생체계측 및 의료기기 (2004, 3rd quarter)

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1 생체계측 및 의료기기 (2004, 3rd quarter)
의과대학 의학공학교실 김 덕 원 교수 의과대학 종합관 501호

2 2nd week 생체계측 개론 생체신호의 근원 의학적 매개변수 측정기기의 특성 생체계측 방법 생체신호 증폭기의 원리 전기안전

3 생체신호의 근원 전위 발생에(생체막에서의 전위발생) 관한 이론
Hudgkin-Huxley model : 생체막 channel을 통한 생체내 이온들의 이동. Volume conductor : Source가 있을 때 source에 의해 영향을 받는 모든 영역 (ex : heart & torso) 흥분성 조직 : 신경, 근육(skeletal muscle, cardiac muscle, smooth muscle), 선(glandular) 흥분성 세포들이 전기적으로 안정상태에 있다가 자극을 받게 되면 활동전위(action potential)를 발생 안정상태 : 세포내부의 전위가 외부에 비해 -50에서 -100mV 흥분성 세포는 plasma membrane에 싸여 있으며, plasma membrane의 주요 기능은 ion이나 분자 같은 물질의 세포간 이동에 관여 전위는 흥분성 세포 membrane의 inside surface에서 electrical potential과 outside surface potential 차이에 의해 형성되며, potential은 ion의 선택적 투과성에 의함

4 1. 생체 신호란? 우리 몸에서 측정하여, 인체에 대한 에너지나 정보를 보유하고 있는 전기적인 신호
인체는 하나의 도체이며 전기를 발생 인간의 신진대사와 신체 상태에 따라 전기적인 값이 변화를 보이며 그 변화를 관찰하여 진단 정보의 전달은 신경이나 근육세포 표면에서의 전압 변동으로 이루어진다. 자극에 의한 +극과 -극의 세포 내부 전압의 기복으로 인하여 어떤 전압의 파동이 생긴다. 정보가 체액을 통해, 체표면, 즉 피부에 전달되기도 한다.        e.g) ECG, EEG, EMG, EOG

5 2. 세포막의 구조 지방의 2중층 이온전달 (ion selectivity) 단백질에 의한 물질이동 control
sodium channel potassium channel 외부자극에 의해 cell 흥분 막전위 Vm = Φi - Φo 세포도 일종의 membrane의 벽을 갖는 capacitance 역할

6 세포 내부에는 potassium이 많고 세포 외부에는 sodium이 많다. K+ : 안정시 투과도 높음 Na+ : 흥분시 투과도 높음 Cl- : 안정시, 흥분시 모두 일정 탈분극

7 3. 막전압 생성기전 평형전압(equilibrium potential) : 세포 내외에 이온의 농도차가 있음에도 불구하고 세포막을 통한 이온의 이동이 없는 경우 - 평형 상태(equilibrium state) Nernst Equation 안정막 전압(steady state potential) : 안정 시 세포는 "평형 상태"에 있는 것이 아니라 "steady state"에 위치 Goldman-Hodgkin-Katz(GHK) Voltage Equation Chord Conductance equation   세포의 막전압 값은 어떤 이온 통로가 많이 열려 있느냐에 따라 그 이온의 평형전압에 근접. 이때 이온 통로가 열려 있는 숫자의 절대치보다는 열려 있는 이온 통로 숫자의 상대적 비에 의해 결정

8 Recording of action potential of an invertebrate nerve axon (a) An electronic stimulator supplies a brief pulse of current to the axon, strong enough to excite the axon. A recording of this activity is made at a downstream site via a penetrating micropipet. (b) The movement artifact is recorded as the tip of the micropipet drives through the membrane to record resting potential. A short time later, an electrical stimulus is delivered to the axon; its field effect is recorded instantaneously at downstream measurement site as the stimulus artifact. The action potential proceeds along the axon at a constant propagation velocity. The time period L is the latent period or transmission time from stimulus to recording site.

9 4. 활동전압의 생성 안정상태 : K+ channel open, K+ 유출, PNa << PK
흥분상태 : Na+ channel open, Na+ 유입, PK << PNa

10 Resting state(A): 안정막 전압 상태에선 Na+ 통로를 통한 Na+ 이온의 유입은 거의 없는 상태에서 K+ 통로를 통한 K+ 이온의 유출로 인해 막전압이 비교적 K+ 이온의 평형전압 값과 비슷한 값 Depolarizing phase(B): 막전압이 일부 탈분극됨에 따라 Na+ 통로를 통한 Na+ 이온의 유입이 우선 일어나고(opening rate constant가 K+ 이온 통로에 비해 10배 정도 빠르다), 이에 의한 막전압의 탈분극은 더 많은 수의 Na+ 이온 통로가 열리게 하여 탈분극이 급격히 진행되도록 한다(positive feedback). Repolarizing phase(C): 탈분극이 지속됨에 따라 열려있던 Na+ 이온 통로는 비활성화에 빠지므로 Na+ 이온의 유입은 차단되게 되고, K+ 이온 통로의 활성은 뒤늦게 증가함으로써 K+ 이온은 세포 외로 유출되게 된다. 이 2가지 효과에 의해 탈분극되었던 막전압이 다시 안정막 전압 상태로 돌아오게 된다(재분극). Undershoot(D) : 재분극 과정에서 막전압이 원래의 안정막 전압 상태보다 일시적으로 과분극되는 현상을 관찰할 수 있는데, 이는 막전압이 재분극되는 과정에서 K+ 이온 통로의 일부가 미처 닫히지 않기 때문에 나타나는 현상이다.

11 5. 관련용어 Polarization(분극화) resting membrane potential(안정막 전압)
Depolarization(탈분극) / Repolarization(재분극) Action Potential(활동전압) 실무율 Threshold 이하 자극에서는 활동전압 형성이 안됨. Refractory period (불응기) Absolute Refractory period(절대적 불응기) : Action potential이 발생되었을 때, 자극이 들어오더라도 반응이 없음. Relative Refractory period(상대적 불응기) : 절대불응기 말에 역치 이상의 자극을 주면 반응. Impulse의 전도 자극에 의한 탈분극화 myelin 이 있는 신경섬유의 경우 Ranvier node가 노출되어 전도가 빠르다. 강도 & 시간 자극 : 압력, 온도, 빛, 화학적, 전기적으로 강도와 시간 조절 강도 - 시간 곡선 Rheobase : 조직을 흥분시키는 최소한의 자극 강도 Chronaxie : R보다 두배 자극시 소요되는 시간

12 6. 생체 전기현상의 기록 생체전기현상 기록기 - ECG (electrocardiograph)
- EEG (electroencephalograph) - ENG (electro neurography) - EMG (electromyograph) - ERG (electroretinograph) - EGG (electro gastrography) - EOG (electrooculogram)

13 의학적 매개변수 물리적 변수 힘 : 혈액순환, 공기를 호흡 시키는 근력 압력 : 혈압, 안압, 방광압
힘 : 혈액순환, 공기를 호흡 시키는 근력 걸을 때 다리 근육의 수축으로 정맥혈을 심장으로 중력의 뼈에 대한 작용 압력 : 혈압, 안압, 방광압 음파 : 압력의 변화(소리:20Hz-20kHz) 유량 : 세포 내의 산소농도와 영양소의 간접 측정  혈류  혈압  심전도 온도 : 간접 측정, 인체의 상태 파악에 중요

14 화학적 변수: pH 각종 이온 pH = -log[H+] 물의 pH=7 (중성), pH<7 산성, pH>7 알카리
세포 내/외에 존재하는 이온의 농도(K+, Na+, Cl-, H+, HCO3- 등) 혈액에서의 기체 농도 (산소,이산화탄소 등), 혈액,소변,뇌하수 등의 각종 이온 농도 (pH meter) pH pH = -log[H+] 물의 pH=7 (중성), pH<7 산성, pH>7 알카리 1 < 생물학의 pH 범위 < 14 산-염기의 평형유지 : 호흡계통, 신장 각종 이온 Na+: 세포막 외부, 세포막의 삼투압 조절, 체내의 수분량 결정 K+: 세포막 내부, 신경세포와 근육세포의 흥분성에 관여->심장의 리듬 산성(Acidosis); K+  세포 바깥  전해질 평형 파괴 알카리즘(Alkalosis): K+  세포 안  전해질 평형 파괴

15 전기적 변수: 신경, 근육, 선(glandular) 조직의 흥분성 세포들의 전기 화학적인 작용에 의해 생체 전위 발생
심전도(ECG) 근전도(EMG) 뇌전도(EEG) 신경전도(ENG) 망막전도(ERG) 근전도 (EMG) 위전도 (EGG)

16 측정기기의 특성 정확도 (Accuracy) 정밀도 (Precision) 해상도 (Resolution)
= (측정값-참값) / 참값 x 100 [%] 참값에 얼마나 가까운가? 정밀도 (Precision) = 측정 가능한 숫자의 개수 (측정 값 유효 숫자의 개수) (ex: 36.5 & 36.53도) 고 정밀도 ≠ 고 정확도 해상도 (Resolution) 측정 가능한 가장 작은 증가분 측정 가능한 구간의 최소크기 재현성 (Reproducibility) = 표준편차 / 평균값 x 100 [%] 같은 입력에 대하여 같은 출력을 내는 능력

17 No accuracy, and no precision
No accuracy, but precision Accuracy, but no precision Accuracy, and precision

18 입력 임피던스 (Input Impedance) 동적범위 (Dynamic Range)
민감도 (Sensitivity) 입력 증가분에 대한 출력 증가분 선형성 (Linearity) 입력 범위 (Input Range) 입력 허용 범위 입력 임피던스 (Input Impedance) 동적범위 (Dynamic Range) Range of the smallest and the largest 측정 가능 범위 x1 (x1 + y2) y1 x2 Kx1 Ky1 y2 Linear system and (y1 + y2)

19 Linearity (a) = (c) (a), (c) > (b) Sensitivity (a) > (c)

20 생체계측 방법 Perceptible output Output display Control And feedback Signal processing Data transmission storage Variable Conversion element Sensor Primary Sensing Measurand Calibration signal Radiation, electric current, or other applied energy Power source Generalized instrumentation system The sensor converts energy or information from the measurand to another form (usually electric). This signal is the processed and displayed so that humans can perceive the information. Elements and connections shown by dashed lines are optional for some applications.

21 Sensor or Electrode CRT Monitor or Chart recorder Pre-Amplifier Filtering Main-Amplifier Signal Conditioning Gain Offset Monitor or Printer PC or Microprocessor Analog to Digital Converter Signal Processing

22 Electrodes 60-Hz ac magnetic field Displacement currents Differential amplifier + - Vcc -Vcc Z1 Zbody Z2 vo vecg Simplified electrocardiographic recording system Two possible interfering inputs are stray magnetic fields and capacitively coupled noise. Orientation of patient cables and changes in electrode-skin impedance are two possible modifying inputs. Z1 and Z2 represent the electrode-skin interface impedances.

23 Block diagram of an electrocardiograph
Right leg electrode Control program Microcomputer ECG analysis Operator display Keyboard Driven right leg circuit Amplifier protection Lead selector Sensing electrodes Lead-fail detect Preamplifier Auto calibration Baseline restoration Isolated power supply Isolation Driver amplifier Recorder Ð printer ADC Memory Parallel circuits for simultaneous recordings from different leads Block diagram of an electrocardiograph

24 Design process for medical instruments Choice and design of instruments are affected by signal factors, and also by environmental, medical, and economic factors. (Revised from Transducers for Biomedical Measurements: Application and Design, by R. S. C. Cobbold. Copyright  1974, John Wiley and Sons, Inc. Used by permission of John Wiley and Sons, Inc.)

25 생체신호 증폭기의 원리 차동 증폭기 (Differential Amplifier) 필터 (Filter)
생체 신호의 크기에 따른 증폭 비율 필터 (Filter) 생체 신호의 주파수 특성 따른 신호 대역만 필터링 잡음 제거 저역 통과 필터 (Low Pass Filter) 고역 통과 필터 (High Pass Filter) 대역 통과 필터 (Band Pass Filter) Notch 필터 (Notch Filter) 비교기 (Comparator) Multiplexing

26 Voltage and frequency ranges of some common biopotential signals; dc potentials include intracellular voltages as well as voltages measured from several points on the body. EOG is the electrooculogram, EEG is the elctroencephalogram, ECG is the electrocardiogram, EMG is the electromyogram, and AAP is the axon action potential. (From J. M. R. Delgado, “Electrodes from Extracellular Recording and Stimulation,” in Physical Techniques in Biological Research, edited by W. L. Nastuk, New York: Academic Press, 1964.)

27 전기안전 (Electrical Safety)
인체에 전류가 흐르게 되면 신경이나 근육과 같은 반응성 조직의 자극, 조직에서의 저항성 발열, 전기화학적인 화상 및 조직의 손상이 나타난다. 따라서 과전류가 흐르는 경우 신경마비, 호흡정지, 심장마비 등의 결과를 초래할 수 있다. 오옴의 법칙 : (전압 = 전류 * 저항) 인체에 가해지는 전압을 접촉면의 저항과 인체의 저항의 합으로 나누면 인체에 흐르는 전류의 양 전기 감전 등의 영향은 바로 전류의 양으로 결정 즉 같은 전압이 인체에 인가되더라도 젖은 손으로 만질 때 감전사가 일어나는 이유는 접촉저항이 줄어들어 많은 양의 전류가 흘렀기 때문

28 1. 관련 용어 감지임계전류 (threshold of perception) : 개인이 감지할 수 있는 최소 전류의 크기
유아에 비해 성인이 크며, 여자에 비해 남자가 크다. 60Hz 전류 : 남자 평균 1.1 mA, 여자 평균 0.7 mA, 최소 0.5 mA [Daiziel, 1973] 60Hz 전류 인가 시 ECG 전극 젤을 이용하여 접촉 임피던스를 줄였을 경우 : 30에서 200 uA (평균 83 uA) [Tan & Johnson, 1990] 직류 전류 : 약 2 에서 10 mA 자발탈출전류 (let-go current) : 스스로 전류자극에서 자발적으로 떨어질 수 있는 최대 전류 감지임계전류 보다 큰 경우 나타나는 비자발적인 근육의 수축이나 반사적인 움직임을 보이는데 더욱 증가되면 스스로 인가되는 전류에서 떨어지지 못 함 60Hz 전류 : 남자 평균 16 mA, 여자 평균 10.5 mA 주파수 (frequency of current) : 전류의 주파수에 따라 감지임계전류와 자발탈출전류의 임계 값이 변화 자발탈출전류는 상용 전력선인 Hz에서 최소 10 Hz 이하이거나 수백 Hz 이상 주파수 에서 자발탈출전류 증가

29 지속시간 (duration) : 한 개의 자극 펄스 일지라도 심전도의 T파에 해당되는 심장 재분극 시기에 이르게 되면 심실세동을 초래할 수 있다.
인입점 (point of entry) : 전류가 인체에 있는 두 점을 통해 가해졌을 때, 전체 전류의 일부분이 심장을 통해 흐른다. 매크로쇼크(macroshock) : 외부에서 가해진 전류가 인체의 표면을 통해 유입되어 일으킨 경우 심장을 세동시키기 위해 필요한 전류의 크기는 전류가 심장에 직접 가해졌을 때 보다 인체 표면에 가할 때 더 큰 전류가 필요 마이크로쇼크(microshock) : 인체 내부의 심장 근처에 있는 전도성 물질에 의해 심장으로 전류자극을 일으키는 경우 심장근육에 직접 접촉되는 경우 아주 작은 전류도 심실세동을 초래 보통 80에서 600 uA 범위의 마이크로쇼크가 심실세동을 나타낸다고 하나 공인된 전류 안전전류한도는 10 uA

30 Physiological effects of electricity Threshold or estimated mean values are given for each effect in a 70 kg human for a 1 to 3 s exposure to 60 Hz current applied via copper wires grasped by the hands.

31 Distrubutions of perception thresholds and let-go currents These data depend on surface area of contact (moistened hand grasping AWG No. 8 copper wire). (Replotted from C. F. Dalziel, "Electric Shock," Advances in Biomedical Engineering, edited by J. H. U. Brown and J. F. Dickson IIII, 1973, 3, )

32 Let-go current versus frequency Percentile values indicate variability of let-go current among individuals. Let-go currents for women are about two-thirds the values for men. (Reproduced, with permission, from C. F. Dalziel, "Electric Shock," Advances in Biomedical Engineering, edited by J. H. U. Brown and J. F. Dickson IIII, 1973, 3, )

33 Fibrillation current versus shock duration
Fibrillation current versus shock duration. Thresholds for ventricular fibrillation in animals for 60 Hz ac current. Duration of current (0.2 to 5 s) and weight of animal body were varied. (From L. A. Geddes, IEEE Trans. Biomed. Eng., 1973, 20, Copyright 1973 by the Institute of Electrical and Electronics Engineers. Reproduced with permission.)

34 Effect of entry points on current distribution (a) Macroshock, externally applied current spreads throughout the body. (b) Microshock, all the current applied through an intracardiac catheter flows through the heart. (From F. J. Weibell, "Electrical Safety in the Hospital," Annals of Biomedical Engineering, 1974, 2, )

35 Macroshock due to a ground fault from hot line to equipment cases for (a) ungrounded cases and (b) grounded chassis.

36 Leakage-current pathways Assume 100 µA of leakage current from the power line to the instrument chassis. (a) Intact ground, and 99.8 µA flows through the ground. (b) Broken ground, and 100 µA flows through the heart. (c) Broken ground, and 100 µA flows through the heart in the opposite direction.

37 2. 전기적 안전대책 절연 (isolation) : power & signal 접지 (ground)
전류 제한 : Fuse, current limit circuit, voltage protection circuit

38 실습 생체 신호 측정 앰프 BioPac의 구성 ECG 측정 EMG 측정