Để tài; Nghiên cứu thiết kế máy đo nhịp tìm

GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Lời cảm ơn Trước tiên, muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS.Bùi Hữu Phú, người hết lịng hướng dẫn tơi suốt q trình thực khóa luận tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô trường đại học Tôn Đức Thắng cung cấp cho tảng kiến thức quý báu giúp đỡ tận tình để tơi hồn thành khóa luận Tơi muốn cảm ơn bạn tơi, người giúp đỡ đưa giải pháp lập trình hiệu thực thử nghiệm liên quan đến khóa luận Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình người thân tôi, người động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập thực khóa luận SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Lời mở đầu Hiện giao ngành khoa học ngày nhiều, ngành khoa học hỗ trợ ngành khoa học khác làm cho sản phẩm khoa học ngày phát huy tốt khả phục vụ cho đời sống người Trong có giao ngành điện tử y học Với phát triển không ngừng ngành điện tử, nhiều linh kiện điện tử đời với độ xác cao Từ đó, nhà khoa học điện tử y học cho đời nhiều thiết bị khám chữa bệnh, điều trị, bào chế thuốc…, thiết bị điện tử y tế phục vụ tốt cho loài người máy chụp cắt lớp, máy chụp X-quang số dùng cảm biến CCD, dao mổ cao tần , dao mổ Laser, máy nội soi, máy điện tâm, điện não… Ở Việt Nam, năm gần đây, số lượng người mắc bệnh tim ngày gia tăng Đây loại bệnh nguy hiểm, đe dọa đến tính mạng gây nhiều biến chứng nghiêm trọng Ai có khả mắc phải bệnh này, bên cạnh yếu tố khách quan di truyền, sắc tộc, mơi trường địa lý,…nó hệ trực tiếp mang lại thói quen sống chưa lành mạnh: ăn uống khơng điều độ vận động; lối sống cơng nghiệp với thực phẩm ăn nhanh, dinh dưỡng thừa lượng, kèm theo áp lực cơng việc sống, tình trạng căng thẳng (stress) kéo dài,… Do đó, để giúp người bệnh tự kiểm soát nhịp tim chủ động quản lý bệnh Trong luận văn này, tìm hiểu nghiên cứu thiết kế thiết bị y tế Ngoài phần mở đầu,bố cục khóa luận gồm chương: - Chương 1/Giới thiệu kỹ thuật y sinh - Chương 2/Thiết kế mạch - Chương 3/Kết mô thi công thực tế - Chương 4/Kết luận SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim MỤC LỤC CHƯƠNG 1/GIỚI THIỆU KỸ THUẬT Y SINH 11 1.1/Tổng quan kỹ thuật y sinh 11 1.1.1/Giới thiệu 11 1.1.2/Các kỹ thuật lĩnh vực y sinh 11 1.1.2.1/Kỹ thuật lâm sàn (clinical engineering) 12 1.1.2.2/Thiết bị y tế (medical devices) 13 1.1.2.3/Chuẩn đốn hình ảnh (medical imaging) 15 1.1.2.4/Kỹ thuật mô học (tissue engineering) 16 1.1.3/Thành công bước đầu 16 1.2/Máy đo nhịp tim 16 1.2.1/Bệnh nhịp tim chậm 16 1.2.1.1/ Chiệu chứng nhịp tim chậm 17 1.2.1.2/Các chiệu chứng bệnh tim chậm 17 1.2.2/Bệnh tim đập nhanh 18 1.2.2.1/Nguyên nhân bệnh tim đập nhanh 18 1.2.3/Giới thiệu số máy đo nhịp tim thông dụng 19 1.2.3.1/Đồng hồ đo nhịp tim EKHO 19 1.2.4/Đồng hồ đo nhịp tim HRM-M10 21 CHƯƠNG 2/THIẾT KẾ MẠCH 23 2.1/Huyết áp,nhịp tim phương pháp đo 23 2.1.1/Khái niệm huyết áp nhịp tim 23 2.1.2/Đo nhịp tim phương pháp Oscillometric 24 2.1.3/Tồng quan hệ đo 25 2.1.3.1/Hệ thống đo đươc xây dựng 25 2.2/Đo nhịp tim phương pháp hấp thụ quang học 29 2.2.1/Khái niệm 29 SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim 2.2.2/Vị trí đặt cảm biến 30 2.3/Thiết kế sơ đồ khối 33 2.4/Chức 33 2.5/Sơ nguyên lý khối 33 2.5.1/Khối nguồn 33 2.5.2/LED 36 2.5.3/Khối cảm biến 37 2.5.4/Khối khuyết đại 38 2.5.5/Khối lọc nhiễu 41 2.5.6/Khối hiển thị 43 2.5.7/Khối RS232 45 2.5.8/Vi điều khiển 47 2.5.8.1/Giới thiệu PIC18F4550 49 2.5.8.2/Sơ đồ chân 53 2.5.9/Sơ đồ toàn mạch 54 CHƯƠNG 3/KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG THỰC TẾ 57 3.1/Mô khối mạch 57 3.2/Khối khuyết đại lọc nhiễu 58 3.3/Khối vi xử lý ,khối hiễn thị khối nguồn 59 3.4/Khối giao tiếp máy tính 62 3.5/Phầm mềm giáo tiếp máy tính 64 3.6/Code lập trình 66 3.7/Kết đánh giá 73 CHƯƠNG 4/KẾT LUẬN 74 SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Danh mục hình ảnh: Hình 1.1 : Một số thiết bị y tế loại II 14 Hình 1.2 : Máy nội soi tai-mũi-họng 15 Hình 1.3 : Đồng hồ đo nhịp tim HRM-9803-V3 20 Hình 1.4 : Đồng hồ đồng hồ đo nhịp tim HRM-M10 21 Hình 2.1 : Nguyên tắc đo huyết áp 23 Hình 2.2 : Dạng tính hiệu nhịp tim đậm 23 Hình 2.3 : Sơ đồ khối 25 Hình 2.4 : Đáp ứng Điện áp – áp suất cảm biến MPX10 26 Hình 2.5 : Sơ đồ khối 26 Hình 2.6 : Lực đồ thị nhịp tim 27 Hình 2.7 : Sự truyền ánh sáng qua động mạch 29 Hình 2.8 : Sự hấp thụ ánh sáng truyền qua ngón tay 30 Hình 2.9 : Vị trí đặt nguồn sáng cảm biến 31 Hình 2.10 : Sơ đồ khối mạch 32 Hình 2.11 : Mạch nguồn 34 Hình 2.12 : IC 7805 34 Hình 2.13 : USB B Female 35 Hình 2.14 : Mạch LED 36 Hình 2.15 : LED IR 36 Hình 2.16 : Mạch điện photodiode 37 Hình 2.17 : Photodide 38 Hình 2.18 : Sơ đồ mạch khuyết đại 39 Hình 2.19 : LM358 40 Hình 2.20 : Sơ đồ mạch lọc 42 Hình 2.21 : HA17741 43 Hình 2.22 : Mạch hiển thị 44 SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Hình 2.23 : LCD SYB1602A 45 Hình 2.24 : Sơ đồ giao tiếp RS232 45 Hình 2.25 : Sơ đồ kết nối dùng chuẩn nối tiếp RS232 46 Hình 2.26 : RS232 46 Hình 2.27 : Mạch điền khiển 47 Hình 2.28 : Pic18F4550 48 Hình 2.29 : Giao tiếp USB 49 Hình 2.30 : Sơ đồ chân PIC18F4550 hộp DIP-40 49 Hình 2.31 : TQFP 50 Hình 2.32 : QFN 50 Hình 2.33 : Sơ đồ tồn mạch 54 Hình 2.34 : Lược đồ đo nhịp tim 56 Hình 3.1 : Mô 57 Hình 3.2 : Sơ đồ layout khối khuyết đại lọc nhiễu 58 Hình 3.3 : Mạch khuyết đại lọc nhiễu hoàn thành 59 Hình 3.4 : Sơ đồ khối xử lý,hiển thị khối nguồn 60 Hình 3.5 : Mạch hồn thành khối vi xử lý,hiển thị khối nguồn 61 Hình 3.6 : Sơ đồ khối RS232 62 Hình 3.7 : Khối giao tiếp máy tinh hồn thành 63 Hình 3.8 : Mạch thi cơng hồn thành 64 Hình 3.9 : Phần mềm hiển thị 65 SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Danh mục từ viết tắt: biomedical engineering BE Information technology IT Food and Drug Administration FDA picture archiving and communication system PACS Magnetic resonance imaging MRI Single-photon emission computed tomography SPECT Positron emission tomography PET Positron Emission Tomography Computed Tomography PET/CT Digital Subtraction Angiography DSA central venous pressure CVP pulmonary artery pressure PAP intracardiac blood pressure IBP Diastolic Presure DP Systolic Presure SP SVTH: Phạm Viết Dũng Trang GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Danh mục bảng biểu: Bảng 1: Số chân USB B Female Bảng 2: Bảng mô tả chức chân PIC18F4550 SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 10 GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim CHƯƠNG 1/GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT Y SINH 1.1 /Tổng quan kỹ thuật y sinh 1.1.1/ Giới thiệu Kỹ thuật y sinh (biomedical engineering – BME) chuyên ngành ứng dụng nguyên lý phương pháp kỹ thuật vào lĩnh vực y học Nó kết hợp nguyên lý chế tạo, kỹ giải vấn đề kỹ thuật với khoa học, sinh học y học nhằm cải thiện điều kiện chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân nâng cao đời sống sức khỏe cho người Là chuyên ngành mẻ, kỹ thuật y sinh cịn nhiều cơng việc phải làm q trình nghiên cứu phát triển Nó bao gồm lĩnh vực như: thông tin y sinh (bioinformatics), chuẩn đốn hình ảnh (medical imaging), xử lý ảnh (image processing), xử lý tín hiệu sinh học (physiological signalprocessing), sinh học (biomechanics), vật liệu sinh học (biomaterials), công nghệ sinh học (bioengineering), y sinh học nano (bionanomedicines), phân tích hệ thống (system analysis), mơ 3D (3-D modeling)… Ví dụ cụ thể ứng dụng kỹ thuật y sinh như: phát triển chế tạo phận nhân tạo tương thích sinh học, dụng cụ thiết bị y tế, phận tương thích sinh học, dụng cụ thiết bị y tế, thiết bị chuẩn đốn hình ảnh, loại dược phẩm… Hiện Việt Nam, có trường đào tạo chuyên ngành Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, Học viện kỹ thuật Quân sự, Đại học Quốc tế - ĐHQGTPHCM Sau nắm vững kiến thức ngành học này, kỹ sư có nhiều lựa chọn cho nghiệp như: - Giữ vị trí kỹ sư lâm sang bệnh viện, trung tâm y tế: Quản lý, vận hành trang thiết bị y tế, làm việc chung với bác sĩ nghiên cứu tư vấn kỹ thuật - Nắm vị trí kỹ sư công ty sản xuất kinh doanh thiết bị y tế Trong lĩnh vực 90% cơng ty nước ngồi tham gia thị trường Việt Nam với nhu cầu tuyển dụng cao mức lương hấp dẫn - Nghiên cứu cải tiến, chế tạo thiết bị y tế phù hợp với hoàn cảnh nhu cầu Việt Nam - Đây ngành tiến tiến giới số lượng học bổng sau đại học lớn ngành kỹ thuật 1.1.2/Các lĩnh vực kỹ thuật y sinh SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 11 GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Kỹ thuật y sinh xem ngành khoa học có tính chất liên ngành, tạo nhiều lĩnh vực mà lĩnh vực tổ hợp nhiều ngành khoa học khác Bởi tính đa dạng nó, khơng thể nói kỹ thuật y sinh tập trung vào lĩnh vực cụ thể lĩnh vực liên ngành kỹ thuật, sinh học, y học… Có nhiều lĩnh vực kỹ thuật y sinh nghiên cứu nay, số kể như: - Điện sinh học, thần kinh học - Hình ảnh y sinh quang học y sinh - Vật liệu sinh học - Cơ sinh học sinh học vận chuyển (biotransport) - Dụng cụ thiết bị y sinh - Kỹ thuật mô, tế bào, phân tử - Kỹ thuật tích hợp phân tích hệ thống Trong số khía cạnh khác, thấy ngành kỹ thuật y sinh dựa mối quan hệ ngành kỹ thuật như: Kỹ thuật hóa học: Liên quan đến sinh hóa học, kỹ thuật mơ, tế bào, phân tử, vật liệu sinh học sinh học vận chuyển - Kỹ thuật điện tử: Liên quan đến số lĩnh vực điện sinh học, tín hiệu sinh học, thiết bị sinh học, hình ảnh y sinh thiết bị y tế - Cơ học kỹ thuật: Liên quan đến số lĩnh vực sinh học, sinh học vận chuyển, thiết bị y tế mô hệ thống sinh học - Quang kỹ thuật quang học: Liên quan đến số lĩnh vực quang học y sinh, hình ảnh y sinh thiết bị y tế 1.1.2.1/Kỹ thuật lâm sàn (clinical engineering) - Kỹ thuật lâm sàn nhánh kỹ thuật y sinh chịu trách nhiệm việc quản lý thiết bị y tế bệnh viện Nhiệm vụ kỹ sư lâm sàn tiếp nhận quản lý hệ thống trang thiết bị y tế bệnh viện, giám sát nhân viên kỹ thuật, đảm bảo độ an toàn điều hịa quy trình sử dụng, thực công tác tư vấn kỹ thuật vấn đề bệnh viện có liên quan đến trang thiết bị Các kỹ sư lâm sàng liên kết chặt chẽ với phận IT nhà vật lý y học bệnh viện Kỹ thuật lâm sàn lĩnh vực điển hình kỹ thuật y sinh thực cơng tác sửa chữa trì tình trạng sử dụng thiết bị bệnh viện, SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 12 Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim GVHD: TS.Bùi Hữu Phú 3.4/Khối giao tiếp máy tính khối giáo tiếp máy tính theo chuẩn RS232(thơng qua cổng com) phần mềm có khả nhận liệu truyền từ vi điền khiển giá trị: liệu nhịp tim, biên độ, tín hiệu Sau hiển thị giá trị nhịp tim, biên độ đồ thị nhịp tim lên máy tính đồng thời có khả lưu trữ nhịp tim lại thông qua tập tin văn Hình 3.6 : Sơ đồ khối RS232 SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 62 GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Hình 3.7 : Khối giao tiếp máy tinh hoàn thành SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 63 GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim Hình 3.8 : Mạch thi cơng hồn thành 3.5/Phần mềm giao tiếp máy tính Yêu cầu đặt phải thiết kế phần mềm máy tính để giao tiếp với thiết bị, sử dụng chuẩn giao tiếp RS232(thơng qua cổng COM) Phần mềm có khả nhận liệu truyền từ vi điều khiển ( liệu nhịp tim, biên độ, tín hiệu), sau hiển thị giá trị nhịp tim, biên độ đồ thị nhịp tim lên máy tính đồng thời có khả lưu trữ nhịp tim lại thông qua tập tin văn bản( txt) Hiện có nhiều ngơn ngữ bậc cao dùng để lập trính phần mềm máy tính ngôn ngữ: C, C++, Visual Basic… Tuy nhiên, để thiết kế phần mềm trình bày chọn sử dụng ngơn ngữ C# để lập trình Đây ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng mạnh với ưu điểm bật ngôn ngữ có tập lệnh ngắn gọn, sử dụng linh hoạt, hỗ trợ nhiều thư viện lập trình… Hai thư viện quan trọng sử dụng phần mềm SERIALPORT SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 64 GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim hỗ trợ lớp giao tiếp, thu nhận liệu qua cổng COM thư viện ZedGraph chứa lớp hỗ trợ vẽ đồ thị Hình 3.9 : Phần mềm hiển thị SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 65 GVHD: TS.Bùi Hữu Phú Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim 3.6/Code lập trình vi điều khiển Hàm main: #include //khai báo thư viện #include #include #include #include "usart.h" #include "lcd.h" #include "adc.h" #pragma config WDT=OFF//tắt watchdog timer #pragma config FOSC=HS //chọn dao động thạch anh #pragma config PWRT=OFF #pragma config BOR=OFF #pragma config MCLRE=ON //cho phép reset #pragma config LVP=OFF #pragma config PBADEN=OFF #pragma config DEBUG=OFF #pragma config CPUDIV=OSC1_PLL2//chọn tần số dao động:F=Fosc=20MHz //khai báo biến toàn cục unsignedint sensor=0; //biên độ nhịp tim unsignedint beats[10]; //mảng chứa giá trị 10 nhịp tim lien tiếp unsignedintbeatCounter=0; unsigned long timeMs=0; unsigned long lastTimeMs=0; unsignedintquantifiedself=0; //nhịp tim trung bình //tên hàm ngắt timer0 void interrupt_timer0 (void); SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 66 Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim GVHD: TS.Bùi Hữu Phú //========================================================== = void timer0_init() //hàm khởi tạo timer0 { T0CONbits.T08BIT=0;//chọn TIMER0 16bit T0CONbits.T0CS=0;//chọn nguồn clock nội T0CONbits.T0SE=0; T0CONbits.PSA=1;// không sử dụng prescaler T0CONbits.T0PS2=0; T0CONbits.T0PS1=0; T0CONbits.T0PS0=0; TMR0H=0xec;//xảy ngắt 1ms TMR0L=0X78; INTCONbits.GIE=1;//cho phép ngắt tồn cục INTCONbits.TMR0IF=0;//xóan gắt timer0 INTCONbits.TMR0IE=1; //cho phép ngắt timer0 T0CONbits.TMR0ON=1;//cho phép timer0 } //======================================================= unsignedintgetBPM() //hàm tính giá trị nhịp tim { unsignedint tam=0,kq=0; //biến kq lưu giá trị nhịp tim trung bình sau 10 nhịp unsigned char i,k,done=0; for( i=0;ibeats[i+1]) { SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 67 Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim GVHD: TS.Bùi Hữu Phú tam=beats[i+1]; beats[i+1]=beats[i]; beats[i]=tam; } } for( k=1;k500)&&(beats[beatCounter]=30)&&(quantifiedselflastSensor) { SVTH: Phạm Viết Dũng Trang 70 Đề tài: Nghiên cứu,thiết kế máy đo nhịp tim GVHD: TS.Bùi Hữu Phú falling=0; drop=peak-trough; peak=0; trough=0; if((drop>=90)&&(drop