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 THIẾT T BỊ B & C M BIẾN Y SINH Mục tiêu: - Giới thiệu nguyên lý b n hoạt ñộng thiết bị y sinh loại cảm biến thu nhận tín hiệu sinh học - Đặc trưng t ng quát cảm biến - Phân loại cảm biến ứng dụng 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 gì? Thi t bị biến i n ng l ng từ d ng sang ng khác m biến u phát Tín hiệu v t lý Tín hiệu ñiện Ví dụ, hiên t ñiện: ng áp L c -> ñiện 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 cảm biến Hàm truy n: M i quan hệ chức tín hiệu vật lý vào tín hiệu hiệu vào hiệu ch nh tương thích Độ nhạy: T lệ ñộ biến thiên nh c a tín hiệu vật lý ñộ biến thiên tương ứng tín hiệu ñiện Đơn vị ví dụ ñộ nhạy 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 có ñộ xác Độ xác: Sai số lớn tín hiệu thực tế tín hiệu lý tưởng phát 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 cảm biến Độ ế tính: Độ lệch cực ñại so với hàm truyền tuyến tính khoảng ñộng ñó Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên 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 phân biệt ñược Băng thông: Khoảng t n số mà ñ u dò hoạt ñộng thu nhận dạng tín hiệu 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 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 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 dò ñiện (potentiometer) tuyến tính quay Độ dịch chuyển tuyến tính 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 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 lực căng ⇒ Output dR 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 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 ñiện Hiệ tương áp ñiện ? Các áp dụng khác ñiện: u dò áp ⇒Đo gia tốc ⇒Microphone ⇒ Tạo thu nhận sóng âm p l c lên bề mặt tạo phân bố bất ñối xứng ñiện tích tạo thành lưỡng cực ñiện Các phân bố ñịnh hướng khác lưỡng cực ñiện tạo hiệu bề mặt tinh thể áp ñiện Tác dụng chiều: ⇒ Lực học tạo ñiện ⇒Điện áp ñặt 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 ñiện 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 ñộ Điện trở a Thiết bị nhiệt trở (RTD – Resistance Temperature Devices) b Nhiệt trở bán dẫn Cặp nhiệt ñiện Đo nhiệt xạ Cảm biến ño nhiệt sợi quang Thiết bị nhiệt trở (RTD) RTD thường ñược làm kim loại bạch kim, nickel ñồng Các kim loại ñó biểu thị phụ thuộc vào nhiệt ñộ 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 tiếp xúc với nhau, mặt tiếp xúc xuất sức ñiện ñộng nhiệt thermal emf khuếch tán nhiệt electron tự khác từ kim loại ñộ lớn 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 xạ nhiệt Định luật Wien: Bước sóng ứng với suất phát xạ cực ñại phổ 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 sợi quang cladding phụ thuộc vào nhiệt ñộ làm cho 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, chế tạo ñược 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 a s gương ñiện môi 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 tín hiệu ñiện phụ thuộc vào nồng ñộ 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 máu Các phép ño nhanh xác n ng ñộ khí (pO2), (pCO2) (pH) c n thiết quan trọng ch n ñoán Oxy ñược ño gián tiếp tỷ lệ Hemoglobin chứa Oxy sO2 = sO2): [ HbO ] × 100 [ Hb] Nồng ñộ pCO2 ñược ño dựa vào quan hệ tuyến tính với pH khoảng 10 - 90 mm Hg H O + CO2 ⇔ H CO3 ⇔ H + + HCO3 − Hằng số hoà tan ñược 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 ñộ khí máu Đ ện cực ño pH Điện cực ño pO2 Phương trình Nersnt RT  [ H ]  EH = ln  nF  [ H ] i  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: biến ñổi cường ñộ quang có liên hệ với biến ñổi khối lượng hay nồng ñộ chất cảm quang phát quang LED Nhiều nguyên lý cụ thể ñược sử dụng như: sợi quang, phát quang, hấp thụ, công hưởng quang bề mặt… IR light Finger Ví dụ: mô hình ño nồng ñộ oxy máu hồng ngoại 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 u thu sợi quang ng bọc Ống nội soi sợi quang xuyên tim 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 ết bị ño nồng ñộ 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 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 [...]... 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. .. Thanh c y vòm họng, m y 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... 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... nồng ñộ oxy trong máu bằng hồng ngoại 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 u thu sợi quang ng bọc ngoài Ống nội soi sợi quang xuyên tim Nhiệt trở Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành... 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. .. 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. .. 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 => M y ño nồng ñộ oxy => Accelerometer,.. .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 d y 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 d y 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 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 nh y 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. .. trình Nersnt RT  [ H ] 0  EH = ln  nF  [ H ] i  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: biến ñổi về cường ñộ quang có liên hệ với sự biến ñổi về khối lượng hay nồng ñộ các chất cảm quang hoặc phát quang LED Nhiều nguyên lý cụ thể ñược sử dụng như: sợi quang, sự phát quang, ... dụng cảm biến dịch chuyển: thiết bị hỗ trợ khảo sát co cơ, thiết bị trợ tim khảo sát co thắt tim vv… Chương 4: Thiết bị & cảm biến y sinh Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT... môi 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 tín hiệu... 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