Đồ án 2018 Đo nhịp tim ECG

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 1

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 20154220

Hà Nội, 06/2018

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đi cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì vấn đề sức khỏe con người luôn được đặt lên hàng đầu Việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào y tế hiện nay chính là sự quyết định đến hiệu quả của việc phòng khám chữa bệnh cũng như nâng cao yêu cầu chăm sóc sức khỏe Qua đề tài nhóm em mong muốn dựa trên những hiểu biết về mạch có thể thực hiện thiết kế chế tạo các mạch đơn giản Đồng thời có thể củng cố và vận dụng được những kiến thức đã học vào thực tế; nâng cao được khả năng phân tích, tìm hiểu, thiết kế mạch xử lý tín hiệu y sinh Nhóm em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thanh Hường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm

em hoàn thành đề tài này Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn chế nên nhóm em không tránh khỏi sai sót, tín hiệu nhận được vẫn chưa được hoàn chỉnh… Chúng em rất mong được sự nhận xét góp ý của cô để

đề tài của nhóm em được hoàn thiện hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 06 năm 2018

Nhóm sinh viên thực hiện

Giới Thiệu Chung

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Tên đề tài: “ Thiết kế cảm biến đo nhịp tim ECG ”

1.1.1 Lý do chọn đề tài

Như chúng ta đã biết trong bốn chỉ số sinh tồn : nhiệt độ, mạch, huyết áp, nhịp tim thì việc đo nhịp tim là một thông số cực kỳ quan trọng Đồng thời hiện nay trên thế giới các bệnh về tim mạch cũng rất phổ biến Do đó, việc xây dựng và thiết kế một máy ghi nhận tín hiệu điện tim với giá thành phù hợp, dễ sử dụng là rất hữu ích Chúng em cũng nhận thấy tín hiệu điện tim hiện nay đã được mọi người quan tâm rất nhiều, dạng tín hiệu nhận được cũng dễ nhận biết hơn các dạng tín hiệu Vì thế, đối với những sinh viên mới tìm hiểu, kỹ năng chưa có nhiều như nhóm em thì việc xử lý tín hiệu điện tim là phù hợp hơn cả Hơn nữa, qua đề tài nhóm em mong muốn có thể hiểu hơn về các tín hiệu y sinh và cách xử lý chúng Do đó nhóm em đã chọn đề tài: “ Thiết kế cảm biến đo nhịp tim ECG” 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 cô tiếp tục chỉ dẫn và góp ý để nhóm

có thể đi tới kết quả cuối cùng

1.1.2 Khả năng ứng dụng của đề tài

Khi cuộc sống càng ngày càng phát triển như hiện nay thì vấn đề chăm sóc sức khỏe ngày càng được thế giới quan tâm Đồng thời với một nền công nghiệp phát triển, tần suất công việc, nhịp sống ngày càng tăng thì vấn

đề tim mạch là một trong những nguy cơ ngày càng gia tăng, càng đặt được mối quan tâm của mọi người Ngày nay, các phòng khám tim mạch cũng ngày càng nhiều Do đó có rất nhiều nhu cầu về thiết bị y tế đặc biệt là máy điện tâm đồ Nhưng hiện nay, các thiết bị y tế trên thị trường có giá thành không phải nhỏ Vì thế nhóm em mong muốn có thể tạo ra một thiết bị ghi nhận tín hiệu điện tim với giá thành vừa phải với khả năng chi trả của

những phòng khám nhỏ Nó sẽ hỗ trợ cho khả năng thăm khám, chuẩn đoán bệnh của bác sĩ được chính xác hơn

Nhóm em nhận thấy nếu có thể phát triển thành một sản phẩm hoàn chỉnh thì khả năng ứng dụng của đề tài là rất lớn

1.1.3 Khả năng thực hiện của nhóm

Theo như yêu cầu mà nhóm đặt ra ban đầu là mạch của nhóm cần phải

thiết kế được mạch thật và đo được điện tim hiển thị dạng ECG Về phần cơ

bản, do thời gian gấp rút nên nhóm em chỉ làm được: mạch gồm các khối

cơ 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 là một trong các đại lượng sinh học quan trọng nhất trong việc chẩn đoán và chăm sóc bệnh nhân Khi tim co bóp thể thực hiện chức năng tuần hoàn của mình thì nó sẽ tạo ra một điện trường sinh học qua khối dẫn liên hợp từ ngực và cơ bụng tới bề mặt da Sự chênh lệch điện thế sinh học đó có thể đo được từ bất kỳ hai điểm nào trên bề mặt da Biên độ của dạng sóng tín hiệu thu được phụ thuộc vào cập điện cực được đặt ở đâu trên bề mặt da bệnh nhân Sóng điện tim là tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh dòng điện ion gây ra bởi các tế bào tim khi co lại hay giãn ra Tín hiệu này thường rất nhỏ Mỗi chu kỳ tim thường khoảng là 0,8 giây, thể hiện quá trình khử cực và tái khử cực của tâm nhĩ và tâm thất

Hình 1.1 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

Một chu kỳ tim chuẩn có chu kỳ là 0,8 giây với năm đỉnh là P, Q, R, S, T

và một đỉnh U ( đỉnh này rất nhỏ) Biên độ sóng P, Q, S nhỏ nhất khoảng 0,2 – 0,5 mV Biên độ sóng R lớn nhất, khoảng 1,5 – 2 mV Đỉnh sóng QRS của tín hiệu ECG thường nằm trong dải 400 µV – 2,5 mV do đó để đưa về điện áp chuẩn qua ADC xử lý cần khuếch đại tín hiệu lên khoảng

1000-2000 lần Biên độ này phụ thuộc vào vị trí đo và thể trạng của bệnh nhân Dải tần hoạt động là khoảng 0,05 Hz – 100 Hz

Các đạo trình đo:

Cơ thể người là một môi trường dẫn điện, vì thế dòng điện do tim được phát đi ra được truyền đi khắp cơ thể Khi đặt hai điện cực trên bất kỳ hai điểm nào của cơ thể đều thu được dòng điện thế giữa hai điểm đó và được gọi là đạo trình (hay chuyển đạo) Mỗi đạo trình sẽ có một dạng sóng khác nhau Thông thường người ta hay sử dụng 12 đạo trình để ghi tín hiệu điện tâm đồ bao gồm:

- Đạo trình mẫu : 3 đạo trình

- Đạo trình đơn cực các chi: 3 đạo trình

- Đạo trình trước ngực: 6 đạo trình

Hình 1.2 Tín hiệu ECG chuẩn

Điện cực và cáp bọc kim chống nhiễu

Do tín hiệu điện tim rất nhỏ (cỡ milivolt) nên nó rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu từ bên ngoài như điện từ trường, nhiệt độ do đó việc sử dụng dây nào để nối điện cực đo với mạch đo là một yếu tố quan trọng Trong đề tài này cáp đồng mềm một lõi vỏ PVC có bọc kim được sử dụng

để loại trừ các ảnh hưởng của điện từ trường ngoài tới tín hiệu điện tim khi

nó truyền trên dây dẫn

Điện cực điện tim được lựa chọn là điện cực dán chủng loại MEDI-TRACE 210 của hãng KENDALL Đây là loại điện cực sử dụng một lần với cấu tạo Ag/AgCl (đầu kim loại làm từ bạc và lớp tiếp giáp với da được làm từ một loại keo hỗn hợp dẫn điện với thành phần chứa AgCl)

Nhóm em đã chọn thiết kế mạch thu nhận tín hiệu một đạo trình chuẩn của tín hiệu điện tim Sau đây em xin giới thiệu chi tiết hơn về đề tài của nhóm

THIẾT KẾ

2.1Mạch khuếch đại vi sai Hình 2.2f

Hình 2.1: Sơ đồ khuếch đại vi sai sử dụng AD620

và mạch điều khiển chân phải

AD620 là IC khuếch đại vi sai cho chất lượng cao Với khả năng dễ dàng điều chỉnh hệ số khuếch đại từ 1 cho tới 1000 bằng cách thay đổi giá trị điện trở khuếch đại đặt vào giữa của hai phần tử khuếch đại thuật toán nằm bên trong IC (được nối ra ngoài qua chân 2 và chân 8) Dòng bias đầu vào tối đa là 1nA, đặc tính khuếch đại ít phụ thuộc vào nhiệt độ (điện áp offset tối đa 0.6µV/ºC) Hệ số khuếch đại của AD620 được tính bằng công thức:

Mạch lọc thông thấp

Tín hiệu điện

tim

Mạch khuếch đại lặp

Mạch khuếch đại vi sai

Mạch lọc thông cao

Cảm biến nhịp tim

49.4 49.4

1

1

G G

−

Với sự lựa chọn RG = 3.3KΩ ta có hệ số khuếch đại qua AD620 là:

6 94 5 1 10

4

49

1 = + = ≈

G

Hình 2.1.1 AD620

Mạch điều khiển chân phải

Trong quá trình đo điện tim, tồn tại một điện áp Vc giữa điểm trung tính trên cơ thể người và điểm trung tính trên mạch đo Điều này dẫn đến việc tín hiệu điện tim thu được bị lệch khỏi đường cơ sở Để tránh hiện tượng trôi điểm không trong quá trình đo điện tim người ta thường dùng một mạch điều khiển chân phải (nối với một điện cực gắn vào chân phải) để nhằm mục đích giảm điện áp chênh lệch Vc Tuy nhiên nếu không đảm bảo được sự cách ly với điện kháng đủ lớn dòng điện chạy qua điện cực này có thể gây nguy hiểm tới người sử dụng

Hình 2.2: Mạch điều khiển chân phải

Quan sát trên hình 2.3 ta thấy được điện thế giữa trung tính của mạch đo (Vo) và trung tính của người (Vc) của khuếch đại U1 () có quan hệ như sau:

1

v − v = × R i

với id là dòng điện chạy từ mạch đo vào chân phải

Mặt khác ta lại có

2

3 4

R

P

1 3 4

R R R

R R R

= +

P P

do đó để giảm được điện áp chênh lệch Vc ta phải chọn lựa R1,R2,R3,R4 sao cho với id cho trước thì Vc phải nhỏ hơn mức quy định

Theo tiêu chuẩn điện tim quy ước quốc tế dòng id thường ở mức nhỏ hơn 20µA (với dòng >5mA trong khoảng thời gian 200mS có thể gây sốc cho tim) Với những giá trị điện trở lựa chọn trên hình vẽ ta tính được:

47

C

Khi đó chỉ cần bù sai lệch tĩnh tương ứng với 47 V µ

(hoặc bỏ qua nếu không cần thiết) thì tín hiệu điện tim thu được sẽ tránh được hiện tượng trôi điểm không khi đo Tụ điện C1 mắc nối tiếp với R5 nhằm mục đích lọc nhiễu cao tần khi chạy qua mạch điều khiển chân phải

2.2Mạch lọc thông cao

Hình 2.3: Mạch lọc thông cao

Đối với tín hiệu điện tim, tần số cần quan tâm nằm trong khoảng 0.05Hz tới 150Hz Do đó bộ lọc thông cao phải đáp ứng cho phép tín hiệu với tần

số >0.05Hz đi qua Để đáp ứng được điều này lựa chọn tốt nhất là mạch lọc thông cao RC Công thức tính tần số cắt như sau:

6 6

0.04823 0.05

c

RC

Hệ số khuếch đại qua mạch lọc thông cao là:

G2 = R 20 / 19 (33 10) /10 4.3 R = + =

2.3 Mạch lọc thông thấp

Hình 2.4: Sơ đồ mạch lọc thông thấp

Mạch lọc thông thấp cũng sử dụng mạch lọc RC bậc 1 Tần số cắt được tính ra như sau:

6

c

RC

Hệ số khuếch đại tín hiệu sau khi qua mạch lọc này:

G3=R10/R11=(330+10)/10=34

2.4 Mạch khuếch đại lặp

Do tín hiệu điện tim là tín hiệu xoay chiều trong khi ADC của PIC chỉ

có khả năng lấy mẫu các tín hiệu nằm trong khoảng từ 0V đễ Vref cho nên phải thiết kế mạch khuếch đại lặp có tác dụng điều chỉnh offset cho tín hiệu điện tim sau mạch khuếch đại về dạng điện áp trong khoảng từ 0V-Vref Mạch khuếch đại lựa chọn trong trường hợp này là mạch khuếch đại vi sai đơn giản Sử dụng khuếch đại thuật toán OP07 cho chất lượng đáp ứng rất tốt

Hình 2.5: Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại lặp

Sơ đồ này là sơ đồ mạch khuếch đại vi sai hai tín hiệu vào Với các thông số linh kiện lựa chọn trên hình vẽ thì điện áp tại ECG_OUT được tính theo công thức:

2 / ) 2 _ 5

( 0

2 _ 15

16 5

2 1

2 )

15

16 1

( 0

adc s Vecg V

adc s Vecg R

R R

R

R R

R V

−

=

− +

+ +

=

Tóm lại: Hệ số khuếch đại đối với tín hiệu điện tim sau khi qua mạch

chuẩn hóa là: G =G1×G2×G3= 6×4.3×34=877.2

Như vậy tín hiệu điện tim đã được đưa về dạng chuẩn với biên độ max bằng 0.5×(5−Vecg _2adc)

Với tín hiệu điện tim dao động trong khoảng

±1.5mV thì biên độ tín hiệu dao động trong khoảng từ 1.18 V đến 3.81V

2.5 Thiết kế bộ nguồn cho mạch đo và mạch điều khiển

2.5.1 Tính toán thiết kế nguồn +/-9V cho khuếch đại thuật toán

Để đảm bảo được sự hoạt động chính xác cho các IC khuếch đại thuật toán thì việc cách ly nguồn cung cấp cho nó khỏi các thiết bị khác là cực kỳ quan trọng Vì lý do đó phải thiết kế mạch nguồn riêng cấp cho các IC khuếch đại thuật toán trong mạch

Nguồn được lấy từ điện áp 220VAC/50Hz Sau khi đưa qua biến áp lấy được giá trị điện áp +15VAC/-15VAC(50Hz), giá trị này là giá trị hiệu dụng của tín hiệu

Giá trị đỉnh của điện áp này sau chỉnh lưu cầu đi-ốt là VP =

(trong đó 0.7 là độ sụt áp qua mỗi đi-ốt của cầu)

Do mạch nguồn chỉ cung cấp cho 5 IC khuếch đại thuật toán trên mạch nên dòng yêu cầu là không lớn Ta thiết kế mạch nguồn có thể cung cấp điện áp +/-9V với dòng điện tối đa là 200mA

Cấu tạo của IC ổn áp họ 78xx và 79xx chỉ hoạt động khi điện áp đầu vào lớn hơn điện áp đầu ra từ 1,6V trở lên Công thức tính giá trị tụ bù để san phẳng hình dạng điện áp sau cầu diode như sau:

LOAD

RIPPLE

I t

C

V

× ∆

=

Với ILOAD là dòng cung cấp tối đa cho phép, VRIPPLE là khoảng dao động của điện áp đầu vào trước IC ổn áp ∆t là khoảng thời gian giữa hai đỉnh của điện áp Với tần số nguồn xoay chiều 50Hz thì

∆t=0.01s

6

0.2 0.01

400.10 5

Trên thực tế ta lựa chọn tụ điện 470µF /50V Khi đó điện áp VRIPPLE =4.26V Mức điện áp đầu vào IC ổn áp là (15.54V÷19.8V) thoả mãn điều kiện hoạt động của IC ổn áp

Hình 2.7: Hình dạng của điện áp ra sau cầu diode

Để loại trừ nhiễu nguồn (tần số 50Hz và các hài bậc cao) ta sử dụng tụ Cf=47µF mắc vào mạch phía sau IC ổn áp Tụ C có tác dụng dẫn toàn bộ tín hiệu nhiễu xoay chiều đi qua giữ lại thành phần một chiều để cung cấp tới các linh kiện khác trên mạch

2.5.2 Thiết kế nguồn 5V cho vi điều khiển và các modul khác trên mạch.

Nhằm tạo sự cách ly, tránh ảnh hưởng của các phần tử khác trên mạch tới phần khuếch đại tín hiệu, mạch nguồn 5V thiết kế cấp nguồn cho vi xử

lý và các thiết bị ngoại vi khác được tách khỏi nguồn +/-9V như hình vẽ 2.6

2.6 Đánh giá mạch đo.

- Bước đầu thấy mạch khá đơn giản, không quá phức tạp nên nếu cải tiến đưa vào sản xuất lớn thì chi phí 1 sản phẩm cũng không lớn

- Mạch sử dụng các bộ lọc, bộ khuếch đại thông dụng và độ hiệu quả cũng khá cao

- Do thời gian làm cũng khá gấp rút nên nhóm em tìm hiểu cũng chưa sâu nên cũng chưa lọc được hết nhiễu trong tín hiệu điện tim làm tín hiệu sóng

ra có thể chưa được chính xác

1. Đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM SỬ

DỤNG DSP”

Nguyễn Lan Hương, Phạm Ngọc Yến, Nguyễn Quốc Cường

2.Datasheet các 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

3. 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