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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾琮翔
研究生(外文):TSENG, TSUNG-HSIANG
論文名稱:應用於尿路結石之導電度讀出電路系統整合與優化
論文名稱(外文):Integration and Optimization of Readout Circuit System for Urine Conductivity
指導教授:鍾文耀鍾文耀引用關係
指導教授(外文):CHUNG,WEN-YAO
口試委員:李健雄莊烱承蔡芳生
口試委員(外文):LI,CHIEN-HSIUNGCHUANG, CHIUNG-CHENGTSAI,FANG-SHENG
口試日期:2022-07-04
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2024
畢業學年度:112
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:尿路結石導電度系統整合積體化
外文關鍵詞:Urinary stoneConductivitySystem integrationIntegration
相關次數:
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目次
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目次 IV
圖目次 VI
表目次 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機與目的 4
1-3 文獻回顧 7
1-4 研究方法與流程 8
第二章 量測原理及方法 10
2-1 尿液中的四大參數 10
2-2 導電度量測 11
2-3 多頻率阻抗(導電度)量測 12
2-4 感測電極 13
2-4-1 二電極式量測(Two Electrode Measurement Method) 13
2-4-2 四電極式量測(Four Electrode Measurement Method) 14
2-4-3 感測器使用 15
2-5 待測溶液配製 17
2-5-1 配製原理方法 17
2-5-2 實驗耗材 18
2-5-3 實驗結果與討論 18
第三章 系統架構 22
3-1 On-Board簡介 22
3-1-1 PCB板上模型 22
3-1-2 導電度系統模型 23
3-2 電路板讀出電路 24
3-2-1 低通濾波器(low pass filter) 24
3-2-2 電位轉換器(Level Shifter) 26
3-2-3 儀表放大器(Instrumentation amplifier, IA) 28
3-3 板上模型模擬與驗證 30
第四章 晶片化讀出電路 32
4-1已完成積體化電路 33
4-1-1 軌對軌定值轉導放大器 33
4-1-2 儀表放大器 35
4-1-3 低頻震盪器 38
4-1-4 切換式電容濾波器 41
4-2 多頻率訊號產生系統 45
4-2-1 除頻器(divider) 45
4-2-2 多工器(Multiplexer, MUX) 47
4-3 電路佈局及整合考量 48
4-3-1 佈局說明及內容 48
4-3-2 導電度前端讀出系統電路 49
4-3-3 訊號模擬及驗證 51
第五章 結論與未來展望 53
5-1 結論 53
5-2 未來展望 54
參考文獻 57
附錄 60
A. 口試委員問題與回答 60
B. 導電度整合晶片測試結果 61
作者簡歷 66



圖目次
圖 1 人體尿路結石部位透析圖[19] 2
圖 2 尿路結石成分圓餅圖 3
圖 3 全民健保醫療費用前20大疾病(2020年) [7] 4
圖 4 定點照護檢測(POCT)與傳統醫療步驟比較 6
圖 5 多頻率感測模型[11] 8
圖 6 研究流程圖 9
圖 7 多頻阻抗(導電度)量測示意圖 13
圖 8 二電極量測模型 14
圖 9 四電極量測模型 14
圖 10 金平面四電極示意圖。(a)平面;(b)立體。 15
圖 11 (a)金手指;(b)各參數整合之金電極感測器。 16
圖 12 整合晶片在不同濃度下之多頻率量測比較 19
圖 13 商用儀器EC-33與本系統模型之濃度與導電度量測比較 20
圖 14 商用導電度計與本讀出電路系統之特性比較 21
圖 15 本實驗室製作第一代尿路結石預防感測系統 22
圖 16 導電度參數讀出系統架構流程圖 23
圖 17 各型態濾波器。(a)Bessel Filter;(b)Chebvshev Filter;(c)Butterworth Filter。 25
圖 18 濾波器各型態幅頻特性 26
圖 19 Butterworth各階頻率響應 26
圖 20 電位轉換器 27
圖 21 電位轉換前後比對圖。(a)轉換前;(b)轉換後。 27
圖 22 儀表放大器。(a)3-opamp IA;(b)2-opamp IA。 29
圖 23 讀出電路驗證模型示意圖 30
圖 24 各點之輸出波型(2.2kHz)。(a) Vout 0及Vout 1;(b) Vout 2及Vout 3。 31
圖 25 On Chip方塊圖 32
圖 26 軌對軌放大器全圖 33
圖 27 軌對軌放大器佈局圖 34
圖 28 儀表放大器全圖 35
圖 29 迴轉率量測結果 36
圖 30 迴轉率前後比對 37
圖 31 儀表放大器佈局圖 37
圖 32 低頻震盪器 38
圖 33 震盪器輸出波型 39
圖 34 溫度對頻率關係圖 39
圖 35 輸入電壓對頻率關係圖 40
圖 36 震盪器佈局圖[12] 40
圖 37 非重疊時脈產生器 41
圖 38 非重疊時脈產生器佈局圖 41
圖 39 四階切換式電容低通濾波器 42
圖 40 切換式電容濾波器量測模擬比較圖 43
圖 41 輸入脈波後之輸出波形。(a)1kHz ;(b)2kHz。 43
圖 42 切換式電容濾波器佈局圖 44
圖 43 多頻率產生系統方塊圖 45
圖 44 除頻系統佈局圖 45
圖 45 DFF電路 46
圖 46 各除頻後訊號波型(除2~除5) 47
圖 47 4 to 1多工器 47
圖 48 導電度前端讀出系統完整佈局圖 49
圖 49 區塊整合佈局圖 49
圖 50 封裝打線圖 50
圖 51 On-Chip訊號流程圖 51
圖 52 電壓與電流訊號輸出。(a) 1.8kHz; (b) 2.1kHz; (c) 2.4kHz; (d) 2.7kHz;(e) 3.1kHz。 52
圖 53 尿路結石檢測裝置內部方塊圖 55








表目次
表1 人體血液中各參數正常範圍[16]…………………………………………….. 11
表2 人體尿液中各參數正常範圍[16]…………………………………………….. 11
表3 各金屬材料特性比較(20℃) [23]…………………………………………….. 15
表4 溶液調配量表…………………………………………………………………. 18
表5 商用儀表放大器(INA322)之規格表[25]…………………………………….. 29
表6 放大器預計規格及實測結果…………………………………………………. 34
表7 儀表放大器預計規格及實測結果……………………………………………. 36
表8 低頻震盪器預計規格及實測結果……………………………………………. 38
表9 切換式電容濾波器預計規格及實測結果……………………………………. 42
表10 各式除頻器架構比較………………………………………………………... 46
表11 腳位名稱比對表……………………………………………………………... 50



[1] 國家發展委員會 > 主要業務 > 人力資源發展 > 人口推估與人力推估 > 老年人口成長趨勢
https://pop-proj.ndc.gov.tw/chart.aspx?c=5&uid=4110&pid=60

[2] 國家發展委員會 > 查詢專區 > 重要統計資料
https://www.ndc.gov.tw/Content_List.aspx?n=507E4787819DDCE6

[3] 傅秀蓮“認識尿路結石”,2012
http://www.vhct.gov.tw/index.php?module=HealthInfo&action=health1_print&sn=503&ng=1

[4] 耕莘醫院泌尿外科“泌尿道結石1-病理機轉、流行病學”
https://www.cth.org.tw/?aid=58&pid=19&page_name=detail&iid=21

[5] 台中榮民總醫院”腎臟結石”,2021
https://www.vghtc.gov.tw/UnitPage/UnitContentView?WebMenuID=afed82ad-311f-4159-a831-4f3692e217ac&UnitID=73b2dfcc-ac8e-4487-a9f8-65772b17cbc9&UnitDefaultTemplate=1

[6] 臺大醫院”尿路結石健康報”,2018
https://epaper.ntuh.gov.tw/health/201805/pdf/%E5%B0%BF%E8%B7%AF%E7%B5%90%E7%9F%B3.pdf

[7] 2020年國人全民健康保險就醫疾病資訊PDF file
[8] 王樹輸尿管鏡碎石手術”
https://www.vghtc.gov.tw/UploadFiles/Images/EDM/87cd1cff-22b4-4871-b075-9ea292289ab6_2.pdf

[9] Turney BW, et al., “Diet and risk of kidney stones in the Oxford cohort of the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC),” Eur J Epidemiol. 2014 May;29(5):363-9.

[10] ZENG Tingting, HUANG Yuxia, WANG Dengchao, HUANG Qian, CHEN Jiao, SU Jun. Changes of urine conductivity in patients with urinary stones. Labratory Medicine, 2013, 28(3): 207-210

[11] Angelito A. Silverio, Wen-Yaw Chung,Cheanyeh Cheng, Wang Hai Lung, Kung ChienMin, Jun Chen, Vincent F.S. Tsai , “The potential of at home prediction of the formation of urolithiasis by simple multi-frequency electrical conductivity of the urine and the comparison of its performance with urine ion-related indices, color and specific gravity ” , 2016 , Urolithiasis , vol.44 , p.127-134.

[12] 李政新,“尿液導電度感測器之前端積體化讀出電路設計與實現”,碩士論文, 中原大學, 桃園市, 台灣,2021

[13] Roozbeh Falah Ramezani, Abdul Hadi Nograles, W.Y. Chung, Jennifer Dela Cruz, K.H. Li1, C. Cheng, V. Tsai “Development of Urine Conductivity Sensing System for Measurement and Data Collection” , 2019, ICBHI

[14] Ramon Pallis-Areny , Senior Member, IEEE, and John G. Webster, Fellow, “Common Mode Rejection Ratio in Differential Amplifiers” IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 40, NO. 4, AUGUST 1991

[15] J. Szynowski, “CMRR analysis of instrumentation amplifiers,” Electron. Lerr., vol. 19, no. 14, pp. 547-549, 1983

[16] 黃琳順, “適用於智慧型尿路結石多參數為感測系統之12位元類比數位轉換器” , 碩士論文, 中原大學, 桃園市, 台灣, 2021.

[17] 古明華,“低電壓互補式金氧半軌對軌運算放大器之設計與應用”,碩士論文, 中原大學, 桃園市, 台灣, 2000.

[18] 李冠樺, “應用於預防尿路結石之尿液導電度讀出電路設計” , 碩士論文, 中原大學, 桃園市, 台灣, 2019

[19] 泌尿科專業資訊網 https://uronet.wordpress.com/2012/08/30/stone_00/

[20] Roozbeh Falah Ramezani “Development of A Portable Multi-Sensor Urine Test Platform for Kidney Stone Formation Risk Assessment” Thsis, Chun Yuan Christian University, Taiwan, 2021.

[21] 梁國兆, ”Mitoxantrone水溶液安定性之研究” , 碩士論文, 國防醫學院藥學所, 桃園縣, 1990

[22] 尿路結石的藥物治療https://www.urokingdom.com/

[23] Electrical Conductivity of Metal
https://www.thoughtco.com/electrical-conductivity-in-metals-2340117

[24] R. W. Brodersen, P. R. Gray and D. A. Hodges, "MOS switched-capacitor filters," in Proceedings of the IEEE, vol. 67, no. 1, pp. 61-75, Jan. 1979, doi: 10.1109/PROC.1979.11203.

[25] Texas Instruments - INA322
https://www.ti.com/product/zh-tw/INA322#tech-docs

[26] 電化學阻抗頻譜分析技術之發展及應用
https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11514

[27] P.Debye, H. Falkenhagen, Phys. Z, 29, 212; 401(1928)

[28] R. J. Baker, "CMOS Circuit Design, Layout and Simulation," John Wiley & Sons,INC. , 2 nd edit, Chapter 25, 2005, ISBN: 0-471-70055-x.

[29] B. Razavi, Design of analog CMOS integrated circuits. 清华大学出版 社有限公司, 2005.

電子全文 電子全文(網際網路公開日期:20260130)
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