Chương 1: Tổng quan về tín điện tâm đồ Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương 4: Thi công hệ thống Chương 5: Kết quả, kết luận và hướng phát triển 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu về tín hiệu điện cơ Điện cơ (Electromyography - EMG) là một kỹ thuật y học chẩn đoán điện để đánh giá và ghi lại hoạt động điện được tạo ra bởi các tế bào thần kinh vận động của cơ bắp. Những tế bào thần kinh truyền tín hiệu điện để kiểm soát hoạt động và điều kiển cơ bắp. EMG chuyển các tín hiệu điện thành biểu đồ hoặc dạng số để thuận tiện cho việc chuẩn đoán.[2] EMG là phát hiện, khuếch đại, ghi, xử lý, phân tích tín hiệu điện cơ được tạo ra bởi sự co cơ.
Tín hiệu EMG là sự tổng hợp các điện thế hoạt động từ các sợi cơ dưới các điện cực đặt dưới da. Trong Khoa học Máy tính, điện cơ được sử dụng là phần mềm trung gian để tương tác giữa người và máy tính. Giúp cho nhận dạng cử chỉ cho phép hành động vật lý vào máy tính. Quá trình hình thành điện cơ Quá trình hình thành điện cơ chính là quá trình hình thành điện thế hoạt động của tế bào cơ.
Khi có kích thích thần kinh tác động vào tế bào cơ, có sự thay đổi về tính phân cực qua màng của sợi trục. Điện thế hoạt động được hình dựa trên 3 giai đoạn hoạt động sau: − Giai đoạn khử cực + Khi bị kích thích thì tế bào thần kinh hoạt động và xuất hiện điện thế hoạt động. + Khi bị kích thích tính thấm của màng thay đổi cổng Na+ mở, Na+ khuếch tán từ ngoài vào trong màng làm trung hòa diện tích âm ở bên trong. − Giai đoạn đảo cực + Các ion Na+ mang điện dương đi vào trong không những để trung hòa diện tích âm ở bên trong tế bào, mà các ion Na+ còn vào dư.
+ Làm cho bên trong mang điện dương so với bên ngoài mang điện tích âm. − Giai đoạn tái phân cực 3 + Bên trong tế bào Na+ nhiều nên tính thấm của màng đối với Na+ giảm cổng Na+ đóng. + Tính thấm đối với K+ tăng nên cổng K+ mở rộng làm cho K+ khuếch tán từ trong tế bào ra ngoài nên bên ngoài mang điện tích dương, khôi phục điện thế nghỉ ban đầu (Hình 2.2: Cơ chế hình thành điện thế màng hoạt động A: Giai đoạn khử cực và đảo cực B: Giai đoạn tái phân cực 2. Nguyên lý co cơ Nguyên lý co cơ là khi cơ được kích thích bởi các xung điện truyền từ các dây thần kinh, đặc biệt là các motoneurons (dây thần kinh vận động).
Khi một sợi cơ xương được kích hoạt bởi một xung thần kinh, các cầu nối gắn với các sợi mỏng và tạo ra lực tác động lên chúng (Hình 2. Nhằm 4 tạo ra được hiện tượng co cơ, lực tạo ra tác động lên sợi mỏng cần phải lớn hơn lực chống lại sự co giãn.1: Cơ chế co cơ khi có kích thích từ xung thần kinh a. Đơn vị vận động của cơ (MUAP) Các đơn vị vận động (MU) là các thực thể chức năng của hệ thần kinh cơ. Mỗi MU bao gồm một motoneurone và các sợi cơ nhánh trục của nó.
Khi motoneurone có tác động điện, các điện thế hoạt động được tạo ra tại các điểm nối thần kinh cơ sau đó lan truyền dọc theo tất cả các sợi cơ, về phía các vùng gân. Tổng các điện thế này được gọi là điện thế hoạt động của đơn vị vận động (MUAP) và chịu trách nhiệm về sự co cơ. Các nhóm MU thường phối hợp với nhau để thực hiện động tác co của cơ. Chọn đơn vị vận động (motor unit recruitment) Hệ thống thần kinh trung ương chịu trách nhiệm cho việc tuyển chọn có tổ chức các nơ-ron vận động, bắt đầu với những đơn vị vận động nhỏ nhất.
Quy tắc kích thước của Henneman chỉ ra rằng các đơn vị vận động được tuyển chọn (recruit) từ nhỏ nhất đến lớn nhất dựa trên độ lớn của tải trọng. Các đơn vị vận động lớn hơn thường gồm các sợi cơ nhanh hơn tạo ra lực lớn hơn (như Hình 2.Có 2 cách để chọn đơn vị vận động: theo không gian và theo thời gian. - Chọn theo không gian là sự kích hoạt của nhiều đơn vị vận động để tạo ra một lực cực lớn.2: Dạng sóng điện cơ tương ứng với từng loại sợi cơ 6 A: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại I B: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại II-a C: Dạng sóng điện cơ với sợi cơ loại II-b Dạng sóng điện cơ với từng loại cơ ở hình 2.3 cho thấy loại cơ II-b cho dạng sóng lớn nhất và có cường độ rõ nhất. Còn loại cơ I thì cho dạng sóng nhỏ và khó phát hiện.
- Chọn theo thời gian là sự kích hoạt vận động trong thời gian dài hơn Hinh 2.3: Thời gian và lực tác động của các đơn vị vận động của các loại sợi cơ. (chú thích: Tension: Áp lực, Time: thời gian) Thời gian tác động lên loại cơ I là dài nhất và có lực tác động thấp nhất. Ngược lại sợi cơ loại II-b có thời gian tác động ngắn nhưng lực tác động lại lớn hớn với 2 loại cơ còn lại. Phương pháp đo bề mặt EMG bề mặt là phương pháp dùng điện cực đặt trên bề mặt cơ để thu tín hiệu khi có kích thích đến vùng cơ quan tâm.
Khi các tế bào thần kinh vận động dẫn truyền các tín hiệu điện gây ra sự co cơ, các điện cực được gắn trên vùng cơ sẽ ghi nhận và phát hiện các tín hiệu này. EMG bề mặt đánh giá chức năng cơ bằng cách ghi lại hoạt động của cơ từ bề mặt phía trên cơ trên da (Hình 2. Các điện cực bề mặt chỉ có thể cung cấp một đánh giá hạn chế về hoạt động của cơ [5,6].1: Ghi tín hiệu EMG theo phương pháp bề mặt ❖ Các yếu tố ảnh hưởng đến việc đo EMG bề mặt • Các vùng cơ bề mặt cần đo • Độ sâu của mô dưới da tại vị trí đo • Tuỳ thuộc vào cân nặng của bệnh nhân • Không phân biệt được sự phóng điện của các vùng cơ lân cận ❖ Đồ thị của tín hiệu điện cơ Tín hiệu điện cơ EMG được đo và tổng hợp từ nhiều tín hiệu của đơn vị vận động MU. Tín hiệu của mỗi đơn vị vận động khác nhau với từng vị trí đặt điện cực đo (như Hình 2.2: Tín hiệu điện cơ thu được của một đơn vị vận động MU Gastrocnemius motor unit: đồ thị tín hiệu điện cơ của một đơn vị vận động MU tại cơ sinh đôi cẳng chân (gastrocnemius).
Soleus motor unit: đồ thị tín hiệu điện cơ của một đơn vị vận động MU tại cơ dép(Soleus). Đồ thị ghi tín hiệu điện cơ EMG được tổng hợp từ nhiều đơn vị vận động MU theo phương pháp bề mặt được thể hiện dưới hình sau.3: Tín hiệu đo EMG theo phương pháp bề mặt 2. Giới thiệu về phần cứng 2. IC khuếch đại thuật toán ❖ Giới thiệu Tín hiệu điện cơ khi thu được có tín hiệu rất nhỏ có biên độ từ 0 – 6mV và tần số từ 0 – 50 HZ.
Để việc thu tín hiệu và xử lý tốt hơn cần có mạch khuếch đại tín hiệu đo. Trong mạch khuếch đại tín hiệu đo phải cần có IC khuếch đại, IC khuếch đại được sử dụng trong mạch là IC INA 128. IC INA là IC khuếch đại với đầu vào thấp, cung cấp ngõ ra với độ chính xác cao.1: Sơ đồ chân của IC INA 128 Bảng 2.1: Sơ đồ chân IC INA 128 Số chân Tên chân Chức năng 5 Ref Điện áp tham chiếu đầu vào 1,8 RG Chân cài đặt độ lợi. Đối với độ lợi lớn hơn 1, đặt một điện trở độ lợi giữa chân 1 và chân 8.
2 V-IN Điện áp âm đầu vào 3 V+IN Điện áp dương đầu vào 4 V+ Điện áp nguồn dương 7 V- Điện áp nguồn âm 6 Vo Ngõ ra ❖ Thông số kỹ thuật Những đặc trưng về thông số kỹ thuật của IC INA128 được thể hiện dưới bảng 2. Để IC hoạt động tốt cần tuân thủ những thông số kỹ thuật về nguồn điện áp, nhiệt độ hoạt động.2: Thông số kỹ thuật của IC INA 128 Min Max Đơn vị Nguồn điện cung cấp ± 2.25 ±18 V Dòng điện biến thiên ±5 nA Dòng điện ngắn mạch 15 mA Nhiệt độ hoạt động -40 +125 oC Nhiệt độ bảo quản -55 +125 oC Kích thước 6.2 IC khuếch đại thuật toán ❖ Giới thiệu Khuếch đại thuật toán được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DCcoupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai. Để khuếch đại tín hiệu cần dùng op-amps, do đó trong mạch dùng IC TL084, IC gồm 4 bộ op-amps riêng biệt.2: Sơ đồ chân IC TL084 11 Dựa vào hình 2.2 có sơ đồ chân của IC TL084. Chức năng của từng chân trong linh kiện được mô tả ở bảng 2.3: Chức năng các chân của IC TL084 Số chân Tên chân Chức năng 2 1IN- Đầu vào đảo 1 3 1IN+ Đầu vào không đảo 1 1 1OUT Ngõ ra 1 6 2IN- Đầu vào đảo 2 5 2IN+ Đầu vào không đảo 2 7 2OUT Ngõ ra 2 9 3IN- Đầu vào đảo 3 10 3IN+ Đầu vào không đảo 3 8 3OUT Ngõ ra 3 13 4IN- Đầu vào đảo 4 12 4IN+ Đầu vào không đảo 4 14 4OUT Ngõ ra 4 11 VCC- Nguồn âm đầu vào 4 VCC+ Nguồn dương ❖ Thông số kỹ thuật Các thông số kỹ thuật của IC TL084 được thể hiện dưới bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của IC TL084 Min Typ Max Đơn vị Điện áp đầu vào Vs= VCC+ - VCC- 0 42 V Dòng điện ngắn mạch ISC ±26 mA O Nhiệt độ môi trường hoạt động -55 150 C O Nhiệt độ bảo quản -65 150 C 12 2.
Module điều khiển động cơ L298 ❖ Giới thiệu Module điều khiển động cơ L298 (mạch cầu H L298) là một module hưu ích, phổ biến với chức năng thông dụng và giá thành cực kỳ rẻ là lựa chọn của các bạn học sinh, sinh viên. C L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp làm tăng công suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L298 rất thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa …Hình 2.3 hình biểu diễn module L298 mà nhóm sử dụng trong mạch.1: Module L298 ❖ Cấu tạo của module L298 Cấu tạo của module L298 được nhóm biểu diễn ở hình 2.2: Cấu tạo Module L298 Sơ đồ chân của module L298 được mô tả ở bảng 2.