Đồ án Thiết kế và thi công mô hình đo điện tim dàn trải giao tiếp qua máy tính (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và thi công mô hình đo điện tim dàn trải giao tiếp qua máy tính (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐO ĐIỆN TIM DÀN TRẢI GIAO TIẾP QUA MÁY TÍNH GVHD: ThS. VÕ MINH THẠNH SVTH: LÊ TRỌNG MSSV: 12141242 SVTH: ĐẶNG MINH CƯỜNG MSSV: 12141487 S K L 0 0 4 5 4 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐO ĐIỆN TIM DÀN TRẢI GIAO TIẾP QUA MÁY TÍNH GVHD: ThS. VÕ MINH THẠNH SVTH: 1. LÊ TRỌNG MSSV: 12141242 2. ĐẶNG MINH CƯỜNG MSSV: 12141487 Tp. Hồ Chí Minh – 07/2016
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐO ĐIỆN TIM DÀN TRẢI GIAO TIẾP QUA MÁY TÍNH GVHD: ThS. VÕ MINH THẠNH SVTH: 1. LÊ TRỌNG MSSV: 12141242 2. ĐẶNG MINH CƯỜNG MSSV: 12141487 Tp. Hồ Chí Minh – 07/2016
4. LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi: Lê Trọng và Đặng Minh Cường cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Minh Thạnh. Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Trọng Đặng Minh Cường i
5. LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không có sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô giáo khoa Điện-Điện Tử trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã trang bị cho chúng em kiến thức và giúp đỡ chúng em giải quyết những khó khăn trong quá trình làm đồ án. Đặt biệt chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, ThS.Võ Minh Thạnh đã tận tình giúp đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy. Đề tài được thực hiện trong thời gian ngắn. Kiến thức của chúng em còn hạn chế vậy nên khó tránh khỏi những sai sót. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô giáo và các bạn cùng lớp và cùng ngành để kiến thức của chúng em trong lĩnh vực này ngày càng hoàn thiện hơn. Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, ba mẹ đã tạo cho chúng em nhiều động lực, tinh thần. Ba mẹ cũng tạo mọi điều kiện tối đa để chúng em có được như ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Lê Trọng Đặng Minh Cường ii
6. TÓM TẮT Với những tiến bộ nhanh chóng trong mạng truyền thông không dây, việc truyền tải tín hiệu y sinh học qua mạng không dây trở nên rất phổ biến ngày này qua ngày khác. Có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong mảng y sinh học không dây để giám sát tín hiệu sinh lý. Hơn nữa, y học từ xa và giám sát từ xa các dữ liệu sinh lý của bệnh nhân là những vấn đề đã nhận được sự quan tâm trong những năm gần đây. Một số của các tín hiệu sinh lý là Điện tâm đồ (ECG) mà có thể được sử dụng để giám sát hoạt động của tim, một điện cơ (EMG) cho hoạt động giám sát cơ và một điện não đồ (EEG) để theo dõi hoạt động điện não. Trong số các tín hiệu sinh lý, ECG và nhịp tim là quan trọng nhất để ta đo theo dõi và giám sát chúng. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính rằng mỗi năm có hơn 16 triệu người trên thế giới chết vì bệnh tim mạch, con số này đại diện cho 30 phần trăm số người chết trên toàn cầu [3]. Xuất phát từ thực tiễn như vậy, chúng em đã tiến hành chọn 1 đề tài về lĩnh vực Điện Tử Y Sinh và cụ thể hơn là mô hình đo điện tim dàn trải đo điện tâm đồ (ECG) và tiến hành nghiên cứu với mục đích là giúp đỡ mọi người một phần nhỏ để phát hiện và giải quyết các vấn đề của điện tim trong cuộc sống một cách thuận tiện hơn và tối ưu hơn. Đề tài đi xây dựng 1 mô hình thiết bị y tế dùng để đo điện tâm đồ (ECG), tín hiệu ECG được lấy trực tiếp từ người và sẽ được đưa qua các khâu xử lý trong mô hình như khuếch đại, lọc nhiễu qua mỗi khâu xử lý, tín hiệu sẽ được lấy ra để cho ta quan sát khi cần. Tín hiệu ECG sau cùng sẽ được truyền qua trực tiếp đến máy tính thông qua RS232 và truyền qua mạng không dây Wi-Fi. Điều này đã giúp giám sát nhịp tim của bệnh nhân mà không cần phải đo và giám sát trực tiếp tại giường hay phòng bệnh nhân. Các kết nối không dây được thực hiện để đáp ứng cho sự bất tiện trong việc đi lại của bệnh nhân trong môi trường bệnh viện và để truyền tải các thông tin y tế một cách thiết thực nhất. iii
7. MỤC LỤC Trang tựa Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv LIỆT KÊ BẢNG vii LIỆT KÊ HÌNH viii Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.2. MỤC TIÊU 1 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 1.4. GIỚI HẠN 2 1.5. BỐ CỤC 2 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 TỔNG QUAN VỀ ECG 4 2.1.1 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN TIM 4 2.1.2 ĐƯỜNG CHUYỂN ĐẠO (LEAD) CỦA ECG 6 2.1.3 NGUỒN GÂY NHIỄU CHO TÍN HIỆU ECG 7 2.1.4 ÁP DỤNG Y HỌC CỦA ECG 7 2.2 ĐIỆN CỰC THU TÍN HIỆU (ELECTRODE) 8 2.3 OP-AMP TL074 8 2.3.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP-AMP 9 2.3.2 KÝ HIỆU OP-AMP 9 2.3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 10 2.3.4 OP-AMP LÝ TƯỞNG 11 2.3.5 NHỮNG GIỚI HẠN CỦA OP-AMP THỰC TẾ 11 2.4 VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F4013 13 2.4.1 Vài nét sơ lượt về họ vi điều khiển dsPIC 14 iv
8. 2.4.2 Đặc điểm của vi điều khiển dsPIC30F4013 15 2.4.3 Cấu trúc của vi điều khiển dsPIC30F4013 17 2.5 MODULE WIFI ESP 8266 V1 23 2.6 INA114 25 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 27 3.1 GIỚI THIỆU 27 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 27 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 28 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 41 4.1 GIỚI THIỆU 41 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.2.1 Thi công bo mạch 42 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 46 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 48 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 48 4.3.2 Thi công mô hình 49 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 50 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 50 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 56 4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP 8266 V1 61 4.4.4 Phần mềm lập trình cho máy tính. 67 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 73 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 73 4.5.2 Quy trình thao tác 74 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 75 5.1 BỘ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ LCD 76 5.2 LỌC THÔNG THẤP VÀ THÔNG CAO 77 5.3 BỘ LẤY TÍN HIỆU VÀ KHUẾCH ĐẠI 77 5.4 LỌC DẢI TRIỆT KHUẾCH ĐẠI VÀ BÙ ĐIỆN ÁP 78 5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78 v
9. 5.5.1 Hình ảnh tiền xử lý 78 5.5.2 Kết quả thống kê 79 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 6.1 KẾT LUẬN 85 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 88 vi
10. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện, module. 46 vii
11. LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang Hình 2.1: Tín hiệu ECG của một người bình thường. 4 Hình 2.2: Tim của một người bình thường. 5 Hình 2.3: Các sóng trên điện tâm đồ. 5 Hình 2.4: Các chuyển đạo ở chi. 6 Hình 2.5: Miếng dán điện cực (Electrode). 8 Hình 2.6: Sơ đồ chân của IC TL074. 9 Hình 2.7: Ký hiệu các chân của Op-amp. 9 Hình 2.8: Cấu trúc sơ bộ của Op-amp. 11 Hình 2.9: Vi điều khiển dsPIC30F4013 chân cắm và chân dán. 14 Hình 2.10: Sơ đồ chân vi điều khiển dsPIC30F4013. 17 Hình 2.11: Các thanh ghi của bộ xử lý trung tâm. 18 Hình 2.12: Sơ đồ khối 1 cổng I/O dùng chung với ngoại vi khác. 19 Hình 2.13: Sơ đồ khối truyền UART. 20 Hình 2.14: Sơ đồ khối nhận UART. 21 Hình 2.15: Sơ đồ khối cơ bản của ADC 12-bit. 22 Hình 2.16: Module ESP8266 v1. 23 Hình 2.17: Kết nối các chân của module ESP8266 v1. 25 Hình 2.18: INA114 và sơ đồ chân. 25 Hình 2.19: Cấu trúc bên trong của INA114. 26 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống. 28 Hình 3.2: Sơ đồ jack cho nguồn Pin. 29 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ±9V. 29 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý nguồn +5V. 30 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý nguồn +3.3V. 30 Hình 3.6: Các khâu trong khối Analog lấy tín hiệu ECG. 31 Hình 3.7: Sơ đồ kết nối INA114. 32 viii
12. Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của khâu lấy tín hiệu và khuếch đại. 32 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý của khâu khếch đại. 33 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý của khâu lọc thông cao. 34 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của khâu lọc thông thấp. 35 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của khâu lọc dải triệt. 36 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khâu khuếch đại ngõ ra. 36 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khâu đảo và nâng dạng sóng. 37 Hình 3.15: Sơ đồ kết nối chân của vi điều khiển. 38 Hình 3.16: Sơ đồ kết nối chân của LCD. 39 Hình 3.17: Sơ đồ kết nối đến các chân của module wifi ESP. 39 Hình 3.18: Module USB UART CP2102 và các chân của module. 40 Hình 4.1: Kết quả thi công phần cứng. 41 Hình 4.2: Dạng sóng ECG hiển thị trên oscilloscope điện tử. 42 Hình 4.3: Sơ đồ mạch in lớp trên. 43 Hình 4.4: Sơ đồ mạch in lớp dưới. 44 Hình 4.5: Sơ đồ mạch in tên linh kiện. 45 Hình 4.6: Module nguồn. 47 Hình 4.7: Mô hình ECG hoàn chỉnh. 47 Hình 4.8: Hộp chứa board ECG. 48 Hình 4.9: Chú thích các khối trong Board ECG. 49 Hình 4.10: Lưu đồ cho vi điều khiển. 51 Hình 4.11: Lưu đồ cho vi điều khiển. 52 Hình 4.12: Lưu đồ giao tiếp với module ESP 8266 và ngắt. 53 Hình 4.13: Lưu đồ cho module ESP 8266. 55 Hình 4.14: Chạy cài đặt CCS5.025. 56 Hình 4.15: Chạy cài đặt CCS5.025. 57 Hình 4.16: Chạy cài đặt CCS5.025 57 Hình 4.17: Chạy cài đặt CCS5.025. 58 Hình 4.18: Chạy cài đặt CCS5.025. 58 Hình 4.19: Chạy cài đặt CCS5.025. 59 Hình 4.20: Tạo project mới trong CCS. 60 ix
13. Hình 4.21: Biên dịch chương trình trong CCS. 60 Hình 4.22: Phần chính của chương trình 61 Hình 4.23: Khởi động Arduino IDE. 62 Hình 4.24: Sử dụng Arduino IDE. 62 Hình 4.25: Sử dụng Arduino IDE. 63 Hình 4.26: Sử dụng Arduino IDE. 63 Hình 4.27: Cài đặt ESP8266 by ESP8266 Community. 64 Hình 4.28: Cấu hình cho 1 project. 64 Hình 4.29: Chọn cổng COM. 65 Hình 4.30: Chọn chế độ nạp. 65 Hình 4.31: Viết chương trình. 66 Hình 4.32: Viết chương trình cho ESP8266. 66 Hình 4.33: File cài đặt labview. 67 Hình 4.34: Quá trình cài đặt labview. 67 Hình 4.35: Chọn đường dẫn cài đặt labview. 68 Hình 4.36: Chọn các công cụ trong labview và cài đặt 68 Hình 4.37: Tạo project mới. 69 Hình 4.38: Giao diện truyền, nhận UART. 69 Hình 4.39: Lập trình truyền, nhận UART. 70 Hình 4.40: Các khối được sử dụng trong labview. 71 Hình 4.41: Giao diện nhận TCP. 72 Hình 4.42: Code nhận TCP. 72 Hình 4.43: Quy trình thao tác. 74 Hình 5.1: Mô hình sản phẩm đã hoàn tất. 75 Hình 5.2: Tín hiệu ECG được truyền qua module USB hiển thị trên labview. 75 Hình 5.3: Tín hiệu ECG được truyền qua module WIFI hiển thị trên labview. 76 Hình 5.4: Bộ vi điều khiển và LCD trong mạch. 76 Hình 5.5: Bộ lọc thông thấp và thông cao trong mạch. 77 Hình 5.6: Bộ lấy tín hiệu và khuếch đại trong mạch 77 Hình 5.7: Lọc dải triệt khuếch đại và bù điện áp trong mạch. 78 Hình 5.8: Tín hiệu ECG trước khi đi xử lý. 79 x
14. Hình 5.9: Tín hiệu ECG đã qua xử lý. 79 Hình 5.10: Vị trí test points trong mạch. 80 Hình 5.11: Dạng sóng tín hiệu tại ngõ ra của INA114 (TP 0). 81 Hình 5.12: Dạng sóng tín hiệu sau bộ khuếch đại đầu vào (TP 2). 81 Hình 5.13: Dạng sóng tín hiệu tại ngõ ra của bộ lọc thông cao (TP 3). 82 Hình 5.14: Dạng sóng tín hiệu tại ngõ ra của bộ lọc thông thấp (TP 5). 82 Hình 5.15: Dạng sóng tín hiệu tại ngõ ra của bộ lọc triệt dải (TP 7). 83 Hình 5.16: Dạng sóng tín hiệu tại ngõ ra của bộ khuếch đại ngõ ra (TP 8) 83 Hình 5.17: Dạng sóng tín hiệu ECG (J 25). 84 xi
15. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước ngày nay cùng với xu thế hội nhập quốc tế các ngành nghề ở Việt Nam đang có những bước phát triển không ngừng chẳng hạn như các ngành cơ khí, điện tử, hoá học, y học không những dừng lại ở việc phát triển các ngành nghề hiện có mà trong nước ta hiện nay một số ngành nghề mới được du nhập về và đang có rất nhiều tiềm năng để phát triển tiêu biểu nhất đó là ngành điện tử y sinh, một lĩnh vực kết hợp giữa điện tử và y học. Trong bối cảnh như vậy việc đầu tư nghiên cứu và phát triển các thiết bị, tài liệu cho ngành này là điều rất cần thiết. Đó là những yếu tố cần thiết và thuận lợi cho việc hình thành và phát triển đề tài. Mô hình được xây dựng để đạt được mục tiêu chính là đo điện tim (điện tâm đồ hay còn gọi tắt là EGC) của cơ thể con người. Các thiết bị được gắn liền với người đang được theo dõi. Thiết bị thu hồi tín hiệu ECG được đặt ở vị trí được xác định trước trên cơ thể. Các bộ khuếch đại và bộ lọc để lựa chọn băng tần ECG và loại bỏ nhiễu có trong tín hiệu ECG thu được. Dữ liệu đo sẽ được truyền có dây thông qua UART trực tiếp tới máy tính qua USB hoặc không dây với máy tính sử dụng chuẩn Wi-Fi toàn cầu, một trong những phương tiện phổ biến nhất để liên lạc. Tính hiệu nhận về sẽ được hiển thị lên mày tính thông qua 1 giao diện được xây dựng bằng Labview. Qua đó người giám sát sẽ theo dõi kỹ lưỡng và chính xác mà không cần phải giao tiếp trực tiếp với đối tượng. 1.2. MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu thiết kế và thi công mô hình thiết bị y tế dàn trải để đo tín hiệu sinh lý của con người đó là điện tâm đồ (ECG) từ đó ta có thể giám sát hoạt động của tim để xử lý và khắc phục nhanh khi có dấu hiệu bất thường. Mô hình này sẽ đo tín hiệu điện tim của con người, xử lý tín hiệu đó và truyền dữ liệu về máy cho người giám sát. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
16. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - NỘI DUNG 1: Thiết kế giao diện giám sát trên máy tính bằng phần mềm Labview. - NỘI DUNG 2: Thiết kế, lập trình và thi công khối mạch giao tiếp giữa vi điều khiển dsPIC với máy tính thông qua USB và mạng. - NỘI DUNG 3: Thiết kế, thi công và lập trình khối đo điện tim của cơ thể con người. - NỘI DUNG 4: Thiết kế và thi công khối khuếch đại và lọc tín hiệu điện tim đo được. - NỘI DUNG 5: Thiết kế, thi công và lập trình cho bộ ADC của vi điều khiển dsPIC để xử lý tính hiệu điện tim nhận được từ khối đo điện tim. - NỘI DUNG 6: Thiết kế và thi công mô hình thiết bị y tế dàn trải. - NỘI DUNG 7: Liên kết các khối lại với nhau. - NỘI DUNG 8: Tiến hành chạy thử nghiệm. - NỘI DUNG 9: Điều chỉnh cho chính xác. 1.4. GIỚI HẠN - Đề tài được thực hiện trong thời gian ngắn nên mô hình chỉ 1 thiết bị là máy đo điện tim và chỉ giao tiếp qua mạng. - Các linh kiện sử dụng trong mạch với chi phí thấp nên các đáp ứng của chúng chưa thật sự tốt. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương 4: thi công hệ thống Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Nội dung các chương: Chương 1: Tổng quan. Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
17. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày các nội dung lý thuyết có liên quan tới đề tài như: tổng quan về ECG, điện cực thu tín hiệu, lý thuyết về Op-amp và IC TL074, IC INA, vi điều khiển sdPIC30F4013, module wifi ESP 8266 v1. Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương 3 trình bày cách thiết kế các khối trong hệ thống bao gồm khối nguồn, khối lấy tín hiệu Analog, khối Digital xử lý trung tâm (VĐK), khối hiển thị trạng thái, module USB và module WIFI. Và sau cúng là sơ đồ nguyên lý của hệ thống sau khi thiết kế. Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này nêu ra qá trình và kết quả của việc thiết kế PCB và lắp rắp các linh kiện lên mạch và các kết quả chạy thử nghiệm của hệ thống. Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá. Chương 5 đưa ra các kết quả của hệ thống đã làn được những gì, hệ thống chạy thế nào và những hình ảnh liên quan. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này nêu ra các kết luận về hệ thống đưa ra những ưu nhượt điểm, những hạn chế của hệ thống trong thực tiễn và hướng phát triển thêm của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ECG Điện tâm đồ (tiếng Anh: Electrocardiogram) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim [1]. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi, máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ. Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.v [3] Hình 2.1: Tín hiệu ECG của một người bình thường. 2.1.1 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN TIM Tim người có 4 buồng để chứa và bơm máu (xem Hình 2.2). Hai phần nhỏ ở phía trên gọi là tâm nhĩ (vì trông giống lỗ tai). Hai phần dưới lớn hơn gọi là tâm thất. Máu theo tĩnh mạch từ cơ thể trở về tâm nhĩ phải, từ phổi trở về tâm nhĩ trái. Tâm nhĩ trái bóp bơm máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải đưa máu vào tâm thất phải. Sau đó tâm thất phải bóp để bơm máu theo động mạch lên phổi và tâm thất trái bóp để bơm máu xuống cơ thể. Tim có khả năng hoạt động đều đặn và thứ tự như thế là nhờ một hệ thống các tế bào dẫn điện đặc biệt nằm trong cơ tim [4]. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Tim của một người bình thường. Trong tâm nhĩ bên phải có nút xoang nhĩ (sinoatrial node) gồm các tế bào có khả năng tự tạo xung điện (electric impulse) [2]. Xung điện này truyền ra các cơ xung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P trên Điện Tâm đồ). Sau có dòng điện tiếp tục truyền theo 1 chuỗi tế bào đặc biệt tới nút nhĩ thất (atrioventricular node) nằm gần vách liên thất rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào các cơ xung quanh (loạt sóng QRS) làm hai thất này co bóp. Sau đó xung điện giảm đi, tâm thất giãn ra (tạo nên sóng T) và sóng U là sóng có độ lệch nhỏ ngay sau sóng T và thường có cùng 1 hướng với sóng T Nguồn gốc của sóng U, nguồn gốc của làn sóng U là không rõ. Ba lý thuyết chung về nguồn gốc của nó là: - Tái cực chậm sợi Purkinje. - Tái cực kéo dài giữa cơ tim "tế bào M". - Sau kết quả điện thế của trương lực cơ trong các thành tâm thất. Chi tiết xem hình 2.3 Hình 2.3: Các sóng trên điện tâm đồ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.2 ĐƯỜNG CHUYỂN ĐẠO (LEAD) CỦA ECG Đường chuyển đạo của ECG được chia thành 2 khu vực mà tại đó ta có thể đo được tín hiệu ECG đó là Chuyển đạo ở chi (limb lead) và Chuyển đạo ở ngực (chest lead) va trong bài nghiên cứu này ta đi đo tín hiệu ECG từ chuyển đạo ở chi (limb lead [3]). Chuyển đạo ở chi (limb lead) Ba chuyển đạo lưỡng cực (bipolar) và 3 chuyển đạo đơn cực (unipolar) từ các điện cực được gắn tương ứng vào tay trái, tay phải và chân trái (một điện cực ở chân phải nhưng điện cực đó là điện cực trung tính) [3]. - Ba chuyển đạo lưỡng cực phản ảnh sự khác nhau về điện thế giữa 2 trong 3 chi: + Chuyển đạo I: tay phải-tay trái + Chuyển đạo II: tay phải-chân trái + Chuyển đạo III: chân trái- tay trái - Ba chuyển đạo đơn cực phản ánh sự khác nhau về điện thế giữa một trong 3 chi và ước đoán điện thế thấp nhất lấy được từ việc giữ nguyên 2 điện cực. Ba chuyển đạo này còn thường được gọi là chuyển đạo tăng cường (augment lead). + Chuyển đạo aVR: tay phải + Chuyển đạo aVL: tay trái + Chuyển đạo aVF: chân trái Hình 2.4: Các chuyển đạo ở chi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.3 NGUỒN GÂY NHIỄU CHO TÍN HIỆU ECG Như đã đề cập trước đó các tín hiệu ECG thường trong khoảng millivolt, do đó rất dễ bị một lượng lớn các tín hiệu khác can thiệp vào, từ nhiều nguồn khác nhau ta gọi là nhiễu. Các nguồn chính của nhiễu là: - Mạng điện cung cấp: nhiễu từ các tần số trong khoảng 50-60 Hz của nguồn điện sử dụng. - Sóng điện từ từ các thiết bị điện và điện tử như dây điện phục vụ, ăng ten, các thiết bị điện tử khác . thường ở tần số cao. - Nhiễu từ các nguồn có tần số thấp - Điện cực tiếp xúc: nhiễu do tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân không tốt gây ra trôi đường nền. - Sự chuyển động với cự li cực nhỏ của bệnh nhân cũng gây ra nhiễu cho tìn hiệu ECG - Nhiễu do sóng cơ của bênh nhân: điện cơ loại tín hiệu (EMG) được tạo ra và trộn với các tín hiệu ECG. - Hô hấp cũng tạo ra nhiễu cho tín hiệu ECG. Vì vậy để đo được được và chính xác tín hiệu ECG, ta cần phải thực hiện các bước lọc nhiễu thật cẩn thận và tuyệt đối nhất. Điều này sẽ được trình bày cận kẽ trong phần thiết kế hệ thống. 2.1.4 ÁP DỤNG Y HỌC CỦA ECG Điện tâm đồ được sử dụng trong nhiều trường hợp y học: - Chẩn đoán nhồi máu cơ tim: khi cơ tim bị thiếu máu và dưỡng khí, khả năng chuyển điện của cơ sẽ thay đổi. Sự thay đổi này có thể ghi nhận được trên điện tâm đồ [3]. - Chẩn đoán và theo dõi rối loạn nhịp tim: nhịp tim đập do một hệ thống điện rất tinh vi điều hành. Khi có rối loạn trong các đường dẫn điện, hệ thống thay đổi làm loạn nhịp . - Chẩn đoán các chứng tim lớn: khi tim lớn vì cơ tim dày lên hay mỏng đi và dòng điện đi qua sẽ thay đổi theo . - Chẩn đoán một số thay đổi sinh hóa máu: vì điện tim là do sự di chuyển của các ion như natri, kali, calcium, v.v Khi có thay đổi lớn trong nồng độ các chất này, điện tâm đồ có khả năng thay đổi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4