行動醫師 - 可攜式低成本之生物阻抗監測系統投稿類別 : 工程技術類篇名 : 行動醫師 - 可攜式低成本之生物阻抗監測系統作者 : 吳怡潁市立北一女中高二良班張宇晴市立北一女中高二良班指導老師 : 陳正源老師 1

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1 投稿類別 : 工程技術類篇名 : 作者 : 吳怡潁市立北一女中高二良班張宇晴市立北一女中高二良班指導老師 : 陳正源老師 1

壹前言本研究的目的為量測生理電阻訊號, 它是一種非侵入式測量人類或動物的血流量或是體組成物的方法我們自行製作一台振盪器, 利用它來打一個高頻率的電壓進入人體,

我們不是直接測量生物體內的電壓, 而是輸入一個極小的電壓, 測量出生物體的電阻透過生物電阻, 我們可以了解生物體的組成, 不需要實際解剖才能得知, 在臨床上有廣泛的應用一

對他的非侵入式檢查方式產生了興趣, 決定以這個題目作為研究二研究目的由於關於電路的實驗器材太過昂貴, 所以我們決定自己動手做一台振盪器來取代函數產生器,

2 壹前言本研究的目的為量測生理電阻訊號, 它是一種非侵入式測量人類或動物的血流量或是體組成物的方法我們自行製作一台振盪器, 利用它來打一個高頻率的電壓進入人體, 通過人體電阻後, 會產生一個電壓信號, 利用放大器將人體內的微小電壓信號放大, 再將信號的最高點取出來, 進而還原出人體的真正電阻我們的實驗與一般的心電圖機的不同的是, 我們不是直接測量生物體內的電壓, 而是輸入一個極小的電壓, 測量出生物體的電阻透過生物電阻, 我們可以了解生物體的組成, 不需要實際解剖才能得知, 在臨床上有廣泛的應用一研究動機在醫院中, 常常看到病人為疾病所苦, 排隊等著抽血打針開刀, 有感於自己也身為人類, 希望能將醫療器材或是治療方法做的人性化一點, 於是上網時無意間搜尋到生物電阻, 對他的非侵入式檢查方式產生了興趣, 決定以這個題目作為研究二研究目的由於關於電路的實驗器材太過昂貴, 所以我們決定自己動手做一台振盪器來取代函數產生器, 利用隨手就能取得的電池電線, 以及一些小型電子元件, 組裝電路而產生正弦波整個研究都是利用自己組裝的電路測量, 所以測得波形會特別有成就感貳正文一研究設備及器材 ( 一 ) 放大器 ( 圖一 ) ( 圖二 ) 2

圖一是我們使用的放大器型號 LF353, 這種放大器便宜易購得, 在一般商場即可取得圖二是 LF353 的腳位圖, 其內包含兩個放大器 (

是信號輸出端我們腳位 4 輸入的電壓為 -15V, 腳位 8 輸入的電壓為 +15V ( 二 ) 電源供應器

如此便可獲得我們想要讓放大器正確運作的電壓 ( 圖三 ) ( 圖四 ) ( 三 ) 示波器示波器 ( 圖五 )

3 圖一是我們使用的放大器型號 LF353, 這種放大器便宜易購得, 在一般商場即可取得圖二是 LF353 的腳位圖, 其內包含兩個放大器 ( 一個三角形代表一個放大器 ), 腳位 4 連接電源負端, 腳位 8 連接電源正端, 腳位 2(6) 與 3(5) 是信號輸入端, 腳位 1(7) 是信號輸出端我們腳位 4 輸入的電壓為 -15V, 腳位 8 輸入的電壓為 +15V ( 二 ) 電源供應器我們所使用的方法是將其中兩台電源供應器 ( 圖三 ) 調到電壓 15 伏特, 其中一台正端接地, 另外一台負端接地 ( 如圖四所示 ), 如此便可獲得我們想要讓放大器正確運作的電壓 ( 圖三 ) ( 圖四 ) ( 三 ) 示波器示波器 ( 圖五 ) 是一種能夠顯示電壓信號動態波形的電子測量儀器能夠將時變的電壓信號, 轉換為時間域上的曲線, 原來不可見的電氣信號, 就此轉換為在二維平面上直觀可見光信號, 因此能夠分析電氣信號的時域性質 ( 圖五 ) ( 四 ) 麵包版 3

4 ( 五 ) 電阻 (10kΩ.100kΩ.400Ω.56Ω) ( 六 ) 可變電阻 (A50k) ( 七 ) 電容 (0.068μf) ( 八 ) 放大器 (LF353) 二研究過程與方法 ( 一 ) 量測目標的生理信號胸腔電阻 TEB (Thoracic Electrical Bioimpedance) ( 圖六 ) 人體的胸腔電阻包含了心跳, 呼吸以及血流的資訊, 若能把這些資訊利用簡單的電路讀取出來, 在診斷上能夠有一定的幫助 TEB 的量測方法如圖一所示, 我們透過四個電極注入高頻的電流進入人體 (HF Measurement Current), 這個測量電流會從脖子的部位流入, 而上腹部的部位流出透過另外四個鄰近的電極, 我們可以測得胸腔的電壓變化, 進而讀出 TEB 與心電圖的電壓訊號 (TEB & ECG Sensing) 由於歐姆定律 V=IR, 我們只要能確定注入多少電流量以及量到多少信號, 就能還原出電阻的信號 ( 二 ) 放大器操作原理介紹理想放大器具有三個特性 : 1. 輸入端的輸入阻抗極大, 像一個伏特計一樣, 也因此, 進入放大器輸入端的電流相當小 2. 輸出端有很低的輸出阻抗, 像一個理想的電池一樣, 能夠提供很大的電流給負載, 而不會有太多的電壓消耗 3. 放大倍率無限大 4

5 由以上三個特性, 衍生出下列三個常見的放大型態 : (1) 反向放大 I=Vin/R1 0 V=-(Vin/R1)R2 ( 圖七 ) 如圖七所示, 由於放大器的輸出端需要維持一個有限的電壓, 故按照 3. 的特性, 放大器輸入兩端的電壓差相當小相同, 故負端和接地的正端電壓皆為 0 又依照 1., 放大器的輸入端沒有電流流入, 通過 R1 的電流為 Vin/R1, 在流經 R2 後, 電壓變為 -(Vin/R1)R2 信號放大倍數為 R2/R1, 並且正負相反 R1 須小於 R2, 才能得到放大效果 (2) 正向放大 Vin V=(Vin/R1)R2+Vin I I=Vin/R1 ( 圖八 ) 如圖八所示, 由於放大器的輸出端需要維持一個有限的電壓, 故按照 3. 的特性, 放大器輸入兩端的電壓差相當小相同, 故負端和接地的正端電壓皆為 Vin 5

6 又依照 1., 放大器的輸入端沒有電流流入, 通過 R1 的電流為 Vin/R1, 可推得輸出端電壓為 (Vin/R1)R2+Vin 信號放大倍數為 (R1+R2)/R1 上圖右方是這個電路比較直覺的理解方式 (3) 電壓隨耦器 V out Vin Vin=V out Vu ( 圖九 ) 如圖九所示, 由於放大器的輸出端需要維持一個有限的電壓, 故按照 3. 的特性, 放大器輸入兩端的電壓差相當小相同, 故負端和接地的正端電壓皆為 Vin, Vout=Vin 這種放大方式的用途是使電路本身不受到負載的影響 ( 三 ) 量測電路介紹 1. 放大電路人振盪器 ( 圖十 ) 圖十是我們實驗的電路簡圖, 而圖十是實際量測的照片首先, 以振盪器做 6

7 為電源供應, 將高頻低電流的正弦波輸入人體內, 接下來把測量到的電壓放大, 最後再將數據經過分析處理後得到人體隨時間改變的電阻以下我們會詳細介紹振盪器和放大器的原理 ( 圖十一 ) 2. 振盪器放大器反饋電路 ( 圖十二 ) 振盪器是用來產生週期性信號的電子電路, 主要可以分成諧波 ( 正弦波 ) 振盪器 (harmonic oscillator) 和弛張振盪器 (relaxation oscillator) 我們做的是用來產生正弦波的諧波振盪器, 它能在沒有外加信號的情況下, 依靠電路振盪而產生正弦波電壓的電路諧波振盪器的原理是把一個窄頻帶通濾波器的輸出接到放大器的輸入端, 再把放大器的輸出通過反饋電路接到濾波器的輸入端, 如圖十二所示當放大器電源開始供應的瞬間, 放大器輸出端 (VA) 只會出現雜訊, 這些雜訊傳到窄頻濾波器, 使雜訊中特定頻率被濾波出來出現在濾波器的輸出端因為濾波器的輸出端接到放大器的輸入端 (VB), 所以濾波後的信號經由放大器放大, 在進入濾波器濾波, 就這樣一直反覆, 一直到輸出訊號正好是我們想要的為止 7

( 圖十三 ) 在圖十三中, 兩個電阻與電容形成的帶通濾波器, 是為了讓某段頻率能夠通過, 而讓其他頻率不通過這個濾波器的行為, 把輸入頻率做橫軸, 電壓做縱軸可寫成一個轉移函數, 他的示意圖如圖十四所示只有特定頻率的波能夠通過, 這個頻率剛好是 1/RC 圖十三放大器輸入的負端有兩個電阻 R1 與 R2, 是用來設定振盪的邊界放大器的輸出端會經過兩個不同的路徑回授到輸入端,

8 ( 圖十三 ) 在圖十三中, 兩個電阻與電容形成的帶通濾波器, 是為了讓某段頻率能夠通過, 而讓其他頻率不通過這個濾波器的行為, 把輸入頻率做橫軸, 電壓做縱軸可寫成一個轉移函數, 他的示意圖如圖十四所示只有特定頻率的波能夠通過, 這個頻率剛好是 1/RC 圖十三放大器輸入的負端有兩個電阻 R1 與 R2, 是用來設定振盪的邊界放大器的輸出端會經過兩個不同的路徑回授到輸入端, 一條是通過帶通濾波器, 一條是通過 R1 和 R2 的分壓若信號通過帶通濾波器後, 比 R1 與 R2 的分壓還大, 那放大器就會形成正回授振盪, 反之則不會振盪表一是我們實驗過後選取的電路元件值 V out 1/RC ω ( 圖十四 ) Wien-Bridge Oscillator 振盪頻率電容值電阻值負迴路電阻的比值 Specification 50kHz 0.068uF 56Ω R1:10kΩ R2: 15.6kΩ ( 圖十五 ) 8

我們照著圖十三接出振盪器, 即為圖十六, 放大器的腳位 6 接地, 腳位 5 與 7 連接到一個模擬人體的電阻, 而人體電阻約為 400Ω 人體所能承受的電流值為 1mA, 我們所做出的振盪器輸出電壓為 10V, 所以我們必須用一個 10kΩ 的電阻連接振盪器的腳位 1 和放大器的腳位 5 0.4V 1/50k 10V 10V 振盪器 0V 0V 10kΩ 人 0.

9 我們照著圖十三接出振盪器, 即為圖十六, 放大器的腳位 6 接地, 腳位 5 與 7 連接到一個模擬人體的電阻, 而人體電阻約為 400Ω 人體所能承受的電流值為 1mA, 我們所做出的振盪器輸出電壓為 10V, 所以我們必須用一個 10kΩ 的電阻連接振盪器的腳位 1 和放大器的腳位 5 0.4V 1/50k 10V 10V 振盪器 0V 0V 10kΩ 人 0.4V 0V 1/50k ( 圖十六 ) 信號輸入端信號輸出端信號輸入端信號輸出端 ( 圖十七 ) 由於人體信號很小, 因此我們將測得的人體信號接上一個放大電路將信號放大, 以便於觀察為了方便運算, 我們將其中一個放大器的輸入端接地 ; 另一端則接上電壓 Vin 由圖十七可見,R2 消耗了電位差 Vin, 電流為 Vin/10 故 R1 消耗了電位差 10Vin,VA=11Vin;R2 消耗了電位差 10Vin,VB=-10Vin 原本輸入端的電位差是 Vin, 輸出後電位差變成了 21Vin, 放大了 21 倍 3. 濾波器 9

我們所量測到的信號是由 TEB 和 ECG 疊合而成, 因此我們必須製作一個高通濾波器濾除低頻的 ECG 訊號, 讓高頻的 TEB 訊號通過這個部份的電路組裝我們尚未完成因為 Vout = ( 圖十八 ) R R+ 1 Vin, 頻率越高,Vout 就越接近 Vin; 反之, 頻率越低,Vout jωc 就越趨近於 0 如此一來,

10 我們所量測到的信號是由 TEB 和 ECG 疊合而成, 因此我們必須製作一個高通濾波器濾除低頻的 ECG 訊號, 讓高頻的 TEB 訊號通過這個部份的電路組裝我們尚未完成因為 Vout = ( 圖十八 ) R R+ 1 Vin, 頻率越高,Vout 就越接近 Vin; 反之, 頻率越低,Vout jωc 就越趨近於 0 如此一來, 頻率高者可以通過電容而被保留, 頻率低者則會被濾除電容阻抗值 Z = 1 jωc, 而 ω = 2πƒ= 1 RC TEB 的頻率約為 50KHz,ω 300K;ECG 的頻率約為 0.5~100Hz,ω 0~600, 所以 1 RC =1000, 則 RC= RC 須介於 600~300K 之間於是我們取參結論一 ( 圖十九 ) 10

11 這是我們將自製振盪器接到以 400Ω 的模擬人體電阻, 所產生出來的信號加以放大所得到的圖形理想的振盪器所產生的信號為正弦波 ( 如圖十九所示 ), 然而受限於放大器品質影響, 波形可能因而變形振盪器所產生的信號峰對峰值為 10V, 通過 10kΩ 的電阻, 變成人體所能承受的最大電流 1mA, 經過 400Ω 的模擬電阻, 電壓值為 0.4V, 最後透過我們所設計的放大電路得到 8.5V( 約為 21 倍 ) 二實驗過程中遇到了不少問題, 其中包括振盪器無法穩定的提供一個正弦波, 如果量測不到波形, 總是要從頭開始檢查起, 每一次的錯誤都要花費不少力氣來解決但我們知道我們要做這個實驗的目的是為了讓病人減輕痛苦, 以及減少在金錢以及時間上的浪費, 所以仍然會努力地研究之後我們會將測量到的波形的峰值取出, 進而還原人體的真正電阻這個實驗已經能應用在量測人類血流量上, 不但實用而且快速透過測量出的生物電阻, 我們可以分析出體內成分的組成, 譬如將數據輸入電腦的預設公式, 可以找出淨體組織以及脂肪組織的比例, 檢測出之體脂指數是否有異常, 預防疾病的發生而它的非侵入測量方式以及人性化的考量, 是此實驗品的最大優勢肆引註資料一 C.C. Enz, G.C. Temes (1996) Circuit techniques for reducing the effects of op-amp imperfections: autozeroing, correlated double sampling, and chopper stabilization 二 R. Poujois J. Borel(1978) A low drift fully integrated MOSFET operational amplifier 三 Behzad Razavi(2001) Design of Analog CMOS Integrated Circuits United States: McGraw-Hill Higher Education 四 B. Razavi, B.A.Wooley(1992) Design techniques for high-speed, high-resolution comparators 五 B. Bo Sramek(1989) HEMO SAPIENS' Thoracic Electrical Bioimpedance (TEB) Technology sometimes called the Impedance Cardiography (ICG), 取自 11

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行動醫師 - 可攜式低成本之生物阻抗監測系統 投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 行動醫師 - 可攜式低成本之生物阻抗監測系統 作者 : 吳怡潁 市立北一女中 高二良班 張宇晴 市立北一女中 高二良班 指導老師 : 陳正源老師 1

行動醫師 - 可攜式低成本之生物阻抗監測系統投稿類別 : 工程技術類篇名 : 行動醫師 - 可攜式低成本之生物阻抗監測系統作者 : 吳怡潁市立北一女中高二良班張宇晴市立北一女中高二良班指導老師 : 陳正源老師 1