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奄于
4 years ago
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1 生醫電路放大器 Biopotential amplifiers 莊子肇副教授中山電機系

2 硬體常用方塊圖信號源 Sensor 60Hz-notch filter filter 放大 filter AD 數位濾波 & 處理 Database 比對判斷結果輸出儲存生醫信號大小微弱,S/N ratio 低放大之前, 就先須進行濾波等去除雜訊措施放大之後, 再進行後續濾波等處理

3 Preview 經過電子學電路學一整年的摧殘, 假設各位已經瞭解被動元件 :resistor, capacitor, inductor 主動元件 :diode, transistor (BJT, MOS), LED, OP 741 電路定律 :KVL, KCL, Thevenin equivalent circuit 頻率響應 : impedance (time-varying signal), pass-band filters, Bode plot

4 理想放大器 :OP amplifier 放大倍數無限大不需要消耗能量輸入阻抗無限大輸出阻抗無限小頻寬無限大穩定無雜訊事實上有限耗能 100 MΩ 50 Ω 1 MHz ~ μv

5 輸入阻抗無限大 Input Circuit Output Impedance between input terminals = input impedance 輸入阻抗無限大, 避免前端電壓損耗

6 輸出阻抗無限小 Input Circuit Output Impedance between output terminals = output impedance 輸出阻抗無限小, 將放大之訊號完全傳至後端

7 V o = A (V 2 V 1 ) A 理想放大器

8 應用一 :Comparator V out = A (V in V ref ) If V in > V ref, V out = + but practically hits +Vs power supply = V cc If V in < V ref, V out = - but practically hits Vs power supply = -V ee Application: detection of QRS complex in ECG V REF V cc V IN -V ee

9 More comparators R1 1 v i v ref R 2 R1 + A v o Saturated voltage v o v ref = v i v i (a) Without hysteresis υ o (b) υ i R 1 10 V With hysteresis υ ref R 1 + R 2 υ o -10 V 10 V - υ ref υ i R 3-10 V With hysteresis: Width of the Hysteresis = 4V R3

10 應用二 :Voltage follower V + = V IN By virtual ground, V - = V + Thus V out = V - = V + = V IN 不就是輸入等於輸出? 極大的輸入阻抗對於高阻抗的 sensor 相當重要 Impedance of microelectrode ~ 10 MΩ

11 應用三 : Inverting amplifier Virtual ground V - = V + = 0 V OUT = (-R 2 /R 1 )V IN 放大倍率為負

12 應用四 : Non-inverting amplifier V - = V + V OUT = (1+R 2 /R 1 )V IN 放大倍率為正

13 應用五 : Rectifier Ideal diode If V IN >0, V OUT = V IN, If V IN <0, V OUT = 0 V+ Full-wave rectifier If V IN >0, diode is off, V OUT = V IN /2 If V IN <0, diode is on, V OUT = -V IN /2

14 應用六 : Differential amplifier V - = V + = V 1 R 2 /(R 1 +R 2 ) V+ V OUT = (V 1 V 2 )R 2 /R 1 但是有問題 : 輸入阻抗太低加上 voltage follower?

15 應用六 : Differential amplifier When V 1 V 2 V 3 -V 4 = i(r 2 +R 1 +R 2 ) V+ V 1 -V 2 = i(r 1 ) G d = (R 1 +2R 2 )/R 1 When V 1 = V 2 = V in Differential mode gain V 3 = V 4 = V in (i = 0) G c = 1 Common mode gain Common Mode Rejection Ratio = Gd/Gc 輸入阻抗大

16 合併後 : 儀表放大器 (IA) V+ 高輸入阻抗高 CMRR 實際用於各種生理訊號放大

17 Filters 每種生醫訊號都有特定的頻率分佈所以需要濾波器 LPF, HPF, BPF Integrator, Differential 總之是 OP Amp 與被動元件的組合詳閱電子學課本

18 一般人體的電訊號

19 雜訊來源 :60 Hz AC 牆壁內的電源線等 ( 導體 ) 與人體 ( 導體 ) 不直接接觸 : 電容與儀器導線不直接接觸 : 電容 60 Hz : 交流電, 可經由電容傳導

20 更多雜訊來源 60 Hz 交流電源信號 Shielding, filtering Other biopotentials Motion artifacts Fixed-well sensors, relaxed subject Electrode noise High quality electrode and good contact Circuit noise

21 生醫電訊號放大 biopotential amplification 以心電圖 ECG 為例

22 基本需要信號放大通常需要 10 3 以上的放大倍率可藉由串聯多級的 op-amp 達成雜訊消除干擾型雜訊 : 電力線 (50 或 60Hz) 無線電波 (AM/FM) 原生型雜訊 : 電路元件本身原本即具有的雜訊可藉濾波器消減類比數位轉換 (A/D conversion)

23 醫學量測儀器的例子 : 心電圖

24 複習 : 心電圖概念心肌受電刺激後產生收縮搏動心肌電性變化反映至體表振幅最大值約在 4 mv 左右要怎樣量個心電圖出來??

25 心臟成為電壓信號源取左右手做為量測點以示波器作為顯示幕右手抓住探針頭, 左手抓住地線示波器顯示心電圖信號?

26 兩手接觸示波器探針的信號波形 VF( 心室震顫 )?!

27 這個信號是什麼? 有反映心跳狀況嗎? 跟生理有關嗎? 既然不是心電圖, 那麼哪裡錯了?

28 示波器量測一個信號源的等效電路探針頭左右手間的電位差 + 示波器地線與實際狀況相符嗎?

29 示波器量測兩個信號源的等效電路探針頭右手電位 + 示波器左手電位 + 地線有沒有測到兩手之間的電位差?

30 測到的不是電位差而是探針點的絕對電位包含共模 (common mode) 信號等各種成份 60 Hz power line interference 一般而言遠大於生理電信號

31 60 Hz 是共模訊號? 人體體表若視為導體, 整體大致上可看成平行板中的一片體表不同部位間差異有限

32 問題並沒有解決如果去掉 60 Hz 就能解決, 那當初的 60 Hz 至少應該疊加在 ECG 上實驗結果是沒有疊加那麼剛才的預測出了什麼問題?

33 示波器量測兩個信號源的等效電路探針頭右手電位 + 示波器左手電位 + 地線要修正什麼部分?

34 使用減法器

35 測量兩個信號源的電位差右手電位 + 探針頭左手電位 + 示波器地線還要修正什麼部分?

36 輸入阻抗的影響人體皮膚電阻? 10 5 ~10 6 Ω 減法器輸入阻抗? ~10 3 Ω 左右皮膚阻抗差異減法失效電路修正方式提高輸入阻抗

37 儀表放大器 (Instrumentation Amp) 提高輸入阻抗, 彈性調整放大倍率

38 Op-amp 有極高輸入阻抗 ua741(bjt) : 2x10 6 Ω LF411(JFET): Ω AD560(JFET):10 13 Ω ( 較誇張的例子 )

39 高度匹配之放大器 :IA 積體電路單一 IC 製成, 電阻容易匹配 (CMRR~100dB)

40 測量兩個信號源的電位差還要修正什麼部分?

41 為何相減後仍有 60Hz 訊號? 理論上左右手有相同的 60 Hz 訊號共模訊號 common mode signal 若大小相同可以完全減去實際考慮皮膚阻抗差距

42 人體產生感應電流 Power line 120 V C b i db VA-VB = V cm [ Z in /(Z in +Z 1 ) Z in /(Z in +Z 2 ) ] Electrocardiograph υ cm υ cm Z 1 A Z in Z 2 B Z in υ cm Z G i db G 感應電流產生 V cm 共模訊號皮膚阻抗有差異時 Z 1 Z 2 訊號無法抵消

43 導線也產生感應電流 Power line 120 V C 2 C 1 C 3 Z 1 I d1 A Z 2 I d2 B Electrocardiograph G Z G I d1+ I d2

44 感應電流造成的誤差 Id ~ 6 na, Z1 Z2 阻抗差異 ~20 kω VA-VB ~120 uv 解決方法導線屏蔽接地使用導電膠與電極, 降低與皮膚之間的阻抗

45 其他干擾 : 磁場干擾 (a) 導線與人體連結成封閉迴路並產生磁場, 磁場的變化也會產生感應電流干擾量測 (b) 交錯導線並使其盡量靠近身體可大幅降低此一效應

46 對不起,ECG 還沒結束兩點量測 ECG,60 Hz 依然存在三點量測 ECG : 右腳等效接地 Driven right leg Common mode feedback

47 Driven right leg i d υ 3 + R a R a + υ 4 R f υ cm RL R RL Auxiliary op amp + R o 人體實際上並沒有直接接地

48 生理學課本都畫直接接地千萬別把人直接接地 ( 觸電危險!)

49 Driven right leg i d υ 3 + R a R a + υ 4 R f υ cm RL R RL Auxiliary op amp + R o 可預防大電流流經人體產生傷害

50 ECG 電路終於初步完成 IA HPF LPF S/H DRL ADC µp PC 不是只在畫格子, 請瞭解每個方塊的意義

51 臨床儀器還有更多 Isolation amplifier Lead-fail detection Baseline restoration Auto-calibration

52 這樣只完成單通道 ECG 電耦極 (Electric dipole) 是有方向的 2 個不同方向的 channel 可算出平面上的方向不同平面的 Multi-channel ECG 可算出立體方向的 ECG vector 3+3 標準肢導 (limb leads) Einthoven s triangle 6 標準胸導 (chest leads)

53 Einthoven s triangle: frontal plane Leads I, II, III, avr, avl, avf

54 6 Chest leads: transverse plane V1 ~ V6 (from right to left)

55 標準 12 通道心電圖

56 量測到心電圖之後呢? 輪訊號處理上場紀錄 :analog-to-digital conversion 濾波或平均頻譜分析甚至可以經由無線裝置傳輸, 進行無線監控遠距醫療 (biotelemetry) 下次再教

57 結論 : 生理放大器的需求生理放大器須能增進 SNR 生理信號通常非常微弱高輸入阻抗以量取微弱信號低輸出阻抗以驅動 recording device 提供保護隔離接地

58 結論 : 生理放大器的需求 ( 續 ) 通常定義特定頻寬且在此頻帶時, 須具有 >1000 之 high gain 高 CMRR 生理放大器常為差動放大器校正快速每天 ( 甚至每次 ) 都須校正, 以確保精確

59 Reference chapters: Chapter 3: Amplifiers and signal processing and Chapter 6: Biopotential amplifiers, Medical Instrumentation: Application and Design, John G. Webster. 生醫工程導論 : 生醫電路放大器

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