Biomedical Instrumentation 11주차

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1 Biomedical Instrumentation 11주차
제출일 : 김소연

2 Index Ⅰ. Bio Impedance의 측정 Ⅱ. Phase-Sensitive Demodulation Ⅲ. Design for Electrical Safety ⅰ. Example1 ⅱ. Example2 ⅲ. Example3

3 Ⅰ. Bio Impedance의 측정 전류 주입 “In phase” “Quadrature” 전압 측정 𝐼 +
𝑣 𝑡 =V𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡+𝜃 =ZI𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡+𝜃) =ZI𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡𝑐𝑜𝑠𝜃−ZI𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡𝑠𝑖𝑛𝜃 = ZI𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡+[−ZI𝑠𝑖𝑛𝜃]𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 + 𝑉 − 𝑖 𝑡 =I𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 I=𝐼∠0 Z VM “In phase” “Quadrature” 주입 전류와 위상이 같다 => In phase 주입 전류와 위상이 90도 지연=> Quadrature

4 Ⅱ. Phase-Sensitive Demodulation
T 𝒕 𝜽 𝑡 𝑇= 2𝜋 𝜔 = 1 𝑓 여러 주파수의 합은 FT로 구할 수 있다 𝑣 𝑡 = 𝐴 𝑛 𝑐𝑜𝑠𝑛𝜔𝑡 + 𝐵 𝑛 𝑠𝑖𝑛𝑛𝜔𝑡 = 𝐴 1 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡+ 𝐵 1 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡+ 𝐴 2 𝑐𝑜𝑠2𝜔𝑡+⋯ 만약에 𝐴 2 𝑐𝑜𝑠2𝜔𝑡 성분을 얻고 싶으면 𝑣 𝑡 에 𝑐𝑜𝑠2𝜔𝑡 곱하면 𝐴 2 얻을 수 있다. 𝑇 : 𝑡 𝜃 = 2𝜋 : 𝜃 𝑡 𝜃 =𝑇 𝜃 2𝜋

5 Ⅱ. Phase-Sensitive Demodulation
𝑣 1 (𝑡) 1 𝑇 0 𝑇 𝑑𝑡 𝑣 𝐼 임피던스의 실수 정보 𝑣(𝑡) 한 주기 적분 = LPF 역할 cos𝜔𝑡 𝑣 2 (𝑡) 1 𝑇 0 𝑇 𝑑𝑡 𝑣 𝑄 임피던스의 허수 정보 한 주기 적분 = LPF 역할 sin𝜔𝑡 𝑣 1 𝑡 =𝑍𝐼𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡+𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡= 1 2 𝑍𝐼{ cos 2𝜔𝑡+𝜃 +𝑐𝑜𝑠𝜃} 𝑣 2 𝑡 =𝑍𝐼𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡+𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡= 1 2 𝑍𝐼{ sin 2𝜔𝑡+𝜃 −𝑠𝑖𝑛𝜃} 𝑣 𝐼 = 1 2 𝑍𝐼 1 𝑇 0 𝑇 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑑𝑡 + 1 𝑇 0 𝑇 cos 2𝜔𝑡+𝜃 𝑑𝑡 = 1 2 𝑍𝐼𝑐𝑜𝑠𝜃= 1 2 𝐼𝑹𝒆(𝒁) 𝑣 𝑄 = 1 2 𝑍𝐼 −1 𝑇 0 𝑇 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑑𝑡 + 1 𝑇 0 𝑇 sin 2𝜔𝑡+𝜃 𝑑𝑡 = −1 2 𝑍𝐼𝑠𝑖𝑛𝜃= −1 2 𝐼𝑰𝒎(𝒁)

6 Ⅱ. Phase-Sensitive Demodulation
𝑰𝒎 Zsin𝜽 Z Z 𝜽 Zcos𝜽 𝑹𝒆 𝐙= (𝟐 𝒗 𝑰 ) 𝟐 + (𝟐 𝒗 𝑸 ) 𝟐 𝑰 𝛉= − tan −𝟏 ( 𝒗 𝑸 𝒗 𝑰 )

7 Ⅲ. Design for Electrical Safety ⅰ. Example1
N G H 220V ↓ DC Power Supply + 𝑉 𝐴 - 𝑉 𝐴 + 𝑉 𝐷 + 𝑉 𝐴 LCD LA RA Micro Processor AMP ADC RL - 𝑉 𝐴 Earth ground 직접 연결되지 않아도 Stray Capacitor를 통해 전류가 흐른다. 안전규격 통과 X

8 Ⅲ. Design for Electrical Safety ⅰ. Example1
안전규격을 만족하려면… 환자 몸이 Earth Ground와 연결되면 안 된다. 환자 몸과 연결된 전자회로가 Earth Ground와 연결되면 안 된다. 환자 몸과 연결된 전자회로에 공급하는 전원이 Earth Ground와 연결되면 안 된다.

9 Ⅲ. Design for Electrical Safety ⅱ. Example2
Isolation Barrier Inverting optocoupler (디지털 값이 inverting 되어 전달) + 𝑉 𝑖𝑠𝑜 LA RA TR Micro Processor Micro Processor AMP ADC Comm. RL - 𝑉 𝑖𝑠𝑜 Display Isolation, Floating Earth Ground 빛에 의해 isolation 된 신호를 빛으로 Earth Ground로 넘긴다.

10 Ⅲ. Design for Electrical Safety ⅱ. Example2
Power의 Ground 전자회로들을 동작시키려면 ADC나 uP로 들어가는 전원이 isolation Ground여야 한다. 하지만 같으면 안되므로 Isolation transformer 또는 DC/DC Converter를 이용한다. Isolation transformer는 1차 코일과 2차 코일이 분리되어있으며 2차 코일은 Earth Ground에 연결하지 않는다. DC/DC Converter는 잡음이 많아서 iso 쪽 전력소모에 클 때는 이용이 어렵다.

11 Ⅲ. Design for Electrical Safety ⅲ. Example3
Analog Signal 넘길 때 Analog Optocoupler를 쓰지만 왜곡이 많이 발생한다. 그래서 디지털로 변환하여 넘긴다. (잡음에 강하므로) Isolation Barrier Display 전원 Battery