1 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐIỆN SINH HỌC Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO),cứ giây có người chết bệnh tim mạch Cứ giây có trường hợp nhồi máu tim giây có trường hợp đột quỵ Hiện có đến 300 yếu tố nguy kết hợp với bệnh mạch vành đột quỵ dẫn đến bệnh tim mạch (BTM) Hơn 80% số tử vong BTM xảy nước có thu nhập thấp trung bình, xảy với tỷ lệ gần giới nam nữ BTM bệnh rối loạn ảnh hưởng đến tim mạch máu bao gồm bệnh mạch vành, bệnh mạch máu não, bệnh mạch máu ngoại biên tăng huyết áp BTM hay kết hợp với bệnh nhồi máu tim, đau thắt ngực đột quỵ Bệnh tim mạch (BTM), nguyên nhân hàng đầu gây tử vong giới Mỗi năm, BTM gây cho 17,5 triệu chết dự đoán có khoảng 25 triệu người bị BTM tử vong vào năm 2020 Trong có 7,6 triệu trường hợp bệnh tim mạch vành 5,7 triệu ca bị đột quỵ BTM nguyên nhân hàng đầu tàn phế sau đột quỵ Mỗi năm có khoảng 10 triệu người sau bị đột quỵ sống, có đến phân nửa bị tàn tật vĩnh viễn BTM dự đốn nguyên nhân lớn gây tàn phế giới vào năm 2020 Điện tâm đồ ECG (còn gọi EKG - viết tắt từ tiếng Đức ElektroKardiographie), thiết bị có khả ghi lại hoạt động điện thể người tim tạo sử dụng việc điều tra bệnh tim 2.1 Nguyên lý đo tín hiệu điện tim Dưới sơ đồ nguyên lý trinh thu thập tín hiệu điện tim - Điện cực: Là loại tiếp xúc da để đo hiệu điện điểm từ đánh giá ECG - Mạch bảo vệ: Mạch bảo vệ có tác dụng ngăn chặn phá hủy thiết bị đo bệnh nhân có lắp kích thích tim, dung dao điện hay chống rung tim Với chống rung tim chẳng hạn, điện áp lên tới vài KV - Bộ chọn đạo trình: Mỗi điện cực điểm đo, chọn đạo trình tổ hợp đo cần thiết trình bày phần trên, Trong số thiết bị đo ECG gần đây, trước chọn đạo trình có lắp tầng khuếch đại sơ để nâng cao chất lượng máy - Mạch chuẩn: Mạch tạo điện áp tương đương với điện áp đầu vào 1mV để chuẩn máy - Tầng tiền khuếch đại: Yêu cầu Tầng tiền khuếch đại phải có trở kháng vào cao , hệ số tín hiệu đòng pha (CMRR) cao - Mach điều chế: Mạch dung để đhiều chế tín hiệu điện tim truyền đến tầng sau qua mạch cách ly - Mạch cách ly: Mạch có tác dụng đảm bảo an tồn cho bệnh nhân giảm nhiễu 50/60 Hz - Mạch gải điều chế: Mạch có ngun lí ngược lại vơi mạch điều chế - Mạch RC: Tạo số thời gian, chống rung động thở , artifact… - Mạch khuếch đại dẫn: Yêu cầu không trôi điểm “0” - Thiết bị ghi: Thiết bị ghi hình, bút ghi nhiệt, ghi mực phun mực, gần máy in kim lazer - Mạch đánh dấu: Mạch dùng để đánh dấu thay đổi đạo trình đo đến lượt đo bệnh nhân khác Với máy điện tim đơn giản, phận khơng có - Phần nguồn: Cung cấp nguồn cho tồn thiết bị kể điện áo cho tầng tiền khuếch đại Vì có bao gồm nguồn cách ly 2.2 Điện cực điện tâm đồ Điện cực máy ghi điện tim điện cực tiếp xúc da Giữa điện cực da lớp dung dịch điện cực Để chống dung dịch bị chảy loang người ta pha them vào dung dịch số chất phụ gia Q trình hóa lý sảy điện cực, lớp dung dịch da có ảnh hưởng định đến kết đo 2.2.1 Lớp tiếp xúc điện cực dung dịch điện cực Sơ đồ điện cực dung dịch điện cực minh họa hình Khi điện cực tiếp xúc với dung dịch xuất dòng điện điện cực dung dịch Dòng điện xuất thời gian ngắn Dòng điện gọi dòng điện phân cực nội tại; qua lớp tiếp xúc Dòng bao gồm dòng điện từ chuyển động thẳng góc với mặt phẳng điện cực, dòng ion dương (ký hiệu D+ ) chuyển động ngược chiều với dòng Hình 3 Điện tử dòng ion âm ( ký hiệu A-) chuyển động phần dung dịch chiều với chiều chuyển động điện tử Có thể biểu diễn q trình phản ứng hóa học //D Dn++ + ne/Am- / A + meỞ đay n hóa trị kim loại D m hóa trị cua rá kim A Phản ứng hh gây oxy hóa bề mặt kim loại dung làm điện cực Trên phần điện cực tập trrung nhiều điện tích âm, phần dung dịch tập trung nhiều điện tích dương Phản ứng cân lực hóa học lực tĩnh điện lúc dòng điện = Điện chênh lệch xuất gọi điện bán pin Trong dung dịch ion phân ly nên điện bán pin chủ yếu phụ thuộc vào kim loại làm điện cực Theo qui ước, người ta lấy điện cực Hidro làm chuẩn, có điện bán cực pin = Để đo điện bán pin người ta tiến hành sau: Lấy miếng platin có phủ muội ( platin đen) nhúng vào dung dịch Thổi bọt khí Hidro vào miêng platin Điện cực cần đo nhúng vào dung dịch khơng thổi khí Hiệu điện điện cực miếng platin điện bán pin điện cực ( hình 9) Dưới bảng điện bán pin số kim loại Al Al3+ + 3e-1,70V 2+ Zn Zn + 2e -0,76V 3+ Cr Cr + 3e -0,74V 2+ Fe Fe + 3e -0,41V 2+ Cd Cd + 2e -0,40V 2+ Ni Ni + 2e -0,23V 2+ Pb Pb + 2e -0,13V + H2 2H + e 0V Ag +Cl Ag +e +0,22V 2Hg +2Cl Hg2Cl2 + 2e +0,27V 2+ Cu Cu +2e +0,34V + Cu Cu +e +0,52V + Ag Ag +e +0,80V 3+ Au Au + 3e +1,42V Au Au+ + e+1,68V Trong kim loại có hai loại đượcc ý Niken hợp chất clorua bạc Điên bán pin chúng thấp cỡ 0,2V , đòng thời bị ăn mòn 4 Điện bán pin xảy phản ứng cân nghĩa khơng có dòng điện chạy qua.nếu đặt vào dòng điện điện thay đổi , người ta gọi Vp Vp bao gồm thành phần: - Quá điện trở Vr Thành phần kết dòng điện qua dung dịch có điện trở Tuy nhiên qáu trình phi tuyến ( điện trở phi tuyến) nên không tuân theo định luật Ôm - Quá nồng độ Vc Thành phần nầy kết thay đổi nồng độ ion dung dịch lân cận lớp tiếp xúc điện cực dung dịch có dòng điện chày qua - Quá phản ứng Va - Thành phần kết phân cực điện cực Khi có dòng điện chạy qua xuất phản ứng oxy hóa khử sinh Va Quá Vp = Vr + Vc +Va Sử dụng pt Nernst người ta biểu diễn thong qua nồng độ phản ứng với dòng điện qua Về mặt điện người ta chia làm loại điện cực: điện cực phân cực hoàn toàn điện cực khơng phân cực hồn tồn điện cực phân cực hồn tồn khơng có điện tích qua lớp tiếp xúc điện cực dung dịch Dòng điện qua điện cực dòng điện dịch Trong trường hợp coi tương đương tụ điện Đối với tụ điện khơng phân cực hồn tồn dòng điện qua lớp tiếp xúc điện cực -dung dịch khơng đòi hỏi lượng Do điện cực khơng phân cực hồn tồn khơng có q Tuy nhiên khơng có điện cực thực tế hồn tồn mà thường nằm trung gian hai điện cực Hình 10 biểu diễn sơ đồ tương đương mặt điện cho điện cực đó: Ehc điện bán pin Rd, Cd điện trở tụ điện lien quan đến lớp tiếp xúc điện cực- dung dịch kết phân cực Rs điện trở bao gồm điện trở dung dịch dây nối… Hai loại chất liệu hay chọn làm điện cực làm điện tim Niken Clorua bạc Đối với Nikeen người ta dùng nguyên chất bạc người ta khơng dùng bạc ngun chất điện bán pin bạc cao (+0,8V) dễ bị oxy hóa Vì người ta phủ lên lớp điện cực bạc lớp AgCl mà nâu sẫm Thông thường dải tần số điện tim 100Hz, Ehc điện cực AgCl 0,22V, Rd cỡ vài chục đến vài trăm KΩ, Cd cỡ vài chục nF, Rs cỡ vài trăm Ω đến vài KΩ tùy thuộc diện tích điện cực paste (dung dịch điện cực pha chế phụ gia để không bị chảy loang) 2.2.2 Lớp tiếp xúc da dung dịch điện cực Lớp tiếp xúc da điện cực đóng vai trò quan trọng Tín hiệu điện tim có thu tốt hay khơng phụ thuộc nhiều vào Ngồi lớp biểu bì (Epidermis) lớp có ảnh hưởng nhiều tiếp xúc Bên lớp da thật (Dermis) Kế lớp da (Subcutaneous layer) Bề da gồ ghề Lớp biểu bì có lớp tế bào già chết, bụi… Ngồi có sợi lông mọc xuyên từ lớp da Các lỗ mồ ln tiết mồ bên ngồi mùa hè Thành phần mồ hôi phức tạp Tuy nhiên ion K+ ,Na+ Cl- Thành phần dung dịch điện cực nói thường chứa ion Cl- Na+ hay K+ (nói chung mưới Clo) Với bề mặt gồ ghề, nồng độ ion khác có them tạp chất khác, lớp tiếp xúc tồn điện tiếp xúc tuân theo phương trình Nernst Ngoài độ dẫn điện tổ chức da khác tương tự trường hợp lớp tiếp xúc điện cực –dung dịch Lớp tiếp xúc tồn có dòng điện chạy qua Sơ đồ tương đương điện lớp tiếp xúc giống lớp tiếp xúc điện cực –dung dịch ( hình 11) Lớp tiếp xúc phân cực Nó xuất hai lớp điện tích trái dấu hai bên lớp tiếp xúc Điều xảy điện cực dịch chuyển tương da Khi có chuyển động học, điện tích bị xáo trộn lớp tiếp xúc điện cực –dung dịch lớp tiếp xúc dung dịch- da lớp tiếp xúc dung dịch – da bị xáo trộn nhiều Điện tích có phân bố lại q trình dừng có cân Thêm vào thay đổi có dòng điện chạy qua Điện chênh lệch có dịch chuyển học tương đối da điện cực gọi artifact chuyền dịch Các vật lầm điện cực có điện bán pin cao điện artifact mạnh Điện Này thường lớn so với tín hiệu điện tim Nó làm bão hòa tầng khuếch đại máy ghi điện tim làm máy không ghi điện tim thời gian Vấn đề xét them phần sau 2.3 Ồn, can nhiễu đo tín hiệu điện tâm đồ Ồn nội thiết bị ghi điện tim sinh can nhiễu tác động từ bên vào Tầng tiền khuếch đại nơi định tỷ số tín hiệu / nhiễu (ồn) 2.3.1 Ảnh hưởng can nhiễu 6 Phần xét chủ yếu nhiễu 50/60 Hz lưới điện Điện lưới có mặt khắp mội nơi bệnh viện phòng khám bệnh Nó nguồn cung cấp lượng chỗ cho thiết bị y tế có thiết bị đo điện tim (trừ thiết bị dùng pin acqui) Có hai trường lưới điện sinh gây tác động lên thiết bị đo điện tim Đó điện trường từ trường a Ảnh hưởng điện trường 50 / 60 Hz Những dây điện lưới vật dẫn nối với lưới điện sinh điện trường quanh Điện trường tác động tới thiết bị đo điện tim, dây điện cực thể bệnh nhân Vì điện áp lưới dao động tuần hồn với tần số 50 60 Hz nên điện trường sinh cungxbieens thiên tuần hồn tần số Dòng điện dịch mà ảnh hưởng tới vật khác mơ tả qua điện dung tạp tán vùng điện lưới sinh điện trường vật thể Hình 12 Hình 12 biểu diễn ảnh hưởng điện trường 50/60Hz lên dây điện cực thiết bị đo điện tim Dòng điện qua điện dung tạp tán C3 tới vỏ thiêt bị điện tim Nếu vỏ thiết bị nối đất, dòng điện xuống đất khơng gây ảnh hưởng đến kết đo Ngược lại dòng điện Id1, Id2 qua điện dung tạp tán C1, C2 đến dây điện cực A, B, qua trở kháng tiếp xúc điện cực –da Z1,Z2, qua thân người ( có trở kháng nhỏ khoảng 500Ω nên bỏ qua ) , qua trở kháng điện cực –da Zd chân phải nối xuông đất Điện áp vi sai A B UA- UB UA- UB = Id1.Z1 – Id2.Z2 Trong trường hợp dòng điện dịch Id1 Id2 thì: UA- UB = Id1( Z1 – Z2) Thí dụ với dây điện cực dài 9m, phòng có lắp điện lưới tường, khoảng cách dây điện cực dây lưới điện khoảng m, dòng điện dich Id1= Id2 = 5nA Nếu chênh lệch trở kháng tiếp xúc da- điện cực cỡ 20KΩ nhiễu sinh đầu vào cỡ : UA- UB = 5.10-9.20.103= 100µV Có thể hạn chế nhiễu cách bọc kim dây diện cực Đồng thời làm tốt tiếp xúc da điện cực ( hiệu Z1 – Z2 giảm) làm giảm ảnh hưởng tượng Hình 13 cho thấy ảnh hưởng điện trường 50/60Hz lên thể bệnh nhân làm sai lệch kết đo điện tim Dòng điện dịch Idb qua điện dung tạp tán Cb vào thể bệnh nhân, qua trở kháng Zg xuống đất Điện áp đồng pha Ucm xuát thể bệnh nhân Ucm = Idb.Zd Nếu dòng Idb = 1µA , Zd = 50 KΩ Ucm = 10-6.5.104 = 50mV Giả sử trở kháng vào tầng tiền khuếch đại Zin = 5MΩ UA- UB = Ucm.( ) Vì Zin >> Z1, Z2 UA- UB = Ucm ( ) Thí dụ giá trị Z2-Z1 giống trường hợp 20KΩ thì: Hình 13 Ở xét trường hợp thể bệnh nhân cách điện hồn tồn, dòng điện idb dòng điện dịch qua điện dung tạp tán Cb Còn bệnh nhân khơng cách điện tốt nghĩa có dòng điện dò mơi trường cách điện (ẩm) idb lớn nhiều Và coi hệ thống kim loại trừ nhiễu đồng oha tầng tiền khuếch đại máy điện tim vô lớn Trong thực tế Nhiễu 50 /60 Hz tác động lên thể bệnh nhân ảnh hưởng tới kết đo lớn Qua phân tích ta thấy rằng: tiếp xúc da – điện cực tốt, trở kháng vào tầng tiền khuếch đại lớn, hệ số loại trừ nhiễu đồng pha tầng tiền khuếch đại cao, thể bệnh nhân cách điện tốt giường nằm bệnh nhân nối đất tốt, tầng tiền khuếch đại dùng nguồn cách ly (tầng tiền khuếch đại cách điện) nhiễu 50 / 60 Hz tác động lên bệnh nhân ảnh hưởng tới kết đo a Ảnh hưởng từ trường 50 / 60 Hz Nếu tiến hành đo điện tim nơi có từ trường mạnh quạt, chấn lưu đèn neon, động điện dây điện có dòng điện lớn chạy qua nhiễu 50 / 60 Hz gây ảnh hưởng Theo định luật cảm ứng điện từ : Um = dФ / dt Ở Ф từ thong qua diện tích S Giả sử từ trường vng góc với mặt S : Um = S.dB/ dt Nếu dây điện cực thể bệnh nhân tạo vòng kín có diện tích S , Từ trường động dòng điện lưới 50/60Hz sinh B.sin ) : Um = B S cos ( ) ( để đơn giản , Um, B tính theo giá trị hiệu dụng) Um = B Ở F tần số điện lưới = 50/60Hz Thí dụ: B = 10 µT, f = 50Hz, S = 0,5 m2 : Um = 10-5 2.3,14.50.0.5 = 1,6 mV Như từ trường cỡ 10 µT qua diện tích 0,5m2 gây nhiễu lớn tín hiệu điện tim ( coi tín hiệu điện tim = mV) Hình 14 cho thấy ảnh hưởng từ trường lên phép đo điện tim cách khắc phục a Chống ảnh hưởng can nhiễu 50 / 60 Hz Để chống ảnh hưởng can nhiễu 50 / 60 Hz, phần nêu vài phương pháp làm tốt lớp tiếp xúc da – điện cực, bọc kim dây điện cực tầng tiền khuếch đại nối đất tốt cho thiết bị giường bệnh nhân nằm, dùng nguồn cách ly, giảm nhỏ vòng kín bệnh nhân – dây điện cực… Dưới nêu lên vài cách chống nhiễu tích cực tức dùng mạch điện tử Tầng khuếch đại cách ly nguồn cách ly có nhiệm vụ đảm bảo độ anh tồn cao cho bệnh nhân ngồi giảm nhiều ảnh hưởng can nhiễu phần mạch cụ thể xét phần sau Hình 15 dùng mạch kéo (drive) chân phải để giảm nhỏ ảnh hưởng can nhiễu đồng pha Hình 15 VB1 = VA1 + VB1 = + VA1 + + VA1 + VB1 Hay V3 + V4 = VA1 + VB1 Vì VA = VA1 , VB = VB1 nên V3 + V4 = VA + VB Tại đầu Ic3 có điện áp V0 Đây mạch lấy tổng V0 = - ( V3.Rf/Ra + V4.Rf/Ra ) = ( V3 + V4 ) Rf/ Ra Hay V0 = - (VA + VB) Rf/Ra Với VA + VB = Ucm nên Hay V0 = Roid + V0 = Roid – 2Ucm.Rf/Ra Ucm ( 1+ 2Rf/Ra) = Roid Ucm = Thí dụ chọn Rf = 5MΩ, Ra = 10MΩ trường hợp thí dụ nêu Id= 1µA : Ucm = Như so với thí dụ Ucm giảm 10 lần Hơn Ucm khơng phụ thuộc vào Zd Một biện pháp hữu hiệu để loại trừ can nhiễu 50/60Hz dung lọc chắn dải tích cực 2.3.2 Ảnh hưởng ồn Đối với ECG nói chung, nguyên nhân gây ồn q trình thằng giáng điện tích lớp tiếp xúc điện cực – da, cá mối nối hai kim loại khác nhau, dây cáp điện cực… ảnh hưởng không đáng kể ko đề cập đến tài liệu Ở nêu lên vắn tắt ồn transistor lưỡng cực transistor trường sử dụng tầng tiền khuếch đại thiết bị ghi điện tim Trước xem xét ồn transistor lưỡng cực (BT) transistor trường (FET) ta xem xét ồn điện trở Do chuyển động nhiệt điện tử nên điện trở xuất điện áp ồn Dải tần tạp âm trải từ tần số thấp đến tần số cao Ồn gọi trắng mật độ phổ cơng suất khơng phụ thuộc vào tần số Theo công thức Nyquist, điện áp ồn điện trở xác định sau : Uồn = Ở : K số Boltzmann : K = 1,38 10-23 Ws/độ T nhiệt độ tuyệt đối B dải thơng tần R điện trở Thí dụ : điện trở R = 10 MΩ , T = 300 K (nhiệt độ phòng) , B = 100 Hz : Uồn = = µV 10 Đối với BT FET ngồi ồn nhiệt có ồn Shottky thê người ta thường đưa hệ số ồn tương đương F với nội trở nguồn tín hiệu Rs coi BT FET khơng có ồn Hệ số ồn F biểu thị : công suất ồn điện trở Rs phải nhân với trị số bao nhiều để lối bủa BT hay FET khơng ồn có cơng suất ồn giống mạch thực tế Hệ số ồn F thường biểu thị trị số logarit Hệ số ồn transistror lưỡng cực phụ thuộc vào chế độ sử dụng, đặc biệt dải tần Trong dải tần kHz, hệ số tỷ lệ nghịch với tần số Ồn gọi ồn 1/f Hệ số ồn phụ thuộc mạnh vào dòng cực góp nội trở nguồn tín hiệu Tồn giá trị dòng cực góp F cực tiểu Khi điện trở nguồn tín hiệu tăng giá trị dòng cực góp giảm Đối với thiết bị ECG dùng transistor lưỡng cực làm tầng tiền khuếch đại, người ta phải lựa chọn dòng cực góp cho hệ số ồn F nhỏ Vì điện trở nguồn tín hiệu lớn nên dòng cực góp nhỏ, vài chục µA Đặc tính ồn BT FET khác Dòng điện ồn transistor ngfnhor nhiều so với transistor lưỡng cực Trong điện áp ồn tương đương Vì với nguồn tín hiệu có trở kháng cao, FET có ồn nhỏ Còn với nguồn có trở kháng nhỏ đặc tính ồn loại Do độ khuếch đại FET nhỏ BT người ta sử dụng FET tầng tiền khuếch đại có trở kháng vào lớn Đối với transistor MOS, yếu tố ồn 1/f có ảnh hưởng mạnh tần số khoảng 100 KHz trở xuống Vì MOSFET khu vực tần số thấp ổn nhiều so với BT FET Các thiết bị ghi điện tim đại dùng mạch tích hợp (IC) thuật tốn ( op amp) tầng tiền khuếch đại Các nhà sản xuất IC op amp lựa chọn cho IC ồn nghĩa chọn dòng cực góp cặp transistor vào vi sai cho F nhỏ Nếu sử dụng IC op amp có đầu vào transistor trường chất lượng thiết bị cao  ... đo điện tim Đó điện trường từ trường a Ảnh hưởng điện trường 50 / 60 Hz Những dây điện lưới vật dẫn nối với lưới điện sinh điện trường quanh Điện trường tác động tới thiết bị đo điện tim, dây điện. .. số điện lưới = 50 /60Hz Thí dụ: B = 10 µT, f = 50 Hz, S = 0 ,5 m2 : Um = 10 -5 2.3,14 .50 .0 .5 = 1,6 mV Như từ trường cỡ 10 µT qua diện tích 0,5m2 gây nhiễu lớn tín hiệu điện tim ( coi tín hiệu điện. .. tiếp xúc điện cực dung dịch điện cực Sơ đồ điện cực dung dịch điện cực minh họa hình Khi điện cực tiếp xúc với dung dịch xuất dòng điện điện cực dung dịch Dòng điện xuất thời gian ngắn Dòng điện