可攜式多頻道胃電儀及其臨床應用

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

可攜式多頻道胃電儀及其臨床應用

計畫編號：NSC88-2314-B002-245-M08

執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日

主持人：謝銘鈞

Myoelectrical activities of the stomach

that is recorded noninvasively from

electrodes on the abdomen are usually termed EGG. We designed a preamplifier, a fifth-order low-pass filter with a gain of 20, and a variable-gain amplifier. The EGG signals were digitized by a 8-bit A/D coverter and then analyzed in the frequency domain. This system is helpful for EGG recording.

Keywords: EGG, micro-controller, data acquisition, filter 二、前言 體表皮胃電圖( EGG )之信號很微弱， 其電位約在幾十微伏左右，很容易受到心 臟電氣活動、呼吸運動、十二指腸及橫行 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 電圖儀的設計。 為了進行胃電電位的記錄，並希望完成 計畫所需之可攜式胃電記錄儀，我們針對 胃電信號的需求設計了一組包含放大器、 濾波器的記錄器，此儀器以內建 A/D 之單 晶片微電腦為平台，透過串列傳輸介面 ( RS-232 )，與電腦連結，待資料傳入 PC 後再以 LabVIEW 撰寫的擷取軟體進行信 號之分析。 三、方法 圖 1 是胃電儀的方塊圖，將胃電信號 放大濾波以及準位調整後，由 pic16c74A 單晶片微電腦進行類比至數位（A/D）之轉 換，並將資料經由串列通訊埠傳入 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。 電極採用市售之非極化(Ag-AgCl)表面 電極電極配置表示於圖 2，前級目前使用高 輸入阻抗，偏壓電流極小的 LM363 儀表放 大器，以積分器負回授的方式去除 DC 及 低頻雜訊，並使用隔離線防止電磁場雜訊 的干擾，而隔離導線的導線電容，對高頻 的雜訊有較大的阻抗，因此同時能濾除高 頻的雜訊。次級是增益 20、截止頻率 0.8 Hz 的五階 Butterworth 低通濾波器，濾除高頻 的雜訊如 EKG，EMG，後級再加上可調整 增益及電壓位準的放大器，將所需要的信

2 號放大到 A/D 轉換器的位準，並以包含 8 位元的 A/D 介面之 PIC16C74A 為控制晶片 轉成數位信號，經由 RS-232 傳輸及儲存於 電腦中提供後續的分析。 四、結果 圖三是我們所設計的前級放大器，除 了儀表放大器 LM363 本身所具有的高輸入 阻抗、高共模互斥比(CMRR)以及十倍的增 益外，以積分器回授的方式有效抑制普遍 存在生物信號的 DC 偏壓，並使後級能夠 不使用電容偶合的方式進行信號的放大， 除了可避免信號失真外，對信號達到飽和 後需要相當長時間才能恢復到工作點附近 的(falling or rising time)問題也能加以改

善，這對信號極低頻(時間常數τ極大)的記 錄影響很大。濾波器(圖四)是由一組三階低 通濾波器及一組二階增益為 20 所組合成的 Butterworth 低通濾波器，由於頻率響應平 坦的 Butterworth 濾波器會使相位延遲的的 缺陷，未保持信號波形的正確，因此對 0.05 Hz(3 cpm)的信號必須用十倍 0.5 Hz 做為截 止頻率，而考慮普遍接受正常胃電包含 2-5 cpm 因此設計為 0.8 Hz 的截止頻率。 由於我們之前並不清楚胃電的實際大 小，而且胃電會受脂肪及位的位置甚至電 極位置的影響，因此我們設計了可調整倍 率的放大器(圖五)，對信號放大 800、1600、 3200 及 6400 倍，電路的主體是以減法器為 主，由於初期以及進一步的設計，所採用 的 A/D 轉換器為 unipolar 的設計，因此電 路中同時作放大及準位調整的處理，而非 反向放大電路的設計，所提供的高輸入阻 抗輸入也避免此級放大倍率改變時，影響 前一級造成濾波的截止頻率飄移。 為了正確了解胃電的型態，初期的記錄 所使用的濾波範圍使用 0.008 Hz - 0.8 Hz (0.48-48 cpm)略大於目前普遍採用的 0.02 Hz – 0.3Hz(1.2-18 cpm)，圖六是初步記錄胃 電頻譜的一個例子：在略小於 1 cpm 顯然 存在一主控的頻率，在圖七的波形記錄裡 可以看到 B 的波形和使用軟體濾波的結果 (圖七 C)，B 的波形較為凌亂，也較不接近 文獻所記錄的波形(圖七 A)，所以高通的截 止頻率勢必要提高，然而並沒有文獻的具 體說明此支配的頻率和胃蠕動或胃電無 關，因此必須再藉由動物或人體的試驗得 到證明。 圖八是另一位受試者胃電頻譜隨時間 的變化(running spectrum)，主控頻率的範圍 顯然落在 2-5 cpm，可以證實我們的記錄系 統確實記錄到文獻中所記錄的胃電信號。 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，我們完成了可攜式的 胃電儀之雛形，並以之進行胃電的記錄。 在此量測系統中，雖然使用了普遍用來 克服 Motion artifact 的 Ag-AgCl 表面電 極，但 Motion artifact 仍舊出現在記錄到的 資料當中。在我們還無法完全去除 Motion artifact 所造成的影響，一個方法就是先忽 略 Motion artifact 這一段的記錄[1]，而在 我們所記錄的資料裡，Motion artifact 所佔 的比例並不多，我們將考慮使用以硬體的 方式去除 Motion artifact 的方法。 在省電的設計上，除了使用省電的 IC 例如 TL064、TL062 之類，控制 IC 也將選 用低功率消耗的微控制器，前級的設計也 考 慮 捨 棄 昂 貴 的 LM363 ， 改 用 BJT differential pair 針對省電的需求進行更低 功率的設計。 經由本計畫之執行目前已有了一篇研 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] Jiande Z. Chen, Zhiyue Lin, Richard W.

McCallum, “Toward ambulatory recording of electrogastrogram,” Electrogastrography: Principle and Aplications, edited by Jiande Z. Chen, Raven Press, Ltd., New York, pp. 127-153,

3 1994. 圖 1、可攜式胃電記錄系統架構圖。 b b a a a 1 1 1 2 1 3 ref 圖 2、非極化(Ag-AgCl)表面電極電極配 置。 ref E lec tro d es 20 MΩ 20 MΩ 1.1 µF sense Output 圖 3、前級放大及濾波電路，其截止頻率 0.008 Hz。 圖 4、五階 Butterworth 低通放大濾波電路， Gain = 20。 output input -9 V 7.5 V 33 kΩ 300 kΩ 100 kΩ R2 .047 µF 150 kΩ 圖 5、可變增益及位準調整之放大器 Gain =4, 8, 16, 32 當 R2 =50 kΩ, 1.67 k Ω, 7.15 k Ω, 3.33 k Ω。 0 5 10 15 cpm dB 10 0 20 40 60 80 _{50 dB} 圖 6、記錄的胃電頻譜確實記錄到 3cpm 的 主控頻率。 表面電極 儀表 濾波器 放大器 PC PIC1674 A/D 記憶體 倍率調整 放大器 x 10 x 20 x 4, 8, 16, 32 output 1/4 TL064 1/4 TL064 input 765 kΩ765 kΩ 765 kΩ 0.36µF 0.11µF 0.47µF 11µF 0.05µF 1.2 MΩ 59 kΩ 61.9 kΩ

4 1 2 3 _{4 min} 300 µV 300 µV 0 0.008 - 0.8 (Hz) 0.02 - 0.3 (Hz) B C A 圖 7、初步記錄的胃電波形。C 為 B 使用 軟體濾波的結果，C 的波形接近文獻 所記錄的波形 A。 圖 8、胃電頻譜隨時間的變化。主控頻率 (dominate frequency)的範圍落在 2-5 cpm。