MỞ ĐẦU 1.1 Lý do lựa chọn đề tài Internet vạn vật (IoT) được xem như một bước ngoặt quyết định làm thay đổi cơ bản bộ mặt thế giới hiện đại mà chúng ta đang sống. Đó là viễn cảnh mà mọi vật đều có thể kết nối với nhau thông qua Internet và các hệ thống mạng máy tính. Các doanh nghiệp đang có xu hướng ứng dụng sản phẩm công nghệ IoT vào sản xuất ngày càng nhiều bởi thị trường sáng tạo tiềm năng và chi phí sản xuất ngày càng thấp [1], [23]. Hệ thống IoT cho phép người dùng tiến xa hơn vào việc tự động hoá, phân tích, tích hợp thế giới vật lý - ảo.
Thế giới công nghệ mới này giúp cải thiện tầm nhìn, tính chính xác, nâng tầm các công nghệ về cảm biến, kết nối, robot để đạt hiệu quả cao nhất [16], [24], [26]. Trong lĩnh vực đó, nhiều công ty như Konekt Line, TinkeringTech CellStick, Mbed Cellular Kit…đang đầu tư nghiên cứu và phát triển hệ thống sản phẩm bao gồm cả phần cứng lẫn dịch vụ, đặc biệt các dịch vụ mạng đám mây (cloud services) (hình 1. Hình 1-1: Konekt Line [17]. Các IoT kit sẽ kết nối với Access Point (modem) để kết nối Internet chuyển data đến cloud services.
Các thiết bị có khả năng truy cập Internet sẽ lấy data từ cloud về (hình 1. 12 Hình 1-2: Kết nối Iot [18] 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Nắm bắt được xu hướng trên, đề tài luận văn này được thực hiện nhằm mục tiêu nghiên cứu thiết kế một hệ thống thử nghiệm thu nhận tín hiệu sinh học (một số dạng tín hiệu sinh tồn như ECG, SpO2) và truyền tải từ xa qua mạng Internet, như bước đầu ứng dụng Iot trong lĩnh vực y tế từ xa (telemedicine). Với mục tiêu trên, đề tài đề ra những nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu tổng quan về tín hiệu sinh học, cách thức thu nhận dữ liệu từ các tín hiệu trên; tổng quan về các tiêu chuẩn mạng, công cụ kỹ thuật số phục vụ hệ thống trên. - Thiết kế module thiết bị thu nhận tín hiệu ECG và SpO2 và kết nối với module thu phát wifi (Photon Kit).
- Thử nghiệm giao tiếp wifi với máy tính và xây dựng giao diện cho web browser ghi nhận các thông tin tín hiệu thu nhận được. Các hệ thống tương tự như trên hứa hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi cho các loại tín hiệu sinh học khác nhau,đáp ứng nhu cầu cấp thiết chăm sóc sức khỏe công đồng trong ngành y tế [24],[25],[27]. 13 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1 Tín hiệu điện tim 2. Cấu tạo chung của tim Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng dày mỏng không đều nhau, co bóp khác nhau.
Bao bên ngoài là một túi gọi là bao tim. Được chia thành bốn ngăn gồm tâm nhĩ phải, tâm thất phải ở nửa bên trái của tim. Giữa tâm nhĩ và tâm thất có lỗ nhĩ thất, tại đó có một van gọi là van nhĩ thất. Van nhĩ thất phải là van ba lá và van nhĩ thất trái là van hai lá.
Van nhĩ thất không cho máu chảy ngược từ tâm thất về tâm nhĩ. Máu từ tâm thất đi ra động mạch, tại đó có van hình bán nguyệt (van tổ chim). Máu từ tĩnh mạch về tâm nhĩ đi qua lỗ tĩnh mạch, tại đây không có van đóng mở[5]. Hình 2-1: Cấu tạo chung của tim Tim có một hệ thống dẫn truyền đặc biệt có khả năng tự phát xung, giúp tim hoạt động.
Xung điện này chính là cơ sở cho việc thu nhận tín hiệu điện tim. Hệ thống dẫn truyền của tim gồm có: Nút xoang nhĩ (SA node): nằm ở tâm nhĩ phải chỗ tĩnh mạch chủ trên đổ vào tâm nhĩ phải, là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim. 14 Nút nhĩ thất (AV node): nằm ở bên phải của vách liên nhĩ, cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành. Bó His: đi từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thì được chia thành hai nhánh phải và trái chạy dưới nội mạc tới hai tâm thất, đến đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim.
Hình 2-2: Hệ thống dẫn truyền của tim 2. Cơ chế hoạt động của tim Trong chu kỳ hoạt động của tim, sự co của tâm nhĩ và tâm thất được tiến hành rất đồng bộ với nhau nhờ các sóng khử cực lan tỏa trong thành của các buồng tim. Sóng khử cực của tim được khởi nguồn từ một xung điện được phát ra từ nút xoang nhĩ. Xung điện này sẽ lan xuống tâm nhĩ và gây ra sự khử cực của tâm nhĩ, làm co tâm nhĩ vào cuối thời kì tâm trương.
Tuy nhiên, tâm nhĩ và tâm thất được tách biệt nhau bởi một màng xơ không dẫn truyền gọi là vách nhĩ thất, và các sóng khử cực không thể xuyên qua được ranh giới này [5]. Vì vậy để các sóng có thể được truyền xuống tâm thất, nó phải đi qua một hệ thống dẫn truyền cơ tim đặc biệt. Ở quả tim bình thường, con đường duy nhất để các sóng khử cực có thể xuống được hệ thống dẫn truyền tâm thất đó là đi qua nút nhĩ thất. 15 Bó His Nút nhĩ thất Hình 2-3: Các giai đoạn của điện thế hoạt động [2] Để cho tâm thất có đủ thời gian làm đầy máu sau khi tâm nhĩ co, nút nhĩ thất sẽ làm chậm lại sự dẫn truyền của các sóng khử cực này.
Sau thời gian delay nhỏ này, các sóng khử cực sẽ được dẫn truyền xuống tâm thất thông qua bó His. Bó His nằm ở vách liên thất và được chia tiếp thành nhánh phải và nhánh trái. Các nhánh phải và nhánh trái này sẽ dẫn truyền các sóng khử cực vào khối cơ tim lần lượt của tâm thất phải và tâm thất trái. Điểm cần chú ý ở đây là vách liên thất là phần đầu tiên của khối cơ thất được khử cực, và quá trình này diễn ra nhờ sự di chuyển của sóng khử cực từ nhánh trái qua nhánh phải.
Hướng di chuyển từ trái qua phải của quá trình khử cực vách liên thất này là rất quan trọng để ta có thể hiểu được một số bất thường quan trọng trên ECG. Khi quá trình khử cực vách xảy ra, sóng khử cực sẽ tiếp tục di chuyển nhanh xuống phần còn lại của tâm thất phải và trái. Trong thành của hai tâm thất, các sóng khử cực sẽ đi ra từ các sợi tận cùng của hệ thống dẫn truyền và di chuyển từ nội tâm mạc hướng ra thượng tâm mạc của quả tim, đồng thời cũng di chuyển ngược theo thành sau của tâm thất lên rãnh nhĩ thất. Phần cuối cùng của tâm thất được khử cực đó là phần trên cùng của vách liên thất.
Và một lần nữa, nó cũng được khử cực nhờ các sóng khử cực di chuyển từ trái qua phải. Quá trình tái cực của tim không thật sự đồng bộ giữa các tế bào với nhau. Các tế bào cơ tim sẽ tái cực với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào vị trí giải phẫu của nó trong quả tim. Những tế bào ở vùng thượng tâm mạc sẽ có tốc độ tái cực nhanh nhất 16 và vì thế nó sẽ tái cực đầu tiên sau khi tâm thất co.
Tốc độ tái cực tế bào sẽ chậm dần khi đi từ thượng tâm mạc vào nội tâm mạc. Nói cách khác, các sóng tái cực sẽ di chuyển trong tâm thất theo hướng ngược lại với sóng khử cực. Quá trình tái cực sẽ bắt đầu từ thượng tâm mạc và sẽ lan truyền từ thượng tâm mạc vào nội tâm mạc ở tâm thất. Thƣợng Nội tâm mạc tâm mạc Hình 2-4: Các giai đoạn của điện thế hoạt động [2] 2.
Tính chất tín hiệu điện tim 2. Trục điện của tim Khái niệm trục điện của tim có nghĩa là hướng trung bình của dòng điện diễn ra trong quá trình hoạt động của tim. Thuật ngữ thường xuyên được sử dụng là vectơ thay vì dùng “trục điện”. Hướng của trục điện có thể có nghĩa là hướng tức thời của vectơ điện tim [14].
Phạm vi thông thường của trục điện nằm giữa 30° và -110° trong mặt phẳng trước và giữa 30° và -30° trong mặt phẳng ngang. Nhĩ đồ Là dạng sóng ứng với giai đoạn khử cực của tâm nhĩ. Như đã trình bày ở trên, xung điện phát ra từ nút xoang nhĩ sẽ lan tỏa làm khử cực tâm nhĩ với hướng từ trên xuống và từ phải qua trái tạo thành một vectơ hợp với phương ngang một góc 49o, đây cũng chính là hướng của vectơ khử cực. Máy đo 17 điện tim sẽ thu nhận xung điện này dưới dạng sóng dương, có độ lớn khoảng 0.25mV, gọi là sóng P.
Hình 2-5: Sự hình thành sóng P [14] 2. Thất đồ: Là dạng sóng ứng với giai đoạn hoạt động của tâm thất. Giai đoạn khử cực Giai đoạn khử cực bắt đầu từ phần giữa mặt trái liên thất đi xuyên qua mặt phải vách này, tạo ra vectơ khử cực đầu tiên hướng từ trái qua phải. Máy đo điện tim thu được một sóng âm, có biên độ nhỏ khoảng 0.2 mV, được gọi là sóng Q [3].
Hình 2-6: Sự hình thành sóng Q [14] 18 Sau đó xung điện sẽ truyền xuống và khử cực đồng thời cả hai tâm thất theo hướng xuyên qua bề dày cơ tim. Lúc này vectơ khử cực hướng nhiều về bên trái hơn vì tâm thất trái dày hơn và còn vì trục giải phẫu của tim hướng về bên trái. Do đó, vectơ khử cực chung hướng từ phải qua trái tạo nên sóng dương cao hơn gọi là sóng R. Sau cùng, quá trình khử cực vùng đáy thất lại hướng từ trái sang phải.
Máy ghi được sóng âm nhỏ gọi là sóng S. Hình 2-7: Sự hình thành sóng R, S [14] Nói tóm lại, quá trình khử cực tâm thất gồm ba sóng Q, R, S biến thiên phức tạp gọi là phức bộ QRS. 19 Giai đoạn tái cực Sau khi tâm thất khử cực xong sẽ chuyển sang giai đoạn tái cực chậm. Giai đoạn này thể hiện trên đồ thị ECG dưới dạng một đoạn thẳng gọi là đoạn S-T.
Sau đó là giai đoạn tái cực nhanh tạo nên sóng T. Hình 2-8: Sự hình thành sóng T [14] Vectơ tái cực cũng có chiều từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm phát sinh sóng dương thấp gọi là sóng T. Sóng T này không đối xứng và còn được gọi là sóng chậm vì nó kéo dài khoảng 0. Sau khi sóng T kết thúc có thể thấy một sóng chậm, nhỏ gọi là sóng U.
Đây được gọi là giai đoạn muộn của quá trình tái cực. 20 Tóm lại, thất đồ được chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn khử cực gồm phức bộ PQRS được gọi là pha đầu Giai đoạn tái cực gồm ST, T và U gọi là pha cuối Hình 2-9: Phức bộ điện tâm đồ [14] 2.