國立臺灣大學工學院暨醫學院醫學工程學研究所 碩士論文
Institute of Biomedical Engineering
College of Engineering and College of Medicine National Taiwan University
Master Thesis
微型壓力動態量測系統—
可量化孩童指關節壓力衣之施力
Miniature system for measurement of dynamic pressure – measuring forces of pressure garment on children’s knuckle
吳詩敏 Shih-Min Wu
指導教授：趙福杉 博士 Advisor: Fu-Shan Jaw, Ph.D.
中華民國 108 年 1 月
January, 2019
誌謝
本篇論文的完成，首先要感謝我的指導教授趙福杉老師。讓我不僅 在基礎科學及專業知識上得到充足的訓練，也學到做研究的方法與精 神。此外在生活上也獲得許多做人處事的道理。對於您在研究上的細 心指導及生活上的關懷照顧，在此至上最誠摯的感謝。
感謝財團法人陽光社會福利基金會給予合作之機會，並在研究期間 提供壓力衣、量測儀器以及撥空提供諮詢與討論，使論文能順利完成。
感謝口試委員謝建興教授及陳右穎教授給予許多寶貴的意見，使論文 更加完善。
感謝電生理暨電子電路實驗室的同窗好友子揚、秉修、季桓、弘志 研究期間互相鼓勵與切磋，感謝學弟立杰利用電生理實驗測試本研究 附錄之定電流源電刺激器，也感謝學長姐及學弟妹的照顧與陪伴。謝 謝你們讓我有一段雖辛苦但愉快難忘的時光，此情誼將永記在心。希 望在未來人生的路上會是一輩子的好友。
最後，感謝在背後一直支持著我的父母，讓我可以心無旁鶩的做研 究。也感謝家人、師長、同學及朋友們，一直以來的支持與鼓勵。未 來我會更加努力朝著人生的目標邁進。
在此再次對所有幫助過我的人表達最深的感激與敬意—謝謝大家！
吳詩敏 謹誌 2019.02.10
中文摘要
自從 2015 年的八仙塵暴事件發生，燒燙傷在臺灣受到高度的重視。
其復健方式是利用壓力衣施予皮膚壓力以抑制增生疤痕。此外，燒燙 傷患者主要以兒童與青少年居多。若燒燙傷產生之疤痕未受到良好的 治療與復健，不僅會面臨永久性的增生疤痕造成關節攣縮及變形等問 題，還會造成心理上的傷害。對於正值發育期間之兒童與青少年，壓 力衣之過度施力對於皮膚與骨骼生長會造成影響。壓力衣之製作乃基 於過去之文獻，而這些資料皆是大人的數據，其適用於兒童與青少年 與否依然有待商確。
為達成可量測孩童指關節等小型部位之壓力衣的施力，本研究目標 即是開發一個微型壓力動態量測系統。本研究參考了目前臺灣之陽光 基金會的醫療人員使用之感測儀器 Pico Press® (MICROLAB)，將其可 攜式與簡易操作之優點納入考量，並再增加感測微小化與動態量測之 功能，開發出適用的壓力量測系統。
除了感測元件之微小化外，本論文利用液壓達成遠比 Pico Press®
壓力感測器更高的頻寬，且以市售 9V 乾電池供電達成低功耗、可攜式 且具備壓力信號輸出之功能，所有特性也均已校正及證實合乎當初設 計之目標規格。所完成的量測設備對未來設計更新型的的壓力衣將不 可或缺。
關鍵字：壓力衣、壓力量測、燒燙傷、兒童
Abstract
A total of 15 persons had been killed and 484 persons were severely burned since the explosion of Formosa Fun Coast water park in 2015.
Treatments of burns have gained much more attention in Taiwan. The rehabilitation for patients burned is to wear pressure garment to prevent hypertrophic scars recovery on the wounded skin. The major population of burn accident is among children and teenager. The scar in this population should be carefully treated not only to prevent joint contracture or deformity but also to prevent mental or psychological suffering, due to their immatureness yet rapid growth in body size and mind. However, the pressure garment design is usually based on adult data. To meet the requirement of this young population the pressure garment should be modified frequently to adapt their rapid change of body size.
The goal of this study is to develop a miniature system for measuring the pressure in small body part such as children's knuckles. The Pico Press® (MICROLAB) which have been used to measure pressure garments in Taiwan is used for comparison. The Pico Press® has the advantages of portability, simple user interface, and direct readout. In addition to portability, simple user interface and direct readout, our design can measure any small part such as a children’s knuckle. Further, the pressure measurement of our device possess wider bandwidth that is helpful for
dynamic measurement of pressure change during motion or rehabilitation exercise. Moreover, an analog BNC output is provided in our design. This makes future signal processing possible.
In addition to the minimization of the sensing element, a wideband recording of the pressure signal is achieved by our device. This device is supplied by 2 popular 9 V batteries and packed in a small case for portability. All the specifications were calibrated and fulfilled the requirements of the initial design goals. This device could be indispensable for the design of more advance pressure garments in the near future.
Keyword: pressure garment, pressure measurement, burns, children
目錄
口試委員會審定書 ... #
誌謝 ... i
中文摘要 ... ii
Abstract ... iii
目錄 ... v
圖目錄 ... viii
表目錄 ... ix
第一章、 簡介 ... 1
1.1 研究背景與動機 ... 1
1.2 研究目的 ... 4
第二章、 研究方法與系統設計 ... 5
2.1 系統架構 ... 7
2.1.1 感測器設計 ... 8
2.1.2 感測前端製作 ... 8
2.2 液體換能器選擇 ... 10
2.3 電路設計 ... 12
2.4 系統校正 ... 16
2.4.1 水柱校正 ... 16
2.4.2 系統比較校正 ... 17
第三章、 研究結果 ... 18
3.1 感測器前端 ... 18
3.2 感測器整體外觀 ... 19
3.3 電路板製作 ... 20
3.4 系統外觀 ... 21
3.5 電路實際量測 ... 23
3.6 系統校正 ... 24
3.6.1 水柱校正 ... 24
3.6.2 雙系統校正 ... 26
第四章、 討論 ... 27
4.1 低功耗設計 ... 27
4.2 顯示數值表示 ... 27
4.3 感測方式校正差異 ... 28
第五章、 結論 ... 29
參考文獻 ... 30
附錄一 微型壓力動態量測系統使用手冊及注意事項 ... 33
附錄二 低功耗高輸出電壓之隔離定電流源電刺激器 ... 35
圖目錄
圖 1 壓力衣之動態壓力量測系統架構 ... 7
圖 2 感測前端製作步驟 ... 9
圖 3 一次性血壓換能器樣式 ... 10
圖 4 一次性血壓換能器內部電路 ... 11
圖 5 微型壓力動態量測系統電路圖 ... 15
圖 6 校正方法示意圖 ... 16
圖 7 感測前端之水袋成品 ... 18
圖 8 感測器整體外觀 ... 19
圖 9 電路板正面 ... 20
圖 10 電路板反面 ... 20
圖 11 系統正面外觀 ... 21
圖 12 系統背面外觀 ... 21
圖 13 系統配線 ... 22
圖 14 微型壓力動態量測系統頻率響應圖 ... 23
圖 15 汞柱高與電壓之關係圖 ... 25
圖 16 本研究之水袋側面圖 ... 28
圖 17 Pico Press® 氣球側面圖 ... 28
表目錄
表 1 現有壓力量測儀器比較 ... 3 表 2 水柱高度校正之電壓顯示值 ... 24 表 3 Pico Press® 與本研究之微型壓力動態量測系統量測值比較 ... 26
第一章、 簡介
研究背景與動機 1.1
根據世界衛生組織公布，2004 年全球約有 1100 萬人因燒燙傷需就 醫[1]。在臺灣地區燒燙傷的平均發生率約 0.25 %，即人數約為 5 萬人，
其中燒燙傷盛行比率又以兒童居多，其次是青少年[2]。這些年紀較輕 的患者比率居多的原因在於家中經濟普通或不好，大人忙於工作、疏 於照顧，而孩童心智尚未發展完全、好奇心重、喜愛玩耍，進而不小 心造成嚴重的燒燙傷之傷害。對於年紀較輕的燒燙傷患者而言，最可 怕的是永久性的疤痕，燒燙傷產生的疤痕會使孩童的成長無法發育完 全，也會伴隨著各種異樣眼光，造成心理上的傷害，因此妥當治療燒 燙傷所產生的疤痕十分重要。此外，在 2015 年 6 月 27 日晚間發生 的八仙塵爆事件，疑似因以玉米澱粉及食用色素所製作之色粉引發粉 塵燃燒，導致嚴重的火災事故。此事故一共造成 15 人死亡、484 人輕 重傷，而其中傷者幾乎都是嚴重的燒燙傷，故在此事件發生後，對於 燒燙傷的治療與傷口癒合後的復健，更加的被受到重視。由上述可知，
不管是在臺灣還是在國際上都有如此多的燒燙傷患者需治療，可見燒 燙傷之治療極其重要。
燒燙傷所產生的增生疤痕(Hypertrophic scar)為真皮層過度生長導 致疤痕之肥厚，其特性是紅、凸、硬、攣縮及癢、痛、麻、脹之感覺。
若增生疤痕未得到適當的治療及復健，後續必面臨其所造成的關節攣 縮及變形等問題[3]。目前最常見的治療增生疤痕的方式是利用穿著壓 力衣來控制疤痕之增生[4, 5]。而穿著壓力衣最重要的是給予適當的壓 力，據文獻顯示壓力衣的最佳壓力要多少還是尚未確定[6]，大多文獻 顯示壓力衣需給予大概超過毛細血管的壓力，此壓力約落於 20 至 30
mm-Hg[7, 8]；更有少部分的文獻指出 15 mm-Hg 以上就已開始有效[4, 9]。因此這些數據將來還有待繼續研究。而在目前能確定的就是如果給 予過大的壓力會造成額外的傷害如破皮、水泡、末端水腫及麻痺等現 象，反之過小的壓力則易造成其治療效果不佳[10]。基於壓力衣必須維 持足夠的壓力以達控制疤痕的效果，所以必須時常進行壓力量測來評 估壓力衣是否需修改或重新製作。
燒傷燙傷壓力衣的壓力量測在早期大多使用 Iscan (Tekscan)量測 [11-14]。近期則多使用 Pliance X (novel.de)量測[15, 16]。這兩個儀器顯 示皆以二維顏色分布的圖像顯示，且需連接電腦在電腦螢幕顯示。在 臺灣燒燙傷壓力衣的量測則使用 Pico Press® (MICROLAB)，此量測直 接在儀器上顯示單點的壓力以毫米汞柱高顯示，但在過去文獻中多是 用在運動壓力衣的壓力量測上[14, 17]。這些量測儀器之比較如表 1 所 示。至於臺灣為何使用 Pico Press® 作為燒燙傷壓力衣的量測，其原因 在於操作與攜帶皆非常方便。當製作與修改壓力衣時，大部分只需看 某些單點壓力的資訊，若一次給予過多的資訊並不符合醫療護理人員 等使用者之習慣與需求，並會造成使用上的困難。
由於 Pico Press® 為可攜式不須額外接上電腦即可顯示出壓力衣對 於皮膚造成的壓力大小。綜合以上的優點臺灣之陽光基金會的醫療人 員選擇使用此儀器，然而在燒燙傷壓力衣的感測上還有許多待改良與 重新設計之處。首先，感測器的體積過大只能量側手掌等較大之身體 部位，無法量測如孩童指關節等較小之部位。其次是感測前端使用氣 壓量測，由於氣體具有可壓縮性，因此對於量測壓力變化的頻率響應 不足[18]。也就是只能用來量測靜態壓力，無法量測動態之壓力變化，
若復健動作時無法連續觀察其受力變化之情形。針對上述的缺點，本 研究將對目前現有量測壓力衣施力的儀器作進一步的改良，並開發出
適用的壓力量測系統。
表 1 現有壓力量測儀器比較
I-Scan™ plianceX Pico Press®
Display Computer Computer Instrument monitor
Dimension 2D 2D 1D
Medium Piezoelectricity Piezoelectricity Air
研究目的 1.2
由於燒燙傷患者為兒童與青少年居多，可見其研究兒童與青少年燒 燙傷壓力衣之壓力大小至關重要，但在目前研究燒燙傷壓力衣之壓力 大小皆為大人之數據。對於兒童與青少年較不受控、好動，還有正處 於發育期間，燒燙傷壓力衣之壓力對於皮膚骨骼生長之影響等問題，
大人之數據是否適用於兒童與青少年？故本研究主要目的是設計一個 適用的微型壓力動態量測系統，可量化孩童指關節等小部位的壓力衣 之施力，提供未來研究參考之數據。
為達成設計一個良好的微型壓力動態量測系統，本研究欲保留 Pico Press® 之優點，即可攜式與不須連接電腦之單點壓力值顯示。並避免侵 犯智慧財產權，重新設計一個系統。將感測前端微小化，小至可置入 如孩童指關節處壓力衣之下及可進行動態的量測，用以量測復健動作 時的壓力變化。此外，還需設計一個能讓醫護人員或使用者好操作又 能簡易判讀之介面。相信可有效解決小部位壓力衣包覆之動態量測，
且可提供未來研究數據之參考依據，對於各年齡層的燒燙傷患者可更 有效地復原，也對照護者帶來相當大的助益。
第二章、 研究方法與系統設計
本研究目的在於開發一個可量測如孩童指關節等小部位之壓力動 態量測系統。其系統設計必須考量壓力感測方式、感測器之微型化、
儀器系統可攜式與操作及顯示簡易等四項功能。
目前壓力感測方式主要利用液壓、氣壓、壓電材料進行感測。本研 究以 Pico Press® 為參考，再重新的進行設計與改良。此儀器使用氣壓 方式感測壓力。但是氣壓感測運用在壓力衣上仍有許多的缺點，因此 本研究使用液壓方式進行壓力量測。利用液壓量測可克服氣壓量測所 產生的幾個問題。
首先，氣體具有可壓縮性，因此氣壓方式之壓力計頻率響應不佳。
在進行壓力量測時，較無法精確量測動態之壓力變化。由於穿著燒燙 傷壓力衣時，任何關節活動，都可能讓壓力衣的施力改變。而穿著壓 力衣的病人也需要時常的進行復健，在復健時壓力衣的施力變化議題，
也是研究人員與醫護人員所欲了解的。由此可知，不管是燒燙傷壓力 衣或是運動壓力衣，可量測動態壓力的變化是這整個系統不可或缺的 需求。故本系統之感測方式利用液體本身的不可壓縮性，增加壓力量 測時之頻率響應，來達成動態量測。其次，使用液壓可解決氣壓感測 器因其大小體積、成分、溫度而有所不同，所造成量測的誤差。Pico Press® 使用的氣體只是一般空氣，因此只要使用環境改變，就可能產生 誤差。最後，利用液壓量測不需要充氣等動作，也不用擔心些微漏氣 等情況發生，因此製作硬體時可更加簡易精確。
而利用壓電材料的壓力感測方式本研究不選用，反倒選用液壓進行 感測，其原因是一般壓電材料靈敏度不夠高，且不能任意彎折，使用 時還須完全貼合於皮膚與壓力衣之間才能正確呈現出壓力。因此對於 人體活動時的動態量測，本論文使用液壓方式的換能器。
經過調查，目前無利用液壓感測壓力衣之相關專利，未來若走向商 業化，不會有專利侵權等問題存在。
至於液壓換能器的部分，本研究則選用醫療上使用的一次性血壓換 能器。選擇此換能器原因，其一，是符合前述液壓量測方式；其二，
是壓力衣的壓力範圍與血壓近似。壓力衣壓力約在 20 至 30 mm-Hg[4, 9]
或 15 mm-Hg 以上[7, 8]，而 Pico Press® 的量測範圍為 0 至 189 mm-Hg，
與一般市售血壓計為 0 至 300 mm-Hg 大致相吻合。故本研究選擇使用 一次性血壓換能器，做為本系統之液壓換能器。
選定感測方式與其換能器後，本研究參考過去實驗室學長製作之血 壓感測器[19]，設計出專屬壓力衣之壓力感測電路，其電路內容包含基 本放大、濾波等功能。而儀器為了方便醫療護理人員攜帶，以及進行 動態量測時可讓傷者方便攜帶在身上，故儀器為可攜式之設計。而儀 器使用電池供電，以避免插電對傷者造成可能觸電的疑慮，故在電路 設計時皆需採用省電元件完成。最後，利用電壓錶直接讀出 mm-Hg 之壓力值。
系統架構 2.1
本研究之微型動態壓力量測系統架構如圖 1 所示，主要可分為 3 大 部分：壓力感測器設計、量測電路設計、顯示用電壓錶。壓力感測器 設計部分包含感測前端微小化的設計及換能器之選擇。量測電路設計 主要包含感測器的驅動電路與訊號放大濾波電路。最後顯示用電壓錶 直接讀取壓力值。
圖 1 壓力衣之動態壓力量測系統架構 Sensor
Circuit Display Transducer
Sensing element
感測器設計 2.1.1
本研究之感測器主要包含感測前端以及換能器兩大部分結合而成。
並以液體將壓力導至換能器，其最主要目的為微型化及增進頻率響應 以進行壓力動態量測。
感測前端製作 2.1.2
感測前端之製作材料為 PE 夾鏈袋(厚度 0.08 mm)、PE 管(內直徑 0.58 mm、外直徑 0.965 mm)、強力膠、熱熔膠以及水；工具為封口機 與剪刀。
圖 2 為感測前端製作步驟。第一步，先將夾鏈袋剪成欲量測的面積 大小，在將四周以封口機密封只留下一個小洞。第二步，將 PE 管放入 袋中，並再次使用封口機將 PE 袋與 PE 管連接部分盡量密合。第三步，
使用強力膠封住 PE 袋與 PE 管連接部分，之後等待約一天待其完全風 乾，用熱溶膠再次封住 PE 袋與 PE 管連接部分。第四步，讓 PE 袋中 空氣排出，再利用針頭經由 PE 管注水進入 PE 袋中。注水完畢後確認 PE 袋內是否只有水沒有氣泡，若有氣泡則再透過 PE 管吸出。
圖 2 感測前端製作步驟 Cut out
PE bag Put PE tube Sealed by
adhesive Add water
液體換能器選擇 2.2
本研究採用的液壓換能器是臨床上使用的一次性血壓換能器。此換 能器量測規格為 -50 至 300 mm-Hg、超壓極限為 -400 至 5,000 mm-Hg、
靈敏度為 5 mV / V / mm-Hg ± 1 % (於 6 VDC 與 22℃條件下)、輸入阻 抗為 300 至 350 Ω、輸出阻抗為 300 Ω。而輸出訊號之連接方式為電話 線 RJ11 (6P4C)接頭，圖 3 為其照片。
圖 4 為本系統使用之液體換能器之內部連接方式，其內部電路有兩 個 1 kΩ，增加其阻抗以降低消耗之靜態電流。
圖 3 一次性血壓換能器樣式
圖 4 一次性血壓換能器內部電路
電路設計 2.3
本研究之目的是為了量測壓力衣之壓力動態的訊號。因此本電路除 基本之放大、濾波器之外，還包含省電設計與讀值直接顯示壓力而非 電壓之設計。由於本系統為了預防插電對使用者造成可能觸電的疑慮 及可攜式之方便性，因此設計成使用一般電池供電，在電路設計之初 便以省電設計為考量以增長電池之使用時間。此外，壓力直接讀值設 計是為了方便使用者以最直觀的方式讀出壓力值，因此本研究利用放 大倍器直接將電壓值等於毫米汞柱壓力大小，省去額外換算之不便。
圖 5 為本研究設計之壓力動態量測電路圖。設計主要包含穩壓、放 大、濾波以及緩衝電路等部分，且需省電及符合壓力動態量測規格。
此壓力動態量測規格之設定為：
1. 放大倍率約 800 倍 2. 頻寬為 DC 至 150 Hz
3. 共模拒斥比(common-mode rejection ratio, CMRR) 60 dB 以上 4. 供應電壓 ± 9 V
5. 供應電流 5 mA 以下
本研究之微型壓力動態量測系統電路圖如圖 5 所示。為達成上述規 格首先便是元件之選擇。本研究選擇之主動元件有 AD627、OP493 以 及 LM385 (1.25 V)。AD627 為低功耗的儀表放大器，最大消耗電流為 85 μA，作為第一級訊號放大使用以提高共模拒斥比。OP93 系列為低 功耗精密運算放大器，其本研究使用的 OP493 為單一封裝內包含四組 相同之運算放大器可省電路板之空間，分別做為第二級放大、第三級 濾波及感測器前緩衝級使用(兩組)。而 LM385 為參考電壓源，主要提
供感測換能器之橋式電路的穩定電壓源，其次又用來調整電壓偏移 (offset)，在本研究中作為歸零之用。
接下來電路設計考慮各級之放大倍率。由於感測換能器之橋式電路，
其電阻變化大約在10−3 Ω 以下變動，再加上驅動電流約 2 mA，因此 根據歐姆定律計算，放大倍率約需 800 倍，才可達到欲顯示之電壓範 圍。為了放大 800 倍，本研究將電路放大部分分成兩級達成，第一級 用 AD627 儀表放大器放大 105 倍 (Gain = 5 + 200 kΩ/RG)，第二級用 OP493 運算放大器放大 8 倍(Gain = 1 + R2/R1)。由於前級放大倍率會 影響訊號雜訊比(Signal-to-noise ratio)，因此將之盡可能提高，但是考量 到增益帶寬積(gain–bandwidth product)的影響，因此考慮了頻寬將第一 級設計放大 105 倍。同時為達成放大約 800 倍將第二級放大設計放大 設定在 8 倍，對低功耗運算放大器而言 8 倍增益並不致於造成負擔，
因此設定此兩級之放大倍率。
此外，第二級放大倍率設定為 8 倍是為了達成輸出電壓之讀值就等 同於 mm-Hg 之壓力大小，而不需再進行校正換算。本研究在電路設計 第二級正確的放大倍率時，先是使用 50 kΩ 的一轉可變電阻找出電阻 值所需值大概範圍(約 17 至 18 kΩ)，再將 50 kΩ 可變電阻換 17 kΩ 的固定電組與一個 1 kΩ 的 20 轉精密可變電阻，以提高微調之精密度。
另外，將第二級除放大功能外還有歸零系統的功能，由於每次量測 之直流位準值可能會有所不同，再者由於液壓量測會有高度不同而產 生的壓差問題產生。因此直接利用參考電壓源製成可調式的電壓抵補 以作為歸零之用。本研究可調式的抵補電壓在製作時選用 10 轉的 10 kΩ 可變電阻以增加其的精密度。
本研究的濾波器之截止頻率為 150 Hz 的巴特沃斯二階低通濾波器 (Butterworth)，使用此濾波器之原因為頻率響應曲線最為平坦。本研究
此濾波器設計成兩個電阻值相同且兩個電容值相差 2 倍，目的是在電 路製作時，可使用同一批製作的電阻與電容完成，在此 0.075 μF 的電 容為 2 個 0.15 μF 的電容串接而成，可消除電容元件間巨大的誤差，
使之濾波器的特性更加優異。
然而在感測電路中最基本與重要的放大與濾波，雖然採用 AD627 與 OP493 以降低功耗，但尚有感測器驅動的功耗問題要解決。感測換 能器中的橋式應變規需要一個穩定的電壓源才能達成高精密度，因此 本研究使用參考電壓源 LM385 來達成。而 LM385 IC 又有分成 1.25 V 與 2.5 V 兩種版本，本研究選擇用 1.25 V 的參考電壓提供橋式電路最 穩定的電壓源並降低功耗，以防止換能器經過大電壓與大電流產生過 熱的情況。但根據歐姆定律計算換能器最終所需之供應電流最少只能 到達約 2 mA 才足以將感測器之感測感測效果最佳化。而由於感測換能 器之橋式電路所需之電流較大，故本研究也在換能器的橋式電路前加 上由兩個 OP493 (1/4)製成的緩衝器提高其電源之穩定度。如果感測換 能器的橋式電路前面不加上緩衝器，當電路使用不同廠牌同款的液壓 感測換能器，所需的驅動電流不同的情況下，將會使整個電路不穩定。
最後，本電路設計使用 9 V 電池供電，故需採省電設計。而選用 9 V 電池而非其他低於 9 V 的電池等，原因是 9 V 才能使 AD627、OP493 等元件在較佳的狀態下運作，雖然積體電路的規格手冊寫+ 1.7 V、+ 2.2 V 等供應電壓，但在電壓低的情況下元件的運作並非處於最佳條件。
此外，用 9 V 供電可提供較 5 V 等低較大的輸出，有利於最終直接轉 變成毫米汞柱之形式輸出 (1 mm-Hg = 0.01 V)。
圖 5 微型壓力動態量測系統電路圖
系統校正 2.4
水柱校正 2.4.1
本研究之微型壓力動態量測系統完成後需進行校正，以示系統量測 結果之可信度。
液體壓力的計算公式為式(1)。其 P 表示壓力，ρ表示液體密度，g 表示重力加速度，h 表示物體表面離液體上方的垂直距離。
P = ρgh
由此公式可得知液體壓力主要與液體密度、重力、液體垂直高度有 關。本研究使用之液體為水，而由於本研究顯示為毫米汞柱，故在計 算時，利用兩者液體之比重不同( 𝜌𝐻2𝑂 ∶ 𝜌𝐻𝑔 = 1 ∶ 13.5 )，將水柱高 度換算成汞柱高度( mm-H2O ∶ mm-Hg = 10 ∶ 1.35 )。再利用本研究製 作之水袋與換能器之高度差的改變，進行校正。校正方法示意圖如圖 6。
圖 6 校正方法示意圖
h
系統比較校正 2.4.2
本研究利用水柱校正後，再次利用 Pico Press® 進行比較。此方式校 正時並非將氣球與水袋分別放入壓力衣內量測。而是將氣球與水袋同 時重疊放入壓力衣量測，之後額外施予不同的外力。
會使用同時放入壓力衣量測之原因是壓力衣與皮膚之間若加一個 厚度不同之物體，其所量測到的壓力值會有差異。在此 Pico Press® 之 氣球厚度較厚，故再放入氣球時壓力衣對皮膚之施力會變大。因此本 研究在利用 Pico Press® 進行二次校正比較時，使用兩個感測端重疊之 方式，使厚度的影響相同。
第三章、 研究結果
感測器前端 3.1
圖 7 為感測前端的水袋製作之成品。其最大的水袋 (圖 7，最左邊)，
面積大小仿製 Pico Press® 使用的氣球，氣球大小約 4.5 cm 直徑之圓形，
本研究製作之水袋為約 4.5 cm × 3.5 cm 的長方形。此設計主要用來與 Pico Press® 再次對照與校正。而中間長形與右側小型的水袋，主要可 用來量測指節部分之壓力大小，其寬度皆約為 1 cm。
圖 7 感測前端之水袋成品
感測器整體外觀 3.2
感測器整體包含液壓換能器與感測前端，圖 8 為感測器的兩個部分 組合後之整體外觀樣式。
圖 8 感測器整體外觀
電路板製作 3.3
如圖 9、圖 10 所示，本研究之電路板製作之使用一般萬用電路板直 接焊接完成，因本研究屬於第一版的開發原型。
圖 9 電路板正面
圖 10 電路板反面
系統外觀 3.4
圖 11 及圖 12 為本系統之外觀圖。整體硬體為 12 cm × 8 cm × 5 cm 的黑色鐵盒裝，其中內部包含電路電路板與 2 顆 9 V 電池，如圖 12 所 示。圖 13 為系統配線圖。
圖 11 系統正面外觀
圖 12 系統背面外觀
圖 13 系統配線
電路實際量測 3.5
依據實際量測結果，第一級之儀表放大器 AD627，放大 105 倍，靜 態電流為 0.063 mA。第二級 OP493(1/4)放大 8 倍、第三級 OP493 (1/4) 濾波為巴特沃斯二階低通濾波器、及兩個緩衝器 OP493 (1/4 × 2)，整 個 OP493 IC 總共消耗 1.212 mA。最後作為歸零用的參考電壓源所消耗 電流為 0.388 mA。
圖 14 為微型壓力動態量測系統的頻率響應圖。其高頻的截止頻率 為 150 Hz，符合所設定之規格。
圖 14 微型壓力動態量測系統頻率響應圖 0
5 10 15 20 25 30 35
0.1 1 10 100 1000
Gain (dB)
Frequency (Hz)
150 Hz
系統校正 3.6
水柱校正 3.6.1
本研究利用水柱高度校正之電壓顯示如表 2 及圖 15。本研究依每 5 cm 水柱換算成等同之 mm-Hg 值，之後得到系統輸出電壓結果可得知 本系統 0.01 V 代表 1 mm-Hg。而在 3.7、18.4、22.1 及 33.1 mm-Hg 所 測得之電壓值完全符合 0.001 V = 0.1 mm-Hg 之關係。
表 2 水柱高度校正之電壓顯示值
水柱高 (cm-H2O) 汞柱高 (mm-Hg) 電壓 (V)
5 3.7 0.037
10 7.4 0.072
15 11.0 0.106
20 14.7 0.145
25 18.4 0.184
30 22.1 0.219
35 25.7 0.258
40 29.4 0.291
45 33.1 0.331
50 36.9 0.364
圖 15 汞柱高與電壓之關係圖
y = 0.01x - 0.001
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
電壓 (V)
汞柱高 (mm-Hg)
雙系統校正 3.6.2
本研究利用 Pico Press® 壓力量測儀器與本研究之微型壓力動態量 測系統進行量測值比較之校正結果如表 2 所示。由比較結果可知本研 究系統在小數點後一位進行四捨五入至整數與 Pico Press® 壓力量測儀 器所量測出之數值完全相同。
表 3 Pico Press® 與本研究之微型壓力動態量測系統量測值比較 Pico Press®
(mm-Hg)
本研究之微型壓力動態量測系統 (mm-Hg)
5 5.3
17 17.3
29 28.6
41 40.7
43 43.4
57 57.1
59 59.2
60 60.4
62 62.4
第四章、 討論
低功耗設計 4.1
由於本研究之電路設計，使用 2 顆一般 9 V 方型電池供電，故省電 設計非常重要。若電池放電量小內部的氧化還原則反應較為完全，可 使電池有額定容量的使用壽命。反之，若放電量較大則內部的氧化還 原反應會不完全，使電池之實際使用壽命大幅減少。
依本研究結果顯示，單顆電池在 AD627 消耗 0.063 mA，OP493 消 耗 1.212 mA，參考電壓 0.388 mA，總消耗為 1.663 mA，低於 2 mA。
此電流大小對於一顆電池來說放電量不會太大。故依 9 V 電池的容量 規格約 100 至 300 mAh，如果選用容量較小的 9 V 電池，則由計算可 得知連續使用約有 60 h (100 mAh / 1.663 mA = 60 h)。
顯示數值表示 4.2
本研究之顯示使用電壓值直接表示毫米汞柱值。為了達成此轉換，
主要利用電路之第一級與第二級分別放大 105 倍與 8 倍，讓訊號總共 放大 840 倍。而在電路板製作時，利用第二級電阻元件選擇將主要控 制放大倍律電阻使用固定電阻與 1 kΩ的 20 轉精密可變電阻，將電路 放大倍率的精確度大幅提高。
本微型壓力動態量測系統精確度可由水柱校正之結果以及可能產 生之誤差，例如水袋實際高度之 ± 1 mm 的誤差與轉換誤差等影響，
依照結果推斷精確度應可至 0.001 V，即精確度為 0.1 mm-Hg。
感測方式校正差異 4.3
本微型壓力動態量測系統實際應用於壓力衣上量測之壓力值與 Pico Press® 之壓力感測儀器量的壓力值相比，壓力值有幾毫米汞柱的 差異。其原因可能在於感測前端的水袋或氣球即使是扁平狀，依然有 厚度存在，此厚度加在壓力衣與皮膚之間則會造成實際壓力比量測壓 力小的問題。為解決此問題本研究水袋內的水並不會裝滿，並將厚度 維持在 1 mm 內，如圖 16 所示。此設計比起原先量測使用氣球充氣後 的厚度還薄(氣球厚度約 2 mm，圖 17)，應可有效減少水袋厚度之影響。
圖 16 本研究之水袋側面圖
圖 17 Pico Press® 氣球側面圖
第五章、 結論
本研究開發之微型壓力動態量測系統，已達成以下需求：
1. 感測微型化。本系統之感測前端設計最小有 1 cm × 1 cm，已 可有效解決身體小部位壓力衣包覆之動態量測，並且此設計可 做為未來研究數據之參考依據。
2. 動態量測。本系統利用液體之不可壓縮性，使用液壓進行量測。
而系統可量測之頻率設定為 DC 至 150 Hz。
3. 可攜式、省電。本系統硬體部分之大小為 12 cm × 8 cm × 5 cm，其硬體大小包含電池。而單電池消耗之靜態電流為 1.663 mA，在 100 mAh 的 9 V 電池供電下，可連續使用兩天半以上。
4. 高精密度。本系統之量測精確度為 0.001 V，即為可量測至 0.1 mm-Hg 的層級，比起原先使用之儀器多一位有效數字。對 於壓力衣微小之壓力變化可有效偵測，高精度在未來做為研究 數據之參考依據是非常有幫助的。
5. 毫米汞柱顯示。此系統顯示部分使用電壓讀值直接為毫米汞柱 值方式，可使醫護人員直接準確的判讀，不須再額外進行轉 換。
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附錄一 微型壓力動態量測系統使用手冊及注意事項
一、 系統外觀 正面
背面
電源
感測器接頭
歸零旋鈕
顯示螢幕
輸出接頭
二、 使用方法 1. 開啟電源 2. 插上感測器
3. 感測器與感測前端平行放至 4. 轉動旋鈕歸零校正
5. 數值顯示於螢幕
三、 系統規格
電源 9V 方型電池
連續供電 60 小時以上
頻率 DC 至 150Hz
機殼尺寸 12cm × 8cm × 5cm
四、 注意事項
量測時，感測器務必與水袋放至於同高再歸零。若需放至於不 同高，請先確定水袋放至高度再歸零，即可使用。
請勿用尖銳等物品將水袋刺破。
避免長時間開機於不工作狀態，可增加系統使用壽命。
若長久不用請將電池取出。
附錄二 低功耗高輸出電壓之隔離定電流源電刺激器
一、 簡介
本研究之定電流源電刺激器主要用於電生理實驗中。若組織受到一 段時間的電刺激後，易因熱造成蛋白質變性使組織周邊的阻抗改變，
由於阻抗之改變，若給予定電壓，則會造成刺激的電流也隨之改變而 導致刺激量之變化[1]，固本論文所設計之電刺激器為定電流之輸出。
基於本實驗室過去設計之定電流源電刺激器[2, 3]，為了廣泛用運 於各種不同之實驗狀況，所以本研究採用現有之脈衝產生器來提供脈 衝訊號，再進行其後端定電流源電刺激器之製作。
二、 電路設計
定電流電刺激器電路如圖 1 所示。低功耗設計包括使用低功耗主動 元件與高阻抗被動元件。而整個電路主要包含電氣隔離、反向器、施 密特觸發器及 OP 與電晶體組成之定電流源輸出級。
電氣隔離使用光耦合器（PC817）隔離脈衝產生器和刺激器的其他 電路部分。前端之脈衝產生器主要供給 3~10V 的脈衝，為使脈衝產生 部分降低其功率消耗，故光耦合器的腳 2 串接 100 kΩ。下一級反向器 使用 p-n-p 電晶體（A970）將經過光耦合器產生之負向脈衝波形反反 換為正向。接下來由於通過跨越兩級的耦合電容（0.1μF）會使之波形 失真，因此利用施密特觸發器將波型整形成脈波。此施密特觸發器，
包含兩個 n-p-n 電晶體（C1775），經過此級輸出之電壓為 0V 和 12V。
最後，定電流源電刺激器電路輸出級，是由 OP (TL061)與電晶體(C1175) 組成之定電流源，其電流之大小主要由 E 端之可變電阻所控制。
圖 1 定電流源電刺激器之完整電路
三、 結果
3.1 量測數據
定電流源電刺激器之量測數據如表 1 所示。當可變電阻調至 0 Ω 時，
測量數據顯示輸出電流約為 1.2 mA [表 1（a）] 。當可變電阻為 100 kΩ 時，測量數據顯示輸出電流約為 0.1 mA [表 1（b）]。
此外，接脈衝產生器部分的低功耗設計，電流約消耗 0.03 mA 至 0.1 mA，靜態電流約為 0.57 mA。
表 1 定電流電刺激器之量測數據 (a)可變電阻為 0 Ω 時 (b) 可變電阻 為 100 Ω 時
(a)
負載(Ω) 電壓(V) 電流(A) 500 0.6 1.2m 1k 1.2 1.2m 3k 3.5 1.17m 10k 7.6 0.76m 20k 7.6 0.38m 30k 7.6 0.25m 50k 7.6 0.152m 100k 7.6 0.076m 200k 7.6 0.038m
(b)
負載(Ω) 電壓(V) 電流(A) 500 0.05 100μ 1k 0.1 100μ 3k 0.3 100μ 10k 1.1 110μ 20k 2.1 105μ 30k 3.0 100μ 50k 5.3 106μ 100k 7.6 76μ 200k 7.6 38μ
3.2 電生理實驗結果
本研究之定電流源電刺激器應用於電生理實驗結果如圖 2 所示。此 結果使用之刺激為定電流為 12 μA 約 10 ms。刺激位置為大鼠後肢，
記錄訊號位置在大腦皮質上，圖 2 為刺激 160 次之反應平均結果。
圖 2 定電流源電刺激器刺激 160 次之電生理反應平均結果
四、 討論
根據量測數據結果及使用歐姆定律計算，可得定電流源電刺激器電 路輸出級若供應電壓不足，則無法達到定電流之效果。因此若要供應 更大電流需將輸出級之供應電壓增加。而此定電流源電刺激器產生定 電流脈衝已足夠用於電生理實驗上。
前端之脈衝產生器主要輸入 3 至 10 V 的脈衝，由於串聯一個 100 kΩ 的電阻以降低功耗，故電流根據歐姆定律計算，約消耗 0.03 至 0.1 mA，結果顯示亦相同。此外，再加上各級之靜態電流總共約為 0.57 mA。
因此本電路達成低功耗之目的。
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