NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

SỬ DỤNG DSP TMS320C6713

 

Nguyễn Quốc Cường1,2, Nguyễn Thị Lan Hương1,2, Phạm Thị Ngọc Yến1,2

1Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp – Khoa Điện

2Phòng thí nghiệm Thông tin đa phương tiện Truyền thông và Ứng dụng (MICA)

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

 

TÓM TẮT

            Tín hiệu điện tim (ECG) là một nguồn thông tin quan trọng trong việc chuẩn đoán tình trạng sức khoẻ và bệnh lý của người bệnh. ECG là nguồn tín hiệu nhỏ và chịu ảnh hương rất nhiều của nhiễu. Bài báo trình bày một số kết quả thu được trong thiết kế chế tạo máy đo và xử lý tín hiệu ECG. Thiết bị có khả năng lưu trữ và truyền tin về máy tính. Công việc này là một phần của dự án ‘’Thiết kế máy điện tim truyền tin thông minh’’, được hỗ trợ bởi quỹ các trường đại học Flemish của Cộng hoà Bỉ.

 

1. Giới thiệu

            Máy đo tín hiệu điện tim (ECG) là thiết bị có khả năng ghi lại hoạt động điện trên cơ thể người do tim tạo ra. Các thông tin về tín hiệu điện tim được đo thông qua việc sử dụng các điện cực đặt trên da tại một số vị trí trên cơ thể. Tín hiệu ECG thường rất nhỏ và bị ảnh hưởng của rất nhiều loại nhiễu: nhiễu điện từ do nguồn điện lưới sinh ra, nhiễu do tiếp xúc của điện cực với da, do sự dịch chuyển của người bệnh. Chính vì vậy việc đo tín hiệu ECG là một nhiệm vụ rất khó khăn.

            Tin hiệu ECG được cảm nhận bởi các điện cực sẽ được khuyếch đại đo lường. Tín hiệu sau khi khuyếch đại có lẫn rất nhiều nhiễu. Do đó bước tiếp theo là sử dụng một bộ lọc thông cao để loại bỏ các thành phần offset một chiều do sự thay đổi chậm của tiếp xúc điện cực và da. Một bộ lọc thông thấp cũng sẽ được sử dụng để loại bỏ các thành phần nhiễu tần số cao. Cuối cùng một bộ lọc chặn dải được sử dụng để loại bỏ thành phần nhiễu gây ra bởi lưới điện. Ngoài ra để giảm chênh áp giữa điện thế trên cơ thể người và điện thế của điểm đất của mạch khuyếch đại (điện áp đồng pha), một điện thế trung bình của các tín hiệu đo sẽ được khuyếch đại đảo và đưa phản hồi trở lại cơ thể người bệnh thông qua một điện cực nối vào chân phải (trong các thiết bị y tế, mạch này thường được gọi là mạch điều khiển chân phải, ‘’driven-rightleg’’).

            Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày cách thiết kế mạch khuyếch đại tín hiệu ECG. Bộ lọc thông thấp và thông cao được thực hiện bởi các bộ lọc tích cực, riêng bộ lọc thông dải để loại bỏ thành phần nhiễu 50Hz của nguồn điện sẽ được thực hiện bởi một bộ lọc số dựa trên vi mạch DSK TMS320C6713.

 

2. Mạch khuyếch đại ECG 

2.1. Điện cực

            Trên thị trường hiện nay có rất nhiều kiểu điện cực: điện cực kẹp, điện cực dán, điện cực dùng một lần, điện cực quả bóp. Trong hệ thống của mình, chúng tôi sử dụng các điện cực dùng một lần. Vì chúng dễ sử dụng, có sẵn trên thị trường Việt Nam. Bước đầu nghiên cứu, chúng tôi sử dụng hệ thống bốn điện cực, trong đó ba điện cực được sử dụng để đo ba chuyển đạo chính; một điện cực được sử dụng cho mạch điều khiển chân phải.

 

2.2 Khuyếch đại tín hiệu ECG

            Tín hiệu ECG có các đặc tính sau: biên độ thấp (biên độ điện áp đỉnh-đỉnh lớn nhất cỡ 1mV), tần số thấp và là nguồn tín hiệu có nhiễu điện áp đồng pha lớn. Bên cạnh đó điện trở của các điện cực cũng rất lớn (cỡ MΩ). Do đó bộ khuyếch đại tín hiệu ECG cần phải có tổng trở vào rất lớn, dòng phân cực đầu vào nhỏ, điện áp offset nhỏ và tỉ số nén tín hiệu đồng pha CMRR lớn.

            Hình 1 chỉ ra sơ đồ mạch khuyếch đại cho một kênh đo tín hiệu ECG. Mạch gồm ba phần:

                        + Phần mạch đệm đầu vào

                        + Mạch khuyếch đại đo lường kết hợp mạch thông cao

                        + Mạch lọc thông thấp.

 

 

Hình 1: Mạch khuyếch đại tín hiệu ECG

 

2.2.1 Mạch đệm

            Đây thực chất là mạch lặp điện áp. Chúng tôi sử dụng bộ khuyếch đại thuật toán TL082 [10]. Điều này đảm bảo điện trở vào của bộ khuyếch đại lớn (cỡ 1012Ω) và dòng phân cực đầu vào nhỏ (cỡ 30pA).

2.2.2 Mạch khuyết đại đo lường và lọc thông cao

            Bộ khuyếch đại đo lường được chúng tôi sử dụng trong mạch là AD620 của hãng Ana-log Devices [2]. Đây là bộ khuyếch đại đo lường có tỉ số nén tín hiệu đồng pha lớn (~100dB) và điện áp offset nhỏ (~50μV) với hệ số khuyếch đại vi sai có thể hiệu chỉnh thông qua một điện trở mắc ngoài RG, cho phép đặt hệ số khuyếch đại G = 1+(49,4k/RG).

            Bằng cách mắc một mạch tích phân phản hồi về chân Vref của bộ khuyếch đại đo lường AD620, chúng ta có thể tạo ra được một mạch lọc thông cao, có hàm truyền đạt:

     (1)

với Vd là điện áp vi sai đầu vào. Tần số cắt của bộ lọc w0 = 1/R1C1.

            Mạch lọc thông cao có tác dụng loại bỏ thành phần điện áp một chiều sinh ra do các tiếp xúc của điện cực với da. Trong đa số các ứng dụng trong y tế, dải tần số quan tâm đối với tín hiệu ECG là từ 0,05Hz đến 150Hz. Do đó trong thiết kế chúng tôi sử dụng bộ lọc thông cao Butterworth bậc một có tần số cắt tại 0,05Hz.

2.2.3 Bộ lọc thông thấp 

            Tín hiệu điện áp tại đầu ra của bộ khuyếch đại đo lường được lọc bởi một bộ lọc thông thấp để loại bỏ các thành phần nhiễu bậc cao. Trong thiết kế chúng tôi sử dụng bộ lọc thông thấp bậc hai, kiểu sơ đồ bộ lọc tích cực Sallen-Key [9], có hàm truyền đạt:

                  (2)

            Bộ lọc thông thấp được chọn là bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 2 có tần số cắt 150Hz.

            Trên đây chúng tôi trình bày một kênh đo tín hiệu ECG. Để đo được ba chuyển đạo cần sử dụng ba mạch tương ứng.

 

2.3    Các mạch chống nhiễu

Ngoài các bộ lọc và bộ khuyếch đại đo lường có tỉ số CMRR lớn, thì một số kỹ thuật chống nhiễu khác cũng thường được áp dụng trong các mạch đo tín hiệu ECG, đó là sử dụng mạch điều khiển chân phải và dây cáp có bọc kim.

            Mạch điều khiển chân phải [4] cho phép giảm một cách đáng kể biên độ của điện áp đồng pha giữa điện thế trên cơ thể người và điện thế diện đất của mạch khuyếch đại. Ngoài ra để giảm các ảnh hưởng của dòng điện nhiễu bên ngoài vào các dây cáp điện cực, người ta thường sử dụng dây cáp có vỏ bọc kim loại. Các vỏ bọc kim loại của cáo sẽ được nối với điện áp của chính dây cáp thông qua một mạch lặp điện áp [1].

 

 

Hình 2: Mạch điều khiển chân phải và nối vỏ bọc cáp

 

2.4    Thu thập và xử lý tín hiệu

Chip DSP TMS320C6713 của Texas In-strument Inc… và ADC MAX 147 của Maxim Integrated Products Ine… được lựa chọn cho nhiệm vụ thu thập tín hiệu, xây dựng bộ lọc số loại bỏ nhiễu 50Hz do lưới điện gây ra.

            DSP TMS320C6713 có khả năng thực hiện các phép tính với số thực dấu phẩy động, tần số làm việc tới 225 MHz, có các cổng truyền tin nối tiếp đồng bộ cho phép dễ dàng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và truyền tin về máy tính. Ngoài ra TMS320C6713 còn có khả năng bộ nhớ ngoài với nhiều loại bộ nhớ khác nhau như SRAM, DRAM có dung lượng đến 512 Mbytes [12]. Điều này rất thuận tiện cho các thiết bị cần lưu trữ số liệu trong một thời gian dài.

            MAX147 là ADC có độ phân giải 12bit, tần số lấy mẫu tới 133 Khz, tiêu thụ công suất thấp, điều khiển theo chuẩn SPI [14].

            Hình 3 chỉ ra cách ghép nối giữa C6713 và MAX147 thông qua cổng truyền tin McBSP0 (Multichannel Buffered Serial Port 0) [11]. ADC sẽ được điều khiển lấy mẫu ba kênh với tần số lấy mẫu cho mỗi kênh là 500Hz.

            Bộ lọc số được sử dụng là bộ lọc noteh có tần số trung tâm là 50Hz với dải chặn 10Hz [5]

                 (3)

 

 

Hình 3: Ghép nối với MAX147 thông qua cổng McBSP0 của TMS320C6713

 

3. Kết quả và hướng phát triển

            Hiện tại mạch khuyếch đại ECG và mạch thu thập số liệu sử dụng DSP và ADC đã được chế tạo.

            Để kiểm tra hoạt động của mạch khuyếch đại, chúng tôi đã sử dụng một card thu thập số liệu PCI 6024E của National Intru-ments, thiết bị này có ADC với độ phân giải là 12 bit, sau đó áp dụng bộ lọc số trên máy tính. Hình 4 chỉ ra tín hiệu ECG của chuyển đạo D1 trong hệ thống điện cực Einthoven. So sánh với dạng tín hiệu ECG đo được bởi máy đo ECG của bệnh viện, các kết quả là chấp nhận được.

            Mạch thu thập số liệu sử dụng DSP được xây dựng trên vi mạch phát triển DSK TMS320C6713. Hiện tại việc kết nối DSP với ADC đã được thực hiện.

            Trong thời gian tới chúng tôi sẽ tiến hành hoàn thiện việc ghép nối mạch khuyếch đại ECG với mạch thu thập số liệu. Đồng thời xây dựng các thuật toán phân tích tín hiệu điện tim trên DSP. Trong trường hợp phát hiện ra những hiện tượng bất bình thường, máy có khả năng chuyển các tín hiệu cảnh báo đến bác sĩ điều trị hay các trung tâm cấp cứu.

 

4. Lời cảm ơn

            Các tác giả xin chân thành cảm ơn dự án VLIR-HUT, quỹ các trường đại học Flem-ish của cộng hoà Bỉ đã tạo điều kiện để chúng tôi có thể thực hiện được đề tài. Cảm ơn thạc sĩ Nguyễn Văn Hồng, người đã giúp đỡ rất nhiều trong việc phát triển phần mềm thu thập số liệu trên DAQ PCI 6024E. Các tác giả cũng xin cảm ơn các bác sĩ tại viện tim mạch - bệnh viện Bạch Mai đã giúp đỡ và góp ý trong các thí nghiệm do tín hiệu điện tim.

 

EYETECK.VN

Theo BCKH-BKHN