Nghiên cứu thiết kế thử nghiệm hệ thống thu thập dữ liệu tín hiệu điện sinh học dựa trên DSP

MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................... x
BẢNG KÝ HIỆU .................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU................................................................................... 1
1.1. Tín hiệu điện sinh học và Điện tâm đồ (ECG) ............................................. 2
1.1.1. Điện thế màng tế bào ..................................................................................... 2
1.1.2Điện thế hoạt động ........................................................................................... 3
1.1.3 Hệ thống tim mạch: ......................................................................................... 5
1.1.4. Điện tâm đồ (ECG) ........................................................................................ 9
1.1.5. Điện cực ........................................................................................................ 12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG VỚI DSP......... 15
2.1. KHUYẾCH ĐẠI ............................................................................................. 15
2.2. Op-amp ............................................................................................................. 16
2.2.1. Op-amp lí tưởng ........................................................................................... 16
2.2.2. Khuyếch đại không đảo. .............................................................................. 17
2.2.3. Khuyếch đại đảo........................................................................................... 18
2.2.4. Sai số độ lợi do độ lợi hữu hạn của bộ khuyếch đại. ............................... 18
2.3. Đặc điểm của Op-amp ................................................................................... 19
2.3.1. Điện áp offset ngõ vào: ............................................................................... 19
2.3.2. Dòng điện phân cực ngõ vào,ib .................................................................. 21
2.3.3. CMRR và tỉ số nén nguồn cấp PSRR ........................................................ 23
2.4. Giới thiệu về DSP............................................................................................ 24
2.4.1. Thành phần của một hệ DSP điển hình ..................................................... 25

i

2.4.2. Lập trình DSP ............................................................................................... 27
2.4.3. Bộ lọc IIR ...................................................................................................... 28
2.5. Điều chế và giải điều chế tín hiệu y sinh ...................................................... 30
2.5.1. Điều chế ........................................................................................................ 30
2.5.2. Điều tần ......................................................................................................... 31
2.5.3. Tách sóng ...................................................................................................... 32
CHƯƠNG 3. MIÊU TẢ CHI TIẾT .................................................................. 33
3.1. Phương pháp thiết kế ...................................................................................... 33
3.1.1. Bộ lọc tương tự ............................................................................................. 34
3.1.2. Đặc điểm cơ bản của bộ lọc thông thấp .................................................... 35
3.1.3. Bộ lọc thông thấp Butterworth ................................................................... 38
3.1.4. Bộ lọc thông thấp Tschebyscheff ............................................................... 38
3.1.5. Bộ lọc thông thấp Bessel ............................................................................. 38
1.2. Thiết kế bộ lọc thông thấp............................................................................. 39
3.1.6. Phản hồi đa thông số .................................................................................... 41
3.1.7. Bộ lọc thông thấp bậc cao ........................................................................... 42
3.3. Tiền xử lý ......................................................................................................... 43
3.3.1. Hệ thống DSP ............................................................................................... 44
3.3.2. Bộ giải điếu chế hỗn hợp............................................................................. 46
3.3.3. Bộ lọc thông thấp ......................................................................................... 48
3.3.4. Thực hiện ...................................................................................................... 49
3.4. Mạch tiền xử lý ............................................................................................... 49
3.4.1. Hệ thống cung cấp năng lượng ................................................................... 49
3.4.2. Lọc đầu vào và bảo vệ ................................................................................. 51
3.4.3. Bộ tiền khuyếch đại ..................................................................................... 52
3.4.4. Right-leg-driven(RLD)................................................................................ 54
3.4.5. Vòng lọc DC ................................................................................................. 56

ii

3.4.6. Thiết kế bộ lọc thông thấp .......................................................................... 58
3.4.7. Tầng khuyếch đại ......................................................................................... 60
3.5. Mạch VCO ...................................................................................................... 61
3.5.1. Chương trình DSP ........................................................................................ 61
3.5.2. Mô phỏng ...................................................................................................... 62
3.5.3. Điều biến FM ................................................................................................ 62
3.5.4. Phép tích hợp trực giao................................................................................ 64
3.5.5. Bộ điều biến hỗn hợp................................................................................... 65
3.6. Lập trình trong mã C ...................................................................................... 68
3.7. Đường dẫn tín hiệu......................................................................................... 69
3.8. Tích hợp trực giao .......................................................................................... 69
3.9. Giải điều chế hỗn hợp .................................................................................... 76
3.10.Bộ lọc đầu ra ................................................................................................... 77
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 78
4. Kết quả đạt được. ............................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO

iii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện luận văn Thạc sĩ tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc t ớ i
TS. Trịnh Quang Đức, người thầy ngay từ đầu đã định hướng và tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ học tập và tạo điều kiện tốt nhất của các
thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm Điện tử Y
sinh và các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông trong suốt thời gian học tập,
nghiên cứu, thực hiện luận văn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Bệnh viện
Tim Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thu thập số liệu
tại bệnh viện.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích
lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài nghiên
cứu.
Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Vũ Huy Toàn.

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu và những kết quả nghiên cứu trong
luận văn này đều do tôi nghiên cứu, số liệu hoàn toàn trung thực, không trùng lặp
với các đề tài khác và chưa được sử dụng để bảo vệ bất kỳ luận văn nào.
Tôi xin cam đoan mọi thông tin, số liệu trích dẫn trong luận văn đều chính xác
và được chỉ rõ nguồn gốc, mọi sự giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc thực hiện luận văn
đều đã được cảm ơn!
Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Vũ Huy Toàn.

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1- 1. Nồng độ của ion bên trong và bên ngoài của Tế bào ..................... 2
Hình 1- 2 Điện thế hoạt động điển hình ............................................................ 4
Hình 1- 3 Sự truyền của điện thế hoạt động ..................................................... 5
Hình 1- 4 Tâm nhĩ và tâm thất của tim người ................................................... 6
Hình 1- 5 Tim và hệ tuần hoàn.......................................................................... 7
Hình 1.6. Hệ truyền dẫn của Tim ...................................................................... 8
Hình 1.7. Tín hiệu ECG lí tưởng của con người ............................................... 9
Hình 1.8. Mối quan hệ các đạo trình trên tam giác Einthoven ...................... 11
Hình 1.9. Đạo trình V đơn cực ........................................................................ 12
Hình 1.10. Máy ghi điện tâm đồ từ rất sớm của Einthoven ............................ 13
Hình 1.11. Các loại điện cực ........................................................................... 14
Hình 1.12. Điện cực sử dụng trong đo lường EEG, EOG, và EMG ............... 14
Hình 2.1. Opamp lí tưởng .............................................................................. 17
Hình 2.2. Opamp không đảo .......................................................................... 17
Hình 2.3. Op-amp đảo .................................................................................... 18
Hình 2.4. Đáp ứng tần số và độ lợi điện áp..................................................... 19
Hình 2.5. Điện áp offset ngõ vào .................................................................... 19
Hình 2.6. Sơ đồ đo điện áp offset ngõ vào ...................................................... 20
Hình 2.7: Sơ đồ đo điện áp offset ngõ ra ........................................................ 21
Hình 2.8. Dòng điện phân cực ngõ vào........................................................... 21
Hình 2.9. Sơ đồ đo dòng điện phân cực ngõ vào ............................................ 22
Hình 2.10.Tổng điện áp offset......................................................................... 23
Hình 2.11. CMRR của OP177 ........................................................................ 24
Hình 2.12. Điện áp cung cấp OP177 ............................................................... 24
Hình 2.13. Hệ thống DSP cơ bản .................................................................... 25

vi

Hình 2.14. Họ TMS320 ................................................................................... 27
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống DSP ........................................................................ 33
Hình 3.2. Đáp ứng của bộ lọc lí tưởng ........................................................... 35
Hình 3.3. Đồ thị thể hiện tần số tín hiệu được lọc ......................................... 35
Hình 3.4. Bộ lọc thông thấp RC ...................................................................... 36
Hình 3.5. Cách sắp xếp op-amp để tạo đệm ................................................... 36
Hình 3.6. Bộ lọc thông thấp bậc 4................................................................... 37
Hình 3.7. Đáp ứng ở các bậc khác nhau của bộ lọc Butterworth.................... 38
Hình 3.8. Bộ lọc thông thấp Tschebyscheff .................................................... 38
Hình 3.9. So sánh đáp ứng của các bộ lọc ...................................................... 39
Hình 3.10. Bộ lọc thông thấp bậc 1................................................................. 40
Hình 3.11a. Bộ lọc thông thấp bậc 2 ............................................................... 40
Hình 3.11b. Bộ lọc thông thấp bậc 2............................................................... 41
Hình 3.12. Mạch MFB .................................................................................... 41
Hình 3.13: Các mô hình trạng thái bộ lọc thông thấp bậc cao........................ 43
Hình 3.14. Điều chế FM VCO ........................................................................ 43
Hình 3.16. Cấu trúc DMA ping-pong ............................................................. 45
Hình 3.17. Hỗn hợp trực giao ......................................................................... 47
Hình 3.18. Bộ giải điều chế hỗn hợp .............................................................. 47
Hình 3.19. Bộ chuyển đổi cơ bản .................................................................... 50
Hinh 3.20: Minh họa hiển thị trên máy tính.................................................... 51
Hình 3.21. Biểu diễn mạch lọc đầu vào .......................................................... 52
Hình 3.22. Bộ tiền khuyếch đại INA 333 ....................................................... 53
Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn CMRR-Tần số ................................................... 54
Hình 3.24: Đồ thị đặc tuyến Khuyếch đại – Tần số ........................................ 54
Hình 3.25. Mạch RLD ..................................................................................... 55
Hình 3.26: Biểu diễn đặc tuyến khuyếch đại – Tần số ................................... 55

vii

Hình 3.27. Sơ đồ vòng lọc DC ........................................................................ 56
Hình 3.28. Quan hệ tần số và độ lợi................................................................ 56
Hình 3.29. Trước lọc ....................................................................................... 57
Hình 3.30. Sau lọc ........................................................................................... 57
Hình 3.31. Mạch mô phỏng............................................................................. 59
Hình 3.34. Sơ đồ mạch tầng khếch đại ........................................................... 61
Hình 3.35. Biểu đồ Phát triển của DSP ........................................................... 62
Hình 3.36. Tín hiệu hình sin_100Hz ............................................................... 63
Hình 3.37. Phổ của tín hiệu FM không có và có tín hiệu ............................... 64
Hình 3.38. Phổ của tin hiệu thực và tín hiệu mô phỏng ................................. 65
Hình 3.39. Mô phỏng của bộ điều biến hỗn hợp............................................. 66
Hình 3.40. So sánh giữa tần số gốc và tần số xử lý ........................................ 66
Hình 3.41. Tín hiệu đầu ra không dùng bộ lọc .............................................. 67
Hình 3.42: So sánh tín hiệu gốc và tín hiệu ra ................................................ 67
Hình 3.43. Phổ của tín hiệu gốc và tín hiệu đầu ra đã được xử lý ................ 68
Hình 3.44. Đường dẫn tín hiệu của chương trình ........................................... 69
Hình 3.45. Tích hợp trực giao ......................................................................... 70
Hình 3.47: Sơ đồ máy phát sóng sin và cos .................................................... 71
Hình 3.48: Sơ đồ bộ lọc IIR ............................................................................ 72
Hình 3.49 Hình biểu diễn trên madlab ............................................................ 72
Hình 3.50: Trình bày sơ đồ khối kỹ thuật của bộ tích hợp trực giao .............. 73
Hình 3.51. Độ lớn và phản hồi pha của bộ lọc đầu ra..................................... 77
Hình 4.1. Tần số (Hz) và giá trị MSE ............................................................. 78
Hình 4.2. Tần số (Hz) và 𝑭𝑫 .......................................................................... 79
Hình 4.3. Tần số (Hz) và trễ pha (độ) ............................................................. 79
Hình 4.4. ECG gốc từ cơ thể người ................................................................ 81
Hình 4.5. ECG đã xử lý ................................................................................... 81

viii


Hình 4.6: Hình cửa sổ ban đầu của công cụ fda ............................................. 82
Hình 4.7: Hệ thống phân tích trên Matlab ...................................................... 84
Hình 4.8 Chương trình Lp cof ......................................................................... 85
Hình 4.9: Bảng hiển thị các bảng mô tả .......................................................... 86
Hình 4.10: Bảng hiện trên phần mềm ............................................................. 86
Hình 4.11. Hệ thống phát triển DSP ............................................................... 87

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. So sánh nguồn đơn và nguồn kép ................................................... 50
Bảng 3.2. Đặc tính của INA333 ...................................................................... 54
Bảng 3.3.Thông số khối điều biến FM............................................................ 63
Bảng 3.4. Mô phỏng mẫu FM trong Matlab .................................................. 63
Bảng 3.5. Mô phỏng của bộ tích hợp trực giao trên matlab ........................... 64
Bảng 3.6: So sánh tham số sóng sin và cos..................................................... 71
Bảng 3. 7: Bảng tần số các dải lọc .................................................................. 73
Bảng 3.8. Mã tích hợp trực giao..................................................................... 74
Bảng 3.9. Giải điều chế hỗn hợp ..................................................................... 76
Bảng 3.10: Tần số làm việc của các bộ lọc ..................................................... 77
Bảng 4.1. Nâng cấp bộ lọc IIR ....................................................................... 80
Bảng 4.2. ECG-bộ lọc nhiễu ........................................................................... 80

x

BẢNG KÝ HIỆU
Kí hiệu

Nghĩa đầy đủ

ADC

Bộ chuyển đổi Tương tự sang Số

AM

Điều chế biên độ (Điều biên)

BSL

Thư viện hỗ trợ board

CCS

Trình biên soạn code

CSL

Thư viện hộ trợ chip

DAC

Bộ chuyển đổi số sang tương tự

DSP

Xử lí tín hiệu số

ECG

Điện tâm đồ

EMG

Điện cơ

EOG

Điện mắt

FIR

Đáp ứng xung hữu hạn

FM

Điều chế tần số (Điều tần)

IDE

Môi trường phát triển tích hợp

IIR

Đáp ứng xung vô hạn

MSE

Sai số toàn phương trung bình

PC

Máy tính cá nhân

SCOS

Tín hiệu Sin và Cosin

SNR

Tỉ lệ tín hiệu-nhiễu

VCO

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp

xi


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, công việc thu nhận tín hiệu điện sinh học trong cơ thể con người
đang được chú ý rất nhiều. Các tín hiệu này cung cấp thông tin về sinh lý để theo dõi
tình trạng của cơ thể sống như sức khỏe của tim, não, cơ. Do có nhiều lợi ích, mà
những tín hiệu này trở thành công cụ hữu ích cho ngành Kĩ thuật y sinh không những

dùng trong chuẩn đoán mà còn dùng để phát triển các sản phẩm phục hồi chức năng.
Những phương pháp đo tín hiệu điện sinh học được đưa ra khá sớm và trở thành
những kĩ thuật mang tính kế thừa. Tuy nhiên, do tín hiệu điện sinh học có điện áp yếu
dẫn đến tín hiệu có tỉ lệ thấp so với nhiễu (SNR), vì vậy những kĩ thuật được áp dụng
trong thực hành vẫn đối mặt với rất nhiều khó khăn và cần được phát triển.
Cho đến nay, những tín hiệu điện sinh học thông thường trong cơ thể người
được biết đến như ECG (điện tâm đồ), EEG (điện não đồ), EMG (điện cơ), và điện
mắt (EOG). Chúng được đo từ các điện cực gắn với da của con người. Tuy nhiên biên
độ điện sinh học rất nhỏ, ví dụ EEG (0.001 tới 0.01mV), ECG (1 tới 5mV) và SNR
là nhỏ nên nhiễu được tăng lên khi tín hiệu điện y học được khuyếch đại. Thêm vào
đó, trong trường hợp áp dụng bộ lọc tương tự, những nhiễu hài với đặc trưng U-I phi
tuyến của các thành phần điện tử xuất hiện dẫn đến sự biến dạng của tín hiệu. Do đó,
áp dụng bộ lọc số có thể loại bỏ vấn đề này. Để thực hiện các bộ lọc số, có rất nhiều
thiết bị điện tử có sẵn ngoài thị trường, kể đến là DSP với tốc độ xử lí cao đáp ứng
được những ứng dụng cho thời gian thực.
Để xây dựng một thiết bị thu nhận tín hiệu điện sinh học phục vụ nghiên cứu
trong y sinh, một hệ thống mở bao gồm một phần tương tự và một phần lập trình xử
lí tín hiệu được xem xét tới. Từ ý tưởng này, chúng tôi đã thiết kế một mô hình dùng
thu nhận và xử lí tín hiệu điện y học dựa trên nền tảng DSP. Tuy nhiên, mô-đun DSP
được phát triển cho các ứng dụng audio với phổ tần số từ 20Hz tới 20kHz trong khi
các tín hiệu điện sinh học đều là tần số thấp. Do đó, hiệu quả thu nhận tín hiệu điện
sinh học thông qua DSP có thể làm mất tín hiệu quan trọng. Để giải quyết vấn đề này,
phổ tần của tín hiệu điện sinh học được chuyển đổi thành phổ tần của tín hiệu audio

1


bằng phương pháp điều tần. Luận văn này giới thiệu về thiết kế của một hệ thống mở
dùng để thu nhận và xử lí tín hiệu điện sinh học. Dựa trên thiết bị này, những nhà
nghiên cứu có thể phát triển những thuật toán phân tích khác nhau để hướng đến việc

chuẩn đoán lâm sàng và nghiên cứu y sinh.
1.1.

Tín hiệu điện sinh học và Điện tâm đồ (ECG)

1.1.1. Điện thế màng tế bào
Mô, chất xơ và cơ trong cơ thể con người đều được tạo thành từ tế bào. Tế bào
chứa dịch cả bên trong - dịch nội bào, lẫn xung quang bên ngoài chúng- dịch ngoại
bào. Cả dịch nội bào và ngoại bào đều chứa một lượng các i-on phân tử với sự chênh
lệch về số ion + và ion - do đó mạng điện tích âm hoặc dương. Những i-on thông
thường nhất trong tế bào con người là Natri (Na+), Kali (K+) và Clo (Cl-). Những ion này có thể đi qua màng hay thành tế bào thông qua các kênh do sự chênh lệch
nồng độ i-on trong và ngoài tế bào. Thêm nữa, sự khách nhau về nồng độ dẫn đến sự
khác nhau về chiều khuyếch tán.

Hình 1- 1. Nồng độ của ion bên trong và bên ngoài của Tế bào
Trong trường hợp tế bào của con người ở điều kiện cân bằng:
Nồng độ của Natri, Na+, bên trong tế bào thấp hơn bên ngoài;
Nồng độ của Kali, K+, bên trong tế bào cao hơn bên ngoài;
Nồng độ của Clo, Cl-, bên trong tế bào cao hơn bên ngoài.

2


Khi các ion mang điện tích được liên kết thì kết quả là tổng điện tích bên trong
tế bào khác so với bên ngoài tế bào. Sự khác nhau này làm tăng điện thế đi qua thành
tế bào từ bên trong ra bên ngoài. Đây chính là điện thế màng tế bào và được diễn giải
theo phương trình Goldman:
𝐸𝑚 =

𝑅𝑇

𝐹

. 𝑙𝑛⁡(

𝑃𝐾 [𝑲+ ]𝑒𝑥𝑡+𝑃𝑁𝑎 [𝑵𝒂+ ]𝑒𝑥𝑡+𝑃𝐶𝑙 [𝑪𝒍− ]𝑖𝑛𝑡
𝑃𝐾 [𝑲+ ]𝑖𝑛𝑡 +𝑃𝑁𝑎 [𝑵𝒂+ ]𝑖𝑛𝑡 +𝑃𝐶𝑙 [𝑪𝒍− ]𝑒𝑥𝑡

) (1)

ở đây:
- R là hằng số mol khí lí tưởng = 8.314JK-1mol-1
- T là nhiệt độ theo độ K
- F là hằng số Faraday, 96.5 x 103 Cmol-1
- Pi là độ thấm của màng tế bào với ion thứ i
- [⁡𝑰 ⁡]𝑙𝑜𝑐⁡ là nồng độ của ion thứ i bên trong hoặc bên ngoài tế bào
Ở tế bào động vật và con người, điện thế đi qua màng tế bào đo được (theo
chiều từ bên trong ra bên ngoài) là một giá trị trong khoảng từ -40 đến -80mV, phụ
thuộc vào loại tế bào
1.1.2 Điện thế hoạt động
Nhiều tế bào trong cơ thể, và đăc biệt liên quan đến sợi thần kinh và cơ có thể
được kích thích bởi điện hoặc hóa. Một kích thích điện hóa có thể gây ra thay đổi tính
thấm của màng tế bào với các ion khác nhau và đây là lí do làm cho tế bào hoạt động.
Điều này có nghĩa rằng dòng ion qua màng tế bào thay đổi đột ngột và vì vậy cũng
làm thay đổi dung lượng điện tích mỗi bên màng tế bào. Sự thay đổi đột ngột này
mang theo sự thay đổi đột ngột điện thế màng tế bào vì vậy tế bào dẫn đến trạng thái
khử cực. Cuối cùng tế bào vào trạng thái tái cực, nhưng thông thường diễn ra chậm
hơn so với khi khử cực.

3

Hình 1- 2 Điện thế hoạt động điển hình
Mỗi khi một tế bào ở trạng thái khử cực, những thay đổi về điều kiện môi trường
xung quanh tế bào đó có thể hoạt động như một tác nhân kích thích các tế bào lân cận
cùng dẫn vào trạng thái tương tự. Trong tế bào thần kinh và cơ, xung được tạo ra bởi
sự khử cực của tế bào có thể được truyền từ tế bào này sang tế bào khác thông qua
các axon và các nơron thần kinh, vì vậy kích thích đi dọc theo theo một sợi thần kinh
hay sợi cơ giống như một làn sóng với sóng tái cực theo sau. Điều này cho phép
truyền xung gây co thắt cơ dẫn đến sự hoạt động của cơ thể như đi lại, cầm nắm và
tim đập theo nhịp.

4


Hình 1- 3 Sự truyền của điện thế hoạt động
1.1.3 Hệ thống tim mạch:
Hệ thống tim mạch của cơ thể con người về cơ bản là hoạt động của tim và các
mạch máu. Hoạt động của tim giống như một cái bơm để đẩy máu đi khắp cơ thể.
Máu vận chuyển oxy , chất dinh dưỡng và các sinh chất tới tất cả các cơ quan cũng
như vận chuyển cả các sản phẩm thừa và chất độc từ các cơ quan để xử lí. Trong thực
tế, tim hoạt động như hai máy bơm riêng biệt và hệ tuần hoàn bao gồm hai phần riêng
biệt như trong hình 4. Tim có bốn ngăn, tâm nhĩ trái và phải ở bên trên, tâm thất trái
và phải ở bên dưới.

5


Hình 1- 4 Tâm nhĩ và tâm thất của tim người
Một sự biểu diễn đơn giản của hệ thống tuần hoàn được thể hiện trong hình
1.5. Máu được thu thập từ tất cả các bộ phận của cơ thể vào tâm nhĩ phải , từ đó được

chuyển giao cho tâm thất phải. Tâm thất phải đẩy máu đến phổi , nơi CO2 được lấy
ra và oxy tươi được hấp thụ . Từ phổi máu tái tạo ôxy trở về tim và vào tâm nhĩ trái .
Vòng lặp này được gọi là tuần hoàn phổi. Sau đó máu được chuyển tới cho tâm thất
trái tiếp tục bơm máu ra cho tất cả các chi và cơ quan trong cơ thể. Khi oxy và chất
dinh dưỡng đã được phân phối thông qua máu để nuôi dưỡng tất cả các tế bào xung
quanh cơ thể và chất thải đã được thu thập và cung cấp cho sự đào thải , trở về tâm
nhĩ phải một lần nữa . Vòng thứ hai này được gọi là hệ tuần hoàn hệ thống toàn thân.

6


Hình 1- 5 Tim và hệ tuần hoàn
Tim là một bộ phận quan trọng của cơ thể. Tim phối hợp hoạt động với hệ mạch
để góp phần vào hoạt động của các hệ khác.Tim gắn với động mạch phổi và tĩnh mạch
phổi, tĩnh mạch chủ trên và tĩnh mạch chủ dưới và động mạch chủ. Tim (người) gồm
4 ngăn (tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải; tâm thất trái, tâm thất phải). Xét về tâm nhĩ phải
(phần trên, bên phải của trái tim): khi máu từ tĩnh mạch chủ chảy vào tâm nhĩ, van
nhĩ thất phải (van ở giữa tâm nhĩ và tâm thất) lập tức mở ra, tâm nhĩ co đẩy máu qua
van này chảy vào tâm thất phải (đến bây giờ máu vẫn là màu đỏ sẫm). Lúc máu vừa
vào tâm thất phải, van động mạch phổi lập tức mở ra, tâm thất phải đẩy máu đi qua
van này đổ vào động mạch phổi và được lọc tại phổi---> máu biến thành màu đỏ tươi
và theo tĩnh mạch phổi trở vào tâm nhĩ trái. Khi máu (đỏ tươi) vào tâm nhĩ trái, van
nhĩ thất trái lập tức mở ra. Tâm nhĩ trái co đẩy máu vào tâm thất trái. Thành tâm thất
trái có lớp cơ dày. Chính nhờ lớp cơ này mà tâm thất trái mới co bóp mạnh, đẩy máu
vào động mạch chủ với vận tốc cao và áp lực lớn. Máu từ tâm thất trái đi vào các cơ
quan rồi trở về tĩnh mạch, chảy ngược lên tim. Lúc này tâm-nhĩ-phải giãn ra (giãn
cùng lúc với tâm nhĩ trái), áp suất giảm làm máu bị hút trở vào tâm nhĩ phải (dưới sự
trợ giúp của các cơ, các van và sức hút của phổi). Trong quá trình co bóp, đầu tiên
tim co bóp tâm nhĩ trước (mất khoảng 0.1 giây), rồi đến pha thất co (mất 0.3 giây) và
sau cùng là pha dãn chung (trái tim được nghỉ ngơi hoàn toàn) - mất 0.4 giây. Cứ như

thế, trái tim làm việc liên tục.

7


Hình 1.6. Hệ truyền dẫn của Tim
Bình thường, khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi, quả tim đập chậm lại. Ngược lại,
khi hoạt động, đặc biệt là hoạt động gắng sức, quả tim sẽ đập nhanh hơn để cung cấp
ôxy cho các bắp cơ. Để co bóp một cách nhịp nhàng như vậy là nhờ tim có một hệ
thống điều khiển tự động đặc biệt. Hệ thống gồm các phần chính sau (hình minh họa
6):
1. Nút xoang (SA node), nằm ở nhĩ phải có vai trò làm chủ nhịp (phát xung
động)
2. Nút nhĩ thất (AV node), nằm sát vách ngăn giữa buồng nhĩ và thất, có vai trò
dẫn truyền xung động thần kinh được nút xoang tạo ra (bản chất là xung động điện
học) từ nhĩ xuống thất.
3. Bó his chung (Atrioventricular bundle), dẫn truyền xung động từ nút nhĩ thất
xuống buồng thất và chia thành hai nhánh cho hai buồng thất.
4. Nhánh bên phải và nhánh bên trái, dẫn truyền xung động vào hai buồng thất
5. Mạng Purkinje là những nhánh nhỏ xuất phát từ nhánh phải và trái lan tỏa tới
các vùng cơ tim của 2 thất

8


Hệ thống này chỉ huy hoạt động của toàn bộ quả tim (Quá trình này được miêu
tả qua hình vẽ). Đầu tiên nút xoang phát xung động (bản chất là xung động điện học)
và khởi đầu quá trình khử cực. Từ nút xoang, xung động điện học được dẫn truyền
đến 2 buồng tâm nhĩ và kích thích tâm nhĩ co bóp tống máu từ nhĩ xuống thất. Sau đó
xung động được dẫn truyền xuống thất nhờ nút nhĩ thất. Tại nút nhĩ thất, tốc độ dẫn

truyền bị chậm lại sau đó theo bó his xuống 2 buồng thất. Khi đến hai buồng tâm thất,
xung động theo mạng Purkinje lan ra toàn bộ buồng thất để kích thích cơ tâm thất co
bóp (khử cực cơ thất) bơm máu vào hệ thống động mạch chủ đi nuôi cơ thể và động
mạch phổi để máu được trao đổi ôxy và thải khí cacbonic.
1.1.4. Điện tâm đồ (ECG)
ECG lí tưởng con người được thể hiện trong hình. 7. Có thể thấy rằng có một
số thành phần riêng biệt tạo nên toàn bộ tín hiệu được đo trong duy nhất một chu kỳ
tim hoàn chỉnh. Các thành phần chính được xác định là sóng P, QRS và sóng T. Phân
đoạn và các khoảng cách khác trong đó có một tầm quan trọng trong phỏng đoán lâm
sàng đã được xác định. Biên độ QRS của một tín hiệu đo trên ngực của đối tượng
thường là có giá trị trong khoảng 1-5 mV

Hình 1.7. Tín hiệu ECG lí tưởng của con người

9


Các thành phần khác nhau của điện tâm đồ tương ứng với các sự kiện khác nhau
xảy ra ở tim trong một chu kỳ tim. Sóng P được gắn liền với quá trình khử cực của
các tế bào cơ tâm nhĩ làm cho tâm nhĩ co bóp và chuyển máu đến các tâm thất. QRS
tương ứng với quá trình khử cực mạnh của các tế bào trong cơ bắp nhiều và mạnh mẽ
của tâm thất. Giai đoạn này được gọi là tâm thu thất. Việc tái cực của các tế bào trong
cơ tâm nhĩ được che đậy bởi QRS và không thể quan sát một cách độc lập. Sóng T
tương ứng với quá trình tái cực của các tế bào cơ thất trong giai đoạn nghỉ của tế bào
được gọi là tâm trương thất. Thời hạn, hình dạng và nhịp điệu của các thành phần và
các phân đoạn giữa chúng có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc vào tình trạng của tim và
hệ thống tim mạch. Những ghi chép sớm nhất về một bản ghi điện tâm đồ được trình
bày bởi Willem Einthoven vào khoảng năm 1904. Einthoven ban đầu sử dụng bốn
điện cực kim loại kết nối với tay chân của một chủ thể để thực hiện quá trình thu
nhận. Sau đó, ông thấy rằng các điện cực có thể chuyển đến các vị trí trên ngực mà

cường độ tín hiệu thu được không bị mất đi. Einthoven phát triển thành các Đạo trình
được gọi là tam giác Einthoven như hình. 8, bao gồm đạo trình I, II và III mà mỗi cặp
điện cực khác nhau đại diện cho từng khía cạnh khác nhau của hoạt động điện trong
tim.

10


Hình 1.8. Mối quan hệ các đạo trình trên tam giác Einthoven
Đạo trình I = LA – RA
Đạo trình II = LL – RA
Đạo trình III = LL – LA
Từ điện thế trung bình đo được từ ba vị trí chính và sử dụng kết quả đó để tham
khảo, ba đạo trình được thêm vào.

11


Hình 1.9. Đạo trình V đơn cực
Thêm vào sáu đạo trình nữa, được gọi là đạo trình V - đơn cực , gắn ở một số
vị trí cần thiết xung quanh ngực cung cấp thêm thông tin về các hoạt động điện tim
như thể hiện trong hình. 9. Một đánh giá lâm sàng ECG hoàn chỉnh bao gồm kết quả
đo của tất cả mười hai đạo trình. Tất cả các điểm được sử dụng để lấy các đạo trình
yêu cầu các điện cực phải được kết nối với cơ thể tại các vị trí chính xác.
1.1.5. Điện cực
Nhiều phép đo y sinh sử dụng các điện cực. Thông thường , một điện cực đo
điện thế tại một vị trí trên bề mặt của cơ thể thường liên quan đến điện thế ở một vị
trí khác. Chúng chủ yếu thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi các dòng ion liên quan đến
hoạt động điện trong cơ thể sang dòng electron rồi đưa vào đầu vào của một bộ
khuyếch đại. Các điện cực được sử dụng phổ biến nhất trong các phép đo :

ECG hoặc điện tâm đồ , cho thấy hoạt động của tim
EEG hay điện não đồ , cho thấy hoạt động của não

12


Điện cơ hoặc EMG , hoạt động cơ chỉ ra và
Electrooculogram hoặc EOG , cho thấy hoạt động trong mắt
Tín hiệu ECG chính thức được đo cho bệnh nhân ở tư thế ngồi với chân tay của họ
chìm vào trong chai chứa dung dịch điện phân , trong đó các điện cực que kim loại lớn
được đặt vào sau đó được kết nối với máy ghi như thể hiện trong hình. 10 .

Hình 1.10. Máy ghi điện tâm đồ từ rất sớm của Einthoven
Điện cực ECG ngày nay được dùng một lần , tự dính , các loại điện cực dán
thường được sử dụng tại các phòng khám và bệnh viện phường và chúng có hình
dạng và kích thước khác nhau như hình 1.11. Ví dụ về các điện cực được sử dụng cho
các phép đo khác nhau như điện não đồ, EOG và EMG được trình bày trong hình
1.12 và chúng có các yêu cầu cơ bản về thiết kế tương ứng với phép đo điện tâm đồ
và áp đặt các yêu cầu hiệu suất trên cùng một bộ khuyếch đại .

13


Hình 1.11. Các loại điện cực

Hình 1.12. Điện cực sử dụng trong đo lường EEG, EOG, và EMG

14