Hoạt động điện da

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm
Tên đề tài Hoạt động điện da
Tên môn học Cơ sở điện sinh học
Tên giáo viên hướng dẫn Nguyễn Phan Kiên
Học hàm
Học vị Tiến Sỹ
Tên trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tên khoa Điện Tử- Viễn thông
Bộ môn Công nghệ Điện tử và kỹ thuật Y sinh
Tên sinh viên làm tiểu luận Lê Thanh Hải, Trần Jawa, Nguyễn Văn Dương
Tên lớp ĐTYS
Khóa học 51
Thời gian làm tiểu luận 2010

Nội dung tóm tắt

A. ĐẶT VẤN ĐỀ

Như ta đã biết, nhiệm vụ chính của da là bảo vệ cơ thể trước các tác nhân từ môi trường. một trong số đó là ngăn chặn sự mất nước của cơ thể. Tuy nhiên đồng thời quá trình bay hơi nước điều hòa thân nhiệt cũng phải diễn ra. Những yêu cầu này được thực hiện bởi lớp sừng ngăn chặn sự mất nước ra bên ngoài ngoại trừ việc thông qua tuyến mồ hôi. Những hoạt động này được điều khiển bởi hệ thần kinh giao cảm. Do đó việc đo lường đầu ra các tuyến mồ hôi, nơi xảy ra các đáp ứng điện da có thể cho ta biết về mức độ và quy mô của hoạt động thần kinh giao cảm. Bằng cách đo được sự thay đổi mồ hôi trên cơ thể, đặc biệt ở gan bàn tay và bàn chân ta có thể nghiên cứu được các thay đổi của hệ thần kinh giao cảm đối với các tác nhân kích thích khác nhau. Mồ hôi gan bàn tay là một trong những triệu chứng rõ nhất của trạng thái thần kinh lo lắng. Và trong một vài trường hợp đó là phản ứng của cơ thể có thể nhìn thấy rõ nhất.

Hoạt động điện da tuy đã được phát hiện từ khá lâu, thuộc những năm 1970 của thế kỷ trước nhưng ở nước ta đây vẫn là một đề tài khá mới mẻ. Được sự hướng dẫn của Ts. Nguyễn Phan kiên, bộ môn Công nghệ điện tử và kỹ thuật điện tử Y sinh, khoa Điện tử-Viễn thông , chúng em đã tìm hiểu và thiết kế Mạch thu nhận tín hiệu điện da đơn giản.

Mục đích của đề tài này trước hết là tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tiễn cụ thể của điện sinh học. Hai là nó tạo tiền đề cho các sinh viên khóa sau tiếp tục hoàn thiện và phát triển, hướng tới một sản phẩm có hiệu quả cao, được áp ụng vào trong các công tác nghiên cứu và điều trị.

Ngày nay, hoạt động điện da cũng đã được áp dụng vào trong một số lĩnh vực nghiên cứu và công tác, ví dụ như máy phát hiện nói dối,…

B. LÝ THUYẾT ĐIỆN DA


I. SINH LÝ HỌC CỦA DA


Lý giải về độ dẫn và điện thế của da đòi hỏi một số kiến thức về cấu tạo của các mô tại và dưới bề mặt da. Hình 27.1 chỉ ra các đặc trưng chính của da. Lớp dầy phía trên bề mặt gọi là biểu bì (epidermis) gồm có lớp sừng (stratum corneum) và lớp lucidum (Chỉ nhìn thấy được ở các bề mặt ma sát – “frictional surfaces”), lớp hạt (granular layer), lớp tế bào gai (prickle cell layer) và lớp cơ sở (basal) hay lớp nảy mầm (germinating layer). Bề mặt của lớp sừng (nghĩa là bề mặt của da) được tạo thành bởi các tế bào chết, trong khi tại mặt đáy của nó là các tế bào sống khoẻ mạnh. Giữa chúng là các tế bào chuyển tiếp. Lớp này còn được gọi là horny layer. Mạch máu nằm tại vùng hạ bì (dermis) trong khi các tế bào kích thích bài tiết tuyến mồ hôi nội tiết nằm tại ranh giới giữa vùng hạ bì và lớp mỡ (panniculus adiposus), còn được gọi là lớp dưới da (hypodermis) hay mạc nông (superficial fascia). Ống bài tiết của tuyến mồ hôi nội tiết gồm có một ống đơn tạo bởi một hay hai lớp tế bảo biểu mô, ống này đi lên và mở ra tại bề mặt của da. Nó có hình dạng lượn sóng tại lớp hạ bì nhưng sau đó theo một đường xoắn ốc và hình nón ngược xuyên qua lớp hạ bì và kết thúc tại một lỗ chân lông trên bề mặt da. Kích thích tiết acetylcholine thông qua các sợi từ hệ thống thần kinh giao cảm cấu thành tác nhân chính sản xuất ra mồ hôi của các tuyến nội tiết này.

Nhìn trên hình 1, ta có thể thấy lớp biểu mô thông thường có trở khàng điện cao do lớp dày các tế bào chết với các màng chất sừng (keratin) dầy. Điều này không có gì ngạc nhiên, do chức năng của da là tạo một hàng rào và bảo vệ chống chầy xước, các tác nhân cơ học... Toàn bộ lớp biểu mô (không tính các tế bào tróc vẩy) cấu thành lớp chắn (barrier layer), một hàng rào ngăn thẩm thấu. Các thí nghiệm chỉ ra rằng nó hoạt động như một màng thụ động.

Tuy nhiên, lớp sừng bị đâm xuyên bởi các ống mồ hôi nằm ở các tế bào bên dưới (đã nói ở trên), khi các ống này được đổ đầy, xuất hiện chất dẫn khá tốt (mồ hôi có thể xem như tương đương với dung dịch hoà tan muối NaCl 0.3%, nghĩa là chất điện phân yếu), và dẫn đến rất nhiều đường dẫn song song trở kháng thấp. Độ dẫn tiếp tục tăng do sự hydrat hoá của lớp sừng do dòng mồ hôi chảy qua vách ống mồ hôi (một quá trình được tạo điều kiện bởi đường ống hình xoắn ốc và đặc tính hút nước rất mạnh của lớp sừng). Hệ quả là độ dẫn của da thực tế có thể biến thiên rất lớn, phụ thuộc vào các hoạt động nội tiết hiện tại và trước đó. Hoạt động này đặc biệt lớn tại vùng gan lòng bàn tay do trong khi lớp biểu mô rất dày, các tuyến mồ hôi nột tiết có mật độ rất khác nhau. Cần chú ý rằng việc đổ mồ hôi vào các ống có thể xảy ra trước (có thể quan sát được) sự giải phóng mồ hôi từ bề mặt da và sự khuếch tán vào lớp sừng.

Chúng ta đã lưu ý rằng nhiệm vụ chính của da là bảo vệ cơ thể trước các tác nhân từ môi trường. Một trong số đó là ngăn chặn sự mất nước của cơ thể. Tuy nhiên, đồng thời quá trình bay hơi nước để điều chỉnh thân nhiệt cũng phải diễn ra. Những yêu cần này được thực hiện bởi lớp sừng ngăn chặn sự mất nước ra bên ngoài ngoại trừ thông qua tuyến mồ hôi. Những hoạt động này có thể điều khiển được thông qua hệ thống thần kinh tự trị (giao cảm). Việc đo lường đầu ra các tuyến mồ hôi, nơi EDR đi qua, cung cấp một đánh giá đơn giản về mức độ và quy mô của hoạt động giao cảm. Đây là khái niệm cơ bản và đơn giản về EDR và các ứng dụng của nó trong tâm thần sinh lý học (psychophysiology).

Hình 1: Phần da mềm lấy từ lòng bàn chân. (Redrawn from Ebling, Eady, and Leigh, 1992)

II. LÝ THUYẾT VỀ EDA

Một mô hình toàn diện về EDR được phát triển bởi Fowles (1974) và xuất hiện không thay đổi về cơ bản trên Fowles (1986); nguyên lý của nó được cho trên hình 2. Mô hình này chỉ hữu dụng về mặt định tính do không có các dữ liệu định lượng để hỗ trợ mạch hoặc để đánh giá các phần tử của nó. Phía trên hình vẽ mô tả bề mặt da, trong khi bên dưới hình mô tả bề mặt giữa lớp dưới da (hypodermis) và lớp hạ bì (dermis). Điện cực hoạt động đặt tại phía trên (bề mặt da), trong khi điện cực tham chiếu đặt ở bên dưới (lớp dưới da).

R1 và R2 biểu diễn trở kháng với dòng chảy qua các ống mồ hôi nằm lần lượt ở lớp biểu bì và lớp hạ bì. Đó là các dòng chính khi các ống này chứa mồ hôi, và trở kháng của chúng giảm khi các ống được đổ đầy. Quá trình đổ đầy này bắt đầu trong lớp hạ bì và tiếp tục với lớp biểu bì.

E1 và R4 biểu diễn đường vào các ống mồ hôi thông qua các vách ống mồ hôi trong lớp hạ bì, trong khi E2 và R3 mô tả con đường giống như vậy nhưng là trong lớp biểu bì. Các điện thế tải nạp E1 và E2 xuất hiện là kết quả của sự tập trung ion không đồng đều qua các ống mồ hôi cũng như độ thấm từ ion có chọn lọc (đã nói ở chương 3). Điện thế này chịu tác động bởi quá trình tạo mồ hôi, đặc biệt là nếu, sự tăng dần của áp suất thuỷ tĩnh làm khử cực màng ống mồ hôi. Sự khử cực này làm tăng độ thấm từ dòng ion, điều này được thấy rõ trên mô hình với việc giá trị của R3 and R4 bị giảm. Thông thường, vấn đề này được quan tâm như một cơ chế quan trọng để giải thích các tín hiệu khôi phục nhanh (do tốc độ khôi phục lại độ thấm từ bình thường là như nhau). Điện thế của E1 and E2 thông thường là âm-lumen (lumen-negative).

Hình 2 : Một mạch tương đương được đơn giản hoá mô tả hệ thống điện da (From Fowles, 1986)

Trở kháng R5 là trở kháng của lớp sừng, trong khi E3 là điện thế lớp sừng. Hiện tượng hydrat hoá của lớp sừng, kết quả của sự khuếch tán của mồ hôi từ các ống mồ hôi vào lớp sừng khô và hút nước thông thường, dẫn đến làm giảm giá trị R5. Kết quả dự đoán của một thí nghiệm phụ thuộc vào quy mô của đáp ứng với một kích thích và điều kiện tuyến mồ hôi trước. Với một sự xác nhận SCR, Fowles (1986) tuyên bố các điện thế có thể được bỏ qua (xem như các nhân tố tương đối nhỏ). Nếu giả thiết các điều kiện nghỉ ban đầu, một đáp ứng mồ hôi gồm có sự tăng lên của mồ hôi trong các ống mồ hôi, và R2 tương ứng giảm dần. Thời gian đợi đáp ứng liên quan đến thời gian cần thiết để hoạt động trên diễn ra. Nếu đáp ứng là nhỏ và R1 và R5 không bị ảnh hưởng, SCR sẽ không thay đổi. Với một đáp ứng lớn hơn, mặc dù mồ hôi vẫn còn trong các ống mồ hôi, nó đã trải rộng sang lớp sừng và do đó làm giảm R1 và R2. Nếu đáp ứng đủ lớn, sẽ có dòng qua vách ống mồ hôi, làm hydrat hoá lớp sừng nghĩa là làm giảm R5. Với một đáp ứng mồ hôi rất lớn (hoặc một đáp ứng trung bình diễn ra sau khi các ống mồ hôi vừa được đổ đầy một phần), nó còn bao gồm sự kích hoạt màng ống mồ hôi biểu bì do sự dâng lên của áp suất thuỷ tĩnh, và hệ quả là làm giảm R3.

Để ghi lại SP, có thể sử dụng hình 2 như một hướng dẫn về các kết quả có thể có của đáp ứng với một kích thích. Điện thế đo được qua lớp biểu bì biểu diễn E3 trừ đi điện áp rơi trên R5. Các nhân tố được xem xét bao gồm sự tái hấp thu Natri qua các vách ống mồ hôi nhờ vận chuyển tích cực hoạt động tạo ra các điện thế âm-lumen lớn. Tác động của chúng lên điện áp đo được phụ thuộc vào các giá trị tương đối của R1, R2, and R4 (với các giá trị thấp làm tăng cường sự đo lường E1, và giá trị R5 thấp làm giảm sự đo lường này (Edelberg, 1968)). Với các đáp ứng bình thường khi lớp sừng không bị hydrat hoá tương đối, điện thế ống mồ hôi âm-lumen tăng lên và R2 giảm và R1 có thể hoạt động tạo ra một SPR âm một pha. Các đáp ứng lớn kích hoạt đáp ứng màng và sự sụt giảm lớn và nhanh tại R3 làm giảm điện thế âm đo được và có thể một thành phần dương nếu ống mồ hôi đã được đổ đầy.

III. VỊ TRÍ ĐO LƯỜNG

Như đã nói ở trên, EDA được đo lường tốt nhất tại gan bàn tay. Các vị trí lý tưởng đặt điện cực được cho trên hình 3.

Hình 3 : Vị trí đặt điện cực trên gan bàn tay để đo trở kháng và điện thế da.(vẽ lại từ Venables và Christie, 1980)

Như mô tả trên hình 27.2, vị trí tham chiếu bị mài mòn, một quá trình rất có thể làm mất lớp sừng và do đó làm giảm đáng kể trở kháng. Bản thân vị trí đặt điện cực, trên cẳng tay, được lựa chọn làm vị tri trung tính (nonactive) do đó chỉ yêu cầu một tiếp điểm tốt. Mặc dù việc mất lớp sừng có thể làm cản trở việc kiểm tra của hệ thống ở đó, không có thêm bất cứ yêu cầu nào với vùng tham chiếu, do nó là không hoạt động (trung tính).

IV. ĐIỆN CỰC VÀ ĐIỆN GIẢI

Điện cực được sử dụng là loại điện cực khô. Nó không ổn định bằng điện cực dán nhưng có ưu điểm là đơn giản và giá thành rẻ.

Cách chế tạo điện cực được mô tả trong hình vẽ.

Hình 4 : Cách chế tạo điện cực khô


Ta sử dụng một miếng giấy thiếc dán vào mặt sau của tấm dán ( Loop side). Đầu cùng là một miếng nhựa gai móc, giúp cho điện cực có thể quấn chặt vào ngón tay.

V. TÍN HIỆU ĐẶC TRƯNG

Trên hình 6 là các đặc trưng tín hiệu của dạng sóng SCR và SPR. Chúng được nhận biết với việc có khôi phục chậm (slow recovery) ở hình 6A có thời gian tồn tại xấp xỉ 40s với biên độ pha khoảng 2 µS cho độ dẫn và 10-20 mV cho điện thế. Do giá trị biên độ phụ thuộc phi tuyến tính vào vùng điện cực, các giá trị này không thể chuẩn hoá một cách dễ dàng, do đó, khó khăn khi so sánh với nhau. Dữ liệu thu thập bởi Venables và Christie (1980) cho giá trị SCL trung bình là 0.3 µS và SCR trung bình là 0.52 µS khi nghiên cứu một mật độ cụ thể (N = 500-600). Khôi phục nhanh (Rapid-recovery) SCRs và SPRs được cho trên hình 6B.

Hình 6 : (A) Đường phía trên là một SCR khôi phục chậm, trong khi đường ở giữa và dưới cùng là SPRs âm một pha. (B) Đường phía trên là một SCR khôi phục nhanh, trong khi đường ở giữa và dưới cùng là SPRs một pha dương. (Fowles, 1974)

Trong quá trình đo những sự thay đổi của các tác nhân đều có thể gây ảnh hưởng tới kết quả. Nhiệt độ xung quanh tăng cao sẽ gây hiệu ứng ngược lại với tăng cường độ ẩm. Tuy nhiên việc ra mồ hôi quá nhiều lại không đồng nghĩa với việc tín hiệu EDR tăng một cách tương ứng. Khi cơ thể chuyển động hoặc hít thở sâu cũng làm sai khác tín hiệu EDR.

Hình 7 : EDR với các thông số của nó (thời gian tăng, biên độ, thời gian phục hồi) đo bằng việc áp dụng một điện áp bên ngoài.

D. THIẾT KẾ MẠCH

I. SƠ ĐỒ KHỐI

Hình 8 : Sơ đồ khối máy điên da

II. THIẾT KẾ CHI TIẾT

1. Thiết kế mạch nguyên lý

Hình 9 : Sơ đồ nguyên lý mạch thu tín hiệu điện da đơn giản

Chi tiết các khối

a. Khối nguồn điện cực

Điện cực được sử dụng trong mạch là điện cực khô sử dụng nguồn áp hoặc nguồn dòng điện không đổi. Ở đây ta sử dụng nguồn 0.5 V không đổi, có dòng điện khoảng 200 mA.

Nguồn cấp cho bộ nguồn là pin 9V, qua L7805 lấy điện áp ra 5V. Tới đây bằng cách sử dụng các điện trở để phân áp, ta có điện áp ra khoảng 0.2 V . Qua khuếch đại thuật toán ta có điện áp ra 0.5V và dòng ra 200 mA.


b. Khối khuếch đại

Tín hiệu từ điện cực sẽ được khuếch đại trước khi đưa tới đầu ra. Ở đây ta sử dụng IC khuếch đại đo LM324. Đây là một khuếch đại thuật toán đo thông dụng. Nó có ưu điểm là dải điện áp hoạt động rộng ( 3-30V) và chỉ cần nguồn đơn để cấp điện cho IC hoạt động.

Khuếch đại đo đầu tiên biến đổi dòng điện truyền qua da thành 1 điện áp âm . Đầu ra trên, USCR khuếch đại tín hiệu SCR, trong khi đó đầu ra dưới là tín hiệu SCL tổng hợp.

c. Khối lọc

Có 2 trường hợp đo : Đo lường trương lực (0-5Hz) và đo lường pha (0.03- 5 Hz). Do vậy ta thiết kế 1 bộ lọc thông thấp cắt ở tần số 5Hz và 1 bộ lọc thông cao, cắt ở tần số 0.03 Hz. Khóa SW cho phép thay đổi trạng thái đo. Khi khóa đóng thì mạch ở trạng thái đo trương lực và khi khóa mở mạch ở trạng thái đo lường pha.

III. SẢN PHẨM THIẾT KẾ

Qua quá trình tìm hiểu với sự hướng dẫn của thầy, chúng em đã lắp ráp được mạch thu tín hiệu điện da đơn giản. Mạch có kích thước nhỏ gọn gồm các linh kiện đơn giản, rẻ tiền, có bán sẵn trên thị trường. Chi tiết về chủng loại và giá cả linh kiện được chú thích rõ ở Phụ lục.

10.JPG


Thành công đạt được

  • Tìm hiểu được về Hoạt động điện da cũng như ứng dụng của Điện sinh học vào trong thực tế.
  • Lắp ráp thành công mạch thu nhận tín hiệu điện da đơn giản
  • Tăng cường khả năng làm việc nhóm, kỹ năng sử dụng phần mềm, kỹ năng cá nhân cần thiết cho người kỹ sư sau này.
  • Củng cố được kiến thức về mạch, về tính thực tế từ các lý thuyết.

Hạn chế

Bên cạnh những kết quả đạt được trước mắt. Mạch vẫn còn nhiều thiếu sót đáng kể:

  • Mạch còn đơn giản.
  • Mạch mới chỉ thu nhận được tín hiệu đáp ứng điện da. Các tính năng như chống nhiễu, hiển thị, so sánh chưa được hoàn thành.
  • Tín hiệu ra không chính xác.
  • Sự thiếu chính xác gồm có sai lệch do nhiễu, do chuyển động của cơ thể, do dịch chuyển điện cực,… Nguyên nhân chính của thiếu chính xác là do sai số của điện cực cao, mạch lại không có khả năng ổn định tín hiệu cũng như các đoạn mạch khử nhiễu.
  • Khó khăn về mặt linh kiện
  • Hiện tại trên thị trường chưa có bán loại điện cực khô nên để có thể tiến hành thử nghiệm chúng em đã phải tự làm điện cực. Điện cực làm thủ công với số lượng ít nên chưa đảm bảo được về mặt chất lượng và hình thức.
  • Chưa làm dc khối hiển thị lên màn hình máy vi tính.
  • Tính năng còn sơ sài, do đó chưa nhận thấy rõ rệt được sự tiện lợi cũng như lợi ích từ mạch điện da.
  • Hạn chế về mặt kiến thức, cả lý thuyết lẫn thực tế.

E. KẾT LUẬN

Sau thời gian tự tìm hiểu, nghiên cứu chúng em đã chế tạo thành công mạch thu tín hiệu điện da đơn giản. Tính năng của mạch tuy còn đơn giản nhưng là kết quả của một quá trình nghiên cứu,tìm hiểu của tập thể nhóm. Sản phẩm tuy còn nhiều hạn chế nhưng đây là nguồn động viên, là động lực để chúng em tiếp tục cố gắng phát triển hoàn thiện đề tài. Ngoài việc thiết kế mạch, thiết nghĩ mục đích của đề tài lần này là gợi mở ra một hướng nghiên cứu mới cho sinh viên, làm nền tảng cho các phát triển sau này. Các khóa sinh viên sau có thể tiếp tục phát triển để trở thành một sản phẩm hoàn chỉnh. Đồng thời quá trình làm đề tài cũng là cơ hội để sinh viên củng cố, tăng cường kiến thức, kỹ năng cần thiết của người kỹ sư sau này. Đây cũng là một cơ hội để sinh viên tích lũy kinh nghiệm làm thưc tế ngay trong thời gian còn đi học.

Hạn chế của sản phẩm chủ yếu thuộc về mảng chức năng. Đây là kỳ đầu tiên chúng em được học các môn thuộc chuyên ngành Y sinh, do đó kiến thức còn nhiều thiếu sót. Bên cạnh đó việc phải hoàn thành đề tài trong một thời gian ngắn cũng là một nguyên nhân khiến nhóm không có điều kiện để tăng cường thêm các chức năng cho sản phẩm.

Việc khắc phục những điểm hạn chế nêu trên cũng là quá trình tăng cường các chức năng của mạch, hoàn thiện sản phẩm. Khi đó máy thu tín hiệu điện da sẽ có khả năng lọc nhiễu cao, có thể hiển thị tín hiệu lên màn hình máy tính hoặc màn hình LCD nhỏ gọn, có thể chọn phương pháp đo khác nhau. Khi hoàn thành máy sẽ có kích thước nhỏ, linh động,tiện lợi trong quá trình thao tác và cất giữ, bảo quản. Nếu xây dựng thêm các tính năng hiển thị trên màn hình như chỉnh phóng to, thu nhỏ, đồng bộ tín hiệu có thể làm tăng kích thước sản phẩm, nâng giá thành lên nhưng sẽ làm phong phú thêm tính năng của máy, tăng cường hỗ trợ người dùng trong công tác nghiên cứu,...

Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn thầy giáo, Ts. Nguyễn Phan Kiên đã giúp đỡ, hỗ trợ nhóm hoàn thành được đề tài này.

Giấy phép

Download