BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------BÙI TIẾN DŨNG

Bùi Tiến Dũng

KỸ THUẬT Y SINH

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SÓNG ĐIỆN NÃO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT Y SINH

KHÓA 2009

Hà Nội – 2011


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương I NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ SÓNG ĐIỆN NÃO ............................. 4
1.1 Sơ lược về lịch sử của máy điện não ...................................................................... 4
1.2 Khái niệm về điện sinh lý não. ............................................................................... 5
1.3 Điện sinh học tế bào ............................................................................................... 6
1.4 Hoạt động sinh lý của Neuron ................................................................................ 8
1.4.1Tín hiệu thần kinh.............................................................................................. 9
1.4.2 Hưng phấn và ức chế ...................................................................................... 11

2.7.3 Mạch nguồn cung cấp..................................................................................... 55
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU NHẬN VÀ XỬ LÝ
SÓNG ĐIỆN NÃO ......................................................................................................... 58
3.1 Tổng quan ............................................................................................................. 58
3.2 Sơ đồ khối thiết bị thu sóng điện não ................................................................... 59
3.3 Tính toán thiết kế các khối.................................................................................... 61
3.3.1 Mạch bảo vệ ................................................................................................... 61
3.3.2 Các bộ khuếch đại .......................................................................................... 61
3.3.3 Bộ lọc ................................................................................................................. 62
3.3.3 Thiết kế mạch DRL ........................................................................................ 64
3.3.4 Ghép nối máy tính .......................................................................................... 64
3.3.5 Bộ Vi xử lý ..................................................................................................... 65
3.3.6 Mạch nguồn .................................................................................................... 68
Chương 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ ............... 73
4.1 Xác định trở kháng vào ......................................................................................... 73
4.2 Dòng xuyên qua bệnh nhân .................................................................................. 75
4.3 Hệ số nén tín hiệu đồng pha ................................................................................. 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 80
Phụ lục: MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ THIẾT BỊ .............................................................. 81

 
 


LỜI CAM ĐOAN
 
 Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đã được đề cập trong luận văn được viết dựa

trên kết quả nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Đức


MFTD

Bộ lọc thời gian trễ phẳng cực đại

INA

Bộ khuếch đại đo

CMRR

Hệ số nén tín hiệu đồng pha


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
 

Hình 1.1 Các điện thế trên neuron. .................................................................................. 8
Hình 1.2 Cấu tạo của neuron ............................................................................................ 9
Hình 1.3 Sơ đồ khử cực lan truyền gây nên điện thế và dòng hoạt động tại chỗ .......... 10
Hình 1.4 Điều kiện neuron dẫn truyền tín hiệu .............................................................. 10
Hình 1.5 Mẫu của khớp thần kinh loại hoạt động và kích thích. ................................... 11
Hình 1.6 Cấu trúc của khớp thần kinh ........................................................................... 11
Hình 1.7 Cấu trúc của một neuron vận động gồm các đuôi gai và sợi trục ................... 12
Hình 1.8 Điện thế màng ghi liên tục trong quá trình vi điện cực vào và
ra khỏi màng ................................................................................................................... 13
Hình 1.9 Biểu đồ trình bày dòng K+ và Na+ xuyên qua bề mặt của màng
neuron trong trạng thái nghỉ ........................................................................................... 13
Hình 1.10 Điện thế sau khớp là hiện tượng chậm .......................................................... 14
Hình 1.11 Biểu đồ diễn tả toàn bộ hiện tượng lý hóa trong quá trình dẫn

Hình 2.22 Sơ đồ mạch DRL ........................................................................................... 50
Hình 2.23 Sơ đồ khối hiển thị tín hiệu trên máy tính..................................................... 50
Hình 2.24 Sơ đồ khối của hệ biến đổi tương tự - số ...................................................... 51
Hình 2.25 Sơ đồ mạch bảo vệ đầu vào........................................................................... 53
Hình 2.26 Sơ đồ cách ly quang dùng LED và photodiode ............................................ 54
Hình 2.27 Sơ đồ mô tả mạch cách ly dùng biến áp........................................................ 55
Hình 2.28 Sơ đồ khối nguồn .......................................................................................... 56
Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị thu sóng điện não .............................................................. 59
Hình 3.2 Sơ đồ mạch bảo vệ .......................................................................................... 61
Hình 3.3 Sơ đồ tầng khuếch đại đầu vào INA ............................................................... 62
Hình 3.4 Sơ đồ tầng khuếch đại thứ 2 ............................................................................ 62
Hình 3.5 Sơ đồ mạch bộ lọc ........................................................................................... 63
Hình 3.6 Đáp tuyến biên độ ........................................................................................... 63
Hình 3.7 Đáp tuyến pha của bộ lọc ................................................................................ 63
Hình 3.8 Sơ đồ mạch DRL ............................................................................................. 64
Hình 3.9 Sơ đồ mạch ghép nối máy tính và cách ly ...................................................... 64
Hình 3.10 Sơ đồ mạch vi điều khiển .............................................................................. 68
Hình 3.11 Sơ đồ mạch nguồn ....………………………………………………………71
Hình 4.1 Sơ đồ mạch điện xác định trở kháng đầu vào ................................................. 74
Hình 4.2 Sơ đồ xác định dòng điện qua bệnh nhân ....................................................... 75
Hình B1. Mặt trước của thiết bị ..................................................................................... 81
Hình B2. Mặt sau của thiết bị......................................................................................... 81
Hình B3. Mạch tương tự ................................................................................................ 82
Hình B4. Mạch số ......................................................................................................... 82
 


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ
thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực y học và sinh học

tượng quá tải ở các bệnh viện tuyến sau và trong một số trường hợp không thể cung
cấp nguồn tạng cho ngành ghép tạng Việt nam đang thiếu trầm trọng nguồn tạng như
hiện nay. Vì vậy, với mục đích để tạo ra một công cụ cận lâm sàng giúp bác sĩ chẩn
đoán chính xác với giá thành rẻ phù hợp với việc chẩn đoán chết não ở tuyến huyện tôi
đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não”. Toàn
bộ luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Những kiến thức cơ bản về sóng điện não
Chương 2: Cơ sở thiết kế thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não.
Chương 3: Tính toán thiết kế thiết bị thu nhận và xử lý sóng điện não.
Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá độ tin cậy của thiết bị.
Mục tiêu đặt ra là thiết kế thiết bị thu nhận và xử lý được tín hiệu sóng điện não
có thể đo được sự thay đổi điện thế của trường điện được tạo ra bởi các tế bào thần
kinh trong não người. Một tín hiệu điện não đồ bao gồm rất nhiều sóng hình sin liên
tục khác nhau. Những sóng này được nhận biết thông qua các thành phần tần số chính
và nó thể hiện cho các trạng thái khác nhau của cơ thể như sóng beta (15-30Hz), alpha
(9-14Hz), theta (4-8Hz), delta (1-3Hz). Vì vậy yêu cầu quan trọng nhất của thiết bị là
phải phát điện được các sóng trong dải tần này.
Tín hiệu sóng điện não được tạo ra trên da dầu có biên độ rất nhỏ, biên độ đỉnh –
đỉnh trung bình khoảng 50µV, vì vậy đòi hỏi phải khuếch đại khoảng 100dB để có thể
tạo ra tín hiệu nhìn thấy bằng mắt. Thiết bị cũng đòi hỏi có khả năng lọc được các
thành phần tần số không mong muốn. Thông thường thiết bị phải sử dụng tất cả các bộ
lọc thông thấp, thông cao hoặc các bộ lọc dải hẹp để loại bỏ nhiễu được tạo ra từ sự
chuyển động của cơ hoặc các yếu tố sinh lý khác, đồng thời loại bỏ được nhiễu từ
nguồn điện lưới (50Hz). Khi đo, ta đặt các điện cực trên da đầu bệnh nhân vì tín hiệu
rất nhỏ nên điện cực thường được làm bằng các vật liệu có độ dẫn tốt như vàng, bạc,
AgCl,… và có thể dùng thêm gel để làm giảm điện trở tiếp xúc.

2 
 


năm 1924 đến 1983 với 14 công trình, trong đó 5 công trình có giá trị của ông được
công bố bao gồm điện não đồ sinh lý và bệnh lý ở người.
Gibbs (1933) đã đề xuất điện não đồ lâm sàng là một ngành riêng, liên quan chặt
chẽ với lâm sàng, mở đầu bằng cuộc nghiên cứu bệnh nhân động kinh năm 1934 ở Mỹ.
Cùng với sự phát triển về kỹ thuật hiện đại, kỹ thuật ghi điện não luôn được cải
tiến, từ máy có 4 đường ghi (4 kênh) tăng lên 8, 10, 12, 14, 16, 18, …, 32 đường ghi
với các chương trình khác nhau. Ghi bằng bút nhiệt, bút mực, đến in bằng máy in (điện
não vi tính), camera.
Mặc dù hiện nay đang phát triển các phương pháp thăm dò chẩn đoán cận lâm
sàng hiện đại như siêu âm, chụp mạch, chụp cắt lớp,… nhưng điện não không thể thiếu
trong chẩn đoán chức năng của não và ngày càng được phổ biến rộng rãi.
Tại Việt nam, điện não đã được ứng dụng trong lâm sàng ở các trung tâm y tế, ở

4 
 


các bệnh viện của các tỉnh thành trong cả nước, góp phần quan trọng cho chẩn đoán và
theo dõi điều trị bệnh nhân.
1.2 Khái niệm về điện sinh lý não.
Ngay từ những ngày đầu dùng điện não ký phát hiện ra nhịp alpha và beta,
H.Berger đã cố gắng giải tích nguồn gốc của chúng, tác giả cho rằng nhịp alpha và
Beta bắt nguồn từ vỏ não, đó là sự hoạt động toàn thể của vỏ não. Nhưng thời gian sau,
H.Berger đã tiếp thu những ý kiến từ những nghiên cứu của Barence và MC.Culloch la
những hoạt động alpha xuất phát từ những lớp tế bào tầng thứ IV, V, VI của vỏ não,
sóng beta thuộc ba lớp ngoài cùng. H.Berger đi sâu hơn một bước khẳng định rằng
những dao động của điện não đồ bắt nguồn từ các thân tế bào chứ không phải từ các
sợi của nó. Một thực tế làm cho ý kiến của tác giả được tin tưởng đó là khi hoạt động
về tinh thần (khi vỏ não hoạt động) sóng alpha bị thay thế bởi các sóng beta.
A.Kormuller phản đối quan niệm cho rằng điện não đồ được biểu hiện như một

tâm tạo nhịp và mạch phản hồi đồi thị - vỏ não) và trên những con vật có tổ chức thần
kinh sơ đẳng cũng có những hoạt động có nhịp.
- Dòng khử cực bền chắc và liên tục can thiệp vào sự uyển chuyển của điện não
đồ.
Tóm lại, sự tranh luận về nguồn gốc của điện não có thể là: các dao động điện bắt
nguồn từ những điện thế dao động của đuôi gai, vì rằng dòng khử cực của nó là thường
xuyên và chậm, diện tích đuôi gai điện sinh của nó gấp 10 lần thân Neuron. Dòng của
sợi trục Neuron là dòng khử cực theo định luật “tất cả hoặc không”, không thường
xuyên, chỉ truyền những tín hiệu khi mà thân Neuron phát ra những kích thích nhất
định. Như vậy chỉ có những hoạt động tại đuôi gai tà tự động và có nhịp mà thôi.
1.3 Điện sinh học tế bào
Ta thấy rằng mọi sinh vật trên trái đất đều được cấu thành từ nhiều kiểu tế bào
khác nhau, tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của mọi cơ thể sinh vật. Vị trí, chức
năng của tế bào quyết định đến hình dạng bên ngoài của tế bào. Tế bào có nhiều hình
dạng khác nhau: những tế bào ở trong môi trường lỏng thì có dạng hình cầu, những tế
bào thần kinh lại có nhánh bào tương rất dài để làm nhiệm vụ dẫn truyền xung động

6 
 


thần kinh từ tế bào này sang tế bào kia, tế bào cơ trơn có hình thoi,… Ở người, tế bào
có đường kính thay đổi trong khoảng từ 1µm đến 100µm. Độ dày của màng tế bào cơ
khoảng 0,01 µm. Qua các nghiên cứu thực nghiệm người ta thấy có sự chênh lệch
(gradient) mật độ của các ion giữa trong và ngoài màng tế bào. Sự chênh lệch này tùy
thuộc vào tính thẩm thấu của màng tế bào. Trong trạng thái nghỉ, mặt trong của màng
tế bào tích điện âm, mặt ngoài màng tế bào tích điện dương, trong trạng thái này mật
độ của các ion K+ trong màng tế bào cao gấp 30 lần so với mật độ của nó bên ngoài
màng tế bào. Sự chênh lệch về mật độ các ion giữa trong và ngoài màng tế bào đã tạo
ra một hiệu điện thế, điện thế này được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế phân cực (E).

Neuron là tế bào thần kinh, hình dáng và chia cực của nó có nhiều điểm khác
nhau nhưng nguyên tắc hoạt động cũng như chức năng chung của chúng là thống nhất,
giống nhau.
Có thể xem như Neuron có hai cực: một cực vào tức là đuôi gai (dendrite) hay
cực tiếp thu, một cực ra tức là sợi trục (axon) hay gọi là cực phát. Như trên đã nói,
người ta cho rằng điện thế đo được tại đuôi gai là điện thế chậm và khu trú, là cơ sở
cho các họa động điện ghi được ở điện não đồ, còn loại điện thế tại sợi trục và tại thân
Neuron chỉ ghi được bằng các vi điện cực.
Điện thế trên một neuron không giống nhau, nghĩa là một đoạn khác nhau về giải
phẫu trên một neuron có điện thế khác nhau (hình 1.1), được gọi là điện thế đơn vị
(potential unitaire).
Vi điện cực số 2 được đặt có định tại 1 điểm trên bề
mặt của neuron.
Vi điện cực số 1 di động từ thân neuron tiến dần đến
nơi khởi đầu của sợt trục tuần tự theo vị trí 1A, 1B,
1C, 1D, 1E. Nhìn trên biểu đồ, điện thế trên vi điện
cực 2 không thay đổi trong khi điện thế trên vi điện
cực 1 thay đổi theo từng vị trí, càng gần tới màng
hoặc nơi khởi đầu của sợ trục thì điện thế càng cao.
Hình 1.1 Các điện thế trên neuron.

Để nghiên cứu chi tiết và sâu hơn về hoạt động của neuron cần hiểu một cách
8 
 


khái quát về sinh hóa điện của nó:
Neuron được ngăn cách với môi trường xung quanh bởi một màng mỏng
(membriance). Màng này có một đặc tính ưu việt là thẩm thấu chọn lọc. Nhờ đó, tùy
tình hình màng có thể duy trì thế cân bằng giữa các ion trong và ngoài màng, gây nên


125

1.4.1Tín hiệu thần kinh
Một neuron bao giờ cũng có một điện
thế màng, trong trạng thái nghỉ, điện thế ngoài
màng bao giờ cũng dương so với bên trong
âm. Sự chênh lệch thường là 70mV, trạng thái
này gọi là trang thái phân cực. Tín hiệu thần
kinh sẽ xảy ra tại một nơi nào đó của màng
với điều kiện bất kỳ nguyên nhân nào có khả
Hình 1.2 Cấu tạo của neuron

9 
 


năng làm giảm điện thế màng khoảng 10mV dẫn
tới hiện tượng có một “lỗ” để cho các ion Na+ từ
bên ngoài vào trong và ngược lại ion K+ từ trong ra
ngoài. Hiện tượng màng ngoài bị khử cực tại chỗ
này là nguồn gốc của tín hiệu thần kinh.
Hình 1.3 Sơ đồ khử cực lan truyền gây nên điện thế và
dòng hoạt động tại chỗ

Một tín hiệu xảy ra tại màng của đuôi gai hoặc màng của thân gây nên sự chênh
lệch điện thế tại chỗ với các vùng lân cân, làm giảm điện thế màng tại nơi đó rồi sẽ xảy
ra khử cực, từ đó gây ra dòng điện tạo chỗ (hình 1.3).
Sự khử cực nếu phát triển ra toàn bộ màng của thân và vượt qua được nơi bắt đầu
của sợi trục thì tín hiệu sẽ được sợi trục truyền một cách trọn vẹn cho tới tận cùng, lúc

xảy ra khi các bọng chứa đã xuyên màng
Hình 1.6 Cấu trúc của khớp thần kinh

1.4.2 Hưng phấn và ức chế
Khi một tín hiệu từ neuron đang hoạt
động tới một neuron tiếp nhận, thường một
neuron tiếp nhận ở một trong hai trạng thái
sau: màng của nó đang ở tình trạng khử cực
nhẹ hoặc ở tình trạng quá khử cực, kết qủa sẽ
đưa đến hai trạng thái của màng hoặc neuron:
• Nếu màng của neuron tiếp thu đang ở
trang thái khử cực nhẹ thì chỉ cần 1 tín hiệu
yếu, nhỏ của neuron đang hoạt động cũng đủ

11 
 


gây nên kích thích neuron tiếp thu, nói cách khác chỉ cần một lượng nhỏ chất môi giới
cũng đủ làm cho màng tế bào bị khử cực. Như vậy màng neuron tiếp thu đang ở trạng
thái khử cực nhẹ sẽ giúp cho những tín hiệu yếu cũng dễ dàng phát huy tác dụng của
mình. Người ta cho rằng neuron tiếp thu ở tình trạng hưng phấn.
• Ngược lại, tín hiệu đến đúng lúc màng tế bào đang quá cực hóa, sự chênh lệch
của điện thế màng quá lớn thì dù tín hiệu đó có làm giảm điện thế màng nhưng vẫn
không đạt tới ngưỡng đủ để màng
bị khử cực, như vậy tín hiệu trở
nên ít tác dụng, người ta cho rằng
neuron tiếp thu ở trạng thái ức
chế.
Hình 1.7 Cấu trúc của một neuron

màng neuron. Nhờ hoạt động chuyển
hóa của mình mà màng làm nhiệm vụ
như một chiếc bơm hai chiều đối với
Na+ và K+ (Hình 1.9).
Hình 1.9 Biểu đồ trình bày dòng K+ và Na+
xuyên qua bề mặt của màng neuron trong
trạng thái nghỉ

1.4.4 Điện thế sau khớp thần kinh
Đó là hiện tượng dao động điện có
bước sóng khoảng 15ms. Những dao
động này có khả năng là dương khi màng
ở trạng thái hưng phấn hoặc khử cực nhẹ,
hoặc là âm khi màng ở trạng thái ức chế
hoặc quá cực hóa (Hình 1.10). Điện thế
sau khớp chỉ có thể xuất hiện bởi sự kích thích của khớp trên cơ sở hóa học mà thôi.
Chất môi giới tới kích thích màng tế bào gây nên sự trao đổi ion tại chỗ. Người ta nhận
13 
 


thấy càng xa nơi kích thích điện thế càng thấp dần.
Hình 1.10 Điện thế sau khớp là hiện tượng chậm

1.4.5 Dòng hoạt động
Tại nơi điện thế màng thấp nhất
xảy ra khử cực, có nghĩa là một dòng
điện tại chỗ xuất hiện, còn gọi là
điện thế hoạt động. Điện thế này
nhanh chóng gây nên cho vùng xung

cực tới những cự li chính xác như tại các đoạn của neuron hoặc tới các trong và ngoài
màng neuron. Nhờ vậy, song song với sự hiểu biết về bản chất của các tín hiệu, của quá
trình hoạt động của khớp thần kinh, nhất là bản chất hoạt động của nó đã xác định bước
đầu là có nguồn gốc hóa học. Ngày nay, người ta cũng chỉ mới nêu được nguồn gốc
nhịp vỏ não có thể xuất phát từ sự chuyển hóa của màng đuôi gai (gấp 10 lần màng của
thân), điện thế màng ở đây là một dao động có bước sóng khoảng 9-10ms rất giống
nhịp của các sóng cơ bản của não và các dao động ở đây là liên tục; trong khi đó điện
thế màng tại sợi trục là dao động 1-2ms, đó là những sóng quá nhanh có tính chất của
những gai, màng của sợi trục hoạt
động theo định luật “tất cả haoawch
không” và chỉ hoạt động khi có tín
hiệu dẫn truyền. Một ý kiến khác
nêu lên có thể chaaos nhận được,
đó là mạch phản hồi do một neuron
phụ mắc trên trục của một neuron
đang hoạt động (Hình 1.12), là cơ
sở chính của sự tạo nhịp của hoạt
động điện của não.
Hình 1.12 Cơ chế của sự tạo nhịp

Người ta làm thí nghiệm trên một phần của vỏ não một con vật đã được tách khỏi

15 
 


não, chỉ còn dính với màng nuôi, trên đó vẫn ghi được những hoạt động điện với nhịp
cơ bản tuy rằng không còn liên hệ với mạch “đồi thị - vỏ não – đồi thị”.
1.5 Hệ thống lưới ở thân não
Song song với phương pháp nghiên cứu bằng vi điện cực, phương pháp nghiên

của hệ thống phát động lên mà không có hoạt động tích cực, ngược lại đối với hệ thống
lưới nói chung, chúng ta cần biết đến những thực nghiệm khác.
1.5.2 Nhiều con đường (sens multiple) hay con đường có nhiều hướng
Thực nghiệm trên không phải là giải pháp đầy đủ được những vấn đề thực tế
trong đời sống như quá trình về tâm lý – sinh lý, như một tiếng gọi quen thuộc có thể
đánh thức khi ta ngủ, hoặc ngược lại những tín hiệu vô nghĩa đều đặn có thể gây nên
giấc ngủ sinh lý. Ở đây chúng ta thấy có sự thống nhất với học thuyết của Pavlov.
Những tác giả có tên tuổi đã tiến hành
những công trình này như Bremer (1962),
Terzolo,

French,

Hermandez

Peson,

Livingston, Bonvallet và Hugelin, Họ đã
thống nhất đi đến kết luận: có một sự hoạt
động và phụ thuộc qua lại giữa hoạt động
của chất lưới ở thân não và vỏ não.
Một khái niệm do Hugelin và
Bonvallet nêu ra: chất lưới ở thân não có
một chức năng duy nhất, luôn luôn hoạt
động như một đơn vị thường xuyên đồng
thời các tín hiệu lên và xuống do những
neuron lưỡng cực (có một nhánh đi lên và
một nhánh đi xuống).
Hình 1.14 Sơ đồ sự hoạt động các hệ thống
các con đường

xuống (Hình 1.15). Trong đó:
Đường cắt A cho ta vật mất vỏ não
Đường cắt B cho ta vật gian não
Đường cắt C cho ta vật gian não sau (đường cắt sau hạt nhân đỏ)

18