Điện tử viễn thông 6 chương3 khotailieu

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ THIẾT BỊ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ Như đã trình bày ở chương 1 và Chương 2 thì tín hiệu điện tim ECG là một nguồn thông tin quan trọng trong việc chuẩn đoán tình trạng s

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ THIẾT BỊ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ

Như đã trình bày ở chương 1 và Chương 2 thì tín hiệu điện tim (ECG)

là một nguồn thông tin quan trọng trong việc chuẩn đoán tình trạng sức khoẻ

và bệnh lý của người bệnh ECG là nguồn tín hiệu nhỏ và chịu ảnh hương rất nhiều của nhiễu Chương này trình bày thiết kế chế tạo máy đo và xử lý tín hiệu ECG gọi là máy điện tâm đồ Thiết bị có khả năng chỉ thị trực tiếp, lưu trữ và truyền tin về máy tính

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI

Hình 3.1 Sơ đồ khối Bộ điện tâm đồ Hình 3.1 trình bày sơ đồ khối của bộ thiết bị điện tâm đồ Trong đó:

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 và loại bỏ các thành phần nhiễu tần số cao Sử dụng các bộ lọc thông thấp, thông cao với dải tần từ 0.05-75Hz

 Linh kiện sử dụng:

• Diode 1N4148 (D1, D2, D3,D4)

• Điện trở 100K, 47K, 4K7, 3.3M, 220K, 1K

• Biến trở 10K

• Tụ điện 470nF, 103, 1uF

• IC TL084

 Tính toán các thông số của mạch

• Hệ số khuếch đại

K1 = = 20 lần

K2 = = 1 lần

K3 = 1+ 47.8 lần

Vậy hệ số khuếch đại của mạch là K = K1xK2+K3 70 lần

• Tần số cắt

f1 = 0.05 Hz

Vậy giải tần số của tín hiệu ECG theo chuẩn FDA của Mỹ là từ 0.05Hz-70Hz

Sơ đồ nguyên lý chi tiết được trình bày ở hình 3.2

Khối MCU (Khối xử lý trung tâm):Arduino Mega 2560

Board arduino mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 của ATmel, bộ nhớ chương trình lên đến 256KB trong đó có 8KB được sử dụng bởi bootloader Với bộ nhớ chương trình lớn, bạn có thể viết nhiều chương trình phức tạp, điều khiển được nhiều thiết bị hơn Dung lượng RAM là 8KB và 4KB EEPROM Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản đến phức tạp như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,TFT… hay những ứng dụng khác

Trong phần này Arduino Mega 2560 là mạch xử lý trung tâm, nó nhận các tín hiệu điện tim từ mạch ECG sau đó xử lý tín hiệu và chuyển đổi một cách phù hợp để thực hiện các chức năng tiếp theo như lưu trữ, điều khiển màn hình cảm ứng TFT và truyền thông Cụ thể :

Từ màn hình chính của chương trình ta chọn chức năng đo điện tim Tín hiệu điện tim dạng tương tự sẽ được giải mã ADC và thực hiện các hàm

lọc số và chuyển đổi phù hợp Và trong một khoảng thời gian nhất định ta sẽ

đo được số nhịp tim tương ứng với mỗi lần đo Kết quả mỗi lần đo được lựa chọn để lưu lại tương ứng với thời gian thực của nó

Với chức năng truyền thông, MCU sẽ gửi các dữ liệu đo được thông qua các phương thức truyền thông khác nhau như RS232, Ethernet, Bluetooth…

Sơ đồ nguyên lý chi tiết được trình bày ở hình 3.3

Khối lưu trữ: SD Card

SD card là thành phần lưu trữ giao tiếp thông qua chuẩn SPI.Mọi thông tin và kết quả đo đạc sẽ được lựa chọn để cho phép lưu vào thẻ nhớ hay là không

Sơ đồ nguyên lý chi tiết được trình bày ở hình 3.4

Khối hiển thị:

Cho phép xem trực tiếp dạng tín hiệu điện tâm đồ và các tham số của

nó trong khi đo, nó cũng cho phép thực hiện các tương tác điều khiển với người sử dụng với bộ thiết bị đo(cho phep đo, cho phep truyền thông, cho phép lưu trữ…) Ở đây chúng tôi sử dụng module hiển thị touchscreen LCD TFT 3.2 inch

Độ phân giải: 240x320

Giao diện: cổng song song 16-bit

Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 70 ℃

Sử dụng các tấm sản xuất tại Đài Loan

Sử dụng chip SSD1289

Bao gồm khay thẻ nhớ SD Card

Sơ đồ nguyên lý chi tiết được trình bày ở hình 3.5

Khối truyền thông :

Cổng truyền thông RS232 được dùng để kết nối giao tiếp giữa máy tính với board điều khiển Các tín hiệu điện được truyền vào máy tính thông qua phần mềm Labview cũng sẽ cho phép xem trực tiếp dạng tín hiệu điện tâm đồ

và các tham số của nó trong khi đo

Sơ đồ nguyên lý chi tiết được trình bày ở hình 3.6

Khối chỉ chỉ thị từ xa

Tại đây khối cho phép ta kết nối với mạng internet toàn cầu Thông qua module Ethernet mọi dữ liệu đo đạc cũng như tính toán sẽ được cập nhật và đẩy lên internet Cụ thể ta sẽ cấu hình một Server , tạo một cơ sở dữ liệu để lưu trữ Thông qua giao thức TCP/IP Board MCU kết nối với module Ethernet

sẽ truy nhập vào mạng internet và đẩy dữ liệu lên database Các dữ liệu lưu trên Database sẽ bao gồm thời gian, giá trị đo , nhip tim,… để từ đó thông qua giao diện web mọi tín hiệu điện tim sẽ được khôi phục để vẽ lên dạng tín hiệu điện tâm đồ

Khối nguồn:

Nguồn sử dụng nguồn từ cab USB hoặc nguồn ngoài (như hình trên) Board có thể chịu đựng bởi nguồn cung cấp từ 6V-20V tuy nhiên nên sử dụng nguồn với mức điện áp trong khoảng 7V-12V Mức điện áp đầu ra là 5V và 3.3V để nuôi IC và thực hiện các chức năng khác Mạch sử dụng IC MC33269D-05 và các tụ lọc như hình trên

Khối nguồn mạch khuếch đại ECG chức năng chính là tạo ra điện áp đôi xứng nhờ IC A0512D biến đổi 5V Dc thành +-12V Dc

Sử dụng 2 Ic Lm7805 và Lm7905 tạo ra điện áp đối xứng +-5V tạo nguồn cho Opam TL084 Đầu vào 5V của A0512D là từ board Arduino

Chú ý: Theo chuẩn thì mạch đo ECG phải có cách ly tín hiệu giữa người đo

và các khối sử lý khác có sử dụng nguồn ngoài Tuy nhiên trong bản thiết kế này ta sử dụng Pin 7V-12V là nguồn nuôi nên không sử dụng các phương pháp cách ly theo yêu cầu

Sơ đồ nguyên lý chi tiết được trình bày ở hình 3.7

3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý khối đo ECG

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối đo ECG

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

3.2.4 Sơ đồ nguyên lý khối lưu trữ

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối lưu trữ

3.2.5 Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông

3.2.6 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn MCU

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn khuếch đại ECG

3.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

3.3.1 Lưu đồ

Hình 3.9 Lưu đồ thuất toán

3.3.2 Code chương trình

Toàn bộ code chương trình được ghi lưu trong đĩa CD gửi kèm theo báo cao

3.4 THIẾT KẾ BAI THỰC HÀNH

3.4.1 Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ không có bộ lọc

3.4.1.1 Mục đích

Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cơ bản về việc đo, xử lý, chỉ thị và dọc tín hiệu điện tâm đồ

3.4.1.2 Mô tả thiết bị thực hành

Bài thực hành này được thực hiện trên bộ thiết bị thực hành điện tâm

đô do trung tâm ART Đại học Điện Lực chế tạo Để thực hiện được bài thực hanh này cần sử dụng các thiết bị sau:

- Điện cực sử dụng 1 lần(03 cái)

- Bộ thiết bị đo(01 cái)

- Máy tính(01 cái) có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim

- Cáp kết nối RS232(01 cái)

- Apdapter xoay chiêu 12V(01 cái)

3.4.1.3 Tóm tắt lý thuyết

Tín hiệu điện tim có một số đặc điểm như dải tần khoảng 0.05-150Hz, dải đo 0.5-5mV Để đo tín hiệu điện tim ta sử dung phương pháp điện cự tiếp xúc Các điện cực được dán trực tiếp lên da bệnh nhân Tín hiệu điện tim được đặc trưng bởi sáu đỉnh núi và thung lũng có nhãn với các chữ cái liên tiếp của bảng chữ cái P, Q, R, S, T, U

- 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

Việc đo và tái tạo lại tín hiệu điện tim gặp rất nhiều khó khăn do ảnh hưởng

ồn va can nhiễu

- Ồn là do nội tại thiết bị ghi điện tim sinh ra Nguyên nhân gây ồn do quá trình thằng giáng điện tích của lớp tiếp xúc điện cực – da, của cá

mối nối giữa hai kim loại khác nhau, của dây cáp điện cực, do các chuyền động nhiệt của các điện tử bên trong các phần tử của máy đo

Hình 3.6 Lưu đồ thuất toán

- Can nhiễu là do tác động từ bên ngoài vào chủ yếu nhiễu 50 Hz của lưới điện

Để tái tạo lại tín hiệu điện tim đúng nhất thì khâu loại bỏ ồn và can nhiễu

là hết sức quan trọng Việc này được thực hiện thông qua việc thực hiện chuẩn, chính xác trong khi sử dụng bộ thiết bị đo và ứng dụng các mạch lọc, khuếch đại và cách ly trong chế tạo bộ thiết bị đo như trong sơ đồ nguyên lý

3.4.1.4 Các bước tiến hanh

Để đo tín hiệu điện tâm đồ các bước tiến hành như sau:

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 tác nguồn cho bộ thiết bị đo

Bước 3:

Dán 3 điện cực vào vị trí chỉ dẫn ở trước ngực

Bước 4:

Lựa chon do không có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo trên màn hinh Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn lưu trữ sau đó lựa chon 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 đã

đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này

3.4.1.5 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

3.4.2 Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ có bộ lọc

3.4.2.1 Mục đích

Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cơ bản về việc đo, xử lý, chỉ thị và dọc tín hiệu điện tâm đồ

3.4.2.2 Mô tả thiết bị thực hành

Bài thực hành này được thực hiện trên bộ thiết bị thực hành điện tâm

đô do trung tâm ART Đại học Điện Lực chế tạo Để thực hiện được bài thực hanh này cần sử dụng các thiết bị sau:

- Điện cực sử dụng 1 lần(03 cái)

- Bộ thiết bị đo(01 cái)

- Máy tính(01 cái) có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim

- Cáp kết nối RS232(01 cái)

- Apdapter xoay chiêu 12V(01 cái)

3.4.2.3 Tóm tắt lý thuyết

Tín hiệu điện tim có một số đặc điểm như dải tần khoảng 0.05-150Hz, dải đo 0.5-5mV Để đo tín hiệu điện tim ta sử dung phương pháp điện cự tiếp xúc Các điện cực được dán trực tiếp lên da bệnh nhân Tín hiệu điện tim được đặc trưng bởi sáu đỉnh núi và thung lũng có nhãn với các chữ cái liên tiếp của bảng chữ cái P, Q, R, S, T, U

- 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

Việc đo và tái tạo lại tín hiệu điện tim gặp rất nhiều khó khăn do ảnh hưởng

ồn va can nhiễu

- Ồn là do nội tại thiết bị ghi điện tim sinh ra Nguyên nhân gây ồn do quá trình thằng giáng điện tích của lớp tiếp xúc điện cực – da, của cá mối nối giữa hai kim loại khác nhau, của dây cáp điện cực, do các chuyền động nhiệt của các điện tử bên trong các phần tử của máy đo

Hình 3.6 Lưu đồ thuất toán

- Can nhiễu là do tác động từ bên ngoài vào chủ yếu nhiễu 50 Hz của lưới điện

Để tái tạo lại tín hiệu điện tim đúng nhất thì khâu loại bỏ ồn và can nhiễu

là hết sức quan trọng Việc này được thực hiện thông qua việc thực hiện chuẩn, chính xác trong khi sử dụng bộ thiết bị đo và ứng dụng các mạch lọc, khuếch đại và cách ly trong chế tạo bộ thiết bị đo như trong sơ đồ nguyên lý

3.4.2.4 Các bước tiến hanh

Để đo tín hiệu điện tâm đồ các bước tiến hành như sau:

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 tác nguồn cho bộ thiết bị đo

Bước 3:

Dán 3 điện cực vào vị trí chỉ dẫn ở trước ngực

Bước 4:

Lựa chon đo có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo trên màn hinh Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn lưu trữ sau đó lựa chon 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 đã

đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này

3.4.2.5 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 khi có bộ lọc số