ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VÕ CÔNG LUẬN

THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ECG BỀ MẶT VÀ KHẢO SÁT
ẢNH HƯỞNG CỦA HÚT THUỐC LÁ THỤ ĐỘNG
LÊN ECG BẰNG HỌC MÁY

Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Tiến sĩ Nguyễn Trung Hậu
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Phó Giáo sư Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh
Cán bộ chấm nhận xét 1 : Tiến sĩ Lưu Gia Thiện
Cán bộ chấm nhận xét 2 : Tiến sĩ Mai Hữu Xuân
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 09 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch: Tiến sĩ Lý Anh Tú.
2. Thư ký: Tiến sĩ Nguyễn Xuân Thanh Trâm.
3. Phản biện 1: Tiến sĩ Lưu Gia Thiện.
4. Phản biện 2: Tiến sĩ Mai Hữu Xuân.
5. Uỷ viên: Tiến sĩ Hoàng Mạnh Hà.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN VÕ CÔNG LUẬN
Ngày, tháng, năm sinh: 12/05/1996
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT

MSHV: 2170962
Nơi sinh: Đồng Nai
Mã số : 8520401

I. TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ECG BỀ MẶT VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG
CỦA HÚT THUỐC LÁ THỤ ĐỘNG LÊN ECG BẰNG HỌC MÁY.
A SURFACE ECG DEVICE DESIGN FOR INVESTIGATING ON ECG
BASED ON MACHINE LEARNING.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.
Tiến hành thực hiện tổng quan các vấn đề chính liên quan trực tiếp tới đề tài.

Phương pháp đo 12 đạo trình ECG bề mặt. Các thành phần của một thiết bị đo ECG
bề mặt. Các nghiên cứu về đề tài liên quan trong và ngoài nước.
2.
Thiết kế, chế tạo mạch đo ECG bề mặt hoạt động ở điện áp 5V và giao tiếp
được với điện thoại di dộng thông minh thông qua Bluetooth.
3.
Thu thập mẫu ECG xây dựng cơ sở dữ liệu, huấn luyện mơ hình học máy
khảo sát ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên ECG bề mặt.
4.
Đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng, thực nghiệm của thiết bị và các nghiên
cứu đã được công bố, hướng phát triển của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023
V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CBHD 1: TIẾN SĨ NGUYỄN TRUNG HẬU.
CBHD 2: PHÓ GIÁO SƯ TIẾN SĨ HUỲNH QUANG LINH.
TRƯỞNG KHOA
KHOA HỌC ỨNG DỤNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

Tp. HCM, ngày
tháng
năm 2023
CHỦ NHIỆM
BỘ MÔN ĐÀO TẠO

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2



ii

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến với giảng viên hướng dẫn – TS.
Nguyễn Trung Hậu, người đã luôn quan tâm, theo sát, chỉ bảo và động viên em trong
suốt quá trình thực hiện luận văn này. Bên cạnh đó, những buổi huấn luyện, dạy –
học, trao đổi kiến thức từ thầy giúp em trang bị thêm được những kỹ năng cần thiết
để chuẩn bị thật tốt trong quá trình thực hiện luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS. Huỳnh Quang Linh cùng
các quý thầy cô bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật nói riêng và thầy cơ Trường Đại học Bách
khoa – ĐHQG.HCM nói chung. Cảm ơn những kiến thức, kỹ năng cũng như kinh
nghiệm quý báu mà các thầy cô đã truyền đạt lại trong suốt khoảng thời gian học tập
và rèn luyện tại chính ngơi trường này. Cảm ơn các thầy cô đã luôn dõi theo, kiểm
tra tiến độ học tập, thường xuyên tổ chức những buổi hội thảo để em có thêm định
hướng cũng như đưa ra những ý kiến hướng dẫn cho đề tài luận văn của em.
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Lê Cao Đăng cùng Phịng thí nghiệm kỹ thuật
y sinh 202-B4 đã tạo điều kiện, cung cấp các thiết bị cần thiết hỗ trợ cho việc thực
hiện luận văn của em.
Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn đến với gia đình, người thân, bạn bè. Những
người ln quan tâm, động viên, giúp đỡ em trong bất kỳ hoàn cảnh nào và là nguồn
động lực mạnh mẽ nhất cả về vật chất lẫn tinh thần để em luôn nỗ lực trong việc học
tập, rèn luyện và trong q trình hồn thành luận văn này.
Một lần nữa em xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất.


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Theo nhiều nghiên cứu gần đây, hơn 8 triệu người sẽ chết mỗi năm do các
nguyên nhân liên quan đến hút thuốc lá. Hút thuốc lá có liên quan đến các tác động

tiêu cực lên sức khỏe và là một trong những yếu tố nguy cơ cao nhất đối với bệnh tim
mạch, đột quỵ, bệnh mạch máu ngoại vi và suy tim sung huyết [1] [2] [3] [4]. Đã có
nhiều nghiên cứu sử dụng siêu âm tim đánh giá mức độ ảnh hưởng tiêu cực của khói
thuốc lên sức khoẻ tim mạch. Tuy nhiên phương pháp siêu âm tim này địi hỏi thiết
bị hiện đại và trình độ cao của bác sĩ. Một hướng tiếp cận khác là đánh giá thông qua
các thông số Biến thiên Nhịp Tim HRV (Heart Rate Variability) [5] [6] [7] [8] [9].
Đã có nhiều nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá chủ động lên
nhịp tim thông qua đánh giá HRV. Tuy nhiên số lượng các nghiên cứu về mức độ
ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim thơng qua HRV vẫn cịn hạn chế.
Trong các nghiên cứu đó, các thơng số được tính tốn thơng qua khoảng thời gian dài
từ 5 phút đến 15 phút, gây khó khăn cho việc ứng dụng vào các thiết bị theo dõi theo
thời gian thực.
Trong đề tài của mình, em thực hiện thiết kế thiết bị đo điện tâm đồ bề mặt
của đối tượng. Sau đó điện tâm đồ được qua các bước xử lý để trích xuất thơng tin
đặc trưng HRV. Các đặc trưng HRV này sau đó được dùng để huấn luyện cho mơ
hình học máy ANN và tiến hành phân tích theo thời gian thực trên vi xử lý ESP32
LOLIN32. Các kết quả phân tích được gửi qua bluetooth đến điện thoại di động thông
minh của người sử dụng để thuận tiện lưu lại và theo dõi lâu dài.


iv

ABSTRACT
According to many recent studies, more than 8 million people will die each
year from smoking-related causes. Smoking is associated with negative health effects
and is one of the highest risk factors for cardiovascular disease, stroke, peripheral
vascular disease, and congestive heart failure [1] [2] ] [3] [4]. Many studies have used
echocardiography to assess the negative effects of secondhand smoke on
cardiovascular health. However, this method of echocardiography requires modern
equipment and high qualifications of doctors. Another approach is to evaluate

through the parameters of Heart Rate Variability (HRV) [6] [7] [8] [9] [10].
There have been many studies on the effect of active smoking on heart rate
through HRV assessment. However, the number of studies on the effect of passive
smoking on heart rate through HRV is still limited. In those studies, features were
calculated over a long period of time from 5 minutes to 15 minutes, making it difficult
to apply to real-time monitoring devices.
In my thesis, I design a device to measure the surface of the object's
electrocardiogram. The electrocardiogram is then processed through steps to extract
HRV-specific information. These HRV features are then used to train the ANN
machine learning model and conduct real-time analysis on the ESP32 LOLIN32
microprocessor. The analysis results are sent via bluetooth to the user's smart mobile
phone for convenient recording and long-term monitoring.


v

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Trung Hậu và Phó Giáo sư Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh. Các
kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chính xác và chưa từng được cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác. Những d ữ liệu trong các bảng biểu và
hình ảnh sử dụng phục vụ cho việc giải thích, nhận xét, đánh giá được tác giả xây
dựng và thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

TRẦN VÕ CÔNG LUẬN



vi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... iii
ABSTRACT ................................................................................................................. iv
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... v
MỤC LỤC ................................................................................................................... vi
DANH SÁCH HÌNH ẢNH.......................................................................................... vii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ......................................................................................... xi
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... xii
CHƯƠNG 1. MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI ....................................................... - 1 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................ - 3 2.1. Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG) ....................................................... - 3 2.1.1. Các thành phần PQRST của một nhịp tim bình thường trên ECG ......... - 6 2.1.2. Tam giác Einthoven và mười hai đạo trình ECG ...................................... - 7 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ........................................................ - 10 3.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ............................................................................ - 10 3.1.1. Điện cực ECG ............................................................................................. - 10 3.1.2. Thiết kế mạch đo ECG và lọc nhiễu .......................................................... - 13 3.1.3. Vi điều khiển ............................................................................................... - 30 3.2. XỬ LÝ TÍN HIỆU ........................................................................................ - 36 3.2.1. Trích xuất các đặc trưng Heart Rate Variability (HRV) ........................ - 36 3.2.3. Mơ hình Mạng Nơ-ron nhân tạo (ANN) ................................................... - 40 3.3. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM........................................................................ - 42 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................... - 46 4.1. Kết quả ......................................................................................................... - 46 4.2. Đánh giá ....................................................................................................... - 63 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... - 64 Tài liệu tham khảo ................................................................................................... - 66 -


vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Điện thế màng tế bào. .............................................................................. 4
Hình 2.2. Các bơm Na+-K+-ATP được nhúng trong màng tế bào. ......................... 5
Hình 2.3. Điện thế phân cực của tế bào ở trạng thái nghỉ. ....................................... 6
Hình 2.4. Hệ thống dẫn truyền tự nhiên của tim và mối liên hệ với
các sóng PQRS......................................................................................................... 6
Hình 2.5. Các thành phần điển hình của một nhịp tim bình thường trên ECG. ........7
Hình 2.6. Hệ thống 12 đạo trình ECG. .................................................................... 8
Hình 2.7. Ví dụ về 12 đạo trình ECG của một nhịp tim bình thường. ..................... 9
Hình 3.1. Điện cực Ag/AgCl tiêu chuẩn. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da.
Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực. ........................................................ 11
Hình 3.2. Điện cực khơ loại có ghim. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da.
Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực. ........................................................ 11

Hình 3.3. Điện cực thép khơng gỉ. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da.
Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực. ........................................................ 12
Hình 3.4. IC khuếch đại thiết bị INA128. .............................................................. 13
Hình 3.5. Sơ đồ chân bộ khuếch đại thiết bị INA128. ........................................... 14
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí INA128 với điện trở khuếch đại và tụ lọc được
khuyến cáo. ............................................................................................................ 15
Hình 3.7. Mạch nguyên lý của IC khuếch đại thiết bị INA128. ............................ 16
Hình 3.8. Độ khuếch đại tương ứng điện trở khuếch đại. ...................................... 16
Hình 3.9. Thiết kế mạch đo ECG bằng bộ khuếch đại thiết bị INA128. ............... 17
Hình 3.10. Đầu kết nối PH 2.0 ba chân. ................................................................ 18
Hình 3.11. IC LM324. ........................................................................................... 19
Hình 3.12. Sơ đồ chân của IC LM324. .................................................................. 20
Hình 3.13. Sơ đồ mạch lọc thơng thấp bậc hai Multiple Feedback. ...................... 22
Hình 3.14. Sơ đồ mạch lọc thơng thấp bậc hai Sallen-Key. .................................. 23
Hình 3.15. Thiết kế mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key với fc = 35 Hz. ...... 24
Hình 3.16. Thiết kế bộ lọc bậc cao bằng cách xếp tầng nhiều bộ lọc bậc hai. ...... 25
Hình 3.17. Thiết kế mạch lọc thơng cao bậc hai Sallen-Key với fc = 0,7 Hz. ...... 26


viii

Hình 3.18. Khối dịch điện áp 1,65 V đẩy tín hiệu ECG lên để thực hiện ADC. ... 26
Hình 3.19. Bộ chuyển đổi điện áp IC 7660 tạo nguồn đôi ±5 V. .......................... 27
Hình 3.20. Sơ đồ thiết kế hồn chỉnh của mạch điện thực hiện chức năng
đo ECG và chuyển đổi Analog-to-Digital trên vi xử lý. ........................................ 28
Hình 3.21. Thiết kế mạch in trên phần mềm EasyEDA.
Hình bên trái: mặt trên của mạch in. Hình bên phải: mặt dưới của mạch in. ........ 29
Hình 3.22. Vi xử lý ESP32 LOLIN32. Hình bên trái: mặt trên.
Hình bên phải: mặt dưới. ....................................................................................... 31
Hình 3.23. Mơ tả GATT của một thiết bị server BLE. .......................................... 33

Hình 3.24. Mơ tả cách tính HRV cho một cửa sổ dữ liệu dài 2,5 giây. ................. 37
Hình 3.25. Mơ tả cấu trúc cơ bản của một mạng ANN
(gồm các lớp input, hidden, output). ...................................................................... 40
Hình 3.26. Mơ tả cơ bản của một perceptron. ....................................................... 40
Hình 3.27. Hàm kích hoạt RELU. ......................................................................... 41
Hình 3.28. Hàm kích hoạt SIGMOID. ................................................................... 41
Hình 3.29. Máy đo huyết áp chuyên dụng Terumo ES-P311 (Nhật Bản). ............ 42
Hình 3.30. Lưu đồ quy trình thí nghiệm. ............................................................... 43
Hình 3.31. Quy trình tiền xử lý dữ liệu.................................................................. 43
Hình 3.32. Lưu đồ huấn luyện mơ hình phân loại có hay khơng
hút thuốc lá thụ động. ............................................................................................ 44
Hình 3.33. Lưu đồ quy trình huấn luyện mơ hình hồi quy dự đốn giá trị
huyết áp tâm thu và tâm trương từ mẫu ECG. ....................................................... 45
Hình 4.1. Tín hiệu điện tim chưa qua lọc nhiễu..................................................... 46
Hình 4.2. Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thông thấp bậc 2. .......................... 46
Hình 4.3. Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thơng thấp bậc 4. .......................... 47
Hình 4.4. Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thông thấp bậc 6. .......................... 47
Hình 4.5. Tín hiệu điện tim sau khi được chuyển đổi ADC. ................................. 48
Hình 4.6. Tín hiệu điện tim sau khi được tiền xử lý bằng bộ lọc digital. .............. 48
Hình 4.7. Tín hiệu ECG sau khi qua thuật tốn bắt đỉnh R. .................................. 49
Hình 4.8. Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số RRI thuộc hai


ix

nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: khơng hút thuốc thụ động". ...49
Hình 4.9. Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số pRRI50 thuộc
hai nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: khơng hút thuốc thụ động". ...50
Hình 4.10. Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số pRRI20 thuộc hai
nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: không hút thuốc thụ động". .. 50

Hình 4.11a. Giá trị của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao
của dữ liệu thuộc nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động". ..................................... 52
Hình 4.11b. Tỉ trọng của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao
của dữ liệu thuộc nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động". ..................................... 52
Hình 4.12a. Giá trị của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của
dữ liệu thuộc nhóm "class 0: khơng hút thuốc thụ động". ..................................... 53
Hình 4.12b. Tỉ trọng của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao
của dữ liệu thuộc nhóm "class 0: khơng hút thuốc thụ động". .............................. 53
Hình 4.13. Hình so sánh ROC và AUC của các mơ hình ANN sử dụng các độ dài
cửa sổ dữ liệu khác nhau. ....................................................................................... 54
Hình 4.14. Biểu đồ cột so sánh độ chính xác giữa các mơ hình ANN. ................. 54
Hình 4.15. Hàm mất mát của mơ hình trong quá trình huấn luyện và đánh giá. ... 55
Hình 4.16. Ma trận nhầm lẫn của mơ hình ANN tối ưu (mơ hình sử dụng cửa sổ
dữ liệu dài 90 giây). ............................................................................................... 55
Hình 4.17. Hình so sánh ROC và AUC giữa các mơ hình sử dụng các
phương pháp học máy khác nhau. ......................................................................... 56
Hình 4.18a. Tương quan giữa giá trị RRI được mơ hình dự đốn
và giá trị đúng (a). .................................................................................................. 57
Hình 4.18b. Tương quan giữa giá trị RRI được mơ hình dự đốn
và giá trị đúng (b)................................................................................................... 57
Hình 4.19. Huyết áp tâm thu đo được từ máy Terumo ES-P311. .......................... 58
Hình 4.20. Huyết áp tâm trương đo được từ máy Terumo ES-P311. .................... 58
Hình 4.21. Hàm mất mát mơ hình dự đốn huyết áp tâm thu. ............................... 59
Hình 4.22. Hàm mất mát mơ hình dự đốn huyết áp tâm trương. ......................... 59
Hình 4.23a. Tương quan giữa huyết áp tâm thu dự đoán và giá trị đúng (a). ........ 60


x

Hình 4.23b. Tương quan giữa huyết áp tâm thu dự đốn và giá trị đúng (b). ....... 60

Hình 4.24a. Tương quan giữa huyết áp tâm trương dự đoán và giá trị đúng (a). .. 61
Hình 4.24b. Tương quan giữa huyết áp tâm trương dự đoán và giá trị đúng (b). .. 61
Hình 4.25. ESP32 LOLIN32 trích xuất các đặc trưng HRV theo thời gian thực. . 62
Hình 4.26. Kết quả dự đoán được vi xử lý gửi bluetooth đến điện thoại di động
thông minh. ............................................................................................................ 62


xi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Chức năng chân INA128. ...................................................................... 14
Bảng 3.2. So sánh các bộ lọc thông dụng. ............................................................. 21
Bảng 3.3. So sánh các cấu trúc mạch thông dụng.................................................. 21
Bảng 3.4. Bảng so sánh BLE và Bluetooth Classic. .............................................. 32
Bảng 3.5. Bảng mơ tả cấu trúc mơ hình ANN được sử dụng trong luận văn. ....... 41


xii

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
HRV: Heart Rate Variability - Biến thiên nhịp tim ................................................ 1
ECG: Electrocardiography - Điện tâm đồ ................................................................3
ANS: Autonomic Nervous System - Hệ thần kinh tự động .................................. 36
SNS: Sympathetic Nervous System - Hệ thần kinh giao cảm .............................. 36
PNS: Parasympathetic Nervous System - Hệ thần kinh phó giao cảm ................. 36
ANN: Artificial Neural Network - Mạng thần kinh nhân tạo ............................... 39


-1-


CHƯƠNG 1. MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Theo nhiều nghiên cứu gần đây, hơn 8 triệu người sẽ chết mỗi năm do các
nguyên nhân liên quan đến hút thuốc lá. Hút thuốc lá có liên quan đến các tác động
tiêu cực lên sức khỏe và là một trong những yếu tố nguy cơ cao nhất đối với bệnh tim
mạch, đột quỵ, bệnh mạch máu ngoại vi và suy tim sung huyết. Các biến chứng tim
mạch như nhồi máu cơ tim và đột tử do tim cũng liên quan đến việc hút thuốc lá chủ
động. Những người hút thuốc lá mãn tính có tỷ lệ co thắt động mạch vành tăng lên
do tác dụng co mạch của việc hút thuốc lá lâu dài đối với hệ thống mạch vành. Hút
thuốc lâu dài có tác động có hại đến huyết áp và trương lực giao cảm, cũng như làm
giảm quá trình oxy hóa cơ tim. Độ tuổi người hút thuốc lá ngày càng trẻ hoá và tỉ lệ
phụ nữ hút thuốc lá cũng tăng lên [1] [2] [3] [4].
Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng siêu âm tim đánh giá mức độ ảnh hưởng tiêu
cực của khói thuốc lên sức khoẻ tim mạch. Các nghiên cứu này chỉ ra độ suy giảm
của phân suất tống máu thất trái LVEF (Left Ventricular Ejection Fraction), thể hiện
độ suy giảm khả năng bơm máu của tim [10]. Tuy nhiên phương pháp siêu âm tim
này địi hỏi thiết bị hiện đại và trình độ cao của bác sĩ. Một hướng tiếp cận khác là
đánh giá thông qua các thông số Biến thiên Nhịp Tim HRV (Heart Rate Variability)
[5] [6] [7] [8] [9]. Đo HRV là một phương pháp khơng xâm lấn và có thể được sử
dụng để dự đoán các vấn đề sức khỏe do hút thuốc lá gây ra. Sự bất thường của HRV
có liên quan đến một số vấn đề về tim, bao gồm bệnh tim thiếu máu cục bộ và suy
tim, và có thể dự đốn những bệnh này sẽ tiến triển như thế nào [11].
Bên cạnh đó, đã có nhiều nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá
chủ động lên nhịp tim thông qua đánh giá HRV [5] [6] [7] [8] [9] [12]. Tuy nhiên số
lượng các nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim
thơng qua HRV vẫn cịn hạn chế [13] [14] [15]. Trong các nghiên cứu trước đây,
khoảng thời gian được dùng để đo đạc và đánh giá các thông số HRV kéo dài từ năm
phút đến mười lăm phút [13] [16]. Mục tiêu của đề tài này là đánh giá mức độ ảnh


-2-


hưởng của việc hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim, thông qua đánh giá các thông số
HRV trong khoảng thời gian đo ngắn hơn (mười giây) và tiến hành thiết kế thiết bị
đo điện tâm đồ bề mặt, phân tích đánh giá HRV và gửi kết quả đo đạc tới điện thoại
di dộng thông minh trong thời gian thực.


-3-

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG)
Điện tâm đồ (ECG hoặc EKG, viết tắt của từ tiếng Anh Electrocardiogram) là
cơng cụ chẩn đốn được sử dụng rộng rãi nhất trong mơi trường chăm sóc sức khỏe
ngày nay. Điện tâm đồ cung cấp thông tin và đánh giá nhịp tim, phát hiện các thay
đổi thiếu máu cục bộ và các thơng tin khác để dự đốn sớm và điều trị nhanh nhồi
máu cơ tim cấp và biến cố mạch vành.
Việc phát hiện ra hiện tượng điện sinh học của tim và nghiên cứu về điện tâm
đồ bắt nguồn từ đầu năm 1842 khi nhà vật lý người Ý Calo Matteucci phát hiện ra
rằng một dòng điện đi kèm với mỗi nhịp đập của tim. Năm 1878, các nhà sinh lý học
người Anh John Burden Sanderson và Frederick Page đã ghi lại dòng điện của tim
bằng một điện kế mao quản. Năm 1887, nhà sinh lý học người Anh Augustus D.
Waller công bố điện tâm đồ đầu tiên của con người. Kể từ đó, nhiều bác sĩ, kỹ thuật
viên, nhà sinh lý học và kỹ sư trên khắp thế giới đã nỗ lực nghiên cứu điện tâm đồ
[17].
Để đo điện sinh học của tim và ghi lại điện tâm đồ, người ta đã phát minh ra
máy ghi điện tâm đồ. Điện tâm đồ bao gồm ba phần: một thiết bị thu thập các tín hiệu
điện cực nhỏ, một bộ khuếch đại để làm cho chúng đủ lớn để sử dụng và một thiết bị
để thay đổi chúng thành một dạng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Các điện cực
đóng vai trị là thiết bị thu nhận tín hiệu, được đặt ở những vị trí xác định trên bề mặt
cơ thể để cảm nhận hoạt động điện của tim. Với điện cực, dòng ion trong cơ thể được

chuyển thành dòng điện tử trong điện cực và dây dẫn. Bằng cách sử dụng các điện
cực, điện thế bề mặt cơ thể được ghi lại, với mục đích mơ tả đặc điểm của nguồn điện
sinh học về vị trí, kích thước và hướng. Đây được gọi là bài toán nghịch đảo, nghĩa
là đi từ điện thế đo được trong môi trường dẫn điện đã biết và tính tốn trở lại các đặc
tính nguồn của tim người để chẩn đoán.
Sau này các điện cực tấm bề mặt Ag/AgCl được sử dụng để đo điện tâm đồ,
với chất điện phân giữa điện cực và da để cải thiện sự tiếp xúc của điện cực với da.
Các điện cực Ag/AgCl vượt trội hơn so với các điện cực khác được làm từ các vật


-4-

liệu khác vì bạc có độ dẫn điện tốt và Ag/AgCl phân cực yếu, dẫn đến trở kháng tiếp
xúc với điện cực da thấp và ổn định, do đó thu được tín hiệu có độ trung thực cao.
Do tính ưu việt của điện cực Ag/AgCl nên ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong
đo điện tâm đồ thông thường. Tuy nhiên, điện cực Ag/AgCl được sử dụng chất điện
phân hoặc gel ướt, làm mất nước dần dần trong quá trình sử dụng, ảnh hưởng đến
chất lượng tín hiệu. Mặt khác, điện cực Ag/AgCl sẽ gây ra một số dị ứng da như kích
ứng da, viêm da và các vấn đề về da khác. Ngoài ra, các điện cực gel ướt dính vào
da, gây khó chịu cho bệnh nhân. Những vấn đề này đã thu hút sự chú ý của các nhà
nghiên cứu và kỹ sư đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cho điện cực gel ướt
Ag/AgCl truyền thống.
Tín hiệu ECG là phổ ghi điện sinh học của tim. Một cơ chế cơ bản của điện
sinh học là các bơm ion màng tế bào tiêu thụ năng lượng phân cực tế bào và điện thế
hoạt động được tạo ra nếu tế bào bị kích thích và các kênh ion mở ra. Q trình khử
cực cũng tạo ra dịng điện trong thể tích ngoại bào, một lần nữa dẫn đến sự khác biệt
về điện thế sinh học có thể đo được trong mô. Sự phân cực của tế bào được tạo ra bởi
các bơm ion, sử dụng năng lượng của quá trình thủy phân ATP để điều khiển các ion
ngược với gradient điện hóa. Cơ chế tiêu tốn năng lượng này phân cực tế bào sao cho
phần bên trong tế bào dễ bị kích thích có điện thế khoảng −70 mV đối với chất điện

phân ngoại bào. Một bơm ion như vậy được nhúng trong màng tế bào, có khả năng
tạo ra một dòng điện ròng qua màng và do đó tạo ra điện.

Hình 2.1. Điện thế màng tế bào [17].


-5-

Hình 2.2. Các bơm Na+-K+-ATP được nhúng trong màng tế bào [17].
Tim là một phần mô tương đối lớn, do đó dịng điện liên quan đến sự co bóp
tạo ra điện áp có thể phát hiện được (thường là vài millivolt) trên bề mặt cơ thể. Điều
đó có nghĩa là, hoạt động điện của tim được gây ra bởi quá trình khử cực và tái cực
của các tế bào tim. Ở trạng thái nghỉ, tế bào có nhiều kali bên trong và nhiều natri bên
ngoài và ở trạng thái mất cân bằng ion, cụ thể là trạng thái phân cực: bên trong âm so
với bên ngoài. Khi cơ tim co bóp, kèm theo sự thay đổi tính thấm của màng tế bào,
natri di chuyển vào trong tế bào và kali di chuyển ra ngồi, do đó tế bào bị khử cực.
Quá trình tái cực thì ngược lại: tế bào trở lại trạng thái nghỉ ngơi. Trong quá trình khử
cực và tái phân cực, có dịng điện chạy qua, dịng điện này có thể được phát hiện bởi
máy đo ECG.


-6-

Hình 2.3. Điện thế phân cực của tế bào ở trạng thái nghỉ.

2.1.1. Các thành phần PQRST của một nhịp tim bình thường trên ECG

Hình 2.4. Hệ thống dẫn truyền tự nhiên của tim và mối liên hệ với các sóng PQRS.
Trái tim được chia thành bốn buồng về mặt giải phẫu: tâm nhĩ phải và trái chủ
yếu để nhận máu, còn tâm thất phải và trái chủ yếu để bơm máu. Hoạt động điện bắt

đầu ở nút xoang nhĩ (SA: Sinus Atrium), được dẫn truyền và bị trì hỗn ở nút nhĩ thất
(AVN: Atrial Ventrical Node), sau đó truyền theo bó His và cuối cùng là khử cực tâm
thất. Hình dạng của một ECG điển hình, được thể hiện như hình, có thể được chia
thành bốn thành phần [17]:
(1) Sóng P biểu thị sự khử cực của tâm nhĩ, phát sinh từ nút xoang nhĩ (SA) trong
một khu vực dài khoảng 2,5 cm ở tâm nhĩ phải và lan truyền khắp cả hai tâm nhĩ.
(2) Các đoạn P-R biểu thị q trình khử cực của tâm thất. Khi sóng P dẫn truyền
đến nhĩ thất (AV) (một mô cầu nơi tâm nhĩ gặp tâm thất ở đỉnh của vách ngăn


-7-

tâm thất), quá trình dẫn truyền sẽ chậm lại, gây ra sự chậm trễ để chỉ đường cơ
sở được vẽ trên ECG.
(3) Phức bộ QRS biểu thị sự khử cực của tâm thất. Xung điện lần lượt lan đến
nội tâm mạc, dưới màng cứng và thượng tâm mạc, tạo ra QRS.
(4) Sóng T và U biểu thị sự tái cực của các tế bào tâm thất, do sự trở lại của các
tế bào sang trạng thái nghỉ ngơi dẫn đến sóng T và một sóng nhỏ hơn sau phía
sau là sóng U.

Hình 2.5. Các thành phần điển hình của một nhịp tim bình thường trên ECG [17].

2.1.2. Tam giác Einthoven và mười hai đạo trình ECG
Điện tâm đồ đo điện áp tổng hợp của tất cả các tế bào tim trên bề mặt cơ thể.
Điện tâm đồ tiêu chuẩn sử dụng 12 đạo trình để ghi lại hoạt động điện tim. Mỗi đạo
trình được cung cấp bằng cách ghi lại sự chênh lệch điện thế giữa điện cực dương và
điện cực âm. Trong 12 đạo trình, có thể chia thành hai bộ: sáu đạo trình chi (ba đạo
trình lưỡng cực, và ba đạo trình đơn cực).



-8-

Hình 2.6. Hệ thống 12 đạo trình ECG [17].
Đạo trình I ghi lại sự khác biệt điện áp giữa cánh tay trái và cánh tay phải, Đạo
trình II ghi lại sự khác biệt điện áp giữa chân trái và cánh tay phải, Đạo trình III ghi
lại sự khác biệt điện áp giữa chân trái và cánh tay trái. Đạo trình đơn cực (aVR, aVL
và aVF) đo điện áp tuyệt đối tại vị trí của điện cực dương (được đặt lần lượt trên cánh
tay phải, cánh tay trái và bàn chân trái) và ghi lại sự khác biệt điện áp giữa hai chi.
Các tín hiệu được tăng cường vì chúng q nhỏ để sử dụng. Sáu chuyển đạo ngực
(V1, V2, V3, V4, V5 và V6) ghi lại điện áp tim, truyền lên mặt phẳng nằm ngang của
cơ thể như trong hình trên.
Trước khi đo điện tâm đồ, bệnh nhân phải chuẩn bị để thu được điện tâm đồ
chính xác và giảm nhiễu theo quy trình sau: (1) mặc quần áo rộng rãi và đi giày thoải
mái, (2) nằm hoặc ngồi trên giường và nghỉ ngơi vài phút, (3) chà xát da để giảm sức
đề kháng của da, loại bỏ tế bào chết. Các đạo trình ECG được đo và lưu vào thẻ nhớ
của máy hoặc in lên giấy trong đó có độ cao chuẩn hóa với độ chia nhỏ cách nhau 0,1
mV. Thông thường tốc độ giấy là 25 mm/giây, do đó các vạch thời gian nhỏ nhất
cách nhau 40 mili giây.


-9-

Hình 2.7. Ví dụ về 12 đạo trình ECG của một nhịp tim bình thường.


- 10 -

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
3.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1.1. Điện cực ECG

Các tín hiệu sinh học như điện tâm đồ (ECG), điện cơ đồ (EMG) và điện não
đồ (EEG) sử dụng các điện cực sinh học để hỗ trợ đo và ghi lại các tín hiệu. Điện cực
sinh học có khả năng chuyển đổi hoạt động điện sinh học trong cơ thể (dịng ion)
thành dịng điện có thể đo và ghi lại được. Hiệu suất của các điện cực khơng xâm lấn
trong việc phát hiện tín hiệu sinh học phụ thuộc rất nhiều vào trở kháng của điện cựcda.
Trở kháng da-điện cực cao sẽ dẫn đến chất lượng tín hiệu sinh học kém, biên
độ tín hiệu thấp và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp. Việc chọn loại điện cực thích hợp có
thể đem lại trở kháng da-điện cực thấp và có thể kéo dài thời gian ghi hơn.
Trong các điện cực không phân cực, các phản ứng khử/oxy hóa xảy ra ở bề
mặt điện cực-da, trao đổi các hạt mang điện từ ion sang electron và ngược lại. Gel
điện phân được sử dụng với các điện cực không phân cực để tạo điều kiện thuận lợi
cho các phản ứng điện hóa và giảm trở kháng vùng tiếp xúc da-điện cực.
Các điện cực Ag/AgCl là các điện cực phổ biến và được ưa chuộng nhất trong
các phép đo lâm sàng để ghi lại các tín hiệu sinh học như ECG, EMG và EEG. Một
trong những ưu điểm chính của việc sử dụng điện cực Ag/AgCl là độ nhiễu thấp mà
nó tạo ra trong q trình ghi tín hiệu sinh học. Các điện cực Ag/AgCl có giá trị trở
kháng bề mặt da-điện cực thấp hơn so với các điện cực thép không gỉ. Chúng cũng
được coi là điện cực không phân cực; bản chất không phân cực của các điện cực
Ag/AgCl cho phép các điện tích đi qua vùng tiếp xúc điện cực-chất điện phân không
giống như các điện cực bằng thép không gỉ [18].


- 11 -

Hình 3.1. Điện cực Ag/AgCl tiêu chuẩn. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da.
Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực.
Một loại điện cực sinh học khác là điện cực khô. Các điện cực khô được chế
tạo để tồn tại lâu hơn các điện cực ướt phổ biến trong lâm sàng như Ag/AgCl. Lớp
phủ của điện cực được làm bằng hỗn hợp các kim loại: bạc/bạc clorua, nhơm,
vàng/vàng clorua, niken và titan. Ưu điểm chính của việc sử dụng các điện cực khô

là loại bỏ bước chuẩn bị da và khômg cầm sử dụng gel điện phân trong suốt thời gian
ghi tín hiệu. Hình dạng của điện cực khơ giúp nó tiếp xúc với da nhiều hơn so với
trường hợp của điện cực thép không gỉ phẳng thông thường hoặc điện cực Ag/AgCl.
Điều này là do sự hiện diện của ghim (gai) làm tăng độ xuyên sâu của bề mặt điện
cực vào da, nhờ đó đem lại hiệu quả giảm trở kháng điện cực-da.

Hình 3.2. Điện cực khơ loại có ghim. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da.
Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực [18].