CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày các nội dung lý thuyết có liên quan tới đề tài như: tổng quan về ECG, điện cực thu tín hiệu, lý thuyết về Op-amp và IC TL074, IC INA, vi điều khiển sdPIC30F4013, module wifi ESP 8266 v1. Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương 3 trình bày cách thiết kế các khối trong hệ thống bao gồm khối nguồn, khối lấy tín hiệu Analog, khối Digital xử lý trung tâm (VĐK), khối hiển thị trạng thái, module USB và module WIFI.
Và sau cúng là sơ đồ nguyên lý của hệ thống sau khi thiết kế. Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này nêu ra qá trình và kết quả của việc thiết kế PCB và lắp rắp các linh kiện lên mạch và các kết quả chạy thử nghiệm của hệ thống. Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá.
Chương 5 đưa ra các kết quả của hệ thống đã làn được những gì, hệ thống chạy thế nào và những hình ảnh liên quan. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này nêu ra các kết luận về hệ thống đưa ra những ưu nhượt điểm, những hạn chế của hệ thống trong thực tiễn và hướng phát triển thêm của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ ECG Điện tâm đồ (tiếng Anh: Electrocardiogram) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim [1]. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi, máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ. Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.1: Tín hiệu ECG của một người bình thường.1 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN TIM Tim người có 4 buồng để chứa và bơm máu (xem Hình 2.
Hai phần nhỏ ở phía trên gọi là tâm nhĩ (vì trông giống lỗ tai). Hai phần dưới lớn hơn gọi là tâm thất. Máu theo tĩnh mạch từ cơ thể trở về tâm nhĩ phải, từ phổi trở về tâm nhĩ trái. Tâm nhĩ trái bóp bơm máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải đưa máu vào tâm thất phải.
Sau đó tâm thất phải bóp để bơm máu theo động mạch lên phổi và tâm thất trái bóp để bơm máu xuống cơ thể. Tim có khả năng hoạt động đều đặn và thứ tự như thế là nhờ một hệ thống các tế bào dẫn điện đặc biệt nằm trong cơ tim [4]. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Tim của một người bình thường.
Trong tâm nhĩ bên phải có nút xoang nhĩ (sinoatrial node) gồm các tế bào có khả năng tự tạo xung điện (electric impulse) [2]. Xung điện này truyền ra các cơ xung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P trên Điện Tâm đồ). Sau có dòng điện tiếp tục truyền theo 1 chuỗi tế bào đặc biệt tới nút nhĩ thất (atrioventricular node) nằm gần vách liên thất rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào các cơ xung quanh (loạt sóng QRS) làm hai thất này co bóp. Sau đó xung điện giảm đi, tâm thất giãn ra (tạo nên sóng T) và sóng U là sóng có độ lệch nhỏ ngay sau sóng T và thường có cùng 1 hướng với sóng T Nguồn gốc của sóng U, nguồn gốc của làn sóng U là không rõ.
Ba lý thuyết chung về nguồn gốc của nó là: - Tái cực chậm sợi Purkinje. - Tái cực kéo dài giữa cơ tim "tế bào M". - Sau kết quả điện thế của trương lực cơ trong các thành tâm thất. Chi tiết xem hình 2.3: Các sóng trên điện tâm đồ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2.2 ĐƯỜNG CHUYỂN ĐẠO (LEAD) CỦA ECG Đường chuyển đạo của ECG được chia thành 2 khu vực mà tại đó ta có thể đo được tín hiệu ECG đó là Chuyển đạo ở chi (limb lead) và Chuyển đạo ở ngực (chest lead) va trong bài nghiên cứu này ta đi đo tín hiệu ECG từ chuyển đạo ở chi (limb lead [3]). Chuyển đạo ở chi (limb lead) Ba chuyển đạo lưỡng cực (bipolar) và 3 chuyển đạo đơn cực (unipolar) từ các điện cực được gắn tương ứng vào tay trái, tay phải và chân trái (một điện cực ở chân phải nhưng điện cực đó là điện cực trung tính) [3]. - Ba chuyển đạo lưỡng cực phản ảnh sự khác nhau về điện thế giữa 2 trong 3 chi: + Chuyển đạo I: tay phải-tay trái + Chuyển đạo II: tay phải-chân trái + Chuyển đạo III: chân trái- tay trái - Ba chuyển đạo đơn cực phản ánh sự khác nhau về điện thế giữa một trong 3 chi và ước đoán điện thế thấp nhất lấy được từ việc giữ nguyên 2 điện cực. Ba chuyển đạo này còn thường được gọi là chuyển đạo tăng cường (augment lead).
+ Chuyển đạo aVR: tay phải + Chuyển đạo aVL: tay trái + Chuyển đạo aVF: chân trái Hình 2.4: Các chuyển đạo ở chi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2.3 NGUỒN GÂY NHIỄU CHO TÍN HIỆU ECG Như đã đề cập trước đó các tín hiệu ECG thường trong khoảng millivolt, do đó rất dễ bị một lượng lớn các tín hiệu khác can thiệp vào, từ nhiều nguồn khác nhau ta gọi là nhiễu. Các nguồn chính của nhiễu là: - Mạng điện cung cấp: nhiễu từ các tần số trong khoảng 50-60 Hz của nguồn điện sử dụng. - Sóng điện từ từ các thiết bị điện và điện tử như dây điện phục vụ, ăng ten, các thiết bị điện tử khác….
thường ở tần số cao. - Nhiễu từ các nguồn có tần số thấp - Điện cực tiếp xúc: nhiễu do tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân không tốt gây ra trôi đường nền. - Sự chuyển động với cự li cực nhỏ của bệnh nhân cũng gây ra nhiễu cho tìn hiệu ECG - Nhiễu do sóng cơ của bênh nhân: điện cơ loại tín hiệu (EMG) được tạo ra và trộn với các tín hiệu ECG. - Hô hấp cũng tạo ra nhiễu cho tín hiệu ECG.
Vì vậy để đo được được và chính xác tín hiệu ECG, ta cần phải thực hiện các bước lọc nhiễu thật cẩn thận và tuyệt đối nhất. Điều này sẽ được trình bày cận kẽ trong phần thiết kế hệ thống.4 ÁP DỤNG Y HỌC CỦA ECG Điện tâm đồ được sử dụng trong nhiều trường hợp y học: - Chẩn đoán nhồi máu cơ tim: khi cơ tim bị thiếu máu và dưỡng khí, khả năng chuyển điện của cơ sẽ thay đổi. Sự thay đổi này có thể ghi nhận được trên điện tâm đồ [3]. - Chẩn đoán và theo dõi rối loạn nhịp tim: nhịp tim đập do một hệ thống điện rất tinh vi điều hành.
Khi có rối loạn trong các đường dẫn điện, hệ thống thay đổi làm loạn nhịp. - Chẩn đoán các chứng tim lớn: khi tim lớn vì cơ tim dày lên hay mỏng đi và dòng điện đi qua sẽ thay đổi theo. - Chẩn đoán một số thay đổi sinh hóa máu: vì điện tim là do sự di chuyển của các ion như natri, kali, calcium, v. Khi có thay đổi lớn trong nồng độ các chất này, điện tâm đồ có khả năng thay đổi.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Chẩn đoán một số ngộ độc thuốc: Thuốc digoxin làm thay đổi đoạn ST của mọi cực. Thuốc chống trầm cảm 3 vòng làm dài đoạn QT [2].2 ĐIỆN CỰC THU TÍN HIỆU (ELECTRODE) Hình 2.5: Miếng dán điện cực (Electrode). Điện cực được sử dụng cho việc thu thập các tín hiệu điện tim (ECG) từ cơ thể.
Nó là 1 dụng cụ chuyển đổi dòng ion chảy trong cơ thể con người thành dòng điện bởi chất điện phân. Các loại điện cực dùng để đo lấy tìn hiệu ECG thường là các điện cực có bề mặt thạch, kem hoặc dán. Điện cực được sử dụng trong bài nghiên cứu là điện cực có bề mặt dán. Mô hình đo điện tim ECG còn gọi là điện tâm đồ ECG vì vậy ba điện cực sẽ được dán vào 3 vị trí đó là tay phải, tay trái và chân trái.
Các điện cực khi tiếp xúc với da sẽ thu được tín hiệu điện lên đến hàng chục mV và các vị trí đặt miếng dán sẽ ảnh hưởng tới việc thu được tín hiệu điện từ cơ thể. Các miếng dán điện cực rất mềm mại và thoải mái rất phù hợp với các đường cong của da vì vậy có thể dán lên bất kỳ vị trí nào trên cơ thể. Toàn bộ bề mặt của điện cực được làm từ Niken (Ni) và Bạc clorua (Agcl) đó là chất dẫn điện tốt vì vậy trở kháng của nó rất thấp, rất phù hợp với việc truyền dẫn các tìn hiệu nhỏ.3 OP-AMP TL074 TL074 là một IC chức năng bên trong có chứa 4 con Op-amp (tiếng anh: operational amplifier) hay còn gọi là mạch khuếch đại thuật toán. Chính vì chứa 4 con Op-amp bên trong cho nên việc lựa chọn IC TL074 sẽ giúp việc thiết kế phần cứng của chúng ta trở nên đơn giản hơn.
Với ưu điểm là độ chênh lệch dòng điện đầu vào rất thấp [11] và Hệ số nén tín hiệu kiểu chung (Common Mode Rejection Ratio) CMRR=80dB [11] cho nên TL074 rất tốt cho chức năng khuếch đại và lọc trong dự án này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6: Sơ đồ chân của IC TL074.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP- AMP Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là OP-AMP là một mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra.
Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học. Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ. Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng.2 KÝ HIỆU OP-AMP Hình 2.7: Ký hiệu các chân của Op-amp. Ký hiệu trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán như hình 2.