Nghiên cứu thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim bằng arduino uno và processing

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

ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO DÕI NHỊP TIM BẰNG
ARDUINO UNO VÀ PROCESSING

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

Hà nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO DÕI NHỊP TIM BẰNG
ARDUINO UNO VÀ PROCESSING

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS VŨ DUY HẢI

Hà nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không
sao chép, những kết quả đo đạc mô phỏng có trong luận văn chưa từng đươ ̣c công
bố từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Các thông tin sử du ̣ng trong luận văn
có nguồn gố c và đươ ̣c trić h dẫn rõ ràng.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các
tài liệu khác.

1


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn, em đã nhâ ̣n
đươ ̣c sự giúp đỡ rấ t tâ ̣n tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong viện Điê ̣n tử –
Viễn thông Trường Đa ̣i ho ̣c bách khoa Hà Nô ̣i.
Đầ u tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắ c tới TS Vũ Duy Hải, người đã tâ ̣n tiǹ h
hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luâ ̣n văn tố t nghiê ̣p tha ̣c sỹ trong suố t thời
gian vừa qua.
Em cũng xin cảm ơn các quý thầ y cô, các anh chi ̣và các ba ̣n ta ̣i viện Điê ̣n tử
- Viễn thông, Đa ̣i học Bách khoa Hà Nội đã có những góp ý kiến kip̣ thời và bổ ić h,
giúp đỡ em trong suố t quá trình nghiên cứu luâ ̣n văn này.
Ngoài ra, em cũng xin bày tỏ lòng biế t ơn sâu sắc đế n gia đin
̀ h, ba ̣n bè,
những người đã luôn ủng hô ̣ em trong suố t quá triǹ h ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành chương
trin
̀ h đào ta ̣o Thạc sỹ ta ̣i viện Điê ̣n tử – Viễn thông, Đa ̣i học Bách khoa Hà nội.
Mặc dù em đã nỗ lực và cố gắ ng hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn bằ ng tấ t cả nhiê ̣t tin
̀ h và

năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiế u sót, rấ t mong nhâ ̣n
đươ ̣c những đóng góp quý báu của quý thầ y cô và các ba ̣n.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2016
HỌC VIÊN

ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

2


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

THUẬT NGỮ

DỊCH NGHĨA

VIẾT TẮT
TIẾNG ANH
PPG

PhotoPlethysmoGram

Đồ thị đo thể tích bằng quang học

HR

Heart Rate

Nhịp tim

BPM

Beats Per Minute

Số nhịp mỗi phút

IBI

Inter Beat Interval

HRV

Heart Rate Variability

Sự biến thiên nhịp tim

PTT

Pulse Transit Time

Thời gian truyền xung

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ năng lượng

PTT

Pulse Transit Time

Thời gian truyền xung

ECG

ElectroCardioGram

Điện tâm đồ

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi nhanh Fourier

HF

High Frequency

Tần số cao

LF

Low Frequency

Tần số thấp

VLF

Very Low Frequence

Tần số rất thấp

3

Khoảng thời gian giữa hai nhịp
tim liên tiếp


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. 3
MỤC LỤC .................................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 8
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................... 10
1.1. Giới thiệu chung về nhịp tim ............................................................................. 10
1.2. Phân biệt nhịp tim với chỉ số huyết áp .............................................................. 13
1.3. Nhịp tim trung bình ........................................................................................... 14
1.4. Một số phương pháp xác định nhịp tim ............................................................. 16
1.4.1. Sóng mạch, nhịp mạch và phương pháp đo nhịp tim thủ công ...................... 16
1.4.2. Xác định nhịp tim mục tiêu để luyện tập an toàn ........................................... 17
1.4.3. Phương pháp xác định nhịp tim trong y tế ..................................................... 19
14.3.1. Nghe tim ....................................................................................................... 19
1.4.3.2. Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric...................................................... 19
1.4.3.3. Điện tâm đồ (ECG). ..................................................................................... 21
1.4.4. Đo nhịp tim bằng các thiết bị điện tử ............................................................. 22

1.4.5. Xác định nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học .............................. 24
1.5. Sự quan trọng của nhịp tim ............................................................................... 25
1.6. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 26
Chương 2. CƠ SỞ THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ......................................... 27
2.1. Cấu trúc và hoạt động của trái tim người .......................................................... 27
2.2. Điện sinh lý tim ................................................................................................. 30
2.3. Mô hình phân tách phức hợp QRS của Pan, Hamilton và Tompkins. .............. 36
2.4. Đồ thị đo thể tích bằng quang học - Photoplethysmogram (PPG) .................... 42
2.4.1. Khái niệm ....................................................................................................... 42
2.4.2. Dạng tín hiệu PPG .......................................................................................... 43
2.4.3. Kỹ thuật thu PPG ............................................................................................ 43
2.5. Sự biến thiên của nhịp tim (HRV - Heart Rate Variability) .............................. 44
4


2.5.1 Phân tích HRV trong miền thời gian ............................................................... 45
2.5.2. Phân tích HRV trong miền tần số ................................................................... 47
2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 52
Chương 3. PHÂN TÍCH CƠ SỞ THIẾT KẾ MODULE ĐO .................................. 53
VÀ GIÁM SÁT NHỊP TIM ..................................................................................... 53
3.1. Yêu cầu đề tài .................................................................................................... 53
3.2. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................... 53
3.3. Lựa chọn linh kiện ............................................................................................. 58
3.3.1. Cảm biến nhịp tim Pulse SenSor .................................................................... 58
3.3.2. Arduino Uno R3 ............................................................................................. 59
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 64
Chương 4. THỰC THI THIẾT KẾ .......................................................................... 66
MODULE ĐO VÀ GIÁM SÁT NHỊP TIM ............................................................ 66
4.1. Thiết kế phần cứng ............................................................................................ 66
4.2. Thiết kế phần mềm ............................................................................................ 67

4.3. Kết quả nghiên cứu ............................................................................................ 69
4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................................. 72
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 75
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 75

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Thông số đánh giá nhịp người bình thường trạng thái nghỉ ngơi ............ 15
Hình 1.2. Các điểm động mạch áp sát bề mặt da ..................................................... 16
Hình 1.3. Một thiết bị nghe nhịp tim ........................................................................ 19
Hình 1.5. Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric ........................ 20
Hình 1.6. Điện tâm đồ .............................................................................................. 21
Hình 1.7. Răng cưa điện tâm đồ ............................................................................... 22
Hình 1.8. Một loại vòng đeo tay và đồng hồ thông minh có chức năng đo nhịp tim 23
Hình 1.9. Đo nhịp tim bằng ứng dụng hoặc cảm biến nhịp tim trên SmartPhone ... 23
Hình 1.10. Thiết bị đo huyết áp, nhịp tim, SpO2 điện tử loại quấn tay và kẹp tay . 23
Hình 1.11. Dạng tín hiệu của nhịp tim ..................................................................... 24
Hình 1.12. Sự hấp thụ ánh sáng của động mạch khi truyền qua ngón tay ............... 25
Hình 2.1. Buồng tim và van tim ................................................................................ 27
Hình 2.2. Hệ thống dẫn truyền tim ........................................................................... 29
Hình 2.3. Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo ........................................ 31
Hình 2.4. Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim............. 32
Hình 2.5. Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven ......................... 33
Hình 2.6. Các thành phần cơ bản của sóng điện tim cần phân tích ........................ 34
Hình 2.7. Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim .............................................. 35
Hình 2.8. Phương pháp phân tách phức hợp QRS của Pan và Tompkin ................. 36
Hình 2.9. Mô hình thực hiện phân tách phức hợp QRS do Hamilton và Tompkins . 37

Hình 2.10. Mối liên hệ giữa việc di chuyển cửa sổ và phức hợp QRS ..................... 39
Hình 2.11. Dạng tín hiệu PPG ................................................................................. 43
Hình 2.12. Thu tín hiệu PPG sử dụng LED và PD (Photodetector) ........................ 44
Hình 2.13. Phát hiện đỉnh với cửa sổ là 11 ............................................................. 46
Hình 2.14. Xác định đỉnh của tín hiệu ...................................................................... 46
Hình 2.15. Khoảng cách đỉnh liên tiếp và dạng tín hiệu HRV ................................. 47
Hình 2.16. Mật độ phổ năng lượng trong miền VLF, LF và HF .............................. 50
Hình 2.17. Cân bằng hệ thần kinh tự chủ và biến thiên nhịp tim............................. 51
Hình 2.18. Hình Mật độ phổ năng lượng trong miền tần số LF và HF .................. 52
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................. 53
6


Hình 3.2. Sơ đồ mạch cảm biến dựa trên cảm biến xung Pulse ............................... 54
Hình 3.3. Sự truyền ánh sáng qua động mạch ......................................................... 55
Hình 3.4. Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch ..................... 57
Hình 3.5. Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay ................................ 57
Hình 3.6. Cảm biến nhịp tim (xung) Pulse Sensor ................................................... 58
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến nhịp tim .................................................... 59
Hình 3.8. Board mạch phát triển Arduino Uno R3 .................................................. 61
Hình 3.7. Arduino Uno R3 Pinout ............................................................................ 65
Hình 4.1. Hình ảnh phần cứng kết nối với máy tính ................................................ 66
Hình 4.2. Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển .............................................. 67
Hình 4.3. Dạng sóng của nhịp tim ............................................................................ 68
Hình 4.4. Hình ảnh hiển thị trên giao diện phần mềm Processing .......................... 69
Hình 4.5. Xung tín hiệu điện tim thu được ............................................................... 70
Hình 4.6. Các giá trị và dạng phổ năng lượng của BPM, IBI, tần số HR ............... 71
Hình 4.7. Các giá trị và phổ năng lượng của IBI Spectrum, LF, HF, Beats và LF vs
HF Percentage .......................................................................................................... 71

7


LỜI MỞ ĐẦU
Trái tim là một thành phần rất quan trọng trong cơ thể con người. Quá trình
hoạt động ổn định của tim sẽ giúp cho cơ thể khoẻ mạnh và duy trì sự sống. Biểu
hiện của tim có thể cho phép xác định được các trạng thái bệnh tật cơ bản của con
người. Quá trình phân tích tín hiệu điện tim có thể xác định được khá chính xác các
biểu hiện thường gặp của bệnh tim từ đó đưa ra các nhận định cơ bản về tình trạng
sức khoẻ của bệnh nhân.
Thế kỷ 20 được coi là kỷ nguyên của các bệnh tim mạch, và cả ở thế kỷ 21 hiện
nay, bệnh tim mạch, song song với các bệnh ung thư và tiểu đường, nằm trong số
những bệnh phổ biến và nguy hiểm nhất cho con người. Bệnh về tim mạch đặc biệt
nguy hiểm vì không xảy ra đơn độc mà còn là nguyên nhân của nhiều bệnh tim
mạch và không tim mạch khác, cho nên chữa trị rất khó khăn và hậu quả để lại rất
lớn. Chính vì vậy, câu nói “phòng bệnh hơn chữa bệnh” lại càng có ý nghĩa khi nền
kinh tế càng ngày càng phát triển như vũ bão, môi trường ngày càng trở lên ô
nhiễm... Vấn đề theo dõi sức khỏe thường xuyên trở lên rất cấp thiết cho nên việc
giám sát nhịp tim cũng được đặt lên hàng đầu cho con người.
Để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất bằng một phương pháp
để lấy được tín hiệu đồng bộ 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. Đề tài đề xuất
phương pháp đo nhịp tim bằng phương pháp không xâm lấn, có nghĩa là không tác
động đến cơ thể bệnh nhân, nhằm giúp con người có thể xác định nhịp tim của mình
để có thể đánh giá chung về tình hình sức khỏe của bản thân, đồng thời có kế hoạch
khám bệnh và điều trị cho phù hợp.
Nội dung của Luận văn “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim bằng
Arduino và Processing” gồm các phần sau:
Chương 1. Tổng quan về đề tài
Chương 2. Cơ sở thu nhận tín hiệu điện tim

Chương 3. Phân tích cơ sở thiết kế Module đo và giám sát nhịp tim
Chương 4. Thực thi thiết kế Module đo và giám sát nhịp tim

8


Để có thể hoàn thành luận văn này, học viên chân thành cảm ơn TS Vũ Duy
Hải và các thầy, cô tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tuy đã cố gắng hết sức, nhưng do thời gian
và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, em rất mong sự bổ
sung, góp ý của các thầy cô!
Hà Nội, ngày 21 tháng10 năm 2016
Học viên

Đoàn Mạnh Cường

9


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung về nhịp tim
Cùng với các thông số như: huyết áp, chỉ số đường huyết, nồng độ oxy trong
máu, thân nhiệt…nhịp tim của con người là thông số quan trọng khác biểu diễn tình
trạng sức khỏe của con người. Khi một bệnh nhân đến khám bệnh thì công việc đầu
tiên của bác sỹ thường là kiểm tra nhịp tim, huyết áp bệnh nhân và trong suốt quá
trình điều trị thông số này cũng thường xuyên được thu thập, kiểm tra. Công việc
tưởng chừng như rất đơn giản nhưng trên thực tế lại có ý nghĩa trong công tác chuẩn
đoán và điều trị cho bệnh nhân, đặc biệt là với những bệnh tim mạch và bệnh nhân
hậu phẫu.
Nhịp tim - con số tưởng chừng rất quen thuộc nhưng không phải ai cũng tỏ

tường, nhất là khi nó là thông số hàng đầu về sức khỏe tim mạch. Các chuyên gia y
tế thường quan tâm đến nhịp tim khi kiểm tra sức khỏe hay đánh giá hiệu quả của
việc điều trị nói chung, và mỗi người chúng ta cũng rất cần hiểu rõ nhịp tim mình
để phát hiện những tín hiệu xấu.
Những bệnh liên quan đến khuyết tật bẩm sinh thì là những yếu tố bất khả
kháng. Những người bị các bệnh tim bẩm sinh càng cần thiết quan tâm và bảo vệ hệ
thống tim mạch của mình nhiều hơn. Trong trường hợp trẻ bị bệnh tim bẩm sinh các
bậc cha mẹ cần phải phát hiện các triệu chứng, đi kiểm tra để biết rõ con mình bị
khuyết tật tim bẩm sinh gì (nếu có) để chữa trị và phòng ngừa các nguy cơ xảy ra.
Nhịp tim là số lần tim đập trên mỗi phút. Nó phụ thuộc vào từng cá nhân, tuổi
tác, kích thước cơ thể, đang mắc bệnh hay ở trạng thái ngồi yên hoặc di chuyển, sử
dụng thuốc hay không, thậm chí nhiệt độ không khí cũng ảnh hưởng tới nhịp tim.
Một yếu tố gắn liền với chúng ta hàng ngày và có tác động đến nhịp tim một cách rõ
ràng, dễ nhận biết chính là cảm xúc: khi bị kích thích hay sợ hãi, vui mừng hay lo
lắng đều có thể làm tăng nhịp tim. Nhưng tất cả các yếu tố trên đều được dung hòa
để đưa nhịp tim ổn định nhờ sự phối hợp nhịp nhàng của hệ thần kinh trung ương,
hệ thần kinh tim, hệ mạch và các chất trung gian hóa học để làm cho cơ chế tim
hoạt động hiệu quả trở lại.

10


Trái tim là trung tâm của hệ tuần hoàn và cơ quan làm việc cần mẫn. Ở người
trưởng thành, tim có thể đập hơn 100.000 lần mỗi ngày. Ngay cả khi nghỉ ngơi, cơ
tim cũng làm việc, gấp đôi cơ chân khi chạy nước rút. Và khi cần, tim có thể tăng
tốc gấp hai lần trong vòng năm giây. Ở người lớn, lượng máu tim bơm thay đổi từ 5
lít một phút, 5 lít là xấp xỉ lượng máu trong cơ thể, đến 20 lít một phút khi tập thể
thao.
Nhịp tim được điều khiển bởi hệ thần kinh, hệ thống được thiết kế vô cùng
tuyệt vời. Hệ thần kinh đảm bảo ngăn trên của tim (tâm nhĩ) co bóp trước ngăn dưới

(tâm thất), bằng cách làm cho tâm thất co bóp sau tâm nhĩ chỉ một phần nhỏ của
giây. Điều đáng lưu ý là tiếng “thịch thịch” mà bác sĩ nghe qua ống nghe là tiếng
của van tim đóng lại, chứ không phải tiếng co bóp của cơ tim.
Trong một phút, trái tim của người trưởng thành, khỏe mạnh, đập khoảng 70
lần, mỗi lần đẩy ra 150ml máu. Một ngày tim đập 105,000 lần và bơm hơn 6000 lít
máu vào 96000 km mạch máu. Trong suốt đời người, tim lần lượt đập cả gần ba tỷ
nhịp, bơm ra cả triệu thùng máu. Tim làm việc liên tục ngày đêm, không mệt mỏi,
mặc dù tim chỉ to bằng nắm tay em bé và nặng trên 300 gram. Khả năng và cấu tạo
của tim vẫn tương đối toàn vẹn cho tới khi con người đi vào tử biệt, nếu không xảy
ra những biến cố, khó khăn.
Mặc dù tim đập là do chính trái tim điều khiển, nhưng nhịp tim có thể bị chi
phối bởi hệ thần kinh và nhiều yếu tố khác. Ðó là:


Hệ thần kinh tự chủ có thể thay đổi nhịp tim tùy theo nhu cầu tuần hoàn

của cơ thể. Các kích thích từ hệ thần kinh này làm nhịp tim nhanh hơn và tăng
lượng máu do tim đẩy ra ngoài. Nếu bị căng thẳng, lo âu hay đột nhiên vui buồn,
nhịp tim có thể tăng lên, đó là do yếu tố cảm xúc của não quyết định. Còn khi vận
động, hệ thống thần kinh trung ương sẽ gửi các xung động qua trung tâm tim mạch
ở hành não để yêu cầu sự phối hợp nhanh chóng của cả tim và các mạch máu để
thay đổi huyết áp, tăng cường máu tới các mô để đáp ứng nhu cầu oxy của cơ thể.


Kích thích từ hệ thần kinh phó giao cảm làm chậm nhịp tim.



Các hóa chất lưu hành trong máu như hormon, sắt, dược phẩm... cũng có

thể thay đổi nhịp tim.

11




Tập luyên cơ thể đều đặn làm cơ tim mạnh hơn và tăng lượng máu đẩy ra

mỗi lần tim đâp. Khi nghỉ ngơi, nhu cầu máu được thỏa mãn với nhịp tim chậm. Do
đó nhịp tim ở các vận động viên thể dục, thể thao đều chậm.


Yếu tố môi trường: Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm tăng cao, tim bơm máu nhiều

hơn một chút, và gây tăng nhịp tim, nhưng thường không quá 5 đến 10 nhịp/phút.
Sự thay đổi độ cao hay sức gió cũng có ảnh hưởng phần nào tới nhịp tim. Thời tiết
nóng là một trong những yếu tố gây tăng nhịp tim.


Nhịp thở: Khi hít vào, nhịp tim chậm lại, sau đó ngay lập tức trở lại bình

thường. Còn ở người bệnh phổi tắc nghẽn, khi họ khó thở hoặc thở gấp, nhịp tim lại
tăng cao để đáp ứng nhu cầu oxy của cơ thể.


Kích thước cơ thể: Ở những người béo phì, nhịp tim khi nghỉ có thể cao

hơn bình thường, nhưng thường không quá 100 nhịp/phút.


Thuốc: Các thuốc chẹn beta giao cảm có xu hướng làm giảm nhịp tim,

trong khi các thuốc điều trị bệnh tuyến giáp lại làm tăng nhịp tim. ¬ Bệnh tuyến
giáp: Nồng độ cao của hormone tuyến giáp làm tăng chuyển hóa, tăng nhịp tim, vã
mồ hôi và nhiều biểu hiện khác.


Thiếu máu, thiếu sắt: Có thể khiến cơ thể mệt mỏi, da nhợt nhạt, móng tay

giòn, dễ bị kích thích, tăng nhịp tim.


Sốt: Làm tăng nhu cầu trao đổi chất của cơ thể, do đó làm tăng nhịp tim để

đáp ứng nhu cầu oxy.


Sốc nhiễm trùng: Làm suy giảm hệ miễn dịch khiến cơ thể không còn khả

năng chống lại các tác nhân gây bệnh, ảnh hưởng tới hoạt động của hệ tuần hoàn,
trong đó có nhịp tim.


Sử dụng quá nhiều caffeine và chất kích thích: Có thể gây tăng nhịp tim,

khó chịu, mất ngủ, kích thích, trầm cảm và mệt mỏi.


Bệnh tim mạch: Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, bệnh xơ vữa động mạch

có thể dẫn đến bệnh mạch vành, suy tim hoặc rối loạn nhịp tim. Loạn nhịp tim có
thể làm cho tim đập quá nhanh, quá chậm hoặc không đều. Sự tổn thương cơ tim do
virus, vi khuẩn hay sử dụng thuốc cũng là nguyên nhân gây rối loạn nhịp tim.
Những bệnh về tim mạch có rất nhiều nhưng, nếu không phải khuyết tật bẩm sinh,
đều có thể chia ra 2 nhóm là loạn dưỡng và thiếu máu cục bộ. Những bệnh tim
12


mạch phổ biến trong nhóm loạn dưỡng có thể kể đến là suy tim, rối loạn nhịp tim,
hội chứng Stuart-Prower, viêm cơ tim, hội chứng Takayasu, hở van tim, viêm động
mạch… Những bệnh tim mạch phổ biến trong nhóm 2 là đau tim, nhồi máu cơ tim,
suy giãn tĩnh mạch, xơ vữa động mạch, đau thắt ngực, hẹp động mạch phổi, chặn
nhịp tim, triệu chứng Raynaud, viêm mạch, đột quỵ (hay còn gọi là tai biến mạch
máu não), tăng huyết áp, hạ huyết áp... Loạn nhịp tim cần được bác sĩ chuyên khoa
tim mạch xem xét kỹ càng về các dấu hiệu biểu lộ hoặc tìm thấy cũng như những
hậu quả mà loạn nhịp có thể gây ra. Khi đã biết rõ nguyên nhân gây ra loạn nhịp,
việc điều trị đều có thể thực hiện được với dược phẩm, các dụng cụ y khoa, giải
phẫu tim... Có nhiều loại dược phẩm rất công hiệu nhưng tác dụng phụ cũng không
phải là ít, cho nên việc sử dụng cần được sự chỉ định và theo dõi của các thầy thuốc
chuyên khoa. Mỗi loại loạn nhịp có dược phẩm riêng để làm tăng hoặc làm dịu
nhịp… Bệnh nhân cần tuân thủ các hướng dẫn về cách dùng về liều lượng, về khó
khăn có thể xảy ra khi dùng thuốc. Ðôi khi, chỉ “sai một li là đi một dặm”, loạn nhịp
trở nên ngưng nhịp, tim đứng yên...
Mục tiêu của đề tài hướng đến việc thiết kế một module xác định nhịp tim
bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị các thông số đo
được về nhịp tim lên một giao diện trực quan được xây dựng trên phần mềm
Processing. Phương pháp đo này sẽ không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu
tại nơi đặt cảm biến. Đầu đo này được thiết kế sao cho bệnh nhân không cảm thấy
khó chịu khi gắn để tiến hành đo liên tục trong một khoảng thời gian dài. Với giá

thành chấp nhận được, đề tài có thể là một giải pháp hữu ích cho các cá nhân, hộ gia
đình, bệnh viện… trong chăm sóc và theo dõi bệnh nhân hoặc trong trường học để
tìm hiểu về cơ chế hoạt động của nhịp tim, thực hành vận dụng các kiến thức đã học
về điện tử y sinh trong việc thiết kế và thi công một thiết bị đo, giám sát nhịp tim
đơn giản và hiệu quả [1].
1.2. Phân biệt nhịp tim với chỉ số huyết áp
Huyết áp và nhịp tim là là hai chỉ số khác nhau, không như sự lầm tưởng của
một số người. Huyết áp là áp lực của máu lên thành động mạch, trong khi nhịp tim
là số lần tim đập mỗi phút.

13


Không có mối liên quan trực tiếp giữa huyết áp với nhịp tim: Nhịp tim không
cho biết huyết áp cao hay thấp, ví dụ một số người huyết áp thấp nhưng nhịp tim
nhanh, và những người cao huyết áp lại có nhịp tim chậm hoặc bình thường.
Nhịp tim tăng không gây tăng huyết áp. Khi mới nghe đến hệ tim mạch, chúng
ta tưởng rằng huyết áp và nhịp tim có mối liên hệ với nhau, bởi mỗi khi tim đẩy
máu đi, mạch máu giãn ra, huyết áp giảm để máu lưu thông dễ dàng hơn. Nhưng sự
thật là nhịp tim có thể tăng nhưng huyết áp có thể không thay đổi và ngược lại. Một
ví dụ điển hình là khi vận động mạnh, nhịp tim có thể tăng gấp đôi để đưa máu tới
cơ bắp kịp thời, trong khi huyết áp có thể tăng với một con số khiêm tốn.
Có thể lấy nhịp tim để đánh giá hoạt động của tim và mức tiêu thụ oxy nhưng
nó không phải là phương pháp chẩn đoán thay cho việc đo huyết áp.
1.3. Nhịp tim trung bình
Nhịp tim (hay tần số tim) là số lần tim đập trong một phút. Nhịp tim của mỗi
chúng ta không giống nhau. Ở trạng thái nghỉ ngơi hoàn toàn và không bị căng
thẳng tâm lý, nhịp tim bình thường dao động trong khoảng 60-80 lần/phút. Khi vận
động thể lực (đi bộ, hoặc tập thể dục, thể thao), nhu cầu oxy của cơ thể tăng lên, đòi
hỏi tim phải đập nhanh hơn để có thể cấp đủ máu và oxy đi nuôi các cơ quan.

Nhịp tim ở trạng thái nghỉ ngơi hoàn toàn là tần số tim tối thiểu, nhịp tim ở
trạng thái gắng sức tối đa là tần số tim tối đa. Cả hai con số này đều không phải bất
biến. Nó thay đổi theo tuổi, điều kiện thời tiết, và mức độ khoẻ mạnh thể chất của
bạn. Nếu hiệu số giữa hai con số này càng lớn nghĩa là khả năng gắng sức của bạn
càng tốt.
Nhịp tim khi nghỉ dưới 60 lần/phút không nhất thiết là một biểu hiện bệnh lý.
Một số loại thuốc y khoa có thể làm chậm nhịp tim. Ngoài ra, nếu tập luyện thể thao
đều đặn, nhịp tim sẽ thấp hơn bình thường. Quả tim đã có sự thích nghi sinh lý với
cường độ vận động cao, nó trở nên “khoẻ” hơn, giãn to ra để đáp ứng với gắng sức
thể lực. Nhờ khả năng bơm máu hiệu quả hơn mà tim không cần đập nhanh như
bình thường mà vẫn đáp ứng được nhu cầu oxy của cơ thể. Ở một số vận động viên
chuyên nghiệp, tần số tim có thể xuống thấp tới mức 40 lần/phút.
Ngược lại, nếu quả tim yếu đi (suy tim), nó cần làm việc tích cực hơn để đảm
bảo cung cấp đủ máu cho cơ thể. Bệnh nhân suy tim thường có tần số tim vượt quá
14


90 lần/phút. Nếu nhịp tim của bạn thường xuyên vượt quá con số này, không hẳn là
bạn bị suy tim, nhưng tim của bạn không khoẻ lắm đâu, hãy đến khám bác sỹ.
Thông thường, tần số tim đập tỉ lệ nghịch với kích thước cơ thể - nghĩa là con
vật càng lớn thì tần số càng chậm. Nhịp tim con người lúc mới sinh là khoảng 130
mỗi phút, giảm xuống khoảng 70 khi trưởng thành. Phụ nữ có nhịp tim nhanh hơn
nam giới khoảng 5 lần tim đập.
Theo thông số của Dịch vụ y tế quốc gia vương quốc Anh (National health
service) thì những nhịp mạch dưới đây được coi là lý tưởng (nhịp/phút):
 Trẻ sơ sinh: 120 160.
 Trẻ 1 12 tháng tuổi: 80 140.
 Trẻ 1 2 tuổi: 80 130.
 Trẻ 2 6 tuổi: 75 120.
 Trẻ 7 12 tuổi: 75 100.

 Người trưởng thành từ 18 tuổi: 60 100 (nhịp mạch sẽ giảm dần theo tuổi).
Khi hấp hối, nhịp mạch cơ thể sẽ tăng lên 160 nhịp/phút, đó là lý do vì sao
trước khi chết con người thường đột ngột tỉnh táo trong một khoảng thời gian ngắn
[1].
Nam

Tuổi

Phụ nữ

18-25 26-35 36-45 46-55 56-65 65+

Tuổi
18-25 26-35 36-45 46-55 56-65 65+

Vận động viên 49-55 49-54 50-56 50-57 51-56 50-55 Vận động viên

54-60 54-59 54-59 54-60 54-59 54-59

Tuyệt vời

56-61 56-61 57-62 58-63 57-61 56-61 Tuyệt vời

61-65 60-64 60-64 61-65 60-64 60-64

Tốt

62-65 62-65 63-66 64-67 62-67 62-65 Tốt

66-69 65-68 65-69 66-69 65-68 65-68

Trên trung bình 66-69 66-70 67-70 68-71 68-71 66-69 Trên trung bình 70-73 69-72 70-73 70-73 69-73 69-72
Trung bình

70-73 71-74 71-75 72-76 72-75 70-73 Trung bình

74-78 73-76 74-78 74-77 74-77 73-76

Dưới trung bình 74-81 75-81 76-82 77-83 76-81 74-79 Dưới trung bình 79-84 77-82 79-84 78-83 78-83 77-84
Yếu

82+ 82+ 83+ 84+ 82+ 80+ Yếu

85+ 83+ 85+ 84+ 84+ 85+

Hình 1.1. Thông số đánh giá nhịp người bình thường trạng thái nghỉ ngơi

15


1.4. Một số phương pháp xác định nhịp tim
1.4.1. Sóng mạch, nhịp mạch và phương pháp đo nhịp tim thủ công
Mỗi lượng máu được đẩy ra khỏi tim và chạy trong các động mạch được gọi là
sóng mạch hoặc đơn giản là mạch. Phần lớn động mạch đều được giấu kín trong cơ
thể nhưng có một vài điểm lại nằm sát với bề mặt da. Tốc độ sóng mạch trung bình
là khoảng 6-8 m/s tùy địa điểm. Bắt mạch là đặt tay vào những điểm động mạch ở
gần với bề mặt da nhất để cảm nhận những sóng mạch này.
Trong y học Trung Hoa những điểm động mạch cùng những điểm đầu mối dây
thần kinh được gọi là các điểm thần kinh và mạch máu, gọi tắt là kinh mạch. Những
điểm kinh mạch nhỏ thường được gọi là huyệt, châm cứu huyệt cũng được chia ra

làm châm cứu kinh và châm cứu mạch, chủ yếu là để giúp lưu thông máu ở những
huyệt bị tắc hoặc kích thích dây thần kinh. Tổn thương kinh mạch vô cùng nguy
hiểm và có nguy cơ gây tử vong rất lớn nếu không được cứu chữa kịp thời.
Những vị trí tốt nhất để bạn bắt được nhịp đập của tim chính là: Vùng dưới
hàm, cổ tay, khuỷu tay, háng hoặc trước cổ chân. Mạch ở vùng dưới hàm được gọi
là mạch động mạch cảnh. Mạch bắt được ở trên háng được gọi là mạch đùi. Mạch ở
cổ tay được gọi là mạch radial. Mạch pedal là ở trước cổ chân, cánh tay và dưới
khuỷu tay.

Hình 1.2. Các điểm động mạch áp sát bề mặt da
16


Trong một cơ thể khỏe mạnh, nhịp mạch sẽ bằng với nhịp tim, tức là khoảng
70-75 nhịp/phút. Trong một số trường hợp bị bệnh, ví dụ rung nhĩ (một dạng rối
loạn hệ thống dẫn truyền), có thể xảy ra việc tâm thất co trống không do tâm nhĩ
chưa kịp đưa máu vào, dẫn đến nhịp mạch và nhịp tim sẽ khác nhau.
Tim co bóp do một nhóm tế bào đặc biệt nằm ở vách sau của tâm nhĩ phải khởi
xướng và quyết định số nhịp đập của tim. Ðó là nút-xoang-nhĩ (sino-atrial node),
một máy điều hòa nhịp tim (pacemaker) tự nhiên. Nút phát ra những xung lực điện,
được những sợi cơ tim đặc biệt dẫn truyền tới kích thích các ngăn của tim co bóp.
Âm thanh co bóp được diễn tả bằng hai âm tiết “lubb” và “dupp”, nghe được khi ta
đặt tai vào ngực để nghe. Âm “lubb” trầm, dài hơn, khi tâm thất bắt đầu bóp và các
van nhĩ thất khép lại. Âm “dupp” thanh nhưng ngắn hơn khi tâm thất bắt đầu thư
giãn và các van bán nguyệt khép lại..
Mạch (pulse) là do sóng áp suất chuyển tới động mạch mỗi khi trái tim co bóp,
đẩy máu ra ngoài. Mạch được nhận ra dễ dàng trên các động mạch nổi gần mặt da
như động mạch quay (radial artery) ở cổ tay động mạch cảnh (carotid artery) ở cổ,
động mạch ở cổ chân, ở bẹn, ở thái dương....
Mạch được tính theo số lần tim đập trong một phút và có thể đếm dễ dàng bằng

cách đặt đầu ngón tay giữa và trỏ lên một động mạch nổi trên da. Ngón tay sẽ cảm
thấy tiếng chuyển động nhè nhẹ của sóng áp lực trên mạch máu đó. Mỗi sóng tương
ứng với một lần tim bóp. Khi bắt mạch, nên thoải mái, thư giãn, vì nếu hồi hộp, lo
lắng, nhịp tim thường nhanh hơn một chút. Ðếm mạch trong 1 phút hoặc trong 30
giây rồi nhân đôi để có số nhịp tim.
Nhịp tim bình thường tùy thuộc tuổi tác, tình trạng sức khỏe, thời gian trong
ngày... Buổi sáng trước khi thức giấc, nhịp thấp nhất. Khi hít thở vào, nhịp hơi
nhanh hơn và khi thở ra, nhịp hơi chậm. Nhịp phải đều đặn, có nghĩa là thời gian
giữa hai nhịp phải bằng nhau.
1.4.2. Xác định nhịp tim mục tiêu để luyện tập an toàn
Nhịp tim tối đa: Là nhịp tim có thể đạt được tối đa khi vận động gắng sức.
Nhịp tim mục tiêu: Là khoảng nhịp tim an toàn, giúp ta có chế độ luyện tập hợp
lý để tránh biến chứng xảy ra khi vận động hoặc làm việc gắng sức.

17


Để có thể xác định nó, ta có thể bắt mạch ở cổ tay và đếm số nhịp đập trong
vòng 10 giây, nhân 6 để tìm số nhịp đập trên mỗi phút. Số nhịp đập/phút này nên
nằm trong khoảng 50% đến 85% nhịp tim tối đa, đây được gọi nhịp tim mục tiêu.
Ví dụ, nhịp tim tối đa là 170 nhịp/phút thì nhịp tim mục tiêu là 85 ¬145 nhịp/phút.
Tuy nhiên, phương pháp xác định này khó chuẩn xác và phức tạp. Ta có thể xác
định nhịp tim tối đa theo phương thức Karvonen, mức cực hạn của tim bằng cách
lấy 220 trừ đi tuổi.
Bảng sau đây cho thấy nhịp tim mục tiêu cho các độ tuổi khác nhau dựa trên
nhịp tim tối đa. Khi hoạt động ở cường độ cao nhịp tim mục tiêu sẽ dao động ở
khoảng 50¬69% nhịp tim tối đa, khi hoạt động thể chất gắng sức, nó sẽ ở khoảng
70% đến dưới 90% nhịp tim tối đa.
Nhịp tim mục tiêu (nhịp/phút)

Nhịp tim tối đa (nhịp/phút)

20 tuổi

100 – 170

200

30 tuổi

95 – 162

190

35 tuổi

93 – 157

185

40 tuổi

90 – 153

180

45 tuổi

88 – 149

175

50 tuổi

85 – 145

170

55 tuổi

83 – 140

165

60 tuổi

80 – 136

160

65 tuổi

78 - 123

155

70 tuổi

75 - 128

150

Tuổi

Sau khi thực hiện khảo sát, một số chuyên gia đã chia nhịp tim thành các vùng.
Thông tin ở mỗi vùng sẽ giúp bạn dễ dàng điều chỉnh nhịp tim khi luyện tập:
Vùng 1: 50-60% nhịp tim tối đa. Lúc này, cơ thể thực hiện các hoạt động thông
thường như đi bộ, làm việc nhà.
Vùng 2: 60-70% nhịp tim tối đa. Bạn có thể duy trì mức nhịp tim này bằng
những động tác khởi động trước khi chạy và thư giãn sau khi chạy về.
Vùng 3: 70-80% nhịp tim tối đa. Khi rơi vào vùng này, cơ thể bạn sẽ hoạt động
với cường độ vừa phải. Theo các chuyên gia về sức khỏe thì mỗi người nên tập
18


luyện cho tim để nhịp tim của mình trong vùng 60-80% nhịp tối đa, trong khoảng
thời gian từ 15 đến 30 phút mỗi ngày và 5 ngày mỗi tuần. Ngoài ra, khi nhịp tim ở
vùng này thì cơ thể sẽ có sự chuyển hóa mỡ dư thừa trong cơ thể thành năng lượng
nên rất tốt cho sức khỏe.
Vùng 4: 80-90% nhịp tim tối đa. Tốc độ vận động khiến bạn phải cố gắng
nhưng vẫn cảm thấy thoải mái, vẫn đủ sức nói những câu ngắn, vắn tắt [1][3].
1.4.3. Phương pháp xác định nhịp tim trong y tế
14.3.1. Nghe tim
Nhịp tim được xác định qua một ống nghe đặt hơi lệch về phía ngực bên trái, là
phương pháp chẩn đoán nhịp đỉnh (tiếng đập từ mỏm tim) chính xác nhất để đánh
giá sức khỏe tim mạch. Nhịp đỉnh cho biết các thông tin về số lượng, nhịp điệu, tình
trạng hoạt động của tim. Tâm nhĩ co bóp không gây tiếng động, nhưng tâm thất co
bóp thì gây tiếng động. Tiếng động của tâm thất gây ra là tiếng của các van tim
đóng. Khi tâm thất co bóp, các van lá sẽ đóng sập lại gây ra tiếng động – đây là âm
thanh tim đầu tiên. Âm thanh tim thứ 2 sẽ phát ra khi tâm thất giãn và các van bán

nguyệt đóng. Hai âm thanh tim xảy ra rất gần nhau và có thể nghe được bằng tai
thường. Tim đập “thình thịch” chính là cách gọi của 2 âm thanh tim này. Nếu van
tim có vấn đề, bác sỹ sử dụng ống nghe có thể nghe được những tiếng thổi ở tim
(âm thổi) và nhờ vậy có thể phát hiện ra.

Hình 1.3. Một thiết bị nghe nhịp tim
1.4.3.2. Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric
Quá trình đo được thực hiện theo trình tự: dùng một bao khí có gắn sensor đo,
quấn quanh bắp tay của người cần đo (nơi có động mạch chạy qua), bắp tay nơi
quấn bao khí phải được đặt ngang tim. Trước tiên bao khí được bơm căng lên để áp
19


suất trong bao cao (thông thường bơm lên cỡ 180mmHg là đủ, đặc biệt những người
già có thể phải bơm lên cỡ 200mmHg). Lúc này động mạch được bao khí chẹn lại,
máu không chảy được trong động mạch ở chỗ bị quấn bao khí. Tiếp theo người ta
xả từ từ khí trong bao ra, lúc này áp suất trong bao khí mới bắt đầu thay đổi theo
nhịp đập của tim, do đó tín hiệu điện mà sensor áp suất đưa ra cũng thay đổi đồng
bộ với nhịp tim.

Hình 1.4. Thiết bị đo huyết áp và nhịp tim phổ biến

Hình 1.5. Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric.
Chu kỳ thay đổi của tín hiệu điện này đúng bằng chu kỳ của tim. Phương pháp
đo nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ này trong một khoảng thời gian nhất định.
Phương pháp này tuy đơn giản nhưng độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong
khoảng thời gian không đủ lớn.
20

Hạn chế của phương pháp đo nhịp tim Ocillometric: Bao khí chặn 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 tuy 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 bằng một phương
pháp để lấy được tín hiệu đồng bộ 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.
1.4.3.3. Điện tâm đồ (ECG).
Các dòng điện nhỏ sẽ được phát ra từ hệ thống dẫn truyền để kích thích cơ tim
co bóp. Những dòng điện này sẽ tạo ra một điện trường và điện trường này có thể
được ghi lại trên bề mặt cơ thể bằng một thiết bị đặc biệt gọi là máy ghi điện tim.
Hoạt động của tim được ghi trên giấy qua máy ghi điện tim được gọi là điện tâm đồ.
Có nhiều cách lắp các đầu điện cực của máy trên bề mặt cơ thể để ghi điện tim.
Trong trường hợp thông thường các bệnh viện thường lắp 10-12 điện cực ở những
điểm sau: 2-3 đầu lưỡng cực và 2-3 đầu đơn cực ở các chi và 6 đầu đơn cực ở vùng
ngực. Các chi bên phải điện cực âm, bên trái điện cực dương, trong trường hợp lắp
12 điện cực thì lắp đối chiếu tay trái và chân trái, tay trái âm, chân trái dương.

Hình 1.6. Điện tâm đồ
21


Điện tâm đồ bao gồm tập hợp các đường cong, có đoạn lên đoạn xuống, còn
được gọi là răng cưa. Tổng cộng có 5 loại răng là P, Q, R, S, T.

Hình 1.7. Răng cưa điện tâm đồ
P là sóng điện kích thích cơ tâm nhĩ, QRS là kích thích cơ tâm thất, T là cơ tim
quay lại trạng thái nghỉ, T-P là thời gian nghỉ ngơi của toàn bộ cơ tim (tim trương).
Dựa vào điện tâm đồ có thể thấy chu kỳ của từng bộ phận tim, lực co bóp ..., cực kỳ
hữu hiệu để phát hiện ra các rối loạn có thể có trong hoạt động cơ tim. Trước đây

đọc điện tâm đồ khá khổ cực vì phải đọc tỉ mỉ và kỹ từng răng trên giấy kẻ vuông (1
vạch là 0,05 giây) để không bỏ sót sự sai lệch nào trong hoạt động của tim. Hiện
nay có nhiều chương trình phần mềm y tế có thể đọc điện tâm đồ và phát hiện dấu
hiệu bất thường rất chính xác, tuy nhiên để chẩn đoán bệnh qua điện tâm đồ vẫn cần
ý kiến chuyên gia[2].
1.4.4. Đo nhịp tim bằng các thiết bị điện tử
Các thiết bị điện tử hỗ trợ đo và cảnh báo nhịp tim hiện nay được phát triển rất
đa dạng về kiểu dáng, cách thức đo có thể xét đến:
- Các thiết bị đeo tay: Đồng hồ thông minh SmartWatch, vòng đeo tay thông
minh của các hãng Apple, SamSung, Sony…
- Đo nhịp tim bằng cảm biến tích hợp trên SmartPhone hoặc các ứng dụng trên
điện thoại thông minh xác định nhịp tim qua đèn Flash.
- Máy đo nhịp tim và huyết áp điện tử.
- Thiết bị đo nồng độ SpO2 và nhịp tim điện tử.

22


Hình 1.8. Một loại vòng đeo tay và đồng hồ thông minh có chức năng đo nhịp tim

Hình 1.9. Đo nhịp tim bằng ứng dụng hoặc cảm biến nhịp tim trên SmartPhone

Hình 1.10. Thiết bị đo huyết áp, nhịp tim, SpO2 điện tử loại quấn tay và kẹp tay

23