LỜI MỞ ĐẦU Tầm quan trọng của đề tài Ngày nay, với những tiến bộ vƣợt bậc của nền khoa học và kỹ thuật hiện đại, vấn đề sức khỏe con ngƣời lại càng đƣợc quan tâm, chú trọng nhiều hơn và trở thành ƣu tiên hàng đầu trong cuộc sống. Vì vậy, việc sử dụng các loại máy móc thiết bị tiên tiến, trong đó có thiết bị đo sóng điện tim phục vụ cho y tế là điều rất cần thiết, giúp các bác sĩ chẩn đoán bệnh nhanh chóng và chính xác hơn để kịp thời cứu chữa bệnh nhân. Tuy nhiên, những thiết bị tiên tiến này hầu nhƣ Việt Nam phải nhập khẩu từ nƣớc ngoài với chi phí rất cao để có thể đƣợc sử dụng, điều này vƣợt quá mức thu nhập và chi trả của đại đa số ngƣời dân Việt Nam. Hàng năm ở nƣớc ta vẫn phải bỏ ra một khoản chi phí vô cùng lớn đển nhập các thiết bị y tế nói chung và thiết bị máy điện tim nói riêng.
Sau thời gian theo học chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, thuộc khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, đƣợc tiếp cận với những kiến thức thuộc hai lĩnh vực điện tử và viễn thông. Em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thu thập và xử lý tín hiệu điện tim 12 đạo trình” làm luận văn tốt nghiệp. Ý nghĩa khoa học thực tiễn Máy đo điện tim là một thiết bị y sinh đặc trƣng cho một hệ thống cơ điện tử hiện đại. Trong đó bao hàm nhiều kiến thức tổng hợp về hệ thống điều khiển thu thập tín hiệu tƣơng tự từ các cảm biến, xử lý tín hiệu tƣơng tự và số.
Máy điện tim đồ đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế và đóng góp quan trọng cho quá trình chẩn đoán bệnh. Tuy nhiên ở Việt Nam, tất cả các thiết bị tiên tiến này đều phải nhập khẩu với giá thành rất cao, dẫn đến chi phí khám chữa bệnh cho bệnh nhân cũng tăng cao, điều này vô tình đã làm cho bệnh nhân có tâm lý khi nào bệnh trở nên trầm trọng mới đi khám, đôi khi là đã quá muộn để chữa bệnh. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo máy điện tim không chỉ củng cố những kiến thức đã đƣợc học trong nhà trƣờng mà còn là cơ sở để khi phát triển thêm, chúng ta có thể tự sản xuất các máy đo điện tim, phục vụ các yêu cầu cấp thiết tránh đƣợc những hậu quả đáng tiếc cho ngƣời bệnh, cũng nhƣ ngƣời bình thƣờng có thể đi kiểm tra khám chữa bệnh định kỳ mà không cần lo lắng về vấn đề kinh tế. 2 Đối tƣợng nghiên cứu: Máy đo điện tim Phƣơng pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, dựa trên các demo từ một số nhà sản xuất làm cơ sở để thiết kế mạch sản phẩm, tiến hành đo đạc, kiểm thử, cải tiến sản phẩm cho phù hợp với yêu cầu.
Nội dung nghiên cứu: + Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của tim. + Thiết kế mạch phần cứng và phần mềm cho mạch với chức năng đo các thông số: dạng sóng của tín hiệu điện tim, mạch xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả lên màn hình máy tính. + Thiết kế phần mềm giao diện trên máy tính với ngôn ngữ C, giao tiếp với máy tính qua cổng USART. + Nghiên cứu và bƣớc đầu viết phần mềm xác định một số biểu hiện bệnh về tim trên các tín hiệu điện tim thu đƣợc.
Giới hạn của đề tài: Do thời gian tìm hiểu và sự hiểu biết của em còn hạn hẹp, nên đề tài này của em chỉ giới hạn trong việc thiết kế, chế tạo mạch đo, xử lý tín hiệu bằng phần cứng (mạch analog) và tiến hành đọc thô tín hiệu điện tim. Một số thuật toán xử lý và phân tích tín hiệu điện tim nâng cao cần đƣợc phát triển để thu đƣợc chính xác các tín hiệu điện tim cũng nhƣ phát hiện ra đƣợc nhiều bệnh về tim trên các tín hiệu thu đƣợc. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐIỆN TIM 1. Cấu tạo và hoạt động của tim Tim là một bộ phận trung tâm và rất quan trọng trong hệ tuần hoàn của cơ thể ngƣời.
Tim đều đặn bơm và đẩy máu dẫn theo các động mạch, đƣa dƣỡng khí cùng các chất dinh dƣỡng đi nuôi toàn bộ cơ thể. Máu sau khi nuôi cơ thể đƣợc tim thu hồi lại thông qua các tĩnh mạch có nhiệm vụ đào thải các độc tố trong quá trình trao đổi chất. Do đó, các bộ phận của tim cần hoạt động nhịp nhàng đồng bộ dƣới sự điều khiển tập trung. + Cấu tạo của tim: Tim đƣợc cấu tạo từ một loại cơ đặc biệt gọi là cơ tim.
Với cấu tạo gồm 2 tâm thất và 2 tâm nhĩ, cách biệt với nhau và nối với nhau bằng các van tim. Đối với một ngƣời bình thƣờng, trung bình mỗi phút tim đập khoảng 72 nhịp, với nữ nó nặng khoảng 250-300gram và nặng khoảng 300- 350gram đối với nam. Cấu tạo tim người (Nguồn: Internet) 4 + Hoạt động của tim: Tim hoạt động dựa vào một xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động, hệ thống thần kinh tự động này còn đƣợc gọi với cái tên khác là hệ thống nút [9]. Hệ thống nút gồm có: Nút xoang nhĩ: đây là bộ phận nằm ở cơ tâm nhĩ, nơi tĩnh mạch chủ trên đổ vào tâm nhĩ phải và là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim.
Nút xoang nhĩ phát xung với tần suất khoảng 70-80 lần/phút đối với ngƣời lớn. Với trẻ nhỏ thì tần số này tùy vào độ tuổi. Nút nhĩ thất: là bộ phận nằm ở bên phải vách liên nhĩ, bên cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành. Nút nhĩ thất phát xung với tần suất vào khoảng 50-60 lần/phút.
Bó His: Chức năng chủ yếu của bộ phận này là dẫn truyền xung động. Bó His đi từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thì chia làm hai nhánh phải và trái chạy dƣới nội mạch tới hai tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi tim. Bó His phát xung với nhịp khoảng 30-40 lần/phút. Vị trí các nút và bó His (Nguồn: Internet) Đầu tiên, xung động đi từ nút xoang tỏa ra cơ nhĩ làm cho nhĩ khử cực, nhĩ co bóp đẩy máu xuống thất, tiếp theo nút nhĩ – thất tiếp nhận xung động truyền qua bó His xuống thất làm khử cực, lúc này thất đầy máu sẽ co bóp và đẩy máu ra ngoại biên.
Hiện tƣợng khử cực nhĩ và thất này nhằm duy trì quá trình hoạt động của hệ thống tuần hoàn [6]. 5 Tim hoạt động nhƣ một cái bơm, hoạt động của tim đƣợc thể hiện bằng sự co bóp tự động. 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 đƣợc lặp đi lặp lại và mỗi vòng đƣợc gọi là một chu kỳ của tim.
Mỗi một chu kỳ tim đƣợc chia làm 3 giai đoạn: - Tâm nhĩ thu. - Tâm thất thu. - Tâm trƣơng. Chu kỳ của tim (Nguồn: Internet) Tâm nhĩ thu: đầu tiên tâm nhĩ co bóp làm cho áp suất tăng lên nên máu chảy mạnh hơn, lúc này 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 1/10 giây, sau đó tâm nhĩ giãn nghỉ 7/10 giây để hút máu các tĩnh mạch trở về tim. Tâm thất thu: khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm thất bắt đầu co lại. Do áp lực trong tâm nhĩ tăng lên máu nén ép thúc các nhĩ thất đóng lại không cho máu chảy ngƣợc về tâm nhĩ và các van tổ chim mở ra, máu bị đẩy vào động mạch chủ và động mạch phổi. Giai đoạn tâm thất thu kéo dài 3/10 giây sau đó tâm thất giãn nghỉ 5/10 giây để hút máu.
Giai đoạn tâm thất thu gồm hai thời kỳ: 6 + Thời kì tăng áp suất kéo dài 0. Tâm thất co bóp nên áp suất trong tâm thất tăng, cao hơn áp suất trong tâm nhĩ làm van nhĩ thất đóng lại, nhƣng chƣa cao hơn áp suất ở động mạch vành nên van bán nguyệt chƣa mở làm áp suất tâm thất tăng lên nhanh. + Thời kì tống máu kéo dài 0.25 giây gọi là thời kì tâm thất co đẳng trƣơng. Lúc này áp suất trong tâm thất cao làm van bán nguyệt mở ra, máu chảy mạnh vào động mạch.
Tâm trương: tâm thất bắt đầu giãn ra 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 đƣợc hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm thất, đó là giai đoạn tâm trƣơng toàn bộ, kéo dài 0,4 giây[1]. Vậy, mỗi một chu kỳ tim kéo dài khoảng 8/10 giây, trong đó tim làm việc nửa thời gian và nghỉ một nửa thời gian. Trong 1 phút có 75 chu kỳ tim diễn ra, tức là có 75 nhịp đập trên 1 phút hay còn gọi là 75 mạch đập.
Số lần tim đập trong 1 phút này gọi là tần số tim đập. Trung bình ở ngƣời lớn, mỗi phút tim đập khoảng 70- 80 nhịp và có thể thay đổi ở giới tính, lứa tuổi cũng nhƣ đối với những ngƣời có rèn luyện sức khỏe và ngƣời không rèn luyện sức khỏe. Khái niệm về điện tâm đồ Điện tâm đồ đƣợc định nghĩa là những xung điện có dạng một đƣờng cong, ghi lại các biến thiên của các điện lực do tim phát ra khi co bóp. Điện lực này rất rất nhỏ, chỉ cỡ vài milivon, do đó rất khó để ghi lại.
Lần đầu tiên điện tâm đồ đƣợc ghi lại bằng một điện kế có đầy đủ độ nhạy là do Einthoven ghi, vào năm 1903. Cùng với sự tiến bộ của khoa học, hiện nay trên Thế giới đã có rất nhiều loại máy ghi lại tín hiệu điện tim. Từ các thiết bị có cấu tạo bộ khuếch đại bằng đèn điện tử cho đến các thiết bị hiện đại dùng các linh kiện bán dẫn chuyên dụng. Máy ghi điện tim đồ ghi trực tiếp tín hiệu thu đƣợc lên giấy hay lên màn CRT/LCD.
Các máy điện tim đồ này có thể có một hay nhiều kênh, và có thể ghi đồng thời đƣợc nhiều chuyển đạo cùng một lúc trong khoảng thời gian liên tục lên đến nhiều giờ trên băng từ hoặc các bộ nhớ bán dẫn. 7 Phƣơng pháp ghi điện tim đồ: Cách ghi các đƣờng cong trong điện tâm đồ đƣợc thực hiện bằng cách cho dòng điện tim tác động lên một bút bi làm bút này dao động qua lại và vẽ lên một mặt giấy.