Đang tải... (xem toàn văn)
Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, có độ dày không đều nhau
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT ---------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ECG GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH GVHD : THS VÕ NHẬT QUANG SVTH : QUÁCH MỸ PHƯNG MSSV : K0202063 Tp HCM, Tháng 12/2006 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 2 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5 1.1. LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI 6 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỆN TÂM ĐỒ 6 1.3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 7 1.3.1. Mục tiêu .7 1.3.2. Nhiệm vụ .8 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10 2.1. CẤU TẠO HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA TIM 11 2.2. TÍN HIỆU ĐIỆN TIM .14 2.2.1. Cơ sở phát sinh điện thế tế bào .14 2.2.2. Cơ sở hình thành tín hiệu điện tim 14 2.2.1.1. Giai đoạn khử cực 15 2.2.1.2. Giai đoạn tái cực 15 2.2.1.3. Giai đoạn tạo sóng .16 2.2.2. Hệ thống các chuyển đạo 20 2.2.2.1. Chuyển đạo chuẩn (Standar) .21 2.2.2.2. Chuyển đạo đơn cực các chi .22 2.2.2.3. Chuyển đạo trước tim .24 2.3. CÁC DẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 25 2.4. SỰ THU TÍN HIỆU 26 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 3 2.5. THIẾT BỊ GHI SÓNG ĐIỆN TIM 29 2.5.1. Bộ điện cực bệnh nhân .29 2.5.2. Cáp nguồn cung cấp 30 2.5.3. Cáp nối đất .30 2.5.4. Giấy ghi .31 2.5.5. Máy ghi điện tim 31 2.5.6. Sơ đồ khối của máy ghi sóng điện tim .33 2.6. MỘT VÀI LOẠI MÁY 33 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .35 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI 36 3.2. THIẾT KẾ CHI TIẾT .36 3.2.1. Chọn điện cực .36 3.2.2. Bộ khuếch đại - lọc nhiễu 36 3.2.2.1. Khuếch đại 36 3.2.2.2. Lọc nhiễu .38 3.2.2.3. Ýnghóa của bộ lọc .41 3.2.2.4. Thiết kế .42 3.2.3. Bộ chuyển đổi ADC .51 3.2.3.1. Khái niệm chung 51 3.2.3.2. Giới thiệu Chip ADC 0809 51 3.2.3.3. Phối hợp tín hiệu 58 3.2.3.4. Thiết kế chi tiết 58 3.2.4. Bộ giao tiếp với máy tính 65 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 4 3.2.3.1. Giới thiệu chung .65 3.2.3.2. Truyền thông nối tiếp và cổng rs232 65 3.2.3.3. Giới thiệu về vi điều khiển 8051 75 3.2.3.4. Các đặc điểm chung của họ 8051/8031 75 3.2.3.5. Cấu trúc bên trong vi điều khiển 76 3.2.3.6. Chức năng các chân vi điều khiển .77 3.2.5. THIẾT KẾ CHI TIẾT .79 3.3. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH .85 3.3.1. Lưu đồ giải thuật chương trình cho vi điều khiển 8051 viết bằng ngôn ngữ Assembler 85 3.3.2. Lưu đồ giải thuật chương trình nhận dữ liệu trên máy tính viết bằng ngôn ngữ Mablat 7.04 86 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .87 4.1. Kết quả chuyển đổi của ADC 88 4.2. Kết quả thu nhận tín hiệu của máy tính .89 4.3. Kết luận .92 KẾT LUẬN .94 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 5 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 6 1.1. LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI Trong thời đại công nghệ hóa, toàn cầu hóa hiện nay, Việt Nam đang có những bước tiến quan trọng trong quá trình hội nhập với xu thế phát triển chung của thế giới trên tất cả các lónh vực: kinh tế, văn hóa, xã hội… và đặc biệt là các lónh vực của ngành công nghệ tin học. Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính của xã hội không ngừng tăng nhanh, nhất là trong các lónh vực đòi hỏi thời gian, liên kết, xử lí, điều hành và lưu trữ như thương mại, dòch vụ, y tế, giáo dục … .Hầu như không có một cơ quan, khách sạn, bệnh viện hay trường học nào mà lại không được trang bò hệ thống máy tính. Với những tiện ích ngày một nâng cao, công nghệ thông tin không những không còn xa lạ gì mà đang từng bước trở thành một trợ thủ đắc lực cho con người. Không những thế, nó còn là đối tượng nghiên cứu của nhiều bộ môn khoa học có tính chất liên ngành. Chẳng hạn, trong liên hệ với y học, để thuận tiện hơn khi quan sát, theo dõi và lưu trữ dữ liệu của bệnh nhân một cách chính xác thì việc cho một thiết bò y tế giao tiếp với chiếc máy tính là điều rất cần thiết. Một thiết bò đo sóng điện tim (ECG) nếu được giao tiếp với máy tính sẽ cho phép các bác só theo dõi sóng điện tim của bệnh nhân một cách liên tục, nhờ đó mà có thể phát hiện ngay lập tức những triệu chứng bất thường về tim mạch để kòp thời cứu chữa. Hơn thế nữa chiếc máy tính này sẽ thay người y tá lưu trữ dữ liệu về sóng điện tim, có thể tránh được tối đa những sai sót gây ra hậu quả đáng tiếc do bất cẩn. Đối tượng và hướng nghiên cứu của đề tài này được hình thành dựa trên những nhận thức về ưu điểm cũng như tính cấp thiết của việc liên kết với máy tính trong y học như đã trình bày ở trên. Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 7 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỆN TÂM ĐỒ Xuất phát từ nhu cầu cần nghiên cứu tín hiệu điện tim, máy ghi sóng điện tim ra đời với nhiệm vụ tiếp nhận, khuếch đại và ghi lại tín hiệu điện do tim phát ra, trên cơ sở đó giúp cho bác só có thể chẩn đoán một số bệnh về tim mạch. Hình 1.1. Chiếc máy đo điện tim đầu tiên năm 1920 Khi mới ra đời máy ghi sóng điện tim đơn giản chỉ là máy vẽ biểu đồ mà các tín hiệu thu vào là tín hiệu điện tim. Sau khi được máy thu nhận, các tín hiệu sẽ được ghi lại trên giấy ghi nhiệt biểu thò dưới dạng sóng. Ngày nay, ứng dụng những thành tựu của sự tiến bộ khoa hoc kỹ thuật, thiết bò điện tâm đồ đã trở nên hiện đại hơn với nhiều tính năng giúp cho việc ghi sóng điện tim nhanh chóng và chính xác, vì thếø hỗ trợ rất nhiều cho sự chẩn đoán của bác só. Tuy nhiên máy ghi tín hiệu điện tim hiện nay vẫn còn một số hạn chế không thể khắc phục như: hết giấy trong lúc đang ghi tín hiệu làm gián đoạn việc theo dõi, kết quả thu được trên giấy ghi Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 8 nhiệt rất dễ phai do thuộc tính về nhiệt của loại giấy này dẫn đến khó khăn và bất tiện trong việc lưu trữ dữ liệu. 1.3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1.3.1. Mục tiêu Đề tài về “Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bò đo ECG giao tiếp với máy tính” được thực hiện nhằm đáp ứng: nhu cầu phục vụ của ngành Vật Lý Kỹ Thuật trong lónh vực nghiên cứu thiết bò y sinh hiện nay nói chung và cụ thể là nhu cầu khắc phục những hạn chế của thiết bò ECG trong y học. Bên cạnh đó, đề tài cũng đáp ứng được nhu cầu nghiên cứu ở cấp độ khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đại học. 1.3.2. Nhiệm vụ Từ những mục tiêu đã nêu trên thì nhiệm vụ của đề tài được xác đònh như sau : Thiết kế và chế tạo bộ xử lý tín hiệu : Do tín hiệu điện tim là tín hiệu điện sinh học rất nhỏ và nhiễu nên cần phải được xử lý trước khi vào bộ chuyển đổi ADC. Bộ xử lý tín hiệu được thiết kế gồm các thành phần : • Bộ khuếch đại thuật toán (instrument amplifier). • Bộ lọc thông thấp (low-pass filter): để lọc bớt nhiễu ở tần số thấp hơn 0.05Hz. • Bộ lọc thông cao (high-pass filter): để lọc bớt nhiễu ở tần số cao hơn 100Hz. • Bộ lọc Notch (Notch filter): để lọc bớt nhiễu điện nguồn. Thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi A/D Do ngôn ngữ máy tính chỉ hiểu được các tín hiệu đưa vào ở dạng số, nên cần thiết phải có bộ chuyển đổi A/D để chuyển tín hiệu vào từ dạng tương tự sang dạng số. Việc điều khiển quá trình chuyển đổi này được thực hiện bằng một vi điều khiển họ 8051. Thiết kế và chế tạo bộ giao tiếp máy tính Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 9 Do chuẩn điện áp của máy tính không tương thích với chuẩn điện áp TTL của các loại vi điều khiển nên ta cần phải thiết và chế tạo ra bộ chuyển đổi điện áp giữa máy tính và vi điều khiển. Thiết kế chương trình biểu diễn sóng điện tim bằng phần mềm Matlab Để theo dõi được đồ thò sóng điện tim cần thiết phải thiết kế một giao diện hiển thò tín hiệu sóng điện tim theo thời gian thực và giao diện đó phải gần gũi và dễ dàng giao tiếp đối với người sử dụng. Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 10 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT [...]... đầu vào máy ghi điện tim Cáp dẫn phải đảm bảo chống nhiễu nên thường được dùng dây có bọc kim Hình 2.20 Cáp dẫn Giắc cắm đầu vào: có nhiệm vụ truyền nối giữa bộ điện cực bệnh nhân với đầu vào của máy ghi sóng điện tim 2.5.2 Cáp nguồn cung cấp Cáp nguồn có nhiệm vụ nối nguồn điện vào máy để cung cấp điện thế cho máy hoạt động 2.5.3 Cáp nối đất Cáp nối đất có nhiệm vụ nối vỏ máy với điểm đất trung tính. .. Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Hình 2.24 Điện tim 3 kênh ecg1 503b Hình 2.25 Máy ECG3 100 34 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 35 Luận văn tốt nghiệp 3.1 Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SƠ ĐỒ KHỐI Điện cực Bộ khuếch đại-lọc nhiễu Bộ chuyển đổi ADC Vi xử lý giao tiếp máy tính 3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT 3.2.1 Chọn điện cực Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài này chỉ dừng lại ở... điện thế tế bào Bên trong và bên ngoài màng tế bào đều có các ion dương và ion âm, chủ yếu là Na+, K+ và Cl- Do sự chênh lệch nồng độ của 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 chất như một pin điện, điện cực dương (+) quay ra ngoài và cực âm (-) quay vào trong Tính phân cực của màng và trạng thái điện bình... • Trở kháng vào: để tái tạo trung thực tín hiệu thì trở kháng vào mạch khuếch đại phải lớn hơn nhiều so với nguồn tín hiệu, thông thường lớn hơn 10 MOhm • Hệ số khuếch đại: đảm bảo ứng với mức vào 1mV cho ra 1V • Dòng rò : nhỏ 10µ A 32 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 2.5.6 Sơ đồ khối của máy ghi sóng điện tim Hình 2.22 Sơ đồ khối của máy ghi sóng điện tim 2.6 MỘT VÀI LOẠI MÁY Hình 2.23... biểu diễn bằng độ dài Kết cấu của thiết bò ghi điện tim gồm 4 bộ phận: • Bộ điện cực bệnh nhân • Cáp nguồn cung cấp • Cáp nối đất • Giấy ghi • Máy ghi điện tim Và các bộ phận này có chức năng và nhiệm vụ như sau: 2.5.1 Bộ điện cực bệnh nhân • Bộ điện cực bệnh nhân có nhiệm vụ lấy và truyền tín hiệu điện từ các điện cực đặt trên cơ thể người bệnh tới đầu vào của máy ghi • Tùy vào từng máy mà ta gặp bộ điện... 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 của máy 31 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM • Có độ cách điện tốt đảm bảo an toàn cho người và máy • Có nguồn dự phòng 2.5.5.2 Phân loại máy điện tim Máy điện tim được phân loại theo số kênh mà máy có thể ghi đồng thời Thực tế có các loại : • 1 kênh • 2 kênh • 3 kênh •... được trong vài phần vạn giây 2.2.2.2.Giai đo n tái cực Cỡ vài phần vạn giây sau khi màng tăng vọt tính thấm với Na+ thì kênh Na+ đóng lại Lúc này kênh K+ mới bắt đầu mở rộng ra, và K+ khuếch tán ra ngoài, tái tạo lại trạng thái cực tính như lúc ban đầu (khoảng -90mV) Trạng thái này kéo dài cỡ hàng vạn giây, nhưng thời gian tái cực dài hơn thời gian khử cực do kênh K+ mở từ từ, sau giai đo n tái cực... (electrocardiogram – ECG) chẳng hạn Phần lớn các tín hiệu ECG được thu từ một trong ba dạng điện cực sau: điện cực vó mô bề mặt, điện cực vó mô bên trong và vi điện cực Hai dạng đầu thường được sử dụng rộng rải còn dạng thứ ba thì chỉ được dùng trong các phép đo ở mức tế bào Điện cực của máy điện tim là loại tiếp xúc điện tốt với da Thông thường giữa da và điện cực có lớp dung dòch dẫn điện giúp cho sự tiếp xúc... và thiết bò để thu tín hệu Trong những trường hợp khác đầu đo transducer được sử dụng để chuyển đổi các thông số vật lí phi điện hay các tác nhân như lực, áp suất, nhiệt độ sang tín hiệu điện analog tỉ lệ với giá trò của các thông số tác nhân gốc Các điện cực cho các phép đo sinh lí Điện sinh học là hiện tượng xuất hiện một cách tự nhiên và phát sinh do các cơ quan sống được cấu tạo từ những ion với. .. toàn điện cho máy và người dùng 30 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 2.5.4 Giấy ghi Giấy ghi dùng cho máy điện tim là loại giấy in nhiệt có kẻ ô với đơn vò là 1mm Về phân loại thì thông thường có 2 loại: Giấy cuộn Giấy xấp Hình 2.21 Giấy in nhiệt dùng trong máy ghi điện tim Về độ rộng của giấy nó có nhiều loại tùy theo hãng sản xuất và số kênh ghi Tuy nhiên đối với loại máy điện tim một . ---------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ECG GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH GVHD : THS VÕ NHẬT QUANG SVTH : QUÁCH. với chiếc máy tính là điều rất cần thiết. Một thiết bò đo sóng điện tim (ECG) nếu được giao tiếp với máy tính sẽ cho phép các bác só theo dõi sóng điện
