LINK TẢI Đồ án MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
MỤC LỤC
Trang bìa ...................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án...........................................................................................................ii Lịch trình thực hiện ...................................................................................................iii Camđoan ..................................................................................................................iv Lời Thank .................................................................................................................. v Mục lục ...................................................................................................................... vi Danh mục hình ảnh ................................................................................................... vii Danh mục biểu bảng ................................................................................................viii Tóm tắt ...................................................................................................................... ix
CHƯƠNG I. DẪN NHẬP ................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1 1.2 Lý do đề tài ....................................................................................................... 1 1.3 Mục tiêu đề tài................................................................................................... 3 1.4 Giới hạn đề tài ................................................................................................... 3 1.5 Bố cụ đề tài ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ...................................................... 4
2.1 Cấu tạo và hoạt động của tim ........................................................................... 4 2.1.1 Cấu tạo của tim .............................................................................................. 4 2.2.2 Hoạt động của tim ......................................................................................... 5 2.2 Tín hiệu điện tim (ECG)................................................................................... 6 2.2.1 Giới thiệu về tín hiệu điện tim....................................................................... 6 2.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim ............................................................................. 7 2.2.3 Cơ sở của tín hiệu điện tim............................................................................ 8 2.2.4 Các giai đoạn tạo sóng điện tim .................................................................... 9 2.3 Hệ thống các chuyển đạo................................................................................ 13 2.3.1 Chuyển đạo chuẩn ....................................................................................... 14 2.3.2 Chuyển đạo đơn cực .................................................................................... 14 2.3.3 Chuyển đạo trước tim .................................................................................. 16 2.4 Sự thu tín hiệu ................................................................................................ 17
2.5 Tìm hiểu PIC 16F887 ..................................................................................... 18 2.5.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân PIC 16F887 ......................................... 18 2.5.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối bên trong PIC 16F887 .......................... 22 2.5.3 Bộ chuyển đổi tương tự sang số .................................................................. 24 2.5.4 Timer ........................................................................................................... 25 2.6 Tìm hiểu LCD................................................................................................. 26 2.6.1 Cấu tạo......................................................................................................... 26 2.6.2 Hoạt động .................................................................................................... 27 2.5.3 Hiển thị ........................................................................................................ 28 2.7 Tìm hiểu AD620............................................................................................. 29 2.7.1 Chức năng.................................................................................................... 29 2.7.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân .............................................................. 29 2.8 Tìm hiểu OP07 ............................................................................................... 30 2.8.1 Chức năng.................................................................................................... 30 2.8.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân .............................................................. 30
CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG ....................... 31
3.1 Mạch khuếch đại vi sai.................................................................................... 32 3.2 Mạch điều khiển chân phải ............................................................................. 34 3.3 Mạch lọc tích cực ............................................................................................ 35 3.3.1 Mạch lọc thông thấp..................................................................................... 36 3.3.2 Mạch lọc thông cao ...................................................................................... 38 3.3.3 Mạch lọc chắn dải ........................................................................................ 39 3.4 Mạch lọc thụ động........................................................................................... 41 3.4.1 Mạch lọc thông thấp..................................................................................... 41 3.4.2 Mạch lọc thông cao ...................................................................................... 42 3.4.3 Mạch lọc thông dải....................................................................................... 42 3.4.3 Mạch lọc chắn dải ........................................................................................ 44
CHƯƠNG IV. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP................................. ........... 46
4.1 Mục đích ........................................................................................................ 46 4.2 Chế độ SPI ...................................................................................................... 46
vi
4.2.1 Khái niệm .................................................................................................... 46 4.2.2 Hoạt động .................................................................................................... 48 4.3 Chế độ I2C...................................................................................................... 49 4.3.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 49 4.3.2 Các chế độ tryền nhận dữ liệu ..................................................................... 50 4.4 Bộ truyền nhận dữ liệu đồng bộ ..................................................................... 51 4.4.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 51 4.4.2 Các chế độ truyền ........................................................................................ 52 4.4.3 Chế độ EUSART không đồng bộ ................................................................ 52
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG..................................................... 57
5.1 Xác định các thông số của hệ thống ............................................................... 57 5.2 Sơ đồ khối và chức năng từng khối ................................................................ 57 5.2.1 Sơ đồ khối.................................................................................................... 57 5.2.2 Chức năng từng khối ................................................................................... 57 5.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lí ................................................................................. 58 5.3.1 Khối thu tín hiệu điện tim............................................................................ 58 5.3.2 Khối khuếch đại - lọc nhiễu ........................................................................ 58 5.4 Thiết kế chi tiết các khối trong khối khuếch đại-lọc nhiễu ............................ 59 5.5 Khối khuếch đại dịch mức.............................................................................. 70 5.6 Khối xử lí và hiển thị điện áp đo được .......................................................... 76 5.7 Mô phỏng trên ECG Simulator ...................................................................... 83 5.8 Mạch đo thực tế trên người ............................................................................ 85
CHƯƠNG VI. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. .................................................... 76
CHƯƠNG VII. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. .......................... 77
7.1 Kết luận . ........................................................................................................ 77 7.2 Hướng phát triển............................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 : Cấu tạo tim người.......................................................................................4 Hình 2.2 : Vị trí các bó His .........................................................................................5 Hình 2.3 : Lược đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua màng bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III................7 Hình 2.4 : Sự khử và tái cực........................................................................................8 Hình 2.5 : Sự khử cực ở tâm nhĩ hình thành sóng P .................................................10 Hình 2.6: Sự khử cực ở vách ngăn và sự hình thành sóng Q......................................0 Hình 2.7 : Sự hình thành sóng R và S .........................................................................1 Hình 2.8 : Sự hình thành sóng T .................................................................................2 Hình 2.9 : Các vị trí điện thế được lấy ra tạo ra đạo trình của sóng điện tim .............3 Hình 2.10 : Chuyển đạo chuẩn và tam giác Einthoven...............................................4 Hình 2.11 : Chuyển đạo đơn cực các chi ....................................................................5 Hình 2.12 : Vị trí chuyển đạo trước tim....................................................................16 Hình 2.13 : Mặt cắt khảo sát tim và chuyển đạo tương ứng .....................................16 Hình 2.14 : Điện cực dán ..........................................................................................18 Hình 2.15 :Điện cực ngực .........................................................................................18 Hình 2.16 : Điện cực chi. ..........................................................................................18 Hình 2.17 : Sơ đồ chân PIC16F887 ..........................................................................19 Hình 2.18 : Hình dạng thực tế PIC16F887 ...............................................................21 Hình 2.19 : Sơ đồ khối PIC16F887...........................................................................23 Hình 2.20 : LCD thực tế............................................................................................26 Hình 2.28 : Sơ đồ chân AD620 .................................................................................29 Hình 2.29 : Sơ đồ chân OP07....................................................................................30 Hình 3.1 : Hình dạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường.....................31 Hình 3.2 : Sơ đồ khối hệ thống điện tim. ..................................................................32 Hình 3.3 : Mạch khuếch đại vi sai.............................................................................32
vii
Hình 3.4 : Cấu trúc vi mạch AD620 .........................................................................33 Hình 3.5 : Mạch điều khiển chân phải ......................................................................34 Hình 3.6 : Đáp ứng Biên độ-Tần số của ba loại mạch lọc ........................................36 Hình 3.7 : Đáp ứng Biên độ-Tần số của mạch lọc thông thấp bậc 1 ........................36 Hình 3.8 : Mạch lọc thông thấp bậc 1 .......................................................................37 Hình 3.9 : Mạch lọc Butterworth thông thấp bậc 2...................................................37 Hình 3.10 : Mạch lọc thông cao bậc 1 ......................................................................38 Hình 3.11 : Mạch lọc thông cao bậc 2 ......................................................................39 Hình 3.12 : Sơ đồ khối mạch lọc triệt dãi. ................................................................40 Hình 3.13 : Sơ đồ mạch lọc triệt dãi. ........................................................................40 Hình 3.14 : Lọc thông thấp thụ động ........................................................................41 Hình 3.15 : Lọc thông cao thụ động..........................................................................42 Hình 3.16 : Lọc thông dải thụ động. .........................................................................42 Hình 3.17 : Đáp ứng Biên độ-Tần số bộ lọc thông dải .............................................43 Hình 3.18 : Bộ lọc chắn dải.......................................................................................44 Hình 3.19 : Đáp ứng Biên độ-Tần số bộ lọc chắn dải...............................................45 Hình 4.1 : Sơ đồ khối chế độ SPI và I2C. .................................................................46 Hình 4.2 : Giao diện SPI ...........................................................................................47 Hình 4.3 : Truyền dữ liệu SPI ...................................................................................48 Hình 4.4 : Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ...............................................................50 Hình 4.5 : Sơ đồ kết nối Master –Slave ....................................................................51 Hình 4.6 : Sơ đồ khối truyền EUSART ....................................................................55 Hình 4.7 : Sơ đồ khối nhận EUSART .......................................................................56 Hình 5.1 : Sơ đồ khối. ...............................................................................................57 Hình 5.2 : Sơ đồ khối khuếch đại-lọc nhiễu..............................................................59 Hình 5.3 : Mạch khuếch đại 1 ...................................................................................59 Hình 5.4 : Hình dạng mạch thi công .........................................................................60 Hình 5.5 : Kết quả đo mạch khuếch đại 1 .................................................................61 Hình 5.6 : Mạch lọc thông thấp.................................................................................62
vii
Hình 5.7 : Phóng to dạng sóng ngõ ra mạch lọc thong thấp .....................................63 Hình 5.8 : Ngõ ra mạch lọc thông thấp .....................................................................63 Hình 5.9 : Mạch lọc thông cao ..................................................................................64 Hình 5.10a : Ngõ ra mạch lọc thông cao...................................................................65 Hình 5.10b : Ngõ ra mạch lọc thông cao ..................................................................65 Hình 5.10c : Ngõ ra mạch lọc thông cao...................................................................66 Hình 5.11 : Mạch triệt tần 50Hz................................................................................67 Hình 5.12 : Ngõ ra mạch triệt tần 50Hz ....................................................................68 Hình 5.13 : Ngõ ra mạch triệt tần 60Hz....................................................................68 Hình 5.14 : Ngõ ra mạch triệt tần 70Hz....................................................................69 Hình 5.15 : Ngõ ra mạch triệt tần 40Hz....................................................................69 Hình 5.16 : Ngõ ra mạch triệt tần 30Hz....................................................................70 Hình 5.17 : Mạch khuếch đại-dịch mức....................................................................70 Hình 5.18a : Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại-dịch mức .............................71 Hình 5.18b : Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại-dịch mức .............................72 Hình 5.19 : Mạch dịch mức xét ngõ vào cộng ..........................................................73 Hình 5.20 : Mạch điện tương đương .........................................................................73 Hình 5.21 : Mạch dịch mức điện áp xét ngõ vào trừ.................................................74 Hình 5.22 : Phóng to ngõ ra mạch dịch mức.............................................................75 Hình 5.23 : Ngõ ra mạch dịch mức ...........................................................................75 Hình 5.24 : Khối xử lí và hiển thị điện áp.................................................................76 Hình 5.25 : Giải thuật chương trình chính ................................................................77 Hình 5.26 : Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt ......................................................78 Hình 5.35 : Lưu đồ giải thuật đọc ADC....................................................................79 Hình 5.27a : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả.................................................84 Hình 5.27b : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả.................................................84 Hình 5.27c : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả.................................................85 Hình 5.28 : Sơ đồ nguyên lí mạch cải thiện ..............................................................86 Hình 5.29 : Layout mạch cải thiện ............................................................................86
vii
Hình 5.30 : Ngõ ra khuếch đại-lọc nhiễu mạch cải thiện..........................................87 Hình 5.31 : Phóng to màn hình ngõ ra mạch khuếch đại-lọc nhiễu..........................87 Hình 5.32 : Ngõ ra khối triệt tần 50Hz mạch cải thiện .............................................88 Hình 5.33 : Phóng to ngõ ra khối triệt tần 50Hz mạch cải thiện...............................89 Hình 5.34a : Hiển thị điện áp lên LCD .....................................................................90 Hình 5.34b : Hiển thị điện áp lên LCD .....................................................................90 Hình 5.34c : Hiển thị điện áp lên LCD .....................................................................91
vii
DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 2.1 : Chức năng các chân LCD........................................................................27 Bảng 2.2 : Mã ký tự chuẩn của LCD ........................................................................28
viii
TÓM TẮT
Từ thực tế tình trạng bệnh tim mạch đang dần phát triển trên khắp thế giới cũng như Việt Nam, nhóm sinh viên chúng em đưa ra giải pháp nghiên cứu và chế tạo ra một thiết bị y tế hữu ích để phục vụ trong việc khám chữa bệnh về tim mach. Đó chính là máy đo nhịp tim ECG (Điện tâm đồ).
Để thực hiện ý tưởng này, nhóm đã bắt tay vào tìm hiểu lí thuyết về tim, cách tạo ra sóng điện tim và các đặc điểm của sóng điện tim để có thể thu được tín hiệu điện tim một cách hiệu quả nhất. Sau đó thiết kế các khối để thu tín hiệu điện tim. Tín hiệu điện tim thô có giá trị rất bé nên cần được cho qua khối tiền khuếch đại điện áp để có thể tăng giá trị điện áp của nó lên. Tiếp đến cho qua các khối lọc để triệt bớt nhiễu trên đường truyền và nhiễu của lưới điện. Tín hiệu điện tim sẽ được dịch mức nằm trong khoảng 0-5V (ngưỡng điện áp hoạt động của vi điều khiển) để có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác.
Đề tài này nhóm chúng em cũng đã đo được trên ECG Simulator (Máy phát sóng điện tim) và đo trực tiếp trên cơ thể người. Tuy nhiên, do làm thủ công nên vẫn còn xuất hiện nhiễu.
ix
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề:
Đất nước ngày càng hiện đại, vấn đề sức khỏe càng được chú trọng nhiều hơn.Một trong những vấn đề sức khỏe cần được chú trọng là các bệnh về tim mạch.Đây đang là một vấn đề nhức nhối trong xã hội trên toàn thế giới hiện nay với tỷ lệ tử vong và tàn phế đứng hàng đầu.Ngành y tế các quốc gia cần được chú trọng phát triển để có thể kiềm hãm sự phát triển của bệnh tim mạch và đem lại cuộc sống khỏe mạnh cho con người. Tuy vậy, số lượng ca tử vong do bệnh tim mạch vẫn chiếm số lượng lớn.Theo báo cáo của tổ chức WHO, khoảng 13,7 triệu người tử vong vì bệnh tim mạch trên toàn thế giới năm 2008 [6]. Và số lượng người tử vong do bệnh tim mạch rơi tập trung vào các nước có thu nhập trung bình và thấp. Nếu không hoạt động tích cực thì số lượng ca tử vong do bệnh tim mạch sẽ gia tăng trong những năm sắp tới.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp để chẩn đoán các bệnh về tim mạch nhưng một trong những phương pháp hiệu quả và trực quan nhất đó là phương pháp Điện tâm đồ (ECG: Electro Cardio Gram). Đây là phương pháp chẩn đoán lâm sàng mang lại rất nhiều hữu ích cho các bạn sĩ, giúp chẩn đoán, phát hiện và điều trị sớm nhất các bệnh tim mạch.
1.2 Lý do đề tài:
Giá thành các máy điện tâm đồ hiện tại trên thị trường có giá thành cao, không phải trung tâm y tế nào ở Việt Nam cũng có thể trang bị máy này. Chính vì thế, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra máy đo điện tâm đồ là vấn đề rất cần thiết. Nếu thành công, giá thành sản phẩm có thể giảm đáng kể so với các các sản phẩm nhập từ nước ngoài. Đồng thời, đề tài sẽ tạo tiền đề và động lực để phát triển các sản phẩm điện tử y sinh khác nhằm phục vụ sức khỏe con người.Trong quá trình học tập và ngiên cứu tại bộ môn Điện tử công nghiệp thuộc khoa Điện_Điện tử
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
1
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, với kiến thức đã được học và nhận định thực tế trên thì đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” với giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được chất lượng để phục vụ tại nhà cho các bệnh nhân đã được hình thành.
Thiết bị đo điện tim (ECG) trong luận văn của tác giả Quách Mỹ Phượng[1] đã thiết kế và thi công được thiết bị thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim thông qua bộ khuếch đại lọc nhiễu, và cho thiết bị này giao tiếp được với máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D, bộ giao tiếp cổng RS232 và chương trình thiết kế giao diện giao tiếp thiết bị đo điện tim (ECG) với máy tính đã biểu diễn được dạng đồ thị của tín hiệu điện tim thu được. Mặc dù chưa hoàn toàn xử lý được nhiễu, nhưng kết quả thu được vẫn có dạng sóng của tín hiệu điện tim nên cũng có thể xem như chấp nhận được. Trong một nghiên cứu khác về thiết bị đo điện tim (ECG) của tác giả Nguyen Phan Anh[2] cũng đã thiết kế và thi công được thiết bị nhưng sử dụng bộ điều khiển là kit Arduino và cảm biến nhịp tim, giao diện giao tiếp với thiết bị đo điện tim được thực hiện bởi phần mềm LabVIEW và cũng đã hiển thị được dạng sóng của tín hiệu điện tim. Ngoài ra còn có nghiên cứu của nhóm Nguyễn Quốc Cường- Nguyễn Thị Lan Hương-Phạm Thị Ngọc Yến[3] cũng đã nghiên cứu thành công mạch khuyếch đại ECG và mạch thu thập số liệu sử dụng DSP và ADC. Họ đã sử dụng một card thu thập số liệu PCI 6024E của National Intruments, thiết bị này có ADC với độ phân giải là 12 bit, sau đó áp dụng bộ lọc số trên máy tính. Mạch thu thập số liệu sử dụng DSP được xây dựng trên vi mạch phát triển DSK TMS320C6713. Việc kết nối DSP với ADC đã được thực hiện thành công.
Từ những nghiên cứu và nhận định thực tế trên, nhóm đã đưa ra hướng đi cho đề tài nghiên cứu với dòng vi điều khiển khác để đa dạng về mặt thiết kế và chế tạo ra một thiết bị có thể đo được tín hiệu điện tim mà giá thành lại thấp nhưng vẫn đáp ứng được độ chính xác của kết quả đo.
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
2
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
1.3 Mục tiêu:
Qua đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” thì những mục tiêu cần đạt được:
Hiểu được quá trình đọc và xử lí tín hiệu điện tim.
Thiết kế và thi công được một thiết bị đo điện tim có các bộ lọc triệt
nhiễu đến mức tối đa có thể đạt được.
Tạo ra sản phẩm đo điện timtiện lợi và đảm bảo an toàn cho người sử
dụng.
1.4 Giới hạn đề tài:
Qua đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” thì còn những hạn chế:
Chưa giao tiếp với máy tính để hiển thịvề dạng sóng tín hiệu điện tim và lưu trữ dữ liệu điện tim đồ đo được.
Do kiến thức và khả năng xử lý nhiễu chưa tốt nên chưa triệt được hoàn toàn nhiễu.
1.5 Bố cục đề tài :
- Phần 1:Tìm hiểu lý thuyết về tim, quá trình tạo ra điện tim và các đạo trình. Tìm
hiểu về linh kiện liên quan để đạt yêu cầu của đề tài một cách tốt nhất.
- Phần 2:Tính toán,thiết kế và lựa chọn linh kiện để đạt được mục đích của đề tài.
- Phần 3:Tiến hành làm mô hình đề tài, kiểm tra và đưa ra hướng phát triển sản phẩm.
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
3
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
2.1 Cấu tạo và hoạt động của tim:
2.1.1 Cấu tạo của tim:
Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, có độ dày không đều nhau. Bao bên ngoài là một túi sợi gọi là bao tim. Bên trong toàn bộ tim được cấu tạo bằng cơ tim có vách ngăn thành hai nửa riêng biệt gọi là tim trái và tim phải. Mỗi nửa tim lại chia ra hai buồng là tâm nhĩ và tâm thất. Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất. Giữa tâm thất trái và động mạch chủ, tâm thất phải và động mạch phổi có van bán nguyệt. Các van này đảm bảo cho máu di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất và từ tâm thất vào động mạch, do đó mới bảo đảm được sự tuần hoàn máu.
Hình 2.1 Cấu tạo tim ngƣời [7].
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
4
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
2.1.2 Hoạt động của tim:
Các sợi cơ tim có cấu tạo đặc biệt liên kết với nhau làm thành cầu lan truyền xung từ sợi này sang sợi kia. Trong tim còn có một cấu trúc đặc biệt có khả năng tự phát xung gọi là hệ thống nút (hạch). Hệ thống gồm có:
Nút xoang nhĩ (SAN): nằm ở cơ tâm nhĩ chỗ tĩnh mạch chủ trên đổ vào tâm nhĩ phải. Nút xoang nhĩ phát xung với tần số vào khoảng 120 lần/phút và là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim.
Nút nhĩ thất (AVN): nằm ở bên phải của vách liên nhĩ, cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành. Nút nhĩ thất phát xung với nhịp vào khoảng 50-60 lần/phút.
Bó His: đi từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thì chia làm hai nhánh phải và trái chạy dưới nội mạc tới hai tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim. Bó His phát xung với nhịp khoảng 30-40 lần/phút.
Hình 2.2 Vị trí các nút và bó His [7].
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
5
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhịp nhàng. Tim hoạt động co bóp theo một thứ tự nhất định. Hoạt động này được lặp đi lặp lại và mỗi vòng được gọi là một chu chuyển của tim. Một chu chuyển của tim gồm 3 giai đoạn:
Tâm nhĩ thu: đầu tiên tâm nhĩ co bóp, áp suất trong tâm nhĩ tang lên, van nhĩ thất đang mở nên máu chảy từ tâm nhĩ xuống tâm thất, làm cho áp suất tâm thất tăng lên. Thời gian tâm nhĩ thu kéo dài 0,1 giây, sau đó tâm nhĩ giãn ra suốt thời thời gian còn lại của chu kỳ tim.
Tâm thất thu: khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm thất bắt đầu co lại. Giai đoạn tâm thất thu kéo dài 0,3 giây gồm hai thời kỳ:
Thời kỳ tăng áp suất kéo dài 0,05 giây. Tâm thất co bóp nên áp suất trong tâm thất tăng, cao hơn áp suất trong tâm nhĩ làm van tâm nhĩ đóng lại, nhưng chưa cao hơn áp suất ở động mạch nên van bán nguyệt chưa mở làm áp suất tâm thất tăng lên nhanh.
Thời kỳ tống máu kéo dài 0,25 giây gọi là thời kỳ tâm thất co đẳng trương. Lúc này áp suất trong tâm thất rất cao làm van bán nguyệt mở ra, máu chảy mạnh vào động mạch.
Tâm trương: tâm thất bắt đầu giãn trong khi tâm nhĩ đang giãn, áp suất trong tâm thất thấp hơn trong động mạch, van bán nguyệt đóng lại. Áp suất tâm thất giảm nhanh và trở nên nhỏ hơn áp suất tâm nhĩ, van nhĩ thất mở ra. Máu được hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm thất, đó là giai đoạn tâm trương toàn bộ, kéo dài 0,4 giây[1].
2.2 Tín hiệu điện tim (ECG):
2.2.1 Giới thiệu tín hiệu điện tim:
Tín hiệu điện tim là một trong các đại lượng sinh học quan trọng nhất trong việc chẩn đoán và chăm sóc bệnh nhân. Khi tim co bóp thể thực hiện chức năng tuần hoàn của mình thì nó sẽ tạo ra một điện trường sinh học qua khối dẫn liên hợp từ ngực và cơ bụng tới bề mặt da. Sự chênh lệch điện thế sinh học đó có thể đo
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
6
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
được từ bất kỳ hai điểm nào trên bề mặt da. Biên độ của dạng sóng tín hiệu thu được phụ thuộc vào cặp điện cực được đặt ở đâu trên bề mặt da bệnh nhân.
2.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim:
Sóng điện tim là tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh dòng điện ion gây ra bởi các tế bào tim khi co lại hay giãn ra. Tín hiệu này thường rất nhỏ. Mỗi chu kỳ tim thường khoảng là 0,8 giây, thể hiện quá trình khử cực và tái khử cực của tâm nhĩ và tâm thất.
Hình 2.3 Lƣợc đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua màng bó dẫn trong tim ngƣời và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III.
Quãng thời gian tồn tại của sóng:
P – R: 0,12 đến 0,2 giây.
Q – T: 0,35 đến 0,44 giây.
S – T: 0,05 đến 0,15 giây.
QRS: 0,09 giây.
Sóng có biên độ lớn nhất là sóng R, có biên độ vào khoảng 1.5 đến
3mV.Biên độ sóng của P, Q, S nhỏ nhất cỡ 0,2 đến 0,5mV. SóngPdosựcobópcủatâmnhĩ.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
7
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
SóngRlàkếtthúccotâmnhĩvàbắtđầutâmthấtco. Sóng T là kết thúc của tâm thất co.
2.2.3 Cơ sở của tín hiệu điện tim:
Một sợi cơ bao gồm nhiều tế tế bào, khi hoạt động sợi cơ co lại, lúc đó sẽ xuất hiện điện thế động giữa những phần đã khử cực và đang khử cực, nó sẽ làm
xuất hiện một điện trường lan truyền dọc theo sợi cơ. Sau đó khoảng nữa giây bắt đầu xuất hiện quá trình tái cực, kèm theo sự xuất hiện của một điện trường ngược lại và chuyển động với tốc độ chậm hơn. Chính cấu trúc phức tạp của tim đã làm phát ra các tín hiệu điện (khử cực và tái cực), thực chất là tổng hợp các tín hiệu điện của các sợi cơ tim cũng phức tạp hơn một tế bào hay một sợi cơ [1].
Hình 2.4 Sự khử cực và tái cực.
Giai đoạn khử cực: Trước khi bị kích thích các tế bào cơ tâm thất có điện thế nghỉ là -90mV. Khi bị kích thích, điện thế màng trở nên kém âm dần (điện thế tăng từ -90mV về 0). Khi điện thế ở khoảng từ 70mV đến -50mV thì gây mở đột ngột kênh Na+, đồng thời tính thấm của màng tế bào với Na+ tăng khoảng từ 500-5000 lần. Lúc đó Na+ ùa vào bên trong tế bào làm điện thế tế
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
8
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
bào tăng từ -90mV đến 0mV. Trạng thái này đạt được trong vài phần vạn
giây.
Giai đoạn tái cực: 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 (-90mV). Trạng thái này kéo dài hàng vạn giây, nhưng thời gian tái cực dài hơn thời gian khử cực do kênh K+ mở từ từ, sau giai đoạn tái khử cực điện thế màng không chỉ trở về trạng thái điện thế nghỉ (-90mV) mà còn âm hơn nữa (tới khoảng -100mV) trong vài ms mới trở về trạng thái bình thường [1].
2.2.4 Các giai đoạn tạo sóng điện tim:
Tim hoạt động được nhờ một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động của tim. Đầu tiên nút xoang của tim phát xung động lan tỏa ra cơ nhĩ làm cho cơ nhĩ khử cực trước, nhĩ bóp và đẩy máu xuống thất. Sau đó nút nhĩ thất tiếp nhận xung động truyền qua bó His xuống thất làm thất khử cực, lúc này thất đã đầy máu sẽ bóp mạnh đẩy máu ra ngoại biên. Hiện tượng nhĩ và thất khử cực lần lượt trước sau như thế chính là để duy trì quá trình huyết động bình thường của hệ thống tuần hoàn. Đồng thời điều đó cũng tạo nên điện tâm đồ gồm ba phần:
Nhĩ đồ:Ghi lại dòng điện hoạt động của nhĩ đi trước. Xung động đi từ nút xoang (ở nhĩ phải) sẽ tỏa ra làm khử cực cơ nhĩ như hình 2.5. Các đợt sóng với hướng chung là đi từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm đường ngang một góc 49o, đây cũng chính là hướng của vector khử cực. Và đợt sóng này được ghi lại với dạng sóng dương, đơn, thấp, nhỏ và có độ lớn khoảng 0,25mV gọi là sóng P[1].
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
9
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
Hình 2.5 Sự khử cực ở tâm nhĩ hình thành sóng P. Thất đồ:Ghi lại dòng điện hoạt động của thất, đi sau.
Khử cực:Việc khử cực bắt đầu từ phần giữa mặt trái liên thất đi xuyên qua mặt phải vách này, tạo ra một vector khử cực đầu tiên hướng từ trái sang phải. Ghi lại được sóng âm nhỏ gọn gọi là sóng Q.
Hình 2.6 Sự khử cực ở vách ngăn và sự hình thành sóng Q.
Sau đó xung động truyền xuống và khử cực cả hai tâm thất theo hướng xuyên qua bề dày cơ tim. Lúc này vector khử cực hướng chiều về bên trái hơn vì thất trái dày hơn và vì tim nằm nghiêng hướng trục giải phẫu về bên trái. Do đó, vector khử cực chung hướng từ phải qua trái tạo nên sóng dương cao hơn gọi là sóng R. Sau cùng khử vùng cực đáy thất lại hướng từ trái sang phải ghi lại được sóng âm nhỏ gọi là sóng S.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
10
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
Hình 2.7 Sự hình thành sóng R và S.
Tóm lại, quá trình khử cực tâm thất gồm ba làn sóng Q, R, S biến thiên phức
thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “bốn dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select). Hình 14 thể hiện một kết SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua bốn đường.
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần một đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo môt bit dữ liệu đến hay đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.
MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường Output,còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó. Chỉ có một đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
MỤC LỤC
Trang bìa ...................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án...........................................................................................................ii Lịch trình thực hiện ...................................................................................................iii Camđoan ..................................................................................................................iv Lời Thank .................................................................................................................. v Mục lục ...................................................................................................................... vi Danh mục hình ảnh ................................................................................................... vii Danh mục biểu bảng ................................................................................................viii Tóm tắt ...................................................................................................................... ix
CHƯƠNG I. DẪN NHẬP ................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1 1.2 Lý do đề tài ....................................................................................................... 1 1.3 Mục tiêu đề tài................................................................................................... 3 1.4 Giới hạn đề tài ................................................................................................... 3 1.5 Bố cụ đề tài ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ...................................................... 4
2.1 Cấu tạo và hoạt động của tim ........................................................................... 4 2.1.1 Cấu tạo của tim .............................................................................................. 4 2.2.2 Hoạt động của tim ......................................................................................... 5 2.2 Tín hiệu điện tim (ECG)................................................................................... 6 2.2.1 Giới thiệu về tín hiệu điện tim....................................................................... 6 2.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim ............................................................................. 7 2.2.3 Cơ sở của tín hiệu điện tim............................................................................ 8 2.2.4 Các giai đoạn tạo sóng điện tim .................................................................... 9 2.3 Hệ thống các chuyển đạo................................................................................ 13 2.3.1 Chuyển đạo chuẩn ....................................................................................... 14 2.3.2 Chuyển đạo đơn cực .................................................................................... 14 2.3.3 Chuyển đạo trước tim .................................................................................. 16 2.4 Sự thu tín hiệu ................................................................................................ 17
2.5 Tìm hiểu PIC 16F887 ..................................................................................... 18 2.5.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân PIC 16F887 ......................................... 18 2.5.2 Sơ đồ khối và chức năng các khối bên trong PIC 16F887 .......................... 22 2.5.3 Bộ chuyển đổi tương tự sang số .................................................................. 24 2.5.4 Timer ........................................................................................................... 25 2.6 Tìm hiểu LCD................................................................................................. 26 2.6.1 Cấu tạo......................................................................................................... 26 2.6.2 Hoạt động .................................................................................................... 27 2.5.3 Hiển thị ........................................................................................................ 28 2.7 Tìm hiểu AD620............................................................................................. 29 2.7.1 Chức năng.................................................................................................... 29 2.7.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân .............................................................. 29 2.8 Tìm hiểu OP07 ............................................................................................... 30 2.8.1 Chức năng.................................................................................................... 30 2.8.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân .............................................................. 30
CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC TÍN HIỆU ECG ....................... 31
3.1 Mạch khuếch đại vi sai.................................................................................... 32 3.2 Mạch điều khiển chân phải ............................................................................. 34 3.3 Mạch lọc tích cực ............................................................................................ 35 3.3.1 Mạch lọc thông thấp..................................................................................... 36 3.3.2 Mạch lọc thông cao ...................................................................................... 38 3.3.3 Mạch lọc chắn dải ........................................................................................ 39 3.4 Mạch lọc thụ động........................................................................................... 41 3.4.1 Mạch lọc thông thấp..................................................................................... 41 3.4.2 Mạch lọc thông cao ...................................................................................... 42 3.4.3 Mạch lọc thông dải....................................................................................... 42 3.4.3 Mạch lọc chắn dải ........................................................................................ 44
CHƯƠNG IV. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP................................. ........... 46
4.1 Mục đích ........................................................................................................ 46 4.2 Chế độ SPI ...................................................................................................... 46
vi
4.2.1 Khái niệm .................................................................................................... 46 4.2.2 Hoạt động .................................................................................................... 48 4.3 Chế độ I2C...................................................................................................... 49 4.3.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 49 4.3.2 Các chế độ tryền nhận dữ liệu ..................................................................... 50 4.4 Bộ truyền nhận dữ liệu đồng bộ ..................................................................... 51 4.4.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 51 4.4.2 Các chế độ truyền ........................................................................................ 52 4.4.3 Chế độ EUSART không đồng bộ ................................................................ 52
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG..................................................... 57
5.1 Xác định các thông số của hệ thống ............................................................... 57 5.2 Sơ đồ khối và chức năng từng khối ................................................................ 57 5.2.1 Sơ đồ khối.................................................................................................... 57 5.2.2 Chức năng từng khối ................................................................................... 57 5.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lí ................................................................................. 58 5.3.1 Khối thu tín hiệu điện tim............................................................................ 58 5.3.2 Khối khuếch đại - lọc nhiễu ........................................................................ 58 5.4 Thiết kế chi tiết các khối trong khối khuếch đại-lọc nhiễu ............................ 59 5.5 Khối khuếch đại dịch mức.............................................................................. 70 5.6 Khối xử lí và hiển thị điện áp đo được .......................................................... 76 5.7 Mô phỏng trên ECG Simulator ...................................................................... 83 5.8 Mạch đo thực tế trên người ............................................................................ 85
CHƯƠNG VI. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. .................................................... 76
CHƯƠNG VII. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. .......................... 77
7.1 Kết luận . ........................................................................................................ 77 7.2 Hướng phát triển............................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 : Cấu tạo tim người.......................................................................................4 Hình 2.2 : Vị trí các bó His .........................................................................................5 Hình 2.3 : Lược đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua màng bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III................7 Hình 2.4 : Sự khử và tái cực........................................................................................8 Hình 2.5 : Sự khử cực ở tâm nhĩ hình thành sóng P .................................................10 Hình 2.6: Sự khử cực ở vách ngăn và sự hình thành sóng Q......................................0 Hình 2.7 : Sự hình thành sóng R và S .........................................................................1 Hình 2.8 : Sự hình thành sóng T .................................................................................2 Hình 2.9 : Các vị trí điện thế được lấy ra tạo ra đạo trình của sóng điện tim .............3 Hình 2.10 : Chuyển đạo chuẩn và tam giác Einthoven...............................................4 Hình 2.11 : Chuyển đạo đơn cực các chi ....................................................................5 Hình 2.12 : Vị trí chuyển đạo trước tim....................................................................16 Hình 2.13 : Mặt cắt khảo sát tim và chuyển đạo tương ứng .....................................16 Hình 2.14 : Điện cực dán ..........................................................................................18 Hình 2.15 :Điện cực ngực .........................................................................................18 Hình 2.16 : Điện cực chi. ..........................................................................................18 Hình 2.17 : Sơ đồ chân PIC16F887 ..........................................................................19 Hình 2.18 : Hình dạng thực tế PIC16F887 ...............................................................21 Hình 2.19 : Sơ đồ khối PIC16F887...........................................................................23 Hình 2.20 : LCD thực tế............................................................................................26 Hình 2.28 : Sơ đồ chân AD620 .................................................................................29 Hình 2.29 : Sơ đồ chân OP07....................................................................................30 Hình 3.1 : Hình dạng và thông số của tín hiệu điện tim thông thường.....................31 Hình 3.2 : Sơ đồ khối hệ thống điện tim. ..................................................................32 Hình 3.3 : Mạch khuếch đại vi sai.............................................................................32
vii
Hình 3.4 : Cấu trúc vi mạch AD620 .........................................................................33 Hình 3.5 : Mạch điều khiển chân phải ......................................................................34 Hình 3.6 : Đáp ứng Biên độ-Tần số của ba loại mạch lọc ........................................36 Hình 3.7 : Đáp ứng Biên độ-Tần số của mạch lọc thông thấp bậc 1 ........................36 Hình 3.8 : Mạch lọc thông thấp bậc 1 .......................................................................37 Hình 3.9 : Mạch lọc Butterworth thông thấp bậc 2...................................................37 Hình 3.10 : Mạch lọc thông cao bậc 1 ......................................................................38 Hình 3.11 : Mạch lọc thông cao bậc 2 ......................................................................39 Hình 3.12 : Sơ đồ khối mạch lọc triệt dãi. ................................................................40 Hình 3.13 : Sơ đồ mạch lọc triệt dãi. ........................................................................40 Hình 3.14 : Lọc thông thấp thụ động ........................................................................41 Hình 3.15 : Lọc thông cao thụ động..........................................................................42 Hình 3.16 : Lọc thông dải thụ động. .........................................................................42 Hình 3.17 : Đáp ứng Biên độ-Tần số bộ lọc thông dải .............................................43 Hình 3.18 : Bộ lọc chắn dải.......................................................................................44 Hình 3.19 : Đáp ứng Biên độ-Tần số bộ lọc chắn dải...............................................45 Hình 4.1 : Sơ đồ khối chế độ SPI và I2C. .................................................................46 Hình 4.2 : Giao diện SPI ...........................................................................................47 Hình 4.3 : Truyền dữ liệu SPI ...................................................................................48 Hình 4.4 : Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ...............................................................50 Hình 4.5 : Sơ đồ kết nối Master –Slave ....................................................................51 Hình 4.6 : Sơ đồ khối truyền EUSART ....................................................................55 Hình 4.7 : Sơ đồ khối nhận EUSART .......................................................................56 Hình 5.1 : Sơ đồ khối. ...............................................................................................57 Hình 5.2 : Sơ đồ khối khuếch đại-lọc nhiễu..............................................................59 Hình 5.3 : Mạch khuếch đại 1 ...................................................................................59 Hình 5.4 : Hình dạng mạch thi công .........................................................................60 Hình 5.5 : Kết quả đo mạch khuếch đại 1 .................................................................61 Hình 5.6 : Mạch lọc thông thấp.................................................................................62
vii
Hình 5.7 : Phóng to dạng sóng ngõ ra mạch lọc thong thấp .....................................63 Hình 5.8 : Ngõ ra mạch lọc thông thấp .....................................................................63 Hình 5.9 : Mạch lọc thông cao ..................................................................................64 Hình 5.10a : Ngõ ra mạch lọc thông cao...................................................................65 Hình 5.10b : Ngõ ra mạch lọc thông cao ..................................................................65 Hình 5.10c : Ngõ ra mạch lọc thông cao...................................................................66 Hình 5.11 : Mạch triệt tần 50Hz................................................................................67 Hình 5.12 : Ngõ ra mạch triệt tần 50Hz ....................................................................68 Hình 5.13 : Ngõ ra mạch triệt tần 60Hz....................................................................68 Hình 5.14 : Ngõ ra mạch triệt tần 70Hz....................................................................69 Hình 5.15 : Ngõ ra mạch triệt tần 40Hz....................................................................69 Hình 5.16 : Ngõ ra mạch triệt tần 30Hz....................................................................70 Hình 5.17 : Mạch khuếch đại-dịch mức....................................................................70 Hình 5.18a : Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại-dịch mức .............................71 Hình 5.18b : Ngõ ra khuếch đại của mạch khuếch đại-dịch mức .............................72 Hình 5.19 : Mạch dịch mức xét ngõ vào cộng ..........................................................73 Hình 5.20 : Mạch điện tương đương .........................................................................73 Hình 5.21 : Mạch dịch mức điện áp xét ngõ vào trừ.................................................74 Hình 5.22 : Phóng to ngõ ra mạch dịch mức.............................................................75 Hình 5.23 : Ngõ ra mạch dịch mức ...........................................................................75 Hình 5.24 : Khối xử lí và hiển thị điện áp.................................................................76 Hình 5.25 : Giải thuật chương trình chính ................................................................77 Hình 5.26 : Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt ......................................................78 Hình 5.35 : Lưu đồ giải thuật đọc ADC....................................................................79 Hình 5.27a : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả.................................................84 Hình 5.27b : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả.................................................84 Hình 5.27c : Tín hiệu thu được khi đọc trên tim giả.................................................85 Hình 5.28 : Sơ đồ nguyên lí mạch cải thiện ..............................................................86 Hình 5.29 : Layout mạch cải thiện ............................................................................86
vii
Hình 5.30 : Ngõ ra khuếch đại-lọc nhiễu mạch cải thiện..........................................87 Hình 5.31 : Phóng to màn hình ngõ ra mạch khuếch đại-lọc nhiễu..........................87 Hình 5.32 : Ngõ ra khối triệt tần 50Hz mạch cải thiện .............................................88 Hình 5.33 : Phóng to ngõ ra khối triệt tần 50Hz mạch cải thiện...............................89 Hình 5.34a : Hiển thị điện áp lên LCD .....................................................................90 Hình 5.34b : Hiển thị điện áp lên LCD .....................................................................90 Hình 5.34c : Hiển thị điện áp lên LCD .....................................................................91
vii
DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 2.1 : Chức năng các chân LCD........................................................................27 Bảng 2.2 : Mã ký tự chuẩn của LCD ........................................................................28
viii
TÓM TẮT
Từ thực tế tình trạng bệnh tim mạch đang dần phát triển trên khắp thế giới cũng như Việt Nam, nhóm sinh viên chúng em đưa ra giải pháp nghiên cứu và chế tạo ra một thiết bị y tế hữu ích để phục vụ trong việc khám chữa bệnh về tim mach. Đó chính là máy đo nhịp tim ECG (Điện tâm đồ).
Để thực hiện ý tưởng này, nhóm đã bắt tay vào tìm hiểu lí thuyết về tim, cách tạo ra sóng điện tim và các đặc điểm của sóng điện tim để có thể thu được tín hiệu điện tim một cách hiệu quả nhất. Sau đó thiết kế các khối để thu tín hiệu điện tim. Tín hiệu điện tim thô có giá trị rất bé nên cần được cho qua khối tiền khuếch đại điện áp để có thể tăng giá trị điện áp của nó lên. Tiếp đến cho qua các khối lọc để triệt bớt nhiễu trên đường truyền và nhiễu của lưới điện. Tín hiệu điện tim sẽ được dịch mức nằm trong khoảng 0-5V (ngưỡng điện áp hoạt động của vi điều khiển) để có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác.
Đề tài này nhóm chúng em cũng đã đo được trên ECG Simulator (Máy phát sóng điện tim) và đo trực tiếp trên cơ thể người. Tuy nhiên, do làm thủ công nên vẫn còn xuất hiện nhiễu.
ix
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề:
Đất nước ngày càng hiện đại, vấn đề sức khỏe càng được chú trọng nhiều hơn.Một trong những vấn đề sức khỏe cần được chú trọng là các bệnh về tim mạch.Đây đang là một vấn đề nhức nhối trong xã hội trên toàn thế giới hiện nay với tỷ lệ tử vong và tàn phế đứng hàng đầu.Ngành y tế các quốc gia cần được chú trọng phát triển để có thể kiềm hãm sự phát triển của bệnh tim mạch và đem lại cuộc sống khỏe mạnh cho con người. Tuy vậy, số lượng ca tử vong do bệnh tim mạch vẫn chiếm số lượng lớn.Theo báo cáo của tổ chức WHO, khoảng 13,7 triệu người tử vong vì bệnh tim mạch trên toàn thế giới năm 2008 [6]. Và số lượng người tử vong do bệnh tim mạch rơi tập trung vào các nước có thu nhập trung bình và thấp. Nếu không hoạt động tích cực thì số lượng ca tử vong do bệnh tim mạch sẽ gia tăng trong những năm sắp tới.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp để chẩn đoán các bệnh về tim mạch nhưng một trong những phương pháp hiệu quả và trực quan nhất đó là phương pháp Điện tâm đồ (ECG: Electro Cardio Gram). Đây là phương pháp chẩn đoán lâm sàng mang lại rất nhiều hữu ích cho các bạn sĩ, giúp chẩn đoán, phát hiện và điều trị sớm nhất các bệnh tim mạch.
1.2 Lý do đề tài:
Giá thành các máy điện tâm đồ hiện tại trên thị trường có giá thành cao, không phải trung tâm y tế nào ở Việt Nam cũng có thể trang bị máy này. Chính vì thế, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra máy đo điện tâm đồ là vấn đề rất cần thiết. Nếu thành công, giá thành sản phẩm có thể giảm đáng kể so với các các sản phẩm nhập từ nước ngoài. Đồng thời, đề tài sẽ tạo tiền đề và động lực để phát triển các sản phẩm điện tử y sinh khác nhằm phục vụ sức khỏe con người.Trong quá trình học tập và ngiên cứu tại bộ môn Điện tử công nghiệp thuộc khoa Điện_Điện tử
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
1
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh, với kiến thức đã được học và nhận định thực tế trên thì đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” với giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được chất lượng để phục vụ tại nhà cho các bệnh nhân đã được hình thành.
Thiết bị đo điện tim (ECG) trong luận văn của tác giả Quách Mỹ Phượng[1] đã thiết kế và thi công được thiết bị thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim thông qua bộ khuếch đại lọc nhiễu, và cho thiết bị này giao tiếp được với máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D, bộ giao tiếp cổng RS232 và chương trình thiết kế giao diện giao tiếp thiết bị đo điện tim (ECG) với máy tính đã biểu diễn được dạng đồ thị của tín hiệu điện tim thu được. Mặc dù chưa hoàn toàn xử lý được nhiễu, nhưng kết quả thu được vẫn có dạng sóng của tín hiệu điện tim nên cũng có thể xem như chấp nhận được. Trong một nghiên cứu khác về thiết bị đo điện tim (ECG) của tác giả Nguyen Phan Anh[2] cũng đã thiết kế và thi công được thiết bị nhưng sử dụng bộ điều khiển là kit Arduino và cảm biến nhịp tim, giao diện giao tiếp với thiết bị đo điện tim được thực hiện bởi phần mềm LabVIEW và cũng đã hiển thị được dạng sóng của tín hiệu điện tim. Ngoài ra còn có nghiên cứu của nhóm Nguyễn Quốc Cường- Nguyễn Thị Lan Hương-Phạm Thị Ngọc Yến[3] cũng đã nghiên cứu thành công mạch khuyếch đại ECG và mạch thu thập số liệu sử dụng DSP và ADC. Họ đã sử dụng một card thu thập số liệu PCI 6024E của National Intruments, thiết bị này có ADC với độ phân giải là 12 bit, sau đó áp dụng bộ lọc số trên máy tính. Mạch thu thập số liệu sử dụng DSP được xây dựng trên vi mạch phát triển DSK TMS320C6713. Việc kết nối DSP với ADC đã được thực hiện thành công.
Từ những nghiên cứu và nhận định thực tế trên, nhóm đã đưa ra hướng đi cho đề tài nghiên cứu với dòng vi điều khiển khác để đa dạng về mặt thiết kế và chế tạo ra một thiết bị có thể đo được tín hiệu điện tim mà giá thành lại thấp nhưng vẫn đáp ứng được độ chính xác của kết quả đo.
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
2
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
1.3 Mục tiêu:
Qua đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” thì những mục tiêu cần đạt được:
Hiểu được quá trình đọc và xử lí tín hiệu điện tim.
Thiết kế và thi công được một thiết bị đo điện tim có các bộ lọc triệt
nhiễu đến mức tối đa có thể đạt được.
Tạo ra sản phẩm đo điện timtiện lợi và đảm bảo an toàn cho người sử
dụng.
1.4 Giới hạn đề tài:
Qua đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo điện tim (ECG)” thì còn những hạn chế:
Chưa giao tiếp với máy tính để hiển thịvề dạng sóng tín hiệu điện tim và lưu trữ dữ liệu điện tim đồ đo được.
Do kiến thức và khả năng xử lý nhiễu chưa tốt nên chưa triệt được hoàn toàn nhiễu.
1.5 Bố cục đề tài :
- Phần 1:Tìm hiểu lý thuyết về tim, quá trình tạo ra điện tim và các đạo trình. Tìm
hiểu về linh kiện liên quan để đạt yêu cầu của đề tài một cách tốt nhất.
- Phần 2:Tính toán,thiết kế và lựa chọn linh kiện để đạt được mục đích của đề tài.
- Phần 3:Tiến hành làm mô hình đề tài, kiểm tra và đưa ra hướng phát triển sản phẩm.
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
3
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
2.1 Cấu tạo và hoạt động của tim:
2.1.1 Cấu tạo của tim:
Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, có độ dày không đều nhau. Bao bên ngoài là một túi sợi gọi là bao tim. Bên trong toàn bộ tim được cấu tạo bằng cơ tim có vách ngăn thành hai nửa riêng biệt gọi là tim trái và tim phải. Mỗi nửa tim lại chia ra hai buồng là tâm nhĩ và tâm thất. Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất. Giữa tâm thất trái và động mạch chủ, tâm thất phải và động mạch phổi có van bán nguyệt. Các van này đảm bảo cho máu di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất và từ tâm thất vào động mạch, do đó mới bảo đảm được sự tuần hoàn máu.
Hình 2.1 Cấu tạo tim ngƣời [7].
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
4
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
2.1.2 Hoạt động của tim:
Các sợi cơ tim có cấu tạo đặc biệt liên kết với nhau làm thành cầu lan truyền xung từ sợi này sang sợi kia. Trong tim còn có một cấu trúc đặc biệt có khả năng tự phát xung gọi là hệ thống nút (hạch). Hệ thống gồm có:
Nút xoang nhĩ (SAN): nằm ở cơ tâm nhĩ chỗ tĩnh mạch chủ trên đổ vào tâm nhĩ phải. Nút xoang nhĩ phát xung với tần số vào khoảng 120 lần/phút và là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim.
Nút nhĩ thất (AVN): nằm ở bên phải của vách liên nhĩ, cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành. Nút nhĩ thất phát xung với nhịp vào khoảng 50-60 lần/phút.
Bó His: đi từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thì chia làm hai nhánh phải và trái chạy dưới nội mạc tới hai tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim. Bó His phát xung với nhịp khoảng 30-40 lần/phút.
Hình 2.2 Vị trí các nút và bó His [7].
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
5
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhịp nhàng. Tim hoạt động co bóp theo một thứ tự nhất định. Hoạt động này được lặp đi lặp lại và mỗi vòng được gọi là một chu chuyển của tim. Một chu chuyển của tim gồm 3 giai đoạn:
Tâm nhĩ thu: đầu tiên tâm nhĩ co bóp, áp suất trong tâm nhĩ tang lên, van nhĩ thất đang mở nên máu chảy từ tâm nhĩ xuống tâm thất, làm cho áp suất tâm thất tăng lên. Thời gian tâm nhĩ thu kéo dài 0,1 giây, sau đó tâm nhĩ giãn ra suốt thời thời gian còn lại của chu kỳ tim.
Tâm thất thu: khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm thất bắt đầu co lại. Giai đoạn tâm thất thu kéo dài 0,3 giây gồm hai thời kỳ:
Thời kỳ tăng áp suất kéo dài 0,05 giây. Tâm thất co bóp nên áp suất trong tâm thất tăng, cao hơn áp suất trong tâm nhĩ làm van tâm nhĩ đóng lại, nhưng chưa cao hơn áp suất ở động mạch nên van bán nguyệt chưa mở làm áp suất tâm thất tăng lên nhanh.
Thời kỳ tống máu kéo dài 0,25 giây gọi là thời kỳ tâm thất co đẳng trương. Lúc này áp suất trong tâm thất rất cao làm van bán nguyệt mở ra, máu chảy mạnh vào động mạch.
Tâm trương: tâm thất bắt đầu giãn trong khi tâm nhĩ đang giãn, áp suất trong tâm thất thấp hơn trong động mạch, van bán nguyệt đóng lại. Áp suất tâm thất giảm nhanh và trở nên nhỏ hơn áp suất tâm nhĩ, van nhĩ thất mở ra. Máu được hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm thất, đó là giai đoạn tâm trương toàn bộ, kéo dài 0,4 giây[1].
2.2 Tín hiệu điện tim (ECG):
2.2.1 Giới thiệu tín hiệu điện tim:
Tín hiệu điện tim là một trong các đại lượng sinh học quan trọng nhất trong việc chẩn đoán và chăm sóc bệnh nhân. Khi tim co bóp thể thực hiện chức năng tuần hoàn của mình thì nó sẽ tạo ra một điện trường sinh học qua khối dẫn liên hợp từ ngực và cơ bụng tới bề mặt da. Sự chênh lệch điện thế sinh học đó có thể đo
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
6
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
được từ bất kỳ hai điểm nào trên bề mặt da. Biên độ của dạng sóng tín hiệu thu được phụ thuộc vào cặp điện cực được đặt ở đâu trên bề mặt da bệnh nhân.
2.2.2 Sóng của tín hiệu điện tim:
Sóng điện tim là tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh dòng điện ion gây ra bởi các tế bào tim khi co lại hay giãn ra. Tín hiệu này thường rất nhỏ. Mỗi chu kỳ tim thường khoảng là 0,8 giây, thể hiện quá trình khử cực và tái khử cực của tâm nhĩ và tâm thất.
Hình 2.3 Lƣợc đồ của quá trình tạo nhịp bằng cơ tim, điện thế qua màng bó dẫn trong tim ngƣời và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III.
Quãng thời gian tồn tại của sóng:
P – R: 0,12 đến 0,2 giây.
Q – T: 0,35 đến 0,44 giây.
S – T: 0,05 đến 0,15 giây.
QRS: 0,09 giây.
Sóng có biên độ lớn nhất là sóng R, có biên độ vào khoảng 1.5 đến
3mV.Biên độ sóng của P, Q, S nhỏ nhất cỡ 0,2 đến 0,5mV. SóngPdosựcobópcủatâmnhĩ.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
7
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
SóngRlàkếtthúccotâmnhĩvàbắtđầutâmthấtco. Sóng T là kết thúc của tâm thất co.
2.2.3 Cơ sở của tín hiệu điện tim:
Một sợi cơ bao gồm nhiều tế tế bào, khi hoạt động sợi cơ co lại, lúc đó sẽ xuất hiện điện thế động giữa những phần đã khử cực và đang khử cực, nó sẽ làm
xuất hiện một điện trường lan truyền dọc theo sợi cơ. Sau đó khoảng nữa giây bắt đầu xuất hiện quá trình tái cực, kèm theo sự xuất hiện của một điện trường ngược lại và chuyển động với tốc độ chậm hơn. Chính cấu trúc phức tạp của tim đã làm phát ra các tín hiệu điện (khử cực và tái cực), thực chất là tổng hợp các tín hiệu điện của các sợi cơ tim cũng phức tạp hơn một tế bào hay một sợi cơ [1].
Hình 2.4 Sự khử cực và tái cực.
Giai đoạn khử cực: Trước khi bị kích thích các tế bào cơ tâm thất có điện thế nghỉ là -90mV. Khi bị kích thích, điện thế màng trở nên kém âm dần (điện thế tăng từ -90mV về 0). Khi điện thế ở khoảng từ 70mV đến -50mV thì gây mở đột ngột kênh Na+, đồng thời tính thấm của màng tế bào với Na+ tăng khoảng từ 500-5000 lần. Lúc đó Na+ ùa vào bên trong tế bào làm điện thế tế
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
8
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
bào tăng từ -90mV đến 0mV. Trạng thái này đạt được trong vài phần vạn
giây.
Giai đoạn tái cực: 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 (-90mV). Trạng thái này kéo dài hàng vạn giây, nhưng thời gian tái cực dài hơn thời gian khử cực do kênh K+ mở từ từ, sau giai đoạn tái khử cực điện thế màng không chỉ trở về trạng thái điện thế nghỉ (-90mV) mà còn âm hơn nữa (tới khoảng -100mV) trong vài ms mới trở về trạng thái bình thường [1].
2.2.4 Các giai đoạn tạo sóng điện tim:
Tim hoạt động được nhờ một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động của tim. Đầu tiên nút xoang của tim phát xung động lan tỏa ra cơ nhĩ làm cho cơ nhĩ khử cực trước, nhĩ bóp và đẩy máu xuống thất. Sau đó nút nhĩ thất tiếp nhận xung động truyền qua bó His xuống thất làm thất khử cực, lúc này thất đã đầy máu sẽ bóp mạnh đẩy máu ra ngoại biên. Hiện tượng nhĩ và thất khử cực lần lượt trước sau như thế chính là để duy trì quá trình huyết động bình thường của hệ thống tuần hoàn. Đồng thời điều đó cũng tạo nên điện tâm đồ gồm ba phần:
Nhĩ đồ:Ghi lại dòng điện hoạt động của nhĩ đi trước. Xung động đi từ nút xoang (ở nhĩ phải) sẽ tỏa ra làm khử cực cơ nhĩ như hình 2.5. Các đợt sóng với hướng chung là đi từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm đường ngang một góc 49o, đây cũng chính là hướng của vector khử cực. Và đợt sóng này được ghi lại với dạng sóng dương, đơn, thấp, nhỏ và có độ lớn khoảng 0,25mV gọi là sóng P[1].
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
9
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
Hình 2.5 Sự khử cực ở tâm nhĩ hình thành sóng P. Thất đồ:Ghi lại dòng điện hoạt động của thất, đi sau.
Khử cực:Việc khử cực bắt đầu từ phần giữa mặt trái liên thất đi xuyên qua mặt phải vách này, tạo ra một vector khử cực đầu tiên hướng từ trái sang phải. Ghi lại được sóng âm nhỏ gọn gọi là sóng Q.
Hình 2.6 Sự khử cực ở vách ngăn và sự hình thành sóng Q.
Sau đó xung động truyền xuống và khử cực cả hai tâm thất theo hướng xuyên qua bề dày cơ tim. Lúc này vector khử cực hướng chiều về bên trái hơn vì thất trái dày hơn và vì tim nằm nghiêng hướng trục giải phẫu về bên trái. Do đó, vector khử cực chung hướng từ phải qua trái tạo nên sóng dương cao hơn gọi là sóng R. Sau cùng khử vùng cực đáy thất lại hướng từ trái sang phải ghi lại được sóng âm nhỏ gọi là sóng S.
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
10
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TIM 2016
Hình 2.7 Sự hình thành sóng R và S.
Tóm lại, quá trình khử cực tâm thất gồm ba làn sóng Q, R, S biến thiên phức
thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “bốn dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select). Hình 14 thể hiện một kết SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua bốn đường.
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần một đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo môt bit dữ liệu đến hay đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.
MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường Output,còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó. Chỉ có một đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links