Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim

Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


LỜI CẢM ƠN


Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS-
TSKH Nguyễn Phú Thùy, người đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận.
Em xin cảm ơn TS Nguyễn Thăng Long, anh Bùi Thanh Tùng, anh Đặng
Anh Việt, những người đã có những đóng góp hết sức quý báu giúp em hoàn
thành khóa luận một cách tốt nhất.
Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh giúp
đỡ
, động viên tôi hoàn thành khóa luận này.

1
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang





TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Nhiệt độ, huyết áp, nhịp tim… là các thông số quan trọng của cơ thể trong
việc khám và chữa bệnh.
Mỗi thông số cần một thiết bị đo khác nhau. Nếu kết hợp các thiết bị này
lại thành một hệ thống có khả năng đo được nhiều thông số của bệnh nhân thì sẽ
rất tiện lợi cho các trung tâm y tế hay bệnh viện.
Một hệ thống như v
ậy sẽ được phát triển bởi nhiều người và sẽ không giới
hạn số lượng các thông số có thể đo được.
Nội dung của khóa luận này được chia thành 2 phần.
Phần 1: Trình bày về một phương pháp đo nhịp tim mà không ảnh
hưởng tới sự lưu thông của máu.
Phần 2: Nghiên cứu phương pháp hấp thụ quang học để xác định nồng
độ bão hòa của Oxi trong máu.
Cuối cùng là một số kế
t luận và đánh giá

2
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang








Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................4
PHẦN 1. ĐO NHIP TIM BẰNG PHƯƠNG HẤP THỤ QUANG HỌC......................5

1.1

Huyết áp, nhịp tim và các phương pháp đo .............................................................................................. 5

1.1.1

Khái niệm về huyết áp và nhịp tim ..................................................................................................... 5

1.1.2

Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric.................................................................................... 6

1.1.3

Tổng quan hệ đo ................................................................................................................................. 7

1.1.3.1

Hệ thống đo các thông số bệnh nhân đã được xây dựng .......................................................... 7

1.1.3.2

Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên.................................................... 11

1.2

Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học .............................................................................. 11

1.2.1

Vị trí đặt cảm biến ............................................................................................................................ 12

1.2.2

Thiết kế mạch đo .............................................................................................................................. 14

1.2.3

Kết quả và đánh giá .......................................................................................................................... 25

PHẦN 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ BÃO HOÀ CỦA OXI
TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ QUANG HỌC
............................26
2.1

Mở đầu ....................................................................................................................................................... 26

2.1.1

Sự cần thiết của Oxi trong máu......................................................................................................... 26

2.1.2

Sự vận chuyển khí O
2
của máu ......................................................................................................... 26

2.2

Một số khái niệm....................................................................................................................................... 26

2.2.1

Nồng độ bão hòa của Oxi trong máu ................................................................................................ 26

2.2.2

Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của Oxi trong máu........................................................ 27

2.3

Các phương pháp đo nồng độ Oxi trong máu ........................................................................................ 27

2.4

Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu........................................................................... 27

2.5

Nguyên lý của Pulse Oximetry ................................................................................................................. 30

2.6

Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu............................................................................................... 33

2.6.1

Sơ đồ khối và chức năng...................................................................................................................34

2.6.2

Sơ đồ nguyên lý hệ đo ...................................................................................................................... 35

2.6.3

Sơ đồ khối Pulse Oximeter sử dụng Psoc. ........................................................................................ 41

KẾT LUẬN ................................................................................................................42

3
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................43



LỜI MỞ ĐẦU

Huyết áp, nhịp tim là những

thông số quan trọng của cơ thể người. Khi một
bệnh nhân đến khám bệnh thì công việc đầu tiên của các bác sỹ thường là kiểm tra
huyết áp, nhịp tim, và trong suốt quá trình điều trị thì các thông số này cũng thường
xuyên được thu thập, kiểm tra. Công việc tưởng chừng như rất đơn giản nhưng trên
thực tế lại rất có ý nghĩa trong công tác chuẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân, đặc bi
ệt
là với những người có bệnh về tim mạch và các bệnh nhân hậu phẫu.
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhiều căn bệnh mới cũng được

phát hiện. Trong số đó có một số căn bệnh rất nguy hiểm, đe doạ sức khoẻ cộng đồng.
Đặc biệt nguy hiểm đối với các nhân viên y tế, những người phải thường xuyên tiếp
xúc với bệ
nh nhân.
Năm 2004 khóa luận tốt nghiệp của anh Bùi Thanh Tùng đã trình bày cách
xây dựng một hệ đo huyết áp và nhịp tim của bệnh nhân từ xa. Đây là một khóa luận
đã trình bày rất kỹ về lý thuyết cũng như thực nghiệm và kết quả đo được rất khả quan
đủ chính xác để có thể đem ứng dụng ngay trong các trung tâm y tế hay trong bệnh
viện. Sai số của phép đo nhịp tim trong hệ đo này tố
i đa là 3 nhịp,nhưng vì nhịp tim là
một giá trị nhất thời, bị ảnh hưởng nhiều bởi trạng thái tâm lý của bệnh nhân lúc đo
nên sai số này hoàn toàn có thể chấp nhận được.
Với mục đích của những người thiết kế hệ đo này : Một hệ thống tin cậy có
thể đo được nhiều thông số của bệnh nhân, do đó nó cần được phát triển để cho ra k
ết
quả chính xác nhất. Nội dung của khóa luận này trình bày một phương pháp khác, một
cải tiến để đo nhịp tim chính xác hơn.
Ngoài ra bản khóa luận còn trình bày cách xây dựng một thiết bị đo nồng độ
bão hòa của Oxi trong máu - Nhằm bổ sung thêm một chức năng mới cho hệ thống đo
các thông số của bệnh nhân.

4
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


ĐO NHIP TIM BẰNG PHƯƠNG HẤP THỤ QUANG
HỌC
1.1 Huyết áp, nhịp tim và các phương pháp đo

1.1.1 Khái niệm về huyết áp và nhịp tim


¸p suÊt
thêi
g
0,0
P1
P2
T1 T2
S
y
s
t
o
l
i
c
D
i
a
s
t
o
l
i
c


Ống nghe

Động mạch
Bao kh
í

hiển thị
Hinh 2 Dạng tín hiệu nhịp đập của tim
Hình 1 Nguyên tắc đo huyết áp
Theo y học, huyết áp là áp suất mà máu tác dụng lên thành mạch máu. Thông
thường người ta thường đo áp suất máu tác dụng lên thành động mạch (arterial blood
pressure). Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn đo cả huyết áp tĩnh mạch
(venous pressure), huyết áp trong tĩnh mạch trung tâm (central venous pressure -
CVP), huyết áp động mạch phổi (pulmonary artery pressure), huyết áp trong tim
(intracardiac blood pressure)… Tuy nhiên khi nói đến đo huyết áp thì người ta chủ yếu
muốn nói đến việc đo áp suất mạch máu tác dụng lên động mạ
ch.
Trước tiên ta tìm hiểu về cơ chế sinh lý của tim. Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu
đi khắp cơ thể. Trước tiên, tim giãn ra dồn máu vào (thời điểm T1 trên hình 2), lúc này
áp suất của máu trong động mạch là nhỏ nhất-huyết áp tâm trương (Diastolic Presure-

5
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


DP). Tiếp theo, tim co bóp dồn máu đi, đây là thời điểm áp suất tác dụng lên thành
mạch lớn nhất (thời điểm T
2
trên hình 2). Giá trị huyết áp này được gọi là huyết áp tâm
thu (Systolic Presure-SP). Hai giá trị này rất quan trọng trong công tác chẩn đoán
bệnh, nhất là các bệnh về tim mạch. Khi đo huyết áp, chủ yếu người ta đo hai giá trị

này.
Một thông số nữa cùng thông số huyết áp giúp các bác sỹ chuẩn đoán tình
hình sức khoẻ của bệnh nhân đó là thông số nhịp tim. Nhịp tim được xác định là số lần
đập của tim trong một phút. Thông thường khi xác định huyế
t áp, người ta xác định
kèm theo thông số nhịp tim. Công việc này thực hiện đơn giản bằng cách đếm nhịp tim
và lấy trung bình số lần tim đập trong một phút.
1.1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric
Thông thường nhịp tim được đo cùng với huyết áp do đó phương pháp đo nhịp
tim thường gắn liền với phương pháp đo huyết áp.
Cách đo huyết áp - nhịp tim theo như sau:
Phương pháp Ocillometric:
Quá trình đo được thự
c hiện theo trình tự: người ta dùng một bao khí có gắn
sensor đo áp suất, quấn quanh bắp tay của người cần đo (nơi có động mạch chạy qua).
Vị trí, tư thế của người cần đo huyết áp cũng phải đúng, cụ thể là bắp tay nơi quấn bao
khí phải đặt ngang tim. Trước tiên bao khí được bơm căng lên để áp suất trong bao cao
hơn huyết áp cao nhất (thông thường bơm lên cỡ 180 mmHg là đủ,
đặc biệt những
người già có thể phải bơm lên cỡ 200 mmHg). Lúc này động mạch bị bao khí chẹn lại,
máu không chảy được trong động mạch ở chỗ bị quấn bao khí (như mô tả trên hình 1).
Tiếp theo người ta xả từ từ khí trong bao ra. Khi áp suất trong bao lớn hơn huyết áp
cao nhất thì máu không thể lưu thông trong động mạch. Chỉ khi áp suất trong bao cân
bằng với áp suất của máu trong động mạch thì trong động mạch máu mới
được lưu
thông và lúc này áp suất ở 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.Chu kỳ
thay đổi của tín hiệu điện này đúng bằng chu kỳ nhịp tim.
Do đó với phương pháp này có thể đo nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ này
trong một khoảng thời gian nhất định sau đ

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

6
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


1.1.3 Tổng quan hệ đo
1.1.3.1
Hệ thống đo các thông số bệnh nhân đã được xây dựng



Mot or
b¬m
khÝ
Vi ®iÒu khiÓn
Modem
Ant ena
BiÕn ®æi
t−¬ng tù -
C¶m
biÕn
Bao khÝ
TÝn hiÖu
huyÕt ¸p
sè
Hình 3 Sơ đồ khối module đo từ xa

M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
M¹ch ®o
M odule thu
ph¸t kh«ng d©y
Hình 4 Cấu trúc tổng quan hệ đo huyết áp và nhịp tim
từ xa
Khi cần đo các thông số huyết áp, nhịp tim của một bệnh nhân nào đó, nhân
viên y tế thông qua máy tính trung tâm sẽ gửi lệnh tới module đo của bệnh nhân tương
ứng. Module đo sẽ tự động thu thập các thông tin cần thiết và gửi về máy tính trung
tâm qua các module thu phát không dây. Với hệ thống này, bác sỹ không những không
cần phải đến tận giường bệnh nhân mà còn có thể kiểm tra, thu thập số liệu về huyết
áp, nhịp tim c
ủa một số lượng bệnh nhân trong một thời gian ngắn.
Hình 2 chỉ ra sơ đồ khối mô tả cấu trúc của một module thực hiện việc đo
huyết áp, nhịp tim từ xa. Khi nhận được tín hiệu yêu cầu đo huyết áp, nhịp tim từ trung

7

Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


tâm, module đo sẽ thực hiện một lần đo. Tín hiệu huyết áp từ động mạch thông qua
bao khí được truyền tới vi cảm biến áp suất, vi cảm biến áp suất sẽ biến đổi thành dạng
tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đổi tương tự số. Bộ biến đổi tương tự-số sẽ biến đổi
tín hiệu điệ
n thu được từ cảm biến thành tín hiệu số rồi chuyển cho vi điều khiển xử lý.
Vi điều khiển xử lý tín hiệu thu được, xác định huyết áp cao nhất, thấp nhất,nhịp tim
rồi gửi kết quả về cho máy tính trung tâm. Hệ thống hoạt động như sau:
Các module đo có thể hoạt động ở một trong hai chế độ: tự động hoàn toàn
hoặc bán tự động. Với nh
ững bệnh nhân vẫn còn đủ sức khoẻ và tỉnh táo thì có thể
thiết lập cho module đo hoạt động ở chế độ bán tự động, tức là việc đo huyết áp, nhịp
tim được thực hiện với sự phối hợp của người bệnh. Với trường hợp bệnh nhân không
đủ khả năng phối hợp với các bác sĩ thì module được thiết lập để có thể đ
o được hoàn
toàn tự động. Việc thiết lập để module hoạt động ở chế độ nào có thể thực hiện ở thời
điểm ra lệnh đo trên máy tính trung tâm.
Cảm biến áp suất được dùng cho hệ thống trên là MPX10, đây là sản phẩm
của hãng Motorola, được chế tạo dựa trên nguyên lý áp trở theo công nghệ MEMS.
Cảm biến có điện áp lối ra tỉ lệ tuyến tính với áp suất lối vào và
độ chính xác cao.

Hình 5 Đáp ứng Điện áp – áp suất của cảm biến MPX10
Sau đây là sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim :

8
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo

nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang



9
Tín hiệu áp
ấ
Cảm biến

Tiền khuyếch đại và
dịch mức
Lọc bỏ thành phần một
chiềuvà nhiễu
Khuyếch đại và tạo
dạng
Lọc và đếm xung
( Vi điều khiển )

Hiển thị kết quả
( LCD )


Hình 6 Sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim dùng cảm biến áp suất


Cã nhÞp tim
Start
Cã s−ên lªn cña xung
Start bé ®Õm
Cã s−ên lªn cña xung

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

Hình 7. Lưu đồ thực hiện đo nhịp tim
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang



Khối tiền khuyếch đại: tín hiệu thu được từ cảm biến trước tiên được đưa vào
mạch tiền khuyếch đại.
Khối khuyếch đại và dịch mức tín hiệu: tín hiệu lối ra của khối tiền xử lý sẽ
được khuếch đại và dịch mức cho phù hợp với lối vào của bộ biến đổi ADC.
Bộ lọc thông cao: nhằm loại bỏ nền một chiề
u của tín hiệu, chỉ cho những tín
hiệu biến thiên đi qua.
Khối khuyếch đại và tạo dạng: tín hiệu thu được tại lối ra của bộ lọc rất nhỏ
nên tiếp đó tín hiệu được đưa qua bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán.
Tiếp đó, tín hiệu được đưa qua bộ tạo dạng nhằm vuông hóa, đồng thời loại
bỏ được nhiễu,do tác dụ
ng của ngưỡng so sánh nên chỉ có những tín hiệu nhịp đập thật
sự mới cho lối ra có tín hiệu. Tín hiệu từ đây được đưa tới bộ đếm để xác định nhịp
tim.

Lưu đồ của quá trình đo nhịp tim như trên hình 7.
Để xác định số lần tim đập trong một phút ta đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập.
Việc đo chu kỳ của tín hiệu được thực hi
ện hoàn toàn bằng phần mềm. Để nâng cao độ
chính xác của phép đo, phần mềm thực hiện đo chu kỳ trung bình bằng cách tính
khoảng thời gian giữa hai xung của một số cặp xung rồi chia trung bình.. Ở vi điều
khiển cũng có thể coi là có một bộ lọc bằng phần mềm. Bằng cách phân tích tín hiệu
nhịp tim ta thấy rằng nhịp tim thông thường không nhỏ hơn 50 và không quá 200 nhịp
một phút. Trên cơ sở
đó, bằng phần mềm ta có thể loại ngay những chu kỳ đo được
gây ra bởi nhiễu. Việc kết hợp lọc cả bằng phần cứng lẫn phần mềm làm tăng thêm độ
chính xác của phép đo. Lưu đồ thục hiện việc xác định nhịp tim được mô tả trên hình
8. Quá trình trên được thực hiện thông qua các ngắt tuy nhiên để thuận tiện cho việc
giải thích, lưu đồ thực hiệ
n một lần đo chu kỳ của tín hiệu nhịp tim được chỉ ra như ở
hình trên. Chân ngắt của vi điều khiển luôn sẵn sàng chờ tín hiệu nhịp tim tác dụng.
Khi có tín hiệu tác dụng vào chân này (cụ thể là khi có sườn lên của xung), bộ định
thời sẽ được khởi phát. Xung nhịp tác dụng tới bộ định thời là xung nhịp nội với chu
kỳ là 128µs. Tiếp đó vi điều khiển s
ẽ lại tiếp tục chờ ngắt tiếp theo. Khi có ngắt tiếp
theo tác dụng tức là có tín hiệu nhịp tim tiếp theo, vi điều khiển sẽ lập tức dừng bộ
định thời, căn cứ vào số đếm ban đầu (bằng 0) và số đếm hiện tại, cùng với chu kỳ của
xung nhịp tác dụng (128 µs) có thể dễ dàng tính ra chu kỳ của tín hiệu nhịp tim. Chu
kỳ này sẽ được kiểm tra, n
ếu nằm trong khoảng cho phép thì giá trị này sẽ được lưu
lại, nếu không nó sẽ bị huỷ. Việc đo chu kỳ được thực hiện lặp lại một số lần (cụ thể là

10
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang

5 lần) rồi các kết quả này được tính trung bình. Từ giá trị trung bình này ta tính ra
được nhịp tim của người đo tại lúc đo.
1.1.3.2 Một vài nhận xét về kết quả đo nhịp tim của hệ thống trên
Với phương pháp mô tả trên,do có lọc nhiễu bằng cả phần cứng lẫn phần mềm
nên độ chính xác của phép đo khá cao.
Tuy nhiên vì phương pháp Ocillometric chủ yếu để đo huyết áp nên phải dùng
bao khí để chặ
n nghẽn dòng máu trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập của
tim nhận được sẽ bị sai khác so với bình thường. Sai khác này khá nhỏ nhưng ít nhiều
vẫn ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo nhịp tim.
Vậy để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất nếu bằng một
phương pháp cảm biến nào đó để lấy được tín hiệu đồng b
ộ với nhịp tim mà không hề
ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi cảm biến thì sẽ càng nâng cao độ chính xác
cho phép đo.
Do đó mục đích của bài khóa luận này là trình bày một phương pháp cảm biến
khác với cảm biến áp suất để đo nhịp tim mà không tác động vào sự lưu thông máu.
Tiếp theo em xin trình bày về phương pháp hấp thụ quang học để đo nhịp tim.
1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim
mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm
biến quang học. Phương pháp cảm biến này như sau:
Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim
giãn ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi
tim co lại áp suất trong độ
ng mạch tăng lên. Chính sự thăng giáng áp suất máu này sẽ
làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được
truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến

thiên đồng bộ với nhịp tim.
Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi
truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn,
ánh sáng sau khi truyền qua được
động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.

11
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang



Hình 9 Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền
qua ngón tay
T
h
Thời gian
I
p
Photodiode
I
out
Độn
g
mạc
I
in
Hình 8 Sự truyền ánh sáng qua động
mạch
Bố trí một Photodiode để nhận ánh sáng sau khi truyền qua động mạch thì ta

có thể nhận được tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim.
Với cách giải thích như trên, để tăng độ chính xác của tín hiệu thì nguồn sáng
phải phát ra ánh sáng với cường độ không đổi theo thời gian.
1.2.1 Vị trí đặt cảm biến
Sau khi đã có ý tưởng về cảm biến quang học như trên thì có hai câu hỏi
được
đặt ra là :
- Phải đặt nguồn sáng và Photodiode ở đâu để có thể thu được kết quả tốt nhất ?.
-Vì động mạch bên trong cơ thể nên ánh sáng không chỉ truyền qua động mạch
mà còn truyền qua nhiều thành phần khác của cơ thể, vậy có ảnh hưởng xấu gì đến tín
hiệu nhận được ?.
Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cở thể
mà có chứ
a động mạch. Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là
không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận
được là lớn nhất.
Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong
động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của

12
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


cơ thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới
hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như
vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng.
Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày
r
ất nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn

nhưng do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là
quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ
tin cậy.
LED
Photodiode

Hình 10 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm
biến
Vị trí đặt nguồn sáng và Photodide hợp lý nhất: đó là đầu các ngón tay. Tuy
động mạch ở đây không l
ớn nhưng quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không
nhiều nên chỉ cần dùng một LED để làm nguồn sáng, kết quả mức độ biến thiên cường
độ sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỷ số giữa biên độ tín
hiệu với nền một chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả được
chính xác nhất.
Khi ánh sáng truyề
n qua đầu ngón tay, nó chỉ bị hấp một phần nhỏ bởi động
mạch, còn phần lớn bị hấp thụ bởi mô và xương nhưng một điều may mắn là hệ số hấp
thụ của mô và xương đối với ánh sáng là hầu như không đổi theo thời gian, nên cường
độ ánh sáng Photodiode nhận được sẽ biến thiên theo nhịp tim trên nền một chiều, tín
hiệu này được chỉ ra như hình 10, do đ
ó hoàn toàn có thể tin tưởng tính đồng bộ của
tín hiệu nhận được với nhịp tim.

13
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


1.2.2 Thiết kế mạch đo

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

14
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo

nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang



Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn dòng cho
LED

Sơ đồ nguyên lý từng khối:
a) Mạch ổn dòng cho LED có sơ đồ nguyên lý như hình 12 :
Có thể hiểu mạch này như một mạch khuyếch đại không đảo điện áp hồi tiếp
đặt trên chân đảo của KĐTT :
V
-
= I
led
* R
2
(1)
Dòng điện trong mạch sẽ ổn định ngay khi đạt được biểu thức:
V
-
= V
in
(2)
Dòng ổn định qua Led là:
I
Led
=
2R
Vin

(3)
Do có hồi tiếp âm mạnh nên dòng điện chạy qua Led rất ổn định chỉ phụ thuộc
vào V
in
,V
in
ổn định ở 5V được lấy ra từ IC ổn áp LM7805. Muốn thay đổi cường độ
sáng của Led ta thay đổi giá trị của R
2
. Trong quá trình làm khóa luận em thấy giá trị
R
2
= 100Ω phù hợp với mạch đo. Với giá trị này dòng điện qua Led : I
led
= 50 mA..
b) LED
Led đỏ loại siêu sáng được chọn làm nguồn phát sáng vì loại Led này có hiệu
suất phát sáng rất cao.

15
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang


c) Photodiode BPW34 được sử dụng vì có các ưu điểm sau:
- Diện tích mặt nhận sáng rộng ( 7,5 mm
2
)
- Góc mở rộng (± 65
o

)
- Độ nhạy sáng cao
- Đáp ứng nhanh
- Điện dung lớp tiếp giáp nhỏ
- Độ ổn định cao khi nhiệt độ xung quanh thay đổi
Hình 13 Sự phụ thuộc của dòng
qua Photodiode BPW34 vào cường
độ sáng
Hình 14 Sự phụ thuộc của dòng qua
Photodiode BPW34 vào nhiệt độ

Từ hai hình 13 và 14 ta có thể thấy BPW34 là một photodiode rất “tuyến tính”
và rất ổn định, tức là có dòng qua tỷ lệ khá tuyến tính với cường độ ánh sáng và bị ảnh
hưởng rất ít bởi nhiệt độ môi trường. Do đó BPW34 còn được ứng dụng khá phổ biến
trong thông thoạ
i hồng ngoại và các bộ cảm biến ánh sáng khác nữa…

16
Phan Văn Minh Nghiên cứu khả năng đo
nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sang



17
R
3
U
p
M
C

1
đến bộ khuyếch đại
BPW34

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

u
p
= ∆( U
M
)
u
p
= - ∆(I
p
)*R
3
(5)
Từ phương trình này ta thấy biên độ tín hiệu nhận được tỷ lệ thuận với R
3
, vậy
liệu có thể chọn R
3
thật lớn để có được mức tín hiệu lớn ?.
Câu trả lời là nếu R
3
quá lớn thì dòng qua photodiode quá nhỏ, có thể chỉ cỡ
dòng dò của Photodiode – Photodiode sẽ hoạt động trong giải phi tuyến, tín hiệu ra sẽ
không chính xác, và ngoài ra độ lớn của R
3
còn bị giới hạn bởi điện trở lối vào của
tầng khuyếch đại : điện trở R
3
có giá trị lớn mà điện trở lối vào của tầng khuyếch đại
lại nhỏ thì cũng chẳng có tác dụng gì. Trong quá trình làm thực nghiệm em thấy với
giá trị R

3
= 330 kΩ thì hiệu quả biến đổi dòng thành điện áp đối với Photodiode
BPW34 là tuyến tính và có biên độ lớn nhất.