Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS-
TSKH Nguyễn Phú Thùy, người đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận.
Em xin cảm ơn TS Nguyễn Thăng Long, anh Bùi Thanh Tùng, anh Đặng
Anh Việt, những người đã có những đóng góp hết sức quý báu giúp em hoàn
thành khóa luận một cách tốt nhất.
Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh giúp
đỡ
, động viên tôi hoàn thành khóa luận này.

1
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang TÓM TẮT KHÓA LUẬN
1.1 Huyết áp, nhịp tim và các phương pháp đo 5
1.1.1 Khái niệm về huyết áp và nhịp tim 5
1.1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric 6
1.1.3 Tổng quan hệ đo 7
1.1.3.1 Hệ thống đo các thông số bệnh nhân đã được xây dựng 7
1.1.3.2 Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên 11
1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học 11
1.2.1 Vị trí đặt cảm biến 12
1.2.2 Thiết kế mạch đo 14
1.2.3 Kết quả và đánh giá 25
PHẦN 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ BÃO HOÀ CỦA OXI
TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ QUANG HỌC
26
2.1 Mở đầu 26
2.1.1 Sự cần thiết của Oxi trong máu 26
2.1.2 Sự vận chuyển khí O
2
của máu 26
2.2 Một số khái niệm 26
2.2.1 Nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 26
2.2.2 Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 27
2.3 Các phương pháp đo nồng độ Oxi trong máu 27
2.4 Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu 27
2.5 Nguyên lý của Pulse Oximetry 30
2.6 Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 33
2.6.1 Sơ đồ khối và chức năng 34
2.6.2 Sơ đồ nguyên lý hệ đo 35
2.6.3 Sơ đồ khối Pulse Oximeter sử dụng Psoc. 41
KẾT LUẬN 42


nên sai số này hoàn toàn có thể chấp nhận được.
Với mục đích của những người thiết kế hệ đo này : Một hệ thống tin cậy có
thể đo được nhiều thông số của bệnh nhân, do đó nó cần được phát triển để cho ra k
ết
quả chính xác nhất. Nội dung của khóa luận này trình bày một phương pháp khác, một
cải tiến để đo nhịp tim chính xác hơn.
Ngoài ra bản khóa luận còn trình bày cách xây dựng một thiết bị đo nồng độ
bão hòa của Oxi trong máu - Nhằm bổ sung thêm một chức năng mới cho hệ thống đo
các thông số của bệnh nhân.

4
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang ĐO NHIP TIM BẰNG PHƯƠNG HẤP THỤ QUANG
HỌC
1.1 Huyết áp, nhịp tim và các phương pháp đo

1.1.1 Khái niệm về huyết áp và nhịp tim ¸p suÊt
thêi
g
0,0
P1
P2
T1 T2
S

CVP), huyết áp động mạch phổi (pulmonary artery pressure), huyết áp trong tim
(intracardiac blood pressure)… Tuy nhiên khi nói đến đo huyết áp thì người ta chủ yếu
muốn nói đến việc đo áp suất mạch máu tác dụng lên động mạ
ch.
Trước tiên ta tìm hiểu về cơ chế sinh lý của tim. Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu
đi khắp cơ thể. Trước tiên, tim giãn ra dồn máu vào (thời điểm T1 trên hình 2), lúc này
áp suất của máu trong động mạch là nhỏ nhất-huyết áp tâm trương (Diastolic Presure-

5
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang DP). Tiếp theo, tim co bóp dồn máu đi, đây là thời điểm áp suất tác dụng lên thành
mạch lớn nhất (thời điểm T
2
trên hình 2). Giá trị huyết áp này được gọi là huyết áp tâm
thu (Systolic Presure-SP). Hai giá trị này rất quan trọng trong công tác chẩn đoán
bệnh, nhất là các bệnh về tim mạch. Khi đo huyết áp, chủ yếu người ta đo hai giá trị
này.
Một thông số nữa cùng thông số huyết áp giúp các bác sỹ chuẩn đoán tình
hình sức khoẻ của bệnh nhân đó là thông số nhịp tim. Nhịp tim được xác định là số lần
đập của tim trong một phút. Thông thường khi xác định huyế
t áp, người ta xác định
kèm theo thông số nhịp tim. Công việc này thực hiện đơn giản bằng cách đếm nhịp tim
và lấy trung bình số lần tim đập trong một phút.
1.1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric
Thông thường nhịp tim được đo cùng với huyết áp do đó phương pháp đo nhịp
tim thường gắn liền với phương pháp đo huyết áp.
Cách đo huyết áp - nhịp tim theo như sau:
Mot or
b¬m
khÝ
Vi ®iÒu khiÓn
Modem
An te n a
BiÕn ®æi
t−¬ng tù -
C¶m
biÕn
Bao khÝ
TÝn hiÖu
huyÕt ¸p
sè
Hình 3 Sơ đồ khối module đo từ xa
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu

ững bệnh nhân vẫn còn đủ sức khoẻ và tỉnh táo thì có thể
thiết lập cho module đo hoạt động ở chế độ bán tự động, tức là việc đo huyết áp, nhịp
tim được thực hiện với sự phối hợp của người bệnh. Với trường hợp bệnh nhân không
đủ khả năng phối hợp với các bác sĩ thì module được thiết lập để có thể đ
o được hoàn
toàn tự động. Việc thiết lập để module hoạt động ở chế độ nào có thể thực hiện ở thời
điểm ra lệnh đo trên máy tính trung tâm.
Cảm biến áp suất được dùng cho hệ thống trên là MPX10, đây là sản phẩm
của hãng Motorola, được chế tạo dựa trên nguyên lý áp trở theo công nghệ MEMS.
Cảm biến có điện áp lối ra tỉ lệ tuyến tính với áp suất lối vào và
độ chính xác cao.

Hình 5 Đáp ứng Điện áp – áp suất của cảm biến MPX10
Sau đây là sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim :

8
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang
9
Tín hiệu áp
ấ
Cảm biến

Tiền khuyếch đại và
d
ịch mức
L

§óng
§óng
§óng

H
ình 7. Lưu đồ thực hiện đo nhịp tim
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Khối tiền khuyếch đại: tín hiệu thu được từ cảm biến trước tiên được đưa vào
mạch tiền khuyếch đại.
Khối khuyếch đại và dịch mức tín hiệu: tín hiệu lối ra của khối tiền xử lý sẽ
được khuếch đại và dịch mức cho phù hợp với lối vào của bộ biến đổi ADC.
Bộ lọc thông cao: nhằm loại bỏ nền một chiề
u của tín hiệu, chỉ cho những tín
hiệu biến thiên đi qua.
Khối khuyếch đại và tạo dạng: tín hiệu thu được tại lối ra của bộ lọc rất nhỏ
nên tiếp đó tín hiệu được đưa qua bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán.
Tiếp đó, tín hiệu được đưa qua bộ tạo dạng nhằm vuông hóa, đồng thời loại
bỏ được nhiễu,do tác dụ
ng của ngưỡng so sánh nên chỉ có những tín hiệu nhịp đập thật
sự mới cho lối ra có tín hiệu. Tín hiệu từ đây được đưa tới bộ đếm để xác định nhịp
tim.
Lưu đồ của quá trình đo nhịp tim như trên hình 7.
Để xác định số lần tim đập trong một phút ta đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập.
Việc đo chu kỳ của tín hiệu được thực hi
ện hoàn toàn bằng phần mềm. Để nâng cao độ
chính xác của phép đo, phần mềm thực hiện đo chu kỳ trung bình bằng cách tính
khoảng thời gian giữa hai xung của một số cặp xung rồi chia trung bình Ở vi điều

nên độ chính xác của phép đo khá cao.
Tuy nhiên vì phương pháp Ocillometric chủ yếu để đo huyết áp nên phải dùng
bao khí để chặ
n nghẽn dòng máu trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập của
tim nhận được sẽ bị sai khác so với bình thường. Sai khác này khá nhỏ nhưng ít nhiều
vẫn ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo nhịp tim.
Vậy để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất nếu bằng một
phương pháp cảm biến nào đó để lấy được tín hiệu đồng b
ộ với nhịp tim mà không hề
ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến thì sẽ càng nâng cao độ chính xác
cho phép đo.
Do đó mục đích của bài khóa luận này là trình bày một phương pháp cảm biến
khác với cảm biến áp suất để đo nhịp tim mà không tác động vào sự lưu thông máu.
Tiếp theo em xin trình bày về phương pháp hấp thụ quang học để đo nhịp tim.
1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim
mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm
biến quang học. Phương pháp cảm biến này như sau:
Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim
giãn ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi
tim co lại áp suất trong độ
ng mạch tăng lên. Chính sự thăng giáng áp suất máu này sẽ
làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được
truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến
thiên đồng bộ với nhịp tim.
Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi
truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn,
ánh sáng sau khi truyền qua được
động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.


đặt ra là :
- Phải đặt nguồn sáng và Photodiode ở đâu để có thể thu được kết quả tốt nhất ?.
-Vì động mạch bên trong cơ thể nên ánh sáng không chỉ truyền qua động mạch
mà còn truyền qua nhiều thành phần khác của cơ thể, vậy có ảnh hưởng xấu gì đến tín
hiệu nhận được ?.
Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cở thể
mà có chứ
a động mạch. Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là
không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận
được là lớn nhất.
Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong
động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của

12
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang cơ thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới
hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như
vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng.
Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày
r
ất nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn
nhưng do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là
quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ
tin cậy.
LED
Photodiode


ị
kết
q
uả
Vi điều khiểnSo sánh và tạo dạn
g

N
guồn
Lọc thôn
g
thấ
p
Photodiode
Khu
y
ếch đại
Mạch ổn
d
òn
g

L
E
• LED : nguồn sáng của hệ đo
Hình 11 Sơ
đ
ồ khối mạch đo nhị
p
tim dun

đặt trên chân đảo của KĐTT :
V
-
= I
led
* R
2
(1)
Dòng điện trong mạch sẽ ổn định ngay khi đạt được biểu thức:
V
-
= V
in
(2)
Dòng ổn định qua Led là:
I
Led
=
2R
Vin
(3)
Do có hồi tiếp âm mạnh nên dòng điện chạy qua Led rất ổn định chỉ phụ thuộc
vào V
in
,V
in
ổn định ở 5V được lấy ra từ IC ổn áp LM7805. Muốn thay đổi cường độ
sáng của Led ta thay đổi giá trị của R
2
. Trong quá trình làm khóa luận em thấy giá trị


Từ hai hình 13 và 14 ta có thể thấy BPW34 là một photodiode rất “tuyến tính”
và rất ổn định, tức là có dòng qua tỷ lệ khá tuyến tính với cường độ ánh sáng và bị ảnh
hưởng rất ít bởi nhiệt độ môi trường. Do đó BPW34 còn được ứng dụng khá phổ biến
trong thông thoạ
i hồng ngoại và các bộ cảm biến ánh sáng khác nữa…

16
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang
17
R
3
U
p
M
C
1
đến b
ộ
khu
y
ếch đ
ạ
i
BPW34


)
u
p
= - ∆(I
p
)*R
3
(5)
Từ phương trình này ta thấy biên độ tín hiệu nhận được tỷ lệ thuận với R
3
, vậy
liệu có thể chọn R
3
thật lớn để có được mức tín hiệu lớn ?.
Câu trả lời là nếu R
3
quá lớn thì dòng qua photodiode quá nhỏ, có thể chỉ cỡ
dòng dò của Photodiode – Photodiode sẽ hoạt động trong giải phi tuyến, tín hiệu ra sẽ
không chính xác, và ngoài ra độ lớn của R
3
còn bị giới hạn bởi điện trở lối vào của
tầng khuyếch đại : điện trở R
3
có giá trị lớn mà điện trở lối vào của tầng khuyếch đại
lại nhỏ thì cũng chẳng có tác dụng gì. Trong quá trình làm thực nghiệm em thấy với
giá trị R
3
= 330 kΩ thì hiệu quả biến đổi dòng thành điện áp đối với Photodiode
BPW34 là tuyến tính và có biên độ lớn nhất.
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo

Do có hệ số khuếch đại lớn nên trước khi đến tầng lọc thông thấp, tín hiệu
cũng đã được lọc trước ở đây do tác dụng của tụ C
4
mắc song song với điện trở hồi
tiếp của tầng khuyếch đại không đảo này, tụ C
4
có điện dung 500 pF nên chỉ lọc được
các tần số khá cao ( cỡ kHz ) nên nhiễu chính 50Hz vẫn chưa lọc được.

18
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang
Hình 17 Mạch lọc thông thấp
Tín hiệu sau khi được khuyếch đại và lọc bỏ nhiễu cao tần sẽ qua tụ C
1
đến
tầng lọc thông thấp.
e) Mạch lọc thông thấp
Hình 17 là sơ đồ nguyên lý của một mạch lọc tích cực sử dụng Opamp
HA17741.
tần số cắt của mạch được tình theo công thức:
f
c
=
21212
1
CCRR

có tác dụng ổn định giá trị ngưỡng .
R
1
,R
2
là các điện trở đưa tín hiệu vào các chân không đảo và đảo của LM311,
điện trở R
4
với R
1
cùng LM311 tạo thành một mạch Triger để giữ giá trị đầu ra thêm
ổn định. Mạch so sánh giao tiếp trực tiếp với Vi điều khiển nên giá trị đầu ra của nó
phải là các giá trị TLL. LM311 có lối ra Collector hở nên chỉ cần treo 1 điện trở từ lối
ra ( Chân 7 ) lên 5V và chân quy chiếu mức thấp ( Chân 1 ) xuống đất – 0V là mạch so
sánh này có thể giao tiếp được với Vi điều khiển.
g) Vi điều khiển
Vi đ
iều khiển là bộ não của một hệ thống điều khiển và đo đạc. Vi điều khiển
có nhiệm vụ điều khiển, phối hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống, đảm bảo hệ thống
làm việc chính xác, hiệu quả. Do vậy việc lựa chọn vi điều khiển nào để làm bộ điều
khiển trung tâm là rất quan trọ
ng. Tuỳ thuộc vào mục đích điều khiển mà ta có thể lựa
chọn loại có tốc độ cao, loại tiêu thụ ít năng lượng hay loại có chức năng chuyên

20
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang biệt… Hiện nay trong các hệ thống đo lường và điều khiển, họ 8051 của ATMEL được

14. Nguồn cung cấp trong dải 4-6V ….
Sơ đồ khối cấu trúc của vi điều khiển AVR AT90S8535

21
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Sơ đồ khối cấu trúc của AVR AT90S8535 được chỉ ra ở hình 19
Hình 19
S
ơ
đ
ồ khối cấu trúc của AVR AT90S8535

Khối hiển thị có chức năng hiển thị kết qua đo được, như vậy hiển thị làm sao
cho người sử dụng thuận tiện. Với 1 modul LCD sẽ thỏa mãn yêu cầu trên, modul
được sử dụng trong khóa luận này là :
HD44780 Based LCD, 16X2 Characters
Đây là một sản phẩm của hãng Hitachi.

22
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang Như vậy ta đã nói qua chức năng và sơ đồ nguyên lý cấu tạo của từng khối
trong hình vẽ 11. Hình 20 là sơ đồ phần cảm biến quang học hoàn chỉnh từ Led phát
đến tầng so sánh đưa ra tần số nhịp tim dưới các mức TTL.
Toàn bộ quá trình đo nhịp tim như sau:

hiệu có biên độ cỡ 1,5V và khá trơn tru không còn những đoạn xung nhọn do nhiễu
gây ra nữa.
Sau bộ lọc tín hiệu được đưa vào bộ so sánh và tạo dạng, khi tín hiệu vào bộ
so sánh lớn hơn ngưỡng thì sẽ có biên độ đầu ra sẽ là 5V, khi tín hiệu lối vào nhỏ hơn
ngưỡng
đầu ra là 0V.Việc chỉnh ngưỡng rất quan trọng bởi vì : nếu ngưỡng nhỏ quá có
thể bộ đếm sẽ đếm thừa do đếm cả những xung nhiễu có biên độ lớn hơn ngưỡng, nếu
ngưỡng lớn quá xung ra sẽ hẹp và có thể mất xung.
Cuối cùng những xung vuông này sẽ được đưa vào vi điều khiển để đếm và
hiển thị kết quả ra LCD.
Khi đã có xung việc xác định nhip tim có th
ể thực hiện theo cách đã trình bày
ở phần trước : đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập. Việc đo chu kỳ của tín hiệu được thực
hiện

23
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang
24
Cã nhÞp tim
Start
Cã s−ên lªn cña xung
Start bé ®Õm
Cã s−ên lªn cña xung
tiÕp theo
Stop bé ®Õm, tÝnh ra chu
kú tÝn hiÖu


kỳ của tín hiệu nhịp tim được chỉ ra như ở hình trên. Chân ngắt của vi điều khiển luôn
sẵn sàng chờ tín hiệu nhịp tim tác dụng.
Khi có tín hiệu tác dụng vào chân này (cụ thể là khi có sườn lên của xung), bộ
định thời sẽ được khởi phát. Xung nhịp tác dụng tới bộ định thời là xung nhịp nội với
chu kỳ là 128µs. Tiếp đó vi điều khiển sẽ lại tiếp tụ
c chờ ngắt tiếp theo. Khi có ngắt
tiếp theo tác dụng tức là có tín hiệu nhịp tim tiếp theo, vi điều khiển sẽ lập tức dừng bộ
định thời, căn cứ vào số đếm ban đầu (bằng 0) và số đếm hiện tại, cùng với chu kỳ của
xung nhịp tác dụng (128 µs) có thể dễ dàng tính ra chu kỳ của tín hiệu nhịp tim. Chu
kỳ này sẽ được kiểm tra, nếu nằm trong khoảng cho phép thì giá trị
này sẽ được lưu
lại, nếu không nó sẽ bị huỷ. Việc đo chu kỳ được thực hiện lặp lại một số lần (cụ thể là
5 lần) rồi các kết quả này được tính trung bình. Từ giá trị trung bình này ta tính ra
được nhịp tim của người đo tại lúc đo.
1.2.3 Kết quả và đánh giá
Với phương pháp mô tả trên do lọc nhiễu bằng cả phần cứng lẫn ph
ần mềm
nên nếu người đo tuân thủ các quy định đo thì độ chính xác của phép đo khá cao. Chu
kỳ xung nhịp cấp cho bộ đếm là 128µs nên chu kỳ tín hiệu nhịp tim đo được sẽ có một
sai số là ±128µs. Bình thừơng chu kỳ tín hiệu đo được cỡ 0,02s (50 nhịp một phút) đến
0,007s (150 nhịp một phút), tức là sai số từ 0,64% - 2%.
Với phương pháp hấp thụ quang học để đo nhịp tim, ta không m
ắc phải sai số
do phương pháp đo, sai số chỉ còn là sai số hệ thống. Nếu đếm số xung vào vi điều
khiển trong một phút ta sẽ biết chính xác nhịp tim của người đo.
Sai số của kết quả chỉ là một nhịp trên một phép đo