Thiết kế chế tạo thiết bị đó ECG giao tiếp với máy tính

Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 1 ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA KHOA KHOA HOÏC ÖÙNG DUÏNG BOÄ MOÂN VAÄT LYÙ KYÕ THUAÄT ---------------o0o--------------- LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THIEÁT KEÁ VAØ CHEÁ TAÏO THIEÁT BÒ ÑO ECG GIAO TIEÁP VÔÙI MAÙY TÍNH GVHD : THS VOÕ NHAÄT QUANG SVTH : QUAÙCH MYÕ PHÖÔÏNG MSSV : K0202063 Tp HCM, Thaùng 12/2006 Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 2 MUÏC LUÏC MUÏC LUÏC ................................................................................................................................ 2 CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU ............................................................................................................ 5 1.1. LYÙ DO HÌNH THAØNH ÑEÀ TAØI .............................................................................. 6 1.2. TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU THIEÁT BÒ ÑIEÄN TAÂM ÑOÀ .................................... 6 1.3. MUÏC TIEÂU VAØ NHIEÄM VUÏ CUÛA ÑEÀ TAØI............................................................ 7 1.3.1. Muïc tieâu ........................................................................................................... 7 1.3.2. Nhieäm vuï ........................................................................................................... 8 CHÖÔNG 2: TOÅNG QUAN LYÙ THUYEÁT.......................................................................... 10 2.1. CAÁU TAÏO HOAÏT ÑOÄNG CHUNG CUÛA TIM...................................................... 11 2.2. TÍN HIEÄU ÑIEÄN TIM............................................................................................. 14 2.2.1. Cô sôû phaùt sinh ñieän theá teá baøo ................................................................... 14 2.2.2. Cô sôû hình thaønh tín hieäu ñieän tim .............................................................. 14 2.2.1.1. Giai ñoaïn khöû cöïc .............................................................................. 15 2.2.1.2. Giai ñoaïn taùi cöïc ................................................................................ 15 2.2.1.3. Giai ñoaïn taïo soùng ............................................................................. 16 2.2.2. Heä thoáng caùc chuyeån ñaïo.............................................................................. 20 2.2.2.1. Chuyeån ñaïo chuaån (Standar) ........................................................... 21 2.2.2.2. Chuyeån ñaïo ñôn cöïc caùc chi ............................................................. 22 2.2.2.3. Chuyeån ñaïo tröôùc tim ....................................................................... 24 2.3. CAÙC DAËC ÑIEÅM CÔ BAÛN CUÛA TÍN HIEÄU ÑIEÄN TIM .............................. 25 2.4. SÖÏ THU TÍN HIEÄU.............................................................................................. 26 Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 3 2.5. THIEÁT BÒ GHI SOÙNG ÑIEÄN TIM .................................................................... 29 2.5.1. Boä ñieän cöïc beänh nhaân................................................................................. 29 2.5.2. Caùp nguoàn cung caáp ...................................................................................... 30 2.5.3. Caùp noái ñaát ..................................................................................................... 30 2.5.4. Giaáy ghi ........................................................................................................... 31 2.5.5. Maùy ghi ñieän tim ............................................................................................ 31 2.5.6. Sô ñoà khoái cuûa maùy ghi soùng ñieän tim......................................................... 33 2.6. MOÄT VAØI LOAÏI MAÙY ........................................................................................ 33 CHÖÔNG 3: THIEÁT KEÁ PHAÀN CÖÙNG ............................................................................. 35 3.1. SÔ ÑOÀ KHOÁI ........................................................................................................ 36 3.2. THIEÁT KEÁ CHI TIEÁT......................................................................................... 36 3.2.1. Choïn ñieän cöïc................................................................................................. 36 3.2.2. Boä khueách ñaïi - loïc nhieãu ............................................................................ 36 3.2.2.1. Khueách ñaïi.......................................................................................... 36 3.2.2.2. Loïc nhieãu............................................................................................. 38 3.2.2.3. YÙnghóa cuûa boä loïc............................................................................... 41 3.2.2.4. Thieát keá ............................................................................................... 42 3.2.3. Boä chuyeån ñoåi ADC....................................................................................... 51 3.2.3.1. Khaùi nieäm chung ................................................................................ 51 3.2.3.2. Giôùi thieäu Chip ADC 0809 ................................................................ 51 3.2.3.3. Phoái hôïp tín hieäu ................................................................................ 58 3.2.3.4. Thieát keá chi tieát.................................................................................. 58 3.2.4. Boä giao tieáp vôùi maùy tính .............................................................................. 65 Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 4 3.2.3.1. Giôùi thieäu chung................................................................................. 65 3.2.3.2. Truyeàn thoâng noái tieáp vaø coång rs232 .............................................. 65 3.2.3.3. Giôùi thieäu veà vi ñieàu khieån 8051 ...................................................... 75 3.2.3.4. Caùc ñaëc ñieåm chung cuûa hoï 8051/8031............................................ 75 3.2.3.5. Caáu truùc beân trong vi ñieàu khieån .................................................... 76 3.2.3.6. Chöùc naêng caùc chaân vi ñieàu khieån................................................... 77 3.2.5. THIEÁT KEÁ CHI TIEÁT................................................................................... 79 3.3. THIEÁT KEÁ CHÖÔNG TRÌNH........................................................................... 85 3.3.1. Löu ñoà giaûi thuaät chöông trình cho vi ñieàu khieån 8051 vieát baèng ngoân ngöõ Assembler................................................................................................ 85 3.3.2. Löu ñoà giaûi thuaät chöông trình nhaän döõ lieäu treân maùy tính vieát baèng ngoân ngöõ Mablat 7.04 .................................................................................... 86 CHÖÔNG 4: KEÁT QUAÛ VAØ BAØN LUAÄN........................................................................... 87 4.1. Keát quaû chuyeån ñoåi cuûa ADC ............................................................................ 88 4.2. Keát quaû thu nhaän tín hieäu cuûa maùy tính........................................................... 89 4.3. Keát luaän................................................................................................................. 92 KEÁT LUAÄN............................................................................................................................. 94 Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 5 CHÖÔNG 1 MÔÛ ÑAÀU Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 6 1.1. LYÙ DO HÌNH THAØNH ÑEÀ TAØI Trong thôøi ñaïi coâng ngheä hoùa, toaøn caàu hoùa hieän nay, Vieät Nam ñang coù nhöõng böôùc tieán quan troïng trong quaù trình hoäi nhaäp vôùi xu theá phaùt trieån chung cuûa theá giôùi treân taát caû caùc lónh vöïc: kinh teá, vaên hoùa, xaõ hoäi… vaø ñaëc bieät laø caùc lónh vöïc cuûa ngaønh coâng ngheä tin hoïc. Ngaøy nay, nhu caàu söû duïng maùy tính cuûa xaõ hoäi khoâng ngöøng taêng nhanh, nhaát laø trong caùc lónh vöïc ñoøi hoûi thôøi gian, lieân keát, xöû lí, ñieàu haønh vaø löu tröõ nhö thöông maïi, dòch vuï, y teá, giaùo duïc … .Haàu nhö khoâng coù moät cô quan, khaùch saïn, beänh vieän hay tröôøng hoïc naøo maø laïi khoâng ñöôïc trang bò heä thoáng maùy tính. Vôùi nhöõng tieän ích ngaøy moät naâng cao, coâng ngheä thoâng tin khoâng nhöõng khoâng coøn xa laï gì maø ñang töøng böôùc trôû thaønh moät trôï thuû ñaéc löïc cho con ngöôøi. Khoâng nhöõng theá, noù coøn laø ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa nhieàu boä moân khoa hoïc coù tính chaát lieân ngaønh. Chaúng haïn, trong lieân heä vôùi y hoïc, ñeå thuaän tieän hôn khi quan saùt, theo doõi vaø löu tröõ döõ lieäu cuûa beänh nhaân moät caùch chính xaùc thì vieäc cho moät thieát bò y teá giao tieáp vôùi chieác maùy tính laø ñieàu raát caàn thieát. Moät thieát bò ño soùng ñieän tim (ECG) neáu ñöôïc giao tieáp vôùi maùy tính seõ cho pheùp caùc baùc só theo doõi soùng ñieän tim cuûa beänh nhaân moät caùch lieân tuïc, nhôø ñoù maø coù theå phaùt hieän ngay laäp töùc nhöõng trieäu chöùng baát thöôøng veà tim maïch ñeå kòp thôøi cöùu chöõa. Hôn theá nöõa chieác maùy tính naøy seõ thay ngöôøi y taù löu tröõ döõ lieäu veà soùng ñieän tim, coù theå traùnh ñöôïc toái ña nhöõng sai soùt gaây ra haäu quaû ñaùng tieác do baát caån. Ñoái töôïng vaø höôùng nghieân cöùu cuûa ñeà taøi naøy ñöôïc hình thaønh döïa treân nhöõng nhaän thöùc veà öu ñieåm cuõng nhö tính caáp thieát cuûa vieäc lieân keát vôùi maùy tính trong y hoïc nhö ñaõ trình baøy ôû treân. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 7 1.2. TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU THIEÁT BÒ ÑIEÄN TAÂM ÑOÀ Xuaát phaùt töø nhu caàu caàn nghieân cöùu tín hieäu ñieän tim, maùy ghi soùng ñieän tim ra ñôøi vôùi nhieäm vuï tieáp nhaän, khueách ñaïi vaø ghi laïi tín hieäu ñieän do tim phaùt ra, treân cô sôû ñoù giuùp cho baùc só coù theå chaån ñoaùn moät soá beänh veà tim maïch. Hình 1.1. Chieác maùy ño ñieän tim ñaàu tieân naêm 1920 Khi môùi ra ñôøi maùy ghi soùng ñieän tim ñôn giaûn chæ laø maùy veõ bieåu ñoà maø caùc tín hieäu thu vaøo laø tín hieäu ñieän tim. Sau khi ñöôïc maùy thu nhaän, caùc tín hieäu seõ ñöôïc ghi laïi treân giaáy ghi nhieät bieåu thò döôùi daïng soùng. Ngaøy nay, öùng duïng nhöõng thaønh töïu cuûa söï tieán boä khoa hoc kyõ thuaät, thieát bò ñieän taâm ñoà ñaõ trôû neân hieän ñaïi hôn vôùi nhieàu tính naêng giuùp cho vieäc ghi soùng ñieän tim nhanh choùng vaø chính xaùc, vì theáø hoã trôï raát nhieàu cho söï chaån ñoaùn cuûa baùc só. Tuy nhieân maùy ghi tín hieäu ñieän tim hieän nay vaãn coøn moät soá haïn cheá khoâng theå khaéc phuïc nhö: heát giaáy trong luùc ñang ghi tín hieäu laøm giaùn ñoaïn vieäc theo doõi, keát quaû thu ñöôïc treân giaáy ghi Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 8 nhieät raát deã phai do thuoäc tính veà nhieät cuûa loaïi giaáy naøy daãn ñeán khoù khaên vaø baát tieän trong vieäc löu tröõ döõ lieäu. 1.3. MUÏC TIEÂU VAØ NHIEÄM VUÏ CUÛA ÑEÀ TAØI 1.3.1. Muïc tieâu Ñeà taøi veà “Thieát keá vaø cheá taïo moâ hình thieát bò ño ECG giao tieáp vôùi maùy tính” ñöôïc thöïc hieän nhaèm ñaùp öùng: nhu caàu phuïc vuï cuûa ngaønh Vaät Lyù Kyõ Thuaät trong lónh vöïc nghieân cöùu thieát bò y sinh hieän nay noùi chung vaø cuï theå laø nhu caàu khaéc phuïc nhöõng haïn cheá cuûa thieát bò ECG trong y hoïc. Beân caïnh ñoù, ñeà taøi cuõng ñaùp öùng ñöôïc nhu caàu nghieân cöùu ôû caáp ñoä khoùa luaän toát nghieäp cuûa sinh vieân Ñaïi hoïc. 1.3.2. Nhieäm vuï Töø nhöõng muïc tieâu ñaõ neâu treân thì nhieäm vuï cuûa ñeà taøi ñöôïc xaùc ñònh nhö sau :
Thieát keá vaø cheá taïo boä xöû lyù tín hieäu : Do tín hieäu ñieän tim laø tín hieäu ñieän sinh hoïc raát nhoû vaø nhieãu neân caàn phaûi ñöôïc xöû lyù tröôùc khi vaøo boä chuyeån ñoåi ADC. Boä xöû lyù tín hieäu ñöôïc thieát keá goàm caùc thaønh phaàn : • Boä khueách ñaïi thuaät toaùn (instrument amplifier). • Boä loïc thoâng thaáp (low-pass filter): ñeå loïc bôùt nhieãu ôû taàn soá thaáp hôn 0.05Hz. • Boä loïc thoâng cao (high-pass filter): ñeå loïc bôùt nhieãu ôû taàn soá cao hôn 100Hz. • Boä loïc Notch (Notch filter): ñeå loïc bôùt nhieãu ñieän nguoàn.
Thieát keá vaø cheá taïo boä chuyeån ñoåi A/D Do ngoân ngöõ maùy tính chæ hieåu ñöôïc caùc tín hieäu ñöa vaøo ôû daïng soá, neân caàn thieát phaûi coù boä chuyeån ñoåi A/D ñeå chuyeån tín hieäu vaøo töø daïng töông töï sang daïng soá. Vieäc ñieàu khieån quaù trình chuyeån ñoåi naøy ñöôïc thöïc hieän baèng moät vi ñieàu khieån hoï 8051.
Thieát keá vaø cheá taïo boä giao tieáp maùy tính Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 9 Do chuaån ñieän aùp cuûa maùy tính khoâng töông thích vôùi chuaån ñieän aùp TTL cuûa caùc loaïi vi ñieàu khieån neân ta caàn phaûi thieát vaø cheá taïo ra boä chuyeån ñoåi ñieän aùp giöõa maùy tính vaø vi ñieàu khieån.
Thieát keá chöông trình bieåu dieãn soùng ñieän tim baèng phaàn meàm Matlab Ñeå theo doõi ñöôïc ñoà thò soùng ñieän tim caàn thieát phaûi thieát keá moät giao dieän hieån thò tín hieäu soùng ñieän tim theo thôøi gian thöïc vaø giao dieän ñoù phaûi gaàn guõi vaø deã daøng giao tieáp ñoái vôùi ngöôøi söû duïng. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 10 CHÖÔNG 2 TOÅNG QUAN LYÙ THUYEÁT Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 11 2.1. CAÁU TAÏO HOAÏT ÑOÄNG CHUNG CUÛA TIM Tim laø moät khoái cô roãng goàm 4 buoàng, coù ñoä daøy khoâng ñeàu nhau. Bao beân ngoaøi laø moät tuùi sôïi goïi laø bao tim. Beân trong toaøn boä tim ñöôïc caáu taïo baèng cô tim coù vaùch ngaên thaønh hai nöûa rieâng bieät laø tim traùi vaø tim phaûi. Moãi nöûa tim laïi chia ra hai buoàng laø taâm nhó vaø taâm thaát. Giöõa taâm nhó vaø taâm thaát coù van nhó thaát. Giöõa taâm thaát traùi vaø ñoäng maïch chuû, taâm thaát phaûi vaø ñoäng maïch phoåi coù van baùn nguyeät. Caùc van naøy ñaûm baûo cho maùu di chuyeån theo moät chieàu töø taâm nhó xuoáng taâm thaát vaø töø taâm thaát vaøo ñoäng maïch, do ñoù môùi baûo ñaûm ñöôïc söï tuaàn hoaøn maùu. Hình 2.1. Caáu taïo tim ngöôøi Caùc sôïi cô tim coù caáu taïo ñaëc bieät lieân keát vôùi nhau laøm thaønh caàu lan truyeàn xung töø sôïi naøy sang sôïi kia. Trong tim coøn coù moät caáu truùc ñaëc bieät coù khaû naêng töï phaùt xung goïi laø heä thoáng nuùt (haïch). Heä thoáng goàm coù: _ Nuùt xoang nhó (SAN) : naèm ôû cô taâm nhó choã tónh maïch chuû treân ñoå vaøo taâm nhó phaûi. Nuùt xoang nhó phaùt xung vôùi taàn soá vaøo khoaûng 120 laàn/phuùt vaø laø nuùt taïo nhòp cho toaøn boä traùi tim. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 12 _ Nuùt nhó thaát (AVN) : naèm ôû beân phaûi cuûa vaùch lieân nhó, caïnh loã xoang tónh maïch vaønh. Nuùt nhó thaát phaùt xung vôùi nhòp vaøo khoaûng 50-60 laàn/phuùt. _ Boù His : ñi töø nuùt nhó thaát tôùi vaùch lieân thaát thì chia laøm hai nhaùnh phaûi vaø traùi chaïy döôùi noäi maïc tôùi hai taâm thaát, ôû ñoù chuùng phaân nhaùnh thaønh maïng Purkinje chaïy giöõa caùc sôïi cô tim. Boù His phaùt xung vôùi nhòp khoaûng 30-40 laàn/phuùt. Hình 2.2. Vò trí caùc nuùt vaø boù His Khi coù xung ñoäng truyeàn ñeán cô tim, tim co giaõn nhòp nhaøng. Tim hoaït ñoäng co boùp theo moät thöù töï nhaát ñònh. Hoaït ñoäng naøy ñöôïc laëp ñi laëp laïi vaø moãi voøng ñöôïc goïi laø moät chu chuyeån cuûa tim. Moät chu chuyeån cuûa tim goàm 3 giai ñoaïn : Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 13 Hình 2.3. Chu chuyeån cuûa tim _ Taâm nhó thu : ñaàu tieân taâm nhó co boùp, aùp suaát trong taâm nhó taêng leân, van nhó thaát ñang môû neân maùu chaûy töø taâm nhó xuoáng taâm thaát, laøm cho aùp suaát taâm thaát taêng leân. Thôøi gian taâm nhó thu keùo daøi 0.1 giaây, sau ñoù taâm nhó giaõn ra suoát thôøi gian coøn laïi cuûa chu kyø tim. _ Taâm thaát thu : khi taâm nhó giaõn ra thì taâm thaát baét ñaàu co laïi. Giai ñoaïn taâm thaát thu keùo daøi 0.3 giaây goàm hai thôøi kyø: + Thôøi kyø taêng aùp suaát keùo daøi 0.05 giaây. Taâm thaát co boùp neân aùp suaát trong taâm thaát taêng, cao hôn aùp suaát trong taâm nhó laøm van nhó thaát ñoùng laïi, nhöng chöa cao hôn aùp suaát ôû ñoäng maïch neân van baùn nguyeät chöa môû laøm aùp suaát taâm thaát taêng leân nhanh. + Thôøi kyø toáng maùu keùo daøi 0.25 giaây goïi laø thôøi kyø taâm thaát co ñaúng tröông. Luùc naøy aùp suaát trong taâm thaát raát cao laøm van baùn nguyeät môû ra, maùu chaûy maïnh vaøo ñoäng maïch. _ Taâm tröông : taâm thaát baét ñaàu giaõn trong khi taâm nhó ñang giaõn, aùp suaát trong taâm thaát thaáp hôn trong ñoäng maïch, van baùn nguyeät ñoùng laïi. Aùp suaát taâm thaát giaûm Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 14 nhanh vaø trôû neân nhoû hôn aùp suaát taâm nhó, van nhó thaát môû ra. Maùu ñöôïc huùt maïnh töø taâm nhó xuoáng taâm thaát, ñoù laø giai ñoaïn taâm tröông toaøn boä, keùo daøi 0.4 giaây. [1] 2.2. TÍN HIEÄU ÑIEÄN TIM 2.2.1. Cô sôû phaùt sinh ñieän theá teá baøo Beân trong vaø beân ngoaøi maøng teá baøo ñeàu coù caùc ion döông vaø ion aâm, chuû yeáu laø Na+, K+ vaø Cl-. Do söï cheânh leäch noàng ñoä cuûa caùc ion beân trong vaø beân ngoaøi maøng taïo ra söï chuyeån dôøi caùc ion qua maøng gaây neân doøng ñieän sinh hoïc. Cho neân caùc teá baøo soáng coù tính chaát nhö moät pin ñieän, ñieän cöïc döông (+) quay ra ngoaøi vaø cöïc aâm (-) quay vaøo trong. Tính phaân cöïc cuûa maøng vaø traïng thaùi ñieän bình thöôøng goïi laø ñieän theá nghæ (khoaûng -90mV). Khi coù kích thích, maøng teá baøo thay ñoåi tính thaåm thaáu vaø coù söï dòch chuyeån ion. Söï vaän chuyeån tích cöïc ñoù laøm thay ñoåi traïng thaùi caân baèng ion vaø gaây neân bieán ñoåi ñieän theá – ñöôïc goïi laø ñieän theá ñoäng. Nhö vaäy khi teá baøo hoaït ñoäng seõ ñöôïc chia thaønh hai giai ñoaïn: bò kích thích taïo neân hieän töôïng khöû cöïc vaø khi laäp laïi traïng thaùi caân baèng taïo neân hieän töôïng taùi cöïc. 2.2.2. Cô sôû hình thaønh tín hieäu ñieän tim Moät sôïi cô bao goàm nhieàu teá baøo, khi hoaït ñoäng sôïi cô co laïi, luùc ñoù seõ xuaát hieän ñieän theá ñoâïng giöõa nhöõng phaàn ñaõ ñöôïc khöû cöïc vaø ñang khöû cöïc, ñieän theá ñoäng naøy seõ laøm xuaát hieän moät ñieän tröôøng lan truyeàn treân doïc theo sôïi cô. Sau ñoù khoaûng nöûa giaây baét ñaàu xuaát hieän quaù trình taùi cöïc, keøm theo söï xuaát hieän cuûa moät ñieän tröôøng ngöôïc laïi vaø chuyeån ñoäng vôùi toác ñoä chaäm hôn. Chính caáu truùc phöùc taïp cuûa tim ñaõ laøm phaùt ra caùc tín hieäu ñieän (khöû cöïc vaø taùi cöïc), thöïc chaát laø toång caùc tín hieäu ñieän cuûa caùc sôïi cô tim cuõng phöùc taïp hôn moät teá baøo hay moät sôïi cô. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 15 Hình 2.4. Söï khöû cöïc vaø söï taùi cöïc. 2.2.2.1.Giai ñoaïn khöû cöïc Tröôùc khi bò kích thích caùc teá baøo cô taâm thaát coù ñieän theá nghæ laø -90mV. Khi bò kích thích, ñieän theá maøng trôû neân keùm aâm daàn (ñieän theá taêng töø -90mV veà phía 0). Khi ñieän theá ôû khoaûng töø -70mV ñeán -50mV thì gaây môû ñoät ngoät keânh Na+, ñoàng thôøi tính thaám cuûa maøng teá baøo vôùi Na+ taêng khoaûng töø 500-5000 laàn. Luùc ñoù Na+ uøa vaøo beân trong teá baøo laøm ñieän theá teá baøo taêng töø -90mV ñeán 0mV. Traïng thaùi naøy ñaït ñöôïc trong vaøi phaàn vaïn giaây. 2.2.2.2.Giai ñoaïn taùi cöïc Côõ vaøi phaàn vaïn giaây sau khi maøng taêng voït tính thaám vôùi Na+ thì keânh Na+ ñoùng laïi. Luùc naøy keânh K+ môùi baét ñaàu môû roäng ra, vaø K+ khueách taùn ra ngoaøi, taùi taïo laïi traïng thaùi cöïc tính nhö luùc ban ñaàu (khoaûng -90mV). Traïng thaùi naøy keùo daøi côõ haøng vaïn giaây, nhöng thôøi gian taùi cöïc daøi hôn thôøi gian khöû cöïc do keânh K+ môû töø töø, sau giai ñoaïn taùi cöïc ñieän theá maøng khoâng chæ trôû veà traïng thaùi ñieän theá nghæ (-90mV) maø coøn aâm hôn nöõa (tôùi khoaûng -100mV) trong vaøi ms môùi trôû veà traïng thaùi bình thöôøng. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 16 2.2.2.3.Caùc giai ñoaïn taïo soùng Tim hoaït ñoäng ñöôïc nhôø moät xung ñoäng truyeàn qua heä thoáng thaàn kinh töï ñoäng cuûa tim. Ñaàu tieân nuùt xoang cuûa tim phaùt xung ñoäng lan toûa ra cô nhó laøm cho cô nhó khöû cöïc tröôùc, nhó boùp vaø ñaåy maùu xuoáng thaát. Sau ñoù nuùt nhó thaát tieáp nhaän xung ñoäng truyeàn qua boù His xuoáng thaát laøm thaát khöû cöïc, luùc naøy thaát ñaõ ñaày maùu seõ boùp maïnh ñaåy maùu ra ngoaïi bieân. Hieän töôïng nhó vaø thaát khöû cöïc laàn löôït tröôùc sau nhö theá chính laø ñeå duy trì quaù trình huyeát ñoäng bình thöôøng cuûa heä thoáng tuaàn hoaøn. Ñoàng thôøi ñieàu ñoù cuõng taïo neân ñieän taâm ñoà goàm ba phaàn :
Nhó ñoà : Ghi laïi doøng ñieän hoaït ñoäng cuûa nhó, ñi tröôùc. Hình 2 .5. soùng P Nhö phaàn treân ñaõ noùi, xung ñoäng ñi töø nuùt xoang (ôû nhó phaûi) seõ toûa ra laøm khöû cöïc cô nhó nhö hình caùc ñôït soùng vôùi höôùng chung laø töø treân xuoáng döôùi vaø töø phaûi qua traùi laøm vôùi ñöôøng ngang moät goùc 49o, ñaây cuõng chính laø höôùng cuûa vectô khöû cöïc. Vaø ñôït soùng naøy ñöôïc maùy ghi laïi vôùi daïng soùng döông, ñôn, thaáp, nhoû vaø coù ñoä lôùn khoaûng 0.25mV goïi laø soùng P. [1] Hình 2.6. Söï hình thaønh soùng P Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 17 Khi nhó taùi cöïc, noù coøn phaùt ra moät soùng aâm nhoû goïi laø soùng Ta, nhöng ngay luùc naøy cuõng xuaát hieän söï khöû cöïc thaát vôùi ñieän theá maïnh hôn nhieàu, neân treân ñieän tim ñoà gaàn nhö khoâng thaáy soùng Ta. Keát quaû, nhó chæ theå hieän leân ñieân tim ñoà baèng moät laøn soùng ñôn ñoäc laø soùng P.
Thaát ñoà: Ghi laïi doøng ñieän hoaït ñoäng cuûa thaát, ñi sau. Hình 2.7. Soùng QRST •Khöû cöïc: vieäc khöû cöïc baét ñaàu töø phaàn giöõa maët traùi lieân thaát ñi xuyeân qua maët phaûi vaùch naøy, taïo ra moät vectô khöû cöïc ñaàu tieân höôùng töø traùi sang phaûi. Maùy ghi ñöôïc soùng aâm nhoû goïn goïi laø soùng Q (Hình 2.8). Hình 2.8. Söï hình thaønh soùng Q Sau ñoù xung ñoäng truyeàn xuoáng vaø tieán haønh khöû cöïc ñoàng thôøi caû hai taâm thaát theo höôùng xuyeân qua beà daøy cô tim. Luùc naøy vec tô khöû cöïc höôùng nhieàu veà beân traùi hôn vì Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 18 thaát traùi daày hôn vaø vì tim naèm nghieâng höôùng truïc giaûi phaãu veà beân traùi. Do ñoù vec tô khöû cöïc chung höôùng töø phaûi qua traùi taïo neân soùng döông cao hôn goïi laø soùng R. Sau cuøng khöû noát vuøng cöïc ñaùy thaát laïi höôùng töø traùi sang phaûi. Maùy ghi ñöôïc soùng aâm nhoû goïi laø soùng S. Hình 2.9. Söï hình thaønh soùng R, S Toùm laïi khöû cöïc thaát goàm ba laøn soùng cao nhoïn Q, R, S bieán thieân phöùc taïp goïi laø phöùc boä QRS. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 19 •Taùi cöïc: thaát khöû cöïc xong seõ qua thôøi kyø taùi cöïc chaäm. Giai ñoaïn naøy ñöôïc theå hieän treân ñieän taâm ñoà baèng moät ñoaïn thaúng ñoàng ñieän goïi laø ñoaïn T – S. Sau ñoù laø thôøi kyø taùi cöïc nhanh taïo neân soùng T. Hình 2.10. Söï hình thaønh soùng T Taùi cöïc noùi chung coù höôùng ñi xuyeân qua cô tim, töø lôùp döôùi thöôïng taâm maïc vaø lôùp döôùi noäi taâm maïc. Sôû dó taùi cöïc ñi ngöôïc chieàu vôùi khöû cöïc nhö vaäy laø vì noù tieán haønh ñuùng vaøo luùc tim boùp cöôøng ñoä maïnh nhaát, laøm cho lôùp cô tim döôùi noäi taâm maïc bò lôùp ngoaøi neùn vaøo quaù maïnh neân taùi cöïc muoän ñi. Maët khaùc, vec tô taùi cöïc ngöôïc chieàu vôùi vec tô khöû cöïc (chieàu ñieän tröôøng ngöôïc laïi). Do ñoù tuy tieán haønh ngöôïc chieàu vôùi khöû Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 20 cöïc, noù vaãn coù vec tô taùi cöïc höôùng töø treân xuoáng döôùi vaø töø phaûi qua traùi laøm phaùt sinh laøn soùng döông thaáp goïi laø soùng T. Soùng T naøy khoâng ñoái xöùng vaø coøn goïi laø soùng chaäm vì noù keùo daøi 0.2s. Sau khi soùng T keát thuùc coù theå thaáy moät soùng chaäm, nhoû goïi laø soùng U. Ñaây laø giai ñoaïn muoän cuûa taùi cöïc. Toùm laïi, thaát ñoà chia laøm hai giai ñoaïn: - Giai ñoaïn khöû cöïc goàm phöùc boä PQRS ñöôïc goïi laø pha ñaàu. - Giai ñoaïn taùi cöïc goàm ST vaø T (caû U) goïi laø pha cuoái.
Taâm tröông: Tim ôû traïng thaùi nghæ, khoâng coù ñieän theá ñoäng, ñöôøng ghi laø ñöôøng thaúng naèm ngang goïi laø ñöôøng ñaúng ñieän. Hình 2.11. Phöùc boä ñieän taâm ñoà 2.2.3. Heä thoáng caùc chuyeån ñaïo Cô theå con ngöôøi laø moät moâi tröôøng daãn ñieän, vì theá doøng ñieän do tim phaùt ra ñöôïc daãn truyeàn ñi khaép cô theå tôùi da, bieán cô theå thaønh ñieän tröôøng cuûa tim. Neáu ta ñaët hai Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 21 ñieän cöïc leân hai ñieåm naøo ñoù ta thu ñöôïc ñieän theá cuûa hai ñieåm ñoù, goïi laø moät chuyeån ñaïo hay moät ñaïo trình (lead). Hình 2.12. Caùc vò trí ñieän theá ñöôïc laáy ra taïo ra ñaïo trình cuûa soùng ñieän tim Cho ñeán nay ñaïi ña soá duøng 12 chuyeån ñaïo ñeå nghieân cöùu ñieän tim, noù goàm 3 chuyeån ñaïo chuaån, 3 chuyeån ñaïo ñôn cöïc caùc chi vaø 6 chuyeån ñaïo tröôùc tim. ÔÛ moãi chuyeån ñaïo seõ coù moät daïng soùng ñieän tim ñoà khaùc nhau. 2.2.3.1.Chuyeån ñaïo chuaån (Standar) hay coøn goïi laø chuyeån ñaïo löôõng cöïc caùc chi hay löôõng cöïc ngoaïi bieân. Chuyeån ñaïo I: ñieän cöïc aâm ôû tay phaûi vaø ñieän cöïc döông ôû tay traùi. Chuyeån ñaïo II: Truïc chuyeån ñaïo ñi töø vai phaûi xuoáng chaân traùi vaø chieàu döông nhö hình 2.13. Chuyeån ñaïo III : ñieän cöïc aâm ôû tay traùi vaø döông ôû chaân traùi. Nhö theá ta thaáy caùc truïc cuûa ba chuyeån ñaïo chuaån naøy taïo neân moät tam giaùc vaø noù ñöôïc goïi laø tam giaùc Einthoven. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 22 Hình 2.13. Chuyeån ñaïo chuaån – tam giaùc Einthoven 2.2.3.2.Chuyeån ñaïo ñôn cöïc caùc chi Ta thaáy caùc chuyeån ñaïo chuaån ñeàu ñöôïc taïo bôûi hai ñieän cöïc, nhöng khi muoán nghieân cöùu ñieän theá rieâng bieät cuûa moät ñieåm thì ta phaûi bieán moät ñieän cöïc thaønh trung tính. Muoán vaäy ngöôøi ta noái ñieän cöïc ñoù (ñieän cöïc aâm) ra moät cöïc trung taâm goïi taét laø CT (Central Teminal) coù ñieän theá baèng khoâng (trung tính), vì noù laø taâm cuûa maïng ñieän hình sao maéc vaøo ba ñænh cuûa tam giaùc Einthoven. Coøn ñieän cöïc thaêm doø coøn laïi (ñieän cöïc döông) thì ñem ñaët ôû caùc caàn vuøng thaêm doø. Ta goïi ñoù laø chuyeån ñaïo ñôn cöïc. Khi ñieän cöïc thaêm doø ñaët ôû chi thì ta goïi ñoù laø chuyeån ñaïo ñôn cöïc chi, ñieän cöïc thöôøng ñöôïc ñaët ôû ba vò trí sau: • Coå tay phaûi: ta ñöôïc chuyeån ñaïo VR (Voltage right) thu ñöôïc ñieän theá ôû meù beân phaûi vaø ñaùy tim. Truïc chuyeån ñaïo laø ñöôøng thaúng noái taâm ñieåm ra vai phaûi. • Coå tay traùi: ta ñöôïc chuyeån ñaïo VL (Voltage left), noù nghieân cöùu ñieän theá veà phía thaát traùi. • Coå chaân traùi: cho ta chuyeån ñaïo VF (Voltage foot), ñaây laø chuyeån ñaïo duy nhaát nhìn thaáy ñöôïc ôû thaønh sau döôùi ñaùy tim. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 23 Hình 2.14. Chuyển đạo đơn cực các chi Naêm 1947, Golgberge ñaõ tieán haønh caûi tieán caét boû caùnh sao noái vôùi chi ñaët ñieän cöïc thaêm doø, laøm cho soùng ñieän tim cuûa caùc chuyeån ñaïo ñoù taêng bieân ñoä leân gaáp röôõi laàn maø vaãn giöõ hình daïng nhö cuõ goïi laø chuyeån ñaïo ñôn cöïc chi taêng theâm kí hieäu laø AVR, AVL vaø AVF (A = Augmented = taêng theâm). Ngaøy nay caùc chuyeån ñaïo AVR, AVL vaø AVF ñöôïc duøng thoâng duïng hôn VR,VL,VF. Taát caû saùu chuyeån ñaïo I, II, III, AVR, AVL, AVF ñöôïc goïi laø chuyeån ñaïo ngoaïi bieân vì ñeàu coù caùc ñieän cöïc thaêm doø ñaët taïi caùc chi. Chuùng hoã trôï cho nhau doø xeùt caùc roái loaïn cuûa doøng ñieän tim theå hieän boán phía xung quanh quaû tim treân maët phaúng chaén (Frontal plane). Nhöng coøn roái loaïn cuûa doøng ñieän tim chæ bieåu hieän roõ ôû maët tim chaúng haïn thì caùc chuyeån ñaïo naøy khoâng theå phaùt hieän ñöôïc. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 24 Vaán ñeà ñaët ra laø caàn coù theâm caùc chuyeän ñaïo khaùc bieåu hieän roõ ñöôïc caùc doøng ñieän tim, vaø ngöôøi ta ñaõ tìm ra ñöôïc chuyeån ñaïo tröôùc tim. [2 ] 2.2.3.3. Chuyeån ñaïo tröôùc tim Chuyeån ñaïo naøy bao goàm moät ñieän cöïc trung tính ñaët taïi cöïc trung taâm vaø ñieän cöïc thaêm doø ñaët taïi 6 vò trí treân ngöïc taïo neân 6 chuyeån ñaïo tröôùc tim kí hieäu V1 – V6. Nhö vaäy truïc chuyeån ñaïo cuûa chuùng seõ laø ñöôøng thaúng höôùng töø taâm ñieåm ñieän tim (ñieåm 0) tôùi caùc vò trí ñieän cöïc töông öùng, caùc truïc ñoù naèm treân nhöõng maët phaúng naèm ngang hay gaàn ngang. Hình 2.15 Vò trí ñaët ñieän cöïc laáy chuyeån ñaïo tröôùc tim Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 25 Hình 2.16. Sô ñoà minh hoïa maët caét khaûo saùt tim vaø caùc chuyeån ñaïo töông öùng. 2.3. CAÙC ÑAËC ÑIEÅM CÔ BAÛN CUÛA TÍN HIEÄU ÑIEÄN TIM Tín hieäu ñieän tim laø tín hieäu coù daïng phöùc taïp, vôùi taàn soá laëp laïi trong khoaûng töø 0.05 ÷ 300Hz. Hình daïng soùng cuûa soùng ñieän tim bao goàm caùc thaønh phaàn P, Q, R, S, T, U nhö ñaõ trình baøy ôû phaàn treân. Veà maët lyù thuyeát thì tín hieäu naøy coù theå coi nhö laø toå hôïp caùc haøi coù daûi taàn (0 ÷ ∞). Quaù trình tính toaùn, phaân tích, keå caû ñeán tröôøng hôïp beänh lyù, tröôøng hôïp meùo tín hieäu, ngöôøi ta ñeàu xaùc ñònh ñöôïc daûi taàn tieâu chuaån ñaûm baûo theå hieän trung thöïc tín hieäu ñieän tim laø töø 0.05 ÷ 100Hz. Giôùi haïn treân naøy (0.05Hz) ñöôïc ñaët ra ñeå ñaûm baûo phöùc boä QRS khoâng bò meùo, vaø giôùi haïn döôùi ñeå ñaûm baûo trung thöïc soùng P vaø T. ÔÛ caùc maùy ñieän tim hieän ñaïi nghieân cöùu trong phoøng thí nghieäm thì tieâu chuaån naøy cao hôn laø töø 0.01 ÷ 2000Hz. Xeùt veà daûi roäng cuûa tín hieäu thì bieân ñoä caùc soùng P, Q, R, S, T, U raát khaùc nhau. Bieân ñoä caùc soùng ghi ñöôïc trong caùc chuyeån ñaïo chuaån laø nhoû nhaát vì ñieän tröôøng tim cuûa caùc chi laø yeáu nhaát, bieân ñoä chuyeån ñaïo ôû loàng ngöïc laø lôùn nhaát. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 26 Hình 2.17. Boä phöùc cuûa soùng ñieän tim vaø bieân ñoä
Bieân ñoä soùng cuûa P, Q, S nhoû nhaát côõ 0.2 ÷ 0.5mV.
Soùng coù bieân ñoä lôùn nhaát laø soùng R, coù bieân ñoä vaøo khoaûng 1.5 ÷ 3mV.
Quaõng thôøi gian toàn taïi cuûa soùng: • P – R: 0,12 ñeán 0,2 giaây • Q – T: 0,35 ñeán 0,44 giaây • S – T: 0,05 ñeán 0,15 giaây • QRS: 0,09 giaây 2.4. SÖÏ THU TÍN HIEÄU Phaàn lôùn caùc thieát bò y teá laø thieát bò ñieän töû, do đó cần phải có các tín hiệu đầu vào töùc là các tín hieäu ñieän. Trong nhöõng tröôøng hôïp caàn ghi laïi ñieän theá sinh hoïc, chuùng ta söû Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 27 duïng moät soá loaïi ñieän cöïc “electrode” laøm trung gian giöõa beänh nhaân vaø thieát bò ñeå thu tín heäu. Trong nhöõng tröôøng hôïp khaùc ñaàu ño transducer ñöôïc söû duïng ñeå chuyeån ñoåi caùc thoâng soá vaät lí phi ñieän hay caùc taùc nhaân nhö löïc, aùp suaát, nhieät ñoä... sang tín hieäu ñieän analog tæ leä vôùi giaù trò cuûa caùc thoâng soá taùc nhaân goác.
Caùc ñieän cöïc cho caùc pheùp ño sinh lí Ñieän sinh hoïc laø hieän töôïng xuaát hieän moät caùch töï nhieân vaø phaùt sinh do caùc cô quan soáng ñöôïc caáu taïo töø nhöõng ion vôùi soá löôïng khaùc nhau. Söï truyeàn daãn ion khaùc vôùi söï truyeàn daãn ñieän, maø coù leõ quen thuoäc hôn vôùi caùc kó sö vaø caùc nhaø coâng ngheä thoâng thöôøng. Söï truyeàn daãn ion bao goàm söï di chuyeån cuûa ion – nhöõng phaàn töû tích ñieän döông vaø ñieän aâm – ôû khaép moät khu vöïc, trong khi ñoù söï truyeàn daãn ñieän bao goàm doøng caùc ñieän töû chaïy döôùi söï taùc ñoäâng cuûa ñieän tröôøng. Trong moät dung moâi, nhöõng ion coù theå tìm ñöôïc moät caùch deã daøng. Nhöõng söï khaùc bieät ñieän theá xaûy ra khi söï taäp trung cuûa caùc ion laø khaùc nhau giöõa hai ñieåm. Khi nghieân cöùu söï truyeàn daãn ion saâu hôn, chuùng ta seõ thaáy raèng noù laø moät hieän töôïng phöùc taïp, phi tuyeán tính. Nhöng ñoái vôùi nhöõng tính toaùn tín hieäu nhoû, nôi maø chæ coù doøng ñieän thaät nhoû, thì vieäc moâ hình hoùa noù gioáng nhö laø moät doøng ñieän giöõa hai ñieåm coù ñieän theá khaùc nhau coù theå taïm chaáp nhaän nhö moät söï gaàn ñuùng baäc moät. Nhöng chuùng ta cuõng caàn moâ hình vôùi baäc cao hôn. Nhöõng ñieän cöïc sinh hoïc laø moät daïng cuûa caùc sensor duøng ñeå chuyeån ñoåi söï truyeàn daãn cuûa ion thaønh söï truyeàn daãn ñieän töû, nhö vaäy tín hieäu coù theå ñöôïc xöû lí trong caùc maïch ñieän töû. Muïc ñích thoâng thöôøng cuûa ñieän cöïc sinh hoïc laø thu caùc tín hieäu ñieän sinh hoïc quan troïng trong y hoïc nhö tín hieäu ñieän tim (electrocardiogram – ECG) chaúng haïn. Phaàn lôùn caùc tín hieäu ECG ñöôïc thu töø moät trong ba daïng ñieän cöïc sau: ñieän cöïc vó moâ beà maët, ñieän cöïc vó moâ beân trong vaø vi ñieän cöïc. Hai daïng ñaàu thöôøng ñöôïc söû duïng roäng raûi coøn daïng thöù ba thì chæ ñöôïc duøng trong caùc pheùp ño ôû möùc teá baøo. Ñieän cöïc cuûa maùy ñieän tim laø loaïi tieáp xuùc ñieän toát vôùi da. Thoâng thöôøng giöõa da vaø ñieän cöïc coù lôùp dung dòch daãn ñieän giuùp cho söï tieáp xuùc naøy toát hôn. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 28 Hình 2.18. Caùc ñieän cöïc ngöïc Hình 2.19 Caùc ñieän cöïc chi Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 29 2.5. THIEÁT BÒ GHI SOÙNG ÑIEÄN TIM Veà maët nguyeân lyù cô baûn, maùy ñieän tim laø thieát bò ghi nhaän vaø xöû lyù bieåu dieãn tín hieäu ñieän coù bieân ñoä raát nhoû. Tín hieäu ñieän ñöôïc bieåu dieãn baèng ñoà thò goàm hai truïc thôøi gian vaø ñieän theá, nhö vaäy maùy ñieän tim coù nhieäm vuï chuyeån ñoà thò naøy leân moät maët phaúng (cuï theå ôû ñaây coù theå laø treân giaáy hoaëc treân maøn hình). Do ñoù coù söï qui ñoåi: bieân ñoä vaø thôøi gian ñöôïc bieåu dieãn baèng ñoä daøi. Keát caáu cuûa thieát bò ghi ñieän tim goàm 4 boä phaän: • Boä ñieän cöïc beänh nhaân. • Caùp nguoàn cung caáp. • Caùp noái ñaát. • Giaáy ghi. • Maùy ghi ñieän tim. Vaø caùc boä phaän naøy coù chöùc naêng vaø nhieäm vuï nhö sau: 2.5.1. Boä ñieän cöïc beänh nhaân • Boä ñieän cöïc beänh nhaân coù nhieäm vuï laáy vaø truyeàn tín hieäu ñieän töø caùc ñieän cöïc ñaët treân cô theå ngöôøi beänh tôùi ñaàu vaøo cuûa maùy ghi. • Tuøy vaøo töøng maùy maø ta gaëp boä ñieän cöïc goàm 3, 5 hoaëc 10 ñieän cöïc. • Yeâu caàu ñoái vôùi boä ñieän cöïc laø phaûi choáng nhieãu toát. Moät boä ñieän cöïc goàm 4 phaàn:  Baûn ñieän cöïc: goàm 4 baûn cöïc chi, 1 hoaëc 6 ñieän cöïc ngöïc. Hai loaïi chaát lieäu thöôøng ñöôïc choïn ñeå laøm ñieän cöïc laø Niken vaø Clorua baïc. Baûn ñieän cöïc coøn coù theâm boä phaän duøng ñeå coá ñònh noù treân cô theå vaø phaàn ñeå gaén vôùi phích caém. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 30  Phích caém ñieän cöïc.  Caùp daãn: coù nhieäm vuï truyeàn tín hieäu töø baûn cöïc qua phích caém tôùi giaéc caém ñaàu vaøo maùy ghi ñieän tim. Caùp daãn phaûi ñaûm baûo choáng nhieãu neân thöôøng ñöôïc duøng daây coù boïc kim. Hình 2.20. Caùp daãn  Giaéc caém ñaàu vaøo: coù nhieäm vuï truyeàn noái giöõa boä ñieän cöïc beänh nhaân vôùi ñaàu vaøo cuûa maùy ghi soùng ñieän tim. 2.5.2. Caùp nguoàn cung caáp Caùp nguoàn coù nhieäm vuï noái nguoàn ñieän vaøo maùy ñeå cung caáp ñieän theá cho maùy hoaït ñoäng. 2.5.3. Caùp noái ñaát Caùp noái ñaát coù nhieäm vuï noái voû maùy vôùi ñieåm ñaát trung tính baûo ñaûm an toaøn ñieän cho maùy vaø ngöôøi duøng. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 31 2.5.4. Giaáy ghi Giaáy ghi duøng cho maùy ñieän tim laø loaïi giaáy in nhieät coù keû oâ vôùi ñôn vò laø 1mm. Veà phaân loaïi thì thoâng thöôøng coù 2 loaïi:  Giaáy cuoän.  Giaáy xaáp. Hình 2.21. Giaáy in nhieät duøng trong maùy ghi ñieän tim Veà ñoä roäng cuûa giaáy noù coù nhieàu loaïi tuøy theo haõng saûn xuaát vaø soá keânh ghi. Tuy nhieân ñoái vôùi loaïi maùy ñieän tim moät caàn thì coù kích thöôùc chuaån laø 50mm. 2.5.5. Maùy ghi ñieän tim 2.5.5.1.Ñaëc ñieåm cô baûn Nhö ta ñaõ bieát ñieän tim laø tín hieäu phöùc taïp coù ñieän aùp raát nhoû (khoaûng vaøi mV) vôùi taàn soá thaáp côõ töø 0.05 ñeán 100Hz, do vaäy maùy ñieän tim phaûi ñaùp öùng caùc yeâu caàu sau: • Coù trôû khaùng ñaàu vaøo lôùn ñaûm baûo vieäc phoái hôïp giöõa ñaàu vaøo maïch khueách ñaïi vôùi nguoàn tín hieäu ñeå laáy ñieän aùp ra ñuû lôùn ñeå maïch xöû lyù phaân tích. • Coù ñoä oån ñònh cao vaø loïc nhieãu toát ñeå ghi nhaän trung thöïc tín hieäu ñieän tim. • Caùch ly giöõa boä phaän giao tieáp beänh nhaân vaø caùc thaønh phaàn khaùc cuûa maùy. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 32 • Coù ñoä caùch ñieän toát ñaûm baûo an toaøn cho ngöôøi vaø maùy. • Coù nguoàn döï phoøng. 2.5.5.2. Phaân loaïi maùy ñieän tim Maùy ñieän tim ñöôïc phaân loaïi theo soá keânh maø maùy coù theå ghi ñoàng thôøi. Thöïc teá coù caùc loaïi : • 1 keânh • 2 keânh • 3 keânh • 6 keânh • 12 keânh Caùc thoâng soá kyõ thuaät cô baûn ñeå thöïc hieän ghi soùng ñieän tim • Ñoä nhaïy: ñaây laø thoâng soá theå hieän söï chuyeån ñoåi töø bieân ñoä tín hieäu ñieän tim thaønh ñoä daøi. Ñôn vò cuûa chuyeân ñoåi naøy laø mm/mV. Giaù trò thoâng thöôøng laø 5mm/mV, 10mm/mV vaø 20mm/mV. • Toác ñoä ghi: thoâng soá naøy theå hieän söï chuyeån ñoåi truïc thôøi gian thaønh ñoä daøi vaø ñôn vò cuûa noù laø mm/s. Giaù trò thoâng thöôøng laø 12,5mm/s, 25mm/s vaø 50mm/s. • Daûi thoâng taàn: laø giôùi haïn treân vaø döôùi taàn soá thöôøng laø 0,05 ñeán 100Hz. Ñoâi khi ñeå traùnh nhieãu do nguoàn ngöôøi ta coøn boá trí theâm caùc boä loïc phuï. • Heä soá meùo phi tuyeán: cho pheùp 5%. • Heä soá khöû nhieãu ñoàng pha (CMRR) : lôùn hôn 60dB. • Trôû khaùng vaøo: ñeå taùi taïo trung thöïc tín hieäu thì trôû khaùng vaøo maïch khueách ñaïi phaûi lôùn hôn nhieàu so vôùi nguoàn tín hieäu, thoâng thöôøng lôùn hôn 10 MOhm. • Heä soá khueách ñaïi: ñaûm baûo öùng vôùi möùc vaøo 1mV cho ra 1V. • Doøng roø : nhoû 10µ A. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 33 2.5.6. Sô ñoà khoái cuûa maùy ghi soùng ñieän tim Hình 2.22. Sô ñoà khoái cuûa maùy ghi soùng ñieän tim 2.6. MOÄT VAØI LOAÏI MAÙY Hình 2.23. Ñieän tim 1 keânh ek10 Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 34 Hình 2.24. Ñieän tim 3 keânh ecg1503b Hình 2.25. Maùy ECG3100 Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 35 CHÖÔNG 3 THIEÁT KEÁ PHAÀN CÖÙNG Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 36 3.1. SÔ ÑOÀ KHOÁI 3.2. THIEÁT KEÁ CHI TIEÁT 3.2.1. Choïn ñieän cöïc Do haïn cheá veà maët thôøi gian neân ñeà taøi naøy chæ döøng laïi ôû vieäc nghieân cöùu chuyeån ñaïo chuaån goàm chuyeån ñaïo I, chuyeån ñaïo II vaø chuyeån ñaïo III. Do ñoù ta seõ choïn ñieän cöïc loaïi coù 3 keânh ñeå thu tín hieäu cuûa 3 ñaïo trình chuaån cuûa maùy taïo soùng ñieän tim (tim giaû). Hình 3.1. Ñieän cöïc thu loaïi 3 keânh 3.2.2. Boä khueách ñaïi – loïc nhieãu 3.2.2.1.Khueách ñaïi Tín hieäu ñieän taâm ñoà maø ta thu ñöôïc laø moät tín hieäu ñieän ñöôïc phaùt ra bôûi söï co boùp cuûa tim. Do ñoù, tín hieäu ñieän tim raát nhoû coù daûi taàn soá trong khoaûng 0.05 – 100Hz vaø bieân Ñieän cöïc Boä khueách ñaïi-loïc nhieãu Boä chuyeån ñoåi ADC Vi xöû lyù giao tieáp maùy tính Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 37 ñoä vaøo khoaûng 0.5 – 3mV. Moät tín hieäu ñieän tim cô baûn ñöôïc bieåu dieãn baèng phöùc ñoà nhö Hình 3.1. Hình 3.2. Phöùc boä ñieän taâm ñoà cô baûn Vì tín hieäu raát nhoû neân deã bò nhieãu bôûi caùc thieát bò ñieän gaàn ñoù nhö maùy X-quang, maùy sieâu aâm… gaây ra. Tín hieäu cuõng deã bò sai leäch bôûi nhieãu do ñieän nguoàn, nhieãu do caùc ñieän cöïc tieáp xuùc vaø nhieãu do söï chuyeån ñoäng hay nhieãu cô töø cô theå cuûa beänh nhaân. ÔÛ phaïm vi ñeà taøi naøy, ñoái töôïng ñöôïc nghieân cöùu laø tim giaû neân moät soá nhieãu nhö nhieãu cô töø cô theå beänh nhaân, nhieãu do söï chuyeån ñoäng coù theå khoâng gaây aûnh höôûng nhieàu ñeán keát quaû nghieân cöùu. Hình 3.3 a) bieãu dieãn tín hieäu ñieän tim coù söï xuaát hieän cuûa nhieãu ñieän nguoàn taàn soá 50Hz. Hình 3.3 b) bieãu dieãn söï nhieãu cô trong tín hieäu ñieän tim. Hình 3.3. a) Nhieãu ñieän nguoàn 60Hz, b) Nhieãu cô töø cô theå beänh nhaân. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 38 Ñeå loaïi tröø bôùt caùc loaïi nhieãu treân, ta coù theå söû duïng moät boä khueách ñaïi vi sai ba op- amp hay coøn goïi laø khueách ñaïi thuaät toaùn nhö Hình 3.4. Ñieän aùp ngoõ ra cuûa maïch khueách ñaïi naøy laø : Vout – Vref = – (V1 – V2).(1 + 2.R2 / R1).(R4 / R3) Neáu nhö ñieän aùp ngoõ vaøo gioáng nhau ( common mode) V1 = V2 thì ngoõ ra Vout = 0, maët khaùc neáu V1 ≠ V2 thì aùp vi sai (V1 – V2) seõ cho ta moät ñoä lôïi vi sai. Vì haàu heát caùc loaïi nhieãu ñeàu coù aùp gioáng nhau (common mode) neân khi qua boä khueách ñaïi vi sai chuùng seõ töï trieät tieâu laãn nhau, do ñoù ta coù theå loaïi tröø bôùt nhieãu khi cho tín hieäu ñi qua boä khueách ñaïi vi sai. Boä khueách ñaïi ba op-amp naøy thöôøng ñöôïc goïi laø khueách ñaïi thuaät toaùn. Noù coù trôû khaùng vaøo cao, CMRR cao vaø coù ñoä lôïi khueách ñaïi coù theå ñieàu chænh ñöôïc bôûi ñieän trôû R1. Maïch khueách ñaïi naøy thöôøng ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong vieäc ño löôøng ñieän theá sinh hoïc bôûi vì noù loaïi boû ñöôïc nhieãu coù ñieän aùp gioáng nhau toàn taïi trong cô theå ngöôøi beänh. Hình 3.4. Khueách ñaïi vi sai ba op-amp 3.2.2.2. Loïc nhieãu Trong nhieàu thieát bò ñieän taâm ñoà hieän ñaïi ngöôøi ta thöôøng söû duïng heä thoáng driven– right–leg. Ñoù laø beänh nhaân khoâng caàn noái ñaát toaøn boä, thay vaøo ñoù laø moät ñieän cöïc ñöôïc gaén ôû chaân phaûi cuûa beänh nhaân vaø ñöôïc keát noái vôùi ngoõ ra cuûa moät op-amp boå phuï. Ñieän Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 39 aùp coù mode chung treân cô theå beänh nhaân seõ bò phaùt hieän bôûi hai ñieän trôû thöôøng, bò ñaûo, khueách ñaïi vaø hoài tieáp veà chaân phaûi. Phaàn hoài tieáp aâm cuûa maïch ñöa ñieän aùp coù mode chung veà möùc thaáp. Maïch naøy cuõng ñaûm baûo cho beänh nhaân moät soá an toaøn veà ñieän vì op-amp boå phuï seõ baõo hoøa khi moät ñieän aùp cao xuaát hieän giöõa beänh nhaân vaø ñaát. [3]. Hình 3.5. Maïch “driven-right-leg” giaûm nhieãu mode chung ñeán möùc thaáp nhaát. Tín hieäu ñieän tim sau khi qua boä khueách ñaïi thuaät toaùn vaãn coøn bò aûnh höôûng bôûi nhieãu. Do ñoù ta caàn phaûi thieát keá moät maïch loïc thoâng thaáp (low-pass filter) ñeå loaïi tröø caùc thaønh phaàn nhieãu ôû taàn soá cao, moät maïch loïc thoâng cao (high-pass filter) ñeå loaïi boû caùc thaønh phaàn nhieãu DC (doøng tröïc tieáp). Cuoái cuøng laø moät maïch loïc Notch (notch filter) ñöôïc söû duïng ñeå loaïi boû caùc thaønh phaàn aûnh höôûng cuûa ñieän nguoàn. Hình 3.6. Boä loïc Notch Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 40 Hình 3.6. treân bieãu dieãn baêng thoâng cuûa boä loïc Notch, taïi taàn soá 60Hz baêng thoâng seõ bò caét veà 0, taát caû nhöõng tín hieäu nhieãu coù taàn soá 50/60Hz seõ bò loaïi boû. Hình 3.7. Boä loïc thoâng thaáp (low-pass) Boä loïc low-pass naøy ñöôïc thieát keá chæ cho nhöõng tín hieäu coù taàn soá nhoû hôn 100Hz ñi qua, maø tín hieäu ñieän tim coù taàn soá trong daûi töø 0.05Hz ñeán 100Hz, neân taát caû nhöõng tín hieäu coù taàn soá lôùn hôn 100Hz (trong ñoù coù nhieãu ôû taàn soá cao) seõ bò loaïi boû nhö minh hoïa ôû hình treân. Hình 3.8. Boä loïc thoâng cao (high-pass). Coøn boä loïc high-pass naøy ñöôïc thieát keá chæ cho nhöõng tín hieäu coù taàn soá lôùn hôn 0.05Hz nhö tín hieäu ñieän tim ñi qua, nhöõng taàn soá nhoû hôn 0.05Hz (thöôøng laø nhieãu) seõ bò loaïi boû. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 41 3.2.2.3.YÙ nghóa cuûa boä loïc: Hình 3.9. YÙ nghóa boä loïc Tín hieäu maø ta thu ñöôïc treân thöïc teá luùc naøo cuõng bò nhieãu nhieàu so vôùi tính toaùn lyù thuyeát. Do ñoù, ñeå tín hieäu ñöôïc thu nhaän vaø theå hieän ñöôïc ñuùng baûn chaát cuûa noù thì ta neân duøng caùc loaïi boä loïc keå treân ñeå loaïi boû bôùt nhieãu ñi. Sau khi loaïi boû nhieãu, tín hieäu cho ra seõ trung thöïc hôn. Vaø hình sau ñaây seõ minh hoïa ñieàu ñoù: Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 42 Hình 3.10. Tín hieäu sinh hoïc sau khi qua boä loïc nhieãu. 3.2.2.4. Thieát keá a. Sô ñoà khoái cuûa boä khueách ñaïi loïc nhieãu b. Thieát keá maïch khueách ñaïi Nhö ñaõ noùi ôû phaàn treân, tín hieäu ñieän tim coù bieân ñoä vaø taàn soá raát nhoû so vôùi ñieän aùp chung cuûa nhieãu cao (high common noise voltage), theâm vaøo ñoù laø caùc ñieän cöïc ngaøy nay coù trôû khaùng ngoõ ra raát cao. Chính vì nhöõng ñaëc tính naøy maø boä khueách ñaïi cuõng phaûi ñöôïc thieát keá vôùi trôû khaùng vaøo raát cao, doøng bias thaáp, ñieän aùp offset thaáp vaø tyû soá trieät Maïch khueách ñaïi instrument AD = 100 Maïch loïc thoâng cao AH = 1 Maïch loïc thoâng thaáp AL = 1 Maïch khueách ñaïi Ag = 10 Ngoõ vaøo vi sai Maïch loïc notch AN = 1 Ngoõ ra cuûa maïch khueách ñaïi_loïc nhieãu Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 43 caùch chung CMRR cao (> 60dB). Moät thieát bò analog thuaät toaùn AD620 ñaõ ñaùp öùng ñöôïc taát caû caùc ñaëc tính thieát keá treân. Ñaây chính laø moät coâng cuï lyù töôûng ñeå thieát keá ra moät boä khueách ñaïi töông ñoái chính xaùc. Hình 3.11 trình baøy sô ñoà maïch khueách ñaïi sinh theá (biopotential amplifier) söû duïng AD620. Hình 3.11. Sô ñoà maïch khueách ñaïi sinh theá söû duïng AD620 Trong sô ñoà treân, RG duøng ñeå thay ñoåi ñoä lôïi khueách ñaïi theo coâng thöùc : G = 1+(49.4k / RG). Ñoù cuõng laø ñaëc tính cuûa AD620. Vôùi ñoä chính xaùc cao, ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi thuaät toaùn söû duïng AD620 chæ caàn moät con ñieän trôû ngoaøi ñeå chænh ñoä lôïi töø 1 ñeán 10 000 laàn. Tuy nhieân, ñieàu quan troïng ôû ñaây laø con AD620 laïi khoâng coù maët treân thò tröôøng thaønh phoá Hoà Chí Minh, vaán ñeà ñöôïc ñaët ra laø linh kieän naøo coù theå thay theá cho AD620. Moät maïch khueách ñaïi thuaät toaùn loïc nhieãu khoâng duøng AD620 maø thay vaøo ñoù laø op-amp LM324. Öu ñieåm cuûa con op-amp LM324 laø ñoä lôïi khueách ñaïi cao (100V/mV), ñieän aùp offset nhoû (khoaûng 2 mV) neân ta khoâng caàn phaûi ñieàu chænh ñieän aùp offset. [3]. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 44 Hình 3.12. Sô ñoà chaân LM324 Moät con quad op-amp bao goàm boán con LM324 ôû beân trong (hình 3.12) neân maïch thieát keá seõ nhoû vaø goïn hôn. Doøng bias raát nhoû khoaûng 45 nA, CMRR = 70dB. Vôùi nhöõng ñaëc tính naøy thì LM324 cuõng ñaùp öùng toát cho maïch khueách ñaïi thuaät toaùn vaø loïc nhieãu. Tuy nhieân LM324 khoâng ñaït ñoä chính xaùc baèng AD620. Tín hieäu ñieän tim laø tín hieäu ñieän coù bieân ñoä raát nhoû (0.5 – 3mV), neân maïch khueách ñaïi loïc nhieãu ñöôïc thieát keá ôû ñaây phaûi coù ñoä lôïi khueách ñaïi laø 1000 ñeå ñaûm baûo tín hieäu ñieän tim phuø hôïp vôùi möùc ñieän aùp vaøo cuûa boä chuyeån ñoåi ADC, ñieàu naøy seõ ñöôïc trình baøy roõ ôû phaàn keá tieáp. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 45 Hình 3.13. Khuếch đại thuật toán. Treân ñaây laø sô ñoà maïch khueách ñaïi thuaät toaùn toång quaùt ñoä lôïi khueách ñaïi seõ ñöôïc quyeát ñònh bôûi caùc ñieän trôû R1, R2, R3, R4. Sau ñaây laø sô ñoà thieát keá maïch khueách ñaïi vi sai vôùi ñoä lôïi ñöôïc choïn laø 101. Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 46 +12V J2 IN1 1 - + U1A LM324 3 2 1 4 11 - + U1B LM324 5 6 7 4 11 +12V R2 10k R5 10k R6 100k 0 +12V C2 0.01uF C1 0.01uF -12V R7 100k R3 10k 0 R28 2k 0R4 10k - + U1C LM324 10 9 8 4 11 J1 IN0 1 -12V -12V Hình 3.14. Sô ñoà thieát keá maïch khueách ñaïi Ta coù: Vout = -(V1 – V2)(1+2R6/R28)(R5/R2) = - 101 (V1 – V2). Ñaây laø keát quaû thu ñöôïc treân oscilloscope nhö sau: Tín hieäu vaøo oscilloscope laø tín hieäu sin ñöôïc taïo ra töø maùy taïo soùng AG_203D coù bieân ñoä ngoõ ra khoaûng 3mV, taàn soá laø 40Hz. Vaø keát quaû thu ñöôïc hieån thò treân oscilloscope laø: Hình 3.15. Tín hieäu vaøo OUT Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 47 Tín hieäu ra töø taàng khueách ñaïi thuaät toaùn seõ ñöôïc khueách ñaïi leân 101 laàn. Hình 3.16. Tín hieäu ra ôû taàng khueách ñaïi Tín hieäu sau khi qua boä khueách ñaïi loïc nhieãu seõ ñöôïc khueách ñaïi leân 1000 laàn, hình döôùi ñaây laø keát quaû thu ñöôïc, tín hieäu ñaõ ñöôïc loïc nhieãu coù bieân ñoä ñaõ ñöôïc khueách ñaïi 1000 laàn laø khoaûng 3V. Hình 3.17. Tín hieäu ra ôû taàng khueách ñaïi loïc nhieãu Luaän vaên toát nghieäp Tröôøng ÑH Baùch Khoa TP.HCM 48 c. Caùc yeáu toá ñieän tröôøng vaø töø tröôøng aûnh höôûng tôùi vieäc khueách ñaïi tín hieäu ñieän tim Aûnh höôûng cuûa ñieän tröôøng 50/60Hz Caùc daây daãn ñieän löôùi vaø caùc vaät daãn ñieän löôùi ñeàu sinh ra ñieän tröôøng quanh noù. Ñieän tröôøng naøy gaây taùc ñoäng tôùi maùy ghi ñieän tim, daây ñieän cöïc vaø cô theå beänh nhaân. Do ñieän aùp löôùi coù taàn soá 50/60 Hz neân ñieän tröôøng maø noù sinh ra cuõng bieán thieân theo taàn soá treân. Söï bieân thieân naøy seõ sinh ra töø tröôøng gaây nhieãu tín hieäu soùng ñieän tim. Ñoù laø lyù do vì sao ta duøng boä lo