Đo tổng trở các đối tượng sinh học trong miền tần số và miền thời gian - Vũ Thị Ngọc Huyền

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.T.N.Huyền, N.T.Thương, L.M.Hải, “Đo tổng trở các đối tượng sinh học thời gian.” 234 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 235 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 Re tương ứng với điện trở ngoại bào, Ri tương ứng với điện trở nội bào, Cm 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. 236 Hệ thống đo gồm một function generator), m tính; sơ đ Bộ cấp tín hiệu với thông qua b hiêu đư điều khiển tín hiệu đ 2.1.3. Phép đo trong mi Tín hi dạng xung Như v số, thu đ Với phép đo miền tần số th trở kháng t hành t phức v 2.1.4. Phép đo trong mi Đối với phép đo n thu đư biến đổi Fourier, hay cụ (Fast Fourier Transform [6]) đ của tần số. Thu hiệu đ công th hiệu x Tổng phép 2.2. Chu 2.2.1. - M V.T.N.Huy ồ đo được chỉ ra trong giao tiếp (Front t ộ giao tiếp đ ợc đưa vào máy tính đ ệu đưa vào là d sin tuần ho ậy để có tổng trở chúng ta phải ti ược U, I l ương ự động đo à cho ra kết quả tổng trở với từng tần ợc dòng điện I v ật toán biến đổi Fourier ược rời rạc hóa v ức của biến đổi Fourier n Hình 3 trở lúc này đo này phần ẩn bị thực nghiệm Chuẩn bị hệ thống ạch điện mô phỏng đối t ền, N.T.Thương, L.M.H ngu ột dao đ -end) đư ần số, biên đ ược đ ưa vào m ền tần số òng àn. Mỗi h sin à những số phức khi đó Z=U/I. ứng. Phần mềm lập tr với các tần số đ ền thời gian ày chúng tôi ch à hiệu điện thế U l thể h à ta sẽ thu đ . Đồ thị minh họa được tính mềm lập trình và đ ải ồn (Power supply), một máy tạo dao động (Arbitr ộng ký (Oscilloscope), m hình 2. ợc nuôi bởi nguồn một chiều ± 5V. Máy tạo da ộ, dạng xung ưa vào cổng CH1, CH2 của ể xử lí. Máy tính cũng đ ột cách tự động ( điện I có tần số f, tín hiệu thu đ àm sin có th () = ( ì ta đưa vào các t ình Matlab ã chọn tr ọn tín hiệu xung vuông với tần số biết tr à hàm c ơn trong các phép đo c ể chuyển tín hiệu l rời rạc có th ược giá trị của tín hiệu phụ thuộc tần số rời rạc (2). Trong đó thu là biến đổi Fourier của U chia cho Matlab c ối tượng đo ượng sinh học : R , “Đo tổng trở các đối t theo yêu c hình 2). ể biểu diễn th − ến hành đ ần số c đư ước rồi biến đổi tín hiệu thu đ số mà máy đo đư ủa thời gian. Sử dụng công cụ toán học l ủa chúng tôi l à hàm c ể diễn tả ngắn gọn nh , X ật toán biến đổi Furier rời rạc ũng được sử e= 1065 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ượng sinh học ột bộ giao tiếp (Front ầu. Tín hi dao động ược kết nối với má ược l ành số ph ) 2⁄ ổi từ tín hiệu h ủa dòng điện khác nhau v ợc sử dụng để điều khiểnhệ ợc. ủa thời gian th k đại diện cho bi b dụng để thu Ω, Ri=105Ω,C - ệu điện áp v ký. Từ dao đ y tạo dao động để à tín hiệu đi ức: ình ảnh sang tín hi ược sang dạng số ư à biến đổi Fourier nhanh ành tín hi ư trong (2). bư ên độ v . iến đổi Fourier của I. Ở thập và xử lí m=96 nF (sai s thời gian.” ary end) và máy o động cung à dòng điện ộng ký tín ện áp U có (1) ệu à tính toán đo tiến ớc. Kết quả à ệu là hàm Khi đó tín ớc (k) theo à pha của tín (2) số liệu. ố 5%) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 237 - 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 238 Hình 6 a), đi Ph cũng cực dán Kết quả về pha : Rõ ràng r thể dự đoán độ sai lệc 3.3. Đ Kết quả độ tin cậy về pha của hệ đo theo từng giá trị tần số tr Đối với các phép đo trong miền tần số khoảng tần số m dưới 5% (độ tin cậy cao tr như d pha là r V.T.N.Huy . Đồ thị phổ tổng trở của khoai tây đo bằng điện cực đâm xuy ện cực dán (h ổ tổng trở n ta có thể nhận thấy . Hình 7. Đ ằng tri tuyệt đối độ lệch pha của tín hiệu trở kháng ở tần số thấp l ộ tin cậy của phép đo tr Hình 8. Đồ t ự đoán do trong khoảng tần số rất thấp (d ất nhỏ dẫn đến độ sai lệch sẽ lớn. B ền, N.T.Thương, L.M.H a) ình b) trong mi số f ày có dạng t một điều ồ thị độ lệch pha của tín hiệu khi đo h về pha trong khoảng tần n hị độ sai lệch trong ên 95%) là kho ải ền tần số ( 0=600Hz ( ương tự nh rằng điện cực ên khoai tây về pha (hình a), miền tần số , “Đo tổng trở các đối t hình vuông m dâu “+” mầu xanh) ư những kết quả đ đâm xuyên cho k ày sẽ lớn. a) tổng trở theo từng giá trị tần số ảng tần từ 600Hz tới 600kHz. Kết quả n ưới 600 H ên cạnh đó ở tần số cao th Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ượng sinh học ầu đỏ) . ã được công bố ở [7]. khoai tây trong mi ên hình v (hình b) . à phép đo có đ z) thì giá tr b) ên bằng đồng và miền thời gian ết quả ổn định h ền tần số ẽ. đo trên khoai tây ộ sai lệch nhỏ ị tuyệt đối của độ lệch ì còn m thời gian.” (hình ở tần Chúng ơn điện . à nhỏ, ta có b) ày đúng ắc phải sai Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 239 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 f0 (kHz) Tần số tại đó độ sai lệch dưới 5% (kHz) Tần số f0 (kHz) Tần số tại đó độ sai lệch dưới 5% (kHz) Tần số f0 (kHz) Tần số tại đó độ sai lệch dưới 5% (kHz) 1 1÷ 27 10 10÷ 75 55 55 ÷121 2 2÷ 32 15 15÷ 78 60 60 ÷ 162 3 3÷ 36 20 20 ÷ 85 65 65 ÷189 4 4÷ 40 25 25 ÷ 92 70 70 ÷ 176 5 5÷ 42 30 30 ÷ 76 75 75 ÷ 188 6 6÷ 61 35 35÷ 87 80 80 ÷ 240 7 7÷ 55 40 40 ÷97 85 85 ÷ 228 8 8÷ 47 45 45 ÷82 90 90 ÷ 205 9 9÷ 51 50 50 ÷107 95 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.T.N.Huyền, N.T.Thương, L.M.Hải, “Đo tổng trở các đối tượng sinh học thời gian.” 240 a) b) 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 f0 khác 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). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 241 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 [5] U.Pliquett,E.Gersing,F.Pliquett,“Evaluation of fast time-domain based impedance measurements on biological Tissue”, Biomed.Technik 45 (2000), 6-13. [6] Walker, J.S, “Fast Fourier Transforms”, CRC Press, 1996 [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.