Bài giảng cơ sở kỹ thuật y sinh chương 4 thiết bị và cảm biến y sinh

Bài gi ng Ơ

KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ Ỹ THUẬT Khoa KHƯ – ĐHB – ĐHQG TP

M 2006

Chương 4
THIẾT
T BỊ
B & C M BIẾN Y SINH
Mục tiêu:
- Giới thiệu nguyên lý cơ b n hoạt ñộng thiết bị y sinh và
các loại cảm biến thu nhận các tín hiệu sinh học
- Đặc trưng t ng quát các cảm biến
- Phân loại cảm biến ứng dụng trong y sinh
Tr kháng
Dung kháng
Áp ñiện
Nhiệt ñộ
Quang học
Hoá học, hoá sinh

Chương 4: Thiết bị & c m biến y sinh


Bài gi ng Ơ

KỸ THU T Y SINH – Ngành VẬT LÝ Ỹ THUẬT Khoa KH

– HB – HQG TP HCM 2006

Cảm biến là gì?
Thi t bị biến

i n ng l

ng từ d ng này sang dạ ng khác

m biến

u phát

Tín hiệu
v t lý

Tín hiệu ñiện

Ví dụ, hiên t
ñiện:

ng áp

L c -> ñiện thế
Điện thế-> l c

=> Tín hiệu siêu âm
Tín hiệu
ñiện

Tín hiệu
vậ t 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

C c ñặc trưng của cảm biến
Hàm truy n:
M i quan hệ chức năng giữa tín hiệu vật lý ra vào và tín hiệu hiệu
vào ra
sự hiệu ch nh tương thích.
Độ nhạy:
T lệ ñộ biến thiên nh c a tín hiệu vật lý và ñộ biến thiên tương
ứng của tín hiệu ñiện. Đơn vị ví dụ ñộ nhạy của nhiệt kế:
Volts/Kelvin.
Khoảng hiệu lực (khoảng ñộng):
Khoảng giá trị tín hiệu vật lý vào có th biến ñổi thành tín hiệu ñiện
tương ứng. Ngoài khoảng ñó, tín hiệu không nhận ñược hoặc có ñộ
chính xác kém.
Độ chính xác:
Sai số lớn nhất giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu lý tưởng phát ra.
ươ

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

C c ñặc trưng của cảm biến
Độ
ế tính:

Độ lệch cực ñại so với hàm truyền tuyến tính trên một khoảng ñộng
nào ñó.
Nhiễu:
Tín hiệu ngẫu nhiên hoặc do các tác nhân ñiều kiện ño tạo nên
thành ph n tín hiệu công sinh với tín hiệu ño.
Độ phân giải:
Độ thăng giáng tín hiệu tối thiểu mà ñ u dò có thể phân biệt ñược.
Băng thông:
Khoảng t n số mà ñ u dò có thể hoạt ñộng thu nhận dạng tín hiệu
nào ñó.

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

C c 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 ñộng
• 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
•
u ño bíến dạng kim
loại lỏng
ảm biến dịch chuyển
từ
(Linear variable differential
transformer)

• Đo dịch chuyển cảm
ứng
• Đo lực nén
túi hơi khảo sát
nhu ñộng

• Vi cảm biến áp suất
bán dẫn

ảm biến ñiện 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 ñiện thế
dò ñiện thế
(potentiometer)
tuyến tính và quay
Độ dịch chuyển tuyến tính
hoặc góc quay tỷ lệ với ñiện 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 sứ
s c căng
(strain gage)
Điện trở strain gage
cắt:

ñiện trở suất * chiều dài / tiết diện mặt

Biến ñổi vi phân loga hai vế:

Kích thước

Biến áp ñiện ñổi

Biến ñổi tương ñối ñiện trở có thể xác ñịnh 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 ố ñầu dò sức căng
Hàm truyền

ty le bien doi dien tro R
G=
ty le bien doi luc cang

⇒ nput là lực căng
⇒ Output là dR

là thông số ñ c trưng cho ñộ 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
⇒ kẹp giải phẫu
u dò áp suất
⇒
máu
⇒ Đ u dò ño ñộ
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

ộ cảm ứng thường là cuộn
dây bao quanh lõi sắt. Nó ñáp
ứng cho cả từ trường lẫn ñiện
trường

Cảm biến dịch chuyển

Bộ biến thế thường là 2 cuộn
dây cách ñiện nhau bao quanh
lõi sắt: cuộn sơ cấp và cuộn
thứ cấp

ộ cảm ứng hoặc biến thế ch hoạt ñộng với ñiện 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 ñổi vi sai tuyến tính

LVDT

Linear Variable
Differential Transformer

LVDT s 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
ñiện 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
ột số cấu hình ño dịch chuyển

Dạng biến ñổi diện tích

Dạng biến ñổi ñiện 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 ñiện
Hiệ

tương áp ñiện là gì ?

Các áp dụng khác nhau
ñiện:

u dò áp

⇒Đo gia tốc
⇒Microphone
⇒ Tạo và thu nhận sóng âm

p l c lên bề mặt tạo
ra sự phân bố bất ñối
xứng các ñiện tích tạo
thành những lưỡng cực
ñiện. Các phân bố ñịnh
hướng khác nhau của
lưỡng cực ñiện tạo ra
hiệu thế giữa 2 bề mặt

tinh thể áp ñiện. Tác
dụng là 2 chiều:
⇒ Lực cơ học tạo ra
ñiện thế
⇒Điện thế áp ñặt tạo ra
sự dịch chuyển bề mặt

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 ñiện

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 ñộ
1. Điện trở
2.
a. Thiết bị nhiệt trở (RTD – Resistance
Temperature Devices)
3.
b. Nhiệt trở bán dẫn
4. Cặp nhiệt ñiện
5. Đo nhiệt bằng bức xạ

6. Cảm biến ño nhiệt sợi quang

Thiết bị nhiệt trở (RTD)
RTD thường ñược làm bằng kim loại bạch kim, nickel hoặc
ñồng. Các kim loại ñó biểu thị sự phụ thuộc vào nhiệt ñộ 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 ñiện
ệu ứng Seebeck: Khi có hai kim loại
khác nhau tiếp xúc với nhau, tại mặt tiếp
xúc sẽ xuất hiện sức ñiện ñộng nhiệt
thermal emf do sự khuếch tán nhiệt của
các electron tự do khác nhau từ kim
loại
ñộ lớn của emf phụ thuộc vào
nhiệt ñộ.

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
Đ nhiệt bằng bức xạ nhiệt
Định luật Wien: Bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực ñại
trong phổ bức xạ nhiệt tỷ lệ nghịch với nhiệt ñộ tuyệt ñối:

λmaxT=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 ñộ và làm
cho hiện tượng phản xạ toàn ph n ảnh
hưởng
lượng ánh sáng truyền qua sợi
quang thay dổi theo nhiệt ñộ
Chọn vật liệu phù hợp, có thể chế tạo
ñược cảm biến nhiệt rất 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 nhiệt sợi quang

Cảm biến nhiệt sợi quang của hãng Nortech bao gồm một tinh thể
a s và một gương ñiện môi ở một
u sợi quang.

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 hoá sinh
Cảm biến hoá sinh tạo ra một tín hiệu ñiện phụ thuộc vào nồng ñộ
các hợp chất phân tích sinh học.
Mô hình cảm biến hoá sinh
Tín hiệu ñiện

Chất
phân
tích

Tác nhân
thu nhận
sinh học

Bộ chuyển ñổi

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 hoá sinh
Nguyên lý cảm nhận sinh học (biosensing)
Điện hóa
• Potentiometric
•
perometric
•
T based
• Conductometric
Quang học
Áp ñiện
Nhiệt

=> cảm biến hoá th n
kinh ñối với Dopamine,
Nitric Oxide, etc.

=> Máy ño nồng ñộ oxy
=> Accelerometer,
microphone
=> Thanh cấy vòm họng,
máy trợ tim

Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ

THU T Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Cảm biến hoá sinh
Nguyên lý cảm nhận sinh học (biosensing)

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
Đ nồng ñộ khí trong máu
Các phép ño nhanh và chính xác các n ng ñộ khí (pO2), (pCO2)
(pH) là rất c n thiết và quan trọng trong ch n ñoán.
Oxy ñược ño gián tiếp như tỷ lệ Hemoglobin chứa Oxy
sO2 =

sO2):

[ HbO ] × 100
2

[ Hb]

Nồng ñộ pCO2 ñược ño dựa vào quan hệ tuyến tính với pH trong
khoảng 10 - 90 mm Hg.
H 2 O + CO2 ⇔ H 2 CO3 ⇔ H + + HCO3 −

Hằng số hoà tan ñược tính bằng:

[ H ][ HCO ]

k=
+

−

3

a ⋅ pCO2

Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh