Đo tổng trở các đối tượng sinh học trong miền tần số và miền thời gian

Download

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

ĐO TỔNG TRỞ CÁC ĐỐI TƯỢNG SINH HỌC

TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ MIỀN THỜI GIAN

Vũ Thị Ngọc Huyền^*, Nguyễn Thị Thương, Lê Mạnh Hải

Tóm tắt: Đo tổng trở sinh học là một trong những phương pháp mới giúp xác

định trạng thái cơ thể sống, chẩn đoán bệnh. Các kĩ thuật đo tổng trở bao gồm lựa

chọn điện cực, phối hợp mạch cấp; lấy, phân tích và xử lý dữ liệu. Phép đo tổng trở

có thể thực hiện trong miền tần số và miền thời gian. Bài báo này trình bày phương

pháp đo trở kháng trên các đối tượng sinh học cụ thể là khoai tây và cơ thể người

(cánh tay) trong cả miền tần số, miền thời gian và phân tích các dữ liệu thu được từ

đó tìm ra các ưu, nhược điểm của từng phương pháp. Các kết quả nghiên cứu này

bước đầu mở ra khả năng đánh giá sự đáp ứng của đối tượng sinh học sau quá

trình điều trị bệnh.

Từ khóa: Tổng trở sinh học, Miền tần số, Miền thời gian, Đối tượng sinh học.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ta biết rằng đối tượng sinh học thay đổi các đặc tính điện thụ động của chúng dưới tác

động của môi trường do vậy một vài yếu tố sẽ ảnh hưởng đến tính khả thi của phép đo

điện. Trở kháng điện của đối tượng sinh học là trở kháng phức và phụ thuộc vào tần sốnên

để có một phổ tổng trở của đối tượng sinh học thì cần đo tổng trở của đối tượng với nhiều

giá trị tần số khác nhau.

Quy trình đo tổng trở có thể thực hiện trong miền tần số và miền thời gian. Phép đo

trong miền tần số là phép đo trong đó ta thay đổi các giá trị tần số và đo tổng trở tương

ứng. Phép đo trong miền thời gian là phép đo mà chỉ sử dụng một tần số, thu được tín hiệu

là hàm của thời gian và sử dụng biến đổi toán học để có được phổ tổng trở với các giá trị

tần số khác nhau.

Hầu hết các nghiên cứu sử dụng trong miền tần số bởi nó được chỉ ra là rất chính xác

[1,2,3,4] và đã có rất nhiều thiết bị sử dụng miền tần số được tạo ra. Miền tần số có độ

chính xác cao bởi được giảm nhiễu do sử dụng bộ khuếch đại có tính chọn lọc. Ngược lại

miền thời gian cần có một bộ khuếch đại dải tần rộng dẫn đến nhiễu cao hơn. Tuy nhiên,

khi cần đo tín hiệu liên tục trong từng khoảng thời gian nhỏ, như là trong khảo sát sự thay

đổi trở kháng sau mỗi xung điện áp cao (ví dụ như, trị liệu điện hóa- electrochemotherapy

hoặc phân cực điện- electroporation) thì các phép đo miền thời gian là thuận tiện hơn [5].

Đối với nhiều ứng dụng tiến hành phép đo miền thời gian là thuận lợi, nhưng chúng

thường phản ánh không chính xác. Để chỉ ra sự thích hợp của chúng cho các phép đo trở

kháng sinh học các tác giả U. Pliquett và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu miền thời gian

và miền tần số dựa trên trên các phép đo cùng một mẫu vật sinh học với cùng loại điện

cực. Một sự trùng hợp ngẫu nhiên hợp lý trong các kết quả đo được chỉ ra [5]. Tuy nhiên,

không phải lúc nào chúng ta cũng nhận được sự trùng hợp này. Để biết được đặc tính của

đối tượng thì cần phải vẽ được toàn bộ phổ tổng trở của đối tượng. Mà đối với mỗi khoảng

tần số cao hay thấp khác nhau thì phép đo lại đạt được độ chính xác khác nhau khi sử dụng

các phương pháp khác nhau. Nhận thấy được điều đó chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu

trên các đối tượng sinh học là khoai tây và cơ thể người (cánh tay) trong các miền tần số

và miền thời gian để tìm ra phương pháp đo thích hợp.

Bài báo được chia ra thành 4 phần. Phần 1 đặt vấn đề trong đó nêu rõ lý do cần nghiên

cứu. Phần 2 là nội dung cần giải quyết gồm có xây dựng lý thuyết, chuẩn bị thực nghiệm.

Phần 3 là kết quả và thảo luận. Phần 4 là kết luận. Cuối cùng là phụ lục các kết quả độ lệch

của phép đo trong miền thời gian trên khoai tây.

234

V.T.N.Huyền, N.T.Thương, L.M.Hải, “Đo tổng trở các đối tượng sinh học… thời gian.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT

2.1. Xây dựng lý thuyết

Để đánh giá được các phương pháp đo chúng tôi tiến hành tính sai số của các phép đo.

Trước hết, chúng tôi tạo ra một bộ điện trở và tụ đã biết các giá trị mắc thành mạch và tiến

hành đo để tính được sai số hệ thống của hệ đo- chúng tôi gọi đây là phép chuẩn. Sau đó

chúng tôi tiến hành đo trên khoai tây và cánh tay người để lấy kết quả phân tích.

2.1.1. Lý thuyết của phương pháp đo

Chúng tôi chuẩn bị một bộ trở và tụ mắc kiểu như mạch điện mô phỏng đối tượng sinh học.

Hình 1. Sơ đồ mạch điện mô phỏng đối tượng sinh học (dùng để tìm sai số hệ thống).

Trong đó R_etương ứng với điện trở ngoại bào, R_itương ứng với điện trở nội bào, C_m

tương ứng với tụ điện do hai màng tế bào tạo ra.

Trước hết chúng tôi cho các giá trị của tần số rồi tính toán trở kháng của mạch tương

ứng với mỗi tần số đó (gọi giá trị này là giá trị lý thuyết), được một bảng số liệu chuẩn,

lưu lại để đối chiếu với phép đo bằng hệ thống đo tổng trở.

Tiếp theo chúng tôi tiến hành phép đo mạch điện trên trong miền tần số và miền thời

gian. Đối với phép đo miền tần số chúng tôi cấp cho mạch dòng điện xoay chiều dạng sin

(có biên độ không đổi) với các tần số khác nhau, rồi lấy số liệu điện áp ra để xử lý. Đối với

phép đo miền thời gian chúng tôi cấp dòng điện dạng xung vuông (cũng có biên độ không

đổi) với một tần số nhất định rồi sử dụng thuật toán Biến đổi Furier nhanh để xử lý.

Khi có một bộ giá trị đã xử lý chúng tôi tiến hành tính sai số hệ thống của phép đo theo

công thức:

Sai số hệ thống=|Giá trị đo được - Giá trị lý thuyết| / Giá trị lý thuyết*100%

Đối với phép đo trên khoai tây và trên người chúng tôi cũng tiến hành đo tương tự. Tuy

nhiên, ở đây không có giá trị lý thuyết đã biết như mạch điện mẫu, thì chúng tôi sẽ tiến

hành tính độ sai lệch của phép đo theo công thức:

Độ sai lệch=|Giá trị đo được - Giá trị trung bình| / Giá trị trung bình *100%

2.1.2. Mô tả hệ đo

Hình 2. Sơ đồ hệ đo tổng trở.

235

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hệ thống đo gồm một nguồn (Power supply), một máy tạo dao động (Arbitrary

function generator), một dao động ký (Oscilloscope), một bộ giao tiếp (Front-end) và máy

tính; sơ đồ đo được chỉ ra trong hình 2.

Bộ giao tiếp (Front-end) được nuôi bởi nguồn một chiều ± 5V. Máy tạo dao động cung

cấp tín hiệu với tần số, biên độ, dạng xung theo yêu cầu. Tín hiệu điện áp và dòng điện

thông qua bộ giao tiếp được đưa vào cổng CH1, CH2 của dao động ký. Từ dao động ký tín

hiêu được đưa vào máy tính để xử lí. Máy tính cũng được kết nối với máy tạo dao động để

điều khiển tín hiệu đưa vào một cách tự động (hình 2).

2.1.3. Phép đo trong miền tần số

Tín hiệu đưa vào là dòng điện I có tần số f, tín hiệu thu được là tín hiệu điện áp U có

dạng xung sin tuần hoàn. Mỗi hàm sin có thể biểu diễn thành số phức:

sin ꢀꢁ = (ꢂ^ꢃꢄꢅ− ꢂ^ꢆꢃꢄꢅ) 2ꢇ

(1)

(

)

⁄

Như vậy để có tổng trở chúng ta phải tiến hành đổi từ tín hiệu hình ảnh sang tín hiệu

số, thu được U, I là những số phức khi đó Z=U/I.

Với phép đo miền tần số thì ta đưa vào các tần số của dòng điện khác nhau và tính toán

trở kháng tương ứng. Phần mềm lập trình Matlab được sử dụng để điều khiểnhệ đo tiến

hành tự động đo với các tần số đã chọn trước rồi biến đổi tín hiệu thu được sang dạng số

phức và cho ra kết quả tổng trở với từng tần số mà máy đo được.

2.1.4. Phép đo trong miền thời gian

Đối với phép đo này chúng tôi chọn tín hiệu xung vuông với tần số biết trước. Kết quả

thu được dòng điện I và hiệu điện thế U là hàm của thời gian. Sử dụng công cụ toán học là

biến đổi Fourier, hay cụ thể hơn trong các phép đo của chúng tôi là biến đổi Fourier nhanh

(Fast Fourier Transform [6]) để chuyển tín hiệu là hàm của thời gian thành tín hiệu là hàm

của tần số.

Thuật toán biến đổi Fourier rời rạc có thể diễn tả ngắn gọn như trong (2).Khi đó tín

hiệu được rời rạc hóa và ta sẽ thu được giá trị của tín hiệu phụ thuộc tần số bước (k) theo

công thức của biến đổi Fourier rời rạc (2). Trong đó, X_kđại diện cho biên độ và pha của tín

hiệu x_n

(2)

Hình 3. Đồ thị minh họa thuật toán biến đổi Furier rời rạc.

Tổng trở lúc này được tính là biến đổi Fourier của U chia cho biến đổi Fourier của I. Ở

phép đo này phần mềm lập trình Matlab cũng được sử dụng để thu thập và xử lí số liệu.

2.2. Chuẩn bị thực nghiệm

2.2.1. Chuẩn bị hệ thống và đối tượng đo

- Mạch điện mô phỏng đối tượng sinh học : R_e= 1065Ω, R_i=105Ω,C_m=96 nF (sai số 5%)

236

V.T.N.Huyền, N.T.Thương, L.M.Hải, “Đo tổng trở các đối tượng sinh học… thời gian.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

- Hệ đo, khoai tây

- Điện cực: Đối với khoai tây sử dụng 2 loại điện cực là:

+ 1 bộ điện cực bằng đồng gồm 4 thanh dài 5cm, đường kính 4mm; sắp thẳng hàng sao

cho các điện cực ngoài cách 2 điện cực liền kề 1 cm, 2 điện cực ở giữa cách nhau 2cm.

+ 1 bộ điện cực loại điện cực dán, bố trí thẳng hàng cách nhau 1cm

Đối với cánh tay người sử dụng điện cực dán bố trí thẳng hàng cách nhau 5cm.

Hình 4. Ảnh chụp cách bố trí điện cực khi đo trên khoai tây bằng điện cực đâm xuyên (a),

điện cực dán (b), đo trên người bằng điện cực dán (c).

2.2.2. Tiến hành đo

Nguồn điện cấp điện áp ±5V nuôi mạch giao tiếp (Front-end). Máy tạo xung cấp dòng

có biên độ đỉnh đỉnh 600 µA.

Trong miền tần số

+ Dạng xung : xung sin,

+ Tần số : dải tần từ 100 Hz, 200 Hz, ...900Hz, 1kHz,..10kHz, 15kHz,..95kHz,

100kHz,200kHz...,1MHz.

Trong miền thời gian

+ Dạng xung: xung vuông.

+ Tần số:: dải tần từ 100 Hz, 200 Hz, ...900Hz, 1kHz,..10kHz, 15kHz,..95kHz,

100kHz,200kHz...,1MHz.

Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý số liệu.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Sai số hệ thống

Kết quả sai số hệ thống của hệ đo theo từng giá trị tần số trên hình vẽ.

Hình 5. Đồ thị sai số hệ thống của hệ ở từng tần số.

Sai số của hệ thống là nhỏ dưới 5% trong toàn phổ tổng trở.

3.2. Phổ tổng trở của khoai tây và cánh tay

237

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hình 6. Đồ thị phổ tổng trở của khoai tây đo bằng điện cực đâm xuyên bằng đồng (hình

a), điện cực dán (hình b) trong miền tần số (hình vuông mầu đỏ) và miền thời gian ở tần

số f₀=600Hz (dâu “+” mầu xanh).

Phổ tổng trở này có dạng tương tự như những kết quả đã được công bố ở [7]. Chúng

cũng ta có thể nhận thấy một điều rằng điện cực đâm xuyên cho kết quả ổn định hơn điện

cực dán.

Kết quả về pha :

Hình 7. Đồ thị độ lệch pha của tín hiệu khi đo khoai tây trong miền tần số.

Rõ ràng rằng tri tuyệt đối độ lệch pha của tín hiệu trở kháng ở tần số thấp là nhỏ, ta có

thể dự đoán độ sai lệch về pha trong khoảng tần này sẽ lớn.

3.3. Độ tin cậy của phép đo trên khoai tây

Kết quả độ tin cậy về pha của hệ đo theo từng giá trị tần số trên hình vẽ.

Hình 8. Đồ thị độ sai lệch về pha (hình a), tổng trở (hình b) đo trên khoai tây

trong miền tần số theo từng giá trị tần số.

Đối với các phép đo trong miền tần số khoảng tần số mà phép đo có độ sai lệch nhỏ

dưới 5% (độ tin cậy cao trên 95%) là khoảng tần từ 600Hz tới 600kHz. Kết quả này đúng

như dự đoán do trong khoảng tần số rất thấp (dưới 600 Hz) thì giá trị tuyệt đối của độ lệch

pha là rất nhỏ dẫn đến độ sai lệch sẽ lớn. Bên cạnh đó ở tần số cao thì còn mắc phải sai

238

V.T.N.Huyền, N.T.Thương, L.M.Hải, “Đo tổng trở các đối tượng sinh học… thời gian.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

lệch lớn do hệ thống bị nhiễu. Như vậy, ta có thể sử dụng phép đo trong miền tần số ở

khoảng tần số từ 600Hz tới 600kHz này.

Khi đo trong miền thời gian dùng tần số đo f₀, thì dùng biến đổi Furier nhanh chúng ta

có các giá trị trở kháng tại bội số lần của f₀. Giá trị trở kháng nào có độ sai lệch dưới 5%

được liệt kê trong bảng sau, bảng này được chọn ra từ những đồ thị trong phụ lục.

Bảng 1. Bảng giá trị tần số mà trở kháng có độ lệch dưới 5%.

Tần số Tần số tại đó độ sai

f₀(kHz) lệch dưới 5% (kHz)

Tần số Tần số tại đó độ sai

f₀(kHz) lệch dưới 5% (kHz)

Tần số Tần số tại đó độ sai

f₀(kHz) lệch dưới 5% (kHz)

1÷ 27

2÷ 32

3÷ 36

4÷ 40

5÷ 42

6÷ 61

7÷ 55

8÷ 47

9÷ 51

10÷ 75

15÷ 78

20 ÷ 85

25 ÷ 92

30 ÷ 76

35÷ 87

40 ÷97

45 ÷82

50 ÷107

55 ÷121

60 ÷ 162

65 ÷189

70 ÷ 176

75 ÷ 188

80 ÷ 240

85 ÷ 228

90 ÷ 205

95 ÷217

Từ bảng kết quả ta nhận thấy rằng đối với phép đo trong miền thời gian thì độ tin cậy

của phép đo lớn chỉ ở trong một số khoảng hẹp của tần số biến đổi. Khoảng tần lớn nhất

mà hệ đo còn có độ tin cậy cao là 240kHz, ứng với đo miền thời gian ở tần số f₀=80kHz.

Như vậy, với các số liệu trên chúng ta hoàn toàn có một dải phổ có độ tin cậy cao với việc

sử dụng kết hợp các phép đo trong miền tần số.

3.4. Độ tin cậy của phép đo trên cánh tay

Kết quả sai lệch của hệ đo theo từng giá trị tần số trên hình 9.

Hình 9. Độ lệch của phép đo trong miền thời gian ở tần số f₀=800 Hz đo trên cánh tay.

Từ đồ thị ta thấy khi biến đổi trong miền thời gian có thể biến đổi tới 34kHz mà sai số

dưới 5%. Do phép đo trên người thường bị nhiễu bởi cả dòng điện chủ động trong cơ thể

người nên rất khó để đo được nhiều kết quả ổn định. Ở đây chúng tôi đã phải tiến hành rất

nhiều phép đo trong nhiều ngày và lựa chọn được số lượng rất hạn chế các kết quả đo.

Dưới đây là hình ảnh minh họa trở kháng chúng tôi đo được trên cánh tay trong miền thời

gian ở tần số 600Hz và 800Hz.

239

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hình 10. Phổ tổng trở của cánh tay đo trong miền thời gian

với tần số f₀=600 Hz (hình a), và f₀=800Hz (hình b).

Các phép đo trên người trong miền tần số có độ sai lệch rất lớn do cơ thể con người có

nhiều yếu tố gây nhiễu tín hiệu, đối với phép đo miền thời gian có sai số nhỏ hơn bởi phép

đo chỉ tiến hành trong khoảng thời gian ngắn, khi dùng biến đổi Furier chúng ta có thể thu

được phổ tổng trở.

4. KẾT LUẬN

Bằng phương pháp thực nghiệm và xử lý số liệu bài báo đã tìm được những khoảng tần

số có thể sử dụng trong phép đo miền thời gian, miền tần số trên đối tượng sinh học là

khoai tây và cánh tay.

Kết quả chỉ ra đối với khoai tây các phép đo trong miền tần số có độ sai lệch nhỏ dưới

5% ở khoảng tần số từ 600 Hz đến 600 kHz, trong miền thời gian chúng ta có thể đo ở các

tần số f₀khác nhau để có được phổ tổng trở, tuy nhiên, lúc này cần phải lựa chọn lấy

những giá trị nào mà có độ tin cậy lớn. Chúng tôi đã sử dụng 50 lần đo và thu được bảng 1

dùng để lựa chọn khoảng tần số ứng với mỗi phép đo cho sai lệch nhỏ dưới 5%. Tần số lớn

nhất đo được là 240 kHz (ứng với f₀=80 kHz).

Đối với cơ thể người có nhiều yếu tố gây nhiễu mà phép đo trong miền tần số cần nhiều

phép đo dẫn đến kết quả không ổn định, phép đo trong miền thời gian có ưu thế hơn vì chỉ

cần đo một phép đo và sử dụng thuật toán biến đổi thu được phổ tổng trở.

Như vậy, các phép đo trong miền tần số phù hợp đối với các phép đo các đối tượng ít

gây nhiễu vì tính chính xác của phép đo, còn miền thời gian sử dụng trong các phép đo mà

có thể gây nhiễu nhiều như là trên sinh vật sống cần có tính ứng dụng

Kết quả này giúp định hướng cho các phép đo trong thực tế trên các đối tượng sinh học.

Đó là nên sử dụng các phép đo miền tần số cho các đối tượng thực vật, hay các phép đo

trong phòng thí nghiệm vì cần phải tiến hành đo lâu với nhiều phép đo mới cho được phổ

tổng trở. Các phép đo miền thời gian nên được tiến hành cho các đối tượng động vật sống

bởi nó giảm được nhiễu gây bởi đối tượng và có thể tiến hành trong các thiết bị có tính

ứng dụng thực tiễn với số lượng ít các phép đo hơn miền thời gian, đảm bảo tính tiện lợi

nhanh chóng. Tiếp theo chúng thôi sẽ khảo sát các tham số khác trong toàn bộ quy trình đo

tổng trở để dễ dàng đo trở kháng trong các phép đo chẩn đoán và sau chẩn đoán.

Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện Khoa học và Công

nghệ quân sự và sự giúp đỡ về khoa học của giáo sư Uwe Pliquett (Đại học Bielefeld, Viện

Hóa Học, Đức).

240

V.T.N.Huyền, N.T.Thương, L.M.Hải, “Đo tổng trở các đối tượng sinh học… thời gian.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Ackmann, J. J, M. A. Seits,“ Methods of Complex ImpedanceMeasurements in

Biological Tissue”.CRCCriticalRevue in Biol. Eng. 11 (1984), 281-311.

[2]. Macdonal, J.R, “Impedance spectroscopy” Ann. Biomed. Eng. 20 (1992), 289-305.

[3]. Pethig, R, D. B. Kell, “The passive electrical properties of biological systems” their

significance in physiology,biophysics and biotechnology. Phys. Med. Biol.

32(1987), 933-970.

[4]

Schwan,H.P,InJ.H.Lawrence,J.H, C. A. Tobias, (Ed.) Vol. V, “Electrical Properties

of Tissue and Cell Suspensions”, Academic Press, New York (1957), 147

U.Pliquett,E.Gersing,F.Pliquett,“Evaluation of fast time-domain based impedance

measurements on biological Tissue”, Biomed.Technik 45 (2000), 6-13.

Walker, J.S, “Fast Fourier Transforms”, CRC Press, 1996

[5]

[6]

[7]

Uwe Pliquett , “Food Eng Rev”(2010) 2: 74-94

ABSTRACT

IMPEDANCE MEASUREMENT ON BIOLOGICAL OBJECTS IN

FREQUENCY-DOMAIN AND TIME-DOMAIN

Measurement of biological impedance is one of the new method to help

determine the living organisms status or disease diagnosis. The impedance

measurement techniques include electrode selection, combination circuit; taking,

analyzing and processing the data. Impedance measurements may be performed in

the frequency domain and time domain. This paper presents the method of

impedance measurement of biological objects: the potato and the human body (arm)

in the frequency domain, time domain and analyzing the data obtained, then finding

out the advantages and disadvantages of each method. The results of this study open

the possibility of evaluating the response of biological objects after the treatment.

Keywords: Impedance, Time-domain, Frequency-domain, Biological object.

Nhận bài ngày 15 tháng 7 năm 2015

Hoàn thiện ngày 15 tháng 8 năm 2015

Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 9 năm 2015

Địachỉ: ViệnVật lý Y sinh học, 109A Paster, BếnNghé, Quận 1, TP HồChí Minh.

^*Email :vuthingochuyen@gmail.com.

241

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015

8 trang yennguyen 12/04/2022 4660

Download

Bạn đang xem tài liệu "Đo tổng trở các đối tượng sinh học trong miền tần số và miền thời gian", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

do_tong_tro_cac_doi_tuong_sinh_hoc_trong_mien_tan_so_va_mien.pdf