<What is ECG?>
- Heart Operating System
> ECG(Electrocardiography): 우리 몸 표면에 Electrodes를 붙여 측정한 심장의 전기적 신호, 부정맥과 같은 심장 관련된 질병들을 빠르고 정확하게 진단하는데 도움.
> 심장 작동의 원리: 심장의 근육은 99%의 수축성 세포(Contractile cells)와 1%의 자율박동세포(Autorhythmic cells)로 구성 (Autorhythmic cells: 신호를 generating 하는 cells로 중추신경계의 지배를 받지 않고 스스로 신호들을 만들어, 쉬지 않고 심장을 뛰게 함)
> 심장은 크게 2개의 심방과 2개의 심실로 구성되어 있으며 폐순환, 체순환을 통해 우리 몸의 곳곳에 산소와 피를 공급
->폐순환: 온몸을 돌고 온 더러운 피가 폐를 거쳐 다시 산소를 받게 되는 과정,
->체순환: 깨끗해진 피가 대동맥을 통해 다시 온몸으로 전달되는 과정.
> 좌심실은 온몸에 피를 보내주어야 하므로 우심실에 비해 근육이 더욱 크고 두껍고 판막에 의해 혈액은 심방에서 심실로의 정해진 방향으로만 흐르게 됨. (동맥은 심장에서 나가는 피, 정맥은 심장으로 들어오는 피)
> 체, 폐순환은 심근 수축과 이완에 의해 일어나며, 이는 SA node에서의 신호에 의해 조절됨. 우심방 내벽에 위치한 SA node에서 발생한 활동 전위는 두 개의 심방으로 퍼져나가며, ‘AV node’와 ‘히스 다발’, ‘푸르키니에 섬유’를 통해 두 심실로도 전달됨.
> 이때 활동 전위는 AV node에서 0.2초 정도 지연되면서 심방이 먼저 수축할 수 있게 되어 심실에 혈액이 채워지는 시간이 확보될 수 있게 됨.
- ECG Analysis
> ECG는 이러한 심장에서의 활동 전위를 측정한 값(Voltage), 이를 통해 심장활동의 상태를 분석할 수 있음
> Isoelectric line는 ECG를 측정하는데 기준이 되는 선을 말하며, 전기적 신호에 의한 탈분극(Depolarization)과 재분극(Repolarization)에 의해 각각의 peak값들 (P, Q, R, S, T)이 만들어짐
> P wave: SA node에서의 전기적 신호를 통해 심방의 탈분극이 나타나는 시점, 심방이 수축하기 시작
> QRS wave: 심실에서는 탈분극을 시작, 수축하게 되며, 심방에서는 재분극이 시작되어 이완되기 시작하는 단계
> T wave: 심실의 재분극에 의해 심실수축이 진행, 심방의 재분극이 다시 준비되는 단계
<ECG Measuring Circuit>
- Circuit Requirements
1. ECG signal은 굉장히 작은 mV단위의 전위이므로, 이를 처리, 분석하기 위해서는 증폭기가 필요.
2. ECG의 Bandwidth는 약 0.05Hz~100Hz0.05Hz~100Hz 사이로 이 주파수 대역 안에 대부분의 ECG 정보들이 담겨 있음. 따라서 나머지 주파수 영역의 noise 및 Power Supply Noise를 없애 필터들 또한 필요
★3. Electrode를 붙이는 피부의 PH, 땀/ 신체 내의 근육/ 혈액의 흐름 등: Electrodes 간에 임피던스 값을 변화시키며, 이는 증폭기의 두 입력단자 사이에 전위차를 만듦.. 즉, DC offset을 발생시킴 (DC offset: 일종의 DC 노이즈라고 생각하면 됨, 신호를 증폭할 때 최대치로 증폭되는 것을 방해)
-> DC offset을 고려하여 Voltage Swing 범위 안에 있는 들어올 수 있도록 적절한 gain값을 설정해주는 것이 매우 중요
(Voltage Swing이란, Amplifier가 갖는 실제 출력 범위를 의미, 실제로± VCC보다 작은 범위를 가지게 됨 <-소자적 한계: IC작동을 위해 안에 있는 트랜지스터들에도 전압이 인가되므로 Voltage Swing는 VCC보다 작은 범위를 가짐, 아래 예시)
- ECG Measuring Circuit
> 회로의 전체적인 개형. LM324N 트랜지스터 3개를 이용하여 만든 이 회로: mV단위의 신체 신호를 증폭시킨 뒤, 여러 종류의 필터들을 통해 각 주파수 부근의 노이즈들을 제거함으로써 우리가 원하는 ECG신호를 얻을 수 있음
> LM324N: ‘Amplifier’, ‘Differentiator’, ‘Integrator’, ‘Filter’로 쓰일 수 있는 IC.
-> Differentiator: 출력 함수가 입력 함수의 변화율에 비례하는 장치
-> Integrator: 출력 함수가 입력 함수의 적분 값에 비례하는 장치
> 오른쪽
->입력 오프셋 전압 (Input Offset Volgate): 입력 때문에 출력 쪽에 발생한 불필요한 전압 (회로 및 소자가 완벽히 대칭될 수 없음)
->입력 오프셋 전류 (Input Offset Current): 비반전 단자로 들어가는 입력 바이어스 전류에서 반전 단자로 들어가는 입력 바이어스 전류를 뺀 것. 출력 쪽의 오프셋 전압이 뜨는데 영향을 줌)
->입력 바이어스 전류 (Input Bias Current): 동작시키기 위해 전류를 미리 집어넣어 동작을 준비하는 동작/ 비반전 단자에 들어가는 바이어스 전류와 반전 단자에 들어가는 바이어스 전류를 더해서 2로 나누어 준 것 (두 개의 입력으로 평균적으로 얼마만큼 들어가는 가를 알려주는 지표)
(바이어스: 어떤 소자가 동작하기 위해 필요한 전압/ 미리 인가하는 전압)
1) Instrumental Amplifier
> 차동 증폭기를 응용한 증폭기 (회로의 오른쪽 부분이 실제로 차동 증폭기))
-> 생체신호 같은 경우 노이즈를 줄이는 것이 굉장히 중요 (정확한 진단을 위해선 더욱 정확한 신호를 얻는 것이 매우 중요하기 때문)
-> 따라서, 일반 OPAMP가 아닌 Common mode noise를 상쇄시킬 수 있는 차동 증폭기를 사용: 두 증폭기의 차를 통해 노이즈를 제거할 수 있기 때문 -> 높은 CMRR값을 가짐 (Common mode noise: 일단 Ground에 의한 Noise라고 이해하면 됨)
> 또한, 차동 증폭기는 입력 임피던스가 낮으며, Amplifier로 이용할 때 번거롭게 두 저항의 값을 바꾸어주어야 하는 한계점이 있는 데, Instrumental Amplifier은 입력 버퍼를 달아 낮은 입력 임피던스의 한계점을 보완하였으며 저항을 번거롭게 두 개씩 바꾸지 않고 하나의 저항 (그림상 R9)만 바꾸어도 Gain값을 조절할 수 있도록 하였음. (단, R10=R11=R12=R12,/ R7=R8)
> Why we choose gain about 101?
-> LM324N의 Data sheet을 통해 Voltage Swing의 정도가 3.5V인 것을 알 수 있으며, 측정과정에서의 DC offset과 Common mode noise, Input Offset 등을 고려할 때 출력되는 Voltage swing의 측정값의 정도는 약 32.5mV정도로 추정해볼 수 있음. 따라서 Maximum Gain은 약 111 정도임을 알 수 있으며, 추정 값이므로 조금 넉넉하게 gain을 101로 설정한 것.
2) High Pass Active Filter
> 액티브 필터란 (Active Filter)?: 패시브 필터(Passive Filter) (수동 소자들을 이용한 필터)와 OP-AMP를 결합하여 만든 필터
→ High input impedance & Low Output Impedance (장점)
→ Easy to adjust over a wide frequency range without having to modify the required response
-> Second order Butterworth High filter를 쓴 이유
★1. DC offset을 없애기 위해: High Pass Filter이므로 높은 주파수 영역의 범위만 남김. 즉, 0.05Hz 미만의 주파수 영역대의 신호는 필터링한다는 뜻인데 DC의 경우 주파수가 0Hz이므로 High Pass Filter을 통해 저주파 부근(특히 DC)의 신호 및 정보들을 제거해줄 수 있음
2. 다른 이차 필터들보다 기울기가 낮아 신호를 덜 왜곡시킴 (Trade off: Setting Time이 김-> Signal이 Properly 하게 보이려면 시간이 더 오래 걸림)
(아래 2차 필터 함수 첨부)
3) Positive Gain Block & Low Pass Filter
> Positive Gain Block: 단순히 신호를 증폭시켜주기 위한 것 (Non-Inverting Amplifier: 부호가 바뀌지 않음)
> Second order Butterworth Low filter
1. To fillter the frequency over 100Hz
2. 다른 이차 필터들보다 기울기가 낮아 신호를 덜 왜곡시킴 (Trade off: Setting Time이 김->Signal이 Properly 하게 보이려면 시간이 더 오래 걸림)
4) Notch Filter
> Second order Band-Reject filter
→To remove noise of specific frequency (60 Hz (or 50Hz) by Power Supply Noise)
->Q factor value가 클수록 60Hz에 더욱 가깝게 필터링이 가능
5) Band Pass Filter for QRS Detection
6) Absolute Value Circuit for QRS Detection
> Absolute Value Circuit
→To get a positive value signals by rectifying signals using Diode.
1) When Input Signal is Positive
2) When Input Signal is Negative
7) Low Pass Filter for Removing Noises
> Low Pass Filter (for 10Hz)
→ To remove the high frequency component of the wave generated by the QRS Band Pass filter and Absolute Value Block
→ To produce a usable waveform that will become a QRS detector
- Real Circuit Implementation
'논문 및 소자 리뷰' 카테고리의 다른 글
| E-Drugs (Electronic Drugs): Spatial and Temporal Medical Treatment of Human Disease (0) | 2022.01.11 |
|---|---|
| PPG (Photoplethysmography) (0) | 2021.08.20 |
| Voltage Regulator (전원 레귤레이터) (0) | 2021.07.21 |
| ECG (Electrocardiography) Measuring Circuit [Programming] (0) | 2021.07.10 |
| Bio-Adhesive & Conductive Hydrogel for Bioelectronics (2) | 2021.07.06 |
