DH CAM BIEN va ung dung 820539

Mục lục Mục lục Lời nói đầu Chơng 1: Thiết bị y sinh v đo lờng sinh lý học 1.1 Giới thiệu 1.2 Các thiết bị điều khiển tự động 10 1.3 Thiết bị trị liệu ghép dới da tự động 12 1.4 Các cảm biến v việc đo lờng tợng sinh học 13 1.5 Các đặc tính chuyển đổi v nguyên lý chuyển đổi 14 1.6 Định chuẩn v tiêu chuẩn hoá 17 Chơng 2: Các cảm biến điện trở 2.1 Giới thiƯu 19 2.2 §iƯn trë nhiƯt kÕ 19 2.3 Thermitor 21 2.4 Các đo sức căng kim loại 28 2.5 Các cảm biến dạng ống dẫn 24 2.6 Cảm biến đầu ống 39 2.7 Các dạng sóng huyết áp 41 2.8 Các cảm biến biến trở 45 2.8.1 C¶m biÕn tõ trë 45 2.8.2 HiƯu øng Hall 46 2.8.3 Bộ đo sức căng dạng hạt 50 2.8.4 Điện trở đn hồi 50 2.8.5 Bộ đo sức căng điện phân 52 2.8.6 Bộ đo sức căng thuỷ ngân 53 2.8.7 Điện trở nhạy cảm 57 Chơng 3: Cảm biến điện cảm 3.1 Các cuộn điện cảm đơn 61 3.2 điện cảm tơng hỗ 62 3.3 Biến áp vi sai tuyÕn tÝnh 65 3.4 BiÕn ¸p vi sai quay 68 3.5 L†u tèc kÕ ®iƯn tõ 68 3.6 L†u tèc kÕ sãng h×nh sin 71 3.7 L†u tèc kÕ sãng vu«ng 74 3.8 L†u tèc dïng sãng bËc thang 75 3.9 Các lu tốc kế điện từ thông dụng 76 3.10 Phơng pháp từ lu kế 80 3.11 Máy dao động từ giảo tán mô 82 Chơng 4: 4.1 Các tụ điện đơn 85 4.2 Cấu trúc tụ điện 85 4.3 Các mạch đo lờng điện dung 87 4.4 Tụ điện sinh học 98 4.5 Các đặc tính cảm biến điện dung 100 Chơng 5: Cảm biến quang điện 5.1 Đèn phát xạ quang 101 5.2 Đèn nhân quang điện tử 105 5.3 Bộ đếm nhấp nháy 107 5.4 Tế bo quang áp v ốt ghép nối 108 5.5 TÕ bμo quang dÉn 112 5.6 Tranzitor quang 115 5.7 So sánh cảm biến quang điện 117 5.8 Các ứng dụng sắc kế 118 5.9 Ghi nhiệt 136 Chơng 6: Cảm biến điện dung Các thiết bị áp điện 6.1 Thiết bị áp điện 153 6.2 Tạo siêu âm 168 6.3 Tạo ảnh hai chiều Chơng 7: 191 Các thiết bị dùng hiệu ứng nhiệt điện 7.1 Hiện tợng nhiệt điện 202 7.2 Các ứng dụng Y- Sinh 204 7.3 Nguồn lợng hạt nhân 206 7.4 Hiệu ứng Peltier 208 Chơng 8: Cảm biÕn ho¸ häc 8.1 Tỉng quan 211 8.2 C¸c khÝ máu 210 8.3 Các điện cực lm chuẩn 214 8.4 Phân tích khí máu 226 8.5 Các cảm biến PO2 đo dới da 229 8.6 Các cảm biến đo xuyên da 232 8.7 Cảm biến cáp quang hoá học 232 8.8 Các điện cực iôn đặc biệt 236 8.9 Các thnh phần iôn máu 240 8.10 Giám sát liên tục thnh phần hoá học máu 241 8.11 Các Sensơ hoá học dùng Transistor hiệu ứng trờng 243 8.12 Điện cực Glucose 248 8.13 Bộ đo mu v quang phổ 254 8.14 Các khí hô hấp 262 8.15 Hấp thụ Ôxy v nồng độ 267 8.16 Bộ phân tích khí CO2 276 8.17 Bộ phân tích Nitơ 279 Chơng 9: Điện cực 9.1 Giao diện điện cực chất điện phân 288 9.2 Điện điện cực 289 9.3 Sự ổn định điện điện cực 290 9.4 Các điện cực clorua bạc 294 9.5 Trở kháng điện cực 297 9.6 Các điện cực đối tợng cần đo 310 9.7 Trở kháng điện cực clorua bạc 312 9.8 Điện cực platin đợc paltin hoá 318 9.9 Các điện cực dùng để đo tợng điện sinh học 320 9.10 Các chất điện phân dùng cho điện cực 338 9.11 Phản ứng mô với chất điện phân 340 9.12 Hiện tợng mi mòn 341 9.13 Các điện cực điện dung 345 9.14 Các điện cực dùng cho mô trần 348 9.15 Các điện cực dới da 349 9.16 Phản ứng mô kim loại điện cực cấy vo da 457 9.17 Méo sóng trở kháng đầu vi máy ghi điện sinh häc 358 9.18 Vi ®iƯn cùc 365 9.19 Vi ống pipét đơn đổ đầy điện phân 381 9.20 Các ống pipet động 383 9.21 Lm đầy ống pipet 384 9.22 Các chất điện phân dùng cho ống pipet 386 9.23 Đo lờng điện nghỉ mng 387 9.24 Mạch điện tơng đơng 389 9.25 Đo điện trở v điện dung đầu ống 392 9.26 Bù điện dung âm (hồi tiếp dơng) 396 9.27 So sánh vi ®iƯn cùc kim lo¹i vμ vi èng pipet 398 9.28 §iƯn cùc kÝch thÝch 399 9.29 Sù ph©n bè mËt ®é dßng ®iƯn cđa ®iƯn cùc 401 9.30 Quan hƯ trở kháng điện cực- đối tợng đo dùng cho kích thích 402 9.31 Hiện tợng điện phân v hồ quang 406 9.32 TÝnh chØnh l†u 408 Tμi liƯu tham kh¶o 415 Lời nói đầu Điện tử - Y- Sinh l chuyên ngnh nhằm đo tạo kỹ s khai thác, sử dụng v sửa chữa trang thiết bị y tế Để bảo đảm cho học viên có ti liệu tham khảo trình học tập, nghiên cứu, Bộ môn Điện tử Y Sinh - Khoa KTĐK tổ chức biên soạn ti liệu Nguyên lý v ứng dụng phần tử đo lờng cảm biến y sinh" Đây l ti liệu mang tính hệ thống v tơng đối đầy đủ chủng loại cảm biến y sinh, hữu ích việc giảng dạy v học tập môn học "Các phần tử đo lờng điều khiển y sinh" nói riêng v chuyên ngnh điện tử y sinh nói chung Cuốn sách đợc hon thnh dới chủ trì TS Huỳnh Lơng Nghĩa v tham gia cđa TS Ngun Ngäc BÝch (ch†¬ng 6, ch†¬ng 7, chơng 9) v KS Nguyễn Mạnh Cờng (chơng 1, chơng 2, ch†¬ng 3, ch†¬ng 4, ch†¬ng vμ ch†¬ng 8) Ti liệu ny thuộc chuyên ngnh nên dịch chắn không tránh khỏi thiếu sót, đặc biệt l thuật ngữ, nhóm tác giả mong nhận đợc đóng ý kiến phê bình đọc giả Xin trân trọng cảm ơn! H nội 19/03/2006 Chơng Thiết bị y sinh v đo lờng sinh lý học 1.1 Giới thiệu Các thiết bị y- sinh học đợc chia thnh ba loại bản: thiết bị chẩn đoán; thiết bị trị liệu v thiết bị trợ giúp Thiết bị chẩn đoán thu nhận v biểu diễn thông tin giúp cho việc chẩn đoán Về chất thiết bị thu thập liệu hay thiết bị chẩn đoán l thiết bị nâng cao khả phán đoán ngời thiết bị ny, cảm biến đóng vai trò mấu chốt Các thiết bị trị liệu đợc bác sỹ sử dụng đợc định để kìm hãm hay điều chỉnh trình sinh lý xảy không mong muốn chấn thơng, bệnh tật tác nhân khác Mặc dù điều trị dợc phẩm l phơng pháp thông dụng để chữa bệnh, song thiết bị nh máy chiếu tia X điện áp cao (huỷ hoại tế bo ung th); thiết bị tạo nhịp tim (để khởi động nhịp đập tim đặn) thiết bị khử rung tim (để ngăn chặn bệnh loạn nhịp tim gây tử vong; hay bƯnh co tim thÊt) lμ c¸c vÝ dơ kh¸ phỉ biến thiết bị trị liệu Các thiết bị trợ giúp đợc sử dụng để hỗ trợ trờng hợp suy giảm chức thay cho chức cha hon ton phục hồi bị sau điều trị bệnh Có thể thấy thiết bị trị liệu điện tử dới da đợc phát triển với số lợng ngy cng tăng Ví dụ quen thuộc l máy tạo nhịp tim, số thiết bị khác nh máy kích thích cột sống, thiết bị trợ thính (máy nghe) v thiết bị kích thích phát triển xơng Máy kích thích cột sống l thiết bị thu vô tuyến nhỏ đợc nối tới điện cực dây cột sống Sự kích thích dây thần kinh cột sống tạo nhờ thiết bị phát bên ngoi lm giảm cảm giác đau vùng điện cực Máy trợ thính l dạng khác thiết bị thu vô tuyến có điện cực đợc nối tới dây thần kinh thính giác cho ngời khiếm thính Âm môi trờng đợc xác định nhờ microphone có nhiệm vụ chuyển tín hiệu nhận đợc tới xử lý tiếng nói; ny kích hoạt thiết bị truyền tín hiƯu tíi phÝa d†íi da MỈc dï viƯc thiÕt lËp liên lạc cho ngời điếc theo cách ny chậm, song kết ban đầu khả quan v nhiều thiết bị nghe đợc sử dụng cho ngời Bộ kích thích phát triển xơng (dùng phơng pháp kích thích dới da) l nguồn chiều không đổi Các điện cực đợc gắn vị trí xơng gãy có tác dụng liên kết xơng lại Kỹ thuật tơng tự áp dụng để kích thích phát triển xơng ngời trẻ Có thể nói phạm vi sử dụng lớn thiết bị dới da l thiết bị pha chế thuốc Ví dụ nh thiết bị dới da dùng để truyền Heparin (thuốc chống đông tụ) đợc Black sheav đa vo năm 1975 Các hệ thống truyền thuốc dới da nh thuốc Insulin, thuốc chống loạn nhịp tim v thuốc giảm huyết áp đợc phát triển Ngy thiết bị dới da cho phép đa thuốc vo nhờ kim đặt dới da 1.2 Các thiết bị điều khiển tự động Một số lợng lớn thiết bị chẩn đoán v trị liệu đợc đa vo hệ thống phản hồi kín để điều khiển tự động chức ngời Vấn đề ny l mẻ, luận chứng đợc Bickford đa (1950-1951), ông sử dụng điện não đồ (EEG) để điều khiển độ sâu gây mê Khi độ sâu gây mê mức, tần số chủ đạo (dominant) điện não đồ giảm xuống Với việc sử dụng mạch thích hợp để xử lý tín hiệu EEG, Bickford tạo tín hiệu điều khiển truyền thuốc gây mê tĩnh mạch Mặc dù điều khiển EEG gặp nhiều khó khăn Ví dụ, tất phơng pháp gây mê no gây ảnh hởng tới dải phổ tần số EEG cách Thêm vo l có nhiều nhân tố khác nh việc đa máu lên não bị giảm gây ảnh hởng tới EEG Vì lý m EEG không đợc tiếp tục sử dụng nh l điều khiển độ sâu gây mê Điện điện (Electromyographic - EMG) đợc sử dụng để điều khiển thiết bị trợ giúp chế độ phản hồi Montgomery (1957) sử dụng EMG từ hô hấp d ngời bệnh tiền bại liệt (port polio) để điều khiển chu kỳ máy hô hấp gắn ngực Khi bắt đầu hô hấp, tín hiệu EMG lật trạng thái cho máy hô hấp để giúp ngời bệnh hít vo, điện EMG máy hô hấp lại đợc lật trạng thái để giúp cho việc thở Máy hô hấp có chế độ đặt chu kỳ tự động tín hiệu EMG bị lỗi Nguyên lý ny đợc áp dụng máy tạo nhịp tim EMG ®†ỵc Geddel vμ céng sù (1959) sư dơng ®Ĩ gióp cho ngời bại liệt chi cử động đợc Trong thiết bị ny, điện EMG từ nhóm nhỏ d mở van solenoid cho phép bơm phồng nhân tạo McKibben, l đoạn ruột nằm ống vải Khi thổi phồng xiphông khiến cho ống vải tăng đờng kính v giảm chiều di, việc giảm chiều di giúp chuyển động phần tay nối ngời bệnh Sự co lại nhóm khởi động co 10 nhân tạo, co lại nhóm khác tạo dãn Theo cách ny nhân tạo trạng thái co hay dãn đợc định ngời bệnh m không cần đến tín hiệu EMG hay khÝ ®Ĩ thỉi phång Cã rÊt nhiỊu øng dơng ®Ĩ kích thích thần kinh bắp ngời liệt tổn thơng cột sống Mô hình dịch chuyển chi (upper - extremity) Peckham v Mortiner năm 1977, đạp xe bánh (Pretrofsky v cộng năm 1983)v kết trợ giúp lại (Vodovnik 1977, Pretrofsky v cộng năm 1983) l ví dụ điển hình Trong nghiên cứu sử dụng xe bánh Petrofsky thông tin từ van (throttle) đợc đa tới máy tính nhỏ để điều kích thích Các bốn đầu đợc kích thích từ 2700 đến 900 theo vòng đạp Cơ mông đợc kích thích từ 00 đến 1800, 00 ứng với vị trí đạp cao chân Những cố gắng giúp cho bệnh nhân liệt nửa ngời lại đợc xây dựng vo năm 1966 Nam t (Vodovnik v cộng sự, 1966) Vodovnik (1977) tổng kết nghiên cứu trớc v thân Bắt đầu với số liệu định lợng xơng v dịch chuyển phối hợp ngời bình thờng, ông tạo hệ thống kích thích lập trình kênh để nâng cao khả lại 10 bệnh nhân liệt bán thân dùng điện cực đặt da v nhận đợc kết tốt khả lại ngời ny nhng ông thấy lựa chọn bệnh nhân đóng vai trò quan trọng (Vodovnik 1977) Để lm khoẻ mạnh cho bệnh nhân liệt hai chân sử dụng phơng pháp kích thích điện, Petrofsky v Phillips (1983) phát triển hệ thống cho phép ngời bệnh lại mặt phẳng Các nhóm nhận tín hiệu kích thích thông qua điện cực gắn da gần bốn đầu, vùng xơng chậu, vùng phía trớc xơng chy v kheo chân Tín hiệu từ thiết bị thị vị trí hông, đầu gối, mắt cá chân đợc đa tới sensor Các sensor giám sát phụ đợc sử dụng để giới hạn vận động phối hợp (joint motion) Các sensor áp lực đợc sử dụng để ghi nhận lực dới bn chân Hệ thống đợc kích hoạt nhờ chuyển động vai, ví dụ vai phải nhô phía trớc lm cho chân phải di chuyển phía trớc Hệ thống Petrofsky v cộng phát triển tạo đợc khả lại, nhng nh nghiên cứu có nhiều điều cần lm để hon thiện hệ thống Các sensor phụ (ví dụ nh vị trí thể đợc cảm nhận nhờ quay hồi chuyển) cải thiện dáng nhiều nghiên cứu bổ trợ thêm để tạo cách thức di chuyển ngang hay lên xuống bậc - hoạt động ny lμ mét phÇn quan träng cc sèng cđa mét ngời bình thờng Điều đặc biệt cần l phải có phơng án dự phòng để phục hồi lại vị trí thẳng đứng sau bị ngã 11 Kadish (1964) thực việc điều chỉnh tự động lợng đờng máu Hệ thống ny gồm phân tích tự động đo lợng đờng máu v hai xilanh đợc điều khiển môtơ, cung cấp chất Insulin (chất lm giảm lợng đờng máu) v cung cấp chất Glucagon (chất lm tăng lợng đờng máu) Hệ thống điều chỉnh bắt đầu đa Insulin Glucagon lợng đờng tăng 150mg% tụt dới 50mg% Hệ thống đợc dùng cho ngời bình thờng ngời mắc bệnh tiểu đờng Tự động điều chỉnh lợng Glucose máu giờng bệnh cách điều khiển Insulin ngy cng thông dụng Tổng quan kỹ thuật ny đợc Albisser (1979) trình by, ông l ngời xây dựng thiết bị sử dụng cho bệnh nhân nằm giờng có vấn đề quan trọng, cần trì mức Insulin lại có yêu cầu tăng đột biến lợng đờng máu thời điểm bắt đầu bữa ăn tức l yêu cầu lợng Insulin lớn Các hệ thống tự động khó đáp ứng đợc yêu cầu (do độ trễ hệ thèng) Kraegen vμ céng sù (1981) ®· thiÕt kÕt mét điều khiển sử dụng thuật toán kép chống lại tăng mức lợng đờng máu Bằng cách ny hai nhu cầu thờng xuyên v tức thời đợc thoả mãn Schade (1973) nghiên cứu việc tự động điều chỉnh huyết áp cho bệnh nhân nằm giờng ông sử dụng thuật toán điều khiển thích nghi nhờ máy tính số đặt cách xa bệnh viện Từ đến nhiều nghiên cứu đợc thực Sheppard(1981) sử dụng thuật toán vi - tích phân tỉ lệ (PID) để điều chỉnh huyết áp cho bệnh nhân sau phẫu thuật tim cách tiêm chất nitroprusside vo tĩnh mạch Đến hệ thống ny đợc sử dụng cho 10.000 bệnh nhân 1.3 Thiết bị trị liệu tự động ghép dới da Các hệ thống tự động vừa mô tả đợc sử dụng thích hợp thiết bị sử dụng phơng pháp ghép dới da Tồn mét trë ng¹i nhÊt b†íc ci cïng lμ thiếu cảm biến dới da có tuổi thọ thích hợp để nhận biết tợng sinh học cần thiết Ngời ta tập trung nghiên cứu tìm giải pháp cho vấn đề ny Mặc dù thiếu hụt cảm biến cấy dới da, thiết bị trị liệu tự động ghép dới da đợc phát triển Thiết bị quen thuộc có lẽ l máy tạo nhịp tim, không tác động tâm thất co bóp v kích thích cách nhịp nhng chúng không co bóp Bộ cảm biến phát nhịp đập tự phát 12 (hoặc thông thờng) l cặp điện cực giống đợc sử dụng để bắt nhịp tim Hng năm giới tiêu thụ khoảng100.000 máy tạo nhịp tim Một thiết bị trị liệu tự động ghép dới da khác l máy khử rung tim Thiết bị ny giám sát hoạt động tâm thất cách liên tục Khi có dÊu hiƯu rèi lo¹n, nã sÏ t¹o mét có sốc mạnh để phục hồi nhịp đập tim cho tâm thất Hiện có khoảng 500 bệnh nhân sử dụng thiết bị ny Ngời ta tiến hnh nghiên cứu nhằm tạo điều khiển tự động huyết áp cấy dới da chứng tăng huyết áp trở nên phổ biến nớc phơng Tây Một đánh giá xác l có khoảng 10% dân số Mỹ mắc bệnh cao huyết áp v khoảng 1/4 số họ đợc điều trị phù hợp Rõ rng l việc tạo cảm biến áp suất cấy dới da cần đợc quan tâm nhiều Một lĩnh vực m thiết bị tự động cấy dới da đợc trọng l điều trị bệnh nhân tiểu đờng Các nh nghiên cứu xúc tiến để tạo sensor glucose cấy dới da Rất khó dự đoán đột phá xuất đâu việc tạo thiết bị trị liệu động cấy dới da Các nh nghiên cứu tìm phơng thức đặc biệt để nhận biết tợng cần điều khiển tợng liên quan chặt chẽ với chúng 1.4 Các cảm biến v việc đo lờng tợng sinh học Nhiệm vụ cảm biến l chuyển đổi lợng từ dạng ny sang dạng khác có lợi Đôi sensor hay detector (bộ phát hiện) đợc sử dụng thiết bị để mô tả tợng sinh học Trong ứng dụng y - sinh cảm biến chuyển tín hiệu sinh học (các tợng sinh học) thnh tín hiệu điện đợc thể dới dạng ny v tợng sinh học dễ dng dựa vo máy tính v thiết bị hiển thị thể thông tin nhận đợc dới dạng có lợi Với việc biểu diễn tợng sinh học dới dạng tín hiệu điện cho phép lu giữ số liệu ny băng từ, đĩa hay nhớ số để xem lại lúc no Việc giữ chậm v tái tạo tốc độ hiển thị khác cho phép kiểm tra liệu thông tin trình đo tợng sinh học, đồng thời trở thnh công cụ để thu nhận đợc lợng thông tin lớn đo lờng Rất nhiều phơng pháp đợc sử dụng để chuyển tín hiệu sinh học sang tín hiệu điện Hiện tợng đợc lm để thay đổi trực tiếp hay gián tiếp đặc tính nh điện trở, điện dung, điện cảm hay cảm ứng từ hai hay nhiều cuộn dây Các cảm biến quang điện v áp điện đợc sử dụng rộng rãi 13 Hình 9-66 Bộ khuếch đại điện dung âm (có hồi tiếp dơng) đợc dùng để loại bỏ điện dung hiệu dụng đầu ống Hồi tiếp đợc điều chỉnh chiết áp FB Tín hiệu phản ánh chất tợng điện sinh học đợc ống pipet tách v nhận đợc từ ®Çu ci cđa ®iƯn trë ngn RS sù trung hoμ điện dung đợc bảo đảm nhờ việc cấp (cùng pha) mét phÇn cã chän läc tÝn hiƯu cđa bé khuếch đại thuật toán tới đầu vo thông qua điện dung nối ghép Crb có giá trị vi pF (hình 9-68b) xuất đầu dẫn nguồn Điều ny có đợc l điện trở đầu ống v điện dung tổng mạch vo tăng hệ số hồi tiếp pha tăng v giảm sóng đợc tái tạo trở thnh dốc đứng (hình 9-68c), với hồi tiếp lớn hơn, xuất độ vọt nhẹ (hình 68d) v với hồi tiếp mức, độ vọt trở thnh lớn v xuất dao động tắt dần (hình 9-68e), có nghĩa lμ xt hiƯn ®é rung Sù ®iỊu chØnh håi tiÕp tối u đợc hình 968d phơng pháp dùng dòng xung vuông không đổi (hình 9-67b), tín hiệu thử (cấp máy phát sóng vuông) đợc nối với điện trở Ri có giá trị lớn nhiều lần (100- 1000 lần) điện trở đầu ống pipet Tổ hợp nối tiếp (Ri v máy phát sóng vuông có điện áp E) đợc nối với thông qua chuyển mạch ngang qua đầu cuối ống pipet vμ ®iƯn cùc quy chiÕu Thđ tơc ®iỊu chØnh mạch hồi tiếp giống nh phơng pháp điện áp không đổi: tăng hệ số hồi tiếp để nhận đợc tái tạo tốt tín hiệu thử dơng dạng sóng vuông Phơng pháp sóng tam giác kết nối điện dung đợc minh hoạ hình 967c phơng pháp Freygang (1958) vμ Lettring ®†a ra, sư dơng mét máy phát sóng tam giác ghép nối thông qua điện dung C có giá trị vi pF Độ sâu hồi tiếp đợc tăng lên sóng vuông tốt đợc tạo đầu đo phần đầu ống Sóng vuông tạo có đợc mạch hồi tiếp thích hợp 400 điện trở đầu ống pipet mắc nối tiếp với C tạo thnh mạch vi phân trình vi phân hãa thùc mét sãng tam gi¸c (cã nghÜa lμ mét có độ dốc l số) tạo sóng vuông Khả phơng pháp tạo bù trừ ton vẹn tất điện dung kết hợp với ống pipet trờng hợp, mạch điện tiếp giáp với tợng điện sinh học đầu đỉnh ống pipet khác với mạch m phơng pháp bù trừ đợc điều chỉnh xếp, nữa, ba phơng pháp đa công cụ tốt điều chỉnh mạch hồi tiếp để bù trừ cho điện dung đầu vo nhiên, mạch đầu vo l phức tạp v bao gồm nhiều thnh phần phân tán l tham số tập trung Vì việc trung ho hon ton l việc đợc để rõ quan điểm ny, mạch điện tơng đơng pipet nằm tế bo đợc trình by hình 9-63 Hình 9-68 Điều chỉnh khuếch đại điện dung âm (có hồi tiếp dơng a) tín hiệu vo b) Không có hồi tiếp c) Vừa phải d) thích hợp e) mức 9.27 So sánh vi điện cực kim loại v vi ống pipet Cả hai vi điện cực kim loại v vi ống pipet đợc dùng để đo điện mng v điện hoạt động Tuy nhiên, để đánh giá v so sánh tính phù hợp loại l việc hon ton khác Do tính chất điện loại điện cực khác nên cần phải thấy loại phù hợp cho công việc định Vi điện cực kim loại đặc trng nối tiếp kim loại- chất ®iƯn ph©n cã diƯn tÝch nhá, vμ nã cã trë kháng cao tần số thấp v giảm tần số tăng Đặc trng trở kháng - tần số ny l điều khó khăn để xây dựng thiết bị đo điện với điện trở đầu vo đủ lớn để đo điện nghỉ mng dùng điện 401 cực kim loại có diện tích nhỏ Đặc tính trở kháng - tần số ống pipet đợc lm đầy chất điện phân có tính trở kháng (không phụ thuộc vo tần số vùng tần số thấp) v có điện trở hữu hạn, cao tần số không (dòng chiều) Dùng loại điện cực ny tơng đối dễ dng để bảo đảm thiết bị đo với điện trở đầu vo đủ lớn để đo xác điện nghỉ mng Cả hai loại điện cực dùng để đo điện hoạt động thiết bị đo có trở kháng đầu vo cao Nếu trở kháng không đủ lớn tạo độ méo Trong trờng hợp vi điện cực kim loại, trở kháng đầu vo thiết bị đo thấp điện cùc cã tÝnh chÊt gièng nh† mét bé läc tÇn số cao Với thiết bị có trở kháng đầu vo cao đợc nối với vi ống pipet chứa đầy chất điện phân điện dung phân tán đầu ®Ønh èng sÏ lμm cho ®iÖn cùc cã tÝnh chÊt nh lọc thấp tần có nghĩa l thnh phần tần số cao điện hoạt động suy giảm v sóng không nhận đợc Mặc dù điện cực kim loại có điện dung phân tán đầu đỉnh, trở kháng tần số cao mối tiếp xúc kim loạichất điện phân l thấp lm cho hiệu ứng điện dung l không đáng kể §iƯn cùc kim lo¹i vμ vi èng pipet còng cã thể đợc so sánh dựa vo khả phân biệt điện áp nhiễu chúng Vì vi điện cực kim loại có thnh phần điện trở trở kháng thấp với việc tăng tần số, điện áp nhiễu thấp đáng kể điện trở ống pipet ống pipet có trở kháng điện trở cao đồng bao chùm tất phổ tần số Do đó, sử dụng phơng pháp ghi điện hoạt động với dải băng rộng với hệ số khuếch đại cao độ nhiễu thấp vi điện cực kim loại l đặc điểm cần quan tâm Vì lý trên, ống pipet đợc lm đầy chất điện phân thờng đợc dùng để đo điện nghỉ mng, v với việc chuẩn bị thích hợp chúng dùng để đo điện hoạt động Nh vậy, hai loại điện cực có đặc tính bổ sung v vi điện cực kim loại giống nh lọc tần số cao ống pipet giống với lọc thông thấp 9.28 Điện cực kích thích điện cực dùng để kích thích mô dễ bị kích thích khác l điện cực dùng để đo mật độ dòng điện giao diện điện cực- chất điện phân dùng điện cực cách điện (điện dung) để kích thích, nhng không phổ biến Hình 9-69 minh hoạ loại điện cực kích thích thờng gặp Tuy nhiên, nhiều điện cực ghi đợc giới thiệu trớc dùng để kích thích Điện cực kim loại thờng đợc dùng nh điện cực trung tính phán đoán điện cực quy chiếu Điện cực kích thích phổ biến l loại lỡng cực cầm tay đợc hình 9-69a đợc chế tạo từ hai dây cứng, nối dây đợc cách điện v 402 đợc giữ với ống đầu cuối đợc lm tròn v phía ngoi để có đợc khoảng cách mong muốn Điện cực kiểu ống (hình 9-69b) dùng phổ biến để đo nhịp tim Một hai điện cực đợc gá ống catheler (đờng kính 1-2mm) Các điện cực ny ban đầu có chiều di khoảng 1cm với diƯn tÝch vïng l©n cËn 30-60 cm2 vËy sau ®ã ng†êi ta nhËn thÊy mËt ®é dïng ®iÖn kÝch thích v diện tích đợc giảm đến vi cm2 để thực điều ho nhịp tim với dòng điện nhỏ hơn, cách kéo di tuổi thọ pin máy điều ho nhịp tim Khi kích thích đơn cực đợc sử dụng, vỏ kim loại máy ®iỊu hoμ nhÞp tim trë thμnh ®iƯn cùc quy chiÕu (anôt) Điện cực hoạt động (catôt) có kích thớc nhỏ v đợc đặt đầu ống catheter cho hai trờng hợp kích thích đơn cực v lỡng cực Điện cực ống đơn cực v lỡng cực đợc miêu tả hình 9-69c dễ sản xuất v thích hợp để kích thích thần kinh Điện cực đợc đặt dây thần kinh v đợc giữ ống khe ống cao su nh hình 9-69c nhiều điện cực đợc dùng để kích thích da Thờng miếng đệm dung dịch muối bọc quanh cầu kim loại đợc dùng nh điện cực hoạt động (catôt) Hình 9-69e minh hoạ ®iƯn cùc nh† thÕ cÊu t¹o bao gåm mét èng tuýp rỗng cách điện v cần mảnh có bi cầu kim loại gắn đầu cuối Bi cầu đợc phủ gạc đặt chỗ ống cách điện tạo thnh tay cầm Đầu cuối phía đối diện điện cực cho phép kéo bi cầu vo đầu cuối tay cầm, siết chặt gạc v nhúng vo dung dịch muối 403 Hình 9-69 Các điện cực kích thích Nh nói đầu chơng ny, trở kháng điện cực - chất điện phân giảm tăng mật độ dòng điện Do đó, trở kháng m điện cực kích thích tạo thấp nhiều so với trở kháng đợc tạo cặp điện cực đó, chúng đợc dùng để ghi lại tợng điện sinh học Hơn nữa, phân bố dòng điện điện cực kích thích không đồng nh trờng hợp điện cực phiến tải dùng đợc da 9.29 Sự phân bố mật độ dòng điện điện cực Khi điện cực phiến đợc phủ điện phân đặt lên da v đợc dùng để phân phối dòng điện mật độ dòng điện vùng vnh đai lớn mật độ trọng tâm (nelorn- 1975) Hình 9-70a mô tả quan điểm ny lý để dòng vùng vnh đai lớn l tất dòng chảy qua điện cực cần đợc vnh đai cho phép Cũng tơng tự, điện cực kim dùng để kích thích, mật độ dòng đầu ống v kích thích cao phần lại bề mặt ý nghĩa phân bố mật độ dòng không đồng có liên quan đến yếu tố l kích thích xẩy vùng có mật độ dòng cao Vì lý nên không cần xác để định rõ mức độ kích thích tính theo mật độ dòng trung bình dòng điện cách chia vùng bề mặt điện cực Mật độ dòng điện cực không đồng thấy đợc dõi theo khử rung tim điện cực gắn cho ngực Sau phân chia xung dòng điện (40-50A, 5ms) nhìn thấy vùng đỏ ngực l vnh đai điện cực Cũng nh thế, với điện cực phân tán dẫn điện dùng ®Ĩ phÉu tht ®iƯn, da ë vïng trung t©m cđa điện cực lạnh vùng vnh đai Hình 9-70b l biểu đồ nhiệt biểu diễn phân bố nhiệt độ điện cực tròn đợc áp vo bắp đờng ngăn dùng kem điện cực có điện trở thấp Vùng trắng xác định vnh đai nóng 404 Hình 9-70 (a) Sự phân bố theo lý thuyết mật độ dòng điện điện cực phân phối dòng đến da (b) Biểu đồ nhiệt minh hoạ nhiệt độ dới da điện cực đĩa hình tròn bắp đùi sau có dòng điện 1A; 500KHz qua phút 9.30 Quan hệ trở kháng điện cực- đối tợng đo dùng cho kích thích Nh nói phần trớc chơng, trở kháng giao diện điện cực chất điện phân giảm tăng mật độ dòng Thêm nữa, trở kháng mô sống giảm nhẹ tăng mật độ dòng Mặc dù thông tin vấn đề ny không nhiều nhng mối quan hệ mật thiết yếu tố thật rõ rng Ngời ta chất mạch điện cực- đối tợng đo nên dạng sóng dùng điện v điện áp khác với dạng sóng no hình sin Hơn nữa, tính phi tuyến mạch, mối liên hệ phụ thuộc vo mật độ dòng điện Ngay dòng hình sin, dạng sóng điện cực v dòng điện khác chút Với sóng phức tạp, mặt kỹ thuật không biểu thị trở kháng l tỷ số điện áp với dòng điện Nếu dạng sóng điện áp v dòng khác nhau, tỉ số ny l ý nghĩa Tuy nhiên, tỷ số xác định điều 405 độ dẫn cho dòng điện, v lý ®†ỵc sư dơng rÊt nhiỊu vμ ®†ỵc gäi lμ "trë kháng biểu kiến "(apparent impedance) Trờng hợp m nhận biết việc giảm trở kháng biểu kiến mật độ dòng tăng l hồi phục theo dõi nhịp tim Để minh hoạ chất trở kháng điện cực - chất điện phân xung dòng hồi phục nhịp tim, Geddes đo trở kháng biểu kiến điện cực điển hình dùng khử nhịp tim đờng kính 9cm nối với cét ®iƯn cùc chÊt láng dμy 1cm cã ®iƯn trë thấp Hình 9-71 minh hoạ mối quan hệ điện áp dòng điện v trở kháng biểu kiến với dòng điện cần ý đến giảm trở kháng biểu kiến dòng tăng (hình 9-71b) Các điện cực đợc áp vo ngực cừu nặng 81kg v thủ tục đợc lặp lại Hình 9-72a minh hoạ mối quan hệ dòng điện với điện áp v hình 972b minh hoạ mối quan hệ trở kháng biểu kiến với dòng điện Chú ý trở kháng biểu kiến giảm dòng điện tăng Từ nghiên cứu cho thấy điện trở mô giảm tăng mật độ dòng Hơn nữa, mật độ dòng, điện trở giảm với cú sốc liên tiếp Việc giảm điện trở ny phụ thuộc vo dạng mô, huyết tơng (plasma) v chất mỡ xuất để tạo giảm trở kháng Rất nhiều tợng xảy giao diện điện cực chất điện phân m dòng điện chạy qua Phần lớn đặc tính giao diện ny đợc miêu tả chơng ny v chơng Đôi khi, tợng điện cực l có ích, nhng xét phơng diện khác, chúng lại có vấn đề Bất đánh giá no tính chất điện cực cần phải phân biệt đợc việc đa vo điện áp không đổi, hay xung chiều hay điện áp hình sin Hơn nữa, cần ý đến kiểu nguồn sử dụng l kiểu điện áp không đổi hay l kiểu dòng không đổi Rõ rng l loại chất điện phân v loại điện cực quan trọng Thờng ngời ta dùng điện cực kim loại quý không tạo ion xảy phản ứng hoá học với chất điện phân Các tính chÊt cđa ®iƯn cùc phơ thc vμo ®é dμi vμ tần số xung dòng điện v tần số sử dụng dòng xoay chiều Thnh phần thời gian ny nảy sinh hoạt tính ion chất điện phân l nhân tố tham gia trình xảy điện cực 406 Hình 9-71 a, Mối quan hệ điện áp - dòng điện b, Trở kháng biểu kiến với dòng điện cho cặp điện cực 9cm dïng håi phơc nhÞp tim tiÕp xóc víi mét cột chất lỏng điện cực độ dy 1cm Các xung dòng điện đợc phát máy khử rung tim điển hình tạo sóng hình sin tắt dần 407 Hình 9-72 a, Mối quan hệ điện áp dòng điện b, Trở kháng biểu kiến với dòng điện cho cặp điện cực 9cm dùng để khử rung tim ngực cừu có trọng lợng 81kg Các xung dòng điện đợc phân phối máy khử rung tim điển hình tạo sóng Hình 9-73 Trở kháng biểu kiến tính cho dòng khử rung tim cho điện cùc khö rung ë ngùc mét chã 408 9.31 Hiện tợng điện phân v hồ quang Pin điện phân đơn giản đợc tạo thnh từ điện cực kim loại (điện cực trần có phủ mng có diện tích nhỏ) kết hợp với điện cực có diện tích lớn chất điện phân Với điện áp chiều tăng tuyến tính với tốc độ nhỏ nhận đợc từ nguồn điện áp không đổi xuất dòng điện, điện áp tăng, tạo đoạn phẳng Bản chất đoạn phẳng ny phụ thuộc vo loại chất điện phân v chất bị phân huỷ Các đờng cong dòng điện- điện áp ny có tên gọi l đờng cong phân cực (polagrams) thí dụ đợc đa chơng Với điện áp chiều khoảng 0.6V đặt vo điện cực có diện tích nhỏ, dòng điện chạy qua phụ thuộc vo áp suất cục ôxy phân huỷ Bên cảm biến cực tính l ngợc lại v cờng độ dòng điện tỉ với mật độ hydro peroxide, sản phẩm trình oxi hoá glucose Phân cực học l kỹ thuật quan trọng hoá phân tích Chúng ta lm quen với tợng hoá học nh cho dòng qua hai điện cực kim loại quý nớc axit anốt thu đợc bong bóng ôxy, catốt dung lợng khí hyđrô gấp hai lần đợc giải phóng Đây l tợng điện phân đợc nhiều ngời biết đến, tuân theo định luật Farađây: 1g tơng đơng nguyên tố đợc giải phóng 93,500C (ampere-second) Trong mạ điện thí dụ khác tợng điện phân, kim loại điện kết tủa điện cực v đợc lấy từ điện cực khác, chất điện phân l muối kim loại v đợc kết tủa ngoi dung dịch Trong ứng dụng nh mật độ điển hình dòng chiều l 10 mA/cm2 Một loạt vị xảy có xung dòng điện chiều không xác ®Þnh ®i qua mét giao diƯn ®iƯn cùc- chÊt ®iƯn phân mật độ dòng thấp, dòng điện chạy qua đợc xác định diện tích bề mặt điện cực, chất mạch điện cực chất điện phân v loại nguồn dòng điện (thí dụ l điện áp không đổi hay dòng không đổi) Khi mật độ dòng điện tăng lên, tợng điện phân xảy xung v bọt khí nhìn thấy bề mặt ®iƯn cùc Lo¹i khÝ bät phơ thc vμo chÊt ®iƯn ph©n vμ ®iƯn cùc lμ anèt hay catèt Trong dung dịch nớc, ôxy đợc giải phóng anốt v hyđrô đợc giải phóng catốt Hiện nay, dòng xung tăng lên, có nhiều bọt khí tạo thnh v dòng điện thêm nữa, khí bị ion hoá phát tia ánh sáng v tạo thnh tử lớp sóng chất điện phân Đó l nguyên lý đợc dùng máy tán sỏi, thiết bị dùng để phá sỏi thận Berland v cộng (1977) nghiên cứu tính chất ®iƯn cùc èng (1.25cm2) dung dÞch mi 0.9%, xung đợc đa vo từ nguồn điện áp không đổi Hình 9-75a minh hoạ dạng điện cực cha có dòng 409 điện Hình 9-75b ®iƯn cùc ®†a ®iƯn ¸p 500V thêi gian 11ms, xung dòng điện 1.8A v tạo thnh bọt khí Hình 9-75e cho thấy xuất hiƯn hå quang ë gi©y thø 17 Tr†íc hå quang hình thnh, mật độ dòng l khoảng 14.4A/cm2 Xung dòng điện kết thúc giây thứ 20 Hình 9-75d trình by dạng sóng điện áp E v dòng điện I Hình 9-75 a) Điện cực ống (1.25cm ) dung dịch muối 0.9% b) Điện cực (catốt) sau11msec đa dòng 10.8A c) Hồ quang dới nớc hình thnh sau 17msec đa dòng d) Dạng sóng điện áp v dòng điện điện cực ống dung dịch muối Wessale v cộng (1987) nghiên cứu khả dẫn điện điện cực hình 9-75a với diện tích khác Dòng điện ngỡng để tạo tợng hồ quang đợc xác định dựa xung điện áp hình vuông giới hạn từ 2ms đến 30ms Hình 9-76a minh hoạ kết cho thấy kích thớc điện cực khác cho đờng đồ thị dòng hồ quang- độ rộng xung khác Ngỡng dòng hồ quang (I) cao điện cực có diện tích lớn hình 9-76b mật độ dòng điện ngỡng J tợng hồ quang cho loại điện cực đợc vẽ theo độ rộng xung 410 Hình 9-76 a) Dòng điện ngỡng tạo hå quang I phơ thc vμo ®é dμi xung ®èi với điện cực 1.2, 0.95, 0.64 v 0.45cm2 b) Mật độ dòng điện phụ thuộc vo độ di xung điện cực nói 9.32 Tính chØnh l†u Mét tÝnh chÊt Ýt biÕt cđa bỊ mỈt giao diện điện cực chất điện phân l tính chỉnh lu Trớc kỹ thuật điện, chỉnh lu đợc dùng để nạp điện cho pin (acquy) Cấu hình thông thờng nạp điện phân gåm mét ®iƯn cùc cã diƯn tÝch lín vμ mét ®iƯn cùc cã diƯn tÝch nhá n»m dung dÞch Quá trình chỉnh lu xảy điện cực có diện tích nhỏ Vo năm 1913, Hill khám phá cực tính trình chỉnh lu nh đảo ngợc cách lm cho điện cực điện tích nhỏ trở kháng lớn Một loạt chỉnh lu điện phân đợc chế tạo vo năm 1920 Bộ chỉnh lu Phywe cấu tạo từ bình sắt hình trụ có chứa dung dịch cacbonat amôni, với que amôni nhúng Bộ chỉnh lu thnh công bao gồm điện cực chì có diện tích rộng v điện cực tantali cã diƯn tÝch nhá ë mét dung dÞch lo·ng axit sunfuaric có chứa khoảng 0.8% sulphat sắt 411 Một mng dầu bề mặt chất điện phân ngăn ngừa bay v ăn mòn điện cực chúng bị hở khỏi chất điện phân Biểu tợng dòng điện chỉnh lu dùng điện phân gồm đoạn thẳng v vòng tròn nhỏ (biểu thị điện cực) đợc đặt bên vòng tròn lớn Khi chỉnh lu điện phân đợc nối với dòng điện dân dụng (115V, 60Hz) v điện trở tải, ta nhận đợc dạng sóng điện áp v dòng điện nh hình 9-77 Chú ý rằng, có dòng điện nhỏ chạy theo chiều ngợc với chiều chỉnh lu Hình 9-77 Dạng sóng điện áp v dòng điện hình thnh từ chỉnh lu điện cực điển hình Geddes v cộng nghiên cứu tính chất chỉnh lu giao diện dung dịch muối v thép không rỉ, dải cờng động dòng điện v tần số Trong nghiên cứu ny, điện trở tơng đơng nối tiếp R, điện dung C vμ trë kh¸ng Z cđa mét giao diƯn dung dịch muối thép không rỉ đờng kính 0.01 inch đợc đo nhiệt độ phòng Điện cực thép không rỉ có độ lớn khác (trở kháng không đáng kể so với trở kháng điện cực đờng kính 0.01 inch) đợc dùng để thực mạch Các trị số Z, R, C đợc đo với mật độ dòng điện hình sin tần số 100, 1000 10000Hz Đối với tần số ny có mật độ dòng tới hạn, m trở kháng l thấp Điểm ny xuất mật độ dòng cao với tần số cao Các tính chất chỉnh lu bề mặt giao diện điện cực chất điện phân thép không rỉ đợc hình 9-79 Khi thùc hiƯn chØnh l†u, ®iƯn cùc diƯn tÝch nhá tÝch điện âm tất tần số, chỉnh lu bắt đầu xảy trở kháng bắt đầu giảm với việc tăng mật độ dòng điện Chỉ số nhạy cảm việc chỉnh lu l tăng điện dung Sự chỉnh lu xảy mật độ dòng cao hơn, tần số tăng 412 Mặc dù có nhiều nghiên cứu chế tợng chỉnh lu điện phân,những vấn đề thuộc chất cha đợc nghiên cứu tơng xứng Tuy nhiên, có suy đoán cho việc hình thnh độ lớp ôxít v bọt phủ cực nhỏ l thnh phần quan trọng Các bọt khí l yếu tố đợc Jolley (1928) chứng minh Ông l ngời hoạt động chỉnh lu đợc giảm áp suất cao đợc đa đến chỉnh lu điện phân Việc ion hoá bọt khí l rõ rng có tợng phát ánh sáng yếu tợng ny thấy râ phßng tèi Gunther – Shulte (1929) cho r»ng gradien điện áp ngang qua bọt khí giao diện điện cực chất điện phân kéo ®iƯn tư tõ kim lo¹i vμ hiƯu øng nμy thích hợp để thực chỉnh lu Tuy nhiên, cha có lý thuyết thích đáng để giải thích tợng chỉnh lu điện phân, tính chất giao diện điện cực chất điện phân 413 Ti liệu tham khảo Principles of Applied Biomedical Instrumentation- Third edition- L.A GEDDES, L.E BAKER- Volume Principles of Applied Biomedical Instrumentation- Third edition- L.A GEDDES, L.E BAKER- Volume 415 ... tụ điện đơn 85 4.2 Cấu trúc tụ điện 85 4.3 Các mạch đo lờng điện dung 87 4.4 Tụ điện sinh học 98 4.5 Các đặc tính cảm biến điện dung 100 Chơng 5: Cảm biến quang điện 5.1 Đèn phát xạ quang 101 5.2... 9.23 Đo lờng điện nghỉ mng 387 9.24 Mạch điện tơng đơng 389 9.25 Đo điện trở v điện dung đầu ống 392 9.26 Bù điện dung âm (hồi tiếp dơng) 396 9.27 So sánh vi ®iƯn cùc kim lo¹i vμ vi èng pipet 398... R D RC R A RB Có số điểm cần ý sư dơng nhiƯt kÕ ®iƯn trë NÕu nã đợc đặt dung dịch điện phân, cần ngăn ngừa việc hấp thụ dung dịch ngắn mạch Đồng thời, phần tử nhiệt bị ảnh hởng từ trờng (đối với