Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI GIỚI THIỆU Trong cuộc sống hiện tại, nhu cầu kiểm tra sức khỏe định kỳ của mỗi người ngày càng được nâng cao. Với sự phát triển của khoa học công nghệ cùng với sự phát triển trong lãnh vực điện tử giúp con người có khả năng tạo ra được những sáng kiến, sản phẩm phục vụ cho lợi ích của con người một cách thuận tiện hơn. Sinh viên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp được trang bị nhiều kiến thức chuyên ngành về điện, điện tử. Với đồ án môn học “Thiết bị đo lường” nhóm đi tới ý tưởng thiết kế một thiết bị đo điện tim với thiết kế nhỏ gọn có khả năng di động với ứng dụng của công nghệ vi xử lý thay cho các kết cấu thanh ghi, băng giấy… cồng kềnh của các thiết bị đo điện tim cổ điển. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Anh Tuấn, nhóm đồ án xin được lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM MINI” Do thời gian ngắn và kinh nghiệm thực tế chưa được nhiều nên đề tài không tránh khỏi sự giản đơn và các khiếm khuyết. Mong được thầy tiếp tục chỉ dẫn và góp ý để nhóm có thể đi tới kết quả cuối cùng là thiết kế ra được thiết bị đo điện tim mini có thể ứng dụng rộng rãi trên thị trường. Qua đây, một lần nữa xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô đã góp ý, giải đáp thắc mắc cho nhóm và đặc biệt là sự hướng dẫn chi tiết, tận tình của thầy Nguyễn Anh Tuấn đã giúp cho nhóm hiểu ra được thêm rất nhiều điều phục vụ cho quá trình học tập, làm việc sau này. Quá trình thực hiện đề tài theo sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Tuấn nhóm đã tiến hành phân công và thực hiện công việc chính như sau: NGUYỄN BÁ BIỀN Thiết kế và thi công mạch cứng Hỗ trợ phần cơ sở dữ liệu trên giao diện máy tính ĐỖ THANH HẢI Lập trình phần mềm trên vi xử lý CHU MINH HUẤN Thiết kế và lập trình phần giao diện Visual Basic Hà Nội, tháng 7 năm 2009 Nhóm thực hiện MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU…………………………………………………………………… 1 MỤC LỤC…………………………………………………………………………… 2 Danh mục hình vẽ: ……………………………………………………………………4 Danh mục từ viết tắt: …………………………………………………………………4 1. Tổng quan đề tài thiết kế thiết bị đo điện tim mini ……………………………….5 2. Thiết kế mạch đầu vào thu thập tín hiệu điện tim ………………………………..5 2.1. Sơ lược về tín hiệu điện tim ………………………………………………….5 2.2. Điện cực và cáp bọc kim chống nhiễu ………………………………………..6 2.3. Mạch khuếch đại Vi sai ………………………………………………………6 2.4. Mạch điều khiển chân phải …………………………………………………7 2.5. Mạch lọc thông cao …………………………………………………………..8 2.6. Mạch lọc thông thấp ………………………………………………………….8 2.7. Mạch khuếch đại lặp ………………………………………………………….9 3. Thiết kế bộ nguồn cho mạch đo và mạch điều khiển ……………………………10 3.1. Tính toán thiết kế nguồn +9V cho khuếch đại thuật toán …………………10 3.2. Thiết kế nguồn 5V cho vi điều khiển và các modul khác trên mạch. ………11 4. Sử dụng vi điều khiển để lấy mẫu và xử lý tín hiệu điện tim …………………...12 4.1. Tổng quan về phần cứng vi xử lý …………………………………………...12 4.2. Lập trình phần mềm …………………………………………………………12 5. Kết nối mạch với máy tính, thiết kế giao diện chức năng trên máy tính ………..14 5.1. Giao diện của chương trình được viết trên Visual Basic 6.0 ………………..14 5.1.1 Yêu cầu đối với phần giao diện trên máy tính …………………………..14 5.1.2 Các chức năng của chương trình. ………………………………………14 5.2. Lưu trữ các số liệu …………………………………………………………..16 5.3. Thực hiện mô phỏng phần mềm và nhận xét. ……………………………….17 5.3.1 Thực hiện mô phỏng phần mềm ………………………………………..17 5.3.2 Đánh giá nhận xét về phần mềm ……………………………………….18 6. Kết luận và một số kết quả của mạch đo điện tim ………………………………18 Tổng hợp một số tài liệu đã tham khảo: ……………………………………………..21
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ĐỒ ÁN Tên đề tài: Thiết kế cảm biến đo nhịp tim ECG Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Thanh Hường Sinh viên thực hiện: Trương Đình Tâm 20153301 Đinh Văn Túc Hà Nội, 06/2018 20154220 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật vấn đề sức khỏe người đặt lên hàng đầu Việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào y tế định đến hiệu việc phòng khám chữa bệnh nâng cao yêu cầu chăm sóc sức khỏe Qua đề tài nhóm em mong muốn dựa hiểu biết mạch thực thiết kế chế tạo mạch đơn giản Đồng thời củng cố vận dụng kiến thức học vào thực tế; nâng cao khả phân tích, tìm hiểu, thiết kế mạch xử lý tín hiệu y sinh Nhóm em xin chân thành cảm ơn giáo Nguyễn Thanh Hường tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em hồn thành đề tài Trong trình thực đề tài, kiến thức hạn chế nên nhóm em khơng tránh khỏi sai sót, tín hiệu nhận chưa hồn chỉnh… Chúng em mong nhận xét góp ý để đề tài nhóm em hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 06 năm 2018 Nhóm sinh viên thực Giới Thiệu Chung 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Tên đề tài: “ Thiết kế cảm biến đo nhịp tim ECG” 1.1.1 Lý chọn đề tài Như biết bốn số sinh tồn : nhiệt độ, mạch, huyết áp, nhịp tim việc đo nhịp tim thông số quan trọng Đồng thời giới bệnh tim mạch phổ biến Do đó, việc xây dựng thiết kế máy ghi nhận tín hiệu điện tim với giá thành phù hợp, dễ sử dụng hữu ích Chúng em nhận thấy tín hiệu điện tim người quan tâm nhiều, dạng tín hiệu nhận dễ nhận biết dạng tín hiệu Vì thế, sinh viên tìm hiểu, kỹ chưa có nhiều nhóm em việc xử lý tín hiệu điện tim phù hợp Hơn nữa, qua đề tài nhóm em mong muốn hiểu tín hiệu y sinh cách xử lý chúng Do nhóm em chọn đề tài: “ Thiết kế cảm biến đo nhịp tim ECG” Do thời gian ngắn kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên đề tài không tránh khỏi giản đơn khiếm khuyết Mong cô tiếp tục dẫn góp ý để nhóm tới kết cuối 1.1.2 Khả ứng dụng đề tài Khi sống ngày phát triển vấn đề chăm sóc sức khỏe ngày giới quan tâm Đồng thời với công nghiệp phát triển, tần suất cơng việc, nhịp sống ngày tăng vấn đề tim mạch nguy ngày gia tăng, đặt mối quan tâm người Ngày nay, phòng khám tim mạch ngày nhiều Do có nhiều nhu cầu thiết bị y tế đặc biệt máy điện tâm đồ Nhưng nay, thiết bị y tế thị trường có giá thành khơng phải nhỏ Vì nhóm em mong muốn tạo thiết bị ghi nhận tín hiệu điện tim với giá thành vừa phải với khả chi trả phòng khám nhỏ Nó hỗ trợ cho khả thăm khám, chuẩn đoán bệnh bác sĩ xác Nhóm em nhận thấy phát triển thành sản phẩm hồn chỉnh khả ứng dụng đề tài lớn 1.1.3 Khả thực nhóm Theo yêu cầu mà nhóm đặt ban đầu mạch nhóm cần phải thiết kế mạch thật đo điện tim hiển thị dạng ECG Về phần bản, thời gian gấp rút nên nhóm em làm được: mạch gồm khối bản: Mạch khuếch đại đo, mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch nguồn, mạch khuếch đại lặp 1.2 GIỚI THIỆU VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN TIM Tín hiệu điện tim đại lượng sinh học quan trọng việc chẩn đốn chăm sóc bệnh nhân Khi tim co bóp thể thực chức tuần hồn tạo điện trường sinh học qua khối dẫn liên hợp từ ngực bụng tới bề mặt da Sự chênh lệch điện sinh học đo từ hai điểm bề mặt da Biên độ dạng sóng tín hiệu thu phụ thuộc vào cập điện cực đặt đâu bề mặt da bệnh nhân Sóng điện tim tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh dòng điện ion gây tế bào tim co lại hay giãn Tín hiệu thường nhỏ Mỗi chu kỳ tim thường khoảng 0,8 giây, thể trình khử cực tái khử cực tâm nhĩ tâm thất Hình 1.1 Lược đồ trình tạo nhịp tim, điện qua màng bó dẫn tim người quan hệ chúng với dạng sóng ECG đạo trình III Một chu kỳ tim chuẩn có chu kỳ 0,8 giây với năm đỉnh P, Q, R, S, T đỉnh U ( đỉnh nhỏ) Biên độ sóng P, Q, S nhỏ khoảng 0,2 – 0,5 mV Biên độ sóng R lớn nhất, khoảng 1,5 – mV Đỉnh sóng QRS tín hiệu ECG thường nằm dải 400 µV – 2,5 mV để đưa điện áp chuẩn qua ADC xử lý cần khuếch đại tín hiệu lên khoảng 10002000 lần Biên độ phụ thuộc vào vị trí đo thể trạng bệnh nhân Dải tần hoạt động khoảng 0,05 Hz – 100 Hz Các đạo trình đo: Cơ thể người mơi trường dẫn điện, dòng điện tim phát truyền khắp thể Khi đặt hai điện cực hai điểm thể thu dòng điện hai điểm gọi đạo trình (hay chuyển đạo) Mỗi đạo trình có dạng sóng khác Thơng thường người ta hay sử dụng 12 đạo trình để ghi tín hiệu điện tâm đồ bao gồm: - Đạo trình mẫu : đạo trình - Đạo trình đơn cực chi: đạo trình - Đạo trình trước ngực: đạo trình Hình 1.2 Tín hiệu ECG chuẩn Điện cực cáp bọc kim chống nhiễu Do tín hiệu điện tim nhỏ (cỡ milivolt) nên dễ bị ảnh hưởng yếu tố nhiễu từ bên điện từ trường, nhiệt độ việc sử dụng dây để nối điện cực đo với mạch đo yếu tố quan trọng Trong đề tài cáp đồng mềm lõi vỏ PVC có bọc kim sử dụng để loại trừ ảnh hưởng điện từ trường ngồi tới tín hiệu điện tim truyền dây dẫn Điện cực điện tim lựa chọn điện cực dán chủng loại MEDITRACE 210 hãng KENDALL Đây loại điện cực sử dụng lần với cấu tạo Ag/AgCl (đầu kim loại làm từ bạc lớp tiếp giáp với da làm từ loại keo hỗn hợp dẫn điện với thành phần chứa AgCl) Nhóm em chọn thiết kế mạch thu nhận tín hiệu đạo trình chuẩn tín hiệu điện tim Sau em xin giới thiệu chi tiết đề tài nhóm THIẾT KẾ Tín hiệu điện tim Mạch khuếch đại vi sai Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông thấp Mạch khuếch đại lặp Cảm biến nhịp tim 2.1Mạch khuếch đại vi sai Hình 2.2f Hình 2.1: Sơ đồ khuếch đại vi sai sử dụng AD620 mạch điều khiển chân phải AD620 IC khuếch đại vi sai cho chất lượng cao Với khả dễ dàng điều chỉnh hệ số khuếch đại từ 1000 cách thay đổi giá trị điện trở khuếch đại đặt vào hai phần tử khuếch đại thuật toán nằm bên IC (được nối qua chân chân 8) Dòng bias đầu vào tối đa 1nA, đặc tính khuếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ (điện áp offset tối đa 0.6µV/ºC) Hệ số khuếch đại AD620 tính cơng thức: G= 49.4k Ω 49.4k Ω + ⇒ RG = RG G −1 Với lựa chọn RG = 3.3KΩ ta có hệ số khuếch đại qua AD620 là: G1 = 49.4 + = 5.94 ≈ 10 Hình 2.1.1 AD620 Mạch điều khiển chân phải Trong trình đo điện tim, tồn điện áp Vc điểm trung tính thể người điểm trung tính mạch đo Điều dẫn đến việc tín hiệu điện tim thu bị lệch khỏi đường sở Để tránh tượng trơi điểm khơng q trình đo điện tim người ta thường dùng mạch điều khiển chân phải (nối với điện cực gắn vào chân phải) để nhằm mục đích giảm điện áp chênh lệch Vc Tuy nhiên không đảm bảo cách ly với điện kháng đủ lớn dòng điện chạy qua điện cực gây nguy hiểm tới người sử dụng Hình 2.2: Mạch điều khiển chân phải Quan sát hình 2.3 ta thấy điện trung tính mạch đo (Vo) trung tính người (Vc) khuếch đại U1 () có quan hệ sau: vC − vO = R1 × id với id dòng điện chạy từ mạch đo vào chân phải R2 R ( R PR ) vO = − vC ⇒ vC = id ( R3 P R4 ) R2 + ( R3 PR4 ) Mặt khác ta lại có để giảm điện áp chênh lệch Vc ta phải chọn lựa R1,R2,R3,R4 cho với id cho trước Vc phải nhỏ mức quy định Theo tiêu chuẩn điện tim quy ước quốc tế dòng i d thường mức nhỏ 20µA (với dòng >5mA khoảng thời gian 200mS gây sốc cho tim) Với giá trị điện trở lựa chọn hình vẽ ta tính được: 47 µV vC ≤ 47 µV Khi cần bù sai lệch tĩnh tương ứng với (hoặc bỏ qua khơng cần thiết) tín hiệu điện tim thu tránh tượng trôi điểm không đo Tụ điện C1 mắc nối tiếp với R5 nhằm mục đích lọc nhiễu cao tần chạy qua mạch điều khiển chân phải Hình 2.2.1 OP07 10 2.2Mạch lọc thơng cao Hình 2.3: Mạch lọc thơng cao Đối với tín hiệu điện tim, tần số cần quan tâm nằm khoảng 0.05Hz tới 150Hz Do lọc thơng cao phải đáp ứng cho phép tín hiệu với tần số >0.05Hz qua Để đáp ứng điều lựa chọn tốt mạch lọc thông cao RC Cơng thức tính tần số cắt sau: 1 fc = = = 0.04823Hz ≈ 0.05 Hz 2π RC 2π × 3.3 × 106 × 10 −6 Hệ số khuếch đại qua mạch lọc thông cao là: G2 = R 20 / R19 = (33 + 10) /10 = 4.3 2.3 Mạch lọc thơng thấp 11 Hình 2.4: Sơ đồ mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông thấp sử dụng mạch lọc RC bậc Tần số cắt tính sau: fc = 1 = = 146.148 Hz ≈ 150 Hz 2π RC 2π × 3.3 ×103 × 0.33 ×10 −6 Hệ số khuếch đại tín hiệu G3=R10/R11=(330+10)/10=34 sau qua mạch lọc này: 2.4 Mạch khuếch đại lặp Do tín hiệu điện tim tín hiệu xoay chiều ADC PIC có khả lấy mẫu tín hiệu nằm khoảng từ 0V đễ Vref phải thiết kế mạch khuếch đại lặp có tác dụng điều chỉnh offset cho tín hiệu điện tim sau mạch khuếch đại dạng điện áp khoảng từ 0V-Vref Mạch khuếch đại lựa chọn trường hợp mạch khuếch đại vi sai đơn giản Sử dụng khuếch đại thuật toán OP07 cho chất lượng đáp ứng tốt Hình 2.5: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại lặp Sơ đồ sơ đồ mạch khuếch đại vi sai hai tín hiệu vào Với thơng số linh kiện lựa chọn hình vẽ điện áp ECG_OUT tính theo cơng thức: 12 R16 R2 R16 )+ 5− Vecg _ s 2adc R15 R1 + R R15 V = (5 − Vecg _ s 2adc ) / V = (1 + Tóm lại: Hệ số khuếch đại tín hiệu điện tim sau qua mạch G = G1 × G × G3 = × 4.3 × 34 = 877.2 chuẩn hóa là: Như tín hiệu điện tim đưa dạng chuẩn với biên độ max 0.5 × (5 − Vecg _ 2adc ) Với tín hiệu điện tim dao động khoảng ±1.5mV biên độ tín hiệu dao động khoảng từ 1.18 V đến 3.81V 2.5 Thiết kế nguồn cho mạch đo mạch điều khiển 2.5.1 Tính tốn thiết kế nguồn +/-9V cho khuếch đại thuật toán Để đảm bảo hoạt động xác cho IC khuếch đại thuật tốn việc cách ly nguồn cung cấp cho khỏi thiết bị khác quan trọng Vì lý phải thiết kế mạch nguồn riêng cấp cho IC khuếch đại thuật toán mạch Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 13 Nguồn lấy từ điện áp 220VAC/50Hz Sau đưa qua biến áp lấy giá trị điện áp +15VAC/-15VAC(50Hz), giá trị giá trị hiệu dụng tín hiệu Giá trị đỉnh điện áp sau chỉnh lưu cầu đi-ốt V P = 15 − × 0.7 = 19.8V (trong 0.7 độ sụt áp qua đi-ốt cầu) Do mạch nguồn cung cấp cho IC khuếch đại thuật toán mạch nên dòng u cầu khơng lớn Ta thiết kế mạch nguồn cung cấp điện áp +/-9V với dòng điện tối đa 200mA Cấu tạo IC ổn áp họ 78xx 79xx hoạt động điện áp đầu vào lớn điện áp đầu từ 1,6V trở lên Cơng thức tính giá trị tụ bù để san phẳng hình dạng điện áp sau cầu diode sau: C= I LOAD × ∆t VRIPPLE Với ILOAD dòng cung cấp tối đa cho phép, V RIPPLE khoảng dao động điện áp đầu vào trước IC ổn áp ∆t khoảng thời gian hai đỉnh điện áp Với tần số nguồn xoay chiều 50Hz ∆t=0.01s ⇒C = 0.2 × 0.01 = 400.10 −6 F µF Trên thực tế ta lựa chọn tụ điện 470 /50V Khi điện áp VRIPPLE =4.26V Mức điện áp đầu vào IC ổn áp (15.54V÷19.8V) thoả mãn điều kiện hoạt động IC ổn áp 14 Hình 2.7: Hình dạng điện áp sau cầu diode Để loại trừ nhiễu nguồn (tần số 50Hz hài bậc cao) ta sử dụng tụ Cf=47µF mắc vào mạch phía sau IC ổn áp Tụ C có tác dụng dẫn tồn tín hiệu nhiễu xoay chiều qua giữ lại thành phần chiều để cung cấp tới linh kiện khác mạch 2.5.2 Thiết kế nguồn 5V cho vi điều khiển modul khác mạch Nhằm tạo cách ly, tránh ảnh hưởng phần tử khác mạch tới phần khuếch đại tín hiệu, mạch nguồn 5V thiết kế cấp nguồn cho vi xử lý thiết bị ngoại vi khác tách khỏi nguồn +/-9V hình vẽ 2.6 2.6 Đánh giá mạch đo - Bước đầu thấy mạch đơn giản, không phức tạp nên cải tiến đưa vào sản xuất lớn chi phí sản phẩm khơng lớn - Mạch sử dụng lọc, khuếch đại thông dụng độ hiệu cao - Do thời gian làm gấp rút nên nhóm em tìm hiểu chưa sâu nên chưa lọc hết nhiễu tín hiệu điện tim làm tín hiệu sóng chưa xác 2.7 Danh mục tham khảo 15 Đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM SỬ DỤNG DSP” Nguyễn Lan Hương, Phạm Ngọc Yến, Nguyễn Quốc Cường Datasheet linh kiện: +AD620AN: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/105505445AD62 0_e.pdf +TL082CN: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/2300.pdf +OP07CP: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/53280594OP07_a pdf Đề tài: “The Isolation Mode Rejection Ratio in Bioelectric Amplifiers” A.C MettingVanRijn, A Peper, C A Grimbergen http://www.biosemi.com/publications/artikel5.htm 16 ... khuếch đại vi sai đơn giản Sử dụng khuếch đại thuật toán OP07 cho chất lượng đáp ứng tốt Hình 2.5: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại lặp Sơ đồ sơ đồ mạch khuếch đại vi sai hai tín hiệu vào Với thơng... nhóm em khơng tránh khỏi sai sót, tín hiệu nhận chưa hoàn chỉnh… Chúng em mong nhận xét góp ý để đề tài nhóm em hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 06 năm 2018 Nhóm sinh... gian, phản ánh dòng điện ion gây tế bào tim co lại hay giãn Tín hiệu thường nhỏ Mỗi chu kỳ tim thường khoảng 0,8 giây, thể trình khử cực tái khử cực tâm nhĩ tâm thất Hình 1.1 Lược đồ trình tạo