생체계측 및 의료기기 (2004, 3rd quarter) 의과대학 의학공학교실 김 덕 원 교수 의과대학 종합관 501호 361-5402 (kdw@yumc.yonsei.ac.kr)

3rd week 변환기, 센서, 전극 변환기의 종류 센서의 응용 전극의 종류와 응용 전극의 사용요령

변환기 (Transducer) What is transducer ? A transducer is an electronic device that converts energy from one form to another.

1. 정의 Transducer : Sensor : Actuator : 한 에너지를 다른 에너지 형태로 변환하는 장치. 물리적인 값을 전기적으로 변환. Actuator : 전기적인 신호에 해당하는 물리적인 출력을 내는 장치.

2. 변화기 및 센서의 예 마이크 : 소리 E ⇒ 전기 E 스피커 : 전기 E ⇒ 소리 E

2. 센서와 감각기관 감각기관 센서의 역활 인체 외부로부터 정보 수집 눈, 귀, 코, 혀 등 인체의 감각기관은 2 개의 양 사이의 근소한 차이 판별하는 데는 고도의 성능을 가지고 있으나, 이를 정량화 할 수 없다. 센서의 역활 물리적 매개변수를 알아내고 이를 기기에 이용해서 생체의 측정을 정량화 빛, 자기, 온도, 압력, 가스 등의 물리량을 광전 효과, 압전효과, 가스효과 등을 이용하여 전기량 또는 다른 물리량으로 변환

시각 후각 청각 촉각 미각 Electronic Nose 포토다이오드, 촬상관, CCD 가스센서, 화학센서, 압전소자, 가속도 센서 (음파나 진동 감지) 미각 이온검출 MOS Tr. 촉각 온도센서, 압전소자, 마이크로스위치

센서의 응용 거리 측정 초음파식 공기 중 속도=340m/s 마이크로 파(radar) 대기 중 속도=30만km/s 거리=속도*시간/2

길이(변위) 측정 힘 측정 Resistance(potentiometer) Inductance(LVDT:Linear Variable Differential Transformer) Capacitance 압전효과(piezoelectric) ex) 심음기록 : phonocardiography, Strain gauge 힘 측정 LVDT, Strain gauge, Load cell, Torque meter ex) 점성도, 무게, 동작 분석의 force plate

압력 측정 Capacitive Piezoresistive LVDT Silicon micro-machined sensor Strain gauge Vibrating wire(Diaphragm)연속적 혈압측정

속도 측정 온도측정 도플러 (혈액의 유속 측정) 초음파식 Bimetal Thermistor Thermocouple 화학 온도계 적외선 형상기억합금

Three types of potentiometric devices for measuring displacements (a) Translational. (b) Single-turn). (c) Multi-turn. (From Measurement Systems: Application and Design, by E. O. Doebelin. Copyright  1990 by McGraw-Hill, Inc. Used with permission of McGraw-Hill Book Co.)

Typical bonded strain-gage units (a) Resistance-wire type Typical bonded strain-gage units (a) Resistance-wire type. (b) Foil type. (c) Helical-wire type. Arrows above units show direction of maximal sensitivity to strain.[Parts (a) and (b) are modified from Instrumentation in Scientific Research, by K. S. Lion. Copyright  1959 by McGraw-Hill, Inc. Used with permission of McGraw-Hill Book Co.] 

c d (a) (b) (c) a b e Inductive displacement sensors (a) Self-inductance. (b) Mutual inductance. (c) Differential transformer.

Capacitance sensor for measuring dynamic displacement changes C = k A / x

의공학에서의 센서 응용 분야 혈압 측정 방광압 측정 심음측정 Gait Analysis (force plate) 혈류측정 수은주 혈압계 : 정상적인 측정은 가능하나 계속적인 측정 불가능 관혈적 방법 : 동맥압이나 정맥압 측정시 카테터를 직접 삽입하여 압력 센서(membrane)로 측정 방광압 측정 심음측정 Gait Analysis (force plate) 혈류측정 관혈적 방법 - 희석법(열, 염류, Fick), 전자유량계 비관혈적 방법 : 초음파, 용기, 임피던스, 광

                          e = BLu                                                         전자기 유량계 :  레이저 도플러 측정기 원리

Pneumatic and impedance plethysmography of the digit

Infrared LED Photosensor CRT 1 Catheter Blood vessel Red 2 Photoplethysmography system measures oxygen saturation in vivo, using red and infrared light emitting diodes (LEDs) and a photosensor. The red and infrared LEDs are alternately pulsed in order to use a single photosensor.

온도 측정 체온 변화 : 인큐베이터 온도조절 시스템 복사온도 측정 Shock ⇒ 혈압감소 혈류 감소 ⇒ 체온감소 감염 ⇒ 체온증가 인큐베이터 온도조절 시스템 복사온도 측정 의학용 thermography : 유방암 조기발견, 관절염 위치 및 진행정도, 동상 및 화상, 피부손상정도, 각종 말초 순환 장애 검출 DITI(Digital Infrared Thermographic Image)

농도측정 Oximeter : 산소 포화도 측정 Spectrophotometer 이온에 따라 각기 다른 유리 전극 사용. 이온의 농도를 직접 측정하는 것이 아니고 이온의 활동성 측정으로 농도 환산(Nernst Eq.) PCO2, PO2 : 혈중 가스 농도 측정 Oximeter : 산소 포화도 측정 Spectrophotometer 임상, 화학 검사

UDS(Urodynamic System) Urodynamic Testing Uroflowmetry Urethral Pressure Measurement Water Cystometry Gas Cystometry Voiding Cystometry Video Urodynamics Impotence Studies : Cavernosometry

UDS - DANTEC

전극 (Electrode) Electrode (Sensor) 인체 내의 물리적인 현상을 전기적인 값으로 변환 (이온 전류 ⇒ 전자 전류) 표면전극 내부전극 미세전극 etc

1. 전극-전해질 인터페이스 인체 내 전류는 전극으로부터 전극-전해질 경계면을 통해 전해질로 흐름 전자는 전극에서 전류 방향과 반대로 흐름 양이온은 전해질에서 전류 방향과 같은 방향으로 흐름 음이온은 전해질에서 전류 방향과 반대로 흐름

Electrode-electrolyte interface The current crosses it from left to right. The electrode consists of metallic atoms C. The electrolyte is an aqueous solution containing cations of the electrode metal C+ and anions A-.

2. Half-cell potential(반세포 전위) 전극이 부착되는 위치에서 불가피하게 전극-전해질 반응이 일어남 이때, 전극과 계측기 사이에 원하는 않는 전위차 발생 ⇒ half-cell potential 수소 원자의 반세포 전위를 기준(백금 전극 사용)으로 하여(0 V), 다른 원소들의 반세포 전위 측정 생체 전극으로 AgCl을 주로 사용 (반세포 전위 : +0.223V)

3. 전극의 전기적 등가모델 Equivalent circuit for a biopotential electrode in contact with an electrolyte Ehc is the half-cell potential, Rd and Cd make up the impedance associated with the electrode-electrolyte interface and polarization effects, and Rs is the series resistance associated with interface effects and due to resistance in the electrolyte.

Magnified section of skin, showing the various layers (Copyright © 1977 by The Institute of Electrical and Electronics Engineers. Reprinted with permission, from IEEE Trans. Biomed. Eng., March 1977, vol. BME-24, no. 2, pp. 134-139.)

Sweat glands and ducts Electrode Epidermis Dermis and subcutaneous layer Ru Re Ese Ehe Rs Rd Cd EP RP CP Ce Gel A body-surface electrode is placed against skin, showing the total electrical equivalent circuit obtained in this situation. Each circuit element on the right is at approximately the same level at which the physical process that it represents would be in the left-hand diagram. 극펫

4. 생체전극의 종류 표면전극 (body surface electrode) 내부 전극 (internal electrode) : 흡착전극 (suction electrode) 부유전극 (floating electrode) : 기계적 동잡음 제거 유연전극 (flexible electrode) : 조산아 건성전극 (dry electrode) 내부 전극 (internal electrode) : EMG, 연속적인 ECG, 태아 심전도 침 전극 이식용 전극 전극 어레이 (electrode array) 미세전극 (microelectrodes) : 세포 단위 전위 측정 (전기 생리학) 금속 미세 전극 금속 지지 미세 전극 마이크로 피펫

Body-surface biopotential electrodes (a) Metal-plate electrode used for application to limbs. (b) Metal-disk electrode applied with surgical tape. (c) Disposable foam-pad electrodes, often used with electrocardiograph monitoring apparatus.

A metallic suction electrode is often used as a precordial electrode on clinical electrocardiographs.

Double-sided Adhesive-tape ring Insulating package Metal disk Electrolyte gel in recess (a) (b) (c) Snap coated with Ag-AgCl External snap Plastic cup Tack Plastic disk Foam pad Capillary loops Dead cellular material Germinating layer Gel-coated sponge Examples of floating metal body-surface electrodes (a) Recessed electrode with top-hat structure. (b) Cross-sectional view of the electrode in (a). (c) Cross-sectional view of a disposable recessed electrode of the same general structure shown in Figure 5.9(c). The recess in this electrode is formed from an open foam disk, saturated with electrolyte gel and placed over the metal electrode.

Flexible body-surface electrodes (a) Carbon-filled silicone rubber electrode. (b) Flexible thin-film neonatal electrode (after Neuman, 1973). (c) Cross-sectional view of the thin-film electrode in (b). [Parts (b) and (c) are from International Federation for Medical and Biological Engineering. Digest of the 10th ICMBE, 1973.]

Needle and wire electrodes for percutaneous measurement of biopotentials (a) Insulated needle electrode. (b) Coaxial needle electrode. (c) Bipolar coaxial electrode. (d) Fine-wire electrode connected to hypodermic needle, before being inserted. (e) Cross-sectional view of skin and muscle, showing coiled fine-wire electrode in place.

Electrodes for detecting fetal electrocardiogram during labor, by means of intracutaneous needles (a) Suction electrode. (b) Cross-sectional view of suction electrode in place, showing penetration of probe through epidermis. (c) Helical electrode, which is attached to fetal skin by corkscrew type action.

The structure of a metal microelectrode for intracellular recordings. Structures of two supported metal microelectrodes (a) Metal-filled glass micropipet. (b) Glass micropipet or probe, coated with metal film.

A glass micropipet electrode filled with an electrolytic solution (a) Section of fine-bore glass capillary. (b) Capillary narrowed through heating and stretching. (c) Final structure of glass-pipet microelectrode.

CVP injection port Thermistor Balloon Transmitting fiber-optic Receiving Sampling and pressure monitoring lumen Balloon inflation lumen Optical module Cardiac output computer connector To oximetry instrument Proximal (CVP) lumen Distal (PA) lumen The catheter used with the Abbott Opticath Oximetry System transmits light to the blood through a transmitting optical fiber and returns the reflected light through a receiving optical fiber. The catheter is optically connected to the oximetry processor through the optical module. (From Abbott Critical Care Systems. Used by permission.)

5. 전극의 사용요령 전해질과 접촉하는 전극 및 리이드 선 등 모든 부분은 동일 재료로 만들어 져야 함 전극을 쌍으로 착용하게 되는 경우, 같은 크기의 반전지 전위를 갖는 전극 사용(차동 증폭기에 의해 DC전위 제거) 피부 표면 부착 시 접촉력 및 접촉 유지 (청결 유지 및 페이스트 사용) 리이드 선 연결 유지 (피복 관리, 단선 주의) 전극과 측정 부위와의 접촉 임피던스 감소 전극 임피던스 < 계측기의 임피던스

실습 센서 전극 가변저항 Bendable potentiometer sensor (Flexpoint) Strainguage Piezosensor 전극 ECG surface electrode ECG suction electrode EMG surface electrode EEG ball electrode GSR mesh electrode