Thiết kế chế tạo thiết bị để điều trị rối loạn giấc ngủ dùng phương pháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LƢƠNG MINH HOÀNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐỂ ĐIỀU TRỊ RỐI LOẠN GIẤC NGỦ DÙNG PHƢƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN Chuyên ngành : Kỹ thuật Y sinh Mã số chuyên ngành: LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT: KỸ THUẬT Y SINH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội - năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Luận văn thạc sỹ nghiên cứu thực dƣới hƣớng dẫn Thầy giáo GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN Với mục đích học tập, nghiên cứu để nâng cao kiến thức trình độ chuyên môn nên làm luận văn cách nghiêm túc hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, tài liệu tham khảo liệt kê, cam đoan không chép toàn văn công trình thiết kế tốt nghiệp ngƣời khác Hà Nội, tháng năm 2015 Học viên Lƣơng Minh Hoàng LỜI CẢM ƠN Những kiến thức luận văn kết ba năm (20132015) có may mắn đƣợc thầy cô Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, trực tiếp giảng dạy, đào tạo dìu dắt Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Bộ môn CN Điện Tử & Kỹ Thuật Y Sinh, Phòng đào tạo sau đại học Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập trƣờng Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc thầy giáo GS NGUYỄN ĐỨC THUẬN trực tiếp hƣớng dẫn, định hƣớng cho giải vấn đề luận văn Tôi xin cảm ơn bạn, anh chị em lớp 13BKTYS đồng hành giúp đỡ trình học tập làm luận văn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt chất dẫn truyền thần kinh ức chế quan trọng não Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU .1 Chƣơng TỔNG QUAN TỔNG QUAN VỀ SINH LÝ CỦA CON NGƢỜI ĐỐI VỚI GIẤC NGỦ 1.1 Cái nhìn tổng quát não ngƣời 1.2 Cấu tạo hệ thần kinh .4 1.2.1 Nơron thần kinh 1.2.2 Chức dẫn truyền xung động thần kinh nơron .7 1.2.2.2 Sự lan truyền xung tế bào thần kinh 10 1.2.2.3 Sự lan truyền xung động qua synapse 12 1.3 Giải phẫu thần kinh học dƣợc học Giấc ngủ: Ý nghĩa Lâm sàng .15 1.3.1 Kiểm soát giấc ngủ thức tỉnh 21 1.3.2 Hệ thống thức tỉnh 22 1.3.3 Phân loại khác Giấc ngủ 29 1.3.4 Rối loạn giấc ngủ .30 1.3.5 Tế bào thần kinh chìa khóa cho thức tỉnh giấc ngủ 32 1.4 Nguyên lý tác dụng dòng CES 37 1.4.1 Cách thức kích hoạt receptor dựa theo nguyên lý Giao tiếp điện trƣờng/ vật lý nguyên tử 37 1.4.2 Dòng CES kích hoạt tế bào thần kinh thân não .37 1.4.3 Tác dụng kích thích ức chế dòng CES đến vùng não 38 1.4.4 Một số nghiên cứu kết việc sử dụng dòng CES điều trị rối loạn giấc ngủ 39 Chƣơng KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ MÁY ĐIỀU TRỊ RỐI LOẠN GIẤC NGỦ DÙNG XUNG ĐIỆN ĐỂ XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHO MÁY 42 2.1 Máy điều trị rối loạn giấc ngủ Alpha – Stim AID Mỹ sản xuất 42 2.2 Máy điều trị rối loạn giấc ngủ CES Ultra Mỹ sản xuất 43 2.3 Máy điều trị rối loạn giấc ngủ NCC medical Trung Quốc sản xuất 43 Chƣơng PHÂN TÍCH THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐỂ ĐIỀU TRỊ RỐI LOẠN GIẤC NGỦ DÙNG PHƢƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN .46 3.1 Thông số kỹ thuật sản phẩm thiết kế .46 3.2 Xây dựng sơ đồ khối cho sản phẩm thiết kế 46 3.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho thiết bị 48 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 48 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 50 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung 52 3.3.4 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại 55 3.3.5 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển cƣờng độ .56 3.3.6 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 57 3.3.7 Sơ đồ nguyên lý khối bàn phím .59 3.4 Xây dựng mô - đun phần mềm điều khiển tạo dạng xung điều trị cho máy điều trị rối loạn giấc ngủ dùng xung điện 60 3.4.1 Xây dựng phần mềm khối điều khiển 60 3.4.2 Xây dựng phần mềm khối điều khiển hiển thị 62 3.4.3 Xây dựng phần mềm tạo dạng xung điều trị .63 3.4.4 Xây dựng liệu dạng xung điều trị 65 3.4.5 Tích hợp mô-đun phần mềm vào IC điều khiển 66 3.5 Đo lƣờng thông số đánh giá mạch thiết kế 69 KÊT LUẬN .70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 73 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Thuật ngữ viết tắt Giải thích 5-HT chất dẫn truyền thần kinh serotonin Ach chất dẫn truyền thần kinh actetylcholine CES Kích thích điện trị liệu não CPU Bộ xử lý trung tâm DAC Bộ chuyển đổi số - tƣơng tự EEG điện não đồ fMRI Hình ảnh cộng hƣởng từ chức GABA chất dẫn truyền thần kinh ức chế quan trọng não GUI giao diện đồ họa ngƣời dùng IDE Môi trƣờng thiết kế hợp LC nhân lục LCD hình tinh thể lỏng LDT Nhân mái bên lƣng cuống não MCU Vi điều khiển MTL vùng Trung Thái Dƣơng nằm trung tâm não NE chất dẫn truyền thần kinh norepinephrine NET điều trị xung điện thần kinh non-REM Giấc ngủ mắt di chuyển không nhanh PPN Nhân cuống - cầu cuống não REM Giấc ngủ mắt di chuyển nhanh SSRIs chất ức chế tái hấp thu serotonin có chọn lọc TCET điều trị xung điện xuyên qua sọ Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Một số chất dẫn truyền thần kinh quan trọng 13 Bảng 1.2: Chất điều biến thần kinh giấc ngủ tỉnh thức 20 Bảng 1.3: Phân tử thúc đẩy tỉnh thức 23 Bảng 2.1 Bảng tiêu kỹ thuật làm sở cho việc thiết kế chế tạo thiết bị để điều trị rối loạn giấc ngủ dùng phƣơng pháp xung điện 45 Bảng 3.1 Bảng thứ tự chức chân LCD 50 Bảng 3.2 Bảng mô tả chân MCP4822 54 Bảng 3.3 Bảng liệu giá trị X, Yđể nạp vào chƣơng trình vi xử lý 65 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Sơ Đồ phận Brodmann (52 Brodmann’s areas) dựa theo chức Hình 1.2 Đại não (celebrum) chia thành vùng Hình 1.3 Đại não (Cerebral Cortex), Hệ Thống Bán Tín (Limbic System), Tiểu Não (Cerebellum), Thân Não (Brain Stem) Hình 1.4 Cấu tạo neuron Hình 1.5 Cơ sở điện màng Hình 1.6 Ðiện động 10 Hình 1.7 Sự lan truyền điện động .11 Hình 1.8 Synapse .12 Hình 1.9: Năng lượng (ánh sáng) từ đối tượng tới tuyến tùng, vị trí quan tâm người Rene Descartes, thông qua võng mạc tâm thất não Năng lượng sau chuyển đến cánh tay đưa chuyển động (Clarke Dewhurst, 1996) In lại từ 'Sinh học Rhythms lâm sàng phòng thí nghiệm Y học’, Y Touitou E Haus, Hình 2, 1992 © Springer-Verlag .17 Hình 1.10 Hình dạng lưới cấu trúc giải phẫu quan trọng khác đến thay đổi giấc ngủ/ thức tỉnh (sửa đổi từ Horner, 2002) 19 Hình 1.11 Sự phát triển vùng phát sinh loài não (Salloway et al, 1997) 21 Hình 1.12 Vùng Thân não, đồi đồi não liên quan đến thay đổi giấc ngủ thức tỉnh (in lại từ Sleep Medicine Nhận xét (?) Lugaresi Provini, 'Các đặc tính lâm sàng ảnh hưởng sinh lý ': 320 © 2001 với cho phép Elsevier Science) 22 Hình 1.13 Các cổng vỏ não - đồi thị mở theo ảnh hưởng khử cực acetylcholine (ACh), noradrenaline (NA), histamine (HA), serotonin (5-HT) glutamate (Glu) 24 Hình 1.14: Nhân dopaminergic não chúng kết nối tới đồi thị phần bụng dẫn đến não trước In lại từ 'Bộ Não người', EDN 2, Nolte Angevine © (2000) in lại với cho phép từ Elsevier Science 25 Hình 1.15: Các tế bào thần kinh Norepinephrine từ nhân lục hình dạng lưới, chúng kết nối tới vỏ não (kích hoạt) trực tiếp thông qua bụng não trước, gián tiếp thông qua đồi thị In lại từ 'The Human Brain ", EDN 2, Nolte Angevine © (2000) in lại với cho phép Elsevier Science 25 Hình 1.16: tế bào thần kinh Histamine chúng kết nối: ACh, acetylcholine; DR, nhân đường đan lưng; GABA gamma-aminobutyricacid; -HT –hydroxytryptamine (Serotonin); MPT, tegmentum mesopontine; NE norepinephrine; PAH đồi não trước thị (preoptic-anterior hypothalamus) ; SI vật chất vô danh (substantia innominata); TM, nhân tuberomammillary In lại từ báo Sleep Medicine, 4(5) Lin JS, "cấu trúc chế não liên quan đến kiểm soát vỏ não kích hoạt thức tỉnh, với tập trung vào vùng sau đồi thị tế bào thần kinh histaminergic:471-503 © (2000) với cho phép Elsevier Science 25 Hình 1.17: Lưu ý số tế bào thần kinh cholinergic từ tới cầu chuyển tiếp đồi não, số khác trực tiếp kết nối với vỏ não Tương tự vậy, tế bào thần kinh cholinergic từ não trước kết nối với đồi thị, trực tiếp với vỏ não, bao gồm hệ Viền In lại từ Xu hướng Khoa học thần kinh 22, Perry et al, 'Acetylcholine tâm trí': 273 -2 80 © 1999 cho phép Elsevier Science 26 Hình 1.18 Dạng sóng EEG giấc ngủ thức tỉnh 30 Hình 1.19 Sơ đồ thể Tác dụng kích thích ức chế dòng CES đến vùng não 38 Hình 1.20 Đây đồ não EEG định lượng cho thấy thay đổi hoạt động não nhóm EEG thông thường 30 tình nguyện viên sau điều trị với dòng CES 0.5 Hz Màu xanh cho thấy suy giảm hoạt động màu đỏ cho thấy gia tăng hoạt động Có gia tăng hoạt động Alpha (sóng não thư giãn) với sụt giảm đồng thời hoạt động Delta (sóng não giấc ngủ) sau sử dụng Alpha Stim 20 phút 39 Hình 1.21 Vùng hoạt động não giảm kết kích thích điện trị liệu sọ não (CES) kích thích 0,5-Hz (màu xanh), kích thích 100-Hz (màu vàng), vùng chồng lấn hai tần số (màu xanh cây) 40 Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết kế cho thiết bị điều trị rối loạn giấc ngủ dùng xung điện 47 Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết kế cho khối điều khiển 48 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 50 Hình 3.4 Sơ đồ khối thiết kế cho khối hình hiển thị 50 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối hình hiển thị LCD 52 Hình 3.6 Sơ đồ khối khối tạo xung 53 Hình 3.7 Sơ đồ chân MCP4822 khối điều khiển tạo xung .54 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung 55 Hình 3.9 Sơ đồ khối khối khuếch đại 55 Hình 3.10 Mạch khuếch đại vi sai 55 Hình 3.11 Đồ thị xung trước sau sử dụng khuếch đại vi sai 56 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại xung 56 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất đẩy kéo (push-pull) không dùng biến áp sử dụng cho khối điều khiển cường độ 57 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 57 Hình 3.16 Sơ đồ khối mạch điều khiển bàn phím .59 Hình 3.17 Hình dạng xung tạo từ toàn liệu X,Y .65 Hình 3.18 Nội dung công việc tích hợp mô-đun vào IC điều khiển 66 Hình 3.19 Giao diện phần mềm CSS dùng cho MSP430 66 Hình 3.20 Mạch nạp Launch pad MSP430G2 67 Hình 3.21 Mạch sau thiết kế dựng 3D nhìn xuống 68 Hình 3.22 Mạch sau thiết kế dựng 3D nhìn phía sau 68 Hình 3.23 Mạch thiết bị điều trị rối loạn giấc ngủ dùng xung điện thực tế hoàn thiện 68 Hình 3.24 Dạng xung Bất đối xứng 2Hz (điện áp 9V) .69 Hình 3.25 Dạng xung Bất đối xứng 0.5Hz (điện áp 9V) 69 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1365,}; void Doc_phimbam(void); 76 ///////////////////////////////////////////////////////////// void delay_ms(unsigned int msec) { volatile unsigned int i,j; for(i=0;i