Chuong 4thiêt bị vs 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 THIẾT BỊ & CẢM BIẾN Y SINH Mục tiêu: - Giới thiệu nguyên lý hoạt động thiết bị y sinh loại cảm biến thu nhận tín hiệu sinh học - Đặc trưng tổng quát cảm biến - Phân loại cảm biến ứng dụng 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 gì? Thiết bị biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác Cảm biến Đầu phát Tín hiệu vật lý Tín hiệu điện Ví dụ, hiên tượng áp điện: Lực -> điện Điện thế-> lực => Tín hiệu siêu âm Tín hiệu điện Tín hiệu 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 cảm biến Hàm truyền: Mối quan hệ chức tín hiệu vật lý vào tín hiệu hiệu vào ð hiệu chỉnh tương thích Độ nhạy: Tỷ lệ độ biến thiên nhỏ tín hiệu vật lý độ biến thiên tương ứng tín hiệu điện Đơn vị ví dụ độ nhạy nhiệt kế: Volts/Kelvin Khoảng hiệu lực (khoảng động): Khoảng giá trị tín hiệu vật lý vào biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng Ngồi khoảng đó, tín hiệu khơng nhận có độ xác Độ xác: Sai số lớn tín hiệu thực tế tín hiệu lý tưởng phát 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 cảm biến Độ tuyến tính: Độ lệch cực đại so với hàm truyền tuyến tính khoảng động Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên tác nhân điều kiện đo tạo nên thành phần tín hiệu cơng sinh với tín hiệu đo Độ phân giải: Độ thăng giáng tín hiệu tối thiểu mà đầu dị phân biệt Băng thơng: Khoảng tần số mà đầu dị hoạt động thu nhận dạng tín hiệu 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: • Dịng chảy/áp suất máu • Lực tác dụng, áp suất • Các kẹp phẫu thuật •Các túi 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 transformer) • Đo dịch chuyển cảm ứng • Đo lực nén •Các túi khảo sát nhu động • Vi cảm biến áp suất bán dẫn • Cảm biến điện từ dịng 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 Đầu dị điện (potentiometer) tuyến tính quay ð Độ dịch chuyển tuyến tính 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 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 Hàm truyền ty le bien doi dien tro R G= ty le bien doi luc cang ÞInput lực căng Þ Output dR G 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 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 áp điện Hiện tương áp điện ? Các áp dụng khác đầu dò áp điện: ÞĐo gia tốc ÞMicrophone Þ Tạo thu nhận sóng âm Áp lực lên bề mặt tạo phân bố bất đối xứng điện tích tạo thành lưỡng cực điện Các phân bố định hướng khác lưỡng cực điện tạo hiệu bề mặt tinh thể áp điện Tác dụng chiều: Þ Lực học tạo điện ÞĐiện áp đặt tạo 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 điện Các phương trình ứng với 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 Điện trở a Thiết bị nhiệt trở (RTD – Resistance Temperature Devices) b Nhiệt trở bán dẫn Cặp nhiệt điện Đo nhiệt xạ Cảm biến đo nhiệt sợi quang Thiết bị nhiệt trở (RTD) RTD thường làm kim loại bạch kim, nickel đồng Các kim loại biểu thị phụ thuộc vào nhiệt độ 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 tiếp xúc với nhau, mặt tiếp xúc xuất sức điện động nhiệt (thermal emf) khuếch tán nhiệt electron tự khác từ kim loại ð độ lớn 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 xạ nhiệt Định luật Wien: Bước sóng ứng với suất phát xạ cực đại phổ 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 sợi quang (cladding) phụ thuộc vào nhiệt độ làm cho 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, chế tạo cảm biến nhiệt 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 hãng Nortech bao gồm tinh thể GaAs gương điện môi đầu 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 hố sinh tạo tín hiệu điện phụ thuộc vào nồng độ hợp chất phân tích sinh học Mơ hình cảm biến hố sinh Tín hiệu điện Chất phân tích Tác nhân thu nhận sinh học Bộ chuyển đổi 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) n Điện hóa • Potentiometric • Amperometric • FET based • Conductometric n Quang học Áp điện n Nhiệt n => cảm biến hoá thần kinh Dopamine, Nitric Oxide, etc => Máy đo nồng độ oxy => Accelerometer, microphone => Thanh cấy vòm họng, máy trợ tim 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) 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 nồng độ khí máu Các phép đo nhanh xác nồng độ khí (pO2), (pCO2) (pH) cần thiết quan trọng chẩn đoán Oxy đo gián tiếp tỷ lệ Hemoglobin chứa Oxy (sO2): sO2 = [ HbO ] ´ 100 [ Hb] Nồng độ pCO2 đo dựa vào quan hệ tuyến tính với pH khoảng 10 - 90 mm Hg H O + CO2 Û H CO3 Û H + + HCO3 - Hằng số hoà tan tính bằng: [ H ][ HCO ] k= + - a × pCO2 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 nồng độ khí máu Điện cực đo pH Điện cực đo pO2 Phương trình Nersnt RT ỉ [ H ] EH = lnỗ ữ nF ố [ H ] i ø 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 quang học Nguyên lý: Sự biến đổi cường độ quang có liên hệ với biến đổi khối lượng hay nồng độ chất cảm quang phát quang LED Nhiều nguyên lý cụ thể sử dụng như: sợi quang, phát quang, hấp thụ, công hưởng quang bề mặt… Finger IR light Ví dụ: mơ hình đo nồng độ oxy máu hồng ngoại ð Photodetector 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 quang học Ống nội soi sợi quang xuyên tim Đèn chiếu sáng Ống bọc Ống nội soi sợi quang xuyên tim Đầu thu sợi quang Nhiệt 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 Thiết bị đo nồng độ oxy máu The pulse oximeter is a spectrophotometric device that detects and calculates the differential absorption of light by oxygenated and reduced hemoglobin to get sO2 A light source and a photodetector are 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 relate transcutaneous light absorption to sO2 Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh