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 DANH MỤC CÁC BẢNG . 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 3 MỞ ĐẦU 5 MỞ ĐẦU 5 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ . 6 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. 14 Nồng độ CO2 khi hít vào và thở ra . 28 Hình 1. 15 Sơ đồ khối của quá trình phân tích khí CO2 trong hơi thở . 29 Hình 1. 16 Các đạo trình chuẩn 30 Hình 1. 17 Các đạo trình chi đơn cực . 30 Hình 1. 18 Các đạo trình trước ngực 31 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 [...]... 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. .. CO2 trong hơi thở 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... 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... 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... 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. .. 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... 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... 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... 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... 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 . 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. VỀ............................................................................................... 6 HỆ THỐNG THEO DÕI TÍN HIỆU BỆNH NHÂN.......................................................... 6 Chương I: Khảo Sát Hệ Thống Monitor đa