Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ phục vụ đào tạo

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành
điện tâm đồ phục vụ đào tạo
TS. Nguyễn Lê Cường, Ths.Hồng Vân Đơng, Ths. Đinh Văn Tuấn
Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học Điện Lực
Email: , ,

Tuy nhiên nhiễu từ mạng cung cấp điện 50Hz (hoặc 60Hz)
có ảnh hưởng nhiều nhất vì tính chất phổ biến và khó kiểm
sốt của loại nhiễu này. Các loại can nhiễu cịn lại, do có dải
tần ổn định nên có thể giải quyết triệt để bằng các bộ lọc cố
định. Chính vì vậy trong bài báo này chúng tơi sẽ tập trung
vào hướng triệt nhiễu 50Hz từ lưới điện cung cấp, để thiết
kế, chế tạo bộ công cụ thực hành điện tâm đồ, nhằm giúp
cho người thực hành có thể quan sát và hiểu chính xác cơ
chế tác động và hậu quả do nhiễu này gây ra đối với tín hiệu
điện tim. Có hai trường do lưới điện sinh ra có thể gây tác
động lên thiết bị đo điện tim. Đó là điện trường và từ trường.

Tóm tắt – Sử dụng Điện tâm đồ để chẩn đoán là một khâu
quan trọng trong cấp cứu hay điều trị các bệnh về tim mạch.
Trong quá trình đào tạo, sinh viên các chuyên ngành Điện tử y
sinh, cơ sinh học…rất cần các thiết bị thực hành, được dàn trải
thành các khâu xử lý từ đầu vào tới đầu ra, để có thể nắm bắt
kỹ càng lý thuyết đã học. Bài báo trình bày quá trình nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ ứng
dụng trong đào tạo.
Abstract – Using ECG (Electrocardiogram) for diagnosis is

an important step in emergency or treat heart disease. During
training, students of specialized biomedical electronics,
biomechanics… needed practice equipment which is
widespread to describe clearly the process steps from input to
output. This paper presents the research, design and produce a
practical device for applications in education.
Từ khóa –Thiết bị thực hành ECG.

I.

1. Ảnh hưởng của điện trường 50/60Hz
Những dây điện lưới và những vật dẫn nối với lưới điện đều
sinh ra điện trường quanh nó. Điện trường này tác động tới
thiết bị đo điện tim, dây điện cực và cơ thể bệnh nhân. Vì
vậy điện áp lưới dao động tuần hoàn với tần số 50Hz hoặc
60Hz nên điện trường do nó sinh ra cũng biến thiên tuần
hồn cùng tần số. Dịng điện dịch mà nó ảnh hưởng tới các
vật khác có thể mơ tả qua điện dung tạp tán giữa vùng điện
lưới sinh ra điện trường đó và vật thể.

TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

Tín hiệu ECG (Electrocardiogram) ghi lại những hoạt động
mang tính chất điện của tim. Tín hiệu ECG thông thường
bao gồm các đỉnh lồi và lõm được đặt tên theo thứ tự các
chữ cái P, Q, R, S, T, U, như hình 1 dưới đây.

Hình 1. Tín hiệu điện tim thơng thường
 Đoạn PQ gồm thời gian khử cực nhĩ và truyền xung
động từ nhĩ tới thất.

 Phức bộ QS: Khử cực của tâm thất.
 Đoạn ST: Thời kỳ khử cực hồn tồn của thất.
 Sóng T: Tái cực của tâm thất.
Để thực hiện việc đo lường các đạo trình trên, người ta chế
tạo ra các thiết bị đo ECG. Các tín hiệu của điện tâm đồ có
dải tần trong khoảng 0.05-150Hz, biên độ: 0.5-5mV. Sóng
điện tim có biên độ nhỏ, cho nên rất dễ bị ảnh hưởng bởi
nhiễu. Các can nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng ghi
tín hiệu điện tim là:

Hình 2. Dịng điện từ dây nóng lưới điện qua trở kháng giữa
cơ thể và đất.
Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của điện trường 50/60Hz lên cơ
thể bệnh nhân làm sai lệch kết quả đo điện tim. Dòng điện
dịch Idb qua điện dung tạp tán Cb vào cơ thể bệnh nhân,
qua trở kháng Zg xuống đất. Điện áp đồng pha Vcm sẽ xuất
hiện trên cơ thể bệnh nhân.
Vcm = Idb.Zd
Nếu dịng Idb = 1µA, Zd = 50 KΩ thì
x5x
= 50mV
Vcm =

 Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu
nhiên.
 Nhiễu sóng cơ do bệnh nhân mất bình tĩnh khi đo gây
ra.
 Nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bệnh
nhân gây ra.
 Nhiễu do tần số thấp gây trôi đường nền

ISBN: 978-604-67-0635-9

(1)

Điện áp vi sai giữa A và B là UA- UB
UA- UB = Vcm(

)

Vì Zin >> Z1, Z2 (trở kháng tiếp xúc điện cực – da)

399
399

(2)


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
UA- UB = Vcm(

)

Băng các phép biến đổi toán học ta dễ xác định được điện
áp đồng pha bằng biểu thức sau:

(3)

Ở đây chỉ xét trường hợp cơ thể bệnh nhân cách điện hồn
tồn, dịng điện Idb là dòng điện dịch qua điện dung tạp tán
Cb. Còn nếu bệnh nhân khơng được cách điện tốt nghĩa là
có dịng điện dị do mơi trường cách điện kém (ẩm) thì Idb
còn lớn hơn nhiều. Và ở đây coi hệ thống kim loại trừ nhiễu
đồng pha của tầng tiền khuếch đại máy điện tim là vô cùng
lớn. Trong thực tế không phải như vậy. Nhiễu 50/60Hz tác
động lên cơ thể bệnh nhân ảnh hưởng tới kết quả đo còn lớn
hơn nữa.

(5)

Ucm =

Thí dụ chọn Rf = 5MΩ, Ra = 10KΩ trong trường hợp như
thí dụ nêu ở trên Id= 1µA thì:

)

(6)

Như vậy so với ví dụ ở trên thì ở đây Vcm đã giảm đi 10 lần.
Hơn nữa Vcm khơng cịn phụ thuộc vào Zd.

2. Ảnh hưởng từ trường 50/60Hz

Sử dụng các bộ lọc: Một biện pháp hữu hiệu để loại trừ
can nhiễu 50/60Hz là dùng lọc chắn dải tích cực. Bộ lọc IIR
với đáp ứng xung vô hạn dựa trên tần số lấy mẫu 500Hz,
với chiều rộng khe là 10Hz. Hàm lọc như sau:

Nếu tiến hành đo điện tim ở những nơi có từ trường mạnh
như quạt, chấn lưu đèn neon, động cơ điện và dây điện có
dịng điện lớn chạy qua thì nhiễu 50/60Hz sẽ gây ảnh hưởng.
Theo định luật cảm ứng điện từ: Um = dФ/dt
Ở đây Ф là từ thơng qua diện tích S.

(7)
Sau khi tính tốn ta được phương trình đệ quy đưa vào
MCU như sau:
y(n) = x(n) - 1.168x(n-1) + x(n-2) + 1.1564y(n-1)
-0.8783y(n-2)
(8)

Giả sử từ trường vng góc với mặt S thì : Um = S/dt
Nếu dây điện cực và cơ thể bệnh nhân tạo vịng kín có diện
tích là S, từ trường động cơ hoặc do dịng điện lưới 50/60Hz
thì
sinh ra là B
Um = BS

(4)

Sử dụng FDAtool của matlab ta vẽ được đáp ứng tần số của
hàm lọc trên như sau:

Ở đây f = 50/60Hz - là tần số điện lưới
Ví dụ: B = 10µT, f = 50Hz, S = 0.5
Um =

thì

x0.5x 2x3.14x50 = 1,6mV

Như vậy từ trường cỡ 10 µT qua diện tích 0.5
ra nhiễu lớn hơn tín hiệu điện tim (cỡ 1.5mV).

đã gây

3. Chống ảnh hưởng của can nhiễu 50/60Hz
Qua phân tích ở trên ta thấy rằng: tiếp xúc da – điện cực tốt,
trở kháng vào của tầng tiền khuếch đại lớn, hệ số loại trừ
nhiễu đồng pha của tầng tiền khuếch đại cao, cơ thể bệnh
nhân được cách điện tốt hoặc giường nằm của bệnh nhân
được nối đất tốt, tầng tiền khuếch đại dùng nguồn cách ly
(tầng tiền khuếch đại cách điện) thì nhiễu 50/60Hz tác động
lên có thể bệnh nhân sẽ ảnh hưởng ít tới kết quả đo. Ngồi
ra chúng tơi cịn sử dụng một số phương pháp chống nhiễu
tích cực khác trong thiết kế của mình.
Sử dụng mạch kéo chân phải: Hình 3 dùng mạch kéo
(drive) chân phải để giảm nhỏ ảnh hưởng của can nhiễu
đồng pha.

Hình 4. Đáp ứng tần số của bộ lọc 50Hz
Tầng khuếch đại cách ly và nguồn cách ly có nhiệm vụ
chính là đảm bảo độ an toàn cao cho bệnh nhân nhưng ngoài
ra nó cịn giảm rất nhiều ảnh hưởng của can nhiễu điện lưới
50Hz. Phần mạch cụ thể sẽ xét ở phần sau.
II. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THỰC HÀNH ĐIỆN TÂM ĐỒ
Mục tiêu: Thiết kế, chế tạo máy đo và xử lý tín hiệu ECG.

Thiết bị có khả năng đo tín hiệu điện tim, lọc nhiễu nguồn
điện 50Hz, hiển thị dạng sóng, giá trị nhịp tim, lưu trữ và
truyền thơng tin về máy tính.

Hình 3. Mạch kéo (drive) chân phải

400
400


Hội Thảo
Quốc
2015
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
Truyền Thông
Thông và
Thông
Tin (ECIT
2015)
Hội Thảo
Quốc
GiaGia
2015
vềvềĐiện
vàCông
CôngNghệ
Nghệ
Thông
Tin (ECIT

2015)

Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim

K2 =
K3 = 1+
Tần số cắt
f1 =
f2 =

0.05 Hz
=

2. Khối xử lý trung tâm
Khối này thực hiện nhiệm vụ đầu tiên là biến đổi tín hiệu
điện tim sau khối Đo ECG thành tín hiệu số để thực hiện
cho các mục đích tiếp sau.

Hình 5. Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo tín hiệu điện tim.

Lọc loại bỏ can nhiễu: Để loại bỏ nhiễu cho tín hiệu ECG
chúng tôi sử dụng bộ lọc IIR với đáp ứng xung vô hạn dựa
trên tầ n số lấy mẫu 500Hz. Bộ lọc thứ nhất để loại bỏ nhiễu
50Hz đã trình bày ở mục (I.2) của bài báo này. Bộ lọc thứ 2
là bộ lọc thông dải với tần số cắt dưới là 0,5Hz và tần số cắt
trên là 100Hz đáp ứng được giải tần của tín hiệu điện tim là
từ 0,5Hz-100Hz. Hàm lọc như sau:

Tín hiệu điện tim được đo là tín hiệu vơ cùng nhỏ và dễ bị
can nhiễu. Tín hiệu này được đo và khuếch đại, tiếp theo là

được loại bỏ các can nhiễu bằng các mạch lọc. Tín hiệu điện
tim là tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số
để xử lý, truyền thông, lưu trữ…
Từ sơ đồ nguyên lý và mục tiêu thiết kế, chúng tơi phân tích,
thiết kế và đưa ra sơ đồ khối cũng như sơ đồ nguyên lý chi
tiết cho từng khối như sau:
Khối Hiển
Thị

Khối Đo
ECG

Khối
Truyền
Thông

Khối MCU

Khối chỉ thị
từ xa

Sau khi tính tốn ta được phương trình đệ quy đưa vào
MCU như sau:

Khối Lưu
Trữ

(9)

y(n) = 0.4206 x(n) – 0.4206 x(n-2) +1.1582y(n-1) –

0.1582y(n-2)

Khối nguồn

Hình 6. Sơ đồ khối Bộ điện tâm đồ.
Dưới đây chúng tơi sẽ đưa ra và trình bày một số khối chức
năng trong thiết kế của mình.
1. Khối đo ECG
Hình 8. Đáp ứng tân số của bộ lọc thơng dải 0.5-100Hz.
Ngồi ra khối này cịn thực hiện các chức năng khác như
điều khiển hiể n thị tín hiệu điện tim lên màn hình
touchscreen LCD TFT 3.2 inch, lưu trữ, truyền tín hiệu điện
tim nên máy tính… Trong thiết kế của mình chúng tối sử
dụng chíp Atmega2560 của ATMEL.

Hình 7. Sơ đồ nguyên lý khối đo ECG.
Khối đo ECG sẽ thực hiện việc đo lường tín hiệu điện tâm
đồ từ cơ thể người sau đó khuếch đại, tiếp theo loại bỏ các
thành phần nhiễu tần số cao và thấp. Khối này sử dụng các
bộ lọc thông thấp, thông cao để thu được tín hiệu với dải tần
từ 0.05-70Hz theo chuẩn FDA của Mỹ.

Hình 9. Bộ thiết bị thực hành điện tâm đồ.
Hình 9 là Bộ thiết bị điện tâm đồ do nhóm tác giả nghiên
cứu, chế tạo với mục đích phục vụ đào tạo thực hành cho
sinh viên trong Trường Đại học Điện lực. Các đặc điểm cơ
bản của bộ thiết bị này như sau:

Hệ số khuếch đại là K = K1xK2xK3. Trong đó:
K1 =

401
401


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
- Nguồn cấp: 9VDC - 12VDC.

MỤC ĐÍCH

- Màn hình hiển thị: Loại touchscreen LCD TFT 3.2 inch
cho phép hiển thị dạng sóng tín hiệu và thực hiện các thao
tác trên đó.

Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý
cơ bản về việc đo, xử lý, hiển thị và đọc tín hiệu điện tim.

- Lưu trữ: Sử dụng bộ nhớ SD Card cho phép lưu trữ nhiều
lần đo.

- Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 bộ

CHUẨN BỊ

- Điện cực sử dụng 1 lần: 03 bộ

- Kết nối máy tính: Cho phép kết nối máy tính theo giao
diện cổng truyền thơng RS232.

- Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu
điện tim: 01 bộ

- Loại điện cực sử dụng: Loại điện cực dán sử dụng một lần.
III.

- Nguồn cấp 12VDC: 01 bộ

BÀI THỰC HÀNH MẪU TRÊN THIẾT BỊ

CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

1. Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ khơng có bộ lọc
MỤC ĐÍCH

Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với bộ thiết bị
đo. Kết nối cáp kết nối RS232 với máy tính và cắm nguồn.

Bài thực hành này cung cấp cho sinh viên những nguyên lý
cơ bản về việc đo, xử lý, hiển thị và đọc tín hiệu điện tim.

Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo
dõi tín hiệu điện tim. Bật cơng tắ c nguồn cho bộ thiết bị đo.

CHUẨN BỊ

Bước 3: Dán 3 điện cực vào vị trí đạo trình trước tim.

- Bộ thiết bị thực hành Điện tâm đồ: 01 bộ

Bước 4:Lựa chọn đo khơng có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo
trên màn hình. Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn
lưu trữ sau đó lựa chọn truyền thơng.

- Điện cực sử dụng 1 lần: 03 bộ
- Máy tính có cài phần mềm ART_ECG theo dõi tín hiệu
điện tim: 01 bộ

Bước 5: Lựa chọn ngừng đo.

- Nguồn cấp 12VDC: 01 bộ

Bước 6: Quan sát kết quả đo trên máy tính, vẽ lại dạng tín
hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này.

CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

Bước 7: Bấm nút lọc tín hiệu 50Hz, quan sát dạng sóng và
so sánh nó với dạng sóng trước khi lọc.

Bước 1: Kết nối apdapter, cáp kết nối RS232 với bộ thiết bị
đo. Kết nối cáp RS232 với máy tính và cấ p nguồn.

Bước 8: Trả lời câu hỏi

Bước 2: Bật nguồn máy tính, bật phần mềm ART_ECG theo
dõi tín hiệu điện tim. Bật cơng tác nguồn cho bộ thiết bị đo.

Câu 1: Nhiễu 50Hz được loại bỏ theo thuật tốn nào.

Câu 2: So sánh tín hiệu thu được sau khi lọc với tín hiệu gốc
có nhiễu

Bước 3: Dán 3 điện cực vào vị trí đạo trình trước tim.
Bước 4: Lựa chọn đo khơng có bộ lọc, quan sát tín hiệu đo
trên màn hình. Nếu thấy tín hiệu đo đã ổn định thì lựa chọn
lưu trữ sau đó lựa chọn truyền thơng.

Dưới đây là dạng tín hiệu điện tim thu được khi thực hiện
đo bằng bộ thiết bị mà sử dụng bộ lọc số để loại bỏ can
nhiêu 50Hz. Chúng ta thấy sự khác biệt rõ giữa dạng tín
hiệu thu được ở Hình 10 và Hình11.

Bước 5: Lựa chọn ngừng đo.
Bước 6: Quan sát kết quả đo trên máy tính, vẽ lại dạng tín
hiệu điện tâm đồ đo được, ghi lại các chỉ số của tín hiệu này.
Bước 7: Trả lời câu hỏi.
Câu 1: Xác định số xung nhip trên một phút.

Hình 11. Tín hiệu điện tim đo được có sử dụng lọc.

Câu 2: So sánh dạng tín hiệu đo được với tín hiệu chuẩn,
đưa ra những đánh giá về ảnh hưởng của nhiễu 50Hz.

VI. KẾT LUẬN

Dưới đây là dạng tín hiệu điện tim thu được khi thực hiện
đo bằng bộ thiết bị mà không sử dụng bộ lọc số để loại bỏ
can nhiêu 50Hz.

Bài báo đã trình bày tóm lược q trình nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo bộ thực hành Điện tâm đồ ứng dụng trong đào tạo.
Thiết bị hiện được chúng tôi sử dụng trong việc đào tạo sinh
viên chuyên ngành Điện tử y tế tại trường Đại học Điện lực,
mang lại sự trực quan cho sinh viên, nâng cao chất lượng
đào tạo chuyên ngành.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]

Hình 10. Tín hiệu điện tim đo được khơng sử dụng lọc.
2. Bài thực hành do tín hiệu điện tâm đồ có bộ lọc

402
402

TS. Lê thị Bích Thuận, “Điện tâm đồ bệnh lý”.
BS. Đinh Hiếu Nhân, “Điện tâm đồ căn bản”.
GS. Trần Đỗ Trinh, “Hướng dẫn đọc điện tim”, 2010.
www.yhoc.net
Kester W, “Which ADC Architecture is Right for Your
Application ?”, Analog Dialogue, 2