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第四章

第四章. 生醫儀表. 內容. 4.1 前言 4.2 換能器與電極 4.3 放大濾波電路 4.4 類比與數位轉換 4.5 生醫訊號測量 4.6 用電安全 4.7 結語. 前言. 醫療測量儀表的功能，在生物醫學基礎與應用領域中，佔有非常關鍵的地位，這可以從醫師看診流程 ( 如圖 4.1) ，窺見醫療測量儀表之重要性。 從這個醫療流程看來，在資料蒐集與治療過程都非常仰賴生醫儀表 (bioinstrumentation) 。.

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Presentation Transcript

  1. 第四章 生醫儀表

  2. 內容 • 4.1 前言 • 4.2 換能器與電極 • 4.3 放大濾波電路 • 4.4 類比與數位轉換 • 4.5 生醫訊號測量 • 4.6 用電安全 • 4.7 結語

  3. 前言 • 醫療測量儀表的功能，在生物醫學基礎與應用領域中，佔有非常關鍵的地位，這可以從醫師看診流程 (如圖4.1)，窺見醫療測量儀表之重要性。 • 從這個醫療流程看來，在資料蒐集與治療過程都非常仰賴生醫儀表 (bioinstrumentation)。

  4. 目前生醫儀表一般根據如下所述幾種分類方法而加以分類：第一是依生醫儀表所測得訊號，例如壓力、流量或溫度來分類；第二是依照生醫儀表所使用的測量原理加以分類，例如應用都卜勒 (Doppler) 原理測量流速。

  5. 第三是依據醫院使用科別做分類，例如心臟科相關儀表等。不過另外也有人將生醫儀表依其在臨床之應用，簡單分為三類，就是診斷儀表 (diagnostic instrumentation)、治療儀表 (therapeutic instrumentation) 和輔助儀表 (assistive instrumentation)。

  6. 本章是從生醫儀表組成的主要部分著手，如換能器 (transducer) 與電極 (electrode)、放大濾波電路、類比與數位轉換等基本單元加以概要說明；然後就常見之生醫儀表，如血壓 (blood pressure)、血流 (blood flow)、心電圖 (electrocardiogram, ECG)、肌電圖 (electromyogram, EMG)、腦波圖 (electroencephalogram, EEG)、血氧濃度、生醫阻抗 (bioimpedance) 及體溫等測量儀表加以說明其原理，最後說明儀表用電安全之原理與應用。

  7. 開始 資料搜料 資料分析 決策訂定 治療規劃 症狀消除? 否 是 結束 圖4-1 醫師看診流程圖

  8. 換能器與電極 • 換能器從字面可以得知，就是具有將某一種形式的能量轉換成另一種形式的能量之元件或裝置，隨著能量之不同，換能器又可以分為感測器與制動器 (actuator)。感測器是指能夠將其他形式的能量轉換成電能形式的元件，而制動器則是可以將電能轉換成其他形式能量的元件。

  9. 感測器的分類方法有很多種，以感測原理來區分，感測器大致可以分為電阻式 (resistive)、電容式 (capacitive)、電感式 (inductive)、光學式 (optical)、化學式 (chemical)、光電式 (optical-electrical) 等感測元件。

  10. 換能器分類隨著使用元件所調變的能量關係，亦可以分為主動式換能器 (active transducers)、被動式 (passive transducers) 和串級式換能器 (tandem transducers) 三類。

  11. 動靜態特性 • 一般換能器的特性依其隨時間的變化關係而分為靜態特性與動態特性。 • 靜態特性主要包含靈敏度 (sensitivity)、動態範圍 (dynamic range)、精密度 (precision)、解析度 (resolution)、準確度 (accuracy)、線性度 (linearity)、遲滯特性 (hysteresis) 等。動態特性則包含輸入輸出轉移函數 (transfer function)、時間響應 (time response) 等。

  12. 電極 • 一般依其用途可以分為刺激電極 (stimulating electrode) 和記錄電極 (recording electrode)；依其大小形狀則可分為表面電極 (surface electrode)、穿刺電極 (transcutaneous electrode) 和微電極 (microelectrode) 等。 • 常見用來製作電極的材料有兩種，一種為金屬材料，另一種為化合物材料。

  13. 放大濾波電路 • 人體各種待測參數經感測器或換能器元件加以擷取並轉換成電訊號後，就會使用放大濾波電路，進行類比或數位訊號處理，包括濾波、放大、整形等。 • 一般儀表基本方塊圖通常如圖4.2所示。

  14. 感測器/ 換能器 放大電路/ 濾波電路 取樣電路 數位信號處理器/ 微處理器 數位輸出 界面 圖4-2 儀表基本方塊圖

  15. 放大電路 • 訊號放大電路通常包含前端電路與放大電路，其中前端電路主要是用以接收輸入感測器或換能器元件所傳來的訊號。 • 訊號放大則由放大電路來實現。

  16. 1.運算放大器基本原理 • 1960年美國Fairchild公司的研發人員Robert J. Widlar首先發展出第一個運算放大器雛型，到1968年Fairchild公司則發表uA741元件，因廣為使用成為工業標準。

  17. 不同的電路設計與應用需求，會選擇不同架構的元件，如在低耗能的電路設計時，CMOS架構的運算放大器是較好的選擇；若要驅動外部較大電容的電路時，使用BJT架構則是較佳的選擇。不論採用何種架構，運算放大器皆離不開其主要的基本結構，一般運算放大器多採用電壓控制電壓源(voltage-control-voltage-source，簡稱VCVS) 主要模式。

  18. 一般而言，運算放大器是由兩輸入端、一輸出端及兩個電源供應端所組成，表示符號如圖 4.3(a) 所示。 • 圖4.3(b) 顯示運算放大器的簡化後電路符號。

  19. 圖4-3 運算放大器接腳圖

  20. (b) (a) 圖4-4 (a)實際運算放大器模型和(b)理想運算放大器模型

  21. 圖4.4顯示實際運算放大器的等效電路模型。 • 進一步可簡化成理想運算放大器模型如圖4.4(b) 所示。

  22. 2.主要參數 表4-1 理想與實際運算放大器之特性比較

  23. 迴轉率 (slew rate，簡稱SR) 是說明運算放大器之反應速率，主要影響因素是元件內部電容與工作電流間之關係；迴轉率的定義為輸出端單位時間最大的電壓上升率，亦即 ，uA741此值為0.5 V/μs。

  24. 共模拒斥比(common-mode rejection ratio，簡稱CMRR)，此參數用於表示放大電路在兩輸入端同時出現共模信號時，能袪除共模信號的能力，此共模信號經常為耦合至兩輸入端的雜訊。在此先說明共模輸入(Common-mode input ，Vcm)，差模輸入(Difference-mode input，Vdm)，共模增益(Acm)及差模增益(Adm) 。

  25. 4-1 4-2 4-3 4-4

  26. 3.運算放大器應用電路 • 比較器：利用運算放大器在開迴路增益接近無窮大的特性，當Vp及 Vn輸入電壓時，其輸出電壓Vo為 (4-5)式：

  27. 圖4-5 共模及差模輸入

  28. 4-5 • 當Vp>Vn時，其輸出電壓將會趨近正飽和電壓，反之當Vp<Vn時，其輸出電壓將會趨近負飽和電壓，此正負飽和電壓(+VSAT與-VSAT)與工作電壓間有一接面電壓降(Vdrop)的電壓差。

  29. 4-7 • 非反相放大電路：非反相放大器顧名思義其訊號輸入端為非反相端。 • 非反相放大器電路如圖4-6所示，應用虛擬短路定理，Vf電壓等於Vin，則可得流經R1的電流(I1)如4-7式：

  30. 圖4-6 非反相放大器

  31. 4-8 • 依據克希荷夫電流定律(Kirchhoff’s current law，簡稱KCL)和In=0，可得到流經R1的電流等於流經RF的電流，即II= IF，所以輸出電壓如4-8式：

  32. 4-9 • 由上式可得非反相放大電路的閉迴路電壓增益為：

  33. 4-10 • 電壓隨耦器：電壓隨耦器是非反相放大電路的特例，使非反相放大電路R1趨近無限大，也就是開路，且RF為0，可得此電路的電壓增益為1，如 (4-10)式所示： • 其輸出電壓隨著輸入電壓變化而變化，故稱之為電壓隨耦器，且具有高輸入阻抗及低輸出阻抗的介面特性。

  34. 4-11 • 反相放大電路：反相放大電路中訊號是由反相端輸入如圖4.7，應用虛擬短路定理，因其有一輸入端接地，可得Vf電壓等於0，所以流經R1的電流 (I1 ) 如 (4-11)式：

  35. 圖4-7 反相放大器

  36. 4-12 • 根據KCL及理想運算放大器In=0，故流經R1的電流等於流經RF的電流，即II= IF，所以輸出電壓如式(4-12)：

  37. 4-13 • 由上式可得反相放大電路的電壓增益如 (4-13)式： • 由於RF緣故，依據密勒效應 (Miller effect)，反相放大電路的輸出入阻抗將會降低，而輸出阻抗將會提高。

  38. 加法器電路：圖4.8為一加法器電路，有多個輸入電壓，使用重疊定理加以分析，分別考量各輸入端對輸出電壓的貢獻，最後再加以總和。加法器電路：圖4.8為一加法器電路，有多個輸入電壓，使用重疊定理加以分析，分別考量各輸入端對輸出電壓的貢獻，最後再加以總和。

  39. 圖4-8 加法器

  40. 4-16 • 和所有的輸出電壓，可得其總輸出電壓如 (4-16)式：

  41. 減法器電路：減法器又名差動放大電路，係結合非反相及反相放大器電路而成，如圖4.9。減法器電路：減法器又名差動放大電路，係結合非反相及反相放大器電路而成，如圖4.9。

  42. 圖4-9 減法器

  43. 4-23 • 故可得到兩輸入端之電壓差(V1-V2)被放大RF /R 時，即為最後輸出的電壓。

  44. 儀表放大電路一般可由一顆、兩顆或三顆運算放大器連接而成，由於通用型運算放大器價格便宜，通常是使用三個運算放大器所組合而成電路，如圖4.10。儀表放大電路一般可由一顆、兩顆或三顆運算放大器連接而成，由於通用型運算放大器價格便宜，通常是使用三個運算放大器所組合而成電路，如圖4.10。

  45. 圖4-10 儀表放大電路

  46. 4-30 • 分析儀表放大電路時，首先應用虛擬短路的特性，分別得到A1及A2兩運算放大器Vn端的電壓為V1及 V2，並求得流經電阻RG的電流為：

  47. 4-24 • 接著使用KCL與理想放大器的特性，求得A1及A2兩輸出端Vo1及V o2間的電壓差如(4-24)式:

  48. 4-25 • 再應用 (4-21)式差動放大器的輸出入關係，得到A3的輸出端 (V0)，如 (4-25)式：

  49. 4-26 • 然後將 (4-23)式代入 (4-25)式得 (4-26)式： • 最後從 (4-26)式可知，兩輸入端的電壓差乘上增益項便能得到輸出電壓 。

  50. 儀表放大電路具高輸入阻抗及高CMRR值等特性，因此廣泛的應用在生醫儀表方面，目前市面上已有不少針對生理訊號量測所開發的儀表放大器如AD624、LTC2053、INA321及MAX4194等，可以善加利用於各種生理參數測量。儀表放大電路具高輸入阻抗及高CMRR值等特性，因此廣泛的應用在生醫儀表方面，目前市面上已有不少針對生理訊號量測所開發的儀表放大器如AD624、LTC2053、INA321及MAX4194等，可以善加利用於各種生理參數測量。

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