Phần 1 Đặt vấn đề thiết kế LỜI GIỚI THIỆU Trong cuộc sống hàng ngày nhu cầu được kiểm tra sức khỏe định kỳ là rất cần thiết Trái tim là một bộ phận rất quan trọng đối với sức khỏe của mỗi người Do đó việc kiểm tra hoạt động của tim thường xuyên là yếu tố hàng đầu giúp đánh giá tình trạng sức khỏe của mỗi người Hoạt động của tim được thể hiện qua nhiều yếu tố khác nhau, trong đó những tín hiệu điện sinh học do tim phát ra là một trong những yếu tố quan trọng nhất để đánh giá hoạt động của tim Hiệ.
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ VÀ CÁC IC CƠ BẢN
Tổng quan về tín hiệu điện tim và các nguồn gây nhiễu
Tim hoạt động nhờ sự đồng bộ xung động từ nút xoang trong tâm nhĩ phải, với tác động của hệ giao cảm và phó giao cảm ảnh hưởng đến nhịp đập Sự co dãn của cơ tim kết hợp với hiện tượng khử cực và tái cực của các ion trái dấu trong và ngoài màng tế bào tạo ra xung điện đặc trưng ở mỗi pha Việc sử dụng điện kế để ghi lại các pha này giúp chẩn đoán hoạt động của tim Đặt điện cực ở các vị trí khác nhau trên cơ thể sẽ thu được những đường đặc tính khác nhau, trong đó hệ thống 12 chuyển đạo được xây dựng dựa trên cách đặt điện cực ở các hướng khác nhau Chuyển đạo giữa tay trái và tay phải là chuyển đạo được quan tâm nhất vì thể hiện rõ nét các pha co dãn của tim.
Hình 2-1: Phức hợp QRS của chuyển đạo tay trái - tay phải
Tim của người bình thường tạo ra khoảng 50-100 phức hợp QRS mỗi phút, với biên độ khác nhau tùy thuộc vào vị trí đặt điện cực Khi đặt điện cực ở hai cổ tay, biên độ phức hợp QRS khoảng 1,5mV, trong khi nếu đặt ở trước ngực, biên độ chỉ còn khoảng 1mV Để hiểu rõ hơn về tín hiệu điện tim, có thể sử dụng sơ đồ thay thế.
Hình 2-2: Sơ đồ tương đương của tín hiệu điện tim
Điện áp Utim, phát sinh từ quá trình co dãn của tim, đạt giá trị cao nhất khoảng vài mili-vôn, trong khi điện trở nội Rtim của tín hiệu điện tim dao động từ vài chục đến 100Ω Tín hiệu này di chuyển qua các mô và mạch máu, tạo ra một điện trở tương đương khoảng vài trăm Ω trước khi đến bề mặt da Khi điện cực gắn trên da, chất điện phân giữa điện cực và da tạo ra điện áp rơi Udc, trong khi điện cực có điện trở Rdc khoảng vài chục kΩ và điện dung ký sinh Cdc Cuối cùng, Rin là điện trở đầu vào của mạch đo, ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu đo được.
2.1.2 Các nguồn gây nhiễu tới tín hiệu điện tim
- Ảnh hưởng của hệ hô hấp, vận động:
Khi hệ hô hấp hoạt động hoặc có vận động, bề mặt da co dãn, dẫn đến sự biến đổi trên bề mặt tiếp xúc với điện cực đo điện tim, đặc biệt khi điện cực được gắn trước ngực Sự thay đổi này làm biến thiên điện trở tương đương và giá trị điện dung ký sinh của điện cực, gây ảnh hưởng đến tín hiệu điện tim gửi về mạch thu thập.
Khi hô hấp hoặc vận động, vị trí và hướng phân bố của tim sẽ thay đổi do tác động co dãn của phổi và các cơ quan khác Sự thay đổi này cũng làm thay đổi góc phân bố của các sóng điện, dẫn đến hiện tượng lệch đỉnh của các phức hợp điện tim, đặc biệt là phức hợp QRS với biên độ cao và bề rộng nhỏ.
- Ảnh hưởng do tâm lý:
Trong quá trình đo điện tim, tâm lý không ổn định có thể gây ra những ảnh hưởng không kiểm soát đến hệ thống điều khiển nhịp tim của cơ thể Những tác động này có thể tạo ra các biến thiên bất thường trong tín hiệu điện tim, dễ dẫn đến hiểu lầm rằng chúng là do bệnh lý.
- Ảnh hưởng do nhiễu điện áp lưới 50Hz.
Khi sử dụng thiết bị đo điện tim từ nguồn lưới điện 50Hz, tín hiệu điện tim dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ nguồn cung cấp do biên độ tín hiệu nhỏ (khoảng vài mili-vôn) Nhiễu 50Hz có thể làm biến dạng đường tín hiệu điện tim, gây khó khăn trong quá trình chẩn đoán và ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.
Các khối chức năng cần thiết và sơ đồ khối của thiết bị
Với các yêu cầu ở phần 1, thiết bị đo điện tim cần phải có các khối sau để thực hiện các chức năng đã nêu.
2.2.1 Khối thu thập tín hiệu điện tim Đầu tiên, thiết bị đo điện tim cần phải có được một khối thu thập tín hiệu điện tim Với các đặc điểm của tín hiệu điện tim như đã nêu ở mục 2.1, khối thu thập tín hiệu điện tim cần phải đáp ứng được một số yêu cầu sau:
Dải tần số quan trọng của tín hiệu điện tim nằm trong khoảng 0,1Hz đến 150Hz, và trong một số trường hợp có thể mở rộng từ 0,05Hz đến 300Hz Để thu thập tín hiệu chính xác, mạch thu thập cần được trang bị bộ lọc thông cao với tần số cắt 0,1Hz và bộ lọc thông thấp với tần số cắt 150Hz Ngoài ra, cần phải loại bỏ tần số nhiễu từ lưới điện, thường là 50Hz ở nhiều quốc gia, nhưng có thể là 60Hz ở một số nơi khác.
Biên độ tín hiệu điện tim chỉ đạt khoảng vài mili-vôn, vì vậy mạch thu thập cần khuếch đại tín hiệu lên khoảng 1000 lần trước khi chuyển đến ADC để vi xử lý thực hiện thu thập dữ liệu.
Để đảm bảo hiệu suất cho mạch thu thập tín hiệu điện tim, tổng trở đầu vào Rin cần lớn gấp hàng trăm lần tổng trở đầu ra của mạch tương đương, nhằm ngăn ngừa hiện tượng quá tải của dòng điện sinh học Ngoài ra, mạch thu thập cũng phải có khả năng xử lý điện áp rơi trên các điện cực.
Để truy cập dữ liệu đo và cấu hình hoạt động của thiết bị, cần thiết phải có một khối lưu trữ Lưu trữ này có thể được thực hiện thông qua các IC nhớ hoặc thẻ nhớ.
Dữ liệu điện tim không chỉ hiển thị hình dạng và thông số trên màn hình cảm ứng mà còn được lưu trữ để phục vụ cho việc chẩn đoán và thống kê sau khi đo Thông tin lưu trữ bao gồm tín hiệu điện tim, thời gian đo, thông tin về người được đo và các dữ liệu cần thiết cho chẩn đoán sau này, có thể được truy cập từ máy đo hoặc máy tính cá nhân.
Với tần số lấy mẫu tín hiệu điện tim là 1KSPS và độ phân giải ADC 8bit, mỗi giây thiết bị sẽ thu được 1kB dữ liệu Để đáp ứng yêu cầu lưu trữ tín hiệu điện tim liên tục trong ít nhất 24 giờ, bộ nhớ cần có dung lượng tối thiểu là 24kB.
2.2.3 Khối giao diện hiển thị và điều khiển Để hiển thị giao diện điều khiển của thiết bị cũng như có khả năng đưa thông tin về tín hiệu điện tim đo được tới người quan sát thì phần giao diện có thể sử dụng màn hình LCD Do yêu cầu thiết bị có thể di động nên việc hiển trị trực quan kết quả đo lên màn hình của thiết bị là một yêu cầu cần thiết.
Tương tác với thiết bị cầm tay đóng vai trò quan trọng, bao gồm việc lựa chọn các thông số cài đặt và chế độ làm việc phù hợp cho thiết bị.
2.2.4 Khối kết nối máy tính
Để thực hiện các chức năng như đo hiển thị trực tuyến và quản lý dữ liệu đo từ máy tính, thiết bị cần có khối kết nối với máy tính.
Khi thiết bị kết nối với máy tính, tín hiệu điện tim sẽ được hiển thị liên tục hoặc gián đoạn trên màn hình Quá trình lấy mẫu tín hiệu diễn ra và được truyền lên máy tính, sau đó máy tính hiển thị kết quả trước khi quay lại lấy mẫu lần tiếp theo Do đó, tốc độ truyền và hiển thị của máy tính cần phải đảm bảo kịp thời giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp.
Hình 2-3: Chu trình thực hiện lấy mẫu hiển thị liên tục trên máy tính
Phần mềm máy tính cần đáp ứng nhu cầu tra cứu thông tin dữ liệu đo được, bao gồm ngày đo, họ tên người thực hiện đo, tiền sử sức khỏe và các dữ liệu liên quan khác Tất cả thông tin này phải được lưu trữ và dễ dàng truy cập từ máy tính.
2.2.5 Khối vi xử lý trung tâm
Thiết kế định hướng là một thiết bị thông minh, vì vậy việc sử dụng một vi xử lý trung tâm để thực hiện các nhiệm vụ linh hoạt là sự lựa chọn tối ưu.
Để đáp ứng các yêu cầu ngoại vi, vi xử lý trung tâm cần có các chức năng quan trọng như: tích hợp ADC, khả năng giao tiếp với màn hình LCD, kết nối với máy tính và hỗ trợ giao tiếp với thẻ nhớ.
Thiết kế cho thiết bị cầm tay sử dụng pin đòi hỏi tính toán cẩn thận về năng lượng tiêu thụ Vi xử lý không chỉ cần tiết kiệm điện mà còn phải có chế độ nghỉ khi không hoạt động, nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng không cần thiết.
Một số IC và mạch lọc sử dụng trong thiết kế
2.3.1 Công nghệ chuyển mạch tụ điện (Switched Capacitor)
Công nghệ chuyển mạch tụ điện là một kỹ thuật tiên tiến, được áp dụng gần đây để tạo ra các điện trở với giá trị mong muốn Kỹ thuật này sử dụng các tụ điện kết hợp với chuyển mạch, mang lại hiệu quả cao trong việc điều chỉnh điện trở.
Hình 2-5: Điện trở tương đương được tạo ra bởi công nghệ chuyển mạch tụ điện
Cặp chuyển mạch S1 và S2 được điều khiển đồng thời, đảm bảo trong mỗi nửa chu kỳ, một cặp sẽ đóng lại trong khi cặp còn lại sẽ mở Việc điều khiển pha đóng cắt các cặp chuyển mạch cần tuân thủ hai điều kiện quan trọng.
- Thời gian đóng cắt phải đủ để tụ C nạp và phóng toàn bộ điện tích.
Các cặp đóng cắt cần có khoảng thời gian trễ để tránh tình trạng cả hai cặp cùng đóng, điều này có thể gây ra sai số do điện tích chạy thẳng từ đầu vào xuống đất Trong nửa chu kỳ đầu, cặp S1 đóng và cặp S2 để hở, dẫn đến việc điện tích dương được nạp vào bản cực tụ điện, trong khi điện tích dương ở bản cực đối diện bị đẩy ra ngoài, tạo ra dòng điện chạy xuyên qua tụ điện Ở nửa chu kỳ tiếp theo, cặp S1 sẽ được ngắt và cặp S2 được đóng, khiến điện tích dương ở bản cực bên trái được tích lũy trước đó được chuyển qua S2 xuống đất, trong khi điện tích dương từ đất sẽ chuyển qua S2 và trung hòa điện tích trên bản cực bên phải.
Quá trình này lặp đi lặp lại, tạo ra dòng điện I đi qua phần tử điện trở tương đương Theo công thức trong hình 2.5, điện trở tương đương phụ thuộc vào chu kỳ đóng cắt của các cặp chuyển mạch S1, S2 và giá trị điện dung của tụ điện.
Qua công thức giá trị điện trở tương đương trên rút ra được các công thức sau:
Công thức (2-3) cho thấy rằng giá trị điện trở tương đương do phương pháp chuyển mạch tụ điện phụ thuộc vào tần số đóng cắt và giá trị điện dung của tụ điện Nhờ đó, có thể tạo ra các điện trở với độ chính xác cao và giá trị thay đổi theo tần số Trong kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, sử dụng ma trận các tụ điện kết hợp với chuyển mạch cho phép thay đổi cách nối, tạo ra các tụ điện tương đương với điện dung khác nhau Kết hợp với việc thay đổi tần số đóng cắt, điều này giúp tạo ra các phần tử với giá trị mong muốn.
Từ công thức (2-4), ta nhận thấy rằng tỷ lệ giữa các điện trở hoàn toàn phụ thuộc vào tỷ lệ giữa hai giá trị điện dung Điện dung của tụ điện ít bị ảnh hưởng bởi quá trình chế tạo và nhiệt độ hoạt động so với các điện trở Chính vì những lý do này, mạch điện sử dụng điện trở từ chuyển mạch tụ điện sẽ đạt được độ tuyến tính và chính xác rất cao.
Một đặc điểm thú vị của điện trở được chế tạo bằng chuyển mạch tụ điện là khả năng tạo ra điện trở âm Bằng cách điều chỉnh pha đóng mở của các cặp chuyển mạch, có thể tạo ra một phần tử điện trở cho phép dòng điện đi vào từ cả hai phía.
Do quá trình đóng cắt các cặp chuyển mạch liên tục, dòng điện từ công nghệ chuyển mạch tụ điện tạo ra là không liên tục Tín hiệu được lấy mẫu với tần số tương ứng với tần số chuyển mạch Khi lựa chọn tần số chuyển mạch, cần chú ý đến tần số tín hiệu lớn nhất và áp dụng các tiêu chuẩn lấy mẫu để tránh mất thông tin.
Theo tiêu chuẩn Nyquist, để tránh hiện tượng trùng phổ trong tín hiệu lấy mẫu, tần số lấy mẫu cần phải lớn hơn hai lần tần số lớn nhất của tín hiệu Nếu không, sẽ xảy ra sai số giữa tín hiệu lấy mẫu và tín hiệu thực Trong thực tế, khi sử dụng công nghệ chuyển mạch tụ điện, tần số lấy mẫu nên lớn hơn ít nhất 10 lần tần số lớn nhất của tín hiệu để đảm bảo độ chính xác cao.
2.3.2 IC tương tự khả trình FPAA AN221E04
FPAA (Field Programmable Analog Array) là một mạch tương tự tích hợp sử dụng công nghệ chuyển mạch tụ điện, cho phép tạo ra các phần tử tương tự như lọc, khuếch đại, và mạch tích phân hay vi phân thông qua ma trận tụ điện và OPAMP Mạch này có tần số chuyển mạch điều chỉnh được, mang lại tính linh hoạt cao trong ứng dụng AN221E04 là một ví dụ điển hình với nhiều thông số kỹ thuật nổi bật.
- Bốn khối vào ra có thể lập trình, hai khối đầu ra được dành riêng
- Bốn khối CAB (Configurable Analog Blocks) với kết nối nội bộ được quy định trong bộ nhớ RAM cấu hình
- Bộ chuyển đổi ADC 8bit SAR
- Cấu trúc thiết kế cho các tín hiệu vi sai hoặc đơn sai
- Bộ khuếch đại với dũng offset đầu vào nhỏ (
