Introduction to Biomedical Engineering -...
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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
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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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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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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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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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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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
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
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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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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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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