BÁO CÁO THỰC HÀNH MEMS SINH HỌC VÀ CÁC VI THIẾT BỊ Y SINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÁO CÁO THỰC HÀNH MEMS SINH HỌC VÀ CÁC VI THIẾT BỊ Y SINH GVHD: TS Phạm Ngọc Thảo Nhóm 15: Nghiêm Văn Quang - 19020601 Nguyễn Văn Hùng - 19020553 Nguyễn Thanh Sơn - 20020711 Hoàng Văn Thành - 19020630 Trần Quyết Thắng – 19020622 Lớp: ELT3211_20 Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2022 DANH MỤC HÌNH ẢNH Mục Lục DANH MỤC BẢNG TRỪU TƯỢNG GIỚI THIỆU 2.1 Tổng quan 2.2 Đề xuất kỹ thuật phát ung thư da LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 3.1 Nguyên lý hoạt động đầu dị 3.2 Mơ hình hóa đầu dị điện mơi 3.3 Các phương trình mơ phỏng: 3.3.1 Tần số cắt ống dẫn hình trịn 3.3.2 Sóng điện trường THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG 11 4.1 Model áp dụng 11 4.2 Các thông số đầu vào sử dụng ( input parameters) 12 4.3 Điều kiện biên (boundary conditions) 14 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 15 5.1 Phân tích kết 15 5.2 Thảo luận 17 KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 Trang 2/19 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Hình ảnh 3D mơ hình thực nghiệm đối xứng trục 2D Hình 2: Electromagnetic Heating 10 Hình 3: Bioheat Transfer 14 Hình 4: Chia lưới Mesh 15 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Phản hồi tham số - S11 đầu dò 11 Bảng 2: Các thông số đầu vào 12 Bảng 3: Các thông số vật liệu PTFE 12 Bảng 4: Các thông số phần da 13 Bảng 5: Các thông số phần da ung thư 13 Bảng 6: So sánh kết Electric field 16 Bảng 7: So sánh kết Radiation pattern polar 16 Bảng 8: So sánh kết Temperature 17 Trang 3/19 TRỪU TƯỢNG Ung thư da loại ung thư phổ biến Việt Nam Giống với loại ung thư khác, ung thư da bệnh hiểm nghèo chưa có giải pháp điều trị dứt điểm Việc phát sớm bệnh góp phần lớn vào lộ trình điều trị để cứu sống bệnh nhân Với phát triển y học nay, có nhiều phương pháp chẩn đoán phát sớm tế bào ung thư da kỹ thuật sử dụng AI (deep learning) để phân tích, cơng nghệ dùng laze mới, phương pháp xét nghiệm không xâm lấn (sinh thiết lỏng), miếng dán thông minh SmartSticker … Kỹ thuật sử dụng AI (deep learning): Thay sử dụng hình ảnh kính hiển vi mà dùng hình ảnh phân cực thành phần mô (glucose, protein, khối u) lan truyền ánh sáng phân cực môi trường tán xạ nhân Sau đó, dùng mơ hình học máy nhờ mạng neural tích chập (CNN) để xử lý hình ảnh Từ việc lập trình thuật tốn, mơ hình học máy phân tích đặc tính phân cực để phân biệt mẫu mô thường mô ung thư Công nghệ dùng laze mới: tên Cytophone, sử dụng xung ánh sáng laser chiếu từ bên da để đốt nóng tế bào bị bệnh Tia laser tác động lên tế bào ung thư hắc tố ác tính mà khơng làm tổn thương tế bào khỏe mạnh Cytophone sau sử dụng kỹ thuật siêu âm để dị sóng nhỏ phát từ hiệu ứng đốt nóng này, qua giúp phát tiêu diệt tế bào bị bệnh Phương pháp xét nghiệm không xâm lấn (sinh thiết lỏng): lấy lượng máu nhỏ làm xét nghiệm nhằm sớm phát phân mảnh DNA ngoại bào lưu thông máu xem dấu vết di truyền đặc trưng tế bào ung thư - hay gọi DNA khối u lưu hành tự (circulation tumor DNA - ctDNA) Tuy nhiên phương pháp có chi phí đắt đỏ u cầu thiết bị, chuyên môn, kỹ thuật cao Phương pháp “ Dùng đầu dị điện mơi để chuẩn đốn tế bào ung thư da” cho khả quan khắc phục nhược điểm Kỹ thuật dùng tần số sóng milimet phản ứng nhạy với độ ẩm da, điều mà tế bào bị ung thư khác biệt với tế bào cịn lại Cơng nghệ áp dụng kỹ thuật xác định tế bào ung thư không xâm lấn nên đánh giá an tồn áp dụng thực nghiệm để ứng dụng thực tế Việc độ xác chưa tuyệt đối mở hướng nghiên cứu sau để tối ưu hệ thống nhằm cải thiện độ xác kỹ thuật Trang 4/19 GIỚI THIỆU 2.1 Tổng quan Ung thư da loại ung thư phổ biến thường phát triển vùng da tiếp xúc với ánh nắng mặt trời Ung thư da hay gặp người da trắng, chủ yếu người già, nam nhiều nữ Bệnh thường xuất vùng da hở với tỷ lệ 90% vùng đầu mặt cổ Tỉ lệ mắc ung thư da Việt Nam vào khoảng 2,9-4,5/100.000 dân Tỷ lệ mắc bệnh cao người lao động trời, vận động viên, người tắm nắng có tương quan nghịch với lượng sắc tố melanin da; người da trắng thường dễ nhạy cảm Những biểu thường thấy là: Ổ loét lâu liền loét có rớm máu, Ổ dày sừng có loét, cục, dễ chảy máu, Ổ loét khối u sẹo cũ, Nốt đỏ mãn tính có dấu hiệu lt, Nốt ruồi thay đổi kích thước Việc chẩn đốn phát sớm ung thư da coi chìa khóa để điều trị giảm thiểu tác động xấu đến sức khỏe Đã có nhiều kỹ thuật nghiên cứu, phát triển đưa vào sử dụng Trong đó, bật kể đến Kĩ thuật sử dụng AI (Học sâu) để phân tích đưa TS Phạm Thị Thu Hiền, khoa Kỹ thuật y sinh, Đại học Quốc tế, Đại học Quốc gia TP HCM [1] Bên cạnh đó, cơng nghệ SmartSticker (Miếng dán thông minh) DermTech: sử dụng cách dán miếng dán lên vùng da nghi ngờ bị ung thư, chà miếng dán theo vòng tròn, vẽ vịng quanh nốt ruồi để phịng thí nghiệm biết khu vực cần kiểm tra bóc Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm khác Dưới đề xuất hệ thống dùng đầu dị điện mơi để chuẩn đốn tế bào ung thư da… Hệ thống mơ hình hố, mơ khảo sát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm COMSOL Multiphysics 2.2 Đề xuất kỹ thuật phát ung thư da Đầu dò điện mơi hình nón (CDP) phương pháp hiệu để phân tích mơ người giai đoạn đầu ung thư da Căn bệnh điều trị hiệu ung thư da phát ban đầu loại bỏ cách sử dụng thiết bị xác định khối u da khơng xâm lấn đầu dị điện mơi Để phát bệnh ung thư, đầu dị điện mơi sử dụng sóng milimet có tần số 95 GHz 35 GHz Các tần số sóng milimet biết phản ứng nhạy cảm với hàm lượng nước Mơ hình sử dụng sóng milimet tần 35 GHz công suất thấp khả phản xạ với độ ẩm để Trang 5/19 chẩn đốn ung thư khơng xâm lấn Vì khối u da chứa nhiều độ ẩm da lành, dẫn đến phản xạ mạnh dải tần số Do đó, đầu dị phát ung thư cách tính tốn, nhận biết thơng số S bất thường vị trí khối u cách sử dụng phần mềm tính tốn mơ COMSOL Multiphysics Thơng qua thử nghiệm, sử dụng ống dẫn sóng trịn ưu truyền dẫn sóng cao tần đầu dị điện mơi thn nhọn mặt kỹ thuật giúp phân tích nhanh chóng thay đổi nhiệt độ da phân tích phần mơ hoại tử để phát ung thư da sớm LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 3.1 Nguyên lý hoạt động đầu dò Ống dẫn sóng hình trịn chế độ TE (điện ngang) Trong ống dẫn sóng hình trịn, chế độ TE1m chế độ chiếm ưu thế, tức chế độ này, sóng điện từ truyền qua ống dẫn sóng hình tròn với mức suy hao tối thiểu suy giảm tối thiểu Sau truyền sóng điện từ với cơng suất 1mW vào ống dẫn sóng, sóng điện từ lan truyền ống, đầu đầu dò Các tế bào phản ứng với tần số phản xạ lại tần số khác, đầu dò hấp thu cho đầu cịn lại, lan truyền ống dẫn sóng Ta thu kết quả: 35 GHz: Tần số hoạt động đầu dò 29.3 GHz: Tần số cắt ống dẫn sóng (nếu nhỏ khơng truyền) Bán kính ống dẫn sóng -> thực tế tầm 3mm 3.2 Mơ hình hóa đầu dị điện mơi Kỹ thuật dựa phản ứng sóng milimet với tần số 35 GHz 95 GHz biết nhạy cảm với hàm lượng nước Mơ hình sử dụng sóng milimet băng tần Ka 35 GHz cơng suất thấp khả phản xạ với độ ẩm để chẩn đốn ung thư khơng xâm lấn Vì khối u da chứa nhiều độ ẩm da lành, dẫn đến phản xạ mạnh dải tần số Do đó, đầu dị phát bất thường thơng số S vị trí khối u Một ống dẫn sóng trịn ưu truyền dẫn sóng cao tần đầu dị điện mơi thn nhọn mặt kỹ thuật phân tích nhanh chóng, với đặc tính xạ đầu dị, sử dụng mơ hình đối xứng trục 2D Sự thay đổi nhiệt độ da phần phân tích mơ hoại tử thực Trang 6/19 Hình 1: Hình ảnh 3D mơ hình thực nghiệm đối xứng trục 2D Mơ hình bao gồm ống dẫn sóng hình trịn kim loại, điện môi PTFE thuôn nhọn, phần da để xét nghiệm Tồn mơ hình bao bọc miền khơng khí (PML) để hấp thụ xạ trực tiếp từ đầu dò phản xạ từ da Một đầu ống dẫn là một cổng tròn kích thích chế độ TE1m Trong m số phương vị mơ hình đối xứng trục 2D xác định cài đặt giao diện vật lý miền tần số, sóng điện từ Đầu nối với điện môi PTFE hình nón (ε r = 2.1) Hình dạng điện mơi đối xứng nên bán kính tăng dần từ ngồi ống dẫn sóng, sau giảm dần Có cấu trúc vịng điện mơi để đỡ vành ống dẫn sóng Độ dẫn ống dẫn sóng kim loại giả định đủ cao để bỏ qua tổn thất mơ như là chất dẫn điện hồn hảo (PEC) Với bán kính định ống dẫn sóng chế độ TE (Chế độ điện ngang, Khơng có điện trường theo hướng lan truyền), tần số cắt khoảng 29,3 GHz, tính bằng: Trong c0 tốc độ ánh sáng, p’nm là  gốc đạo hàm hàm Bessel Jn (x), m n số mode, a bán kính ống dẫn sóng Trang 7/19 3.3 Các phương trình mơ phỏng: 3.3.1 Tần số cắt ống dẫn hình trịn Độ dẫn ống dẫn sóng kim loại giả định đủ cao để bỏ qua tổn thất mơ hình chất dẫn điện hồn hảo (PEC) Với bán kính định ống dẫn sóng chế độ TE kích thích, tần số cắt tính cơng thức :  Trong : c0 : Tốc độ ánh sáng (m/s)  p’nm :  gốc đạo hàm hàm Bessel J n (x), m, n số chế độ                     a : bán kính ống dẫn (m)  Trong q trình mơ này, nhóm chúng tơi chọn c = 300.106 m/s, m, n = 1, p’nm  = 1.841, a = 0.003m 3.3.2 Sóng điện trường - Phương trình sóng:    Trong : ur : Độ từ thẩm Ɛrc: Hằng số điện mơi Số sóng khơng gian tự k xác định là:  ⇨ Liên quan tới vấn đề điều hòa thời gian tần số riêng Trang 8/19 - Chất dẫn điện hoàn hảo (PML): Điều kiện ranh giới dây dẫn điện hoàn hảo 3.3.2 Truyền nhiệt ❖ Bioheat transfer interface (giao diện truyền nhiệt sinh học) Được sử dụng để lập mơ hình truyền nhiệt cách dẫn, đối lưu xạ Mô hình Biological Tissue (Mơ sinh học) kích hoạt theo mặc định tất miền Phương trình truyền nhiệt sinh học p c p u ∇ T +∇ q=Q+Qbio Q=−k ∇ T u= ∂T , ∂t k = pb c p b ωb , ∇ T =T b −T Trong đó: p khối lượng riêng mô (đơn vị SI: kg/m3) Cp nhiệt dung riêng áp suất không đổi mô (đơn vị SI: J/(kg.K) T nhiệt độ tuyệt đối mô (đơn vị SI: K) q thông lượng nhiệt dẫn truyền mô (đơn vị SI: W/m2) pb mật độ máu (đơn vị SI: kg/m3) cp.b nhiệt dung riêng máu áp suất không đổi (đơn vị SI: J/(kg.K)) ω b tốc đọ tưới máu (đơn vị SI: 1/s) Tb nhiệt độ máu động mạch (đơn vị SI: K) Qbio nguồn nhiệt chuyển hóa (đơn vị SI: W/m3) - Phương trình khai chi tiết: n.E=0 trường hợp đặc biệt điều kiện biên điện trường đặt thành phần tiếp tuyến điện trường khơng Nó sử dụng để mơ hình hóa Trang 9/19 bề mặt kim loại khơng bị chất lượng (ví dụ, mặt phẳng nền) điều kiện biên kiểu đối xứng Nó áp đặt đối xứng cho từ trường “dòng điện từ” phản đối xứng cho điện trường dòng điện Tần số hoạt động đầu dị: 35Ghz Tần số cắt ống dẫn sóng, không truyền: 29.3 GHz  Multiphysics module kết hợp điện trường (Electromagnetic Waves Frequency Domain) truyền nhiệt (Bioheat Transfer) Hình 2: Electromagnetic Heating ❖ Tham số S11 S11 đại diện cho lượng công suất phản xạ từ đầu dị gọi hệ số phản xạ (đôi viết dạng gamma: suy hao trả Nếu S11 = dB, tất cơng suất phản xạ từ đầu dị khơng có xạ Nếu S11 = -10 dB, điều ngụ ý dB cơng suất phân phối đến đầu dị, -7 dB cơng suất phản xạ Phần cịn lại cơng suất "chấp nhận bởi" phân phối tới đầu dị Cơng suất chấp nhận xạ bị hấp thụ dạng suy hao bên đầu dị Vì đầu dị thường thiết kế để có mức suy hao thấp, lý tưởng phần lớn cơng suất phân phối đến đầu dị xạ Hệ số phản xạ liên quan đến sóng tới sóng phản xạ như: Γ = V- / V+ (Eq1.) Trang 10/19 Trong V- sóng phản xạ V+ sóng tới VSWR liên quan đến độ lớn hệ số phản xạ điện áp (Γ) bởi: VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Eq2.) S11 Chỉ số thăm dò Cấu trúc nhân tạo khỏe Khi thêm khối u vào mạnh -29.4 dB -9.83 dB -8.97 dB Bảng 1: Phản hồi tham số - S11 đầu dò Trong kỹ thuật này, tham số S11 khảo sát Qua thấy, có đầu dò, giá trị S11 thấp nhiều so với đầu dị tác động lên tế bào da Điển hình với tế bào da bình thường -9,83dB -8.97dB với tế bào ung thư da THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG Trang 11/19 4.1 Model áp dụng Tên Biểu thức Giá trị Miêu tả r1 0.003[m] 0.003m Bán kính đầu lọc fc Bảng 2: Các2.928E10 thông số đầu 1.841*c_const/ l/s vào Tần số cắt 2/pi/r1 f0 35[GHz] 3.5E10 Hz Tần số lda0 c_const/f0 0.0085655 m Bước sóng, khơng gian trống l_probe 12.8[mm] 0.0128 m Chiều dài đầu dò w1_probe 3[mm] 0.003 m Chiều rộng cạnh đầu dò w2_probe 0.58[mm] 5.8E-4 m Chiều rộng cạnh đầu dò T0 34[degC] 307.15 K Nhiệt độ da ban đầu Áp dụng model vào khảo sát gồm: Electromagnetic Waves - Frequency Domain Bioheat Transfer 4.2 Các thông số đầu vào sử dụng ( input parameters) - Tần số hoạt động đầu ống: f0 = 35 GHz - Năng lượng đầu vào ống: P = 1mW Thành phần Biến Quan hệ epsilonr_iso; số điện môi epsilonrii= epsilonr_iso, Giá trị Đơn vị Thành phần nhóm 2.1 l Basic Trang 12/19 epsilonrij = Tính thấm tương đối mur_iso; murii = mur_iso, murij = l Basic Tính dẫn điện sigma_iso; sigmaii =sigma_iso, sigmaij = 0 S/m Basic - Phần vật liệu PTFE - Phần da (Skin): epsilonPrim_iso; epsilonPrimii = epsilonPrim_iso, epsilonPrimij = Bảng 3: Các thông số vật liệu PTFE Trang 13/19 (phần thực) mát Tính thấm tương đối mur_iso; murii = mur_iso, murij = l Basic Tính dẫn điện sigma_iso; sigmaii = sigma_iso, sigmaij = 0 S/m Basic Giá trị Đơn vị Thành phần nhóm Quan hệ epsilonBis_iso; số điện mơi epsilonBisii= (phần ảo) epsilonBis_iso, epsilonBisij = 15 l Chất điện môi mát Quan hệ epsilonPrim_iso; số điện môi epsilonPrimii= (phần thực) epsilonPrim_iso, epsilonPrimij = l Chất điện môi mát Bảng 4: Các thông số phần da - Phần da ung thư (Skin tumor): Thành phần Biến Bảng 5: Các thông số da ung thư Bảng 5: Các thông số phần da ung thư biên (boundary 4.3 Điều kiện conditions) Điều kiện biên Vật dẫn điện hoàn hảo trường hợp đặc biệt điều kiện biên điện trường đặt thành phần tiếp tuyến điện trường khơng Nó sử dụng để mơ hình hóa bề mặt kim loại khơng bị chất lượng (ví dụ, mặt phẳng nền) điều kiện biên kiểu đối xứng Nó áp đặt đối xứng cho từ trường “dịng điện từ” phản đối xứng cho điện trường dịng điện Nó hỗ trợ dịng điện bề mặt cảm ứng dịng điện quy định cảm ứng (thể tích, bề mặt Trang 14/19 dòng điện cạnh) chảy vào ranh giới dây dẫn điện hoàn hảo tự động cân dòng điện bề mặt cảm ứng Với n E = Hình 3: Bioheat Transfer 4.4 Thơng tin trình chia lưới (mesh) - Bản chất phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) làm phần tử nhỏ, tính tốn nút - Chỉnh sửa mơ hình, thưa dày phụ thuộc vào mục đích - Với vị trí cần phân tích kỹ, xác trọng tâm thí nghiệm ta chia lưới với mật độ nút dày với khu vực khác khơng khí hay tế bào bình thường - Việc chưa lưới thưa nút làm tăng sai số, giảm độ xác Tuy nhiên chia lưới với mật độ dày tốn tài nguyên chạy mô tăng dung lượng file thiết lập mơ Chính vậy, giải pháp tối ưu chia với mật độ dày vị trí ta muốn khảo sát Chia với mật độ thưa với vị trí ta xem xét khơng quan trọng Hình 4: Chia lưới Mesh Trang 15/19 Trong hình trên, phần chia dày đặc phần thực nghiệm quan tâm gồm có: PTFE, Skin, Skin Tumor, Perfect Electric Conductor 2, port Những phần chia thưa Air 4.5 Study Phần tính tốn tự động , đưa vào tần số f = 35GHz, cài đặt tham số tính tốn, khoảng thời gian tính tốn, thông số để quan sát Chạy mô để kết ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 5.1 Phân tích kết Trong chúng tơi khảo sát yếu tố tần số giữ nguyên yếu tố khác để quan sát ảnh hướng đến kết đầu Cụ thể khảo sát tần số gồm 25 GHz, 29.2 GHz, 35 GHz, 40 GHz Trong có tần số tần số cắt tần số tần số cắt (1 tần số nhạy với độ ẩm 35GHz) Bảng 6: So sánh kết Electric field Kết cho thấy thay đổi rõ rệt sử dụng dải tần số tần số cắt 29.3 Trang 16/19 Bảng 7: So sánh kết Radiation pattern polar Có thay đổi rõ nét điện trường mơ hình xạ cực Bảng 8: So sánh kết Temperature Phương pháp truyền nhiệt không cho thấy thay đổi rõ rệt phương phát sử dụng sóng điện trường Trang 17/19 5.2 Thảo luận Study 1: - Khi cho tần số đầu vào ống dò nhỏ 29.3 GHz khơng có vùng điện trường để thực hành thí nghiệm ta tăng dần tần số vượt qua ngưỡng tần số cắt fc vùng điện trường mở rộng dần để ta khảo sát thí nghiệm - Cũng tương tự vùng điện trường, xạ mở rộng tăng giá trị lên vượt qua giá trị tân số cắt fc Cho tới đạt giá trị ổn định từ 0.2 đến 0.4 Bởi giá trị nhỏ ta khó quan sát mẫu xạ mơ hình dễ quan sát tần số vượt qua 29.3 GHz Study 2: - Với tần số vượt qua tần số cắt ta thấy vùng điện trở bị mát lớn tác động điện trường lên thể rõ ràng nêu Study Từ có kết xác tác động từ trường tới vùng da ung thư - Bên cạnh vùng da bị tổn thương khó xác định tần số cho vào nhỏ tần số cắt thể giá trị 2.19*10^-5 Tuy nhiên tần số lớn 29.3GHz vùng mơ da tổn thương thể rõ ràng tách biệt so với vùng da bình thường phía - Với nhiệt độ vùng da bình thường da bị ung thư, tần số nhỏ tần số cắt phân biệt vùng da nhỏ khó nhận biết ta tăng giá trị Các kết thu đáng tin cậy chứng minh cho lý thuyết Bằng việc khảo sát ảnh hưởng thông số hoạt động hệ thống Đã tần số cắt 29,3 Ghz Dưới tần số bị loại bỏ, khơng cho phép qua, loại bỏ tín hiệu nhiễu khơng cần thu Tránh ảnh hưởng đến kết KẾT LUẬN Trên đề xuất kỹ thuật “Mô hình hóa đầu dị điện mơi để chuẩn đốn tế bào ung thư da” Kỹ thuật dựa khác biệt độ ẩm tế bào ung thư da so với tế bào lại Bằng việc phát phản ứng sóng milimet với tần số 35GHz 95GHz biết nhạy với hàm lượng nước, khả phản xạ với độ ẩm để chẩn đốn ung thư khơng xâm lấn Các kết mô bên chứng minh việc sử dụng sóng điện trường cho kết rõ rệt để dễ dàng chẩn đốn phương pháp truyền nhiệt Với việc áp dụng phần mềm COMSOL để mơ Trang 18/19 cho ta nhìn trực quan hiểu rõ kỹ thuật Bên cạnh đó, nhược điểm kỹ thuật mở hướng nghiên cứu sau để tăng độ xác đến mức tối đa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://bme.hcmiu.edu.vn/tin-tuc/bao-chi/nu-tien-si-viet-dung-cong-ngheai-chan-doan-ung-thu-da/ [2] https://www.dermatologytimes.com/view/new-way-to-detect-skin-cancer [3] VSWR [4] https://www.comsol.com/model/modeling-a-conical-dielectric-probe-forskin-cancer-diagnosis-18693 Trang 19/19