제출일 : 2011. 3. 21 조 : 1조 조원 : 강세룡 강지윤 (1등)권용석 권혜선 Medical Instrumentation 제출일 : 2011. 3. 21 조 : 1조 조원 : 강세룡 강지윤 (1등)권용석 권혜선

1. General Instrumentation System Measurand Sensor Signal Processing Output Digital Analog

접근성 1-1. Measurand(측정대상) 시스템이 측정하는 물리적 양, 특성, 조건 -인체내부 (ex. 혈압) -인체표면 (ex. 심전도) -몸의 방사 에너지(ex. 적외선) -조직샘플 (ex. 생체조직검사) 접근성

1-2.Sensor Specific 물리적 측정 량을 전기적 신호로 변환하는 에너지 변환장치 측정하고자 하는 것에만 반응해야 한다. Specific 측정하는 대상의 에너지 변화를 최소화해야 한다. Minimization of the extracted energy 최소 침습이 되어야 한다. Minimally invasive

1-2.Sensor - Minimization of the extracted energy 예) 측정대상 온도계 30° 20° 29° 29° 30 °의 측정대상에 20 °의 온도계를 가져가면 29 °로 측정된다. (∵ 열에너지의 평형화) 측정하는 대상의 에너지 변화를 0으로 하기는 사실상 불가능하므로 최소한으로 변화시켜야 한다.

1-2.Sensor - Minimally invasive 몸을 절개하여 몸의 신호를 측정하는 방법 Ex) 혈압 측정 시 혈관에 관을 꽂아 직접적으로 혈압을 측정할 수 있다. Invasive (침습적) 몸을 절개하지 않고 몸의 신호를 측정하는 방법 Ex) 혈압 측정 시 커프를 감아 압력을 주었다가 바람을 빼면서 소리의 변화로 측정하는 방법이 있다. Noninvasive (비침습적) ▶ 센서는 최소침습이 되어야 한다.

※참고 심 박출량(Cardiac Output, C.O) : 1분 동안 흐르는 혈액의 양 S.V : Stroke Volume, 심장이 한 번 수축할 때 뿜어져 나오는 혈액의 양 H.R : Heart Rate, 심장이 1분 동안 뛰는 횟수 [bpm] 압력(P) = 힘 / 면적 [ ]=[Pa] 힘(F) = 질량 x 가속도 [ ]=[N] 밀도 = 질량 / 부피 [ ] 속도 = 거리 / 시간 [ ] C.O = H.R x S.V [l/min]

※안압 측정법 (Tonometry)- noninvasive의 예 기본 원리 내부 압력이 클수록 면적이 좁게 나온다. - 바람(F)를 불어넣고 면적(S)을 측정 LED를 비추어 면적이 넓을수록 반사 되는 빛의 양이 증가하는 원리 이용 녹내장을 진단하기 위해 쓰인다.

1-3.Signal Processing(신호처리) Amplification : 증폭 Filtering : 걸러냄 Visual sense (대체적으로 시각 출력) Auditory sense Tactile sense 1-4.OUTPUT display

2. Operating modes(여러가지 동작 방식) Direct-Indirect Modes Sampling and Continuous Modes Analog and Digital Modes Signal- to-Noise Ratio

2-1. Direct - Indirect modes (침습적) ---------------------- Indirect (비침습적) 심 박출량 : 혈관 절개 후 관찰 뼈 구조 : 몸 절개 후 관찰 심 박출량 : 심 박출량에 따라 전압이 변한다. 뼈 구조 : X –ray사진

2-1. Indirect modes EXAMPLES EX1) Impedance Cardiography 방법(심 박출량 측정) 옴의 법칙 : V(t) = R(t)∙ I(t) ( I= constant current) 원리 : 혈액이 많이 흐르면 저항 R이 감소 -> 전류 I는 일정하므로 전압 V가 감소 EX2) X-ray를 이용한 신체 내부 구조의 영상화 x-ray 특징 : 가시광선보다 에너지가 크기 때문에 인체를 뚫고 지나간다. 에너지가 큰 x-ray가 인체를 통과할 때, 조직의 밀도에 따라 흡수 량이 다르다.

2-2. Sampling and continuous Modes : 음성 또는 영상과 같은 연속적인 아날로그 신호를 불연속적인 디지털 신호로 바꾸는 과정이며, 원 신호를 시간 축 상에서 일정한 주기로 추출하는 것을 말한다. Continuous란? : t ∈ R(실수) , 시간 축에 대하여 끊임이 없다.

2-2. Sampling and continuous Modes ※ 참고 수의 체계 실수 (Real Num) 유리수 (Rational Num) 무리수 (Irrational Num) 복소수 자연수 음의 정수

2-3. Analog and digital modes 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하려면 표본화와 양자화의 과정을 거쳐야 한다! Analog Signal Sampling Quantization Digital Signal

2-3. Analog and digital modes ※ 참고 <Signal> 시간 크기 연속 불연속 Analog Signal Discrete-Time Signal Discrete Signal Digital signal

2-3. Analog and digital modes Q. 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 이유는? 아날로그 신호 : Noise가 생기면 원 신호를 알기 어렵다. 디지털 신호 : 기준치 이하의 Noise가 생기면 원 신호를 알 수 있다. A. 아날로그는 연속적인 신호이기 때문에 저장하기 곤란하므로 저장과 전송에 용이한 디지털 신호로 바꾼다. Q. 아날로그 신호가 디지털 신호보다 좋은 이유는?

2-3. Analog and digital modes Sampling : 샘플링 주기, 1번 샘플링 하는데 걸리는 시간[s] : 샘플링 주파수, 1초에 샘플링 하는 횟수[Hz] 샘플링을 적게 할 수록 점점 원 신호를 알기 어려워 진다. 시간에 따라 변화율이 심하면 (주파수가 높으면)샘플링을 더 많이 하여야 한다. 샘플링 주파수 ( : 최대주파수 )

※ 참고 V(w) V(t) w t fm1 fm2 ▶ 높은 주파수를 가진 신호는 시간에 따른 변화율이 크다.

2-3. Analog and digital modes 주파수 합성) Matlab을 이용하여 0.5Hz + 1Hz + 2Hz의 파형을 그리시오. 0.5Hz 1Hz 2Hz

2-3. Analog and digital modes Sampling 1 2 비교기 (Op-amp로 구성) Vi C 1번 ON / 2번 OFF일 때, 커패시터에 입력전압 Vi이 충전 1번 OFF/ 1번 ON 일 때, 커패시터에 저장된 전압이 비교기로 흐름 즉, 스위치의 On/Off 를 통해 0또는 Vi의 값이 저장되어 비교기로 가는 것을 샘플링이라고 한다.

2-3. Analog and digital modes Quantization (양자화) +12V Vo -12V +10 Vr -10 모든 ADC는 정해진 전압범위를 가진다. *Bipolar input: -V ~ +V *Unipolar input: 0 ~ +V Ex) Bipolar input ADC를 통과하는 신호는 비교기의 기준전압 Vr보다 크면 +10V를 작으면 -10V를 가리킨다.

2-3. Analog and digital modes Quantization (양자화) Vm 표본화에 의해 얻은 PAM신호를 디지털화하기 위해 진폭 축으로 이산 값(서로 떨어져 있는 값)을 갖도록 처리하는 것 양자화 폭(Quantization step size) : 2진 부호의 비트 수에 의해 결정 eq :(Quantigation error (noise) : 원 신호와의 차이 eq를 줄이려면 bit수를 늘려야 하지만 -> 비용! t1

※ 참고 - 왼쪽 신호의 경우에는 직류 성분이 없고 오른쪽 신호의 경우에는 직류성분이 있다. A 0 t A/2 0 t - 모든 신호는 정현 파들의 합으로 나타낼 수 있다. - 왼쪽 신호의 경우에는 직류 성분이 없고 오른쪽 신호의 경우에는 직류성분이 있다.

2.3 Analog and digital modes Resolution (해상도) 즉, 오차의 영향을 받지 않고 확실하게 구분할 수 있는 최소크기 = ∆ = = 1 LSB 디지털 출력 값을 한 등급만큼 변화시키기 위한 아날로그 신호의 최소크기 ※ LSB란? : Least Significant Bit (최하위비트) 2진법으로 표시된 수에 있어서 최하위 숫자. Ex) 11001에서 마지막 1이 LSB

2.3 Analog and digital modes Dynamic Range ( DR ) 가능한 값들 중 가장 큰 값과 가장 작은 값 사이의 비율 EX. 디지털 온도 측정기를 측정할 때 ★ ★ ★

※ 참고 < Random Noise > N(t) Pn t (Pn : noise가 n이 나올 확률) Noise는 랜덤하여 측정 할 때마다 다르게 나오므로 확률로서 Random Noise를 표현한다. (평균치 =0)

※ 참고 < Random Noise > Noise 확률밀도함수의 표준편차가 크면 Noise의 크기가 크다. 표준편차가 작으면 Noise가 ‘0’ 근처에 많이 있다.

2.4 snr (signal- to- noise ratio) : 잡음의 전력성분에 대한 신호의 전력성분의 상대적인 비 - 신호가 noise에 의해 얼마나 영향을 받았는지 나타냄 Analog신호 Digital 신호 ADC 입력 : input/output noise level : input/output signal -> 회로 자체에서 나오는 electrical noise 는 소자들 안에서 발생 ( 자유전자가 이동할 때 진동하고 있는 원자와 random하게 충돌->random noise 온도가 증가하면 random noise가 커진다.)

2.4 snr (signal- to- noise ratio) Amplitude (최대치), Magnitude (크기), rms (실효치), power(전력) 가능 단위: dB 값의range 가 크면 그 크기를 기록하는데 어려움이 있으므로 간단한 정수로 압축시켜 표현하기 위해서 예 > 1000만 → = 7 SNR>0 이면 Noise > Signal SNR<0 이면 Signal > Noise

※ 참고 < Random Noise의 크기 > < Signal의 크기> A 평균값 rms값 powwer < Random Noise의 크기 > 평균값 rms값 powwer peak 값 ≒ < Signal의 크기> 평균값 rms값 power peak 값 신호의 dc성분 (표준편차)

2.4 snr (signal- to- noise ratio) < rms 값> < Peak값> < Power>

2.4 snr (signal- to- noise ratio) 1. DC 측정의 경우 m P(m) m0 m(t) m0 S(t) 여러 번 측정해서 평균을 구한다. (신호의 크기) (Sample mean) - SNS = 로 구한다. m(t) m0 S(t)

2.4 snr (signal- to- noise ratio) 2. 정현파 측정의 경우 m(t) t 여러 번 측정해서 평균 wave form m(t)를 찾는다. (Signal Averaging) {각 정현파 – m(t)} 의 평균 = 평균 wave n(t) SNR =