Bài giảng Cơ sở Kỹ thuật Y sinh: Chương 4 - Thiết bị và 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 tính 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 và hóa học.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở Kỹ thuật Y sinh: Chương 4 - Thiết bị và 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
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
Cảm biến là gì?
Thiết bị biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác
Ví dụ, hiên tượng áp
Cảm biến Đầu phát
điện:
Lực -> điện thế
Tín hiệu Tín hiệu điện
vật lý Điện thế-> lực
=> Tín hiệu siêu âm
Tín hiệu Tín hiệu
điện vật lý
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
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.
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
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.
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
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
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
Cảm biến y sinh
• Đầu đo bíến dạng kim
loại lỏng
• Cảm biến dịch chuyển
từ
(Linear variable differential • Đo dịch chuyển cảm
transformer) ứng
• Đo lực nén
•Các túi hơi khảo sát
nhu động
• Vi cảm biến áp suất
bán dẫn
• Cảm biến điện từ
dòng chảy
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
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
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
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:
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
Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng
Hệ số đầu dò sức căng
ty le bien doi dien tro R Hàm truyền
G=
ty le bien doi luc cang ÞInput là lực căng
Þ Output là dR
G là thông số đặc trưng cho độ nhạy
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
Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng
Ứng dụng
Þ kẹp giải phẫu
Þ Đầu dò áp suất
máu
Þ Đầu dò đo độ
căng cơ vv…
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
Cảm biến cảm kháng
Sơ cấp Thứ cấp Cảm biến dịch chuyển
Bộ cảm ứng thường là cuộn Bộ biến thế thường là 2 cuộn
dây bao quanh lõi sắt. Nó đáp dây cách điện nhau bao quanh
ứng cho cả từ trường lẫn điện lõi sắt: cuộn sơ cấp và cuộn
trường thứ cấp
Bộ cảm ứng hoặc biến thế chỉ hoạt động với điện AC
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
Cảm biến cảm kháng - LVDT
LVDT: linear variable differential transformer - bộ biến đổi vi sai tuyến tính
LVDT
Linear Variable
Differential Transformer
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: 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
Cảm biến dung kháng
Phổ biến là các tụ
điện hoá hoặc gốm
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
Cảm biến dung kháng
Một số cấu hình đo dịch chuyển
Dạng biến đổi diện tích
Dạng biến đổi điện môi
Dạng vi sai
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
Cảm biến áp điện
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
Các áp dụng khác nhau đầu dò áp dụng là 2 chiều:
điện:
Þ Lực cơ học tạo ra
ÞĐo gia tốc điện thế
ÞMicrophone ÞĐiện thế áp đặt tạo ra
sự dịch chuyển bề mặt
Þ Tạo và thu nhận sóng âm
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
Cảm biến áp điện
Các phương trình trên ứng với khi lực tác dụng theo chiều L,W hay t.
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
Cảm biến nhiệt độ
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
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
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
Cảm biến nhiệt trở bán dẫn
Cặp nhiệt điện
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.
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
Đo nhiệt bằng bức xạ nhiệt
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: 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
Cảm biến nhiệt sợi quang
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.
Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
