Cám ơn các bạn học cùng bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã có những góp ý chân thành cũng như chia sẻ tài liệu liên quan trong quá trình thực hiện.. Để thực hiện ý tưởng này, nhóm đã bắt tay
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM ECG
GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI SVTH: NGUYỄN THANH PHỤNG MSSV: 11141164
SVTH: HOÀNG VŨ HOÀI SANG MSSV: 11141171
Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
S K L 0 0 4 2 0 1
Trang 2i
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO
ĐIỆN TIM ECG
GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải SVTH: Nguyễn Thanh Phụng 11141164 Hoàng Vũ Hoài Sang 11141171
Trang 3ii
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Tp HCM, ngày 31 tháng 1 năm 2016
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Phụng MSSV: 11141164
Hoàng Vũ Hoài Sang MSSV: 11141171 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN TIM ECG
II NHIỆM VỤ
1 Các số liệu ban đầu:
2 Nội dung thực hiện:
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/10/2015
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/01/2016
V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ts Nguyễn Thanh Hải
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
Trang 4iii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông
Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 01 năm 2016
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo máy đo nhịp tim (ECG)
(30/11-06/12) Lập lưu đồ giải thuật Viết chương trình C
Kiểm tra lỗi chương trình
Trang 5iv
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước
Trang 6v
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện - Điện
Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức vô cùng quý là hành trang trong cuộc sống và công việc sau này
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Hải đã trực tiếp
hướng dẫn và tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện khóa luận Thầy
đã truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm, những góp ý vô cùng quý báu để giúp chúng em hoàn thành khóa luận của mình
Cám ơn gia đình đã luôn động viên và là chỗ dựa vững chắc trong suốt khoảng thời gian thực hiện khóa luận
Cám ơn các bạn học cùng bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã có những góp ý chân thành cũng như chia sẻ tài liệu liên quan trong quá trình thực hiện
Cuối cùng, chúng em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khoẻ, gặt hái được nhiều thành công trong công tác giảng dạy, nghiên cứu
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Phụng Hoàng Vũ Hoài Sang
Trang 7MỤC LỤC
Trang bìa i
Nhiệm vụ đồ án ii
Lịch trình thực hiện iii
Cam đoan iv
Lời cảm ơn v
Mục lục vi
Danh mục hình ảnh vii
Danh mục biểu bảng viii
Tóm tắt ix
CHƯƠNG I DẪN NHẬP 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Lý do đề tài 1
1.3 Mục tiêu đề tài 3
1.4 Giới hạn đề tài 3
1.5 Bố cụ đề tài 3
CHƯƠNG II TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 4
2.1 Cấu tạo và hoạt động của tim 4
2.1.1 Cấu tạo của tim 4
2.2.2 Hoạt động của tim 5
2.2 Tín hiệu điện tim (ECG) 6
2.2.1 Giới thiệu về tín hiệu điện tim 6
2.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim 7
2.2.3 Cơ sở của tín hiệu điện tim 8
2.2.4 Các giai đoạn tạo sóng điện tim 9
2.3 Hệ thống các chuyển đạo 13
2.3.1 Chuyển đạo chuẩn 14
2.3.2 Chuyển đạo đơn cực 14
2.3.3 Chuyển đạo trước tim 16
2.4 Sự thu tín hiệu 17
Trang 8vi
2.5 Tìm hiểu PIC 16F887 18
2.5.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân PIC 16F887 18
2.5.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối bên trong PIC 16F887 22
2.5.3 Bộ chuyển đổi tương tự sang số 24
2.5.4 Timer 25
2.6 Tìm hiểu LCD 26
2.6.1 Cấu tạo 26
2.6.2 Hoạt động 27
2.5.3 Hiển thị 28
2.7 Tìm hiểu AD620 29
2.7.1 Chức năng 29
2.7.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân 29
2.8 Tìm hiểu OP07 30
2.8.1 Chức năng 30
2.8.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân 30
CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG 31
3.1 Mạch khuếch đại vi sai 32
3.2 Mạch điều khiển chân phải 34
3.3 Mạch lọc tích cực 35
3.3.1 Mạch lọc thông thấp 36
3.3.2 Mạch lọc thông cao 38
3.3.3 Mạch lọc chắn dải 39
3.4 Mạch lọc thụ động 41
3.4.1 Mạch lọc thông thấp 41
3.4.2 Mạch lọc thông cao 42
3.4.3 Mạch lọc thông dải 42
3.4.3 Mạch lọc chắn dải 44
CHƯƠNG IV CÁC CHUẨN GIAO TIẾP……… 46
4.1 Mục đích 46
4.2 Chế độ SPI 46
Trang 9vi
4.2.1 Khái niệm 46
4.2.2 Hoạt động 48
4.3 Chế độ I2C 49
4.3.1 Giới thiệu 49
4.3.2 Các chế độ tryền nhận dữ liệu 50
4.4 Bộ truyền nhận dữ liệu đồng bộ 51
4.4.1 Giới thiệu 51
4.4.2 Các chế độ truyền 52
4.4.3 Chế độ EUSART không đồng bộ 52
CHƯƠNG V THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 57
5.1 Xác định các thông số của hệ thống 57
5.2 Sơ đồ khối và chức năng từng khối 57
5.2.1 Sơ đồ khối 57
5.2.2 Chức năng từng khối 57
5.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lí 58
5.3.1 Khối thu tín hiệu điện tim 58
5.3.2 Khối khuếch đại - lọc nhiễu 58
5.4 Thiết kế chi tiết các khối trong khối khuếch đại-lọc nhiễu 59
5.5 Khối khuếch đại dịch mức 70
5.6 Khối xử lí và hiển thị điện áp đo được 76
5.7 Mô phỏng trên ECG Simulator 83
5.8 Mạch đo thực tế trên người 85
CHƯƠNG VI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 76
CHƯƠNG VII KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77
7.1 Kết luận 77
7.2 Hướng phát triển 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 10vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 : Cấu tạo tim người 4
Hình 2.2 : Vị trí các bó His 5
Hình 2.3 : Lược đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua màng bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III 7
Hình 2.4 : Sự khử và tái cực 8
Hình 2.5 : Sự khử cực ở tâm nhĩ hình thành sóng P 10
Hình 2.6: Sự khử cực ở vách ngăn và sự hình thành sóng Q 0
Hình 2.7 : Sự hình thành sóng R và S 1
Hình 2.8 : Sự hình thành sóng T 2
Hình 2.9 : Các vị trí điện thế được lấy ra tạo ra đạo trình của sóng điện tim 3
Hình 2.10 : Chuyển đạo chuẩn và tam giác Einthoven 4
Hình 2.11 : Chuyển đạo đơn cực các chi 5
Hình 2.12 : Vị trí chuyển đạo trước tim 16
Hình 2.13 : Mặt cắt khảo sát tim và chuyển đạo tương ứng 16
Hình 2.14 : Điện cực dán 18
Hình 2.15 :Điện cực ngực 18
Hình 2.16 : Điện cực chi 18
Hình 2.17 : Sơ đồ chân PIC16F887 19
Hình 2.18 : Hình dạng thực tế PIC16F887 21
Hình 2.19 : Sơ đồ khối PIC16F887 23
Hình 2.20 : LCD thực tế 26
Hình 2.28 : Sơ đồ chân AD620 29
Hình 2.29 : Sơ đồ chân OP07 30
Hình 3.1 : Hình dạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường 31
Hình 3.2 : Sơ đồ khối hệ thống điện tim 32
Hình 3.3 : Mạch khuếch đại vi sai 32
Trang 11vii
Hình 3.4 : Cấu trúc vi mạch AD620 33
Hình 3.5 : Mạch điều khiển chân phải 34
Hình 3.6 : Đáp ứng Biên độ-Tần số của ba loại mạch lọc 36
Hình 3.7 : Đáp ứng Biên độ-Tần số của mạch lọc thông thấp bậc 1 36
Hình 3.8 : Mạch lọc thông thấp bậc 1 37
Hình 3.9 : Mạch lọc Butterworth thông thấp bậc 2 37
Hình 3.10 : Mạch lọc thông cao bậc 1 38
Hình 3.11 : Mạch lọc thông cao bậc 2 39
Hình 3.12 : Sơ đồ khối mạch lọc triệt dãi 40
Hình 3.13 : Sơ đồ mạch lọc triệt dãi 40
Hình 3.14 : Lọc thông thấp thụ động 41
Hình 3.15 : Lọc thông cao thụ động 42
Hình 3.16 : Lọc thông dải thụ động 42
Hình 3.17 : Đáp ứng Biên độ-Tần số bộ lọc thông dải 43
Hình 3.18 : Bộ lọc chắn dải 44
Hình 3.19 : Đáp ứng Biên độ-Tần số bộ lọc chắn dải 45
Hình 4.1 : Sơ đồ khối chế độ SPI và I2C 46
Hình 4.2 : Giao diện SPI 47
Hình 4.3 : Truyền dữ liệu SPI 48
Hình 4.4 : Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 50
Hình 4.5 : Sơ đồ kết nối Master –Slave 51
Hình 4.6 : Sơ đồ khối truyền EUSART 55
Hình 4.7 : Sơ đồ khối nhận EUSART 56
Hình 5.1 : Sơ đồ khối 57
Hình 5.2 : Sơ đồ khối khuếch đại-lọc nhiễu 59
Hình 5.3 : Mạch khuếch đại 1 59
Hình 5.4 : Hình dạng mạch thi công 60
Hình 5.5 : Kết quả đo mạch khuếch đại 1 61
Hình 5.6 : Mạch lọc thông thấp 62
Trang 12vii
Hình 5.7 : Phóng to dạng sóng ngõ ra mạch lọc thong thấp 63
Hình 5.8 : Ngõ ra mạch lọc thông thấp 63
Hình 5.9 : Mạch lọc thông cao 64
Hình 5.10a : Ngõ ra mạch lọc thông cao 65
Hình 5.10b : Ngõ ra mạch lọc thông cao 65
Hình 5.10c : Ngõ ra mạch lọc thông cao 66
Hình 5.11 : Mạch triệt tần 50Hz 67
Hình 5.12 : Ngõ ra mạch triệt tần 50Hz 68
Hình 5.13 : Ngõ ra mạch triệt tần 60Hz 68
Hình 5.14 : Ngõ ra mạch triệt tần 70Hz 69
Hình 5.15 : Ngõ ra mạch triệt tần 40Hz 69
Hình 5.16 : Ngõ ra mạch triệt tần 30Hz 70
Hình 5.17 : Mạch khuếch đại-dịch mức 70
Hình 5.18a : Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại-dịch mức 71
Hình 5.18b : Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại-dịch mức 72
Hình 5.19 : Mạch dịch mức xét ngõ vào cộng 73
Hình 5.20 : Mạch điện tương đương 73
Hình 5.21 : Mạch dịch mức điện áp xét ngõ vào trừ 74
Hình 5.22 : Phóng to ngõ ra mạch dịch mức 75
Hình 5.23 : Ngõ ra mạch dịch mức 75
Hình 5.24 : Khối xử lí và hiển thị điện áp 76
Hình 5.25 : Giải thuật chương trình chính 77
Hình 5.26 : Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt 78
Hình 5.35 : Lưu đồ giải thuật đọc ADC 79
Hình 5.27a : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả 84
Hình 5.27b : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả 84
Hình 5.27c : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả 85
Hình 5.28 : Sơ đồ nguyên lí mạch cải thiện 86
Hình 5.29 : Layout mạch cải thiện 86
Trang 13vii
Hình 5.30 : Ngõ ra khuếch đại-lọc nhiễu mạch cải thiện 87
Hình 5.31 : Phóng to màn hình ngõ ra mạch khuếch đại-lọc nhiễu 87
Hình 5.32 : Ngõ ra khối triệt tần 50Hz mạch cải thiện 88
Hình 5.33 : Phóng to ngõ ra khối triệt tần 50Hz mạch cải thiện 89
Hình 5.34a : Hiển thị điện áp lên LCD 90
Hình 5.34b : Hiển thị điện áp lên LCD 90
Hình 5.34c : Hiển thị điện áp lên LCD 91
Trang 14viii
DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 2.1 : Chức năng các chân LCD 27 Bảng 2.2 : Mã ký tự chuẩn của LCD 28
Trang 15ix
TÓM TẮT
Từ thực tế tình trạng bệnh tim mạch đang dần phát triển trên khắp thế giới cũng như Việt Nam, nhóm sinh viên chúng em đưa ra giải pháp nghiên cứu và chế tạo ra một thiết bị y tế hữu ích để phục vụ trong việc khám chữa bệnh về tim mach
Đó chính là máy đo nhịp tim ECG (Điện tâm đồ)
Để thực hiện ý tưởng này, nhóm đã bắt tay vào tìm hiểu lí thuyết về tim, cách tạo ra sóng điện tim và các đặc điểm của sóng điện tim để có thể thu được tín hiệu điện tim một cách hiệu quả nhất Sau đó thiết kế các khối để thu tín hiệu điện tim Tín hiệu điện tim thô có giá trị rất bé nên cần được cho qua khối tiền khuếch đại điện áp để có thể tăng giá trị điện áp của nó lên Tiếp đến cho qua các khối lọc để triệt bớt nhiễu trên đường truyền và nhiễu của lưới điện Tín hiệu điện tim sẽ được dịch mức nằm trong khoảng 0-5V (ngưỡng điện áp hoạt động của vi điều khiển) để
có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác
Đề tài này nhóm chúng em cũng đã đo được trên ECG Simulator (Máy phát sóng điện tim) và đo trực tiếp trên cơ thể người Tuy nhiên, do làm thủ công nên vẫn còn xuất hiện nhiễu
Trang 16THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
tỷ lệ tử vong và tàn phế đứng hàng đầu.Ngành y tế các quốc gia cần được chú trọng phát triển để có thể kiềm hãm sự phát triển của bệnh tim mạch và đem lại cuộc sống khỏe mạnh cho con người Tuy vậy, số lượng ca tử vong do bệnh tim mạch vẫn chiếm số lượng lớn.Theo báo cáo của tổ chức WHO, khoảng 13,7 triệu người tử vong vì bệnh tim mạch trên toàn thế giới năm 2008 [6] Và số lượng người tử vong
do bệnh tim mạch rơi tập trung vào các nước có thu nhập trung bình và thấp Nếu không hoạt động tích cực thì số lượng ca tử vong do bệnh tim mạch sẽ gia tăng trong những năm sắp tới
Hiện nay có khá nhiều phương pháp để chẩn đoán các bệnh về tim mạch nhưng một trong những phương pháp hiệu quả và trực quan nhất đó là phương pháp Điện tâm đồ (ECG: Electro Cardio Gram) Đây là phương pháp chẩn đoán lâm sàng mang lại rất nhiều hữu ích cho các bác sĩ, giúp chẩn đoán, phát hiện và điều trị sớm nhất các bệnh tim mạch
1.2 Lý do đề tài:
Giá thành các máy điện tâm đồ hiện tại trên thị trường có giá thành cao, không phải trung tâm y tế nào ở Việt Nam cũng có thể trang bị máy này Chính vì thế, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra máy đo điện tâm đồ là vấn đề rất cần thiết Nếu thành công, giá thành sản phẩm có thể giảm đáng kể so với các các sản phẩm nhập từ nước ngoài Đồng thời, đề tài sẽ tạo tiền đề và động lực để phát triển các sản phẩm điện tử y sinh khác nhằm phục vụ sức khỏe con người.Trong quá trình học tập và ngiên cứu tại bộ môn Điện tử công nghiệp thuộc khoa Điện_Điện tử
Trang 17THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, với kiến thức đã được học và nhận định thực tế trên thì đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” với giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được chất lượng để phục vụ tại nhà cho các bệnh nhân
đã được hình thành
Thiết bị đo điện tim (ECG) trong luận văn của tác giả Quách Mỹ Phượng[1]
đã thiết kế và thi công được thiết bị thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim thông qua bộ khuếch đại lọc nhiễu, và cho thiết bị này giao tiếp được với máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D, bộ giao tiếp cổng RS232 và chương trình thiết kế giao diện giao tiếp thiết bị đo điện tim (ECG) với máy tính đã biểu diễn được dạng đồ thị của tín hiệu điện tim thu được Mặc dù chưa hoàn toàn xử lý được nhiễu, nhưng kết quả thu được vẫn có dạng sóng của tín hiệu điện tim nên cũng có thể xem như chấp nhận được Trong một nghiên cứu khác về thiết bị đo điện tim (ECG) của tác giả Nguyen Phan Anh[2] cũng đã thiết kế và thi công được thiết bị nhưng sử dụng bộ điều khiển
là kit Arduino và cảm biến nhịp tim, giao diện giao tiếp với thiết bị đo điện tim được thực hiện bởi phần mềm LabVIEW và cũng đã hiển thị được dạng sóng của tín hiệu điện tim Ngoài ra còn có nghiên cứu của nhóm Nguyễn Quốc Cường-Nguyễn Thị Lan Hương-Phạm Thị Ngọc Yến[3] cũng đã nghiên cứu thành công mạch khuyếch đại ECG và mạch thu thập số liệu sử dụng DSP và ADC Họ đã sử dụng một card thu thập số liệu PCI 6024E của National Intruments, thiết bị này có ADC với độ phân giải là 12 bit, sau đó áp dụng bộ lọc số trên máy tính Mạch thu thập số liệu sử dụng DSP được xây dựng trên vi mạch phát triển DSK TMS320C6713 Việc kết nối DSP với ADC đã được thực hiện thành công
Từ những nghiên cứu và nhận định thực tế trên, nhóm đã đưa ra hướng đi cho đề tài nghiên cứu với dòng vi điều khiển khác để đa dạng về mặt thiết kế và chế tạo ra một thiết bị có thể đo được tín hiệu điện tim mà giá thành lại thấp nhưng vẫn đáp ứng được độ chính xác của kết quả đo