Đề tài Xây dựng chương trình mô phỏng quá trình điều khiển và hiển thị các thông số sinh học

ần số của các xung phản hồi từ các động mạch. Các xung có bề rộng lớn hơn 125ms va tần số lớn hơn 250ms sẽ bị loại bỏ ra bởi hệ thống điều khiển logic. Việc thiết lập giới hạn trên (240bit/s) theo nhịp timcủa bệnh nhân sẽ được thiết bị tự động thực hiện. Tương tự như vậy cho giới hạn dưới là 24bit/s. Tại áp suất tâm trương, áp suất của túi khí sẽ cân bằng hoặc xấp xỉ ở ngưỡng áp suất của động mạch. Khi đó hệ thống audio con sẽ không nhận được các tần số Doppler nữa và việc đọc áp suất tâm trương được tiến hành. Khi đó áp suất của túi khí sẽ cân bằng với áp suất của khí quyển và được giữ nguyên cho đến khi thực hiện một phép đo mới. 2.5- Phép đo nhiệt đô Các cảm biến được sử dụng thông dụng trọng các thiết bị đo nhiệt độ đó là các điện trở nhiệt. Sự thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ được xác định bằng mạch cầu và được hiển thị bằng một nhiệt kế. Dải đo nhiệt độ cho cơ thể người thường từ 30 – 420C. Trong trường hợp hiển thị số thì các mạch điện thường xử lý trong monitor được biểu diễn trên hình 2.16. Ban đầu chuyển mạch S1, S2 được đặt như trong hình 2.16, trong trường hợp nàym điện áp trên Rref ( ở 00C) được đưa vào đầu không đảo của bộ khuếch đại A1. Tín hiệu từ A1 được đưa tới cả hai đầu đảo va không đảo của bộ khuếch đại A2. Tuy nhiên trong thời gian này tụ C ở đầu đảo của bộ khuếch đại A2 sẽ được nạp tới giá trị Vref 0C. Tại thời điểm mà vị trí các chuyển mạch được đảo lại và đầu vào cảu bộ khuếch đại A1 được lấy từ điện trở nhiệt. Đồng thời đầu vào đảo từ A1 đến A2 được nối mạch. Khi đó một điện thế dương lớn hơnVref 0C xuất hiện tai đầu vào không đảo của bộ khuếch đại A2. Sự khác nhau giữa đầu vào đảo và đầu vào không đảo của bộ khuếch đại A2 làm cho đầu ra của nó bị âm. Trong thời gian này, tụ C phóng điện qua R2 cho đến khi điện áp trên tụ C cân bằng với điện áp trên RT. Khi hai đầu vào của bộ khuếch đại A2 trở nên cân bằng thì đầu ra của nó lại trở lại giá trị dương. Trên thực tế thì các mạch FET được sử dụng cho các chuyển mạch S1, S2, Các xung tần số cao sẽ được đếm trong khoảng thời gian mà nhiệt độ được xác định. Trong các hệ thống theo dõi bệnh nhân có hai kênh đo nhiệt độ thường được sử dụng. Cũng giống như việc ghi đo điện tim, ở đây các mạch ra cũng phải được cách ly qua cặp biến đổi quang điện. Hình 2.16. sơ đồ khối chi tiết đo nhiệt độ hiển thị số trực tiếp 2.6- Phép đo nhịp thở Các đầu dò thường được sử dụng trong việc đo nhịp thở bao gồm các điện trở nhiệt được đặt ở trước mũi, các vi mạch hoặc là các đầu dò không cố định được đặt quanh ngực bệnh nhân. Trở kháng của các điện cực và tín hiệu được lấy từ việc xác định CO2. Tín hiệu nhịp thở được lấy từ bất kì một đầu dò nào được đem khuếch đại và trong khoảng thời gian này sẽ thực hiện đo giữa hai xung kế tiếp nhau. Dải đo thường 0 – 50nhịp/phút. Gồm có 2 phương pháp điện trở nhiệt và trở kháng phổi 2.6.1.Phương pháp điện trở nhiệt: Dùng điện trở nhiệt như các đầu dò. Đặt điện trở nhiệt gần ống quản để đo sự thay đổi của nhiệt độ khí thở trong khi hít vào hoặc thở ra. Điện trở nhiệt được đặt trên cánh tay của bệnh nhân là một mạch cầu Wheastone dể đưa ra sự thay đổi của nhiệt độ trên. Một bộ khuếch đại được sử dụng để nhận tín hiệu từ mạch cầu, từ tín hiệu này sẽ thực hiện đếm số nhịp thở /phút. Các tần số thấo sẽ được lọc bỏ trước khi tín hiệu được đem đi xử lý. Nếu như nhiệt độ không khí thở ra là trong khoảng nhiệt độ phòng thì sẽ rất thuận tiện cho việc sử dụng một điện trở nhiệt để phân biệt sự khác nhau giữa hai nhiệt độ khi hít vào và thở ra, từ đó sẽ tạo ra tín hiệu điện tốt hơn. Còn nếu nhiệt độ không khí khi thở ra là cao hơn thì điện trở nhiệt có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Đôi khi cần phải đo cho các bệnh nhân bị bất tỉnh khi đó họ không điều khiển được quá trình thở của mình nữa lúc này cần có sự trợ giúp của máy. 2.6.2.Phương pháp trở kháng phổi: Đây là một kĩ thuật dùng để xác định nhịp thở một cách gián tiếp. Trong phương pháp này người ta sử dụg các điện cực đặt lên ngực bệnh nhân( tốt nhất là các điện cực bề mặt), dựa vào trở kháng phổi để xác định quan hệ giữa độ sâu nhịp thở và sự thay đổi trở kháng của ngực. Trong kĩ thuật này yêu cầu cần có các dụng cụ : mặt nạ, ống dẫn, lưu lượng kế, hoặc phế dung kế. Trong phương pháp này thì các điện cực bề mặt được sử dụng là thích hợp nhất. Các điện cực được gắn lên ngực bệnh nhân để nhận biết ra tín hiệu điều chế. Tín hiệu được điều chế bằng cách thay đổi trở kháng của cơ thể cùng với chu kì thở. Các điện cực tự gián tiếp xúc với da được hỗ trợ bởi một lớp kem chuyên dụng. Các điện cực khi tiếp xúc với da sẽ tạo ra một trở kháng cỡ 150 - 200Ω. Sự thay đổi trở kháng trong mỗi chu kì thở sẽ dao động trong khoảng 1% điện trở gốc trên. Hình 2.17. Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi (hai điện cực) Hình 2.17 là sơ đồ nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi hai điện cực. Việc dùng 2 điện cực để cảm nhận trở kháng thì chỉ phù hợp với bệnh nhân nằm. Vì nếu như có bất cứ sự dịch chuyển nào của đối tượng thì sẽ làm thay đổi trở kháng tiếp xúc của điện cực. Để giảm sự thay đổi thì ta sử dụng 4 điện cực. Khi đó tín hiệu phát ra từ bộ dao động kí được đưa tới hai điện cực, dòng điện từ bộ dao động kí sẽ không đi qua trở kháng tiếp xúc của điện cực đo. Các sơ đồ này thường được dùng cho các monitor mà đối tượng đo là trẻ em. 2.7- Phương pháp CO2 Xác định nồng độ CO2 trong khí thở ra là một cách khác để xác định nhịp thở. Hình 2.18 minh họa nồng đồ CO2 hít vào và thở ra. Việc xác định dựa vào các tia hồng ngoại được hấp thụ từ các khí. Các bộ lọc cần thiết được sử dụng để tập trung các khí đặc biệt như: CO2, CO, N2O trong thành phần khí thở ra, các khí hiếm và khí đa nguyên tử sẽ không hấp thụ tia hồng ngoại. Khi cho các tia hồng ngoại đi qua khí thở ra có chưa một hàm lượng CO2 thị một phần năng lượng của tia hồng ngoại được hấp thụ bởi khí này. Các bộ cảm nhận sẽ nhận biết được sự suy giảm năng lượng của tia và thực hiện chuyển đổi thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sẽ được sử dụng để tính nhịp thở trung bình. Trong các phương pháp phân tích hấp thụ hồng ngoại, có 2 phương pháp đo CO2 là sidestream và mainstream. 2.7.1. Phương pháp đo CO2 – sidestream Phương pháp này hít thở liên tục để lấy mẫu khí và phân tích hàm lượng CO2 của mẫu đó. Sự thiết lập không đúng tốc độ thở, khí dò ra hệ thống mẫu, sự ngưng tụ hơi nước lý do tình trạng bao phủ và tất cả các bụi nguyên tử là các nguồn gây lỗi. Các đồ dùng đựng các chất pha chế có nước được thiết kế để ngăn chặn sự đi vào của các chất lỏng thành ra sự đo đạc như các chất lỏng có độ hấp thụ hồng ngoại cao. Sau khi các khí được phân tích, các khí thải có thể lấy lại để gây mê trước khi hydroxit natri với hydroxit canxi trong hộp nhỏ. 2.7.2. Phương pháp đo CO2 – mainstream Phương pháp này sẽ phân tích toàn bộ khí thở tại một thời điểm gây mê. Cuvett đo được đặt càng gần thì có thể đặt trong ống quản. Dụng cụ phân tích sử dụng hấp thụ hồng ngoại để phát hiện CO2. Ống được đốt nóng tới 400C để ngăn chặn sự ngưng tụ của hơi nước có mặt trong các khí. Hạt vật chất như nước nhầy hoặc nước miếng từ ống thông sẽ gây ra sai lệch do sự hấp thụ hồng ngoại nếu chúng đi vào trong ống cuvette. Tuy nhiên, đáp ứng thời gian của dụng cụ phân tích nhanh hơn phương pháp CO2- sidestream, phương pháp khối phổ kế hoặc các dụng cụ phân tích Raman. Tất cả các phương pháp đo CO2 được chuẩn định kì để ngăn chặn sự sai lệch của thiết bị. Hình 2.18. Nồng độ CO2 khi hít vào và thở ra Hình 2.19. đưa ra sơ đồ khối trong việc phân tích khí CO2 trong hơi thở ra. Hai chùm tia có cường độ tương đương nhau tạo ra các tia hồng ngoại từ các sợi đốt được gắn trên một nửa của mỗi bình ngưng. Bộ dò gồm có 2 phần giống hệt nhau được cách biệt bởi một lớp kim loại mỏng. Các đầu dò được làm đầy bởi các mẫu CO2 tinh khiết. Do sự tập trung của khí CO2 trong tế bào phân tích nên chùm tia trên bề mặt thử nghiệm của đầu dò sẽ yếu hơn là mặt xem xét. Do đó khí ở bề mặt xem xét sẽ được đốt nóng hơn ở bề mặt phân tích. Màng ngăn ở đây là một tấm của tụ điện. Các chùm tia hồng ngoại được chặn ở tần số 25Hz và tín hiệu xoay chiều xuất hiện ở đầu dò sẽ được khuếch đại phù hợp để đưa ra nhịp thở tương ứng. Hình 2.19. Sơ đồ khối của quá trình phân tích khí CO2 trong hơi thở 2.8- Ghi tín hiệu điện tim ECG 2.8.1. Ghi tín hiệu điện tim Điện tim ECG là các hoạt động điện của tim được tạo ra bởi quá trình co bóp của cơ tim. Việc theo dõi điện tim ECG nhằm kiểm tra một số chức năng của tim là rất quan trọng trong việc theo dõi tình trạng của bệnh nhân trong suốt quá trình gây mê bệnh nhân trong phòng mổ. Việc theo dõi ECG được sử dụng để tính nhịp tim, phân tích chứng tạo nhịp, phát hiện chức năng tạo nhịp và chứng thiếu máu. Tín hiệu điện tim được lấy trên da bệnh nhân thông qua hệ thống điện cực ECG và cáp nối. Số điện cực có thể là 3,5 hay 12 điện cực tuỳ theo loại máy. Càng nhiều điện cực thì thông tin đo được càng chính xác. Tuy nhiên hầu hết các thiết bị theo dõi thường sử dụng cáp điện tim tiêu chuẩn 3 hoặc 5 điện cực.Vị trí đặt điện cực trên người bệnh nhân tuỳ thuộc vào số điện cực của cáp điện tim. Với hệ thống 3 điện cực ( 3 đạo trình ) các điện cực này sẽ được gắn ở R/RA( right arm), L/LA ( left arm), F/LL( left leg) của bệnh nhân. Đối với cáp điện tim 5 điện cực thì thêm các vị trí C/V(chest) và N/RL(right leg). Số lượng đạo trình phụ thuộc vào số điện cực, được mô tả trong hình 2.20, 2.21, 2.22. Các điện cực ECG gắn trên da bệnh nhân để thu nhận các tín hiệu điện ECG và được nối với một mạch đầu vào của monitor bằng các dây dẫn/ cáp. Các tín hiệu ECG thu được sẽ được khuếch đại và xử lý bởi modul hoặc khối đo ECG và sau đó dữ liệu được chuyển tới thiết bị theo dõi bệnh nhân tại giường và hiển thị dạng sóng ECG trên màn hình. Hình 2.20. Các đạo trình chuẩn Hình 2.21.Các đạo trình chi đơn cực Hình 2.22. Các đạo trình trước ngực Nếu sử dụng cáp điện tim 12 điện cực ta sẽ đo được dạng sóng của 12 đạo trình trên. Nếu sử dụng cáp 3 hoặc 5 điện cực có dạng sóng của 3 đạo trình hoặc 6 đạo trình, được minh họa trong hình 2.23,2.24, 2.25, 2.26. Hình 2.23. : Điện tim 12 kênh ghi Hình 2.24. Điện tim 6 kênh ghi Hình2.25 : Điện tim 3 kênh ghi Hình 2.26 : Điện tim 3 kênh ghi + 1 nhịp tim chuẩn Các điện cực ECG gắn trên da bệnh nhân để thu nhận các tín hiệu điện ECG và được kết nối với một mạch đầu vào của thiết bị theo dõi bằng các dây dẫn/ cáp. Mạch đầu vào bao gồm mạch cách ly và mạch bảo vệ. Mạch cách ly có chức năng cách ly bệnh nhân khỏi các dòng điện nguy hiểm có thể phát ra trong quá trình thu tín hiệu ECG và mạch bảo vệ để tránh thiết bị theo dõi không bị phá hỏng bởi các điện áp cao có thể xuất hiện trong quá trình khử rung tim bệnh nhân. Bộ khuếch đại ECG gồm bộ tiền khuếch đại và bộ khuếch đại điều khiển. Các tín hiệu ECG thu được ban đầu có biên độ rất nhỏ sẽ được khuếch đại vi sai có hệ số khuếch đại rất lớn. Bộ khuếch đại này có trở kháng đầu vào lớn và tỉ số Mode chung CMRR cao. Bộ khuếch đại điều khiển sẽ khuếch đại các tín hiệu ECG tới một biên độ đủ lớn và truyền tín hiệu ECG này tới bộ chuyển đổi AD và khối xử lý trung tâm, sơ đồ khối được mô tả như hình 2.27. Hình2.27. Sơ đồ khối của việc thu nhận và xử lý tín hiệu ECG 2.8.2. Nhiễu điện tim Các loại nhiễu 2.8.2.1.Nhiễu từ các nguồn bên ngoài cơ thể bệnh nhân Các nguồn tĩnh điện Bệnh nhân hoạt động như một mặt phẳng của tụ điện Khi một vật thể được nạp điện được mang lại gần một vật không nạp điện thì vật không mang điện có điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên Ví dụ, nếu một cơ thể không tiếp đất đặt gần một dây cab hoặc nguồn sáng mà được kết nối với mạng lưới, thì điện tích bề mặt của điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên mặc dù không có dòng chạy giữa 2 cơ thể. Khi điện thế mạng lưới có tần số 50Hz, thì điện áp cảm ứng cũng bao gồm tần số này Các nguồn nạp tĩnh điện khác bao gồm bàn mổ, những bệnh nhân khác, các thiết bị điện tử Kích thích điện từ Nhiễu xảy ra ở gần các dây mang dòng điện xoay chiều Hậu quả của nhiễu tần số 50Hz Do sự phát sinh của từ trường bởi dòng điện chạy thì tất cả các vật dẫn mang dòng điện lưới được bao quanh bởi trường điện từ Nhiễu tần số 50Hz là một sự sai lệnh về điện thế liên quan tới mặt đất mà được hiểu là bất kì vật nào gần với dây mang dòng xoay chiều, vật đó mang điện áp không phải của đất hoặc của đường dây mà là điện áp ở một vài nơi giữa chúng. Khi dòng điện tiện ích dao động thì điện áp của vật thể cũng dao động. Tác động được giảm tối thiểu bởi thực tế là trường điện từ phát ra bởi dây được tích điện tăng lên tới mức lớn hơn mà bị loại bỏ bởi đường dây cáp trung hoà gần với dây cáp được tích điện nhưng đi theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, nếu hiện tượng dò dòng điện xuất hiện, thì 2 dòng không còn cân bằng và tự triệt tiêu lẫn nhau nữa do đó tạo ra một suất điện động Tác động bị tăng lên nếu các dây nối được cuốn; các dây dẫn chính nối các điện cực bệnh nhân với những bộ khuếch đại nhạy sẽ thường xuyên bị nhiễu. Nhiễu tần số radio(>100hz) có thể vào thông qua: + Hệ thống phân phối chính hỗn hợp với dòng có tần số 50Hz, các nguồn bao gồm phép điện nhiệt, các moto điện + Sự truyền sóng radio nhờ cực điện nhiệt bị kích hoạt trong không khí như một anten phát radio trong khi đạo trình ECG bệnh nhân hoạt động như một dây anten thu. Giải pháp Bộ phân tích vi sai Tỉ số nén mode chung CMRR cao Các mạch bảo bệ bệnh nhân có phủ đồng hoặc nhôm RL ECG “Floating” Bao quanh mỗi điện cực có tấm chắn phủ đồng tối thiểu hóa sự cảm ứng tĩnh điện. Giữ các điện cực càng ngắn càng tốt Giảm bớt ảnh hướng của trường điện từ bằng cách đảm bảo tất cả các đạo trình bệnh nhân có chiều dài như nhau, gần sát nhau thậm chí xoắn vào nhau cho đến khi gần sát cực điện do đó đảm bảo được rằng tín hiệu cảm ứng được xác định và bởi vậy chịu được tỉ số CMRR. Loại bỏ nguồn bức xạ điện trường không mong muốn 2.8.2.2. Nhiễu từ bệnh nhân Điện cơ học (EMG) Sự chồng chéo tần số giữa EEG và ECG Tín hiệu có thể lớn hơn rất nhiều ( tăng mV) so với EEG hoặc ECG Các hoạt động của cơ ( đặc biệt là run rẩy) có thể dẫn tới nhiễu Nhiễu cơ Giải pháp Giảm thiểu sự cử động của bệnh nhân tức là nghỉ ngơi Giảm thiểu sự run cơ Tránh vùng cơ để đặt điện cực, sử dụng các vùng thịt nhô lên 2.8.2.3.Nhiễu do sự tiếp xúc giữa điện cực và bệnh nhân Các điện cực ghi không hoạt động như một vật dẫn thụ động Việc sắp đặt một kim loại gần với một dung dịch chất điện phân như nhìn thấy trên bề mặt da tạo ra một nửa vùng điện hóa do đó phát sinh ra một lực điện từ. Nếu bộ khuếch đại vi sai được nối với một cặp điện cực như vậy thì điện thế đầu ra của chúng được so sánh là: + Nếu các tế bào giống hệt nhau, các đầu ra sẽ loại bỏ điểm 0 + Nếu các tế bào không giống nhau, sự sai lệch điện thế giữa 2 tế bào sẽ bị khuếch đại ngoài ra, dòng điện nhỏ tạo ra do điện thế bù có thể dẫn tới phân cực các điện cực bị phân cực sẽ gây nhiễu bất kì một tín hiệu nào Sự dịch chuyển cơ học của các điện cực ghi gây ra các thay đổi điện thế + do sự thay đổi kích thước vật lý của các điện cực da do đó thay đổi điện thế tế bào và trở kháng giữa điện cực và da. Giải pháp Làm sạch da, loại bỏ lông, cho ruợu cồn để đảm bảo sự dính chặt của điện cực Sử dụng điện cực Ag/AgCl mà không phân cực Giải pháp khắc phục nhiễu tín hiệu tần số 50Hz Phương pháp loại bỏ nhiễu tần số 50Hz Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu ECG. Bộ khuếch đại này cho đầu vào khác nhau có thể khuếch đại tín hiệu ECG nhỏ ( <4mV), loại bỏ thành phần một chiều, nhiễu tần số cao và tần số 50Hz. Hình 2.28 : Tín hiệu điện tim đặc trưng Tín hiệu điện tim là tín hiệu điện được tạo bởi nhịp tim mà có thể được sử dụng làm công cụ chuẩn đoán các chức năng của tim. Có dải đo 0.5 – 4 mV và dải tần số 0.0.1 – 250Hz. Tín hiệu ECG đặc trưng cơ bản là PQRS và T trong hình 2.28. Có rất nhiều nhân tố được đưa vào trong thiết kế bộ khuếch đại ECG, như nhiễu tần số, nhiễu tập trung, nhiễu do các thiết bị điện và các nguồn khác. Quan trọng nhất là nhiễu tần số 50Hz, do sử dụng bộ lọc thông dải có thể dễ dàng loại bỏ cả nhiễu một chiều và nhiễu tần số cao. Nguồn nhiễu chủ yếu khi một bệnh nhân đang ghi hoặc theo dõi ECG là hệ thống nguồn cấp điện như được thấy trong hình 2.29(a). Nhiễu điện từ từ ti vi hoặc đài công suất cao cũng có thể bị ảnh hưởng bởi một mạch kín bằng dây chì. Hình 2.29(b) biểu diễn nhiễu điện cơ mà nguồn được đặt trên cơ thể của chính bệnh nhân. Hình 2.30 là sự sai lệch tín hiệu điện tim do sự dịch chuyển của bệnh nhân trong quá trình ghi tín hiệu điện tim hoặc do điện cực hô hấp bị tuột. Hay trong hình 2.31 là nhiễu do sự hoạt động mạnh của bệnh nhân dẫn đến có thể gây tuột điện cực ( điều kiện điện cực) hoặc do điều kiện dây nối đất không đảm bảo. Hình2.29 : a) Nhiễu tần số 50Hz; b) nhiễu điện cơ trong tín hiệu ECG Hình 2.30 : Nhiễu do cơ thể dịch chuyển, điện cực hô hấp bị tuột Hình 2.31 : Nhiễu do hoạt động mạnh ( kiểm tra dây đất, điều kiện điện cực) Để loại bỏ các nhiễu được kể trên, có thể sử dụng các bộ khuếch đại vi sai như trong hình 2.32. Đầu ra của mạch này: (2.11). Nếu đầu vào có điện áp chung (v1 = v2) thì vout = 0. Nếu v1 ≠ v2 thì điện áp khác nhau (v1-v2) đưa ra một hệ số khác. Do nhiễu chủ yếu là điện áp mode chung, bộ khuếch đại vi sai có thể loại bỏ chúng. Mạch khuếch đại 3 bộ khuếch đại thuật toán thường được gọi là bộ khuếch đại đo. Nó có trở kháng đầu vào cao, tỉ số mode chung CMRR cao, và hệ số khuếch đại có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh R1. Mạch này thường để đo điện thế sinh học bởi vì nó loại bỏ phần lớn điện áp mode chung 50Hz tồn tại trong cơ thể. Hình 2.32 : Mạch khuếch đại vi sai gồm 3 bộ khuếch đại thuật toán Trong nhiều hệ thống điện tim đồ, bệnh nhân đang sử dụng hệ thống điều khiển chân phải. Bệnh nhân không được nối đất tất cả. Thay vào đó, điện cực chân phải được nối với đầu ra phụ của khuếch đại thuật toán ( như trong hình 2.33). Điện áp mode chung trên bệnh nhân được hiểu bởi 2 điện trở trung bình Ra, được đảo, khuếch đại và hồi tiếp về chân phải. Do hồi tiếp âm nên điện áp mode chung ở mức thấp. Nó cũng có thể cung cấp điện an toàn bởi vì khuếch đại thuật toán phụ sẽ làm bão hòa khi điện áp cao khác thường xuất hiện giữa bệnh nhân và đất. Hình 2.33 : Mạch điều khiển chân phải để tối thiểu hóa nhiễu mode chung Để đạt các yêu cầu của bộ khuếch đại ECG như được nói trên, cần thiết kế một mạch tầng bao gồm một bộ khuếch đại vi sai ( bộ khuếch đại đo), một bộ lọc thông thấp, một bộ lọc thông cao và một tầng khuếch đại. Tùy theo yêu cầu của các tầng này là dựa trên sự suy giảm nhiễu. Ví dụ, trong chuỗi tầng sau( hình 2.34) nhiễu đầu ra là: ((n1*A1+n2)*+n3)*A3 = A1A2A3*n1+A2A3*n2+A3*n3 (2.12) Vì vậy sự sắp xếp tốt nhất của ba tầng là : A1>A2>A3 Hình 2.34: Ví dụ về sự giảm nhiễu trong thiết kế một hê thống đa tầng Hình 2.35 là sự sắp xếp của các tầng theo thiết kế mà cơ bản các tầng có hệ số khuếch đại cao gần nhau trên đường tín hiệu. Tuy nhiên, tầng bộ lọc thông cao được thay thế trực tiếp sau bộ khuếch đại vi sai để cắt thành phần một chiều ở đầu ra của nó. Mặt khác, thành phần một chiều này sẽ được khuếch đại bởi tầng khuếch đại và có thể tập trung sau các bộ khuếch đại thuật toán. Hình 2.35 : Sự sắp xếp của các tầng Tầng khuếch đại vi sai Loại bỏ chế độ nhiễu ở chế độ mode chung trong khi khuếch đại tín hiệu vi sai cần được quan tâm. Nhiễu thấp tới mức nào ở đầu ra phụ thuộc vào sự loại bỏ nhiễu ở chế độ mode chung của bộ khuếch đại vi sai lớn tới mức ấy. Burr – Brown sử dụng INA 118 như một bộ khuếch đại đo, mà mạch được mô tả trong hình 2.36. Hệ số khuếch đại được xác định bởi điện trở Rg. Hình 2.36: Sơ đồ mạch bên trong của INA 118 Bộ lọc Sallen – Key Các bộ lọc thông thấp và thông cao Sallen – Key Butterworth 4 cực thông qua theo thiết kế. Bộ lọc 4 cực được tạo từ 2 bộ lọc 2 cực được nối tầng. Hệ số khuếch đại của các bộ lọc 2 cực được xác định lần lượt là 1.152 và 2.235 theo Dr. Hambley. Lý do để thiết kế một hệ số khuếch đại tổng khoảng 2.5 là đạt được hệ số phẩm chất Q thấp (Q=1/(3 –K)) (2.13), mà các bộ lọc thường được thiết kế nhất. Tần số cắt của bộ lọc Salley-Key là (2.14) . và với bệnh nhân thường chọn R1=R2=R; C1=C2=C để đơn giản hóa thiết kế ( như trong hình 2.37). Hình 2.37: Ví dụ đơn giản về mạch lọc thông cao Sallen-Key 2 cực Các giá trị tụ và điện trở trong mạch được chọn bởi một chương trình máy tính từ thiết bị Texas để yêu cầu đáp ứng tần số tốt hơn và điều khiển hệ số phẩm chất Q linh động hơn. Sự suy giảm nhiễu tần số 50Hz Để giảm nhiễu tần số 50Hz, bộ pin được sử dụng như nguồn cấp và các tụ lọc được cắm ngang qua đường chắn tại mỗi IC. Các tụ này được nối kín có thể để điện áp V+ và V- của mỗi chíp mà hiệu quả lọc của chúng là lớn nhất. Các kết quá kiểm tra tần số Trong hình 2.38 là đáp ứng tần số thực nghiệm của mạch mẫu. Chú ý rằng kết quả thực nghiệm trong khoảng tần số cao được mô phỏng tốt, nhưng đáp ứng tần số ở mức thấp kết quả mô phỏng không chính xác. Hình 2.38: Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại điện tim Quá trình kiểm tra mô phỏng tín hiệu ECG Từng bước để tối thiểu hóa nhiễu tần số 50Hz bao gồm xoắn hai đầu vào của ECG để giảm nhiễu từ trường và kết nối đất trong mạch ECG để dẫn tốt hơn, giảm diện tích của nó. Cuối cùng kiểm tra mô phỏng tín hiệu ECG thấy rằng tần số 50Hz rất nhỏ. ( hình 2.39) Hình 2.39 : Mô phỏng kết quả kiểm tra Kết luận Một bộ khuếch đại điện tim được thiết kế và thực hiện trong phần này. Hệ số khuếch đại có thể điều chỉnh được và đủ để khuếch đại các tín hiệu ECG nhỏ. Các bộ lọc thông cao và thông thấp Sallen-Key 4 cực loại bỏ hầu hết thành phần 1 chiều và nhiễu tần số cao của tín hiệu điện tim đầu vào. Nhiễu tần số 50Hz được tối thiểu hóa bằng cách sử dụng pin và tụ lọc. Sự xoắn dây đầu vào và tăng diện tích tiếp đất cũng có lợi. 2.9- Độ bão hòa oxi trong máu SpO2 Hemoglobin là một loại protein và là thành phàn chính của các tế bào hồng cầu, nó vận chuyển oxi từ phổi nơi nồng độ hay áp lực oxi SpO2 rất cao, tới các mô nơi mà nồng độ oxi thấp. Độ bão hòa oxi SpO2 trong máu được định nghĩa là tỉ số giữa lượng oxi tới hạn với tỏng khả năng có thể chứa oxi của máu động mạch, tức là tỉ số giữa oxi hêmoglobin với tổng số hemoglobin trong máu động mạch theo công thức: (2.15) [O2Hb]: nồng độ oxi hemoglobin [HHb]: nồng độ deoxigenhemoglobin( không mang oxi) Độ bão hòa ôxi được tính để xác định hiệu quả cảu việc điều trị , chẩn đoán, đồng thời cũng cần cho theo dõi tình trạng và sự phát triển của một số lọai bệnh. Để đo độ bão hòa ôxi người ta sử dụng pulse oximetor, cảm biến của thiết bị này gồm nguồn sáng kép, phôtodetector, như trong hình 2.40. Hình 2.40. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu của Pulse Oximetor Nguyên lý đo SpO2 Ánh sáng đỏ và tia hồng ngoại được phát ra liên tục từ nguồn sáng kép đi xuyên qua mô. Xương, mô, sắc tố da và máu động mạch sẽ hấp thụ một lượng ánh sáng cố định theo thời gian trong hình 2.43. Còn động mạch thường sẽ đập và hấp thụ các lượng ánh sáng khác nhau trong các quá trình tâm thu và tâm trương do dung lượng màu sẽ tăng và giảm trong các quá trình này. Tỉ số ánh sáng được hấp thụ tại thời điểm tâm thu và tâm trương sẽ được chuyển đổi sang việc đo nồng độ bão hòa oxi. Các mô có cấu trúc mỏng thường được chọn để đo: ngón tay, ngón chân và tai. Phần ánh sáng đi qua mô sẽ được thu nhận bởi phôtôdetector và được chuyển đổi thành tín hiệu điện, cường độ ánh sáng thu được càng lớn thì tín hiệu điện càng mạnh. Photodetector gửi các tín hiệu điện chứa thông tin về cường độ ánh sáng này tới oximetor, oximetor sử dụng các thông tin này để tính toán phần trăm tương đối của HbO2 và HHb, độ bão hòa oxi SpO2 và nhịp mạch thông qua bộ vi xử lý tín hiệu. Trong hình 2.41 mô tả đặc tuyến về sự hấp thụ ánh sáng của hemoglobin đỏ và hồng ngoại, còn trong hình 2.42 biểu diễn mối quan hệ giữa sự hấp thụ ánh sáng đỏ và hồng ngoại với biên độ sóng tương ứng. Hình2.41. Đặc tuyến về sự hấp thụ ánh sáng của Hemoglobin Hình 2.42. Mối quan hệ giữa biên độ sóng với sự hấp thụ ánh sáng Hình 2.43. Hình sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của máu tĩnh mạch, mô, xương và da Tuy nhiên ánh sáng khi xuyên qua vị trí đo không chỉ bị hấp thụ bởi máu động mạch mà còn bởi máu tĩnh mạch và các mô khác. Do đó, các thông tin mà oximeter thu được bao gồm thông tin từ máu động mạch và các tổ chức khác ngoài máu động mạch được đo. Trong hình 2.44 là hình biểu diễn về sự hấp thụ ánh sáng tương đối của mô. Trong hình 2.45 biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ oxi và sự hấp thụ ánh sáng đỏ và hồng ngoại của oxi. Hình 2.44 : Sự hấp thụ ánh sáng tương đối của mô Hình 2.45: Mối quan hệ giữa nồng độ oxi và sự hấp thụ ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại 2.10- Đo cung lượng tim CO Cung lượng tim là lượng máu tim bơm vào động mạch trong một phút. Cung lượng tim phụ thuộc vào thể tích tâm thu và nhịp tim. Giá trị bình thường của cung lượng tim 4.5 – 6lit/phút, còn khi vận động nhiều thì có thể lên đến 20 lit/phút. Theo dõi cung lượng tim để biết được lượng máu qua tim tăng hay giảm. Có 3 phương pháp xác định cung lượng tim phưong pháp Fick, phương pháp pha loãng chất mầu, phương pháp pha loãng nhiệt. Trong đó phương pháp pha loãng nhiệt là phổ biến nhất 2.10.1.Phương pháp Fick