Bài giảng cơ sở kỹ thuật y sinh chương 4 thiết bị và cảm biến y sinh

Độ nhạy: T lệ ñộ biến thiên nh c a tín hiệu vật lý và ñộ biến thiên tương ứng của tín hiệu ñiện.. Khoảng hiệu lực khoảng ñộng: Khoảng giá trị tín hiệu vật lý vào có th biến ñổi thành tín

Chương 4 THIẾT B T BỊ & C M BI Ế N Y SINH

M ục tiêu:

- Giới thiệu nguyên lý cơ b n hoạt ñộng thiết bị y sinh và

các loại cảm biến thu nhận các tín hiệu sinh học

- Đặc trưng t ng quát các cảm biến

- Phân loại cảm biến ứng dụng trong y sinh

Tr kháng Dung kháng

Áp ñiện Nhiệt ñộ Quang học Hoá học, hoá sinh

L c -> ñiện thếĐiện thế-> l c

=> Tín hiệu siêu âm

C c ñ ặ c trưng c ủ a c ả m bi ế n

Hàm truy n:

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

vào ra ð sự hiệu ch nh tương thích

Độ nhạy:

T lệ ñộ biến thiên nh c a tín hiệu vật lý và ñộ biến thiên tương

ứng của tín hiệu ñiện Đơn vị ví dụ ñộ nhạy của 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 hoặc có ñộ

chính xác kém

Độ chính xác:

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

Tín hiệu ngẫu nhiên hoặc do các tác nhân ñiều kiện ño tạo nên

thành ph n tín hiệu công sinh với tín hiệu ño

C c lo lo ạ i c ả m bi ế n v ậ t lý

Ví dụ:

• Dòng chảy/áp suất máu

• Lực tác dụng, áp suất

• Các kẹp phẫu thuật

•Các túi hơi khảo sát nhu ñộng

• Đo thân nhiệt

Cả m bi bi ế n y sinh

• u ño bíến dạng kim loại lỏng

ảm biến dịch chuyển từ

• Đo dịch chuyển cảm ứng

• Đo lực nén

túi hơi khảo sát nhu ñộng

• Vi cảm biến áp suất bán dẫn

ảm biến ñiện từ dòng chảy

(Linear variable differential

transformer)

Cả m bi bi ế n tr ở kháng - Đ ầ u dò ñi ệ n th ế

dò ñiện thế (potentiometer) tuyến tính và quay

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

Cả m bi bi ế n tr ở kháng - Đ ầ u dò sứ u dò s c căng

(strain gage)

Điện trở strain gage ñiện trở suất * chiều dài / tiết diện mặt

cắt:

Biến ñổi vi phân loga hai vế:

Kích thước Biến áp ñiện ñổiBiến ñổi tương ñối ñiện trở có thể xác ñịnh bởi:

doi bien

le ty

R tro dien doi

bien le

ty

G =

Ứng dụng

⇒ kẹp giải phẫu

⇒ u dò áp suất máu

⇒ Đ u dò ño ñộ căng cơ vv…

Cả m bi bi ế n tr ở kháng - Đ ầ u dò s ứ c căng

ộ cảm ứng thường là cuộn dây bao quanh lõi sắt Nó ñáp

ứng cho cả từ trường lẫn ñiện

trường

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

Sơ cấp Thứ cấp Cảm biến dịch chuyển

ộ cảm ứng hoặc biến thế ch hoạt ñộng với ñiện AC

Cả m bi bi ế n c ả m kháng

Linear Variable Differential Transformer

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

LVDT s 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…

Cả m bi bi ế n c ả m kháng - LVDT

Phổ biến là các tụ ñiện hoá hoặc gốm

Cả m bi bi ế n dung kháng

ột số cấu hình ño dịch chuyển

Dạng biến ñổi ñiện môiDạng biến ñổi diện tích

Cả m bi bi ế n dung kháng

Hiệ tương áp ñiện là gì ?

p l c lên bề mặt tạo

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

⇒ Lực cơ học tạo ra ñiện thế

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

Cả m bi bi ế n áp ñi ệ n

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

ñồng Các kim loại ñó biểu thị sự phụ thuộc vào nhiệt ñộ như

sau:

ệu ứng Seebeck: Khi có hai kim loại

khác nhau tiếp xúc với nhau, tại mặt tiếp

xúc sẽ xuất hiện sức ñiện ñộng nhiệt

thermal emf do sự khuếch tán nhiệt của

các electron tự do khác nhau từ kim

loại ð ñộ lớn của emf phụ thuộc vào

nhiệt ñộ.

Cả m bi bi ế n nhi ệ t tr ở bán d ẫ n

C ặ p nhi ệ t ñi ệ n

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

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 ð lượng ánh sáng truyền qua sợi quang thay dổi theo nhiệt ñộ

ð Chọn vật liệu phù hợp, có thể chế tạo ñược cảm biến nhiệt rất nhạy

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

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

Tín hiệu ñiệnChất

Nguyên lý c ả m nh ậ n sinh h ọ c (biosensing)

=> Máy ño nồng ñộ oxy

=> Accelerometer, microphone

=> Thanh cấy vòm họng, máy trợ tim

Cả m bi bi ế n hoá sinh

Nguyên lý c ả m nh ậ n sinh h ọ c (biosensing)

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

(pH) là rất c n thiết và quan trọng trong ch n đốn.

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

Nguyên lý:

biến ñổi về cường ñộ quang có liên hệ với sự biến ñổi vềkhối lượng hay nồng ñộ các chất cảm quang hoặc phát quang

Nhiều nguyên lý cụ thể

ñược sử dụng như: sợi

ng bọc ngoài Nhiệt trở

Đèn chiếu sáng

u thu sợi quang

Ống nội soi sợi quang

Ống nội soi sợi quang xuyên tim

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

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