Thiết kế và chế tạo thiết bị đo ECG giao tiếp với máy tính

Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, có độ dày không đều nhau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT -o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ECG

GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

GVHD : THS VÕ NHẬT QUANG SVTH : QUÁCH MỸ PHƯỢNG MSSV : K0202063

Tp HCM, Tháng 12/2006

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5

1.1 LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI 6

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỆN TÂM ĐỒ 6

1.3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 7

1.3.1 Mục tiêu 7

1.3.2 Nhiệm vụ 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10

2.1 CẤU TẠO HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA TIM 11

2.2 TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 14

2.2.1 Cơ sở phát sinh điện thế tế bào 14

2.2.2 Cơ sở hình thành tín hiệu điện tim 14

2.2.1.1 Giai đoạn khử cực 15

2.2.1.2 Giai đoạn tái cực 15

2.2.1.3 Giai đoạn tạo sóng 16

2.2.2 Hệ thống các chuyển đạo 20

2.2.2.1 Chuyển đạo chuẩn (Standar) 21

2.2.2.2 Chuyển đạo đơn cực các chi 22

2.2.2.3 Chuyển đạo trước tim 24

2.3 CÁC DẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 25

2.4 SỰ THU TÍN HIỆU 26

2.5 THIẾT BỊ GHI SÓNG ĐIỆN TIM 29

2.5.1 Bộ điện cực bệnh nhân 29

2.5.2 Cáp nguồn cung cấp 30

2.5.3 Cáp nối đất 30

2.5.4 Giấy ghi 31

2.5.5 Máy ghi điện tim 31

2.5.6 Sơ đồ khối của máy ghi sóng điện tim 33

2.6 MỘT VÀI LOẠI MÁY 33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 35

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 36

3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT 36

3.2.1 Chọn điện cực 36

3.2.2 Bộ khuếch đại - lọc nhiễu 36

3.2.2.1 Khuếch đại 36

3.2.2.2 Lọc nhiễu 38

3.2.2.3 Ýnghĩa của bộ lọc 41

3.2.2.4 Thiết kế 42

3.2.3 Bộ chuyển đổi ADC 51

3.2.3.1 Khái niệm chung 51

3.2.3.2 Giới thiệu Chip ADC 0809 51

3.2.3.3 Phối hợp tín hiệu 58

3.2.3.4 Thiết kế chi tiết 58

3.2.4 Bộ giao tiếp với máy tính 65

3.2.3.1 Giới thiệu chung 65

3.2.3.2 Truyền thông nối tiếp và cổng rs232 65

3.2.3.3 Giới thiệu về vi điều khiển 8051 75

3.2.3.4 Các đặc điểm chung của họ 8051/8031 75

3.2.3.5 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 76

3.2.3.6 Chức năng các chân vi điều khiển 77

3.2.5 THIẾT KẾ CHI TIẾT 79

3.3 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 85

3.3.1 Lưu đồ giải thuật chương trình cho vi điều khiển 8051 viết bằng ngôn ngữ Assembler 85

3.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình nhận dữ liệu trên máy tính viết bằng ngôn ngữ Mablat 7.04 86

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 87

4.1 Kết quả chuyển đổi của ADC 88

4.2 Kết quả thu nhận tín hiệu của máy tính 89

4.3 Kết luận 92

KẾT LUẬN 94

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI

Trong thời đại công nghệ hóa, toàn cầu hóa hiện nay, Việt Nam đang có những bước tiến quan trọng trong quá trình hội nhập với xu thế phát triển chung của thế giới trên tất cả các lĩnh vực: kinh tế, văn hóa, xã hội… và đặc biệt là các lĩnh vực của ngành công nghệ tin học

Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính của xã hội không ngừng tăng nhanh, nhất là trong các lĩnh vực đòi hỏi thời gian, liên kết, xử lí, điều hành và lưu trữ như thương mại, dịch vụ, y tế, giáo dục … Hầu như không có một cơ quan, khách sạn, bệnh viện hay trường học nào mà lại không được trang bị hệ thống máy tính

Với những tiện ích ngày một nâng cao, công nghệ thông tin không những không còn

xa lạ gì mà đang từng bước trở thành một trợ thủ đắc lực cho con người Không những thế, nó còn là đối tượng nghiên cứu của nhiều bộ môn khoa học có tính chất liên ngành Chẳng hạn, trong liên hệ với y học, để thuận tiện hơn khi quan sát, theo dõi và lưu trữ dữ liệu của bệnh nhân một cách chính xác thì việc cho một thiết bị y tế giao tiếp với chiếc máy tính là điều rất cần thiết Một thiết bị đo sóng điện tim (ECG) nếu được giao tiếp với máy tính sẽ cho phép các bác sĩ theo dõi sóng điện tim của bệnh nhân một cách liên tục, nhờ đó mà có thể phát hiện ngay lập tức những triệu chứng bất thường về tim mạch để kịp thời cứu chữa Hơn thế nữa chiếc máy tính này sẽ thay người y tá lưu trữ dữ liệu về sóng điện tim, có thể tránh được tối đa những sai sót gây ra hậu quả đáng tiếc do bất cẩn

Đối tượng và hướng nghiên cứu của đề tài này được hình thành dựa trên những nhận thức về ưu điểm cũng như tính cấp thiết của việc liên kết với máy tính trong y học như đã trình bày ở trên

1.2 TÌNH HÌNH NGHIEĐN CÖÙU THIEÂT BÒ ÑIEÔN TAĐM ÑOĂ

Xuaât phaùt töø nhu caău caăn nghieđn cöùu tín hieôu ñieôn tim, maùy ghi soùng ñieôn tim ra ñôøi vôùi nhieôm vú tieâp nhaôn, khueâch ñái vaø ghi lái tín hieôu ñieôn do tim phaùt ra, tređn cô sôû ñoù giuùp cho baùc só coù theơ chaơn ñoaùn moôt soâ beônh veă tim mách

Hình 1.1 Chieâc maùy ño ñieôn tim ñaău tieđn naím 1920 Khi môùi ra ñôøi maùy ghi soùng ñieôn tim ñôn giạn chư laø maùy veõ bieơu ñoă maø caùc tín hieôu thu vaøo laø tín hieôu ñieôn tim Sau khi ñöôïc maùy thu nhaôn, caùc tín hieôu seõ ñöôïc ghi lái tređn giaây ghi nhieôt bieơu thò döôùi dáng soùng

Ngaøy nay, öùng dúng nhöõng thaønh töïu cụa söï tieân boô khoa hoc kyõ thuaôt, thieât bò ñieôn tađm ñoă ñaõ trôû neđn hieôn ñái hôn vôùi nhieău tính naíng giuùp cho vieôc ghi soùng ñieôn tim nhanh choùng vaø chính xaùc, vì theẩ hoê trôï raât nhieău cho söï chaơn ñoaùn cụa baùc só Tuy nhieđn maùy ghi tín hieôu ñieôn tim hieôn nay vaên coøn moôt soâ hán cheâ khođng theơ khaĩc phúc nhö: heât giaây trong luùc ñang ghi tín hieôu laøm giaùn ñoán vieôc theo doõi, keât quạ thu ñöôïc tređn giaây ghi

nhiệt rất dễ phai do thuộc tính về nhiệt của loại giấy này dẫn đến khó khăn và bất tiện trong việc lưu trữ dữ liệu

1.3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1.3.1 Mục tiêu

Đề tài về “Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị đo ECG giao tiếp với máy tính” được thực hiện nhằm đáp ứng: nhu cầu phục vụ của ngành Vật Lý Kỹ Thuật trong lĩnh vực nghiên cứu thiết bị y sinh hiện nay nói chung và cụ thể là nhu cầu khắc phục những hạn chế của thiết bị ECG trong y học Bên cạnh đó, đề tài cũng đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu ở cấp độ khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đại học

1.3.2 Nhiệm vụ

Từ những mục tiêu đã nêu trên thì nhiệm vụ của đề tài được xác định như sau :

Thiết kế và chế tạo bộ xử lý tín hiệu :

Do tín hiệu điện tim là tín hiệu điện sinh học rất nhỏ và nhiễu nên cần phải được xử lý trước khi vào bộ chuyển đổi ADC Bộ xử lý tín hiệu được thiết kế gồm các thành phần :

• Bộ khuếch đại thuật toán (instrument amplifier)

• Bộ lọc thông thấp (low-pass filter): để lọc bớt nhiễu ở tần số thấp hơn 0.05Hz

• Bộ lọc thông cao (high-pass filter): để lọc bớt nhiễu ở tần số cao hơn 100Hz

• Bộ lọc Notch (Notch filter): để lọc bớt nhiễu điện nguồn

Thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi A/D

Do ngôn ngữ máy tính chỉ hiểu được các tín hiệu đưa vào ở dạng số, nên cần thiết phải có bộ chuyển đổi A/D để chuyển tín hiệu vào từ dạng tương tự sang dạng số Việc điều khiển quá trình chuyển đổi này được thực hiện bằng một vi điều khiển họ 8051

Thiết kế và chế tạo bộ giao tiếp máy tính

Do chuẩn điện áp của máy tính không tương thích với chuẩn điện áp TTL của các loại

vi điều khiển nên ta cần phải thiết và chế tạo ra bộ chuyển đổi điện áp giữa máy tính và

vi điều khiển

Thiết kế chương trình biểu diễn sóng điện tim bằng phần mềm Matlab

Để theo dõi được đồ thị sóng điện tim cần thiết phải thiết kế một giao diện hiển thị tín hiệu sóng điện tim theo thời gian thực và giao diện đó phải gần gũi và dễ dàng giao tiếp đối với người sử dụng

CHÖÔNG 2

TOÅNG QUAN LYÙ THUYEÁT

2.1 CẤU TẠO HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA TIM

Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, có độ dày không đều nhau Bao bên ngoài là một túi sợi gọi là bao tim Bên trong toàn bộ tim được cấu tạo bằng cơ tim có vách ngăn thành hai nửa riêng biệt là tim trái và tim phải Mỗi nửa tim lại chia ra hai buồng là tâm nhĩ và tâm thất Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất Giữa tâm thất trái và động mạch chủ, tâm thất phải và động mạch phổi có van bán nguyệt Các van này đảm bảo cho máu di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất và từ tâm thất vào động mạch, do đó mới bảo đảm được sự tuần hoàn máu

Hình 2.1 Cấu tạo tim người

Các sợi cơ tim có cấu tạo đặc biệt liên kết với nhau làm thành cầu lan truyền xung từ sợi này sang sợi kia

Trong tim còn có một cấu trúc đặc biệt có khả năng tự phát xung gọi là hệ thống nút (hạch) Hệ thống gồm có:

_ Nút xoang nhĩ (SAN) : nằm ở cơ tâm nhĩ chỗ tĩnh mạch chủ trên đổ vào tâm nhĩ phải Nút xoang nhĩ phát xung với tần số vào khoảng 120 lần/phút và là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim

_ Nút nhĩ thất (AVN) : nằm ở bên phải của vách liên nhĩ, cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành Nút nhĩ thất phát xung với nhịp vào khoảng 50-60 lần/phút

_ Bó His : đi từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thì chia làm hai nhánh phải và trái chạy dưới nội mạc tới hai tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim Bó His phát xung với nhịp khoảng 30-40 lần/phút

Hình 2.2 Vị trí các nút và bó His

Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhịp nhàng Tim hoạt động co bóp theo một thứ tự nhất định Hoạt động này được lặp đi lặp lại và mỗi vòng được gọi là một chu chuyển của tim

Một chu chuyển của tim gồm 3 giai đoạn :

Hình 2.3 Chu chuyển của tim

_ Tâm nhĩ thu : đầu tiên tâm nhĩ co bóp, áp suất trong tâm nhĩ tăng lên, van nhĩ thất đang mở nên máu chảy từ tâm nhĩ xuống tâm thất, làm cho áp suất tâm thất tăng lên Thời gian tâm nhĩ thu kéo dài 0.1 giây, sau đó tâm nhĩ giãn ra suốt thời gian còn lại của chu kỳ tim

_ Tâm thất thu : khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm thất bắt đầu co lại Giai đoạn tâm thất thu kéo dài 0.3 giây gồm hai thời kỳ:

+ Thời kỳ tăng áp suất kéo dài 0.05 giây Tâm thất co bóp nên áp suất trong tâm thất tăng, cao hơn áp suất trong tâm nhĩ làm van nhĩ thất đóng lại, nhưng chưa cao hơn áp suất ở động mạch nên van bán nguyệt chưa mở làm áp suất tâm thất tăng lên nhanh

+ Thời kỳ tống máu kéo dài 0.25 giây gọi là thời kỳ tâm thất co đẳng trương Lúc này áp suất trong tâm thất rất cao làm van bán nguyệt mở ra, máu chảy mạnh vào động mạch

_ Tâm trương : tâm thất bắt đầu giãn trong khi tâm nhĩ đang giãn, áp suất trong tâm thất thấp hơn trong động mạch, van bán nguyệt đóng lại Aùp suất tâm thất giảm

nhanh và trở nên nhỏ hơn áp suất tâm nhĩ, van nhĩ thất mở ra Máu được hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm thất, đó là giai đoạn tâm trương toàn bộ, kéo dài 0.4 giây [1]

2.2 TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

2.2.1 Cơ sở phát sinh điện thế tế bào

Bên trong và bên ngoài màng tế bào đều có các ion dương và ion âm, chủ yếu là Na+,

K+ và Cl- Do sự chênh lệch nồng độ của các ion bên trong và bên ngoài màng tạo ra sự chuyển dời các ion qua màng gây nên dòng điện sinh học Cho nên các tế bào sống có tính chất như một pin điện, điện cực dương (+) quay ra ngoài và cực âm (-) quay vào trong Tính phân cực của màng và trạng thái điện bình thường gọi là điện thế nghỉ (khoảng -90mV) Khi có kích thích, màng tế bào thay đổi tính thẩm thấu và có sự dịch chuyển ion Sự vận chuyển tích cực đó làm thay đổi trạng thái cân bằng ion và gây nên biến đổi điện thế – được gọi là điện thế động

Như vậy khi tế bào hoạt động sẽ được chia thành hai giai đoạn: bị kích thích tạo nên hiện tượng khử cực và khi lập lại trạng thái cân bằng tạo nên hiện tượng tái cực

2.2.2 Cơ sở hình thành tín hiệu điện tim

Một sợi cơ bao gồm nhiều tế bào, khi hoạt động sợi cơ co lại, lúc đó sẽ xuất hiện điện thế đôïng giữa những phần đã được khử cực và đang khử cực, điện thế động này sẽ làm xuất hiện một điện trường lan truyền trên dọc theo sợi cơ Sau đó khoảng nửa giây bắt đầu xuất hiện quá trình tái cực, kèm theo sự xuất hiện của một điện trường ngược lại và chuyển động với tốc độ chậm hơn

Chính cấu trúc phức tạp của tim đã làm phát ra các tín hiệu điện (khử cực và tái cực), thực chất là tổng các tín hiệu điện của các sợi cơ tim cũng phức tạp hơn một tế bào hay một sợi cơ

Hình 2.4 Sự khử cực và sự tái cực

2.2.2.1.Giai đoạn khử cực

Trước khi bị kích thích các tế bào cơ tâm thất có điện thế nghỉ là -90mV Khi bị kích thích, điện thế màng trở nên kém âm dần (điện thế tăng từ -90mV về phía 0) Khi điện thế ở khoảng từ -70mV đến -50mV thì gây mở đột ngột kênh Na+, đồng thời tính thấm của màng tế bào với Na+ tăng khoảng từ 500-5000 lần Lúc đó Na+ ùa vào bên trong tế bào làm điện thế tế bào tăng từ -90mV đến 0mV Trạng thái này đạt được trong vài phần vạn giây

2.2.2.2.Giai đoạn tái cực

Cỡ vài phần vạn giây sau khi màng tăng vọt tính thấm với Na+ thì kênh Na+ đóng lại Lúc này kênh K+ mới bắt đầu mở rộng ra, và K+ khuếch tán ra ngoài, tái tạo lại trạng thái cực tính như lúc ban đầu (khoảng -90mV) Trạng thái này kéo dài cỡ hàng vạn giây, nhưng thời gian tái cực dài hơn thời gian khử cực do kênh K+ mở từ từ, sau giai đoạn tái cực điện thế màng không chỉ trở về trạng thái điện thế nghỉ (-90mV) mà còn âm hơn nữa (tới khoảng -100mV) trong vài ms mới trở về trạng thái bình thường

2.2.2.3.Các giai đoạn tạo sóng

Tim hoạt động được nhờ một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động của tim Đầu tiên nút xoang của tim phát xung động lan tỏa ra cơ nhĩ làm cho cơ nhĩ khử cực trước, nhĩ bóp và đẩy máu xuống thất Sau đó nút nhĩ thất 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 ngoại biên Hiện tượng nhĩ và thất khử cực lần lượt trước sau như thế chính là để duy trì quá trình huyết động bình thường của hệ thống tuần hoàn Đồng thời điều đó cũng tạo nên điện tâm đồ gồm ba phần :

Nhĩ đồ : Ghi lại dòng điện hoạt động của nhĩ, đi trước

Hình 2 5 sóng P Như phần trên đã nói, xung động đi từ nút xoang (ở nhĩ phải) sẽ tỏa ra làm khử cực cơ nhĩ như hình các đợt sóng với hướng chung là từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm với đường ngang một góc 49o, đây cũng chính là hướng của vectơ khử cực Và đợt sóng này được máy ghi lại với dạng sóng dương, đơn, thấp, nhỏ và có độ lớn khoảng 0.25mV gọi là sóng P [1]

Hình 2.6 Sự hình thành sóng P

Khi nhĩ tái cực, nó còn phát ra một sóng âm nhỏ gọi là sóng Ta, nhưng ngay lúc này cũng xuất hiện sự khử cực thất với điện thế mạnh hơn nhiều, nên trên điện tim đồ gần như không thấy sóng Ta Kết quả, nhĩ chỉ thể hiện lên điên tim đồ bằng một làn sóng đơn độc là sóng P

Thất đồ: Ghi lại dòng điện hoạt động của thất, đi sau

Hình 2.7 Sóng QRST

•Khử cực: việc khử cực bắt đầu từ phần giữa mặt trái liên thất đi xuyên qua mặt phải vách này, tạo ra một vectơ khử cực đầu tiên hướng từ trái sang phải Máy ghi được sóng âm nhỏ gọn gọi là sóng Q (Hình 2.8)

Hình 2.8 Sự hình thành sóng Q Sau đó xung động truyền xuống và tiến hành khử cực đồng thời cả hai tâm thất theo hướng xuyên qua bề dày cơ tim Lúc này vec tơ khử cực hướng nhiều về bên trái hơn vì

thất trái dầy hơn và vì tim nằm nghiêng hướng trục giải phẫu về bên trái Do đó vec tơ khử cực chung hướng từ phải qua trái tạo nên sóng dương cao hơn gọi là sóng R

Sau cùng khử nốt vùng cực đáy thất lại hướng từ trái sang phải Máy ghi được sóng âm nhỏ gọi là sóng S

Hình 2.9 Sự hình thành sóng R, S Tóm lại khử cực thất gồm ba làn sóng cao nhọn Q, R, S biến thiên phức tạp gọi là phức bộ QRS

•Tái cực: thất khử cực xong sẽ qua thời kỳ tái cực chậm Giai đoạn này được thể hiện trên điện tâm đồ bằng một đoạn thẳng đồng điện gọi là đoạn T – S Sau đó là thời kỳ tái cực nhanh tạo nên sóng T

Hình 2.10 Sự hình thành sóng T Tái cực nói chung có hướng đi xuyên qua cơ tim, từ lớp dưới thượng tâm mạc và lớp dưới nội tâm mạc Sở dĩ tái cực đi ngược chiều với khử cực như vậy là vì nó tiến hành đúng vào lúc tim bóp cường độ mạnh nhất, làm cho lớp cơ tim dưới nội tâm mạc bị lớp ngoài nén vào quá mạnh nên tái cực muộn đi Mặt khác, vec tơ tái cực ngược chiều với vec tơ khử cực (chiều điện trường ngược lại) Do đó tuy tiến hành ngược chiều với khử

cực, nó vẫn có vec tơ tái cực hướng từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm phát sinh làn sóng dương thấp gọi là 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

Tóm lại, thất đồ chia làm hai giai đoạn:

- Giai đoạn khử cực gồm phức bộ PQRS được gọi là pha đầu

- Giai đoạn tái cực gồm ST và T (cả U) gọi là pha cuối

Tâm trương: Tim ở trạng thái nghỉ, không có điện thế động, đường ghi là đường thẳng nằm ngang gọi là đường đẳng điện

Hình 2.11 Phức bộ điện tâm đồ

2.2.3 Hệ thống các chuyển đạo

Cơ thể con người là một môi trường dẫn điện, vì thế dòng điện do tim phát ra được dẫn truyền đi khắp cơ thể tới da, biến cơ thể thành điện trường của tim Nếu ta đặt hai

điện cực lên hai điểm nào đó ta thu được điện thế của hai điểm đó, gọi là một chuyển đạo hay một đạo trình (lead)

Hình 2.12 Các vị trí điện thế được lấy ra tạo ra đạo trình của sóng điện tim Cho đến nay đại đa số dùng 12 chuyển đạo để nghiên cứu điện tim, nó gồm 3 chuyển đạo chuẩn, 3 chuyển đạo đơn cực các chi và 6 chuyển đạo trước tim Ở mỗi chuyển đạo sẽ có một dạng sóng điện tim đồ khác nhau

2.2.3.1.Chuyển đạo chuẩn (Standar) hay còn gọi là chuyển đạo lưỡng cực các chi hay lưỡng cực ngoại biên

Chuyển đạo I: điện cực âm ở tay phải và điện cực dương ở tay trái

Chuyển đạo II: Trục chuyển đạo đi từ vai phải xuống chân trái và chiều dương như hình 2.13

Chuyển đạo III : điện cực âm ở tay trái và dương ở chân trái

Như thế ta thấy các trục của ba chuyển đạo chuẩn này tạo nên một tam giác và nó được gọi là tam giác Einthoven

Hình 2.13 Chuyển đạo chuẩn – tam giác Einthoven

2.2.3.2.Chuyển đạo đơn cực các chi

Ta thấy các chuyển đạo chuẩn đều được tạo bởi hai điện cực, nhưng khi muốn nghiên cứu điện thế riêng biệt của một điểm thì ta phải biến một điện cực thành trung tính Muốn vậy người ta nối điện cực đó (điện cực âm) ra một cực trung tâm gọi tắt là CT (Central Teminal) có điện thế bằng không (trung tính), vì nó là tâm của mạng điện hình sao mắc vào ba đỉnh của tam giác Einthoven Còn điện cực thăm dò còn lại (điện cực dương) thì đem đặt ở các cần vùng thăm dò Ta gọi đó là chuyển đạo đơn cực

Khi điện cực thăm dò đặt ở chi thì ta gọi đó là chuyển đạo đơn cực chi, điện cực thường được đặt ở ba vị trí sau:

• Cổ tay phải: ta được chuyển đạo VR (Voltage right) thu được điện thế ở mé bên phải và đáy tim Trục chuyển đạo là đường thẳng nối tâm điểm ra vai phải

• Cổ tay trái: ta được chuyển đạo VL (Voltage left), nó nghiên cứu điện thế về phía thất trái

• Cổ chân trái: cho ta chuyển đạo VF (Voltage foot), đây là chuyển đạo duy nhất nhìn thấy được ở thành sau dưới đáy tim

Hình 2.14 Chuyển đạo đơn cực các chi

Năm 1947, Golgberge đã tiến hành cải tiến cắt bỏ cánh sao nối với chi đặt điện cực thăm dò, làm cho sóng điện tim của các chuyển đạo đó tăng biên độ lên gấp rưỡi lần mà vẫn giữ hình dạng như cũ gọi là chuyển đạo đơn cực chi tăng thêm kí hiệu là AVR, AVL và AVF (A = Augmented = tăng thêm)

Ngày nay các chuyển đạo AVR, AVL và AVF được dùng thông dụng hơn VR,VL,VF Tất cả sáu chuyển đạo I, II, III, AVR, AVL, AVF được gọi là chuyển đạo ngoại biên

vì đều có các điện cực thăm dò đặt tại các chi Chúng hỗ trợ cho nhau dò xét các rối loạn của dòng điện tim thể hiện bốn phía xung quanh quả tim trên mặt phẳng chắn (Frontal plane) Nhưng còn rối loạn của dòng điện tim chỉ biểu hiện rõ ở mặt tim chẳng hạn thì các chuyển đạo này không thể phát hiện được

Vấn đề đặt ra là cần có thêm các chuyện đạo khác biểu hiện rõ được các dòng điện tim, và người ta đã tìm ra được chuyển đạo trước tim [2 ]

2.2.3.3 Chuyển đạo trước tim

Chuyển đạo này bao gồm một điện cực trung tính đặt tại cực trung tâm và điện cực thăm dò đặt tại 6 vị trí trên ngực tạo nên 6 chuyển đạo trước tim kí hiệu V1 – V6 Như vậy trục chuyển đạo của chúng sẽ là đường thẳng hướng từ tâm điểm điện tim (điểm 0) tới các vị trí điện cực tương ứng, các trục đó nằm trên những mặt phẳng nằm ngang hay gần ngang

Hình 2.15 Vị trí đặt điện cực lấy chuyển đạo trước tim

Hình 2.16 Sơ đồ minh họa mặt cắt khảo sát tim

và các chuyển đạo tương ứng

2.3 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

Tín hiệu điện tim là tín hiệu có dạng phức tạp, với tần số lặp lại trong khoảng từ 0.05

÷ 300Hz Hình dạng sóng của sóng điện tim bao gồm các thành phần P, Q, R, S, T, U như đã trình bày ở phần trên Về mặt lý thuyết thì tín hiệu này có thể coi như là tổ hợp các hài có dải tần (0 ÷ ∞) Quá trình tính toán, phân tích, kể cả đến trường hợp bệnh lý, trường hợp méo tín hiệu, người ta đều xác định được dải tần tiêu chuẩn đảm bảo thể hiện trung thực tín hiệu điện tim là từ 0.05 ÷ 100Hz Giới hạn trên này (0.05Hz) được đặt ra để đảm bảo phức bộ QRS không bị méo, và giới hạn dưới để đảm bảo trung thực sóng P và

Hình 2.17 Bộ phức của sóng điện tim và biên độ

Biên độ sóng của P, Q, S nhỏ nhất cỡ 0.2 ÷ 0.5mV

Sóng có biên độ lớn nhất là sóng R, có biên độ vào khoảng 1.5 ÷ 3mV

Quãng thời gian tồn tại của sóng:

Phần lớn các thiết bị y tế là thiết bị điện tử, do đĩ cần phải cĩ các tín hiệu đầu vào tức

là các tín hiệu điện Trong những trường hợp cần ghi lại điện thế sinh học, chúng ta sử

dụng một số loại điện cực “electrode” làm trung gian giữa bệnh nhân và thiết bị để thu tín hệu Trong những trường hợp khác đầu đo transducer được sử dụng để chuyển đổi các thông số vật lí phi điện hay các tác nhân như lực, áp suất, nhiệt độ sang tín hiệu điện analog tỉ lệ với giá trị của các thông số tác nhân gốc

Các điện cực cho các phép đo sinh lí

Điện sinh học là hiện tượng xuất hiện một cách tự nhiên và phát sinh do các cơ quan sống được cấu tạo từ những ion với số lượng khác nhau Sự truyền dẫn ion khác với sự truyền dẫn điện, mà có lẽ quen thuộc hơn với các kĩ sư và các nhà công nghệ thông thường Sự truyền dẫn ion bao gồm sự di chuyển của ion – những phần tử tích điện dương và điện âm – ở khắp một khu vực, trong khi đó sự truyền dẫn điện bao gồm dòng các điện tử chạy dưới sự tác độâng của điện trường Trong một dung môi, những ion có thể tìm được một cách dễ dàng Những sự khác biệt điện thế xảy ra khi sự tập trung của các ion là khác nhau giữa hai điểm

Khi nghiên cứu sự truyền dẫn ion sâu hơn, chúng ta sẽ thấy rằng nó là một hiện tượng phức tạp, phi tuyến tính Nhưng đối với những tính toán tín hiệu nhỏ, nơi mà chỉ có dòng điện thật nhỏ, thì việc mô hình hóa nó giống như là một dòng điện giữa hai điểm có điện thế khác nhau có thể tạm chấp nhận như một sự gần đúng bậc một Nhưng chúng ta cũng cần mô hình với bậc cao hơn Những điện cực sinh học là một dạng của các sensor dùng để chuyển đổi sự truyền dẫn của ion thành sự truyền dẫn điện tử, như vậy tín hiệu có thể được xử lí trong các mạch điện tử Mục đích thông thường của điện cực sinh học là thu các tín hiệu điện sinh học quan trọng trong y học như tín hiệu điện tim (electrocardiogram – ECG) chẳng hạn Phần lớn các tín hiệu ECG được thu từ một trong ba dạng điện cực sau: điện cực vĩ mô bề mặt, điện cực vĩ mô bên trong và vi điện cực Hai dạng đầu thường được sử dụng rộng rải còn dạng thứ ba thì chỉ được dùng trong các phép đo ở mức tế bào

Điện cực của máy điện tim là loại tiếp xúc điện tốt với da Thông thường giữa da và điện cực có lớp dung dịch dẫn điện giúp cho sự tiếp xúc này tốt hơn

Hình 2.18 Các điện cực ngực

Hình 2.19 Các điện cực chi

2.5 THIẾT BỊ GHI SÓNG ĐIỆN TIM

Về mặt nguyên lý cơ bản, máy điện tim là thiết bị ghi nhận và xử lý biểu diễn tín hiệu điện có biên độ rất nhỏ

Tín hiệu điện được biểu diễn bằng đồ thị gồm hai trục thời gian và điện thế, như vậy máy điện tim có nhiệm vụ chuyển đồ thị này lên một mặt phẳng (cụ thể ở đây có thể là trên giấy hoặc trên màn hình) Do đó có sự qui đổi: biên độ và thời gian được biểu diễn bằng độ dài

Kết cấu của thiết bị ghi điện tim gồm 4 bộ phận:

• Bộ điện cực bệnh nhân

• Cáp nguồn cung cấp

• Cáp nối đất

• Giấy ghi

• Máy ghi điện tim

Và các bộ phận này có chức năng và nhiệm vụ như sau:

2.5.1 Bộ điện cực bệnh nhân

• Bộ điện cực bệnh nhân có nhiệm vụ lấy và truyền tín hiệu điện từ các điện cực đặt trên cơ thể người bệnh tới đầu vào của máy ghi

• Tùy vào từng máy mà ta gặp bộ điện cực gồm 3, 5 hoặc 10 điện cực

• Yêu cầu đối với bộ điện cực là phải chống nhiễu tốt

Một bộ điện cực gồm 4 phần:

 Bản điện cực: gồm 4 bản cực chi, 1 hoặc 6 điện cực ngực Hai loại chất liệu thường được chọn để làm điện cực là Niken và Clorua bạc Bản điện cực còn có thêm bộ phận dùng để cố định nó trên cơ thể và phần để gắn với phích cắm

 Phích cắm điện cực

 Cáp dẫn: có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ bản cực qua phích cắm tới giắc cắm đầu vào máy ghi điện tim Cáp dẫn phải đảm bảo chống nhiễu nên thường được dùng dây có bọc kim

Hình 2.20 Cáp dẫn

 Giắc cắm đầu vào: có nhiệm vụ truyền nối giữa bộ điện cực bệnh nhân với đầu vào của máy ghi sóng điện tim

2.5.2 Cáp nguồn cung cấp

Cáp nguồn có nhiệm vụ nối nguồn điện vào máy để cung cấp điện thế cho máy hoạt động

2.5.3 Cáp nối đất

Cáp nối đất có nhiệm vụ nối vỏ máy với điểm đất trung tính bảo đảm an toàn điện cho máy và người dùng

2.5.5 Máy ghi điện tim

2.5.5.1.Đặc điểm cơ bản

Như ta đã biết điện tim là tín hiệu phức tạp có điện áp rất nhỏ (khoảng vài mV) với tần số thấp cỡ từ 0.05 đến 100Hz, do vậy máy điện tim phải đáp ứng các yêu cầu sau:

• Có trở kháng đầu vào lớn đảm bảo việc phối hợp giữa đầu vào mạch khuếch đại với nguồn tín hiệu để lấy điện áp ra đủ lớn để mạch xử lý phân tích

• Có độ ổn định cao và lọc nhiễu tốt để ghi nhận trung thực tín hiệu điện tim

• Cách ly giữa bộ phận giao tiếp bệnh nhân và các thành phần khác của máy

• Có độ cách điện tốt đảm bảo an toàn cho người và máy

• Có nguồn dự phòng

2.5.5.2 Phân loại máy điện tim

Máy điện tim được phân loại theo số kênh mà máy có thể ghi đồng thời Thực tế có các loại :

Các thông số kỹ thuật cơ bản để thực hiện ghi sóng điện tim

• Độ nhạy: đây là thông số thể hiện sự chuyển đổi từ biên độ tín hiệu điện tim thành độ dài Đơn vị của chuyên đổi này là mm/mV Giá trị thông thường là 5mm/mV, 10mm/mV và 20mm/mV

• Tốc độ ghi: thông số này thể hiện sự chuyển đổi trục thời gian thành độ dài và đơn

vị của nó là mm/s Giá trị thông thường là 12,5mm/s, 25mm/s và 50mm/s

• Dải thông tần: là giới hạn trên và dưới tần số thường là 0,05 đến 100Hz Đôi khi để tránh nhiễu do nguồn người ta còn bố trí thêm các bộ lọc phụ

• Hệ số méo phi tuyến: cho phép 5%

• Hệ số khử nhiễu đồng pha (CMRR) : lớn hơn 60dB

• Trở kháng vào: để tái tạo trung thực tín hiệu thì trở kháng vào mạch khuếch đại phải lớn hơn nhiều so với nguồn tín hiệu, thông thường lớn hơn 10 MOhm

• Hệ số khuếch đại: đảm bảo ứng với mức vào 1mV cho ra 1V

• Dòng rò : nhỏ 10µ A

2.5.6 Sơ đồ khối của máy ghi sóng điện tim

Hình 2.22 Sơ đồ khối của máy ghi sóng điện tim

2.6 MỘT VÀI LOẠI MÁY

Hình 2.23 Điện tim 1 kênh ek10

Hình 2.24 Điện tim 3 kênh ecg1503b

Hình 2.25 Máy ECG3100

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI

3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT

3.2.1 Chọn điện cực

Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài này chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu chuyển đạo chuẩn gồm chuyển đạo I, chuyển đạo II và chuyển đạo III Do đó ta sẽ chọn điện cực loại có 3 kênh để thu tín hiệu của 3 đạo trình chuẩn của máy tạo sóng điện tim (tim giả)

Hình 3.1 Điện cực thu loại 3 kênh

3.2.2 Bộ khuếch đại – lọc nhiễu

Bộ chuyển đổi ADC

Vi xử lý giao tiếp máy tính

độ vào khoảng 0.5 – 3mV Một tín hiệu điện tim cơ bản được biểu diễn bằng phức đồ như Hình 3.1

Hình 3.2 Phức bộ điện tâm đồ cơ bản

Vì tín hiệu rất nhỏ nên dễ bị nhiễu bởi các thiết bị điện gần đó như máy X-quang, máy siêu âm… gây ra Tín hiệu cũng dễ bị sai lệch bởi nhiễu do điện nguồn, nhiễu do các điện cực tiếp xúc và nhiễu do sự chuyển động hay nhiễu cơ từ cơ thể của bệnh nhân Ở phạm vi đề tài này, đối tượng được nghiên cứu là tim giả nên một số nhiễu như nhiễu cơ từ cơ thể bệnh nhân, nhiễu do sự chuyển động có thể không gây ảnh hưởng nhiều đến kết quả nghiên cứu Hình 3.3 a) biễu diễn tín hiệu điện tim có sự xuất hiện của nhiễu điện nguồn tần số 50Hz Hình 3.3 b) biễu diễn sự nhiễu cơ trong tín hiệu điện tim

Hình 3.3 a) Nhiễu điện nguồn 60Hz, b) Nhiễu cơ từ cơ thể bệnh nhân

Để loại trừ bớt các loại nhiễu trên, ta có thể sử dụng một bộ khuếch đại vi sai ba amp hay còn gọi là khuếch đại thuật toán như Hình 3.4 Điện áp ngõ ra của mạch khuếch đại này là :

op-Vout – Vref = – (V1 – V2).(1 + 2.R2 / R1).(R4 / R3) Nếu như điện áp ngõ vào giống nhau ( common mode) V1 = V2 thì ngõ ra Vout = 0, mặt khác nếu V1 ≠ V2 thì áp vi sai (V1 – V2) sẽ cho ta một độ lợi vi sai Vì hầu hết các loại nhiễu đều có áp giống nhau (common mode) nên khi qua bộ khuếch đại vi sai chúng sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau, do đó ta có thể loại trừ bớt nhiễu khi cho tín hiệu đi qua bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại ba op-amp này thường được gọi là khuếch đại thuật toán Nó có trở kháng vào cao, CMRR cao và có độ lợi khuếch đại có thể điều chỉnh được bởi điện trở R1 Mạch khuếch đại này thường được ứng dụng rộng rãi trong việc đo lường điện thế sinh học bởi vì nó loại bỏ được nhiễu có điện áp giống nhau tồn tại trong cơ thể người bệnh

Hình 3.4 Khuếch đại vi sai ba op-amp

3.2.2.2 Lọc nhiễu

Trong nhiều thiết bị điện tâm đồ hiện đại người ta thường sử dụng hệ thống driven–right–leg Đó là bệnh nhân không cần nối đất toàn bộ, thay vào đó là một điện cực được gắn ở chân phải của bệnh nhân và được kết nối với ngõ ra của một op-amp bổ phụ Điện

áp có mode chung trên cơ thể bệnh nhân sẽ bị phát hiện bởi hai điện trở thường, bị đảo, khuếch đại và hồi tiếp về chân phải Phần hồi tiếp âm của mạch đưa điện áp có mode chung về mức thấp Mạch này cũng đảm bảo cho bệnh nhân một số an toàn về điện vì op-amp bổ phụ sẽ bão hòa khi một điện áp cao xuất hiện giữa bệnh nhân và đất [3]

Hình 3.5 Mạch “driven-right-leg” giảm nhiễu mode chung đến mức thấp nhất

Tín hiệu điện tim sau khi qua bộ khuếch đại thuật toán vẫn còn bị ảnh hưởng bởi nhiễu Do đó ta cần phải thiết kế một mạch lọc thông thấp (low-pass filter) để loại trừ các thành phần nhiễu ở tần số cao, một mạch lọc thông cao (high-pass filter) để loại bỏ các thành phần nhiễu DC (dòng trực tiếp) Cuối cùng là một mạch lọc Notch (notch filter) được sử dụng để loại bỏ các thành phần ảnh hưởng của điện nguồn

Hình 3.6 Bộ lọc Notch

Hình 3.6 trên biễu diễn băng thông của bộ lọc Notch, tại tần số 60Hz băng thông sẽ

bị cắt về 0, tất cả những tín hiệu nhiễu có tần số 50/60Hz sẽ bị loại bỏ

Hình 3.7 Bộ lọc thông thấp (low-pass) Bộ lọc low-pass này được thiết kế chỉ cho những tín hiệu có tần số nhỏ hơn 100Hz đi qua, mà tín hiệu điện tim có tần số trong dải từ 0.05Hz đến 100Hz, nên tất cả những tín hiệu có tần số lớn hơn 100Hz (trong đó có nhiễu ở tần số cao) sẽ bị loại bỏ như minh họa

ở hình trên

Hình 3.8 Bộ lọc thông cao (high-pass)

Còn bộ lọc high-pass này được thiết kế chỉ cho những tín hiệu có tần số lớn hơn 0.05Hz như tín hiệu điện tim đi qua, những tần số nhỏ hơn 0.05Hz (thường là nhiễu) sẽ bị loại bỏ