2. 2 Phép đo nhịp tim(HR)
2.8.2.Nhiễu điện tim
Các loại nhiễu
2.8.2.1.Nhiễu từ các nguồn bên ngoài cơ thể bệnh nhân
• Các nguồn tĩnh điện
- Bệnh nhân hoạt động như một mặt phẳng của tụ điện
- Khi một vật thể được nạp điện được mang lại gần một vật không nạp điện thì vật không mang điện có điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên
- Ví dụ, nếu một cơ thể không tiếp đất đặt gần một dây cab hoặc nguồn sáng mà được kết nối với mạng lưới, thì điện tích bề mặt của điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên mặc dù không có dòng chạy giữa 2 cơ thể.
- Khi điện thế mạng lưới có tần số 50Hz, thì điện áp cảm ứng cũng bao gồm tần số này
- Các nguồn nạp tĩnh điện khác bao gồm bàn mổ, những bệnh nhân khác, các thiết bị điện tử
• Kích thích điện từ
- Nhiễu xảy ra ở gần các dây mang dòng điện xoay chiều - Hậu quả của nhiễu tần số 50Hz
- Do sự phát sinh của từ trường bởi dòng điện chạy thì tất cả các vật dẫn mang dòng điện lưới được bao quanh bởi trường điện từ
- Nhiễu tần số 50Hz là một sự sai lệnh về điện thế liên quan tới mặt đất mà được hiểu là bất kì vật nào gần với dây mang dòng xoay chiều, vật đó mang điện áp không phải của đất hoặc của đường dây mà là điện áp ở một vài nơi giữa chúng. Khi dòng điện tiện ích dao động thì điện áp của vật thể cũng dao động.
- Tác động được giảm tối thiểu bởi thực tế là trường điện từ phát ra bởi dây được tích điện tăng lên tới mức lớn hơn mà bị loại bỏ bởi đường dây cáp trung hoà gần với dây cáp được tích điện nhưng đi theo hướng ngược lại.
Tuy nhiên, nếu hiện tượng dò dòng điện xuất hiện, thì 2 dòng không còn cân bằng và tự triệt tiêu lẫn nhau nữa do đó tạo ra một suất điện động
Tác động bị tăng lên nếu các dây nối được cuốn; các dây dẫn chính nối các điện cực bệnh nhân với những bộ khuếch đại nhạy sẽ thường xuyên bị nhiễu.
• Nhiễu tần số radio(>100hz)
- có thể vào thông qua:
+ Hệ thống phân phối chính hỗn hợp với dòng có tần số 50Hz, các nguồn bao gồm phép điện nhiệt, các moto điện
+ Sự truyền sóng radio nhờ cực điện nhiệt bị kích hoạt trong không khí như một anten phát radio trong khi đạo trình ECG bệnh nhân hoạt động như một dây anten thu.
• Giải pháp
- Bộ phân tích vi sai
- Tỉ số nén mode chung CMRR cao
- Các mạch bảo bệ bệnh nhân có phủ đồng hoặc nhôm - RL ECG “Floating”
- Bao quanh mỗi điện cực có tấm chắn phủ đồng tối thiểu hóa sự cảm ứng tĩnh điện.
- Giữ các điện cực càng ngắn càng tốt
- Giảm bớt ảnh hướng của trường điện từ bằng cách đảm bảo tất cả các đạo trình bệnh nhân có chiều dài như nhau, gần sát nhau thậm chí xoắn vào nhau cho đến
khi gần sát cực điện do đó đảm bảo được rằng tín hiệu cảm ứng được xác định và bởi vậy chịu được tỉ số CMRR.
- Loại bỏ nguồn bức xạ điện trường không mong muốn
2.8.2.2. Nhiễu từ bệnh nhân
• Điện cơ học (EMG)
- Sự chồng chéo tần số giữa EEG và ECG (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tín hiệu có thể lớn hơn rất nhiều ( tăng mV) so với EEG hoặc ECG - Các hoạt động của cơ ( đặc biệt là run rẩy) có thể dẫn tới nhiễu - Nhiễu cơ
• Giải pháp
- Giảm thiểu sự cử động của bệnh nhân tức là nghỉ ngơi - Giảm thiểu sự run cơ
- Tránh vùng cơ để đặt điện cực, sử dụng các vùng thịt nhô lên
2.8.2.3.Nhiễu do sự tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân
• Các điện cực ghi không hoạt động như một vật dẫn thụ động
- Việc sắp đặt một kim loại gần với một dung dịch chất điện phân như nhìn thấy trên bề mặt da tạo ra một nửa vùng điện hóa do đó phát sinh ra một lực điện từ. - Nếu bộ khuếch đại vi sai được nối với một cặp điện cực như vậy thì điện thế đầu
ra của chúng được so sánh là:
+ Nếu các tế bào giống hệt nhau, các đầu ra sẽ loại bỏ điểm 0
+ Nếu các tế bào không giống nhau, sự sai lệch điện thế giữa 2 tế bào sẽ bị khuếch đại
1) ngoài ra, dòng điện nhỏ tạo ra do điện thế bù có thể dẫn tới phân cực 2) các điện cực bị phân cực sẽ gây nhiễu bất kì một tín hiệu nào
- Sự dịch chuyển cơ học của các điện cực ghi gây ra các thay đổi điện thế
+ do sự thay đổi kích thước vật lý của các điện cực da do đó thay đổi điện thế tế bào và trở kháng giữa điện cực và da.
- Làm sạch da, loại bỏ lông, cho ruợu cồn để đảm bảo sự dính chặt của điện cực - Sử dụng điện cực Ag/AgCl mà không phân cực
Giải pháp khắc phục nhiễu tín hiệu tần số 50Hz
Phương pháp loại bỏ nhiễu tần số 50Hz
Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu ECG. Bộ khuếch đại này cho đầu vào khác nhau có thể khuếch đại tín hiệu ECG nhỏ ( <4mV), loại bỏ thành phần một chiều, nhiễu tần số cao và tần số 50Hz.
Hình 2.28 : Tín hiệu điện tim đặc trưng
Tín hiệu điện tim là tín hiệu điện được tạo bởi nhịp tim mà có thể được sử dụng làm công cụ chuẩn đoán các chức năng của tim. Có dải đo 0.5 – 4 mV và dải tần số 0.0.1 – 250Hz. Tín hiệu ECG đặc trưng cơ bản là PQRS và T trong hình 2.28.
Có rất nhiều nhân tố được đưa vào trong thiết kế bộ khuếch đại ECG, như nhiễu tần số, nhiễu tập trung, nhiễu do các thiết bị điện và các nguồn khác. Quan trọng nhất là nhiễu tần số 50Hz, do sử dụng bộ lọc thông dải có thể dễ dàng loại bỏ cả nhiễu một chiều và nhiễu tần số cao. Nguồn nhiễu chủ yếu khi một bệnh nhân đang ghi hoặc theo dõi ECG là hệ thống nguồn cấp điện như được thấy trong hình 2.29(a). Nhiễu điện từ từ ti vi hoặc đài công suất cao cũng có thể bị ảnh hưởng bởi một mạch kín bằng dây chì. Hình 2.29(b) biểu diễn nhiễu điện cơ mà nguồn được đặt trên cơ thể của chính bệnh nhân. Hình 2.30 là sự sai lệch tín hiệu điện tim do sự dịch chuyển của bệnh nhân trong quá trình ghi tín hiệu điện tim hoặc do điện cực hô hấp bị tuột. Hay trong hình 2.31 là nhiễu do sự hoạt động mạnh của bệnh nhân dẫn đến có thể gây tuột điện cực ( điều kiện điện cực) hoặc do điều kiện dây nối đất không đảm bảo.
Hình2.29 : a) Nhiễu tần số 50Hz; b) nhiễu điện cơ trong tín hiệu ECG
Hình 2.30 : Nhiễu do cơ thể dịch chuyển, điện cực hô hấp bị tuột
Hình 2.31 : Nhiễu do hoạt động mạnh ( kiểm tra dây đất, điều kiện điện cực)
Để loại bỏ các nhiễu được kể trên, có thể sử dụng các bộ khuếch đại vi sai như trong
hình 2.32. Đầu ra của mạch này: (1 2 )( 1 2).
1 2 3 4 v v R R R R v
vout − ref = + − (2.11). Nếu đầu vào
có điện áp chung (v1 = v2) thì vout = 0. Nếu v1 ≠ v2 thì điện áp khác nhau (v1-v2) đưa ra một hệ số khác. Do nhiễu chủ yếu là điện áp mode chung, bộ khuếch đại vi sai có thể loại bỏ chúng. Mạch khuếch đại 3 bộ khuếch đại thuật toán thường được gọi là bộ khuếch đại đo. Nó có trở kháng đầu vào cao, tỉ số mode chung CMRR cao, và hệ số khuếch đại có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh R1. Mạch này thường để đo
điện thế sinh học bởi vì nó loại bỏ phần lớn điện áp mode chung 50Hz tồn tại trong cơ thể.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.32 : Mạch khuếch đại vi sai gồm 3 bộ khuếch đại thuật toán
Trong nhiều hệ thống điện tim đồ, bệnh nhân đang sử dụng hệ thống điều khiển chân phải. Bệnh nhân không được nối đất tất cả. Thay vào đó, điện cực chân phải được nối với đầu ra phụ của khuếch đại thuật toán ( như trong hình 2.33). Điện áp mode chung trên bệnh nhân được hiểu bởi 2 điện trở trung bình Ra, được đảo, khuếch đại và hồi tiếp về chân phải. Do hồi tiếp âm nên điện áp mode chung ở mức thấp. Nó cũng có thể cung cấp điện an toàn bởi vì khuếch đại thuật toán phụ sẽ làm bão hòa khi điện áp cao khác thường xuất hiện giữa bệnh nhân và đất.
Để đạt các yêu cầu của bộ khuếch đại ECG như được nói trên, cần thiết kế một mạch tầng bao gồm một bộ khuếch đại vi sai ( bộ khuếch đại đo), một bộ lọc thông thấp, một bộ lọc thông cao và một tầng khuếch đại. Tùy theo yêu cầu của các tầng này là dựa trên sự suy giảm nhiễu. Ví dụ, trong chuỗi tầng sau( hình 2.34) nhiễu đầu ra là:
((n1*A1+n2)*+n3)*A3 = A1A2A3*n1+A2A3*n2+A3*n3 (2.12) Vì vậy sự sắp xếp tốt nhất của ba tầng là : A1>A2>A3
Hình 2.34: Ví dụ về sự giảm nhiễu trong thiết kế một hê thống đa tầng
Hình 2.35 là sự sắp xếp của các tầng theo thiết kế mà cơ bản các tầng có hệ số khuếch đại cao gần nhau trên đường tín hiệu. Tuy nhiên, tầng bộ lọc thông cao được thay thế trực tiếp sau bộ khuếch đại vi sai để cắt thành phần một chiều ở đầu ra của nó. Mặt khác, thành phần một chiều này sẽ được khuếch đại bởi tầng khuếch đại và có thể tập trung sau các bộ khuếch đại thuật toán.
Hình 2.35 : Sự sắp xếp của các tầng Tầng khuếch đại vi sai
Loại bỏ chế độ nhiễu ở chế độ mode chung trong khi khuếch đại tín hiệu vi sai cần được quan tâm. Nhiễu thấp tới mức nào ở đầu ra phụ thuộc vào sự loại bỏ nhiễu ở chế độ mode chung của bộ khuếch đại vi sai lớn tới mức ấy.
Burr – Brown sử dụng INA 118 như một bộ khuếch đại đo, mà mạch được mô tả trong hình 2.36. Hệ số khuếch đại được xác định bởi điện trở Rg.
Hình 2.36: Sơ đồ mạch bên trong của INA 118 Bộ lọc Sallen – Key
Các bộ lọc thông thấp và thông cao Sallen – Key Butterworth 4 cực thông qua theo thiết kế. Bộ lọc 4 cực được tạo từ 2 bộ lọc 2 cực được nối tầng. Hệ số khuếch đại của các bộ lọc 2 cực được xác định lần lượt là 1.152 và 2.235 theo Dr. Hambley. Lý do để thiết kế một hệ số khuếch đại tổng khoảng 2.5 là đạt được hệ số phẩm chất Q thấp (Q=1/ (3 –K)) (2.13), mà các bộ lọc thường được thiết kế nhất. Tần số cắt của bộ lọc Salley-
Key là 2 1 2 1 2 1 C C R R fc π
= (2.14) . và với bệnh nhân thường chọn R1=R2=R; C1=C2=C
Hình 2.37: Ví dụ đơn giản về mạch lọc thông cao Sallen-Key 2 cực
Các giá trị tụ và điện trở trong mạch được chọn bởi một chương trình máy tính từ thiết bị Texas để yêu cầu đáp ứng tần số tốt hơn và điều khiển hệ số phẩm chất Q linh động hơn.
Sự suy giảm nhiễu tần số 50Hz
Để giảm nhiễu tần số 50Hz, bộ pin được sử dụng như nguồn cấp và các tụ lọc được cắm ngang qua đường chắn tại mỗi IC. Các tụ này được nối kín có thể để điện áp V+ và V- của mỗi chíp mà hiệu quả lọc của chúng là lớn nhất.
Các kết quá kiểm tra tần số
Trong hình 2.38 là đáp ứng tần số thực nghiệm của mạch mẫu. Chú ý rằng kết quả thực nghiệm trong khoảng tần số cao được mô phỏng tốt, nhưng đáp ứng tần số ở mức thấp kết quả mô phỏng không chính xác.
Hình 2.38: Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại điện tim Quá trình kiểm tra mô phỏng tín hiệu ECG
Từng bước để tối thiểu hóa nhiễu tần số 50Hz bao gồm xoắn hai đầu vào của ECG để giảm nhiễu từ trường và kết nối đất trong mạch ECG để dẫn tốt hơn, giảm diện tích của nó. Cuối cùng kiểm tra mô phỏng tín hiệu ECG thấy rằng tần số 50Hz rất nhỏ. ( hình 2.39)
Hình 2.39 : Mô phỏng kết quả kiểm tra Kết luận
Một bộ khuếch đại điện tim được thiết kế và thực hiện trong phần này. Hệ số khuếch đại có thể điều chỉnh được và đủ để khuếch đại các tín hiệu ECG nhỏ. Các bộ lọc thông cao và thông thấp Sallen-Key 4 cực loại bỏ hầu hết thành phần 1 chiều và nhiễu tần số cao của tín hiệu điện tim đầu vào. Nhiễu tần số 50Hz được tối thiểu hóa bằng cách sử dụng pin và tụ lọc. Sự xoắn dây đầu vào và tăng diện tích tiếp đất cũng có lợi.