(2009103850 류문영 , 2009103851 박주원 , 2006200408 마진영 ,)

Electrode & Biopotential Amp. ECG

<MEDICAL INSTRUMENTA-TION>

4 TEAM

1. ECG 설계 * 1 단계 - 등가신호로 표현

300mV

305mV

0V

5mV

1. ECG 설계 * 2 단계 - 신호의 증폭

U 2 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

V e e

V c c

V e e

V c cU 1 A

TL 0 8 2

3

28

41

+

-V

+V

-O U T

신호의 증폭을 위해 차동 증폭기를 바로 달아줄 경우 Loading Effect 발생하므로 ,

⇒ BUFFER 의 사용 !

1. ECG 설계 * 2 단계 - 신호의 증폭

300mV

305mV

U 2 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

V e e

V c c

V e e

V c cU 1 A

TL 0 8 2

3

2

84

1+

-

V+

V-

O U T

R 1

1 k

R 2

1 k

R 2

1 k

i=0

i=0

EV

FV

AV

BV

1i

1i

1i입력

위 양단의 입력 전류 0 이고 , R1, R2 에 흐르는 전류 i1 이 모두 같음 .

21 1 2

1

2( 2 ) (1 )( )E F A BRV V i R R V VR

1. ECG 설계 * 2 단계 - 신호의 증폭 (Non-inverting Amp.)

4.5V

4.575V

출력

15 배 증폭 !

R 3

V e e

0

R 4

R 3V c c

U 1 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

R 6

R 5

*** Inverting Amp 사용시Loading Effect 발생하므로 Non-inverting amp. 를 쓴다 !

1. ECG 설계

0V

0.075V

4.5V

4.575V

* 3 단계 – High Pass Filter

DC 성분의 제거 필요 !

R 7

0

C 1 * 심전도 신호의 주파수 대역폭 :Band Width = 0.05Hz ~ 100Hz

전압이득 : 1Cutoff Frequency: 1

7 1

1 0.052

f HZR C

1. ECG 설계 * 4 단계 – Low Pass Filter

V c c

C 2

R 9

V e e U 1 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

R 8

0

0V

5V

0V

0.075V

고주파 차단 & 증폭 !

전압이득 : 67Cutoff Frequency:

Inverting 의 경우 ( 일반적 LPF) Loading Effect 발생 ⇒ Non-inverting 형태의 LPF 사용 !

29 2

1 1002

f HZR C

1. ECG 설계 * 완성 !

V c c

C 2

R 9

V e e U 1 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

R 8

0

R 7

0

C 1

U 2 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

V e e

R 3

1 k

V c c

V e e

V e e

V c cU 1 A

TL 0 8 2

3

2

84

1+

-

V+

V-

O U T

R 1

1 k

0

R 4

1 k

R 3

1 k

V c cR 2

1 k

U 1 A

TL 0 8 2

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U T

R 2

1 k

R 4

1 k

등가회로 ⇒ Buffer Non-inverting Amp. HPF LPF ⇒ ⇒ ⇒Loading Ef-fect 방지 증폭 (15 배 ) 0.05Hz이하의 주파수 차단

100Hz 이상의 주파수 차단 및 증폭

2. Electrode

Na Na+ + e-

최 외각 전자를 잃어버리려고 함11Na

KLM

M

17ClKL

Cl-Cl + e-

최 외각 전자를 얻으려고 함

∴ 이온화 되기 쉽다

양극음극

Na+

Cl-

전자의 흐름전류의 흐름

1) Pt 전극2. Electrode

Pt

ⓐ E < 2[V] , I = 0

ⓑ E > 2[V] , I > 0

음극

양극 2H2O + 2e- H2↑ + 2OH-

4OH- + 4H+ → 4H20

용액에서 이동

Pt

Pt+

Pt+

Pt+

Pt+

Cl-Cl-

Cl-Cl-

Na+Na+

Na+Na+

e-

e-

e-

e-

Charge doubleLayer (CDL)

E(external)

E (inter-nal)

Charge doubleLayer (CDL)

요약 ⇒ Polarigable electrode

( 외부 ) Eext → Na+ 와 Cl- 이동 ( 용액 ) e- 이동 ( 도체 , 도선 )

→ charge double layer→ No chemical reaction

→ ( 내부 ) Eint → 전계상태 → I = 0

2H2O → O2↑+ 4H+ + 4e-

①Pt 전극은 변하지 않음

②CDL 를 통과하는 전하가 적음 Capacitor

③ 교류인가 시 용액에서 Na+ 와 Cl- 가 이동해서 CDL 의 극성이 변함

2. Electrode 전극 – 전해질 경계의 등가회로

Cd

Rd

RsEhc

* Ehc = 2V ( 크다 ) * Cd 가 크고 Rd 가 작다 .

* Rs 는 용액의 농도에 따라 결정 농도↑ ⇒ Rs↓

2. Electrode E > 0.1[V] , I > 0

Ag

Cl-Cl-Cl-Cl-

Na+Na+Na+Na+

AgCl

Ag

AgCl

Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+

Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-

Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+

음극

양극 AgCl → Ag+ + Cl- Ag+ + e- → Ag Ag → Ag+ + e-

용액에서 이동

2) Ag/AgCl 전극Cl- + Ag+ → AgCl

요약 ①Ag/AgCl 전극변화

②CDL 를 통해 charge(Ag+,Cl-) 가 이동 ③ 교류인가 시 양극 / 음극 역할이 변경

2. Electrode

Cd↓

Rd↓

RsEhc↓

Rs

⇒ 움직임에 의한 Noise 가 비교적 적게 생김 ⇒Non-Polargable electrode

전극 – 전해질 경계의 등가회로

Ag/AgCl 전극은 Half cell potential 이 적기 때문에 신체 움직임에 의한 Noise 가 적어서 생체 신호 측정 전극에 적절 !

Half cell potential

3. Chemical Biosensor

• 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 .

1) 임상병리와 해부병리

Pointer of care(POC): 개인병원에서 사용 . 한 개의 sample 을 즉각 처리 시장이 점점 커지고 있다 .

Centralization : 여러 개의 sample 이 모인 후 기계가동 분석처리가 느리지만 , 단가가 저렴하다는 장점이 있다 .

2) 체성분 분석 방식3. Chemical Biosensor

v

왼쪽전극 (reference elec-trode) 은 sample 용액에 들어있고 , 오른쪽전극은 HCL 용액에 들어있다 . HCL 용액을 가진 실험관은 H+-responsive glass membrane 으로 구성되어있다 .

HCL 용액의 H+ 이온 농도를 아니깐 , PH 식에 의해 sample의 H+ 이온 농도를 알 수 있다 .

3) pH 측정3. Chemical Biosensor

PH 전극과 CO2 막을 이용

sample

CO2V

1. 막 오른쪽의 CO2 가 상대적으로 많다면 왼쪽으로 diffusion2. H+ 농도가 떨어진다 .

3. PH 가 낮아진다 .

PH=log[HCO3-]-log[K] -log[a]-log[pco2]

4) PCO2 측정3. Chemical Biosensor

O2 막과 정전압 인가 전류측정

sample

CO2A

+ -음극 (Ag/AgCl)양극 (pt 전극 )

02 가 많으면 화학반응이 많아져 (Charge carrier 의 생성이 많아짐 ) 같은 전압을 걸어줘도 , 전류가 잘 흐른다 .

5) PO2 측정3. Chemical Biosensor

0.7V 전압 인가: Bias 전압은 1.5V 전압을 전압분배를 하여 0.7V 를 만든 후 , 항상 공급되어야 하기 때문에 Buffer 를 사용 .

전류측정: I-V converter 를 사용 .

5) PO2 측정3. Chemical Biosensor

혈중 산소포화도 (=Pulse oximetry)

Sa O2= (%)100*2HbHbO

6) O2 Saturation

3. Chemical Biosensor

측정방법1. Invasive method 혈액샘플2.Noninvasive method pulse oximetry , 광센서 ( 귓볼 , 손 )

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 . O2 를 잃어버린 Hb 가 있어 검붉은색이다 .

6) O2 Saturation

3. Chemical Biosensor

파장의 길이 = ( 광속 )/ ( 주파수 )에너지 = 플랑크 상수 * ( 광속 / 파장의 길이 )

fc

chE *

7) 빛의 성질3. Chemical Biosensor

THANK YOU !