NGUYỄN DUY ĐẠT BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN DUY ĐẠT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN TẾ BÀO BẠCH CẦU ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2026 Hà Nội – 2026
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN DUY ĐẠT NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN TẾ BÀO BẠCH CẦU ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã ngành: 8520203 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên thực hiện: NGUYÊN DUY ĐẠT Khóa đào tạo: K14 Mã học viên: 2024700018 Người hướng dẫn: TS. NGUYỄN ĐẮC HẢI Hà Nội – 2026
i MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỆNH LIÊN QUAN ĐẾN TẾ BÀO BẠCH CẦU VÀ CẢM BIẾN KIỂU ĐIỆN DUNG ......................................................................... 4 1.1. Tìm hiểu về bệnh liên quan đến tế bào bạch cầu ............................................. 4 1.1.1. Tổng quan về tế bào bạch cầu ................................................................... 5 1.1.2. Các rối loạn liên quan đến số lượng tế bào bạch cầu ................................ 8 1.1.3. Ung thư máu và sự thay đổi đặc tính của tế bào bạch cầu ...................... 10 1.1.4. Các phương pháp đếm và phân tích tế bào bạch cầu hiện nay ............... 13 1.2. Tìm hiểu về cảm biến kiểu điện dung ............................................................ 16 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của cảm biến điện dung ............................................. 16 1.2.2. Các cấu trúc cảm biến điện dung ứng dụng trong y sinh ........................ 17 1.2.3. Ưu điểm và hạn chế của cảm biến điện dung trong phân tích tế bào bạch cầu ..................................................................................................................... 17 1.3. Kết luận Chương I .......................................................................................... 19 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 20 2.1. Nghiên cứu về tế bào bạch cầu và bệnh liên quan ......................................... 20 2.1.1. Cấu trúc điện học của tế bào bạch cầu .................................................... 20 2.1.2. Đặc điểm điện môi của tế bào bạch cầu .................................................. 21 2.1.3. Sự khác biệt điện môi giữa tế bào bạch cầu bình thường và ác tính ....... 24 2.1.4. Đáp ứng điện môi của tế bào bạch cầu theo tần số Error! Bookmark not defined. 2.1.5 Vai trò tăng cường tín hiệu của hạt nano vàng ......................................... 25 2.2. Cảm biến tụ điện kiểu điện dung ................................................................... 27 2.2.1. Nguyên lý điện trường trong cảm biến tụ điện kiểu điện dung .............. 27 2.2.2. Các cấu trúc cảm biến tụ điện kiểu điện dung ........................................ 29 2.2.3 Mạch đo điện dung cơ bản: ...................................................................... 32 2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến điện dung .................. 35 2.3. Phần mềm COMSOL Multiphysics ............................................................... 35 2.3.1. Giới thiệu chung về COMSOL Multiphysics ......................................... 36 2.3.2 Các thành phần chính trong COMSOL Multiphysics .............................. 38 2.3.3 Hệ thống Module trong COMSOL Multiphysics..................................... 39 2.4. Kết luận Chương II ........................................................................................ 42 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN ........... 43 3.1. Giới thiệu chương .......................................................................................... 43
ii 3.1.1Tổng quan chung ....................................................................................... 43 3.1.2 Nguyên lý tổng quát ................................................................................. 44 3.2. Thiết kế cấu trúc cảm biến ............................................................................. 48 3.2.1 Cấu trúc điện cực xoắn ốc và lý thuyết trường rìa ................................... 49 3.2.2 Thông số kích thước chi tiết của cảm biến ............................................... 50 3.2.3 Cấu hình hệ thống tụ điện vi sai ............................................................... 52 3.3 Mô phỏng hoạt động và tối ưu thiết kế cảm biến ............................................ 54 3.3.1 Thiết lập mô hình tế bào trong mô phỏng COMSOL .............................. 54 3.3.2 Phân tích và tối ưu khi lựa chọn cấu trúc cảm biến ................................. 55 3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống ............................................................ 64 3.4.1. Phân bố điện trường trong cấu trúc cảm biến ......................................... 65 3.4.2. Sự thay đổi điện dung khi có sự hiện diện của tế bào ............................. 65 3.4.3. Đánh giá độ nhạy của hệ cảm biến ......................................................... 66 3.5. Hướng phát triển hệ thống thực tiễn .............................................................. 67 3.6 Kết luận chương .............................................................................................. 68 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 73
iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các dạng tế bào máu 4 Hình 1.2 Cơ chế sinh tế bào máu 5 Hình 1.3 Các tế bào bạch cầu 6 Hình 1.4 Bạch cầu ái toan, bạch cầu ái kiềm và Bạch cầu trung tính 7 Hình 1.5 Cấu tạo tế bào bạch cầu 7 Hình 1.6 Giảm bạch cầu Leukopenia 8 Hình 1.7 Tăng bạch cầu Leukocytosis 9 Hình 1.8 So sánh Leukemia và máu thường 10 Hình 2.1 Mô hình điện tương đương hai lớp của tế bào bạch cầu 20 Hình 2.2 So đồ mô hình diện môi hai lớp của tế bào 22 Hình 2.3 Thompson and Lampard Cross-capacitors 30 Hình 2.4 Cấu trúc điện cực hai mặt phẳng song song 30 Hình 2.5 Sơ đồ mạch xác định điện dung dựa trên bộ khuếch đại chuyển đổi dòng – điện áp có sử dụng tụ điện phản hồi. 33 Hình 2.6 Sơ đồ mạch đo lường điện áp ra của một tụ điện vi sai [16] 34 Hình 2.7 Phần mềm COMSOL Multiphysics 5.6 36 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát 45 Hình 3.2 Hình ảnh mô phỏng của cảm biến. 49 Hình 3.3 Thông số kích thước chi tiết của cảm biến 51 Hình 3.4 Hình dạng cảm biến được đề xuất để thiết kế và khảo sát 52 Hình 3.5 Hình mô phỏng 3D cấu trúc 1 57 Hình 3.6 Mặt cắt cấu trúc 1 theo trục z 57 Hình 3.7 Mặt cắt cấu trúc 1 theo trục x 58 Hình 3.8 Hình mô phỏng 3D cấu trúc 2 59 Hình 3.9 Mặt cắt cấu trúc 2 theo trục z 60 Hình 3.10 Mặt cắt cấu trúc 2 theo trục x 60 Hình 3.11 Biểu đồ đặc tính cuẩ cấu trúc 1 61 Hình 3.12 Biểu đồ đặc tính cuẩ cấu trúc 2 62 Hình 3.13 Biểu đồ so sánh dữ liệu diện dung hai cấu trúc 62
1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, xu hướng chuyển dịch từ các hệ thống xét nghiệm trung tâm sang các thiết bị xét nghiệm tại điểm chăm sóc (Point-ofCare Testing – POCT) đang trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu của y tế hiện đại. Đặc biệt trong lĩnh vực huyết học, việc phát hiện, định lượng và phân tích tế bào bạch cầu đóng vai trò cốt lõi. Sự thay đổi về số lượng và đặc tính của bạch cầu là chỉ báo trực tiếp cho trạng thái miễn dịch và nhiều bệnh lý nghiêm trọng như nhiễm khuẩn, viêm hệ thống hay các bệnh lý ác tính (leukemia). Do đó, nhu cầu về một thiết bị chẩn đoán bạch cầu nhanh, chính xác và có tính cơ động cao ngày càng trở nên cấp thiết. Hiện nay, các hệ thống phân tích huyết học tự động chủ yếu dựa trên nguyên lý quang học, tán xạ laser, huỳnh quang hoặc trở kháng điện (Coulter). Dù có độ chính xác cao, các thiết bị này thường có chi phí đầu tư và vận hành lớn, cấu trúc quang – cơ phức tạp, và phụ thuộc nhiều vào hệ thống hóa chất, thuốc nhuộm chuyên dụng. Điều này làm giới hạn khả năng triển khai thiết bị tại các cơ sở y tế tuyến dưới hoặc trong các tình huống khẩn cấp. Để khắc phục những hạn chế của thiết bị truyền thống, công nghệ cảm biến sinh học dựa trên linh kiện vi cơ điện tử (MEMS) và Lab-on-Chip đang nổi lên như một giải pháp thay thế đầy tiềm năng. Trong đó, cảm biến điện dung vi lưu (Microfluidic Capacitive Sensor) mang lại lợi thế vượt trội nhờ cấu trúc đơn giản, không cần hệ thống quang học cồng kềnh, chi phí chế tạo thấp và dễ dàng tích hợp. Nguyên lý của phương pháp này dựa trên cấu trúc điện môi phức tạp của tế bào (gồm màng, bào tương và nhân). Khi tế bào đi qua điện trường của cảm biến, sự khác biệt về độ dẫn điện và hằng số điện môi giữa tế bào và dung dịch đệm sẽ làm biến thiên giá trị điện dung giữa các điện cực. Bằng cách đo lường sự thay đổi này, hệ thống có thể xác định sự hiện diện và đặc tính của tế bào.
2 Mặc dù mang nhiều ưu điểm, thách thức lớn nhất của cảm biến điện dung y sinh là tín hiệu đo được thường cực kỳ nhỏ, khiến hệ thống dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường và điện dung ký sinh. Để giải quyết bài toán này, việc tối ưu hóa thiết kế điện cực và áp dụng các phương pháp khuếch đại tín hiệu điện môi là yếu tố mang tính quyết định. Hướng tới mục tiêu đó, nghiên cứu này đề xuất giải pháp kết hợp giữa tối ưu hình học điện cực và kỹ thuật đánh dấu điện môi. Cụ thể, cảm biến sử dụng cấu trúc điện cực đồng phẳng dạng xoắn ốc nhằm tối đa hóa hiệu ứng trường điện rìa (fringing electric field), giúp tăng mật độ phân bố điện trường và mở rộng vùng tương tác điện môi trên cùng một diện tích bề mặt. Đồng thời, để giải quyết triệt để bài toán nhiễu tín hiệu, nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng (Gold Nanoparticles – AuNPs) gắn đặc hiệu lên kháng nguyên bề mặt tế bào lympho (CD45+). Các hạt AuNPs đóng vai trò như các vi hạt khuếch đại, làm tăng cường mạnh mẽ sự biến thiên điện môi khi tế bào đi qua vùng cảm biến, từ đó tạo ra tín hiệu điện dung rõ rệt và độ nhạy cao hơn nhiều lần so với tế bào không đánh dấu. Xuất phát từ những cơ sở khoa học và nhu cầu thực tiễn nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế cảm biến điện dung phát hiện tế bào bạch cầu ứng dụng trong chẩn đoán bệnh” được lựa chọn thực hiện. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu cơ chế tương tác điện trường – tế bào, thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc cảm biến điện dung để phát hiện tế bào bạch cầu dòng lympho (mô hình tế bào CD45+gắn nhãn AuNPs). Toàn bộ quá trình thiết kế và khảo sát được thực hiện thông qua mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) trên phần mềm COMSOL Multiphysics. Các tham số được tập trung phân tích bao gồm: sự phân bố điện trường, sự thay đổi điện dung theo số lượng tế bào, cũng như ảnh hưởng của thông số hình học điện cực đến hiệu suất tổng thể của cảm biến.
3 Kết quả của nghiên cứu không chỉ góp phần làm rõ cơ sở lý thuyết về tương tác điện môi của tế bào sinh học biến tính, mà còn tạo tiền đề quan trọng cho việc chế tạo các hệ thống phân tích máu POCT thế hệ mới: nhỏ gọn, chi phí thấp, giảm phụ thuộc vào hóa chất quang học, và có khả năng ứng dụng linh hoạt trong thực tế lâm sàng.
4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỆNH LIÊN QUAN ĐẾN TẾ BÀO BẠCH CẦU VÀ CẢM BIẾN KIỂU ĐIỆN DUNG 1.1. Tìm hiểu về bệnh liên quan đến tế bào bạch cầu Tế bào bạch cầu (White Blood Cells – WBC), hay còn gọi là leukocytes, là một trong những thành phần quan trọng nhất của máu ngoại vi và giữ vai trò trung tâm trong hệ thống miễn dịch của cơ thể người. Khác với hồng cầu – chủ yếu đảm nhiệm chức năng vận chuyển khí – tế bào bạch cầu tham gia trực tiếp vào quá trình nhận diện, đáp ứng và loại bỏ các tác nhân gây bệnh, đồng thời đóng vai trò điều hòa các phản ứng viêm và miễn dịch thích ứng. Do đó, mọi biến đổi bất thường liên quan đến số lượng, cấu trúc hoặc chức năng của tế bào bạch cầu đều có thể phản ánh sớm và rõ rệt các tình trạng bệnh lý, từ nhiễm trùng cấp tính đến các bệnh lý ác tính của hệ tạo máu[1]. Hình 1.1: Các dạng tế bào máu Trong xét nghiệm máu lâm sàng, chỉ số bạch cầu là một trong những thông số được sử dụng phổ biến nhất để đánh giá tình trạng sức khỏe tổng quát của bệnh nhân. Việc nghiên cứu sâu về tế bào bạch cầu, các rối loạn liên
Showing the first 9 pages. Download the document to see it all.
No comments yet. Be the first!
Comments (0)
No comments yet. Be the first!