Bài giảng Cơ sở kỹ thuật y sinh - Chương 4: Thiết bị và cảm biến y sinh

Chương 4 THIẾT BỊ & CẢM BIẾN Y SINH Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Mục tiêu: - Giới thiệu nguyên lý cơ bản hoạt động thiết bị y sinh và các loại cảm biến thu nhận các tín hiệu sinh học - Đặc trưng tổng quát các cảm biến - Phân loại cảm biến ứng dụng trong y sinh Trở kháng Dung kháng Áp điện Nhiệt độ Quang học Hoá học, hoá sinh Cảm biến là gì? Thiết bị biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác Đầu phátCảm biến Tín hiệu vật lý Tín hiệu điện Tín hiệu điện Tín hiệu vật lý Ví dụ, hiên tượng áp điện: Lực -> điện thế Điện thế-> lực => Tín hiệu siêu âm Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Các đặc trưng của cảm biến Hàm truyền: Mối quan hệ chức năng giữa tín hiệu vật lý ra vào và tín hiệu hiệu vào ra ð sự hiệu chỉnh tương thích. Độ nhạy: Tỷ lệ độ biến thiên nhỏ của tín hiệu vật lý và độ biến thiên tương ứng của tín hiệu điện. Đơn vị ví dụ độ nhạy của nhiệt kế: Volts/Kelvin. Khoảng hiệu lực (khoảng động): Khoảng giá trị tín hiệu vật lý vào có thể biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng. Ngoài khoảng đó, tín hiệu không nhận được hoặc có độ chính xác kém. Độ chính xác: Sai số lớn nhất giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu lý tưởng phát ra. Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Các đặc trưng của cảm biến Độ tuyến tính: Độ lệch cực đại so với hàm truyền tuyến tính trên một khoảng động nào đó. Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên hoặc do các tác nhân điều kiện đo tạo nên thành phần tín hiệu công sinh với tín hiệu đo. Độ phân giải: Độ thăng giáng tín hiệu tối thiểu mà đầu dò có thể phân biệt được. Băng thông: Khoảng tần số mà đầu dò có thể hoạt động thu nhận dạng tín hiệu nào đó. Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Các loại cảm biến vật lý Ví dụ: • Dòng chảy/áp suất máu • Lực tác dụng, áp suất • Các kẹp phẫu thuật •Các túi hơi khảo sát nhu động • Đo thân nhiệt Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cảm biến y sinh Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh • Đầu đo bíến dạng kim loại lỏng • Cảm biến dịch chuyển từ • Đo dịch chuyển cảm ứng • Đo lực nén •Các túi hơi khảo sát nhu động • Vi cảm biến áp suất bán dẫn • Cảm biến điện từ dòng chảy (Linear variable differential transformer) Cảm biến trở kháng - Đầu dò điện thế Đầu dò điện thế (potentiometer) tuyến tính và quay ð Độ dịch chuyển tuyến tính hoặc góc quay tỷ lệ với điện trở Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng (strain gage) Điện trở strain gage = điện trở suất * chiều dài / tiết diện mặt cắt: Biến đổi vi phân loga hai vế: Kích thước Biến áp điện đổi Biến đổi tương đối điện trở có thể xác định bởi: Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng Hệ số đầu dò sức căng G là thông số đặc trưng cho độ nhạy Hàm truyền ÞInput là lực căng Þ Output là dR Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh canglucdoibienlety RtrodiendoibienletyG = Ứng dụng Þ kẹp giải phẫu Þ Đầu dò áp suất máu Þ Đầu dò đo độ căng cơ vv… Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Bộ cảm ứng thường là cuộn dây bao quanh lõi sắt. Nó đáp ứng cho cả từ trường lẫn điện trường Bộ biến thế thường là 2 cuộn dây cách điện nhau bao quanh lõi sắt: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Sơ cấp Thứ cấp Cảm biến dịch chuyển Bộ cảm ứng hoặc biến thế chỉ hoạt động với điện AC Cảm biến cảm kháng Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh LVDT Linear Variable Differential Transformer LVDT: linear variable differential transformer - bộ biến đổi vi sai tuyến tính LVDT sử dụng như một cảm biến dịch chuyển: trong các thiết bị hỗ trợ khảo sát sự co cơ, trong thiết bị trợ tim khảo sát sự co thắt của tim vv… Cảm biến cảm kháng - LVDT Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Phổ biến là các tụ điện hoá hoặc gốm Cảm biến dung kháng Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Một số cấu hình đo dịch chuyển Dạng vi sai Dạng biến đổi điện môiDạng biến đổi diện tích Cảm biến dung kháng Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Hiện tương áp điện là gì ? Áp lực lên bề mặt tạo ra sự phân bố bất đối xứng các điện tích tạo thành những lưỡng cực điện. Các phân bố định hướng khác nhau của lưỡng cực điện tạo ra hiệu thế giữa 2 bề mặt tinh thể áp điện. Tác dụng là 2 chiều: Þ Lực cơ học tạo ra điện thế ÞĐiện thế áp đặt tạo ra sự dịch chuyển bề mặt Các áp dụng khác nhau đầu dò áp điện: ÞĐo gia tốc ÞMicrophone Þ Tạo và thu nhận sóng âm Cảm biến áp điện Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Các phương trình trên ứng với khi lực tác dụng theo chiều L,W hay t. Cảm biến áp điện Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh 1. Điện trở 2. a. Thiết bị nhiệt trở (RTD – Resistance Temperature Devices) 3. b. Nhiệt trở bán dẫn 4. Cặp nhiệt điện 5. Đo nhiệt bằng bức xạ 6. Cảm biến đo nhiệt sợi quang Cảm biến nhiệt độ Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Thiết bị nhiệt trở (RTD) RTD thường được làm bằng kim loại bạch kim, nickel hoặc đồng. Các kim loại đó biểu thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ như sau: Thiết bị ThermoWorks RTD thương mại Hiệu ứng Seebeck: Khi có hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau, tại mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt (thermal emf) do sự khuếch tán nhiệt của các electron tự do khác nhau từ 2 kim loại ð độ lớn của emf phụ thuộc vào nhiệt độ. Cảm biến nhiệt trở bán dẫn Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cặp nhiệt điện Định luật Wien: Bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại trong phổ bức xạ nhiệt tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối: lmaxT=2.898x10-3 moK Đo nhiệt bằng bức xạ nhiệt Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Chiết suất lớp phủ bọc ngoài sợi quang (cladding) phụ thuộc vào nhiệt độ và làm cho hiện tượng phản xạ toàn phần ảnh hưởng ð lượng ánh sáng truyền qua sợi quang thay dổi theo nhiệt độ ð Chọn vật liệu phù hợp, có thể chế tạo được cảm biến nhiệt rất nhạy. Cảm biến nhiệt sợi quang Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cảm biến nhiệt sợi quang của hãng Nortech bao gồm một tinh thể GaAs và một gương điện môi ở một đầu sợi quang. Cảm biến nhiệt sợi quang Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cảm biến hoá sinh tạo ra một tín hiệu điện phụ thuộc vào nồng độ các hợp chất phân tích sinh học. Mô hình cảm biến hoá sinh Tín hiệu điện Chất phân tích Tác nhân thu nhận sinh học Bộ chuyển đổi Cảm biến hoá sinh Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Nguyên lý cảm nhận sinh học (biosensing) n Điện hóa • Potentiometric • Amperometric • FET based • Conductometric n Quang học n Áp điện n Nhiệt => cảm biến hoá thần kinh đối với Dopamine, Nitric Oxide, etc. => Máy đo nồng độ oxy => Accelerometer, microphone => Thanh cấy vòm họng, máy trợ tim Cảm biến hoá sinh Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Cảm biến hoá sinh Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Nguyên lý cảm nhận sinh học (biosensing) Các phép đo nhanh và chính xác các nồng độ khí (pO2), (pCO2) (pH) là rất cần thiết và quan trọng trong chẩn đoán. Oxy được đo gián tiếp như tỷ lệ Hemoglobin chứa Oxy (sO2): [ ] [ ]sO HbO Hb2 2 100= ´ Đo nồng độ khí trong máu Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Nồng độ pCO2 được đo dựa vào quan hệ tuyến tính với pH trong khoảng 10 - 90 mm Hg. H O CO H CO H HCO2 2 2 3 3+ Û Û + + - Hằng số hoà tan được tính bằng: [ ][ ] k H HCO a pCO = × + - 3 2 Điện cực đo pH Phương trình Nersnt [ ] [ ]E RT nF H HH i = æ è ç ö ø ÷ln 0 Đo nồng độ khí trong máu Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Điện cực đo pO2 Nguyên lý: Sự biến đổi về cường độ quang có liên hệ với sự biến đổi về khối lượng hay nồng độ các chất cảm quang hoặc phát quang. Nhiều nguyên lý cụ thể được sử dụng như: sợi quang, sự phát quang, sự hấp thụ, công hưởng quang bề mặt… Ví dụ: mô hình đo nồng độ oxy trong máu bằng hồng ngoại ð LED Photodetector Finger IR light Cảm biến hoá sinh quang học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Ống bọc ngoài Nhiệt trở Đèn chiếu sáng Đầu thu sợi quang Ống nội soi sợi quang xuyên tim Cảm biến hoá sinh quang học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Ống nội soi sợi quang xuyên tim Two wavelengths of monochromatic light -- red (660 nm) and infrared (940 nm) -- are used to gauge the presence of oxygenated and reduced hemoglobin in blood. With each pulse beat the device interprets the ratio of the pulse-added red absorbance to the pulse-added infrared absorbance. The calculation requires previously determined calibration curves that relate transcutaneous light absorption to sO2. The pulse oximeter is a spectrophotometric device that detects and calculates the differential absorption of light by oxygenated and reduced hemoglobin to get sO2. A light source and a photodetector are contained within an ear or finger probe for easy application. Thiết bị đo nồng độ oxy trong máu Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh