Nghiên cứu xử lý tín hiệu trong thiết bị theo dõi bệnh nhân

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MÃ SỐ: DƯƠNG TRỌNG LƯỢNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN HÀ NỘI 2006 BẢN CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung đề cập luận văn viết dựa kết nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đức Thuận Mọi thông tin số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn sử dụng luật quyền quy định Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên DƯƠNG TRỌNG LƯỢNG MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………….1 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN……………………………………………………………………… 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN……….3 1.2 PHÂN LOẠI………………………………………………………………… 1.3 CÁC CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN……………6 1.4 NHỮNG TÁC DỤNG CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN.7 1.5 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN… 1.6 CÁC THÔNG SỐ SINH HỌC CƠ BẢN CỦA BỆNH NHÂN MÀ THIẾT BỊ THEO DÕI THU NHẬN, XỬ LÝ VÀ HIỂN THỊ…………………………………9 1.6.1 Tín hiệu điện tim…………………………………………………9 1.6.1.1 Q trình hình thành tín hiệu điện tim.……………………9 1.6.1.2 Ghi (thu nhận) tín hiệu điện tim……………………………12 1.6.1.3 Đặc điểm tín hiệu điện tim…………………………….15 1.6.1.4 Sơ đồ khối q trình xử lý tín hiệu điện tim thiết bị theo dõi bệnh nhân…………………………………………………… 15 1.6.2 Nhịp tim……………………………………………………… 17 1.6.3 Nhiệt độ…………………………………………………… …17 1.6.3.1 Giới thiệu chung………………………………………….17 1.6.3.2 Đo nhiệt độ……………………………………………….17 1.6.3.3 Thực phép đo hợp lý…………………………………19 1.6.3.4 Sơ đồ khối phần xử lý hiển thị tín hiệu nhiệt độ thiết bị theo dõi bệnh nhân………………………………………… 20 1.6.4 Nhịp thở……………………………………………………….20 1.6.4.1 Giới thiệu chung hệ hô hấp người……………… 20 1.6.4.2 Phương pháp đo nhịp thở……………………………… 21 1.6.4.3 Sơ đồ khối trình xử lý tín hiệu thở thiết bị theo dõi bệnh nhân……………………….…………………………23 1.6.5 Huyết áp (Blood Pressure)…………………………………….24 1.6.5.1 Giới thiệu chung …………………………………… 24 1.6.5.2 Sự hình thành huyết áp ….……………………………25 1.6.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến huyết áp ……………… 26 1.6.5.4 Phương pháp đo huyết áp ………………………….…27 1.6.5.5 Sơ đồ khối q trình xử lý tín hiệu NIBP( huyết áp không xâm nhập) thiết bị theo dõi bệnh nhân ……………… …29 1.6.6 Độ bão hòa oxy máu ……………… ………………….30 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BÃO HÒA OXY TRONG MÁU.31 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG……………………………………………………… 31 2.1.1 Q trình oxy hóa khử oxy khóa thể người ………31 2.1.2 Hemoglobin ………………………………………………………33 2.1.3 Hypoxia hypoxaemia …………………………………………35 2.1.4 Áp suất thành phần ……………………………………………….35 2.2 SPO2 VÀ SaO2……………………………………………………………….35 2.3 ĐỘ BÃO HÒA OXY TRONG MÁU …………………………………… 37 2.4 ĐƯỜNG ĐẶC TUYẾN PHÂN TÁCH OXYHEMOGLOBIN ………….…38 2.5 TÁC DỤNG CỦA PHÉP ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU SPO2…… 42 CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ BÃO HÒA OXY DẠNG XUNG………………………………………………………………………46 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .…………………………………………………46 3.2 NGUYÊN LÝ CỦA PHÉP ĐO ĐỘ BÃO HỊA OXY KHƠNG CAN THIỆP PULSE OXYMETER .………………………………………………………47 3.2.1 Định luật Lambert-Beer hấp thụ ánh sáng ………… …47 3.2.2 Quan hệ hệ số hấp thụ HbO2 Hb với bước sóng sáng ……………………………………………………………… 48 3.2.3 Nguyên lý phép đo độ bão hòa oxy …………………… 48 3.2.4 Đường cong hiệu chỉnh thiết bị đo độ bão hòa oxy dạng xung.……………………………………………………………… 52 3.3 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐỘ BÃO HỊA OXY KHƠNG CAN THIỆP PULSE OXMETER ……………………………………… ……….54 3.3.1 Khối đầu đo ……………………………………… …………54 3.3.2 Khối định thời gian ……………………………… …………56 3.3.3 Khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại ……… ………….57 3.3.4 Lọc thông thấp …………………………………… …………57 3.3.5 Khối chuyển đổi dòng thành áp ………………… …………58 3.3.6 Khối giữ lấy mẫu ………………… …………………… 58 3.3.7 Lọc thơng dải………………… ………………………………59 3.4 KHẢO SÁT MƠ HÌNH HỆ THỐNG THU NHẬN VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU CẢI TIẾN Ở TRONG THIẾT BỊ ĐO ĐỘ BÃO HÒA OXY DẠNG XUNG………….59 3.4.1 Giới thiệu mơ hình hệ cải tiến ………………………………59 3.4.2.Chức khối mơ hình ………………………62 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ TÍN HIỆU SPO2 TRÊN MÁY TÍNH………………………………………………… 67 4.1 KHẢO SÁT DỮ LIỆU TỪ ĐẦU RA CỦA BỘ VI XỬ LÝ TỚI MÀN HÌNH HIỂN THỊ CỦA THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU SPO2….………… ……………… 67 4.1.1 Giao thức truyền tổ chức liệu (Phiên giao thức 1)…67 4.1.2 Giao thức truyền cách tổ chức liệu (Phiên giao thức 2)……………………………………………………………………68 4.1.3 Dạng liệu thu thông qua cổng COM từ Card thu nhận xử lý liệu đầu vào ……………………………………………69 4.2 CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ TÍN HIỆU SPO2 TRÊN MÁY TÍNH……….71 4.2.1 Lưu đồ thuật tốn……………………………………………….71 4.2.2 Ví dụ đoạn chương trình nguồn hiển thị tín hiệu SpO2 máy tính …………………………………………………………… 72 4.2.3 Giao diện chương trình máy tính …………………….78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………82 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….84 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Nghĩa A/D Analog to Digital Chuyển đổi tương tự - số AV AtrioVentricular Nhĩ thất tim Bp Blood Pressure Huyết áp máu Cb Coban Nguyến tử Coban Cathode ray tube Đèn chân khơng CRT COSfHb Carboxysulfhemoglobin Là dạng protein mang khí CO Sulfua CoHb CarboxyHemoglobin Là dạng protein mang khí CO ECG Electrocardiogram Điện tim đồ FET Field Effective Transistor Transistor trường Hb Hemoglobin Một dạng protein máu Oxyhemoglobin Protein kết hợp với oxy máu HR HeartRate Nhịp tim IBP Invasive Blood Pressure Phép đo huyết áp xâm nhập IR Infrared Hồng ngoại LA Left Arm Tay trái LL Left Leg Chân trái Liquid Crystal Display Hiển thị tinh thể lỏng Myoglobin Dạng protein mang oxy Methemoglobin Hemoglobin không kết hợp với oxy HbO2 LCD Mb Methb máu NiBP Non Invasive Blood Pressure Phép đo huyết áp không xâm nhập PO2 Partial Pressure of oxygen Áp suất riêng phần oxy SaO2 Saturation of oxy Độ bão hòa oxy SpO2 Saturation of peripheral oxy Độ bão hòa oxy máu đo vùng ngoại biên RA Right arm Tay phải RL Right Leg Chân phải RESP Respiration Hô hấp TEMP Temperature Nhiệt độ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị theo dõi bệnh nhân Hình 1.2 Dạng tín hiệu điện tim chuẩn Hình 1.3 Q trình thu tín hiệu điện tim thơng qua đạo trình Eithoven Hình 1.4 vị trí điện cực đặt vai phía đùi Hình 1.5 Q trình thu tín hiệu điện tim thơng qua đạo trình trước tim Hình 1.6 Sơ đồ khối trình xử lý tín hiệu điện tim thiết bị theo dõi bệnh nhân Hình 1.7 Mạch tuyến tính hóa cho điện trở nhiệt Hình 1.8 Sơ đồ khối phần xử lý hiển thị tín hiệu nhiệt độ Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống hơ hấp người Hình 1.10 Ngun lý đo trở kháng phổi Hình 1.11 Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi (hai điện cực) Hình 1.12 Sơ đồ khối q trình xử lý tín hiệu thở thiết bị theo dõi bệnh nhân Hình 1.13 Tự động đo huyết áp sử dụng phương pháp Korotkoff Hình 1.14 Mơ hình đo huyết áp sử dụng phương pháp dao động kế Hình 1.15 Sơ đồ khối trình xử lý tín hiệu NIBP thiết bị theo dõi bệnh nhân Hình 2.1 Cấu trúc hóa học Hemoglobin Hình 2.2 Đồ thị đường cong bão hịa oxy myoglobin hemoglobin Hình 2.3 Đường đặc tuyến phân tách HbO2 chuẩn Hình 2.4 Hiện tượng dịch chuyển sang trái đường đạc tuyến Hình 2.5 Hiện tượng dịch chuyển sang phải đường đặc tuyến Hình 3.1 Minh họa việc tính độ hấp thụ ánh sáng định luật Lambert Beer Hình 3.2: Phổ hấp thụ Hb HbO2 (ở điểm giao bước sóng hấp thụ hai dạng phân tử nhau) Hình 3.3 Tín hiệu nhận truyền ánh sáng qua đầu ngón tay Hình 3.4 Thành phần tín hiệu xung nhịp a.c thu ánh sáng truyền qua máu động mạch đầu ngón tay Hình 3.5 Đường cong hiệu chỉnh thể mối quan hệ tỉ số R độ bão hòa oxy máu bệnh nhân Hình 3.6 Sơ đồ khối thiết bị đo độ bão hịa oxy khơng can thiệp Hình 3.7 Sơ đồ khối đầu đo độ bão hòa oxy máu Hình 3.8 Sơ đồ mạch định thời gian tạo tần số phát sáng cho diode Hình 3.9 Đồ thị thời gian xung tạo từ mạch định thời gian Hình 3.10 Sơ đồ mạch chuyển đổi dịng - áp Hình 3.11 Mạch giữ lấy mẫu Hình 3.12 Mơ hình hệ thống thu nhận xử lý liệu thiết bị đo độ bão hịa oxy dạng xung cải tiến Hình 2.13 Sơ đồ khối nhỏ khối tính tốn hồi quy tuyến tính Hình 3.14 Đồ thị minh họa tập liệu điểm sử dụng để tìm hệ số góc phù hợp ứng với đường thẳng phù hợp Hình 4.1 Mơ hình định nghĩa byte phiên phản giao thức Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình hiển thị tín hiệu SpO2 máy tính Hình 4.3 Giao diện chung chương trình Hình 4.4 Giao diện Menu “chương trình” Hình 4.5 Giao diện Menu “chọn bệnh nhân” Hình 4.6 Giao diện Menu “chỉnh tốc độ” Hình 4.7 Giao diện Menu “trợ giúp”  ... THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN……………6 1.4 NHỮNG TÁC DỤNG CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN.7 1.5 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN… 1.6 CÁC THÔNG SỐ SINH HỌC CƠ BẢN CỦA BỆNH NHÂN... THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN……………………………………………………………………… 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT BỊ THEO DÕI BỆNH NHÂN……….3 1.2 PHÂN LOẠI………………………………………………………………… 1.3 CÁC CHỨC NĂNG CỦA THIẾT... Hình 1.5 Q trình thu tín hiệu điện tim thơng qua đạo trình trước tim Hình 1.6 Sơ đồ khối q trình xử lý tín hiệu điện tim thiết bị theo dõi bệnh nhân Hình 1.7 Mạch tuyến tính hóa cho điện trở