Thiết kế bộ lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt - ADC Analog to Digital Converter bộ chuyển đổi tương tự sang số - AM Amplitude Modulation điều biên - ALU Arimethic Logic Unit bộ tí

LỜI CAM ĐOAN

Các kết quả trình bày trong Luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của tôi và được hoàn thành dưới sự hướng dẫn sát sao của Ts Trịnh Quang Đức, Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử Viễn Thông, Trường Đại Hoạc Bách Khoa Hà Nội

Kết quả của Luận văn tốt nghiệp là trung thực thể hiện sự nghiên cứu của tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan trên của mình

Tôi xin trân trọng cám ơn!

Tác giả

Trần Hoàng Anh

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thực tế tại các Bệnh viện và Phòng khám bệnh hàng ngày nhu cầu về kiểm tra sức khỏe là rất cần thiết Đặc biệt là việc đo tín hiệu điện tim để kiểm tra tình trạng của tim Trái tim là một bộ phận rất quan trọng đối với sức khỏe mỗi con người Do đó, việc kiểm tra hoạt động của tim thường xuyên là yếu tố hàng đầu giúp đánh giá tình trạng sức khỏe của con người Trong khi đó những máy đo tín hiệu điện tim lại bị ảnh hưởng bởi từ trường từ các loại nhiễu như nhiễu điện lưới xoay chiều 50Hz, nhiễu trắng, nhiễu đường biên, nhiễu do ảnh hưởng từ các tín hiệu sinh học khác Từ những dạng nhiễu trên Luận văn đề cập đến các giải pháp kỹ thuật, thuật toán cho việc loại bỏ nhiễu trên thiết bị ghi sóng điện tim

Việc nghiên cứu, thiết kế Thiết kế bộ lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim là cần thiết để giúp các thiết bị ghi điện tim loại bỏ được các loại nhiễu không mong muốn giúp các y bác sĩ chẩn đoán bệnh chính xác hơn Do đó, tôi đã chọn thực hiện

Đề tài luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế bộ lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim - Design digital filter for ECG circuit measurement”

Quá trình nghiên cứu, thiết kế đã giúp em thu nhận được nhiều kiến thức thực tế, cần thiết liên quan đến Đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Ts Trịnh Quang Đức và các thầy cô trong

Bộ môn Công nghệ Điện tử - Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp

Mặc dù các vấn đề của Đồ án đã được giải quyết một cách tốt nhất dựa trên khả năng của bản thân tôi nhưng không thể tránh khỏi có những sai sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô giáo để em có thể hoàn thiện thêm kiến thức của mình hơn nữa

MỤC LỤC

Trang

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về máy điện 12

1.1 Sự ra đời của máy điện tim……… … 12

1.2 Đặc trưng của tín hiệu điện tim……… 14

1.3 Sự liên hệ của tín hiệu điện tim sới sinh lý……….… 16

1.3.1 Các quá trình điện học của điện tim……… 16

1.3.2 Hoạt động của điện tim……… 17

1.3.2.1 Tế bào cơ tim……… 17

1.3.2.2 Hệ thống dẫn của tim……… 18

1.3.3 Dòng điện hoạt động trong tế bào……… 21

1.3.4 Sóng khử cực……… 23

1.3.5 Sóng tái phân cực……… 24

1.3.6 Sự liên hệ của tín hiệu điện tim với sinh lý……… 26

1.4 Các hệ thống đo tín hiệu điện tim tiêu biểu……… 29

Chương 2: Đặc tính của các loại nhiễu 32 2.1 Nhiễu trắng……… … 32

2.2 Nhiễu nguồn cung cấp xoay chiều (nhiễu 50Hz)……… … 33

2.3 Nhiễu đường biên……… 34

2.4 Nhiễu do run cơ……… 37

Chương 3: Thiết kế bộ lọc số cho tín hiệu điện tim 38 3.1 Phân tích tín hiệu điện tim……… … 38

3.2 Giải pháp kỹ thuật cho thiết kế bộ lọc……… 45

3.2.1 Một số ưu điển của PC……….… 46

3.2.2 Các thành phần của một số hệ thống PC điển hình………… 47

3.3 Thiết kế bộ lọc số……… 49

3.4 Xây dựng mạch phần cứng bộ lọc số……… 52

Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá bộ lọc 65 4.1 Thí nghiệm với bộ lọc Butterwoth……… 65

4.1.1 Đặc tuyến của bộ lọc và lựa chọn giải pháp……….… 65

4.1.2 Thiết kế bộ lọc Butterwoth - IIR……… 68

4.1.2.1 Thiết kế bộ lọc số Band Stop cho lọc nhiễu điện lưới……… 70

4.1.2.2 Thiết kế bộ lọc Low Pass cho lọc nhiễu cao tần……… 79

4.2 Thuật toán lọc nhiễu đường biên……… 80

4.3 Thuật toán lọc nhiễu trắng……… ……… 82

Chương 5: Thảo luận và kết luận 84 5.1 Kết quả đạt được……… 84

5.2 Thảo luận……… 88

5.3 Kết luận……… 90

5.4 Hướng phát triển của đề tài……… 91

Tài liệu tham khảo ……… 92

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Trang Hình 1.1 Dạng sóng điện tim do Einthoven tính toán 12

Hình 1.2 Einthoven và máy điện tim dạng bàn của Công ty

Cambridge Scientific Instrument năm 1911 13

Hình 1.3

Sự di chuyển của Ion Na+

, Ca++ qua màng tế bào hình thành đường cong điện thế hoạt động, nguồn gốc của dòng điện tim

16

Hình 1.4 Khử cực (b) và tái cực (c) trên một tế bào đơn giản 16

Hình 1.7 Điện sinh học của tim: Các dạng sóng khác nhau của mỗi

một tế bào đặc biệt khác nhau được tìm thấy ở tim 20

Hình 2.1 Tín hiệu ECG có nhiễu trắng ở mức 0,2mV 32

Hình 2.6 Nhiễu đường biên, tần số 1,2Hz và biên độ =0,5mV có

Hình 2.7 Phổ biên độ của nhiễu đường biên có tần số 0.5Hz và biên

Hình 2.8 Phổ biên độ của nhiễu đường biên ngẫu nhiên có tần số

Hình 3.1 Quá trình tạo ra tín hiệu điện tim ECG trong các đạo trình

Hình 3.2 Thời gian xuất hiện nhánh nội điện (tư flucs bắt đầu phức

Hình 3.5 Sơ đồ biểu diễn biến đổi Z nhiễu tầng cho hàm Y(Z) 50

Hình 3.7 Cấu trúc nối tầng của bộ lọc số biểu thị hàm truyền Hz 51 Hình 3.8 Sơ đồ khối của mạch cứng cho bộ lọc số IIR 52

Hình 3.10 A, Dải tần số của tín hiệu ban đầu; B, Dải tần số của tín

Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ giải điều chế hỗn hợp cầu phương 61

Hình 4.5 Vòng tròn đơn vị và giới hạn ổn định của bộ lọc 69 Hình 4.6 Sơ đồ chương trình Labview mô phỏng tín hiệu điện tim 72 Hình 4.7 Tín hiệu điện tim sạch mô phỏng trong 5 giây 72

Hình 4.8 Sơ đồ chương trình Labview đánh giá phân tích phổ 73 Hình 4.9 Tín hiệu mô phỏng của dạo động Sin tại 50Hz 73 Hình 4.10 Tín hiệu mô phỏng của dạo động Sin tại 80Hz 74 Hình 4.11 Tín hiệu mô phỏng trộn dao động 50Hz và 80Hz 74 Hình 4.12 Tín hiệu trộn được biểu diễn ở miền tần số 75 Hình 4.13 Phổ của tín hiệu điện tin sạch mô phỏng 75

Hình 4.14 Chương trình trộn nhiễu 50Hz với tín hiệu điện tim sạch mô

Hình 4.15 Tín hiệu điện tim sạch trộn nhiễu 50Hz 77 Hình 4.16 Phổ tín hiệu điện tim mô phỏng trộn nhiễu 50Hz 77

Hình 4.18 Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ khuếch đại kết hợp với lọc

Hình 4.20 Thuật toán lọc nhiễu bằng phương pháp giảm nhiễu và trung

Hình 5.1 Mạch nguyên lý khuếch đại và lọc thông thấp 85 Hình 5.2 Đặc tuyến của bộ lọc thông thấp được đo bằng thực nghiệm 86

Hình 5.4 Chương trình Labview thu thập và xử lý tín hiệu điện tim 88 Hình 5.5 Sai số của biên độ quan sát trên miền tần số 89 Hình 5.6 Sai số của tần số được quan sát trên miền tần số 90 Hình 5.7 Sai pha gây ra do phép điều chế được quan sát trên miền tần

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Trang Bảng 1.1 Biên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu ECG 15 Bảng 1.2 Khoảng thời gian giữa các sóng trong tín hiệu ECG 15

Bảng 3.1 Giới hạn bình thường của sóng Q trong các chuyển đạo 44

CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

Chữ viết tắt

- ADC (Analog to Digital Converter) bộ chuyển đổi tương tự sang số

- AM (Amplitude Modulation) điều biên

- ALU (Arimethic Logic Unit) bộ tính toán số học

- CPU (Central Processing Unit) Bộ xử lý trung tâm

- DAC (Digital to Analog Converter) bộ chuyển đổi số tương tự

- DSP (Digital Signal Processing) xử lý tín hiệu số

- DMA (Direct Memory Access) truy cập bộ nhớ trực tiếp

- DFT (Discrete Fourier Transform) phép biến đổi Fourier rời rạc

- ECG: Electrocardiography (điện tâm đồ)

- FM (Frequency Modulation) điều chế tần số

- FFT (Fast Fourier Transform) phép biến đổi Fourier nhanh

- MSE (Mean Square Error) sai số trung bình bình phương

- PC (Personal Computer) máy tính cá nhân

- PLI (Power Line Interference) nhiễu nguồn cung cấp điện xoay chiều

- VCO (Voltage Control Oscillator) dao động điều khiển bởi điện áp

Ký hiệu

- P,Q, R, S,T: Tên các đỉnh sóng trong một chu kỳ của nhịp tim

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài: Vì muốn giải quyết loại bỏ các vấn đề về nhiễu trắng, nhiễu điện lưới xoay chiều 50 Hz, nhiễu đường biên, nhiễu do ảnh hưởng từ các tín hiệu sinh học khác

Luận văn này bước đầu đã cho thấy tính khả thi của việc phát triển hệ thống này lên những ứng dụng mới Dựa trên hệ thống này, những tín hiệu điện tim thu được có thể được phân tích và chẩn đoán bằng các thuật toán được cài đặt trên máy tính để trợ giúp các bác sĩ trong việc điều trị bệnh

Để giảm thiểu hiện tượng nhiễu đường biên, trong luận văn em đã đề xuất

mô hình lọc thông cao đơn giản với mô hình Butterworth ở bậc lọc 50 Những nhiễu trắng cũng được giảm thiểu bằng mô hình giảm mẫu và lọc trung bình Sai

số của các phép đo cũng được tiến hành điều tra Kết quả đo đã chỉ ra rằng tín hiệu đo điện tim được thu vào trong máy tính hoàn toàn có thể tin cậy được bởi sai số của nó là khá nhỏ và hoàn toàn nằm trong khoảng cho phép

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về máy điện tim

1 Sự ra đời của máy điện tim

2 Đặc trưng của tín hiệu điện tim

3 Sự liên hệ của tín hiệu điện tim với sinh lý: Các quá trình điện học của tim, Hoạt động của tim, Tế bào cơ tim, Hệ thống dẫn của tim, Sóng khử cực, Sóng tái phân cực, Sự liên hệ của tín hiệu điện tim với sinh lý

4 Các hệ thống đo tín hiệu điện tim tiêu biểu

Chương 2: Đặc tính của các loại nhiễu

1 Nhiễu trắng

2 Nhiễu điện cung cấp xoay chiều điện lưới 50Hz

3 Nhiễu đường biên

4 Nhiễu do ảnh hưởng từ các tín hiệu sinh học khác, nhiễu run cơ

Chương 3: Thiết kế bộ lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim

1 Phân tích tín hiệu điện tim

2 Giải pháp kỹ thuật cho thiết kế bộ lọc: Một số ưu điểm của PC; Các thành phần của một hệ thống PC điển hình

3 Thiết kế bộ lọc số

4 Xây dựng mạch phần cứng bộ lọc số

Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá bộ lọc

1 Thí nghiệm với bộ lọc butterworth

2 Đặc tuyến của bộ lọc và lựa chọn giải pháp

3 Thiết kế bộ lọc butterworth IIR: Thiết kế bộ lọc số Band Stop cho lọc nhiễu điện lưới; Thiết kế bộ lọc Low pass cho lọc nhiễu cao tần

4 Thuật toán lọc nhiễu đường biên

5 Thuật toán lọc nhiễu trắng

Chương 5: Thảo luận và Kết luận

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN TIM

1.1 Sự ra đời của máy điện tim

Năm 1890, George J Burch phát minh ra một phương pháp số học để hiệu chỉnh

sự dao động quan sát được của điện kế Điều này cho phép xem được dạng sóng thực nhưng phải trải qua các tính toán rất phức tạp Năm 1893, nhà khoa học người

Hà Lan Willem Einthoven đã đưa ra một phương pháp hiệu chỉnh khác để dự đoán một dạng sóng gần với dạng sóng điện tim “thực”, dạng sóng này gồm 5 điểm uốn

mà ông đặt tên là P, Q, R, S, T (hình dưới đây) Ông cũng đưa ra khái niệm đồ thị điện tim (electrocardiograph) và biểu diễn của ông được sử dụng cho đến ngày nay Chúng ta nên nhớ là dạng sóng điện tim lúc này do Einthoven “đoán ra” dựa trên các tính toán, một thời gian sau đó ông mới ghi được sóng thực và chứng minh các tính toán của mình là đúng

Năm 1900, Einthoven tiếp tục phát triển một loại điện kế mới mà ông gọi là

là “string galvanometer” (điện kế dây) cho phép ghi tín hiệu điện tim hoặc các tín

Hình 1.1 Dạng sóng điện tim do Einthoven tính toán

hiệu biến đổi theo thời gian khác tốt hơn Thiết bị ghi điện tim (điện kế dây) cho phép ghi tín hiệu điện tim đầu tiên của Einthoven gồm một điện kế dây, bóng đèn cong, hệ thống chiếu và [2] Nó nặng khoảng 300 kg và cần 5 người vận hành Sau

đó, nhiều công ty tìm cách thiết kế lại hệ thống này để có thể đưa ra thị trường, một trong các thiết kế được nhiều người biết nhất là của công ty Cambridge Scientific Instrument [2] Năm 1924, Einthoven được tặng giải Nobel Y học cho những phát hiện về cơ chế của đồ thị điện tim Sau đó, các nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn thiện lý thuyết về tín hiệu điện tim cũng như phát triển các thiết kế máy điện tim mới

Năm 1931, Albert Hyman được cấp bằng phát minh sáng chế cho thiết bị

“tạo nhịp tim nhân tạo” (artificial cardiac pacemaker) mặc dù việc sử dụng thiết bị tương tự đã được một bác sĩ giấu tên tại Úc thực hiện từ năm 1926 [1] Đây là thiết

bị với kích thước có thể đặt trong túi khám của bác sĩ, kích thích vùng tâm nhĩ của tim với một cây kim thích hợp Năm 1950, kỹ sư điện tử người Canada John Hopps chỉ ra rằng có thể kích thích cơ co tim bằng cách tác động các xung điện lên nút xoang nhĩ (sino-atrial node hay SA node) Năm 1958, giáo sư Ake Senning người

Hình 1.2 Einthoven và máy điện tim dạng bàn của công ty Scientifie Instrument năm 1911

Thụy Điển đã lần đầu tiên đưa một máy tạo nhịp dạng cấy ghép (implant) vào trong

cơ thể một bệnh nhân 43 tuổi [1] Ngày nay người ta sử dụng cả máy tạo nhịp không xâm lấn và máy tạo nhịp dạng cấy ghép

Để theo dõi bệnh nhân liên tục, măm 1949, nhà vật lý người Mỹ Norman Jeff Holter đã phát minh ra thiết bị ghi điện tim dạng túi đeo có khả năng ghi và truyền tín hiệu điện tim của người đeo nó [1] Thiết bị này sau đó được đặt tên là “holter monitor” hay đơn giản là "holter" để ghi nhớ công lao nhà phát minh Ngày nay, holter được thiết kế rất nhỏ gọn kèm các bộ nhớ, bộ phát tín hiệu để sử dụng đo ECG trong cấp cứu

Mặt khác, để kiểm tra tình trạng của tim trong trường hợp vận động, năm

1942 , Arthur Master đã tiêu chuẩn hóa 2 bước kiểm tra tim mạch trong trường hợp vận động (còn được gọi là phương pháp Master two-step) nhưng phương pháp này

có nhiều điểm hạn chế Nhằm nâng cao độ an toàn cho bệnh nhân và sự chính xác, năm 1963, Robert Bruce và các đồng nghiệp đã giới thiệu hệ thống bàn chạy kiểm tra nhiều gian đoạn, sau đó được gọi là giao thức Bruce (Bruce protocol) Các hệ thống ghi điện tim trong trường hợp này được gọi là stress ECG (máy điện tim gắng sức)[2]

Có thể thấy, các kiến thức cơ bản nhất về điện tim đã được các nhà khoa học hoàn thiện trong nửa đầu thế kỷ 20 Hiện nay các nhà khoa học và các công ty sản xuất vẫn tiếp tục nghiên cứu ứng dụng những thành tựu công nghệ mới để phát triển các máy điện tim mới độ chính xác, an toàn cao hơn đồng thời tiện lợi hơn cho người sử dụng cũng như bệnh nhân Một trong những hướng đó là tăng cường khả năng lưu trữ cũng như trao đổi thông tin

1.2 Đặc trƣng của tín hiệu điện tim

Tín hiệu ECG ghi lại những họat động mang tính chất điện của tim Tín hiệu ECG được gọi là bình thường (trạng thái tim họat động bình thường) bao gồm năm đỉnh lồi, lõm được gán bởi năm chữ cái là P,Q,R,S và T [3] Trong một số trường hợp có thêm đỉnh U Hình dạng của tín hiệu ECG này được chỉ ra trong hình 1.2.1,

một số đặc điểm về biên độ và khoảng thời gian tồn tại của nó được thể hiện trong bảng 1 và bảng 2

Tín hiệu ECG bình thường có dải tần số từ 0,05 đến 100Hz Đây là dải tần số dùng cho ứng dụng chẩn đoán các bệnh về tim mạch [4]

Bảng 1.1 Biên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu ECG [4]

Bảng 1.2 Khoảng thời gian giữa các sóng trong tín hiệu ECG [4]

Hình 1.2.1 Tín hiệu ECG bình thường [4]

1.3 Sự liên hệ của tín hiệu điện tim với sinh lý

1.3.1 Các quá trình điện học của tim

Dòng điện tim phát ra do sự biến đổi hiệu điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài màng tế bào cơ tim Sự biến đổi hiệu điện thế này bắt nguồn từ sự di chuyển của các ion (K+, Na+ ) từ ngoài vào trong tế bào và từ trong ra ngoài khi tế bào cơ tim hoạt động, lúc này tính thẩm thấu của màng tế bào đối với các loại ion luôn luôn biến đổi [4,6]

Hình 1.3 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

Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài màng tế bào

sẽ trở thành âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong: người ta gọi đó là hiện tượng khử cực (despolarisation) (Hình 1.4b và 1.4c)

Hình 1.4 Khử cực (b) và tái cực (c) trên một tế bào đơn giản

Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực dương): người ta gọi đó là hiện tượng tái

cực (repolarisation) [4,6]

1.3.2 Hoạt động điện của tim

1.3.2.1.Tế bào cơ tim

Trong tế bào cơ tim, hay tế bào cơ, hoạt động điện diễn ra như trong tế bào thần kinh - đó là, từ dòng chảy vào của các ion natri qua màng tế bào Biên độ của điện thế hoạt động cũng tương tự, là khoảng 100 mV cho cả tế bào thần kinh và tế bào cơ Tuy nhiên khoảng thời gian của một xung cơ tim là dài hơn hai bậc so với tế bào thần kinh hay cơ xương Trạng thái ổn định về pha sẽ theo sau quá trình khử cực và sau đó là quá trình tái cực diễn ra Như trong tế bào thần kinh, quá trình tái khử cực là hậu quả của dòng chảy ra ngoài của các ion kali Khoảng thời gian của xung hoạt động là khoảng 300 ms, như được thể hiện ở hình 1.5 [4,6]

Sự khử cực(DEPOLARIZATION) Sự tái phân cực(REPOLARIZATION)

RESTORATION OF IONIC BALANCE

Hình 1.5 iện sinh l học của tế bào cơ tim

1.3.2.2 Hệ thống dẫn của tim

Nằm tại tâm nhĩ phải tại tĩnh mạch chủ trên là nút xoang (xoang tâm nhĩ hay nút SA) bao gồm các tế bào cơ đặc biệt Nút xoang tâm nhĩ của con người có hình dạng lưỡi liềm và dài khoảng 15 mm rộng khoảng 5mm (xem hình 1.6) Các tế bào nút SA là các tế bào tự kích thích, là các tế bào dẫn tốc điều nhịp Nó phát sinh một điện thế hoạt động với tốc độ là khoảng 70 trên một phút Từ nút xoang, xung hoạt động truyền thông qua tâm nhĩ, nhưng không thể truyền thẳng qua ranh giới giữa tâm nhĩ và tâm thất, như đã lưu ý ở trên

Nút nhĩ thất (nút AV) nằm tại ranh giới giữa tâm nhĩ và tâm thất; nó có một tần số đặc trưng khoảng 50 xung/phút Tuy nhiên, nếu nút AV được khởi động bởi một tần số cao hơn, nó hoạt động theo tần số cao hơn đó Trong tim bình thường, nút AV chỉ cung cấp đường dẫn truyền từ tâm nhĩ tới tâm thất Vì vậy, dưới các điều kiện bình thường, tâm thất có thể chỉ được hưng phấn bởi xung truyền qua nó[4,6]

Sự lan truyền từ nút AV tới tâm thất được cung cấp bởi một hệ thống dẫn truyền đặc biệt Thực chất, hệ thống này bao gồm các bó chung, gọi là bó His (tên của nhà vật lý Wilhelm His, Jr , 1863-1934) Xa hơn, nó chia thành hai bó nhánh truyền dọc theo mỗi bên của vách ngăn, tạo thành bó nhánh phải và trái (nhánh trái sau đó chia thành nhánh trước và nhánh sau) Xa hơn nữa, các nhánh phân ra thành sợi Purkinje (đặt tên theo Jan Evangelista Purkinje, (Séc, 1787-1869)) mà phân ra vào thành bên trong của tâm thất Truyền dọc theo hệ thống truyền dẫn diễn ra với một tốc độ tương đối cao một khi nó nằm trong vùng tâm thất, nhưng trước đó (truyền qua nút AV) vận tốc là cực kỳ thấp

Từ phía bên trong của thành tâm thất, có rất nhiều vị trí hoạt động hình thành nên một mặt sóng mà được truyền qua khối tâm thất tới thành bên ngoài Quá trình này là kết quả của hoạt động từ tế bào tới tế bào Sau khi mỗi một vùng cơ tâm thất được khử cực, sự tái khử cực xuất hiện Sự tái khử cực không phải là một hiện tượng truyền dẫn, và bởi vì khoảng thời gian của một xung hoạt động là ngắn hơn rất nhiều tại màng ngoài tim (phía bên ngoài của cơ tim) so với tại màng trong tim

(phía bên trong của cơ tim) Sự kết thúc của hoạt động xảy ra khi nó truyền từ màng ngoài tim tới màng trong tim [4,6]

Hình 1.6 Hệ thống truyền dẫn của tim

Bởi vì tốc độ thực chất của nút xoang là lớn nhất, nó đặt một tần số hoạt động khắp cả tim Nếu liên kết giữa tâm nhĩ và nút AV bị hỏng, nút AV hoạt động theo tần số thực chất của nó Nếu hệ thống truyền dẫn hỏng tại bó His, tâm thất sẽ đập với tốc độ được xác định bởi vùng của nó mà có tần số thực chất cao hơn Hiện tượng điện của tim được tóm tắt ở bảng 1.3 Dạng sóng của xung hoạt động được quan sát trong các mô tim đặc biệt khác nhau được thể hiện ở hình 1.7

Tái khử cực tâm nhĩ xuất hiện trong suốt quá trình khử cực tâm thất; vì vậy, nó không thường được thấy ở điện tim đồ [4,6]

Bảng 1.3 Các hiện tượng điện của tim [4,6]

Hình 1.7 iện sinh học của tim: Các dạng sóng khác nhau cho mỗi một tế bào đặc

biệt khác nhau được tìm thấy ở tim

1.3.3 Dòng điện hoạt động trong tế bào tim

Hình 1.8A và 1.8B dưới đây biểu diễn một phần tế bào tim truyền sự khử cực (A) và tái phân cực (B) và như vậy các mặt sóng được truyền qua Trong hình ảnh minh hoạ này, các mặt sóng di chuyển từ phải qua trái, tức là trục thời gian trỏ về bên phải Có hai đặc tính quan trọng của tế bào tim chúng ta sẽ áp dụng để phân tích

sự phân bố dòng điện và điện thế kết hợp với quá trình truyền sóng Thứ nhất, các tế bào liên kết với nhau bởi các đường trở kháng nhỏ (các mối nối chỗ hở), kết quả là dòng điện chảy trong môi trường nội mô của một tế bào sẽ chảy tự do sang tế bào tiếp theo Thứ hai, không gian giữa các tế bào rất hạn chế (theo tính toán là nhỏ hơn 25% tổng thể tích) Kết quả là cả dòng điện nội mô và ngoại mô đều được hạn chế theo hướng song song với quá trình truyền các mặt sóng[4,6]

Những điều kiện kể trên là chính xác đối với mô hình dẫn ống tuyến tính; nghĩa là cả dòng điện nội mô và ngoại mô chảy theo hướng tuyến tính Trên thực tế, khi chúng ta sử dụng điều kiện Ii+I0=0 và từ phương trình 1.1

Lấy phương trình thứ hai trừ đi phương trình thứ nhất trong 1.3 và áp dụng

Vm = Φi - Φo được định nghĩa là thế năng xuyên màng, chúng ta nhận được:

Từ phương trình 2.10 chúng ta sẽ nhận được mối liên hệ quan trọng thích hợp với các điều kiện của vật dẫn bản chất tuyến tính như sau:

(1.5)

Và

(1.6) Các công thức trên mô tả các điều kiện của một bộ phân chia chia điện áp và

nó đã được chỉ ra bởi Hodgkin và Rushton Chú y rằng chúng phụ thuộc vào giá trị của công thức tính độ thẩm thẩu và ngược lại nó cũng đòi hỏi rằng không có một dòng điện nào trong vùng xác định của các điều kiện này

Hình 1.8 Nguồn gốc của điện tâm đồ

1.3.4 Sóng khử cực

Chúng ta có thể sử dụng phương trình 1.6 để nghiên cứu quá trình truyền sóng Sự biến thiên trong giá trị của Vm (x) dễ dàng suy luận từ hình 1.8C (đường chấm gạch), bởi vì trong vùng hoạt hóa điện thế thường ổn định ở mức +40mV, trong khi đó điện thế ở vùng nghỉ khoảng -80mV Vùng chuyển tiếp thường rất hẹp (khoảng 1mm tương ứng với quá trình khử cực khoảng 1ms và vận tốc < 1m/s), như hình vẽ mô tả Áp dụng phương trình 1.5 cho kết quả trạng thái thế năng ngoại mô được biểu diễn như hình 1.8C (đường nét đậm) Trong hình 1.8, tỉ số ro/(ro + ri)= 0.5 được chọn dựa trên nền tảng chứng minh thực nghiệm về quá trình truyền dọc treo trục sợi tim (Kléber and Riegger, 1986) [4,6] Dòng xuyên màng Im có thể được ước lượng từ Vm(x) trong hình 1.8C bằng cách áp dụng công thức tổng quát:

(1.7)

Vì vậy phương trình cho dòng xuyên màng Im là :

(1.8) Dòng điện này được hạn chế trong vùng khử cực Như được biểu diễn trong hình 1.8A, về phía bên phải đường trục đó là hướng vào trong (mũi tên dày), và ở phía bên trái là hướng ra ngoài (mũi tên mỏng) Phần hướng vào trong tương ứng với dòng Na vào, được hoạt hóa bởi sự tăng nhanh, đột biến tính thấm của Na Dòng ra là dòng cục bộ khử cực ban đầu các mô nghỉ và đang tiến dần về bên trái (trong hướng lan truyền) Chiều hướng của dòng xuyên màng gần đúng như hình 1.8E khi sử dụng phương trình 1.8

Khảo sát thế năng ngoại mô Φo cho kết quả giống nhau ngoại trừ sự thay đổi nhanh ngang qua mặt sóng Như vậy sự thay đổi từ dương sang âm là sự thay đổi được dự đoán ở nguồn lớp kép nơi mà hướng lưỡng cực từ phải sang trái Do đó chúng ta có thể kết luận rằng: đối với sự khử cực (hoạt hóa) của mô tim, một lớp kép xuất hiện ở mặt sóng với định hướng lưỡng cực theo hướng lan truyền Lớp kép này có thể gần đúng như một nguồn tỷ lệ thuận với dòng xuyên màng - được đánh

giá bởi một nguồn điểm âm tổng hợp (phía bên phải) và nột nguồn điểm dương tổng hợp (phía bên trái) Hai nguồn này được đặt cùng nhau tạo thành một lưỡng cực theo hướng lan truyền (hướng bên trái) Kết quả, phía tích điện dương của một lớp kép đang trỏ tới điện cực ghi phía bên trái sẽ tạo ra một tín hiệu ECG dương (hình 1.8G)

1.3.5 Sóng tái phân cực

Về mặt nguồn gốc, bản chất của sóng tái phân cực khác với sóng khử cực Không giống như sự phân cực, sự tái phân cực không phải là một hiện tượng lan truyền Nếu chúng ta xem xét vị trí của các tế bào tái phân cực tại những thời điểm liên tiếp nhau thì sự tái phân cực có thể gần đúng với hiện tượng sóng tiếp diễn.Như

đã trình bày ở phần trước, khi một tế bào khử cực, tiếp sau đó các tế bào khác gần

nó khử cực và sinh ra điện trường hoạt hóa hiện tượng khử cực Theo cách này, quá trình khử cực tiếp diễn giống như sự lan truyền sóng bên trong mô tim [4,6]

Quá trình tái phân cực trong một tế bào xảy ra do xung hoạt động chỉ có một khoảng thời gian nhất định; vì vậy tế bào tái phân cực tại một thời điểm nào đó sau quá trình khử cực, chứ không phải do sự tái phân cực của một tế bào gần đó Nếu xung hoạt động của tất cả các tế bào là các khoảng thời gian bằng nhau thì sự tái phân cực sẽ theo chiều hướng nối tiếp nhau như sự khử cực Tuy nhiên, trong thực

tế, đây không phải trường hợp ở trong cơ tâm thất Các xung hoạt động của các tế bào thượng tâm vị (trên bề mặt phía bên ngoài) ngắn hơn các xung của tế bào màng trong tim (trên bề mặt phía trong) Bởi vậy đường đẳng thời của các tế bào tái phân cực tiếp diễn từ lá tạng màng ngoài tim đến màng trong tim, dẫn đến ảo tưởng rằng

sự tái phân cực tiếp diễn giống như sóng truyền từ lá tạng màng ngoài tim đến màng trong tim [4,6]

Nếu hình dạng các xung hoạt động của tim giống nhau, sau quá trình khử cực

từ phải qua trái thì quá trình khôi phục (tái phân cực) cũng tiếp diễn từ phải qua trái Trường hợp này được mô tả trong hình 1.8B được lý tưởng hóa cao, tại đó các tế bào hoạt hóa sớm nhất cần phải khôi phục đầu tiên Quá trình khôi phục các tế bào

tim tương đối chậm, cần đến 100 ms (so với thời gian cần thiết để hoạt hóa hoàn toàn - xấp xỉ 1ms) Vì lí do này, trong hình 1.8B chúng ta mô tả khoảng thời gian khôi phục rộng hơn nhiều khoảng thời gian hoạt hóa

Cực tính của Vm(x) giảm từ giá trị ổn định +40mV ở phía bên trái xuống giá trị nghỉ -80mV ở phía bên phải (hình 1.8D đường chấm gạch) Một lần nữa phương trình 1.6 được áp dụng trong trường hợp này để biểu diễn thế năng ngoại bào Φo (đường nét đậm) tăng từ âm sang dương Và nó trải ra trên một vùng cơ tim khá rộng (trong thực tế nếu sự hoạt hóa chiếm 1mm, tiếp đó sự khôi phục chiếm 100mm thì mối quan hệ được thừa nhận trong hình 1.8B, bởi vì trên thực tế nó bao gồm toàn bộ tim) [4,6]

Dòng xuyên màng Im có thể được suy ra từ Vm(x) trong hình 1.8D bằng cách áp dụng phương trình 1.6 Được biểu diễn như hình 1.8B, về phía bên phải đường trục đó là hướng ra ngoài (mũi tên dày), và ở phía bên trái là hướng vào trong (mũi tên mỏng) Phần hướng ra ngoài tương ứng với dòng K ra, dựa trên sự tăng nhanh tính thấm của K Dòng vào là dòng cục bộ Chiều hướng của dòng xuyên màng trong suốt quá trình tái phân cực gần đúng như hình 1.8F

Vì vậy, trong suốt quá trình tái phân cực, một lớp kép được hình thành giống như lớp kép được quan sát trong quá trình khử cực Tuy nhiên, lớp kép trong quá trình tái phân cực có chiều ngược với chiều lớp kép trong quá trình khử cực Do đó mặt âm của lớp kép trỏ tới điện cực ghi, kết quả là tín hiệu (ECG) âm được ghi (hình 1.8H) Trong cơ tim thật, vì khoảng thời gian thế năng hoạt động tại lá tạng mặt ngoài tim thực sự ngắn hơn ở màng trong tim, pha khôi phục xuất hiện và dịch chuyển từ màng ngoài tim đến màng trong tim ngược với quá trình hoạt hóa (ngược hướng như ví dụ trên).Hệ quả là lưỡng cực khôi phục cùng hướng với lưỡng cực hoạt hóa (ngược lại so với hình 1.8B) Do lưỡng cực khôi phục và hoạt hóa cùng hướng nên ta có thể giải thích rằng tín hiệu ECG khôi phục và hoạt hóa là cùng chiều [4,6]

1.3.6 Sự liên hệ của tín hiệu điện tim với sinh lý

Tín hiệu điện tim (ECG) bao gồm các sóng thành phần như sóng phức QRS, sóng P, sóng T và sóng U Sóng QRS được tạo ra do quá trình khử cực tâm thất, sóng P được tạo ra do quá trình khử cực tâm nhĩ, sóng T là kết quả của quá trình tái cực tâm thất và sự nghỉ nghơi, thư giãn Mỗi sóng thành phần này đều có ý nghĩa đặc trưng riêng về biểu hiện tình trạng bệnh lý của tim Dưới đây đưa ra một vài trường hợp về tình trạng bệnh lý của tim ứng với mỗi thành phần sóng trong tín hiệu điện tim ECG

 Sóng phức QRS thường biểu thiện về tình trạng nhịp tim nhanh, chậm hay bình thường Một hiện tượng sinh lý điển hình của sóng phức QRS đó là liên quan đến nhịp xoang Giá trị bình thường của nhịp xoang là 60 - 100 lần/phút Nếu nhịp xoang dưới 60 lần/phút thì gọi là nhịp chậm xoang Nguyên nhân có thể do cường phế vị hoặc phó giao cảm, hoặc trong giai đoạn cấp của nhồi máu cơ tim,đặc biệt là nhồi máu cơ tim phần hoành [5]

Hình 1.9 Nhịp xoang chậm

Nếu nhịp tim > 100 lần/phút thì gọi là nhịp nhanh xoang Nguyên nhân: thường gặp nhất là do đáp ứng sinh lý đối với hoạt động gắng sức, sốt, đau, sợ hoặc các stress khác Tuy nhiên, cần phải loại trừ tình trạng suy tim xung huyết hoặc các nguyên nhân gây chèn ép tim Thiếu máu cũng có thể gây ra nhịp nhanh xoang [5]

Hình 1.10 Nhịp xoang nhanh

 Trong trường hợp không có sóng P, hoặc sóng P bị đảo ngược hoặc bị ẩn trong sóng phức QRS Đồng thời nhịp tim từ 60 - 100 thì trường hợp này là nhịp bộ nối tăng cường[5]

Hình 1.11 Nhịp bộ nối tương cường

 Sóng T và ST thường liên quan tới hiện tượng suy mạch vành và nhồi máu

cơ tim Đoạn ST bình thường là đường đẳng thế (đẳng điện), khi đoạn ST này bất thường (chênh lên hoặc chênh xuống) thì liên quan tới hiện tượng nhồ máu cơ tim[5]

Hình 1.12 oạn ST bình thường

Khi đoạn ST chênh xuống thì thường là do nhồi máu cơ tim, phì đại thất trái

và khiếm khuyết dẫn truyền liên thất

Hình 1.13 oạn ST chênh xuống

Khi đoạn ST chênh lên thì thường là do nhồi máu cơ tim cấp đang gia tăng Ngoài ra, do sự tái cực sớm, viêm màng ngoài tim, tắc động mạch phổi và có thể do phình thất[5]

Hình 1.14 oạn ST chênh lên

 Sóng T: Sự bất thường của sóng T có thể do hạ huyết áp, sa van hai lá, thiếu máu cơ tim, phì đại thất, rối loạn dẫn truyền trong thất, rối loạn điện giải, tác dụng của thuốc, viêm cơ tim, bệnh cơ tim, rối loạn nội tiết, viêm màng ngoài tim, béo phì Khi sóng T bình thường thì ở dạng không đối xứng, ở dạng bất thường thì T đối xứng, đỉnh nhọn, hoặc T đảo ngược, T dẹt [5]

1.4 Cỏc hệ thống đo tớn hiệu điện tim tiờu biểu

Hỡnh 1.16 Mỏy điện tim 6 kờnh của hóng Nihon Kohden

Đặc tính kỹ thuật:

* Thu tín hiệu điện tim:

- Mạch vào: Đ-ợc cách ly và bảo vệ để tránh sốc điện tim (BJ-901D, BJ-902D hoặc BA-901D)

- Đạo trình ECG: 12 đạo trình

- Chuyển đổi tín hiêu số: 1,25V

- Kiểm tra điện cực: Mỗi điện cực trừ N (RF)

- Thời gian thu tín hiệu điện tim khi ghi tự động: 10 – 24s

* Xử lý tín hiệu:

- Tỷ lệ lấy mẫu phân tích: 500mẫu/giây

- Tỷ lệ thu thập mẫu: 8000mẫu/giây

- Bộ lọc nhiễu xoay chiều: 50/60Hz

- Hằng số thời gian:  3.2s

- Bộ lọc cao tần: 75, 100, 150 Hz

- Bộ lọc nhiễu điện cơ: 25, 35 Hz

- Phát hiện trạng thái sóng: tuột điện cực (điện thế), độ nhiễu (cao tần)

- Điện thế phát hiện nhỏ nhất: ≤ 20Vp-p

- Sử lý in: Đầu in nhiệt có độ phân giải cao

- Mật độ in: 200dpi (8dots/mm), 320 dot/mm2 (25mm/s)

- Chiều ngang: 40 dots/mm (25 mm/s)

- Độ nhậy: 5, 10, 20mm/mV (có thể tự động làm giảm độ nhạy xuống 2.5mm/mV hoặc 1.25 mm/mV khi bật điều chỉnh tự động và tín hiệu điện tim biên độ cao quá mức)

- Ghi dạng l-ới: có thể

- Thông số ghi: Loại ch-ơng trình ghi, ngày tháng năm, giờ phút, tốc độ giấy, độ nhạy, đáng dấu tên đạo trình, Bộ lọc, tên bệnh viện, thông tin bệnh nhân (nạp họ tên, tuổi, giới tính), đánh dấu thời gian, đánh dấu kết quả phân tích, báo tuột điện cực, độ nhiễu

- Nhiễu cơ khí: 48 dB hoặc ít hơn với tốc độ giấy 10, 12.5, 25 mm/s

- Loại giấy ghi: dài 20m, 140 mm/trang

* Phân tích điện tim:

- Tên ch-ơng trình: ECAPS 12C

- Tuổi bệnh nhân phân tích: 3 tuổi đến ng-ời lớn

- Thời gian phân tích: 5 giây

- Mục tìm ra kết quả điện tim: gần 200

- Mục phân tích kết quả: 5

*Đầu vào/ đầu ra:

Tín hiệu vào: 10 mm/0.5 V 5%, điện trở đầu vào 100k hoặc nhiều hơn

Tín hiệu ra: 1 mV/0.5 V 5%, điện trở đầu ra 100 hoặc nhiều hơn

* T-ơng thích điện từ

IEC60601-1-2 (1993), CISPR 11 (1990) Nhóm 1 Cấp B

IEC60601-2-25 sửa đổi lần 1(1999)

CHƯƠNG 2:

ĐẶC TÍNH CỦA CÁC LOẠI NHIỄU

Trong quá trình ghi đo tín hiệu ECG từ cơ thể người, sự ảnh hưởng của nhiễutới tín hiệu ECG là không thể tránh khỏi Nhiễu có thể được chia ra làm ba loại chính đó là: nhiễu do nguồn cung cấp điện xoay chiều (nhiễu 50Hz), nhiễu đường biên và nhiễu trắng

2.1 Nhiễu trắng

Nhiễu trắng (white noise) hay còn gọi là white noise Gaussian Đây là loại nhiễu ngẫu nhiên có trong tất cả các thành phần tần số, nằm trong dải từ 0Hz đến vô cùng

Hình 2.1 thể hiện nhiễu trắng ở mức 0,2mV có trong tín hiệu ECG tần số 1,2Hz

Hình 2.2 thể hiện phổ biên độ của nhiễu trắng mức 0,2mV

Hình 2.1 Tín hiệu ECG có nhiễu trắng ở mức 0,2mV

2.2 Nhiễu nguồn cung cấp điện xoay chiều (nhiễu 50Hz)

Nhiễu nguồn cung cấp điện xoay chiều (Power Line Interference-PLI) hay còn gọi là nhiễu trường điện từ, loại nhiễu này do nguồn điện xoay chiều gây ra.Loại nhiễu này rất dễ đan xen vào những tín hiệu có biên độ nhỏ chẳng hạn như tín hiệu điện sinh học.Do vậy, nó gây ra những vấn đề khó khăn trong việc phân tích tín hiệu điện sinh học Để phòng ngừa sự ảnh hưởng của loại nhiễu này tới việc ghi đo các tín hiệu điện sinh học thì phải để thiết bị này càng xa nguồn xoay chiều càng tốt hoặc phải tiếp đất thiết bị này Để loại bỏ nhiễu 50Hz ra khỏi tín hiệu điện sinh học nói chung và tín hiệu ECG nói riêng, cho đến nay có nhiều phương pháp

đã được nghiên cứu và thử nghiệm Có thể kể đến một số phương pháp như combination of Notch and moving Average method for PLI reduction – Manpreet Kaur, Birmohan Singh[7] Mahesh S Chavan, R.A Aggarwala, M.D.Uplane [8] has used Digital FIR Filters based on Rectangular window for the power line noise reduction.Removal of 60Hz PLI and ECG signal amplification of Remote ECG systems was developed by Ying-Wen Bai [9] A novel method for elimination of PLI and BW in ECG signal was developed by Zhi-Dong Zhao[10].Removal of 50Hz PLI using Discrete Wavelet Transform for Quality Diagnosis of Biomedical

Hình 2.2.Phổ của nhiễu trắng ở mức 0,2mV

ECG Signal was developed by Ramesh D Mali, Mahesh S Khadtare, Dr U.L Bombale [11].Hình 2.3 thể hiện tín hiệu ECG có nhiễu 50Hz, biên độ nhiễu là 0,2mV

Hình 2.4 thể hiện phổ biên độ của nhiễu 50Hz, biên độ 0,2mV có trong tín hiệu ECG

2.3 Nhiễu đường biên (Baseline wander hoặc baseline noise)

Nhiễu đường biên trong tín hiệu điện tim ECG có thể được tạo ra bởi một số nguyên nhân chẳng hạn như sự thay đổi của trở kháng giữa điện cực và da, quá trình thở và sự chuyển động của bệnh nhân [12] Nhiễu đường biên còn được gọi là nhiễu không đường thẳng, được tạo ra một cách ngẫu nhiên có tần số thấp (từ 0 đến 0,8Hz).Rất khó khăn để phân tích, lọc nhiễu đường biên khi mà biên độ và tần số của nó không ổn định Để loại bỏ nhiễu đường biên khỏi tín hiệu ECG, cho đến nay

Hình 2.3.Nhiễu 50Hz ở mức 0,2mV có trong tín hiệu ECG

Hình 2.4 Phổ của nhiễu 50Hz ở mức 0,2mV

đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này chẳng hạn như lọc nhiễu đường biên sử dụng

bộ lọc thông cao với tần số cắt là 0,8Hz[13] Tuy nhiên, phương pháp không được

sử dụng bởi vì nó tạo ra sự méo dạng của tín hiệu ECG, đặc biệt ở đoạn ST Các kỹ thuật lọc thích nghi đã được nghiên cứu, phát triển để lọc nhiễu đường biên [14] Nhưng trong một số trường hợp, các kỹ thuật này cho thấy sự khó khăn trong việc nhận được một tín hiệu tham chiếu phù hợp, tính ứng dụng bị giới hạn

Ngoài ra, các phương pháp chuyển đổi Wavelet cũng được nghiên cứu, ứng dụng để loại bỏ nhiễu đường biên chẳng hạn như phương pháp sử dụng ngưỡng trong wavelet, biến đổi wavelet rời rạc, wavelet packet,….Mặc dù các phương pháp này rất triển vọng nhưng chúng vẫn còn tồn tại nhược điểm đó là sự chính xác của

bộ lọc Wavelet phụ thuộc vào sự thay đổi của dải tần số cũng như biên độ của tín hiệu nhiễu đường biên và nó thay đổi mạnh mẽ khi tần số của tín hiệu nhiễu đường biên đạt tới giá trị của tần số ngưỡng [15]

Hình 2.5 thể hiện tín hiệu ECG có nhiễu đường biên ngẫu nhiên, tần số 0,5Hz, biên

độ nhiễu là 0,5mV

Trường hợp đặc biệt thì nhiễu đường biên có tần số trùng với tần số của tín hiệu ECG Với trường hợp này, để loại bỏ nhiễu đường biên khỏi tín hiệu điện timthì người ta thường phương pháp lọc trong miền thời gian

Hình 2.5.Nhiễu đường biên, tần số 0,5Hz và biên độ = 0,5mV có

trong tín hiệu ECG

Hình 2.6 thể hiện tín hiệu ECG có nhiễu đường biên ngẫu nhiên, tần số 1,2Hz (trùng với tần số của tín hiệu ECG ), biên độ nhiễu là 0,5mV

Hình 2.7 và 2.8 thể hiện phổ biên độ của hai tín hiệu nhiễu đường biên tần số 0,5Hz; 1,2Hz; biên độ 0,5mV tương ứng

Hình 2.6.Nhiễu đường biên, tần số 1,2Hz và biên độ = 0,5mV có

trong tín hiệu ECG

Hình 2.7 Phổ biên độ của nhiễu đường biên ngẫu nhiên có tần số 0,5Hz

và biên độ = 0,5mV

2.4 Nhiễu do run cơ

Khi bệnh nhân bị căng thẳng, lo sợ hoặc mất bình tĩnh sẽ gây run cơ, tạo

nhiễu sóng cơ Dải tần của loại nhiễu này luôn nằm trong dải 20Hz ÷ 30Hz nên có

thể được lọc bằng bộ lọc chắn dải cố định

Hình 2.9 Nhiễu do run cơ Hình 2.8 Phổ biên độ của nhiễu đường biên ngẫu nhiên có tần số 1,2Hz

và biên độ = 0,5mV

CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ BỘ LỌC SỐ CHO MẠCH ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

3.1 Phân tích tín hiệu điện tim

Những tế bào cấu tạo nên cơ tâm thất được ghép đôi với nhau ở chỗ giao của các kẽ hở.Với trái tim khỏe mạnh bình thường, có một điện trở rất nhỏ Như vậy, sự hoạt động trong một tế bào luôn sẵn sàng lan truyền sang những tế bào bên cạnh Điều đó nói lên rằng trái tim cư xử như một hợp bào Một sóng lan truyền được khởi đầu tiếp tục lan truyền đều tới những vùng trong trạng thái nghỉ Chúng ta đã khảo sát được trạng thái điện vật lí của một sợi đồng nhất Bây giờ chúng ta có thể

áp dụng những kết quả này cho tim nếu ta coi như tim được cấu tạo từ những sợi đồng nhất Những sợi tương đương này là đại diện chính xác vì chúng phù hợp với hợp bào tự nhiên của tim Thực tế, vì những hợp bào phản ánh mối liên kết trong mọi hướng Chúng ta có thể chọn sự định hướng của sợi sao cho thuận lợi.( giá trị dẫn xuất được cho với những sợi tương ứng với chúng, cái này hiện tại đã được đo) [4-6]

Chúng ta biết nhiều về sự hoạt động liên tục trong tim khi nghiên cứu về giống chó Những mẫu nghiên cứu sớm nhất trong chủ đề này đã được thực hiện bởi Scher and Young (1957) Gần đây, có nhiều nghiên cứu thực hiện trên tim người và một bài báo mô tả về những kết quả thu được đã được công bố bởi Durrer et al (1970) Những nghiên cứu này đưa ra rằng mặt sóng hoạt động là tương đối giống nhau, từ màng trong tim tới lá tạng ngoài tâm mạc và từ đỉnh tới đáy

Một cách để mô tả hoạt động của tim là ta vẽ liên tục những mặt sóng khử cực tức thời Do những bề mặt này nối mọi điểm trong pha thời gian giống nhau Bề mặt của mặt sóng cũng được xem như là đẳng thời gian (cùng nhau về mặt thời gian) Một sự định lượng của nguồn lưỡng cực có thể được tính toán bằng cách suy rộng phương trình cho mỗi sợi tương đương Quá trình này gồm được thực hiện bằng cách lấy gradient khoảng không gian Vm Nếu chúng ta cho rằng trên một mặt của tế bào là ở trạng thái nghỉ hoàn toàn , trong khi ở mặt còn lại là ở trạng thái cân bằng

hoàn toàn, thì nguồn sẽ bằng không ở mọi nơi trừ ở mặt sóng Bởi vậy, mặt sóng hay đường đẳng thời gian không chỉ mô tả bề mặt hoạt động mà còn cho biết vị trí của những nguồn của lớp kép [4-6]

Từ những điều ở trên chúng ta có thể nghiên cứu sự tạo ra ECG trên thực tế bằng cách đưa vào quá trình tính toán một chuỗi các hoạt dộng thực tế của lớp kép Như

sự mô tả trong hình 3.1 Sau khi hoạt động điện của tim được bắt đầu từ nút Xoang,

nó được truyền dọc theo thành tâm nhĩ, kết quả tạo ra là các vector điện thế hoạt động của tâm nhĩ , được minh họa bằng một mũi tên màu đậm Hình chiếu của vector tổng hợp này lên 3 đạo trình chi của Einthoven mang cực tính dương nên tín hiệu thu được mang cực tính dương Sau khi quá trình khử lan truyền qua thành tâm nhĩ, nó đi tới nút AV Quá trình truyền qua tiếp giáp AV rất chậm và nó liên quan tới số lượng các mô nên nó tạo ra một khoảng thời gian trễ của quá trình hoạt động (đây là khoảng thời gian tạm dừng mong muốn có được vì nó cho phép thực hiện quá trình hút đầy máu của tâm thất) [4-6]

Khi quá trình hoạt động được truyền tới tâm thất, nó tiếp tục lan dọc theo các sợi Purkinje tới thành trong của các tâm thất Quá trình khử cực của tâm thất bắt đầu từ vách ngăn bên trong tâm thất trái và do đó nó làm cho lưỡng cực từ các điểm hoạt động thuộc vách ngăn chuyển sang phía bên phải Trên hình 1.5 thể hiện rằng đây là nguyên nhân tạo ra các tín hiệu mang cực tính âm trong các đạo trình I và II

Trong pha tiếp theo, các sóng khử cực xuất hiện ở cả hai bên của vách ngăn tâm thất và khử các lực điện của chúng, vì vậy các đỉnh hoạt động cũng sớm xuất hiện

và do đó tạo nên một vector đỉnh [4-6]