Biomedical Instrumentation 6주차

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1 Biomedical Instrumentation 6주차
제출일 : 김소연

2 Index ⅰ. DC전압에서 측정 Ⅰ. Electrode Ⅱ. 전극의 Equivalent Circuit Model
ⅰ. Pt 와 Carbon 전극 ⅱ. Ag/AgCl 전극 Ⅱ. 전극의 Equivalent Circuit Model Ⅲ. 전극의 전기적 특성 측정 ⅰ. DC전압에서 측정 ⅱ. AC전압에서 측정 Ⅳ. 전극을 이용한 생체전위의 측정

3 Ⅰ. Electrode ⅰ. Pt 와 Carbon 전극
𝑽 > 2[V] V 𝑒 − 𝑒 − 𝑵𝒂 + , 𝑪𝒍 − 는 산화-환원 반응에 개입하지 않는다. 𝑵𝒂 + 𝑪𝒍 − 𝑶𝑯 − 𝑯 + Anode(양극) Cathode(음극) 𝟐 𝑯 𝟐 𝑶 + 𝟐 𝒆 − → 𝑯 𝟐 ↑ + 𝟐 𝑶𝑯 − 𝟐 𝑪𝒍 − → 𝑪𝒍 𝟐 ↑ + 𝟐 𝒆 − 𝟐 𝑯 𝟐 𝑶 → 𝑶 𝟐 ↑ + 𝟒 𝑯 𝟒 𝒆 − ∗ Charge carrier의 역할이 바뀐다! Carbon 전극은 부식되고 Pt 전극은 그대로이다. 만약 DC 전압을 AC 전압으로 바꾸면 나타나는 현상이 번갈아 바뀌며 반복된다. Pt 전극과 Carbon 전극은 좀 더 Capacitive 하다. ⇒Charge double layer를 직접 지나가는 Charge carrier가 없기 때문 (물이 분해 될 뿐)

4 Ⅰ. Electrode ⅱ. Ag/AgCl 전극
𝑽 > 0.1[V] V 𝑒 − 𝑒 − 𝑵𝒂 + 𝑪𝒍 − : Current Flow에 의해 (Electric Field 결려서) Anode(양극) Cathode(음극) 𝑨𝒈𝑪𝒍 → 𝑨𝒈 𝑪𝒍 − 𝑨𝒈 → 𝑨𝒈 𝒆 − 𝑨𝒈 𝒆 − →𝑨𝒈 은이 늘어남 (표면이 점점 은색으로 변화) 𝑨𝒈 𝑪𝒍 − → 𝑨𝒈𝑪𝒍↓ 표면 흡착 Anode 쪽의 암갈색 층이 점점 두꺼워 진다. Ag/AgCl 전극은 좀 더 Resistive 하다. ⇒Charge double layer를 직접 지나가는 Charge carrier가 있기 때문( 𝑪𝒍 − ) (전극에서 𝑪𝒍 − 가 다시 전극으로 직접 가기 때문에 전류가 흐른다.) 마치 도체에서 전류가 흐를 때 전자가 직접 이동하듯이

5 Ⅰ. Electrode 신호 측정 (Biopotential 전압 측정) 전기 자극 DC 전류 AC 전류 *비가역적 현상
다시 본디의 상태로 돌아갈 수 없는 성격을 띤 것. 신호 측정 (Biopotential 전압 측정) ① 전류가 매우 작음 ② Ag/AgCl을 사용 (다른 것을 사용하면 안 좋다) 전기 자극 ① 비교적 큰(mA) 전류가 흐름 ② Pt 또는 Carbon 전극 사용 (전극의 재질이 변하지 않는 것) DC 전류 ① 기포가 발생 (Pt와 Carbon의 경우) ② 비가역적인 현상 AC 전류 ① 기포가 거의 발생하지 않음 (주파수에 따라. 빠를수록 발생하지 않음) ② 가역적인 현상 (전극에 변화가 거의 없음)

6 Ⅱ. 전극의 Equivalent Circuit Model
전극-전해질이 만났을 때 𝑅 𝑑 Electrolyte resistance at interface + - 𝑅 𝑠 𝐸 ℎ𝑐 𝐶 𝑑 Half-Cell Potential 절대치를 측정할 수 없다 (항상 두 개로 측정 해야 함) Polarization effect Charge double layer(Polarization이 클수록 더 크다) Pt는 2V 이상의 전압이 흘러야 전류가 흐른다. Ag/AgCl은 0.1V 이상의 전압이 흘러야 전류가 흐른다. 측정하는 것은 전압이 작을 수록 좋다. Carbon은 𝐶 𝑑 가 크다. Ag/AgCl은 𝐶 𝑑 가 작다. (도체같이 직접 𝑪𝒍 − 가 이동하므로) 𝑅 𝑠 는 용액 농도가 진하면 작아진다.

7 Ⅲ. 전극의 전기적 특성 측정 등가 회로 Ag/AgCl 전극 측정대상 전극 V 측정대상 전극 Ag/AgCl 기준전극
스폰지 NaCl 용액 등가 회로 V 측정대상 전극 Ag/AgCl 기준전극 𝐸 ℎ𝑐 측정 𝑅 𝑑 𝑅 𝑑 * + - 𝑅 𝑠 𝑅 𝑏 𝑅 𝑠 * 𝐸 ℎ𝑐 𝐸 ℎ𝑐 * 스폰지 용액 𝐶 𝑑 𝐶 𝑑 *

8 Ⅲ. 전극의 전기적 특성 측정 참고 ) 저항 측정 + Amp - 𝑅 측정 𝑣(𝑡)=V𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 주입 C 생성
𝑖(𝑡)=I𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 𝑅= 𝑉 𝐼 [Ω] 모든 주파수에서 이상적일 때 C 생성 하지만 실제 실험하면 주파수가 커질 수록 커패시터가 생긴다 𝑓

9 Ⅲ. 전극의 전기적 특성 측정 ⅰ. DC전압에서 측정
⇒내부의 소자 무시 𝐸 ℎ𝑐 𝐸 ℎ𝑐 * V =𝐸 ℎ𝑐 − 𝐸 ℎ𝑐 *

10 Ⅲ. 전극의 전기적 특성 측정 ⅱ. AC전압에서 측정
AC 전압에서 Impedance 측정 ⇒동일 주파수의 교류 전압만 측정 (dc는 다루지 않는다!) 𝑅 𝑠 작음 (NaCl이 진한 용액) 𝑅 𝑑 𝑅 𝑠 =𝑍 𝑅 𝑠 *, 𝑅 𝑑 *작음 (Ag/AgCl 큰 것 이용) 𝑰=Ι∠0° 𝐶 𝑑 𝑽=V∠𝜃 𝒁= 𝑅 𝑠 + 𝑅 𝑑 × 1 𝑗𝜔 𝐶 𝑑 𝑅 𝑑 + 1 𝑗𝜔 𝐶 𝑑 = 𝑅 𝑠 + 𝑅 𝑑 1+𝑗𝜔 𝑅 𝑑 𝐶 𝑑 𝑖(𝑡)=I𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 V 𝒁= 𝑅 𝑠 + 𝑅 𝑑 +𝑗𝜔 𝐶 𝑑 𝑅 𝑑 𝑅 𝑠 1+𝑗𝜔 𝐶 𝑑 𝑅 𝑑 =𝑍∠𝜃 𝑣(𝑡)=V𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡+𝜃) 𝑽=𝒁𝑰=ZI∠𝜃 𝑣(𝑡)=ZI𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡+𝜃)

11 Ⅲ. 전극의 전기적 특성 측정 ⅱ. AC전압에서 측정
AC 전압에서 Impedance 측정 ⇒여러 주파수에서 계산 𝑅 𝑑 𝑅 𝑠 =𝑍 𝑍 𝑪 𝒅 𝒐𝒑𝒆𝒏 𝐶 𝑑 𝑅 𝑑 + 𝑅 𝑠 0.707( 𝑹 𝒅 + 𝑹 𝒔 ) 𝑪 𝒅 𝒔𝒉𝒐𝒓𝒕 𝑖(𝑡)=I𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 𝑅 𝑠 𝒇 𝒄 = 𝟏 𝟐𝝅 𝑹 𝒅 𝑪 𝒅 𝑓 V 𝑣(𝑡)=V𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡+𝜃)

12 Ⅳ. 전극을 이용한 생체전위의 측정 𝑉 RR interval = 1s RA LA R R + Amp 𝑣 𝑂 RC - 𝑡
HR = 60 bpm HR = Heart Rate bpm = beat per minute

13 Ⅳ. 전극을 이용한 생체전위의 측정 Amplifier 이전 단계의 등가회로 𝒗 𝒆𝒄𝒈 Contact Impedance 𝑅 𝑏1
𝒗 𝑨 𝒗 𝑨 Buffer 중요! 𝑬 𝒅𝒄 + 𝑉 𝑖 - Contact Z와 테브닌 등가저항에 의해 생긴 Loading Effect 제거 신호원에 대한 테브닌 등가저항 𝒗 𝒆𝒄𝒈 Contact Impedance 를 측정 𝑅 𝑏2 𝒗 𝑩 뒤 단에 설계 증폭기 + HPF Common mode 전압이 걸림 𝒗 𝑩 Buffer 중요! 𝑬 𝒅𝒄 (dc제거용) 𝑅 𝑏2 𝑬 𝒅𝒄 :𝑪𝒐𝒏𝒕𝒂𝒄𝒕 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒕𝒊𝒂𝒍 (두 개 contact Z 의 전압의 차에 의해 생김) 오른다리 전극