Xây dựng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho quy trình đo tổng trở các đối tượng sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ THƯƠNG

XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM CHO
QUY TRÌNH ĐO TỔNG TRỞ CÁC ĐỐI TƯỢNG SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
Mã số : 604417

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2015


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Trần Hy Bình

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Lâm Duy

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 15 tháng 8 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS Cần Văn Bé
2. Thư ký: TS. Ngô Thị Minh Hiển
3. Phản biện 1: PGS.TS Huỳnh Quang Linh

4. Phản biện 2: TS. Nguyễn Lâm Duy

5. Ủy viên: TS. Lý Anh Tú
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

MSHV: 13123078

Ngày, tháng, năm sinh: 26/02/1987

Nơi sinh: Hải Dƣơng

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật

Mã số : 604417

I. TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM CHO QUY

TRÌNH ĐO TỔNG TRỞ CÁC ĐỐI TƢỢNG SINH HỌC
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
+ Nghiên cứu về tổng trở (đặc tính điện thụ động) của các đối tƣợng sinh học.
+ Cập nhật các nghiên cứu ứng dụng đo tổng trở trên thế giới trong một số lĩnh vực về
thực phẩm, y tế.
+ Nghiên cứu và tìm hiểu mơ hình của tổng trở, các ngun lý, phƣơng pháp đo. Phép
biến đổi Fourier trong ứng dụng đo tổng trở.
+ Xây dựng cơ sở thực nghiệm đo gồm: xây dựng hệ đo và thực nghiệm đo trên các đối
tƣợng cụ thể: Khoai tây, dƣa leo, thịt; đánh giá kết quả thực nghiệm.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TRẦN HY BÌNH

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


ii

LỜI CẢM ƠN
Để đạt đƣợc kết quả tốt đẹp nhƣ ngày hơm nay, lời đầu tiên, xin tỏ lịng kính
trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, TS. Trần Hy Bình, ngƣời đã hết lịng giảng
dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian làm việc và
nghiên cứu tại Viện Vật lý Y sinh học. Xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành vì
đã tận tình hƣớng dẫn và chỉ bảo tơi trong suốt q trình thực hiện cho đến khi hồn
tất luận văn này.
Xin cảm ơn quý thầy cô Khoa Khoa Học Ứng Dụng trƣờng Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tâm truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm
q báu cho tơi trong suốt q trình học tập ở trƣờng, cũng nhƣ đã cho tôi những lời
động viên, khích lệ cùng những góp ý bổ sung q báu.
Xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện Vật Lý Y Sinh học đã cùng tôi miệt
mài nghiên cứu thực hiện nhiệm vụ của viện giao cũng nhƣ trợ giúp tơi trong suốt
q trình làm việc và nghiên cứu đặc biệt đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về thời gian
cũng nhƣ tài liệu trong quá trình thực hiện luận văn.
Con xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cha Mẹ, ngƣời đã dày công sinh thành
và dƣỡng dục để con có đƣợc ngày hơm nay.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn những ngƣời bạn, những ngƣời thân yêu
đã luôn bên cạnh và hỗ trợ hết mình về vật chất lẫn tinh thần cho tơi trong suốt q
trình học tập ở trƣờng, làm việc và nghiên cứu cũng nhƣ thực hiện luận văn này.
Xin chúc mọi ngƣời sức khỏe và thành cơng.

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


iii

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Tổng trở sinh học là một tham số thể hiện trạng thái của đối tƣợng sinh học.
Phƣơng pháp đo tổng trở sinh học nhằm đánh giá tình trạng của đối tƣợng một cách
nhanh chóng, an tồn, chính xác, khơng xâm lấn và đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong
y học. Đề tài trình bày những kiến thức tổng quan về tổng trở sinh học nhƣ: trình
bày rõ nội dung về tổng trở sinh học, cập nhật các nghiên cứu hiện nay về tổng trở,
những ứng dụng về phƣơng pháp tổng trở trong thực tiễn. Nội dung chính của luận
văn trình bày về cơ sở lý thuyết của quá trình đo tổng trở nhƣ: tƣơng tác của dịng
điện với đối tƣợng sinh học, mơ hình điện, nguyên lý đo, các tín hiệu kích thích, và
cách xử lý tín hiệu thu đƣợc trong phép đo tổng trở; và cơ sở thực nghiệm gồm hệ
thiết bị, các mạch giao tiếp, hệ điện cực và trình bày những kết quả đã thu đƣợc khi
đo thử nghiệm trên một số mẫu vật sinh học.

ABSTRACT
Bioimpedance is a parameter indicating the status of biological objects.
Bioimpedance measurement is quick, non-invasive, safe, accurate method and has
been widely used in medicine to assess the status of objects. This thesis introduces
an overview about general principle of bioimpedance, state of the art research on
the bioimpedance and the applications of bioimpedance measurement method in
practice. The main contents of the thesis presents the basis theory of bioimpedance
measurement such as the interaction of the current with biological objects, bioelectric models, measurement principles, the stimulation signals, and

signal

processing of bioimpedance measurements. Basic experiments include measuring
system, analog front-end, electrode systems and the results of testing measurement
on biological objects.

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Thị Thương


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ...................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
ABSTRACT ............................................................................................................ iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ...................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU................................................................................... xii
CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU .............................................................................................1
1.1. Sơ lƣợc về lịch sử quá trình đo tổng trở ..............................................................1

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp đo tổng trở hiện nay ...............3
1.3. Mục tiêu của đề tài ...............................................................................................5
1.4. Nhiệm vụ của đề tài..............................................................................................5
1.5. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................................6
1.6. Phạm vi của đề tài ................................................................................................6
1.7. Đối tƣợng và Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................6
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................7
2.1. Tổng trở là gì? ......................................................................................................7
2.2. Tại sao lại đo tổng trở? (Tại sao lại dùng phƣơng pháp đo điện thụ động). ..... 11
2.3. Trên thế giới phƣơng pháp đo tổng trở đã đƣợc thực hiện nhƣ thế nào?.......... 13
2.3.1. Cầu đo (Bridge) [6] ........................................................................................ 14
2.3.2. Các bộ khuếch đại chốt tần (Lock-in Amplifiers) trong thiết bị đo tổng trở. 15
2.3.3. Các thiết bị đo tổng trở sinh học .................................................................... 18
2.3.4. Các phép đo đƣợc thực hiện trong các thiết bị đo. ......................................... 21
2.4. Những ứng dụng của phƣơng pháp đo điện thụ động. ...................................... 23
2.4.1. Phân tích trở kháng điện sinh học (BIA) ....................................................... 24
2.4.2. Phổ trở kháng sinh hoc (EIS) ......................................................................... 26
2.4.3.Phép ghi biến đổi thể tích trở kháng (Impedance Plethysmography (IPG)). .. 27
2.4.4.Phƣơng pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG) .................................................... 29
2.4.5. Chụp cắt lớp trở kháng (EIT) ......................................................................... 31
HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


vi

2.5. Tại Việt Nam việc triển khai đo tổng trở nhƣ thế nào? .................................... 33
2.6. Những vấn đề mấu chốt khi thực hiện các phép đo tổng trở. ........................... 34
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO QUÁ TRÌNH ĐO TỔNG TRỞ...... 35

3.1. Tác dụng của dòng điện đối với đối tƣợng sinh học ......................................... 35
3.2. Mơ hình điện cho các phép đo tổng trở............................................................. 40
3.1.1. Mơ hình mạch điện tƣơng đƣơng hai phần tử lý tƣởng. ................................ 41
3.1.1.1. Mơ hình hai phần tử mắc song song và tổng dẫn........................................ 41
3.1.1.2. Mơ hình hai phần tử mắc nối tiếp và tổng trở. ............................................ 43
3.1.1.3. Biểu diễn biểu đồ Bode và Wessel cho mạch tƣơng đƣơng hai phần tử lý
tƣởng ........................................................................................................................ 44
3.1.2. Mơ hình mạch điện tƣơng đƣơng ba phần tử lý tƣởng. ................................. 47
3.3. Các mơ hình ngun lý cho phép đo tổng trở. ................................................. 49
3.3.1. Mơ hình ngun lý cho phƣơng pháp hai điện cực ........................................ 50
3.3.2. Mơ hình ngun lý cho hệ ba điện cực .......................................................... 51
3.3.3. Mơ hình nguyên lý cho hệ bốn điện cực. ....................................................... 53
3.4. Phƣơng pháp phân tích dữ liệu tổng trở. ........................................................... 55
3.4.1. Dạng tín hiệu kích thích sử dụng trong phép đo tổng trở sinh học ................ 56
3.4.2. Biến đổi phổ theo chuỗi Fourier của tín hiệu kích thích ................................ 58
3.4.3. Phân tích phổ và biến đổi Fourier của tín hiệu kích thích xung vuông. ........ 63
Chƣơng 4. CƠ SỞ THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH ĐO TỔNG TRỞ CÁC ĐỐI
TƢỢNG SINH HỌC .............................................................................................. 66
4.1. Hệ thống đo tổng trở ......................................................................................... 66
4.2. Quy trình đo ..................................................................................................... 72
4.2.1. Chuẩn bị dụng cụ và kết nối hệ thống đo ....................................................... 72
4.2.2 Đo kiểm hệ thống đo với các mẫu chuẩn ....................................................... 73
4.3. Hệ phân tích dữ liệu đo ..................................................................................... 75
4.4. Kết quả đo ......................................................................................................... 76
4.4.1. Kết quả thu đƣợc trực quan từ thiết bị hiển thị. ............................................. 76
4.4.2. Kết quả thu đƣợc qua chƣơng trình xử lý tín hiệu. ........................................ 77
4.5. Khảo sát tham số dịng điện và loại điện cực đo trên khoai tây. ....................... 79
HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

vii

4.5.1. Tham số dòng điện và sự phụ thuộc của tổng trở vào thời gian dòng điện chạy
qua đối tƣợng sinh học ............................................................................................. 79
4.5.2. Đo tổng trở với các điện cực xâm lấn khác nhau .......................................... 82
4.5.3. So sánh kết quả đo tổng trở với điện cực xâm lấn bằng đồng đƣờng kính
4mm, điện cực ECG và điên cực khối sử dụng dây đồng. ....................................... 84
CHƢƠNG 5: BƢỚC ĐẦU ĐO TRÊN CƠ THỂ NGƢỜI .................................. 90
5.1. Khảo sát loại điện cực ....................................................................................... 90
5.2. Khảo sát dòng điện cấp vào bệnh nhân ............................................................. 92
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .................................... 96
6.1. Kết luận ............................................................................................................. 96
6.2. Hƣớng phát triển ............................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 97
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 102

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Mơ hình một tế bào động vật điển hình. Các bào quan gồm: (1) hạch
nhân, (2) nhân, (3) ribosome, (4) túi tiết, (5) mạng lƣới nội chất (ER) hạt, (6) bộ
máy Golgi, (7) khung xƣơng tế bào, (8) ER trơn, (9) ty thể, (10) không bào, (11)
tế bào chất, (12) lysosome, (13) trung thể................................................................ 8

Hình 2. 2: Sự lệch pha giữa cƣờng độ dịng điện và hiệu điện thế......................... 8
Hình 2. 3: Sơ đồ điện trở tƣơng đƣơng của tế bào. ................................................ 9
Hình 2. 4: Sơ đồ mạch điện có điện trở kháng. ....................................................... 9
Hình 2. 5: Mơ hình mạch điện đơn giản của tế bào. .............................................. 11
Hình 2. 6: Phép đo tổng dẫn Y với một cầu AC...................................................... 14
Hình 2. 7: Bộ khuếch đại chốt tần lệch pha 900. ..................................................... 16
Hình 2. 8: Sơ đồ khối của hệ thống đo tổng trở sinh học với thiết bị đo Solartron
1260A và giao tiếp 1294 .......................................................................................... 20
Hình 2. 9: Sự truyền qua và sự phản xạ ở một đối tƣợng đo. ................................. 22
Hình 2. 10: Lƣợc đồ phép đo trở kháng BIA bằng phƣơng pháp bốn điện cực. ..... 25
Hình 2. 11: Phổ trở kháng (EIS) nghiên cứu trong các vật liệu sinh học với
phƣơng pháp bốn điện cực sử dụng thiết bị phân tích trở kháng [6]. ...................... 26
Hình 2. 12: Sơ đồ của phép ghi biến đổi thể tích trở kháng IPG với phƣơng pháp
bốn điện cực và tính tốn trở kháng thể tích phần chân hoặc tay: (a) Phép đo trở
kháng một phần của cơ thể với phƣơng pháp bốn điện cực, (b) Thay đổi thể tích
trong phần cơ thể do áp lực máu và biến đổi trở kháng phản hổi do thay đổi thể
tích. ........................................................................................................................... 28
Hình 2. 13: Sơ đồ khối phép đo trở kháng ngực với phƣơng pháp bốn điện cực
và Phép đo trở kháng ngực với điện cực kẹp (a), điện cực dán (b). ........................ 29
Hình 2. 14: Đƣờng cong trở kháng ngực theo thời gian[8] ..................................... 30
Hình 2. 15: Một miền khép kín của mẫu đo đƣợc qt EIT với một dịng điện
biên độ khơng đổi đƣa vào qua các điện cực cấp dòng và đo điện áp biên trên các
điện cực đo áp. ......................................................................................................... 31
Hình 2. 16: Sơ đồ của hệ thống EIT cơ bản để đo hình ảnh vùng ngực bệnh nhân
đƣợc đặt các điện cực bề mặt gắn vào vùng ngực [8]. ............................................. 32
HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

ix

Hình 3.1: Minh họa tế bào với màng tế bào, dịch nội và ngoại bào dựa theo công
bố của De Lorenzo và đồng nghiệp 1997. ............................................................... 35
Hình 3. 2: Đƣờng đi của dịng điện trong mơ ở các vùng tần số khác nhau
(Fernando, 2007). ..................................................................................................... 36
Hình 3.3: Mơ tả đƣờng đi của dòng điện tần số thấp và tần số cao qua mơ. .......... 36
Hình 3.4: (a) Sự lệch pha giữ điện áp và dòng điện, (b) Biểu diễn vector tổng trở
trên trục tọa độ. ........................................................................................................ 38
Hình 3.5: (a) Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng của tế bào, (b) biểu diễn giá vector
tổng trở Z(Ω) tại các tần số khác nhau của mạch (a) ............................................... 38
Hình 3.6: Sự phân tán tần số trong các đối tƣợng sinh học.................................... 39
Hình 3.7: Mạch song song đƣợc điều khiển từ một nguồn điện áp lý tƣởng
(Ri=0), dòng điện đƣợc ghi lại bằng một thiết bị đo dịng lý tƣởng (Ri=0) ............. 41
Hình 3.8: Mạch điện mắc song song cho bởi nguồn điện lý tƣởng (Ri = ∞), điện
áp đƣợc ghi lại bởi thiết bị đo điện áp lý tƣởng (Ri = ∞). ........................................ 43
Hình 3.9: Tổng trở của mơ hình mạch mắc nối tiếp hình 3.8 đƣợc biểu diễn
trong biểu đồ Bode: tần số và trở kháng thang logarit, thang đo pha là tuyến tính
với các giá trị R = 0.1 MΩ, Cs = 10-6F (τ = 0,1 giây, fc = 1,6 Hz). ......................... 45
Hình 3.10: Biểu đồ Wessel cho mơ hình mạch mắc song song. G =10µS, Cs=10–
6

F (τ = 0.giây, fc =1.6 Hz). ...................................................................................... 46

Hình 3.11: Biểu đồ Wessel cho mơ hình mạch mắc nối tiếp R = 100 kΩ , Cs =
10–6F ( τ = 0.1 giây, fc = 1.6 Hz). ........................................................................... 46
Hình 3.12: Mơ hình ba phần tử 2R-1C: (a) Kiểu mắc song song và (b) Kiểu mắc
nối tiếp ...................................................................................................................... 47
Hình 3.13: Mơ hình ba phần tử 1R-2C (mơ hình cách điện): (a) Kiểu mắc song
song và (b) Kiểu mắc nối tiếp. ................................................................................. 48

Hình 3.14: Biểu diễn lƣợc đồ của phƣơng pháp hai điện cực ................................. 50
Hình 3.15:Mơ hình ba điện cực và mạch đo, dòng đẳng thế biểu diễn đối với mô
của vật liệu sinh học đồng nhất. Các vị trí của điện cực R xác định phạm vi đo
nhạy của hệ thống điện cực[6]. ............................................................................... 51
Hình 3.16: Biểu diễn lƣợc đồ của phƣơng pháp đo bốn điện cực ........................... 54
HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


x

Hình 3.17: Trở kháng ký sinh có thể có. ................................................................. 54
Hình 3.18: Cấu tạo của trở kháng điện sinh học của mơ. ........................................ 55
Hình 3.19: Tổng của sóng sin điều hòa với tổng các thành phần hài từ cơ bản tới
hài thứ mƣời và hài ở vơ cùng.................................................................................. 62
Hình 3. 20: Phổ của xung vuông trong miền thời gian đối xứng qua gốc tọa độ,
biên độ ±1V , tần số 1kHz ........................................................................................ 64
Hình 3. 21: Nguyên lý đo tổng trở trong miền thời gian ......................................... 64
Hình 3. 22: Cách tính toán tổng trở Z khi dùng biến đổi fourier ............................ 65
Hình 4. 1: Sơ đồ khối hệ thống đo tổng trở. ............................................................ 66
Hình 4. 2: Hệ thống đo tổng trở đƣợc bố trí trên thực tế......................................... 67
Hình 4. 3: Sơ đồ khối nguyên lý của bộ front end. ................................................. 67
Hình 4. 4: Sơ đồ nguyên lý của bộ front-end đang đƣợc sử dụng........................... 68
Hình 4. 5: Một bộ front end trên thực tế................................................................. 68
Hình 4. 6: Nguồn cung cấp dịng điện chuẩn cho mạch đo, và cách lấy tín hiệu.... 69
Hình 4. 7: Thiết bị tạo xung (a), Dao động ký (b) ................................................... 69
Hình 4. 8: Ví dụ về một loại điện cực đâm xuyên. .................................................. 70
Hình 4. 9: Cách bố trí probe chuẩn front-ent: (a) Probe chuẩn gồm các điện trở,
(b) Probe chuẩn gồm trở và tụ. ................................................................................. 71

Hình 4. 10: Cách kết nối các thành phần của hệ thống đo ...................................... 72
Hình 4. 11: Dạng tín hiệu khi đo với đầu chuẩn điện trở theo sơ đồ hình 4.9(a). ... 74
Hình 4. 12: Dạng tín hiệu khi đo với đầu chuẩn gồm tụ và trở. .............................. 74
Hình 4. 13: Mẫu dạng tín hiệu khi đo đƣợc trên điện cực đo áp với mẫu chuẩn
trở và tụ. ................................................................................................................... 75
Hình 4. 14: Đồ thị sai số hệ thống của hệ ở từng tần số .......................................... 75
Hình 4. 15: Dạng tín đo đƣợc trên OSC với mẫu khoai tây. ................................... 76
Hình 4. 16: Dạng tín đo đƣợc trên OSC với mẫu dƣa leo. ...................................... 77
Hình 4. 17: Dạng tín đo đƣợc trên OSC với mẫu dƣa hấu. ..................................... 77
Hình 4. 18: Dạng phổ trở kháng thu đƣợc khi thực hiện đo trên khoai tây trong
miền thời gian với f = 600Hz. .................................................................................. 78

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


xi

Hình 4. 19: Đồ thị phổ tổng trở của khoai tây đo bằng điện cực đâm xuyên bằng
đồng (hình a), điện cực dán ECG (hình b). .............................................................. 79
Hình 4. 20: Đồ thị độ sai lệch về pha (hình a), tổng trở (hình b) đo trên Khoai
tây trong miền tần số theo từng giá trị tần số ........................................................... 80
Hình 4. 21: Sai số tƣơng đối phần thực và phần ảo của tổng trở khi khảo sát với
các dịng điện kích thích có biên độ khác nhau........................................................ 82
Hình 4. 22: Mối quan hệ U, I, |Z| theo thời gian ghi lại bằng Oscilloscope ............ 83
Hình 4. 23: Sai số tƣơng đối của phần thực tổng trở theo chiều tăng của tần số .... 86
Hình 4. 24: Sai số tƣơng đối của phần ảo tổng trở theo chiều tăng của tần số ....... 86
Hình 4. 25: Điện cực: (a) Bộ điện cực đâm xuyên, (b)Bộ điện cực điện tim, (c)
Bộ điện cực khối ...................................................................................................... 88

Hình 4. 26: Sai số tƣơng đối của phần thực với 3 loại điện cực Cu4mm, ECG,
khối ........................................................................................................................... 88
Hình 4. 27: Sai số tƣơng đối của phần ảo với 3 loại điện cực Cu 4mm, ECG,
khối ........................................................................................................................... 88
Hình 5. 1: Các loại điện cực, (a) Điện cực Skintact, (b) Điện cực MSGLT-03G,
(c) Điện cực dây đồng .............................................................................................. 90
Hình 5. 2: Các điện cực không lõm bên trái chỉ ra sự phân cực của dòng điện đi
và và đi ra hỏi bề mặt kim loại điện cực. ................................................................. 91
Hình 5. 3: So sánh giá trị |Z| khi sử dụng loại điện cực điện cực Skintact, điện
cực MSGLT-03G, điện cực dây đồng ...................................................................... 91
Hình 5. 4: Cách bố trí điện cực trên cánh tay tình nguyện viên .............................. 92
Hình 5. 5: Độ lớn tổng trở Z đối với biên độ dòng cấp 300 µA - 600µA .............. 93
Hình 5. 6: Góc lệch pha đối với biên độ dịng cấp 300µA - 600µA ....................... 93
Hình 5. 7: Sai số tƣơng đối (SSTD) của phần thực (real), phần ảo(imag),độ lớn
tổng trở |Z| tại biên độ dịng điện cấp 500, 600, 700µA. ......................................... 94
Hình 5. 8: Phổ tổng trở của cánh tay đo trong miền thời gian với tần số f0=600
Hz (hình a), và f0=800Hz (hình b) ........................................................................... 94
Hình 5. 9: Độ lệch của phép đo trong miền thời gian ở tần số f0=800 Hz đo trên
cánh tay .................................................................................................................... 95
HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


xii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1: Các tín hiệu băng thơng rộng và phổ tần số của chúng [2] ..................... 56
Bảng 2: Bảng giá trị tần số mà trở kháng có độ lệch dưới 5% ............................... 82

HVTH: NGUYỄN THỊ THƯƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


1

CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU
1.1. Sơ lƣợc về lịch sử quá trình đo tổng trở
Tổng trở là một đại lƣợng vật lý thể hiện trạng thái của tổ chức sinh học từ
mức tế bào đến mức mô, cơ quan. Những nghiên cứu về đo tổng trở để đánh giá
hoạt động của tổ chức sinh học đã đƣợc tiến hành từ rất lâu và tới nay đã có những
bƣớc phát triển rất mạnh mẽ.
Việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến các đối tƣợng sinh học mà cụ thể
là cơ thể sống ngày càng đƣợc chú trọng. Tất cả các đối tƣợng sinh học đều đƣợc
cấu tạo từ các tế bào và thực nghiệm cho ta thấy rằng, trạng thái đối tƣợng sinh học
biến đổi có liên quan nhiều đến sự thay đổi về giá trị điện trở, điện dẫn và các thơng
số điện của tế bào [1, 2]. Ví dụ, khi một tổ chức hay bộ phận của đối tƣợng bị biến
đổi trạng thái thì thể tích tế bào có thể bị trƣơng lên, khoảng không gian giữa các tế
bào bị thu hẹp lại, điện trở tại khu vực biến đổi tăng lên rất nhanh hoặc cũng có thể
thể tích tế bào bị co lại, khoảng không gian giữa các tế bào tăng lên, làm cho điện
trở tại khu vực biến đổi giảm xuống [3,4]. Trên thế giới các nghiên cứu trƣớc đó đề
cập đến sự thay đổi trở kháng của đối tƣợng [5] và cũng đã thâm nhập vào lĩnh vực
đo tổng trở tạo ra các thiết bị xác định tham số của tổng trở các đối tƣợng sinh học.
Cũng nhƣ các tham số trạng thái khác của đối tƣợng sinh học đã đƣợc nghiên
cứu, khai thác ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực mang lại một kết quả đáng ghi
nhận, làm cho cuộc sống của con ngƣời ngày càng đƣợc cải thiện, nhiều loại bệnh
đã đƣợc điều trị… thì hƣớng nghiên cứu về tổng trở của các đối tƣợng sinh học
cũng đã tìm ra các yếu tố ảnh hƣởng có thể khai thác phục vụ cuộc sống của con
ngƣời. Nhƣ trong lĩnh vực thực phẩm, đo tổng trở có thể xác định đƣợc độ tƣơi của

các loại rau, củ quả và thịt [6]; Trong lĩnh vực y tế đã có nhiều ứng dụng cụ thể, một
lĩnh vực mới cũng đang hƣớng đến việc xác định tổng trở của các mô bị viêm, hay
trạng thái của cơ thể trong các trƣờng hợp bệnh lý hoặc sau khi điều trị bệnh lý bằng
các phƣơng pháp từ đó tìm ra các hƣớng điều trị trên cơ thể từ tham số tổng trở
này.

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


2

Khuynh hƣớng phát triển của phƣơng pháp đo tổng trở trong lĩnh vực y tế từ
khi xuất hiện đến nay là do có một số ƣu điểm sau [7, 8]:
+ Các phép đo tổng trở là phép đo không xâm lấn, an toàn, tiến hành đo
nhanh, thiết bị đo nhỏ gọn và có thể đo lƣu động.
+ Các phép đo có thể thực hiện đƣợc trên nhiều đối tƣợng độ tuổi khác nhau,
trạng thái sức khỏe khác nhau do các phép đo chỉ đƣa vào bệnh nhân một dòng điện
dƣới ngƣỡng kích thích, khơng gây ra tác động kích thích tới đối tƣợng trong khi đo
và về lâu dài.
+ Dùng để chẩn đốn đƣợc bệnh nhanh chóng, đặc biệt chuẩn đốn hình ảnh
khơng dùng tác nhân ion hóa.
Phép đo tổng trở cũng đƣợc ứng dụng trong một số ngành khoa học khác [7]
nhƣ: kỹ thuật hóa học, q trình ứng dụng công nghiệp, vật liệu kỹ thuật, vi sinh vật
và công nghệ sinh học, kiểm tra không phá hủy (NDT), cơng nghệ chế tạo, cơng
trình dân dụng, khoa học trái đất và địa vật lý và khoa học địa lý, lĩnh vực quốc
phịng, hải dƣơng học, kỹ thuật mơi trƣờng và các lĩnh vực khác của khoa học ứng
dụng, kỹ thuật và công nghệ.
Sự phát triển của phép đo tổng trở trên các đối tƣợng sinh học đƣợc đánh

dấu bằng mốc lịch sử khi Rudolf Hoeber đã phát hiện độ dẫn của máu phụ thuộc
vào tần số và đã mặc nhiên công nhận sự tồn tại của màng tế bào, đồng thời ông
cũng đánh giá trạng thái điện môi của vật chất vào năm 1911. Philippson năm 1921
đo trở kháng mô nhƣ một hàm của tần số và thấy rằng điện dung thay đổi nhƣ
nghịch đảo căn bậc hai của tần số. Ông gọi đây là điện dung phân cực tƣơng tự nhƣ
tìm thấy cho các mặt phân cách pha kim loại/điện giải. Vào cuối những năm 1920,
Gildemeister và các học trị của mình đã thực hiện các phép đo điện trở, tụ điện của
da và các tế bào thần kinh và đã tìm ra đặc điểm về góc pha của mô, Herman Rein
cũng phát hiện hiệu ứng điện thẩm thấu liên quan đến sự biến đổi độ dẫn điện của
da [9]. Năm 1957, Pauly và Schwan đã sử dụng mơ hình hóa để hiểu và giải thích
đặc tính điện của các đối tƣợng sinh học. Đo tổng trở sinh học là một phƣơng pháp
đơn giản và vô hại đối với các đặc tính điện của đối tƣợng sinh học [6]. Năm 1998,
Ren D và các đồng nghiệp đã phát hiện sự thay đổi trở kháng điện của cơ thể trƣớc

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


3

những triệu chứng bệnh lý. Năm 1999, Simon và đồng nghiệp công bố những
nghiên cứu về sự chênh lệch trở kháng giữa những cá nhân khỏe mạnh và những
ngƣời bị bệnh.
Hơn 10 năm trở lại đây, cùng với sự phát triển của khoa hoc công nghệ, và
những thành tựu của các thiết bi điện tử, thì các phép đo trở kháng đã và đang đƣợc
khai thác một cách triệt để phục vụ cho cuộc sống của con ngƣời.
1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp đo tổng trở hiện
nay
Dƣới tác động của dòng điện xoay chiều lên một đối tƣợng sống, các giá trị

của tổng trở (trở kháng) phụ thuộc vào thành phần của mô, cấu trúc, mỗi đối tƣợng
sống, và tần số tín hiệu đƣợc đƣa vào. Các phƣơng pháp đo trở kháng điện sinh học
có thể đƣợc sử dụng cho các phép không xâm lấn trên đối tƣợng sinh học. Khi đo
đƣợc các giá trị trở kháng của các mô khác nhau trên một dải tần rộng sẽ cung cấp
thêm thông tin bên trong mô, điều đó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về giải phẫu sinh
học mô, sinh lý học và bệnh lý. Phƣơng pháp đo trở kháng trên các đối tƣợng sinh
học, từ khi xuất hiện (1911) đến nay đã đƣợc sử dụng trong nhiều ngành khác nhau
và trong những năm gần đây phƣơng pháp này đang ngày càng đƣợc sử dụng phổ
biến hơn, đặc biệt lĩnh vực ứng dụng mới trong lĩnh vực sinh học và y học của phép
đo tổng trở cung cấp kết quả đầy hứa hẹn.
Các bài báo công bố gần đây cho thấy sự quan tâm ngày càng tăng trong các
phƣơng pháp đo tổng trở. Triển vọng lớn cho sự phát triển của chúng gắn liền với
các hƣớng trong nghiên cứu khoa học và chẩn đoán. Một số kỹ thuật đo tổng trở
dựa trên các đặc tính khơng xâm lấn đối tƣợng nhƣ phân tích trở kháng điện sinh
học (BIA), phổ tổng trở (EIS), phép ghi biến đổi thể tích trở kháng điện (IPG), phép
đo tâm đồ trở kháng (ICG), và chụp cắt lớp trở kháng điện (EIT) đã đƣợc đề xuất và
rất nhiều cơng trình nghiên cứu đã đƣợc tiến hành bằng các phƣơng pháp không
xâm lấn mô để chẩn đoán bệnh
Các phép đo tổng trở đã đƣợc dùng để nghiên cứu một số vần đề trong y tế
nhƣ [10]: theo dõi phản ứng của cơ thể bệnh nhân với một chế phẩm y tế đƣợc đƣa

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


4

vào cơ thể bằng các phép đo tổng trở tại các điểm khác nhau trên da; sử dụng thiết
bị để theo dõi tổng trở các cơ quan trong lồng ngực; thử nghiệm độc đáo dựa trên

phƣơng pháp đo tổng trở để đánh giá các chức năng của trở kháng hồng cầu ở động
vật khi đƣợc chiếu xạ gamma, thử nghiệm đã chứng minh rằng khả năng dẫn điện
của màng tế bào dễ bị tổn thƣơng nhất do các tác động ion hóa.
Một phƣơng pháp đo tổng trở phi tuyến da ếch đã đƣợc đề xuất để theo dõi
tình trạng da [9]. Các phép đo tổng trở tại các điểm hoạt tính sinh học của cơ thể
con ngƣời có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một tiêu chí về đánh giá tình trạng tâm thần
[10]. Phƣơng pháp báo trƣớc tình trạng hệ thống tim mạch ở trẻ sơ sinh bằng cách
đo tổng trở của mạch máu ngoại vi và chỉ số phút trong thai kỳ đã đƣợc đề xuất
trong [11].
Kết hợp sử dụng phƣơng pháp đo tổng trở với các phƣơng pháp chẩn đoán
khác là một xu hƣớng mới và đầy hứa hẹn đƣợc gọi là chẩn đốn impedansometry.
Ví dụ phép đo tổng trở kết hợp với phép đo pH trong dạ dày cung cấp thông tin rõ
ràng hơn về các cơ chế tạo axit trong dạ dày của bệnh nhân và hình thái của niêm
mạc dạ. Sự kết hợp này chứng minh các giá trị khoa học của phƣơng pháp đo tổng
trở và phép đo pH trong dạ dày cho phép giám sát sự trung hòa axit của dạ dày
trong vùng hang vị. Các thành phần điện dung của các mô và tế bào là các tham số
cung cấp thông tin nhiều nhất cho hoạt động giám sát này [12].
Tại Việt Nam lĩnh vực đo tổng trở sinh học còn là một hƣớng đi mới, chƣa
có một cơng trình nghiên cứu khoa học xâm nhập vào lĩnh vực này. Hiện tại mới có
hai nhóm bƣớc đầu nghiên cứu những vấn đề liên quan đến phép đo tổng trở. Nhóm
nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thiết kế mạch thu nhận tín hiệu tim đồ
trở kháng ngực (ICG) áp dụng để đo và theo dõi liên tục các thơng số huyết động
của tim. Nhóm nghiên cứu tại Viện Vật Lý Y Sinh Học, đƣợc sự trợ giúp chuyên
gia Đức bƣớc đầu đã xây dựng đƣợc hệ đo tổng trở, xác định tổng trở của một số
đối tƣợng sinh học và đã có kết quả ban đầu khá khả quan. Đây là cơ sở nền tảng
cho những nghiên cứu trong tƣơng lai và cũng là cơ sở khoa học thực tiễn cho
hƣớng nghiên cứu tổng trở của các đối tƣợng sinh học. Đó chính là lý do tơi chọn

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


5

nghiên cứu đề tài: “Xây dựng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho quy trình đo tổng
trở các đối tƣợng sinh học”.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Với tình hình tổng quan nhƣ trên, tác giả đã đề xuất mục tiêu luận văn nhƣ
sau:
- Tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát xây dựng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm
cho quy trình đo tổng trở các đối tƣợng sinh học.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết đo tổng trở các đối tƣợng sinh học: Tìm hiểu về
các cơ sở lý luận về phƣơng pháp đo tổng trở .
- Xây dựng cơ sở thực nghiệm đo gồm: xây dựng hệ đo, kiểm tra các tham số
của các thành phần trong hệ và thực nghiệm đo trên các đối tƣợng cụ thể: Khoai tây,
dƣa leo, thịt, đánh giá kết quả thực nghiệm.
1.4. Nhiệm vụ của đề tài
Với mục tiêu trên, những nhiệm vụ chính của đề tài đƣợc đề ra nhƣ sau:
+ Nghiên cứu sâu về tổng trở (đặc tính điện thụ động) của các đối tƣợng sinh
học.
+ Cập nhật các nghiên cứu ứng dụng đo tổng trở trên thế giới trong một số
lĩnh vực về thực phẩm, y tế.
+ Nghiên cứu và tìm hiểu mơ hình điện trong phép đo tổng trở, các nguyên
lý, phƣơng pháp đo. Phép biến đổi Fourier trong ứng dụng đo tổng trở.
+ Xây dựng cơ sở lý luận đo tổng trở cho các đối tƣợng sinh học
+ Xây dựng cơ sở thực nghiệm đo gồm: xây dựng hệ đo và thực nghiệm đo
trên các đối tƣợng cụ thể: Khoai tây, dƣa leo, thịt; đánh giá kết quả thực nghiệm.
1.5. Ý nghĩa của đề tài
Cập nhật và giới thiệu đƣợc một hƣớng nghiên cứu mới trên các đối tƣợng

sinh học và cả con ngƣời.
Giới thiệu và trình bày phƣơng pháp đo tổng trở dựa trên nguyên lý đo cơ
bản mà trên thế giới đang sử dụng đồng thời đƣợc chứng minh bằng thực nghiệm đo
cụ thể.

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


6

Góp phần vào việc mở rộng, hƣớng các nghiên cứu tiếp theo đến lĩnh vực đo
tổng trở, mở rộng hiểu biết về lĩnh vực mà thế giới đã và đang hƣớng đến.
1.6. Phạm vi của đề tài
Đề tài đƣợc giới hạn trong những nghiên cứu sau:
+ Tìm hiểu các nguyên lý, hệ thống cơ bản về phép đo tổng trở.
+ Cung cấp những kiến thức lý thuyết và thực tế chế tạo front-end, xử lý dữ
liệu đo tổng trở và thiết lập một hệ thống đo chuẩn.
1.7. Đối tƣợng và Phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: quy trình đo tổng trở đƣợc thực hiện thực nghiệm với
các mẫu sinh học có thời gian bảo quản đƣợc lâu trong mơi trƣờng nhiệt độ phòng
250C-30 0C nhƣ: Khoai tây, dƣa leo, táo, thịt.
Phạm vi nghiên cứu: khảo sát các mẫu vật trên hệ thống đo đã đƣợc triển
khai tại Viện Vật Lý Y Sinh Học.
Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc lựa chọn là kết hợp của: Phƣơng pháp thống
kê, phân tích, đo lƣờng thực nghiệm và lựa chọn các thông số phù hợp nhất đối với
đối tƣợng khảo sát. Khảo sát các mẫu vật trên hệ thống đo đã đƣợc triển khai tại
Viện Vật Lý Y Sinh Học. Đánh giá ảnh hƣởng của một vài tham số ảnh hƣởng đến
tổng trở của các đối tƣợng sinh học.

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


7

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tổng trở là gì?
Tính chất điện của vật chất có thể đƣợc mơ tả bằng đặc tính điện: hoặc là đặc
tính điện chủ động, hoặc bằng đặc tính điện thụ động. Đặc tính điện chủ động là
tính chất thể hiện năng lƣợng điện trong vật chất nên khi đo lƣờng các đại lƣợng đặc
trƣng cho các tính chất của vật chất, ta khơng cần cung cấp năng lƣợng cho mạch
đo. Đặc tính điện chủ động nhƣ đại lƣợng điện áp, dịng điện, cơng suất (điện tim,
điện não, điện cơ)…Đặc tính điện thụ động đƣợc hiểu là tính chất của các đối tƣợng
khơng có nguồn điện hay khơng mang năng lƣợng điện nhƣng trong bản thân nó
chứa các thành phần tiêu tốn năng lƣợng điện nhƣ: các điện trở thuần, các tụ điện,
các cuộn cảm. Trở kháng cũng là một đại lƣợng biểu thị đặc tính điện thụ động.
Trong kỹ thuật điện, trở kháng là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sự cản trở
dòng điện của một mạch điện khi có hiệu điện thế đặt vào. Nó thƣờng đƣợc ký hiệu
bằng chữ Z và đƣợc đo trong hệ thống đo lƣờng quốc tế SI bằng đơn vị đo Ω (ohm).
Trở kháng là khái niệm mở rộng của điện trở cho dịng điện xoay chiều, chứa thêm
thơng tin về độ lệch pha.
Trong đối tƣợng sinh học, trở kháng (tổng trở) sẽ đƣợc thể hiện nhƣ thế nào?
Tính chất của trở kháng ra sao? Ta sẽ làm rõ bằng những dẫn dắt dƣới dây.
Trở kháng sinh học biểu thị tính chất điện thụ động của đối tƣợng sinh học.
Các đối tƣợng sinh học đều đƣợc cấu tạo từ tế bào, ở các cơ quan bộ phận khác
nhau thì cũng có nhiều loại tế bào khác nhau về hình dáng, kích thƣớc cũng nhƣ
chức năng. Tuy khác nhau về kích thƣớc, hình dạng, chức năng nhƣng về cơ bản tất

cả mọi tế bào đều có một cấu trúc chung, giống nhau. Thông thƣờng, tế bào bao
gồm các thành phần sau: màng bao quanh đƣợc gọi là màng tế bào, nhân, bào tƣơng
và bào quan (gồm các phần cụ thể nhƣ hình 2.1).
Mỗi tế bào liên quan đến hai mơi trƣờng dẫn điện tƣơng đối tốt là dịch gian
bào (dịch ngoại bào - ECF) và dịch nội bào (bào chất - ICF), bị ngăn cách bởi một
lớp dẫn điện kém là màng tế bào. Mỗi hệ thống nhƣ vậy hoạt động nhƣ một tụ điện
và đƣợc đặc trƣng bởi một giá trị điện dung C. Dòng điện trong tế bào và mơ là

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


8

dòng các ion nhƣ dung dịch điện phân. Tuy nhiên độ dẫn điện của nó thấp hơn rất
nhiều so với một dung dịch điện phân thơng thƣờng. Vì vậy tế bào và mơ đƣợc xếp
vào loại có độ dẫn điện trung bình (với điện trở suất khoảng 105 - 106 Ω/cm). Vì có
điện trở khá cao nên điện thế ghi nhận đƣợc trên đối tƣợng sinh vật giảm dần khi
tăng khoảng cách đến nơi đặt điện cực kích thích [5, 13, 54].

Hình 2. 1: Mơ hình một tế bào động vật điển hình. Các bào quan gồm: (1) hạch
nhân, (2) nhân, (3) ribosome, (4) túi tiết, (5) mạng lƣới nội chất (ER) hạt, (6) bộ
máy Golgi, (7) khung xƣơng tế bào, (8) ER trơn, (9) ty thể, (10) không bào, (11) tế
bào chất, (12) lysosome, (13) trung thể.
Hơn nữa, nếu khảo sát độ dẫn điện của mô và tế bào của đối tƣợng sinh học
với dịng xoay chiều thì sẽ thấy có sự lệch pha giữa cƣờng độ dịng điện và hiệu
điện thế hình 2.2.

Hình 2. 2: Sự lệch pha giữa cƣờng độ dòng điện và hiệu điện thế

Sự lệch pha đó chứng tỏ điện trở của tế bào và mơ gồm có thành phần trở
thuần và điện trở kháng

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


9

+ Điện trở thuần (Resistance): Điện trở thuần luôn luôn tồn tại trong đối
tƣợng sinh vật. Nó bao gồm điện trở thuần của dịch ngoại bào và điện trở thuần của
tế bào. Điện trở thuần của dịch ngoại bào đƣợc quyết định bởi độ rộng, hàm lƣợng
ion, độ nhớt,… của khoảng không gian giữa các tế bào.
Điện trở thuần của tế bào đƣợc quyết định bởi điện trở màng tế bào (rm) và
điện trở thuần của dịch nội bào (ri). Sơ đồ tƣơng đƣơng của điện trở tế bào đƣợc thể
hiện trong hình 2.3.

Hình 2. 3: Sơ đồ điện trở tƣơng đƣơng của tế bào.

Trong đó, rm: Điện trở màng tế bào
ri: điện trở thuần của dịch nội bào
cm: điện dung của màng.
+ Điện trở kháng: Điện trở kháng xuất hiện khi có sự tác động của dịng
điện từ bên ngồi. Nó có xu hƣớng tăng hay trì hỗn sự tăng cƣờng độ của dịng
điện bên ngồi. Trong mạch điện vật lý, điện trở kháng xuất hiện do hai cấu trúc
cuộn dây hoặc tụ điện hình 2.4(a,b).

Hình 2. 4: Sơ đồ mạch điện có điện trở kháng.

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


10

Các nghiên cứu về đối tƣợng sinh học đã chỉ ra rằng, trong đối tƣợng sinh
vật khơng có cấu trúc nào để tạo nên điện trở kháng theo cơ chế cuộn cảm hình 2.4
(a). Chỉ có những cấu trúc nhƣ màng tế bào, các phần tử lƣỡng cực, các pha khác
nhau trong dịch nội bào… tạo nên sự phân cực tƣơng đƣơng với tụ điện hình 2.4
(b). Vậy điện trở kháng là do sự phân cực của tế bào và mơ.
Sự có mặt của các thành phần tụ điện trong hệ thống sống đƣợc chứng minh
qua tham số quan trọng khác là sự lệch pha. Hiện tƣợng lệch pha không xảy nếu
dòng điện xoay chiều dạng sin đi qua hệ chỉ gồm điện trở thuần. Nếu trong hệ chỉ
có điện trở thuần thì đƣờng cong thay đổi cƣờng độ dịng điện phải trùng với đƣờng
cong thay đổi điện thế, có nghĩa là góc lệch pha bằng khơng. Hơn nữa độ lệch pha
chỉ ra dòng điện sớm pha hơn điện áp điều này chỉ xảy ra trong đối tƣợng có tính tụ
điện.
Khi dòng điện xoay chiều đi qua điện trở kháng thì cƣờng độ dịng điện sẽ
đạt giá trị cực đại khi giá trị của sức điện động xoay chiều bằng khơng. Sự chênh
lệch ở đây đạt 1/4 chu kỳ, có nghĩa là góc lệch pha bằng 900. Song nếu hệ có cả điện
trở thuần và tụ điện thì góc lệch pha sẽ đƣợc xác định bởi tƣơng quan giữa hai phần
tử có trong hệ.
Ở các hệ sinh vật, ngƣời ta thấy đặc trƣng bởi góc lệch pha rất lớn. Điều đó
chứng tỏ rằng vai trị của tụ điện trong các hệ này rất cao. Thí dụ ở tần số 1kHz góc
lệch pha của một đối tƣợng thí nghiệm đƣợc đo nhƣ sau [54]:
Thần kinh ếch

640

Cơ thỏ

650

Da ếch

550

Da ngƣời

500

Giá trị góc lệch pha này đƣợc chứng minh là rất cố định trong vùng tần số
khá lớn. Điều này đƣợc giải thích nhƣ sau: các đối tƣợng sinh vật đều là hệ điện trở
thuần, điện dung, song điện dung không phải là điện dung tĩnh mà là điện dung
phân cực. Từ vật lý đại cƣơng ta biết rằng nếu trong hệ có điện dung tĩnh thì khi tần
số tăng độ dẫn điện cũng tăng và nhƣ vậy góc lệch pha cũng tăng. Cịn đối với hệ có

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


11

điện dung phân cực, tƣơng quan cƣờng độ dòng điện đi qua điện dung và điện trở
thuần trong một khoảng tần số đó sẽ khơng đổi.
Nhƣ vậy, tổng trở của tế bào và mô hay của đới tƣợng sinh học là tổng của
điện trở thuần và điện kháng của chúng.

Để mơ hình hóa khả năng dẫn điện của tế bào và mô, ngƣời ta thƣờng xây
dựng những sơ đồ vật lý tƣơng đƣơng, nghĩa là mơ hình hóa hệ thống sống. Sơ đồ
mơ hình một cách tổng qt nhất đƣợc thể hiện trên hình 2.5.

Hình 2. 5: Mơ hình mạch điện đơn giản của tế bào.
Trong đó, Rm: Điện trở của màng.
Ri : Điện trở thuần nội bào.
Re: Điện trở thuần của gian bào
Cm: Điện dung màng
2.2. Tại sao lại đo tổng trở? (Tại sao lại dùng phƣơng pháp đo điện thụ
động).
Các phƣơng pháp đo điện chủ động đã đƣợc tiến hành rất nhiều, nhằm xác
định các thông số điện xuất hiện qua màng tế bào là cơ sở để đo các điện thế sinh
học trên cơ thể, bao gồm điện tâm đồ (ECG- electrocardiogram), điện não đồ (EEGelectroencephalogram), điện đồ mắt (electrooculogram), điện đồ võng mạc
(electroretinogram) và điện đồ cơ (EMG- electromyogram)…các thông số này từ
lâu đã đƣợc sử dụng cho việc đánh giá tình trạng sức khỏe, chẩn đốn bệnh.
Các thơng số của tổng trở (trở kháng) của các đối tƣợng sinh học cung cấp
thơng tin có giá trị về cấu trúc và hoạt động chức năng của chúng. Các nghiên cứu
về phép đo tổng trở trong những thời gian qua đã minh chứng có sự thay đổi trở

HVTH: NGUYỄN THỊ THƢƠNG

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH