑔+¿ ¿

𝐴𝑔+¿ ¿

AgClAgCl

For E > 0.1 [V], I > 0

음극 양극𝐴𝑔𝐶𝑙→ 𝐴𝑔+¿+𝐶𝑙−¿

𝐴𝑔+¿+𝑒−→ 𝐴𝑔¿

𝐶𝑙−+ 𝐴𝑔+¿→ 𝐴𝑔𝐶𝑙 ¿

용액 이동

음극

전원Pt 전극

양극

전원Pt 전극

Ag 증가 Ag 감소AgCl 감소 AgCl 증가

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Case2 : Ag/AgCl 전극

요약- Ag/AgCl 전극변화- CLD 을 통해 Charge 가 이동- 교류의 경우는 양극 / 음극 역할변경

-> Non – Polarizable Electrode ( 비분극형 전극 )

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성분 분석 방법 (Type)

• Point of care -> 진료가 이뤄지는 그 곳에서 바로 혈액 분석 . 비용이 비교적 많이 든다 .

• Centraligation -> 한꺼번에 100~200 개의 샘플을 모아서 처리 . 처음 기계 값은 비싸지만 샘플을 모여야 가동시키므로 시간은 오래 걸린다 .

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pH 측정• 유리전극을 사용한다 .

sample

Reference electronic HCL 용액

H+ 반투막

VHCl 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 .

HCl 과 샘플의 pH 가 1 차이 나면 60mV 생성 -> 60mV/pH

pH=-log[H+]

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PCo2 측정• pH 전극과 Co2 막 (membrane) 이용 .

sample

sample

Co2 반투막

V

pH 전극

Co2

H2Co3

HCo3- + H+HH+

pH 측정하면 샘플의 pH 측정가능pH=log[HCo3-] -logk –loga -logpCo2

PCo2 농도를 알고 있는 용액으로 채운다 .

샘플 < pCo2 : 왼쪽으로 Co2 이동 H+ 감소한다 .

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PO2 측정

sample

sample

O2 반투막

A

Glass-coated pt 전극

Ag/Agcl 전극음극 :O2+H2O+4e-2H2O2+4e- 4OH-

4OH- +4KCl4KOH+4Cl-

양극 :4Ag+4Cl-4AgCl+4e-

0.7V : bias 전압

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PO2 측정• Polarographic method : 정전압 인가 전류 측정하는 방법의 통칭 산소가 많으면 화학반응이 더 잘 일어난다 . -> 흐르는 전류가 증가 -> 일정한 전압을 걸어주고 전류 측정한다 . I[uA]

O2[%]

*0.7V 만들기 ( 보통 건전지 사용 ) 1.5V 의 건전지를 전압분배 하여 만들어준다 . 여기서 전압 분배 후 바로 출력 단으로 연결 시 loading effect 생긴다 . 따라서 버퍼를 사용한다 .

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O2 Saturation(SaO2)

• SaO2=HbO2( 산화헤모글로빈 ) / Total Hb( 헤모글로빈 ) *100[%]

• 측정 방법 Invasive method : 혈액 sample 이용 Noninvasive method : Pulse Oximetry ( 광 센서 이용 )