Vien vat ly y sinh

Nghiên cứu khoa học

Báo cáo khoa học về phương pháp đo tổng trở sinh học


Bài báo khoa học về đề tài đo tổng trở sinh học "KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ TRONG QUY TRINH ĐO TRỞ KHÁNG CÁC ĐỐI TƯỢNG SINH HỌC" được nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Y Sinh học nghiên cứu với sự hỗ trợ bởi chuyên gia người Đức được đăng lên tạp chí Hội nghị toàn quốc lần IV Vật lý kỹ thuật và ứng dụng.

KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ TRONG QUY TRINH ĐO TRỞ KHÁNG CÁC ĐỐI TƯỢNG SINH HỌC

Vũ Thị Ngọc Huyền1, Nguyễn Thị Thương1, Lê Mạnh Hải1

1Viện Vật Lý Y Sinh Học, 109 A, Pasteur, Phường Bến Nghé, Quận 1, TP HCM

 

Tóm tắt: Bài báo trình bày phép đo trở kháng sinh học với các loại điện cực khác nhau trong các dải tần số, các khoảng dòng điện khác nhau từ đó phân tích sự ảnh hưởng của các tham số này đối với phép đo để tìm ra loại điện cực cũng như bộ tham số phù hợp cho mỗi phép đo. Đối tượng cụ thể của phép đo là khoai tây và bước đầu trên cơ thể người (cánh tay). Các kết quả nghiên cứu ở đây đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập quy trình đo tổng trở để tiến hành các phép đo có ý nghĩa như chẩn đoán bệnh hay theo dõi sự đáp ứng của cơ thể trong và sau từng giai đoạn điều trị bệnh.

Từ khóa: Trở kháng sinh học, điện cực, quy trình đo trở kháng, đối tượng sinh học.

 

I. MỞ ĐẦU

Các thí nghiệm về điện sinh vật được thực hiện từ thế kỷ 18 ban đầu với những thí nghiệm của Galvani năm 1780 [1], tiếp sau là những công bố của Alessandro Volta, Michel Faraday... đã góp phần mở đường cho những nghiên cứu trở kháng sinh học ngày nay. Những nghiên cứu này được mở rộng và đạt được nhiều thành tựu đặc biệt có ý nghĩa lĩnh vực y học để nghiên cứu trạng thái cơ thể sống. Trong quy trình đo trở kháng cần phải xác định rõ loại điện cực sử dụng, gắn vào đối tượng ra sao, cấp dòng điện có độ lớn và tần số bao nhiêu để có thể có kết quả đo đáng tin cậy, rồi sau đó mới ứng dụng mở rộng cho các phép đo tiếp theo.

Việc bố trí các điện cực trên đối tượng đo ảnh hưởng nhiều đến độ tin cậy và kết quả của phép đo. Trong phép đo trở kháng bằng điện cực đâm xuyên, nảy sinh nhu cầu tìm điện cực phù hợp. Các vật liệu làm điện cực cần phải có độ dẫn điện tốt, điển hình như vàng (độ dẫn điện 4.10×107(S/m) tại 20°C[2] ), bạc (độ dẫn điện 6.30×107(S/m) tại 20°C[2,3]), đồng (độ dẫn điện 5.96×107(S/m) tại 20°C[4]) và inox (độ dẫn điện 1.45×106(S/m) tại 20°C[5]), trong đó đồng dẫn điện tốt chỉ kém bạc và là kim loại phổ thông, thường được sử dụng nhưng dễ bị oxi hóa, inox có độ dẫn điện kém hơn nhưng không bị oxi hóa, có thể sử dụng lâu dài. Đặc biệt khi phép đo có xâm lấn thì kích thước điện cực sẽ ảnh hưởng đến đối tượng đo.

Khi nghiên cứu về đường đi của dòng điện trong đối tượng (Hình 1) khi cắm hệ điện cực, người ta thấy rằng kích thước điện cực và đối tượng đo cũng sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo[1]. Trong bài này chúng tôi đã tiến hành các phép đo khảo sát trên các đối tượng có kích  thước khác nhau để tìm câu trả lời cho vấn đề này.

Hình 1: Đường đi của dòng điện trong đối tượng đo khi cấp dòng điện

Trong phép đo trở kháng sinh học, nguyên lý chúng tôi sử dụng trong mạch đo là cấp dòng vào 2 điện cực và đo điện áp rơi trên hai điện cực còn lại. Do đó, đối tượng sinh học sẽ chịu một tác động khi có dòng điện đi qua nó. Sự tác động của dòng điện lớn hay nhỏ là do cường độ dòng điện đưa vào đối tượng. Nhận thấy điều này, chúng tôi đã khảo sát để tìm ra ngưỡng tối thiểu của điện áp và dòng điện để thu được kết quả đo ổn định và không ảnh hưởng đến đối tượng

II. THÍ NGHIỆM

2.1 Khảo sát điện cực

Khảo sát điện cực đo trên thực vật

Trên thực vật chúng ta có thể sử dụng điện cực loại xâm lấn và loại không xâm lấn. Đối với điện cực xâm lấn nhóm nghiên cứu đã tiến hành gia công hai bộ điện cực bằng đồng và bằng inox với các kích thước đường kính từ 1mm đến 5mm. Sau đó thực hiện phép đo tổng trở với các điện cực đó nhằm tìm ra điện cực phù hợp nhất - có độ ổn định cao và ít ảnh hưởng tới đối tượng đo nhất. Loại điện cực tiến hành khảo sát là là bộ 4 thanh hình trụ nhọn ở đầu với đường kính 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm; và được sắp xếp theo thứ tự sau: hai điện cực bên ngoài để cấp dòng điện, hai điện cực bên trong để đo điện áp. Khoảng cách tính từ tâm giữa hai điện cực bên trong là 20mm, khoảng cách giữa điện cực bên trong với điện cực bên ngoài kế cận nó là 10mm (Hình 2a).

Các điện cực điện tim đã được sử dụng và kiểm nghiệm tiến hành phép đo[6]. Trên cơ sở nghiên cứu về điện cực đâm xuyên cho đối tượng khoai tây, chúng tôi sử dụng các điện cực điện tim (Electrocardiography- ECG) (Hình 2b) như một điện cực dán trên đối tượng để đánh giá kết quả phép đo.

Chúng tôi tự tạo ra một loại điện cực khối bằng dây đồng - là một loại điện cực không xâm lấn để sử dụng trong phép đo các đối tượng sinh học. Điện cực được tạo ra bằng việc sử dụng các dây đồng mềm quấn quanh đối tượng (Hình 2c).

Khảo sát loại điện cực đo trên người

Trên người chúng tôi khảo sát ba loại điện cực: hai loại điện cực điện tim ECG của hai hãng khác nhau là: skintac (Hình 3a), MSGLT-03G (Hình 3b) và một loại điện cực tự chế bằng chất liệu đồng có đường kính sợi dây 0.05cm với ý tưởng thiết kế dạng điện cực vòng cho các phép đo thể tích trở kháng (Hình 3c).

Thực hiện thí nghiệm trên các 6 tình nguyện viên, ở điều kiện nhiệt độ 28 ± 1 0C; độ ẩm: 47±1%. Sử dụng tín hiệu kích thích xung vuông biên độ 600µA, tần số 1kHz. Sử dụng lần lượt các loại điện cực trên từng tình nguyện viên, thu lại dữ liệu và xử lý. 

2.2 Khảo sát kích thước đối tượng đo (thực vật)

Quy định cách cắm điện cực và các chiều đối tượng như Hình 4. Tiến hành cắt giảm kích thước theo các chiều xác định trước và ghi lại kết quả đo.

Hình 4: Quy định các chiều của đối tượng khi cắm điện cực

Chúng tôi gọi chiều sâu là chiều cắm của điện cực, chiều dài là chiều sắp xếp của bốn điện cực, chiều rộng là chiều còn lại. Ban đầu chúng tôi giảm dần chiều rộng của đối tượng đo bằng cách cắt từng lát đối tượng bỏ đi. Mỗi lần cắt chúng tôi lại đo trở kháng và ghi lại kết quả. Tiếp theo chúng tôi giảm chiều sâu, rồi giảm chiều rộng.

2.3 Khảo sát tìm dòng điện cấp vào và tần số

Đối với phép đo trên khoai tây: chúng tôi sử dụng điện cực đâm xuyên cắm vuông góc vào đối tượng. Thay đổi dòng điện cấp vào từ 100  đến 10000 . Tại mỗi nấc thay đổi dòng điện cấp vào tiến hành ghi lại số liệu đo bằng chương trình matlab, mỗi lần cách nhau khoảng 2 phút. Độ sai lệch của phép đo được tính cho các loại điện cực khác nhau. Chúng tôi đo tổng trở 50 lần và lấy giá trị trung bình của 50 lần đo đó, độ sai lệch cho các phép đo đối với các điện cực khác nhau theo công thức:

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

Độ sai lệch càng nhỏ và càng ít biến đổi thì phép đo càng có độ ổn định cao.

Đối với phép chúng tôi sử dụng điện cực dán ECG (MSGLT-03G), khoảng cách giữa các điện cực 5cm. Độ lớn dòng điện đưa vào là dạng xung vuông biên độ thay đổi từ 100 – 800 µA, tần số 1,2,5,10kHz. Thời gian đưa dòng điện vào là 2-5 phút bằng thời gian thực hiện ghi lại 10 lần bằng chương trình xử lý. Do giới hạn của mạch đo chỉ có thể quan sát tín hiệu rõ khi biên độ dòng điện cấp tối thiếu là 100μA và dòng điện tối đa trong thử nghiệm cần nhỏ hơn ngưỡng kích thích 1mA của dòng điện xoay chiều dân dụng để phòng trong trường hợp có sự dò điện cũng không gây ảnh hưởng tới bề mặt da tiếp xúc cũng như ảnh hưởng tới bệnh nhân.

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Về điện cực

Điện cực đo trên đối tượng thực vật

Dưới đây là kết quả độ sai lệch của phép đo trở kháng với các điện cực đâm xuyên khác kích thước:

Hình 5: Độ sai lệch của phần thực trở kháng (bên trên), phần ảo(bên dưới ) với các điện cực khác kích thước

Từ kết quả trên chúng ta thấy rằng các điện cực có kích thước càng nhỏ thì độ ổn định của phép đo càng thấp, kích thước càng lớn độ ổn định càng cao. Điện cực có đường kính dưới 3mm độ ổn định thấp, điện cực đường kính 4mm, 5mm thì ổn định hơn. Tuy nhiên điện cực càng lớn thì càng gây tổn thương nhiều đến đối tượng đo trong phép đo xâm lấn.

Hình 6: Độ sai lệch của phần thực tổng trở (bên trái), phần ảo(bên phải ) với 3 loại điện cực bằng đồng đường kính 4mm, điện cực ECG và điện cực khối

Từ hai đồ thị hình 5 và hình 6 ta thấy: đối với cả ba loại điện cực đều có độ sai lệch của phép đo là rất nhỏ (dưới 0.18%) tức là độ tin cậy cao. Với điện cực xâm lấn bằng đồng (Cu) đường kính 4mm thì độ sai lệch ít biến động tức là nó có tính chất ổn định hơn. Tuy nhiên hai loại điện cực không xâm lấn (điện cực dán ECG, điện cực khối) lại không gây ảnh hưởng đến đối tượng đo. Do đó trong các phép đo ta có thể dùng cả ba loại điện cực tùy từng đối tượng: với thực vật ta có thể dùng điện cực đâm xuyên cho độ ổn định cao; còn điện cực điện dán và điện cực khối thích hợp cho các phép đo trên động vật hay con người.

Điện cực đo trên người

Chúng tôi thu được kết quả điện cực MSGLT-03G có độ sai lệch nhỏ và phép đo ổn định. Đặc biệt khi đo trên người nảy sinh vấn đề một số điện cực gây ra cảm giác đau rát trong và sau khi đo. Để khi đo không gây cảm giác khó chịu cho con người, thì cấu tạo điện cực khi tiếp xúc với da phải tránh được sự tập trung mật độ dòng  tại vị trí tiếp xúc trên da với điện cực.

Loại điện cực skintact có lớp gel lồi lõm làm bề mặt tiếp xúc không tốt tạo ra mật độ dòng lớn gây cảm giác kiến bò tại điện cực cấp dòng. Điện cực tự chế bằng dây đồng cũng gây ra những cảm giác tương tự, do dây đồng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt da và việc ghi lại dữ liệu gặp nhiễu, đôi khi phải thực hiện nhiều lần mới lấy được kết quả. Trên Hình 7 trình bày kết quả khi đo trên một tình nguyện viên.

Hình 7.: So sánh giá trị |Z| khi sử dụng loại điện cực điện cực Skintact, điện cực MSGLT-03G, điện cực dây đồng

Loại điện cực điện tim MSGLT-03G đáp ứng đủ các tiêu chí về độ ổn định phép đo tổng trở và không gây ảnh hưởng tới bệnh nhân trong quá trình đo, do đó trong các thử nghiệm tiếp theo có thể dùng loại điện cực điện tim này như một loại điện cực cho phép đo tổng trở trên cơ thể bệnh nhân.

3.2 Về kích thước, khối lượng

Kết quả khảo sát kích thước của khoai tây 

Hình 8. Trở kháng phụ thuộc vào chiều kích thước thước của đối tượng

Trên Hình 8 các đường liền nét thể hiện biến thiên trở kháng của khoai tây khi ta tiến hành giảm kích thước các chiều. Đường dọc xuống vuông góc với trục hoành thể hiện là khi đó chiều sâu (hình bên trái) hoặc chiều rộng (đối với hình bên phải) là không đổi, còn kích thước theo hai chiều kia thì thay đổi, vì thế trở kháng mới biến đổi. Đường ngang với trục hoành: nhìn theo chiều giảm của kích thước ta sẽ thấy trở kháng tăng. Sau các lần đo nhận thấy, khi giảm kích thước theo cả 2 chiều rộng và chiều sâu ta đều thấy quy luật này. Còn theo chiều dài thì khi giảm trở kháng thay đổi không đáng kể vì phần lớn sự phân bố dòng điện là ít ở khoảng ngoài của 4 điện cực (Hình 1).

Như vậy theo chiều dài khi thay đổi thì trở kháng không thay đổi. Theo chiều sâu khi giảm chiều sâu tới chiều sâu đối tượng gấp 2 lần chiều sâu điện cực, giảm chiều rộng tới khi chiều rộng gấp 10 lần đường kính điện cực thì trở kháng bắt đầu tăng. Còn khi đối tượng lớn hơn kích thước này thì trở kháng không đổi. Chúng tôi gọi kích thước này là kích thước ngưỡng của đối tượng đo ứng với mỗi kích thước điện cực nhất định.

Dưới kích thước ngưỡng, trở kháng của khoai tây tăng khi kích thước giảm có thể giải thích như sau: Do điện cực mà ta sử dụng là hệ bốn điện cực, dòng điện đi qua đối tượng được khảo sát theo lý thuyết có chiều và đường đi như Hình 1b.

3.3 Về phụ thuộc biên độ dòng điện và tần số

Đối với phép đo trên khoai tây

Phép đo trong miền tần số cho độ sai lệch như hình 9:

Hình 9 : Độ sai lệch của phép đo trở kháng trong miền tần số

Từ đồ thị ta thấy đối với phép đo trong miền tần số thì độ sai lệch của phép đo trở kháng rất nhỏ. Sai lệch dưới 1% đối với các phép đo dưới 60 kHz trong hầu hết các giá trị của biên độ dòng điện. Đó là các kết quả khi đo trong miền tần số (đo từng tần số một). Tuy nhiên khi muốn đo trong cả miền tần số thì phép đo trong miền tần số khá tốn thời gian,và trên thực tế khi đo trên người khó mà có thể tạo ra một hệ thiết bị đáp ứng đầy đủ các tần số của phổ. Chúng tôi cũng thực hiện thêm các phép đo trong miền thời gian và đánh giá độ sai lệch của phép đo.

Các phép đo miền thời gian cần sử dụng đến biến đổi Fourier để xác định giá trị tại tần số bội của tần số đưa vào (nf0) thì gặp phải sai số lớn hơn. Dưới đây là bảng số liệu giá trị tần số và biên độ dòng điện khi đo trở kháng trong miền thời gian có sai lệch dưới 5% (Bảng 1).

Bảng 1: Bảng giá trị tần số lớn nhất mà đo trở kháng có độ sai lệch dưới 5%

Biên độ dòng điện

Tần số flớn nhất tại đó sai lệch dưới 5%

Tần số bội lớn nhất tại đó độ sai lệch dưới 5%

  1.  

50 (kHz)

150 (kHz) (3f0)

400÷500 (µA)

60 (kHz)

180 (kHz) (3f0)

500÷700 (µA)

80 (kHz)

240 (kHz) (3f0)

700÷5000 (µA)

100 (kHz)

300 (kHz) (3f0)

5000÷10000 (µA)

100 (kHz)

500 (kHz) (5f0)

Từ bảng số liệu ta nhận thấy biên độ dòng điện càng lớn thì tần số lớn nhất ta có thể đo được với độ chính xác cao càng lớn. Điều này không ảnh hưởng nhiều đến đối tượng thực vật, tuy nhiên đối với con người thì dòng điện mà lớn quá sẽ gây nguy hiểm. Như vậy trong mục tiếp sau đây chúng tôi có ghi lại cảm giác đo trên con người khi thay đổi biên độ dòng điện.

Đối với phép đo trên người

Khi thực hiện các phép đo tại tần số 1kHz để thu được tín hiệu ổn định thì biên độ dòng điện đưa vào phải từ 600µA - 800µA. Tuy nhiên để không gây cảm giác cho đối tượng đo thì biên độ phải ≤ 700µA.

Hình 10: Độ sai lệch của phần thực, phần ảo, tổng trở tại biên độ dòng điện cấp 500, 600, 700µA ở tần số 1kHz trong miền thời gian.

Hình 10 là đồ thị độ sai lệch trong phép đo trên người ở tần số 1kHz trong miền thời gian, độ sai lệch là khá lớn khi sử dụng biến đổi Fourier để lấy dữ liệu ở các tần số bội số của tần số cấp vào (ví dụ độ sai lệch của phần ảo lên tới 30% khi biến đổi tới 100kHz).

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 Fourier chúng ta có thể thu được phổ tổng trở (Hình 11).

Hình 11 : Phổ trở kháng của cánh tay đo trong miền thời gian ở tần số 600 Hz

Các kết quả phép đo trên người được tóm tắt trong bảng 2:

Bảng 2 Tóm tắt kết quả

Tần số

Biên độ dòng điện

Kết quả tích cực

Kết quả hạn chế

Dưới 1kHz

600 µA

Độ sai lệch dưới 5% với tần số nf0= 34kHz, thu được phổ tổng trở rõ ràng (hình 11)

Các phép đo trong miền tần số không thể thực hiện đến tần số cao.

Các phép đo trong miền thời gian có thể cho phổ ở tần số lớn hơn nhưng độ sai lệch lại lớn (hình 10).

  • Băng thông của hệ đo thấp.
  1.  

600µA - 800µA

Tín hiệu ổn định; dưới 700µA thì không gây cảm giác 

2,5,10 kHz

100 - 800µA

Không gây ra cảm giác

  1.  

500 – 800µA

Tín hiệu ổn định

 

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, lựa chọn được số lượng rất hạn chế các kết quả đo và cũng đã có được một số kết quả về phổ trở kháng, tuy nhiên do độ sai lệch của phép đo lớn nên vẫn chưa vẽ được đầy đủ phổ trở kháng ,dải tần đo được thấp (dưới 34kHz).

 

IV. KẾT LUẬN

            Trong bài báo này chúng tôi đã tiến hành khảo sát các tham số trong quy trình đo trở kháng sinh học và đã thu được các kết quả dùng cho các nghiên cứu tiếp sau này.

            Về lựa chọn điện cực, kết quả chỉ ra là điện cực đâm xuyên thì cho phép đo ổn định hơn điện cực dán và điện cực khối. Với điện cực đâm xuyên điện cực kích thước càng lớn thì kết quả càng ổn định, tuy nhiên kính thước lớn quá sẽ gây ảnh hưởng tới đối tượng đo. Đối với phép đo mà không được phép xâm lấn thì chúng tôi đề xuất sử dụng điện cực dán loại điện cực điện tim MSGLT-03G  vì phép đo ổn định, không gây cảm giác khó chịu trên da khi đo.

            Về kích thước đối tượng đo, chúng tôi nhận ra mối tương quan giữa kích thước đối tượng đo với kích thước điện cực. Với mỗi cặp điện cực nhất định (khoảng cách giữa 2 điện cực đo áp không đổi), khi đo trở kháng thì có một kích thước ngưỡng mà khi đối tượng lớn hơn kích thước đó thì trở kháng không đổi, khi đối tượng nhỏ hơn kích thước đó thì trở kháng tăng.

            Về tần số và dòng điện cấp vào đối tượng khi đo. Đối với thực vật, các phép đo cho độ chính xác cao trong miền tần số ở khoảng biên độ dòng điện từ 100  đến 10000 , ở dải tần số từ 100 Hz tới 100kHz. Các phép đo trong miền thời gian cho phép chúng tôi đã rút ra được một bảng số liệu của biên độ dòng điện và tần số dòng cấp vào mà phép đo có độ chính xác cao. Với phép đo trên người, do hay bị nhiễu bởi dòng điện chủ động trên người và đáp ứng của mạch đo nên dải tần thu được còn thấp (dưới 34kHz). Chúng tôi đề xuất cần phải tìm các phương án để tăng khả năng của mạch đo, cải tiến các phương pháp lọc tín hiệu để nâng cao băng tần của hệ thống đo.

 

V. LỜI CẢM ƠN

 

Nhóm tác giả xin 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).

 

Tài liệu tham khảo

 

[1] A. Hishikawa, H. Hasegawa, and K. Yamanouchi, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. Vol. 141, 2004, pp. 195-200.

[2]  Raymond A. Serway (1998). Principles of Physics (2nd ed.). Fort Worth, Texas; London: Saunders College Pub. p. 602. ISBN 0-03-020457-7.

[3]. David Griffiths (1999) [1981]. "7. Electrodynamics". In Alison Reeves. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. p. 286. ISBN 0-13-805326-X. OCLC 40251748.

[4]. Douglas Giancoli (2009) [1984]. "25. Electric Currents and Resistance". In Jocelyn Phillips. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (4th ed.). Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. p. 658. ISBN 0-13-149508-9.

[5]. Glenn Elert (ed.), "Resistivity of steel", The Physics Factbook, retrieved and archived 16 June 2011.

[6]. J C Caicedo-Eraso, C H González-Correa, C A González-Correa (2012), Use of electrocardiogram (ECG) electrodes for Bioelectrical Impedance Analysis (BIA), Journal of Physics: Conference Series407, 012008