Nghiên cứu chế tạo mạch cảm biến ứng dụng trong điện tâm đồ

Điện dung tạp tán của dây đo ECG với dây nóng của lưới điện 220V tạo ra dòng điện qua điện trở giữa điện cực và da xuống đất.... Dòng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng giữa cơ thể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

KIỀU THỊ YẾN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH CẢM BIẾN ỨNG

DỤNG TRONG ĐIỆN TÂM ĐỒ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

KIỀU THỊ YẾN

NGHIẾN CỨU CHẾ TẠO MẠCH CẢM BIẾN ỨNG DỤNG

TRONG ĐIỆN TÂM ĐỒ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành : Sư phạm kĩ thuật

Người hướng dẫn khoa học

Th S TRẦN QUANG HUY

HÀ NỘI, 2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của

mình tới ThS Trần Quang Huy, người đã hướng dẫn tận tình và thường xuyên

động viên chúng tôi trong quá trình hoàn thiện đề tài Người đã dành cho tôi sự giúp đỡ ưu ái nhất trong thời gian học tập, nghiên cứu cũng như quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Tôi cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý trường Đại học sư phạm

Hà Nội 2, người đã dạy dỗ, tạo điều kiện và đóng góp ý kiến để chúng tôi hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân luôn cổ

vũ, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2014

Sinh viên

Kiều Thị Yến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận này được hoàn thành do sự cố gắng tìm hiểu nghiên cứu của bản thân cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình và hiệu quả của

ThS Trần Quang Huy cũng như các thầy cô trong khoa Vật lý – Trường Đại

học sư phạm Hà Nội 2 Tôi xin cam đoan đề tài này không trùng với các kết quả của đề tài khác

Hà Nội, tháng 05 năm 2014 Người thực hiện

Kiều Thị Yến

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lược đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua

màng bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng

ECG ở đạo trình III 3

Hình1.2 Tín hiệu ECG chuẩn 4

Hình 1.3 Điện dung tạp tán của dây đo ECG với dây nóng của lưới điện 220V tạo ra dòng điện qua điện trở giữa điện cực và da xuống đất 5

Hình 1.4 Dòng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng giữa cơ thể và đất, tạo ra điện áp đồng pha trên cơ thể 7

Hình 1.5 Nhiễu do từ trường lưới điện 50/60Hz 8

Hình 1.6 Hồi tiếp âm dòng điện 10

Hình 1.7 Các chuyển đạo mẫu 12

Hình 1.8 Tam giác Endhoven 14

Hình 1.9 C ác chuyển đạo đơn cực các chi 15

Hình 1.10 Các chuyển đạo trước tim thông dụng 16

Hình 1.11 Các chuyển đạo đơn cực các chi 17

Hình 1.12 Mặt phẳng nằm ngang với các trục chuyển đạo V2, V4(+450), V6(00) 18

Hình 1.13 Hệ thống chuyển đạo Frank 19

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch xử lý tương tự 20

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch vào 21

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại 22

Hình 2.4 Sơ đồ mạch lọc thông thấp 22

Hình 2.5 Sơ đồ mạch lọc thông cao 23

Hình 2.6 Sơ đồ mạch lọc lọc tần số 50Hz 23

Hình 2.7 Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu ra (KĐ đệm) 24

Hình 2.8 Sơ đồ nguồn vào 25

Hình 2.9 Sơ đồ toàn mạch 26

Hình 3.1 Mạch điên sau khi lắp 27

Hình 3.2 Cắm nguồn và bật công tắc, Led sáng mạch hoạt động 28

Hình 3.3 Hình ảnh khi sử dụng điện cực tiếp xúc 29

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ECG Electrocardiography Điện tim

VL Voltage Left Chuyển đạo ở cổ tay trái

VR Voltage Right Chuyển đạo ở cổ tay phải

VF Voltage Food Chuyển đạo ở cổ chân trái

CT Central Terminal Cực trung tính

Các chuyển động ngoại biên

MỤC LUC

Trang Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các từ viết tắt

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 3

1 Tín hiệu điện tim là gì ? 3

2.Các loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu điện tim 5

2.1 Nhiễu do các trường điện 5

2.2 Nhiễu do bản thân bệnh nhân( nhiễu cơ) 8

2.3 Nhiễu do môi trường 8

2.4 Nhiễu từ trường 50/60Hz 9

3 Cơ chế hoạt động 11

3.1 Các chuyển đạo mẫu (STAND LEADS) 12

3.2 Các chuyển đạo đơn cực các chi (UNIPOLAR LIMB LEADS) 14

3.3 Các chuyển đạo trước tim (PRECARDIAL LEADS) 16

3.4 Các chuyển đạo hiệu chỉnh trực giao – hệ thống chuyển đạo Frank (CORRECTED ORTHOGONAL LEADS – FRANK LEADS SYSTEM)…18 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN TÂM ĐỒ 20

2.1 Sơ đồ khối: 20

2.2 Sơ đồ nguyên lý: 21

2.2.1 Mạch vào 21

2.2.2 Mạch khuếch đại đo 22

2.2.3 Mạch lọc thông thấp 22

2.2.4 Mạch lọc thông cao 23

2.2.5 Mạch lọc lọc tần số 50Hz 23

2.2.6 Mạch khuếch đại tín hiệu ra (KĐ Đệm) 24

2.2.7 Nguồn vào (điều chỉnh 12V) 25

SƠ ĐỒ TOÀN MẠCH 26

CHƯƠNG 3: THI CÔNG VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ 27

3.1 Yêu cầu cần đạt được khi chế tạo 27

3.2 Mạch điện sau khi lắp 27

3.3 Mạch điện sau khi được cắm nguồn 28

3.4 Mạch điện khi xử dụng điện cực tiếp xúc 29

KẾT LUẬN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

Như chúng ta đã biết trong bốn chỉ số sinh tồn : nhiệt độ, mạch, huyết

áp, nhịp tim thì việc đo nhịp tim là một thông số cực kỳ quan trọng Đồng thời hiện nay trên thế giới các bệnh về tim mạch cũng rất phổ biến

Để chẩn đoán bệnh cho các bệnh nhân mắc bệnh tim mạch thường sử dụng hệ thống ghi điện tử các giản đồ tín hiệu điện tim Đó là điện tâm đồ Qủa tim co bóp theo nhịp được điều khiển bởi một hệ thống dẫn truyền trong

cơ tim Những dao động tuy rất nhỏ, khoảng 1/1000 Volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện dò trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi Máy ghi điện khuyếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ

Điện tâm đồ được sử dụng trong nhiều trường hợp y học như : rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim, …

Trong khóa luận này tôi tìm hiểu “ Nghiên cứu chế tạo mạch cảm

biến ứng dụng trong điện tâm đồ ” nhằm nâng cao được tầm hiểu biết và

tiếp cận sâu hơn với kĩ thuật điện tử

Vì vậy Tôi chọn đề tài : “ Nghiên cứu chế tạo mạch cảm biến ứng dụng

trong điện tâm đồ” làm đề tài khóa luận của mình

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo mạch cảm biến ứng dụng trong điện tâm đồ

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu về tín hiệu điện tim

2

- Tìm hiểu các loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu điện tim

- Biết được cơ chế hoạt động

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

3

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1 Tín hiệu điện tim

Tín hiệu điện tim (ECG) là một trong các đại lượng sinh học quan trọng

nhất trong việc chẩn đoán và chăm sóc bệnh nhân Khi tim co bóp thể thực hiện chức năng tuần hoàn của mình thì nó sẽ tạo ra một điện trường sinh học qua khối dẫn liên hợp từ ngực và cơ bụng tới bề mặt da Sự chênh lệch điện thế sinh học đó có thể đo được từ bất kỳ hai điểm nào trên bề mặt da Biên độ của dạng sóng tín hiệu thu được phụ thuộc vào cập điện cực được đặt ở đâu trên bề mặt da bệnh nhân

Sóng điện tim là tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh dòng điện ion gây ra bởi các tế bào tim khi co lại hay giãn ra Tín hiệu này thường rất nhỏ Mỗi chu kỳ tim thường khoảng là 0,8 giây, thể hiện quá trình khử cực và tái khử cực của tâm nhĩ và tâm thất

Hình 1.1 Lược đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua màng

bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo

trình III

4

Một chu kỳ tim chuẩn có chu kỳ là 0,8 giây với năm đỉnh là P, Q, R, S,

T và một đỉnh U ( đỉnh này rất nhỏ) Biên độ sóng P, Q, S nhỏ nhất khoảng 0,2 – 0,5 mV Biên độ sóng R lớn nhất, khoảng 1,5 – 2 mV Do đó đỉnh sóng QRS của tín hiệu ECG thường nằm trong dải 400 µV – 2,5 mV Biên độ này phụ thuộc vào vị trí đo và thể trạng của bệnh nhân Dải tần hoạt động là khoảng 0,05 Hz – 100 Hz

Các đạo trình đo

Cơ thể người là một môi trường dẫn điện, vì thế dòng điện do tim được phát đi ra được truyền đi khắp cơ thể Khi đặt hai điện cực trên bất kỳ hai điểm nào của cơ thể đều thu được dòng điện thế giữa hai điểm đó và được gọi

là đạo trình ( hay chuyển đạo) Mỗi đạo trình sẽ có một dạng sóng khác nhau Thông thường người ta hay sử dụng 12 đạo trình để ghi tín hiệu điện tâm đồ bao gồm:

- Đạo trình mẫu : 3 đạo trình

- Đạo trình đơn cực các chi: 3 đạo trình

- Đạo trình trước ngực: 6 đạo trình

Hình1.2 Tín hiệu ECG chuẩn

5

2 Các loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu điện tim

2.1 Nhiễu do các trường điện

Phần này tập trung xét chủ yếu nhiễu của lưới điện có mặt ở khắp mọi nơi trong bệnh viện và phòng khám Nó là nguồn cung cấp năng lượng tai chỗ cho các thiết bị y tế, trong đó có thiết bị điện tim (trừ các thiết bị dùng tim hoặc acquy) Lưới điện là nguyên nhân sinh ra nhiễu đối với thiết bị đo tim Hai trường do lưới điện sinh ra gây tác động lên thiết bị đo điện tim là điện trường và từ trường

Ảnh hưởng của điện trường 50/60 Hz

Những dây dẫn 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 điện áp lưới dao động tuần hoàn với tần số

50 hoặc 60 Hz nên điện trường do nó sinh ra cũng biến thiên tuàn hoàn theo tần số Dòng điện dịch mà nó ảnh hưởng tới các vật khác có thể mô tả qua điện dung tạp tán giữa vùng lưới điện sinh ra điện trường đó là vật thể

Hình 1.3 Điện dung tạp tán của dây đo ECG với dây nóng của lưới

điện 220V tạo ra dòng điện qua điện trở giữa điện cực da xuống đất

UA - UB = Id1Z1 – Id2Z2Trong trường hợp dòng dịch Id1, Id2 bằng nhau thì :

UA - UB = Id1 (Z1 – Z2)

Ví dụ : với dây điện cực dài 9m, trong phòng có lắp lưới điện ở tường, khoảng cách giữa dây điện cực và dây lưới khoảng 3m, dòng điện dịch Id1 = Id2 = 5nA Nếu sự chênh lệch của trở kháng tiếp xúc da, điện cực cỡ 20kΩ thì nhiễu sinh ra tại đầu vào cỡ :

UA – UB = 5.10-9.20.103 = 100µV

Có thể hạn chế nhiễu bằng cách bọc kim dây điện cực Đồng thời làm tốt tiếp xúc giữa da và điện cực (hiệu Z1 – Z2 giảm) cũng làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng này

Hình 1.4 cho thấy ảnh hưởng của điện trường 50/60 Hz lên cơ thể bệnh nhân làm sai lệch kết quả đo điện tim

Dòng điện idb qua điện dung tạp tán Cb vào cơ thể bệnh nhân, qua trở kháng ZG xuống đất Điện áp đồng pha Ucm sẽ xuất hiện trên cơ thể bệnh nhân

n m

7

Hình 1.4 Dòng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng giữa cơ thể và

đất, tạo ra điện áp đồng pha trên cơ thể

Zin là trở kháng vào của tầng tiền khuếch đại vì Zin>>Z1, Z2 nên , người ta sử dụng các mạch điện tử để chống nhiễu như sử dụng tầng khuếch đại cách li và nguồn cách li, dùng bộ lọc chắn dải tích cực (hình 1.5)

8

Hình 1.5 Nhiễu do từ trường lưới điện 50/60 Hz:

a , Dây đo và bệnh nhân tạo thành mạch vòng kín có điện tích bị ảnh hưởng của từ trường;

b , Dây đo và bệnh nhân được giảm nhỏ diện tích mạch vòng kín, giảm bớt ảnh hưởng của từ trường

2.2 Nhiễu do bản thân bệnh nhân (nhiễu cơ)

Yêu cầu khi đo sóng điện tim, bệnh nhân phải nằm ở tư thế giãn Đôi khi do tâm lý bệnh nhân chưa quen, bệnh nhân thần kinh yếu, khi đo bệnh nhân lên gân, run sợ gây ra nhiễu do hoạt động của cơ Để khắc phục nhiễu này, yêu cầu bệnh nhân phải nằm ở tư thế thư giãn Ngoài ra người ta còn dùng mạch lọc nhiễu cơ

2.3 Nhiễu do môi trường

Các tham số của transistor phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt

độ thay đổi các tham số của transistor thay đổi sẽ làm trôi điểm làm việc Trôi điểm làm việc của tầng khuếch đại có thể dẫn đến bão hòa làm mất tín hiệu hoặc tín hiệu bị chặt đứt ở vùng nào đó Trôi điểm làm việc ở tầng khuếch đại sau RC làm trôi điểm không của máy ghi điện tim

Z Z Z

Ở đây là từ thông qua diện tích S

Giả sử từ trường B thông qua vuông góc với mặt S thì :

.

m

S t

d

=Nếu dây điện cực và cơ thể bệnh nhân tạo vòng kín có diện tích là S, từ trường do động cơ hoặc dòng điện lưới 50/60 Hz sinh ra là :

B.sin (2πft)

Um = B.2πf.S.cos (2fπt)

Ðể đơn giản Um, B tính theo giá trị hiệu dụng:

Um = B.2fπ.S

10

ở đây f là tần số lưới điện : 50/60 Hz

Hình 1.5 cho thấy ảnh hưởng của từ trường lên phép đo điện tim như thế nào

và cách khắc phục

Qua phân tích trên, chúng ta thấy ảnh hưởng của nhiễu do lưới điện 50/60 Hz và một số biện pháp chống nhiễu này (ngoài các biện pháp trên) Nguyên tắc ổn định của mạch này như sau : khi nhiệt độ tăng dẫn đến dòng IDtăng và dòng IS sẽ tăng theo, điện áp trên RS là UGS = IS.RS tăng, dẫn đến UGSgiảm , làm giảm dòng IG và dẫn đến giảm dòng ID (hình 1.6)

Hình 1.6 Hồi tiếp âm dòng điện

Ðối với các IC, dòng phân cực của transistor trường hoặc IC cũng phụ thuộc vào nhiệt độ khá mạnh để chống trôi điểm làm việc đối với mạch

11

khuếch đại vi sai, người ta cố gắng sao cho điện trở đầu vào đảo và không đảo tương đương phải bằng nhau khi dòng phân cực đầu vào đảo và không đảo tăng thì do R1//R2 = R nên sụt áp trên chúng tăng bằng nhau, do đó hạn chế được trôi điểm không do thay đổi dòng phân cực

Ngoài sự biến thiên nhiệt độ môi trường, độ ẩm của nhiệt độ thay đổi cũng gây ra nhiễu Do ẩm, độ cách nhiệt của mạch in kém, dẫn đến rò điện giữa nguồn nuôi và đầu vào của tầng khuếch đại Ðể khắc phục người ta dùng mạch in chất lượng cao được phủ chất chống ẩm, cách điện tốt, thiết kế mạch

in đối xứng, khoảng cách đầu vào và nguồn nuôi càng xa càng tốt

3 Cơ chế hoạt động

Tổng hợp tất cả các thành phần điện thế của mọi tế bào trong tim với giá trị biên độ và hình dáng hơi khác nhau, thời điểm xuất hiện rất khác nhau tạo ra một điện thế đặc biệt người ta gọi đó là điện tim (ECG)

Tín hiệu điện tim được đưa ra tại nhiều điểm khác nhau trên cơ thể con người Tín hiệu điện tim có giá trị thay đổi theo thời gian và có hướng trong không gian (cơ thể người) bằng cách đo một số điểm trên cơ thể người và theo dõi hình dạng theo thời gian, người ta có thể định vị được hướng của lưỡng cực điện và biết sự thay đổi giá trị của nó theo thời gian Những chấn thương hay bệnh lý của tim dẫn đến thay đổi sự dẫn truyền của các tổ chức, thậm chí một số bộ phận không được kích thích có thể tự khử cực làm thay đổi hình dạng ECG Hiện nghiên cứu ECG có thể giúp thầy thuốc tìm ra một

số bệnh về tim mạch

Các điện cực nên đặt theo 12 cách, thu lấy 12 chuyển đạo thông dụng, bao gồm 3 chuển đạo mẫu, 3 chuyển đạo đơn cực các chi và 6 chuyển đạo trước tim Ở mỗi chuyển đạo sẽ có một hình dạng sóng điện tâm đồ khác nhau, tương tự hình ảnh ta nhìn thấy được khi đứng 12 góc độ khác nhau xung quanh một vật có dạng gồ ghề phức tạp

12

3.1 Các chuyển đạo mẫu (STANDARD LEADS)

Các chuyển đạo mẫu là những chuyển đạo được nghiên cứu sớm nhất, ngay từ thời Endhoven, chúng còn được gọi là các chuyển đạo đơn cực các chi (bipolar limb leads) hay chuyển đạo lưỡng cực ngoại biên (bipolar peripherral leads) Các chuyển đạo mẫu được mô tả ở ( hình 1.7)

Hình 1.7 Các chuyển đạo mẫu

Điện cực âm ở cổ tay phải, điện cực dương ở cổ tay trái, gọi đó là chuyển đạo 1, viết tắt là D1

Điện cực đặt ở cổ tay cốt chỉ là để dễ buộc, thật ra nó phản ánh điện thế ở vai phải và vai trái là những chỗ khó gần điện cực, còn hai cánh tay chỉ làm nhiệm vụ hai dây dẫn điện Theo quy ước Quốc tế thì các điện cực hoạc dây nối vào điện cực đó sẽ dùng :

- Màu đỏ khi đặt ở tay phải;

- Màu vàng khi đặt ở tay trái;

- Màu xanh lục (xanh lá cây) khi đặt ở chân trái