Thiết kế và thi công mô hình thiết bị y tế dàn trải giao tiếp qua máy tính

TĨM TẮT Với tiến nhanh chóng mạng truyền thơng khơng dây, việc truyền tải tín hiệu y sinh học qua mạng không dây trở nên phổ biến ngày qua ngày khác Có nhiều nghiên cứu thực mảng y sinh học khơng dây để giám sát tín hiệu sinh lý Hơn nữa, y học từ xa giám sát từ xa liệu sinh lý bệnh nhân vấn đề nhận quan tâm năm gần Một số tín hiệu sinh lý Điện tâm đồ (ECG) mà sử dụng để giám sát hoạt động tim, điện (EMG) cho hoạt động giám sát điện não đồ (EEG) để theo dõi hoạt động điện não Trong số tín hiệu sinh lý, ECG nhịp tim quan trọng để ta đo theo dõi giám sát chúng Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính năm có 16 triệu người giới chết bệnh tim mạch, số đại diện cho 30 phần trăm số người chết toàn cầu [3] Xuất phát từ thực tiễn vậy, chúng em tiến hành chọn đề tài lĩnh vực Điện Tử Y Sinh cụ thể mơ hình đo điện tim dàn trải đo điện tâm đồ (ECG) tiến hành nghiên cứu với mục đích giúp đỡ người phần nhỏ để phát giải vấn đề điện tim sống cách thuận tiện tối ưu Đề tài xây dựng mơ hình thiết bị y tế dùng để đo điện tâm đồ (ECG), tín hiệu ECG lấy trực tiếp từ người đưa qua khâu xử lý mơ khuếch đại, lọc nhiễu… qua khâu xử lý, tín hiệu lấy ta quan sát cần Tín hiệu ECG sau truyền qua trực tiếp đến máy tính thơng qua RS232 truyền qua mạng không dây Wi-Fi Điều giúp giám sát nhịp tim bệnh nhân mà không cần phải đo giám sát trực tiếp giường hay phòng bệnh nhân Các kết nối không dây thực để đáp ứng cho bất tiện việc lại bệnh nhân môi trường bệnh viện để truyền tải thông tin y tế cách thiết thực iii MỤC LỤC Trang tựa Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv LIỆT KÊ BẢNG vii LIỆT KÊ HÌNH viii Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU .1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .2 1.4 GIỚI HẠN .2 1.5 BỐ CỤC Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1 TỔNG QUAN VỀ ECG 2.1.1 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN TIM 2.1.2 ĐƯỜNG CHUYỂN ĐẠO (LEAD) CỦA ECG 2.1.3 NGUỒN GÂY NHIỄU CHO TÍN HIỆU ECG 2.1.4 ÁP DỤNG Y HỌC CỦA ECG .7 2.2 ĐIỆN CỰC THU TÍN HIỆU (ELECTRODE) 2.3 OP-AMP TL074 2.3.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OP-AMP 2.3.2 KÝ HIỆU OP-AMP 2.3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .10 2.3.4 OP-AMP LÝ TƯỞNG 11 2.3.5 NHỮNG GIỚI HẠN CỦA OP-AMP THỰC TẾ 11 2.4 VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F4013 13 2.4.1 Vài nét sơ lượt họ vi điều khiển dsPIC 14 iv 2.4.2 Đặc điểm vi điều khiển dsPIC30F4013 15 2.4.3 Cấu trúc vi điều khiển dsPIC30F4013 17 2.5 MODULE WIFI ESP 8266 V1 .23 2.6 INA114 25 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 27 3.1 GIỚI THIỆU 27 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 27 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 28 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG .41 4.1 GIỚI THIỆU 41 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.2.1 Thi công bo mạch 42 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 46 4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 48 4.3.1 Đóng gói điều khiển 48 4.3.2 Thi cơng mơ hình 49 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 50 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 50 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 56 4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP 8266 V1 61 4.4.4 Phần mềm lập trình cho máy tính 67 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 73 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 73 4.5.2 Quy trình thao tác 74 Chương KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 75 5.1 BỘ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ LCD 76 5.2 LỌC THÔNG THẤP VÀ THÔNG CAO .77 5.3 BỘ LẤY TÍN HIỆU VÀ KHUẾCH ĐẠI .77 5.4 LỌC DẢI TRIỆT KHUẾCH ĐẠI VÀ BÙ ĐIỆN ÁP 78 5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78 v 5.5.1 Hình ảnh tiền xử lý 78 5.5.2 Kết thống kê 79 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 6.1 KẾT LUẬN .85 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 88 vi LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1 Danh sách linh kiện, module 46 vii LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang Hình 2.1: Tín hiệu ECG người bình thường Hình 2.2: Tim người bình thường Hình 2.3: Các sóng điện tâm đồ Hình 2.4: Các chuyển đạo chi .6 Hình 2.5: Miếng dán điện cực (Electrode) .8 Hình 2.6: Sơ đồ chân IC TL074 Hình 2.7: Ký hiệu chân Op-amp .9 Hình 2.8: Cấu trúc sơ Op-amp .11 Hình 2.9: Vi điều khiển dsPIC30F4013 chân cắm chân dán 14 Hình 2.10: Sơ đồ chân vi điều khiển dsPIC30F4013 17 Hình 2.11: Các ghi xử lý trung tâm 18 Hình 2.12: Sơ đồ khối cổng I/O dùng chung với ngoại vi khác .19 Hình 2.13: Sơ đồ khối truyền UART 20 Hình 2.14: Sơ đồ khối nhận UART .21 Hình 2.15: Sơ đồ khối ADC 12-bit 22 Hình 2.16: Module ESP8266 v1 23 Hình 2.17: Kết nối chân module ESP8266 v1 25 Hình 2.18: INA114 sơ đồ chân .25 Hình 2.19: Cấu trúc bên INA114 26 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .28 Hình 3.2: Sơ đồ jack cho nguồn Pin 29 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ±9V 29 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý nguồn +5V 30 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý nguồn +3.3V .30 Hình 3.6: Các khâu khối Analog lấy tín hiệu ECG 31 Hình 3.7: Sơ đồ kết nối INA114 32 viii Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khâu lấy tín hiệu khuếch đại 32 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khâu khếch đại .33 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khâu lọc thơng cao 34 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khâu lọc thông thấp 35 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khâu lọc dải triệt .36 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khâu khuếch đại ngõ 36 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khâu đảo nâng dạng sóng 37 Hình 3.15: Sơ đồ kết nối chân vi điều khiển 38 Hình 3.16: Sơ đồ kết nối chân LCD 39 Hình 3.17: Sơ đồ kết nối đến chân module wifi ESP 39 Hình 3.18: Module USB UART CP2102 chân module .40 Hình 4.1: Kết thi cơng phần cứng 41 Hình 4.2: Dạng sóng ECG hiển thị oscilloscope điện tử 42 Hình 4.3: Sơ đồ mạch in lớp 43 Hình 4.4: Sơ đồ mạch in lớp 44 Hình 4.5: Sơ đồ mạch in tên linh kiện 45 Hình 4.6: Module nguồn 47 Hình 4.7: Mơ hình ECG hồn chỉnh 47 Hình 4.8: Hộp chứa board ECG 48 Hình 4.9: Chú thích khối Board ECG 49 Hình 4.10: Lưu đồ cho vi điều khiển 51 Hình 4.11: Lưu đồ cho vi điều khiển 52 Hình 4.12: Lưu đồ giao tiếp với module ESP 8266 ngắt 53 Hình 4.13: Lưu đồ cho module ESP 8266 55 Hình 4.14: Chạy cài đặt CCS5.025 56 Hình 4.15: Chạy cài đặt CCS5.025 57 Hình 4.16: Chạy cài đặt CCS5.025 57 Hình 4.17: Chạy cài đặt CCS5.025 58 Hình 4.18: Chạy cài đặt CCS5.025 58 Hình 4.19: Chạy cài đặt CCS5.025 59 Hình 4.20: Tạo project CCS 60 ix Hình 4.21: Biên dịch chương trình CCS 60 Hình 4.22: Phần chương trình 61 Hình 4.23: Khởi động Arduino IDE 62 Hình 4.24: Sử dụng Arduino IDE 62 Hình 4.25: Sử dụng Arduino IDE 63 Hình 4.26: Sử dụng Arduino IDE 63 Hình 4.27: Cài đặt ESP8266 by ESP8266 Community .64 Hình 4.28: Cấu hình cho project .64 Hình 4.29: Chọn cổng COM 65 Hình 4.30: Chọn chế độ nạp 65 Hình 4.31: Viết chương trình .66 Hình 4.32: Viết chương trình cho ESP8266 66 Hình 4.33: File cài đặt labview 67 Hình 4.34: Quá trình cài đặt labview 67 Hình 4.35: Chọn đường dẫn cài đặt labview 68 Hình 4.36: Chọn cơng cụ labview cài đặt 68 Hình 4.37: Tạo project 69 Hình 4.38: Giao diện truyền, nhận UART 69 Hình 4.39: Lập trình truyền, nhận UART 70 Hình 4.40: Các khối sử dụng labview .71 Hình 4.41: Giao diện nhận TCP 72 Hình 4.42: Code nhận TCP 72 Hình 4.43: Quy trình thao tác .74 Hình 5.1: Mơ hình sản phẩm hoàn tất .75 Hình 5.2: Tín hiệu ECG truyền qua module USB hiển thị labview 75 Hình 5.3: Tín hiệu ECG truyền qua module WIFI hiển thị labview 76 Hình 5.4: Bộ vi điều khiển LCD mạch 76 Hình 5.5: Bộ lọc thơng thấp thông cao mạch 77 Hình 5.6: Bộ lấy tín hiệu khuếch đại mạch .77 Hình 5.7: Lọc dải triệt khuếch đại bù điện áp mạch 78 Hình 5.8: Tín hiệu ECG trước xử lý 79 x Hình 5.9: Tín hiệu ECG qua xử lý 79 Hình 5.10: Vị trí test points mạch 80 Hình 5.11: Dạng sóng tín hiệu ngõ INA114 (TP 0) .81 Hình 5.12: Dạng sóng tín hiệu sau khuếch đại đầu vào (TP 2) 81 Hình 5.13: Dạng sóng tín hiệu ngõ lọc thơng cao (TP 3) 82 Hình 5.14: Dạng sóng tín hiệu ngõ lọc thơng thấp (TP 5) 82 Hình 5.15: Dạng sóng tín hiệu ngõ lọc triệt dải (TP 7) 83 Hình 5.16: Dạng sóng tín hiệu ngõ khuếch đại ngõ (TP 8) 83 Hình 5.17: Dạng sóng tín hiệu ECG (J 25) 84 xi CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại công nghiệp hoá đại hoá đất nước ngày với xu hội nhập quốc tế ngành nghề Việt Nam có bước phát triển khơng ngừng chẳng hạn ngành khí, điện tử, hố học, y học… khơng dừng lại việc phát triển ngành nghề có mà nước ta số ngành nghề du nhập có nhiều tiềm để phát triển tiêu biểu ngành điện tử y sinh, lĩnh vực kết hợp điện tử y học Trong bối cảnh việc đầu tư nghiên cứu phát triển thiết bị, tài liệu cho ngành điều cần thiết Đó yếu tố cần thiết thuận lợi cho việc hình thành phát triển đề tài Mơ hình xây dựng để đạt mục tiêu đo điện tim (điện tâm đồ hay gọi tắt EGC) thể người Các thiết bị gắn liền với người theo dõi Thiết bị thu hồi tín hiệu ECG đặt vị trí xác định trước thể Các khuếch đại lọc để lựa chọn băng tần ECG loại bỏ nhiễu có tín hiệu ECG thu Dữ liệu đo truyền có dây thơng qua UART trực tiếp tới máy tính qua USB khơng dây với máy tính sử dụng chuẩn Wi-Fi toàn cầu, phương tiện phổ biến để liên lạc Tính hiệu nhận hiển thị lên mày tính thơng qua giao diện xây dựng Labview Qua người giám sát theo dõi kỹ lưỡng xác mà khơng cần phải giao tiếp trực tiếp với đối tượng 1.2 MỤC TIÊU Mục tiêu đề tài nghiên cứu thiết kế thi cơng mơ hình thiết bị y tế dàn trải để đo tín hiệu sinh lý người điện tâm đồ (ECG) từ ta giám sát hoạt động tim để xử lý khắc phục nhanh có dấu hiệu bất thường Mơ hình đo tín hiệu điện tim người, xử lý tín hiệu truyền liệu máy cho người giám sát BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Kế đến lọc triệt dải để bỏ tín hiệu có tần số 50Hz Lúc nhìn thấy dạng sóng điện tim biên độ tương đối nhỏ bị ngược Hình 5.15 Hình 5.15: Dạng sóng tín hiệu ngõ lọc triệt dải (TP 7) Để nhìn rõ dạng sóng cần đưa tín hiệu qua mạch khuếch dễ dàng quan sát Hình 5.16 Hình 5.16: Dạng sóng tín hiệu ngõ khuếch đại ngõ (TP 8) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 83 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Để thuận tiện cho việc quan sát đo kết ADC vi điều khiển đảo dạng sóng nâng dạng sóng lên (nằm khoảng -5V) Xem hình 5.17 Hình 5.17: Dạng sóng tín hiệu ECG (J 25) Sau qua khâu xử lý để hình ảnh cuối (Hình 5.17), nhìn mắt dễ dàng thấy tín hiệu cuối bị nhiễu tín hiệu có tần số cao nên dạng sóng hiển thị không rõ ràng Việc ảnh hưởng nhiều đến kết ADC đo từ vi điều khiển qua làm cho việc hiển thị dạng sóng điện tim labview bị ảnh hưởng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 84 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau kết thúc trình làm đồ án nhóm em thu kết sau: - Đã đo dạng sóng điện tim thể người - Xây dựng mô hình để người nhìn thấy biết hình dạng sóng điện tim qua khối - Đã truyền tín hiệu từ mạch đo điện tâm đồ để hiển thị máy tính thơng qua giao tiếp UART wifi Trong suốt thời gian nghiên cứu thực đồ án, nhóm em thiết kế thi cơng xong mạch đo điện tâm đồ truyền tín hiệu ngõ cuối lên máy tính So với mục tiêu ban đầu đạt 90% Mặc dù có dạng sóng điện tim ngõ cuối cùng, so với mục tiêu ban đầu tín hiệu sóng điện tim ngõ cuối chưa hồn thiện, cịn bị nhiễu nhiều nên hiển thị máy tính dạng sóng khơng đẹp thiếu xác Việc bị nhiễu ảnh hưởng nhiều cho người nhìn để chuẩn đốn bệnh người Qua kết đạt chưa đạt kết luận mạch nhóm em đạt mức So với yêu cầu đặt từ ban đầu dạng sóng cuối cịn bị nhiễu chưa hồn thiện, thiếu xác 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Do thời gian thực đề tài có hạn lượng kiến thức cá nhân định nên đề tài thực xong đáp ứng phần nhỏ hệ thống hoàn chỉnh Vì vậy, để đề tài thêm phong phú hơn, mang nhiều tính thực tế nữa, có khả ứng dụng cao đề tài cần phải phát triển theo hướng sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 85 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Ngồi việc hiển thị tín điện tâm đồ máy tính ta hiển thị điện thoại, máy tính bảng… cập nhật liệu lên internet để cần truy cập xem tín hiệu điện tim người giám sát - Ngoài kết hợp với số thiết bị đo khác đo nhịp tim, nồng độ oxy máu… để người đo có thêm nhiều thơng tin qua biết rõ tình hình sức khỏe thân Hy vọng với hướng phát triển nêu với ý tưởng khác bạn, người đọc, người sau, phát triển đề tài này, khắc phục hạn chế, tồn đề tài, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao vào thực tế sống, phục vụ cho lợi ích người tương lai BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Cao Trường Sinh, “Giáo trình điện tâm đồ bản”, NXB ĐH Vinh, 2015 [2] GS Trần Đỗ Trinh, “Hướng dẫn đọc điện tim”, Đại học y dượt Huế, 2008 [3] PGS.TS Phạm Nguyễn Vinh, “Căn ECG số bệnh tim”, viện tim mạch TP.HCM, 2014 [4] PGS.TS Phạm Nguyễn Vinh,”Bệnh học tim mạch”, Nhà xuất đại học Y [5] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình vi xử lý II”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2007 [6] TS Nguyễn Bá Hải,” Lập trình LABVIEW”, Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2013 [7] PGS.TS Trần Thu Hà; ThS Trương Thị Bích Ngà; TS Nguyễn Thị Lưỡng; ThS Bùi Thị Tuyết Đan; ThS Phù Thị Ngọc Hiếu; ThS Dương Thị Cẩm Tú, “Giáo trình điện tử bản”, Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2013 [8] PGS.TS Phạm Hồng Liên, “Giáo Trình điện tử thơng tin”, Đại học Tơn Đức Thắng, 2008 [9] Datasheet INA114AP, BURR-BROWN [10] Datasheet dsPIC30F4013, Microchip [11]DatasheetTL074, ST BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 87 PHỤ LỤC PHỤ LỤC  Code vi điều khiển: #include #device adc=12 //Use ADC as 12 Bits #include //Include Serial functions #FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer #FUSES NOBROWNOUT #FUSES NOPROTECT #FUSES NODEBUG //No brownout reset //Code not protected from reading //No Debug mode for ICD #FUSES HS2_PLL8 //Crystal: 20M with PLLx8 /2 => 80M Hz #use delay(clock=80Mhz) #use fast_io (B) #use fast_io (D) #use rs232(UART1,baud=256000,parity=N,bits=8,stream=A) #use rs232(UART2,baud=256000,parity=N,bits=8,stream=WIFI_ESP) #define ADC_CLOCK_DIV_40 40 //LCD #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D2 #define LCD_RS_PIN PIN_D0 #define LCD_RW_PIN PIN_D1 #define LCD_DATA4 PIN_B12 #define LCD_DATA5 PIN_B11 #define LCD_DATA6 PIN_B10 #define LCD_DATA7 PIN_B9 #include BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 88 PHỤ LỤC // Khai Bao BIen -// signed int16 adc=0,i=0,tam=0,j=0; char *s1= "OK"; char *ten= "TEN"; char *mk= "MK"; char *ip= "IP"; #define buffer_size 60 char //Buffer size you can adjust this size buffer[buffer_size]; int xbuff=0x00; // SAVE SMS MESSAGE // char c=0x00; // the first characters recived of SMS message short sms_mode=false;// //It's a flag when is true, call read_sms(); short sms_mode1=false; //***********************Chuong trinh Ngat********************************* #int_RDA RDA_isr() { c=fgetc(A); if (c=='\n' ) // the end character OR the first character { sms_mode1=true; } if (xbuff >= buffer_size) {xbuff=0;} else{ buffer[xbuff++]=c; } // save character of SMS message return 0; BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 89 PHỤ LỤC } #int_RDA2 RDA_isr2() { c=fgetc(WIFI_ESP); if (c=='\n' ) // the end character OR the first character { tam ++; sms_mode=true; //It's a flag when is true, call read_sms(); } if (xbuff >= buffer_size) {xbuff=0;} else{ buffer[xbuff++]=c; } // save character of SMS message return 0; } //********Xoa Bien********** //************************** erase character in buffer[]*********************** void erase_buffer() { int n; for(n=0;n= 2) { tam = 0; lcd_clear(); } if(tam == 0) { lcd_gotoxy(1,1); printf(LCD_PUTC,buffer); } if(tam == 1) { lcd_gotoxy(1,2); printf(LCD_PUTC,buffer); } if ((strstr(buffer, mk) != 0)||(strstr(buffer, ten) != 0)) { erase_buffer(); while (sms_mode1==false); fprintf(WIFI_ESP,buffer); sms_mode1=false; BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 92 PHỤ LỤC } erase_buffer(); } } erase_buffer(); disable_interrupts ( global ); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_16 | ADC_TAD_MUL_2); setup_adc_ports(sAN3|sAN5 | VSS_VDD); set_adc_channel(5); read_adc(ADC_START_ONLY); //make sure the ADC has acquired before while(TRUE) { for (j=0; j