Chương 1 đưa ra các nội dung tổng quan về đề tài đó là: - Giới thiệu chung về nhịp tim.
- Phân biệt nhịp tim với chỉ số huyết áp, nhịp tim trung bình qua các lứa tuổi, giới tính để ước lượng tình trạng sức khỏe.
- Tìm hiểu về tầm quan trọng của nhịp tim đối với cơ thể người để từ đó đặt ra tính cấp thiết, lý do chọn đề tài.
- Giới thiệu một số phương pháp xác định nhịp tim hiện nay nhằm mục đích đề xuất phương án thiết kế Module đo và giám sát các thông số về nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị các thông số đo được lên một giao diện trực quan được xây dựng trên phần mềm Processing.
- Xác định phạm vi nghiên cứu, phương hướng và nội dung cần thực hiện cho đề tài.
Chương 2. CƠ SỞ THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 2.1. Cấu trúc và hoạt động của trái tim người
Tim là một cơ quan của hệ thống cơ, được hình thành bởi một loại cơ đặc biệt gọi là cơ tim. Cơ tim là tập hợp của các sợi (chuỗi tế bào) được nối các điểm cuối với nhau qua những đĩa lắp và được bọc trong một lớp vỏ chung.
Tim được ví như hai cái bơm nằm song song giữa lồng ngực. Mỗi bơm có nhiệm vụ khác nhau nhưng hoạt động nhịp nhàng, phối hợp vì được cùng một trung tâm điều khiển. Hai ngăn trên để tiếp nhận máu có tên là tâm nhĩ, hai ngăn dưới, tâm thất đẩy máu ra ngoài tim. Tâm nhĩ nhỏ, không cần mạnh lắm vì chỉ cần bơm máu xuống tâm thất. Tâm thất lớn hơn, mạnh hơn, đặc biệt là thất trái, bơm máu xa tới cả chục ngàn cây số động mạch lớn nhỏ khắp cơ thể. Bốn van một chiều nằm ở cửa vào (van nhĩ thất) và cửa ra (van bán nguyệt) của mỗi tâm thất. Van nhĩ-thất phải, còn gọi là van -ba- lá, mở ra để máu chảy từ nhĩ phải xuống thất phải. Van khép lại khi thất phải co bóp, đẩy máu lên động mạch phổi, ngăn không cho máu dội ngược lên trên. Van nhĩ-thất trái hoặc van-hai-lá mở khi máu từ nhĩ trái xuống thất trái; khép kín khi máu từ thất phải được đưa vào động mạch chủ.
Giống như các loại động vật có vú khác, tim của con người cũng có 4 ngăn (buồng) – 2 tâm nhĩ và 2 tâm thất. Hai buồng tim bên phải là tâm nhĩ phải và tâm thất phải, bên trái là tâm nhĩ trái và tâm thất trái. Vách ngăn giữa tâm nhĩ và tâm thất được hình thành bởi các mô liên kết vững chắc (trừ một bó cơ nhỏ thuộc hệ thống dẫn truyền).
Nhịp làm việc bình thường của tim là 70-75 lần co bóp trong một phút. Khi lao động nặng nhọc thì nhịp tim sẽ tự động tăng lên nhưng không bao giờ quá mức cực hạn. Để đảm bảo chế độ hoạt động điều độ, tim có cả một hệ thống kiểm soát là hệ thống dẫn truyền - một bộ phận đặc biệt trong cơ tim [2][4].
Nhịp tim được thiết lập ở ngay bên trong tim bởi những “máy tạo nhịp”, là những khu vực nhỏ của hệ thống dẫn truyền nằm ở vách tâm nhĩ phải. Các tế bào của hệ thống dẫn truyền có thể kích thích các cơ tim co thắt theo một nhịp nhất định bằng cách truyền sóng kích thích co cho các cơ tim. Vách ngăn giữa tâm nhĩ và tâm thất được tạo bởi những mô liên kết không bị kích thích. Hệ thống dẫn truyền đi xuyên qua vách ngăn này và chia ra làm 2 bó xuống tâm thất phải và tâm thất trái.
Nhờ hệ thống dẫn truyền mà trái tim khi lấy ra khỏi cơ thể và cho vào môi trường nuôi cấy vẫn sẽ làm việc như bình thường. Thuộc tính này gọi là tính tự động của tim. Chúng ta có thể làm ảnh hưởng đến trái tim qua hệ thống thần kinh và nội tiết nhưng không thể điều khiển nó được. Khi lo lắng, hoảng sợ, vui mừng, căng thẳng ..., trái tim sẽ tự động đập nhanh mà, nếu muốn, chúng ta cũng không thể ra lệnh nó đập chậm đi. Tính tự động của trái tim rất quan trọng. Nếu không có thuộc tính này, chúng ta sẽ không thể tập trung toàn bộ tinh thần vào công việc (ví dụ khi chơi thể thao hay hoạt động trí óc) mà còn phải chia sự tập trung vào việc theo dõi nhịp đập của tim nữa.
Khi hệ thống dẫn truyền bị tổn thương, điều đó sẽ gây rối loạn nhịp tim. Ở dạng nặng rối loạn nhịp tim có thể gây chóng mặt, bất tỉnh và cuối cùng là tử vong. Rối loạn nhịp tim ở trẻ em phần lớn là do bệnh (khuyết tật) tim bẩm sinh. Rất may là với y học hiện nay, những người bị rối loạn nhịp tim nặng vẫn có thể sống bình thường nhờ một phát minh đơn giản là máy tạo nhịp nhân tạo. Máy có 2 bộ phận là bộ phận điều khiển và một sợi dây dài có đầu điện cực ở cuối. Thông thường bộ phận điều khiển sẽ được cấy dưới da, còn sợi dây sẽ được kéo qua tĩnh mạch đến trái tim. Bộ phận điều khiển làm việc bằng cách gửi xung điện đều đặn đến trái tim để kích thích các cơ tim co bóp theo nhịp cần thiết.
Trong trường hợp cơ thể ngừng thở do rối loạn nhịp tim, các nhân viên y tế có thể cấp cứu bằng máy sốc tim. Nguyên lý làm việc của máy là truyền một luồng điện mạnh vào ngực làm tim ngừng đập 1 giây để máy tạo nhịp tim có thể quay trở
lại với nhịp bình thường (việc làm này gần giống với việc chúng ta khởi động lại máy tính khi máy bị treo do CPU quá tải hoặc lý do nào khác).
Hình 2.2. Hệ thống dẫn truyền tim.
1- nút xoang nhĩ, 2 – nút nhĩ thất, 3 – bó Gis, 4 – nhánh trái của bó Gis, 5 – nhánh trái trước, 6 – nhánh trái sau, 7 – tâm thất trái, 8 – vách ngăn tâm thất, 9 – tâm thất
phải, 10 – nhánh phải của bó Gis.
Trong tim lúc nào cũng có máu, chỉ khác nhau ở số lượng. Chức năng xả (bơm) của tim là dựa theo nguyên lý luân phiên co và giãn của tâm nhĩ và tâm thất. Khi cơ tim co thì gọi là tâm thu, khi cơ tim giãn thì gọi là tâm trương. Khoảng thời gian từ một lần tâm nhĩ co bóp đến lần tâm nhĩ co bóp tiếp theo là một chu kỳ tim. Từng bước làm việc của một chu kỳ tim:
Bước 1. Khi tâm nhĩ thả lỏng, máu từ tĩnh mạch sẽ chảy đầy vào bên trong. Bước 2. Máy tạo nhịp tim sẽ truyền sóng kích thích xuống và tâm nhĩ sẽ co lại đẩy máu vào tâm thất đang thả lỏng. Giai đoạn này gọi là tâm thu nhĩ.
Bước 3. Sóng kích thích hơi dừng lại một chút ở bó Gis. Áp suất trong tâm thất tăng dần lên đến một ngưỡng thì sóng kích thích đến, làm tâm thất co lại, van lá đóng sập lại còn van bán nguyệt thì mở tung ra để máu bắn vào động mạch (tâm nhĩ phải vào động mạch phổi, tâm nhĩ trái vào động mạch chủ).
Bước 4. Tim trở lại trạng thái thả lỏng và máu sẽ chảy vào.
Trong giai đoạn tâm thu thất, tâm thất sẽ hơi phồng lên và áp sát bề mặt lồng ngực trước khi bắn máu vào động mạch. Quá trình này chính là thời điểm chúng ta gọi là tim đập và có thể cảm nhận được khi đặt tai lên ngực ở khoảng giữa xương sườn số 5 và số 6.
Thời gian của toàn bộ chu kỳ tim là 0,8 giây, trong đó 0,1 giây là thời gian co bóp của tâm nhĩ, 0,3 giây là thời gian co bóp của tâm thất, 0,4 giây còn lại là thời gian các cơ thả lỏng nghỉ ngơi. Từ đó có thể thấy tim cũng luân phiên nghỉ ngơi và làm việc như các bộ phận khác chứ không phải làm việc liên tục như nhiều người vẫn nghĩ.
Lý do sự làm việc không mệt mỏi của trái tim:
Số lượng ty thể trong các tế bào cơ tim nhiều hơn so với các tế bào khác của cơ thể (khoảng 40% trên diện tích bề mặt). Ty thể là những bào quan có chức năng kết nối oxy và các chất dinh dưỡng để tạo ra năng lượng cho tế bào. Nhờ có số lượng ty thể vượt trội, cơ tim có khả năng sản sinh ra năng lượng nhiều hơn và nhanh hơn so với các cơ khác.
Khi làm việc hay tập luyện với cường độ cao, số năng lượng đó sẽ bị tiêu tốn rất nhanh. Để tiếp tục vận động, cơ sẽ đòi hỏi thêm năng lượng. Hệ thống mạch vành cho phép máu đưa oxy và các chất dinh dưỡng đến cơ tim nhanh hơn đến các cơ khác.
Nếu cơ làm việc ở tần suất quá cao, máu sẽ không kịp đưa oxy đến, ty thể không kết nối được dinh dưỡng với oxy, cho nên glucose sẽ phân hủy và tạo thành axit lactic. Sự tích lũy của axit lactic chính là nguyên nhân làm các cơ mệt và đau cơ. Khác với các cơ khác, cơ tim không bao giờ hoạt động quá tần suất cho phép. Nếu nhịp tim vượt quá con số cực hạn thì nó sẽ tự ngừng làm việc luôn chứ không bao giờ cố gắng làm thêm. Nhờ chế độ hoạt động điều độ được kiểm soát bởi hệ thống dẫn truyền này, axit lactic không bao giờ tích lũy trong cơ tim.
Tim không làm việc liên tục mà hoạt động và nghỉ ngơi theo chu kỳ [3].
2.2. Điện sinh lý tim
Khi cơ tim co bóp sẽ phát ra dòng điện sinh lý, đánh giá dòng điện do cơ tim phát ra sẽ cho biết hoạt động của hệ thần kinh tim. Để thu được dòng điện tim,
người ta đặt những điện cực của máy ghi điện tim lên cơ thể. Tùy theo vị trí đặt điện cực mà thu được các chuyển đạo khác nhau nhằm nghiên cứu dòng điện tim bình thường và bệnh lý một cách có lợi nhất. Hình dưới mô tả sơ đồ cơ bản để thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo tại tay trái, tay phải và chân trái.
Hình 2.3. Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo
Tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim. Những dòng điện tuy rất nhỏ, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi.
Điện thế động lan truyền dọc sợi cơ tạo thành một làn sóng khử cực. Sóng này có thể so sánh với sóng mà chúng ta quan sát được khi ném một hòn đá xuống nước. Vận tốc dẫn truyền xung động khác nhau ở các vùng của tim. Ở trạng thái sinh lý, xung động từ nút xoang vào cơ nhĩ với vận tốc vừa phải, 0,8-1m/s. Dẫn truyền chậm lại 0,03-0,05m/s từ tâm nhĩ qua nút nhĩ-thất, điện thế hoạt động rất chậm ở nút nhĩ-thất, do gồm các sợi có đường kính rất nhỏ. Sau đó, vận tốc tăng trong bó His (0,8-2m/s) và đạt rất cao trong mạng Purkinje: 5m/s. Cuối cùng chậm lại khi đi vào các sợi cơ thất, với vận tốc 0,3-0,5m/s.
Hình dưới mô tả hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt động từng vị trí trong tim, các xung động điện tại từng phân khu trong tim sẽ tạo nên các thành phần của sóng điện tim. Khi tim hoạt động xuất hiện dòng điện hoạt động của các sợi cơ tim Những dòng điện này có thể ghi lại từ những điện cực đặt trên da. Như vậy điện tim
đồ thể hiện sự hoạt động điện của tim và có thể cho biết tình trạng của tim, tần số, bản chất và sự phát sinh nhịp tim, sự lan tỏa và hiệu quả của các hưng phấn cũng như cho biết các rối loạn có thể có.
Hình 2.4. Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim
Willem Einthoven đã công bố bản mô tả đầu tiên rất quan trọng về hệ thống đo ECG lâm sàng và được đặt tên là hệ thống đạo trình Einthoven. Các đạo trình chi của Einthoven (đạo trình chuẩn) được định nghĩa như sau:
Đạo trình I: VI = L – R
Đạo trình II: VII = F – R
Đạo trình III: VIII = F – L
Trong đó: VI là điện áp của đạo trình I, VII là điện áp của đạo trình II, VIII là điện áp của đạo trình III, L điện thế tại tay trái, R điện thế tại tay phải và F điện thế tại chân trái.
Tam giác Einthoven là 1 sự mô tả gần đúng các véc tơ đạo trình được kết hợp với các đạo trình chi. Đạo trình I được thể hiện là CI như trên hình.
Hình 2.5. Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven.
Đường biểu diễn điện tim (điện tim đồ) gồm có 6 sóng nối tiếp nhau với 6 chữ cái liên tiếp được đặt tên P, Q, R, S, T, U. Ba sóng Q, R, S tập hợp lại thành phức bộ QRS. Phức hợp QRS của sóng điện tim là tổ hợp của ba đỉnh Q, R, S trong tín hiệu điện tim đồ. Phức hợp này nằm ở vị trí trung tâm của một nhịp tim và có thể xác định được khá chính xác. Quá trình hình thành phức hợp QRS gắn liền với khử cực của tâm thất phải và trái. Thời gian tồn tại của phức hợp QRS vào khoảng 0,06 đến 0,12 giây.
Sóng P là sóng khử cực của tâm nhĩ Biên độ < 0,25mV, thời gian < 0,1s. Tái cực nhĩ không thấy trên ECG vì nó lẫn trong sóng tiếp theo. Khoảng cách giữa hai đỉnh R liên tiếp được gọi là khoảng RR, tập hợp các khoảng RR sẽ là véc tơ RR của điện tim. Phức hợp QRS thể hiện trạng thái khử cực tâm thất. Thời gian của sóng này khoảng 0,08s. Sóng Q biên độ (0,3mV, thời gian 0,03s. Sóng R biên độ có thể đến 2mV. Sóng S gần giống sóng Q. Sóng T thể hiện sự tái cực của tâm thất biên độ < 0,5mV, thời gian 0,2s. Mặc dù khử cực và tái cực là những hiện tượng đối ngược nhau, nhưng sóng T thường dương tính như sóng R. Điều này cho thấy sự
hình thành hưng phấn và sự lan rộng của nó được thực hiện theo cách thức khác nhau.
Hình 2.6. Các thành phần cơ bản của sóng điện tim cần phân tích.
Liền ngay sau khi T kết thúc, có thể còn thấy một sóng chậm nhỏ gọi là sóng U tương ứng với một giai đoạn muộn tái cực của tâm thất. Khoảng PQ là thời gian dẫn truyền xung động từ tâm nhĩ đến tâm thất, thời gian < 0,2s. Khoảng QT tùy thuộc vào tần số tim, thời gian 0,35s đến 0,4s với tần số tim 75lần/phút. Đó là thời gian hoạt động của tâm thất. Đoạn ST bằng phẳng, phần đẳng điện của điện tâm đồ từ cuối của sóng S và sự khởi đầu của sóng T, nó đại diện cho khoảng cách giữa khử cực và tái cực thất.
Phổ năng lượng tín hiệu điện tim có thể cho phép đánh giá và phân tích được các thành phần của tín hiệu P,Q,R,S,T. Các thành phần này được mô tả trong hình dưới với đặc trưng về biên độ phổ tín hiệu được trộn lẫn bởi nhiều yếu tố điện, cơ và sinh lý khác nhau, gồm các thành phần phức hợp QRS, Sóng P-T, Nhiễu cơ [2].
Hình 2.7. Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim
Theo đó phổ tín hiệu điện tim bao gồm các thành phần sau: Phức hợp Q,R,S chiếm công suất phổ khá lớn và là 3 thành phần chính của tín hiệu điện tim; Nhiễu cơ thường nhỏ và gây ra nhiễu nền tín hiệu; Sóng P, T chiếm tỉ trọng ít trong phổ công suất. Các tín hiệu vận động khác có thể gây ra ảnh hưởng lớn nhưng chỉ tồn tại ở tần số thấp [2].
Phức hợp có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu điện tim trong khoảng thời gian lớn, lựa chọn các thuật toán phát hiện phức hợp QRS là một bước quan trọng trong sự phát triển của một hệ thống phân tích điện tim đồ thời gian thực. Kinh nghiệm trong nhiều năm cho thấy quá trình phân tích điện tim đồ và đặc biệt đối với phức hợp QRS, việc phát hiện các phức