Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận và xử lý tín hiệu điện tâm đồ

PHẦN MỞ ĐẦU I.Lý do chọn đề tài Trong thời đại công nghiệp hoá toàn cầu hiện nay, Việt Nam đang có những bước tiến quan trọng trong quá trình hội nhập với xu thế phát triển chung c a thế

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả xin được chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong

trường Đại học Bách khoa Hà nội nói chung và các thầy cô trong Viện Công nghệ

thông tin và truyền thông nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tác giả những

kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt những năm học tập và rèn luyện

Tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Cao Tuấn Dũng đã hết

lòng giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ dạy tận tình trong quá trình tác giả thực hiện luận văn

tốt nghiệp

Cuối cùng, tác giải xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã

quan tâm, động viên, đóng góp góp ý kiến và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập,

nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2012

Học viên thực hiện

Nguyễn Đăng Khoa

DANH MỤC THUẬT NGỮ

1 ECG Electrocardioghram

2 CMRR Common-mode rejection ratio

3 ADC Analog-to-digital converter

DANH MỤC HÌNH

ình 1 1: Vị tr c a tim trong cơ thể người 12

ình 1 2: u tạo c a tim người 13

ình 1 3: Vị tr c a các nút van 14

ình 1 4: Một chu chuyển c a tim 15

ình 1 5: Sự co bóp c a tim 16

ình 1 6: ình ảnh sóng điện tim do ugustus Waller quan sát năm 1887 17

ình 1 7: Tạo sóng t n hiệu điện tim (ECG) 17

ình 1 8: Điện trường c a tim trên bề m t ngực 18

ình 1 9: Sự khử cực và tái cực 20

ình 1 10: Sự hình thành sóng P 22

ình 1 11: Sóng QRST 23

ình 1 12: Sự hình thành sóng Q 23

ình 1 13: Sự hình thành sóng R, S 24

ình 1 14: Sự Hình thành sóng T 25

ình 1 15: Phức bộ điện tâm đ 26

ình 1 16: T n hiệu thông thường 28

Hình 1.17: Nhiễu đường ngu n 50Hz 29

Hình 1.18: Nhiễu do sự dung cơ bắp 29

Hình 1.20: Nhiễu do sự thay đổi điện trở tiếp xúc làm dịch chuyển đường nền 30

ình 1 21: ệ thống đạo trình c a Waller 32

ình 1 22: ệ thống đạo trình c a inthoven và tam giác inthoven 32

ình 1 23: Điện cực trung tâm T Wilson 34

ình 1 24: Mạch c a điểm trung tâm Wilson, Vị tr c a điểm trung tâm Wilson trong không gian ảnh T nó n m ở tâm c a tam giác inthoven 35

Hình 2.1: Điện cực ngực 37

Hình 2.2: Điện cực chi 37

Hình 2.3: Cáp dẫn 39

Hình 2.4: Gi y in nhiệt dùng trong máy ghi điện tim 39

ình 2 5: Máy điện tim 1 kênh EK10 41

ình 2 6: Máy Điện tim 3 kênh ECG1503b 41

ình 2 7: Máy điện tim ECG3100 42

ình 2 8: Điện tâm đ cơ bản 44

Hình 2.9: Tín hiệu điện tim có xu t hiện nhiễu điện ngu n tần số 50Hz 44

Hình 2.10: Tín hiệu điện tim có xu t hiện nhiễu cơ từ cơ thể bệnh nhân 44

ình 2 11: Sơ đ mạch khuếch đại vi sai 45

Hình 2.12: Khuếch đại vi sai ba op-amp 46

Hình 2.13: C u trúc bên ngoài AD620 47

Hình 2.14: C u trúc bên trong AD620 48

ình 2 15: D620 trong máy điện tim 48

ình 2 16: u trúc vi mạch c a N 105 49

Hình 2.17: Vai trò các thành phần trong khối 3 OP-AMP 50

ình 2 18: ộ khuếch đại vi sai 51

ình 2 19: Ý nghĩa bộ lọc 52

Hình 2.20: Tín hiệu sinh học sau khi qua bộ lọc nhiễu 53

Hình 2.21: Mạch “driven-right-leg” giảm nhiễu mode chung đến mức th p nh t 54

Hình 2.22: Hình dạng tín hiệu lọc thông th p fc=150Hz b ng Butterworth 56

ình 2 23: ộ lọc thông th p bậc một 56

ình 2 24: Mạch lọc thông th p dùng h i tiếp âm 57

ình 2 25: Mạch lọc thông th p bậc hai 57

ình 2 26: Mạch lọc thông th p 3 cực 58

Hình 2.27: Bộ lọc thông th p (low-pass filter) 59

Hình 2.28: Hình dạng tín hiệu lọc thông cao fc=0.05Hz b ng Butterworth 59

ình 2 29: a Mạch lọc thông cao bậc 1, b mạch lọc thông cao bậc 2 60

ình 2 30: Mạch lọc thông cao bậc 3 60

Hình 2.31: Bộ lọc thông cao (high-pass filter) 60

ình 2 32: Sơ đ mạch lọc dải triệt 62

Hình 2.33: Bộ lọc Notch 63

ình 3 1: ình dạng và thông số c a tín hiệu điện tim thông thường 66

ình 3 2: Sơ đ khối c a một thiết bị thu t n hiệu cơ bản 67

ình 3 3: Sơ đ khối hệ thống 69

ình 3.4: áp điện cực bệnh nhân 70

ình 3 5: ộ khuếch đại vi sai 72

ình 3 6: Mạch Khuếch Đại 73

ình 3 7: Mạch DRL 75

Hình 3.8: Mạch lọc thông cao 76

Hình 3.9: Mạch lọc thông th p 78

ình 3 10 : ình mô phỏng đáp ứng c a cả hai bộ lọc 80

ình 3 11: Mạch lọc chắn dải 81

ình 3 12: Mạch nguyên lý khối ngu n 82

ình 3 13 : Module nalog 83

ình 4 1: Mạch thu nhận tín hiệu điện tim 84

ình 4 2: Mạch xử lý ADC và giao tiếp máy tính 85

ình 4 3: Mạch ghép nối hệ thống phần cứng 85

ình 4 4: ệ thống cáp đo điện tim 86

ình 4 5: T n hiệu điện tim khi chưa khử nhiễu 50/60Hz 86

ình 4 6: T n hiệu điện tim đã khử nhiễu 50/60Hz 87

ình 4 7: T n hiệu điện tim đo trên 2 đạo trình 87

ình 4 8: hip RM 7 nhận và truyền tín hiệu điện tim về máy tính qua USB 88

ình 4 9: T n hiệu điện tim trên màn hình máy trạm 89

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC THUẬT NGỮ 2

DANH MỤC HÌNH 3

LỜ NÓ ĐẦU 8

PHẦN MỞ ĐẦU 9

I.Lý do chọn đề tài 9

Mục đ ch và nhiệm vụ nghiên cứu 10

PHẦN NỘI DUNG 12

ƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TIM, TÍN HIỆU Đ ỆN T M VÀ ĐẠO TRÌNH 12 1.1 Vị trí, c u tạo, vai trò và hoạt động c a tim 12

1.1.1 Vị trí c a tim 12

1.1.2 C u tạo c a tim 13

1.1.3.Vai trò c a tim 13

1.1.4 Hoạt động c a tim 14

1.2 Sự hình thành tín hiệu điện tim (ECG) 16

1.2.1 Sóng c a tín hiệu điện tim 17

1 2 2 ơ sở c a tín hiệu điện tim 18

1 2 3 ác giai đoạn c a tín hiệu điện tim 22

1.2.4 Nhiễu trong thu thập tín hiệu ECG 28

1 3 Đạo trình điện tâm đ 30

1 3 1 ác đạo trình mẫu 31

1 3 2 Điện cực trung tâm Wilson 33

ƢƠN 2: LÝ T UYẾT MẠ Đ ỆN TỬ VÀ MÁY Đ ỆN TIM 36

2 1 Sự thu t n hiệu 36

2.2 Thiết bị ghi sóng điện tim 38

2.2.1 Bộ điện cực bệnh nhân 38

2.2.2 Gi y ghi 39

2 2 3 Máy ghi điện tim 40

2.3 Một số loại máy điện tim 41

2.4 Các tiêu chuẩn thiết bị ECG 42

2.5 Mạch khuếch đại vi sai 44

2.5.1 Khuếch đại vi sai tích hợp 47

2.5.2 Khuếch đại vi sai 3 OP-AMP 50

2.6 Mạch lọc tích cực 52

2 6 1 Mạch lọc thông th p 55

2 6 2 Mạch lọc thông cao 59

2.6 3 Mạch lọc dải triệt 61

ƢƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 64

3.1.Thiết kế sơ đ khối hệ thống 69

3.2.Chọn điên cực 70

3.3.Thiết kế hệ thống thu nhận tín hiệu điện tim 70

3.3.1 OP-AMP 07 70

3 3 2 Sơ đ nguyên lý và tính toán bộ khuếch đại 71

3 3 3 Sơ đ nguyên lý và tính toán bộ lọc 75

3 3 4 Sơ đ nguyên lý ngu n 81

3 3 5 Sơ đ nguyên lý hệ thống thu nhận tín hiệu điện tim 82

ƢƠN 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 84

4.1 Kết quả thực nghiệm thiết bị phân cứng 84

4.2 Thử nghiệm kết nối với phần mềm ứng dụng 88

KẾT LUẬN VÀ ƢỚNG PHÁT TRIỂN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

LỜI NÓ ĐẦU



Việc ứng dụng c a công nghệ thông tin trong việc phục vụ chăm sóc sức khỏe

là khuynh hướng toàn cầu trong thế kỷ 21 Nhờ có sự phát triển nhanh chóng c a công nghệ thông tin, tin học y tế đã đạt được nhiều thành quả như việc ứng dụng các hệ thông tin bệnh viện, các hệ trợ giúp làm quyết định lâm sàng, y học từ xa telemedicine , thực tế ảo và xa lộ thông tin sức khỏe do đó việc chăm sóc sức khỏe cộng đ ng ngày càng được tốt hơn

Điện tâm đ là phương tiện chẩn đoán cận lâm sàng không những hữu ch cho bác sĩ chuyên khoa Tim mạch , mà cho cả bác sĩ thuộc các chuyên khoa khác gây

mê h i sức, nội khoa tổng quát … Sự ra đời c a phương tiện chẩn đoán bệnh mới như siêu âm tim, ảnh hưởng cộng hưởng từ cũng không bao giờ giảm được sự cần thiết c a điện tâm đ với thầy thuốc và cả sinh viên y khoa h nh vì lý do đó, được

sự cho phép c a giảng viên hướng dẫn, học viên quyết định thực hiện đề tài

“Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận và xử lý tín hiệu điện tâm đồ” nh m xây dựng thử

nghiệm máy điện tâm đ gọn nhẹ, ch nh xác

Học viên

Nguyễn Đăng Khoa

PHẦN MỞ ĐẦU

I.Lý do chọn đề tài

Trong thời đại công nghiệp hoá toàn cầu hiện nay, Việt Nam đang có những bước tiến quan trọng trong quá trình hội nhập với xu thế phát triển chung c a thế giới trong t t cả các lĩnh vực: kinh tế, văn hoá, xã hội … và đ c biệt là sự ứng dụng

c a khoa học công nghệ trong đời sống c a con người chúng ta

Ngày nay khi mà cuộc sống đã ổn định thì nhu cầu chăm sóc sức kho cũng như khám chữa bệnh c a người dân ngày càng cao,để đáp ứng được nhu cầu này

c a xã hội,Y học trong những thập kỷ qua đã có nhiều tiến bộ nhảy vọt Đóng góp không nhỏ cho sự tiến bộ c a y học hiện đại là những máy móc hiện đại mà con người tạo ra nh m phục vụ cho công tác khám chữa bệnh ch nh xác và hiệu quả hơn h ng hạn, trong y học để việc chuẩn đoán và điều trị những bệnh liên quan đến tim mạch ch nh xác và hiệu quả hơn, ác y bác sỹ thường dùng phương pháp chuẩn đoán lâm sàn thông qua máy đo điệm tâm đ - Electro Cardio raph Máy điện tâm đ có chức năng thu thập và hiển thị ,lưu trữ lại t n hiệu điện tim phát ra từ cơ thể,dựa vào các t n hiệu này các y bác sỹ có thể chuẩn đoán lâm sàn về tình hình hệ tim mạch c a bệnh nhân một cách tương đối ch nh xác Nhưng v n đề ở đây là chi ph cho một máy cũng các thiết bị chuẩn đoán bệnh hiện đại và ch nh xác là không phải rẽ iá c a một máy loại thường cũng đã lên đến vài chục nghìn đô la Mỹ và phải được nhập từ nước ngoài Chính vì thế việc trang bị những máy móc hiện đại như thế này cho các t t cả bệnh viện bình dân nh m nâng cao sức kho cộng đ ng gần như là một nhiệm vụ quá sức với ngành y tế nước ta trong điều kiện hiện nay

Nhận th y tầm quan trọng c a thiết bị học viên quyết định thực hiện đề

tài “Nghiên cứu kỹ thuật thu nhận và xử lý tín hiệu điện tâm đồ”, nh m xây dựng

thử nghiệm máy điện tâm đ gọn nhẹ, ch nh xác Trong quá trình thực hiện đề tài

m c dù g p r t nhiều khó khăn nhưng với sự hướng dẫn tận tình c a Thầy TS ao

Tu n Dũng , và sự giúp đỡ c a các thầy cô trong viện công nghệ thông tin, em đã hoàn thành đề tài luận văn trong thời gian quy định

Mục đ ch và nhiệm vụ nghiên cứu

1 Mục tiêu

Tìm hiểu được các kiến thức y sinh về ECG để từ đó thiết kế và thi công mô hình thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim

2 Nhiệm vụ

- Tìm hiểu các kiến thức y sinh cơ bản liên quan đến đề tài

- Thi công, thiết kê mô hình máy điện tin cơ bản

- huyển giao thiết kế để ghép nối với hệ thống phần mềm

3 Đối tượng nghiên cứu

- C u tạo, hoạt động và vai trò c a tim, sự hình thành sóng tim, đạo trình, tín hiệu điện tim

- Nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm bộ lọc và khuếch đại t n hiệu điện tim

- Xây dựng driver, P hỗ trợ phát triển các phần mềm đọc t n hiệu điện tim từ thiết bị

4 Phương pháp nghiên cứu

ác phương pháp nghiên cứu ch nh:

- Phương pháp phân t ch và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp phân loại hệ thống hoá lý thuyết

ai phương pháp trên được sử dụng trong quá trình xử lý dữ liệu sau khi thu thập Vì đề tài thuộc lĩnh vực khoa học kỹ thuật nên lý thuyết c a v n đề n ng

về t nh hàn lâm Do đó người nghiên cứu sẽ phải sử dụng các thao tác tư duy logic như phân t ch, tổng hợp, phân loại, hệ thống lý thuyết; từ đó mới có thể tìm hiểu bản ch t, c u trúc bên trong c a lý thuyết c a v n đề nghiên cứu Bởi có nắm vững

được lý thuyết c a v n đề nghiên cứu, người nghiên cứu mới có khả năng vận dụng chúng để giải quyết một cách sáng tạo những yêu cầu thực tế đề ra

Phương pháp thực nghiệm: Vì sản phẩm c a đề tài là mô hình máy điện tim ECG nên sau khi viết xong đề tài, thi công cho sản phẩm, nó sẽ được kiểm nghiệm trong thực tiễn

1.1 Vị trí, cấu tạo, vai trò và hoạt động của tim

1.1.1 Vị trí của tim

Tim c a chúng ta n m trong trung th t, giữa hai lá phổi trên cơ hoành và sau xương ức hơi lệch về bên trái Trục c a tim n m hướng chéo từ sau ra trước, từ phải sang trái và từ trên xuống dưới

H nh 1 Vị t ủa ti t ng th ng i

1.1.2 Cấu tạo của tim

H nh 1 Cấ tạ ủa ti ng i

Tim là một khối cơ rỗng đ c biệt có 4 ngăn dày mỏng khác nhau ao bên ngoài là một túi sợi gọi là bao tim ên trong toàn bộ đƣợc c u tạo b ng cơ tim có vách ngăn thành hai nửa riêng biệt là tim trái và tim phải Mổi nữa lại đƣợc chia ra thành hai bu ng là tâm nhĩ và tâm th t iữa tâm nhĩ và tâm th t có van nhĩ th t còn giữa tâm th t trái và động mạch ch cũng nhƣ giữa tâm th t phải và động mạch phổi có van bán nguyệt ác van bán nguyệt này đảm bảo cho máu di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm th t và từ tâm th t vào động mạch

ch do đó mới đảm bảo đƣợc sự tuần hoàn c a máu [5]

1.1.3.Vai trò của tim

ệ thống tim mạch làm nhiệm vụ vận chuyển máu giàu oxi từ tim đi khắp cơ thể và lại vận chuyển máu nghèo oxi từ cơ thể chở về tim Trong đó máu mang các ch t dinh dƣỡng và kh oxi h p thụ đƣợc từ các cơ quan tiêu hóa cũng nhƣ hô h p đi tới khắp các cơ quan trong cơ thể, đ ng thời qua đó bài tiết ch t c n bã trong cơ thể ra ngoài

1.1.4 Hoạt động của tim

Trong tim có một c u trúc đ c biệt có khả năng tự phát xung gọi là hệ thống nút hay còn gọi là hạch Trong đó chúng ta có hệ thống nút bao g m:

H nh 1 Vị t ủa n t an

 N t xo ng nh N N m ở tâm nhĩ chỗ tĩnh mạch ch trên đổ vào tâm

nhĩ phải Nút xoang nhĩ phát xung với tần số khoãng 120 lần phút và là nút tạo nhịp cho toàn bộ tim

 N t nh th t N N m ở bên phải c a vách liên nhĩ cạnh lỗ xoang tĩnh

mạch vành Nút tâm nhĩ th t phát xung với nhịp vào khoảng 50 - 60 lần phút

 i : Đi từ nút tâm nhĩ th t tới vách liên th t thì chia ra làm 2 nhánh

phải và trái hạy dưới nội mạc tới 2 tâm th t, ở đó chúng phân nhánh

thành mạng purkinje chạy giữa các sợi cơ tim ó is phát xung với nhịp

khoảng 30 - 40 lần phút Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhịp nhàng Tim hoạt động co bóp theo một thứ tự nh t định oạt động này được l p đi l p lại và mỗi vòng được gọi là một chu chuyển c a tim

Một chu chuyển c a tim bao g m có 3 giai đoạn:

H nh 1 Một h h n ủa ti

 âm nh thu: Đầu tiên tâm nhĩ co bóp, áp su t trong tâm nhĩ tăng lên làm

cho van nhĩ th t mở nên máu sẽ lưu thông từ tâm nhĩ xuống tâm th t và làm cho áp su t tâm th t tăng lên Thời gian tâm nhĩ thu kéo dài 0 1s, sau

đó tâm nhĩ giãn su t thời gian còn lại c a chu k tim

 âm th t thu: Khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm th t bắt đầu co lại iai đoạn

tâm th t thu kéo dài 0 3s trong đó bao g m có 2 thời k :

 Thời k áp su t kéo dài 0 05s: tâm th t co bóp nên áp su t trong tâm

th t tăng cao, cao hơn áp su t trong tâm nhĩ làm cho van nhĩ th t đóng lại nhưng chưa cao hơn áp su t ở trong động mạch nên van bán nguyệt chưa mở làm cho áp su t c a tâm th t tăng lên nhanh

 Thời k đẩy máu kéo dài 0 25s: còn được gọi là thời k tâm th t co

đ ng trương Lúc này áp su t trong tâm th t r t cao làm cho van bán nguyệt mở ra và lúc này máu sẽ lưu thông vào động mạch

 Tâm th t trương: Tâm th t bắt đầu giãn trong khi tâm nhĩ đang giãn, khi

đó áp su t trong tâm th t th p hơn áp su t trong mạch, van bán nguyệt đóng lại Áp su t tâm th t giảm nhanh và trở nên nhỏ hơn áp su t tâm nhĩ, van nhĩ th t mở ra khi đó máu được hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm

th t Đó là giai đoạn tâm th t trương, toàn bộ quá trình kéo dài trong 0.4s.[5]

húng ta có sơ đ mô tả sự co bóp c a tim như hình dưới đây:

H nh 1 ủa ti

1.2 S hình thành tín hiệ điện tim (ECG)

Điện tâm đ lectrocardioghram - là đường cong biểu diễn hoạt động

c a mô cơ tim, người đầu tiên thực hiện ghi t n hiệu là ugustus Waller ritish 1856-1922 vào năm 1887 khi ông sử dụng điện kế mao dẫn để đo trong cách đo sử dụng điện kế mao dẫn, ông đã dùng kỹ thuật chụp phim động trên m t th y tinh c a ống mao dẫn, trong đó bên trong c a ống mao dẫn có chứa axit Sunphuric và th y ngân Độ nhạy c a điện kế mao dẫn cỡ 1mV

húng ta có hình ảnh c a sóng điện tim đầu tiên được ugustus Waller quan sát vào năm 1887 như hình 6 trong đó t n hiệu điện tim ghi trên hình e là đường ranh giới giữa 2 vùng đen và trắng ác đường cong khác nhaulà đỉnh điện tâm đ , nó ghi lại sự vận động c a cơ tim ở đỉnh tim

 T là sóng đánh d u sự kết thúc c a tâm th t co

Trong đó biên độ sóng c a P, Q, S nhỏ nh t cỡ 0,2 0,5mV

 Sóng có biên độ lớn nh t là sóng R, có biên độ vào khoảng 1 1 5mV

 Thời gian t n tại c a sóng đó là:

 P – R: Từ 0 12s đến 0 2 s

 Q – T: Từ 0 35s đến 0 44s

 S – T: Từ 0 05s đến 0 15s

 QRS: 0.09s

 Sóng R càng hẹp và cao thì khi đó cho chúng th y một trái tim

đó là trái tim khỏe mạnh

1.2.2.C ở của tín hiệ điện tim

Một sợi cơ bao g m nhiều tế bào, khi hoạt động sợi cơ co lại và khi đó sự

xu t hiện điện thế động giữa những phần tử đã được khử cực và đang khử cực Điện thế động này sẽ làm xu t hiện một điện trường lan truyền dọc theo sợi cơ

H nh 1 Điện t ng ủa ti t n ề t ng

Sau đó khoảng 0 5s bắt đầu xu t hiện quá trình tái cực kèm theo sự xu t hiện

c a một điện trường ngược lại và chuyển động với tốc độ chậm hơn h nh c u trúc phức tạp này c a tim đã làm phát ra các t n hiệu điện thế khử cực và tái cực Thực ch t là sự tổng hợp các t n hiệu điện c a các sợi cơ tim

M t khác chúng ta biết r ng bên trong và bên ngoài màng tế bào đều có các ion dương và ion âm, ch yếu là Na+, K+ và Cl- Do sự chênh lệch n ng độ c a các ion bên trong và bên ngoài màng tạo ra sự chuyển dời các ion qua màng gây nên dòng điện sinh học Cho nên các tế bào sống có tính ch t như một pin điện, điện cực dương + quay ra ngoài và cực âm (-) quay vào trong Tính phân cực

c a màng và trạng thái điện bình thường gọi là điện thế nghỉ (khoảng -90mV) Khi có kích thích, màng tế bào thay đổi tính thẩm th u và có sự dịch chuyển ion

Sự vận chuyển tích cực đó làm thay đổi trạng thái cân b ng ion và gây nên biến đổi điện thế – được gọi là điện thế động

Như vậy khi tế bào hoạt động sẽ được chia thành hai giai đoạn: bị kích thích tạo nên hiện tượng khử cực và khi lập lại trạng thái cân b ng tạo nên hiện tượng tái cực

H nh 1 hử t i

Trường hợp : Trước khi sự khử cực lan truyền tới điện cực dương, nó tạo

ra một t n hiệu mang cực t nh dương

Trường hợp : Khi quá trình hoạt động lan truyền qua khỏi điện cực dương thì t n hiệu mang cực t nh âm tương ứng

Trường hợp : Dễ dàng hiểu r ng, trước khi sự tái cực lan truyền tới điện cực dương, t n hiệu mang cực t nh âm, m c dù vẫn biết r ng quá trình tái cực không thực sự được lan truyền Ở biên giới giữa vùng hoạt động và vùng tái cực

có thể được xác định như một hàm c a thời gian Quá trình lan truyền trong hướng này sẽ được mô tả sau đây

Trường hợp D: Khi hướng lan truyền trước quá trình tái cực đi ra khỏi điện cực dương thì lại tạo ra t n hiệu mang cực t nh dương ực t nh dương c a t n hiệu trong trường hợp có thể được xác định theo cách sau: Đầu tiên chúng ta chú ý r ng điện áp truyền màng tế bào c a sóng truyền đi mang cực t nh âm do vùng dẫn tại đó đang trong trạng thái nghỉ Điều kiện này được mô tả như trong hình thể hiện b ng d u - Sau khi có m t sóng tới thì điện áp truyền màng tế bào

sẽ n m trong trạng thái ổn định, do đó nó mang cực t nh dương được biểu thị

b ng d u + trong hình Nếu ứng dụng phương trình để t nh toán với ngu n c a lớp kép được kết hợp với sự điều chỉnh này và nếu điện áp truyền màng tế bào ở dưới mức nghỉ hay điều kiện cân b ng được ch p nhận là không đổi thì một ngu n c a lớp kép chỉ xu t hiện tại m t sóng

Vậy v n đề quan trọng ở đây ch nh là sự định hướng c a lớp kép, được xác định bởi đạo hàm khoảng không gian điện t ch âm Vm, là toàn bộ về ph a bên trái tương ứng với hướng c a sự lan truyền sóng Vì các lưỡng cực hướng về điện cực dương nên t n hiệu mang cực t nh dương

Phân cực âm c a t n hiệu trong trường hợp có thể được xác định theo cách sau: Trong trường hợp hướng c a quá trình tái cực cho phép chúng ta xác định

ch nh xác vùng nào có điện áp truyền màng tế bào Vm là âm t nh đó là vùng mà quá trình tái cực đã kết thúc và màng tế bào đã trở về trạng thái nghỉ và dương

t nh vùng mà quá trình tái cực chưa diễn ra và màng tế bào vẫn ở trạng thái ổn định ác vùng này được xác định ở hình trên được đánh d u b ng các d u -) và + tương ứng Trong v dụ được l tưởng hóa cao này chúng ta thể hiện quá trình tái cực xu t hiện ngay tại m t phân cách – và + m t sóng tái cực

1.2.3.C giai đ ạn của tín hiệ điện tim

Tim hoạt động được nhờ một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động c a tim Đầu tiên nút xoang c a tim phát xung động lan truyền ra cơ tâm nhĩ làm cho cơ tâm nhĩ khử cực trước, cơ tâm nhĩ bóp và đẩy máu xuống tâm th t Sau đó nút nhĩ tâm th t tiếp cận xung động truyền qua bó is xuống tâm th t làm

cho tâm th t xảy ra sự khử cực, lúc này tâm th t đã đầy máu sẽ bóp mạnh để đẩy

máu ra ngoại biên iện tượng tâm nhĩ và tâm th t khử cực lần lượt trước sau như thế ch nh là để duy trì quá trình huyết động bình thường c a hệ thống tuần hoàn

Đ ng thời điều đó cũng tạo nên điện tâm đ Trong quá trình chúng ta có điện tâm

đ bao g m 3 phần như sau:

 hĩ đ hi lại dòng điện hoạt động c a nhĩ, đi trước Như phần trên chúng ta

đã giới thiệu thì xung động đi từ nút xoang ở nhĩ phải sẽ tỏa ra làm cực cơ

nhĩ như hình dưới

H nh 1 h nh th nh ng

ác đợt sóng với hướng chung là từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm với đường ngang một góc 49 đây cũng ch nh là hướng c a vectơ khử cực

và đợt khử cực được ghi lại là sóng P Khi nhĩ tái cực còn phát sinh ra một sóng âm nhỏ gọi là sóng T nhưng ngay lúc này cũng xu t hiện sự khử cực th t với điện thế mạnh hơn nhiều, nên trên điện tâm đ gần như không th y sóng

T

ết ả: Nhĩ đ chỉ thể hiện lên điện tâm đ b ng 1 sóng đơn độc là sóng P [5]

 Thất đ : hi lại dòng điện hoạt động c a th t, đi sau

H nh 1 ng T

 Khử cực: Việc khử cực bắt đầu từ phần giữa m t trái liên th t đi xuyên qua

m t phải vách này, tạo ra một vectơ khử cực đầu tiên hướng từ trái sang phải Máy ghi được sóng âm nhỏ gọn gọi là sóng Q

H nh 1.12: S hình thành sóng Q

Sau đó xung động truyền xuống và tiến hành khử cực đ ng thời cả hai tâm

th t theo hướng xuyên qua bề dày cơ tim Lúc này vectơ khử cực hướng nhiều về bên trái hơn vì th t trái dầy hơn và vì tim n m nghiêng hướng trục giải phẫu về bên trái Do đó vec tơ khử cực chung hướng từ phải qua trái tạo nên sóng dương cao hơn gọi là sóng R Sau cùng khử nốt vùng cực đáy th t lại hướng từ trái sang phải Máy ghi được sóng âm nhỏ gọi là sóng S

H nh 1 h nh th nh ng

Tóm lại : khử cực th t g m ba làn sóng cao nhọn Q, R, S biến thiên phức tạp

gọi là phức bộ QRS

 Tái cực: th t khử cực xong sẽ qua thời k tái cực chậm iai đoạn này

được thể hiện trên điện tâm đ b ng một đoạn th ng đ ng điện gọi là đoạn T – S Sau đó là thời k tái cực nhanh tạo nên sóng T

Tóm lại: Th t đ chia làm hai giai đoạn:

- iai đoạn khử cực g m phức bộ PQRS được gọi là pha đầu

- iai đoạn tái cực g m ST và T (cả U) gọi là pha cuối

 Tâm trương: Tim ở trạng thái nghỉ, không có điện thế động, đường ghi là

đường th ng n m ngang gọi là đường đ ng điện

H nh 1 hứ ộ điện t đ

Ngay sau khi m t khử cực được truyền đi qua vách c a tâm th t phải thì đầu tiên nó tới bề m t thượng tâm vị c a vách thông trên tâm th t phải và chúng ta gọi đây là sự đánh th ng Do thành c a tâm th t trái dày hơn tâm th t phải, hoạt động

c a thành dẫn thông c a tâm th t trái sẽ tiếp tục diễn ra thậm ch sau khi quá trình khử cực diễn ra tại một vùng rộng c a tâm th t phải Vì không có các lực điện tích

bù nào ở bên phải nên vectơ tổng đạt tới giá trị cực đại trong pha này và nó hướng

về ph a bên trái M t sóng khử cực tiếp tục lan truyền dọc theo thành tâm th t trái xuống ph a dưới Do diện t ch bề m t c a nó giảm liên tục nên biên độ c a vectơ tổng cũng giảm cho tới khi t t cả các cơ tâm th t đều bị khử cực Sau cùng c a

quá trình khử cực là các vùng cơ bản c a cả tâm th t phải và tâm th t trái Và do không có hoạt động nào nên trong giai đoạn này cũng không có t n hiệu gì

Quá trình tái cực c a tâm th t bắt đầu từ bên ngoài các tâm th t và m t sóng tái cực lan truyền hướng vào bên trong Điều này có v như là nghịch lý, nhưng thậm ch cả thượng tâm vị bị khử cực sau cùng, hoạt động điện c a nó diễn ra tương đối ngắn và nó bắt đầu quá trình tái cực đầu tiên M c dù quá trình khôi phục c a một tế bào này không lan truyền được tới các tế bào bên cạnh nhưng người ta vẫn nhận ra r ng việc khôi phục thường di chuyển từ thượng tâm vị tới màng trong tim Sự lan rộng c a m t sóng tái cực ở bên trong tạo ra t n hiệu cùng

d u với m t sóng khử cực bên ngoài Và do sự khuếch tán c a quá trình tái cực nên biên độ c a t n hiệu nhỏ hơn nhiều so với biên độ c a dạng sóng khử cực và thời gian t n tại c a nó lâu hơn

Điện tâm đ bình thường được chỉ ra ở trên cũng bao g m cả các định nghĩa đối với các phần khác nhau và khoảng thời gian khác nhau c a một t n hiệu điện tim Những biến đổi dạng sóng trong t n hiệu điện tim được biểu thị b ng các chữ cái và được bắt đầu b ng k tự P, nó thể hiện cho quá trình khử cực tâm nhĩ, QRS

là quá trình khử cực tâm th t và quá trình tái cực ứng với sóng T Quá trình tái cực tâm nhĩ diễn ra trong phức bộ và tạo ra một t n hiệu biên độ th p không thể quan sát được trên bình thường

H nh 1 T n hiệ EC th ng th ng

Sóng T sau khi kết thúc có thể th y một sóng chậm, nhỏ gọi là sóng U xu t hiện Đây là giai đoạn muộn c a tái cực

T m ạ : Th t đ chia ra làm 2 giai đoạn :

 iai đoạn khử cực g m phức bộ PQRS được gọi là pha đầu

 iai đoạn tái cực g m ST và T trong đó có cả U là pha cuối

1.2.4 Nhiễu trong thu thập tín hiệu ECG

Có nhiều loại nhiễu làm ảnh hưởng đến hình dạng tín hiệu và làm sai lạc kết quả phân t ch Người ta chia làm nhiều loại nhiễu theo ngu n gốc c a nhiễu: nhiễu đường ngu n, nhiễu do sự rung c a cơ, nhiễu do chuyển động cơ thể, nhiễu dịch chuyển đường nền, nhiễu do công tắc thiết bị

Nhiễu do đường ngu n: Do các dây dẫn điện 50Hz/60Hz lắp đ t trong phòng,

do đó thường được gọi là nhiễu 50Hz/60Hz Ở Việt Nam và đa số các nước khác sử dụng tần số 50Hz, Mỹ sử dụng ch yếu ngu n 60Hz Nhiễu có 2 đ c điểm Đ c điểm

thứ nh t là có dạng sóng sin đều ddwanj 50 z 60 z, do đó r t dễ nhận biết trên gi y

vẽ Đ c điểm thứ hai là biên độ có thể r t lớn Tần số nhiễu có thể dao động chậm

từ 49 2 đến 50.1 Hz nếu ngu n có tần số 50Hz Nhiễu đường ngu n có thể giảm khi nối

đ t và cân chỉnh tốt các điện trở trong hệ thống máy đo tăng hệ số CMMR) và bọc giáp các dây dẫn tín hiệu

Hình 1.17: Nhiễ đ ng ngu n 50Hz

Nhiễu do sự rung cơ: Nhiễu này có ngu n gốc do sự rung c a các cơ bắp Tần

số c a nhiễu này khá cao so với các thành phần khác trên điện tâm đ Bệnh nhân do

đó phải không bị căng th ng lo âu trước khi đo Tư thế n m và giữ thật thoải mái

Hình 1.18: Nhiễu do s ng ắp

Nhiễu do sự chuyển động c a cơ thể: khi cơ thể chuyển động, tổng trở điện cực – da thay đổi tạo ra điện thế chênh lệch không mong muốn giả các vị tr điện cực Nhiễu này thường được th y ở dạng một đoạn nhô cao b t thường kéo dài vài chu k tim

Hình 1.19: Nhiễu do sự chuyển động c a cơ thể Nhiễu do dịch chuyển đường nên: do sự thay đổi điện trở tiếp xúc ở da hay do

sự thở Nhiễu này có tần số trong khoảng dưới 1Hz

Hình 1.20: Nhiễu do s tha đổi điện trở tiếp xúc làm dịch chuy n đ ng nền

1.3 Đạ t nh điện t đ

Điện tâm đ là một đường cong, mô tả lại hoạt động điện c a mô cơ tim và được ghi lại b ng các điện cực được đ t trên bề m t da c a cơ thể con người Đạo trình điện tâm đ được hiểu như là hiệu điện thế giữa hai điểm khác nhau trên cơ thể Mỗi

một đạo trình điện tâm đ phản ánh một kh a cạnh chức năng c a tim thông qua hoạt động c a nó Điều này lại phụ thuộc vào thể trạng c a mổi người Việc ghi lại t n hiệu điện tim để nh m đánh giá tình trạng c a mổi bệnh nhân ở thời điểm hiện tại để từ đó

có phương pháp điều trị hiệu quả, kịp thời và ch nh xác

húng ta có hình ảnh phép chiếu c a vectơ đạo trình điện tâm đ trong hệ thống 12 đạo trình như hình dưới:

Để đánh giá đầy đ chức năng c a tim người ta lập ra một hệ thống đạo trình với số lượng có thể lên tới 60 đạo trình Tuy nhiên, trong thực tế người ta thường

sử dụng có 12 đạo trình cơ bản bao g m:

 3 đạo trình mẫu: , ,

 3 đạo trình tăng cường:

 6 đạo trình trước ngực: Mối quan hệ giữa các đạo trình cơ bản và các đạo trỉnh tăng cường như sau:

H nh 1.21 Hệ th ng đạ t nh ủa Wa

Theo cách này, các vị tr đó có trở kháng tiếp xúc th p đ để thu đƣợc t n hiệu lớn nh t ơn nữa, vị tr các điện cực đã đƣợc định nghĩa để có thể nhận dạng và việc gắn các điện cực ở các vị tr trên chi cũng r t thuận tiện 5 điểm gắn 5 điện cực đã tạo ra t t cả là 10 đạo trình khác nhau Từ 10 đạo trình này chúng ta có thể lựa chọn ra

5 đạo trình ch yếu nh t Trong đó chúng ta có 2 đạo trình giống với đạo trình , trong hệ thống các đạo trình mẫu c a Einthoven

H nh 1.22 Hệ th ng đạ t nh ủa Einth n ta gi Einth n

Tam giác inthoven là sự mô tả gần đúng các vector đạo trình được kết hợp với các đạo trình chi Đạo trình được thể hiện là như hình vẽ trên Tương tự với các đạo trình , là và

húng ta có nguyên tắc tạo đạo trình inthoven như sau: Trong sự lựa chọn

v tr đ t điện cực chúng ta chỉ cần 3 vị tr đó là tay trái, tay phải và chân trái Từ

3 vị tr này sẽ cho chúng ta một tam giác tương đối đều gọi là tam giác inthoven Tương ứng với nguyên tắc này cũng cho ta 3 đạo trình cơ bản gọi là 3 đạo trình mẫu hay còn gọi là đạo trình chi ác đạo trình khác được xây dựng dựa trên các đạo trình này ác đạo trình mẫu c a inthoven được định nghĩa như sau:

 Đạo trình :

 Đạo trình :

 Đạo trình : Trong đó: = Điện áp c a đạo trình I

= Điện áp c a đạo trình II

= Điện áp c a đạo trình III

= Điện thế tay trái = Điện thế tay phải = Điện thế chân trái

(Tay phải, tay trái và chân trái được ký hiệu lần lượt là L , R , LL

Khi đó theo định luật Kirchoff các điện áp c a đạo trình có mối quan hệ như sau: + =

1 Điện c c trung tâm Wilson

Như ta đã biết các đạo trình mẫu là những đạo trình lưỡng cực Trong đó hai điện cực thăm dò đ t tại 2 điểm trên cơ thể Vì thế ta chỉ ghi được hiệu điện thế giữa 2 điểm này Khi ta muốn biết điện thế tại một điểm nào đó riêng biệt thì các đạo trình này không thực hiện được Để thực hiện được điều này thì người ta cần

phải có các đạo trình đơn cực chỉ có một điện cực thăm dò Điều này đòi hỏi có một điện cực khác phải trung t nh, nghĩa là ta phải đ t điện cực này vào một điểm nào đó c a điện trường có điện thế V 0 Nhưng thực tế chỉ có tâm điểm c a tim mới thỏa mãn điều kiện này và thực ch t thì chúng ta không thể đưa điện cực vào trong đó để đo được

Trước khó khăn đó thì rank Norman Wilson 1890 - 1952 và các cộng sự

c a ông đã đề xu t sử dụng điện cực trung tâm Mô hình c a nó là gắn các điện trở có giá trị 5K vào mỗi điện cực c a các đạo trình chi, đầu còn lại gắn chung vào một điểm gọi là cực trung tâm

Với

;

;

Thay 5K khi đó chúng ta có công thức nhƣ sau:

ay chúng ta có c u trúc c a điểm trung tâm nhƣ sau:

H nh 1.24 Mạ h ủa đi t ng t Wi n Vị t ủa đi t ng t Wilson t ng

h ng gian ảnh CT n n ở t ủa ta gi Einth n

CHƯƠ LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỆN TỬ VÀ MÁY

ĐIỆN TIM

2.1 th t n hiệ

Phần lớn các thiết bị y tế là thiết bị điện tử, do đó cần phải có các t n hiệu đầu vào tức là các t n hiệu điện Trong những trường hợp cần ghi lại điện thế sinh học, chúng ta sử dụng một số loại điện cực “electrode” làm trung gian giữa bệnh nhân và thiết bị thu t n hiệu Trong những trường hợp khác đầu đo transducer được sử dụng để chuyển đổi các thông số vật lý phi điện hay các tác nhân như lực, áp su t, nhiệt độ sang t n hiệu điện analog tỉ lệ với các giá trị c a các thông số tác nhân gốc

Điện sinh học là hiện tượng xu t hiện một cách tự nhiên và phát sinh do các cơ quan sống được c u tạo từ những ion với số lượng khác nhau Sự truyền dẫn ion khác với sự truyền dẫn điện, mà có lẽ quen thuộc hơn với các kỹ sư và các nhà công nghệ thông thường Sự truyền dân ion bao g m sự di chuyển c a ion – những phần tử t ch điện dương và điện âm - ở khắp một khu vực, trong khi đó sự truyền dẫn điện bao g m dòng các điện tử chạy dưới sự tác động c a điện trường Trong một dung môi, những ion có thể tìm một cách dễ dàng Những sự khác biệt điện thế xảy ra khi sự tập trung

c a các ion là khác nhau giữa hai điểm

Điện cực c a máy điện tim là loại tiếp xúc điện tốt với da Thông thường giữa

da và điện cực có lớp dung dịch dẫn điện giúp cho sự tiếp xúc này tốt hơn

Hình 2.1: Điện ng

Hình 2.2: Điện hi

2.2 Thiết bị ghi ng điện tim

Về m t nguyên lý cơ bản, máy điện tim là thiết bị ghi nhận và xử lý biểu diễn tín hiệu điện có biên độ r t nhỏ

Tín hiệu điện đƣợc biểu diễn b ng đ thị g m hai trục thời gian và điện thế, nhƣ vậy máy điện tim có nhiệm vụ chuyển đ thị này lên một m t ph ng(cụ thể ở đây có thể là trên

gi y ho c trên màn hình Do đó có sự quy đổi: biên độ và thời gian đƣợc biểu diễn b ng độ dài

Kết c u c a thiết bị ghi điện tim g m 3 bộ phận:

- Tùy vào từng máy mà ta có bộ điện cực g m 3,5 ho c 10 điện cực

- Yêu cầu đối với bộ điện cực là phải chống nhiễu tốt

Hình 2.3: Cáp dẫn

- Giắc cắm đầu vào: Có nhiệm vụ truyền nối giữa bộ điện cực bệnh nhân với đầu vào

c a máy ghi sóng điện tim

2.2.2 Giấy ghi

- Gi y ghi dùng cho máy điện tim là loại gi y in nhiệt độ có k ô với đơn vị là 1mm

Về phân loại thì thông thường có 2 loại:”

+ Gi y cuộn + Gi y x p

Hình 2.4: Giấy in nhiệt ùng t ng ghi điện tim

Về độ rộng c a gi y, có nhiều loại tùy theo hãng sản xu t và số kênh ghi Tuy nhiên đối với loại máy điện tim một cần thì có k ch thước chuẩn là 50mm

2.2 M ghi điện tim

- Đ c điểm cơ bản: Như ta đã biết điện tim là tín hiệu phức tạp có điện áp r t nhỏ (khoảng vài mV) với tần số th p cỡ từ 0 05 đến 100Hz, do vậy máy điện tim phải đáp ứng các yêu cầu sau:

 Có trở kháng đầu vào lớn đảm bảo việc phối hợp giữa đầu vào mạch khuếch đại với ngu n tín hiệu để l y điện áp ra đ lớn để mạch xử lý phân tích

 ó độ ổn định cao và lọc nhiễu tốt để ghi nhận trung thực tín hiệu điện tim

 Cách ly giữa bộ phận giao tiếp bệnh nhân và các thành phần khác c a máy

 ó độ cách điện tốt đảm bảo an toàn cho người và máy

 Có ngu n dự phòng

- Phân loại máy điện tim

Máy điện tim được phân loại theo số kênh mà máy có thể ghi đ ng thời Thực

tế có các loại: 1 kênh, 2 kênh, 3 kênh, 6 kênh, 12 kênh

Các thông s kỹ thuật ản đ th c hiện ghi ng điện tim

 Độ nhạy: đây là thông số thể hiện sự chuyển đổi từ biên độ tín hiệu điện tim thành độ dài Đơn vị c a chuyển đổi này là mm/mV Giá trị thông thường là 5mm/mV, 10mm/mV và 20mm/mV

 Tốc độ ghi: thông số này thể hiện sự chuyển đổi trục thời gian thành độ dài

và đơn vị c a nó là mm/s Giá trị thông thường là 12,5mm/s, 25mm/s và 50mm/s

 Dải thông tần: là giới hạn trên và dưới tần số thường là 0,05 đến 100 z Đôi khi để tránh nhiễu do ngu n người ta còn bố trí thêm các bộ lọc phụ

 Hệ số méo phi tuyến: cho phép 5%

 Hệ số khử nhiễu đ ng pha (CMRR): lớn hơn 60d

 Trở kháng vào: để tái tạo trung thực tín hiệu thì trở kháng vào mạch khuếch đại phải lớn hơn nhiều so với ngu n tín hiệu, thông thường lớn hơn 10MOhm

 Hệ số khuếch đại: đảm bảo ứng với mức vào 1mV cho ra 1V

 Dòng rò: nhỏ 10µA