Lock-in amplifier와 anderson loop를 이용한 임피던스 측정 시스템 개발

Abstract

[한글]본 연구는 Lock-in 증폭기와 Anderson Loop를 이용하여 임피던스를 측정하는 방법에 관한 것이다.

전기적 생체 임피던스 신호를 기반으로 하는 진찰 방법은 여러 생체 조직과 관련된 비침습적 진찰 방법들 사이에서 주목받는 방법이다. 임피던스 측정 방법은 체성분에 관련된 정보나 심장의 수축 운동, 호흡시의 폐의 운동에 관한 정보를 얻거나 부종등과 같은 조직의 이상변화를 측정하는데 유용하게 사용되어진다.

생체 임피던스 측정에는 Howland Current Source 와 Negative Impedance Converter 방법이 많이 사용되어진다. 하지만 이 방법은 Wheatstone Bridge 회로를 기반으로 한 방법으로 임피던스의 크기에 대한 감도가 낮고 커패시턴스 성분 즉 임피던스의 위상 측정이 어렵다는 한계점을 가지고 있다.

그래서 본 논문에서는 정확한 임피던스를 측정하기 위해서 Lock-in 증폭기와 Anderson Loop를 사용하는 법을 모색하였다.

임피던스 측정 장치는 아날로그 시스템에서 가지는 고유 오차를 제거하기 위하여 TI사의 DSP TMS320F2812와 Xilinx사의 CPLD를 사용하여 디지털로 시스템을 설계하였고, 측정된 임피던스 신호는 대역 필터, 곱셈, 저역필터를 이용하여 Lock-in 증폭기를 디지털로 구현하였으며 임피던스의 크기 및 위상의 연산도 DSP를 이용하여 실행하였다.

시스템 검증에는 적혈구 세포 모델과 구면 세포계 모델이 사용되었다. 적혈구 세포 모델은 인체에서 가장 큰 부분을 차지하는 적혈구의 수동소자 모델이며, 구면 세포계 모델은 인체 내 구면 세포들 사이간의 관계를 설명한 수동소자 모델이다. 개발된 시스템으로 각 모델들의 임피던스 데이터를 획득하여 Impedance Analyzer로 측정한 값과 비교 분석하였다. 1~5kHz의 대역에서 적혈구 세포 모델에서 임피던스의 크기의 오차율은 8% 위상차의 오차율은 0.4%였고 구면 세포계 모델에서는 9%, 0.7%였다. 임피던스 크기 측정시 오차의 원인은 시스템에 사용된 증폭기의 이득 오차와 레퍼런스 저항의 오차에 기인된 것으로 사료된다. 설계된 시스템을 기존의 시스템과 비교시 임피던스 크기 측정에서는 비슷한 결과를, 위상 측정시에는 크게 개선된 결과를 보였다.

본 연구를 통해 설계된 임피던스 측정 시스템은 디지털 신호처리 기법을 사용함으로서 임피던스 값을 쉽게 모니터링 할 수 있도록 구현하였다.

반면 설계된 시스템은 반복 측정이 되지 않기 때문에 실시간화가 어렵다. 향후 시스템의 최적화 설계를 통해 반복 측정 기능을 삽입하여, 실시간화를 가능케 하여 임피던스를 지속적으로 모니터링할 수 있을 것이다.

[영문]The purpose of this study were to measure amplitude and phase of impedance by lock-in amplifier and Anderson Loop.

The electrical bio-impedance based methods have obtained a recognized position among the other clinical methods of noninvasive diagnosis. The electrical bio-impedance methods are useful for medical diagnosis such as information about heart exercise, lung exercise and tissue metamorphosis.

Howland Current Source and Negative Impedance Converter are used widely for electrical bio-impedance based method but, these methods which are based on Wheatstone Bridge circuit have some critical points such as a low sensitivity and measuring phase.

In this study, the developed bio-impedance measuring system adopted lock-in amplifier and Anderson loop.

TI's DSP TMS320F2812 and Xilinx's CPLD used to make a digital system to remove inherent errors in an analog system. Lock-in amplifier is designed to digital system using band pass filter, low pass filter and multiplier. DSP is used to calculate amplitude and phase of impedance.

Experiments were done on the blood cell model and the equivalent model to represent the electrical properties of cell suspension by a developed system and a impedance analyzer. In the blood cell model, the amplitude and the phase of 1kHz ~ 5kHz frequencies in the developed system had 8% and 0.4% error. In the equivalent model to represent the electrical properties of cell suspension, the amplitude and the phase of 1kHz ~ 5kHz frequencies in the developed system had 9% and 0.7% error. The errors of amplitude are influenced by error of amplifier's gain and reference resistor. From the result above, the developed system is more effective than former system.

The bio-impedance measuring system of this study is possible to measure impedance of good quality using lock-in amplifier and Anderson loop. The system is also easy to monitor impedance by digital.

The proposed system of this study is controlled to measure a one time by a button, however if the system is improved to minimize and be quick at calculation, it can be possible to measure impedance under various status.