Hệ thống theo dõi tín hiệu bệnh nhân

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Hệ thống theo dõi tín hiệu bệnh nhân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2

HỆ THỐNG THEO DÕI TÍN HIỆU BỆNH NHÂN 6

Chương I: Khảo Sát Hệ Thống Monitor đa thông số 6

I.1 Giới thiệu hệ thống monitor đa thông số 6

I.2 Chức năng của monitor đa thông số 8

I.2.1 Hiển thị tín hiệu điện tim 8

I.2.2 Hiển thị tín hiệu SPO2 9

I.2.3 Hiển thị tín hiệu huyết áp 10

I.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống monitor đa thông số 11

I.3.1 Phép đo nhịp tim(HR) 11

I.3.2 Phép đo nhịp mạch 15

I.3.3 Phép đo huyết áp 16

I.3.4 Phép đo nhiệt đô 24

I.3.5 Phép đo nhịp thở 25

I.3.6 Phương pháp CO2 27

I.3.7 Ghi tín hiệu điện tim ECG 29

I.3.8 Độ bão hòa oxi trong máu SpO2 43

I.3.9 Đo cung lượng tim CO 45

Chương II: Khảo sát card thu thập và xử lý tín hiệu CSN 608 54

II.1 Giới thiệu về card CSN 608 54

II.2 Các module của card CSN 608 57

II.2.1Module tín hiệu và dạng sóng điện tim 57

II.2.2 Module tín hiệu và dạng sóng SPO2 61

II.2.3 Module tín hiệu và dạng sóng RESP 63

II.2.4 Module tín hiệu huyết áp 68

II.3 Phân tích luồn dữ liệu trong card CSN 608 75

II.3.1 Giao tiếp với card CSN 608 75

II.3.2 Cấu trúc và định dạng khung dữ liệu 76

Chương III: Khảo sát hệ thống PC nhúng 81

III.1 Giới thiệu về hệ thống PC nhúng 81

III.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống PC nhúng 81

III.3 Giới thiệu hệ điều hành Windows XPE rút gọn dùng cho PC nhúng 82

PHẦN II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 86

Chương IV: Thu nhận và xử lý thông tin phần cứng 86

IV.1 Đặc điểm cơ bản 86

IV.2 Thu nhận thông tin từ hệ thống CSN608 86

Chương V: Xây dựng cấu trúc phần mềm 90

V.1 Phần mềm thu nhận, hiển thị và lưu trữ thông tin bệnh nhân 90

V.2 Cấu trúc phần mềm và các module 91

V.2.1 Cấu trúc phần mềm 91

V.2.2 Module xử lý tín hiệu và dạng sóng điện tim 92

V.2.3 Module xử lý tín hiệu và dạng sóng SPO2 93

V.2.4 Module xử lý tín hiệu và dạng sóng RESP 94

V.2.5 Module xử lý tín hiệu nhiệt độ 95

V.2.6 Module xử lý tín hiệu huyết áp 96

Chương VI: Phần mềm lập trình thu nhận, hiển thị và lưu trữ 97

VI.1 Giao diện và chức năng phần mềm 97

VI.1.1 Các giao diện phần mềm 97

VI.1.2 Các chức năng chính của phần mềm 98

KẾT LUẬN 102

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BMS : Bedside Monitor System SPO2: ECG: Electrocardiogram TEMP: Temperature

HR: Heart Rate

XPE : XP embed PC: Personal Computer ECG: Electrocardiogram – điện tâm đồ

RESP: Respiration – hô hấp

SpO2: Saturation of Peripheral Oxygen - Nồng độ Oxi trong máu BP: Blood Pressure – huyết áp TEMP: Temperature – nhiệt độ NIBP: Non-Invasive Blood Pressure – huyết áp gián tiếp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Sơ đồ mạch khối ECG/RESP 8

Bảng 1 2 Sơ đồ nguyên lý của khối SpO2 9

Bảng 1 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối IBP 10

Bảng 1 4 Sơ đồ khối một máy Cardiotachometer dựa trên bộ lọc so sánh 15

Bảng 1 5 Sự sắp xếp của các tầng 40

Bảng 1 6 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu của Pulse Oximetor 44

Bảng 1 7 Áp suất khí áp của nước 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 1 Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân 6

Hình 1 2 Sơ đồ khối máy theo dõi bệnh nhân tại giường 7

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối NIBP 10

Hình 1 4 Mạch bơm Diot 12

Hình 1 5 Sơ đồ khối một máy theo dõi nhịp tim trung bình 13

Hình 1 6 Nguyên lý chuyển đổi tần số sang điện áp đẻ theo dõi nhịp tim tức thì 14

Hình 1 7 Ảnh cấy cảm biến trực tiếp vào động mạch 17

Hình 1 8: Sơ đồ mạch điện dùng đo huyết áp tâm thu và tâm trương 17

Hình 1 9 Dạng sóng tín hiệu thu được đo theo phương pháp Korotkoff và dao động kế 19

Hình 1 10 Phương pháp đo huyết áp gián tiếp theo Rheographic 21

Hình 1 11 Các khối chính trong thiết bị đo huyết áp siêu âm 23

Hình 1 12 Sơ đồ khối chi tiết đo nhiệt độ hiển thị số trực tiếp 25

Hình 1 13 Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi 26

Hình 1 19 Điện tim 12 kênh ghi 31

Hình 1 20 Điện tim 6 kênh ghi 32

Hình 1 21Điện tim 3 kênh ghi 32

Hình 1 22 Điện tim 3 kênh ghi + 1 nhịp tim chuẩn 32

Hình 1 23 Sơ đồ khối của việc thu nhận và xử lý tín hiệu ECG 33

Hình 1 24 Tín hiệu điện tim đặc trưng 37

Hình 1 25 Nhiễu do hoạt động mạnh ( kiểm tra dây đất, điều kiện điện cực) 38

Hình 1 26 Mạch khuếch đại vi sai gồm 3 bộ khuếch đại thuật toán 38

Hình 1 27 Mạch điều khiển chân phải để tối thiểu hóa nhiễu mode chung 39

Hình 1 28 Ví dụ về sự giảm nhiễu trong thiết kế một hê thống đa tầng 40

Hình 1 29 Sơ đồ mạch bên trong của INA 118 41

Hình 1 30 Ví dụ đơn giản về mạch lọc thông cao Sallen-Key 2 cực 42

Hình 1 31 Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại điện tim 42

Hình 1 32 Mô phỏng kết quả kiểm tra 43

Hình 1 33 Hình sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của máu tĩnh mạch, mô, xương và da 45

Hình 1 34 Sự đo Oxi trong ống với một dung kế (phải) 46

Hình 1 35 Phương pháp pha loãng nhiệt (a), và đường cong đặc trưng (b) 51

Hình 1 36Đường cong pha loãng bị che khuất bởi sự quay vòng (a), 53

Hình 2 1 Cấu trúc phần cứng ECG 57

Hình 2 2 Cấu trúc phần cứng SPO2 61

Hình 2 3 Cấu trúc phần cứng 63

Hình 2 4 Cấu trúc phần cứng 68

Hình 4 1 Sơ đồ khối của modul ghép nối dữ liệu 87

Hình 4 2 Chương trình tạo kết nối ảo cổng COM 88

Hình 4 3 Chương trình thu và hiển thi dữ liệu lấy từ cổng COM 88

Hình 6 1 Chức năng chương trình 98

Hình 6 2 Chức năng cài đặt 99

Hình 6 3 Điều chỉnh các thông số ECG 99

Hình 6 4 Điều chỉnh các thông số RESP 100

Hình 6 5 Lựa chọn các tham số cảnh báo 100

Hình 6 6 Lưu trữ dữ liệu và thông số bệnh nhân 100

Hình 6 7 Hiển thị các thông số huyết áp 101

Hình 6 8 Hiển thị nhịp tim 101

Hình 6 9 Hiển thị thông số SPO2 101

Hình 6 10 Hiển thị các thông số nhịp hô hấp 101

MỞ ĐẦU

Ngày nay, tại Việt nam, việc thăm khám, theo dõi và điều trị bệnh đã và đang trở nên là nhu cầu thiết yếu của người dân, đặc biệt là ở các thành phố lớn Hơn nữa, hầu hết trong các gia đình này đều sử dụng máy tính cá nhân là phương tiện làm việc, học tập, nghiên cứu Xuất phát từ những điều này, em đã thực hiện nghiên cứu thiết kế và bước đầu chế tạo ra thiết bị theo dõi sức khỏe Đó là sự kết hợp giữa phần cứng thu nhận, xử lý các thông số sinh học và phần mềm điều khiển và hiển thị trên máy tính cá nhân Các thông số sinh học chứa những thông tin về bệnh lý bao gồm: Điện tim ECG, nhịp tim HR, nhịp thở RESP, nhịp mạch PR, nồng độ ôxy bão hòa SpO2, huyết áp không thiệp NIBP, nhiệt độ cơ thể TEMP Thiết bị đã được thiết kế khá ổn định, hoạt động tin cậy, độ chính xác và đảm bảo an toàn, phần mềm điều khiển đơn giản, hiển thị kết quả đo rõ rang bằng giao diện tiếng việt

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG THEO DÕI TÍN HIỆU BỆNH NHÂN

Chương I: Khảo Sát Hệ Thống Monitor đa thông số

I.1 Giới thiệu hệ thống monitor đa thông số

Các thiết bị theo dõi tại giường có các cấu hình khác nhau phụ thuộc vào các nhà sản xuất Chúng được thiết kế để theo dõi các thông số khác nhau nhưng đặc tính chung giữa tất cả các máy đó là khả năng theo dõi liên tục và cung cáp sự hiển thị rõ nét đường sóng ECG và nhịp tim Một số thiết bị còn bao gồm khả năng theo dõi áp suất, nhiệt độ, nhịp thở, nồng độ oxi bão hòa SpO2, …

Hình 1 1 Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân

Sự xuất hiện của các máy vi tính đã đánh dấu sự mở đầu của một hướng phát triển cơ bản mới trong các hệ thống theo dõi bệnh nhân Những hệ thống như vậy có một khối CPU chính có khả năng tổng hợp, ghi nhận bản chất của nguồn tín hiệu và xử lý chúng một cách thích hợp Phần cứng chịu trách nhiệm cho việc phân tích tín hiệu sinh lý, hiển thị thông tin và tương tác với người sử dụng trên thực tế là một tập hợp các khối phần sụn được thực hiện dưới chương trình vi tính Phần sụn đem lại cho hệ thống tính chất của nó các công tắc, nút, núm xoay,và đồng hồ đo được thay thế bằng màn hình sờ ( cảm ứng) Hình 3.1 minh họa sơ đồ khối của chung của một Bedside monitor

Trong đó:

ECG: Electrocardiogram – điện tâm đồ

RESP: Respiration – hô hấp SpO2: Nồng độ Oxi trong máu BP: Blood Pressure – huyết áp TEMP: Temperature – nhiệt độ NIBP: Non-Invasive Blood Pressure – huyết áp gián tiếp

Khối dầu vào gồm có ba khối chính là khối ECG/RESP, khối SpO2/BP/TEMP, khối NIBP

Hình 1 2 Sơ đồ khối máy theo dõi bệnh nhân tại giường

I.2 Chức năng của monitor đa thông số

I.2.1 Hiển thị tín hiệu điện tim

Thực hiện đo một kênh tín hiệu ECG và đường sóng hô hấp( RESP) hình(3.2) Các mạch trở kháng cao và các bộ hãm khí bảo vệ các bộ khuếch đại đầu vào khỏi sốc tim và các tín hiệu nhiễu tần sô cao từ các điện cực gắn trên người bệnh nhân Các mạch đầu vào của khối này được cách ly với các mạch còn lại bằng các bộ nối quang và máy biến thế Khối này nhận một kênh tín hiệu ECG từ các đạo trình 3 điện cực hoặc 5 điện cực Phụ thuộc vào cài đặt phần mềm mà bộ chọn đạo trình ở khối này chọn đạo trình phù hợp từ 3 đến 5 điện cực đặt trên người bệnh nhân Mạch xử lý đường sóng hô hấp có khả năng đo trở kháng của các tín hiệu đầu vào Sự thay đổi trở kháng của các tín hiệu đầu vào gây ra sự thay đổi điện áp của tín hiệu đầu ra và dựa vào sự thay đổi điện áp này máy tính ra số nhịp thở của bệnh nhân

Bảng 1 1 Sơ đồ mạch khối ECG/RESP

I.2.2 Hiển thị tín hiệu SPO2

Khối này được dùng để đo một kênh đường sóng huyết áp, một kênh đường sóng nhiệt độ và giá trị của SpO2 Các mạch đầu vào trên bảng này được cách ly khỏi các mạch còn lại bằng các bộ nối quang và máy biến thế Thường ở trên khối này có một công tắc ngầm dùng để cài đặt các thông số cần đo trong khối Trong mạch xử lý nhiệt độ, tín hiệu đầu vào từ các thermistor được lọc qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu tần sô cao Bộ ghép kênh sau đó sử dụng đồng thời điện áp tham chiếu 270C, điện áp định cỡ cho 370C và tín hiệu nhiệt độ cơ thể từ các thermistor Trong mạch xử lý huyết áp(hình 3.4) bộ kích thích điều khiển hoạt động của đầu đo huyết áp Những tín hiệu đầu vào từ transducer được khuếch đại và sau đó được lọc qua bộ lọc thông thấp Mạch xử lý SpO2 (hình 3.3) bao gồm 3 mạch nhỏ: mạch điều khiển LED, mạch phát điện ID đầu đo, và mạch xử lý tín hiệu đầu vào Mạch điều khiển LED điều khiển hoạt động của LED ở trong đầu đo Mạch phát hiện ID đầu đo tìm dạng và sự hiện diện của đầu đo Trong mạch xử lý tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu vào từ photodiode được khuếch đại và được lọc qua bộ lọc thông thấp Trong quá trình này, một phần tín hiệu khi không dò được ánh sáng đượcgiữ lại như đường gốc của tín hiệu

Bảng 1 2 Sơ đồ nguyên lý của khối SpO2

Bảng 1 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối IBP

I.2.3 Hiển thị tín hiệu huyết áp

Sau khi tín hiệu nhận từ đầu đo huyết áp, khối này khuếch đại các tín hiệu đầu vào rồi sau đó cho qua các bộ lọc và đau vào bộ ghép kênh Các tín hiệu từ bộ ghép kênh sau đó được đưa vào bảng mạch mẹ để xử lý tiếp Trong khối này có một bộ điều khiển van an toàn để kiểm tra trạng thái của van an toàn Van an toàn được thiết kế sao cho nó tự động làm giảm bớt áp suất của Cuff khi áp suất này vượt quá 300mmHg Van này giúp bảo vệ bệnh nhân trong trường hợp mạch an toàn không dừng tăng áp suất của cuff khi áp suất đã đạt đến 300mmHg

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối NIBP

I.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống monitor đa thông số

I.3.1 Phép đo nhịp tim(HR)

Nhịp tim được xác định là số lần tim đập trong một phút Việc theo dõi nhịp tim là để xác định xem là tim đập nhanh hay chậm nhịp tim lấy được từ sự khuếch đại xung ECG và đo bằng cách lấy trung bình hay khoảng thời gian tức thì giữa 2 đỉnh R liền nhau Dải đo từ 0-300 nhịp/phút Các điện cực ECG ngực hay chi được sử dụng là các cảm biến Đo nhịp tim gồm có phép đo trung bình, phép đo tức thì

Phép đo trung bình:

Dựa trên cơ sở chuyển đổi mỗi đỉnh sóng R của ECG thành một xung có biên độ và thời gian cố định và sau đó xác định dòng trung bình từ những xung đó Chúng kết hợp mạch được thiết kế một cách đặc biệt để chuyển đổi tần số sang điện áp để hiển thị nhịp tim trung bình theo đơn vị nhịp/ phút Mạch trung bình thông thường được sử dụng để chuyển đổi tần số sang điện áp để hiển thị hịp tim trung bình là mạch “bơm điot” minh họa trong hình 3.7

Nếu một tụ C được nạp đầy bằng một xung có biên độ điện áp V, thì điện

tích được giữ trong nó với một xung là: q = CV

Nếu có N xung trong một khoảng thời gian t, sao cho mỗi xung nạp một

lượng điện tích q lên tụ, sau đó tổng điện tích là: Q = Nq = NCV

Do đó dòng trung bình trong chu kì t là

Phương trình cho thấy dòng trung bình tỷ lệ thuận với số xung trong một đơn vị thời gian Vì vậy, một đồng hồ đo dòng có thể được định cỡ để đưa ra kết quả đọc trực tiếp nhịp tim trung bình theo nhịp/phút

Hình 1 4 Mạch bơm Diot

Khi một xung dương có biên độ V được đưa vào đầu vào của mạch, tụ C1 sẽ được nạp đến C1V thông qua diot D1, diot này sẽ dẫn và tạo ra một điện trở không đáng kể Do đó, sự nạp tụ sẽ do hằng số thời gian R1C1 khống chế, và hằng số này nhỏ hơn rất nhiều chiều rộng của xung đầu vào

Khi xung đầu vào chuyển thành 0, cathode của D2 là âm V vôn so với anode, do đó điot D2 phân cực thuận và bắt đầu dẫn điện Tụ C1 sau đó phóng điện qua diot D2, đồng hồ đo và các điện trở R1, R2 Tụ C2 được sử dụng để trung bình hóa dòng qua đồng hồ đo và do đó nó phải lớn hơn nhiều so với tụ C1 Mạch được sắp xếp sao cho tụ C1 phóng điện hoàn toàn trước khi xung tiếp theo xuất hiện tại đầu vào Một xung khác có độ lớn V lại một lần nữa nạp một điện tích q, sau đó lại được bơm qua đồng hồ đo khi xung đầu vào quay lại bằng 0

Nếu dòng trung bình itb chạy qua một điện trở R2 ( điện trở đồng hồ đo chỉ thị), thì điện áp của tụ là: e = C.V.f.R2

Mối liên hệ này là đúng hcỉ khi e có một tỉ lệ nhở so với V Tính tuyến tính 0.1% có thể đạt được bằng cách sử dụng V = 150V và e = 1V Nhưng cách này không thực tế đối với hầu hết các mạch Do đó một số dạng biến đổi được thực hiện để có được một điện áp đầu ra có mối quan hệ tuyến tính với tần số

Sơ đồ khối của một dụng cụ đo nhịp tim trung bình đọc trực tiếp được mô tả trong hình 3.8 Xung ECG nhận được từ các điện cực được khuếch đại tại một bộ tiền khuếch đại tới mức có thể vận hành mạch kích hoạt Schmidt Bộ kích hoạt Schmidt chuyển đổi mỗi sóng R thành một xung hình chữ nhật, sau đó được lầy

vi phân trong một bộ vi phân RC để mạng lại các xung đỉnh nhọn cho việc kích hoạt Monostable Multivibrator Đầu ra của bộ Multivibrator này bao gồm các xung đồng dạng có cùng một biên độ và thời gian đi tới bộ tích phân ( mạch bơm diot), mạch này tạo ra một dòng tỉ lệ thuận với tần số đầu vào

Hình 1 5 Sơ đồ khối một máy theo dõi nhịp tim trung bình

Burbage mô tả một dụng cụ đo nhịp tim trung bình sử dụng bộ lọc thông thập đa phản hồi với một bộ khuếch đại thuật toán như một phần tử hoạt động để đạt được sự tích phân mong muốn và chuyển đổi một dãy các xung thành một điện áp tương ứng

Phép đo tức thì:

Nhịp tim tức thì giúp cho viếc phát hiện ra sự rối loạn nhịp và cho phép theo dõi kịp thời các trường hợp tim mạch khẩn cấp khi chúng mới chớm xuất hiện Hình 3.9 cho thấy nguyên lý của một dạng dụng cụ đo nhịp tim tức thì Nó cung cấp đầu ra ổn định giữa các xung, biểu diễn tần số tức thì giữa hai xung trước Điện áp đầu ra giữa R2 và R3 tỉ lệ với tần số xung của R1 và R2 tức là tỉ lệ với 1/T1

Đầu ra giữa R3 và R4 tỉ lệ với 1/T2, nếu nhịp tim trở nên thấp hơn ( với T4>T3) và xung không xuất hiện tại thời điểm thời gian bằng T3 sau R4, đầu ra bắt đầu giảm và hiệu chỉnh thành giá trị mới Kỹ thuật này có ưu điểm là thiết kế đơn giản nhưng nó không cho ra đầu ra tuyến tính cho một dải tần số rộng

Một kỹ thuật khác được dùng rộng rãi cho việc đo nhịp tim tức thì bao gồm 2 tụ, một được sử dụng như tụ đo thời gian và tụ kia được sử dụng như một tụ bộ nhớ Hoạt động phụ thuộc vào việc nạp tụ đo theo chu kì thời gian giữa hai quãng thời gian cuối, trong khi đó “tụ bộ nhớ” hiển thị giá trị được lưu trữ tương ứngvới quãng thời gian giữa hai quãng thời gian cuối Ở đây đầu ra không tuyến tính Cisek (1972) đưa ra một thiết kế cho một Cardiotachometer xung – xung tuyến tính sử dụng kĩ thuật này Trong mạch của ông mạch đo thời gian được nạp theo hàm hypecbol giã hai xung liên tục tạo ra giá trị điện áp cuối, có quan hệ tuyến tính với tần số xung tức thời

Hình 1 6 Nguyên lý chuyển đổi tần số sang điện áp đẻ theo dõi nhịp tim tức thì

Hình trên là sơ đồ khối của một Cardiotachometer ECG được lấy mẫu trong mỗi bước 2ms Sự chuyển tiếp nhanh của các thành phần biên độ cao được làm suy yếu đi băng một bộ hạn chế tỉ lệ xoay, bộ này làm giảm biên độ nhiễu do máy tạo nhịp tim gây ra và làm giảm khả năng tính những nhiễu này thành các nhịp đập của tim

Hai mẫu 2ms gần nhau được lấy trung bình và kết quả là một chuỗi mẫu 4ms được tạo ra Để loại bỏ những thành phần tần số cao không cần thiết của tín hiệu, người ta dùng một bộ lọc Butterworth xung phản hồi không giới hạn tần số 30Hz Bộ lọc này cho ra các mẫu 8ms trong quá trình hoạt động Bất kì một sóng DC nào cuối cùng cũng phải qua một bộ lọc so sánh QRS, bộ dò nhịp đập nhận

biết các tổ hợp QRS trong các giá trị của đường điện tim đang được ghi Nếu giá trị này vượt quá giá trị ngưỡng thì một nhịp tim được đếm Ngưỡng này được hiệu chỉnh tự động phụ thuộc vào giá trị của biên độ sóng QRS và khoảng thời gian giữa các tổ hợp QRS Tiếp theo mỗi nhịp đập là chu kì ức chế 200ms được đưa vào, trong qua trình dó không có nhịp tim nào được nhận ra Điều này làm giảm khả năng sóng T được tính nhầm Chu kì ức chế cũng được duy trì biến đổi như một phương trình nghích đảo giới hạn nhịp tim trên với các giới hạn nhịp tim cao thấp hơn thi chu kì ức chế dài hơn

Bảng 1 4 Sơ đồ khối một máy Cardiotachometer dựa trên bộ lọc so sánh

I.3.2 Phép đo nhịp mạch

Nhịp mạch được xác định là số lần máu được đẩy vào trong động mạch Theo dõi thông số nhịp mạch là để biết xem tim có đẩy được máu đi lên động mạch hay không Để đo nhịp mạch người ta sử dụng một transducer điện quang thích hợp để đặt lên ngón tay hay dái tai Tín hiệu từ tế bào quang học được khuếch đại và được lọc và khoảng thời gian được đo giữa hai xung liên tục Dải đo từ 0-250bpm

Theo dõi xung ngoại vi có ích hơn và độc lập hơn so với việc tính nhịp tim từ đường điện tim trong trường hợp tắc tim bởi vì nó có thể ngay lập tức chỉ ra sự ngừng lưu thông máu trong các chi Thêm vào đó các Transducer điện quang rất dễ dùng so với ba điện cực điện tim Biên độ của tín hiệu thu được bằng phương

pháp này cũng đủ lớn để so sánh với tín hiệu điện tim và do đó nó cho ra tỉ lệ tín hiệu – nhiễu tốt hơn Tuy nhiên, kĩ thuật này chịu ảnh hưởng khá lớn của các tác nhân nhiễu do chuyển động

I.3.3 Phép đo huyết áp

Huyết áp là một thông số phổ biến và hiệu quả nhất trong y tế để thực hành sinh lý Thực hiện xác định giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của áp suất máu trong mỗi chu kì nhịp tim, bổ xung thêm thông tin về các thông số sinh lý, hỗ trợ cho việc chẩn đoán để đánh giá điều kiện củ mạch máu và một vài khía cạnh về hoạt động của tim Có nhiều phương phương pháp đo huyết áp khác nhau, nhưng phân ra làm 2 loại: đo huyết áp theo phương pháp trực tiếp và đo huyết áp theo phương pháp gián tiếp

Các giá trị áp suất trong hệ thống chức năng được chỉ ra: - Hệ thống động mạch 30 – 300mmHg

- Hệ thống tĩnh mạch 5 – 15mmHg - Hệ thống phổi 6 – 25mmHg

Đo huyết áp theo phương pháp trực tiếp IBP:

Là phương pháp đo chính xác nhất vì cảm biến được cấy trực tiếp vào động mạch của cơ thể (như trong hình 3.11) Phương pháp này chỉ áp dụng khi cần độ chính xác cao đáp ứng cho yêu cầu theo dõi liên tục của hệ thống monitor Phương pháp này cho phép đo huyết áp trong các vùng sâu mà phương pháp đo gián tiếp không đo được Trong phương pháp đo trực tiếp người ta sử dụng các loại ống thông có gắn cảm biến để đưa vào trong động mạch hoặc tĩnh mạch đế vùng quan tâm Có hai loại ống thông được sử dụng, một loại có cảm biến được gắn ở đầu ống và thực hiện chuyển đổi áp lực của máu thành tín hiệu điện Một loại khác là ống chứa đầy chất lỏng, áp lực máu sẽ được truyền đến đầu dò thông qua chất lỏng trong ống Sau đó đầu dò sẽ chuyển đổi sang các tín hiệu điện tương ứng Các tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại và hiển thị hoặc là ghi

lai để xem xét Trong phương pháp đo này trước khi đưa các ống thông vào trong mạch máu phải được tiệt trùng trước

Hình 1 7 Ảnh cấy cảm biến trực tiếp vào động mạch

Hình trên mô tả sơ đồ mạch điện thông dụng cho việc xử lý tín hiệu điện thu được từ các đầu dò Đầu dò được kích thích với điện áp DC 5V, các tín hiệu điện tương ứng với áp suất của động mạch được đưa tới bộ khuếch đại các bộ khuếch đại này tương tự như các bộ khuếch đại trong các máy ghi điện tim Việc kích thích cho các đầu dò được lấy từ bộ khuếch đại điều khiển cầu Wien qua bộ biến đổi cách ly Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại được điều chỉnh theo độ nhạy của đầu dò Sau khi qua bộ lọc RF, tín hiệu được đưa qua bộ giải điều chế để lọc bỏ sóng mang để thu được tín hiệu cần thiết

Hình 1 8: Sơ đồ mạch điện dùng đo huyết áp tâm thu và tâm trương

Trong khi đo ở tâm thu, mạch đo áp suất tâm thu hoạt động Khi các xung mạch xuất hiện ở A, diot D3 và tụ C3 điều khiển tín hiệu vào để đưa ra giá trị của tâm thu Thời gian phóng nạp của R3C3 được lựa chọn theo một bộ phát nhỏ được hiển thị trên đồng hồ M1

Giá trị áp suất tâm trương được hiển thị một cách gián tiếp Một mạch chốt bao gồm tụ C1 và diot D1 được sử dụng để cân bằng giá trị điện áp đỉnh đỉnh của xung mạch Giá trị điện áp này được xác định trên R1, diot D2 và tụ C2 điều khiển giá trị tín hiệu xung mạch Giá trị áp suất tâm trương được hiển thị trên đồng hồ M2 để chỉ ra sự khác nhau giữa đỉnh áp suất tâm thu và áp suất của xung mạch

Việc đo áp suất tĩnh mạch chính CVP (central Venous Pressure) được thực hiện với kĩ thuật ống dẫn đặc biệt Các đầu dò với độ nhạy cao được đưa vào trong tĩnh mạch để đo áp suất máu Tuy nhiên các đầu dò không thể gắn trực tiếp lên đầu của ống và không thể thay đổi vị trí của ống trong khi đo Việc đo áp suất tĩnh mạch chính thường được đo từ một ống dẫn định vị cao cấp, các ống dẫn này thường dài từ 25 – 30cm

Đo huyết áp theo phương pháp gián tiếp NIBP:

Kĩ thuật này dùng để xác định áp suất của máu tại tâm thu và tâm trương bằng cách cuốn quanh cánh tay để lấy áp lực của động mạch Phương pháp này được thực hiện bằng cách cuốn quanh cánh tay một túi chịu áp lực, sau đó dùng bóng hơi để bơm hơi vào túi đến một giá trị nhất đinh Cho giảm dần áp suất trong túi một cách đều đặn, tới khi nào có máu chảy trong động mạch thì đó là giá trị áp suất tâm thu, tiếp tục giảm dần áp suất trong túi đến khi máu chảy bình thường thì giá trị đó là áp suất tâm trương Nhưng vấn đề xác định ngưỡng của hai áp suất trên là rất khó, mà theo cách trên là rất thủ công thực hiện bằng tay, kết quả phụ thuộc nhiều vào khả năng của y tá Nên từ đó đã tìm ra các phương pháp đo hoàn toàn tự động có thể thực hiện trên máy:

• Tự động đo huyết áp sử dụng phương pháp KorotKoff:

Phương pháp này thực hiện giống như khi làm bằng tay nhưng có thêm cảm biến âm được đặt vào túi khí để thu các âm thanh Korokoff Các âm thanh này qua chất áp điện sẽ được chuyển đổi thành các tín hiệu điện tương ứng Sau đó các tín hiệu này được khuếch đại và truyền đi qua các bộ lọc thông dải để loại bỏ nhiễu Từ các tín hiệu thu được người ta xác định được áp suất tâm thu và tâm trương tương ứng Quá trình diễn ra trong khoảng thời gian từ 2-5s

Hình 1 9 Dạng sóng tín hiệu thu được đo theo phương pháp Korotkoff và dao động kế

• Tự động đo huyết áp sử dụng phương pháp dịch pha:

Dựa vào sự xuất hiện mạch tại thời điểm tâm thu và biến mất tại thời điểm tâm trương Xác định tức thì các giá trị áp suất tâm trương và tâm thu Để thực hiện được điều đó, người ta sắp xếp trên túi khí gồm 3 túi con hoặc là 3 ngăng con được bơm cao hơn áp suất suất tâm thu khoảng 30 mmHg Một trong các tui đó được gọi là túi tâm thu, hai túi còn lại được gọi là túi tâm trương Gía trị áp suất tâm thu được xác định bằng cách cảm nhận mạch máu đầu tiên đi qua các túi tâm trương Còn giá trị áp suất tâm trương được xác định bằng cách phát hiện ra khi tín hiệu từ các túi tâm trương không còn bị dịch pha so với nhau nữa

• Tự động đo huyết áp sử dụng phương pháp Rheographic:

Dựa vào sự thay đổi trở kháng tại 2 điểm dưới sức ép của túi khí để xác định áp suất tâm trương thay cho việc dựa vào sự dịch pha mạch máu ở phương pháp trên

Hình trên mô tả cách đặt điện cực để đo huyết áp trong phương pháp này Ba điện cực gắn trên túi khí được đặt áp sát vào da trên cánh tay của bệnh nhân Việc tiếp xúc tốt sẽ làm giảm trở kháng tiếp xúc giữa điện cực và da Điệc cực B hoạt động như là một điện cực chính được đặt ở giữa túi khí, các điện cực A và C được gắn ở hai bên điện cực B Một nguồn xoay chiều tần số cao cơ 100KHz được đưa vào cực A và C, khi thực hiện đo trở kháng giữa điện cực bất kì dưới áp lực của túi khí thì nó sẽ đưa ra giá trị tương ứng của các nhịp đập trong mạch Do đó các xung mạch có thể được nhận biết và đưa đi khuếch đại

Khi túi khí được bơm lên tới khoảng giá trị của áp suất tâm thu thì không có một xung mạch nào được nhân biết bởi điện cực A Xung mạch sẽ xuất hiện khi áp suất của túi khí giảm xuống dưới mức áp suất tâm thu Sự xuất hiện cảu xung thứ nhất sẽ tạo ra một tín hiệu điện để đánh dấu giá trị của áp suất tâm thu trên áp kế Khi áp suấttúi khí giảm và nằm trong khoảng giữa áp suất tâm thu và áp suất tâm trương thì các tín hiệu này sẽ không được điện cực A và C nhận biết, do dòng máu bị ngăn cản bởi túi khí làm cho các xung xuất hiện tại A trễ hơn sơ với xung xuất hiện tại C Khi áp suất túi khí giảm xuống giá trị áp suất tâm trương thì dòng máu không còn bị cản trở và các tín hiệu này sẽ biến mất Một tín hiệu chính xuất hiện và áp suất của tâm trương được hiển thị trên áp kế

Hình 1 10 Phương pháp đo huyết áp gián tiếp theo Rheographic

• Tự động đo huyết áp theo phương pháp dao động kế:

Dựa trên phương pháp dao động kế hoặc là không thâm nhập tự động xác định huyết áp của động mạch Thiết bị này cũng thực hiện theo lối truyền thống là dùng túi khí bơm căng và cho giảm dần áp lực Khi cho áp lực của túi khí giảm đi thì áp suất của động mạch được xác định tai thời điẻm áp lực của túi khí là thấp nhất, tại đó biên độ của dao động kế là lớn nhất Túi khí được tăng áp lực bởi một ống có chốt và áp suất được theo dõi bằng một ống khác có gắn cảm biến áp lực đặt trong đó Hoạt động của thiết bị được điều khiển bởi vi xử lý họ 4040 Việc phát hiện áp lực động mạch được dựa vào hai dao động ký Thiết bị này có thể đạt được hệ số tương quan là 0.98 trong viêc xác định áp suất của động mạch

• Tự động đo huyết áp sử dụng phương pháp hiệu ứng siêu âm Doppler:

Các Monitor tự động đo huyết áp cũng được thiết kế dựa vào siêu âm và sự vận động của thành mạch Các bộ logic điều khiển được tổ hợp trong thiết bị thực hiện phân tích các tín hiệu thu được từ sự vận động của thành mạch để xác định áp suất tâm thu và tâm trương và cho hiển thị giá trị tương ứng

Hiệu ứng dích tần Doppler được xác định như sau:

Trong đó: ∆f: tần số Doppler (Hz) vt: tốc độ truyền âm( m/s) λc: bước sóng (m)

Đối với thiết bị đo huyết áp thì động mạch ở cánh tay được sử dụng vì ở đó sóng siêu âm sẽ phản xạ tốt Sự vận động của mạch sẽ tạo ra dịch chuyển tần số Doppler,

λ

Trong đó: λc: bước sóng của siêu âm trong môi trường (m); vc: vận tốc sóng truyền âm trong môi trường (m/s cỡ 1480m/s); fc: tần số của sóng siêu âm trong môi trường ( 2MHz)

Và tần số Doppler là: 2.7.10()10

Do đo ta thấy tần số Doppler ∆f phụ thuộc vào vận tốc của sóng siêu âm trong môi trường Để xác định tần số Doppler phải xác định theo sự vận động của thành mạch Sự vận động của thành mạch được xác định vào cỡ 5.10-3 m và lặp lại trong khoảng thời gian ∆t = 0.1s Từ tốc độ của thành mạch được xác định là:

mst

Thay vào biểu thức tính tần số Doppler ta được: ∆f = 2.7x10-3vt x 50 x 10-3 =135Hz

Các thiết bị sử dụng nguyên lý dịch tần siêu âm Doppler để đo huyết áp đều dựa vào việc xác định tần số dịch chuyển của các sóng phản hồi lại từ sự vận động của thành mạch Mặt khác các thiết bị đo huyết áp loại này phải lọc bỏ đi các tần số cao và các tần thấp từ các tín hiệu phản hồi lại khi gặp sự vận động của thành mạch

Sơ đồ khối của các thiết bị loại này được mô tả trong hình 3.15 gồm 4 khối chính Tại cùng một thời điểm các tín hiệu điều khiển từ hệ thống con được phát tới khối RF và hệ thống Audio con với tần số sóng mang là 2Mhz Tại đó chúng được đưa tới các đầu dò trong túi khí, các đầu dò thực hiện chuyển đổi năng lượng của sóng RF sang dạng năng lượng của sóng siêu âm và cho đi qua tay của bệnh nhân Áp suất trong túi khí được kiểm tra bởi hệ thống điều khiển con và khí áp suất đạt đến khoảng định trước thì quá trình bơm được dừng lại Tại thời điểm này, các mạch audio trong khối RF và khối audio hệ thống con sẽ được

điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển hệ thống con và các tín hiệu audionày sẽ đưa các tần số Doppler đến khối điều khiển logic Các tín hiệu điều khiển từ hệ thống con được đưa tới khối hệ thống khí để điều khiển bơm khí cho túi khí theo một tốc độ định trước

Hình 1 11 Các khối chính trong thiết bị đo huyết áp siêu âm

Tại áp suất tâm thu, động mạch đang bị nén sẽ mở ra và màu bắt đầu chảy Sự vân động của động mạch đã làm xuất hiện tần số Doppler khi sóng siêu âm phản hồi lại Tín hiệu được chuyển đổi sang dạng tần số audio và được nhận biết là điểm áp suất tâm thu bởi hệ thống điều khiển logic Sau khi có 4 tín hiệu được nhận biết đầy đủ từ các thanh ghi thì lúc đó mới khẳng định là điểm áp suất tâm thu Một cách kiểm tra khác là dựa vào các tín hiệu audio để xác định bề rộng và tần số của các xung phản hồi từ các động mạch Các xung có bề rộng lớn hơn 125ms va tần số lớn hơn 250ms sẽ bị loại bỏ ra bởi hệ thống điều khiển logic Việc thiết lập giới hạn trên (240bit/s) theo nhịp timcủa bệnh nhân sẽ được thiết bị tự động thực hiện Tương tự như vậy cho giới hạn dưới là 24bit/s Tại áp suất tâm trương, áp suất của túi khí sẽ cân bằng hoặc xấp xỉ ở ngưỡng áp suất của động mạch Khi đó hệ thống audio con sẽ không nhận được các tần số Doppler nữa và việc đọc áp suất tâm trương được tiến hành Khi đó áp suất của túi khí sẽ

cân bằng với áp suất của khí quyển và được giữ nguyên cho đến khi thực hiện một phép đo mới

I.3.4 Phép đo nhiệt đô

Các cảm biến được sử dụng thông dụng trọng các thiết bị đo nhiệt độ đó là các điện trở nhiệt Sự thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ được xác định bằng mạch cầu và được hiển thị bằng một nhiệt kế Dải đo nhiệt độ cho cơ thể người thường từ 30 – 420C

Trong trường hợp hiển thị số thì các mạch điện thường xử lý trong monitor được biểu diễn trên hình 3.16 Ban đầu chuyển mạch S1, S2 được đặt như trong hình 3.16, trong trường hợp nàym điện áp trên Rref ( ở 00C) được đưa vào đầu không đảo của bộ khuếch đại A1 Tín hiệu từ A1 được đưa tới cả hai đầu đảo va không đảo của bộ khuếch đại A2 Tuy nhiên trong thời gian này tụ C ở đầu đảo của bộ khuếch đại A2 sẽ được nạp tới giá trị Vref 0C Tại thời điểm mà vị trí các chuyển mạch được đảo lại và đầu vào cảu bộ khuếch đại A1 được lấy từ điện trở nhiệt Đồng thời đầu vào đảo từ A1 đến A2 được nối mạch Khi đó một điện thế dương lớn hơnVref0C xuất hiện tai đầu vào không đảo của bộ khuếch đại A2 Sự khác nhau giữa đầu vào đảo và đầu vào không đảo của bộ khuếch đại A2 làm cho đầu ra của nó bị âm Trong thời gian này, tụ C phóng điện qua R2 cho đến khi điện áp trên tụ C cân bằng với điện áp trên RT Khi hai đầu vào của bộ khuếch đại A2 trở nên cân bằng thì đầu ra của nó lại trở lại giá trị dương Trên thực tế thì các mạch FET được sử dụng cho các chuyển mạch S1, S2, Các xung tần số cao sẽ được đếm trong khoảng thời gian mà nhiệt độ được xác định Trong các hệ thống theo dõi bệnh nhân có hai kênh đo nhiệt độ thường được sử dụng Cũng giống như việc ghi đo điện tim, ở đây các mạch ra cũng phải được cách ly qua cặp biến đổi quang điện

Hình 1 12 Sơ đồ khối chi tiết đo nhiệt độ hiển thị số trực tiếp

I.3.5 Phép đo nhịp thở

Các đầu dò thường được sử dụng trong việc đo nhịp thở bao gồm các điện trở nhiệt được đặt ở trước mũi, các vi mạch hoặc là các đầu dò không cố định được đặt quanh ngực bệnh nhân Trở kháng của các điện cực và tín hiệu được lấy từ việc xác định CO2 Tín hiệu nhịp thở được lấy từ bất kì một đầu dò nào được đem khuếch đại và trong khoảng thời gian này sẽ thực hiện đo giữa hai xung kế tiếp nhau Dải đo thường 0 – 50nhịp/phút Gồm có 2 phương pháp điện trở nhiệt và trở kháng phổi

Phương pháp điện trở nhiệt:

Dùng điện trở nhiệt như các đầu dò Đặt điện trở nhiệt gần ống quản để đo sự thay đổi của nhiệt độ khí thở trong khi hít vào hoặc thở ra Điện trở nhiệt được đặt trên cánh tay của bệnh nhân là một mạch cầu Wheastone dể đưa ra sự thay đổi của nhiệt độ trên Một bộ khuếch đại được sử dụng để nhận tín hiệu từ mạch cầu, từ tín hiệu này sẽ thực hiện đếm số nhịp thở /phút Các tần số thấo sẽ được lọc bỏ trước khi tín hiệu được đem đi xử lý

Nếu như nhiệt độ không khí thở ra là trong khoảng nhiệt độ phòng thì sẽ rất thuận tiện cho việc sử dụng một điện trở nhiệt để phân biệt sự khác nhau giữa hai

nhiệt độ khi hít vào và thở ra, từ đó sẽ tạo ra tín hiệu điện tốt hơn Còn nếu nhiệt độ không khí khi thở ra là cao hơn thì điện trở nhiệt có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng Đôi khi cần phải đo cho các bệnh nhân bị bất tỉnh khi đó họ không điều khiển được quá trình thở của mình nữa lúc này cần có sự trợ giúp của máy

Phương pháp trở kháng phổi:

Đây là một kĩ thuật dùng để xác định nhịp thở một cách gián tiếp Trong phương pháp này người ta sử dụg các điện cực đặt lên ngực bệnh nhân( tốt nhất là các điện cực bề mặt), dựa vào trở kháng phổi để xác định quan hệ giữa độ sâu nhịp thở và sự thay đổi trở kháng của ngực Trong kĩ thuật này yêu cầu cần có các dụng cụ : mặt nạ, ống dẫn, lưu lượng kế, hoặc phế dung kế Trong phương pháp này thì các điện cực bề mặt được sử dụng là thích hợp nhất

Các điện cực được gắn lên ngực bệnh nhân để nhận biết ra tín hiệu điều chế Tín hiệu được điều chế bằng cách thay đổi trở kháng của cơ thể cùng với chu kì thở Các điện cực tự gián tiếp xúc với da được hỗ trợ bởi một lớp kem chuyên dụng Các điện cực khi tiếp xúc với da sẽ tạo ra một trở kháng cỡ 150 - 200Ω Sự thay đổi trở kháng trong mỗi chu kì thở sẽ dao động trong khoảng 1% điện trở gốc trên

Hình 1 13 Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi

Hình trên là sơ đồ nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi hai điện cực Việc dùng 2 điện cực để cảm nhận trở kháng thì chỉ phù hợp với bệnh nhân nằm

Vì nếu như có bất cứ sự dịch chuyển nào của đối tượng thì sẽ làm thay đổi trở kháng tiếp xúc của điện cực Để giảm sự thay đổi thì ta sử dụng 4 điện cực Khi đó tín hiệu phát ra từ bộ dao động kí được đưa tới hai điện cực, dòng điện từ bộ dao động kí sẽ không đi qua trở kháng tiếp xúc của điện cực đo Các sơ đồ này thường được dùng cho các monitor mà đối tượng đo là trẻ em

I.3.6 Phương pháp CO2

Xác định nồng độ CO2 trong khí thở ra là một cách khác để xác định nhịp thở Hình 3.18 minh họa nồng đồ CO2 hít vào và thở ra Việc xác định dựa vào các tia hồng ngoại được hấp thụ từ các khí Các bộ lọc cần thiết được sử dụng để tập trung các khí đặc biệt như: CO2, CO, N2O trong thành phần khí thở ra, các khí hiếm và khí đa nguyên tử sẽ không hấp thụ tia hồng ngoại Khi cho các tia hồng ngoại đi qua khí thở ra có chưa một hàm lượng CO2 thị một phần năng lượng của tia hồng ngoại được hấp thụ bởi khí này Các bộ cảm nhận sẽ nhận biết được sự suy giảm năng lượng của tia và thực hiện chuyển đổi thành tín hiệu điện Tín hiệu này sẽ được sử dụng để tính nhịp thở trung bình

Trong các phương pháp phân tích hấp thụ hồng ngoại, có 2 phương pháp đo CO2 là sidestream và mainstream

• Phương pháp đo CO2 – sidestream

Phương pháp này hít thở liên tục để lấy mẫu khí và phân tích hàm lượng CO2của mẫu đó Sự thiết lập không đúng tốc độ thở, khí dò ra hệ thống mẫu, sự ngưng tụ hơi nước lý do tình trạng bao phủ và tất cả các bụi nguyên tử là các nguồn gây lỗi Các đồ dùng đựng các chất pha chế có nước được thiết kế để ngăn chặn sự đi vào của các chất lỏng thành ra sự đo đạc như các chất lỏng có độ hấp thụ hồng ngoại cao Sau khi các khí được phân tích, các khí thải có thể lấy lại để gây mê trước khi hydroxit natri với hydroxit canxi trong hộp nhỏ

• Phương pháp đo CO2 – mainstream

Phương pháp này sẽ phân tích toàn bộ khí thở tại một thời điểm gây mê Cuvett đo được đặt càng gần thì có thể đặt trong ống quản Dụng cụ phân tích sử dụng hấp thụ hồng ngoại để phát hiện CO2 Ống được đốt nóng tới 400C để ngăn chặn sự ngưng tụ của hơi nước có mặt trong các khí Hạt vật chất như nước nhầy hoặc nước miếng từ ống thông sẽ gây ra sai lệch do sự hấp thụ hồng ngoại nếu chúng đi vào trong ống cuvette Tuy nhiên, đáp ứng thời gian của dụng cụ phân tích nhanh hơn phương pháp CO2- sidestream, phương pháp khối phổ kế hoặc các dụng cụ phân tích Raman Tất cả các phương pháp đo CO2 được chuẩn định kì để ngăn chặn sự sai lệch của thiết bị

Hình dưới đưa ra sơ đồ khối trong việc phân tích khí CO2 trong hơi thở ra Hai chùm tia có cường độ tương đương nhau tạo ra các tia hồng ngoại từ các sợi đốt được gắn trên một nửa của mỗi bình ngưng Bộ dò gồm có 2 phần giống hệt nhau được cách biệt bởi một lớp kim loại mỏng Các đầu dò được làm đầy bởi các mẫu CO2 tinh khiết Do sự tập trung của khí CO2 trong tế bào phân tích nên chùm tia trên bề mặt thử nghiệm của đầu dò sẽ yếu hơn là mặt xem xét Do đó

khí ở bề mặt xem xét sẽ được đốt nóng hơn ở bề mặt phân tích Màng ngăn ở đây là một tấm của tụ điện Các chùm tia hồng ngoại được chặn ở tần số 25Hz và tín hiệu xoay chiều xuất hiện ở đầu dò sẽ được khuếch đại phù hợp để đưa ra nhịp thở tương ứng

I.3.7 Ghi tín hiệu điện tim ECG

Ghi tín hiệu điện tim

Điện tim ECG là các hoạt động điện của tim được tạo ra bởi quá trình co bóp của cơ tim Việc theo dõi điện tim ECG nhằm kiểm tra một số chức năng của tim là rất quan trọng trong việc theo dõi tình trạng của bệnh nhân trong suốt quá trình gây mê bệnh nhân trong phòng mổ Việc theo dõi ECG được sử dụng để tính nhịp tim, phân tích chứng tạo nhịp, phát hiện chức năng tạo nhịp và chứng thiếu máu Tín hiệu điện tim được lấy trên da bệnh nhân thông qua hệ thống điện cực ECG và cáp nối Số điện cực có thể là 3,5 hay 12 điện cực tuỳ theo loại máy Càng nhiều điện cực thì thông tin đo được càng chính xác Tuy nhiên hầu hết các Bedside thường sử dụng cáp điện tim tiêu chuẩn 3 hoặc 5 điện cực.Vị trí đặt điện cực trên người bệnh nhân tuỳ thuộc vào số điện cực của cáp điện tim

Với hệ thống 3 điện cực ( 3 đạo trình ) các điện cực này sẽ được gắn ở R/RA( right arm), L/LA ( left arm), F/LL( left leg) của bệnh nhân Đối với cáp điện tim 5 điện cực thì thêm các vị trí C/V(chest) và N/RL(right leg) Số lượng đạo trình phụ thuộc vào số điện cực

Các điện cực ECG gắn trên da bệnh nhân để thu nhận các tín hiệu điện ECG và được nối với một mạch đầu vào của monitor bằng các dây dẫn/ cáp Các tín hiệu ECG thu được sẽ được khuếch đại và xử lý bởi modul hoặc khối đo ECG và sau đó dữ liệu được chuyển tới BSM và hiển thị dạng sóng ECG trên màn hình

Hình 1 16 Các đạo trình chuẩn

Hình 1 17 Các đạo trình chi đơn cực

Hình 1 18 Các đạo trình trước ngực

Nếu sử dụng cáp điện tim 12 điện cực ta sẽ đo được dạng sóng của 12 đạo trình trên Nếu sử dụng cáp 3 hoặc 5 điện cực có dạng sóng của 3 đạo trình hoặc 6 đạo trình

Hình 1 19 Điện tim 12 kênh ghi

Hình 1 20 Điện tim 6 kênh ghi

Hình 1 21Điện tim 3 kênh ghi

Hình 1 22 Điện tim 3 kênh ghi + 1 nhịp tim chuẩn

Các điện cực ECG gắn trên da bệnh nhân để thu nhận các tín hiệu điện ECG và được kết nối với một mạch đầu vào của monitor bằng các dây dẫn/ cáp Mạch đầu vào bao gồm mạch cách ly và mạch bảo vệ Mạch cách ly có chức năng cách ly bệnh nhân khỏi các dòng điện nguy hiểm có thể phát ra trong quá trình thu tín hiệu ECG và mạch bảo vệ để tránh monitor không bị phá hỏng bởi các điện áp cao có thể xuất hiện trong quá trình khử rung tim bệnh nhân Bộ khuếch đại ECG gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại điều khiển Các tín hiệu ECG thu được ban đầu có biên độ rất nhỏ sẽ được khuếch đại vi sai có hệ số khuếch đại rất lớn Bộ khuếch đại này có trở kháng đầu vào lớn và tỉ số Mode chung CMRR cao Bộ khuếch đại điều khiển sẽ khuếch đại các tín hiệu ECG tới một biên độ đủ lớn và truyền tín hiệu ECG này tới bộ chuyển đổi AD và khối xử lý trung tâm, sơ đồ khối được mô tả như hình dưới

Hình 1 23 Sơ đồ khối của việc thu nhận và xử lý tín hiệu ECG

Nhiễu điện tim

- Khi một vật thể được nạp điện được mang lại gần một vật không nạp điện thì vật không mang điện có điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên

- Ví dụ, nếu một cơ thể không tiếp đất đặt gần một dây cab hoặc nguồn sáng mà được kết nối với mạng lưới, thì điện tích bề mặt của điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên mặc dù không có dòng chạy giữa 2 cơ thể

- Khi điện thế mạng lưới có tần số 50Hz, thì điện áp cảm ứng cũng bao gồm tần số này

- Các nguồn nạp tĩnh điện khác bao gồm bàn mổ, những bệnh nhân khác, các thiết bị điện tử

- Tác động được giảm tối thiểu bởi thực tế là trường điện từ phát ra bởi dây được tích điện tăng lên tới mức lớn hơn mà bị loại bỏ bởi đường dây cáp trung hoà gần với dây cáp được tích điện nhưng đi theo hướng ngược lại Tuy nhiên, nếu hiện tượng dò dòng điện xuất hiện, thì 2 dòng không còn cân bằng và tự triệt tiêu lẫn nhau nữa do đó tạo ra một suất điện động Tác động bị tăng lên nếu các dây nối được cuốn; các dây dẫn chính nối các điện cực bệnh nhân với những bộ khuếch đại nhạy sẽ thường xuyên bị nhiễu

• Nhiễu tần số radio(>100hz)

- có thể vào thông qua:

+ Hệ thống phân phối chính hỗn hợp với dòng có tần số 50Hz, các nguồn bao gồm phép điện nhiệt, các moto điện

+ Sự truyền sóng radio nhờ cực điện nhiệt bị kích hoạt trong không khí như một anten phát radio trong khi đạo trình ECG bệnh nhân hoạt động như một dây anten thu

• Giải pháp

- Bộ phân tích vi sai

- Tỉ số nén mode chung CMRR cao

- Các mạch bảo bệ bệnh nhân có phủ đồng hoặc nhôm - RL ECG “Floating”

- Bao quanh mỗi điện cực có tấm chắn phủ đồng tối thiểu hóa sự cảm ứng tĩnh điện

- Giữ các điện cực càng ngắn càng tốt

- Giảm bớt ảnh hướng của trường điện từ bằng cách đảm bảo tất cả các đạo trình bệnh nhân có chiều dài như nhau, gần sát nhau thậm chí xoắn vào nhau cho đến khi gần sát cực điện do đó đảm bảo được rằng tín hiệu cảm ứng được xác định và bởi vậy chịu được tỉ số CMRR

- Loại bỏ nguồn bức xạ điện trường không mong muốn

2- Nhiễu từ bệnh nhân

• Điện cơ học (EMG)

- Sự chồng chéo tần số giữa EEG và ECG

- Tín hiệu có thể lớn hơn rất nhiều ( tăng mV) so với EEG hoặc ECG - Các hoạt động của cơ ( đặc biệt là run rẩy) có thể dẫn tới nhiễu - Nhiễu cơ

• Giải pháp

- Giảm thiểu sự cử động của bệnh nhân tức là nghỉ ngơi - Giảm thiểu sự run cơ

- Tránh vùng cơ để đặt điện cực, sử dụng các vùng thịt nhô lên

3- Nhiễu do sự tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân

• Các điện cực ghi không hoạt động như một vật dẫn thụ động

- Việc sắp đặt một kim loại gần với một dung dịch chất điện phân như nhìn thấy trên bề mặt da tạo ra một nửa vùng điện hóa do đó phát sinh ra một lực điện từ

- Nếu bộ khuếch đại vi sai được nối với một cặp điện cực như vậy thì điện thế đầu ra của chúng được so sánh là:

+ Nếu các tế bào giống hệt nhau, các đầu ra sẽ loại bỏ điểm 0

+ Nếu các tế bào không giống nhau, sự sai lệch điện thế giữa 2 tế bào sẽ bị khuếch đại

1) ngoài ra, dòng điện nhỏ tạo ra do điện thế bù có thể dẫn tới phân cực

2) các điện cực bị phân cực sẽ gây nhiễu bất kì một tín hiệu nào - Sự dịch chuyển cơ học của các điện cực ghi gây ra các thay đổi điện thế + do sự thay đổi kích thước vật lý của các điện cực da do đó thay đổi điện thế tế bào và trở kháng giữa điện cực và da

Phương pháp loại bỏ nhiễu tần số 50Hz

Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu ECG Bộ khuếch đại này cho đầu vào khác nhau có thể khuếch đại tín hiệu ECG nhỏ ( <4mV), loại bỏ thành phần một chiều, nhiễu tần số cao và tần số 50Hz

Hình 1 24 Tín hiệu điện tim đặc trưng

Tín hiệu điện tim là tín hiệu điện được tạo bởi nhịp tim mà có thể được sử dụng làm công cụ chuẩn đoán các chức năng của tim Có dải đo 0.5 – 4 mV và dải tần số 0.0.1 – 250Hz Tín hiệu ECG đặc trưng cơ bản là PQRS và T

Có rất nhiều nhân tố được đưa vào trong thiết kế bộ khuếch đại ECG, như nhiễu tần số, nhiễu tập trung, nhiễu do các thiết bị điện và các nguồn khác Quan trọng nhất là nhiễu tần số 50Hz, do sử dụng bộ lọc thông dải có thể dễ dàng loại bỏ cả nhiễu một chiều và nhiễu tần số cao

a) Nhiễu tần số 50Hz; b) nhiễu điện cơ trong tín hiệu ECG

Nhiễu do cơ thể dịch chuyển, điện cực hô hấp bị tuột

Hình 1 25 Nhiễu do hoạt động mạnh ( kiểm tra dây đất, điều kiện điện cực)

Để loại bỏ các nhiễu được kể trên, có thể sử dụng các bộ khuếch đại vi sai như trong hình 3.32 Đầu ra của mạch này: (12)( 1 2).

vout − ref =+− Nếu đầu vào có điện áp chung (v1 = v2) thì vout = 0 Nếu v1 ≠ v2 thì điện áp khác nhau (v1-v2) đưa ra một hệ số khác Do nhiễu chủ yếu là điện áp mode chung, bộ khuếch đại vi sai có thể loại bỏ chúng Mạch khuếch đại 3 bộ khuếch đại thuật toán thường được gọi là bộ khuếch đại đo Nó có trở kháng đầu vào cao, tỉ số mode chung CMRR cao, và hệ số khuếch đại có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh R1 Mạch này thường để đo điện thế sinh học bởi vì nó loại bỏ phần lớn điện áp mode chung 50Hz tồn tại trong cơ thể

Hình 1 26 Mạch khuếch đại vi sai gồm 3 bộ khuếch đại thuật toán

Trong nhiều hệ thống điện tim đồ, bệnh nhân đang sử dụng hệ thống điều khiển chân phải Bệnh nhân không được nối đất tất cả Thay vào đó, điện cực chân phải được nối với đầu ra phụ của khuếch đại thuật toán Điện áp mode chung trên bệnh nhân được hiểu bởi 2 điện trở trung bình Ra, được đảo, khuếch đại và hồi tiếp về chân phải Do hồi tiếp âm nên điện áp mode chung ở mức thấp Nó cũng có thể cung cấp điện an toàn bởi vì khuếch đại thuật toán phụ sẽ làm bão hòa khi điện áp cao khác thường xuất hiện giữa bệnh nhân và đất

Hình 1 27 Mạch điều khiển chân phải để tối thiểu hóa nhiễu mode chung

Để đạt các yêu cầu của bộ khuếch đại ECG như được nói trên, cần thiết kế một mạch tầng bao gồm một bộ khuếch đại vi sai ( bộ khuếch đại đo), một bộ lọc thông thấp, một bộ lọc thông cao và một tầng khuếch đại Tùy theo yêu cầu của các tầng này là dựa trên sự suy giảm nhiễu Ví dụ, trong chuỗi tầng sau nhiễu đầu ra là:

((n1*A1+n2)*+n3)*A3 = A1A2A3*n1+A2A3*n2+A3*n3Vì vậy sự sắp xếp tốt nhất của ba tầng là : A1>A2>A3

Hình 1 28 Ví dụ về sự giảm nhiễu trong thiết kế một hê thống đa tầng

Hình trên là sự sắp xếp của các tầng theo thiết kế mà cơ bản các tầng có hệ số khuếch đại cao gần nhau trên đường tín hiệu Tuy nhiên, tầng bộ lọc thông cao được thay thế trực tiếp sau bộ khuếch đại vi sai để cắt thành phần một chiều ở đầu ra của nó Mặt khác, thành phần một chiều này sẽ được khuếch đại bởi tầng khuếch đại và có thể tập trung sau các bộ khuếch đại thuật toán

Bảng 1 5 Sự sắp xếp của các tầng

Tầng khuếch đại vi sai

Loại bỏ chế độ nhiễu ở chế độ mode chung trong khi khuếch đại tín hiệu vi sai cần được quan tâm Nhiễu thấp tới mức nào ở đầu ra phụ thuộc vào sự loại bỏ nhiễu ở chế độ mode chung của bộ khuếch đại vi sai lớn tới mức ấy

Burr – Brown sử dụng INA 118 như một bộ khuếch đại đo Hệ số khuếch đại được xác định bởi điện trở Rg