Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT
---------------o0o---------------LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ECG
GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

GVHD : THS VÕ NHẬT QUANG
SVTH : QUÁCH MỸ PHƯNG
MSSV : K0202063

Tp HCM, Tháng 12/2006
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

2
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................................2

2.6. MỘT VÀI LOẠI MÁY ........................................................................................33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .............................................................................35
3.1. SƠ ĐỒ KHỐI........................................................................................................36
3.2. THIẾT KẾ CHI TIẾT.........................................................................................36
3.2.1. Chọn điện cực.................................................................................................36
3.2.2. Bộ khuếch đại - lọc nhiễu ............................................................................36
3.2.2.1. Khuếch đại..........................................................................................36
3.2.2.2. Lọc nhiễu.............................................................................................38
3.2.2.3. Ýnghóa của bộ lọc...............................................................................41
3.2.2.4. Thiết kế...............................................................................................42
3.2.3. Bộ chuyển đổi ADC.......................................................................................51
3.2.3.1. Khái niệm chung................................................................................51
3.2.3.2. Giới thiệu Chip ADC 0809................................................................51
3.2.3.3. Phối hợp tín hiệu................................................................................58
3.2.3.4. Thiết kế chi tiết..................................................................................58
3.2.4. Bộ giao tiếp với máy tính..............................................................................65
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

4
3.2.3.1.
Giới thiệu chung.................................................................................65
3.2.3.2.
Truyền thông nối tiếp và cổng rs232 ..............................................65
3.2.3.3.
Giới thiệu về vi điều khiển 8051 ......................................................75
3.2.3.4.
Các đặc điểm chung của họ 8051/8031............................................75
3.2.3.5.
Cấu trúc bên trong vi điều khiển ....................................................76
3.2.3.6.

MỞ ĐẦU
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

6
1.1. LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI
Trong thời đại công nghệ hóa, toàn cầu hóa hiện nay, Việt Nam đang có những bước
tiến quan trọng trong quá trình hội nhập với xu thế phát triển chung của thế giới trên tất
cả các lónh vực: kinh tế, văn hóa, xã hội… và đặc biệt là các lónh vực của ngành công
nghệ tin học.
Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính của xã hội không ngừng tăng nhanh, nhất là
trong các lónh vực đòi hỏi thời gian, liên kết, xử lí, điều hành và lưu trữ như thương mại,
dòch vụ, y tế, giáo dục … .Hầu như không có một cơ quan, khách sạn, bệnh viện hay
trường học nào mà lại không được trang bò hệ thống máy tính.
Với những tiện ích ngày một nâng cao, công nghệ thông tin không những không còn
xa lạ gì mà đang từng bước trở thành một trợ thủ đắc lực cho con người. Không những
thế, nó còn là đối tượng nghiên cứu của nhiều bộ môn khoa học có tính chất liên ngành.
Chẳng hạn, trong liên hệ với y học, để thuận tiện hơn khi quan sát, theo dõi và lưu trữ
dữ liệu của bệnh nhân một cách chính xác thì việc cho một thiết bò y tế giao tiếp với
chiếc máy tính là điều rất cần thiết. Một thiết bò đo sóng điện tim (ECG) nếu được giao
tiếp với máy tính sẽ cho phép các bác só theo dõi sóng điện tim của bệnh nhân một cách
liên tục, nhờ đó mà có thể phát hiện ngay lập tức những triệu chứng bất thường về tim
mạch để kòp thời cứu chữa. Hơn thế nữa chiếc máy tính này sẽ thay người y tá lưu trữ dữ
liệu về sóng điện tim, có thể tránh được tối đa những sai sót gây ra hậu quả đáng tiếc do
bất cẩn.
Đối tượng và hướng nghiên cứu của đề tài này được hình thành dựa trên những nhận
thức về ưu điểm cũng như tính cấp thiết của việc liên kết với máy tính trong y học như đã
trình bày ở trên.

Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM


 Thiết kế và chế tạo bộ xử lý tín hiệu :
Do tín hiệu điện tim là tín hiệu điện sinh học rất nhỏ và nhiễu nên cần phải được xử
lý trước khi vào bộ chuyển đổi ADC. Bộ xử lý tín hiệu được thiết kế gồm các thành phần
:
• Bộ khuếch đại thuật toán (instrument amplifier).
• Bộ lọc thông thấp (low-pass filter): để lọc bớt nhiễu ở tần số thấp hơn 0.05Hz.
• Bộ lọc thông cao (high-pass filter): để lọc bớt nhiễu ở tần số cao hơn 100Hz.
• Bộ lọc Notch (Notch filter): để lọc bớt nhiễu điện nguồn.
 Thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi A/D
Do ngôn ngữ máy tính chỉ hiểu được các tín hiệu đưa vào ở dạng số, nên cần thiết
phải có bộ chuyển đổi A/D để chuyển tín hiệu vào từ dạng tương tự sang dạng số. Việc
điều khiển quá trình chuyển đổi này được thực hiện bằng một vi điều khiển họ 8051.
 Thiết kế và chế tạo bộ giao tiếp máy tính
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

9
Do chuẩn điện áp của máy tính không tương thích với chuẩn điện áp TTL của các loại
vi điều khiển nên ta cần phải thiết và chế tạo ra bộ chuyển đổi điện áp giữa máy tính và
vi điều khiển.
 Thiết kế chương trình biểu diễn sóng điện tim bằng phần mềm Matlab
Để theo dõi được đồ thò sóng điện tim cần thiết phải thiết kế một giao diện hiển thò
tín hiệu sóng điện tim theo thời gian thực và giao diện đó phải gần gũi và dễ dàng giao
tiếp đối với người sử dụng.


Các sợi cơ tim có cấu tạo đặc biệt liên kết với nhau làm thành cầu lan truyền xung từ
sợi này sang sợi kia.
Trong tim còn có một cấu trúc đặc biệt có khả năng tự phát xung gọi là hệ thống nút
(hạch). Hệ thống gồm có:
_ Nút xoang nhó (SAN) : nằm ở cơ tâm nhó chỗ tónh mạch chủ trên đổ vào tâm nhó phải.
Nút xoang nhó phát xung với tần số vào khoảng 120 lần/phút và là nút tạo nhòp cho toàn
bộ trái tim.
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

12
_ Nút nhó thất (AVN) : nằm ở bên phải của vách liên nhó, cạnh lỗ xoang tónh mạch vành.
Nút nhó thất phát xung với nhòp vào khoảng 50-60 lần/phút.
_ Bó His : đi từ nút nhó thất tới vách liên thất thì chia làm hai nhánh phải và trái chạy
dưới nội mạc tới hai tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các
sợi cơ tim. Bó His phát xung với nhòp khoảng 30-40 lần/phút.

Hình 2.2. Vò trí các nút và bó His

Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhòp nhàng. Tim hoạt động co bóp
theo một thứ tự nhất đònh. Hoạt động này được lặp đi lặp lại và mỗi vòng được gọi là một
chu chuyển của tim.
Một chu chuyển của tim gồm 3 giai đoạn :
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

13

Hình 2.3. Chu chuyển của tim

_ Tâm nhó thu : đầu tiên tâm nhó co bóp, áp suất trong tâm nhó tăng lên, van nhó
thất đang mở nên máu chảy từ tâm nhó xuống tâm thất, làm cho áp suất tâm thất tăng lên.

. Do sự chênh lệch nồng độ của các ion bên trong và bên ngoài màng tạo ra sự
chuyển dời các ion qua màng gây nên dòng điện sinh học. Cho nên các tế bào sống có
tính chất như một pin điện, điện cực dương (+) quay ra ngoài và cực âm (-) quay vào
trong. Tính phân cực của màng và trạng thái điện bình thường gọi là điện thế nghỉ
(khoảng -90mV). Khi có kích thích, màng tế bào thay đổi tính thẩm thấu và có sự dòch
chuyển ion. Sự vận chuyển tích cực đó làm thay đổi trạng thái cân bằng ion và gây nên
biến đổi điện thế – được gọi là điện thế động.
Như vậy khi tế bào hoạt động sẽ được chia thành hai giai đoạn: bò kích thích tạo nên
hiện tượng khử cực và khi lập lại trạng thái cân bằng tạo nên hiện tượng tái cực.
2.2.2. Cơ sở hình thành tín hiệu điện tim
Một sợi cơ bao gồm nhiều tế bào, khi hoạt động sợi cơ co lại, lúc đó sẽ xuất hiện điện
thế đôïng giữa những phần đã được khử cực và đang khử cực, điện thế động này sẽ làm
xuất hiện một điện trường lan truyền trên dọc theo sợi cơ. Sau đó khoảng nửa giây bắt
đầu xuất hiện quá trình tái cực, kèm theo sự xuất hiện của một điện trường ngược lại và
chuyển động với tốc độ chậm hơn.
Chính cấu trúc phức tạp của tim đã làm phát ra các tín hiệu điện (khử cực và tái cực),
thực chất là tổng các tín hiệu điện của các sợi cơ tim cũng phức tạp hơn một tế bào hay
một sợi cơ.
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

15

Hình 2.4. Sự khử cực và sự tái cực.

2.2.2.1.Giai đoạn khử cực
Trước khi bò kích thích các tế bào cơ tâm thất có điện thế nghỉ là -90mV. Khi bò kích
thích, điện thế màng trở nên kém âm dần (điện thế tăng từ -90mV về phía 0). Khi điện
thế ở khoảng từ -70mV đến -50mV thì gây mở đột ngột kênh Na
+
, đồng thời tính thấm

trước, nhó bóp và đẩy máu xuống thất. Sau đó nút nhó thất tiếp nhận xung động truyền
qua bó His xuống thất làm thất khử cực, lúc này thất đã đầy máu sẽ bóp mạnh đẩy máu
ra ngoại biên. Hiện tượng nhó và thất khử cực lần lượt trước sau như thế chính là để duy
trì quá trình huyết động bình thường của hệ thống tuần hoàn. Đồng thời điều đó cũng tạo
nên điện tâm đồ gồm ba phần :
 Nhó đồ : Ghi lại dòng điện hoạt động của nhó, đi trước.

Hình 2 .5. sóng P
Như phần trên đã nói, xung động đi từ nút xoang (ở nhó phải) sẽ tỏa ra làm khử cực cơ
nhó như hình các đợt sóng với hướng chung là từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm
với đường ngang một góc 49
o
, đây cũng chính là hướng của vectơ khử cực. Và đợt sóng
này được máy ghi lại với dạng sóng dương, đơn, thấp, nhỏ và có độ lớn khoảng 0.25mV
gọi là sóng P. [1]
Hình 2.6. Sự hình thành sóng P
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

17Khi nhó tái cực, nó còn phát ra một sóng âm nhỏ gọi là sóng Ta, nhưng ngay lúc này
cũng xuất hiện sự khử cực thất với điện thế mạnh hơn nhiều, nên trên điện tim đồ gần
như không thấy sóng Ta. Kết quả, nhó chỉ thể hiện lên điên tim đồ bằng một làn sóng đơn
độc là sóng P.
 Thất đồ: Ghi lại dòng điện hoạt động của thất, đi sau.


ngoài nén vào quá mạnh nên tái cực muộn đi. Mặt khác, vec tơ tái cực ngược chiều với
vec tơ khử cực (chiều điện trường ngược lại). Do đó tuy tiến hành ngược chiều với khử
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

20
cực, nó vẫn có vec tơ tái cực hướng từ trên xuống dưới và từ phải qua trái làm phát sinh
làn sóng dương thấp gọi là sóng T.
Sóng T này không đối xứng và còn gọi là sóng chậm vì nó kéo dài 0.2s.
Sau khi sóng T kết thúc có thể thấy một sóng chậm, nhỏ gọi là sóng U. Đây là giai
đoạn muộn của tái cực.
Tóm lại, thất đồ chia làm hai giai đoạn:
- Giai đoạn khử cực gồm phức bộ PQRS được gọi là pha đầu.
- Giai đoạn tái cực gồm ST và T (cả U) gọi là pha cuối.

 Tâm trương: Tim ở trạng thái nghỉ, không có điện thế động, đường ghi là đường
thẳng nằm ngang gọi là đường đẳng điện.

Hình 2.11. Phức bộ điện tâm đồ

2.2.3. Hệ thống các chuyển đạo
Cơ thể con người là một môi trường dẫn điện, vì thế dòng điện do tim phát ra được
dẫn truyền đi khắp cơ thể tới da, biến cơ thể thành điện trường của tim. Nếu ta đặt hai
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

21
điện cực lên hai điểm nào đó ta thu được điện thế của hai điểm đó, gọi là một chuyển
đạo hay một đạo trình (lead).

Hình 2.12. Các vò trí điện thế được lấy ra tạo ra đạo trình của sóng điện tim
Cho đến nay đại đa số dùng 12 chuyển đạo để nghiên cứu điện tim, nó gồm 3 chuyển

• Cổ chân trái: cho ta chuyển đạo VF (Voltage foot), đây là chuyển đạo duy
nhất nhìn thấy được ở thành sau dưới đáy tim.
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

23Hình 2.14. Chuyển đạo đơn cực các chi
Năm 1947, Golgberge đã tiến hành cải tiến cắt bỏ cánh sao nối với chi đặt điện cực
thăm dò, làm cho sóng điện tim của các chuyển đạo đó tăng biên độ lên gấp rưỡi lần mà
vẫn giữ hình dạng như cũ gọi là chuyển đạo đơn cực chi tăng thêm kí hiệu là AVR, AVL
và AVF (A = Augmented = tăng thêm).
Ngày nay các chuyển đạo AVR, AVL và AVF được dùng thông dụng hơn VR,VL,VF.
Tất cả sáu chuyển đạo I, II, III, AVR, AVL, AVF được gọi là chuyển đạo ngoại biên
vì đều có các điện cực thăm dò đặt tại các chi. Chúng hỗ trợ cho nhau dò xét các rối loạn
của dòng điện tim thể hiện bốn phía xung quanh quả tim trên mặt phẳng chắn (Frontal
plane). Nhưng còn rối loạn của dòng điện tim chỉ biểu hiện rõ ở mặt tim chẳng hạn thì
các chuyển đạo này không thể phát hiện được.
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

24
Vấn đề đặt ra là cần có thêm các chuyện đạo khác biểu hiện rõ được các dòng điện tim,
và người ta đã tìm ra được chuyển đạo trước tim. [2 ]

2.2.3.3. Chuyển đạo trước tim
Chuyển đạo này bao gồm một điện cực trung tính đặt tại cực trung tâm và điện cực
thăm dò đặt tại 6 vò trí trên ngực tạo nên 6 chuyển đạo trước tim kí hiệu V1 – V6. Như
vậy trục chuyển đạo của chúng sẽ là đường thẳng hướng từ tâm điểm điện tim (điểm 0)
tới các vò trí điện cực tương ứng, các trục đó nằm trên những mặt phẳng nằm ngang hay
gần ngang.