Phương pháp đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim không xâm lấn bằng hấp thụ quang học
MỤC LỤC
Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm biến quang học. Phương pháp cảm biến này như sau:. Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong động mạch tăng lên. Chính sự thăng giáng áp suất máu này sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim. Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn, ánh sáng sau khi truyền qua được động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn. Hình 9 Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay. Hình 8 Sự truyền ánh sáng qua động mạch. Bố trí một Photodiode để nhận ánh sáng sau khi truyền qua động mạch thì ta có thể nhận được tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim. Với cách giải thích như trên, để tăng độ chính xác của tín hiệu thì nguồn sáng phải phát ra ánh sáng với cường độ không đổi theo thời gian. Sau khi đã có ý tưởng về cảm biến quang học như trên thì có hai câu hỏi được đặt ra là :. - Phải đặt nguồn sáng và Photodiode ở đâu để có thể thu được kết quả tốt nhất ?. -Vì động mạch bên trong cơ thể nên ánh sáng không chỉ truyền qua động mạch mà còn truyền qua nhiều thành phần khác của cơ thể, vậy có ảnh hưởng xấu gì đến tín hiệu nhận được ?. Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cở thể mà có chứa động mạch. Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận được là lớn nhất. Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của. cơ thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng. Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn nhưng do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ tin cậy. Hình 10 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến. Vị trí đặt nguồn sáng và Photodide hợp lý nhất: đó là đầu các ngón tay. Tuy động mạch ở đây không lớn nhưng quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không nhiều nên chỉ cần dùng một LED để làm nguồn sáng, kết quả mức độ biến thiên cường độ sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỷ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả được chính xác nhất. Khi ánh sáng truyền qua đầu ngón tay, nó chỉ bị hấp một phần nhỏ bởi động mạch, còn phần lớn bị hấp thụ bởi mô và xương nhưng một điều may mắn là hệ số hấp thụ của mô và xương đối với ánh sáng là hầu như không đổi theo thời gian, nên cường độ ánh sáng Photodiode nhận được sẽ biến thiên theo nhịp tim trên nền một chiều, tín hiệu này được chỉ ra như hình 10, do đó hoàn toàn có thể tin tưởng tính đồng bộ của tín hiệu nhận được với nhịp tim. Sơ đồ khối của mạch đo này như hình 11. Chức năng của từng khối như sau:. • Khối nguồn : Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ đo, có thể là pin hay ắc quy. • Mạch ổn dòng : cung cấp một dòng điện có cường độ ổn định để phát sáng LED. Hiển thị kết quả. Vi điều khiển So sánh và tạo dạng. Lọc thông thấp. Khuyếch đại Mạch ổn dòng. Hình 11 Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dung cảm biến quang học. • Photodiode : là cảm biến quang học, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. • Khuyếch đại : Khuyếch đại tuyến tính tín hiệu biến thiên trên photodiode ra đủ lớn để phõn biệt rừ ràng chu kỳ của tớn hiệu. • Lọc thông thấp : Photodiode bị ảnh hưởng của nhiễu môi trường, đặc biệt là nhiễu của nguồn sáng đèn trong phòng nên tín hiệu sau khi được khuyếch đại cần phải loại bỏ triệt để nhiễu tần số cao trước khi đưa vào bộ so sánh và tạo dạng. • Vi điều khiển : Xác định chu kỳ tín hiệu rồi hiển thị kết quả ra LCD. Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn dòng cho LED. Sơ đồ nguyên lý từng khối:. Có thể hiểu mạch này như một mạch khuyếch đại không đảo điện áp hồi tiếp đặt trên chân đảo của KĐTT :. Dòng điện trong mạch sẽ ổn định ngay khi đạt được biểu thức:. Do có hồi tiếp âm mạnh nên dòng điện chạy qua Led rất ổn định chỉ phụ thuộc vào Vin ,Vin ổn định ở 5V được lấy ra từ IC ổn áp LM7805. Muốn thay đổi cường độ sáng của Led ta thay đổi giá trị của R2. Trong quá trình làm khóa luận em thấy giá trị R2 = 100Ω phù hợp với mạch đo. Led đỏ loại siêu sáng được chọn làm nguồn phát sáng vì loại Led này có hiệu suất phát sáng rất cao. c) Photodiode BPW34 được sử dụng vì có các ưu điểm sau:. - Điện dung lớp tiếp giáp nhỏ. - Độ ổn định cao khi nhiệt độ xung quanh thay đổi. Hình 13 Sự phụ thuộc của dòng qua Photodiode BPW34 vào cường. Hình 14 Sự phụ thuộc của dòng qua Photodiode BPW34 vào nhiệt độ. và rất ổn định, tức là có dòng qua tỷ lệ khá tuyến tính với cường độ ánh sáng và bị ảnh hưởng rất ít bởi nhiệt độ môi trường. Do đó BPW34 còn được ứng dụng khá phổ biến trong thông thoại hồng ngoại và các bộ cảm biến ánh sáng khác nữa…. Hình 15 Mạch điện Photodiode d) Mạch Photodiode. Tụ điện C1 và điện trở lối vào của tầng khuyếch đại có tác dụng như một bộ lọc thông cao, điện dung của tụ C1 = 2,2 uF điện trở lối vào của tầng khuyếch đại cỡ chục Mêgaôm nên tần số cắt của mạch lọc này rất nhỏ, gần như chỉ có tác dụng đối với thành phần một chiều, điều này có nghĩa là tụ điện truyền nguyên vẹn tín hiệu và cách li hoàn toàn được điện áp một chiều giữa Mạch Photodiode và tầng khuyếch đại. Sau bộ lọc tín hiệu được đưa vào bộ so sánh và tạo dạng, khi tín hiệu vào bộ so sánh lớn hơn ngưỡng thì sẽ có biên độ đầu ra sẽ là 5V, khi tín hiệu lối vào nhỏ hơn ngưỡng đầu ra là 0V.Việc chỉnh ngưỡng rất quan trọng bởi vì : nếu ngưỡng nhỏ quá có thể bộ đếm sẽ đếm thừa do đếm cả những xung nhiễu có biên độ lớn hơn ngưỡng, nếu ngưỡng lớn quá xung ra sẽ hẹp và có thể mất xung.
PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ QUANG HỌC
Do đó dùng bộ Timing Circuit để điều khiển 2 Led phát sáng sao cho tại một thời điểm đo nhất định chỉ có 1 Led phát (Led kia nghỉ) và Photodiode nhận được ánh sáng của Led đó, dòng qua Photodiode sẽ thay đổi theo nhịp tim, dòng này được biến đổi tuyến tính thành điện áp nên có tín hiệu điện thay đổi theo nhịp tim, do có nhiễu từ môi trường vào Photodiode nên một bộ lọc Bandpass được sử dụng để loại bỏ nhiễu, các tần số cắt của bộ lọc sẽ loại bỏ gần hết nhiễu cao tần mà vẫn không ảnh hưởng đến xung nhịp tim nhận được, sau bộ lọc tín hiệu khá nhỏ nên phải khuyếch đại lên đủ lớn để có thể giao tiếp tốt với bộ Sample anh Hold. Các mô đun được tích hợp trên vi điều khiển PSOC là: Bộ khuyếch đại tín hiệu tương tự lập trình được (Programable Gain Amplifier: PGA), các bộ biên đổi số tương tự, tương tự số 14 bit, các bộ lọc (filter), bộ so sánh, định thời, điều chế độ rộng xung (PWM)… Có thể mô tả vi điều khiển PSOC như hình 29. Lựa chọn các mô đun cần sử dụng và cấu hình các mô đun đó: bước này bao gồm việc lựa chọn các mô đun cần thiết cho ứng dụng, cấu hình các tham số phù hợp cho các mô đun đó và kết nối các mô đun với tài nguyên chung của toàn bộ hệ thống, với các mô đun khác và với ngoại vi thông qua các chân của PSOC.
