TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TRẦN VÕ CÔNG LUẬN
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ECG BỀ MẶT VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÚT THUỐC LÁ THỤ ĐỘNG
LÊN ECG BẰNG HỌC MÁY
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Tiến sĩ Nguyễn Trung Hậu
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Phó Giáo sư Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh Cán bộ chấm nhận xét 1 : Tiến sĩ Lưu Gia Thiện
Cán bộ chấm nhận xét 2 : Tiến sĩ Mai Hữu Xuân
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 09 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1 Chủ tịch: Tiến sĩ Lý Anh Tú
2 Thư ký: Tiến sĩ Nguyễn Xuân Thanh Trâm 3 Phản biện 1: Tiến sĩ Lưu Gia Thiện
4 Phản biện 2: Tiến sĩ Mai Hữu Xuân 5 Uỷ viên: Tiến sĩ Hoàng Mạnh Hà
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN VÕ CÔNG LUẬN MSHV: 2170962
Ngày, tháng, năm sinh: 12/05/1996 Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số : 8520401
I TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ECG BỀ MẶT VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÚT THUỐC LÁ THỤ ĐỘNG LÊN ECG BẰNG HỌC MÁY
A SURFACE ECG DEVICE DESIGN FOR INVESTIGATING ON ECG BASED ON MACHINE LEARNING
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1 Tiến hành thực hiện tổng quan các vấn đề chính liên quan trực tiếp tới đề tài Phương pháp đo 12 đạo trình ECG bề mặt Các thành phần của một thiết bị đo ECG bề mặt Các nghiên cứu về đề tài liên quan trong và ngoài nước
2 Thiết kế, chế tạo mạch đo ECG bề mặt hoạt động ở điện áp 5V và giao tiếp được với điện thoại di dộng thông minh thông qua Bluetooth
3 Thu thập mẫu ECG xây dựng cơ sở dữ liệu, huấn luyện mơ hình học máy khảo sát ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên ECG bề mặt
4 Đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng, thực nghiệm của thiết bị và các nghiên cứu đã được công bố, hướng phát triển của đề tài
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CBHD 1: TIẾN SĨ NGUYỄN TRUNG HẬU
CBHD 2: PHÓ GIÁO SƯ TIẾN SĨ HUỲNH QUANG LINH
Tp HCM, ngày tháng năm 2023
TRƯỞNG KHOA
KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN ĐÀO TẠO CHỦ NHIỆM
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến với giảng viên hướng dẫn – TS Nguyễn Trung Hậu, người đã luôn quan tâm, theo sát, chỉ bảo và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Bên cạnh đó, những buổi huấn luyện, dạy – học, trao đổi kiến thức từ thầy giúp em trang bị thêm được những kỹ năng cần thiết để chuẩn bị thật tốt trong quá trình thực hiện luận văn
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Huỳnh Quang Linh cùng các quý thầy cô bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật nói riêng và thầy cơ Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG.HCM nói chung Cảm ơn những kiến thức, kỹ năng cũng như kinh nghiệm quý báu mà các thầy cô đã truyền đạt lại trong suốt khoảng thời gian học tập và rèn luyện tại chính ngơi trường này Cảm ơn các thầy cô đã luôn dõi theo, kiểm tra tiến độ học tập, thường xuyên tổ chức những buổi hội thảo để em có thêm định hướng cũng như đưa ra những ý kiến hướng dẫn cho đề tài luận văn của em
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ths Lê Cao Đăng cùng Phòng thí nghiệm kỹ thuật y sinh 202-B4 đã tạo điều kiện, cung cấp các thiết bị cần thiết hỗ trợ cho việc thực hiện luận văn của em
Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn đến với gia đình, người thân, bạn bè Những người ln quan tâm, động viên, giúp đỡ em trong bất kỳ hoàn cảnh nào và là nguồn động lực mạnh mẽ nhất cả về vật chất lẫn tinh thần để em luôn nỗ lực trong việc học tập, rèn luyện và trong quá trình hồn thành luận văn này
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN
Theo nhiều nghiên cứu gần đây, hơn 8 triệu người sẽ chết mỗi năm do các nguyên nhân liên quan đến hút thuốc lá Hút thuốc lá có liên quan đến các tác động tiêu cực lên sức khỏe và là một trong những yếu tố nguy cơ cao nhất đối với bệnh tim mạch, đột quỵ, bệnh mạch máu ngoại vi và suy tim sung huyết [1] [2] [3] [4] Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng siêu âm tim đánh giá mức độ ảnh hưởng tiêu cực của khói thuốc lên sức khoẻ tim mạch Tuy nhiên phương pháp siêu âm tim này địi hỏi thiết bị hiện đại và trình độ cao của bác sĩ Một hướng tiếp cận khác là đánh giá thông qua các thông số Biến thiên Nhịp Tim HRV (Heart Rate Variability) [5] [6] [7] [8] [9]
Đã có nhiều nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá chủ động lên nhịp tim thông qua đánh giá HRV Tuy nhiên số lượng các nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim thơng qua HRV vẫn cịn hạn chế Trong các nghiên cứu đó, các thơng số được tính tốn thơng qua khoảng thời gian dài từ 5 phút đến 15 phút, gây khó khăn cho việc ứng dụng vào các thiết bị theo dõi theo thời gian thực
Trang 6ABSTRACT
According to many recent studies, more than 8 million people will die each year from smoking-related causes Smoking is associated with negative health effects and is one of the highest risk factors for cardiovascular disease, stroke, peripheral vascular disease, and congestive heart failure [1] [2] ] [3] [4] Many studies have used echocardiography to assess the negative effects of secondhand smoke on cardiovascular health However, this method of echocardiography requires modern equipment and high qualifications of doctors Another approach is to evaluate through the parameters of Heart Rate Variability (HRV) [6] [7] [8] [9] [10]
There have been many studies on the effect of active smoking on heart rate through HRV assessment However, the number of studies on the effect of passive smoking on heart rate through HRV is still limited In those studies, features were calculated over a long period of time from 5 minutes to 15 minutes, making it difficult to apply to real-time monitoring devices
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Trung Hậu và Phó Giáo sư Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chính xác và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác Những dữ liệu trong các bảng biểu và hình ảnh sử dụng phục vụ cho việc giải thích, nhận xét, đánh giá được tác giả xây dựng và thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trang 8MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN iii
ABSTRACT iv
LỜI CAM ĐOAN v
MỤC LỤC vi
DANH SÁCH HÌNH ẢNH vii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT xii
CHƯƠNG 1 MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI - 1 -
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 3 -
2.1 Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG) - 3 -
2.1.1 Các thành phần PQRST của một nhịp tim bình thường trên ECG - 6 -
2.1.2 Tam giác Einthoven và mười hai đạo trình ECG - 7 -
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN - 10 -
3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG - 10 -
3.1.1 Điện cực ECG - 10 -
3.1.2 Thiết kế mạch đo ECG và lọc nhiễu - 13 -
3.1.3 Vi điều khiển - 30 -
3.2 XỬ LÝ TÍN HIỆU - 36 -
3.2.1 Trích xuất các đặc trưng Heart Rate Variability (HRV) - 36 -
3.2.3 Mơ hình Mạng Nơ-ron nhân tạo (ANN) - 40 -
3.3 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM - 42 -
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ - 46 -
4.1 Kết quả - 46 -
4.2 Đánh giá - 63 -
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 64 -
Trang 9DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Điện thế màng tế bào 4
Hình 2.2 Các bơm Na+-K+-ATP được nhúng trong màng tế bào 5
Hình 2.3 Điện thế phân cực của tế bào ở trạng thái nghỉ 6
Hình 2.4 Hệ thống dẫn truyền tự nhiên của tim và mối liên hệ với các sóng PQRS 6
Hình 2.5 Các thành phần điển hình của một nhịp tim bình thường trên ECG 7
Hình 2.6 Hệ thống 12 đạo trình ECG 8
Hình 2.7 Ví dụ về 12 đạo trình ECG của một nhịp tim bình thường 9
Hình 3.1 Điện cực Ag/AgCl tiêu chuẩn Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực 11
Hình 3.2 Điện cực khơ loại có ghim Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực 11
Hình 3.3 Điện cực thép khơng gỉ Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực 12
Hình 3.4 IC khuếch đại thiết bị INA128 13
Hình 3.5 Sơ đồ chân bộ khuếch đại thiết bị INA128 14
Hình 3.6 Sơ đồ bố trí INA128 với điện trở khuếch đại và tụ lọc được khuyến cáo 15
Hình 3.7 Mạch nguyên lý của IC khuếch đại thiết bị INA128 16
Hình 3.8 Độ khuếch đại tương ứng điện trở khuếch đại 16
Hình 3.9 Thiết kế mạch đo ECG bằng bộ khuếch đại thiết bị INA128 17
Hình 3.10 Đầu kết nối PH 2.0 ba chân 18
Hình 3.11 IC LM324 19
Hình 3.12 Sơ đồ chân của IC LM324 20
Hình 3.13 Sơ đồ mạch lọc thơng thấp bậc hai Multiple Feedback 22
Hình 3.14 Sơ đồ mạch lọc thơng thấp bậc hai Sallen-Key 23
Hình 3.15 Thiết kế mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key với fc = 35 Hz 24
Hình 3.16 Thiết kế bộ lọc bậc cao bằng cách xếp tầng nhiều bộ lọc bậc hai 25
Trang 10Hình 3.18 Khối dịch điện áp 1,65 V đẩy tín hiệu ECG lên để thực hiện ADC 26
Hình 3.19 Bộ chuyển đổi điện áp IC 7660 tạo nguồn đôi ±5 V 27
Hình 3.20 Sơ đồ thiết kế hồn chỉnh của mạch điện thực hiện chức năng đo ECG và chuyển đổi Analog-to-Digital trên vi xử lý 28
Hình 3.21 Thiết kế mạch in trên phần mềm EasyEDA Hình bên trái: mặt trên của mạch in Hình bên phải: mặt dưới của mạch in 29
Hình 3.22 Vi xử lý ESP32 LOLIN32 Hình bên trái: mặt trên Hình bên phải: mặt dưới 31
Hình 3.23 Mơ tả GATT của một thiết bị server BLE 33
Hình 3.24 Mơ tả cách tính HRV cho một cửa sổ dữ liệu dài 2,5 giây 37
Hình 3.25 Mơ tả cấu trúc cơ bản của một mạng ANN (gồm các lớp input, hidden, output) 40
Hình 3.26 Mơ tả cơ bản của một perceptron 40
Hình 3.27 Hàm kích hoạt RELU 41
Hình 3.28 Hàm kích hoạt SIGMOID 41
Hình 3.29 Máy đo huyết áp chuyên dụng Terumo ES-P311 (Nhật Bản) 42
Hình 3.30 Lưu đồ quy trình thí nghiệm 43
Hình 3.31 Quy trình tiền xử lý dữ liệu 43
Hình 3.32 Lưu đồ huấn luyện mơ hình phân loại có hay khơng hút thuốc lá thụ động 44
Hình 3.33 Lưu đồ quy trình huấn luyện mơ hình hồi quy dự đốn giá trị huyết áp tâm thu và tâm trương từ mẫu ECG 45
Hình 4.1 Tín hiệu điện tim chưa qua lọc nhiễu 46
Hình 4.2 Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thơng thấp bậc 2 46
Hình 4.3 Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thông thấp bậc 4 47
Hình 4.4 Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thơng thấp bậc 6 47
Hình 4.5 Tín hiệu điện tim sau khi được chuyển đổi ADC 48
Hình 4.6 Tín hiệu điện tim sau khi được tiền xử lý bằng bộ lọc digital 48
Trang 11nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: khơng hút thuốc thụ động" 49
Hình 4.9 Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số pRRI50 thuộc hai nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: không hút thuốc thụ động" 50
Hình 4.10 Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số pRRI20 thuộc hai nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: không hút thuốc thụ động" 50
Hình 4.11a Giá trị của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" 52
Hình 4.11b Tỉ trọng của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" 52
Hình 4.12a Giá trị của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 0: khơng hút thuốc thụ động" 53
Hình 4.12b Tỉ trọng của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 0: khơng hút thuốc thụ động" 53
Hình 4.13 Hình so sánh ROC và AUC của các mơ hình ANN sử dụng các độ dài cửa sổ dữ liệu khác nhau 54
Hình 4.14 Biểu đồ cột so sánh độ chính xác giữa các mơ hình ANN 54
Hình 4.15 Hàm mất mát của mơ hình trong quá trình huấn luyện và đánh giá 55
Hình 4.16 Ma trận nhầm lẫn của mơ hình ANN tối ưu (mơ hình sử dụng cửa sổ dữ liệu dài 90 giây) 55
Hình 4.17 Hình so sánh ROC và AUC giữa các mơ hình sử dụng các phương pháp học máy khác nhau 56
Hình 4.18a Tương quan giữa giá trị RRI được mơ hình dự đốn và giá trị đúng (a) 57
Hình 4.18b Tương quan giữa giá trị RRI được mơ hình dự đốn và giá trị đúng (b) 57
Hình 4.19 Huyết áp tâm thu đo được từ máy Terumo ES-P311 58
Hình 4.20 Huyết áp tâm trương đo được từ máy Terumo ES-P311 58
Hình 4.21 Hàm mất mát mơ hình dự đốn huyết áp tâm thu 59
Hình 4.22 Hàm mất mát mơ hình dự đoán huyết áp tâm trương 59
Trang 13DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Chức năng chân INA128 14
Bảng 3.2 So sánh các bộ lọc thông dụng 21
Bảng 3.3 So sánh các cấu trúc mạch thông dụng 21
Bảng 3.4 Bảng so sánh BLE và Bluetooth Classic 32
Trang 14DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
HRV: Heart Rate Variability - Biến thiên nhịp tim 1
ECG: Electrocardiography - Điện tâm đồ 3
ANS: Autonomic Nervous System - Hệ thần kinh tự động 36
SNS: Sympathetic Nervous System - Hệ thần kinh giao cảm 36
PNS: Parasympathetic Nervous System - Hệ thần kinh phó giao cảm 36
Trang 15CHƯƠNG 1 MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Theo nhiều nghiên cứu gần đây, hơn 8 triệu người sẽ chết mỗi năm do các nguyên nhân liên quan đến hút thuốc lá Hút thuốc lá có liên quan đến các tác động tiêu cực lên sức khỏe và là một trong những yếu tố nguy cơ cao nhất đối với bệnh tim mạch, đột quỵ, bệnh mạch máu ngoại vi và suy tim sung huyết Các biến chứng tim mạch như nhồi máu cơ tim và đột tử do tim cũng liên quan đến việc hút thuốc lá chủ động Những người hút thuốc lá mãn tính có tỷ lệ co thắt động mạch vành tăng lên do tác dụng co mạch của việc hút thuốc lá lâu dài đối với hệ thống mạch vành Hút thuốc lâu dài có tác động có hại đến huyết áp và trương lực giao cảm, cũng như làm giảm q trình oxy hóa cơ tim Độ tuổi người hút thuốc lá ngày càng trẻ hoá và tỉ lệ phụ nữ hút thuốc lá cũng tăng lên [1] [2] [3] [4]
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng siêu âm tim đánh giá mức độ ảnh hưởng tiêu cực của khói thuốc lên sức khoẻ tim mạch Các nghiên cứu này chỉ ra độ suy giảm của phân suất tống máu thất trái LVEF (Left Ventricular Ejection Fraction), thể hiện độ suy giảm khả năng bơm máu của tim [10] Tuy nhiên phương pháp siêu âm tim này đòi hỏi thiết bị hiện đại và trình độ cao của bác sĩ Một hướng tiếp cận khác là đánh giá thông qua các thông số Biến thiên Nhịp Tim HRV (Heart Rate Variability) [5] [6] [7] [8] [9] Đo HRV là một phương pháp khơng xâm lấn và có thể được sử dụng để dự đoán các vấn đề sức khỏe do hút thuốc lá gây ra Sự bất thường của HRV có liên quan đến một số vấn đề về tim, bao gồm bệnh tim thiếu máu cục bộ và suy tim, và có thể dự đốn những bệnh này sẽ tiến triển như thế nào [11]
Trang 17CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG)
Điện tâm đồ (ECG hoặc EKG, viết tắt của từ tiếng Anh Electrocardiogram) là công cụ chẩn đốn được sử dụng rộng rãi nhất trong mơi trường chăm sóc sức khỏe ngày nay Điện tâm đồ cung cấp thông tin và đánh giá nhịp tim, phát hiện các thay đổi thiếu máu cục bộ và các thông tin khác để dự đoán sớm và điều trị nhanh nhồi máu cơ tim cấp và biến cố mạch vành
Việc phát hiện ra hiện tượng điện sinh học của tim và nghiên cứu về điện tâm đồ bắt nguồn từ đầu năm 1842 khi nhà vật lý người Ý Calo Matteucci phát hiện ra rằng một dòng điện đi kèm với mỗi nhịp đập của tim Năm 1878, các nhà sinh lý học người Anh John Burden Sanderson và Frederick Page đã ghi lại dòng điện của tim bằng một điện kế mao quản Năm 1887, nhà sinh lý học người Anh Augustus D Waller công bố điện tâm đồ đầu tiên của con người Kể từ đó, nhiều bác sĩ, kỹ thuật viên, nhà sinh lý học và kỹ sư trên khắp thế giới đã nỗ lực nghiên cứu điện tâm đồ [17]
Để đo điện sinh học của tim và ghi lại điện tâm đồ, người ta đã phát minh ra máy ghi điện tâm đồ Điện tâm đồ bao gồm ba phần: một thiết bị thu thập các tín hiệu điện cực nhỏ, một bộ khuếch đại để làm cho chúng đủ lớn để sử dụng và một thiết bị để thay đổi chúng thành một dạng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số Các điện cực đóng vai trị là thiết bị thu nhận tín hiệu, được đặt ở những vị trí xác định trên bề mặt cơ thể để cảm nhận hoạt động điện của tim Với điện cực, dòng ion trong cơ thể được chuyển thành dòng điện tử trong điện cực và dây dẫn Bằng cách sử dụng các điện cực, điện thế bề mặt cơ thể được ghi lại, với mục đích mơ tả đặc điểm của nguồn điện sinh học về vị trí, kích thước và hướng Đây được gọi là bài toán nghịch đảo, nghĩa là đi từ điện thế đo được trong môi trường dẫn điện đã biết và tính tốn trở lại các đặc tính nguồn của tim người để chẩn đoán
Trang 18liệu khác vì bạc có độ dẫn điện tốt và Ag/AgCl phân cực yếu, dẫn đến trở kháng tiếp xúc với điện cực da thấp và ổn định, do đó thu được tín hiệu có độ trung thực cao Do tính ưu việt của điện cực Ag/AgCl nên ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong đo điện tâm đồ thông thường Tuy nhiên, điện cực Ag/AgCl được sử dụng chất điện phân hoặc gel ướt, làm mất nước dần dần trong quá trình sử dụng, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Mặt khác, điện cực Ag/AgCl sẽ gây ra một số dị ứng da như kích ứng da, viêm da và các vấn đề về da khác Ngồi ra, các điện cực gel ướt dính vào da, gây khó chịu cho bệnh nhân Những vấn đề này đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cho điện cực gel ướt Ag/AgCl truyền thống
Tín hiệu ECG là phổ ghi điện sinh học của tim Một cơ chế cơ bản của điện sinh học là các bơm ion màng tế bào tiêu thụ năng lượng phân cực tế bào và điện thế hoạt động được tạo ra nếu tế bào bị kích thích và các kênh ion mở ra Quá trình khử cực cũng tạo ra dịng điện trong thể tích ngoại bào, một lần nữa dẫn đến sự khác biệt về điện thế sinh học có thể đo được trong mơ Sự phân cực của tế bào được tạo ra bởi các bơm ion, sử dụng năng lượng của quá trình thủy phân ATP để điều khiển các ion ngược với gradient điện hóa Cơ chế tiêu tốn năng lượng này phân cực tế bào sao cho phần bên trong tế bào dễ bị kích thích có điện thế khoảng −70 mV đối với chất điện phân ngoại bào Một bơm ion như vậy được nhúng trong màng tế bào, có khả năng tạo ra một dịng điện rịng qua màng và do đó tạo ra điện
Trang 19Hình 2.2 Các bơm Na+-K+-ATP được nhúng trong màng tế bào [17]
Trang 20Hình 2.3 Điện thế phân cực của tế bào ở trạng thái nghỉ
2.1.1 Các thành phần PQRST của một nhịp tim bình thường trên ECG
Hình 2.4 Hệ thống dẫn truyền tự nhiên của tim và mối liên hệ với các sóng PQRS Trái tim được chia thành bốn buồng về mặt giải phẫu: tâm nhĩ phải và trái chủ yếu để nhận máu, còn tâm thất phải và trái chủ yếu để bơm máu Hoạt động điện bắt đầu ở nút xoang nhĩ (SA: Sinus Atrium), được dẫn truyền và bị trì hỗn ở nút nhĩ thất (AVN: Atrial Ventrical Node), sau đó truyền theo bó His và cuối cùng là khử cực tâm thất Hình dạng của một ECG điển hình, được thể hiện như hình, có thể được chia thành bốn thành phần [17]:
Trang 21tâm thất), quá trình dẫn truyền sẽ chậm lại, gây ra sự chậm trễ để chỉ đường cơ sở được vẽ trên ECG
(3) Phức bộ QRS biểu thị sự khử cực của tâm thất Xung điện lần lượt lan đến nội tâm mạc, dưới màng cứng và thượng tâm mạc, tạo ra QRS
(4) Sóng T và U biểu thị sự tái cực của các tế bào tâm thất, do sự trở lại của các tế bào sang trạng thái nghỉ ngơi dẫn đến sóng T và một sóng nhỏ hơn sau phía sau là sóng U
Hình 2.5 Các thành phần điển hình của một nhịp tim bình thường trên ECG [17]
2.1.2 Tam giác Einthoven và mười hai đạo trình ECG
Trang 22Hình 2.6 Hệ thống 12 đạo trình ECG [17]
Đạo trình I ghi lại sự khác biệt điện áp giữa cánh tay trái và cánh tay phải, Đạo trình II ghi lại sự khác biệt điện áp giữa chân trái và cánh tay phải, Đạo trình III ghi lại sự khác biệt điện áp giữa chân trái và cánh tay trái Đạo trình đơn cực (aVR, aVL và aVF) đo điện áp tuyệt đối tại vị trí của điện cực dương (được đặt lần lượt trên cánh tay phải, cánh tay trái và bàn chân trái) và ghi lại sự khác biệt điện áp giữa hai chi Các tín hiệu được tăng cường vì chúng quá nhỏ để sử dụng Sáu chuyển đạo ngực (V1, V2, V3, V4, V5 và V6) ghi lại điện áp tim, truyền lên mặt phẳng nằm ngang của cơ thể như trong hình trên
Trang 24CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1.1 Điện cực ECG
Các tín hiệu sinh học như điện tâm đồ (ECG), điện cơ đồ (EMG) và điện não đồ (EEG) sử dụng các điện cực sinh học để hỗ trợ đo và ghi lại các tín hiệu Điện cực sinh học có khả năng chuyển đổi hoạt động điện sinh học trong cơ thể (dòng ion) thành dịng điện có thể đo và ghi lại được Hiệu suất của các điện cực không xâm lấn trong việc phát hiện tín hiệu sinh học phụ thuộc rất nhiều vào trở kháng của điện cực-da
Trở kháng da-điện cực cao sẽ dẫn đến chất lượng tín hiệu sinh học kém, biên độ tín hiệu thấp và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp Việc chọn loại điện cực thích hợp có thể đem lại trở kháng da-điện cực thấp và có thể kéo dài thời gian ghi hơn
Trong các điện cực không phân cực, các phản ứng khử/oxy hóa xảy ra ở bề mặt điện cực-da, trao đổi các hạt mang điện từ ion sang electron và ngược lại Gel điện phân được sử dụng với các điện cực không phân cực để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng điện hóa và giảm trở kháng vùng tiếp xúc da-điện cực
Trang 25Hình 3.1 Điện cực Ag/AgCl tiêu chuẩn Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực
Một loại điện cực sinh học khác là điện cực khô Các điện cực khô được chế tạo để tồn tại lâu hơn các điện cực ướt phổ biến trong lâm sàng như Ag/AgCl Lớp phủ của điện cực được làm bằng hỗn hợp các kim loại: bạc/bạc clorua, nhơm, vàng/vàng clorua, niken và titan Ưu điểm chính của việc sử dụng các điện cực khô là loại bỏ bước chuẩn bị da và khômg cầm sử dụng gel điện phân trong suốt thời gian ghi tín hiệu Hình dạng của điện cực khơ giúp nó tiếp xúc với da nhiều hơn so với trường hợp của điện cực thép không gỉ phẳng thông thường hoặc điện cực Ag/AgCl Điều này là do sự hiện diện của ghim (gai) làm tăng độ xuyên sâu của bề mặt điện cực vào da, nhờ đó đem lại hiệu quả giảm trở kháng điện cực-da
Trang 26Các loại điện cực khô như điện cực bằng thép không rỉ có ưu điểm độ bền cao, khơng địi hỏi phải sử dụng kèm các loại gel điện phân Tuy nhiên loại điện cực khô bằng thép không gỉ này có trở kháng lớp tiếp giáp da-điện cực cao đến khoảng 30kOhm đến 75kOhm Điều này dẫn đến độ nhiễu cao và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, không tối ưu cho các ứng dụng đo tín hiệu sinh học
Hình 3.3 Điện cực thép khơng gỉ Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực
Trang 273.1.2 Thiết kế mạch đo ECG và lọc nhiễu
3.1.2.1 Khối khuếch đại vi sai - INA128
Hình 3.4 IC khuếch đại thiết bị INA128
Trang 28Hình 3.5 Sơ đồ chân bộ khuếch đại thiết bị INA128 [19] Bảng 3.1 Chức năng chân INA128
Ký hiệ u Chân số Loại Mô tả
REF 5 Đầu vào điện áp tham chiếu Chân này phải có
trở kháng thấp hoặc nối đất
RG 1, 8 Chân cài đặt độ khuếch đại Điện trở khuếch đại
được đặt giữa chân 1 và chân 8
V- 4 Điện áp nguồn ±2,25 V đến ±18 V
hoặc 5 V-GND đến 36 V-GND
V+ 7 Điện áp nguồn
Vin- 2 Điện áp vào
Vin+ 3 Điện áp vào
Trang 30Hình 3.7 Mạch nguyên lý của IC khuếch đại thiết bị INA128 [19]
Trang 31Bên cạnh đó, với các ứng dụng có sử dụng vi xử lý và chức năng chuyển đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu số ADC (Analog to Digital Converter), người ta quan tâm tới giá trị điện áp mà vi xử lý có thể chuyển đổi được mà không làm hư hỏng thiết bị, thông thường là từ 0 V đến 5 V Người ta có thể chuyển mức điện áp tham chiếu để giải quyết vấn đề này Để thực hiện việc chuyển mức điện áp, một nguồn điện áp có thể được kết nối với chân REF để chuyển mức đầu ra lên mức điện áp mong muốn Các thiết bị tham chiếu điện áp được dùng để cung cấp nguồn điện áp có trở kháng thấp cho chân tham chiếu Ngồi ra cịn có thể dùng bộ chia điện áp bằng điện trở để tạo ra điện áp tham chiếu, điện áp đó nên được đệm bằng OpAmp để tránh suy giảm CMRR
Trang 32Bộ khuếch đại thiết bị INA128 được sử dụng để thực hiện chức năng khuếch đại vi sai điện áp giữa hai vị trí của đạo trình ECG cần đo Trong đó, chân số 1 và chân số 8 được nối vào điện trở 47 Ohm, nhờ đó điều chỉnh độ khuếch đại G = 1065 lần Chân số 2 (Vin-) được nối vào điện cực tay phải Chân số 3 (Vin+) được nối vào điện cực tay trái Với các vị trí này, đạo trình ECG I được đo đạc và ghi nhận Ngồi ra chân số 5 (REF) được nối với điện cực chân phải và điện áp tham chiếu GND Chân số 4 và chân số 7 lần lượt được nối với điện áp nguồn âm (Vin- : -5 V) và điện áp nguồn dương (Vin+ :5 V) Điện áp đầu ra (VO) tại chân số 6 được đưa tiếp vào các mạch lọc nhiễu
Thiết kế có sử dụng đầu kết nối PH 2.0 với ba chân để kết nối với ba dây điện tim có thể tháo rời Hai dây cho hai vị trí tay phải (Vin-), tay trái (Vin+) và một dây cho vị trí chân phải (REF)
Trang 333.1.2.2 Khối lọc thông dải - LM324
Hình 3.11 IC LM324
LM324 là bộ khuếch đại chứa bốn OpAmp bên trong Bộ khuếch đại LM324 có thể hoạt động ở điện áp cung cấp thấp tới 3 V hoặc cao tới 32 V với dòng điện nghỉ rất thấp Phạm vi điện áp đầu vào bao gồm cả điện áp nguồn âm Dải điện áp đầu ra cũng bao gồm điện áp nguồn âm Đặc trưng của IC LM324 [20]:
• Đầu ra được bảo vệ ngắn mạch • Các khối đầu vào vi sai
• Hoạt động bằng điện áp nguồn cung cấp: 3,0 V đến 32 V • Dịng phân cực đầu vào thấp: Tối đa 100 nA (LM324A) • Bốn bộ khuếch đại (OpAmp) mỗi IC LM324
• Tích hợp thiết kế bù trừ bên trong IC
• Phạm vi điện áp chung mở rộng đến tận điện áp nguồn âm • Sơ đồ chân đạt tiêu chuẩn công nghiệp
Trang 34Hình 3.12 Sơ đồ chân của IC LM324 [20]
Các bộ lọc Butterworth, bộ lọc Bessel hoặc bộ lọc Chebyshev có hàm truyền có cùng hệ số như đa thức Butterworth, Bessel hoặc Chebyshev Mạch MFB (Multiple Feedback) hoặc mạch Sallen-Key cũng thường được gọi là bộ lọc MFB/bộ lọc Sallen-Key Sự khác biệt là bộ lọc Butterworth xác định chức năng truyền có thể được thực hiện bởi nhiều cấu trúc liên kết mạch khác nhau (cả chủ động và thụ động), trong khi mạch MFB hoặc Sallen-Key xác định kiến trúc hoặc cấu trúc liên kết mạch có thể được sử dụng để thực hiện nhiều bộ lọc bậc hai
Trang 35Bảng 3.2 So sánh các bộ lọc thông dụng [21]
Bộ lọc Điểm mạnh Điểm yếu
Butterworth Độ phẳng thông dải tối đa Khuếch đại quá mức khi đáp ứng với đầu vào xung và tốc độ suy giảm trung bình với tín hiệu có tần số lớn hơn tần số cắt
Bessel Độ trễ nhóm khơng đổi - không
khuếch đại quá mức với đầu vào xung
Tốc độ suy giảm chậm với tín hiệu có tần số lớn hơn tần số cắt
3-dB Chebyshev Tốc độ suy giảm nhanh với tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt
Khuếch đại quá mức khi đáp ứng với đầu vào xung
Bảng 3.3 So sánh các cấu trúc mạch thông dụng [21]
Cấu trúc mạch Điểm mạnh Điểm yếu
Sallen-Key Không bị thay đổi khi có sự thay đổi thành phần linh kiện (với độ khuếch đại G = 1)
Đáp ứng tần số cao bị giới hạn bởi đáp ứng tần số của bộ khuếch đại OpAmp
MFB Ít bị thay đổi hơn khi có sự thay
đổi thành phần linh kiện - đáp ứng tần số cao tốt
Cấu trúc phức tạp, khó thiết kế
Nếu tồn tại một bộ lọc thông thấp lý tưởng, nó sẽ loại bỏ hồn tồn các tín hiệu trên tần số cắt và truyền hồn hảo các tín hiệu dưới tần số cắt Trong các bộ lọc thực tế, nhiều sự đánh đổi khác nhau được thực hiện để có được hiệu suất tối ưu cho từng ứng dụng nhất định
Trang 36Trên tần số cắt, mức suy giảm là –20 dB/deca/bậc lọc Đáp ứng nhất thời của bộ lọc Butterworth đối với đầu vào xung cho thấy độ vọt lố vừa phải
Bộ lọc Bessel được tối ưu hóa cho độ trễ thời gian phẳng tối đa (hoặc độ trễ nhóm khơng đổi) Điều này có nghĩa là chúng có đáp ứng pha tuyến tính và đáp ứng nhất thời tốt đối với đầu vào xung Tuy nhiên độ phẳng của dải thông và tốc độ giới hạn kém Tần số cắt được định nghĩa là điểm –3 dB
Bộ lọc Chebyshev được thiết kế để có độ gợn sóng trong dải thơng, nhưng độ lệch dốc lớn sau tần số cắt Tần số cắt được định nghĩa là tần số mà tại đó đáp ứng giảm xuống dưới dải gợn sóng Đối với một thứ tự bộ lọc nhất định, có thể đạt được mức cắt dốc hơn bằng cách cho phép nhiều gợn dải thông hơn Đáp ứng nhất thời của bộ lọc Chebyshev đối với đầu vào xung cho thấy độ vọt lố nhiều hơn so với bộ lọc Butterworth
Khi thiết kế bộ lọc, có hai cấu trúc liên kết có thể được sử dụng: cấu trúc liên kết Sallen-Key, là mạch không đảo ngược hoặc cấu trúc liên kết Đa phản hồi (MFB), tạo ra mạch lọc bậc hai đảo ngược
Hình 3.13 Sơ đồ mạch lọc thơng thấp bậc hai Multiple Feedback [21]
Trang 37Đa thức Butterworth u cầu ít cơng việc nhất trong ba loại bộ lọc vì hệ số tỷ lệ tần số ln bằng một Hình bên dưới biểu thị kiến trúc bộ lọc Butterworth Sallen-Key thông thấp:
Trang 38Hình 3.15 Thiết kế mạch lọc thơng thấp bậc hai Sallen-Key với fc = 35 Hz Vì tín hiệu ECG mang nhiều năng lượng trong vùng tần số từ 0 đến 40 Hz, từ
đó đề tài thiết kế mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key với tần số cắt fc = 35 Hz
Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng điện trở R5 = R6 = 51 kOhm, sử dụng tụ điện C5 = C6 = 0,1 uF Điện áp ngõ ra (chân số 8) được hồi tiếp vào vị trí điện áp ngõ vào có đảo (chân số 9) mà khơng nối tiếp với điện trở nào, giữ nguyên giá trị điện áp / khơng thực hiện khuếch đại tín hiệu
Xếp tầng nhiều bộ lọc: Khái niệm xếp tầng các bộ lọc bậc hai để tạo ra các
bộ lọc bậc cao hơn được minh họa trong hình bên dưới Bộ lọc được chia thành các bậc thấp hơn có thể được thực hiện bởi Sallen-Key, MFB hoặc sự kết hợp của các kiến trúc Để triển khai bộ lọc bậc n, cần có n/2 bộ lọc bậc hai xếp tầng lại với nhau Ngồi ra cịn có thể mở rộng khái niệm cho các bộ lọc bậc lẻ bằng cách thêm một bộ lọc bậc một vào kiến trúc
Trang 39thứ tự bộ lọc có Q nhỏ nhất ở gần điện áp đầu vào và bộ lọc có Q cao nhất ở gần điện áp đầu ra Hình bên dưới minh hoạ cách sắp xếp thứ tự các bộ lọc bậc hai để thực hiện một bộ lọc bậc cao
Hình 3.16 Thiết kế bộ lọc bậc cao bằng cách xếp tầng nhiều bộ lọc bậc hai Đề tài sử dụng ba bộ lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key có cùng tần số cắt fc = 35 Hz xếp tầng lại với nhau để thu được bộ lọc thơng thấp bậc sáu Nhờ thiết kế này có thể tối đa việc khử nhiễu của các nguồn nhiễu bên ngoài như điện từ trường
Trang 40Hình 3.17 Thiết kế mạch lọc thơng cao bậc hai Sallen-Key với fc = 0,7 Hz