Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ phục vụ đào tạo

Trong quá trình đào tạo, sinh viên các chuyên ngành Điện tử y sinh, cơ sinh học... rất cần các thiết bị thực hành, được dàn trải thành các khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để có thể nắm bắt kỹ càng lý thuyết đã học. Bài báo trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng dụng trong đào tạo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thực hành điện tâm đồ phục vụ đào tạo TS Nguyễn Lê Cường, Ths.Hồng Vân Đơng, Ths Đinh Văn Tuấn Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học Điện Lực Email: cuongnl@epu.edu.vn, tuandv85@epu.edu.vn, hoangvandong@epu.edu.vn Tuy nhiên nhiễu từ mạng cung cấp điện 50Hz (hoặc 60Hz) có ảnh hưởng nhiều tính chất phổ biến khó kiểm sốt loại nhiễu Các loại can nhiễu cịn lại, có dải tần ổn định nên giải triệt để lọc cố định Chính báo tập trung vào hướng triệt nhiễu 50Hz từ lưới điện cung cấp, để thiết kế, chế tạo công cụ thực hành điện tâm đồ, nhằm giúp cho người thực hành quan sát hiểu xác chế tác động hậu nhiễu gây tín hiệu điện tim Có hai trường lưới điện sinh gây tác động lên thiết bị đo điện tim Đó điện trường từ trường Tóm tắt – Sử dụng Điện tâm đồ để chẩn đoán khâu quan trọng cấp cứu hay điều trị bệnh tim mạch Trong trình đào tạo, sinh viên chuyên ngành Điện tử y sinh, sinh học…rất cần thiết bị thực hành, dàn trải thành khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để nắm bắt kỹ lý thuyết học Bài báo trình bày trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng dụng đào tạo Abstract – Using ECG (Electrocardiogram) for diagnosis is an important step in emergency or treat heart disease During training, students of specialized biomedical electronics, biomechanics… needed practice equipment which is widespread to describe clearly the process steps from input to output This paper presents the research, design and produce a practical device for applications in education Từ khóa –Thiết bị thực hành ECG I Ảnh hưởng điện trường 50/60Hz Những dây điện lưới vật dẫn nối với lưới điện sinh điện trường quanh Điện trường tác động tới thiết bị đo điện tim, dây điện cực thể bệnh nhân Vì điện áp lưới dao động tuần hoàn với tần số 50Hz 60Hz nên điện trường sinh biến thiên tuần hồn tần số Dịng điện dịch mà ảnh hưởng tới vật khác mơ tả qua điện dung tạp tán vùng điện lưới sinh điện trường vật thể TÍN HIỆU ĐIỆN TIM Tín hiệu ECG (Electrocardiogram) ghi lại hoạt động mang tính chất điện tim Tín hiệu ECG thơng thường bao gồm đỉnh lồi lõm đặt tên theo thứ tự chữ P, Q, R, S, T, U, hình Hình Tín hiệu điện tim thông thường  Đoạn PQ gồm thời gian khử cực nhĩ truyền xung động từ nhĩ tới thất  Phức QS: Khử cực tâm thất  Đoạn ST: Thời kỳ khử cực hoàn toàn thất  Sóng T: Tái cực tâm thất Để thực việc đo lường đạo trình trên, người ta chế tạo thiết bị đo ECG Các tín hiệu điện tâm đồ có dải tần khoảng 0.05-150Hz, biên độ: 0.5-5mV Sóng điện tim có biên độ nhỏ, dễ bị ảnh hưởng nhiễu Các can nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim là: Hình Dịng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng thể đất Hình cho thấy ảnh hưởng điện trường 50/60Hz lên thể bệnh nhân làm sai lệch kết đo điện tim Dòng điện dịch Idb qua điện dung tạp tán Cb vào thể bệnh nhân, qua trở kháng Zg xuống đất Điện áp đồng pha Vcm xuất thể bệnh nhân Vcm = Idb.Zd Nếu dịng Idb = 1µA, Zd = 50 KΩ x5x = 50mV Vcm =  Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu nhiên  Nhiễu sóng bệnh nhân bình tĩnh đo gây  Nhiễu tiếp xúc không tốt điện cực bệnh nhân gây  Nhiễu tần số thấp gây trôi đường ISBN: 978-604-67-0635-9 (1) Điện áp vi sai A B UA- UB UA- UB = Vcm( ) Vì Zin >> Z1, Z2 (trở kháng tiếp xúc điện cực – da) 399 399 (2) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) UA- UB = Vcm( ) Băng phép biến đổi toán học ta dễ xác định điện áp đồng pha biểu thức sau: (3) Ở xét trường hợp thể bệnh nhân cách điện hoàn tồn, dịng điện Idb dịng điện dịch qua điện dung tạp tán Cb Cịn bệnh nhân khơng cách điện tốt nghĩa có dịng điện dị mơi trường cách điện (ẩm) Idb cịn lớn nhiều Và coi hệ thống kim loại trừ nhiễu đồng pha tầng tiền khuếch đại máy điện tim vô lớn Trong thực tế Nhiễu 50/60Hz tác động lên thể bệnh nhân ảnh hưởng tới kết đo lớn (5) Ucm = Thí dụ chọn Rf = 5MΩ, Ra = 10KΩ trường hợp thí dụ nêu Id= 1µA thì: ) (6) Như so với ví dụ Vcm giảm 10 lần Hơn Vcm khơng cịn phụ thuộc vào Zd Ảnh hưởng từ trường 50/60Hz Sử dụng lọc: Một biện pháp hữu hiệu để loại trừ can nhiễu 50/60Hz dùng lọc chắn dải tích cực Bộ lọc IIR với đáp ứng xung vô hạn dựa tần số lấy mẫu 500Hz, với chiều rộng khe 10Hz Hàm lọc sau: Nếu tiến hành đo điện tim nơi có từ trường mạnh quạt, chấn lưu đèn neon, động điện dây điện có dịng điện lớn chạy qua nhiễu 50/60Hz gây ảnh hưởng Theo định luật cảm ứng điện từ: Um = dФ/dt Ở Ф từ thơng qua diện tích S (7) Sau tính tốn ta phương trình đệ quy đưa vào MCU sau: y(n) = x(n) - 1.168x(n-1) + x(n-2) + 1.1564y(n-1) -0.8783y(n-2) (8) Giả sử từ trường vng góc với mặt S : Um = S/dt Nếu dây điện cực thể bệnh nhân tạo vịng kín có diện tích S, từ trường động dịng điện lưới 50/60Hz sinh B Um = BS (4) Sử dụng FDAtool matlab ta vẽ đáp ứng tần số hàm lọc sau: Ở f = 50/60Hz - tần số điện lưới Ví dụ: B = 10µT, f = 50Hz, S = 0.5 Um = x0.5x 2x3.14x50 = 1,6mV Như từ trường cỡ 10 µT qua diện tích 0.5 nhiễu lớn tín hiệu điện tim (cỡ 1.5mV) gây Chống ảnh hưởng can nhiễu 50/60Hz Qua phân tích ta thấy rằng: tiếp xúc da – điện cực tốt, trở kháng vào tầng tiền khuếch đại lớn, hệ số loại trừ nhiễu đồng pha tầng tiền khuếch đại cao, thể bệnh nhân cách điện tốt giường nằm bệnh nhân nối đất tốt, tầng tiền khuếch đại dùng nguồn cách ly (tầng tiền khuếch đại cách điện) nhiễu 50/60Hz tác động lên bệnh nhân ảnh hưởng tới kết đo Ngồi chúng tơi cịn sử dụng số phương pháp chống nhiễu tích cực khác thiết kế Sử dụng mạch kéo chân phải: Hình dùng mạch kéo (drive) chân phải để giảm nhỏ ảnh hưởng can nhiễu đồng pha Hình Đáp ứng tần số lọc 50Hz Tầng khuếch đại cách ly nguồn cách ly có nhiệm vụ đảm bảo độ an toàn cao cho bệnh nhân cịn giảm nhiều ảnh hưởng can nhiễu điện lưới 50Hz Phần mạch cụ thể xét phần sau II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ Mục tiêu: Thiết kế, chế tạo máy đo xử lý tín hiệu ECG Thiết bị có khả đo tín hiệu điện tim, lọc nhiễu nguồn điện 50Hz, hiển thị dạng sóng, giá trị nhịp tim, lưu trữ truyền thơng tin máy tính Hình Mạch kéo (drive) chân phải 400 400 Hội Thảo Quốc 2015 ĐiệnTử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc GiaGia 2015 vềvềĐiện vàCông CôngNghệ Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim K2 = K3 = 1+ Tần số cắt f1 = f2 = 0.05 Hz = Khối xử lý trung tâm Khối thực nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện tim sau khối Đo ECG thành tín hiệu số để thực cho mục đích tiếp sau Hình Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim Lọc loại bỏ can nhiễu: Để loại bỏ nhiễu cho tín hiệu ECG chúng tơi sử dụng lọc IIR với đáp ứng xung vô hạn dựa tầ n số lấy mẫu 500Hz Bộ lọc thứ để loại bỏ nhiễu 50Hz trình bày mục (I.2) báo Bộ lọc thứ lọc thông dải với tần số cắt 0,5Hz tần số cắt 100Hz đáp ứng giải tần tín hiệu điện tim từ 0,5Hz-100Hz Hàm lọc sau: Tín hiệu điện tim đo tín hiệu vơ nhỏ dễ bị can nhiễu Tín hiệu đo khuếch đại, loại bỏ can nhiễu mạch lọc Tín hiệu điện tim tín hiệu tương tự chuyển đổi sang tín hiệu số để xử lý, truyền thông, lưu trữ… Từ sơ đồ nguyên lý mục tiêu thiết kế, chúng tơi phân tích, thiết kế đưa sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý chi tiết cho khối sau: Khối Hiển Thị Khối Đo ECG Khối Truyền Thông Khối MCU Khối thị từ xa Sau tính tốn ta phương trình đệ quy đưa vào MCU sau: Khối Lưu Trữ (9) y(n) = 0.4206 x(n) – 0.4206 x(n-2) +1.1582y(n-1) – 0.1582y(n-2) Khối nguồn Hình Sơ đồ khối Bộ điện tâm đồ Dưới chúng tơi đưa trình bày số khối chức thiết kế Khối đo ECG Hình Đáp ứng tân số lọc thơng dải 0.5-100Hz Ngồi khối cịn thực chức khác điều khiển hiể n thị tín hiệu điện tim lên hình touchscreen LCD TFT 3.2 inch, lưu trữ, truyền tín hiệu điện tim nên máy tính… Trong thiết kế chúng tối sử dụng chíp Atmega2560 ATMEL Hình Sơ đồ ngun lý khối đo ECG Khối đo ECG thực việc đo lường tín hiệu điện tâm đồ từ thể người sau khuếch đại, loại bỏ thành phần nhiễu tần số cao thấp Khối sử dụng lọc thông thấp, thông cao để thu tín hiệu với dải tần từ 0.05-70Hz theo chuẩn FDA Mỹ Hình Bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ Hình Bộ thiết bị điện tâm đồ nhóm tác giả nghiên cứu, chế tạo với mục đích phục vụ đào tạo thực hành cho sinh viên Trường Đại học Điện lực Các đặc điểm thiết bị sau: Hệ số khuếch đại K = K1xK2xK3 Trong đó: K1 = 401 401 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) - Nguồn cấp: 9VDC - 12VDC MỤC ĐÍCH - Màn hình hiển thị: Loại touchscreen LCD TFT 3.2 inch cho phép hiển thị dạng sóng tín hiệu thực thao tác Bài thực hành cung cấp cho sinh viên nguyên lý việc đo, xử lý, hiển thị đọc tín hiệu điện tim - Lưu trữ: Sử dụng nhớ SD Card cho phép lưu trữ nhiều lần đo - Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 CHUẨN BỊ - Điện cực sử dụng lần: 03 - Kết nối máy tính: Cho phép kết nối máy tính theo giao diện cổng truyền thơng RS232 - Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim: 01 - Loại điện cực sử dụng: Loại điện cực dán sử dụng lần III - Nguồn cấp 12VDC: 01 BÀI THỰC HÀNH MẪU TRÊN THIẾT BỊ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH Bài thực hành tín hiệu điện tâm đồ khơng có lọc MỤC ĐÍCH Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với thiết bị đo Kết nối cáp kết nối RS232 với máy tính cắm nguồn Bài thực hành cung cấp cho sinh viên nguyên lý việc đo, xử lý, hiển thị đọc tín hiệu điện tim Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim Bật công tắ c nguồn cho thiết bị đo CHUẨN BỊ Bước 3: Dán điện cực vào vị trí đạo trình trước tim - Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 Bước 4:Lựa chọn đo khơng có lọc, quan sát tín hiệu đo hình Nếu thấy tín hiệu đo ổn định lựa chọn lưu trữ sau lựa chọn truyền thông - Điện cực sử dụng lần: 03 - Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim: 01 Bước 5: Lựa chọn ngừng đo - Nguồn cấp 12VDC: 01 Bước 6: Quan sát kết đo máy tính, vẽ lại dạng tín hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại số tín hiệu CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH Bước 7: Bấm nút lọc tín hiệu 50Hz, quan sát dạng sóng so sánh với dạng sóng trước lọc Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với thiết bị đo Kết nối cáp RS232 với máy tính cấ p nguồn Bước 8: Trả lời câu hỏi Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim Bật công tác nguồn cho thiết bị đo Câu 1: Nhiễu 50Hz loại bỏ theo thuật toán Câu 2: So sánh tín hiệu thu sau lọc với tín hiệu gốc có nhiễu Bước 3: Dán điện cực vào vị trí đạo trình trước tim Bước 4: Lựa chọn đo khơng có lọc, quan sát tín hiệu đo hình Nếu thấy tín hiệu đo ổn định lựa chọn lưu trữ sau lựa chọn truyền thơng Dưới dạng tín hiệu điện tim thu thực đo thiết bị mà sử dụng lọc số để loại bỏ can nhiêu 50Hz Chúng ta thấy khác biệt rõ dạng tín hiệu thu Hình 10 Hình11 Bước 5: Lựa chọn ngừng đo Bước 6: Quan sát kết đo máy tính, vẽ lại dạng tín hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại số tín hiệu Bước 7: Trả lời câu hỏi Câu 1: Xác định số xung nhip phút Hình 11 Tín hiệu điện tim đo có sử dụng lọc Câu 2: So sánh dạng tín hiệu đo với tín hiệu chuẩn, đưa đánh giá ảnh hưởng nhiễu 50Hz VI KẾT LUẬN Dưới dạng tín hiệu điện tim thu thực đo thiết bị mà không sử dụng lọc số để loại bỏ can nhiêu 50Hz Bài báo trình bày tóm lược q trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo thực hành Điện tâm đồ ứng dụng đào tạo Thiết bị sử dụng việc đào tạo sinh viên chuyên ngành Điện tử y tế trường Đại học Điện lực, mang lại trực quan cho sinh viên, nâng cao chất lượng đào tạo chuyên ngành TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Hình 10 Tín hiệu điện tim đo không sử dụng lọc Bài thực hành tín hiệu điện tâm đồ có lọc 402 402 TS Lê thị Bích Thuận, “Điện tâm đồ bệnh lý” BS Đinh Hiếu Nhân, “Điện tâm đồ bản” GS Trần Đỗ Trinh, “Hướng dẫn đọc điện tim”, 2010 www.yhoc.net Kester W, “Which ADC Architecture is Right for Your Application ?”, Analog Dialogue, ... hiệu điện tim thu thực đo thiết bị mà không sử dụng lọc số để loại bỏ can nhiêu 50Hz Bài báo trình bày tóm lược q trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo thực hành Điện tâm đồ ứng dụng đào tạo Thiết bị. .. tâm đồ Hình Bộ thiết bị điện tâm đồ nhóm tác giả nghiên cứu, chế tạo với mục đích phục vụ đào tạo thực hành cho sinh viên Trường Đại học Điện lực Các đặc điểm thiết bị sau: Hệ số khuếch đại K... nhiệm vụ đảm bảo độ an toàn cao cho bệnh nhân ngồi cịn giảm nhiều ảnh hưởng can nhiễu điện lưới 50Hz Phần mạch cụ thể xét phần sau II THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ Mục tiêu: Thiết kế,