Trong quá trình đào tạo, sinh viên các chuyên ngành Điện tử y sinh, cơ sinh học... rất cần các thiết bị thực hành, được dàn trải thành các khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để có thể nắm bắt kỹ càng lý thuyết đã học. Bài báo trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng dụng trong đào tạo. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành
điện tâm đồ phục vụ đào tạo
TS Nguyễn Lê Cường, Ths.Hoàng Vân Đông, Ths Đinh Văn Tuấn Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học Điện Lực Email: cuongnl@epu.edu.vn,tuandv85@epu.edu.vn,hoangvandong@epu.edu.vn
Tóm tắt– Sử dụng Điện tâm đồ để chẩn đoán là một khâu
quan trọng trong cấp cứu hay điều trị các bệnh về tim mạch.
Trong quá trình đào tạo, sinh viên các chuyên ngành Điện tử y
sinh, cơ sinh học…rất cần các thiết bị thực hành, được dàn trải
thành các khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để có thể nắm bắt
kỹ càng lý thuyết đã học Bài báo trình bày quá trình nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng
dụng trong đào tạo
Abstract– Using ECG (Electrocardiogram) for diagnosis is
an important step in emergency or treat heart disease During
training, students of specialized biomedical electronics,
biomechanics… needed practice equipment which is
widespread to describe clearly the process steps from input to
output This paper presents the research, design and produce a
practical device for applications in education.
Từ khóa –Thiết bị thực hành ECG.
I TÍN HIỆU ĐIỆN TIM Tín hiệu ECG (Electrocardiogram) ghi lại những hoạt động
mang tính chất điện của tim Tín hiệu ECG thông thường
bao gồm các đỉnh lồi và lõm được đặt tên theo thứ tự các
chữ cái P, Q, R, S, T, U, như hình 1 dưới đây
Hình 1 Tín hiệu điện tim thông thường
Đoạn PQ gồm thời gian khử cực nhĩ và truyền xung
động từ nhĩ tới thất
Phức bộ QS: Khử cực của tâm thất
Đoạn ST: Thời kỳ khử cực hoàn toàn của thất
Sóng T: Tái cực của tâm thất
Để thực hiện việc đo lường các đạo trình trên, người ta chế
tạo ra các thiết bị đo ECG Các tín hiệu của điện tâm đồ có
dải tần trong khoảng 0.05-150Hz, biên độ: 0.5-5mV Sóng
điện tim có biên độ nhỏ, cho nên rất dễ bị ảnh hưởng bởi
nhiễu Các can nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng ghi
tín hiệu điện tim là:
Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu
nhiên
Nhiễu sóng cơ do bệnh nhân mất bình tĩnh khi đo gây
ra
Nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bệnh
Tuy nhiên nhiễu từ mạng cung cấp điện 50Hz (hoặc 60Hz)
có ảnh hưởng nhiều nhất vì tính chất phổ biến và khó kiểm soát của loại nhiễu này Các loại can nhiễu còn lại, do có dải tần ổn định nên có thể giải quyết triệt để bằng các bộ lọc cố định Chính vì vậy trong bài báo này chúng tôi sẽ tập trung vào hướng triệt nhiễu 50Hz từ lưới điện cung cấp, để thiết
kế, chế tạo bộ công cụ thực hành điện tâm đồ, nhằm giúp cho người thực hành có thể quan sát và hiểu chính xác cơ chế tác động và hậu quả do nhiễu này gây ra đối với tín hiệu điện tim Có hai trường do lưới điện sinh ra có thể gây tác động lên thiết bị đo điện tim Đó là điện trường và từ trường
1 Ảnh hưởng của điện trường 50/60Hz Những dây điện lưới và những vật dẫn nối với lưới điện đều sinh ra điện trường quanh nó Điện trường này tác động tới thiết bị đo điện tim, dây điện cực và cơ thể bệnh nhân Vì vậy điện áp lưới dao động tuần hoàn với tần số 50Hz hoặc 60Hz nên điện trường do nó sinh ra cũng biến thiên tuần hoàn cùng tần số Dòng điện dịch mà nó ảnh hưởng tới các vật khác có thể mô tả qua điện dung tạp tán giữa vùng điện lưới sinh ra điện trường đó và vật thể
Hình 2 Dòng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng giữa
cơ thể và đất
Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của điện trường 50/60Hz lên cơ thể bệnh nhân làm sai lệch kết quả đo điện tim Dòng điện dịch Idb qua điện dung tạp tán Cb vào cơ thể bệnh nhân, qua trở kháng Zg xuống đất Điện áp đồng pha Vcm sẽ xuất hiện trên cơ thể bệnh nhân
Nếu dòng Idb = 1µA, Zd = 50 KΩ thì
Điện áp vi sai giữa A và B là UA- UB
Trang 2UA- UB = Vcm( ) (3)
Ở đây chỉ xét trường hợp cơ thể bệnh nhân cách điện hoàn
toàn, dòng điện Idb là dòng điện dịch qua điện dung tạp tán
Cb Còn nếu bệnh nhân không được cách điện tốt nghĩa là
có dòng điện dò do môi trường cách điện kém (ẩm) thì Idb
còn lớn hơn nhiều Và ở đây coi hệ thống kim loại trừ nhiễu
đồng pha của tầng tiền khuếch đại máy điện tim là vô cùng
lớn Trong thực tế không phải như vậy Nhiễu 50/60Hz tác
động lên cơ thể bệnh nhân ảnh hưởng tới kết quả đo còn lớn
hơn nữa
2 Ảnh hưởng từ trường 50/60Hz
Nếu tiến hành đo điện tim ở những nơi có từ trường mạnh
như quạt, chấn lưu đèn neon, động cơ điện và dây điện có
dòng điện lớn chạy qua thì nhiễu 50/60Hz sẽ gây ảnh hưởng
Theo định luật cảm ứng điện từ: Um = dФ/dt
Ở đây Ф là từ thông qua diện tích S
Giả sử từ trường vuông góc với mặt S thì : Um = S/dt
Nếu dây điện cực và cơ thể bệnh nhân tạo vòng kín có diện
tích là S, từ trường động cơ hoặc do dòng điện lưới 50/60Hz
sinh ra là B thì
Ở đây f = 50/60Hz - là tần số điện lưới
Ví dụ: B = 10µT, f = 50Hz, S = 0.5 thì
Um = x0.5x 2x3.14x50 = 1,6mV
Như vậy từ trường cỡ 10 µT qua diện tích 0.5 đã gây
ra nhiễu lớn hơn tín hiệu điện tim (cỡ 1.5mV)
3 Chống ảnh hưởng của can nhiễu 50/60Hz
Qua phân tích ở trên ta thấy rằng: tiếp xúc da – điện cực tốt,
trở kháng vào của tầng tiền khuếch đại lớn, hệ số loại trừ
nhiễu đồng pha của tầng tiền khuếch đại cao, cơ thể bệnh
nhân được cách điện tốt hoặc giường nằm của bệnh nhân
được nối đất tốt, tầng tiền khuếch đại dùng nguồn cách ly
(tầng tiền khuếch đại cách điện) thì nhiễu 50/60Hz tác động
lên có thể bệnh nhân sẽ ảnh hưởng ít tới kết quả đo Ngoài
ra chúng tôi còn sử dụng một số phương pháp chống nhiễu
tích cực khác trong thiết kế của mình
Sử dụng mạch kéo chân phải: Hình 3 dùng mạch kéo
(drive) chân phải để giảm nhỏ ảnh hưởng của can nhiễu
đồng pha
Hình 3 Mạch kéo (drive) chân phải
Băng các phép biến đổi toán học ta dễ xác định được điện
áp đồng pha bằng biểu thức sau:
Ucm = (5) Thí dụ chọn Rf = 5MΩ, Ra = 10KΩ trong trường hợp như thí dụ nêu ở trên Id= 1µA thì:
Như vậy so với ví dụ ở trên thì ở đây Vcm đã giảm đi 10 lần Hơn nữa Vcm không còn phụ thuộc vào Zd
Sử dụng các bộ lọc: Một biện pháp hữu hiệu để loại trừ
can nhiễu 50/60Hz là dùng lọc chắn dải tích cực Bộ lọc IIR với đáp ứng xung vô hạn dựa trên tần số lấy mẫu 500Hz, với chiều rộng khe là 10Hz Hàm lọc như sau:
(7) Sau khi tính toán ta được phương trình đệ quy đưa vào MCU như sau:
y(n) = x(n) - 1.168x(n-1) + x(n-2) + 1.1564y(n-1) -0.8783y(n-2) (8)
Sử dụng FDAtool của matlab ta vẽ được đáp ứng tần số của hàm lọc trên như sau:
Hình 4 Đáp ứng tần số của bộ lọc 50Hz Tầng khuếch đại cách ly và nguồn cách ly có nhiệm vụ chính là đảm bảo độ an toàn cao cho bệnh nhân nhưng ngoài
ra nó còn giảm rất nhiều ảnh hưởng của can nhiễu điện lưới 50Hz Phần mạch cụ thể sẽ xét ở phần sau
II THIẾT KẾ,CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ
Mục tiêu: Thiết kế, chế tạo máy đo và xử lý tín hiệu ECG Thiết bị có khả năng đo tín hiệu điện tim, lọc nhiễu nguồn điện 50Hz, hiển thị dạng sóng, giá trị nhịp tim, lưu trữ và truyền thông tin về máy tính
Trang 3Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim
Hình 5 Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim
Tín hiệu điện tim được đo là tín hiệu vô cùng nhỏ và dễ bị
can nhiễu Tín hiệu này được đo và khuếch đại, tiếp theo là
được loại bỏ các can nhiễu bằng các mạch lọc Tín hiệu điện
tim là tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số
để xử lý, truyền thông, lưu trữ…
Từ sơ đồ nguyên lý và mục tiêu thiết kế, chúng tôi phân tích,
thiết kế và đưa ra sơ đồ khối cũng như sơ đồ nguyên lý chi
tiết cho từng khối như sau:
Khối Đo
ECG
Khối nguồn
Khối MCU
Khối Hiển
Thị
Khối Lưu Trữ
Khối Truyền Thông
Khối chỉ thị
từ xa
Hình 6 Sơ đồ khối Bộ điện tâm đồ
Dưới đây chúng tôi sẽ đưa ra và trình bày một số khối chức
năng trong thiết kế của mình
1 Khối đo ECG
Hình 7 Sơ đồ nguyên lý khối đo ECG
Khối đo ECG sẽ thực hiện việc đo lường tín hiệu điện tâm
đồ từ cơ thể người sau đó khuếch đại, tiếp theo loại bỏ các
thành phần nhiễu tần số cao và thấp Khối này sử dụng các
bộ lọc thông thấp, thông cao để thu được tín hiệu với dải tần
từ 0.05-70Hz theo chuẩn FDA của Mỹ
Hệ số khuếch đại là K = K1xK2xK3 Trong đó:
K2 = K3 = 1+
Tần số cắt
2 Khối xử lý trung tâm Khối này thực hiện nhiệm vụ đầu tiên là biến đổi tín hiệu điện tim sau khối Đo ECG thành tín hiệu số để thực hiện cho các mục đích tiếp sau
Lọc loại bỏ can nhiễu: Để loại bỏ nhiễu cho tín hiệu ECG chúng tôi sử dụng bộ lọc IIR với đáp ứng xung vô hạn dựa trên tần số lấy mẫu 500Hz Bộ lọc thứ nhất để loại bỏ nhiễu 50Hz đã trình bày ở mục (I.2) của bài báo này Bộ lọc thứ 2
là bộ lọc thông dải với tần số cắt dưới là 0,5Hz và tần số cắt trên là 100Hz đáp ứng được giải tần của tín hiệu điện tim là
từ 0,5Hz-100Hz Hàm lọc như sau:
(9) Sau khi tính toán ta được phương trình đệ quy đưa vào MCU như sau:
y(n) = 0.4206 x(n) – 0.4206 x(n-2) +1.1582y(n-1) –
0.1582y(n-2)
Hình 8 Đáp ứng tân số của bộ lọc thông dải 0.5-100Hz Ngoài ra khối này còn thực hiện các chức năng khác như điều khiển hiển thị tín hiệu điện tim lên màn hình touchscreen LCD TFT 3.2 inch, lưu trữ, truyền tín hiệu điện tim nên máy tính… Trong thiết kế của mình chúng tối sử dụng chíp Atmega2560 của ATMEL
Hình 9 Bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ
Hình 9 là Bộ thiết bị điện tâm đồ do nhóm tác giả nghiên cứu, chế tạo với mục đích phục vụ đào tạo thực hành cho sinh viên trong Trường Đại học Điện lực Các đặc điểm cơ bản của bộ thiết bị này như sau:
Trang 4- Nguồn cấp: 9VDC - 12VDC.
- Màn hình hiển thị: Loại touchscreen LCD TFT 3.2 inch
cho phép hiển thị dạng sóng tín hiệu và thực hiện các thao
tác trên đó
- Lưu trữ: Sử dụng bộ nhớ SD Card cho phép lưu trữ nhiều
lần đo
- Kết nối máy tính: Cho phép kết nối máy tính theo giao
diện cổng truyền thông RS232
- Loại điện cực sử dụng: Loại điện cực dán sử dụng một lần
III BÀI THỰC HÀNH MẪU TRÊN THIẾT BỊ
1 Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ không có bộ lọc
MỤC ĐÍCH
Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý
cơ bản về việc đo, xử lý, hiển thị và đọc tín hiệu điện tim
CHUẨN BỊ
- Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 bộ
- Điện cực sử dụng 1 lần: 03 bộ
- Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu
điện tim: 01 bộ
- Nguồn cấp 12VDC: 01 bộ
CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với bộ thiết bị
đo Kết nối cáp RS232 với máy tính và cấp nguồn
Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo
dõi tín hiệu điện tim Bật công tác nguồn cho bộ thiết bị đo
Bước 3: Dán 3 điện cực vào vị trí đạo trình trước tim
Bước 4: Lựa chọn đo không có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo
trên màn hình Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn
lưu trữ sau đó lựa chọn truyền thông
Bước 5: Lựa chọn ngừng đo
Bước 6: Quan sát kết quả đo trên máy tính, vẽ lại dạng tín
hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này
Bước 7: Trả lời câu hỏi
Câu 1: Xác định số xung nhip trên một phút
Câu 2: So sánh dạng tín hiệu đo được với tín hiệu chuẩn,
đưa ra những đánh giá về ảnh hưởng của nhiễu 50Hz
Dưới đây là dạng tín hiệu điện tim thu được khi thực hiện
đo bằng bộ thiết bị mà không sử dụng bộ lọc số để loại bỏ
can nhiêu 50Hz
Hình 10 Tín hiệu điện tim đo được không sử dụng lọc
2 Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ có bộ lọc
MỤC ĐÍCH Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý
cơ bản về việc đo, xử lý, hiển thị và đọc tín hiệu điện tim CHUẨN BỊ
- Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 bộ
- Điện cực sử dụng 1 lần: 03 bộ
- Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim: 01 bộ
- Nguồn cấp 12VDC: 01 bộ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với bộ thiết bị
đo Kết nối cáp kết nối RS232 với máy tính và cắm nguồn Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim Bật công tắc nguồn cho bộ thiết bị đo Bước 3: Dán 3 điện cực vào vị trí đạo trình trước tim Bước 4:Lựa chọn đo không có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo trên màn hình Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn lưu trữ sau đó lựa chọn truyền thông
Bước 5: Lựa chọn ngừng đo
Bước 6: Quan sát kết quả đo trên máy tính, vẽ lại dạng tín hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này Bước 7: Bấm nút lọc tín hiệu 50Hz, quan sát dạng sóng và
so sánh nó với dạng sóng trước khi lọc
Bước 8: Trả lời câu hỏi Câu 1: Nhiễu 50Hz được loại bỏ theo thuật toán nào
Câu 2: So sánh tín hiệu thu được sau khi lọc với tín hiệu gốc
có nhiễu Dưới đây là dạng tín hiệu điện tim thu được khi thực hiện
đo bằng bộ thiết bị mà sử dụng bộ lọc số để loại bỏ can nhiêu 50Hz Chúng ta thấy sự khác biệt rõ giữa dạng tín hiệu thu được ở Hình 10 và Hình11
Hình 11 Tín hiệu điện tim đo được có sử dụng lọc
VI KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày tóm lược quá trình nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo bộ thực hành Điện tâm đồ ứng dụng trong đào tạo Thiết bị hiện được chúng tôi sử dụng trong việc đào tạo sinh viên chuyên ngành Điện tử y tế tại trường Đại học Điện lực, mang lại sự trực quan cho sinh viên, nâng cao chất lượng đào tạo chuyên ngành
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Lê thị Bích Thuận, “Điện tâm đồ bệnh lý”
[2] BS Đinh Hiếu Nhân, “Điện tâm đồ căn bản”
[3] GS Trần Đỗ Trinh, “Hướng dẫn đọc điện tim”, 2010 [4] www.yhoc.net
[5] Kester W, “Which ADC Architecture is Right for Your Application ?”, Analog Dialogue, 2
