Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điện tử y tế nói chung và thiết bị ghi điện tim nói riêng ngày càng có thêm nhiều tính năng. Việc xử dụng kỹ thuật vi xử lý và ghép nối thiết bị ghi điện tim với mạch điện toán đã nâng cao tính năng và chất lượng của thiết bị. ở mức độ bình thường chúng có thể lưu trữ số liệu, so sánh cập nhật và in các số liệu về điện tim cùng tên tuổi bệnh nhân một cách tự động. ở mức độ cao hơn nữa là chuẩn đoán bệnh (kết hợp với các khám nghiệm khác). Đồng thời tính an toàn của thiết bị cũng được nâng lên như báo động mất nguồn, dòng dò tăng, điện cực tiếp xúc xấu.Với kích thước gọn nhẹ, giá thành ngày càng hạ, chắc chắn chúng sẽ thâm nhập ngày càng sâu hơn vào các bệnh viện và phòng khám bệnh, không chỉ ở các bệnh viện, trung tâm y tế lớn mà còn ở các tuyến dưới, tương lai có thể đến tận các tuyến cơ sở.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối của một thiết bị ghi điện tim sở dụng vi xử lý. Thiết bị ghi điện tim ghép nối với máy điện toán cũng có sơ đồ như vậy. Trong máy điện toán cũng dùng vi xử lý.
28
Hình 2.1 Sơ đồ khối của một thiết bị ghi điện tim sử dụng vi xử lý.
Vi xử lý và máy điện toán chỉ làm việc với các đại lượng số (đếm được) khác với khái niệm điện tim mà chúng ta đang xét ở trên là đại lượng liên tục (tương tự). Vì thế tín hiệu điện tim trước khi đưa vào vi xử lý hay máy điện toán phải chuyển đổi sang dạng số. Thông tin này là dữ liệu về điện tim. Cũng không thể lấy quá nhiều dữ liệu. Cứ cách một khoảng thời gian nào đó người ta mới lấy tín hiệu điện tim đưa vào bộ chuyển đổi ra dạng số. Bộ chuyển đổi này gọi là bộ chuyển đổi tương tự số (A/D). Khoảng thời gian lặp lại đó gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu bằng nghịch đảo của chu kỳ lấy mẫu.
Ta đã biết rằng phức bộ của sóng điện tim bao gồm sóng P, Q, R, S, T. Khoảng cách QRS là hẹp nhất khoảng 0.06 – 0.12 giây, nếu chu kỳ lấy mẫu là 0.005 giây thì trong khoảng QRS lấy được từ 12 đến 24 mẫu đủ để phản ánh nhóm sóng này.
Phần trên ta đã trình bày phổ của điện tim là từ 0.05 đến 100 hz, do đó tần số lấy mẫu tối thiểu là 200 hz. Độ chính xác của dữ liệu điện tim còn phụ thuộc vào mức số hoá (mức lượng tử). Với yêu cầu cao người ta có thể chia thành 1000 mức từ 0 đến 999 và để biểu diễn có thể dùng 3 chữ số thập phân. Vi xử lý hay máy điện toán chỉ dùng hai trạng thái có điện (1) hay không có điện (0) trong các phần tử. Cách biểu diễn
29
này là biểu diễn nhị phân. Mười chữ số có thể biểu diễn từ 0 đến 1023. Tuy nhiên trong một số thiết bị người ta chỉ cần đến 8 bit để biểu diễn tín hiệu điện tim (0 –255). Khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu là 5ms, trong khi vi xử lý thực hiện một lệnh cở s. Điều đó cho thấy giữa hai lần lấy mẫu vi xử lý có thể thực hiện được vài nghìn lệnh, số lệnh này đủ để vi xử lý thực hiện một số lệnh như lưu trữ, hiển thị, quản lý, phím bấm, báo động, nhận dạng, lọc số. Nhưng chưa đủ để phân tích phổ kể cả phân tích phổ nhanh FFT.
Thiết bị hiển thị ở đây có thể là màn hình chấm điểm (Bit map) hay màn hình x,y (Vector), là các LED. Thiết bị lưu trữ như băng đĩa từ.Thiết bị ghi như máy in kim, lazer, máy in nhiệt hay bút ghi nhiệt. Trong trường hợp dùng màn hình x, y để hiển thị và bút ghi nhiệt để ghi thì phải có bộ chuyển đổi tương tự số (A/D).
Việc thiết kế hệ điện tim dùng vi xử lý hay máy điện toán ngoài thiết kế phần cứng như mạch điện,còn phải thiết kế phần mềm để vi xử lý thực hiện các chức năng đề ra. Ghép nối thiết bị điện tim với máy điện toán đơn giản hơn xây dựng từ vi xử lý. Công việc phần cứng là thiết kế chế tạo phần điện tim và ghép nối. Phần ghép nối bao gồm mạch vào/ra, mạch chuyển đổi A/D, D/A (nếu cần). Phần mềm có thể được viết phần lớn bằng ngôn ngữ bậc cao, phần còn lại được viết bằng ngôn ngữ máy.[9]
2.3 Kết luận chƣơng
Qua chương này, chúng ta đã tìm hiểu rõ về hoạt động của một máy điện tim. Máy
điện tim được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp
30
CHƢƠNG 3
PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM
Sau khi phân tích đường cong điện tim đồ, tim ra các dấu hiệu bệnh lý, các bác sĩ chuyên khoa về tim mạch đã tập hợp chúng lại thành những hội chứng điện tim đồ, rồi dựa vào đó mà chuẩn đoán bệnh.
Có hai loại hội chứng được xét đến là:
Các hội chứng về hình dạng sóng: Các bệnh lý làm thay đổi hình dạng điện tim đồ chuẩn.
Các hội chứng về rối loạn nhịp: Các bệnh lý làm thay đổi tần số điện tim đồ chuẩn.
Đề tài của luận văn mới chỉ xét tới các bệnh lý làm thay đổi hình dáng của điện tim đồ chuẩn và để giải quyết vấn đề này là bài toán về nhận dạng.
3.1 Giới thiệu phƣơng pháp nhận dạng
Phương pháp nhận dạng tín hiệu được sử dụng để xử lý các thông tin đa chiều khi các thông tin này không thể biểu diễn được dưới dạng biểu thức logic đơn giản hoặc không thể định nghĩa trước.
Có hai phương pháp nhận dạng tín hiệu:
Phương pháp nhận dạng thống kê: sử dụng lý thuyết quyết định.
Phương pháp nhận dạng cú pháp hay “cấu trúc”: nghĩa là chia tín hiệu thành nhiều phần dễ nhận dạng, các phần này liên quan với nhau theo một nguyên tắc cấu trúc định trước.
Hai phương pháp trên không tách rời mà bổ trợ cho nhau. Trong đồ án này, ứng dụng đồng thời hai phương pháp để phân tích nhận dạng tín hiệu điện tim.
3.2 Nguyên tắc nhận dạng cú pháp tín hiệu :
Nhận dạng cú pháp tín hiệu dựa trên cơ sở các hệ thống toán học trong đó có hính dạng của một tập được biểu diễn bằng các phần tử của ngôn ngữ hình thức. Quy tắc điều khiển sắp xếp các nguyên hàm tạo thành dạng tín hiệu tuân theo ngữ pháp sau :
G = (VT, VN, P, S)
Trong đó :
VT – là từ vựng hoặc … biểu diễn câu của ngôn ngữ, thường được biểu diễn bằng các chữ cái thường (từ: a… z)
31
VN – là từ vựng hay chữ cái không tận cùng, thường được biểu diễn bằng chữ cái in hoa.
P - là tập hợp các quy tắc cấu tạo cho phép xây dựng đầy đủ một câu từ các chữ cái. S - là định lý của ngữ pháp hay kí hiệu cấu tạo liên quan tới VN.
Khi các nguyên hàm của một dạng cho trước được xác định, quá trình nhận dạng tín hiệu được tiến hành phân tích cú pháp của “câu” xem cú pháp này có được viết đúng theo quy tắc đã được định nghĩa bằng ngữ pháp của quá trình hay không.[10]
3.3 Áp dụng phƣơng pháp nhận dạng cú pháp vào tín hiệu điện tim :
Khi phân tích tín hiệu ECG, ta nhận thấy rằng đoạn thẳng T – P biểu diễn đường cách điện giữa hai chu kỳ nhịp và cho chúng ta những thông tin quan trọng như đoạn PQRST. Vì vậy, ta chọn của sổ phân tích tín hiệu bao trùm tất cả chu kỳ nhịp của tín hiệu ECG, nghĩa là giữa hai đỉnh R-R.
Cửa sổ quan sát của một chu kỳ điện tim được chia thành 40 đoạn, cũng có thể ít hoặc nhiều hơn. Nếu ít hơn thì khoảng cách của đoạn cong tín hiệu được lấy để lấy để tuyến tính hoá lớn lên do đó độ chính xác xẽ nhỏ đi. Còn nếu nhiều hơn thì ngược lại nhưng thời gian thực để xử lý tín hiệu dài ra có thể sẽ ảnh hưởng đến việc lấy được đầy đủ một chu kỳ của tín hiệu. Trong thực tế của sổ quan sát trên được chia thành 40 đoạn là hợp lý. Quá trình nhận dạng tín hiệu điện tim sẽ được thực hiện trên các từ chia thành 40 ký tự. ở đây, ta chọn trường hợp đơn giản nhất để làm ví dụ mô tả ý nghĩa của các chữ cái như sau:
VT = (a, b, c) Trong đó :
a – biểu diễn đoạn thẳng nằm ngang: b – biểu diễn đoạn thẳng có góc dương: c – biểu diễn đoạn thẳng có góc âm:
Từ các giá trị thu thập được ta tạo được ngôn ngữ cấu thành bao gồm các từ có dạng ví dụ như: b c a c b c b a b c a … vv…
Như vâỵ, bước đầu tiên của quá trình nhận dạng, trước khi áp dụng phương pháp nhận dạng cú pháp, ta phải nhận dạng từng đoạn tín hiệu trong cửa sổ quan sát và gán cho nó các chữ cái tương ứng như định nghĩa ở phần trên.
3.4 Phƣơng pháp xử lý thống kê
Sử dụng pháp xử lý thống kê để xác định góc của mỗi đoạn thẳng nằm trong cửa sổ quan sát.
32
Giả sử có một đoạn gồm N điểm (Xi, Yi). Đoạn thẳng bình phương nhỏ nhất phù hợp nhất với tập điểm trên được mô tả bằng phương trình :
Y = A0 + A1X Theo phương pháp bình phương nhỏ nhất, ta có :
Yi – A0 – A1Xi = i, với i = 1, 2 …n là các sai số tại Xi và : S = (yi – A0 – A1xi)2 là tổng các bình phương của các sai số. Trong đó, xi, yi đã biết còn S phụ thuộc vào A0 và A1.
Mục đích của phương pháp bình phương nhỏ nhất là xác định A0 và A1 sao cho S là bé nhất. Dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định góc nghiêng A1 của đoạn thẳng, đem so sánh nhận được với giá trị ngưỡng cho trước. Từ đó ta có thể phân loại các giá trị góc của đoạn thẳng phân tích theo sơ đồ sau :
- < A1 < a A1 > b A1 < - c
Ta cần chú ý rằng giá trị ngưỡng chọn sao cho không quá nhạy khi có nhiễu tác động, nhưng phải đủ lớn để phát hiện những thay đổi của tín hiệu cần phân tích. Quá trình xử lý cú pháp được tiến hành sau khi chuyển các tín hiệu thành ký tự của bộ chữ cái VT.
Quá trình nhận dạng tín hiệu điện tim có thể tóm tắt như sau:
Từ hình dáng điện tim chuyển thành các đoạn thẳng. Để thực hiện, tuyến tính hoá từng đoạn thẳng bằng phương pháp bình phương tối thiểu (chia nhỏ đoạn thẳng, càng nhỏ càng giống). Được các đoạn thẳng với góc nghiêng khác nhau so với nằm ngang, dựa vào nhận dạng cú pháp ta có được dãy chữ phù hợp với sự thay đổi đó.[11]
33
CHƢƠNG 4
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐIỆN TIM
Giới thiệu
Về mặt nguyên lý cơ bản, máy điện tim là thiết bị ghi nhận, xử lý và biểu diễn tín hiệu có biên độ rất nhỏ.
Tín hiệu điện tim được biểu diễn bằng đồ thị gồm 2 trục thời gian và điện thế, như vậy máy điện tim có nhiệm vụ chuyển đồ thị này lên mặt phẳng (giấy hoặc màn hình máy tính). Do đó có sự quy đổi: biên độ và thời gian được biểu diễn bằng độ dài.
Tín hiệu điện tim thường rất nhỏ và chịu ảnh hưởng của rất nhiều loại nhiễu: nhiễu điện từ do nguồn điện lưới sinh ra , nhiễu do tiếp xúc của điện cực đối với da, do sự dịch chuyển của người bệnh. Do đó, việc thu nhận chính xác tín hiệu điện tim là hết sức khó khăn, cần sử dụng các bộ lọc: lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc triệt tần nhằm giảm bớt tác động của nhiễu lên tín hiệu điện tim thu được và cần sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu: khuếch đại đo, khuếch đại đệm để nâng cao biên độ tín hiệu, dễ dàng hơn cho việc thu nhận.[10]
4.1 Thiết kế sơ đồ khối
34
4.2 Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý 4.2.1 Khối nguồn 4.2.1 Khối nguồn
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 cung cấp cho các IC khuếch đại thuật toán trong mạch.[10]
Hình 4.2: Khối nguồn
Nguồn được lấy từ điện áp 220VAC/50Hz. Sau khi đưa qua biến áp lấy được giá trị điện áp +12VAC/-12VAC(50Hz), giá trị này là giá trị hiệu dụng của tín hiệu. Giá trị đỉnh của nó sau chỉnh lưu đi-ốt cầu là Vp = 12 2 - 2*0.7 = 15.57V
Do mạch nguồn chỉ cung cấp cho số lượng IC khuếch đại thuật toán không nhiều nên dòng yêu cầu là không lớn. Ta thiết kế mạch nguồn ±9V với dòng
điện tối đa là 200mA.
Cấu tạo họ IC ổn áp 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 đi-ốt như sau:
35 * load ripple I t C V
Với Iload là dòng cung cấp tối đa cho phép, Vripple khoảng dao động của điện áp đầu vào trước IC ổn áp. t là khoảng thời gian giữa 2 đỉnh của điện áp. Với tần số nguồn xoay chiều 50Hz thì t = 0.01s
0.2*0.01 5
C = 400.10-6 F Trên thực tế ta lựa chọn tụ điện 470uF/50V. Khi đó điện áp
ripple
V = 4.26V. Mức điện áp IC đầu vào IC ổn áp là (11.31 ÷ 15.57V) thỏa mãn điều kiện của IC ổn áp.
Hình 4.3: Điện áp được san phẳng hơn bằng tụ lọc
4.2.2 Khối bảo vệ đầu vào và tiền khuếch đại
Trong các mạch điện tử thì không thể thiếu mạch bảo vệ đầu vào, để đảm bảo an toàn cho các linh kiện trong mạch trong trường hợp xuất hiện những tín hiệu đầu vào vượt quá dải cho phép của các linh kiện.[11]
36
Hình 4.4: Khối bảo vệ
Đối với mạch xử lí tín hiệu y sinh còn quan tọng hơn bởi việc đo đạc tín hiệu được thu nhận trực tiếp trên cơ thể người. Trong trường hợp có nhiều thiết bị được sử dụng một lúc đối với một bệnh nhân thì không tránh khỏi những tín hiệu do các thiết bị này tác động lên nhau, cũng như nếu vô tình để bệnh nhân chạm phải nguồn cung cấp. Vì vậy mạch bảo vệ đầu vào là rất cần thiết.
4.2.3 Khối chọn chuyển đạo
Hệ thống điện tim đồ đo 12 chuyển đạo nên ta cần thiết kế mạch chọn chuyển đạo.[14]
Khi muốn sử dụng nhiều đầu vào tín hiệu mà chỉ muốn có một đầu ra thi ta sử dụng bộ dồn kênh với IC CD4051. Mạch này có 3 đầu vào A, B, C để lựa chọn và quyết định 1 trong 8 đầu vào được tích cực và nối đầu vào này với đầu ra chung. Chân INH (inhibit) là chân cho phép hoạt động của IC (enable). IC sẽ hoạt động nếu chân này được đưa xuống mức 0.
Nguồn cung cấp: -0.5V ÷ 7.5V
37
Hình 4.5: Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của IC CD4051
38
Mạch chọn chuyển đạo sử dụng kết hợp nguyên lý của tam giác Einthoven, điểm trung tâm Wilson với 2 IC CD4051. Bằng cách điều khiển mức 0, 1 của các chân điều khiển A, B, C của CD4051 thì ta sẽ chọn được lần lượt từng chuyển đạo để đưa vào xử lý.
Chân INH của CD4051 cũng được nối với mạch điều khiển để cho phép hoặc không cho phép các IC hoạt động
Bảng 1: Nguyên lý chọn chuyển đạo bằng IC CD4051
4.2.4 Thiết kế mạch khuếch đại vi sai
AD620 là IC khuếch đại vi sai 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 từ khuếch đại thuật toán nằm bên trong IC (được nối ngoài qua