Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ phục vụ đào tạo

Chia sẻ: Wang Ziyi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong quá trình đào tạo, sinh viên các chuyên ngành Điện tử y sinh, cơ sinh học... rất cần các thiết bị thực hành, được dàn trải thành các khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để có thể nắm bắt kỹ càng lý thuyết đã học. Bài báo trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng dụng trong đào tạo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ phục vụ đào tạo

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ phục vụ đào tạo TS. Nguyễn Lê Cường, Ths.Hoàng Vân Đông, Ths. Đinh Văn Tuấn Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học Điện Lực Email: cuongnl@epu.edu.vn, tuandv85@epu.edu.vn, hoangvandong@epu.edu.vn Tóm tắt – Sử dụng Điện tâm đồ để chẩn đoán là một khâu Tuy nhiên nhiễu từ mạng cung cấp điện 50Hz (hoặc 60Hz) quan trọng trong cấp cứu hay điều trị các bệnh về tim mạch. có ảnh hưởng nhiều nhất vì tính chất phổ biến và khó kiểm Trong quá trình đào tạo, sinh viên các chuyên ngành Điện tử y soát của loại nhiễu này. Các loại can nhiễu còn lại, do có dải sinh, cơ sinh học…rất cần các thiết bị thực hành, được dàn trải tần ổn định nên có thể giải quyết triệt để bằng các bộ lọc cố thành các khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để có thể nắm bắt định. Chính vì vậy trong bài báo này chúng tôi sẽ tập trung kỹ càng lý thuyết đã học. Bài báo trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng vào hướng triệt nhiễu 50Hz từ lưới điện cung cấp, để thiết dụng trong đào tạo. kế, chế tạo bộ công cụ thực hành điện tâm đồ, nhằm giúp Abstract – Using ECG (Electrocardiogram) for diagnosis is cho người thực hành có thể quan sát và hiểu chính xác cơ an important step in emergency or treat heart disease. During chế tác động và hậu quả do nhiễu này gây ra đối với tín hiệu training, students of specialized biomedical electronics, điện tim. Có hai trường do lưới điện sinh ra có thể gây tác biomechanics… needed practice equipment which is động lên thiết bị đo điện tim. Đó là điện trường và từ trường. widespread to describe clearly the process steps from input to output. This paper presents the research, design and produce a 1. Ảnh hưởng của điện trường 50/60Hz practical device for applications in education. Từ khóa –Thiết bị thực hành ECG. Những dây điện lưới và những vật dẫn nối với lưới điện đều sinh ra điện trường quanh nó. Điện trường này tác động tới I. TÍN HIỆU ĐIỆN TIM thiết bị đo điện tim, dây điện cực và cơ thể bệnh nhân. Vì Tín hiệu ECG (Electrocardiogram) ghi lại những hoạt động vậy điện áp lưới dao động tuần hoàn với tần số 50Hz hoặc mang tính chất điện của tim. Tín hiệu ECG thông thường 60Hz nên điện trường do nó sinh ra cũng biến thiên tuần bao gồm các đỉnh lồi và lõm được đặt tên theo thứ tự các hoàn cùng tần số. Dòng điện dịch mà nó ảnh hưởng tới các chữ cái P, Q, R, S, T, U, như hình 1 dưới đây. vật khác có thể mô tả qua điện dung tạp tán giữa vùng điện lưới sinh ra điện trường đó và vật thể. Hình 1. Tín hiệu điện tim thông thường  Đoạn PQ gồm thời gian khử cực nhĩ và truyền xung động từ nhĩ tới thất. Hình 2. Dòng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng giữa  Phức bộ QS: Khử cực của tâm thất. cơ thể và đất.  Đoạn ST: Thời kỳ khử cực hoàn toàn của thất.  Sóng T: Tái cực của tâm thất. Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của điện trường 50/60Hz lên cơ Để thực hiện việc đo lường các đạo trình trên, người ta chế thể bệnh nhân làm sai lệch kết quả đo điện tim. Dòng điện tạo ra các thiết bị đo ECG. Các tín hiệu của điện tâm đồ có dịch Idb qua điện dung tạp tán Cb vào cơ thể bệnh nhân, dải tần trong khoảng 0.05-150Hz, biên độ: 0.5-5mV. Sóng qua trở kháng Zg xuống đất. Điện áp đồng pha Vcm sẽ xuất điện tim có biên độ nhỏ, cho nên rất dễ bị ảnh hưởng bởi hiện trên cơ thể bệnh nhân. nhiễu. Các can nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng ghi Vcm = Idb.Zd (1) tín hiệu điện tim là: Nếu dòng Idb = 1µA, Zd = 50 KΩ thì  Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu Vcm = x5x = 50mV nhiên.  Nhiễu sóng cơ do bệnh nhân mất bình tĩnh khi đo gây Điện áp vi sai giữa A và B là UA- UB ra.  Nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bệnh UA- UB = Vcm( ) (2) nhân gây ra. Vì Zin >> Z1, Z2 (trở kháng tiếp xúc điện cực – da)  Nhiễu do tần số thấp gây trôi đường nền ISBN: 978-604-67-0635-9 399 399
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Băng các phép biến đổi toán học ta dễ xác định được điện UA- UB = Vcm( ) (3) áp đồng pha bằng biểu thức sau: Ở đây chỉ xét trường hợp cơ thể bệnh nhân cách điện hoàn Ucm = (5) toàn, dòng điện Idb là dòng điện dịch qua điện dung tạp tán Cb. Còn nếu bệnh nhân không được cách điện tốt nghĩa là Thí dụ chọn Rf = 5MΩ, Ra = 10KΩ trong trường hợp như có dòng điện dò do môi trường cách điện kém (ẩm) thì Idb thí dụ nêu ở trên Id= 1µA thì: còn lớn hơn nhiều. Và ở đây coi hệ thống kim loại trừ nhiễu đồng pha của tầng tiền khuếch đại máy điện tim là vô cùng lớn. Trong thực tế không phải như vậy. Nhiễu 50/60Hz tác ) (6) động lên cơ thể bệnh nhân ảnh hưởng tới kết quả đo còn lớn hơn nữa. Như vậy so với ví dụ ở trên thì ở đây Vcm đã giảm đi 10 lần. 2. Ảnh hưởng từ trường 50/60Hz Hơn nữa Vcm không còn phụ thuộc vào Zd. Nếu tiến hành đo điện tim ở những nơi có từ trường mạnh Sử dụng các bộ lọc: Một biện pháp hữu hiệu để loại trừ như quạt, chấn lưu đèn neon, động cơ điện và dây điện có can nhiễu 50/60Hz là dùng lọc chắn dải tích cực. Bộ lọc IIR dòng điện lớn chạy qua thì nhiễu 50/60Hz sẽ gây ảnh hưởng. với đáp ứng xung vô hạn dựa trên tần số lấy mẫu 500Hz, Theo định luật cảm ứng điện từ: Um = dФ/dt với chiều rộng khe là 10Hz. Hàm lọc như sau: Ở đây Ф là từ thông qua diện tích S. Giả sử từ trường vuông góc với mặt S thì : Um = S/dt (7) Sau khi tính toán ta được phương trình đệ quy đưa vào Nếu dây điện cực và cơ thể bệnh nhân tạo vòng kín có diện MCU như sau: tích là S, từ trường động cơ hoặc do dòng điện lưới 50/60Hz sinh ra là B thì y(n) = x(n) - 1.168x(n-1) + x(n-2) + 1.1564y(n-1) -0.8783y(n-2) (8) Um = BS (4) Ở đây f = 50/60Hz - là tần số điện lưới Sử dụng FDAtool của matlab ta vẽ được đáp ứng tần số của hàm lọc trên như sau: Ví dụ: B = 10µT, f = 50Hz, S = 0.5 thì Um = x0.5x 2x3.14x50 = 1,6mV Như vậy từ trường cỡ 10 µT qua diện tích 0.5 đã gây ra nhiễu lớn hơn tín hiệu điện tim (cỡ 1.5mV). 3. Chống ảnh hưởng của can nhiễu 50/60Hz Qua phân tích ở trên ta thấy rằng: tiếp xúc da – điện cực tốt, trở kháng vào của tầng tiền khuếch đại lớn, hệ số loại trừ nhiễu đồng pha của tầng tiền khuếch đại cao, cơ thể bệnh nhân được cách điện tốt hoặc giường nằm của bệnh nhân được nối đất tốt, tầng tiền khuếch đại dùng nguồn cách ly (tầng tiền khuếch đại cách điện) thì nhiễu 50/60Hz tác động lên có thể bệnh nhân sẽ ảnh hưởng ít tới kết quả đo. Ngoài ra chúng tôi còn sử dụng một số phương pháp chống nhiễu Hình 4. Đáp ứng tần số của bộ lọc 50Hz tích cực khác trong thiết kế của mình. Sử dụng mạch kéo chân phải: Hình 3 dùng mạch kéo Tầng khuếch đại cách ly và nguồn cách ly có nhiệm vụ (drive) chân phải để giảm nhỏ ảnh hưởng của can nhiễu chính là đảm bảo độ an toàn cao cho bệnh nhân nhưng ngoài đồng pha. ra nó còn giảm rất nhiều ảnh hưởng của can nhiễu điện lưới 50Hz. Phần mạch cụ thể sẽ xét ở phần sau. II. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ Mục tiêu: Thiết kế, chế tạo máy đo và xử lý tín hiệu ECG. Thiết bị có khả năng đo tín hiệu điện tim, lọc nhiễu nguồn điện 50Hz, hiển thị dạng sóng, giá trị nhịp tim, lưu trữ và truyền thông tin về máy tính. Hình 3. Mạch kéo (drive) chân phải 400 400
Hội Thảo Hội Thảo QuốcQuốc GiaGia 2015 2015 vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông và vàCông CôngNghệ NghệThông Tin (ECIT Thông 2015) Tin (ECIT 2015) Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim K2 = K3 = 1+ Tần số cắt f1 = 0.05 Hz f2 = = 2. Khối xử lý trung tâm Khối này thực hiện nhiệm vụ đầu tiên là biến đổi tín hiệu điện tim sau khối Đo ECG thành tín hiệu số để thực hiện cho các mục đích tiếp sau. Hình 5. Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim. Lọc loại bỏ can nhiễu: Để loại bỏ nhiễu cho tín hiệu ECG Tín hiệu điện tim được đo là tín hiệu vô cùng nhỏ và dễ bị chúng tôi sử dụng bộ lọc IIR với đáp ứng xung vô hạn dựa can nhiễu. Tín hiệu này được đo và khuếch đại, tiếp theo là được loại bỏ các can nhiễu bằng các mạch lọc. Tín hiệu điện trên tầ n số lấy mẫu 500Hz. Bộ lọc thứ nhất để loại bỏ nhiễu tim là tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số 50Hz đã trình bày ở mục (I.2) của bài báo này. Bộ lọc thứ 2 để xử lý, truyền thông, lưu trữ… là bộ lọc thông dải với tần số cắt dưới là 0,5Hz và tần số cắt Từ sơ đồ nguyên lý và mục tiêu thiết kế, chúng tôi phân tích, trên là 100Hz đáp ứng được giải tần của tín hiệu điện tim là thiết kế và đưa ra sơ đồ khối cũng như sơ đồ nguyên lý chi từ 0,5Hz-100Hz. Hàm lọc như sau: tiết cho từng khối như sau: Khối Hiển Khối Truyền Khối chỉ thị (9) Thị từ xa Thông Sau khi tính toán ta được phương trình đệ quy đưa vào MCU như sau: Khối Đo Khối Lưu ECG Khối MCU Trữ y(n) = 0.4206 x(n) – 0.4206 x(n-2) +1.1582y(n-1) – 0.1582y(n-2) Khối nguồn Hình 6. Sơ đồ khối Bộ điện tâm đồ. Dưới đây chúng tôi sẽ đưa ra và trình bày một số khối chức năng trong thiết kế của mình. 1. Khối đo ECG Hình 8. Đáp ứng tân số của bộ lọc thông dải 0.5-100Hz. Ngoài ra khối này còn thực hiện các chức năng khác như điều khiển hiể n thị tín hiệu điện tim lên màn hình touchscreen LCD TFT 3.2 inch, lưu trữ, truyền tín hiệu điện tim nên máy tính… Trong thiết kế của mình chúng tối sử dụng chíp Atmega2560 của ATMEL. Hình 7. Sơ đồ nguyên lý khối đo ECG. Khối đo ECG sẽ thực hiện việc đo lường tín hiệu điện tâm đồ từ cơ thể người sau đó khuếch đại, tiếp theo loại bỏ các thành phần nhiễu tần số cao và thấp. Khối này sử dụng các Hình 9. Bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ. bộ lọc thông thấp, thông cao để thu được tín hiệu với dải tần từ 0.05-70Hz theo chuẩn FDA của Mỹ. Hình 9 là Bộ thiết bị điện tâm đồ do nhóm tác giả nghiên cứu, chế tạo với mục đích phục vụ đào tạo thực hành cho Hệ số khuếch đại là K = K1xK2xK3. Trong đó: sinh viên trong Trường Đại học Điện lực. Các đặc điểm cơ bản của bộ thiết bị này như sau: K1 = 401 401
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) - Nguồn cấp: 9VDC - 12VDC. MỤC ĐÍCH - Màn hình hiển thị: Loại touchscreen LCD TFT 3.2 inch Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý cho phép hiển thị dạng sóng tín hiệu và thực hiện các thao cơ bản về việc đo, xử lý, hiển thị và đọc tín hiệu điện tim. tác trên đó. CHUẨN BỊ - Lưu trữ: Sử dụng bộ nhớ SD Card cho phép lưu trữ nhiều - Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 bộ lần đo. - Điện cực sử dụng 1 lần: 03 bộ - Kết nối máy tính: Cho phép kết nối máy tính theo giao diện cổng truyền thông RS232. - Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim: 01 bộ - Loại điện cực sử dụng: Loại điện cực dán sử dụng một lần. - Nguồn cấp 12VDC: 01 bộ III. BÀI THỰC HÀNH MẪU TRÊN THIẾT BỊ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 1. Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ không có bộ lọc Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với bộ thiết bị MỤC ĐÍCH đo. Kết nối cáp kết nối RS232 với máy tính và cắm nguồn. Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo cơ bản về việc đo, xử lý, hiển thị và đọc tín hiệu điện tim. dõi tín hiệu điện tim. Bật công tắ c nguồn cho bộ thiết bị đo. CHUẨN BỊ Bước 3: Dán 3 điện cực vào vị trí đạo trình trước tim. - Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 bộ Bước 4:Lựa chọn đo không có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo - Điện cực sử dụng 1 lần: 03 bộ trên màn hình. Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn lưu trữ sau đó lựa chọn truyền thông. - Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim: 01 bộ Bước 5: Lựa chọn ngừng đo. - Nguồn cấp 12VDC: 01 bộ Bước 6: Quan sát kết quả đo trên máy tính, vẽ lại dạng tín hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH Bước 7: Bấm nút lọc tín hiệu 50Hz, quan sát dạng sóng và Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với bộ thiết bị so sánh nó với dạng sóng trước khi lọc. đo. Kết nối cáp RS232 với máy tính và cấ p nguồn. Bước 8: Trả lời câu hỏi Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu điện tim. Bật công tác nguồn cho bộ thiết bị đo. Câu 1: Nhiễu 50Hz được loại bỏ theo thuật toán nào. Bước 3: Dán 3 điện cực vào vị trí đạo trình trước tim. Câu 2: So sánh tín hiệu thu được sau khi lọc với tín hiệu gốc có nhiễu Bước 4: Lựa chọn đo không có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo trên màn hình. Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn Dưới đây là dạng tín hiệu điện tim thu được khi thực hiện lưu trữ sau đó lựa chọn truyền thông. đo bằng bộ thiết bị mà sử dụng bộ lọc số để loại bỏ can nhiêu 50Hz. Chúng ta thấy sự khác biệt rõ giữa dạng tín Bước 5: Lựa chọn ngừng đo. hiệu thu được ở Hình 10 và Hình11. Bước 6: Quan sát kết quả đo trên máy tính, vẽ lại dạng tín hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này. Bước 7: Trả lời câu hỏi. Câu 1: Xác định số xung nhip trên một phút. Hình 11. Tín hiệu điện tim đo được có sử dụng lọc. Câu 2: So sánh dạng tín hiệu đo được với tín hiệu chuẩn, đưa ra những đánh giá về ảnh hưởng của nhiễu 50Hz. VI. KẾT LUẬN Dưới đây là dạng tín hiệu điện tim thu được khi thực hiện Bài báo đã trình bày tóm lược quá trình nghiên cứu, thiết kế đo bằng bộ thiết bị mà không sử dụng bộ lọc số để loại bỏ và chế tạo bộ thực hành Điện tâm đồ ứng dụng trong đào tạo. can nhiêu 50Hz. Thiết bị hiện được chúng tôi sử dụng trong việc đào tạo sinh viên chuyên ngành Điện tử y tế tại trường Đại học Điện lực, mang lại sự trực quan cho sinh viên, nâng cao chất lượng đào tạo chuyên ngành. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Lê thị Bích Thuận, “Điện tâm đồ bệnh lý”. Hình 10. Tín hiệu điện tim đo được không sử dụng lọc. [2] BS. Đinh Hiếu Nhân, “Điện tâm đồ căn bản”. [3] GS. Trần Đỗ Trinh, “Hướng dẫn đọc điện tim”, 2010. 2. Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ có bộ lọc [4] www.yhoc.net [5] Kester W, “Which ADC Architecture is Right for Your Application ?”, Analog Dialogue, 2 402 402