Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ PHƯỚC ANH TÚ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỆNH ĐỘNG MẠCH VÀNH LÊN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHƯỚC ANH TÚ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỆNH ĐỘNG MẠCH VÀNH LÊN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ

ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHƯỚC ANH TÚ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỆNH

ĐỘNG MẠCH VÀNH LÊN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ Thuât Điện Tử

Mã số ngành: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ

ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS CHỬ ĐỨC TRÌNH

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo Trường Đại Học Khoa Học Huế, Trường Đại học Công nghệ ĐHQGHN, Khoa Điện Tử - Viễn Thông đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quí giá trong suốt hai năm em học cao học

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Chử Đức Trình đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp Cao Học Điện Tử - Viễn Thông, những người đồng hành trong khóa học và có nhiều ý kiến đóng góp

Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc

Huế, ngày 12 tháng 07 năm 2015 Sinh viên thực hiện

Lê Phước Anh Tú

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn tốt nghiệp đánh dấu cho những thành quả, kiến thức em đã thu nhận được trong quá trình rèn luyện, học tập tại trường Em xin cam đoan luận văn được hoàn thành bằng quá trình học tập và nghiên cứu của em

Trong luận văn này em đã sử dụng một số tài liệu và một số trang web đều được đưa ra ở phần Tài liệu tham khảo

Em xin cam đoan những lời trên là sự thật và chịu mọi trách nhiệm trước thầy

cô và hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 12 tháng 07 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Lê Phước Anh Tú

1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I TÍN HIỆU ĐIỆN TIM VÀ HỆ THỐNG CÁC CHUYỂN ĐẠO 7

1.1 Tế bào và dòng sinh học 7

1.2 Khái niệm về điện tâm đồ 8

1.3 Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim 9

1.3.1 Nhĩ đồ (ghi dòng điện hoạt động của nhĩ) 10

1.3.2 Thất đồ (ghi dòng điện hoạt động của thất) 10

1.3.2.1 Khử cực 10

1.3.2.2 Tái cực 13

1.3.2.3 Truyền đạt nhĩ thất 15

1.4 Hệ thống các chuyển đạo 16

1.4.1 Chuyển đạo mẫu 16

1.4.2 Chuyển đạo đơn cực các chi 17

1.4.3 Chuyển đạo trước tim 19

1.5 Đặc điểm của tín hiệu điện tim 20

1.6 Một số ví dụ về dạng điện tim không bình thường 22

1.6.1Thấp tim 22

1.6.2 Tăng gánh thất trái : 22

1.6.3 Block nhánh trái : 23

1.7 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN TIM ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU 25

2.1 Những vẫn đề chung của máy điện tim 25

2.1.1 Định nghĩa 25

2.1.2 Đặc điểm của máy điện tim 25

2.1.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy 26

2.2 Thiết bị ghi điện tim hiện đại 27

2

2.3 Kết luận chương 29

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 30

3.1 Giới thiệu phương pháp nhận dạng 30

3.2 Nguyên tắc nhận dạng cú pháp tín hiệu : 30

3.3 Áp dụng phương pháp nhận dạng cú pháp vào tín hiệu điện tim : 31

3.4 Phương pháp xử lý thống kê 31

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐIỆN TIM 30

4.1 Thiết kế sơ đồ khối 30

4.2 Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý 30

4.2.1 Khối nguồn 34

4.2.2 Khối bảo về đầu vào và tiền khuếch đại 25

4.2.3 Khối chọn chuyển đạo 26

4.2.4 Thiết kế mạch khuếch đại vi sai 38

4.2.5 Khối lọc thông cao 0.05MHz 39

4.2.6 Khối lọc thông thấp 100MHz 40

4.2.7 Khối lọc triệt tần 42

4.2.8 Khối khuếch đại tín hiệu ra 43

4.2.3 Vi điều khiển, truyền thông RS232 và giao diện phần mềm hiển thị 44

4.3 Mạch in 52

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 56

5.1 Thiết bị đo điện tim và giao diện trên máy tính 56

5.2 So sánh tín hiệu điện tim của tác giả với tín hiệu điện tim chuẩn 59

5.3 Kết quả điện tim của một số bệnh nhân 61

5.3 Đánh giá kết quả 63

5.4 Mục tiêu cần giải quyết 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

3

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự di chuyển của các ion Na+,K+,Ca++ qua màng tế bào, hình thành đường

cong điện thế hoạt động, nguồn gốc của dòng điện tim 8

Hinh 1.2 Vị trí các nút và bó His 9

Hình 1.3 Nhĩ đồ 10

Hình 1.4 Thất đồ 11

Hình 1.5 Sự hình thành sóng Q 12

Hình 1.6 Sự hình thành sóng R, S 12

Hình 1.7 Quá trình tái cực và sự hình thành sóng T 14

Hình 1.8 Phức bộ điện tim 15

Hình 1.9 Sự tiếp diễn của các sóng, khoảng và thời kì tâm thu và tâm trương trên điện tim đồ 15

Hình 1.10 Các đạo trình chi của Einthoven Tam giác Einthoven 17

Hình 1.11 Chuyển đạo đơn cực các chi 18

Hình 1.12 Vị trí đặt điện cực của các chuyển đạo trước tim 20

Hình 1.13 Sơ đồ minh họa mặt cắt khảo sát tim và các chuyển đọa tương ứng 20

Hình 1.14 Điện tâm đồ bình thường và các con số chủ yếu 21

Hình 1.15 PQ dài ra trong bệnh thấp tim 22

Hình1.16 Các triệu chứng của bệnh tăng gánh thất trái 23

Hình 1.17 Các triệu chứng của bệnh Block nhánh trái hoàn toàn 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một thiết bị ghi điện tim sử dụng vi xử lý 28

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện tim đồ 33

Hình 4.2 Khối nguồn 34

Hình 4.3 Điện áp được san phẳng hơn bằng tụ lọc 35

Hình 4.4 Khối bảo vệ 36

Hình 4.5 Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của IC CD4051 37

Hình 4.6 Mạch chọn chuyển đạo 37

Hình 4.7 Mạch khuếch đại vi sai 39

Hình 4.8 Mạch lọc thông cao 39

4

Hình 4.9 Đặc tính tần số mạch lọc thông cao 40

Hình 4.10 Mạch lọc thông thấp 41

Hình 4.11 Đặc tính tần số mạch lọc thông thấp 41

Hình 4.12 Mạch lọc triệt tần 50Hz 42

Hình 4.13 Đặc tính tần số mạch lọc triệt tần 50Hz 43

Hình 4.14 Mạch khuếch đại tín hiệu ra 43

Hình 4.15 Cấu trúc chức năng của PIC 16F877A 44

Hình 4.16 Sơ đồ chân PIC 16F877A 45

Hình 4.17 Chọn kênh ADC 47

Hình 4.18.Các cách lưu kết quả chuyển đổi AD 47

Hình 4.19 Hình ảnh thực tế PIC 16F877A 48

Hình 4.20 IC Max232 và cổng COM 49

Hình 4.21 Giao diện hiển thị sóng điện tim trên máy tính 51

Hình 4.22 Mạch in khối thu tín hiệu 52

Hình 4.23 Mạch in khối thu tín hiệu 53

Hình 4.24 Hình ảnh khối thu tín hiệu thi công 54

Hình 4.25 Hình ảnh khối vi điều khiển và truyền thông 55

Hình 5.1 Hình ảnh thực tế của Mạch 56

Hình 5.2 Các điện cực chi 57

Hình 5.3 Các điện cực ngực 57

Hình 5.4.Cáp dẫn 58

Hình 5.5 Giao diện trên máy tính 58

Hình 5.6 Tín hiệu điện tim của tác giả 59

Hình 5.7 So sánh với tín hiệu điện tim chuẩn 59

5

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, có nhiều thiết bị chăm sóc sức khỏe có sẵn trên thị trường, bệnh nhân

có thể theo dõi sức khỏe của mình một cách thường xuyên sự thoải mái trong nhà của

họ Các thiết bị này có một tác động rất lớn về chi phí chăm sóc sức khỏe khi chúng được giảm thời gian và nguồn lực của các bác sĩ y tế và các cơ sở yêu cầu của bệnh nhân

Đây là lợi thế cho cả bệnh nhân và bác sĩ Bệnh nhân có thể theo dõi sức khỏe thường xuyên và điều chỉnh chế độ ăn uống của họ và tập thể dục là cần thiết để giữ tin quan trọng của họ trong sự cân bằng Các chuyên gia chăm sóc sức khỏe có thể truy cập thông tin này từ các máy tính của họ thông qua Ethernet và có thể kiểm tra tin quan trọng bệnh nhân của họ ở thời của họ Nếu họ nhận thấy bất thường, họ luôn luôn

có thể sắp xếp một cuộc hẹn với bệnh nhân của họ

Các đối tượng của dự án này là phát triển một thiết bị theo dõi được dễ dàng và

an toàn để sử dụng, trong khi được các chi phí thấp cho khách hàng

Trong quá trình học chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông thuộc khoa Điện Tử - Viễn Thông của trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN, được tiếp cận với những kiến thức thuộc hai lĩnh vực điện tử và viễn thông Từ những kiến thức đã học được và

nhu cầu thực tế trên, em chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim” làm luận văn tốt nghiệp

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Máy điện tim là một thiết bị y sinh đặc trưng cho một hệ thống cơ điện tử hiện đại Bao hàm trong đó nhiều kiến thức tổng hợp về hệ thống điều thu thập tín hiệu tương tự, xử lý tín hiệu số và tương tự, xử lý cảm biến Nó cũng là một thiết bị quan trọng trong việc chăm sóc sức khỏe mọi người

Tuy nhiên ở Việt Nam, tất cả các thiết bị này đều phải nhập ngoại Do đó, việc nghiên cứu chế tạo máy điện tim không chỉ củng cố những kiến thức đã được học trong nhà trường mà còn là cơ sở để khi phát triển thêm, chúng ta có thể tự sản xuất các máy đo điện tim, phục vụ các yêu cầu cấp thiết như đã đề cập trên

Đối tượng nghiên cứu:

Máy đo điện tim

Phương pháp nghiên cứu:

Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm, dựa trên các demo từ một số nhà sản xuất làm cơ

sở, thiết kế mạch sản phẩm, tiến hành đo đạc, kiểm thử, cải tiến sản phẩm cho phù hợp với yêu cầu

6

Nội dung nghiên cứu:

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của tim

Nghiên cứu nguyên lý máy thu nhận tín hiệu điện tim

Thiết kế mạch phần cứng và phần mềm cho mạch với chức năng đo thông số: dạng sóng của tín hiệu điện tim, mạch xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả lên máy tính

Thiết kế phần mềm giao diện trên máy tính với ngôn ngữ C#, giao tiếp với máy tính qua cổng USART

Giới hạn của đề tài:

Do thời gian và sự hiểu biết còn có hạn, đề tài chỉ giới hạn trong việc thiết kế, chế tạo mạch đo, xử lý tín hiệu bằng phần cứng (mạch analog) và tiến hành đọc thô tín

hiệu điện tim, chưa triển khai các thuật toán lọc nâng cao bằng phần mềm

65

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1] GS TS.Trần Đỗ Trinh; ThS Trần Văn Đồng, “Hướng dẫn đọc điện tim,” 2002 [2] Hoàng Mạnh Hà, “Các phương pháp thích nghi trong lọc nhiễu tín hiệu điện tim,” Luận án Tiến sĩ Toán học, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, 2011, tr.17-20 [3] Quách Mỹ Phượng, “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo ECG giao tiếp với máy tính,” Luận văn tốt nghiệp, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, 2006, tr10-41

[4] Vĩnh Sơn, “Xây dựng hệ thống chuẩn đoán điện tâm đồ,” Luận án thạc sĩ khoa học, Chuyên ngành tin học, Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, 2002,

tr.5-31

[5] Trần Văn Tùng, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống đo điện tim

12 chuyển đạo kết nối với máy tính nhúng,” Khoá luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2015

[6] Nguyễn Văn Triệu, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống đo điện tim 12 chuyển đạo,” Khoá luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014

[7] Đoàn Mạnh Tuân, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy điện tim đồ,” Khoá luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013

[8] Hiệp Xuân Hiệp, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống theo dõi tín hiệu điện tim,” Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013

Tiếng Anh

[9] Anwar Vahed, “3-Lead wireless ECG,” Electronic Design Project, 2005, pp

9-20

[10] Christopher M.Teledero, Mary Anne D.Raya, Luis G.Sison, “Design and implementation of a single channel ECG amplifier ưith DSP pót processing in Matlab,” Instrumentation, Robotics, and Controls Laboratory University of the Philippines, Diliman, Quezon City, pp.1-4

[11] Daniel Paulus, Thomas Meier, “ECG-Amplifier,” MB Jass 2009

[12] Don Gourdine, Henry Tsai, Oluwasanmi, Koyejo, “ECG miniature Holter moniter,” Senior project report, 2004, pp 6-9

[13] Michael Chrapala, “Design of Hardware for an Electrocardiagram Analyzer,” McMaster University, 2010, pp.16-41

[14] Stéphane Henrion, “Biomedical signal processing and analysis”, U-R-Safe, IST-2001-33352

Datasheet

[15] AD620 datasheet; OP07 datasheet; TL084 datasheet; CD4051 datasheet (http://www.alldatasheet.com/)