Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang

Có thể nói nhịp tim chính là một trong các thông số quan trọng đầu tiên được phát hiện và dùng để chẩn đoán tình trạng của một người. Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức năng bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch và đem dưỡng khí cùng các chất dinh dưỡng đến các cơ quan trong cơ thể. Hệ thống tim mạch của con người bao gồm tim, mạch máu và khoảng năm lít máu mà mạch máu vận chuyển. Đo nhịp tim cho thấy sự lành mạnh của hệ thống tim mạch của con người, nhịp tim nhanh hay chậm phản ánh tình trạng bệnh lý hay chỉ đơn giản là sự vận động của cơ thể. Từ xa xưa, việc đo nhịp tim đã trở nên vô cùng quan trọng nhưng có điều nó rất kém chính xác và thủ công vì là bắt mạch ở cổ tay. Cách xác định này chỉ mang tính chất ước lượng, theo kinh nghiệm là chủ yếu và dễ có sai sót. Nhưng ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thì các máy đo nhịp tim ra đời, rất gọn nhẹ và tiện dụng. Điển hình như máy đo điện tim ECG là một thiết bị hết sức thông dụng tại các cơ sở y tế, các máy đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu và nhịp tim... Tuy nhiên các thiết bị hiện nay có giá thành khá cao hoặc vận hành phức tạp, chưa phù hợp với nhiều cá nhân muốn tự theo dõi tại nhà, do vậy tôi chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Mục đích của đề tài này là xây dựng được một hệ thống theo dõi nhịp tim hoàn chỉnh có kết cấu đơn giản, có thể theo dõi và hiển thị nhịp tim liên tục, đảm bảo độ chính xác. Trong đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu và phát triển một thiết bị theo dõi nhịp tim khi nghỉ ngơi dựa trên mạch xử lý Arduino Mini có chi phí thấp và sử dụng cảm biến quang học để đo sự thay đổi thể tích máu trên đầu ngón tay. Nội dung của đồ án gồm có 3 chương: - Chương 1. Tổng quan về cơ sở lý thuyết và nguyên lý đo nhịp tim - Chương 2. Cơ sở xây dựng mô hình đo nhịp tim - Chương 3. Thiết kế mô hình đo nhịp tim Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của giảng viên ThS. Đặng Trần Huy cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử y sinh. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới mọi người đã giúp tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KHÓA 13

HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ DÀI HẠN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ Y SINH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM

THÔNG QUA CẢM BIẾN QUANG

NĂM 2019

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

Phê chuẩn Độ mật: …………

CHỦ NHIỆM KHOA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành: Điện tử y sinh

1 Tên đề tài: “Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang”

2 Các số liệu ban đầu: Đo trực tiếp với các thiết bị trong bệnh viện

3 Nội dung bản thuyết minh: Bản thuyết minh gồm 3 chương:

- Chương 1 Tổng quan về cơ sở lý thuyết và nguyên lý đo nhịp tim

- Chương 2 Cơ sở xây dựng mô hình đo nhịp tim

- Chương 3 Thiết kế mô hình đo nhịp tim

4 Sản phẩm: Mô hình đo nhịp tim hoàn chỉnh

5 Cán bộ hướng dẫn: Đại úy, Thạc sĩ Đặng Trần Huy - Giảng viên Bộ môn

Điện tử y sinh - Khoa Kỹ thuật điều khiển, hướng dẫn toàn bộ đồ án

Ngày giao: … / … / …… Ngày hoàn thành: … / … / ……

Hà Nội, ngày … tháng … năm ……

Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn

GVC, TS Nguyễn Mạnh Cường GV, ThS Đặng Trần Huy

Học viên thực hiện

Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày … tháng … năm ……

Lê Thế Trung

DANH MỤC VIẾT TẮT

ADC Analog to digital converter

SpO2 Saturation of peripheral oxygen

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO NHỊP TIM 8

1.1 SINH LÝ HỌC VÀ Ý NGHĨA CỦA NHỊP TIM 8

1.1.1 Vị trí, cấu tạo của tim 8

1.1.2 Chu kỳ hoạt động của tim 11

1.1.3 Ý nghĩa của nhịp tim 14

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO NHỊP TIM 15

1.2.1 Cơ sở lý thuyết 15

1.2.2 Nguyên lý đo nhịp tim 16

1.2.3 Các phương pháp đo nhịp tim 18

1.2.4 Đặc trưng tín hiệu 20

1.2.5 Xử lý dữ liệu 21

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO NHỊP TIM 23

2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO 23

2.2 CƠ SỞ MẠCH 23

2.2.1 Định nghĩa bộ khuếch đại thuật toán Op-Amp 23

2.2.2 Các mạch tính toán sử dụng khuếch đại thuật toán 25

2.2.3 Mạch lọc tích cực 33

2.3 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM 42

2.3.1 Phần cứng 42

2.3.2 Phần mềm 44

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 45

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO NHỊP TIM 46

3.1 LINH KIỆN PHẦN CỨNG SỬ DỤNG 46

3.1.1 Mạch điều khiển Arduino Mini Pro 46

3.1.2 Màn hình LCD 16x2 48

3.1.3 IC MCP6002 50

3.1.4 Cảm biến hồng ngoại 51

3.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO NHỊP TIM 52

3.3 KẾT QUẢ SẢN PHẨM 55

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 60

TỔNG KẾT 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 63

LỜI MỞ ĐẦU

Các phát minh khoa học và sự phát triển công nghệ đã giúp cuộc sống củacon người trở nên dễ dàng và tiện nghi hơn Một trong số đó là ứng dụng vào ykhoa giúp các nhân viên y tế có thể thu được những dữ liệu sinh lý quan trọngcủa bệnh nhân Nói một cách chính xác đó là các tín hiệu điện sinh ra trong quátrình hoạt động của các tổ chức sống mang nguồn thông tin cực kỳ hữu ích trongviệc chẩn đoán và điều trị, trở thành một công cụ đắc lực trong hoạt động khámchữa bệnh và nghiên cứu khoa học Ngày nay, việc thu nhận và phân tích tínhiệu điện sinh học dường như không thể thiếu trong bất kỳ cơ sở y tế lớn nhỏnào Nếu một bệnh viện, một phòng khám hay trên xe cứu thương mà thiếu đicác trang thiết bị theo dõi thông số sự sống như monitor hay máy đo điện tim,máy đo huyết áp thì sẽ thật khó khăn trong việc chẩn đoán và thăm khám, có thểgây sai sót ảnh hưởng trực tiếp đến người bệnh

Có thể nói nhịp tim chính là một trong các thông số quan trọng đầu tiênđược phát hiện và dùng để chẩn đoán tình trạng của một người Tim là bộ phậnquan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức năng bơm đều đặn để đẩymáu theo các động mạch và đem dưỡng khí cùng các chất dinh dưỡng đến các

cơ quan trong cơ thể Hệ thống tim mạch của con người bao gồm tim, mạch máu

và khoảng năm lít máu mà mạch máu vận chuyển Đo nhịp tim cho thấy sự lànhmạnh của hệ thống tim mạch của con người, nhịp tim nhanh hay chậm phản ánhtình trạng bệnh lý hay chỉ đơn giản là sự vận động của cơ thể

Từ xa xưa, việc đo nhịp tim đã trở nên vô cùng quan trọng nhưng có điều

nó rất kém chính xác và thủ công vì là bắt mạch ở cổ tay Cách xác định này chỉmang tính chất ước lượng, theo kinh nghiệm là chủ yếu và dễ có sai sót Nhưngngày nay, với sự phát triển của công nghệ thì các máy đo nhịp tim ra đời, rất gọnnhẹ và tiện dụng Điển hình như máy đo điện tim ECG là một thiết bị hết sứcthông dụng tại các cơ sở y tế, các máy đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu vànhịp tim Tuy nhiên các thiết bị hiện nay có giá thành khá cao hoặc vận hànhphức tạp, chưa phù hợp với nhiều cá nhân muốn tự theo dõi tại nhà, do vậy tôichọn đề

tài “Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang” cho đồ án tốt

nghiệp của mình Mục đích của đề tài này là xây dựng được một hệ thống theodõi nhịp tim hoàn chỉnh có kết cấu đơn giản, có thể theo dõi và hiển thị nhịp timliên tục, đảm bảo độ chính xác Trong đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu và phát triểnmột thiết bị theo dõi nhịp tim khi nghỉ ngơi dựa trên mạch xử lý Arduino Mini

có chi phí thấp và sử dụng cảm biến quang học để đo sự thay đổi thể tích máutrên đầu ngón tay Nội dung của đồ án gồm có 3 chương:

- Chương 1 Tổng quan về cơ sở lý thuyết và nguyên lý đo nhịp tim

- Chương 2 Cơ sở xây dựng mô hình đo nhịp tim

- Chương 3 Thiết kế mô hình đo nhịp tim

Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ chỉ bảo tậntình của giảng viên ThS Đặng Trần Huy cùng các thầy cô giáo trong bộ mônĐiện tử y sinh Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới mọi người đã giúp tôi hoànthành đồ án tốt nghiệp này

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO NHỊP TIM

1.1 SINH LÝ HỌC VÀ Ý NGHĨA CỦA NHỊP TIM

1.1.1 Vị trí, cấu tạo của tim

Tim nằm trong trung thất giữa, lệch sang bên trái lồng ngực, đè lên cơhoành, ở giữa hai phổi, trước thực quản và các thành phần khác của trung thấtsau Trục của tim đi từ phía sau ra trước, hướng chếch sang trái và xuống dưới

Hình 1.1 Vị trí tim trong cơ thể người

Tim có thể tích to bằng nắm tay, ở người lớn nặng khoảng 260-270 gam.Trục dọc đi từ sau ra trước, hướng chếch sang trái và xuống dưới, dài khoảng 12

cm, bề ngang khoảng 8 cm

Tim có vách ngăn (vách nhĩ thất) chia thành hai nửa riêng biệt là nửa phải

và nửa trái Nửa phải chứa máu đỏ thẫm, giàu CO2, nửa trái chứa máu đỏ tươi,giàu O2 Nếu có tật ở vách ngăn này sẽ dẫn tới tật thông liên nhĩ và tật thông liênthất Mỗi nửa tim có hai ngăn: một tâm nhĩ ở trên và một tâm thất ở dưới Máu

từ tĩnh mạch chủ trên và tĩnh mạch chủ dưới đổ vào tâm nhĩ phải, máu từ tâmthất phải được bơm vào động mạch phổi trái và phải Máu từ bốn tĩnh mạch phổi

đổ vào tâm nhĩ trái và máu từ tâm thất trái được bơm vào động mạch chủ

Tim được cấu thành từ một loại cơ đặc biệt là cơ tim Tim là một khối cơrỗng, được chia thành 4 buồng: 2 tâm nhĩ và 2 tâm thất Nhĩ phải và nhĩ trái, thànhmỏng, nhận máu tĩnh mạch, đưa xuống thất Thất phải và thất trái, thành dày,bơm máu vào động mạch với áp lực cao Hai tâm nhĩ ngăn cách nhau bởi váchliên nhĩ, hai tâm thất ngăn cách nhau bởi vách liên thất Tim được cấu tạo bởi balớp: ngoại tâm mạc, cơ tim và nội tâm mạc.

Hình 1.2 Cấu tạo của tim

Ngoại tâm mạc (hay màng ngoài tim) là một túi kín gồm hai lớp: bao

sợi bên ngoài, gọi là ngoại tâm mạc sợi và bao thanh mạc lót bên trong, gọi làngoại tâm mạc thanh mạc

- Ngoại tâm mạc sợi dày, chắc, các thớ sợi dính với các cơ quan lân cậnnhư xương ức, cột sống, cơ hoành … trong đó có dây chằng ức ngoại tâmmạc

- Ngoại tâm mạc thanh mạc gồm hai lá: lá thành và lá tạng Giữa hai lá làmột khoang ảo, kín gọi là khoang ngoại tâm mạc

 Lá thành: lót mặt trong ngoại tâm mạc sợi.

 Lá tạng: phủ lên bề mặt tim và một phần các mạch máu lớn ở đáy tim

Lá thành ngoại tâm mạc thanh mạc đến các mạch máu lớn ở đáy tim thìquặt lại tạo nên lá tạng, bao bọc động mạch chủ lên và thân động mạch phổi thành một bao ở phía trước, tĩnh mạch chủ trên và các tĩnh mạch phổi thành một bao ở phía sau Giữa hai bao là xoang ngang ngoại tâm mạc Còn giữa hai tĩnh mạch phổi phải và trái là một túi cùng gọi là xoang chếch ngoại tâm mạc

Cơ tim thuộc lớp giữa, dày, bao gồm có hai loại:

- Các sợi cơ co bóp bám vào bốn vòng sợi quanh bốn lỗ lớn của tim (hai lỗnhĩ thất và hai lỗ động mạch) và các tam giác sợi (phần sợi nằm giữa lỗđộng mạch chủ và hai lỗ nhĩ thất) Các sợi cơ co bóp được chia thành hailoại:

 Loại sợi riêng cho từng buồng tim (tâm nhĩ hoặc tâm thất)

 Loại sợi chung cho hai buồng tim (hai tâm nhĩ hoặc hai tâm thất)

- Các sợi cơ kém biệt hoá tạo nên hệ thống dẫn truyền của tim, có nhiệm vụduy trì sự co bóp tự động của tim Hệ thống này gồm một số nút và bó dẫntruyền sau:

 Nút xoang nhĩ: nằm ở thành tâm nhĩ phải, trong phần đầu của rãnh tậncùng, đây là nút tạo nhịp

 Nút nhĩ thất: ở thành tâm nhĩ phải, giữa lá trong van ba lá và xoang tĩnh mạch vành

 Bó nhĩ thất: từ nút nhĩ thất, chạy ở mặt phải vách nhĩ thất, đến phần cơcủa vách gian thất thì chia thành trụ phải và trụ trái

 Trụ phải: theo bè vách viền chạy vào thành tâm thất phải, tận hết ở các

cơ nhú

 Trụ trái: vào tâm thất trái, cũng tận cùng ở các cơ nhú

Trụ phải và trụ trái phân chia trong thành các tâm thất thành một mạng lưới, đến tận các vùng cơ tim

Nội tâm mạc (hay màng trong tim) mỏng, láng, phủ và dính chặt lên

toàn bộ mặt trong của các buồng tim và liên tiếp với nội mạc các mạch máu

Thành tâm nhĩ mỏng hơn nhiều so với thành tâm thất, vì nhiệm vụ chủyếu của nó là thu nhận máu và co bóp để đẩy máu xuống tâm thất Còn tâm thất

có nhiệm vụ tống máu vào động mạch phổi và động mạch chủ đi nuôi cơ thể

Thành của hai tâm thất cũng không hoàn toàn giống nhau Thành tâm thấttrái dày hơn thành tâm thất phải vì áp lực cần thiết để tống máu chảy trong vòngtuần hoàn nhỏ khoảng 30mmHg nhỏ hơn rất nhiều so với áp lực tống máu vàovòng tuần hoàn lớn khoảng 120mmHg Chính sự khác biệt về áp lực bơm máugiữa hai tâm thất nên khi tâm thất phải hoạt động thường vặn mình sang bên tráilàm cấu tạo của hai nửa quả tim không đối xứng

Hệ thống van tim cấu tạo rất phù hợp với chức năng tạo áp lực cho dòngmáu và giúp máu di chuyển một chiều:

- Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất đảm bảo cho máu chỉ chảy mộtchiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất Giữa tâm nhĩ phải và tâm thất phải là van

ba lá Giữa tâm nhĩ trái và tâm thất trái là van hai lá Van hai lá chắc chắnhơn van ba lá, phù hợp với lực co bóp mạnh của tâm thất trái

- Giữa các tâm thất và động mạch chủ, động mạch phổi có van thất động (vanbán nguyệt hoặc van tổ chim) ngăn không cho máu chảy ngược lại

- Van tim có cấu tạo bởi mô liên kết, không có mạch máu, một đầu gắn cốđịnh vào mấu lồi ở thành trong của tâm thất bằng các dây chằng, một đầugắn với bờ ngăn tâm nhĩ với tâm thất của tim

Tim không lấy máu trực tiếp từ động mạch chủ mà có hệ thống mạch máunuôi dưỡng riêng Đó là hai động mạch vành xuất phát từ động mạch chủ, từ đấylại tiếp tục phân nhánh thành các mao mạch nhỏ hơn đi vào giữa các tế bào cơtim cung cấp chất dinh dưỡng và O2

1.1.2 Chu kỳ hoạt động của tim

Tim đập nhịp nhàng, đều đặn Khoảng thời gian từ đầu của một tiếng timnày đến đầu tiếng tim khác gọi là một chu kỳ tim Trong điện tâm đồ, các hiện

tượng cơ học (co và giãn) và những thay đổi về áp lực tâm nhĩ, tâm thất, thể tíchtâm thất và áp lực động mạch chủ trong suốt chu kỳ tim có liên quan với nhau.

Áp lực ở thất trái cao, còn thất phải thì áp lực thấp hơn nhiều vì thành thấtphải mỏng hơn tuy nhiên thể tích tống máu là như nhau Ở một chu kỳ tim bìnhthường, hai tâm nhĩ co trong khi hai tâm thất giãn và ngược lại

Các giai đoạn của chu kỳ tim: trong điều kiện bình thường tim đập khoảng

75 nhịp trong một phút, thời gian của một chu chuyển tim là 0,8 giây và gồm haithì cơ bản là thì tâm thu và thì tâm trương

Hình 1.3 Thì tâm thu

- Thì tâm thu: kéo dài 0,43 giây, gồm tâm nhĩ thu, tâm thất thu

 Tâm nhĩ thu kéo dài 0,1 giây, lúc này tâm nhĩ co nhằm tống nốt 1/4lượng máu còn lại trong thời kỳ tâm trương Sau khi co, nhĩ giãn ra trongsuốt thời gian còn lại của chu kỳ tim (0,7 giây)

 Tâm thất thu kéo dài 0,33 giây, được chia làm 2 thời kỳ: thời kỳ tăng

áp và thời kỳ tống máu

o Thời kỳ tăng áp (0,08 giây): Mở đầu giai đoạn này là giai đoạn cơtim co bóp không đồng thời (0,05 giây), kết quả là áp lực tâm thấttăng đột ngột, cao hơn áp lực trong tâm nhĩ, máu dội ngược về,đóng van nhĩ thất gây ra tiếng tim thứ nhất tương ứng với đỉnh sóng

R trên điện tâm đồ Tiếp theo là cơ co đẳng trường (0,03 giây), áplực tiếp

tục tăng cao, trong tâm thất trái là 70-80mmHg, trong tâm thất phảikhoảng 100mmHg, áp lực này đủ sức mở van bán nguyệt, tống máu

từ tâm thất sang động mạch

o Thời kỳ tống máu (0,25 giây): Mở đầu giai đoạn này là giai đoạn cơ

co đẳng trương, áp lực trong tâm thất tiếp tục tăng cao, máu tốngnhanh sang động mạch chủ và động mạch phổi Thời gian tống máunhanh kéo dài khoảng 0,12 giây, tống nhanh 4/5 lượng máu từ tâmthất vào động mạch; còn 1/5 lượng máu đưa vào trong thời giantống máu chậm Mỗi lần tâm thất co, tống vào động mạch khoảng70ml, thể tích này gọi là thể tích tâm thu (Qs) Sau đó tốc độ tống máuchậm lại, áp suất tâm thất giảm dần, thời gian tống máu chậm kéodài 0,13 giây Giai đoạn tống máu là giai đoạn quan trọng nhấttrong một chu chuyển tim

Hình 1.4 Thì tâm trương

- Thì tâm trương: kéo dài 0,37 giây, được chia 3 giai đoạn

 Giai đoạn tiền tâm trương (0,04 giây) cơ tâm thất đã ngừng co nhưngvan tổ chim vẫn tiếp tục mở

 Giai đoạn giãn đẳng trường (0,08 giây) trong giai đoạn này cơ tâm thấtgiãn ra nhưng không thay đổi chiều dài Áp lực trong tâm thất giảmxuống thấp hơn trong động mạch Do tính đàn hồi của thành độngmạch,

có xu hướng co về trạng thái cũ, làm máu ở động mạch chủ và độngmạch phổi dội ngược về đóng van tim tổ chim, gây tiếng tim thứ hai.

 Áp suất tâm thất tiếp tục giảm, máu từ tĩnh mạch chủ trên và tĩnh mạchchủ dưới đổ vào tâm nhĩ làm tăng áp suất trong tâm nhĩ, cho đến khilớn hơn áp suất ở tâm thất thì van nhĩ thất mở ra, máu rót xuống thấthơn 70% lượng máu có trong tâm nhĩ

Tâm thất không bơm hết máu, mỗi khi tim bóp, lượng máu còn lại khoảng50ml, gọi là thể tích cuối tâm thu Lượng máu này có thể giảm khi sức co củatim tăng hay sức cản bên ngoài giảm và ngược lại

Thời kỳ tâm trương toàn bộ thay đổi tùy theo tần số tim, khi nhịp timnhanh thời gian tâm trương ngắn lại

1.1.3 Ý nghĩa của nhịp tim

Nhịp tim Beat per min (BPM) là tốc độ nhịp tim đo bằng số lần co thắt

của tim mỗi phút Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu thể chất của cơ thể, baogồm cả nhu cầu hấp thụ oxy và bài tiết carbon dioxide Nó thường bằng hoặcgần với xung được đo tại bất kỳ điểm ngoại vi nào Các hoạt động có thể tạo rathay đổi bao gồm tập thể dục, ngủ, lo lắng, căng thẳng, bệnh tật và khi uốngthuốc

Nhịp tim trung bình của người trưởng thành trong khoảng 60 đến 100 lầnmỗi phút Nếu tim đập dưới 60 lần mỗi phút, đây là nhịp tim chậm Nếu nó đậphơn 100 lần mỗi phút, đó là nhịp tim nhanh Nhịp tim chậm có thể là bìnhthường và khỏe mạnh hoặc nó có thể là một dấu hiệu của vấn đề với hệ thốngđiện tâm đồ Đối với một số người, nhịp tim chậm không gây ra vấn đề gì, nó cóthể là một dấu hiệu rất phù hợp Thanh niên khỏe mạnh và vận động viên thường

có tốc độ dưới 60 nhịp một phút Đàn ông và phụ nữ từ 65 tuổi trở lên rất có thể

bị nhịp tim chậm cần điều trị Khi một người già đi, hệ thống điện của timthường không hoạt động bình thường, do đó cần phải được theo dõi thườngxuyên và định kỳ

Nhịp tim nghỉ ngơi Resting Heart Rate (RHR) là nhịp tim khi ta nghỉ ngơi

sau 10 phút Mặc dù vậy, thời điểm tốt nhất để đo RHR là ngay sau khi thức dậymột cách tự nhiên vào buổi sáng Nói chung, RHR của một người càng thấp, người

đó càng khỏe mạnh vì trái tim không cần phải làm việc chăm chỉ Nhịp tim nghỉngơi có thể giảm do tập luyện thể dục và thể dục phù hợp Tuy nhiên, RHR khácnhau tùy thuộc vào độ tuổi và tình trạng sức khỏe của một người và thời giantrong ngày.

Bảng 1.1 Nhịp tim nghỉ ngơi dựa trên độ tuổi và giới tính

Mỗi chu kỳ, tim sẽ bơm máu tới các mạch ngoại biên khắp cơ thể Mặc dù

áp lực mỗi lần bơm máu đã giảm dần khi chảy tới da, nhưng độ lớn của nó cũng

đủ làm phồng các động mạch và tiểu động mạch trong mô dưới da

Nếu thiết bị đo được gắn vào bên ngoài da, một áp lực dù rất nhỏ trong hệmạch cũng có thể được phát hiện Sự thay đổi về thể tích gây ra bởi áp lực này

có thể được phát hiện bằng cách dùng ánh sáng đèn LED chiếu lên da và đolượng ánh sáng truyền qua đến diode cảm quang

Lượng máu tưới mô trong mỗi chu kỳ tim có liên quan tới nhiều hệ thốngsinh học khác nhau, do đó có thể được dùng để đo và theo dõi nhịp tim, nhịp thở

và các hệ thống tuần hoàn khác Theo các bác sĩ, độ chính xác của kết quả đo được

có thể chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố như:

- Màu sắc da (quy định bởi sắc tố Melanin) hoặc do sơn móng tay, chân

- Máu bất thường (ngộ độc CO…)

- Nhiễu do cử động.

- Nhiễu do ánh sáng phòng

- Tình trạng giảm tưới máu mô (do dùng thuốc, hạ thân nhiệt…)

- Do độ sai tiêu chuẩn của máy (± 2%)

1.2.2 Nguyên lý đo nhịp tim

Nguyên lý của phép đo nhịp tim trong đề tài này là sử dụng nguồn ánh

sáng hồng ngoại có bước sóng 940nm và quá trình hấp thụ ánh sáng của De-oxy

Hemoglobin (HbO2) trong máu trên cơ sở áp dụng định luật Lambert – Beer

Hình 1.5 Phổ hấp thụ HbO 2 ở các bước sóng khác nhau

Định luật Lamber – Beer về sự hấp thụ ánh sáng:

l: quãng đường ánh sáng truyền qua.

Hình 1.6 Sự hấp thụ ánh sáng trong định luật Lambert – Beer

Như vậy, cường độ ánh sáng sau I càng nhỏ tức là ánh sáng bị hấp thụcàng nhiều hay nồng độ HbO2 càng cao và ngược lại.

Hình 1.7 Sự hấp thụ ánh sáng phụ thuộc nồng độ môi trường

Da và mô xung quanh cũng hấp thụ ánh sáng nhưng đó là một lượng cốđịnh không đổi, vậy nên ta chỉ quan tâm đến lượng ánh sáng hồng ngoại bị hấpthụ bởi HbO2

Hình 1.8 Sự thay đổi của mạch máu

Trên thực tế, tín hiệu này rất nhỏ, chỉ khoảng 2% tín hiệu trên tổng số tínhiệu hấp thụ, nên cần lọc bỏ các thành phần không có giá trị và khuếch đại tínhiệu có ích đủ lớn thì mới có thể xử lý được

Hình 1.9 Sự hấp thụ ánh sáng của động mạch và các mô cùng tĩnh mạch

1.2.3 Các phương pháp đo nhịp tim

Hiện nay việc xác định nhịp tim có thể đo trực tiếp hoặc gián tiếp qua cácphép đo sinh lý khác như đo điện tim Electrocardiography (ECG), đo huyết áp

hay đo nồng độ bão hòa oxy trong máu Saturation of peripheral oxygen (SpO2)

Qua phép đo ECG có thể xác định khoảng thời gian giữa 2 đỉnh R-R liêntiếp và từ đó tính được số nhịp tim mỗi phút Điện cực sử dụng cho phép đo này

là các điện cực kẹp chi, bo điện cực hút ngực hay các miếng dán điện cực tim sửdụng 1 lần

Hình 1.10 Điện cực điện tim

Đo huyết áp cũng có thể xác định được nhịp tim do khi tim co bóp, trongthì tâm thu tim đẩy máu đi đến các vùng sẽ tạo áp lực từng đợt lên các thànhđộng mạch Khi đó máy đo huyết áp tự động sẽ thu được tín hiệu áp lực bằngcác cảm biến và đo khoảng thời gian giữa các nhịp mạch rồi tính số mạch đập

trên phút Pulse per min (PPM) Như vậy đo nhịp đập cũng chính là đang đo nhịp

tim nên PPM = BPM Hiện nay chủ yếu là các máy đo huyết áp tự động ở bắptay, ngoài ra còn có máy đo huyết áp tự động cổ tay hay vòng đeo tay thôngminh

Hình 1.11 Máy đo huyết áp tự động ở bắp tay và ở cổ tay

Đơn giản và dễ dàng hơn cả là xác định nhịp đập thông qua cảm biến quang

và ứng dụng định luật Lambert - Beer về sự hấp thụ ánh sáng Có thể thấy nóđược áp dụng phổ biến trong việc thu nhận tín hiệu SpO2 qua đầu ngón tay Trênthị trường hiện nay đã có rất nhiều loại máy đo SpO2 từ những thiết bị cao cấp nhưmonitor theo dõi bệnh nhân đến các máy đo nhỏ gọn dùng pin, ngoài ra còn cónhững module cảm biến tích hợp xử lý phục vụ cho các nghiên cứu của họcsinh, sinh viên nhưng độ chính xác không cao Cảm biến quang ở đây bao gồm ledphát và photodiode thu lại cường độ ánh sáng sau khi chiếu qua da, có 2 kiểuchính là đầu dò xuyên qua (led và photodiode đặt đối xứng nhau) và đầu dò phản

xạ (led và photodiode đặt cạnh nhau)

Hình 1.12 Module đo nhịp đập

Hình 1.13 Một số máy đo SpO 2 cầm tay

1.2.4 Đặc trưng tín hiệu

Hình 1.14 Thời gian giữa các đỉnh R qua 2 phương pháp đo PPG và

ECG

Ở tín hiệu ECG, đỉnh R là sự bắt đầu của quá trình tâm thất thu tức là timbắt đầu bơm máu đi Sóng T thể hiện quá trình khử cực thất kết thúc, bắt đầu thì

tâm trương Như vậy tín hiệu quang điện Photopethysmography (PPG) chiếu

qua da thu được sẽ có điểm cực tiểu chính là lúc bắt đầu máu được bơm đi vàđỉnh cao nhất tương ứng với đỉnh sóng T là lúc tim nghỉ và máu bắt đầu dộingược về tim Đo khoảng thời gian giữa 2 đỉnh R-R sẽ biết được một chu kỳ tim

và lấy 60 chia cho giá trị chu kỳ tim đó sẽ thu được giá trị nhịp tim trên mộtphút

Với phương pháp đo bằng cảm biến quang, tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng bởicác tổ chức mô Tùy vào mỗi người sẽ có 1 dạng sóng thể hiện thì tâm trươngkhác nhau:

Hình 1.15 Một số dạng sóng PPG

1.2.5 Xử lý dữ liệu

Dữ liệu PPG thô thường được xử lý như sau:

- Chuyển tín hiệu từ dòng điện thành điện áp: cường độ ánh sángphotodiode thu được sinh ra dòng điện tương ứng rất nhỏ (cỡ nA) Trướckhi đưa nó vào các bộ lọc thì cần phải chuyển nó về dạng tín hiệu điện áp

và khuếch đại lên đủ lớn để có thể tiến hành lọc bỏ tạp nhiễu và thu lấy tínhiệu có ích

- Lọc bằng các bộ lọc: Tín hiệu sau khi được khuếch đại đủ lớn sẽ đi qua bộlọc thông cao để loại bỏ ngay thành phần 1 chiều chiếm phần lớn tín hiệu

và gây khó khăn trong việc quan sát tín hiệu có ích Tiếp theo sau là bộlọc thông thấp để loại bỏ các nhiễu gợn xung quanh tín hiệu có ích Saukhi đi qua các bộ lọc tín hiệu phải đảm bảo đủ lớn và mịn để đưa về bộ xử

lý đo đạc và tính toán ra kết quả

Hình 1.16 Tín hiệu thô và tín hiệu PPG sau lọc

- Biết được dạng đặc trưng của tín hiệu, dựa vào đó làm cơ sở nhận biết khitiến hành thu nhận thực tế

trong máu, khi cường độ ánh sáng thu được lớn tức là ít bị HbO2 hấp thụ haynồng độ HbO2 khi đó thấp và ngược lại, khi cường độ ánh sáng thu được nhỏ tức

là bị HbO2 hấp thụ nhiều hay nồng độ HbO2 trong máu lúc này là cao Sự thayđổi nồng độ HbO2 trong máu chính là do quá trình tim co bóp đẩy máu đến cácvùng ngoại biên rồi nghỉ, tương ứng với các thì tâm thu và tâm trương của mộtchu kỳ tim

Cường độ ánh sáng chiếu qua da được photodiode thu về và sinh ra mộtcường độ dòng điện tương ứng rất nhỏ (cỡ vài nA) Cần chuyển tín hiệu nàysang điện áp và khuếch đại đủ lớn để có thể đưa vào các bộ lọc tín hiệu Tín hiệuđiện sau lọc phải đảm bảo đủ lớn và sạch thì bộ vi điều khiển mới có thể xử lýđược Đo khoảng thời gian giữa 2 lần điện áp vượt ngưỡng liên tiếp nhau T (ms)

và coi là một chu kỳ, ta có thể tính toán nhịp tim theo công thức:

2.2.1 Định nghĩa bộ khuếch đại thuật toán Op-Amp

Kỹ thuật mạch điện tử hiện nay, đặc biệt là kỹ thuật mạch trong thu nhậntín hiệu y sinh sử dụng rất nhiều và hiệu quả các bộ khuếch đại thuật toán OP –AMP Các bộ khuếc đại này có trở kháng ngõ vào lớn, trở kháng ngõ ra nhỏ, đặcbiệt hoạt động tốt ở các tần số thấp – phù hợp với khoảng tần số của tín hiệu ysinh

Khuếch đại thuật toán là một khuếch đại ghép trực tiếp (vi sai) với hai ngõvào và một ngõ ra Định nghĩa một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng theonhững đặc tính như sau:

- Có hệ số khuếch đại vô cùng

- Trở kháng ngõ vào là vô cùng

- Trở kháng ngõ ra là 0

Mặc dù trên thực tế, không có bộ khuếch đại nào thỏa mãn hoàn toàn bất

kỳ các yêu cầu trên, nhưng chúng ta xem như mô hình khuếch đại có hệ sốkhuếch đại và trở kháng ngõ vào rất lớn, và trở kháng ngõ ra rất nhỏ, đó lànhững kết quả sai số nhỏ không đáng kể so với những đặc điểm lý tưởng đó

Hình 2.1 trình bày kí hiệu chuẩn cho một bộ khuếch đại thuật toán Chú ýrằng: hai ngõ vào được đặt là “+” và “-“ và những tín hiệu ngõ vào đã được chỉ

rõ tương ứng vi+ và vi- Nếu những ngõ vào là các tín hiệu khác pha, thì ngõ ra bộ

khuếch đại sẽ cùng pha với vi+ và ngược pha với vi- Vì lý do này, ngõ vào cựcdương được gọi là ngõ vào không đảo và ngõ vào âm được gọi là ngõ vào đảo.Trong nhiều ứng dụng, một trong các ngõ vào bộ khuếch đại được nối đất, nên

v o cùng pha với ngõ vào nếu tín hiệu được nối với ngõ vào không đảo, và v o là

ngược pha với ngõ vào nếu tín hiệu được nối với ngõ vào đảo Những ý tưởngnày được tóm tắt trong bảng kèm theo hình 2.1

Hình 2.1 Ký hiệu khuếch đại thuật toán, ngõ vào đảo (-) và không đảo (+)

Về lý thuyết, nếu bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại là vô cùng, thì mộtđiện áp vào rất nhỏ phải cho kết quả ở điện áp ngõ ra là rất lớn Dĩ nhiên là hệ sốkhuếch đại đó không phải là vô cùng, mà chỉ là rất lớn Tuy nhiên, nó đúng khimột điện áp ngõ vào rất nhỏ sẽ gây ra khuếch đại điện áp ở ngõ ra để lái tới giớihạn điện áp dương hoặc âm rất lớn Thực tế là khuếch đại thuật toán ít khi sử dụng

toàn bộ hệ số khuếch đại của nó Thông qua sử dụng các điện trở hồi tiếp ta có thể tính toán lựa chọn hệ số khuếch đại cần thiết.

2.2.2 Các mạch tính toán sử dụng khuếch đại thuật toán

Dưới đây là một số mạch ứng dụng sử dụng bộ khuếch đại thuật toán:

a Mạch khuếch đại

Sơ đồ mạch như hình 2.2 là một mạch khuếch đại đảo Đây là một ứng dụng

khá hữu ích của bộ khuếch đại thuật toán Ngõ vào không đảo được nối đất, vin

được nối qua R1 với ngõ vào đảo, và điện trở hồi tiếp Rf được nối giữa ngõ ra và

v i - Bởi vì sử dụng bộ khuếch đại ở chế độ đảo, nên ta chỉ rõ hệ số khuếch đạiđiện áp là –A, vì vậy:

Rf

vo = −

R 1 vin

(2.2)

Hình 2.2 Mạch khuếch đại đảo

Hình 2.3 cho thấy một ứng dụng khác của bộ khuếch đại thuật toán, gọi làmạch khuếch đại không đảo Tín hiệu ngõ vào vin được nối trực tiếp với ngõ vàokhông đảo và điện trở R1 được nối với ngõ vào đảo với đất Về lý tưởng, trởkháng ngõ vào là vô cùng lớn, không có dòng chảy qua ngõ vào đảo, vì vậy i1 =if

Hình 2.3 Mạch khuếch đại không đảo

Hình 2.4 trình bày một trường hợp đặc biệt của bộ khuếch đại không đảo,được sử dụng ở các ứng dụng khuếch đại công suất và cách ly trở kháng ở phần

sơ cấp Do Rf = 0 và R1 = vô cùng, nên độ lợi vòng kín là vo/vin = 1+Rf/R1 = 1.Cấu hình này được gọi là bộ theo điện áp bởi vì vo có độ lớn và pha tuơng tự như

vin Như một BJT theo cực E, nó có trở kháng vào lớn và trở kháng ngõ ra nhỏ,

và được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm giữa nguồn trở kháng cao và mộttải trở kháng thấp Quan hệ giữa đầu ra với đầu vào:

là tổ hợp tuyến tính của v1, v2, và v3, và mạch này được gọi là mạch tổ hợp tuyến tính.

Hình 2.5 trình bày một mạch khuếch đại đảo có thể được sử dụng để cộng

tỉ lệ ba tín hiệu ngõ vào Chú ý rằng ba tín hiệu ngõ vào v1, v2, và v3 được cungcấp qua ba điện trở R1, R2, và R3 vào mạch khuếch đại với Rf là điện trở hồi tiếp(Rc là điện trở bù offset) Ta có quan hệ giữa đầu ra với các đầu vào:

Hình 2.7 là một mạch trừ điện áp sử dụng op-amp Quan hệ giữa đầu ravới các đầu vào của mạch là:

c Mạch tích phân

Mạch tích phân là mạch mà dạng sóng ngõ ra tại một thời điểm bất kỳ cógiá trị bằng với tổng diện tích phía dưới dạng sóng tín hiệu vào tính tới thờiđiểm đang xét (trong phép tính tích phân, phương pháp tính này là một hàmbiến đổi

theo thời

v (t)dt) Để mô tả khái niệm này, giả sử ngõ vào mạch tích phân

∫0 in

là tín hiệu DC mức E volt được đưa vào mạch tích phân tại thời điểm t=0

Xem hình 2.9 Đồ thị dạng sóng DC theo thời gian là một đường nằm ngangsong song với trục hoành tại mức E volt vì mức điện áp DC là hằng số Thờigian tín hiệu qua mạch càng lâu thì diện tích phía dưới đường tín hiệc DC càngcao Tại thời điểm t bất kỳ, tổng diện tích bên dưới đường tín hiệu DC giữa thờiđiểm 0 và thời điểm t là Et Ví dụ, nếu E=5V dc, thì ngõ ra sẽ là 5V tại thời điểmt=1s, 10V tại t=2s… ta thấy rằng điện áp ra là một đoạn dốc vo(t)=Et

Hình 2.9 Ngõ ra mạch tích phân tại t giây, Et, với sóng ngõ vào

Khi tín hiệu vào mạch tích phân thực tế là tín hiệu DC thì tín hiệu ra sẽtăng tuyến tính theo thời gian như trong hình và sẽ đạt đến mức điện áp ngõ ralớn nhất có thể có của mạch khuếch đại và quá trình tích phân sẽ dừng ở đó Nếuđiện áp vào xuống mức âm trong một khoảng thời gian nhất định thì điện tíchdương đã tích luỹ trước đó trừ đi điện tích trong khoảng thời gian xuống mức âm

sẽ làm giảm điện áp ra Do đó, ngõ vào phải có mức dương và âm theo chu kỳ

để tránh cho ngõ ra của mạch tích phân đạt đến mức giới hạn âm hoặc dương

Hình 2.10 là mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán Mạch khuếch đại

có tụ C hồi tiếp về nên là mạch khuếch đại đảo Bên cạnh những giả thiết của

một mạch khuếch đại lý tưởng thông thường, ta giả thiết ngõ vào offset là 0,thì tín

hiệu DC bất kỳ ở ngõ vào sẽ được lấy tích phân như hình 2.9 và cuối cùng sẽ làmcho mạch khuếch đại bão hoà Dùng ký hiệu chuẩn

Rf xem như chỉ có C và tín hiệu được tích phân như bình thường Quan hệ giữangõ vào và ngõ ra của mạch:

Ký hiệu chuẩn được sử dụng cho phép vi phân điện áp là dv/dt Trong ví

Hình 2.12 Ngõ ra mạch vi phân

Hình 2.13 là cấu trúc mạch vi phân lý tưởng dùng khuếch đại thuật toán.Chú ý là điện dung ngõ vào và điện trở hồi tiếp cũng ngược với mạch tích phân.Ngõ ra của mạch vi phân là:

dvin

vo = −RfC dt

(2.12)

Hình 2.13 Mạch vi phân lý tưởng

Khó khăn chủ yếu của mạch vi phân là nó khuếch đại tín hiệu vào tỷ lệthuận với tần số nên nó cũng làm tăng mức nhiễu cao tần của tín hiệu ngõ ra.Khác với mạch tích phân, mạch vi phân không xén tín hiệu bằng cách giảm biên

độ của thành phần cao tần mà làm tăng nhiễu cao tần Do vậy, mạch vi phân ítđược sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao như các máy tínhtương tự

Trong mạch vi phân thực tế, việc khuếch đại tín hiệu tỷ lệ thuận với tần sốkhông thể tiếp tục khi tần số tăng vì mạch khuếch đại có băng thông xác định.Có

một vài tần số mà tại đó biên độ ngõ ra phải bắt đầu giảm xuống Ta thiết kếmạch khuếch đại vi phân thực tế sao cho tần số gãy nhỏ hơn cả tần số cắt củamạch khuếch đại để đặc tính độ lợi của nó chỉ dao động trong khoảng tần sốthấp (tránh trường hợp tần số gãy của mạch khuếch đại vi phân cao hơn cả tần sốcắt của mạch khuếch đại) Để làm điều này, ta mắc một điện trở nối tiếp với tụđiện C ngõ vào như trong hình 2.14:

Hình 2.14 Mạch vi phân thực tế

2.2.3 Mạch lọc tích cực

Các bộ khuếch đại thuật toán opamp ngoài việc sử dụng để thiết kế cácmạch tính toán nói trên, nó còn rất hữu dụng khi được dùng để thiết kế các bộlọc Ở đây, bộ lọc được định nghĩa như mạch bất kỳ tạo ra đặc tuyến tần số địnhtrước, mà mục tiêu thông thường nhất của nó là cho một số tần số đi qua đồngthời lại loại bỏ một số tần số khác Một số mạch được phân loại như bộ lọc cómục tiêu khác với chuẩn đáp tuyến tần số, nhưng ở đây chúng ta chỉ giới hạn xétnhững giải thích bộ lọc biên độ và pha thông dụng

Các phân loại đầu tiên cần xét là bộ lọc thụ động so với bộ lọc tích cực

Bộ lọc thụ động gồm tổ hợp điện trở, điện dung và điện cảm Bộ lọc RLC lànhững loại chính đã dùng trong nhiều năm và công nghệ bộ lọc đó vẫn là dạngchiếm ưu thế trong dải tần thấp Cấu trúc RLC thụ động có khả năng các đặc trưnglọc tương đối tốt trong những áp dụng từ giải âm tần cho tới giới hạn trên của dảitham số tập trung