Khóa luận Nghiên cứu khả năng đo nồng độ Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng

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 vậy 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 kết 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 O2 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 biệt 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 bệnh 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 tối 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 kết 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 g0,0 P1 P2 T1 T2 Systolic Diastolic Ống nghe Động mạch Bao khí 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 mạch. 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 T2 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 huyết 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 thực 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 đó 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 Motor b¬m khÝ Vi ®iÒu khiÓn Modem Antena 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 o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g d © y M ¹ c h ® o M o d u le th u p h ¸ t k h « n g 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 của 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 điện 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 những 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 đo 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 chiều và 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 chiều 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 dụng 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 hiện 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 hiện 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 sẽ 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, nếu 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 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 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 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. 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 động 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 Th Thời gian Ip Photodiode Iout Độn g mạc Iin 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