Ghi tín hiệu điện tim
Điện tim ECG là các hoạt động điện của tim được tạo ra bởi quá trình co bóp của cơ tim. Việc theo dõi điện tim ECG nhằm kiểm tra một số chức năng của tim là rất quan trọng trong việc theo dõi tình trạng của bệnh nhân trong suốt quá trình gây mê bệnh nhân trong phòng mổ. Việc theo dõi ECG được sử dụng để tính nhịp tim, phân tích chứng tạo nhịp, phát hiện chức năng tạo nhịp và chứng thiếu máu. Tín hiệu điện tim được lấy trên da bệnh nhân thông qua hệ thống điện cực ECG và cáp nối. Số điện cực có thể là 3,5 hay 12 điện cực tuỳ theo loại máy. Càng nhiều điện cực thì thông tin đo được càng chính xác. Tuy nhiên hầu hết các Bedside thường sử dụng cáp điện tim tiêu chuẩn 3 hoặc 5 điện cực.Vị trí đặt điện cực trên người bệnh nhân tuỳ thuộc vào sốđiện cực của cáp điện tim.
Với hệ thống 3 điện cực ( 3 đạo trình ) các điện cực này sẽ được gắn ở R/RA( right arm), L/LA ( left arm), F/LL( left leg) của bệnh nhân. Đối với cáp điện tim 5 điện cực thì thêm các vị trí C/V(chest) và N/RL(right leg). Số lượng đạo trình phụ thuộc vào sốđiện cực.
Các điện cực ECG gắn trên da bệnh nhân để thu nhận các tín hiệu điện ECG và được nối với một mạch đầu vào của monitor bằng các dây dẫn/ cáp. Các tín hiệu ECG thu được sẽđược khuếch đại và xử lý bởi modul hoặc khối đo ECG và sau đó dữ liệu được chuyển tới BSM và hiển thị dạng sóng ECG trên màn hình.
Hình 1. 16 Các đạo trình chuẩn
Hình 1. 18 Các đạo trình trước ngực
Nếu sử dụng cáp điện tim 12 điện cực ta sẽ đo được dạng sóng của 12 đạo trình trên. Nếu sử dụng cáp 3 hoặc 5 điện cực có dạng sóng của 3 đạo trình hoặc 6 đạo trình.
Hình 1. 19 Điện tim 12 kênh ghi
Hình 1. 20 Điện tim 6 kênh ghi
Hình 1. 21Điện tim 3 kênh ghi
Các điện cực ECG gắn trên da bệnh nhân để thu nhận các tín hiệu điện ECG và được kết nối với một mạch đầu vào của monitor bằng các dây dẫn/ cáp. Mạch đầu vào bao gồm mạch cách ly và mạch bảo vệ. Mạch cách ly có chức năng cách ly bệnh nhân khỏi các dòng điện nguy hiểm có thể phát ra trong quá trình thu tín hiệu ECG và mạch bảo vệ để tránh monitor không bị phá hỏng bởi các điện áp cao có thể xuất hiện trong quá trình khử rung tim bệnh nhân. Bộ khuếch đại ECG gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại điều khiển. Các tín hiệu ECG thu được ban đầu có biên độ rất nhỏ sẽ được khuếch đại vi sai có hệ số khuếch đại rất lớn. Bộ khuếch đại này có trở kháng đầu vào lớn và tỉ số Mode chung CMRR cao. Bộ khuếch đại điều khiển sẽ khuếch đại các tín hiệu ECG tới một biên độ đủ lớn và truyền tín hiệu ECG này tới bộ chuyển đổi AD và khối xử lý trung tâm, sơ đồ khối được mô tả như hình dưới
Hình 1. 23 Sơđồ khối của việc thu nhận và xử lý tín hiệu ECG
Nhiễu điện tim
Các loại nhiễu
1- Nhiễu từ các nguồn bên ngoài cơ thể bệnh nhân
• Các nguồn tĩnh điện
- Khi một vật thểđược 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 bịđiện 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)
+ 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 xạđiện trường không mong muốn
2- Nhiễu từ bệnh nhân
• Điện cơ học (EMG)
- Sự chồng chéo tần số giữa EEG và ECG
- 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 cửđộng của bệnh nhân tức là nghỉ ngơi - Giảm thiểu sự run cơ - Tránh vùng cơđểđặt điện cực, sử dụng các vùng thịt nhô lên 3- Nhiễu do sự tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân
• Các điện cực ghi không hoạt động như một vật dẫn thụđộng
- 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 thếđầu ra của chúng được so sánh là:
+ Nếu các tế bào giống hệt nhau, các đầu ra sẽ loại bỏđiểm 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.
•Giải pháp
- 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 1. 24 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
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 bịđiện 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.
a) Nhiễu tần số 50Hz; b) nhiễu điện cơ trong tín hiệu ECG
Hình 1. 25 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 3.32. Đầu ra của mạch này: (1 2 )( 1 2). 1 2 3 4 v v R R R R v vout − ref = + − 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.
Hình 1. 26 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. 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.
Hình 1. 27 Mạch điều khiển chân phải để tối thiểu hóa nhiễu mode chung
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 nhiễu đầu ra là:
((n1*A1+n2)*+n3)*A3 = A1A2A3*n1+A2A3*n2+A3*n3 Vì vậy sự sắp xếp tốt nhất của ba tầng là : A1>A2>A3
Hình 1. 28 Ví dụ về sự giảm nhiễu trong thiết kế một hê thống đa tầng
Hình trên 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.
Bảng 1. 5 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 ởđầu 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. Hệ số khuếch đại được xác định bởi điện trở Rg.
Hình 1. 29 Sơđồ 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)), 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 = . và với bệnh nhân thường chọn R1=R2=R; C1=C2=C đểđơn giản hóa thiết kế ( như trong hình 1.30).
Hình 1. 30 Ví dụđơn 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 đểđiện 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 dưới 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 sốở mức thấp kết quả mô phỏng không chính xác.
Hình 1. 31 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 1. 32 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.