Tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên đang theo học ngành Điện tử y sinh nói chung và ngành DTYS tại DH bách khoa Hà Nội nói riêng. Hi vọng tài liệu mang lại nhiều kiến thức bổ ích cho các bạn để làm bài tập lớn, đồ án.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG BÁO CÁO TÌM HIỂU ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM VÀ MẠCH RIGHT LEG DRIVE Sinh viên thực hiện: Lê Đình Hạ MSSV: 20140140 Giảng viên hướng dẫn: TS Đào Việt Hùng Học phần: Mạch xử lý tín hiệu Y Sinh Hà Nội, 11-2019 LỜI NÓI ĐẦU Tín hiệu điện tim trở nên vơ quan trọng, giúp bác sĩ chẩn đoán nhiều bệnh, hỗ trợ phẫu thuật,… Tuy nhiên, việc thu tín hiệu điện tim tốt nhất, giảm tối đa nhiễu không đơn giản, đồng thời cần phải đảm bảo lắp đặt thiết bị đo tín hiệu điện tim vào bệnh nhân, giảm thiểu tối đa rủi ro xảy dò điện Để đáp ứng nhu cầu đó, mạch Right leg Drive đời MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN TIM (ECG) i ii iv v 1.1 Khái niệm 1.2 Sơ lược hệ thống điện tim CHƯƠNG ĐIỆN CỰC VÀ CÁC ĐẠO TRÌNH ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 2.1 Điện cực 2.1.1 Điện cực sử dụng gel 2.1.2 Điện cực khơ 2.2 Các đạo trình 2.2.1 Đạo trình mẫu I, II, III 2.2.2 Đạo trình đơn cực chi 2.2.3 Sáu đạo trình trước ngực CHƯƠNG MẠCH RIGHT LEG DRIVE 3.1 Tại phải dán điện cực chống nhiễu chân? 3.2 Mạch Right leg Drive 3.2.1 Mạch Right leg Drive việc cải thiện CMRR 3.2.2 Cực trung tâm Wilson 10 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 13 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ECG : Electrocardiogram – tín hiệu điện tim PGA : Programmable gain amplifier CMRR : Common mode Rejection Ratio – tỉ số nén nhiễu WCT: Wilson’s Central Terminal – Cực trung tâm Wilson DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tín hiệu điện tim 6Hình 1.2 Di chuyển xung điện tim 7Hình 1.3 Một chu kỳ tín hiệu điện tim 7Hình 2.1 a Mối liên hệ trở kháng khu vực, b Điện cực gel, c Mặt cắt điện cực 8Hình 2.2 Đạo trình mẫu 9Hình 2.3 Đạo trình đơn cực chi 10Hình 2.4 Đạo trình trước ngực 11Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu ECG 12Hình 3.2 Mạch Right leg Drive cho tín hiệu điện tim 13Hình 3.3 Hệ thống tương tự hệ thống Right led drive với dòng điện dẫn tới khối theo dõi điện cực gắn 14Hình 3.4 Biểu diễn sơ đồ khối WCT 15 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN TIM (ECG) 1.1 Khái niệm Điện tâm đồ - ECG (Electrocardiogram) đồ thị ghi thay đổi dịng điện tim Quả tim co bóp theo nhịp điều khiển hệ thống dẫn truyền tim Những dòng điện nhỏ, khoảng phần nghìn volt, dị thấy từ cực điện đặt tay, chân ngực bệnh nhân chuyển đến máy ghi Máy ghi điện khuếch đại lên ghi lại điện tâm đồ Điện tâm đồ sử dụng y học để phát bệnh tim rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu tim Tần số : 0.05 Hz – 100 Hz Biên độ : 10µV – 5mV Hình 1.1 Tín hiệu điện tim 1.2 Sơ lược hệ thống điện tim Tim người có buồng để chứa bơm máu Hai phần nhỏ phía gọi tâm nhĩ (vì trơng giống lỗ tai) Hai phần lớn gọi tâm thất Máu theo tĩnh mạch từ thể trở tâm nhĩ phải, từ phổi trở tâm nhĩ trái Tâm nhĩ trái bóp bơm máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải đưa máu vào tâm thất phải Sau tâm thất phải bóp để bơm máu theo động mạch lên phổi tâm thất trái bóp để bơm máu xuống thể Tim có khả hoạt động đặn thứ tự nhờ hệ thống tế bào dẫn điện đặc biệt nằm tim Trong tâm nhĩ bên phải có nút xoang nhĩ (sinoatrial node) gồm tế bào có khả tự tạo xung điện (electric impulse) Xung điện truyền chung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P Điện Tâm đồ) Sau có dịng điện tiếp tục truyền theo chuỗi tế bào đặc biệt tới nút nhĩ thất (atrioventricular node) nằm gần vách liên thất theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào chung quanh (loạt sóng QRS) làm hai thất co bóp Sau xung điện giảm đi, tâm thất giãn (tạo nên sóng T) Hình 1.2 Di chuyển xung điện tim Hình 1.3 Một chu kỳ tín hiệu điện tim CHƯƠNG ĐIỆN CỰC VÀ CÁC ĐẠO TRÌNH ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM Rất nhiều nghiên cứu cho thấy việc thu tín hiệu điện tim rõ quan trọng cho việc chẩn đốn xác Nhưng, việc thu tín hiệu điện tim “sạch” thử thách, đặc biệt sử dụng 12 đạo trình điện tim Có nhiều yếu tố địi hỏi xác: thiết bị thu tín hiệu cần lắp đặt xác, bệnh nhân phải thoải mái điện cực cần đặt xác vào thể, tay, chân vị trí để thu kết xác Dưới thơng tin điện cực đạo trình để thu tín hiệu điện tim 2.1 Điện cực 2.1.1 Điện cực sử dụng gel Hiện nay, việc thương mại hóa điện cực dán bề mặt sử dụng lần để đo tín hiệu ECG vơ phổ biến Loại điện cực vô rẻ dễ tìm thấy thị trường Điện cực tạo Ag/ AgCl điện cực, bao quanh loại gel dẫn điện có điện trở suất khoảng 100Ωm Gel bao loại vật liệu dính, thứ sử dụng để dính chặt vào điện cực Điện cực có đường kính tổng cộng 25mm, đường kính gel khoảng 16mm đường kính đĩa Ag/ AgCl khoảng 10mm Hình ảnh mặt cắt cho thấy gel đầu dày khoảng 600µm, dày nhiều so với phần cịn lại, đó, việc tính tốn vùng đo trở nên khó khăn Hình 2.1 a Mối liên hệ trở kháng khu vực, b Điện cực gel, c Mặt cắt điện cực 2.1.2 Điện cực khô Điện bệnh nhân thường xuyên đo với điện cực dùng lần Ag/ AgCl Loại điện cực thu chất lượng tín hiệu tốt gây khó chịu sử dụng thời gian dài Trước sử dụng điện cực da cần phải cạo làm với cồn Để loại bỏ khó khăn này, nhà nghiên cứu tìm kiếm điện cực thay áp dụng mơi trường lâm sàng nghiên cứu Điện cực khơ hoạt động khơng cần gel, dính hay chuẩn bị da nghiên cứu nhiều thập kỷ Chúng sử dụng nghiên cứu chưa chấp nhận hoàn toàn cho y học Cho đến giờ, việc hoàn thành đánh giá so sánh điện cực khô chưa mô tả rõ ràng 2.2 Các đạo trình 2.2.1 Đạo trình mẫu I, II, III Hình 2.2 Đạo trình mẫu - Chuyển đạo I: RA (-) tới LA (+) - Chuyển đạo II: RA (-) tới LF (+) - Chuyển đạo III: LA (-) tới LF (+) 2.2.2 Đạo trình đơn cực chi - Chuyển đạo aVR: RA (+) tới [LA & LF] (-) - Chuyển đạo aVL: LA (+) tới [RA & LF] (-) - Chuyển đạo aVF: LF(+) tới [RA & LA] (-) Hình 2.3 Đạo trình đơn cực chi 2.2.3 Sáu đạo trình trước ngực V1 (C1) : Khoảng trống thứ tư xương sườn, đường viền xương ức bên phải V2 (C2) : Khoảng trống thứ tư xương sườn, đường viền xương ức bên trái V3 (C3) : nữa, V2 V4 V4 (C4) : Khoảng trống liên sườn thứ năm, nằm đường trung gian V5 (C5) : Đường nách phía trước bên trái, mặt ngang V4 V6 (C6) : Đường trung thất bên trái, mặt ngang V4 V5 RA (R) : Tay phải (bên cổ tay) LA (L) : tay trái (bên cổ tay) RL (N) : chân phải (trong mắt cá) LL (F) : chân trái (trong mắt cá) 10 Hình 2.4 Đạo trình trước ngực CHƯƠNG MẠCH RIGHT LEG DRIVE 3.1 Tại phải dán điện cực chống nhiễu chân? - Làm loại bỏ tác động không mong muốn từ nguồn điện lưới 50 - 60Hz Nếu xuất dòng rò, dòng rò theo chân phải xuống đất, hạn chế khả qua tim - Mạch Right leg Drive tín hiệu từ mạch khuếch đại đo đưa trở chân phải bệnh nhân, làm tăng khả loại bỏ nhiễu mode chung đo tín hiệu điện tim 11 - Khi nối điện cực chi với điện trở R = 5kΩ, tạo thành phương pháp đo Wilson Central Terminal (Cực trung tâm Wilson) Chương chủ yếu nói khả loại bỏ nhiễu mode chung mạch Right leg Drive 3.2 Mạch Right leg Drive Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu ECG 12 Hình 3.2 Mạch Right leg Drive cho tín hiệu điện tim 3.2.1 Mạch Right leg Drive việc cải thiện CMRR Với công nghệ này, điện trở 𝑅𝑝 sử dụng để có ảnh hưởng tới thể bệnh nhân ( gọi electrode resistance) Giá trị điện trở làm điện thể bệnh nhân suy giảm, CMRR hệ thống cải thiện Trong trường hợp thể bệnh nhân vơ tình nối đất tạo thành vịng khép kín, dịng rị qua điện trở 𝑅𝑝 xuống đất o Ảnh hưởng việc dẫn ngắt kết nối hệ thống Right leg Drive Hệ thống điện tim ln bao gồm dịng điện dẫn tới kiểm tra kết nối điện cực với da Khi điện cực bị ngắt kết nối với da, dòng điện dẫn đưa điện điện cực tới đường dẫn đất nguồn điện áp 13 Hình 3.3 Hệ thống tương tự hệ thống Right led drive với dòng điện dẫn tới khối theo dõi điện cực gắn Xét trường hợp điện cực tay phải mở, tay trái đóng, nhiễu mode chung đầu PGA loại bỏ khỏi điện áp tham chiếu dẫn đến vòng hồi tiếp Right leg Drive thất bại Trường hợp này, nhiễu mode chung thể bệnh nhân đưa tới đường dẫn, sau ngưng PGA hoàn toàn Bởi vậy, vần ý sử dụng kỹ thuật Right leg Drive hồi tiếp trường hợp khả cao có điện cực không kết nối với bệnh nhân 3.2.2 Cực trung tâm Wilson Điện cực đơn cực bắt nguồn từ chênh lệch điện điểm nguồn sử dụng điện cực thăm dị phía tim (cực dương vào – anode) điểm (cực âm vào – cathode) Theo lý thuyết, môi trường vô hạn đồng nhất, điện vơ Thực tế, khơng thể có điện thu từ thể người – vật thể dẫn WCT phát triển việc đo tín hiệu điện tim điểm cho 14 đạo trình, ghi đơn cực, trái ngược với đạo trình chi sử dụng cấu hình lưỡng cực Trước WCT phát triển, đạo trình chi sử dụng “điểm 0” cho ghi đơn cực trước, nhiên không đem lại nhiều hiệu WCT tạo nối đất ảo kết hợp ba điện cực chi (tay phải, tay trái, chân trái) kết nối với điểm trung tâm qua ba điện trở (khoảng 5kΩ) Cơ sở toán học coi tim điểm nguồn tam giác Einthoven Kết mang lưới điện chênh lệch gần Phương trình cách giải tìm thấy sách Wilson Việc sử dụng điện trở có giá trị lớn đưa hệ thống gặp trở ngại từ bên nhiễu nguồn 50-60Hz, bù trừ với lọc Notch Hơn nữa, việc thêm vào dòng điện qua chân phải, mạch Drive leg drive cho phép bệnh nhân điều khiển đến điện áp với khuếch đại chung, giảm nhiễu mode chung Nhìn chung, chênh lệch điện tồn WCT đất khoảng 0.2-0,3mV Tuy nhiên coi WCT đất ảo Hình 3.4 Biểu diễn sơ đồ khối WCT 15 KẾT LUẬN Mạch Right leg Drive hỗ trợ lớn thiết bị đo tín hiệu điện tim việc giảm nhiễu mode chung Mạch Right leg Drive góp phần lớn việc thu tín hiệu điện tim, đảm bảo thu tín hiệu xác rõ nét nhất, giúp ích việc chẩn đoán bệnh Em xin cảm ơn thầy Đào Việt Hùng tạo điều kiện tìm hiểu mạch Right leg Drive, giúp em biết thêm tác dụng việc thu tín hiệu điện tim Em xin cảm ơn thầy Sinh viên thực Lê Đình Hạ 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) for the in-situ analysis of metallic heritage artefacts, S Grassini, in Corrosion and Conservation of Cultural Heritage Metallic Artefacts, 2013 Dry electrodes for electrocardiography, N Meziane , J G Webster , M Attari and A J Nimunkar, 2013 (on website) Improving Common-Mode Rejection Using the Right-leg Drive Amplifier, Texas Instruments, 2011 Wilson Central Terminal, the keystone to electrogram recording – What, where, why?, John Silberbauer EP Fellow, San Raffaele Hospital, Milan, 2013 Electrocardiogram circuit design, Nathan M Kestro, 2013 17 ... chủ y? ??u nói khả loại bỏ nhiễu mode chung mạch Right leg Drive 3.2 Mạch Right leg Drive Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu ECG 12 Hình 3.2 Mạch Right leg Drive cho tín hiệu điện tim 3.2.1 Mạch. .. chi 2.2.3 Sáu đạo trình trước ngực CHƯƠNG MẠCH RIGHT LEG DRIVE 3.1 Tại phải dán điện cực chống nhiễu chân? 3.2 Mạch Right leg Drive 3.2.1 Mạch Right leg Drive việc cải thiện CMRR 3.2.2 Cực trung... volt, dò th? ?y từ cực điện đặt tay, chân ngực bệnh nhân chuyển đến m? ?y ghi M? ?y ghi điện khuếch đại lên ghi lại điện tâm đồ Điện tâm đồ sử dụng y học để phát bệnh tim rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi