Nghiên cứu thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim bằng arduino uno và processing

Để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất bằng một phương pháp để lấy được tín hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không hề ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO DÕI NHỊP TIM BẰNG

ARDUINO UNO VÀ PROCESSING

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

Hà nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO DÕI NHỊP TIM BẰNG

ARDUINO UNO VÀ PROCESSING

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS VŨ DUY HẢI

Hà nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không sao chép, những kết quả đo đạc mô phỏng có trong luận văn chưa từng được công

bố từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức Các thông tin sử du ̣ng trong luận văn

có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn, em đã nhâ ̣n được sự giúp đỡ rất tâ ̣n tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong viện Điê ̣n tử – Viễn thông Trường Đại ho ̣c bách khoa Hà Nô ̣i

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Vũ Duy Hải, người đã tâ ̣n tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luâ ̣n văn tốt nghiê ̣p tha ̣c sỹ trong suốt thời gian vừ a qua

Em cũng xin cảm ơn các quý thầy cô, các anh chi ̣ và các ba ̣n ta ̣i viện Điê ̣n tử

- Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những góp ý kiến ki ̣p thời và bổ ích, giú p đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu luâ ̣n văn này

Ngoài ra, em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ba ̣n bè, những người đã luôn ủng hô ̣ em trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành chương trình đào ta ̣o Thạc sỹ ta ̣i viện Điê ̣n tử – Viễn thông, Đa ̣i học Bách khoa Hà nội

Mặc dù em đã nỗ lực và cố gắng hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn bằng tất cả nhiê ̣t tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhâ ̣n được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các ba ̣n

Em xin chân thành cảm ơn

Ha ̀ Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2016

HỌC VIÊN

ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VIẾT TẮT

THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

DỊCH NGHĨA

PPG PhotoPlethysmoGram Đồ thị đo thể tích bằng quang học

IBI Inter Beat Interval Khoảng thời gian giữa hai nhịp

tim liên tiếp HRV Heart Rate Variability Sự biến thiên nhịp tim

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ năng lượng

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNHẢNH 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

1.1 Giới thiệu chung về nhịp tim 10

1.2 Phân biệt nhịp tim với chỉ số huyết áp 13

1.3 Nhịp tim trung bình 14

1.4 Một số phương pháp xác định nhịp tim 16

1.4.1 Sóng mạch, nhịp mạch và phương pháp đo nhịp tim thủ công 16

1.4.2 Xác định nhịp tim mục tiêu để luyện tập an toàn 17

1.4.3 Phương pháp xác định nhịp tim trong y tế 19

14.3.1 Nghe tim 19

1.4.3.2 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric 19

1.4.3.3 Điện tâm đồ (ECG) 21

1.4.4 Đo nhịp tim bằng các thiết bị điện tử 22

1.4.5 Xác định nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học 24

1.5 Sự quan trọng của nhịp tim 25

1.6 Kết luận chương 1 26

Chương 2 CƠ SỞ THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 27

2.1 Cấu trúc và hoạt động của trái tim người 27

2.2 Điện sinh lý tim 30

2.3 Mô hình phân tách phức hợp QRS của Pan, Hamilton và Tompkins 36

2.4 Đồ thị đo thể tích bằng quang học - Photoplethysmogram (PPG) 42

2.4.1 Khái niệm 42

2.4.2 Dạng tín hiệu PPG 43

2.4.3 Kỹ thuật thu PPG 43

2.5 Sự biến thiên của nhịp tim (HRV - Heart Rate Variability) 44

2.5.1 Phân tích HRV trong miền thời gian 45

2.5.2 Phân tích HRV trong miền tần số 47

2.6 Kết luận chương 2 52

Chương 3 PHÂN TÍCH CƠ SỞ THIẾT KẾ MODULE ĐO 53

VÀ GIÁM SÁT NHỊP TIM 53

3.1 Yêu cầu đề tài 53

3.2 Sơ đồ khối hệ thống 53

3.3 Lựa chọn linh kiện 58

3.3.1 Cảm biến nhịp tim Pulse SenSor 58

3.3.2 Arduino Uno R3 59

3.4 Kết luận chương 3 64

Chương 4 THỰC THI THIẾT KẾ 66

MODULE ĐO VÀ GIÁM SÁT NHỊP TIM 66

4.1 Thiết kế phần cứng 66

4.2 Thiết kế phần mềm 67

4.3 Kết quả nghiên cứu 69

4.5 Kết luận chương 4 72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thông số đánh giá nhịp người bình thường trạng thái nghỉ ngơi 15

Hình 1.2 Các điểm động mạch áp sát bề mặt da 16

Hình 1.3 Một thiết bị nghe nhịp tim 19

Hình 1.5 Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric 20

Hình 1.6 Điện tâm đồ 21

Hình 1.7 Răng cưa điện tâm đồ 22

Hình 1.8 Một loại vòng đeo tay và đồng hồ thông minh có chức năng đo nhịp tim 23 Hình 1.9 Đo nhịp tim bằng ứng dụng hoặc cảm biến nhịp tim trên SmartPhone 23

Hình 1.10 Thiết bị đo huyết áp, nhịp tim, SpO2 điện tử loại quấn tay và kẹp tay 23 Hình 1.11 Dạng tín hiệu của nhịp tim 24

Hình 1.12 Sự hấp thụ ánh sáng của động mạch khi truyền qua ngón tay 25

Hình 2.1 Buồng tim và van tim 27

Hình 2.2 Hệ thống dẫn truyền tim 29

Hình 2.3 Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo 31

Hình 2.4 Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim 32

Hình 2.5 Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven 33

Hình 2.6 Các thành phần cơ bản của sóng điện tim cần phân tích 34

Hình 2.7 Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim 35

Hình 2.8 Phương pháp phân tách phức hợp QRS của Pan và Tompkin 36

Hình 2.9 Mô hình thực hiện phân tách phức hợp QRS do Hamilton và Tompkins 37 Hình 2.10 Mối liên hệ giữa việc di chuyển cửa sổ và phức hợp QRS 39

Hình 2.11 Dạng tín hiệu PPG 43

Hình 2.12 Thu tín hiệu PPG sử dụng LED và PD (Photodetector) 44

Hình 2.13 Phát hiện đỉnh với cửa sổ là 11 46

Hình 2.14 Xác định đỉnh của tín hiệu 46

Hình 2.15 Khoảng cách đỉnh liên tiếp và dạng tín hiệu HRV 47

Hình 2.16 Mật độ phổ năng lượng trong miền VLF, LF và HF 50

Hình 2.17 Cân bằng hệ thần kinh tự chủ và biến thiên nhịp tim 51

Hình 2.18 Hình Mật độ phổ năng lượng trong miền tần số LF và HF 52

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 53

Hình 3.2 Sơ đồ mạch cảm biến dựa trên cảm biến xung Pulse 54

Hình 3.3 Sự truyền ánh sáng qua động mạch 55

Hình 3.4 Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch 57

Hình 3.5 Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay 57

Hình 3.6 Cảm biến nhịp tim (xung) Pulse Sensor 58

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến nhịp tim 59

Hình 3.8 Board mạch phát triển Arduino Uno R3 61

Hình 3.7 Arduino Uno R3 Pinout 65

Hình 4.1 Hình ảnh phần cứng kết nối với máy tính 66

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 67

Hình 4.3 Dạng sóng của nhịp tim 68

Hình 4.4 Hình ảnh hiển thị trên giao diện phần mềm Processing 69

Hình 4.5 Xung tín hiệu điện tim thu được 70

Hình 4.6 Các giá trị và dạng phổ năng lượng của BPM, IBI, tần số HR 71

Hình 4.7 Các giá trị và phổ năng lượng của IBI Spectrum, LF, HF, Beats và LF vs HF Percentage 71

LỜI MỞ ĐẦU

Trái tim là một thành phần rất quan trọng trong cơ thể con người Quá trình hoạt động ổn định của tim sẽ giúp cho cơ thể khoẻ mạnh và duy trì sự sống Biểu hiện của tim có thể cho phép xác định được các trạng thái bệnh tật cơ bản của con người Quá trình phân tích tín hiệu điện tim có thể xác định được khá chính xác các biểu hiện thường gặp của bệnh tim từ đó đưa ra các nhận định cơ bản về tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân

Thế kỷ 20 được coi là kỷ nguyên của các bệnh tim mạch, và cả ở thế kỷ 21 hiện nay, bệnh tim mạch, song song với các bệnh ung thư và tiểu đường, nằm trong số những bệnh phổ biến và nguy hiểm nhất cho con người Bệnh về tim mạch đặc biệt nguy hiểm vì không xảy ra đơn độc mà còn là nguyên nhân của nhiều bệnh tim mạch và không tim mạch khác, cho nên chữa trị rất khó khăn và hậu quả để lại rất lớn Chính vì vậy, câu nói “phòng bệnh hơn chữa bệnh” lại càng có ý nghĩa khi nền kinh tế càng ngày càng phát triển như vũ bão, môi trường ngày càng trở lên ô nhiễm Vấn đề theo dõi sức khỏe thường xuyên trở lên rất cấp thiết cho nên việc giám sát nhịp tim cũng được đặt lên hàng đầu cho con người

Để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất bằng một phương pháp để lấy được tín hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không hề ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến thì sẽ càng nâng cao độ chính xác cho phép đo Đề tài đề xuất phương pháp đo nhịp tim bằng phương pháp không xâm lấn, có nghĩa là không tác động đến cơ thể bệnh nhân, nhằm giúp con người có thể xác định nhịp tim của mình để có thể đánh giá chung về tình hình sức khỏe của bản thân, đồng thời có kế hoạch khám bệnh và điều trị cho phù hợp

Nội dung của Luận văn “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim bằng Arduino và Processing” gồm các phần sau:

Chương 1 Tổng quan về đề tài

Chương 2 Cơ sở thu nhận tín hiệu điện tim

Chương 3 Phân tích cơ sở thiết kế Module đo và giám sát nhịp tim

Chương 4 Thực thi thiết kế Module đo và giám sát nhịp tim

Để có thể hoàn thành luận văn này, học viên chân thành cảm ơn TS Vũ Duy Hải và các thầy, cô tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Tuy đã cố gắng hết sức, nhưng do thời gian

và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, em rất mong sự bổ sung, góp ý của các thầy cô!

Hà Nội, ngày 21 tháng10 năm 2016

Học viên

Đoàn Mạnh Cường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung về nhịp tim

Cùng với các thông số như: huyết áp, chỉ số đường huyết, nồng độ oxy trong máu, thân nhiệt…nhịp tim của con người là thông số quan trọng khác biểu diễn tình trạng sức khỏe của con người Khi một bệnh nhân đến khám bệnh thì công việc đầu tiên của bác sỹ thường là kiểm tra nhịp tim, huyết áp bệnh nhân và trong suốt quá trình điều trị thông số này cũng thường xuyên được thu thập, kiểm tra Công việc tưởng chừng như rất đơn giản nhưng trên thực tế lại có ý nghĩa trong công tác chuẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân, đặc biệt là với những bệnh tim mạch và bệnh nhân hậu phẫu

Nhịp tim - con số tưởng chừng rất quen thuộc nhưng không phải ai cũng tỏ tường, nhất là khi nó là thông số hàng đầu về sức khỏe tim mạch Các chuyên gia y

tế thường quan tâm đến nhịp tim khi kiểm tra sức khỏe hay đánh giá hiệu quả của việc điều trị nói chung, và mỗi người chúng ta cũng rất cần hiểu rõ nhịp tim mình để phát hiện những tín hiệu xấu

Những bệnh liên quan đến khuyết tật bẩm sinh thì là những yếu tố bất khả kháng Những người bị các bệnh tim bẩm sinh càng cần thiết quan tâm và bảo vệ hệ thống tim mạch của mình nhiều hơn Trong trường hợp trẻ bị bệnh tim bẩm sinh các bậc cha mẹ cần phải phát hiện các triệu chứng, đi kiểm tra để biết rõ con mình bị khuyết tật tim bẩm sinh gì (nếu có) để chữa trị và phòng ngừa các nguy cơ xảy ra Nhịp tim là số lần tim đập trên mỗi phút Nó phụ thuộc vào từng cá nhân, tuổi tác, kích thước cơ thể, đang mắc bệnh hay ở trạng thái ngồi yên hoặc di chuyển, sử dụng thuốc hay không, thậm chí nhiệt độ không khí cũng ảnh hưởng tới nhịp tim Một yếu tố gắn liền với chúng ta hàng ngày và có tác động đến nhịp tim một cách rõ ràng, dễ nhận biết chính là cảm xúc: khi bị kích thích hay sợ hãi, vui mừng hay lo lắng đều có thể làm tăng nhịp tim Nhưng tất cả các yếu tố trên đều được dung hòa để đưa nhịp tim ổn định nhờ sự phối hợp nhịp nhàng của hệ thần kinh trung ương,

hệ thần kinh tim, hệ mạch và các chất trung gian hóa học để làm cho cơ chế tim hoạt động hiệu quả trở lại

Trái tim là trung tâm của hệ tuần hoàn và cơ quan làm việc cần mẫn Ở người trưởng thành, tim có thể đập hơn 100.000 lần mỗi ngày Ngay cả khi nghỉ ngơi, cơ tim cũng làm việc, gấp đôi cơ chân khi chạy nước rút Và khi cần, tim có thể tăng tốc gấp hai lần trong vòng năm giây Ở người lớn, lượng máu tim bơm thay đổi từ 5 lít một phút, 5 lít là xấp xỉ lượng máu trong cơ thể, đến 20 lít một phút khi tập thể thao

Nhịp tim được điều khiển bởi hệ thần kinh, hệ thống được thiết kế vô cùng tuyệt vời Hệ thần kinh đảm bảo ngăn trên của tim (tâm nhĩ) co bóp trước ngăn dưới (tâm thất), bằng cách làm cho tâm thất co bóp sau tâm nhĩ chỉ một phần nhỏ của giây Điều đáng lưu ý là tiếng “thịch thịch” mà bác sĩ nghe qua ống nghe là tiếng của van tim đóng lại, chứ không phải tiếng co bóp của cơ tim

Trong một phút, trái tim của người trưởng thành, khỏe mạnh, đập khoảng 70 lần, mỗi lần đẩy ra 150ml máu Một ngày tim đập 105,000 lần và bơm hơn 6000 lít máu vào 96000 km mạch máu Trong suốt đời người, tim lần lượt đập cả gần ba tỷ nhịp, bơm ra cả triệu thùng máu Tim làm việc liên tục ngày đêm, không mệt mỏi, mặc dù tim chỉ to bằng nắm tay em bé và nặng trên 300 gram Khả năng và cấu tạo của tim vẫn tương đối toàn vẹn cho tới khi con người đi vào tử biệt, nếu không xảy

ở hành não để yêu cầu sự phối hợp nhanh chóng của cả tim và các mạch máu để thay đổi huyết áp, tăng cường máu tới các mô để đáp ứng nhu cầu oxy của cơ thể

 Kích thích từ hệ thần kinh phó giao cảm làm chậm nhịp tim

 Các hóa chất lưu hành trong máu như hormon, sắt, dược phẩm cũng có thể thay đổi nhịp tim

 Tập luyên cơ thể đều đặn làm cơ tim mạnh hơn và tăng lượng máu đẩy ra mỗi lần tim đâp Khi nghỉ ngơi, nhu cầu máu được thỏa mãn với nhịp tim chậm Do

đó nhịp tim ở các vận động viên thể dục, thể thao đều chậm

 Yếu tố môi trường: Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm tăng cao, tim bơm máu nhiều hơn một chút, và gây tăng nhịp tim, nhưng thường không quá 5 đến 10 nhịp/phút Sự thay đổi độ cao hay sức gió cũng có ảnh hưởng phần nào tới nhịp tim Thời tiết nóng là một trong những yếu tố gây tăng nhịp tim

 Nhịp thở: Khi hít vào, nhịp tim chậm lại, sau đó ngay lập tức trở lại bình thường Còn ở người bệnh phổi tắc nghẽn, khi họ khó thở hoặc thở gấp, nhịp tim lại tăng cao để đáp ứng nhu cầu oxy của cơ thể

 Kích thước cơ thể: Ở những người béo phì, nhịp tim khi nghỉ có thể cao hơn bình thường, nhưng thường không quá 100 nhịp/phút

 Thuốc: Các thuốc chẹn beta giao cảm có xu hướng làm giảm nhịp tim, trong khi các thuốc điều trị bệnh tuyến giáp lại làm tăng nhịp tim ¬ Bệnh tuyến giáp: Nồng độ cao của hormone tuyến giáp làm tăng chuyển hóa, tăng nhịp tim, vã mồ hôi và nhiều biểu hiện khác

 Thiếu máu, thiếu sắt: Có thể khiến cơ thể mệt mỏi, da nhợt nhạt, móng tay giòn, dễ bị kích thích, tăng nhịp tim

 Sốt: Làm tăng nhu cầu trao đổi chất của cơ thể, do đó làm tăng nhịp tim để đáp ứng nhu cầu oxy

 Sốc nhiễm trùng: Làm suy giảm hệ miễn dịch khiến cơ thể không còn khả năng chống lại các tác nhân gây bệnh, ảnh hưởng tới hoạt động của hệ tuần hoàn, trong đó có nhịp tim

 Sử dụng quá nhiều caffeine và chất kích thích: Có thể gây tăng nhịp tim, khó chịu, mất ngủ, kích thích, trầm cảm và mệt mỏi

 Bệnh tim mạch: Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, bệnh xơ vữa động mạch

có thể dẫn đến bệnh mạch vành, suy tim hoặc rối loạn nhịp tim Loạn nhịp tim có thể làm cho tim đập quá nhanh, quá chậm hoặc không đều Sự tổn thương cơ tim do virus, vi khuẩn hay sử dụng thuốc cũng là nguyên nhân gây rối loạn nhịp tim Những bệnh về tim mạch có rất nhiều nhưng, nếu không phải khuyết tật bẩm sinh, đều có thể chia ra 2 nhóm là loạn dưỡng và thiếu máu cục bộ Những bệnh tim

mạch phổ biến trong nhóm loạn dưỡng có thể kể đến là suy tim, rối loạn nhịp tim, hội chứng Stuart-Prower, viêm cơ tim, hội chứng Takayasu, hở van tim, viêm động mạch… Những bệnh tim mạch phổ biến trong nhóm 2 là đau tim, nhồi máu cơ tim, suy giãn tĩnh mạch, xơ vữa động mạch, đau thắt ngực, hẹp động mạch phổi, chặn nhịp tim, triệu chứng Raynaud, viêm mạch, đột quỵ (hay còn gọi là tai biến mạch máu não), tăng huyết áp, hạ huyết áp Loạn nhịp tim cần được bác sĩ chuyên khoa tim mạch xem xét kỹ càng về các dấu hiệu biểu lộ hoặc tìm thấy cũng như những hậu quả mà loạn nhịp có thể gây ra Khi đã biết rõ nguyên nhân gây ra loạn nhịp, việc điều trị đều có thể thực hiện được với dược phẩm, các dụng cụ y khoa, giải phẫu tim Có nhiều loại dược phẩm rất công hiệu nhưng tác dụng phụ cũng không phải là ít, cho nên việc sử dụng cần được sự chỉ định và theo dõi của các thầy thuốc chuyên khoa Mỗi loại loạn nhịp có dược phẩm riêng để làm tăng hoặc làm dịu nhịp… Bệnh nhân cần tuân thủ các hướng dẫn về cách dùng về liều lượng, về khó khăn có thể xảy ra khi dùng thuốc Ðôi khi, chỉ “sai một li là đi một dặm”, loạn nhịp trở nên ngưng nhịp, tim đứng yên

Mục tiêu của đề tài hướng đến việc thiết kế một module xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị các thông số đo được về nhịp tim lên một giao diện trực quan được xây dựng trên phần mềm Processing Phương pháp đo này sẽ không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi đặt cảm biến Đầu đo này được thiết kế sao cho bệnh nhân không cảm thấy khó chịu khi gắn để tiến hành đo liên tục trong một khoảng thời gian dài Với giá thành chấp nhận được, đề tài có thể là một giải pháp hữu ích cho các cá nhân, hộ gia đình, bệnh viện… trong chăm sóc và theo dõi bệnh nhân hoặc trong trường học để tìm hiểu về cơ chế hoạt động của nhịp tim, thực hành vận dụng các kiến thức đã học

về điện tử y sinh trong việc thiết kế và thi công một thiết bị đo, giám sát nhịp tim đơn giản và hiệu quả [1]

1.2 Phân biệt nhịp tim với chỉ số huyết áp

Huyết áp và nhịp tim là là hai chỉ số khác nhau, không như sự lầm tưởng của một số người Huyết áp là áp lực của máu lên thành động mạch, trong khi nhịp tim

là số lần tim đập mỗi phút

Không có mối liên quan trực tiếp giữa huyết áp với nhịp tim: Nhịp tim không cho biết huyết áp cao hay thấp, ví dụ một số người huyết áp thấp nhưng nhịp tim nhanh, và những người cao huyết áp lại có nhịp tim chậm hoặc bình thường

Nhịp tim tăng không gây tăng huyết áp Khi mới nghe đến hệ tim mạch, chúng

ta tưởng rằng huyết áp và nhịp tim có mối liên hệ với nhau, bởi mỗi khi tim đẩy máu đi, mạch máu giãn ra, huyết áp giảm để máu lưu thông dễ dàng hơn Nhưng sự thật là nhịp tim có thể tăng nhưng huyết áp có thể không thay đổi và ngược lại Một

ví dụ điển hình là khi vận động mạnh, nhịp tim có thể tăng gấp đôi để đưa máu tới

cơ bắp kịp thời, trong khi huyết áp có thể tăng với một con số khiêm tốn

Có thể lấy nhịp tim để đánh giá hoạt động của tim và mức tiêu thụ oxy nhưng

nó không phải là phương pháp chẩn đoán thay cho việc đo huyết áp

1.3 Nhịp tim trung bình

Nhịp tim (hay tần số tim) là số lần tim đập trong một phút Nhịp tim của mỗi chúng ta không giống nhau Ở trạng thái nghỉ ngơi hoàn toàn và không bị căng thẳng tâm lý, nhịp tim bình thường dao động trong khoảng 60-80 lần/phút Khi vận động thể lực (đi bộ, hoặc tập thể dục, thể thao), nhu cầu oxy của cơ thể tăng lên, đòi hỏi tim phải đập nhanh hơn để có thể cấp đủ máu và oxy đi nuôi các cơ quan

Nhịp tim ở trạng thái nghỉ ngơi hoàn toàn là tần số tim tối thiểu, nhịp tim ở trạng thái gắng sức tối đa là tần số tim tối đa Cả hai con số này đều không phải bất biến Nó thay đổi theo tuổi, điều kiện thời tiết, và mức độ khoẻ mạnh thể chất của bạn Nếu hiệu số giữa hai con số này càng lớn nghĩa là khả năng gắng sức của bạn càng tốt

Nhịp tim khi nghỉ dưới 60 lần/phút không nhất thiết là một biểu hiện bệnh lý Một số loại thuốc y khoa có thể làm chậm nhịp tim Ngoài ra, nếu tập luyện thể thao đều đặn, nhịp tim sẽ thấp hơn bình thường Quả tim đã có sự thích nghi sinh lý với cường độ vận động cao, nó trở nên “khoẻ” hơn, giãn to ra để đáp ứng với gắng sức thể lực Nhờ khả năng bơm máu hiệu quả hơn mà tim không cần đập nhanh như bình thường mà vẫn đáp ứng được nhu cầu oxy của cơ thể Ở một số vận động viên chuyên nghiệp, tần số tim có thể xuống thấp tới mức 40 lần/phút

Ngược lại, nếu quả tim yếu đi (suy tim), nó cần làm việc tích cực hơn để đảm bảo cung cấp đủ máu cho cơ thể Bệnh nhân suy tim thường có tần số tim vượt quá

90 lần/phút Nếu nhịp tim của bạn thường xuyên vượt quá con số này, không hẳn là bạn bị suy tim, nhưng tim của bạn không khoẻ lắm đâu, hãy đến khám bác sỹ

Thông thường, tần số tim đập tỉ lệ nghịch với kích thước cơ thể - nghĩa là con vật càng lớn thì tần số càng chậm Nhịp tim con người lúc mới sinh là khoảng 130 mỗi phút, giảm xuống khoảng 70 khi trưởng thành Phụ nữ có nhịp tim nhanh hơn nam giới khoảng 5 lần tim đập

Theo thông số của Dịch vụ y tế quốc gia vương quốc Anh (National health service) thì những nhịp mạch dưới đây được coi là lý tưởng (nhịp/phút):

Nam Tuổi Phụ nữ Tuổi

Hình 1.1 Thông số đánh giá nhịp người bình thường trạng thái nghỉ ngơi

1.4 Một số phương pháp xác định nhịp tim

1.4.1 Sóng mạch, nhịp mạch và phương pháp đo nhịp tim thủ công

Mỗi lượng máu được đẩy ra khỏi tim và chạy trong các động mạch được gọi là sóng mạch hoặc đơn giản là mạch Phần lớn động mạch đều được giấu kín trong cơ thể nhưng có một vài điểm lại nằm sát với bề mặt da Tốc độ sóng mạch trung bình

là khoảng 6-8 m/s tùy địa điểm Bắt mạch là đặt tay vào những điểm động mạch ở gần với bề mặt da nhất để cảm nhận những sóng mạch này

Trong y học Trung Hoa những điểm động mạch cùng những điểm đầu mối dây thần kinh được gọi là các điểm thần kinh và mạch máu, gọi tắt là kinh mạch Những điểm kinh mạch nhỏ thường được gọi là huyệt, châm cứu huyệt cũng được chia ra làm châm cứu kinh và châm cứu mạch, chủ yếu là để giúp lưu thông máu ở những huyệt bị tắc hoặc kích thích dây thần kinh Tổn thương kinh mạch vô cùng nguy hiểm và có nguy cơ gây tử vong rất lớn nếu không được cứu chữa kịp thời

Những vị trí tốt nhất để bạn bắt được nhịp đập của tim chính là: Vùng dưới hàm, cổ tay, khuỷu tay, háng hoặc trước cổ chân Mạch ở vùng dưới hàm được gọi

là mạch động mạch cảnh Mạch bắt được ở trên háng được gọi là mạch đùi Mạch ở

cổ tay được gọi là mạch radial Mạch pedal là ở trước cổ chân, cánh tay và dưới khuỷu tay

Hình 1.2 Các điểm động mạch áp sát bề mặt da

Trong một cơ thể khỏe mạnh, nhịp mạch sẽ bằng với nhịp tim, tức là khoảng 70-75 nhịp/phút Trong một số trường hợp bị bệnh, ví dụ rung nhĩ (một dạng rối loạn hệ thống dẫn truyền), có thể xảy ra việc tâm thất co trống không do tâm nhĩ chưa kịp đưa máu vào, dẫn đến nhịp mạch và nhịp tim sẽ khác nhau

Tim co bóp do một nhóm tế bào đặc biệt nằm ở vách sau của tâm nhĩ phải khởi xướng và quyết định số nhịp đập của tim Ðó là nút-xoang-nhĩ (sino-atrial node), một máy điều hòa nhịp tim (pacemaker) tự nhiên Nút phát ra những xung lực điện, được những sợi cơ tim đặc biệt dẫn truyền tới kích thích các ngăn của tim co bóp

Âm thanh co bóp được diễn tả bằng hai âm tiết “lubb” và “dupp”, nghe được khi ta đặt tai vào ngực để nghe Âm “lubb” trầm, dài hơn, khi tâm thất bắt đầu bóp và các van nhĩ thất khép lại Âm “dupp” thanh nhưng ngắn hơn khi tâm thất bắt đầu thư giãn và các van bán nguyệt khép lại

Mạch (pulse) là do sóng áp suất chuyển tới động mạch mỗi khi trái tim co bóp, đẩy máu ra ngoài Mạch được nhận ra dễ dàng trên các động mạch nổi gần mặt da như động mạch quay (radial artery) ở cổ tay động mạch cảnh (carotid artery) ở cổ, động mạch ở cổ chân, ở bẹn, ở thái dương

Mạch được tính theo số lần tim đập trong một phút và có thể đếm dễ dàng bằng cách đặt đầu ngón tay giữa và trỏ lên một động mạch nổi trên da Ngón tay sẽ cảm thấy tiếng chuyển động nhè nhẹ của sóng áp lực trên mạch máu đó Mỗi sóng tương ứng với một lần tim bóp Khi bắt mạch, nên thoải mái, thư giãn, vì nếu hồi hộp, lo lắng, nhịp tim thường nhanh hơn một chút Ðếm mạch trong 1 phút hoặc trong 30 giây rồi nhân đôi để có số nhịp tim

Nhịp tim bình thường tùy thuộc tuổi tác, tình trạng sức khỏe, thời gian trong ngày Buổi sáng trước khi thức giấc, nhịp thấp nhất Khi hít thở vào, nhịp hơi nhanh hơn và khi thở ra, nhịp hơi chậm Nhịp phải đều đặn, có nghĩa là thời gian giữa hai nhịp phải bằng nhau

1.4.2 Xác định nhịp tim mục tiêu để luyện tập an toàn

Nhịp tim tối đa: Là nhịp tim có thể đạt được tối đa khi vận động gắng sức Nhịp tim mục tiêu: Là khoảng nhịp tim an toàn, giúp ta có chế độ luyện tập hợp lý để tránh biến chứng xảy ra khi vận động hoặc làm việc gắng sức

Để có thể xác định nó, ta có thể bắt mạch ở cổ tay và đếm số nhịp đập trong vòng 10 giây, nhân 6 để tìm số nhịp đập trên mỗi phút Số nhịp đập/phút này nên nằm trong khoảng 50% đến 85% nhịp tim tối đa, đây được gọi nhịp tim mục tiêu

Ví dụ, nhịp tim tối đa là 170 nhịp/phút thì nhịp tim mục tiêu là 85 ¬145 nhịp/phút Tuy nhiên, phương pháp xác định này khó chuẩn xác và phức tạp Ta có thể xác định nhịp tim tối đa theo phương thức Karvonen, mức cực hạn của tim bằng cách lấy 220 trừ đi tuổi

Bảng sau đây cho thấy nhịp tim mục tiêu cho các độ tuổi khác nhau dựa trên nhịp tim tối đa Khi hoạt động ở cường độ cao nhịp tim mục tiêu sẽ dao động ở khoảng 50¬69% nhịp tim tối đa, khi hoạt động thể chất gắng sức, nó sẽ ở khoảng

70% đến dưới 90% nhịp tim tối đa

Tuổi Nhịp tim mục tiêu (nhịp/phút) Nhịp tim tối đa (nhịp/phút)

luyện cho tim để nhịp tim của mình trong vùng 60-80% nhịp tối đa, trong khoảng thời gian từ 15 đến 30 phút mỗi ngày và 5 ngày mỗi tuần Ngoài ra, khi nhịp tim ở vùng này thì cơ thể sẽ có sự chuyển hóa mỡ dư thừa trong cơ thể thành năng lượng nên rất tốt cho sức khỏe

Vùng 4: 80-90% nhịp tim tối đa Tốc độ vận động khiến bạn phải cố gắng nhưng vẫn cảm thấy thoải mái, vẫn đủ sức nói những câu ngắn, vắn tắt [1][3]

1.4.3 Phương pháp xác định nhịp tim trong y tế

14.3.1 Nghe tim

Nhịp tim được xác định qua một ống nghe đặt hơi lệch về phía ngực bên trái, là phương pháp chẩn đoán nhịp đỉnh (tiếng đập từ mỏm tim) chính xác nhất để đánh giá sức khỏe tim mạch Nhịp đỉnh cho biết các thông tin về số lượng, nhịp điệu, tình trạng hoạt động của tim Tâm nhĩ co bóp không gây tiếng động, nhưng tâm thất co bóp thì gây tiếng động Tiếng động của tâm thất gây ra là tiếng của các van tim đóng Khi tâm thất co bóp, các van lá sẽ đóng sập lại gây ra tiếng động – đây là âm thanh tim đầu tiên Âm thanh tim thứ 2 sẽ phát ra khi tâm thất giãn và các van bán nguyệt đóng Hai âm thanh tim xảy ra rất gần nhau và có thể nghe được bằng tai thường Tim đập “thình thịch” chính là cách gọi của 2 âm thanh tim này Nếu van tim có vấn đề, bác sỹ sử dụng ống nghe có thể nghe được những tiếng thổi ở tim (âm thổi) và nhờ vậy có thể phát hiện ra

Hình 1.3 Một thiết bị nghe nhịp tim

1.4.3.2 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric

Quá trình đo được thực hiện theo trình tự: dùng một bao khí có gắn sensor đo, quấn quanh bắp tay của người cần đo (nơi có động mạch chạy qua), bắp tay nơi quấn bao khí phải được đặt ngang tim Trước tiên bao khí được bơm căng lên để áp

suất trong bao cao (thông thường bơm lên cỡ 180mmHg là đủ, đặc biệt những người già có thể phải bơm lên cỡ 200mmHg) Lúc này động mạch được bao khí chẹn lại, máu không chảy được trong động mạch ở chỗ bị quấn bao khí Tiếp theo người ta

xả từ từ khí trong bao ra, lúc này áp suất trong bao khí mới bắt đầu thay đổi theo nhịp đập của tim, do đó tín hiệu điện mà sensor áp suất đưa ra cũng thay đổi đồng

bộ với nhịp tim

Hình 1.4 Thiết bị đo huyết áp và nhịp tim phổ biến

Hình 1.5 Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric

Chu kỳ thay đổi của tín hiệu điện này đúng bằng chu kỳ của tim Phương pháp

đo nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ này trong một khoảng thời gian nhất định Phương pháp này tuy đơn giản nhưng độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong khoảng thời gian không đủ lớn

Hạn chế của phương pháp đo nhịp tim Ocillometric: Bao khí chặn nghẽn dòng máu trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập của tim nhận được sẽ bị sai khác so với bình thường Sai khác này tuy nhỏ nhưng ít nhiều vẫn ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo nhịp tim

Vậy để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất bằng một phương pháp để lấy được tín hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không hề ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến thì sẽ càng nâng cao độ chính xác cho phép đo

1.4.3.3 Điện tâm đồ (ECG)

Các dòng điện nhỏ sẽ được phát ra từ hệ thống dẫn truyền để kích thích cơ tim

co bóp Những dòng điện này sẽ tạo ra một điện trường và điện trường này có thể được ghi lại trên bề mặt cơ thể bằng một thiết bị đặc biệt gọi là máy ghi điện tim Hoạt động của tim được ghi trên giấy qua máy ghi điện tim được gọi là điện tâm đồ

Có nhiều cách lắp các đầu điện cực của máy trên bề mặt cơ thể để ghi điện tim Trong trường hợp thông thường các bệnh viện thường lắp 10-12 điện cực ở những điểm sau: 2-3 đầu lưỡng cực và 2-3 đầu đơn cực ở các chi và 6 đầu đơn cực ở vùng ngực Các chi bên phải điện cực âm, bên trái điện cực dương, trong trường hợp lắp

12 điện cực thì lắp đối chiếu tay trái và chân trái, tay trái âm, chân trái dương

Hình 1.6 Điện tâm đồ

Điện tâm đồ bao gồm tập hợp các đường cong, có đoạn lên đoạn xuống, còn được gọi là răng cưa Tổng cộng có 5 loại răng là P, Q, R, S, T

Hình 1.7 Răng cưa điện tâm đồ

P là sóng điện kích thích cơ tâm nhĩ, QRS là kích thích cơ tâm thất, T là cơ tim quay lại trạng thái nghỉ, T-P là thời gian nghỉ ngơi của toàn bộ cơ tim (tim trương) Dựa vào điện tâm đồ có thể thấy chu kỳ của từng bộ phận tim, lực co bóp , cực kỳ hữu hiệu để phát hiện ra các rối loạn có thể có trong hoạt động cơ tim Trước đây đọc điện tâm đồ khá khổ cực vì phải đọc tỉ mỉ và kỹ từng răng trên giấy kẻ vuông (1 vạch là 0,05 giây) để không bỏ sót sự sai lệch nào trong hoạt động của tim Hiện nay có nhiều chương trình phần mềm y tế có thể đọc điện tâm đồ và phát hiện dấu hiệu bất thường rất chính xác, tuy nhiên để chẩn đoán bệnh qua điện tâm đồ vẫn cần ý kiến chuyên gia[2]

1.4.4 Đo nhịp tim bằng các thiết bị điện tử

Các thiết bị điện tử hỗ trợ đo và cảnh báo nhịp tim hiện nay được phát triển rất

đa dạng về kiểu dáng, cách thức đo có thể xét đến:

- Các thiết bị đeo tay: Đồng hồ thông minh SmartWatch, vòng đeo tay thông minh của các hãng Apple, SamSung, Sony…

- Đo nhịp tim bằng cảm biến tích hợp trên SmartPhone hoặc các ứng dụng trên điện thoại thông minh xác định nhịp tim qua đèn Flash

- Máy đo nhịp tim và huyết áp điện tử

- Thiết bị đo nồng độ SpO2 và nhịp tim điện tử

Hình 1.8 Một loại vòng đeo tay và đồng hồ thông minh có chức năng đo nhịp tim

Hình 1.9 Đo nhịp tim bằng ứng dụng hoặc cảm biến nhịp tim trên SmartPhone

Hình 1.10 Thiết bị đo huyết áp, nhịp tim, SpO2 điện tử loại quấn tay và kẹp tay

1.4.5 Xác định nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học

Phương pháp này cho kết quả khá chính xác mà lại dễ thiết kế, phương pháp này được sử dụng khá phổ biến hiện nay - Bằng phương pháp hấp thụ hồng ngoại, không chỉ đo nhịp tim mà có thể đo nồng độ bão hòa của oxi trong máu

Hình 1.11 Dạng tín hiệu của nhịp tim

Khi tim co bóp sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể Trước tiên tim giãn ra dồn máu vào (thời điểm T1), lúc này áp suất của máu trong động mạch là nhỏ nhất- huyết áp tâm trương (Diastolic Presure DP) Tiếp theo, tim co bóp dồn máu đi, đây là thời điểm áp suất tác dụng lên thành mạch lớn nhất (thời điểm T2)

Khi lượng máu trong mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim

Khi tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ có cường

độ nhỏ hơn

Ánh sáng của ngón tay khi truyền qua gồm 2 thành phần AC và DC: Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương và tĩnh

mạch Thành phần AC đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi khi lượng máu thay đổi truyền qua tĩnh mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ tần số nhịp tim Nếu

ta lọc bỏ thành phần DC sẽ thu được tín hiệu AC đồng bộ với tín hiệu nhịp tim

Hình 1.12 Sự hấp thụ ánh sáng của động mạch khi truyền qua ngón tay

1.5 Sự quan trọng của nhịp tim

Nhịp tim có thể cho biết nhiều chi tiết về tình trạng khỏe mạnh hoặc đau yếu của cơ thể Các vị thầy thuốc y học cổ truyền chỉ cần bắt mạch mà chẩn đoán được nhiều bệnh của lục phủ ngũ tạng Trong y khoa hiện đại, mạch là một trong bốn dấu hiệu chính cần được kiểm soát mỗi khi đi khám bác sĩ Ðó là Mạch, Nhịp Thở, Thân Nhiệt và Huyết áp

Theo nhiều nghiên cứu như Tiến sĩ Igor Grossmann, một thành viên của nhóm nghiên cứu tại Đại học Waterloo (Canada), hay nhóm khoa học đến từ Đại học Waterloo (Canada) và Đại học Australian Catholic (Úc) đã chỉ ra rằng nhịp tim ảnh hưởng đến khả năng phán đoán và lập luận thông minh của con người

Luyện tập thể dục thể thao đều đặn sẽ giúp bạn có một thân hình cường tráng

và khỏe mạnh Nhiều người cứ nghĩ chỉ cần chọn phương pháp thích hợp và tập luyện hết mình là sẽ được đạt được hiệu quả cao nhất Nhưng như vậy có thể dẫn đến rối loạn nhịp tim, nguy hiểm đến tính mạng vì thế người tập cần theo dõi nhịp tim của mình để đảm bảo có một sức khỏe tốt [3]

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đưa ra các nội dung tổng quan về đề tài đó là:

- Giới thiệu chung về nhịp tim

- Phân biệt nhịp tim với chỉ số huyết áp, nhịp tim trung bình qua các lứa tuổi, giới tính để ước lượng tình trạng sức khỏe

- Tìm hiểu về tầm quan trọng của nhịp tim đối với cơ thể người để từ đó đặt ra tính cấp thiết, lý do chọn đề tài

- Giới thiệu một số phương pháp xác định nhịp tim hiện nay nhằm mục đích đề xuất phương án thiết kế Module đo và giám sát các thông số về nhịp tim bằng đầu

đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị các thông số đo được lên một giao diện trực quan được xây dựng trên phần mềm Processing

- Xác định phạm vi nghiên cứu, phương hướng và nội dung cần thực hiện cho

đề tài

Chương 2 CƠ SỞ THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

2.1 Cấu trúc và hoạt động của trái tim người

Tim là một cơ quan của hệ thống cơ, được hình thành bởi một loại cơ đặc biệt gọi là cơ tim Cơ tim là tập hợp của các sợi (chuỗi tế bào) được nối các điểm cuối với nhau qua những đĩa lắp và được bọc trong một lớp vỏ chung

Tim được ví như hai cái bơm nằm song song giữa lồng ngực Mỗi bơm có nhiệm vụ khác nhau nhưng hoạt động nhịp nhàng, phối hợp vì được cùng một trung tâm điều khiển Hai ngăn trên để tiếp nhận máu có tên là tâm nhĩ, hai ngăn dưới, tâm thất đẩy máu ra ngoài tim Tâm nhĩ nhỏ, không cần mạnh lắm vì chỉ cần bơm máu xuống tâm thất Tâm thất lớn hơn, mạnh hơn, đặc biệt là thất trái, bơm máu xa tới cả chục ngàn cây số động mạch lớn nhỏ khắp cơ thể Bốn van một chiều nằm ở cửa vào (van nhĩ thất) và cửa ra (van bán nguyệt) của mỗi tâm thất Van nhĩ-thất phải, còn gọi là van -ba- lá, mở ra để máu chảy từ nhĩ phải xuống thất phải Van khép lại khi thất phải co bóp, đẩy máu lên động mạch phổi, ngăn không cho máu dội ngược lên trên Van nhĩ-thất trái hoặc van-hai-lá mở khi máu từ nhĩ trái xuống thất trái; khép kín khi máu từ thất phải được đưa vào động mạch chủ

Giống như các loại động vật có vú khác, tim của con người cũng có 4 ngăn (buồng) – 2 tâm nhĩ và 2 tâm thất Hai buồng tim bên phải là tâm nhĩ phải và tâm thất phải, bên trái là tâm nhĩ trái và tâm thất trái Vách ngăn giữa tâm nhĩ và tâm thất được hình thành bởi các mô liên kết vững chắc (trừ một bó cơ nhỏ thuộc hệ thống dẫn truyền)

Hình 2.1 Buồng tim và van tim

Nhịp làm việc bình thường của tim là 70-75 lần co bóp trong một phút Khi lao động nặng nhọc thì nhịp tim sẽ tự động tăng lên nhưng không bao giờ quá mức cực hạn Để đảm bảo chế độ hoạt động điều độ, tim có cả một hệ thống kiểm soát là hệ thống dẫn truyền - một bộ phận đặc biệt trong cơ tim [2][4]

Nhịp tim được thiết lập ở ngay bên trong tim bởi những “máy tạo nhịp”, là những khu vực nhỏ của hệ thống dẫn truyền nằm ở vách tâm nhĩ phải Các tế bào của hệ thống dẫn truyền có thể kích thích các cơ tim co thắt theo một nhịp nhất định bằng cách truyền sóng kích thích co cho các cơ tim Vách ngăn giữa tâm nhĩ và tâm thất được tạo bởi những mô liên kết không bị kích thích Hệ thống dẫn truyền đi xuyên qua vách ngăn này và chia ra làm 2 bó xuống tâm thất phải và tâm thất trái Nhờ hệ thống dẫn truyền mà trái tim khi lấy ra khỏi cơ thể và cho vào môi trường nuôi cấy vẫn sẽ làm việc như bình thường Thuộc tính này gọi là tính tự động của tim Chúng ta có thể làm ảnh hưởng đến trái tim qua hệ thống thần kinh và nội tiết nhưng không thể điều khiển nó được Khi lo lắng, hoảng sợ, vui mừng, căng thẳng , trái tim sẽ tự động đập nhanh mà, nếu muốn, chúng ta cũng không thể ra lệnh nó đập chậm đi Tính tự động của trái tim rất quan trọng Nếu không có thuộc tính này, chúng ta sẽ không thể tập trung toàn bộ tinh thần vào công việc (ví dụ khi chơi thể thao hay hoạt động trí óc) mà còn phải chia sự tập trung vào việc theo dõi nhịp đập của tim nữa

Khi hệ thống dẫn truyền bị tổn thương, điều đó sẽ gây rối loạn nhịp tim Ở dạng nặng rối loạn nhịp tim có thể gây chóng mặt, bất tỉnh và cuối cùng là tử vong Rối loạn nhịp tim ở trẻ em phần lớn là do bệnh (khuyết tật) tim bẩm sinh Rất may là với y học hiện nay, những người bị rối loạn nhịp tim nặng vẫn có thể sống bình thường nhờ một phát minh đơn giản là máy tạo nhịp nhân tạo Máy có 2 bộ phận là

bộ phận điều khiển và một sợi dây dài có đầu điện cực ở cuối Thông thường bộ phận điều khiển sẽ được cấy dưới da, còn sợi dây sẽ được kéo qua tĩnh mạch đến trái tim Bộ phận điều khiển làm việc bằng cách gửi xung điện đều đặn đến trái tim để kích thích các cơ tim co bóp theo nhịp cần thiết

Trong trường hợp cơ thể ngừng thở do rối loạn nhịp tim, các nhân viên y tế có thể cấp cứu bằng máy sốc tim Nguyên lý làm việc của máy là truyền một luồng điện mạnh vào ngực làm tim ngừng đập 1 giây để máy tạo nhịp tim có thể quay trở

lại với nhịp bình thường (việc làm này gần giống với việc chúng ta khởi động lại máy tính khi máy bị treo do CPU quá tải hoặc lý do nào khác)

Hình 2.2 Hệ thống dẫn truyền tim

1- nút xoang nhĩ, 2 – nút nhĩ thất, 3 – bó Gis, 4 – nhánh trái của bó Gis, 5 – nhánh trái trước, 6 – nhánh trái sau, 7 – tâm thất trái, 8 – vách ngăn tâm thất, 9 – tâm thất

phải, 10 – nhánh phải của bó Gis

Trong tim lúc nào cũng có máu, chỉ khác nhau ở số lượng Chức năng xả (bơm) của tim là dựa theo nguyên lý luân phiên co và giãn của tâm nhĩ và tâm thất Khi cơ tim co thì gọi là tâm thu, khi cơ tim giãn thì gọi là tâm trương Khoảng thời gian từ một lần tâm nhĩ co bóp đến lần tâm nhĩ co bóp tiếp theo là một chu kỳ tim Từng bước làm việc của một chu kỳ tim:

Bước 1 Khi tâm nhĩ thả lỏng, máu từ tĩnh mạch sẽ chảy đầy vào bên trong Bước 2 Máy tạo nhịp tim sẽ truyền sóng kích thích xuống và tâm nhĩ sẽ co lại đẩy máu vào tâm thất đang thả lỏng Giai đoạn này gọi là tâm thu nhĩ

Bước 3 Sóng kích thích hơi dừng lại một chút ở bó Gis Áp suất trong tâm thất tăng dần lên đến một ngưỡng thì sóng kích thích đến, làm tâm thất co lại, van lá đóng sập lại còn van bán nguyệt thì mở tung ra để máu bắn vào động mạch (tâm nhĩ phải vào động mạch phổi, tâm nhĩ trái vào động mạch chủ)

Bước 4 Tim trở lại trạng thái thả lỏng và máu sẽ chảy vào

Trong giai đoạn tâm thu thất, tâm thất sẽ hơi phồng lên và áp sát bề mặt lồng ngực trước khi bắn máu vào động mạch Quá trình này chính là thời điểm chúng ta gọi là tim đập và có thể cảm nhận được khi đặt tai lên ngực ở khoảng giữa xương sườn số 5 và số 6

Thời gian của toàn bộ chu kỳ tim là 0,8 giây, trong đó 0,1 giây là thời gian co bóp của tâm nhĩ, 0,3 giây là thời gian co bóp của tâm thất, 0,4 giây còn lại là thời gian các cơ thả lỏng nghỉ ngơi Từ đó có thể thấy tim cũng luân phiên nghỉ ngơi và làm việc như các bộ phận khác chứ không phải làm việc liên tục như nhiều người vẫn nghĩ

Lý do sự làm việc không mệt mỏi của trái tim:

 Số lượng ty thể trong các tế bào cơ tim nhiều hơn so với các tế bào khác của cơ thể (khoảng 40% trên diện tích bề mặt) Ty thể là những bào quan có chức năng kết nối oxy và các chất dinh dưỡng để tạo ra năng lượng cho tế bào Nhờ có số lượng ty thể vượt trội, cơ tim có khả năng sản sinh ra năng lượng nhiều hơn và nhanh hơn so với các cơ khác

 Khi làm việc hay tập luyện với cường độ cao, số năng lượng đó sẽ bị tiêu tốn rất nhanh Để tiếp tục vận động, cơ sẽ đòi hỏi thêm năng lượng Hệ thống mạch vành cho phép máu đưa oxy và các chất dinh dưỡng đến cơ tim nhanh hơn đến các

cơ khác

 Nếu cơ làm việc ở tần suất quá cao, máu sẽ không kịp đưa oxy đến, ty thể không kết nối được dinh dưỡng với oxy, cho nên glucose sẽ phân hủy và tạo thành axit lactic Sự tích lũy của axit lactic chính là nguyên nhân làm các cơ mệt và đau

cơ Khác với các cơ khác, cơ tim không bao giờ hoạt động quá tần suất cho phép Nếu nhịp tim vượt quá con số cực hạn thì nó sẽ tự ngừng làm việc luôn chứ không bao giờ cố gắng làm thêm Nhờ chế độ hoạt động điều độ được kiểm soát bởi hệ thống dẫn truyền này, axit lactic không bao giờ tích lũy trong cơ tim

 Tim không làm việc liên tục mà hoạt động và nghỉ ngơi theo chu kỳ [3]

2.2 Điện sinh lý tim

Khi cơ tim co bóp sẽ phát ra dòng điện sinh lý, đánh giá dòng điện do cơ tim phát ra sẽ cho biết hoạt động của hệ thần kinh tim Để thu được dòng điện tim,

người ta đặt những điện cực của máy ghi điện tim lên cơ thể Tùy theo vị trí đặt điện cực mà thu được các chuyển đạo khác nhau nhằm nghiên cứu dòng điện tim bình thường và bệnh lý một cách có lợi nhất Hình dưới mô tả sơ đồ cơ bản để thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo tại tay trái, tay phải và chân trái

Hình 2.3 Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo

Tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim Những dòng điện tuy rất nhỏ, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi

Điện thế động lan truyền dọc sợi cơ tạo thành một làn sóng khử cực Sóng này

có thể so sánh với sóng mà chúng ta quan sát được khi ném một hòn đá xuống nước Vận tốc dẫn truyền xung động khác nhau ở các vùng của tim Ở trạng thái sinh lý, xung động từ nút xoang vào cơ nhĩ với vận tốc vừa phải, 0,8-1m/s Dẫn truyền chậm lại 0,03-0,05m/s từ tâm nhĩ qua nút nhĩ-thất, điện thế hoạt động rất chậm ở nút nhĩ-thất, do gồm các sợi có đường kính rất nhỏ Sau đó, vận tốc tăng trong bó His (0,8-2m/s) và đạt rất cao trong mạng Purkinje: 5m/s Cuối cùng chậm lại khi đi vào các sợi cơ thất, với vận tốc 0,3-0,5m/s

Hình dưới mô tả hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt động từng vị trí trong tim, các xung động điện tại từng phân khu trong tim sẽ tạo nên các thành phần của sóng điện tim Khi tim hoạt động xuất hiện dòng điện hoạt động của các sợi cơ tim Những dòng điện này có thể ghi lại từ những điện cực đặt trên da Như vậy điện tim

đồ thể hiện sự hoạt động điện của tim và có thể cho biết tình trạng của tim, tần số, bản chất và sự phát sinh nhịp tim, sự lan tỏa và hiệu quả của các hưng phấn cũng như cho biết các rối loạn có thể có

Hình 2.4 Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim

Willem Einthoven đã công bố bản mô tả đầu tiên rất quan trọng về hệ thống đo ECG lâm sàng và được đặt tên là hệ thống đạo trình Einthoven Các đạo trình chi của Einthoven (đạo trình chuẩn) được định nghĩa như sau:

Đạo trình I: VI = L – R

Đạo trình II: VII = F – R

Đạo trình III: VIII = F – L

Trong đó: VI là điện áp của đạo trình I, VII là điện áp của đạo trình II, VIII là điện áp của đạo trình III, L điện thế tại tay trái, R điện thế tại tay phải và F điện thế tại chân trái

Tam giác Einthoven là 1 sự mô tả gần đúng các véc tơ đạo trình được kết hợp với các đạo trình chi Đạo trình I được thể hiện là CI như trên hình

Hình 2.5 Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven

Đường biểu diễn điện tim (điện tim đồ) gồm có 6 sóng nối tiếp nhau với 6 chữ cái liên tiếp được đặt tên P, Q, R, S, T, U Ba sóng Q, R, S tập hợp lại thành phức

bộ QRS Phức hợp QRS của sóng điện tim là tổ hợp của ba đỉnh Q, R, S trong tín hiệu điện tim đồ Phức hợp này nằm ở vị trí trung tâm của một nhịp tim và có thể xác định được khá chính xác Quá trình hình thành phức hợp QRS gắn liền với khử cực của tâm thất phải và trái Thời gian tồn tại của phức hợp QRS vào khoảng 0,06 đến 0,12 giây

Sóng P là sóng khử cực của tâm nhĩ Biên độ < 0,25mV, thời gian < 0,1s Tái cực nhĩ không thấy trên ECG vì nó lẫn trong sóng tiếp theo Khoảng cách giữa hai đỉnh R liên tiếp được gọi là khoảng RR, tập hợp các khoảng RR sẽ là véc tơ RR của điện tim Phức hợp QRS thể hiện trạng thái khử cực tâm thất Thời gian của sóng này khoảng 0,08s Sóng Q biên độ (0,3mV, thời gian 0,03s Sóng R biên độ có thể đến 2mV Sóng S gần giống sóng Q Sóng T thể hiện sự tái cực của tâm thất biên

độ < 0,5mV, thời gian 0,2s Mặc dù khử cực và tái cực là những hiện tượng đối ngược nhau, nhưng sóng T thường dương tính như sóng R Điều này cho thấy sự

hình thành hưng phấn và sự lan rộng của nó được thực hiện theo cách thức khác nhau

Hình 2.6 Các thành phần cơ bản của sóng điện tim cần phân tích

Liền ngay sau khi T kết thúc, có thể còn thấy một sóng chậm nhỏ gọi là sóng U tương ứng với một giai đoạn muộn tái cực của tâm thất Khoảng PQ là thời gian dẫn truyền xung động từ tâm nhĩ đến tâm thất, thời gian < 0,2s Khoảng QT tùy thuộc vào tần số tim, thời gian 0,35s đến 0,4s với tần số tim 75lần/phút Đó là thời gian hoạt động của tâm thất Đoạn ST bằng phẳng, phần đẳng điện của điện tâm đồ từ cuối của sóng S và sự khởi đầu của sóng T, nó đại diện cho khoảng cách giữa khử cực và tái cực thất

Phổ năng lượng tín hiệu điện tim có thể cho phép đánh giá và phân tích được các thành phần của tín hiệu P,Q,R,S,T Các thành phần này được mô tả trong hình dưới với đặc trưng về biên độ phổ tín hiệu được trộn lẫn bởi nhiều yếu tố điện, cơ

và sinh lý khác nhau, gồm các thành phần phức hợp QRS, Sóng P-T, Nhiễu cơ [2]

Hình 2.7 Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim

Theo đó phổ tín hiệu điện tim bao gồm các thành phần sau: Phức hợp Q,R,S chiếm công suất phổ khá lớn và là 3 thành phần chính của tín hiệu điện tim; Nhiễu

cơ thường nhỏ và gây ra nhiễu nền tín hiệu; Sóng P, T chiếm tỉ trọng ít trong phổ công suất Các tín hiệu vận động khác có thể gây ra ảnh hưởng lớn nhưng chỉ tồn tại

ở tần số thấp [2]

Phức hợp có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu điện tim trong khoảng thời gian lớn, lựa chọn các thuật toán phát hiện phức hợp QRS là một bước quan trọng trong sự phát triển của một hệ thống phân tích điện tim đồ thời gian thực Kinh nghiệm trong nhiều năm cho thấy quá trình phân tích điện tim đồ và đặc biệt đối với phức hợp QRS, việc phát hiện các phức hợp dựa trên các kỹ thuật xử lý tín hiệu, đã đạt được một hiệu suất phát hiện tiệm cận, đạt độ chính xác cao và có thể chấp nhận như một giải thuật tính toán tự động Khi nghiên cứu về đặc trưng tín hiệu điện tim trong thời gian dài, các nhà nghiên cứu quan tâm đến phức hợp QRS và véc tơ RR, chúng phản ánh rất rõ ràng

và chính xác sự biến động của nhịp tim theo thời gian Từ đó có thể đánh giá, phân tích và thống kê các đặc trưng của phức hợp QRS và véc tơ RR với các trạng thái

bệnh lý của bệnh nhân Véc tơ RR tập hợp khoảng thời gian xuất hiện các khoảng

RR liên tiếp, véc tơ RR thường được tính theo đơn vị giây hoặc mili giây và nó phản ảnh mức độ biến động của nhịp tim theo thời gian Thống kê véc tơ RR theo thời gian dài thường rất hiệu quả, nhỏ gọn, có ý nghĩa tính toán lớn đặc biệt là quá trình theo dõi điện sinh lý của bệnh nhân

2.3 Mô hình phân tách phức hợp QRS của Pan, Hamilton và Tompkins

Phức hợp QRS là thông số quan trọng khi theo dõi tín hiệu điện tim theo thời gian dài lên đến 72 giờ Trong phức hợp QRS, tín hiệu đỉnh R có thể dễ dàng nhận biết hơn so với các đỉnh khác do biên độ của đỉnh R thường cao hơn các đỉnh còn lại Từ dữ liệu sóng điện tim thu nhận được bởi các thiết bị, phức hợp QRS như đã trình bày ở trên cần được phân tích và nhận dạng để có được dữ liệu về phức hợp QRS và đặc biệt là véc tơ RR Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện quá trình phân tách phức hợp QRS này Một trong số các phương pháp đó được đề xuất bởi Pan, Hamilton và Tompkins là phương pháp phân tách phức hợp QRS lần đầu tiên vào năm 1985 sau đó được phát triển thêm bởi Hamilton và Tompkins vào năm 1986

Hình 2.8 Phương pháp phân tách phức hợp QRS của Pan và Tompkins

Giải thuật phân tách này nhằm mục đích nhận diện ra được phức hợp các sóng QRS trong dải tín hiệu điện tim và thống kê được chúng theo các phương diện biên

độ về độ rộng xung Có nhiều phát triển về thay đổi thêm vào giải thuật này theo yêu cầu chung của quá trình phân tích xử lý tín hiệu điện tim loạn nhịp và phụ thuộc theo ngôn ngữ lập trình Quy trình phân tách phức hợp QRS được mô tả như Hình dưới

Hình 2.9 Mô hình thực hiện phân tách phức hợp QRS do Hamilton và Tompkins

Các bước thực hiên chính của giải thuật bao gồm: Bộ lọc thông thấp; Bộ lọc thông cao; Đạo hàm; Hàm bình phương; Di chuyển cửa sổ tích hợp; Điểm chuẩn; Điều chỉnh ngưỡng và Điều chỉnh độ rộng trung bình của nhịp RR

Bộ lọc thông thấp: Bộ lọc thông thấp được xây dựng nhằm loại bỏ các tín hiệu

có tần số cao ra khỏi dữ liệu đang cần xử lý Bộ lọc thông thấp khi được thiết kế dưới dạng số thì có hàm truyền đạt sau:

2 6

) 1

(

) 1

( )

H (1)

Đáp ứng biên độ của bộ lọc là:

) ( sin

) 3 ( sin )

2

wT

wT wT

H  (2)

Trong đó T là khoảng thời gian lấy mẫu Phương trình vi phân y(nT ) của bộ lọc này có dạng sau:

) 12 (

) 6 (

2 ) ( ) 2 (

) (

Bộ lọc thông cao: Bộ lọc thông cao được xây dựng nhằm loại bỏ các tín hiệu có tần

số thấp ra khỏi dữ liệu đang cần xử lý Bộ lọc thông cao được thiết kế liền sau bộ lọc thông thấp nhằm tiếp tục loại bỏ đi các thành phần tần số thấp từ bộ lọc thông thấp Mục đích thực hiện bộ lọc thông cao ngay sau bộ lọc thông thấp nhằm xây dựng bộ lọc thông dải Hàm truyền đạt của bộ lọc thông thấp như sau:

) 1

(

) 1

( )

H (4)

Đáp ứng biên độ của bộ lọc là:

) 2 / cos(

) 16 ( sin 256 )

(

2 1 2

wT

wT wT

32 )

( nT x nT T y nT T x nT x nT T

Tần số cắt thấp của bộ lọc này là 5Hz, độ khuếch đại là 32 và bộ lọc trễ 16 mẫu Đạo Hàm: Sau khi tín hiệu được đưa qua bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao, dữ liệu điện tim được đưa tiếp qua phép toán đạo hàm nhằm xác định được khung hình của phức hợp QRS Hàm truyền đạt có dạng sau:

) 2

2 )(

8

1 ( ) ( z z 2 z 1 z z2

(7) Đáp ứng biên độ của bộ lọc là:

 sin( 2 ) 2 sin( )  )

4

1 ( )

T wT

Phương trình vi phân l :

 ( 2 ) 2 ( ) 2 ( ) ( 2 )  )

8 /

về trị số dương thay vì có sẵn cả âm và dương như đối với tín hiệu đỉnh Q,R,S Công thức biến đổi của hàm bình phương như sau:

 2

) ( ) ( nT x nT

y  (10)

Di chuyển cửa sổ tích hợp: Mục đích của quá trình di chuyển cửa sổ tích hợp nhằm xác định được tất cả các đỉnh tín hiệu thay vì chỉ xác định được đỉnh R

 ( ( 1 ) ) ( ( 2 ) ) ( )  )

1 ( )

N nT

Trong đó N là số lượng mẫu có trong một cửa sổ khi tính toán