行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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可 攜 式 胃 電 儀 及 其 臨 床 應 用 (II)
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The portable EGG recorder and the clinical application (II)※
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計畫類別：☉個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2320－B－002－146－M08
執行期間：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
計畫主持人：謝銘鈞
共同主持人：趙福杉
執行單位：臺大醫學工程學研究所
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
可攜式胃電儀及其臨床應用(II)
The por table EGG r ecor der and the clinical application (II)
計畫編號：NSC 89-2320-B-002-146-M08
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：謝銘鈞
臺大醫學工程學研究所
共同主持人：趙福杉
臺大醫學工程學研究所
計畫參與人員：研究生 張津愷
臺大電機工程學研究所
研究生 屈國強
臺大醫學工程學研究所
一、中文摘要 由腹部非侵入式的記錄胃肌電信號， 通常被稱作 EGG 信號。我們針對 EEG 記 錄中 1 cpm 低頻成分，以動物實驗來探 討。證明這個 1 cpm 低頻成分在經皮胃電 的紀錄中，應該可將之去除或忽略。在可 攜式系統的改進方面，開發了耗電流僅為 165 ìA 的擷取電路，配合隨身聽等音頻記 錄器，可以達成攜帶記錄的需求。 關鍵詞：胃電、資料擷取、省電設計、濾 波器 Abstr actMyoelectrical activities of the stomach that is recorded noninvasively from electrodes on the abdomen are usually termed electrogastrogram (EGG). We studied the low frequency component about 1 cpm from the rabbit serosa. The component should be removed or ignored in our conclusion. In addition, we created a low power, only 165
結腸之電氣活動所干擾，因此在量測時需 要高倍率的增益及適當的雜訊排除。隨著 半導體技術的進步，使得所量測的胃電信 號其信號雜訊比顯著提昇，再加上 EGG 為 正常生理狀態下且非侵入式的量測方式， 因此 EGG 所提供的診斷資訊已逐漸受到 重視。而現有的胃電圖機價格昂貴，所記 錄的胃電氣活動之信號雜訊比不佳，且最 重要的是記錄時間太過於短暫。此外，若 能在病患腸胃失調發生時，量測到胃電氣 活動，最具有診斷價值，若能進行長時間 胃電信號的記錄，對病患病情的研判十分 重要，因此我們著手進行長時間可攜式胃 電儀的設計。 為了進行胃電電位的記錄，我們在計 畫的第一年裡，已經完成新型胃電圖機的 開發。但在大多數我們所記錄的胃電信號 裡，在略小於 1 cpm 顯然存在一支配的頻 率(如圖 1 所示)，然而沒有文獻說明此支 配的頻率和胃蠕動或胃電氣之相關性，因 此有必要藉由實驗來得到證明。因此我們 藉由記錄並分析兔子胃漿膜之電氣信號， 作為排除此頻率成分的依據，同時對於記 錄系統的軟硬體進行改良，使其達成可攜
列通訊埠傳入 PC，由於是低雜訊、低功率 以及電氣隔離的設計，因此可採用電池供 電達成可攜帶之目標，並將此部分置於金 屬機殼中以減低外部的干擾。 電極採用 0.01 in 的白金電極，以兔子 左 下 腹 皮 下 為 參 考 電 位 ， 記 錄 胃 體 部 ( Corpus )漿膜的電位。前級使用高輸入阻 抗、偏壓電流小的儀表放大器(LM363)，並 使用隔離線配合主動式屏蔽驅動電路，以 防止電磁場雜訊的干擾及減少導線電容的 影響。次級是二階可切換 Butterworth 低通 及高通濾波器，濾除直流抵補電壓和較高 頻的雜訊(如 EKG 及 EMG 等)，其後為調 整抵補電壓放大器，將信號放大 30 倍以符 合 A/D 的 位 準 ， 在 轉 換 成 數 位 資 料 後 pic16c74A 以標準 RS-232 介面(圖 3)使用非 同步傳輸方式將之傳至 PC，並以視窗介面 顯示及儲存此資料。 2. 可攜式胃電記錄器 圖 4 是針對省電需求所重新設計的可 攜式胃電記錄系統方塊圖。由電極將信號 取入後，經放大器單元將信號放大濾波 後 ， 再 由 電 壓 頻 率 轉 換 電 路 將 信 號 以 FM(頻率調變)方式輸出，使屬於極低頻的 胃電信號，可以使用音頻將信號儲存於音 頻錄音設備。 放大器的設備，是以低耗電高精密度 的 AD490 之 4 組 OP 來組合成差動放大器 以及濾波及放大電路(圖 5)。而 V→F 的信 號調變則是使用極為省電的 LMC555 來達 成(圖 6)。 四、結果 將 2.5 Kg 雄性兔子以 Ketamine (100 mg/ml )及 Combelen 各 1 ml 混和液行肌肉 注射麻醉。切開兔子上腹部皮膚及肌肉， 將白金電極置於左下腹皮下及胃體漿膜， 將左下腹皮下作為參考電位，以 100 Hz 取 樣記錄漿膜電位，去除前五分鐘的尚未達 到穩態的資料，穩定後的其中兩分鐘 EGG 波形及頻譜如圖 7 所示，兔子漿膜具有和 人類胃電相類似的頻譜，但卻無較低頻 1 cpm 的主要頻率出現。 如圖 8 藍線所示，我們由實驗得到了 經 FM 調變的頻率和電壓的關係曲線，而 紅線為回歸所得的結果，配合我們由 Lab-view 所撰寫的解調變程式，把記錄由錄音 設備經由音效卡讀入電腦，解調後得到圖 9 中藍線的記錄。由於圖 6 及圖 7 電路所消 耗的電流分別為 4.19 ìA 及 123 ìA，相當 小，而且由圖 9 的結果可得知失真程度可 以忽略，因此我們的設計符合可攜式記錄 的需求。 五、討論 由於胃電信號非侵入式量測特性，較 符合正常生理狀態，同時能減少病患檢測 上的不舒適感與排斥心態，近十年來有不 少研究者以胃電信號進行胃功能性障礙的 研究。至目前為止，由人體及動物實驗的 記錄，我們決定了記錄系統的規格，並完 成了記錄所需的軟硬體設備，同時也開發 了可攜式的胃電記錄器。 實驗也驗證低頻 1 cpm 的頻率成分並 不出現在胃運動的電氣反應中。由數據中 可知兔子的漿膜電位的主要頻率成分約為 2.5 cpm，在所記錄的兔子胃漿膜電位頻譜 及波形資料中，可看到胃漿膜的電位和表 面經皮的胃電有很大的關聯性。文獻中藉 由外科手術植入電極與表皮胃電以電腦作 比對有 95 %的相關性，但因為該作者採用 的濾波範圍遠比其他的研究窄故沒有較低 頻頻率的出現。由我們的實驗裡，由於漿 膜電位的量測有較好的信雜比，因此，認 為此低頻 1 cpm 的頻率和胃的電氣活動無 關，此頻率成分可能來自於腹腔內的非周 期性的機械活動，或是來自胃電信號記錄 裡，偶然出現的棘波信號所引起。在我們 記錄的表皮胃電中，可將之去除或忽略。 由我們所完成的省電放大器及調變電 路，配合音頻錄音設備，使胃電信號能以 音頻形式記錄。由於新設計的電路非常的 省電，體積也相當的小，適合可攜式的要 求，又因為是將信號調變在音頻範圍，因 此配合隨身聽或數位錄音棒，可以達成攜 帶記錄的需求。
經由本計畫之執行目前已有了二篇研 討會論文，而結果也正著手整理中，預定 明年初將投稿至國外期刊。
六、參考文獻
1. J. D. George, “New clinical method for measuring the rate of gastric emptying; The double sampling test meal.” Gut., vol. 9, pp. 237-242, 1986.
2. R. C. Heading, et al., “The dependence of paracetamol absorption on the rate of gastric emptying,” Br J Pharmacol., vol. 47, pp. 415-421, 1973.
3. W.C. Alvarez, “New method of studying gastric peristalsis,” Am J. Physiol., vol. 201, pp. 287-291, 1922.
4. Y. -T. Shue and F. -S. Jaw, “Portable Device for the Transmission of Biomedical Signals,” Biomed. Eng. Appl. Basis Comm., in press.
5. M. L. Ahlstrom, W. J. Tompkins, “Automated High-speed Analysis of Holter tapes with micro computers,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 30, pp. 651-657, 1983
6. .T. Hausken, et al., “Antroduodenal motility studied by real-time
0 5 10 15 cpm dB 0 20 40 60 80 100 圖 1、正常人體表的 EGG 的頻譜。除了 3 cpm 外，存在一個約 1 cpm 的主要頻 率。 Band-pass Filter
A/D conver ter PC
E le ct ro d es x 30 USART x 10 圖 2、胃電儀的架構。其中 Band-pass filter 的濾波範圍，低通為 0.25、0.5、1、2 及 30 Hz；高通為 0.005、0.01、0.02 及 0.04 Hz，虛線內代表屏蔽的部 分。 78L05 V+ Vcc C2+ Vs RTS DTR 1N4148 0.22 ìF 0.1 ìF
Electrode AMP V->F Digital Recorder 圖 4、將電位信號轉換成頻率信號的可攜 式胃電記錄系統方塊圖。 R5121 kΩ C14.4 ìF R6121 kΩ C22.2 ìF R430 kΩ R33.4 kΩ R23.4 kΩ R130 kΩ R7100 kΩ C3100 ìF R8196 kΩ R94.99 kΩ 圖 5、低耗電放大及濾波電路。Gain =400、 截止頻率為 0.016 及 0.5 Hz、Is =41.9 ìA。 圖 6、電壓頻率的轉換介面。其中 RA= 600 kÙ 、RB= 20 kÙ 、C= 500 pF、 VS=2.5V、IS=123 ìA。 dB 20 0 6 12 18 24 cpm 0 40 -20 10 - 10 0 - 20 m V 0 50 100 Sec A B 圖 7、兔子胃漿膜電位之記錄。A.其波形， 在本實驗中設定在 0.01-0.5 Hz 之 間，可以抑制雜訊而不失真。B.其頻 譜分佈，主要之頻率接近 2.5 cpm。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 圖 8、藍線是由實驗所得的頻率和電壓的 關係曲線，紅線為回歸所得的轉移 曲線，關係式為 V=0.563+2.3e -0.0007f。 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 1 82 1 6 3 2 4 4 3 2 5 4 0 6 4 8 7 5 6 8 6 4 9 7 3 0 8 1 1 8 9 2 9 7 3
