Cơ sở lý thuyết chung về máy điện tim

lời mở đầu Hiện nay để chuẩn đoán bệnh cho các bệnh nhân mắc bệnh tim mạch th- ờng sử dụng hệ thống ghi điện tử các giản đồ tín hiệu điện tim (ECG). Đặc biệt là phơng pháp Holter đang đợc sử dụng rộng rãi, ghi liên tục (khoảng 24 tiếng ) tín hiệu ECG đo từ các điện cực gắn trên khoang ngực của bệnh nhân nối với một máy đo xách tay. Ban đầu các tín hiệu ECG đợc ghi trên băng từ, sau đó đợc cải tiến ghi vào các bộ nhớ RAM. Khi đọc và xử lý tín hiệu ECG ghi đợc trên bệnh nhân, ngời ta thấy rằng phần lớn các tín hiệu ghi đợc là các tín hiệu biểu thị nhịp tim bình thờng, các tín hiệu này không phục vụ cho việc chuẩn đoán bệnh, chỉ có một vài chu kỳ biểu thị nhịp tim không bình thờng kèm theo sự thay đổi hình dạng của ECG. Nh vậy dùng phơng pháp Holter tốn rất nhiều bộ nhớ để ghi các tín hiệu không phục vụ cho chuẩn đoán bệnh trong khi đó bộ nhớ của máy ghi không đủ để có thể ghi lại các chu kỳ bệnh lý dài hơn. Để tiết kiệm phần lớn bộ nhớ của một máy ghi điện tim xách tay nhỏ tôi đã thiết kế cài đặt mạch xử lý tín hiệu trong thời gian thực ghi liên tục và xử lý tức thời các tín hiệu thu đợc nhằm giữ lại các tín hiệu có biểu hiện dạng không bình thờng của bệnh nhân. Còn các tín hiệu dạng bình thờng chiếm một phần lớn bộ nhớ của máy ghi sẽ bị loại bỏ. Trong khuôn khổ nghiên cứu, tôi đã sử dụng Card xử lý số tín hiệu DSP56002EVM của hãng Motorola và dùng phơng pháp nhận dạng để phân loại tín hiệu điện tim. Sau khoảng thời gian làm luận văn, tôi đã hoàn thành nhiệm vụ đợc giao. Tiến hành thử nghiệm thu đợc kết quả tốt. Tuy nhiên vì thời gian có hạn chắc chắn không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót, kính mong các thầy cô góp ý để thiết bị đợc hoàn thiện hơn. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kĩ Thuận Đo và Tin Học Công Nghiệp-Khoa Điện và các bạn đồng nghiệp trong và ngoài trờng, đặc biệt là giáo viên hớng dẫn Tiến sĩ Phạm Ngọc Yến đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận văn này. Hà nội, ngày 10 tháng 12 năm 2002 1 Phần I: Lý thuyết tín hiệu ĐIệN TIM và hệ thống các chuyển đạo - Dòng sinh học là dòng sinh ra do sự hoạt động của các tế bào sống. - Dòng sinh hoá là dòng gây nên bởi sự thay đổi nồng độ iôn trong và ngoài tế bào. Tế bào là đơn vị sống nhỏ nhất của sinh vật. Tế bào gồm nhân tế bào, màng tế bào, chất nguyên sinh. Nhân tế bào giữ chức năng sinh sản, màng tế bào giữ chức năng trao đổi với môi trờng. Nguyên sinh chất giữ chức năng mang tải các chất dinh dỡng và các chất đào thải. Màng tế bào có tính bán thẩm thấu do đó duy trì những nồng độ khác nhau của các vật trong và ngoài tế bào. Hình vẽ 1.1 Sức điện động của các điện cực của một dung dịch điện phân. E = E 0 + C nF RT ln Khi hai tế bào nồng độ C 1 , C 2 khác nhau nối với nhau bằng một cầu điện hóa. E = E 0 + 2 1 ln C C nF RT ở 18 o C E = 0.058.log 2 1 C C 2 Conductance (mesure ò pẻmeability) Na + K + 0 1 2 3 4 Time, ms mV k+ (-75mV) Na+ (+55mV) m (-61mV) 0 1 2 3 4 Time, ms +60 +30 0 -30 -60 -90 Nếu hai môi trờng là chất khác nhau E = 22 11 ln fC fC nF RT 1 F :hệ số hoạt động của các chất C1; f2 hệ số hoạt động của các chất C2 Biến đổi E = 2 1 ln C C vu vu x nF RT + u hệ số hoạt động về điện áp dòng gây nên hai bên màng bán thấm của cation. v hệ số hoạt động về điện áp dòng gây nên hai bên màng bán thấm của anion. Chất H + K + Na + NH 4 + 1/2Mn ++ U,v 32.7 6.7 4.5 6.7 4.5 Chất 1/2Ca ++ OH - Cl - HCO - 1/2SO 4 U,v 5.3 18 6.8 4.6 7.1 Đa điện cực vào trong và ngoài tế bào xuất hiện điện sức điện động: E = E k + E Na + E E k = + + e i K K F RT ln E Na = + + e i Na Na Ln F RT 5020 ữ= = + + e i e i Cl Cl K K 10 1 = + + e i Na Na Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài tế bào sẽ trở thành âm tính tơng đối (bị khử mất cực dơng) so với mặt trong: ngời ta gọi là hiện tợng khử cực (depolarisation). Sau đó, tế bào lập lại thế thăng bằng ion nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dơng tính tơng đối (tái lập cực dơng) ngời ta gọi đó là hiện tợng tái cực (repolarisation). Hình vẽ 1.2 !"# Ngày nay khoa điện sinh lí học hiện đại đã cho ta biết rõ, dòng điện do tim phát ra vì đâu mà có ? Đó là do sự biến đổi hiệu điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài màng tế bào cơ tim. Sự biến đổi hiệu điện thế này bắt nguồn từ sự di chuyển của các ion (K + , Na + ) từ ngoài vào trong tế bào và từ trong ra ngoài khi tế bào cơ tim 3 hoạt động, lúc này tính thẩm thấu của màng tế bào đối với các loại ion luôn luôn biến đổi. $ :Sự di chuyển của các ion Na + ,K + ,Ca ++ qua màng tế bào, hình thành đờng cong điện thế hoạt động, nguồn gốc của dòng điện tim Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài màng tế bào sẽ trở thành âm tính tơng đối (bị khử mất cực dơng) so với mặt trong: ngời ta gọi đó là hiện tợng khử cực (despolarisation) (Hình1và2). %: Khử cực (b) và tái cực (c) trên một tế bào đơn giản. Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dơng tính tơng đối (tái lập cực dơng): ngời ta gọi đó là hiện tợng tái cực (repolaisation). $& #' #( Điện tâm đồ là một đờng cong ghi lại các biến thiên của các điện lực do tim phát ra trong hoạt động co bóp. Điện lực đó rất nhỏ, chỉ tính bằng milivôn nên rất khó ghi. Cho đến năm 1903, Einthoven mới lần đầu ghi đợc nó bằng một điện kế có đầy đủ mức nhạy cảm. 4 Phơng pháp ghi điện tim đồ cũng giống nh cách ghi các đờng cong biến thiên tuần hoàn khác: ngời ta cho dòng điện tim tác động lên một bút ghi làm bút này dao động qua lại và vẽ lên một mặt giấy, nó đợc động cơ chuyển động đều với một tốc độ nào đó. Ngày nay, ngời ta đã sáng chế ra rất nhiều loại máy ghi điện tim nhạy cảm, tiện lợi. Các máy đó có bộ phận khuếch đại bằng đèn điện tử hay bán dẫn và ghi điện tim đồ trực tiếp lên giấy hay vẽ lên màn huỳnh quang. Ngoài ra, chúng còn có thể có một hay nhiều dòng, ghi đồng thời đợc nhiều chuyển đạo cùng một lúc, ghi điện tim đồ liên tục 24 giờ trên băng của một máy gắn nhỏ gắn vào ngời (Cardiocassette Type Holter). %) # Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng dày mỏng không đều nhau, co bóp khác nhau. Cấu trúc phức tạp đó làm cho dòng điện hoạt động của tim (khử cực và tái cực) cũng biến thiên phức tạp hơn ở tế bào đơn giản nh đã nói ở trên. *Tim với hệ thần kinh tự động của nó. Quy ớc mắc điện cực và định nghĩa sóng âm sóng dơng. 5 Tim hoạt động đợc là nhờ một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động của tim. Đầu tiên, xung động đi từ nút xoang toả ra cơ nhĩ làm cho nhĩ khử cực trớc; nhĩ bóp trớc đẩy máu xuống thất. Sau đó nút nhĩ-thất Tawara tiếp nhận xung động truyền qua bó His xuống thất làm thất khử cực: lúc này thất đã đầy máu sẽ bóp mạnh đẩy máu ra ngoài biên. Hiện tợng nhĩ và thất khử cực lần lợt trớc sau nh thế chính là để duy trì quá trình huyết động bình thờng của hệ thống tuần hoàn. Đồng thời điều đó cũng làm cho điện tim đồ bao gồm hai phần: một nhĩ đồ, ghi lại dòng điện của nhĩ, đi trớc, và một thất đồ, ghi lại dòng điện của thất đi sau. Để thu đợc dòng điện tim, ngời ta đặt những điện cực của máy ghi điện tim lên cơ thể. Tuỳ theo chỗ đặt các điện cực, hình dáng điện tim đồ sẽ khác nhau. Nhng trong mấy ví dụ dới đây, để cho thống nhất và đơn giản, quy ớc (Hình1.5) đặt điện cực dơng (B) ở bên trái quả tim và điện cực âm (A) ở bên phải quả tim. Nh vậy (Hình1.5): - Khi tim ở trạng thái nghỉ (tâm trơng) không có dòng điện nào qua máy và bút sẽ chỉ ghi lên giấy một đờng thẳng ngang, ta gọi đó là đờng đồng điện (isoelectric line). - Khi tim hoạt động (tâm thu) điện cực B thu đợc một điện thế dơng tính t- ơng đối so với điện cực thì bút sẽ vẽ lên giấy một làn sóng dơng, nghĩa là ở mé trên đờng đồng điện. Trái lại, điện cực A dơng tính tơng đối thì bút sẽ vẽ lên một làn sóng âm, nghĩa là ở mé dới đờng đồng diện. %+,(- ./!",0 Nh trên đã nói, xung động đi từ nút xoang (ở nhĩ phải) sẽ toả ra làm khử cực cơ nhĩ nh hình các đợt sóng với hớng chung là từ trên xuống dới và từ phải sang trái (Hình1.6). Nh vậy, véctơ khử cực nhĩ có hớng từ trên xuống dới và từ phải sang trái, làm với đờng ngang một góc 49 o (Hình1.6), đờng thẳng nằm trùng với véctơ này gọi là trục điện nhĩ. 6 Lúc này, điện cực B sẽ là dơng tơng đối và ta có thể ghi đợc một sóng dơng thấp, nhỏ, tầy đầu với thời gian khoảng 0.08s gọi là sóng P. Do đó, trục điện nhĩ gọi là sóng P kí hiệu là ÂP (P axis). Khi nhĩ tái cực nó phát ra một sóng âm nhỏ gọi là sóng Ta (auricular T). Nhng ngay lúc này cũng xuất hiện khử cực thất với điện thế mạnh hơn nhiều. Nên trên điện tâm đồ gần nh ta không thấy sóng T nữa. Kết quả nhĩ đồ chỉ thể hiện trên điện tâm đồ một sóng đơn độc là sóng P. 1 Nhĩ đồ a) Quá trình khử cực ở nhĩ ; trục điện nhĩ; b) Nhĩ đồ bình thờng: sóng P; c) Nhĩ đồ khi chuyển đạo thực quản, chuyển đạo trong buồng tim hay đặt điện cực trực tiếp lên nhĩ (mổ tim, thực nghiệm) 7 %2(-34. !"20 "0 &56 Ngay khi nhĩ còn đang khử cực thì xung động đã bắt vào nút nhĩ-thất rồi truyền qua thân và hai nhánh bó His xuống khử cực thất. Việc khử cực bắt đầu từ phần giữa liên thất đi xuyên qua mặt phải vách này, tạo ra một véctơ khử cực đầu tiên hớng từ trái sang phải: điện cực A sẽ dơng tính tơng đối và máy ghi đợc một sóng âm nhỏ nhọn gọi là sóng Q (Hình1.7a). Sau đó xung động truyền xuống và tiến hành khử cực đồng thời cả 2 tâm thất theo hớng xuyên qua bề dày cơ tim. Lúc này, véctơ khử cực hớng nhiều về bên trái hơn vì thất trái dày hơn và tim nằm nghiêng về bên trái. Do đó, véctơ khử cực chung hớng từ phải qua trái và điện cực B lại dơng cao hơn, nhọn gọi là sóng R (Hình1.7b). Sau cùng khử cực nốt vùng cực đáy thất, lại hớng từ trái sang phải, máy ghi đợc sóng âm nhỏ gọi là sóng S (Hình1.7c). 8 7Qu¸ tr×nh khö cùc thÊt vµ sù h×nh thµnh phøc bé QRS. 9 Tóm lại, khử cực thất bao gồm 3 làn sóng cao nhọn Q, R, S biến thiên phức tạp nên đợc gọi là phức bộ QRS (QRS complex).Vì nó có sức điện động tơng đối lớn lại biến thiên nhanh trong một thời gian ngắn, chỉ khoảng 0,07s nên còn gọi là phức bộ nhanh. Trong phức bộ này sóng chính lớn nhất là sóng R. Nếu đem tổng hợp 3 véctơ khử cực lại ta đợc véctơ khử cực trung bình hớng từ trên xuống dới, từ phải qua trái và làm với đờng ngang một góc 58 o . Véctơ này gọi là trục điện trung bình của tim hay trục điện tim. 06 Thất khử cực xong sẽ qua giai đoạn tái cực chậm, không thể hiện trên điện tâm đồ bằng một sóng nào hết mà chỉ là một đoạn thẳng đồng điện gọi là đoạn T_S. Sau đó là thời kì tái cực nhanh (sóng T). Tái cực có xu hớng đi xuyên qua cơ tim, từ lớp dới thợng tâm mạc tới lớp d- ới nội tâm mạc. Sở dĩ tái cực đi ngợc chiều với khử cực là vì nó tiến hành đúng vào lúc tim co bóp với cờng độ mạnh nhất, làm cho lớp cơ tim dới nội tâm mạc bị lớp ngoài nén vào mạnh nên tái cực muộn đi. Do đó, tuy tiến hành ng- ợc chiều với khử cực, nó vẫn có véctơ tái cực hớng từ trên xuống dớivà từ phải qua trái làm phát sinh làn sóng dơng thấp, tầy đầu gọi là sóng T (Hình1.8). 8Quá trình tái cực và sự hình thành sóng T Sóng T này không đối xứng và còn gọi là sóng chậm vì nó kéo dài 0.2s. Sau khi sóng T kết thúc có thể thấy một sóng chậm, nhỏ gọi là sóng U. Đây là giai đoạn muộn của tái cực. 10 [...]... trơng toàn thể của tim 5 Hệ thống các chuyển đạo: Cơ thể con ngời là một môi trờng dẫn điện, vì thế dòng điện do tim phát ra đợc truyền đi khắp cơ thể, biến cơ thể thành điện trờng của tim Nếu đặt 2 điện cực lên bất cứ điểm nào đó của điện trờng này, ta thu đợc dòng điện thể hiện điện thế giữa hai điểm đó gọi là chuyển đạo hay đạo trình (Lead) Nó thể hiện trên máy ghi bằng một đờng cong điện tâm đồ có... Nhánh nội điện muộn quá 0.055s Hình1.15: Các triệu chứng của bệnh Bloc nhánh trái hoàn toàn 18 Chơng II: Giới thiệu máy điện tim đã đợc nghiên cứu I Những vấn đề chung của máy điện tim 1.1 Đặc điểm của máy điện tim : Dòng điện hoạt động của tim là tín hiệu một chiều rất nhỏ biến thiên chậm nên rất dễ bị ảnh hởng của các nguyên nhân tác động của bên ngoài nh điện lới công cộng, các thiết bị điện khác... bằng ngôn ngữ máy 23 ChơngIII: phơng pháp nhận dạng hình dáng tín Hiệu điện tim Sau khi phân tích đờng cong điện tim đồ, tim ra các dấu hiệu bệnh lý, các bác sĩ chuyên khoa về tim mạch đã tập hợp chúng lại thành những hội chứng điện tim đồ, rồi dựa vào đó mà chuẩn đoán bệnh Có hai loại hội chứng đợc xét đến là: - Các hội chứng về hình dạng sóng: Các bệnh lý làm thay đổi hình dạng điện tim đồ chuẩn -... thì phải có bộ chuyển đổi tơng tự số (A/D) Việc thiết kế hệ điện tim dùng vi xử lý hay máy điện toán ngoài thiết kế phần cứng nh mạch điện, còn phải thiết kế phần mềm để vi xử lý thực hiện các chức năng đề ra 22 Ghép nối thiết bị điện tim với máy điện toán đơn giản hơn xây dựng từ vi xử lý Công việc phần cứng là thiết kế chế tạo phần điện tim và ghép nối Phần ghép nối bao gồm mạch vào/ra, mạch chuyển... ghi điện tim hiện đại : Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điện tử y tế nói chung và thiết bị ghi điện tim nói riêng ngày càng có thêm nhiều tính năng Việc xử dụng kỹ thuật vi xử lý và ghép nối thiết bị ghi điện tim với mạch điện toán đã nâng cao tính năng và chất lợng của thiết bị ở mức độ bình thờng chúng có thể lu trữ số liệu, so sánh cập nhật và in các số liệu về điện tim. .. (horixontal plane) hay phần nằm ngang 14 Hình1.12: Vị trí đặt điện cực của các chuyển đạo trớc tim 6 Đặc điểm của tín hiệu điện tim: Về nguồn gốc tín hiệu điện tim đã trình bày ở trên, phần này sẽ trình bày các dặc trng cơ bản của tín hiệu điện tim: - Tín hiệu điện tim là tín hiệu có dạng phức tạp với tần số lặp lại khoảng từ 0.05-300Hz Về hình dạng các sóng P, Q, R, S, T, U, V đợc trình bày ở mục... với các đại lợng số (đếm đợc) khác với khái niệm điện tim mà chúng ta đang xét ở trên là đại lợng liên tục (tơng tự) Vì thế tín hiệu điện tim trớc khi đa vào vi xử lý hay máy điện toán phải chuyển đổi sang dạng số Thông tin này là dữ liệu về điện tim Cũng không thể lấy quá nhiều dữ liệu Cứ cách một khoảng thời gian nào đó ngời ta mới lấy tín hiệu điện tim đa vào bộ chuyển đổi ra dạng số Bộ chuyển đổi... toán cũng có sơ đồ nh vậy Trong máy điện toán cũng dùng vi xử lý àP là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh toán học, logic và chuyển dữ liệu.RAM là bộ nhớ tạm thời, ROM là bộ nhớ chỉ đọc Đồng hồ CPU (àP) ROM Lấy mẫu A/D và I/O ECG điều khiển Hiển thị bàn phím, máy in RAM I/O I/O Băng đĩa từ I/O Hình 2.1: Sơ đồ khối của thiết bị ghi điện tim dùng vi xử lý (àP) 21 Vi xử lý và máy điện toán chỉ làm việc với các... dòng dò tăng, điện cực tiếp xúc xấu.Với kích thớc gọn nhẹ, giá thành ngày càng hạ, chắc chắn chúng sẽ thâm nhập ngày càng sâu hơn vào các bệnh viện và phòng khám bệnh, không chỉ ở các bệnh viện, trung tâm y tế lớn mà còn ở các tuyến dới, tơng lai có thể đến tận các tuyến cơ sở Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối của một thiết bị ghi điện tim sở dụng vi xử lý Thiết bị ghi điện tim ghép nối với máy điện toán cũng... cũng dễ bị tác động của các dòng điện phát sinh từ các cơ quan khác nh cơ và da bệnh nhân Nếu việc gắn điện cực lên bệnh nhân không tiếp xúc tốt thì tín hiệu cũng dễ bị sai lệch Khi có các nguồn nhiễu ở bên ngoài tác động lên các điện cực và sẽ đợc qua mạch khuyếch đại lên cùng với tín hiệu điện tim Các tín hiệu nhiễu này nh là các tín hiệu đồng pha, vì vậy máy điện tim cần có khả năng chống nhiễu tốt, . toàn thể của tim. * ;9<. Cơ thể con ngời là một môi trờng dẫn điện, vì thế dòng điện do tim phát ra đợc truyền đi khắp cơ thể, biến cơ thể thành điện trờng của tim. Nếu đặt 2 điện cực lên. điện tim đồ bao gồm hai phần: một nhĩ đồ, ghi lại dòng điện của nhĩ, đi trớc, và một thất đồ, ghi lại dòng điện của thất đi sau. Để thu đợc dòng điện tim, ngời ta đặt những điện cực của máy. trớc tim 1@A<#!") # Về nguồn gốc tín hiệu điện tim đã trình bày ở trên, phần này sẽ trình bày các dặc trng cơ bản của tín hiệu điện tim: - Tín hiệu điện tim là tín hiệu có dạng phức