เซนเซอร์เพียโซ(Piezoelectric sensor)ในทางการแพทย์

หลักการทำงานและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

         Piezoelectric (เพียโซอิเล็กทริค) คือ อุปกรณ์ตรวจวัดแรงกลต่างๆ เช่น แรงดัน ความเร่ง การสั่น แรงเครียด หรือแรงกระทำอื่นๆ โดยเปลี่ยนพลังงานกลต่างๆเหล่านี้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ในทางกลับกันเมื่อให้พลังงานไฟฟ้าแก่วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นเพียโซอิเล็กทริค วัสดุนั้นก็จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลได้เช่นกัน

         วัสดุเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric material) เป็นเซรามิกประเภทหนึ่งที่มีสมบัติพิเศษ กล่าวคือ เมื่อได้รับแรงกล (mechanical force) จะให้แรงดันไฟฟ้า (voltage) ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric effect) ในทางกลับกันเมื่อวัสดุได้รับแรงดันไฟฟ้าจะทำให้มีการเปลี่ยนรูปร่าง (deformation) เกิดแรงกลซึ่งเรียกว่า ปรากฏการณ์อินเวอร์สเพียโซอิเล็กทริก (inverse piezoelectric effect) การเปลี่ยนไปมา ระหว่างพลังงานกล และพลังงานไฟฟ้า สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกต่างๆ

        สมบัติเพียโซอิเล็กทริก จะเกิดขึ้นในวัสดุที่มีสภาพเป็นขั้วทางไฟฟ้าเท่านั้น วัสดุเพียโซอิเล็กทริก มีทั้งที่พบในธรรมชาติและจากการสังเคราะห์ เช่น คริสตอล(gallium phosphate, quartz, tourmaline) เซรามิค โพลิเมอร์ เป็นต้น

 ตัวอย่างภาพ เพียโซอิเล็กทริคเปลี่ยนแรงกดเป็นพลังงานไฟฟ้า

รูปร่างลักษณะของเซนเซอร์เพียโซ

ข้อดีของเซนเซอร์เพียโซ

        เซนเซอร์เพียโซสามารถนำไปใช้วัดการบิดตัว วัดการสัมผัส วัดแรงสั่นสะเทือน วันแรงดัน และวัดแรงกระแทก เนื่องจาก มีความสามารถพิเศษคือสามารถเปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ และในทางกลับกันก็สามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลได้ด้วยเช่นกัน

        เพราะฉะนั้น เซนเซอร์ตัวนี้เลยถูกนำไปใช้ในวงการต่างๆมากมาย เช่นในด้านวงการแพทย์ได้นำไปใช้ผลิตเป็นเครื่องวัดความดันลูกตา (IOP) ด้วย Sensor Piezoelectric ใช้ในการตรวจวัดความดันลูกตา (IOP) ความดันลูกตาที่เปลี่ยนแปลงตามความดันเลือด (OPA) และอัตราการเต้นของหัวใจ (H) โดยบอกคุณภาพการวัดเป็น Q1-Q5 ทำการวัดแบบไม่ต้องย้อมสี และสามารถวัดความดันลูกตาได้ทุกสภาพดวงตา โดยการสัมผัสในส่วนพื้นผิวของกระจกตาส่วนใดก็ได้

ข้อเสียของเซนเซอร์เพียโซ

        เซนเซอร์เพียโซ ที่ผลิตขึ้นมา ใช้ตะกั่วเป็นตัวประกอบ ซึ่งตะกั่วนั้นเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม

ตัวอย่างการนำเซนเซอร์เพียโซมาเชื่อมต่อกับวงจร ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาหาวิธีผลิตเพียโซอิเล็กทริกไร้สารตะกั่วขึ้น แม้จะทำสำเร็จได้บ้างแล้ว แต่คุณภาพยังไม่สามารถเทียบเท่าเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้ตะกั่วได้

ราคา

        ราคานั้นจะแตกต่างกันไปตามคุณภาพที่ต้องการ 

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานในด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์

        การนำเซนเซอร์เพียโซ ไปใช้ในงานทางด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ เช่น ตัววัดคลื่นเสียงของหัวใจ(ไมโครโฟน), ตัวรับสัญญาณของเครื่องอัลตราซาวด์, Quartz crystal microbalance(QCM) ที่มีการประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดสารชีวโมเลกุลจำนวนมาก, ตัวตรวจวัดแรง, เครื่องวัดความดันลูกตา (IOP), ทำกางเกงไฮเทค แจ้งเตือนการหกล้ม,  (Knock Screen)  ตามห้างสรรพสินค้า , โชว์รูมต่างๆ , ร้านค้า, ร้านอาหาร และอื่นๆ แล้วแต่จะนำไปประยุกต์ เป็นต้น

ตัวรับสัญญาณของเครื่องอัลตราซาวด์

 หลักการของอุลตราซาวด์ก็คือ เมื่อให้ประจุไฟฟ้าเป็นระยะ ติดๆกัน ไปยังผลึกที่มีคุณสมบัติPiezoelectric effect ซื่งบรรจุอยู่ในหัวตรวจ (Transducer or Probe) จะทำให้ได้อุลตราซาวด์ออกมาเป็นช่วงๆ (ultrasonic pulses) เข้าสู่ส่วนที่เรานำสัมผัส เมื่อพบรอยต่อของตัวกลาง (Interface) 2 ชนิด ทำให้เกิดการสะท้อน และการหักเห ตลอดแนวทางที่เสียงเดินผ่าน ในตัวกลางต่างชนิดกัน การเกิดการสะท้อนกลับมาสู่หัวตรวจ จะเกิดในเปอร์เซ็นต์และองศาที่แตกต่างกัน ฉะนั้นภาพที่ได้จึงปรากฏบนจอภาพให้เห็น ความแตกต่างของเนื้อเยื่อ ซึ่งเป็นตัวกลางที่เสียงเดินผ่าน จึงทำให้บอกความผิดปกติ เพื่อตรวจวินิจฉัยโรคได้

 ที่รับสัญญาณการเคาะ (Knock Screen)

           ในการเพิ่มประสิทธิภาพกระจกหน้าร้านธรรมดาให้เป็นจอ Interactive ที่รับสัญญาณจากการเคาะ (Knock Screen) ทำให้ความสามารถในการประชาสัมพันธ์สินค้าดีมากขึ้น เมื่อลูกค้าต้องการทราบรายละเอียดของสินค้าตัวใดก็เพียงแต่ใช้โลหะ เช่น ลูกกุญแจ หรือเหรียญ เคาะกระจกตรงบริเวณสินค้าที่ต้องการทราบข้อมูล เครื่องคอมพิวเตอร์ที่ตั้งอยู่หลังกระจกก็จะแสดงรายละเอียดของสินค้าขึ้นมา  ซึ่งสามารถนำไปใช้ในงานด้านต่างๆได้ เช่น ห้างสรรพสินค้า , โชว์รูมต่างๆ , ร้านค้า, ร้านอาหาร และอื่นๆ แล้วแต่จะนำไปประยุกต์

               การทำงานโดยจะคอยตรวจการเคาะกระจกโดยใช้เปียโซอิเล็กทริกเซนเซอร์ (Piezo - Electric Sensor) 4 ตัวติดไว้ตรงขอบของกระจกทั้ง 4 ด้าน เพื่อคอยตรวจวัดแรงสั่นสะเทือนและส่งข้อมูลแรงสั่นสะเทือนที่จับได้นี้ผ่านไปทาง RS232 ไปยังเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อให้คำนวณตำแหน่ง (Coordinate) บนกระจกออกมา และติดต่อกับฐานข้อมูล (Database) ในเครื่องคอมพิวเตอร์ เพื่อจะแสดงรายละเอียดของสินค้าดังนี้คือ ภาพ , ราคา , รหัสสินค้า , ข้อความบรรยายรายละเอียดสินค้าออกทางจอภาพและเสียงบรรยายออกทางลำโพง


              การติดตั้งตัว Piezo - Electric Sensor
นำ Sensor มาติดบนกระจกโดยติดด้านในร้านที่ด้านทั้ง 4 ด้าน โดยเมื่อมองจากด้านนอกร้านแล้ว Sensor ทางด้านซ้ายมือจะเป็นตัวที่ 1 , ตัวทางขวาจะเป็นตัวที่ 2 , ตัวด้านบนจะเป็นตัวที่ 3 , และตัวด้านล่างจะเป็นตัวที่ 4

                      จากนั้นให้ต่อ Sensor ทั้ง 4 ตัว เข้ากับ Board โดยเรียงตามลำดับตัวที่ 1 ถึง 4 โดยตัวที่ 1 จะเสียบด้านบนของ Board จากนั้นก็เรียงต่อลงมาเรื่อยๆ จนครบ สุดท้ายให้นำสาย Serial มาเสียบเข้ากับ Board ตรงบริเวณด้านล่างขวา และหัวอีกด้านก็ไปต่อกับ Comm-port ของ PC ก็เป็นอันเสร็จสิ้นการติดตั้ง 

 เครื่องวัดความดันลูกตา (IOP)

        ใช้ในการตรวจวัดความดันลูกตา (IOP) ความดันลูกตาที่เปลี่ยนแปลงตามความดันเลือด (OPA) และอัตราการเต้นของหัวใจ (H) โดยบอกคุณภาพการวัดเป็น Q1-Q5 ทำการวัดแบบไม่ต้องย้อมสี และสามารถวัดความดันลูกตาได้ทุกสภาพดวงตา โดยการสัมผัสในส่วนพื้นผิวของกระจกตาส่วนใดก็ได้

Blood pressure sensors


        คือแผ่น piezoelectric จะรับสัญญาณของความดันโลหิตแล้วเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้า

                                       

ทำกางเกงไฮเทค แจ้งเตือนการหกล้มได้ เพราะเซ็นเซอร์ (sensor) ที่ติดอยู่กับกางเกงจะตรวจจับท่าเดินที่เปลี่ยนแปลงไปและส่งสัญญาณแจ้งเตือนหากมีความเสี่ยงที่จะลื่นหรือหกล้ม

Simple Knock Alarm With Piezo Sensor

        วงจรนี้ใช้ตัวเซ็นเซอร์ piezoelectric ในการตรวจจับการสั่นสะเทือนถูกสร้างขึ้น โดยเคาะบนพื้นผิว เช่นประตูหรือโต๊ะ โดยจะขยายและส่งสัญญาณจากเซ็นเซอร์และเสียงปลุกของนาฬิกา สำหรับรอบระยะเวลาที่จะกำหนดไว้ล่วงหน้า 

          

Conditioning circuit for piezo sensors

        แรงดันไฟฟ้าที่ได้จากเซนเซอร์เพียโซนั้นต่ำมาก จึงต้องขยายสัญญาณก่อน  โดยใช้ วงจร  lowpass filters เป็นตัวกรองสัญญาณแรงดันไฟฟ้าจากเซ็นเซอร์เพียโซ วงจรกรองสัญญาณนี้จะกรองแรงดันไฟฟ้าลบออก โดยใช้ไดโอด วงจรกรองสัญญาณนี้ตอบสนองได้ดีเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 


                        
เซ็นเซอร์การสั่นสะเทือน (Vibration Sensor)

เซ็นเซอร์การสั่นสะเทือนยังสามารถใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานที่สูญเสียอย่างอื่นจากการสั่นสะเทือนเชิงกล โดยการใช้วัสดุ piezoelectric การแปลงความเครียดเชิงกลเป็นพลังงานไฟฟ้าให้สามารถใช้งานได้

         

สัญลักษณ์แผนผังและรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์ของการเซ็นเซอร์ piezoelectric

กราฟแสดงการตอบสนองต่อความถี่ของการเซ็นเซอร์ piezoelectric 


เซนเซอร์ตรวจจับเสียง (Sound sensor)

Sound Sensor ทำหน้าที่ตรวจจับเสียงเป็นระดับเดซิเบล(Decibel)สามารถตรวจจับเสียงได้ทั้ง dB และ dBA เซ็นเซอร์เสียงเป็นไมโครโฟนที่มีเครื่องขยายเสียงภายใน เซ็นเซอร์ รูปแบบมาตรการในการความดัน (ของอากาศ) เนื่องจากความไวสูงที่เซ็นเซอร์มีความเหมาะสมมากในการตรวจสอบ พัลส์แรงดัน และเซ็นยังสามารถใช้สำหรับการวัดเดซิเบลได้อีกด้วยโดย 

• dBA คือ เสียงที่มนุษย์สามารถได้ยิน
• dB คือ เสียงทั้งหมด รวมถึงเสียงที่สูงหรือต่ำไปเกินกว่าที่มนุษย์จะได้ยินด้วย

Sound Sensor สามารถตรวจจับเสียงได้สูงสุด 90 dB
การอ่านค่าของ Sound Sensor จะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ (%)

ระดับเสียง

• 4 - 5% - ห้องเงียบๆ
• 5 - 10% - มีเสียงคนพูดอยู่ไกลๆ
• 10 - 30% - เสียงเมื่อมีคนคุยกันในระยะ 1 เมตร หรือเปิดเพลงไม่ดังมาก
• 30 - 100% - เสียงเพลงดังมาก หรือมีคนมาตะโกนใส่เซ็นเซอร์

การนำไปใช้งาน

เราสามารถใช้ Sound Sensor ในการตรวจจับเสียง เช่น การตบมือ

วงจรของเซ็นเซอร์เสียง

             เซ็นเซอร์เสียงจะถูกส่งด้วย BT(British telecom) - plug และสามารถเชื่อมต่อกับ อินเตอร์เฟซที่ต่อไปนี้ 

• UIA / UIB ผ่านทางคอนโซลการวัด (ผ่านอะแดปเตอร์ 0520)

 • CoachLab 

• II CoachLab

 • SMI (ผ่านอะแดปเตอร์ 0520) 

• Texas Instruments CBL ™ข้อมูลคนตัดไม้ มีอะแดปเตอร์ (มาตรา 0520) เพื่อเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ปลั๊ก BT - to - 4 - mm คือ ปัจจัยการผลิ

แหล่งอ้างอิงข้อมูล

http://www.biomed.in.th/strain-gauge-piezoelectric-accelerometer-in-medical-engineering/

http://www.mne.eng.psu.ac.th/knowledge/student/ceramic_sensor/piezo.htm

http://www.extremecircuits.net/2010/06/simple-knock-alarm-with-piezo-sensor_13.html

http://devices.sapp.org/circuit/piezo/

http://metrobme.blogspot.com/2010/07/piezoelectric-sensor.html

http://www.material.chula.ac.th/radio44/march/radio3-3.htm


http://www.filtechenterprise.com/index.php?lay=show&ac=article&Id=347184&Ntype=4


http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric_sensor


http://krunisit.rwb.ac.th/snd.html


http://translate.google.co.th/translate?hl=th&langpair=en|th&u=http://cma-science.nl/english/resources/manuals/d015.pdf

http://metrobme.blogspot.com/2010_07_01_archive.html