đồ án tìm hiểu hệ thống monitor
MỤC LỤC Chương 1 : Khảo sát hệ thống monitor tại giường bệnh trong y tế 1.1. Giới thiệu về hệ thống giám sát bệnh nhân Trong y tế, monitor là một thiết bị dùng để giám sát một căn bệnh, một tình trang hoặc một vài thông số y tế của bệnh nhân theo thời gian thực. 1 Hình 1.1:Thiết bị monitor Hệ thống giám sát bệnh nhân (PMS) là một hệ thống theo dõi rất quan trọng, nó được sử dụng cho giám sát tín hiệu sinh lý bao gồm điện tâm đồ (ECG), hô hấp, huyết áp xâm lấn và huyết áp không xâm lấn, độ bão hòa oxy trong máu (SpO2 ), nhiệt độ cơ thể và nồng độ các khí gây mê,… Trong PMS, nhiều cảm biến và các điện cực được sử dụng cho việc nhận tín hiệu sinh lý như là điện cực ECG, cảm biến ngón tay SpO2, băng quấn đo huyết áp và que dò nhiệt độ để đo các tín hiệu sinh lý. Việc giám sát của monitor y tế được thực hiện bằng cách đo đạc liên tục các thông số nhất định thông qua một màn hình y tế, ví dụ như đo liên tục một tín hiệu sự sống bằng màn hình theo dõi tại giường bệnh nhân hay việc thực thiện lặp đi lặp lại các xét nghiệm y tế, chẳng hạn như theo dõi lượng đường huyết với máy đo lượng đường ở những người mắc bệnh đái tháo đường. Trong khi điều trị, theo dõi liên tục các dấu hiệu sinh lý quan trọng của bệnh nhân là điều hết sức cần thiết. Vì vậy PMS luôn có vai trò hết sức quan trọng trong lĩnh vực thiết bị y tế. Các cải tiến liên tục về công nghệ không chỉ giúp chúng ta truyền tải những tín hiệu sinh lý quan trọng của bệnh nhân tới các nhân viên y tế mà còn đơn giản hóa việc đo lường, từ đó làm tăng hiệu quả giám sát bệnh nhân. Trong những năm gần đây, những cải tiến công nghệ liên quan đến đo lường và thông tin truyền thông đã dẫn đến việc theo dõi bệnh nhân có hiệu suất toàn diện hơn và chất lượng ổn định. Trong quá khứ, các sản phẩm của các nhà sản xuất thiết bị y tế chỉ đo được một thông số duy nhất. Tuy nhiên hiện nay, công nghệ theo dõi bệnh nhân đa thông số mới được sử dụng phổ biến. Ngày nay trong công nghiệp, hệ thống giám sát bệnh nhân gồm 2 loại:hệ thống monitor đơn thông số và hệ thống monitor đa thông số. 1.2. Giới thiệu về hệ thống monitor đơn thông số tại giường bệnh 2 Hệ thống giám sát đơn thông số chỉ có khả năng đo lường 1 tín hiệu sinh lý duy nhất. Ngày nay, đây là công nghệ cũ, nhưng nó vẫn được sử dụng ở các nước đang phát triển như Ấn Độ, Pa-ki-xtan, Băng-la-đét,… Các hệ thống giám sát đơn thông số có chi phí rất thấp nên rất dễ sản xuất và duy trì. Hệ thống giám sát đơn thông số có thể dùng để đo huyết áp cơ thể, ECG (Điện tâm đồ), SpO2 (Độ bão hòa oxy trong máu),… Màn hình hiển thị bệnh nhân theo kiểu tương tự cũ dựa trên nguyên lí bộ tạo dao động và chỉ có duy nhất một kênh, thường dành riêng cho điện tim đồ (ECG). Một monitor phải theo dõi huyết áp của bệnh nhân, một cái khác thì phải theo dõi lượng SPO2, một cái khác nữa là ECG. Các mẫu máy tương tự sau này có thêm 2 hoặc 3 kênh đo và hiển thị trên cùng một màn hình, thông thường theo dõi huyết áp và sự hoạt động của hô hấp. các loại máy này thường được sử dụng rộng rãi và đã cứu sống nhiều sinh mang, nhưng chúng có một vài hạn chế, bao gồm sự nhạy cảm với nhiễu điện, sự lên xuống thất thường của mức cơ sở và thiếu sự cảnh báo. 1.3. Giới thiệu hệ thống monitor đa thông số tại giường bệnh Hệ thống giám sát bệnh nhân đa thông số (PMS) được dùng để đo nhiều dấu hiệu sinh lý quan trọng của bệnh nhân để truyền tải các thông tin quan trọng như điện tâm đồ, nhịp hô hấp, huyết áp,… Vì vậy, PMS luôn có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực thiết bị y tế. Sự cải tiến liên tục về công nghệ trong PMS đã giúp máy đo được nhiều dấu hiệu sinh lý quan trọng cho nhân viên y tế. Các thiết bị theo dõi tại giường có các cấu hình khác nhau phụ thuộc vào các nhà sản xuất. Chúng được thiết kế để theo dõi các thông số khác nhau nhưng đặc tính chung giữa tất cả các máy đó là khả năng theo dõi liên tục và cung cáp sự hiển thị rõ nét đường sóng ECG và nhịp tim. Một số thiết bị còn bao gồm khả năng theo dõi áp suất, nhiệt độ, nhịp thở, nồng độ oxi bão hòa SpO2, … 3 Hình 1. 2 Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân PMS mới nhất giúp đơn giản hoá các phép đo dấu hiệu sinh lý và tăng hiệu quả theo dõi. Vì vậy, ngày nay PMS rất linh hoạt và nó có thể theo dõi nhiều tín hiệu sinh lý trong cùng một hệ thống duy nhất. Sự xuất hiện của các máy vi tính đã đánh dấu sự mở đầu của một hướng phát triển cơ bản mới trong các hệ thống theo dõi bệnh nhân. Những hệ thống như vậy có một khối CPU chính có khả năng tổng hợp, ghi nhận bản chất của nguồn tín hiệu và xử lý chúng một cách thích hợp. Phần cứng chịu trách nhiệm cho việc phân tích tín hiệu sinh lý, hiển thị thông tin và tương tác với người sử dụng trên thực tế là một tập hợp các khối phần sụn được thực hiện dưới chương trình vi tính. Phần sụn đem lại cho hệ thống tính chất của nó các công tắc, nút, núm xoay,và đồng hồ đo được thay thế bằng màn hình sờ ( cảm ứng). Trong đó: ECG: Electrocardiogram – điện tâm đồ 4 RESP: Respiration – hô hấp SpO2: Nồng độ Oxi trong máu BP: Blood Pressure – huyết áp TEMP: Temperature – nhiệt độ NIBP: Non-Invasive Blood Pressure – huyết áp gián tiếp Khối đầu vào gồm có ba khối chính là khối ECG/RESP, SpO2/BP/TEMP, NIBP. 1.4. Chức năng của monitor đa thông số 1.4.1. Hiển thị tín hiệu điện tim • Quá trình hình thành tín hiệu điện tim Điện tim ECG (Electrocadiography) là các hoạt động điện của tim được tạo ra bởi quá trình co bóp của cơ tim. Tim hoạt động được là nhờ một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự kích của tim. Đầu tiên xung động đi từ nút xoang tỏa ra cơ nhĩ làm cho tâm nhĩ khử cực, tâm nhĩ co làm đẩy máu xuống tâm thất, tiếp đó nút nhĩ thất AV tiếp nhận xung động rồi truyền qua bó His xuống tâm thất làm tâm thất khử cực, lúc này tâm thất đầy máu co mạnh sẽ đẩy máu ra ngoại biên. Hiện tượng tâm nhĩ và thất khử cực lần lượt trước sau như vậy chính là để duy trì quá trình huyết động bình thường của hệ thống tuần hoàn. Vì thế điện tim đồ gồm hai phần, phần nhĩ đồ đi trước ghi lại hoạt động điện của tâm nhĩ và thất đồ đi sau ghi lại hoạt động điện của tâm thất. Với qui ước đặt điện cực dương bên trái quả tim và điện cực âm bên phải quả tim ta thu được các dạng sóng điện tim. 5 Hình 1.4: Dạng tín hiệu điện tim chuẩn Dạng sóng điện tim bao gồm một chuỗi các sóng lặp lại theo mỗi chu kỳ tim. Những sóng thành phần này được ký hiệu bằng các ký tự P, Q, R, S, T theo quy ước thường dùng trong lâm sàng. Các sóng thành phần này tương ứng với các hoạt động của một chu kỳ tim. Tổng thời gian cho một chu kì tín hiệu điện tim là khoảng 800ms, tương ứng với khoảng 75 nhịp/phút. Dạng sóng P: Là quá trình khử cực tâm nhĩ, xung động đi từ nút xoang tại nhĩ phải sẽ tỏa ra làm khử cực cơ tâm nhĩ, hình thành một điện thế dương hướng từ trên xuống, từ phải sang trái của tim. Thời gian khử cực này khoảng 80 ms. Khi tâm nhĩ tái cực, nó cũng tạo ra một điện thế cực tính âm nhỏ hơn nhiều so với điện thế khử cực tâm thất cùng lúc đó, nên ta không nhìn thấy trên điện tim đồ. Như vậy, hoạt động của tâm nhĩ trên điện tim đồ chỉ tồn tại một sóng đơn - sóng p. Sóng phức họp QRS: Là quá trình khử cực tâm thất, bắt đầu từ lúc tâm nhĩ vẫn còn đang khử cực. Việc khử cực bắt đầu từ phần giữa mặt trái vách liên thất đi xuyên sang mặt phải vách này tạo nên một vectơ điện thế khử cực đầu tiên 6 hướng từ trái sang phải tạo nên một sóng âm nhỏ nhọn trên điện tim đồ gọi là sóng Q. Tiếp đó, xung động được truyền hướng xuống và bắt đầu khử cực cả hai tâm thất theo hướng xuyên qua bề dày cơ tim. Lúc này, quá trình khử cực hướng nhiều về phía bên trái hơn vì thất trái dày hom và tim nằm nghiêng hướng trục giải phẫu sang bên trái. Vì thế vectơ điện thế khử cực lúc này hướng từ phải sang trái hình thành một sóng dương rất cao và nhọn gọi là sóng R. Sau cùng là vùng đáy thất được khử cực tạo nên một vectơ điện thế hướng từ trái sang phải tạo nên một sóng âm nhỏ nhọn gọi là sóng s. Như vậy, trong quá trình khử cực tâm thất đã sinh ra một sóng phức hợp QRS có biên độ tương đối lớn, biến thiên nhanh chỉ trong một khoảng thời gian ngắn khoảng 70ms. Sóng T và U: Khi tâm thất khử cực xong sẽ qua một thời gian tái cực chậm không thể hiện trên điện tâm đồ bằng một sóng nào hết mà chỉ là một đường thắng, đoạn S-T sau đó là đến một thời kỳ tái cực nhanh và xuất hiện sóng T. Tái cực tiến hành từ vùng điện dương đến vùng điện âm và có vectơ tái cực hướng từ trên xuống dưới và từ phải sang trái làm phát sinh một làn sóng dương thấp. Sóng T thường có dạng không đối xứng, sườn lên thoai thoải và sườn xuống dốc đứng hơn. Người ta không đo khoảng thời gian của sóng T vì nó thay đổi theo từng người và điểm bắt đầu của sườn lên là không rõ ràng. Ngay sau khi sóng T kết thúc, ta còn có thể thấy một sóng chậm nhỏ gọi là sóng U. Sóng U là giai đoạn muộn của quá trình tái cực. Sóng T thường có độ rộng khoảng 0,2s và sóng u có độ rộng khoảng 0,08s. • Sơ đồ khối quá trình xử lí tín hiệu điện tim Thực hiện đo một kênh tín hiệu ECG và đường sóng hô hấp (RESP) hình (3.2). Các mạch trở kháng cao và các bộ hãm khí bảo vệ các bộ khuếch đại đầu vào khỏi sốc tim và các tín hiệu nhiễu tần sô cao từ các điện cực gắn trên người bệnh nhân. Các mạch đầu vào của khối này được cách ly với các mạch còn lại bằng các bộ nối quang và máy biến thế. Khối này nhận một kênh tín hiệu ECG từ các đạo trình 3 điện cực hoặc 5 điện cực. Phụ thuộc vào cài đặt phần mềm mà bộ chọn đạo trình ở khối này chọn đạo trình 7 phù hợp từ 3 đến 5 điện cực đặt trên người bệnh nhân. Mạch xử lý đường sóng hô hấp có khả năng đo trở kháng của các tín hiệu đầu vào. Sự thay đổi trở kháng của các tín hiệu đầu vào gây ra sự thay đổi điện áp của tín hiệu đầu ra và dựa vào sự thay đổi điện áp này máy tính ra số nhịp thở của bệnh nhân. Bảng1.3 Sơ đồ mạch khối ECG/RESP • Đặc điểm của tính hiệu điện tim đầu ra Tín hiệu điện tim là tín hiệu sinh học lấy từ cơ thể người thông qua các điện cực, do vậy nó có một số đặc điểm sau: - Biên độ của tín hiệu điện tim tương đối nhỏ, khoảng lmV. - Tần số nằm trong khoảng từ: 0.1Hz đến 250Hz. - Dễ bị can nhiễu, nguồn nhiễu này sinh ra do một số nguyên nhân cơ bản như: Nhiễu 50Hz (nhiễu của nguồn điện áp xoay chiều cung cấp cho thiết bị), nhiễu do tiếp xúc của các điện cực, do sự chuyển động của bệnh nhân, do sự co cơ 1.4.2. Hiển thị tín hiệu SPO2 • Độ bão hòa Oxy trong máu 8 Máu trong cơ thể người mang oxy theo hai cách: Hòa tan dưới dạng chất dịch trong máu hay gọi là huyết tương và kết hợp với hemoglobin. Lượng oxy ở dạng chất dịch chiếm khoảng 3% toàn bộ oxy. Giá trị này đo được dưới dạng các khí trong máu (blood gases). Do hầu hết oxy đều kết hợp với hemoglobin, nên có ba yếu tố ảnh hưởng đến lượng oxy cung cấp cho cơ thể: - Dịch truyền mô - Lượng hemoglobin - Sự bão hòa hemoglobin bởi oxy. Nếu mọi phân tử hemoglobin kết hợp với một phân tử oxy thì toàn bộ hemoglobin trong cơ thể bão hòa hoàn toàn (100% bão hòa). Khi hít thở không khí (21% oxy), lượng oxy này là rất ít để hemoglobin được bão hòa hoàn toàn. Nhưng ái lực của hemoglobin với oxy là rất cao nên gây ra sự bão hòa gần như là hoàn toàn trong máu (khoảng 97%). Khi hemoglobin không mang oxy tới các mô (mức mao dẫn), sự bão hòa hemoglobin trong mao dẫn tăng dần. Thông thường sự bão hòa trong tĩnh mạch vào khoảng 75%. ái lực của hemoglobin đối với oxy cao hạn chế oxy khi bão hòa mức thấp, bởi vậy mức chênh lệch giữa mức bão hòa ở trạng thái khỏe “ từ 95 - 98%” và mức thở kém (85-90%) là rất thấp. Nếu oxyhemoglobin thấp (dưới 90%) thì không đủ lượng oxy cung cấp cho cơ thể. • Sơ đồ khối đo tín hiệu SPO2 Khối này được dùng để đo một kênh đường sóng huyết áp, một kênh đường sóng nhiệt độ và giá trị của SpO2. Các mạch đầu vào trên bảng này được cách ly khỏi các mạch còn lại bằng các bộ nối quang và máy biến thế. Thường ở trên khối này có một công tắc ngầm dùng để cài đặt các thông số cần đo trong khối. Trong mạch xử lý nhiệt độ, tín hiệu đầu vào từ các thermistor được lọc qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu tần sô cao. Bộ ghép kênh sau đó sử dụng đồng thời điện áp tham chiếu 270C, điện áp định cỡ cho 370C và tín hiệu nhiệt độ cơ thể từ các thermistor. Trong mạch xử lý huyết áp(hình 3.4) bộ kích thích điều khiển hoạt động của đầu đo huyết áp. Những tín hiệu đầu vào từ 9 transducer được khuếch đại và sau đó được lọc qua bộ lọc thông thấp. Mạch xử lý SpO2 (hình 3.3) bao gồm 3 mạch nhỏ: mạch điều khiển LED, mạch phát điện ID đầu đo, và mạch xử lý tín hiệu đầu vào. Mạch điều khiển LED điều khiển hoạt động của LED ở trong đầu đo. Mạch phát hiện ID đầu đo tìm dạng và sự hiện diện của đầu đo. Trong mạch xử lý tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu vào từ photodiode được khuếch đại và được lọc qua bộ lọc thông thấp. Trong quá trình này, một phần tín hiệu khi không dò được ánh sáng đượcgiữ lại như đường gốc của tín hiệu. Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của khối SpO2 10 [...]... trợ cho việc chẩn đoán để đánh giá điều kiện củ mạch máu và một vài khía cạnh về hoạt động của tim Có nhiều phương phương pháp đo huyết áp khác nhau, nhưng phân ra làm 2 loại: đo huyết áp theo phương pháp trực tiếp và đo huyết áp theo phương pháp gián tiếp Các giá trị áp suất trong hệ thống chức năng được chỉ ra: - Hệ thống động mạch 30 – 300mmHg - Hệ thống tĩnh mạch 5 – 15mmHg - Hệ thống phổi 6 – 25mmHg... được kiểm tra bởi hệ thống điều khiển con và khí áp suất đạt đến khoảng định trước thì quá trình bơm được dừng lại Tại thời điểm này, các mạch audio trong khối RF và khối audio hệ thống con sẽ được điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển hệ thống con và các tín hiệu audionày sẽ đưa các tần số Doppler đến khối điều khiển logic Các tín hiệu điều khiển từ 27 hệ thống con được đưa tới khối hệ thống khí để điều... điện tim ECG nên sơ đồ khối của quá trình xử lý nhịp tim cũng là sơ đồ khối hình 1.6 Bộ vi xử lý sẽ thực hiện việc tính toán và hiển thị giá trị nhịp tim khi tín hiệu điện tim đã được xử lý Để hiểu rõ hơn về cách hoạt động của các khối đo, ta cần tìm hiểu lý thuyết về phương pháp đo các thông số Nội dung về các phương pháp đo được trình bày dưới đây 1.5 Cơ sở lý thuyết của hệ thống monitor đa thông số... thay đổi trở kháng của cơ thể cùng với chu kì thở Các điện cực tự gián tiếp xúc với da được hỗ trợ bởi một lớp kem chuyên dụng Các điện cực khi tiếp xúc với da sẽ tạo ra một trở kháng cỡ 150 - 200Ω Sự thay đổi trở kháng trong mỗi chu kì thở sẽ dao động trong khoảng 1% điện trở gốc trên Hình 1 21 : Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi Hình trên là sơ đồ nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi hai điện... thể hiện sự thay đổi thể tích trong một cơ quan hay trong toàn bộ cơ thể (thường là thể tích máu hoặc khí) Các cảm biến SpO2 dựa trên hiện tượng hấp thụ ánh sáng để tính toán lượng máu lưu thông trong phần mô giữa đầu phát và đầu thu ánh sáng, do đó đồ thị tạo ra cũng được gọi là Plethysmography hay cụ thể hơn là Photopethysmography (PPG) 11 Hình1.7: dạng sóng Pleth Mỗi chu kỳ trên dạng sóng này ứng... không đồng đều mà thay đổi từ điểm này tới điểm khác Nhiệt độ lõi luôn nằm trong khoảng 35 - 40°c Hầu hết các thay đổi nhiệt độ sinh lý hay bệnh lý đều nằm trong dải này, từ thấp nhất vào sáng sớm hay trong thời tiết lạnh tới cao nhất do sốt hay do vận động mạnh • Sơ đồ khối phần xử lý và hiển thị Điện trở nhiệt trong đầu đo nhiệt độ được kết nối với bộ so sánh Bộ so sánh này sẽ liên tục so sánh đầu... thở của mình nữa lúc này cần có sự trợ giúp của máy Sử dụng trở kháng phổi: Đây là một kĩ thuật dùng để xác định nhịp thở một cách gián tiếp Trong phương pháp này người ta sử dụg các điện cực đặt lên ngực bệnh nhân( tốt nhất là các điện cực bề mặt), dựa vào trở kháng phổi để xác định quan hệ giữa độ sâu nhịp thở và sự thay đổi trở kháng của ngực Trong kĩ thuật này yêu cầu cần có các dụng cụ : mặt nạ,... này phải lọc bỏ đi các tần số cao và các tần thấp từ các tín hiệu phản hồi lại khi gặp sự vận động của thành mạch Sơ đồ khối của các thiết bị loại này được mô tả trong hình 3.15 gồm 4 khối chính Tại cùng một thời điểm các tín hiệu điều khiển từ hệ thống con được phát tới khối RF và hệ thống Audio con với tần số sóng mang là 2Mhz Tại đó chúng được đưa tới các đầu dò trong túi khí, các đầu dò thực hiện... nhận trở kháng thì chỉ phù hợp với bệnh nhân nằm Vì nếu như 31 có bất cứ sự dịch chuyển nào của đối tượng thì sẽ làm thay đổi trở kháng tiếp xúc của điện cực Để giảm sự thay đổi thì ta sử dụng 4 điện cực Khi đó tín hiệu phát ra từ bộ dao động kí được đưa tới hai điện cực, dòng điện từ bộ dao động kí sẽ không đi qua trở kháng tiếp xúc của điện cực đo Các sơ đồ này thường được dùng cho các monitor mà... biết là điểm áp suất tâm thu bởi hệ thống điều khiển logic Sau khi có 4 tín hiệu được nhận biết đầy đủ từ các thanh ghi thì lúc đó mới khẳng định là điểm áp suất tâm thu Một cách kiểm tra khác là dựa vào các tín hiệu audio để xác định bề rộng và tần số của các xung phản hồi từ các động mạch Các xung có bề rộng lớn hơn 125ms va tần số lớn hơn 250ms sẽ bị loại bỏ ra bởi hệ thống điều khiển logic Việc thiết . nay, công nghệ theo dõi bệnh nhân đa thông số mới được sử dụng phổ biến. Ngày nay trong công nghiệp, hệ thống giám sát bệnh nhân gồm 2 loại :hệ thống monitor đơn thông số và hệ thống monitor đa. lý trong cùng một hệ thống duy nhất. Sự xuất hiện của các máy vi tính đã đánh dấu sự mở đầu của một hướng phát triển cơ bản mới trong các hệ thống theo dõi bệnh nhân. Những hệ thống như vậy có. MỤC LỤC Chương 1 : Khảo sát hệ thống monitor tại giường bệnh trong y tế 1.1. Giới thiệu về hệ thống giám sát bệnh nhân Trong y tế, monitor là một thiết bị dùng để giám sát một