Đề tài Xây dựng phần mềm monitor theo dõi bệnh nhân

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..............................................................Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 2 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................................. 3 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 5 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 5 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ............................................................................................... 6 HỆ THỐNG THEO DÕI TÍN HIỆU BỆNH NHÂN.......................................................... 6 Chương I: Khảo Sát Hệ Thống Monitor đa thông số.............................................................. 6 I.1 Giới thiệu hệ thống monitor đa thông số ....................................................................... 6 I.2 Chức năng của monitor đa thông số .............................................................................. 8 I.2.1 Hiển thị tín hiệu điện tim........................................................................................ 8 I.2.2 Hiển thị tín hiệu SPO2............................................................................................ 9 I.2.3 Hiển thị tín hiệu huyết áp ..................................................................................... 10 I.3 Cơ sở lý thuyết của hệ thống monitor đa thông số ...................................................... 11 I.3.1 Phép đo nhịp tim(HR) .......................................................................................... 11 I.3.2 Phép đo nhịp mạch ............................................................................................... 15 I.3.3 Phép đo huyết áp .................................................................................................. 16 I.3.4 Phép đo nhiệt đô ................................................................................................... 24 I.3.5 Phép đo nhịp thở................................................................................................... 25 I.3.6 Phương pháp CO2 ................................................................................................ 27 I.3.7 Ghi tín hiệu điện tim ECG.................................................................................... 29 I.3.8 Độ bão hòa oxi trong máu SpO2 .......................................................................... 43 I.3.9 Đo cung lượng tim CO ......................................................................................... 45 Chương II: Khảo sát card thu thập và xử lý tín hiệu CSN 608............................................. 54 II.1 Giới thiệu về card CSN 608 ....................................................................................... 54 II.2 Các module của card CSN 608 .................................................................................. 57 II.2.1Module tín hiệu và dạng sóng điện tim................................................................ 57 II.2.2 Module tín hiệu và dạng sóng SPO2................................................................... 61 II.2.3 Module tín hiệu và dạng sóng RESP................................................................... 63 II.2.4 Module tín hiệu huyết áp..................................................................................... 68 II.3 Phân tích luồn dữ liệu trong card CSN 608 ............................................................... 75 II.3.1 Giao tiếp với card CSN 608 ................................................................................ 75 II.3.2 Cấu trúc và định dạng khung dữ liệu .................................................................. 76 Chương III: Khảo sát hệ thống PC nhúng ............................................................................ 81 III.1 Giới thiệu về hệ thống PC nhúng.............................................................................. 81 III.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống PC nhúng........................................................... 81 III.3 Giới thiệu hệ điều hành Windows XPE rút gọn dùng cho PC nhúng....................... 82 PHẦN II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................................. 86 Chương IV: Thu nhận và xử lý thông tin phần cứng........................................................... 86 IV.1 Đặc điểm cơ bản ....................................................................................................... 86 IV.2 Thu nhận thông tin từ hệ thống CSN608.................................................................. 86 Chương V: Xây dựng cấu trúc phần mềm ............................................................................ 90 V.1 Phần mềm thu nhận, hiển thị và lưu trữ thông tin bệnh nhân .................................... 90 V.2 Cấu trúc phần mềm và các module ............................................................................ 91 V.2.1 Cấu trúc phần mềm ............................................................................................. 91 V.2.2 Module xử lý tín hiệu và dạng sóng điện tim ..................................................... 92 V.2.3 Module xử lý tín hiệu và dạng sóng SPO2 ......................................................... 93 V.2.4 Module xử lý tín hiệu và dạng sóng RESP ......................................................... 94 V.2.5 Module xử lý tín hiệu nhiệt độ............................................................................ 95 V.2.6 Module xử lý tín hiệu huyết áp ........................................................................... 96 Chương VI: Phần mềm lập trình thu nhận, hiển thị và lưu trữ ............................................. 97 VI.1 Giao diện và chức năng phần mềm........................................................................... 97 VI.1.1 Các giao diện phần mềm ................................................................................... 97 VI.1.2 Các chức năng chính của phần mềm ................................................................. 98 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 102 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 103 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BMS : Bedside Monitor System SPO2: ECG: Electrocardiogram TEMP: Temperature HR: Heart Rate XPE : XP embed PC: Personal Computer ECG: Electrocardiogram – điện tâm đồ RESP: Respiration – hô hấp SpO2: Saturation of Peripheral Oxygen - Nồng độ Oxi trong máu BP: Blood Pressure – huyết áp TEMP: Temperature – nhiệt độ NIBP: Non-Invasive Blood Pressure – huyết áp gián tiếp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Sơ đồ mạch khối ECG/RESP ..................................................................................... 8 Bảng 1. 2 Sơ đồ nguyên lý của khối SpO2.................................................................................. 9 Bảng 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối IBP ................................................................. 10 Bảng 1. 4 Sơ đồ khối một máy Cardiotachometer dựa trên bộ lọc so sánh.............................. 15 Bảng 1. 5 Sự sắp xếp của các tầng............................................................................................ 40 Bảng 1. 6 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu của Pulse Oximetor.......................................................... 44 Bảng 1. 7 Áp suất khí áp của nước ........................................................................................... 47 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân ....................................................................... 6 Hình 1. 2 Sơ đồ khối máy theo dõi bệnh nhân tại giường .......................................................... 7 Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối NIBP............................................................... 10 Hình 1. 4 Mạch bơm Diot ......................................................................................................... 12 Hình 1. 5 Sơ đồ khối một máy theo dõi nhịp tim trung bình.................................................... 13 Hình 1. 6 Nguyên lý chuyển đổi tần số sang điện áp đẻ theo dõi nhịp tim tức thì ................... 14 Hình 1. 7 Ảnh cấy cảm biến trực tiếp vào động mạch.............................................................. 17 Hình 1. 8: Sơ đồ mạch điện dùng đo huyết áp tâm thu và tâm trương ..................................... 17 Hình 1. 9 Dạng sóng tín hiệu thu được đo theo phương pháp Korotkoff và dao động kế........ 19 Hình 1. 10 Phương pháp đo huyết áp gián tiếp theo Rheographic ........................................... 21 Hình 1. 11 Các khối chính trong thiết bị đo huyết áp siêu âm.................................................. 23 Hình 1. 12 Sơ đồ khối chi tiết đo nhiệt độ hiển thị số trực tiếp................................................ 25 Hình 1. 13 Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi ............................................................ 26 Hình 1. 14 Nồng độ CO2 khi hít vào và thở ra ......................................................................... 28 Hình 1. 15 Sơ đồ khối của quá trình phân tích khí CO2 trong hơi thở ..................................... 29 Hình 1. 16 Các đạo trình chuẩn ................................................................................................ 30 Hình 1. 17 Các đạo trình chi đơn cực ....................................................................................... 30 Hình 1. 18 Các đạo trình trước ngực ........................................................................................ 31 Hình 1. 19 Điện tim 12 kênh ghi .............................................................................................. 31 Hình 1. 20 Điện tim 6 kênh ghi ................................................................................................ 32 Hình 1. 21Điện tim 3 kênh ghi ................................................................................................. 32 Hình 1. 22 Điện tim 3 kênh ghi + 1 nhịp tim chuẩn ................................................................. 32 Hình 1. 23 Sơ đồ khối của việc thu nhận và xử lý tín hiệu ECG.............................................. 33 Hình 1. 24 Tín hiệu điện tim đặc trưng..................................................................................... 37 Hình 1. 25 Nhiễu do hoạt động mạnh ( kiểm tra dây đất, điều kiện điện cực) ......................... 38 Hình 1. 26 Mạch khuếch đại vi sai gồm 3 bộ khuếch đại thuật toán........................................ 38 Hình 1. 27 Mạch điều khiển chân phải để tối thiểu hóa nhiễu mode chung............................ 39 Hình 1. 28 Ví dụ về sự giảm nhiễu trong thiết kế một hê thống đa tầng................................ 40 Hình 1. 29 Sơ đồ mạch bên trong của INA 118........................................................................ 41 Hình 1. 30 Ví dụ đơn giản về mạch lọc thông cao Sallen-Key 2 cực....................................... 42 Hình 1. 31 Đáp ứng tần số của bộ khuếch đại điện tim............................................................ 42 Hình 1. 32 Mô phỏng kết quả kiểm tra ..................................................................................... 43 Hình 1. 33 Hình sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của máu tĩnh mạch, mô, xương và da......... 45 Hình 1. 34 Sự đo Oxi trong ống với một dung kế (phải).......................................................... 46 Hình 1. 35 Phương pháp pha loãng nhiệt (a), và đường cong đặc trưng (b) ............................ 51 Hình 1. 36Đường cong pha loãng bị che khuất bởi sự quay vòng (a), ..................................... 53 Hình 2. 1 Cấu trúc phần cứng ECG .......................................................................................... 57 Hình 2. 2 Cấu trúc phần cứng SPO2......................................................................................... 61 Hình 2. 3 Cấu trúc phần cứng ................................................................................................... 63 Hình 2. 4 Cấu trúc phần cứng ................................................................................................... 68 Hình 4. 1 Sơ đồ khối của modul ghép nối dữ liệu .................................................................... 87 Hình 4. 2 Chương trình tạo kết nối ảo cổng COM ................................................................... 88 Hình 4. 3 Chương trình thu và hiển thi dữ liệu lấy từ cổng COM............................................ 88 Hình 6. 1 Chức năng chương trình ........................................................................................... 98 Hình 6. 2 Chức năng cài đặt...................................................................................................... 99 Hình 6. 3 Điều chỉnh các thông số ECG................................................................................... 99 Hình 6. 4 Điều chỉnh các thông số RESP ............................................................................... 100 Hình 6. 5 Lựa chọn các tham số cảnh báo .............................................................................. 100 Hình 6. 6 Lưu trữ dữ liệu và thông số bệnh nhân ................................................................... 100 Hình 6. 7 Hiển thị các thông số huyết áp................................................................................ 101 Hình 6. 8 Hiển thị nhịp tim..................................................................................................... 101 Hình 6. 9 Hiển thị thông số SPO2 .......................................................................................... 101 Hình 6. 10 Hiển thị các thông số nhịp hô hấp......................................................................... 101 MỞ ĐẦU Ngày nay, tại Việt nam, việc thăm khám, theo dõi và điều trị bệnh đã và đang trở nên là nhu cầu thiết yếu của người dân, đặc biệt là ở các thành phố lớn. Hơn nữa, hầu hết trong các gia đình này đều sử dụng máy tính cá nhân là phương tiện làm việc, học tập, nghiên cứu. Xuất phát từ những điều này, em đã thực hiện nghiên cứu thiết kế và bước đầu chế tạo ra thiết bị theo dõi sức khỏe. Đó là sự kết hợp giữa phần cứng thu nhận, xử lý các thông số sinh học và phần mềm điều khiển và hiển thị trên máy tính cá nhân. Các thông số sinh học chứa những thông tin về bệnh lý bao gồm: Điện tim ECG, nhịp tim HR, nhịp thở RESP, nhịp mạch PR, nồng độ ôxy bão hòa SpO2, huyết áp không thiệp NIBP, nhiệt độ cơ thể TEMP. Thiết bị đã được thiết kế khá ổn định, hoạt động tin cậy, độ chính xác và đảm bảo an toàn, phần mềm điều khiển đơn giản, hiển thị kết quả đo rõ rang bằng giao diện tiếng việt. PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THEO DÕI TÍN HIỆU BỆNH NHÂN Chương I: Khảo Sát Hệ Thống Monitor đa thông số I.1 Giới thiệu hệ thống monitor đa thông số Các thiết bị theo dõi tại giường có các cấu hình khác nhau phụ thuộc vào các nhà sản xuất. Chúng được thiết kế để theo dõi các thông số khác nhau nhưng đặc tính chung giữa tất cả các máy đó là khả năng theo dõi liên tục và cung cáp sự hiển thị rõ nét đường sóng ECG và nhịp tim. Một số thiết bị còn bao gồm khả năng theo dõi áp suất, nhiệt độ, nhịp thở, nồng độ oxi bão hòa SpO2, … Hình 1. 1 Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân Sự xuất hiện của các máy vi tính đã đánh dấu sự mở đầu của một hướng phát triển cơ bản mới trong các hệ thống theo dõi bệnh nhân. Những hệ thống như vậy có một khối CPU chính có khả năng tổng hợp, ghi nhận bản chất của nguồn tín hiệu và xử lý chúng một cách thích hợp. Phần cứng chịu trách nhiệm cho việc phân tích tín hiệu sinh lý, hiển thị thông tin và tương tác với người sử dụng trên thực tế là một tập hợp các khối phần sụn được thực hiện dưới chương trình vi tính. Phần sụn đem lại cho hệ thống tính chất của nó các công tắc, nút, núm xoay,và đồng hồ đo được thay thế bằng màn hình sờ ( cảm ứng). Hình 3.1 minh họa sơ đồ khối của chung của một Bedside monitor. Trong đó: ECG: Electrocardiogram – điện tâm đồ RESP: Respiration – hô hấp SpO2: Nồng độ Oxi trong máu BP: Blood Pressure – huyết áp TEMP: Temperature – nhiệt độ NIBP: Non-Invasive Blood Pressure – huyết áp gián tiếp Khối dầu vào gồm có ba khối chính là khối ECG/RESP, khối SpO2/BP/TEMP, khối NIBP. Hình 1. 2 Sơ đồ khối máy theo dõi bệnh nhân tại giường I.2 Chức năng của monitor đa thông số I.2.1 Hiển thị tín hiệu điện tim Thực hiện đo một kênh tín hiệu ECG và đường sóng hô hấp( RESP) hình(3.2). Các mạch trở kháng cao và các bộ hãm khí bảo vệ các bộ khuếch đại đầu vào khỏi sốc tim và các tín hiệu nhiễu tần sô cao từ các điện cực gắn trên người bệnh nhân. Các mạch đầu vào của khối này được cách ly với các mạch còn lại bằng các bộ nối quang và máy biến thế. Khối này nhận một kênh tín hiệu ECG từ các đạo trình 3 điện cực hoặc 5 điện cực. Phụ thuộc vào cài đặt phần mềm mà bộ chọn đạo trình ở khối này chọn đạo trình phù hợp từ 3 đến 5 điện cực đặt trên người bệnh nhân. Mạch xử lý đường sóng hô hấp có khả năng đo trở kháng của các tín hiệu đầu vào. Sự thay đổi trở kháng của các tín hiệu đầu vào gây ra sự thay đổi điện áp của tín hiệu đầu ra và dựa vào sự thay đổi điện áp này máy tính ra số nhịp thở của bệnh nhân. Bảng 1. 1 Sơ đồ mạch khối ECG/RESP I.2.2 Hiển thị tín hiệu SPO2 Khối này được dùng để đo một kênh đường sóng huyết áp, một kênh đường sóng nhiệt độ và giá trị của SpO2. Các mạch đầu vào trên bảng này được cách ly khỏi các mạch còn lại bằng các bộ nối quang và máy biến thế. Thường ở trên khối này có một công tắc ngầm dùng để cài đặt các thông số cần đo trong khối. Trong mạch xử lý nhiệt độ, tín hiệu đầu vào từ các thermistor được lọc qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu tần sô cao. Bộ ghép kênh sau đó sử dụng đồng thời điện áp tham chiếu 270C, điện áp định cỡ cho 370C và tín hiệu nhiệt độ cơ thể từ các thermistor. Trong mạch xử lý huyết áp(hình 3.4) bộ kích thích điều khiển hoạt động của đầu đo huyết áp. Những tín hiệu đầu vào từ transducer được khuếch đại và sau đó được lọc qua bộ lọc thông thấp. Mạch xử lý SpO2 (hình 3.3) bao gồm 3 mạch nhỏ: mạch điều khiển LED, mạch phát điện ID đầu đo, và mạch xử lý tín hiệu đầu vào. Mạch điều khiển LED điều khiển hoạt động của LED ở trong đầu đo. Mạch phát hiện ID đầu đo tìm dạng và sự hiện diện của đầu đo. Trong mạch xử lý tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu vào từ photodiode được khuếch đại và được lọc qua bộ lọc thông thấp. Trong quá trình này, một phần tín hiệu khi không dò được ánh sáng đượcgiữ lại như đường gốc của tín hiệu. Bảng 1. 2 Sơ đồ nguyên lý của khối SpO2 Bảng 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối IBP I.2.3 Hiển thị tín hiệu huyết áp Sau khi tín hiệu nhận từ đầu đo huyết áp, khối này khuếch đại các tín hiệu đầu vào rồi sau đó cho qua các bộ lọc và đau vào bộ ghép kênh. Các tín hiệu từ bộ ghép kênh sau đó được đưa vào bảng mạch mẹ để xử lý tiếp. Trong khối này có một bộ điều khiển van an toàn để kiểm tra trạng thái của van an toàn. Van an toàn được thiết kế sao cho nó tự động làm giảm bớt áp suất của Cuff khi áp suất này vượt quá 300mmHg. Van này giúp bảo vệ bệnh nhân trong trường hợp mạch an toàn không dừng tăng áp suất của cuff khi áp suất đã đạ