Introduction to Biomedical Engineering生醫工程導論

彭旭霞

國立清華大學 生醫工程與環境科學系

Spring, 2011

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硬體常用方塊圖

• 生醫信號大小通常很微弱，S/N ratio低- 放大之前，就先須進行濾波等去除雜訊措施

- 放大之後，再進行後續濾波等處理

信號源

AD

60-notch filter

結果輸出儲存

放大filter

數位濾波&處理

Sensor

Database比對判斷

filter

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假設各位已經瞭解…• 被動元件：resistor, capacitor, inductor• 主動元件：diode, transistor (BJT, MOS),

LED, OP 741• 電路定律：KVL, KCL, Thevenin equivalent circuit• 頻率響應： impedance (time-varying

signal), pass-band filters, Bode plot

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理想放大器：Ideal operational amplifier

Ideal Real

放大倍數 無限大 有限

消耗能量 No Yes

輸入阻抗 無限大 100 MΩ

輸出阻抗 無限小 50 Ω

頻寬 無限大 1 MHz

雜訊 穩定無雜訊 ~ μV

Operational amplifier: op amp. 4

課程網頁

• http://m99.nthu.edu.tw/~s9962554/hhpeng/

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輸入阻抗無限大

輸入阻抗無限大 (不會有電流流入)，避免前端電壓損耗

Input Circuit Output

Impedance between input terminals = input impedance

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輸出阻抗無限小

Input Circuit Output

Impedance between output terminals = output impedance

輸出阻抗無限小，將放大之訊號完全傳至後端

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理想放大器

Vo = A × (V2 – V1)A ∞(A: gain)

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應用: Comparator

Vout = A × (Vin – Vref)If Vin > Vref, Vout = +∞

but practically hits +Vs power supply = Vcc

If Vin < Vref, Vout = -∞

but practically hits –Vs power supply = -Vee

Vcc

-VeeVIN

VREF

Application: detection of QRS complex in ECG

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應用: RectifierIdeal diodeIf VIN>0, VOUT = VIN, If VIN<0 (其實是0.7V), VOUT = 0

Full-wave rectifierIf VIN>0, diode is off, VOUT = VIN/2 If VIN<0, diode is on, VOUT = -VIN/2

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應用: Differential amplifier

V- = V+ = V4 × R4/(R3+R4)

VO = (V4 – V3)R4/R3

V+

V4

V3

• V3=V4 => Vo=0

• common-mode gain:

Gc=0

• V3 ≠V4 => differential voltage = V4-V3

• Gd=R4/R311

應用: Differential amplifierWhen V1 ≠ V2

V3-V4 = i(R2+R1+R2)

V1-V2 = i(R1)

Gd = (R1+2R2)/R1

When V1 = V2 = Vin

V3 = V4 = Vin (i = 0)

Gc = 1

• Common Mode Rejection Ratio (CMRR) = Gd/Gc• High-quality biopotential amp.: CMRR > 10,000

V+

Differential mode gain

Common mode gain

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合併後: 儀表放大器(Instrumentation Amplifier, IA)

• 高輸入阻抗、高CMRR 、調整R1即可改變gain• 實際用於各種生理訊號放大

V+

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Filters

• 每種生醫訊號都有特定的頻率分佈

• 所以需要濾波器

- LPF, HPF, BPF- Integrator, Differential

• 總之是OP Amp與被動元件的組合

- 詳閱電子學課本

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一般人體的電訊號

dc potentials: intracellular voltages and voltages measured from several points on the body EOG: electro-oculogram; EEG: electroencephalogram, ECG: electrocardiogram, EMG: electromyogram; AAP: axon action potential15

雜訊來源

• 60 Hz 交流電源信號

- Shielding, filtering• Other biopotentials• Motion artifacts

- Fixed-well sensors, relaxed subject• Electrode noise

- High quality electrode and good contact• Circuit noise

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以心電圖ECG為例

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心肌去極化過程

SA nodeAV nodeAV node delaybundle of His Purkinje fibers心室各處

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:ECG_principle_slow.gif18

分解動作開始…

(a) SA node: 去極化開始

(b) Atria: 心房幾乎都已去極化

(c) AV node: 電訊號傳到AV node(d) LV: 左心室開始去極化

(e, f) 整個心室繼續去極化過程

(g) 整個心室幾乎完全去極化

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PQRST pattern: 疊加後的結果

A typical QRS amplitude: 1-3 mV.P-R interval: delay in the AV node. 20

基本需要

• 信號放大

- 通常需要103 以上的放大倍率

- 可藉由串聯多級的op-amp達成

• 雜訊消除

- 干擾型雜訊:電力線(50或60Hz)、 無線電波(AM/FM) …

- 原生型雜訊:電路元件本身原本即具有的雜訊

- 可藉濾波器消減

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醫學量測儀器的例子 : 心電圖

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心電圖概念

• 心肌受電刺激後產生收縮搏動

• 心肌電性變化反映至體表

• 振幅最大值約在 4 mV 左右

• 要怎樣量個心電圖出來？

?23

心臟成為電壓信號源

• 取左右手做為量測點

• 以示波器作為顯示幕

• 右手抓住探針頭，左手抓住地線

• 示波器顯示心電圖信號 ?

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兩手接觸示波器探針的信號波形

怎麼不太像? 發生心室震顫？!

理論上

結果…

25

這個信號是什麼 ?

• 有反映心跳狀況嗎 ?• 跟生理有關嗎 ?• 既然不是心電圖，那麼哪裡錯了 ?

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示波器量測兩個信號源的等效電路

有沒有測到兩手之間的電位差 ?

+– 示波器

探針頭

地線

右手電位

+–左手電位

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測到的不是電位差

• 而是探針點的絕對電位

- 包含共模(common mode)信號等各種

成份

• 60 Hz power line interference- 一般而言遠大於生理電信號

28

為什麼60 Hz是共模訊號？

• 沒有人這樣說 !• 但是人體體表若視為導體，整體大致上可看成平行板中的一片

• 體表不同部位間差異有限

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問題並沒有解決

• 如果去掉 60 Hz 就能解決，那當初的 60 Hz 至少應該疊加在 ECG 上

• 實驗結果是沒有疊加

• 那麼剛才的預測出了什麼問題 ?

60 Hz power line interference疊加在ECG30

示波器量測兩個信號源的等效電路

再看一次, 還要修正什麼部分?

+– 示波器

探針頭

地線

右手電位

+–左手電位

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剛剛說過的: Differential amplifier

V- = V+ = V4 × R4/(R3+R4)

VO = (V4 – V3)R4/R3

V+

V4

V3

• V3=V4 => Vo=0

• common-mode gain:

Gc=0

• V3 ≠V4 => differential voltage = V4-V3

• Gd=R4/R332

測量兩個信號源的電位差

還要修正什麼部分?

+–右手電位

+–左手電位示波器

探針頭

地線

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輸入阻抗的影響

• 人體皮膚電阻

- 105~106 Ω• 減法器輸入阻抗

- ~103 Ω

• 左右皮膚阻抗差異減法失效

• 電路修正方式 提高輸入阻抗

34

儀表放大器(IA)

提高輸入阻抗，彈性調整放大倍率

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Op-amp 有極高輸入阻抗

• uA741(BJT) : 2x106 Ω• LF411(JFET): 1012 Ω• AD560(JFET):1013 Ω (較誇張的例子)

36

測量兩個信號源的電位「差」

還要修正什麼部分?

37

為何相減後仍有60Hz訊號?• 理論上左右手有相同的60 Hz訊號

• 共模訊號 common mode signal• 若大小相同可以完全減去

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60 Hz 的來源

• 牆壁內的電源線等 (導體)• 與人體 (導體) 不直接接觸 : 電容

• 與儀器導線不直接接觸 : 電容

• 60 Hz : 交流電，可經由電容傳導

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導線也產生感應電流

Electrocardiograph

A

Power line 120 V

B

G

C3C1

Z1

Z2

ZG

C2

Id1

Id2

Id1+ Id2

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感應電流造成的誤差

• Id ~ 6 nA• Z1 Z2阻抗差異~20 kΩ• VA-VB ~120 uV• 解決方法

- 導線屏蔽接地

- 使用電極，降低與皮膚之間的阻抗

41

人體產生感應電流

Electrocardiograph

Power line 120 V

A

Zin

Z1

Cbidb

ZG

Z2

υcm

B

G

Zin

υcm

υcm

idb

感應電流產生Vcm共模訊號皮膚阻抗有差異時 Z1 ≠ Z2訊號無法抵消

VA-VB = Vcm [ Zin/(Zin+Z1) – Zin/(Zin+Z2) ]

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其他干擾：磁場干擾

- 導線與人體連結成封閉迴路並產生磁場,磁場的變化產生感應電流干擾量測

- 交錯導線並使其盡量靠近身體可大幅降低此一效應 43

這樣只完成單通道 ECG

• Electric dipole是有方向的

• 2個不同方向的channel可算出平面上的方向

• 不同平面的Multi-channel ECG可算出立體方向的ECG vector

• 6 標準胸導 (chest leads)• 3+3 標準肢導 (limb leads)

- Einthoven’s triangle

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Einthoven’s triangle: frontal plane

Leads I, II, III, aVR, aVL, aVF45

6 Chest leads: transverse plane

V1 ~ V6 (from right to left) 46

ECG leads• 貼9個電極片: 得到12個potential difference

肢體端電極(limb leads)

胸側電極(precordial leads) 47

看看醫院做出來的正常ECG• Limb leads (3)• Precordial leads (6)• augmented limb leads (3): 為幫助判讀而增加的計算:

aVR=-1/2(I+II), aVL=1/2(I-III), aVF=1/2(II+III)

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量測到心電圖之後呢 ?

• 訊號處理上場

- 紀錄：analog-to-digital conversion- 濾波或平均

- 頻譜分析…- 甚至可以經由無線裝置傳輸，

進行無線監控、遠距醫療 (biotelemetry)

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結論：生理放大器的需求

• 生理放大器須能增進SNR- 生理信號通常非常微弱

• 高輸入阻抗

- 以量取微弱信號

• 提供保護

- 隔離、接地

• 低輸出阻抗

- 以驅動recording device

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結論：生理放大器的需求

• 通常定義特定頻寬

- 且在此頻帶時，須具有>1000之high gain• 高CMRR

- 生理放大器常為差動放大器

• 校正快速

- 每天(甚至每次)都須校正，以確保精確

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