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



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

phát hiện. Trong số đó có một số căn bệnh rất nguy hiểm, đe doạ sức khoẻ cộng đồng.
Đặc biệt nguy hiểm đối với các nhân viên y tế, những người phải thường xuyên tiếp
xúc với bệ
nh nhân.
Năm 2004 khóa luận tốt nghiệp của anh Bùi Thanh Tùng đã trình bày cách
xây dựng một hệ đo huyết áp và nhịp tim của bệnh nhân từ xa. Đây là một khóa luận
đã trình bày rất kỹ về lý thuyết cũng như thực nghiệm và kết quả đo được rất khả quan
đủ chính xác để có thể đem ứng dụng ngay trong các trung tâm y tế hay trong bệnh
viện. Sai số của phép đo nhịp tim trong hệ đo này tố
i đa là 3 nhịp,nhưng vì nhịp tim là
một giá trị nhất thời, bị ảnh hưởng nhiều bởi trạng thái tâm lý của bệnh nhân lúc đo
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


Động mạch
Bao kh
í

hiển thị
Hinh 2 Dạng tín hiệu nhịp đập của tim
Hình 1 Nguyên tắc đo huyết áp
Theo y học, huyết áp là áp suất mà máu tác dụng lên thành mạch máu. Thông
thường người ta thường đo áp suất máu tác dụng lên thành động mạch (arterial blood
pressure). Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn đo cả huyết áp tĩnh mạch
(venous pressure), huyết áp trong tĩnh mạch trung tâm (central venous pressure -
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

ó chia số đếm được cho khoảng thời gian
đếm.Phương pháp đơn giản tuy nhiên độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong thời
gian không đủ lớn.

6
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang 1.1.3 Tổng quan hệ đo
1.1.3.1
Hệ thống đo các thông số bệnh nhân đã được xây dựng
Mot or
b¬m
khÝ
Vi ®iÒu khiÓn
Modem
Ant ena
BiÕn ®æi
t−¬ng tù -
C¶m
biÕn
Bao khÝ
TÝn hiÖu
huyÕt ¸p
sè
Hình 3 Sơ đồ khối module đo từ xa

Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang tâm, module đo sẽ thực hiện một lần đo. Tín hiệu huyết áp từ động mạch thông qua
bao khí được truyền tới vi cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất sẽ biến đổi thành dạng
tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đổi tương tự số. Bộ biến đổi tương tự-số sẽ biến đổi
tín hiệu điệ
n thu được từ cảm biến thành tín hiệu số rồi chuyển cho vi điều khiển xử lý.
Vi điều khiển xử lý tín hiệu thu được, xác định huyết áp cao nhất, thấp nhất,nhịp tim
rồi gửi kết quả về cho máy tính trung tâm. Hệ thống hoạt động như sau:
Các module đo có thể hoạt động ở một trong hai chế độ: tự động hoàn toàn
hoặc bán tự động. Với nh
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

tiÕp theo
Stop bé ®Õm, tÝnh ra chu
kú tÝn hiÖu
Sai
Sai
Sai
§óng
§óng
§óng

Hình 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.
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.
1.1.3.2 Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên
Với phương pháp mô tả trên,do có lọc nhiễu bằng cả phần cứng lẫn phần mềm
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

có thể nhận được tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim.
Với cách giải thích như trên, để tăng độ chính xác của tín hiệu thì nguồn sáng
phải phát ra ánh sáng với cường độ không đổi theo thời gian.
1.2.1 Vị trí đặt cảm biến
Sau khi đã có ý tưởng về cảm biến quang học như trên thì có hai câu hỏi
được
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


Sơ đồ khối của mạch đo này như hình 11.
Chức năng của từng khối như sau:
• Khối nguồn : Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ đo, có thể là pin hay ắc quy
• Mạch ổn dòng : cung cấp một dòng điện có cường độ ổn định để phát sáng LED
Hiển thị kết quả
Vi điều khiểnSo sánh và tạo dạng
Nguồn
Lọc thông thấp
Photodiode
Khuyếch đại
Mạch ổn dòng
L
E
• LED : nguồn sáng của hệ đo
Hình 11 Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dung cảm biến quang học
• Photodiode : là cảm biến quang họ
c, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu ánh
sáng thành tín hiệu điện.
• Khuyếch đại : Khuyếch đại tuyến tính tín hiệu biến thiên trên photodiode
ra đủ lớn để phân biệt rõ ràng chu kỳ của tín hiệu.
• Lọc thông thấp : Photodiode bị ảnh hưởng của nhiễu môi trường, đặc
biệt là nhiễu của nguồn sáng đèn trong phòng nên tín hiệu sau khi được
khuyếch đại cần phải loại bỏ triệt để nhi
ễu tần số cao trước khi đưa vào
bộ so sánh và tạo dạng.
• Vi điều khiển : Xác định chu kỳ tín hiệu rồi hiển thị kết quả ra LCD.

14
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo

(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
R
2
= 100Ω phù hợp với mạch đo. Với giá trị này dòng điện qua Led : I
led
= 50 mA..
b) LED
Led đỏ loại siêu sáng được chọn làm nguồn phát sáng vì loại Led này có hiệu
suất phát sáng rất cao.

15
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang c) Photodiode BPW34 được sử dụng vì có các ưu điểm sau:
- Diện tích mặt nhận sáng rộng ( 7,5 mm
2
)
- Góc mở rộng (± 65
o

1
đến bộ khuyếch đại
BPW34

Hình 15 Mạch điện Photodiode
d) Mạch Photodiode
Hình 15 trình bày sơ đồ biến đổi dòng qua photodiode thành điện áp.
Thật vậy:
U
M
= V
cc
 I
p
*R
3
(4)
Tụ điện C
1
và điện trở lối vào của tầng khuyếch đại có tác dụng như một bộ
lọc thông cao, điện dung của tụ C
1
= 2,2 uF điện trở lối vào của tầng khuyếch đại cỡ
chục Mêgaôm nên tần số cắt của mạch lọc này rất nhỏ, gần như chỉ có tác dụng đối với
thành phần một chiều, điều này có nghĩa là tụ điện truyền nguyên vẹn tín hiệu và cách
li hoàn toàn được điện áp một chiều giữa Mạch Photodiode và tầng khuyếch đại.
Giá trị tín hiệu truy
ền qua tụ C
1
đến tầng khuyếch đại:

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.