Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
Chương 44 Chương Y SINH THITHIẾẾT BT BỊỊ & C& CẢẢM BIM BIẾẾNN Y SINH
Mục tiêu: -Gi ới 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 lo ại cảm biến ứng dụng trong y sinh
Trở kháng Dung kháng Áp điện Nhiệt độ Quang học Hoá học, hoásinh
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến ln làà ggìì??
Thiết bị biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác
Cảm biến Đầu phát Ví dụ, hiên tượng áp điện:
Lực-> điện thế Tín hiệu điện
Điện thế-> lực Tín hiệu vật lý
=> Tín hiệu siêu âm
Tín hiệu điện Tín hiệu vật lý
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCáác đc đặặc trưng c
c trưng củủa ca cảảm bim biếếnn
Hàm truyền:
Mối quan hệ chức năng giữa tín hiệu vật lý ra vào vàtín hi ệu hiệu vào ra (cid:240) 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 dụđộ nhạy của nhiệt kế: Volts/Kelvin.
Khoảng hiệu lực (khoảng động):
Khoảng giátr ị tín hiệu vật lý vào cóth ể 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 vàtín hi ệu lý tưởng phát ra.
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCáác loc loạại ci cảảm bim biếến vn vậật lýt lý
Ví dụ:
•Dòng ch ảy/áp suất máu
• Lực tác dụng, áp suất
•Các k ẹp phẫu thuật
•Các túi hơi khảo sát nhu động
• Đo thân nhiệt
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
n y sinh CCảảm bim biếến y sinh
• Đầu đo bíến dạng kim loại lỏng
• Cảm biến dịch chuyển từ
(Linear variable differential
• Đo dịch chuyển cảm ứng
transformer)
• Đo lực nén
•Các túi hơi khảo sát nhu động
•Vi c ảm biến áp suất bán dẫn
• Cảm biến điện từ dòng chảy
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến trn trởở khkhááng ng -- Đ Đầầu dò đi
u dò điệện thn thếế
(cid:240) Độ dịch chuyển tuyến tính hoặc góc quay tỷ lệ với điện trở
Đầu dò điện thế (potentiometer) tuyến tính vàquay
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
c căng u dò sứức căng
CCảảm bim biếến trn trởở khkhááng ng -- Đ Đầầu dò s
(strain gage) (strain gage)
Điện trở strain gage = điện trở suất * chiều dài / tiết diện mặt cắt:
Biến đổi vi phân loga hai vế:
Biến áp điện đổi Kích thước
Biến đổi tương đối điện trở cóth ể xác định bởi:
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến trn trởở khkhááng ng -- Đ Đầầu dò s
c căng u dò sứức căng
Hệ số đầu dò sức căng
G =
Hàm truyền
lety lety
bien bien
doi doi
dien luc
Rtro cang
(cid:222)Input là lực căng
(cid:222) Output làdR
G làthông s ố đặc trưng cho độ nhạy
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến trn trởở khkhááng ng -- Đ Đầầu dò s
c căng u dò sứức căng
Ứng dụng
(cid:222) kẹp giải phẫu
(cid:222) Đầu dò áp suất máu
(cid:222) Đầu dò đo độ căng cơ vv…
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến cn cảảm khm kháángng
Cảm biến dịch chuyển Sơ cấp Thứ cấp
Bộ cảm ứng thường làcu ộn dây bao quanh lõi sắt. Nó đáp ứng cho cả từ trường lẫn điện trường Bộ biến thế thường là2 cu ộn dây cách điện nhau bao quanh lõi sắt: cuộn sơ cấp vàcu ộn thứ cấp
Bộ cảm ứng hoặc biến thế chỉ hoạt động với điện AC
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
LVDT CCảảm bim biếến cn cảảm khm khááng ng -- LVDT
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…
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến dung kh
n dung kháángng
Phổ biến làcác t ụ điện hoáho ặc gốm
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến dung kh
n dung kháángng Một số cấu hình đo dịch chuyển
Dạng biến đổi diện tích Dạng biến đổi điện môi
Dạng vi sai
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến n ááp đip điệệnn
Hiện tương áp điện làgì ?
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 là2 chi ều:
Các áp dụng khác nhau đầu dò áp điện:
(cid:222)Đo gia tốc (cid:222) Lực cơ học tạo ra điện thế
(cid:222)Microphone
(cid:222)Điện thế áp đặt tạo ra sự dịch chuyển bề mặt (cid:222) Tạo vàthu nh ận sóng âm
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến n ááp đip điệệnn
Các phương trình trên ứng với khi lực tác dụng theochi ều L,Whayt.
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến nhi
n nhiệệt đt độộ
1. Điện trở 2. a. Thiết bị nhiệt trở (RTD –Resistance
Temperature Devices)
b. Nhiệt trở bán dẫn
(RTD) ThiThiếết bt bịị nhinhiệệt trt trởở (RTD)
3. 4. Cặp nhiệt điện 5. Đo nhiệt bằng bức xạ 6. Cảm biến đo nhiệt sợi quang
Thiết bị ThermoWorks RTD thương mại
RTD thường được làm bằng kim loại bạch kim, nickel hoặc đồng. Các kim loại đóbi ểu thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ như sau:
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến nhi
n nhiệệt trt trởở bbáán dn dẫẫnn
CCặặp nhi
p nhiệệt đi
t điệệnn
Hiệu ứng Seebeck: Khi cóhai kim lo ại 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 (cid:240) độ lớn của emf phụ thuộc vào nhiệt độ.
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
Đo nhiệệt bt bằằng bng bứức xc xạạ nhinhiệệtt Đo nhi
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
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến nhi
i quang n nhiệệt st sợợi quang
Chiết suất lớp phủ bọc ngoài sợi quang (cladding) phụ thuộc vào nhiệt độ vàlàm cho hiện tượng phản xạ toàn phần ảnh hưởng (cid:240) lượng ánh sáng truyền qua sợi quang thay dổi theo nhiệt độ
(cid:240) Chọn vật liệu phù hợp, cóth ể chế tạo được cảm biến nhiệt rất nhạy.
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến nhi
i quang n nhiệệt st sợợi quang
Cảm biến nhiệt sợi quang của hãng Nortech bao gồm một tinh thể GaAs và một gương điện môi ở một đầu sợi quang.
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến hon hoáá sinhsinh
Cảm biến hoásinh t ạo ra một tín hiệu điện phụ thuộc vào nồng độ các hợp chất phân tích sinh học.
Mô hình cảm biến hoásinh
Tín hiệu điện
Chất phân tích
Bộ chuyển đổi
Tác nhân thu nhận sinh học
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến hon hoáá sinhsinh
Nguyên lý cảảm nhm nhậận sinh h Nguyên lý c
c (biosensing) n sinh họọc (biosensing)
nn ĐiĐiệện hn hóóaa
=> cảm biến hoáth ần
kinh đối vớiDopamine, Nitric Oxide, etc.
Potentiometric •• Potentiometric •• Amperometric Amperometric FET based •• FET based Conductometric •• Conductometric
Quang họọcc
nn Quang h nn ÁÁp đip điệệnn
=> Máy đo nồng độ oxy => Accelerometer,
microphone
=> Thanh cấy vòm họng,
nn NhiNhiệệtt
máy trợ tim
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến hon hoáá sinhsinh
Nguyên lý cảảm nhm nhậận sinh h Nguyên lý c
c (biosensing) n sinh họọc (biosensing)
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
trong mááuu
Đo nĐo nồồng đng độộ khkhíí trong m Các phép đo nhanh vàchính xác các n ồng độ khí (pO2), (pCO2) (pH) là rất cần thiết vàquan tr ọng trong chẩn đoán.
Oxy được đo gián tiếp như tỷ lệ Hemoglobin chứa Oxy (sO2):
]
[
100
=
·
sO 2
Hb
HbO 2 [ ]
Nồng độ pCO2 được đo dựa vào quan hệ tuyến tính với pH trong khoảng 10-90 mm Hg.
-
H
(cid:219)
(cid:219)
++
H O CO + 2
2
HCO 2
3
HCO 3
Hằng số hoà tan được tính bằng:
+
-
[
]
k
=
][ H HCO 3 apCO (cid:215)
2
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
Đo nĐo nồồng đng độộ khkhíí trong m
trong mááuu
c đo pH ĐiĐiệện cn cựực đo pH
ĐiĐiệện cn cựực đo pO
c đo pO22
0
E
ln
=
H
RT nF
H H
[ [
] ]
(cid:230) (cid:231) Ł
(cid:246) (cid:247) ł
i
Phương trình Nersnt
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến hon hoáá sinh quang h
sinh quang họọcc
Nguyên lý:
Sự biến đổi về cường độ quang cóliên h ệ với sự biến đổi về khối lượng hay nồng độ các chất cảm quang hoặc phát quang.
LED
IR light
Finger
Nhiều nguyên lý cụ thể được sử dụng như: sợi quang, sự phát quang, sự hấp thụ, công hưởng quang bề mặt…
Photodetector
Ví dụ: mô hình đo nồng độ oxy trong máu bằng hồng ngoại (cid:240)
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
CCảảm bim biếến hon hoáá sinh quang h
sinh quang họọcc
Ống nội soi sợi quang xuyên tim
Đèn chiếu sáng
Đầu thu sợi quang
Nhiệt trở
Ống bọc ngoài
Ống nội soi sợi quang xuyên tim
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
Bàigi ảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH –Ngành V ẬT LÝ KỸ THUẬT -Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006
ThiThiếết bt bịị đo n
đo nồồng đng độộ oxy trong m
oxy trong mááuu
The pulseoximeteris a spectrophotometricdevice that detects and calculates the differential absorption of light by oxygenated and reduced hemoglobin to get sO2. A light source and a photodetectorare contained within an ear or finger probe for easy application.
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 relatetranscutaneouslight absorption to sO 2.
Chương 4:Thi ết bị & cảm biến y sinh
