생체계측 강의록 Medical instrucmentation#7

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1 생체계측 강의록 Medical instrucmentation#7
생체의공학과 최준민 제출일 (화)

2 Bio Potential Amplifier Design
1)심전도의 특성 (1)심전도 graph (2)BW : 0.05 ~ 100Hz의 정현파의 합으로 표현 가능하다 즉, 0.05Hz보다 낮고 100Hz보다 높은 주파수는 증폭을 하지 않아도 된다. (3)DC Contact Potential (피부와 전극 사이에 생기는 전위) : -300mV ~ +300mV -5mV ~+5mV의 Range 가짐

3 Bio Potential Amplifier Design
(4)Contact Impedance : 10kΩ Tip) 잡음이 많을 때 Contact Impedance 를 줄여주면 효과적 줄이기 위한 방법으로 알코올로 피부를 닦고 접촉젤로 만들어진 커넥터를 사용할 시에 Impedance가 감소하고 더 좋은 방법으로는 각질제거를 해주면 Impedance가 더 많이 감소한다. 2)전원 설정 ADC 입력범위 : -5V ~+5V 전원은 -9V ~ +9V : Rail to rail op amp가 아니고는 ADC입력범위보다 -4V~+4V큰것 Op Amp : -6V ~+6V에서 포화되는것을 이용한다.

4 전극을 이용한 생체전기의 측정 Vo LA RA RC
Vo를 ADC연결 -> 마이크로프로세서 -> 모니터 -> 그림출력

5 Bio Potential Amplifier Design
Stray Capacitor : 60Hz Line Stray Capacitor로 인해 우리 몸 전체에 60Hz가 흐르게 되고 이 60Hz는 Vcm이 되게 되는데 이 때 우리는 Vcm 이 앰프의 출력부에서 관찰되지 않게 하는 것이 중요 또한 주의 사항으로 선의 흔들림과 떨림으로 그래프 의 모양이 왓다 갔다 하는 성향을 보이는 motion Artifact에 조심해야 한다. RA LA RC

6 전극을 이용한 생체전기의 측정 심장에서 나오는 전압
출력부 = Vecg + Edc가 나오므로 dc성분을 제거 하기 위해서 HPF을 통해 제거하여 준다. Dc성분 = Contact impedance로 인해 발생

7 Bio Potential Amplifier Design
RA CMRR을 크게 하기 위해서 R4A를 튜닝 해준다. Differential Input/ out Op amp

8 Bio Potential Amplifier Design
심전도 Range가 ±5mV이고 ADC입력 범위가 ±5V라 해서 1000배 증폭시키면 안된다. 그 이유는 DC Contact Potential을 ±300mV로 두었기 때문에 300V로 증폭 되기 때문에 OP AMP의 Saturation인 6V짜리 DC성분처럼 보이게 될 것이기 때문이다. 그러므로 최대 6V만큼 되도록 증폭시키기 위해 20배 증폭시키면 될까? No! 그 이유는 6V만큼 증폭하게 되면 심전도 graph 자체도 ±5V만큼 증폭되기 때문에 보이지 않을 수도 있으므로 15배만큼 일단 증폭시켜주기로 하자! 15배만큼 증폭시켜주자!

9 Bio Potential Amplifier Design
CMRR을 높이기 위해서 만약 저항이 1%의 오차를 가지는 저항이라면 p=0.01이므로 Ɛ=0.04를 가지게 된다. R4=10kΩ이라면 ±400 Ω이므로 ±500 Ω.. R4A=1kΩ, R4B=9.5kΩ이 되게 된다. HPF 이용! 이대로 출력을 하면 우리가 원하는 파형이 나오지 않는다. 앞서 말했듯이 300mV를 15배 증폭시켯으므로 300mV*15만큼 그래프에서 offset되었다는 사실을 잊어서는 안된다. 이 offset을 없애기 위해서 HPF을 이용해 앞의 BW에서 0.05Hz이상의 주파수만 출력되게끔 필터링 해준다.

10 Bio Potential Amplifier Design
DC Contact 전압으로 인해 15배 밖에 이전의 op Amp에서 증폭시켜주지 않았으므로 나머지 1000/15=67배만큼 다시 증폭 시켜주어야 한다. 이때 OpAmp는 비반전증폭기 이용(loading Effect↓) 이걸로 끝인가? NO! BW의 조건 중 100Hz 이하의 주파수만 통과 시켜야하므로 이번에는 LPF을 이용하여 조건을 만족하게 만들어준다. 따로 LPF을 만들어도 되지만 좀더 나은 효율성을 위해 Non Inverting Amp with LPF을 이용한다.

11 Bio Potential Amplifier Design
모든 부분들을 붙여보면 심전도가 가능한 윗부분과 같은 설계가 가능하다. 마지막으로 주의할 점은 모든 Op Amp 마다 bypass capacitor를 달아주어 직류소스로 인한 offset값을 방지해주는 것도 잊지말자!