Chế tạo tim giả chuẩn và mạch chuyển đổi AD của máy điện tim

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA X›W MAI HỮU XUÂN CHẾ TẠO TIM GIẢ CHUẨN VÀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI AD CỦA MÁY ĐIỆN TIM CHUYÊN NGÀNH: Mà SỐ NGÀNH : KỸ THUẬT LASER 2.07.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH QUANG LINH Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004 Có thể tham khảo luận văn Thư viện trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH - CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phuùc Tp HCM, ngày tháng năm 2004 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : MAI HỮU XUÂN Ngày, tháng, năm sinh : 29 – 03 – 1966 Nơi sinh : Hòa Thành – Tây Ninh Chuyên ngành : KỸ THUẬT LASER Phái : Nam MSHV :KTLS13 - 009 I-TÊN ĐỀ TÀI CHẾ TẠO TIM GIẢ CHUẨN VÀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI AD CỦA MÁY ĐIỆN TIM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG a) Thiết kế tim nhân tạo với chuyển đạo chuẩn, - Dùng điện sinh lý học thực hành để có thông số chuẩn điện tim thời gian biểu thiện điện - Thiết lập mạch giả lập thông số tim chuẩn - Thi công chế tạo chạy thử máy chuẩn nhà sản xuất có sẵn so sánh với thông số chuẩn thực nghiệm trước - Đánh giá kết đạt nhiều sai số b) Thiết kế phận chuyển đổi AD Bộ phận chuyển đổi tạo từ IC chuyển đổi AD, ta làm nhiệm vụ sau - Tính số hiệu analog từ máy điện tim chuẩn - Thiết kế mạch chuyển đổi AD Thi công chế tạo chuyển đổi, chạy thử đánh giá để so sánh kết III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán hướng dẫn: TS HUỲNH QUANG LINH CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS TRẦN MINH THÁI TS HUỲNH QUANG LINH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Ngày tháng năm 2004 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khoá cao học thực luận văn tốt nghiệp này, nhận giúp đỡ hướng dẫn chuyên môn hỗ trợ mặt nhiều giáo sư, đồng nghiệp gia đình Tự đáy lòng mình, xin bày tỏ lòng biết ơn : PGS Trần Minh thái, Trưởng phòng thí nghiệm “Công nghệ laser” – Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu cố vấn chuyên môn TS Huỳnh Quang Linh, nhiệt tình hướng dẫn chuyên môn hoàn thiện nội dung, hình thức luận văn Tập thể cán bộ môn vật lý, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian vừa qua Tập thể anh chị học viên cao học Kỹ thuật Laser khóa 13, chia sẻ khó khăn giúp đỡ nhiệt tình thời gian qua Tập thể Ban Giám Đốc, anh chị em đồng nghiệp Công ty MTS tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập Và cuối xin cảm ơn gia đình hỗ trợ động viên mặt tinh thần vật chất để yên tâm suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, xác chưa công bố công trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn Mai Hữu Xuân Luận văn tốt nghiệp cao học MỤC LỤC MỤC LUÏC CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU – PHÁT TRIỂN VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN TÂM ĐỒ 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1.2.1 Mục tieâu 1.2.2 Nhiệm vụ 1.3 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI 1.3.1 Thiết kế tim nhân tạo với chuyển đạo chuẩn 1.3.2 Thiết kế phận chuyển đổi AD CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN TIM 2.1 HỆ THỐNG TUẦN HOÀN VÀ CẤU TẠO TIM 10 2.1.1 Máu 12 2.1.2 Tim 14 2.1.3 Điện sinh học 17 2.1.4 Hệ thống dẫn điện tim 21 2.1.5 Các vấn đề tim 27 2.2 ĐIỆN TRƯỜNG TIM 29 2.3 CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN HỌC CỦA TIM 29 2.4 KHẢ NĂNG CHỊU KÍCH THÍCH 30 2.5 TÍNH DẪN TRUYỀN CỦA TẾ BÀO 32 2.6 TÍNH TRƠ VÀ CÁC THỜI KỲ TRƠ 33 2.7 TÍNH TỰ ĐỘNG 34 CHƯƠNG 3: PHẦN THỰC HÀNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TIM CHUẨN GIẢ 35 3.1 CHOÏN LỰA CÁC CHUYỂN ĐẠO 36 3.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐIỆN THẾ TIM 43 3.3 THIẾT KẾ TIM GIẢ CHUẨN 43 CHƯƠNG 4: MẠCH CHUYỂN ĐỔI AD 55 4.1 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT MẠCH CHUYỂN ĐỔI AD THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 56 4.1.1 Lấy tín hiệu 59 4.1.2 Khuếch đại 60 4.1.3 Mạch chuyển đổi AD 68 Trang Luaän văn tốt nghiệp cao học 4.2 CHỨC NĂNG MẠCH 74 CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC 86 5.1 ĐỐI VỚI THIẾT BỊ TIM GIẢ CHUẨN 87 5.2 ĐỐI VỚI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI AD 89 KẾT LUAÄN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 Trang Luaän văn tốt nghiệp cao học CHƯƠNG MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ Trang Luận văn tốt nghiệp cao học 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU – PHÁT TRIỂN VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN TÂM ĐỒ Tình hình phát triển giới: Kỹ thuật kỹ thuật điện tâm đồ phát triển lâu, vào thập niên 60, kỹ thuật ứng dụng việc chẩn đoán bệnh Ban đầu, kỹ thuật đơn giản, có chuyển đạo chi chuyển đạo đơn cực tăng thêm, sau với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật ứng dụng nhiều vào trình chẩn đoán như: tăng thêm nhiều chuyển đạo nhiều vị trí đo thể người để xác định bệnh lý phương pháp chẩn đoán điện tâm đồ Ứng dụng Việt Nam: với hội nhập vào y học giới, y học Việt Nam ứng dụng nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật tiến tiến, lónh vực chẩn đoán quan trọng, mà đặc biệt lónh vực điện tâm đồ áp dụng rộng rãi chẩn đoán điều trị, góp phần châm sóc sức khỏe cho nhân dân Hiện nay, đội ngũ kỹ sư Việt Nam dừng lại việc nghiên cứu cách vận hành, bảo trì sửa chữa chưa thể nghiên cứu để chế tạo thiết bị y khoa Trên sở thiết bị có sẵn nước ngoài, Phân viện vật lý y sinh nghiên cứu mô hình thiết bị phục vụ cho việc đào tạo đội ngũ kế thừa Trong thời đại đại ngày nay, khoa học kinh tế phát triển đưa đến đời sống nâng cao, nhu cầu người tăng lên, điều làm cho môi trường đời sống có nhiều vấn đề ảnh hưởng, bệnh lý tăng lên theo nhu cầu đời sống tăng Trang Luận văn tốt nghiệp cao học Do tính chất đơn giản thân vi mạch ADC0809, không cần nhiều linh kiện gắn bổ xung việc có tới 08 ngõ đầu vào, 08 đường tín hiệu ngõ với đường điều khiển Người thiết kế dùng vi mạch yếu tố thông dụng thị trường linh kiện điện tử Việt Nam Các đường liệu ngõ (08 bit digital) đưa trực tiếp đến port P2 vi xử lý Điều thuận lợi cho việc tiếp nhận trực tiếp tín hiệu chuyển đổi từ vào thông qua đầu cắm SV1 Điện áp ngõ vào để phân tích từ – 5v điện áp ngưỡng phân tích VREF đấu trực tiếp vào nguồn nuôi vi mạch Các chân điều khiển, chọn kênh kết nối với vi xử lý Cụ thể sau (hình 44): ADC0809 89C51 Chú thích D0 P2.0 Tín hiệu digital, bit thứ D1 P2.1 Tín hiệu digital, bit thứ D2 P2.2 Tín hiệu digital, bit thứ D3 P2.3 Tín hiệu digital, bit thứ D4 P2.4 Tín hiệu digital, bit thứ D5 P2.5 Tín hiệu digital, bit thứ D6 P2.6 Tín hiệu digital, bit thứ D7 P2.7 Tín hiệu digital, bit thứ OE P1.5 Chân điều khiển, chọn vi mạch ADC0809 EOC P1.4 Chân điều khiển, cho phép hoạt động ALE P1.7 Chân nhịp đồng START P1.7 Tín hiệu cho phép bắt đầu chuyển đổi Trang 81 Luận văn tốt nghiệp cao học CLOCK P1.6 Xung nhịp A0 P3.2 Đường địa chỉ, bít thứ A1 P3.3 Đường địa chỉ, bít thứ A2 P3.4 Đường địa chỉ, bít thứ Còn điều đáng phải đề cập điều có khả thông báo lại trình làm việc trạng trình làm việc hệ thống vấn đề kiểm tra, theo dõi toàn hệ thống gặp nhiều khó khăn Chính yêu tố khiến mạch hiển thị LCD thiết kế vào hệ thống Với loại LCD TA2002A (Trung Quốc) có thị trường linh kiện điện tử Việt Nam, chúng hiển thị 02 dòng chữ, dòng 20 ký tự với độ phân giải 5x7 điểm ảnh cho ký tự Tuy nhiên, để điều khiển truyền số liệu cho mạch hiển thị cần có số chân điều khiển riêng biệt vi xử lý Chúng kết nối sau: TC2002A 89C51 Chú thích DB4 P1.0 Chân liệu thứ DB5 P1.1 Chân liệu thứ DB6 P1.2 Chân liệu thứ DB7 P1.3 Chân liệu thứ RS P3.6 R/W P6.7 E P3.5 Trang 82 Luận văn tốt nghiệp cao học Sau sơ đồ thiết kế mạch hiển thị LCD (hình 45) Hình 45 Trang 83 Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 46: Sơ đồ mạch in mặt mạch xử lý tín hiệu Trang 84 Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 47: Sơ đồ mạch in mặt mạch xử lý tín hiệu Trang 85 Luận văn tốt nghiệp cao học CHƯƠNG NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC Trang 86 Luận văn tốt nghiệp cao học Từ phần thiết kế chương thi công chế tạo thiết bị giả định thông số tim chuẩn, mạch chuyển đổi AD thu kết sau : 5.1 ĐỐI VỚI THIẾT BỊ TIM GIẢ CHUẨN - Thiết bị gọn nhẹ sử dụng nguồn nuôi DC, 1,5V - Các chuyển đạo chuẩn gồm chuyển đạo chi trước ngực - Các dạng sóng P,Q,R,S,T nằm khoảng định chuẩn đọc máy điện tim cardiofax với máy điện tim ESAOTE P80 Six Sau so sánh với bảng chuẩn cho sai số với ∆ x nhỏ 1% ÷ 2%, đồng dạng sóng; mẫu chạy thử lập lại 10 lần máy ghi giấy để làm bảng so sánh bảng chuẩn phức hợp, khoảng, đoạn biểu đồ ECG Ở so sánh 10 vòng chuyển đạo đầu D1 máy ngày sóng với bảng sóng chuẩn kết sau : Sóng P Q R S T 1 0,5 11,5 0,5 1,5 0,5 11,5 0,5 1,5 0,5 11,5 0,5 1,5 0,5 11,5 0,5 1,5 0,5 11,5 0,5 1,5 0,5 11,7 0,5 1,5 0,5 11,7 0,5 1,5 Trang 87 Luận văn tốt nghiệp cao hoïc 0,5 11,7 0,5 1,5 0,5 11,7 0,5 1,5 10 0,5 11,7 0,5 1,5 Vaø R = R = 11,6 10 P =1 10 Q Q= = 0,5 10 S = −0,5 P= T = 1,5 => δ R = 1,1%, δ P = 0; δ Q = 0, δ S = 0, δ T = Từ sai số ta nhận thấy có sai số nhỏ 1,1% phức hợp QRS độ rung động pin ghi, điện nguồn cung cấp cho mạch chưa ổn định Trên biểu đồ ghi giấy máy nhắc tin giả ta nhận thấy thoả mãn yêu cầu : D1 + D = D2 Đánh giá ưu nhược điểm * Ưu điểm - Đã tạo lập đước thông số đo chuẩn tim - Thiết bị sai số thấp - Mạch nhỏ gọn, tiêu tốn điện thấp, dễ sử dụng - Mạch AD biến đổi tín hiệu từ Analog sang Digital * Nhược điểm Trang 88 Luận văn tốt nghiệp cao học - Các sóng phụ thuộc nhiều vào điện áp cung cấp - Khả chống nhiễu phải cao sóng chuẩn - Bộ AD chạy chưa ổn định linh kiện lắp cửa đồng chuẩn xuất nhiễu lớn 5.2 ĐỐI VỚI THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI AD Phần xử lý tín hiệu thiết kế phần trình bày chương bao gồm: - Phần nhận tín hiệu điện tim - Phần chuyển đổi Analog sang digital ghi hình, có cổng kết nối với máy tính - Phần nhận tín hiệu điện tim cung cấp lượng DC (9 ÷+9) V, điện tín hiệu để đưa lên phận chuyển đổi AD - Phần chuyển AD sau nhận tín hiệu trộn từ phận đưa lên xử lý IC, ADC 0809 CCN AT 89C51 Để tạo dạng sống, hình xuất cổng kết nối máy tính Nguồn lượng cung cấp cho phần 7VDC - Kết chạy thử tim nhân tạo chuẩn cho kết tương đối độ nhiễu lớn Đánh giá ưu nhược điểm * Ưu điểm : - Mạnh gọn nhẹ, lắp ráp linh kiện tìm thị trường - Đã chuyển đổi tín hiệu điện tim sang digital hiển thị hình Trang 89 Luận văn tốt nghiệp cao học * Nhược điểm : - Bộ phận làm việc phải cung cấp mức lượng khác nên phức tạp chế tạo - Độ nhiễu sóng cao linh kiện lắp ráp chưa chuẩn - Phải viết chương trình phần mềm riêng để chạy máy tính, thời gian đề tài có hạn nên chưa thực Khả kết nối máy tính cao, cần có thời gian nghiên cứu thêm để phát triển hoàn chỉnh Trang 90 Luận văn tốt nghiệp cao học KẾT LUẬN Theo nhiệm vụ đề tài đặt ra, thiết bị tim giả với chuyển đạo chuẩn chuyển đổi ADC tí hiệu điện tim thiết kế Tim giả lập nhân tạo tạo phức hợp QRS chuẩn, sóng P, T, phù hợp khoảng thời gian kích thích, tự động tính trơ tim Bộ tim giả chế tạo điều kiện với nhiều linh kiện tốt tạo chuyển đạo chuẩn đơn cực chi aVR, aVL, aVF chuyển đạo trước ngực V1÷ V6 chuyển đạo theo trục tam giác EINTHOVEN, D1, D2, D3 Khi chạy thử máy đo điện tim hoạt động tim bình thường, để máy ghi giấy biến thiên dòng điện theo chế co bóp theo theo nhịp tự động lan truyền khắp thể xung động tim Hoạt động điện tim không thay đổi mà cặp điện cực khác dùng để ghi nhận hoạt động tim từ góc độ khác không gian Bộ chuyển đổi ADC hoạt động thiết bị chuyển đổi tín hiệu tạo điều kiện trình lập trình thiết kế phần mềm chuyên biệt cho kết nối máy tính, để y, bác sỹ có thêm phương tiện trao đổi tham vấn tốt chẩn đoán bệnh lý nhằm điều trị bệnh nhân tốt Do thời gian nghiên cứu có hạn nên thiết bị tạo chưa hoàn chỉnh với yêu cầu nhiệm vụ đặc đáp ứng phần chủ yếu tim giả lập hoạt động ổn định, mạch chuyển đổi lắp đặt xử lý nhiễm chưa triệt yếu tố khách quan điện Trang 91 Luận văn tốt nghiệp cao học áp, linh kiện chưa kết nối máy tính chưa có phần mềm chuyên biệt Hướng phát triển tới hoàn chỉnh mô hình tim với sóng bệnh lý chuẩn để so sánh chẩn đoán, tạo nhiều chuyển đạo để kiểm tra chuẩn máy đồng Sẽ hoàn chỉnh mạch AD không bị nhiễu liệu lấy đầy đủ nhu cầu thiết kế phần mềm Đề tài phát triển thiết kế phần mềm chuyên dụng để lưu trữ số liệu bệnh lý bệnh nhân phục vụ trình chẩn đoán điều trị cho bệnh nhân ngày nâng cao Thiết bị “tim giả chuẩn” mạch chuyển đổi AD đạt yêu cầu đề Hướng phát triển tới: bổ sung sóng bệnh lý chuẩn tạo các chuyển đạo đồng để hoàn thiện thiết bị Trang 92 Luận văn tốt nghiệp cao học CÁC CHUYỂN ĐẠO CỦA TIM GIẢ ĐƯC CHẠY THỬ TRÊN MÁY CARDIOFAX VÀ GHI TRÊN GIẤY ĐIỆN TIM Trang 93 Luận văn tốt nghiệp cao học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Crouch J.E., McClintic J.R: Human Anatomy and Physiology, J.Wiley&Son, 1976 [2] Gucbb, N.R., Newby D.E.: Cardiology NXB, Churchill Livingstone, 2000 [3] Trần Đỗ Trinh, Trần Văn Đồng: Hướng dẫn đọc điện tim, NXB Y Học, 2003 [4] Huỳnh Bá Long: Sổ tay điện tâm đồ, Lưu hành nội bộ, NXB Y học, 2004 [5] Phạm Nguyễn Vinh, Phạm Thu Linh: Sổ tay điện tâm đồ, NXB y học 2004 [6] Bộ môn sinh lý học ĐH Y Dược Hànội: Sinh lý học NXB Y học, 2000 [7] Limbird L E.: Call Surface Receptors : A short course on Theory and Method – 2.d.Ed M Nijhoff, Boston, 1995 [8] Carr,J., Brown, J.: Introduction to Biomedical Equiment Techology, Prentice Hall, 2002 Trang 94 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Địa liên lạc: MAI HỮU XUÂN 29 – 03 – 1966 Hòa Thành – Tây Ninh 371 Phạm Thế Hiển, P3, Q8 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Bậc học Đại học Chuyên ngành Cơ Khí Nơi đào tạo Đại Học Bách Khoa TP.HCM Khóa học 1984 – 1989 QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Năm 1989 1991 đến Nơi công tác Sở Thương nghiệp TP Hồ Chí Minh Sở Y tế TP Hồ Chí Minh, Công ty Trang thiết bị y tế TP.HCM ... TÀI CHẾ TẠO TIM GIẢ CHUẨN VÀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI AD CỦA MÁY ĐIỆN TIM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG a) Thiết kế tim nhân tạo với chuyển đạo chuẩn, - Dùng điện sinh lý học thực hành để có thông số chuẩn điện. .. kế phận chuyển đổi AD Bộ phận chuyển đổi tạo từ IC chuyển đổi AD, ta làm nhiệm vụ sau - Tính số hiệu analog từ máy điện tim chuẩn - Thiết kế mạch chuyển đổi AD Thi công chế tạo chuyển đổi, chạy... Chế tạo thiết bị tim giả chuẩn mạch chuyển đổi AD sở nghiên cứu điện sinh học tim 1.3.1 Thiết kế tim nhân tạo với chuyển đạo chuẩn - Dùng điện sinh lý học thực hành để khảo sát lập thông số chuẩn