Luận văn

Dòng sinh học và Tín
hiệu điện tim 1PHẦN I:
LÝ THUYẾT

Chương I:
TÍN HIỆU ĐIỆN TIM VÀ HỆ THỐNG CÁC
CHUYỂN ĐẠO

1. Tế bào và dòng sinh học:

- Dòng sinh học là dòng sinh ra do sự hoạt động của các tế bào sống.
- Dòng sinh hoá là dòng gây nên bởi sự thay đổi nồng độ iôn trong và
ngoài tế bào.
Tế bào là đơn vị sống nhỏ nhất của sinh vật. Tế bào gồm nhân tế bào,
màng tế bào, chất nguyên sinh. Nhân tế bào giữ chức năng sinh sản, màng tế
bào giữ chức nă
ng trao đổi với môi trường. Nguyên sinh chất giữ chức năng

C
C
nF
RT

Conductance
(mesure ò pẻmeability)

Na
+

K
+

0
1

2

3

4
Time, ms

mV

ψ
k+
(-75mV)
ψ

Nếu hai môi trường là chất khác nhau Hình1.2
E =
22
11
ln
fC
fC
nF
RT1
F
:hệ số hoạt động của các chất C1; f2 hệ số hoạt động của các chất C2
Biến đổi E =
2
1
ln
C
C
vu
vu
x
nF
RT
+
−

u – hệ số hoạt động về điện áp dòng gây nên hai bên màng bán thấm của cation.
v – hệ số hoạt động về điện áp dòng gây nên hai bên màng bán thấm của anion.

Na
+ E
E
k
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
e
i
K
K
F
RT
ln
E
Na
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+

e
i
Cl
Cl
K
K

10
1
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
e
i
Na
Na

Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài tế bào sẽ
trở thành âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong: người
ta gọi là hiện tượng khử cực (depolarisation). Sau đó, tế bào lập lại thế thăng
bằng ion nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực
dươ
ng) người ta gọi đó là hiện tượng tái cực (repolarisation).
Hình vẽ 1.2

n giản.

Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt
ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực dương): người ta gọi đó là hiện
tượng tái cực (repolaisation).
3. Khái niệm về điện tim đồ:

4
Điện tâm đồ là một đường cong ghi lại các biến thiên của các điện lực do
tim phát ra trong hoạt động co bóp. Điện lực đó rất nhỏ, chỉ tính bằng milivôn
nên rất khó ghi. Cho đến năm 1903, Einthoven mới lần đầu ghi được nó bằng
một điện kế có đầy đủ mức nhạy cảm.
Phương pháp ghi điện tim đồ cũng giống như cách ghi các đường cong
biến thiên tu
ần hoàn khác: người ta cho dòng điện tim tác động lên một bút
ghi làm bút này dao động qua lại và vẽ lên một mặt giấy, nó được động cơ
chuyển động đều với một tốc độ nào đó. Ngày nay, người ta đã sáng chế ra rất
nhiều loại máy ghi điện tim nhạy cảm, tiện lợi. Các máy đó có bộ phận
khuếch đại bằng đèn điện tử hay bán dẫn và ghi điện tim đồ
trực tiếp lên giấy
hay vẽ lên màn huỳnh quang. Ngoài ra, chúng còn có thể có một hay nhiều
dòng, ghi đồng thời được nhiều chuyển đạo cùng một lúc, ghi điện tim đồ liên
tục 24 giờ trên băng của một máy gắn nhỏ gắn vào người (Cardiocassette
Type Holter).
4. Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim :
Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng dày mỏng không đều nhau, co bóp
khác nhau. Cấu trúc phức tạp đó làm cho dòng điệ
n hoạt động của tim (khử
cực và tái cực) cũng biến thiên phức tạp hơn ở tế bào đơn giản như đã nói ở
trên.

Trái lại, điện cực A dương tính tương đối thì bút sẽ vẽ lên một làn sóng
âm, nghĩa là ở mé dưới đường đồng diện.
4.1 Nhĩ đồ (ghi dòng điện hoạt động của nhĩ):
Như trên đã nói, xung động đi từ nút xoang (ở nhĩ phải) s
ẽ toả ra làm khử
cực cơ nhĩ như hình các đợt sóng với hướng chung là từ trên xuống dưới và từ
phải sang trái (Hình1.6). Như vậy, véctơ khử cực nhĩ có hướng từ trên xuống
dưới và từ phải sang trái, làm với đường ngang một góc 49
o
(Hình1.6), đường
thẳng nằm trùng với véctơ này gọi là trục điện nhĩ.

6
Lúc này, điện cực B sẽ là dương tương đối và ta có thể ghi được một
sóng dương thấp, nhỏ, tầy đầu với thời gian khoảng 0.08s gọi là sóng P. Do
đó, trục điện nhĩ gọi là sóng P kí hiệu là ÂP (P axis). Khi nhĩ tái cực nó phát
ra một sóng âm nhỏ gọi là sóng Ta (auricular T). Nhưng ngay lúc này cũng
xuất hiện khử cực thất với điện thế mạnh hơn nhiều. Nên trên điện tâm đồ
gần
như ta không thấy sóng T nữa. Kết quả nhĩ đồ chỉ thể hiện trên điện tâm đồ
một sóng đơn độc là sóng P.

Hình 1.6: Nhĩ đồ
a) Quá trình khử cực ở nhĩ ; trục điện nhĩ;
b) Nhĩ đồ bình thường: sóng P;
c) Nhĩ đồ khi chuyển đạo thực quản, chuyển đạo trong buồng tim hay
đặt điện c
ực trực tiếp lên nhĩ (mổ tim, thực nghiệm)
nên còn gọi là phức bộ nhanh. Trong phức bộ này sóng chính lớn nhất là sóng
R.
Nếu đem tổng hợp 3 véctơ khử cực lại ta được véctơ khử cực trung bình
h
ướng từ trên xuống dưới, từ phải qua trái và làm với đường ngang một góc
58
o
. Véctơ này gọi là trục điện trung bình của tim hay trục điện tim.
b) Tái cực:
Thất khử cực xong sẽ qua giai đoạn tái cực chậm, không thể hiện trên điện
tâm đồ bằng một sóng nào hết mà chỉ là một đoạn thẳng đồng điện gọi là đoạn
T_S. Sau đó là thời kì tái cực nhanh (sóng T).
Tái cực có xu hướng đi xuyên qua cơ tim, từ lớp dưới thượ
ng tâm mạc tới
lớp dưới nội tâm mạc. Sở dĩ tái cực đi ngược chiều với khử cực là vì nó tiến
hành đúng vào lúc tim co bóp với cường độ mạnh nhất, làm cho lớp cơ tim
dưới nội tâm mạc bị lớp ngoài nén vào mạnh nên tái cực muộn đi. Do đó, tuy
tiến hành ngược chiều với khử cực, nó vẫn có véctơ tái cực hướng từ trên
xuống dướivà từ
phải qua trái làm phát sinh làn sóng dương thấp, tầy đầu gọi
là sóng T (Hình1.8).

Hình1.8: Quá trình tái cực và sự hình thành sóng T

10
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 đoạn:
- Giai đoạn khử cực gồm phức bộ QRS được gọi là pha đầu.

diện (hình1.9) rồi lại tiếp sang lần bóp sau với một loạt sóng P,Q,R,S,T,U
khác và cứ như thế tiếp diễn. Thời gian nghỉ trên gọi là thời kỳ tâm trương
toàn thể của tim.

5. Hệ thống các chuyển đạo:
Cơ thể con ng
ười là một môi trường dẫn điện, vì thế dòng điện do tim phát
ra được truyền đi khắp cơ thể, biến cơ thể thành điện trường của tim. Nếu đặt
2 điện cực lên bất cứ điểm nào đó của điện trường này, ta thu được dòng
điện thể hiện điện thế giữa hai điểm đó gọi là chuyể
n đạo hay đạo trình
(Lead). Nó thể hiện trên máy ghi bằng một đường cong điện tâm đồ có hình
dạng khác nhau tuỳ thuộc vị trí đặt điện cực. Do đó cần thiết phải qui chuẩn
vị trí đặt điện cực để đạt được hiệu quả cao nhất.
Hiện nay người ta đặt điện cực theo 12 cách thu được 12 chuyển đạo thông
dụng gồm 3 chuyển đạo mẫ
u, 3 chuyển đạo đơn cực các chi và 6 chuyển đạo
trước tim. Tại mỗi chuyển đạo ta được một dạng sóng điện tim đồ khác nhau.
5.1 Chuyển đạo mẫu :
Còn gọi là các chuyển đạo lưỡng cực các chi hay lưỡng cực ngoại biên.Vì
cả hai điện cực của chúng đều là những điện cực thăm dò, được đặt như sau:
- Chuyển đạo I: Điện cực âm ở
cổ tay phải, điện cực dương ở cổ tay trái, gọi
đó là chuyển đạo I, viết tắt là D1 (Hình 1.10).

Hình1.10: Sơ đồ mắc các chuyển đạo mẫu. Điện cực đặt ở chân phải là
dây nối đất để chống ảnh hưởng tạp.

12


Sau này, cải tiến thành chuyển đạo cực chi tăng thêm (kí hiệu AVL, AVR,
AVF).
Tất cả 6 chuy
ển đạo I, II, III, AVR, AVL, AVF được gọi là chuyển đạo
ngoại biên vì đều có chuyển đạo thăm dò đặt tại các chi. Để xem xét một cách
đầy đủ về các tín hiệu của tim ta phải ghi thêm các chuyển đạo trước tim.
5.3 Chuyển đạo trước tim:
Thường ghi đồng loạt cho bệnh nhân 6 chuyển đạo trước tim thông dụng
nhất kí hiệu là V1-V6: đó là các chuyển đạo đơn cực có một điện cực trung
tính nối vào cực trung tâm (CT) và m
ột điện cực thăm dò đặt lần lượt trên 6
điểm ở vùng trước tim.
V1: Khoảng liên sườn 4 bên phải, sát bờ xương ứu.
V2: Khoảng liên sườn 4 bên trái, sát bờ xương ứu.
V3: Điểm giữa đường thẳng nối V2 và V4.
V4: Giao điểm của đường dọc đi qua điểm giữa xương đòn trái với
đường đi qua mỏm tim (hay nếu không xác định được vị trí mỏ
m tim thì lấy
khoảng liên sườn 5 trái).
V5: Giao điểm của đường giao điểm của đường nách trước với
đường ngang đi qua V4.
V6: Giao điểm của đường nách giữa với đường V4, V5.
Như vậy, trục chuyển đạo của chúng sẽ là những đường thẳng hướng từ
tâm của tim đến tới điểm cực tương ứng, các trục đó nằm trên các đường
thẳng n
ằm ngang (horixontal plane) hay phần nằm ngang.

14
PQ: 0,11s đến 0,2s
Toàn bộ các sóng điện tim gồm :
- Chuyển đạo trước tim V1,V2,V2,V4,V5,V6.
- Chuyển đạo mẫu I ,II, III.
- Chuyển đạo ngoại biên tăng cường aVR, aVL, aVF. Hình1.12: Điện tâm đồ bình thường và các con số ch
ủ yếu

7. Các tín hiệu bệnh tim và một số ví dụ về dạng tín hiệu không bình
thường :
a) Thấp tim:
Dấu hiệu chủ yếu: PQ dài ra; ngoài ra còn có thể có QT dài ra, T dẹt, ST
chênh, P cao hay dẹt, QRS có móc và có các rối loại nhịp. Các dấu hiệu đó

16
có thể chuẩn đoán sớm các ca thấp tim mới phát, tiềm tàng hay không điển
hình, nhất là ở trẻ em. Hình13: PQ dài ra trong bệnh thấp tim.
b) Tăng gánh thất trái :
Thường gặp trong các bệnh: tăng huyết áp, hở hay hẹp động mạch chủ,
hẹp eo động mạch chủ, hở hai lá, ống động mạch, phồng động-tĩnh mạch,
thiếu năng vành. Với các triệu chứng như
:
- Biên độ R cao lên nhiều khi vượt quá 25mm.
- Sóng Q hơi sâu nhưng không rộng.
- Sóng S vắng mặt hoặc rất nhỏ.

I. Những vấn đề chung của máy điện tim
1.1. Đặc điểm của máy điện tim :

Dòng điện hoạt động của tim là tín hiệu một chiều rất nhỏ biến thiên chậm
nên rất dễ bị ảnh hưởng của các nguyên nhân tác động của bên ngoài như điện
lưới công cộng, các thiết bị điện khác đặt bên cạnh hoặc các nguồn cảm ứng
bên ngoài...Mặt khác nó cũng dễ bị tác động của các dòng điện phát sinh từ
các cơ quan khác như cơ và da bệnh nhân. Nếu việc gắn điện cực lên bệnh
nhân không tiếp xúc tốt thì tín hiệu cũng dễ bị sai lệch.
Khi có các nguồn nhiễu ở bên ngoài tác động lên các điện cực và sẽ được
qua mạch khuyếch đại lên cùng với tín hiệu điện tim. Các tín hiệu nhiễu này
như là các tín hiệu đồ
ng pha, vì vậy máy điện tim cần có khả năng chống
nhiễu tốt, đặc biệt là nhiễu đồng pha.
Vì tín hiệu điện tim là tín hiệu một chiều biến thiên chậm, nên việc ghép
giữa nguồn tín hiệu đầu vào và mạch khuyếch đại, giữa các tầng khuyếch đại
sẽ không thể ghép điện dung và ghép điện cảm mà phải dùng ghép trực tiếp.
Nhưng khi ghép trực tiếp, do không có thành phần cách ly mộ
t chiều nên khi
có sự thay đổi nào đó như thay đổi về chế độ một chiều, sự thay đổi của nhiệt
độ sẽ làm cho tham số của linh kiện thay đổi... sự thay đổi này cũng sẽ được
đưa đến đầu ra của máy.
Sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của tín hiệu khi tín hiệu vào không thay
đổi gọi là hiện tượng trôi, hiện tượng trôi do nhiều nguyên nhân gây ra như
nhiệt độ nguồn bứ
c xạ bên ngoài tác động vào các linh kiện...
Từ các đặc điểm trên máy điện tim phải có các khả năng sau:
- Vì tín hiệu nhỏ nên máy phải có hệ số khuyếch đại lớn.
- Trở kháng vào lớn để việc phối hợp trở kháng giữa đầu vào mạch
khuyếch đại với nguồn tín hiệu để lấy ra điện áp đủ lớn cấp cho bộ

trong quá trình khuyếch đại tín hiệu đối với tần số khác nhau.
3) Độ nhậy :
Được xác định trên giấy ghi tín hiệu điện tim b
ằng chỉ số mm/mV. Là khả
năng làm lệch đường ghi tính ra mm theo điện áp vào là 1 mV. Thường các
máy điện tim có một số độ nhậy nhất định và có thể chuyển từ độ nhậy này
sang độ nhậy khác(5mm/mV, 10mm/mV...).
4) Hệ số khử nhiễu đồng pha (CMMR):
Hệ số khử nhiễu đồng pha lớn hơn 60(CMMR > 60dB)
5) Trở kháng vào :
- Để tái tạo trung thực tín hiệu thì trở kháng vào bộ khuyế
ch đại lớn hơn rất
nhiều so với trở kháng nguồn tín hiệu.
- Với các chuyển đạo mẫu I, II, III thì trở kháng vào của bộ khuyếch đại
phải đạt tới 10MΩ.
6) Hệ số khuyếch đại
Bảo đảm mức với Uv = 1mV cho Ura = 1V.
7) Dòng dò < 10 μA.

20
II. Thiết bị ghi điện tim hiện đại :
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điện tử y tế nói
chung và thiết bị ghi điện tim nói riêng ngày càng có thêm nhiều tính năng.
Việc xử dụng kỹ thuật vi xử lý và ghép nối thiết bị ghi điện tim với mạch điện
toán đã nâng cao tính năng và chất lượng củ
a thiết bị. ở mức độ bình thường
chúng có thể lưu trữ số liệu, so sánh cập nhật và in các số liệu về điện tim
cùng tên tuổi bệnh nhân một cách tự động. ở mức độ cao hơn nữa là chuẩn
đoán bệnh (kết hợp với các khám nghiệm khác). Đồng thời tính an toàn của
thiết bị cũng được nâng lên như báo động mất nguồn, dòng dò tăng, điệ

(μP)
Đồng hồ
Lấy mẫu
A/D và

ECG
I/O
Hiển thị bàn
phím, máy in.

I/O
I/O

Băng đĩa từ

RAM
ROM
điều
ể
Hình 2.1: Sơ đồ khối của thiết bị
ghi điện tim dùng vi xử lý (μP)

21

Vi xử lý và máy điện toán chỉ làm việc với các đại lượng số (đếm được)
khác với khái niệm điện tim mà chúng ta đang xét ở trên là đại lượng liên tục
(tương tự). Vì thế tín hiệu điện tim trước khi đưa vào vi xử lý hay máy điện
toán phải chuyển đổi sang dạng số. Thông tin này là dữ liệu về điện tim. Cũng
không thể lấy quá nhiều dữ liệ
u. Cứ cách một khoảng thời gian nào đó người

Việc thiết kế hệ điện tim dùng vi xử lý hay máy điện toán ngoài thiết kế
phần cứng như mạch điện,còn phải thiết kế phần mềm để vi xử lý thực hiện
các chức năng đề ra.

22
Ghép nối thiết bị điện tim với máy điện toán đơn giản hơn xây dựng từ vi
xử lý. Công việc phần cứng là thiết kế chế tạo phần điện tim và ghép nối.
Phần ghép nối bao gồm mạch vào/ra, mạch chuyển đổi A/D, D/A (nếu cần).
Phần mềm có thể được viết phần lớn bằng ngôn ngữ bậc cao, phần còn lại
được viế
t bằng ngôn ngữ máy.
23
ChươngIII: PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG HÌNH DÁNG TÍN
HIỆU ĐIỆN TIM Sau khi phân tích đường cong điện tim đồ, tim ra các dấu hiệu bệnh lý,
các bác sĩ chuyên khoa về tim mạch đã tập hợp chúng lại thành những hội
chứng điện tim đồ, rồi dựa vào đó mà chuẩn đoán bệnh.
Có hai loại hội chứng được xét đến là:
- Các hội chứng về hình dạng sóng: Các bệnh lý làm thay đổi hình dạng
điện tim đồ chuẩn.
- Các hội chứng về rối loạ
n nhịp: Các bệnh lý làm thay đổi tần số điện
tim đồ chuẩn .
Đề tài của luận văn mới chỉ xét tới các bệnh lý làm thay đổi hình dáng của
điện tim đồ chuẩn và để giải quyết vấn đề này là bài toán về nhận dạng.

T
– là từ vựng hoặc … biểu diễn câu của ngôn ngữ, thường được biểu
diễn bằng các chữ cái thường (từ: a… z)
V
N
– là từ vựng hay chữ cái không tận cùng, thường được biểu diễn
bằng chữ cái in hoa.
P - là tập hợp các quy tắc cấu tạo cho phép xây dựng đầy đủ một
câu từ các chữ cái.
S - là định lý của ngữ pháp hay kí hiệu cấu tạo liên quan tới V
N
.
Khi các nguyên hàm của một dạng cho trước được xác định, quá trình
nhận dạng tín hiệu được tiến hành phân tích cú pháp của “ câu “ xem cú pháp
này có được viết đúng theo quy tắc đã được định nghĩa bằng ngữ pháp của
quá trình hay không.
2. Áp dụng phương pháp nhận dạng cú pháp vào tín hiệu điện tim :
Khi phân tích tín hiệu ECG, ta nhận thấy rằng đoạn thẳng T – P biểu
diễn đường cách điện giữa hai chu kỳ nhịp và cho chúng ta những thông tin
quan tr
ọng như đoạn PQRST. Vì vậy, ta chọn của sổ phân tích tín hiệu bao
trùm tất cả chu kỳ nhịp của tín hiệu ECG, nghĩa là giữa hai đỉnh R-R.
Cửa sổ quan sát của một chu kỳ điện tim được chia thành 40 đoạn, cũng
có thể ít hoặc nhiều hơn. Nếu ít hơn thì khoảng cách của đoạn cong tín hiệu
được lấy để lấy để tuyến tính hoá lớn lên do đó độ chính xác x
ẽ nhỏ đi. Còn
nếu nhiều hơn thì ngược lại nhưng thời gian thực để xử lý tín hiệu dài ra có
thể sẽ ảnh hưởng đến việc lấy được đầy đủ một chu kỳ của tín hiệu. Trong
thực tế của sổ quan sát trên được chia thành 40 đoạn là hợp lý. Quá trình nhận
dạng tín hiệu điện tim sẽ được thực hiện trên các từ chia thành 40 ký tự. Ở