Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận và xử lý tín hiệu điện tâm đồ

LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tác giả xin đƣợc chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội nói chung thầy cô Viện Công nghệ thông tin truyền thông nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tác giả kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt năm học tập rèn luyện Tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Cao Tuấn Dũng hết lòng giúp đỡ, hƣớng dẫn dạy tận tình trình tác giả thực luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, tác giải xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè quan tâm, động viên, đóng góp góp ý kiến giúp đỡ tác giả trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2012 Học viên thực Nguyễn Đăng Khoa DANH MỤC THUẬT NGỮ STT Từ viết tắt ECG CMRR ADC Ý nghĩa Electrocardioghram Common-mode rejection ratio Analog-to-digital converter DANH MỤC HÌNH ình 1: Vị tr c a tim thể ngƣời 12 ình 2: u tạo c a tim ngƣời 13 ình 3: Vị tr c a nút van 14 ình 4: Một chu chuyển c a tim 15 ình 5: Sự co bóp c a tim 16 ình 6: ình ảnh sóng điện tim ugustus Waller quan sát năm 1887 17 ình 7: Tạo sóng t n hiệu điện tim (ECG) 17 ình 8: Điện trƣờng c a tim bề m t ngực 18 ình 9: Sự khử cực tái cực 20 ình 10: Sự hình thành sóng P 22 ình 11: Sóng QRST 23 ình 12: Sự hình thành sóng Q 23 ình 13: Sự hình thành sóng R, S 24 ình 14: Sự Hình thành sóng T 25 ình 15: Phức điện tâm đ 26 ình 16: T n hiệu thông thƣờng 28 Hình 1.17: Nhiễu đƣờng ngu n 50Hz 29 Hình 1.18: Nhiễu dung bắp 29 Hình 1.20: Nhiễu thay đổi điện trở tiếp xúc làm dịch chuyển đƣờng 30 ình 21: ệ thống đạo trình c a Waller 32 ình 22: ệ thống đạo trình c a inthoven tam giác inthoven 32 ình 23: Điện cực trung tâm T Wilson 34 ình 24: Mạch c a điểm trung tâm Wilson, Vị tr c a điểm trung tâm Wilson không gian ảnh T n m tâm c a tam giác inthoven 35 Hình 2.1: Điện cực ngực 37 Hình 2.2: Điện cực chi 37 Hình 2.3: Cáp dẫn 39 Hình 2.4: Gi y in nhiệt dùng máy ghi điện tim 39 ình 5: Máy điện tim kênh EK10 41 ình 6: Máy Điện tim kênh ECG1503b 41 ình 7: Máy điện tim ECG3100 42 ình 8: Điện tâm đ 44 Hình 2.9: Tín hiệu điện tim có xu t nhiễu điện ngu n tần số 50Hz 44 Hình 2.10: Tín hiệu điện tim có xu t nhiễu từ thể bệnh nhân 44 ình 11: Sơ đ mạch khuếch đại vi sai 45 Hình 2.12: Khuếch đại vi sai ba op-amp 46 Hình 2.13: C u trúc bên AD620 47 Hình 2.14: C u trúc bên AD620 48 ình 15: D620 máy điện tim 48 ình 16: u trúc vi mạch c a N 105 49 Hình 2.17: Vai trò thành phần khối OP-AMP 50 ình 18: ộ khuếch đại vi sai 51 ình 19: Ý nghĩa lọc 52 Hình 2.20: Tín hiệu sinh học sau qua lọc nhiễu 53 Hình 2.21: Mạch “driven-right-leg” giảm nhiễu mode chung đến mức th p nh t 54 Hình 2.22: Hình dạng tín hiệu lọc thông th p fc=150Hz b ng Butterworth 56 ình 23: ộ lọc thông th p bậc 56 ình 24: Mạch lọc thông th p dùng h i tiếp âm 57 ình 25: Mạch lọc thông th p bậc hai 57 ình 26: Mạch lọc thông th p cực 58 Hình 2.27: Bộ lọc thông th p (low-pass filter) 59 Hình 2.28: Hình dạng tín hiệu lọc thông cao fc=0.05Hz b ng Butterworth 59 ình 29: a Mạch lọc thông cao bậc 1, b mạch lọc thông cao bậc 60 ình 30: Mạch lọc thông cao bậc 60 Hình 2.31: Bộ lọc thông cao (high-pass filter) 60 ình 32: Sơ đ mạch lọc dải triệt 62 Hình 2.33: Bộ lọc Notch 63 ình 1: ình dạng thông số c a tín hiệu điện tim thông thƣờng 66 ình 2: Sơ đ khối c a thiết bị thu t n hiệu 67 ình 3: Sơ đ khối hệ thống 69 ình 3.4: áp điện cực bệnh nhân 70 ình 5: ộ khuếch đại vi sai 72 ình 6: Mạch Khuếch Đại 73 ình 7: Mạch DRL 75 Hình 3.8: Mạch lọc thông cao 76 Hình 3.9: Mạch lọc thông th p 78 ình 10 : ình mô đáp ứng c a hai lọc 80 ình 11: Mạch lọc chắn dải 81 ình 12: Mạch nguyên lý khối ngu n 82 ình 13 : Module nalog 83 ình 1: Mạch thu nhận tín hiệu điện tim 84 ình 2: Mạch xử lý ADC giao tiếp máy tính 85 ình 3: Mạch ghép nối hệ thống phần cứng 85 ình 4: ệ thống cáp đo điện tim 86 ình 5: T n hiệu điện tim chƣa khử nhiễu 50/60Hz 86 ình 6: T n hiệu điện tim khử nhiễu 50/60Hz 87 ình 7: T n hiệu điện tim đo đạo trình 87 ình 8: hip RM nhận truyền tín hiệu điện tim máy tính qua USB 88 ình 9: T n hiệu điện tim hình máy trạm 89 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC THUẬT NGỮ DANH MỤC HÌNH LỜ NÓ ĐẦU PHẦN MỞ ĐẦU I.Lý chọn đề tài Mục đ ch nhiệm vụ nghiên cứu 10 PHẦN NỘI DUNG 12 ƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TIM, TÍN HIỆU Đ ỆN T M VÀ ĐẠO TRÌNH 12 1.1 Vị trí, c u tạo, vai trò hoạt động c a tim 12 1.1.1 Vị trí c a tim 12 1.1.2 C u tạo c a tim 13 1.1.3.Vai trò c a tim 13 1.1.4 Hoạt động c a tim 14 1.2 Sự hình thành tín hiệu điện tim (ECG) 16 1.2.1 Sóng c a tín hiệu điện tim 17 2 sở c a tín hiệu điện tim 18 ác giai đoạn c a tín hiệu điện tim 22 1.2.4 Nhiễu thu thập tín hiệu ECG 28 Đạo trình điện tâm đ 30 131 ác đạo trình mẫu 31 Điện cực trung tâm Wilson 33 ƢƠN 2: LÝ T UYẾT MẠ Đ ỆN TỬ VÀ MÁY Đ ỆN TIM 36 Sự thu t n hiệu 36 2.2 Thiết bị ghi sóng điện tim 38 2.2.1 Bộ điện cực bệnh nhân 38 2.2.2 Gi y ghi 39 2 Máy ghi điện tim 40 2.3 Một số loại máy điện tim 41 2.4 Các tiêu chuẩn thiết bị ECG 42 2.5 Mạch khuếch đại vi sai 44 2.5.1 Khuếch đại vi sai tích hợp 47 2.5.2 Khuếch đại vi sai OP-AMP 50 2.6 Mạch lọc tích cực 52 Mạch lọc thông th p 55 Mạch lọc thông cao 59 2.6 Mạch lọc dải triệt 61 ƢƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 64 3.1.Thiết kế sơ đ khối hệ thống 69 3.2.Chọn điên cực 70 3.3.Thiết kế hệ thống thu nhận tín hiệu điện tim 70 3.3.1 OP-AMP 07 70 3 Sơ đ nguyên lý tính toán khuếch đại 71 3 Sơ đ nguyên lý tính toán lọc 75 3 Sơ đ nguyên lý ngu n 81 3 Sơ đ nguyên lý hệ thống thu nhận tín hiệu điện tim 82 ƢƠN 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 84 4.1 Kết thực nghiệm thiết bị phân cứng 84 4.2 Thử nghiệm kết nối với phần mềm ứng dụng 88 KẾT LUẬN VÀ ƢỚNG PHÁT TRIỂN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 LỜI NÓ ĐẦU  Việc ứng dụng c a công nghệ thông tin việc phục vụ chăm sóc sức khỏe khuynh hƣớng toàn cầu kỷ 21 Nhờ có phát triển nhanh chóng c a công nghệ thông tin, tin học y tế đạt đƣợc nhiều thành nhƣ việc ứng dụng hệ thông tin bệnh viện, hệ trợ giúp làm định lâm sàng, y học từ xa telemedicine , thực tế ảo xa lộ thông tin sức khỏe việc chăm sóc sức khỏe cộng đ ng ngày đƣợc tốt Điện tâm đ phƣơng tiện chẩn đoán cận lâm sàng hữu ch cho bác sĩ chuyên khoa Tim mạch , mà cho bác sĩ thuộc chuyên khoa khác gây mê h i sức, nội khoa tổng quát … Sự đời c a phƣơng tiện chẩn đoán bệnh nhƣ siêu âm tim, ảnh hƣởng cộng hƣởng từ không giảm đƣợc cần thiết c a điện tâm đ với thầy thuốc sinh viên y khoa h nh lý đó, đƣợc cho phép c a giảng viên hƣớng dẫn, học viên định thực đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận xử lý tín hiệu điện tâm đồ” nh m xây dựng thử nghiệm máy điện tâm đ gọn nhẹ, ch nh xác Học viên Nguyễn Đăng Khoa PHẦN MỞ ĐẦU I.Lý chọn đề tài Trong thời đại công nghiệp hoá toàn cầu nay, Việt Nam có bƣớc tiến quan trọng trình hội nhập với xu phát triển chung c a giới t t lĩnh vực: kinh tế, văn hoá, xã hội … đ c biệt ứng dụng c a khoa học công nghệ đời sống c a ngƣời Ngày mà sống ổn định nhu cầu chăm sóc sức kho nhƣ khám chữa bệnh c a ngƣời dân ngày cao,để đáp ứng đƣợc nhu cầu c a xã hội,Y học thập kỷ qua có nhiều tiến nhảy vọt Đóng góp không nhỏ cho tiến c a y học đại máy móc đại mà ngƣời tạo nh m phục vụ cho công tác khám chữa bệnh ch nh xác hiệu h ng hạn, y học để việc chuẩn đoán điều trị bệnh liên quan đến tim mạch ch nh xác hiệu hơn, ác y bác sỹ thƣờng dùng phƣơng pháp chuẩn đoán lâm sàn thông qua máy đo điệm tâm đ raph Máy điện tâm đ - Electro Cardio có chức thu thập hiển thị ,lƣu trữ lại t n hiệu điện tim phát từ thể,dựa vào t n hiệu y bác sỹ chuẩn đoán lâm sàn tình hình hệ tim mạch c a bệnh nhân cách tƣơng đối ch nh xác Nhƣng v n đề chi ph cho máy bệnh đại ch nh xác rẽ thiết bị chuẩn đoán iá c a máy loại thƣờng lên đến vài chục nghìn đô la Mỹ phải đƣợc nhập từ nƣớc Chính việc trang bị máy móc đại nhƣ cho t t bệnh viện bình dân nh m nâng cao sức kho cộng đ ng gần nhƣ nhiệm vụ sức với ngành y tế nƣớc ta điều kiện Nhận th y tầm quan trọng c a thiết bị học viên định thực đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận xử lý tín hiệu điện tâm đồ”, nh m xây dựng thử nghiệm máy điện tâm đ gọn nhẹ, ch nh xác Trong trình thực đề tài m c dù g p r t nhiều khó khăn nhƣng với hƣớng dẫn tận tình c a Thầy TS ao Tu n Dũng , giúp đỡ c a thầy cô viện công nghệ thông tin, em hoàn thành đề tài luận văn thời gian quy định Mục đ ch nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu Tìm hiểu đƣợc kiến thức y sinh ECG để từ thiết kế thi công mô hình thu nhận xử lý tín hiệu điện tim Nhiệm vụ - Tìm hiểu kiến thức y sinh liên quan đến đề tài - Thi công, thiết kê mô hình máy điện tin - huyển giao thiết kế để ghép nối với hệ thống phần mềm Đối tƣợng nghiên cứu - C u tạo, hoạt động vai trò c a tim, hình thành sóng tim, đạo trình, tín hiệu điện tim - Nghiên cứu thiết kế thử nghiệm lọc khuếch đại t n hiệu điện tim - Xây dựng driver, P hỗ trợ phát triển phần mềm đọc t n hiệu điện tim từ thiết bị Phƣơng pháp nghiên cứu ác phƣơng pháp nghiên cứu ch nh: - Phƣơng pháp phân t ch tổng hợp lý thuyết - Phƣơng pháp phân loại hệ thống hoá lý thuyết phƣơng pháp đƣợc sử dụng trình xử lý liệu sau thu thập Vì đề tài thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật nên lý thuyết c a v n đề n ng t nh hàn lâm Do ngƣời nghiên cứu phải sử dụng thao tác tƣ logic nhƣ phân t ch, tổng hợp, phân loại, hệ thống lý thuyết; từ tìm hiểu ch t, c u trúc bên c a lý thuyết c a v n đề nghiên cứu Bởi có nắm vững 10 Hình 3.9: Mạch lọc thông thấp Tính toán thông số cho mạch: Tần số cắt mong muốn: f c  150Hz Chọn C12 = 47nF giá trị c a C13 phải thỏa mãn C13 ≥ C4 với a  1,4142 , b  suy ra: C13 ≥ 47nF 94nF Chọn C13 = 100nF √ với a  1,4142 b  Ta có R13 = R13 = 19.7k chọn R13 = 20k Tần số cắt c a mạch lọc thông th p bậc đƣợc xác định công thức: fc  1  150Hz  2 R13R14C4C5 2 20k .R13.47.109.100.109 F √ Từ √ R2 = 12k 78 Hệ số khuếch đại c a mạch: G3  Mô công thức tính toán Matlab ta th y: Từ tính toán đối sánh với chƣơng trình chạy Matlab ta th y hai kết tƣơng đ ng  Đáp ứng tần số sau qua hai lọc có tần số khoảng 0,05Hz tới 150Hz 79 H nh 3.10 : Hình mô đ ứng hai lọc  Mạch lọc chắn dải Các dây dẫn lƣới điện vật dẫn lƣới điện sinh điện trƣờng xung quanh Điện trƣờng gây tác động tới máy điện tim, dây điện cực thể bênh nhân điện áp lƣới điện có tần số 50 z nên điện trƣờng sinh biến thiên theo tần số Sự biến thiên gây ảnh hƣởng tín hiệu sóng điện tim Đó lý ta cần dùng mạch lọc chắn dải Tín hiệu đầu vào c a mạch chắn dải tín hiệu c a mạch thông th p, tín hiệu c a mạch tín hiệu điện tim đƣợc lọc tần số 50/60Hz Theo lý thuyết mạch lọc chắn dải, ta có : C8  C9  C , C10  2C , R17  R18  R R19  R20  R Tần số cắt: f m  50 Hz Ta chọn: C8  C9  C  100nF  C10  2C  200nF 80 Ta có: f c  1 R   32k  2 f cC 2. 50 Hz.100.109 F 2 RC H nh 3.11: Mạch lọc chắn dải Chọn R  33k R17 + R18 = = 16,5 k R17 + R18 = 14,7k Chọn R17 4,7k R20 10k ≈ 16k Hệ số khuếch đại c a mạch: G4  Kết luận : Nhƣ nói phần trên, tín hiệu điện tim có biên độ tần số r t nhỏ yêu cầu tín hiệu thu đƣợc từ điện cực qua khuếch đại lọc phải có điện áp khoảng 0,4V->4,4V tần số khoảng từ 0,05Hz->150Hz Sau thi thiết kế, tiến hành thi công mạch, tác giả tiến hành đo lƣờng thông số mạch th y điện áp ngõ module Analog khoảng 0,6V->4,2V đáp ứng tần số khoảng từ 0,06Hz->148 z hiểu đƣợc tín hiếu bị suy hao trình truyền dẫn đ nguyên lý ngu n 81 Ngu n điện cần để cung c p chi IC OP-AMP OP07 cho hệ thống, cần sử dụng điện áp ±5V Trong luận văn tác giả sử dụng ngu n vào ±9V đầu ±5V H nh 2: Mạch nguyên lý kh i ngu n đ nguyên lý hệ th ng thu nhận tín hiệ điện tim 82 H nh 3.13 : Module Analog 83 CHƯƠ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 4.1 Kết th c nghiệm thiết bị phân cứng Sau thiết kế chế tạo xong thiết bị phần cứng, ta có đƣợc phần cứng thu nhận tín hiệu điện tim sau: H nh 4.1: Mạch thu nhận tín hiệ điện tim 84 H nh 4.2: Mạch xử lý ADC giao tiếp máy tính H nh 4.3: Mạch ghép n i hệ th ng phần cứng 85 H nh 4.4: Hệ th ng đ điện tim Tín hiệu đo ngƣời thu đƣợc từ phần cứng H nh 4.5: Tín hiệ điện ti hi h a nhiễu 50/60Hz 86 H nh 4.6: Tín hiệ điện ti H nh 4.7: Tín hiệ điện ti 87 nhiễu 50/60Hz đ t n đạo trình Chúng ta nhận th y, tín hiệu điện tim thu đƣợc thể hình dạng c a sóng điện tim, nhƣng chƣa thực đƣợc đẹp Bởi với tình trạng linh kiện nƣớc ta nói chung thành phố Hà Nội nói riêng, hầu hết loại linh kiện không ổn định, độ xác không cao Vì muốn thiết kế hay chế tạo thiết bị y sinh đáp ứng đƣợc độ xác cao mà không cần phải nhập linh kiện từ nƣớc điều khó thực Bên cạnh đó, việc khắc phục nhiễu hoàn toàn cho thiết bị điện tim đến v n đề nhiều nhà nghiên cứu nƣớc ta 4.2 Thử nghiệm kết n i với phần mềm ứng dụng Mạch thu nhận xử lý tín hiệu điện tim đƣợc chuyển qua mạch xử lý tín hiệu số ADC có chip ARM truyền máy t nh thông qua đƣờng tín hiệu USB H nh 4.8: Chip ARM nhận truyền tín hiệ điện tim máy tính qua USB Trên máy trạm workstation nhận thị tín hiệu điện tim hình thông qua phần mềm đƣợc xây dựng Visual Studio, ngôn ngữ sử dụng C# 88 H nh 4.9: Tín hiệ điện tim hình máy trạm Tín hiệu điện tim đƣợc gửi đến điện thoại PDA c a bác sỹ qua hệ thống gửi tin nhắn SMS Hệ thống đƣợc phát triển modun GSM/GPRS/EDGE SIM700 89 KẾT LUẬN VÀ ƢỚNG PHÁT TRIỂN Nhƣ đề tài thực đƣợc phần lớn nhiệm vụ đ t ra, là: Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận xử lý tín hiệu điện tâm đồ M c dù chƣa hoàn toàn xử lý đƣợc nhiễu, nhƣng kết thu đƣợc có dạng sóng c a tín hiệu điện tim nên đáp ứng đƣợc nội dung đề tài ƣớng phát triển c a đề tài hoàn chỉnh khuếch đại, lọc nhiễu để giảm nhiễu xuống mức tối đa ch p nhận đƣợc đo đƣợc 12 đạo trình ngƣời bệnh Theo đó, đề tài mong muốn đóng góp hƣớng cho ngành thiết bị y tế c a nƣớc ta nay, việc cho giao tiếp một thiết bị y tế với máy tính, truyền thông tin ngƣời bệnh đến bác sỹ nhanh chóng, mang lại nhiêu thuận lợi tin cậy chuẩn đoán nhƣ điều trị cho bác sỹ cho bệnh nhân 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Anwar Vahed, 3-Lead Wireless ECG Barbara Aehlert, ECGs made easy, Cynthia Edmiston, Merrifield Graphics & Publishing Service, Inc, R.N (1995) Martin Jackson, Shyam Patel, Ramanan Rajaraman, Amrit Sharma, Mark Thomas & Ashwin Thurairajah, An ECG Telemetry Device, Dr John D Enderle, The ECG Biomedical Engineering, The University of Connecticut ùi Đình Kiên ch biên), Vận hành bảo dƣỡng thiết bị y tế, Vụ khoa học đào tạo Bộ Y tế Ron Macini, Op-Amps for everyone, Texas Instruments 7.M.Tenedero, Mary Anne D Raya, and Luis G Sison, Ph.D, Design and implementation of single-channel ECG amplifier with DSP post-processing in Matlab petlltenedero@yahoo.com, mraya@eee.upd.edu.ph, sison@eee.upd.edu.ph GS Trần Đỗ Trinh, ƣớng dẫn đọc điện tim, Đại học Y khoa Huế John G.Webster, Medical Instrumentation Application and Design, John Wiley 10 Frank G Yanowitz , The standard 12 Lead ECG, ECG Learning Center 11 M.Van Falkenburg, Analog Filter Design, Oxford University Press, 1982 12.Frank G Yanowitz, M.D Professor of Medicine University of Utah School of Medicine Medical Director, ECG Department LDS Hospital Salt Lake City, Utah : ECG Learning Center In Cyberspace (The Alan E.Lindsay) 13 Phạm Thị Ngọc Yến (2005): Study and design of an electrocardiograph, NXB Đại Học Kỹ Thuật Hà Nội 91 14 Xiyao Zhang, A Design of ECG Amplifier, 2003 15 http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography 16 http://tbytethivico.com/may-dien-tim/85-412i html đ c tính phần thiết kế) 92 ... thiết c a điện tâm đ với thầy thu c sinh viên y khoa h nh lý đó, đƣợc cho phép c a giảng viên hƣớng dẫn, học viên định thực đề tài Nghiên cứu kỹ thu t thu nhận xử lý tín hiệu điện tâm đồ nh m... nƣớc ta điều kiện Nhận th y tầm quan trọng c a thiết bị học viên định thực đề tài Nghiên cứu kỹ thu t thu nhận xử lý tín hiệu điện tâm đồ , nh m xây dựng thử nghiệm máy điện tâm đ gọn nhẹ, ch... thành tín hiệu điện tim (ECG) 16 1.2.1 Sóng c a tín hiệu điện tim 17 2 sở c a tín hiệu điện tim 18 ác giai đoạn c a tín hiệu điện tim 22 1.2.4 Nhiễu thu thập tín hiệu