Chuong 4thiêt bị vs cảm biến y sinh

Chương 4Mục tiêu: - Giới thiệu nguyên lý cơ bản hoạt động thiết bị y sinh và các loại cảm biến thu nhận các tín hiệu sinh học - Đặc trưng tổng quát các cảm biến - Phân loại cảm biến ứng

Chương 4

Mục tiêu:

- Giới thiệu nguyên lý cơ bản hoạt động thiết bị y sinh và

các loại cảm biến thu nhận các tín hiệu sinh học

- Đặc trưng tổng quát các cảm biến

- Phân loại cảm biến ứng dụng trong y sinh

Trở kháng Dung kháng

Áp điện Nhiệt độ Quang học Hoá học, hoá sinh

Cảm biến là gì?

Thiết bị biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác

Đầu phátCảm biến

Tín hiệu vật lý

Tín hiệu điện

Ví dụ, hiên tượng áp điện:

Lực -> điện thếĐiện thế-> lực

=> Tín hiệu siêu âm

Các đặc trưng của cảm biến

Hàm truyền:

Mối quan hệ chức năng giữa tín hiệu vật lý ra vào và tín hiệu hiệu

vào ra ð sự hiệu chỉnh tương thích

Độ nhạy:

Tỷ lệ độ biến thiên nhỏ của tín hiệu vật lý và độ biến thiên tương

ứng của tín hiệu điện Đơn vị ví dụ độ nhạy của nhiệt kế:

Volts/Kelvin

Khoảng hiệu lực (khoảng động):

Khoảng giá trị tín hiệu vật lý vào có thể biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng Ngoài khoảng đó, tín hiệu không nhận được hoặc có độ

chính xác kém

Độ chính xác:

Sai số lớn nhất giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu lý tưởng phát ra

Các đặc trưng của cảm biến

Độ tuyến tính:

Độ lệch cực đại so với hàm truyền tuyến tính trên một khoảng động nào đó

Nhiễu:

Tín hiệu ngẫu nhiên hoặc do các tác nhân điều kiện đo tạo nên

thành phần tín hiệu công sinh với tín hiệu đo

Các loại cảm biến vật lý

Ví dụ:

• Dòng chảy/áp suất máu

• Lực tác dụng, áp suất

• Các kẹp phẫu thuật

•Các túi hơi khảo sát nhu động

• Đo thân nhiệt

Cảm biến y sinh

• Đầu đo bíến dạng kim loại lỏng

• Cảm biến dịch chuyển từ

• Đo dịch chuyển cảm ứng

• Đo lực nén

•Các túi hơi khảo sát nhu động

• Vi cảm biến áp suất bán dẫn

• Cảm biến điện từ

(Linear variable differential

transformer)

Cảm biến trở kháng - Đầu dò điện thế

Đầu dò điện thế (potentiometer) tuyến tính và quay

ð Độ dịch chuyển tuyến tính hoặc góc quay tỷ lệ với điện trở

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 đổiBiến đổi tương đối điện trở có thể xác định bởi:

Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng

Hệ số đầu dò sức căng

G là thông số đặc trưng cho độ nhạy

Hàm truyềnÞInput là lực căng

Þ Output là dR

cang luc

doi bien

le ty

R tro dien doi

bien le

ty

G =

Ứng dụng

Þ kẹp giải phẫu

Þ Đầu dò áp suất máu

Þ Đầu dò đo độ căng cơ vv…

Cảm biến trở kháng - Đầu dò sức căng

Bộ cảm ứng thường là cuộn

dây bao quanh lõi sắt Nó đáp

ứng cho cả từ trường lẫn điện

trường

Bộ biến thế thường là 2 cuộn dây cách điện nhau bao quanh lõi sắt: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Sơ cấp Thứ cấp Cảm biến dịch chuyển

Bộ cảm ứng hoặc biến thế chỉ hoạt động với điện AC

Cảm biến cảm kháng

LVDTLinear Variable Differential Transformer

LVDT: linear variable differential transformer - bộ biến đổi vi sai tuyến tính

LVDT sử dụng như một cảm biến dịch chuyển: trong các thiết bị hỗ trợ

khảo sát sự co cơ, trong thiết bị trợ tim khảo sát sự co thắt của tim vv…

Cảm biến cảm kháng - LVDT

Phổ biến là các tụ điện hoá hoặc gốm

Cảm biến dung kháng

Một số cấu hình đo dịch chuyển

Dạng biến đổi điện môiDạng biến đổi diện tích

Cảm biến dung kháng

Hiện tương áp điện là gì ?

Áp lực lên bề mặt tạo

ra sự phân bố bất đối xứng các điện tích tạo thành những lưỡng cực điện Các phân bố định hướng khác nhau của lưỡng cực điện tạo ra hiệu thế giữa 2 bề mặt tinh thể áp điện Tác dụng là 2 chiều:

Þ Lực cơ học tạo ra điện thế

Các phương trình trên ứng với khi lực tác dụng theo chiều L,W hay t.

Cảm biến áp điện

RTD thường được làm bằng kim loại bạch kim, nickel hoặc

đồng Các kim loại đó biểu thị sự phụ thuộc vào nhiệt độ như

sau:

Hiệu ứng Seebeck: Khi có hai kim loại

khác nhau tiếp xúc với nhau, tại mặt tiếp

xúc sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt

(thermal emf) do sự khuếch tán nhiệt của

các electron tự do khác nhau từ 2 kim

loại ð độ lớn của emf phụ thuộc vào

nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt trở bán dẫn

Cặp nhiệt điện

Định luật Wien: Bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại trong phổ bức xạ nhiệt tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối:

lmaxT=2.898x10-3 moK

Chiết suất lớp phủ bọc ngoài sợi quang (cladding) phụ thuộc vào nhiệt độ và làm cho hiện 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, có thể chế tạo

Cảm biến nhiệt sợi quang

Cảm biến nhiệt sợi quang của hãng Nortech bao gồm một tinh thể

GaAs và một gương điện môi ở một đầu sợi quang

Cảm biến nhiệt sợi quang

Cảm biến hoá sinh tạo ra một tín hiệu điện phụ thuộc vào nồng độ

các hợp chất phân tích sinh học

Mô hình cảm biến hoá sinh

Tín hiệu điệnChất

Nguyên lý cảm nhận sinh học (biosensing)

=> Máy đo nồng độ oxy

=> Accelerometer, microphone

=> Thanh cấy vòm họng, máy trợ tim

Cảm biến hoá sinh

Nguyên lý cảm nhận sinh học (biosensing)

Các phép đo nhanh và chính xác các nồng độ khí (pO2), (pCO2)

(pH) là rất cần thiết và quan trọng trong chẩn đoán.

Oxy được đo gián tiếp như tỷ lệ Hemoglobin chứa Oxy (sO2):

Nồng độ pCO2 được đo dựa vào quan hệ tuyến tính với pH trong

Điện cực đo pH

Phương trình Nersnt

[ ]

RT æ H ö

Điện cực đo pO2

Nguyên lý:

Sự biến đổi về cường độ quang có liên hệ với sự biến đổi về

khối lượng hay nồng độ các chất cảm quang hoặc phát quang

Nhiều nguyên lý cụ thể

được sử dụng như: sợi

Ống bọc ngoài Nhiệt trở

Đèn chiếu sáng

Đầu thu sợi quang

Ống nội soi sợi quang xuyên tim

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

The pulse oximeter is aspectrophotometric device that detects and calculates the differential absorption

of light by oxygenated and reduced hemoglobin to get

sO2 A light source and aphotodetector are

contained within an ear or finger probe for easy

application