Thiết kế và thi công hệ thống đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay

Đồ án đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (2024)

• Tác giả: Trần Tuấn Kiệt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay

Nghiên cứu đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đề tài thuộc ngành Kỹ thuật Y sinh, do TS. Nguyễn Thanh Nghĩa hướng dẫn cùng hai sinh viên Trần Tuấn Kiệt và Hoàng Minh Nhật. Mục tiêu trọng tâm là chế tạo thiết bị giám sát điện tâm đồ cầm tay nhỏ gọn, chi phí thấp và dễ thao tác. Thiết bị đo truyền thống thường đòi hỏi hệ thống dây dẫn phức tạp và nhiều điện cực dán trên ngực. Điều này gây bất tiện cho người dùng khi cần kiểm tra nhịp tim thường xuyên tại nhà. Việc phát triển phương pháp thu nhận điện tim từ hai đầu ngón tay mở ra bước tiến lớn trong lĩnh vực y tế dự phòng. Thiết bị khai thác tín hiệu tương đương đạo trình I theo tam giác Einthoven cổ điển. Người đo chỉ cần đặt hai ngón tay lên hai bề mặt điện cực kim loại. Hệ thống nhanh chóng ghi nhận các dao động điện thế nhỏ từ hoạt động co bóp cơ tim. Kết quả điện tim sau đó được truyền không dây về điện thoại thông minh để theo dõi liên tục. Giải pháp này đáp ứng nhu cầu chăm sóc sức khỏe ban đầu trong kỷ nguyên số.

1.1. Nguồn gốc đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp xuất phát từ Khoa Điện tử thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Bộ môn Điện tử Công nghiệp Y sinh định hướng nghiên cứu thiết bị y tế cá nhân thông minh. Nhóm nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán theo dõi tim mạch tại nhà. Thiết kế tham khảo các thiết bị thương mại tiên tiến như KardiaMobile của hãng AliveCor. Thiết bị ngoại nhập thường có chi phí đắt đỏ và khó tiếp cận trên diện rộng. Do đó, mục tiêu của đề tài là làm chủ kỹ thuật thiết kế phần cứng lẫn phần mềm. Sản phẩm hướng đến khả năng chế tạo thiết bị y tế nội địa với giá thành hợp lý. Hệ thống hỗ trợ người dùng nhận diện sớm các dấu hiệu bất thường về tim mạch.

1.2. Cơ sở lý thuyết theo tam giác Einthoven

Hệ thống đo dựa trên nguyên lý tam giác chuẩn Einthoven trong y sinh học. Willem Einthoven đã chứng minh hoạt động điện thế tim thông qua ba đạo trình chi cơ bản. Đạo trình I ghi nhận hiệu điện thế giữa cổ tay phải và cổ tay trái. Phương pháp đo hai ngón tay mô phỏng chính xác tín hiệu của đạo trình I. Khi đặt hai ngón tay trỏ lên hai điện cực, mạch thu nhận sự chênh lệch điện thế xuyên qua buồng tim. Định luật Einthoven chỉ ra mối quan hệ cộng gộp điện thế giữa các đạo trình ngoại biên. Tín hiệu thu từ hai chi trên phản ánh rõ nét sóng P, phức hợp QRS và sóng T. Dữ liệu này giúp phân tích nhịp xoang tim một cách chính xác và khách quan.

II. Phân tích thách thức đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay

Quá trình đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay gặp nhiều trở ngại vật lý phức tạp. Biên độ điện áp của tín hiệu ECG cực kỳ nhỏ, chỉ dao động quanh mức 0.4 mV. Với mức điện áp yếu như vậy, tín hiệu rất dễ bị chìm ngập trong các nguồn tạp âm môi trường. Nguồn nhiễu phổ biến nhất là tần số lưới điện 50 Hz xuất hiện ở khắp mọi nơi. Thêm vào đó, rung cơ từ cử động ngón tay tạo ra nhiễu điện cơ EMG với tần số cao. Hiện tượng trôi đường đẳng điện do tiếp xúc bề mặt da không ổn định cũng làm lệch dạng sóng. Một vấn đề kỹ thuật lớn khác nằm ở khả năng tương thích điện áp ngõ vào. Bộ biến đổi tương tự sang số trên vi điều khiển chỉ có thể đọc dải điện áp dương từ 0 V trở lên. Trong khi đó, tín hiệu tim mạch khuếch đại tự nhiên lại chứa cả thành phần điện thế âm. Hiện tượng này dẫn đến việc nửa chu kỳ tín hiệu âm bị xén hoàn toàn khi đưa vào bộ xử lý. Để khắc phục lỗi xén tín hiệu, hệ thống bắt buộc phải tích hợp mức điện áp tham chiếu thích hợp. Thiết kế cần giải pháp phối hợp chặt chẽ giữa lọc nhiễu analog và điều hòa biên độ.

2.1. Tác động của nhiễu điện từ và nhiễu cử động

Nhiễu điện từ từ đường dây tải điện 50 Hz là nguồn gây sai lệch lớn đối với tín hiệu sinh học. Cơ thể người hoạt động như một ăng-ten thu nhận sóng điện từ môi trường. Khi chạm ngón tay vào điện cực khô, nhiễu 50 Hz dễ hòa lẫn vào điện thế tim. Thao tác đặt ngón tay còn gây ra các rung động cơ học ngoài ý muốn. Sự co cơ tại ngón tay sinh ra điện thế cơ EMG biên độ lớn. Các xung điện cơ làm méo dạng sóng P và phức bộ QRS. Tiếp xúc da không đều còn tạo ra hiện tượng trôi đường nền theo nhịp thở. Vì vậy, bài toán xử lý tạp âm đòi hỏi thiết kế bộ lọc chuyên dụng.

2.2. Nguy cơ méo dạng sóng do hiện tượng xén tín hiệu

Khi đo tín hiệu hai ngón tay, điện áp ngõ vào luôn dao động quanh điểm không vôn. Nếu cực âm có điện áp lớn hơn cực dương, hiệu điện thế sẽ mang giá trị âm. Vi điều khiển hiện đại chỉ tiếp nhận các mức điện áp dương từ 0 V đến 3.3 V. Khi tín hiệu âm đi vào bộ chuyển đổi ADC, phần bán kỳ âm lập tức bị cắt cụt. Mất mát này phá hủy cấu trúc của sóng S và phần âm của sóng P hoặc T. Bác sĩ hoặc thuật toán sẽ không thể nhận diện chính xác các bất thường tim mạch. Sự méo mó tín hiệu dẫn đến chẩn đoán sai lệch về bệnh lý thiếu máu cơ tim. Do đó, việc duy trì mức điện áp offset dương ổn định là yêu cầu sống còn của thiết bị.

III. Giải pháp kỹ thuật đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã đề xuất cấu trúc phần cứng tối ưu cho hệ thống. Trọng tâm của giải pháp là tích hợp vi mạch analog chuyên dụng AD8232 kết hợp bộ vi điều khiển Seeed Studio XIAO nRF52840. Mạch tiền khuếch đại AD8232 đảm nhiệm đồng thời hai chức năng chính gồm khuếch đại biên độ và lọc thông dải. Hệ số khuếch đại tổng của hệ thống được tính toán đạt mức G = 600. Tỷ lệ này bao gồm Gain thứ nhất bằng 100 từ tầng khuếch đại đo đạc và Gain thứ hai bằng 6 từ tầng lọc tích cực. Dải thông làm việc của bộ lọc tương tự được thiết lập chặt chẽ trong khoảng từ 0.5 Hz đến 37 Hz. Cấu hình này giúp triệt tiêu hoàn toàn nhiễu nguồn 50 Hz và giảm thiểu ảnh hưởng do rung cơ tay. Đồng thời, mạch phân áp cung cấp điện áp tham chiếu VREF bằng 1.65 V vào chân REFIN của IC. Mức điện áp offset này tương đương một nửa nguồn nuôi 3.3 V, giúp toàn bộ sóng ECG luôn nằm trọn vẹn trong miền dương. Sau khi qua tầng xử lý tương tự, tín hiệu được chuyển đổi ADC và truyền tải qua Bluetooth năng lượng thấp.

3.1. Cấu hình khuếch đại và lọc dải thông bằng IC AD8232

Vi mạch AD8232 giữ vai trò tiếp nhận tín hiệu từ hai điện cực ngón tay. Mạch khuếch đại hai giai đoạn giúp nâng cao chất lượng biên độ điện thế tim. Giai đoạn thứ nhất dùng mạch vi sai với hệ số Gain 1 bằng 100. Giai đoạn thứ hai kết hợp lọc tích cực với hệ số Gain 2 bằng 6. Hệ số khuếch đại tổng đạt 600 lần, nâng biên độ 0.4 mV lên mức đọc thích hợp. Bộ lọc thông dải tương tự giới hạn tần số tín hiệu từ 0.5 Hz đến 37 Hz. Cấu hình này triệt tiêu hoàn toàn sóng nhiễu điện lưới 50 Hz. Đồng thời, mạch loại bỏ hiện tượng trôi dạt đường nền hiệu quả. Tín hiệu đầu ra thu được có dạng sóng chuẩn xác và rõ nét.

3.2. Thiết lập điện áp tham chiếu và truyền thông nRF52840

Để ngăn chặn hiện tượng méo do xén tín hiệu âm, nhóm áp dụng kỹ thuật dịch mức điện áp. Mạch phân áp điện trở chia nguồn đôi từ 3.3 V để tạo ra mức chuẩn VREF 1.65 V. Điện áp này đưa vào chân REFIN và xuất qua chân REFOUT của AD8232 để định mức nền. Nhờ đó, dạng sóng ECG luôn dao động đối xứng trong khoảng giá trị dương của bộ ADC. Tín hiệu sau điều hòa được đưa thẳng đến mô-đun vi điều khiển Seeed Studio XIAO nRF52840. Chip nRF52840 thực hiện lấy mẫu tín hiệu với độ phân giải cao và tốc độ ổn định. Dữ liệu số hóa tiếp tục được truyền tải tức thời qua giao thức Bluetooth năng lượng thấp BLE. Người dùng có thể quan sát đồ thị trực tiếp trên phần mềm chuyên dụng.

IV. Kết luận ứng dụng đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay

Nghiên cứu đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã chứng minh tính khả thi cao trong thực tế. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh từ điện cực tiếp xúc, mạch analog AD8232 đến vi điều khiển nRF52840. Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện năng và dễ dàng mang theo bên mình. Kết quả thử nghiệm lâm sàng cho thấy các pha sóng điện tâm đồ hiển thị rõ ràng và chuẩn xác. Các thông số sinh học quan trọng như nhịp tim và biên độ sóng phản ánh trung thực trạng thái tim mạch. Thành công của đề tài khẳng định năng lực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh. Thiết bị mở ra hướng tiếp cận mới trong theo dõi bệnh nhân từ xa qua nền tảng y tế số. Người cao tuổi hoặc người có tiền sử tim mạch có thể tự kiểm tra nhịp tim hàng ngày. Hệ thống giảm tải áp lực cho các cơ sở y tế tuyến trên nhờ khả năng phát hiện sớm bất thường. Trong tương lai, mô hình có thể tích hợp thêm trí tuệ nhân tạo để tự động cảnh báo loạn nhịp nguy hiểm.

4.1. Khả năng ứng dụng theo dõi sức khỏe tim mạch tại nhà

Thiết bị đo điện tim hai ngón tay đem lại giải pháp chăm sóc sức khỏe chủ động cho cộng đồng. Người bệnh có thể tự đo điện tâm đồ bất cứ khi nào cảm thấy hồi hộp hoặc mệt mỏi. Quy trình đo đơn giản chỉ yêu cầu đặt hai ngón tay lên bề mặt cảm biến trong 30 giây. Thao tác này không cần dùng gel dẫn điện hay dán băng dính phức tạp như phương pháp lâm sàng. Dữ liệu nhịp tim được lưu trữ tức thì trên ứng dụng di động để theo dõi diễn tiến lâu dài. Người sử dụng có thể chia sẻ trực tiếp bản ghi điện tâm đồ cho bác sĩ điều trị qua mạng internet. Việc phát hiện sớm rung nhĩ giúp giảm thiểu đáng kể nguy cơ đột quỵ.

4.2. Tiềm năng phát triển và tích hợp trí tuệ nhân tạo

Hệ thống mở ra tiềm năng nâng cấp lớn nhờ kiến trúc vi điều khiển nRF52840 mạnh mẽ. Nền tảng phần cứng này hỗ trợ tích hợp thuật toán học máy trực tiếp trên thiết bị biên. Mô hình trí tuệ nhân tạo có thể tự động phân loại các dạng sóng điện tim theo thời gian thực. Hệ thống nhận diện chính xác các hiện tượng ngoại tâm thu, rung nhĩ hay nhịp tim nhanh bất thường. Ngoài ra, thiết kế vỏ hộp có thể hoàn thiện công nghiệp bằng công nghệ in 3D với chất liệu sinh học. Sản phẩm hoàn toàn có tiềm năng thương mại hóa thành thiết bị y tế tiêu dùng giá rẻ. Đây là bước đệm đưa công nghệ y tế phục vụ trực tiếp cho người dân.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bệnh lý tim mạch (Cardiovascular Diseases - CVD) là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới trong nhiều thập kỷ qua. Dẫn theo số liệu của Liên đoàn Tim mạch Thế giới (World Heart Federation - WHF), số ca tử vong do bệnh tim mạch trên toàn cầu đã tăng từ 12,1 triệu người vào năm 1990 lên 18,6 triệu nam và 8,9 triệu nữ vào năm 2019; đến năm 2021, con số này đạt khoảng 20,5 triệu ca, chiếm một phần ba tổng số ca tử vong toàn cầu. Tại Việt Nam, thống kê ghi nhận mỗi năm có khoảng 200.000 người tử vong vì các bệnh lý tim mạch, chiếm xấp xỉ 33% tổng số ca tử vong.

Việc theo dõi liên tục và phát hiện sớm các bất thường về điện sinh lý tim có vai trò quan trọng trong việc hạn chế biến chứng và giảm thiểu nguy cơ tử vong. Tuy nhiên, các hệ thống đo điện tâm đồ (ECG) tiêu chuẩn lâm sàng đòi hỏi bệnh nhân phải đến cơ sở y tế với quy trình dán nhiều điện cực phức tạp, không đáp ứng được nhu cầu theo dõi thường xuyên tại gia đình. Từ thực tế đó, đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y sinh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh do sinh viên Trần Tuấn Kiệt và Hoàng Minh Nhật thực hiện (dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Nghĩa) đã lựa chọn đề tài: "Thiết kế và thi công hệ thống đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay".

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một thiết bị đo tín hiệu điện tim thu nhận từ hai đầu ngón tay của hai bàn tay, tích hợp truyền thông không dây để hiển thị dạng sóng thời gian thực và nhịp tim trên ứng dụng điện thoại di động thông minh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được cụ thể hóa thành 12 nội dung theo văn bản giao đề tài:

1. Nghiên cứu tài liệu học thuật và các công bố quốc tế về hệ thống ghi tín hiệu điện tâm đồ.
2. Khảo sát phần cứng và lựa chọn linh kiện bán dẫn, mô-đun vi điều khiển phù hợp.
3. Thiết kế mạch thu nhận và xử lý tương tự tín hiệu điện tim từ 2 ngón tay sử dụng vi mạch tích hợp chuyên dụng AD8232.
4. Lập trình điều khiển và thuật toán lọc số cho mô-đun vi điều khiển Seeed Studio XIAO nRF52840.
5. Thiết kế kết cấu bề mặt và bố trí khối điện cực tiếp xúc ngón tay.
6. Xây dựng phần mềm ứng dụng di động giao tiếp với thiết bị qua giao thức Bluetooth năng lượng thấp (BLE).
7. Thiết kế mô phỏng 3D vỏ hộp và khung cơ khí trên phần mềm SolidWorks.
8. Chế tạo mạch in (PCB) và gia công hoàn thiện mô hình vật lý của hệ thống.
9. Đánh giá, đo kiểm và hiệu chỉnh thông số kỹ thuật tổng thể hệ thống.
10. Thực hiện thu nhận dữ liệu thử nghiệm trên đối tượng người dùng thực tế.
11. Phân tích, xử lý và đánh giá chất lượng dữ liệu đo được.
12. Tổng hợp kết quả và hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là tín hiệu điện thế sinh học bề mặt xuất phát từ hoạt động điện học của tim tại hai đầu ngón tay tương ứng với đạo trình I lưỡng cực (Lead I). Phạm vi nghiên cứu về không gian và thời gian được xác định: thiết bị giới hạn kích thước ngoài 102 x 32 x 17 mm; kết nối không dây Bluetooth 5.0 truyền dữ liệu trong cự ly 5 m tại môi trường thông thoáng; ứng dụng vận hành trên hệ điều hành Android; thời gian thực hiện nghiên cứu từ ngày 09/09/2024 đến ngày 20/12/2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở sinh lý học của hệ thống dựa trên hoạt động điện học của cơ tim và mô hình tam giác đều Einthoven. Khi cơ tim hoạt động, xung động điện khởi phát từ nút xoang nhĩ (SA) với tần số 80–100 nhịp/phút, lan truyền qua nút nhĩ thất (AV, 40–60 nhịp/phút), qua bó His (30–40 nhịp/phút) và mạng lưới sợi Purkinje kích thích tâm thất co bóp. Chu kỳ tim thông thường kéo dài 0,8 giây (tương đương 75 nhịp/phút), phân bố qua các pha: co nhĩ (0,1 s), co thất (0,3 s) và giãn chung (0,4 s). Tín hiệu điện tâm đồ thu nhận bao gồm các thành phần đặc trưng: sóng P (khử cực tâm nhĩ), phức bộ QRS (khử cực tâm thất), sóng T (tái cực tâm thất), cùng các khoảng PR, QT, RR và đoạn ST. Theo định luật Einthoven, đạo trình chuẩn I đo hiệu điện thế giữa tay trái ($LA$) mang điện cực dương và tay phải ($RA$) mang điện cực âm ($V_I = V_{LA} - V_{RA}$).

Dải tần số của tín hiệu điện tim ở người nằm trong khoảng 0,01 Hz đến 250 Hz, trong đó các thành phần sóng mang thông tin bệnh lý quan trọng tập trung trong khoảng từ 0,5 Hz đến 40 Hz. Trong quá trình thu nhận thực tế, tín hiệu sinh học này có biên độ rất nhỏ (khoảng vài milivolt) và bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn tạp tán:

• Hiện tượng trôi đường cơ sở (baseline wander) do hô hấp và tiếp xúc điện cực có dải tần 0,05–1 Hz.
• Nhiễu co cơ (EMG) do cử động ngón tay có dải tần 20–30 Hz.
• Nhiễu công nghiệp từ lưới điện xoay chiều tần số 50 Hz hoặc 60 Hz.

Để giải quyết các vấn đề trên, phương pháp xử lý tín hiệu kết hợp hai tầng lọc:

1. Lọc tương tự (Analog Filter): Tích hợp ngay trên khối phần cứng front-end sử dụng vi mạch AD8232. Thiết kế mạch lọc thông cao chủ động bậc hai cấu hình Sallen-Key có tần số cắt $f_c = 0,5\text{ Hz}$ để khử trôi đường cơ sở, kết hợp mạch lọc thông thấp chủ động bậc hai Butterworth có hệ số phẩm chất $Q = 0,707$, hệ số khuếch đại $Gain = 6$, tần số cắt lý thuyết $40\text{ Hz}$ (thực tế tính toán đạt $37,2\text{ Hz}$) để loại bỏ thành phần tần số cao.
2. Lọc số (Digital Filter) bằng thuật toán Kalman: Triển khai trên vi điều khiển theo mô hình ước lượng trạng thái ngẫu nhiên tuyến tính trong miền thời gian rời rạc. Thuật toán vận hành qua hai bước liên tục:
   • Bước dự đoán (Prediction): $$x_k^- = A x_{k-1} + B u_k$$ $$P_k^- = A P_{k-1} A^T + Q_k$$
   • Bước cập nhật (Update): $$K_k = P_k^- H^T (H P_k^- H^T + R_k)^{-1}$$ $$x_k = x_k^- + K_k (z_k - H x_k^-)$$ $$P_k = (I - K_k H) P_k^-$$ Trong đó, ma trận hiệp phương sai nhiễu đo $R_k$ và ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình $Q_k$ được điều chỉnh linh hoạt (thuật toán Kalman tự động thích nghi) nhằm làm mịn tín hiệu và triệt tiêu thành phần hài 50 Hz hiệu quả hơn so với bộ lọc Kalman tham số cố định.

Phương pháp thực nghiệm của đề tài được tiến hành qua việc chế tạo thiết bị thực tế, thu thập dữ liệu trên mẫu gồm 10 đối tượng người dùng (tỷ lệ 60% nam và 40% nữ), phân tích mật độ phổ tần số (Power Spectral Density - PSD), tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR) và so sánh trực tiếp dạng sóng, độ chuẩn xác nhịp tim với máy đo điện tim chuyên dụng GE Healthcare MAC2000.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống đo điện tim từ hai ngón tay là một thiết bị y tế nhúng hoàn chỉnh, tích hợp giữa phần cứng mạch điện tử, kết cấu cơ khí chính xác và phần mềm ứng dụng di động.

Thành phần khối	Linh kiện / Công cụ cốt lõi	Vai trò kỹ thuật và thông số chính
Khối thu nhận tín hiệu	IC Analog Devices AD8232	Tích hợp mạch Instrumentation Amplifier (độ lợi $G_1 = 100$, CMRR 80 dB), mạch kích chân phải (RLD), bộ so sánh cửa sổ và mạch khôi phục nhanh (Fast Restore - FR).
Khối tiền xử lý tương tự	Điện trở, tụ điện ngoại vi AD8232	Lọc thông cao bậc hai ($f_c = 0,5\text{ Hz}$); lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key ($f_c = 37,2\text{ Hz}$, $Gain_2 = 6$). Tổng độ lợi tương tự $G = 600$.
Khối điều khiển & truyền thông	Mô-đun Seeed Studio XIAO nRF52840	Vi xử lý lõi ARM Cortex-M4F 64 MHz, tích hợp Bluetooth 5.0 BLE, bộ chuyển đổi ADC 12-bit đọc điện áp ngõ ra tín hiệu tim.
Khối quản lý nguồn	IC TI BQ25101, IC AMS1117 / LM1117, Pin sạc tích hợp	BQ25101 điều khiển sạc pin an toàn; LM1117 ổn định điện áp 3,3V cung cấp cho toàn bộ mạch; thời lượng hoạt động liên tục 6 giờ.
Khối điện cực tiếp xúc	Cặp điện cực kim loại nguyên khối	Bề mặt điện cực phẳng/núm tiếp xúc với 2 ngón tay; cấu hình đo 2 cực tích hợp điện trở $10\text{ M}\Omega$ nối chân RLD triệt tiêu điện áp chung.
Khối vỏ hộp cơ khí	Phần mềm SolidWorks, nhựa in 3D, vít KA M2 x 16mm	Thiết kế công thái học dựa trên kích thước giải phẫu bề rộng ngón tay; kích thước phủ bì $102 \times 32 \times 17\text{ mm}$.
Ứng dụng phần mềm di động	Nền tảng MIT App Inventor (Android)	Giao diện thu thập dữ liệu thời gian thực qua BLE, quản lý hồ sơ người dùng, vẽ biểu đồ đồ thị ECG và tính toán nhịp tim (BPM).

Tính toán mạch điện tử chi tiết

• Cấu hình đo hai cực: Để chuyển từ cấu hình 3 điện cực truyền thống sang 2 cực tại hai ngón tay, chân đầu ra mạch truyền động chân phải ($RLD$) được phân cực ngược và kết nối song song tới hai đầu vào $LA$ (chân $+IN$) và $RA$ (chân $-IN$) thông qua hai điện trở $R_9 = R_{11} = 10\text{ M}\Omega$. Các ngõ vào được bảo vệ bởi điện trở hạn dòng $R_7 = R_{10} = 180\text{ k}\Omega$ và $R_{12} = 390\text{ k}\Omega$, đảm bảo dòng rò sinh học luôn dưới ngưỡng an toàn $10\ \mu\text{A}$.
• Mạch lọc thông cao: Tần số cắt được xác định theo phương trình: $$f_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{R_4 R_{17} C_4 C_5}} = 0,5\text{ Hz}$$ Với các giá trị linh kiện được chọn: $R_{17} = 100\text{ k}\Omega$, $R_4 = 10\text{ M}\Omega$, $C_4 = C_5 = 0,33\ \mu\text{F}$.
• Mạch lọc thông thấp Butterworth bậc hai: Sử dụng bộ khuếch đại hoạt động nội tại $A_1$ của AD8232, các thông số được giải theo hệ phương trình đáp ứng Butterworth ($Q = 0,707$, $Gain_2 = 1 + R_{16}/R_{15} = 6$): $$f_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{R_{13} R_{14} C_7 C_8}} = 37,2\text{ Hz}$$ Linh kiện lựa chọn thực tế gồm $R_{13} = R_{14} = R_{16} = 1\text{ M}\Omega$, $R_{15} = 200\text{ k}\Omega$, $C_7 = 8,2\text{ nF}$, $C_8 = 1,2\text{ nF}$.
• Hệ số khuếch đại và điện áp tham chiếu: Tổng độ khuếch đại tương tự toàn mạch là $G = Gain_1 \times Gain_2 = 100 \times 6 = 600$. Với biên độ đỉnh điện tim ngón tay khoảng $0,4\text{ mV}$, biên độ tín hiệu sau khuếch đại đạt xấp xỉ $240\text{ mV}$. Chân $REFIN$ được nối với mạch phân áp hai điện trở bằng nhau cấp nguồn $3,3\text{ V}$, thiết lập điện áp tham chiếu $V_{REF} = 1,65\text{ V}$ tại chân $REFOUT$, giúp nâng toàn bộ tín hiệu xoay chiều lên nửa dải đo dương của bộ chuyển đổi ADC trên vi điều khiển, tránh hiện tượng méo hoặc xén bán kỳ âm.

---

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục của báo cáo đồ án tốt nghiệp được tổ chức thành 6 chương với các nội dung chi tiết:

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ tỷ lệ tử vong cao của bệnh tim mạch trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả tiến hành tổng thuật các nghiên cứu tiền nhiệm trong và ngoài nước: đề tài đo điện tim trẻ em dưới 12 tháng tuổi của Nguyễn Lê Minh Đức và Nguyễn Thị Hậu (2020) dùng ADS1292R và ESP32 tiêu thụ 1365 mW; các công bố của P. Padole (AD8232, Arduino, Java), W. Koestoer (AD8232, Arduino-Uno, Bluetooth), T. Liu (AD8232, BLE giám sát thời gian thực). Trên cơ sở đó, chương xác định mục tiêu thiết kế hệ thống 2 cực tiếp xúc ngón tay, xác lập các giới hạn kỹ thuật (kích thước $102 \times 32 \times 17\text{ mm}$, khoảng cách BLE 5 m, đạo trình I, nền tảng Android) và phân kỳ 12 nội dung nghiên cứu theo tiến độ 16 tuần.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung phân tích lý thuyết sinh lý học tim, cấu trúc hệ dẫn truyền phát nhịp, chu kỳ hoạt động và cơ chế hình thành các sóng $P, Q, R, S, T, U$ trên điện tâm đồ theo định luật Einthoven. Nội dung tiếp theo đi sâu vào cơ sở toán học của các bộ lọc: bộ lọc tương tự tích cực cấu hình Sallen-Key bậc hai và thuật toán lọc số Kalman (hệ phương trình dự đoán, cập nhật trạng thái và tối ưu độ lợi Kalman Gain). Phần cuối của chương khảo sát chi tiết cấu trúc bên trong vi mạch AD8232: bộ khuếch đại đo lường (IA), bộ đệm tham chiếu, mạch khử tín hiệu chung RLD, mạch bảo vệ quá áp tĩnh điện ESD, mạch phát hiện hở điện cực (Leads-off detection) và cơ chế khôi phục nhanh (Fast Restore) sử dụng bộ so sánh cửa sổ $\pm 50\text{ mV}$.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày quy trình thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của hệ thống đo. Tác giả thực hiện tính toán chi tiết giá trị các linh kiện ngoại vi cho IC AD8232 để thiết lập bộ lọc thông cao $0,5\text{ Hz}$ và lọc thông thấp $37,2\text{ Hz}$ với tổng độ lợi $G = 600$, đồng thời thiết kế mạch phân áp tạo điện áp dịch $V_{REF} = 1,65\text{ V}$. Chương này cũng xác định tiêu chí lựa chọn vi điều khiển Seeed Studio XIAO nRF52840, thiết kế mạch quản lý sạc pin với BQ25101, mạch ổn áp LM1117-3.3V, mạch nút nhấn và khối hiển thị. Bên cạnh đó, tác giả thiết kế bản vẽ kỹ thuật 2D/3D của bề mặt điện cực và vỏ hộp trên phần mềm SolidWorks, mô phỏng lực tháo lắp và kiểm tra độ bền cơ học khi thả rơi tự do.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chế tạo phần cứng và phát triển phần mềm:

• Kỹ thuật gia công mạch in 2 lớp (PCB), quy trình hàn dán linh kiện bề mặt SMD (IC AD8232 gói QFN 20 chân $4 \times 4\text{ mm}$, các linh kiện thụ động kích thước nhỏ) bằng máy khò nhiệt Vinasemi 8586 ở nhiệt độ $183^\circ\text{C}$ và kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ vạn năng DT-9205A.
• Lắp ráp khối mô hình điện cực, bo mạch chủ và pin vào khung vỏ hộp, liên kết bằng vít xoắn KA M2 x 16mm.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính trên vi điều khiển nRF52840 (khởi tạo, đọc ADC, xử lý lọc Kalman, đóng gói dữ liệu BLE).
• Thiết kế giao diện người dùng và lập trình khối chức năng trên môi trường MIT App Inventor cho điện thoại Android.
• Lập bảng dự toán chi phí thi công chi tiết và xây dựng tài liệu hướng dẫn quy trình thao tác đo cho người dùng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thực nghiệm thu nhận tín hiệu trên 10 đối tượng khảo sát. Tác giả đánh giá hiệu quả dạng sóng điện tim qua biểu đồ miền thời gian, mật độ phổ tần số (PSD) và mật độ phổ công suất khi so sánh giữa các chế độ:

• Tín hiệu thô chưa lọc so với tín hiệu qua bộ lọc Kalman mặc định và Kalman tự động.
• Đo tiếp xúc khô trực tiếp so với đo có hỗ trợ gel dẫn điện y tế.
• Đánh giá độ trễ hiển thị thời gian thực qua Bluetooth và so sánh đối chứng độ chính xác hình thái sóng với máy đo chuyên dụng GE Healthcare MAC2000.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài: chế tạo thành công thiết bị nhỏ gọn, tín hiệu ECG ổn định, chi phí thấp, đáp ứng khả năng theo dõi sức khỏe cá nhân tại nhà. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm giới hạn cần khắc phục và đề xuất phương hướng phát triển hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mẫu thử nghiệm hoàn chỉnh của thiết bị đo điện tim hai ngón tay (ký hiệu mô hình: ECG FINGER) với các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm cụ thể:

Thông số / Tiêu chí	Giá trị thực nghiệm đạt được
Kích thước bao phủ	$102 \times 32 \times 17\text{ mm}$
Nguồn điện & thời lượng	Pin sạc tích hợp bên trong, hoạt động liên tục 6 giờ
Độ trễ truyền nhận	Trung bình 1 giây hiển thị thời gian thực lên ứng dụng Android
Phạm vi truyền BLE 5.0	Hoạt động ổn định trong bán kính 5 m (môi trường thoáng)
Độ chính xác nhịp tim	Sai số thấp, dao động từ 1 đến 3 nhịp/phút so với máy y tế
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu	SNR đạt mức cao, khởi điểm từ $27,01\text{ dB}$
Đạo trình đo	Đạo trình chuẩn I (Lead I) theo tam giác Einthoven
Chi phí sản xuất thiết bị	Ước tính khoảng 1.200.000 VNĐ

Đóng góp kỹ thuật nổi bật

1. Tối ưu hóa cấu hình đo hai cực ngón tay: Nhóm tác giả đã chuyển đổi thành công cấu hình thu tín hiệu AD8232 từ 3 điện cực dán truyền thống sang 2 điện cực tiếp xúc dạng khô đặt trên ngón tay thông qua mạch phản hồi RLD với cặp điện trở $10\text{ M}\Omega$, loại bỏ sự cồng kềnh của dây dẫn y tế.
2. Khử nhiễu thích nghi với bộ lọc Kalman: Kết quả phổ tần số cho thấy bộ lọc Kalman tự động triệt tiêu hiệu quả đỉnh nhiễu công nghiệp 50 Hz và nhiễu co cơ ngón tay tốt hơn rõ rệt so với bộ lọc Kalman tham số cố định, bảo toàn biên độ các đỉnh sóng $R$ và phức bộ $QRS$.
3. Độ tương đồng cao với thiết bị chuẩn y tế: Dạng sóng điện tâm đồ thu nhận qua ứng dụng ECG FINGER có sự trùng khớp cao về mặt hình thái học (các sóng P, phức bộ QRS, sóng T rõ ràng) khi đặt cạnh đồ thị tham chiếu từ thiết bị chuyên dụng GE Healthcare MAC2000.
4. Giải pháp giá thành thấp: Với tổng chi phí gia công chế tạo khoảng 1,2 triệu đồng, thiết bị mang lại giải pháp tiếp cận công nghệ theo dõi tim mạch cá nhân kinh tế hơn nhiều so với các thiết bị ngoại nhập thương mại như AliveCor KardiaMobile.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo các giới hạn và phân tích thực nghiệm trong văn bản đồ án, hệ thống còn tồn tại một số điểm hạn chế:

• Thiết bị mới chỉ ghi nhận được tín hiệu của một đạo trình duy nhất (đạo trình chi chuẩn I), chưa phản ánh toàn diện hoạt động điện học đa góc độ như hệ thống 12 đạo trình lâm sàng.
• Khi đo khô không sử dụng gel điện cực, biên độ tín hiệu ở một số đối tượng có da khô hoặc tiếp xúc kém bị suy giảm đáng kể; việc dùng gel làm tăng rõ rệt chất lượng sóng nhưng lại gây bất tiện cho quá trình sử dụng nhanh thường nhật.
• Kết nối Bluetooth 5.0 bị giới hạn trong phạm vi 5 m và có thể suy hao tín hiệu nếu gặp vật cản hoặc môi trường nhiễu sóng điện từ phức tạp.
• Ứng dụng hiển thị mới chỉ được lập trình cho nền tảng Android qua công cụ MIT App Inventor, chưa hỗ trợ hệ điều hành iOS hoặc lưu trữ dữ liệu đám mây.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Tối ưu hóa vật liệu bề mặt điện cực khô để nâng cao độ dẫn truyền sinh học mà không cần dùng gel điện tim.
• Phát triển các thuật toán học máy (Machine Learning) hoặc trí tuệ nhân tạo (AI) chạy trực tiếp trên vi điều khiển hoặc ứng dụng để tự động phân loại và cảnh báo các dạng loạn nhịp tim (như rung nhĩ, ngoại tâm thu).
• Tích hợp thêm module truyền dữ liệu Wi-Fi/IoT nhằm đồng bộ hóa hồ sơ bệnh án điện tử lên máy chủ y tế từ xa.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao đối với:

• Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về mặt sinh lý học tim, cách tính toán thiết kế phần cứng mạch khuếch đại đo lường sinh học, mạch lọc tích cực Butterworth và mạch kích chân phải (RLD).
• Sinh viên các ngành Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Hệ thống Nhúng và IoT: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một sản phẩm thiết bị đeo y tế (wearable device) từ khâu vẽ nguyên lý, layout PCB mạch dán SMD kích thước nhỏ, lập trình vi điều khiển dòng Nordic nRF52840 (BLE), xây dựng ứng dụng di động qua MIT App Inventor đến thiết kế kết cấu vỏ hộp 3D bằng SolidWorks.
• Kỹ sư nghiên cứu thiết bị y tế: Phần tính toán chi tiết các tầng lọc tương tự của AD8232 (Chương 3) và thuật toán lọc Kalman số (Chương 2 và Chương 4) là nguồn tham khảo hữu ích cho các dự án nghiên cứu thiết bị giám sát sức khỏe di động chi phí thấp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Làm thế nào thiết bị có thể đo được tín hiệu điện tim chỉ với hai ngón tay mà không cần điện cực thứ ba gắn ở chân phải (RLD)?
Trả lời: Tác giả đã cấu hình lại mạch truyền động chân phải ($RLD$) của IC AD8232 bằng cách đưa tín hiệu ngõ ra chân $RLD$ phân cực ngược và kết nối song song vào hai ngõ vào dương ($+IN/LA$) và âm ($-IN/RA$) thông qua hai điện trở có giá trị rất lớn là $10\text{ M}\Omega$ ($R_9$ và $R_{11}$). Cấu hình này giúp triệt tiêu điện áp chế độ chung (common-mode voltage) trực tiếp giữa hai ngón tay mà không cần gắn thêm điện cực thứ ba lên cơ thể.

2. Tổng hệ số khuếch đại tương tự của mạch phần cứng là bao nhiêu và được phân bổ như thế nào?
Trả lời: Tổng hệ số khuếch đại tương tự của toàn mạch là $G = 600$. Hệ số này được tạo thành từ hai tầng khuếch đại: tầng thứ nhất là bộ khuếch đại đo lường (Instrumentation Amplifier) tích hợp sẵn trong AD8232 với độ lợi cố định $Gain_1 = 100$; tầng thứ hai là bộ khuếch đại thuật toán $A_1$ được cấu hình thành mạch lọc thông thấp tích cực có hệ số khuếch đại $Gain_2 = 1 + R_{16}/R_{15} = 1 + 1\text{ M}\Omega / 200\text{ k}\Omega = 6$.

3. Tại sao hệ thống cần thiết lập điện áp tham chiếu $V_{REF} = 1,65\text{ V}$ tại chân REFIN/REFOUT?
Trả lời: Tín hiệu điện tim ngõ ra là tín hiệu xoay chiều có cả bán kỳ dương và âm. Tuy nhiên, bộ chuyển đổi ADC trên mô-đun vi điều khiển Seeed Studio XIAO nRF52840 chỉ đọc được các giá trị điện áp dương ($0 - 3,3\text{ V}$). Mạch phân áp nguồn tạo mức $V_{REF} = 1,65\text{ V}$ (bằng một nửa điện áp nguồn $3,3\text{ V}$) để nâng mức tín hiệu xoay chiều lên nửa trên dải đo dương, ngăn ngừa hiện tượng tín hiệu âm bị xén làm sai lệch hoàn toàn dạng sóng.

4. Hiệu quả của bộ lọc Kalman tự động so với bộ lọc Kalman mặc định thể hiện ra sao trong thực nghiệm?
Trả lời: Trong môi trường có nhiều tạp âm và cử động cơ học, bộ lọc Kalman tự động thích nghi thể hiện sự vượt trội rõ rệt khi triệt tiêu phần lớn đỉnh nhiễu tần số 50 Hz của lưới điện và làm mịn nền tín hiệu tốt hơn so với bộ lọc Kalman tham số cố định (mặc định), giúp đồ thị sóng thể hiện rõ ràng các đỉnh $R$, khoảng $PR$ và đoạn $ST$.

5. Kết quả thử nghiệm lâm sàng đối chứng với thiết bị y tế chuyên dụng ghi nhận sai số nhịp tim là bao nhiêu?
Trả lời: Kết quả đo kiểm nghiệm thực tế trên 10 đối tượng người dùng cho thấy nhịp tim tính toán từ thiết bị ECG FINGER có mức độ sai số rất thấp, chỉ chênh lệch từ 1 đến 3 nhịp/phút so với kết quả đo của hệ thống điện tim tiêu chuẩn lâm sàng GE Healthcare MAC2000, đồng thời tỷ số $SNR$ đạt mức cao từ $27,01\text{ dB}$.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống đo tín hiệu điện tim từ hai ngón tay" của sinh viên Trần Tuấn Kiệt và Hoàng Minh Nhật đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một thiết bị y tế cá nhân nhỏ gọn ($102 \times 32 \times 17\text{ mm}$), vận hành liên tục 6 giờ bằng nguồn pin tích hợp. Bằng việc kết hợp vi mạch thu nhận tương tự AD8232, bộ xử lý nRF52840 cùng thuật toán lọc Kalman thích nghi, hệ thống đã giải quyết hiệu quả bài toán đo ECG đạo trình I chỉ qua 2 điểm chạm ngón tay với sai số nhịp tim chỉ từ 1–3 nhịp/phút và tỷ số SNR từ $27,01\text{ dB}$. Với tổng chi phí sản xuất xấp xỉ 1,2 triệu đồng cùng khả năng truyền dữ liệu thời gian thực lên điện thoại thông minh, đề tài đã chứng minh tính khả thi cao trong việc ứng dụng công nghệ nhúng vào giải pháp theo dõi sức khỏe tim mạch chủ động tại gia đình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN Trình bày sơ đồ khối, tính toán, lựa chọn và thiết kế từng khối của hệ thống sản phẩm, vẽ sơ đồ nguyên lý. Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày kết quả thực hiện nối các khối với nhau thành sản phẩm. Trình bày và giải thích lưu đồ giải thuật.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bày kết quả hoàn thành sản phẩm, đưa ra các đánh giá, nhận xét về các kết quả sử dụng. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Đưa ra kết luận về đề tài, những ưu điểm của sản phẩm, những hạn chế cần cải thiện và hướng phát triển giúp sản phẩm tốt hơn để đưa ra thị trường. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ TIM 2.1 Cấu tạo và hoạt động của tim a.

Giới thiệu Tim hoạt động như một máy bơm, cung cấp lực cần thiết để lưu thông máu mang oxy và chất dinh dưỡng đến nuôi tế bào, loại bỏ carbon dioxide và các chất thải từ tế bào về phổi qua tĩnh mạch. Tuy nhiên, nhịp tim và lưu lượng tim phải thay đổi để đáp ứng nhu cầu oxy và chất dinh dưỡng của các tế bào trong cơ thể trong các điều kiện khác nhau [9]. Cấu tạo của tim Tim được tạo thành từ 4 buồng: bên trái và bên phải mỗi bên đều có một tâm nhĩ và một tâm thất. Phía trên, tâm nhĩ trái và phải hoạt động như một buồng tiếp nhận và co bóp để đẩy máu xuống buồng dưới, tâm thất trái và tâm thất phải.

Tâm thất phải bơm máu nghèo oxy đến phổi qua động mạch phổi để trao đổi khí. Tâm thất trái bơm máu giàu oxy đi khắp cơ thể qua động mạch chủ như ở hình 2.1 Cấu tạo của tim Hệ thống nút có cấu trúc đặc biệt, gồm các tế bào mảnh có khả năng phát nhịp cho toàn bộ tim, tạo thành hệ thống dẫn truyền, giúp tim hoạt động đồng bộ. Các tín hiệu bắt đầu từ đỉnh tim và di chuyển xuống phía dưới. Hệ thống dẫn truyền hình 2.2 bao gồm: • Nút xoang nhĩ: gửi các tín hiệu khiến tim bạn đập.

• Nút nhĩ thất: truyền tín hiệu điện từ các buồng tim trên đến các buồng tim dưới. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Nhánh trái: gửi xung điện đến tâm thất trái. • Nhánh phải: gửi xung điện đến tâm thất phải.

• Bó His: gửi xung động từ nút nhĩ thất đến các sợi Purkinje. • Sợi Purkinje: giúp tâm thất co bóp và bơm máu ra ngoài.2 Hệ thống dẫn truyền tim Xung điện sẽ bắt đầu từ nút xoang nhĩ (SA), phát xung khoảng 80-100 nhịp/phút. Sau đó, sự khử cực sẽ lan truyền dọc theo các sợi cơ nhĩ. Sự khử cực chậm lại khi đi qua nút nhĩ thất, phát xung khoảng 40-60 nhịp/phút.

Sau đó, sóng khử cực sẽ lan nhanh theo mô dẫn truyền biệt hóa là bó His, tách thành nhánh trái và phải trong vách liên thất, phát xung 30-40 nhịp/phút. Trong khối tâm thất, sự dẫn truyền lan chậm hơn, dọc theo mô biệt hóa gọi là mạng lưới Purkinje [10]. Chu kỳ hoạt động của tim Thông thường, một chu kỳ hoạt động bình thường của tim kéo dài 0,8s, 75 nhịp/phút. Mỗi chu kỳ gồm 3 pha, kéo dài từ pha co tâm nhĩ 0,1s, đến pha co tâm thất 0,3s và cuối cùng là pha dãn chung 0,4s.

Điện tâm đồ là gì? Điện tâm đồ (ECG) là một phương pháp đo lường và ghi lại hoạt động điện của tim, cung cấp thông tin về nhịp điệu, tốc độ và khả năng bơm máu của tim. Khi tim co bóp, nó tạo ra các dòng điện biến thiên, và điện tâm đồ hiển thị những biến thiên này dưới dạng một đường cong. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình điện học của tim bao gồm sự thay đổi nồng độ các ion như Na+, K+, Ca2+ tạo ra sự chuyển động điện tích giữa các thành phần của tim.

Sóng ECG phản ánh hoạt động điện từ tâm nhĩ trước và đến các tâm thất sau. Việc đọc ECG giúp đánh giá chức năng tim, phát hiện rối loạn nhịp hoặc các bất thường khác trong hoạt động của tim [11]. Sự hình thành điện tâm đồ Khi cơ tim ở trạng thái nghỉ, màng sợi cơ tim phân cực, với mặt ngoài mang điện dương (+) và mặt trong mang điện âm (-). Khi cơ tim hoạt động, điện thế màng thay đổi, tạo ra dòng điện hoạt động.

Tổng hợp các dòng điện hoạt động từ nhiều sợi cơ tim tạo thành dòng điện chung của tim. Vì cơ thể là môi trường dẫn điện tương đối đồng nhất, dòng điện từ tim có thể truyền khắp cơ thể và ra tới da. Những dòng điện này có thể ghi lại từ hai điện cực trở lên đặt trên da nối với các cực của máy ghi điện tim [12]. Các thành phần trong một nhịp tim Tín hiệu của một nhịp tim bao gồm một loạt các thông tin quan trọng được biểu diễn thông qua các điểm đặc trưng như P, Q, R, S, T và U.

Sự kết hợp của những điểm này tạo thành các khoảng như PR, phức bộ QRS, ST, QT, RR, cùng với các đoạn như PR, ST và thể hiện thành một sóng điện tim ở hình 2.3 Các thành phần sóng cơ bản trong một nhịp tim Những thành phần này không chỉ là biểu hiện của nhịp tim, mà còn mang đến thông tin chi tiết về chu kỳ tim, các tín hiệu điện và sự chuyển động của điện trong hệ thống tim mạch, đặc điểm mỗi sóng sẽ được mô tả chi tiết ở bảng 2.1 Phân loại và mô tả các đặc điểm sóng trong điện tâm đồ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phân loại Mô tả Sóng P Khử cực tâm nhĩ Khoảng thời gian từ khi khởi đầu khử cực nhĩ cho đến khi Khoảng PR bắt đầu khử cực thất Phức bộ QRS Sự khử cực của tâm thất, bao gồm các sóng Q, R, và S Khoảng thời gian từ khi bắt đầu khử cực tâm thất cho đến Khoảng QT khi kết thúc tái cực tâm thất Khoảng R-R Khoảng thời gian giữa 2 phức bộ QRS Tái cực tâm thất. Sóng T thường dương hoặc âm cùng Sóng T chiều với QRS cùng chuyển đạo Đoạn ST cộng với Tái cực tâm thất sóng T (ST-T) Có thể là hậu khử cực tâm thất (giai đoạn tâm trương thất Sóng U trái), bình thường không thấy trên điện tâm đồ hay chỉ là một sóng nhỏ sau sóng T Sóng J Thể hiện sự tái cục sớm d. Các đạo trình Hệ thống ECG (điện tâm đồ) bao gồm 12 đạo trình được chia thành 3 nhóm chính, dựa trên vị trí đặt điện cực và cấu hình đo: • Các đạo trình chi chuẩn: I, II, III.

• Các đạo trình chi tăng cường: aVR, aVL và aVF. • Các đạo trình trước tim: V1-V6. Các đạo trình chi chuẩn được dùng để ghi nhận và biểu diễn đồ thị về sự chênh lệch điện thế giữa hai chi tại cùng một thời điểm, vì vậy chúng được gọi là lưỡng cực. Trong mỗi đạo trình, một chi được gắn điện cực dương, trong khi chi còn lại mang điện cực âm.

Ba điện cực đặt ở các chi (I, II và III) tạo thành một tam giác gọi là Tam giác đều Einthoven ở hình 2.4, với các vị trí lần lượt là tay phải (RA), tay trái (LA) và chân trái (LL) [13].4 Tam giác Einthoven và vị trí điện cực đo BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Định luật Einthoven giải thích rằng phức hợp sóng trong đạo trình II bằng tổng các phức hợp tương ứng trong đạo trình I và đạo trình III. Công thức này được biểu diễn như sau: II=I+III.2 BỘ LỌC Tín hiệu điện tim (ECG) là một tín hiệu y sinh rất nhạy, thường bị nhiễu từ nhiều yếu tố khác nhau trong quá trình thu thập và xử lý. Việc áp dụng các bộ lọc là cần thiết để loại bỏ nhiễu và giữ lại các tín hiệu cần thiết.1 Bộ lọc tương tự a.

Giới thiệu Bộ lọc tương tự là mạch xử lý tín hiệu liên tục, cho phép một số tần số nhất định đi qua một cách có chọn lọc trong khi làm suy yếu các tần số khác. Các bộ lọc này được triển khai bằng các linh kiện điện tử tương tự như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, bóng bán dẫn (transistor) và Op-amp. Dựa vào đáp ứng tần số, bộ lọc có thể phân loại thành: bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, bộ lọc thông dải, bộ lọc chắn dải. Các bộ lọc dựa trên thành phần chủ động hoặc thụ động.

Lọc thông thấp chủ động Bộ lọc thông thấp là mạch cho phép các tín hiệu có tần số thấp đi qua và làm suy yếu các tín hiệu có tần số cao vượt quá tần số cắt. Bộ lọc thông thấp R-C thụ động 𝑅𝑓 được nối với một Op-amp có hệ số khuếch đại 1 + thành một bộ lọc thông thấp 𝑅𝑔 bậc hai chủ động như hình 2. Trong xử lý tín hiệu điện tim, yêu cầu loại bỏ hiệu quả các nhiễu tần số cao thường đòi hỏi độ dốc suy giảm lớn và bộc lọc thống thấp bấc hai đáp ứng với khả năng suy giảm 40 dB/decade, giúp loại bỏ nhiễu nhanh hơn mà không làm ảnh hưởng các tín hiệu quan trọng của điện tim.5 Mạch lọc thông thấp bậc hai BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 Chương 2. Lọc thông cao chủ động Bộ lọc thông cao là mạch cho phép các tín hiệu có tần số cao đi qua và làm suy yếu các tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cắt.

Bộ lọc thông cao C-R thụ động được 𝑅𝑓 nối với một Op-amp có hệ số khuếch đại 1 + thành một bộ lọc thông cao bậc hai 𝑅𝑔 chủ động như hình 2. Nhưng trong xử lý tín hiệu điện tim, loại bỏ hiệu quả các nhiễu tần số thấp như trôi đường cơ sở (baseline wander) hoặc các tín hiệu chậm không mong muốn, việc sử dụng bộ lọc thông cao bậc hai trở nên cần thiết. Bộ lọc thông cao bậc hai ở hình 2.6 cung cấp độ dốc suy giảm 40 dB/decade, giúp loại bỏ nhiễu tần số thấp nhanh hơn và hiệu quả hơn mà không làm ảnh hưởng đến tín hiệu ECG quan trọng.6 Mạch lọc thông cao bậc hai 2.2 Bộ lọc Kalman a. Giới thiệu Bộ lọc số là một hệ thống hoặc thuật toán xử lý tín hiệu thời gian rời rạc.

Khác với bộ lọc tương tự, bộ lọc số không sử dụng linh kiện vật lý mà thực hiện các phép toán số thông qua phần mềm hoặc phần cứng xử lý tín hiệu số.