Nguyên lý đo tín hiệu điện tim đồ ECG (Electrocadiogram) Khi cơ tim co bóp, tín hiệu điện sinh học sẽ được tạo ra từ tim lan tỏa đến các vùng mô xung quanh tim, nó có thể được thu lại bởi các thiết bị đo (ví dụ: cảm biến electrode trên các điện cực) thông qua hệ thống cáp nối điện cực bề mặt gắn trên da tại các điểm khác nhau trên cơ thể của bệnh nhân, nó được gọi là tín hiệu điện tâm đồ ECG. Đối với mỗi chuyển đạo khác nhau thì vị trí đặt các điện cực khác nhau. Hơn nữa, mỗi thiết bị đo sóng điện tim khác nhau thì cũng quy định các điểm đo riêng.
Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ECG phương pháp đo ECG 2.1.1 Sơ lược hệ thống tim Tim người có buồng để chứa bơm máu Hai phần nhỏ phía gọi tâm nhĩ (nhận máu) Hai phần lớn gọi tâm thất (bơm máu) Tim có khả hoạt động đặn thứ tự nhờ hệ thống tế bào dẫn điện đặc biệt nằm tim Trong tâm nhĩ bên phải có nút nhĩ thất gồm tế bào có khả tự tạo xung điện Xung điện truyền chung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P Điện Tâm đồ) Sau dịng điện tiếp tục truyền theo chuỗi tế bào đặc biệt tới nút nhĩ thất nằm gần vách liên thất theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào chung quanh (loạt sóng QRS) làm hai thất co bóp Sau xung điện giảm đi, tâm thất giãn (tạo nên sóng T) Hình 2.1 Dạng sóng tín hiệu điện tim 2.1.2 Điện tâm đồ Điện tâm đồ (Electrocardiogram: ECG) đồ thị ghi thay đổi dòng điện tim Quả tim co bóp theo nhịp điều khiển hệ thống dẫn truyền tim Những dòng điện nhỏ, khoảng phần nghìn volt, dò thấy từ cực điện đặt tay, chân ngực bệnh nhân chuyển đến máy ghi Đo điện tâm đồ không gây đau đớn vô hại Máy điện tâm đồ ghi lại xung điện phát từ thể bạn không đưa dòng điện vào thể bạn 2.2 Nguyên lý đo tín hiệu điện tim đồ ECG (Electrocadiogram) Khi tim co bóp, tín hiệu điện sinh học tạo từ tim lan tỏa đến vùng mơ xung quanh tim, thu lại thiết bị đo (ví dụ: cảm biến electrode điện cực) thông qua hệ thống cáp nối điện cực bề mặt gắn da điểm khác thể bệnh nhân, gọi tín hiệu điện tâm đồ ECG Đối với chuyển đạo khác vị trí đặt điện cực khác Hơn nữa, thiết bị đo sóng điện tim khác quy định điểm đo riêng Hình 2.2 trình bày cách đo vị trí đặt điện cực cho loại máy ghi sóng điện tim có 10 điện cực Hình 2.2 Minh họa trình đo điện tim thực tế Có nhiều phương pháp để đo xác định nhịp tim khác nước Nhìn chung phương pháp đo giống nhau, khác hình thức đo chia làm ba phương pháp là: thủ công, xâm lấn không xâm lấn Phương pháp : Phương pháp thủ công đo nhịp tim nhấn ngón tay: sử dụng mặt hai ngón tay áp sát vào mặt cổ tay bên - chỗ có nếp gấp cổ tay((hai tay ngược nhau) Bấm nhẹ vào cảm thấy nhịp đập Nếu cần thiết, di chuyển ngón tay xung quanh bạn cảm thấy nhịp đập Sau dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim Hoặc đặt ngón tay vào bên cổ nơi giao khí quản lớn cổ Bấm nhẹ bạn cảm thấy nhịp đập Đo nhịp tim dùng ống nghe: đeo tai nghe kiểm tra ống nghe, mùa đông cần xoa làm ấm loa nghe trước nghe Đặt ống nghe lên vị trí nghe tim, lần đặt ống nghe 10 -20 giây Sau dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim > Nhận xét: phương pháp phổ biến ,đơn giản, dễ đo Chi phí đo khơng đáng kể Kết đo có độ xác phụ thuộc vào người đo, có sai sót chênh lệch thời gian đếm người đo đồng hồ đếm thời gian Tốn nhiều thời gian, công sức để đo Phương pháp 2: Phương pháp xâm lấn Sử dụng điện cực để đo nhịp tim khoảng thời gian, dòng điện từ nguồn qua điện cực vào thể phản hồi lại thông tin nhịp tim Trước đo phải cần lưu ý vấn đề: không ăn uống, không sử dụng loại phấn, dầu hay mỹ phẩm vùng ngực Các điện cực gắn lên vùng ngực cồn khử trùng, dùng dán cố định dây điện cực, dụng cụ khởi động đo liên tục từ 24-48 tiếng, liệu lưu trữ vào nhớ Nhận xét: phương pháp có độ xác cao, sử dụng nhiều bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, đo nhiều thông số khoảng thời gian Nhưng gây tác dụng phụ dị ứng da tiếp xúc dòng điện cực hay chất để dán cố định , gây cảm giác khó chịu Vì thiết bị đại nên sai số trung bình thiết bị đo 1% chi phí trung bình lần đo 150 USD Phương pháp 3: Phương pháp không xâm lấn Khi tim đập, máu dồn khắp thể qua động mạch, tạo thay đổi áp suất thành động mạch lượng máu chảy qua động mạch Vì ta đo nhịp tim cách đo thay đổi Khi lượng máu thành động mạch thay đổi làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng động mạch, tia sáng truyền qua động mạch cường độ ánh sáng sau truyền qua biến thiên đồng với nhịp tim Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ánh sáng, ánh sáng sau truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau truyền qua động mạch có cường độ nhỏ hơn.Ánh sáng sau truyền qua ngón tay gồm hai thành phần AC DC + Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương tĩnh mạch + Thành phần AC đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi lượng máu thay đổi truyền qua động mạch, tần số tín hiệu đồng với tần số nhịp tim 2.3 Tổng quan module cảm biến điện tim AD8232 2.3.1 Giới thiệu Cảm biến điện tim ECG Heart Rate Monitor Kit AD8232 sử dụng điện cực gắn với thể để đo thông số điện tim truyền vi điều khiển qua giao tiếp Analog, cảm biến có code mẫu Arduino kèm dễ sử dụng, phù hợp cho ứng dụng điện tử y sinh 2.3.2 Thông số kỹ thuật ● Điện áp hoạt động: 2.0V - 3.5V ● Nguồn cung cấp hoạt động: 170uA ● Đầu analog ● Phát dẫn đầu ● Jack 3,5mm cho kết nối Pad y sinh ● Lỗ gắn ● Kích thước mơ-đun: 3.6mm x 2.8mm 2.3.3 Ngun tắc hoạt động Mơ-đun điều hịa tín hiệu tích hợp cho ECG ứng dụng đo lường điện sinh học khác Thiết bị thiết kế để trích xuất, khuếch đại lọc tín hiệu điện sinh học yếu trường hợp nhiễu tạo cách di chuyển đặt điện cực từ xa Thiết kế cho phép chuyển đổi analog-to-kỹ thuật số cực thấp (ADC) vi điều khiển nhúng để dễ dàng nắm bắt tín hiệu đầu AD8232 sử dụng lọc cao điểm lưỡng cực để loại bỏ vật chuyển động điện nửa tế bào điện cực Bộ lọc kết hợp chặt chẽ với cấu trúc khuếch đại công cụ, nhận độ lợi cao độ cao lọc cao, tiết kiệm khơng gian chi phí AD8232 sử dụng khuếch đại không hoạt động để tạo lọc thông thấp ba cực, loại bỏ tiếng ồn bổ sung Người dùng đáp ứng nhu cầu loại ứng dụng khác cách chọn tần suất cắt tất lọc Để cải thiện tần số mạch hệ thống nhiễu không mong muốn khác hiệu suất loại bỏ chế độ chung, AD8232 tích hợp khuếch đại cho trình điều khiển bên phải (RLD) ứng dụng dẫn động khác AD8232 có chức phục hồi nhanh, bạn giảm lọc vượt qua dài để thiết lập tượng đuôi dài Nếu biến tần tín hiệu điện áp khuếch đại đường sắt (chẳng hạn đầu khỏi vỏ), AD8232 tự động điều chỉnh sang trạng thái cắt lọc cao Tính cho phép AD8232 đạt phục hồi nhanh chóng, kết nối chì đến phép đo đối tượng đạt sớm tốt sau đo giá trị [] http://vietnamese.arduinostarterskit.com/sale-10237614-ad8232-physiological-measur ement-module-heart-pulse-ecg-monitor-sensor-board.html ❖ Ứng dụng: ● Giám sát nhịp tim thể dục tập thể dục ● ECG di động ● Giám sát sức khỏe từ xa ● Thiết bị ngoại vi trị chơi ● Thu nhận tín hiệu điện sinh học 2.4 Mạch thu phát wifi 2.4.1 Khái niệm Wifi Wifi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 hệ thống mạng khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến, giống điện thoại di động, truyền hình radio Sóng Wifi truyền phát tín hiệu tần số 2.4 GHz, 5GHz 60 GHz Tần số cao so với tần số sử dụng cho điện thoại di động, thiết bị cầm tay truyền hình Tần số cao cho phép tín hiệu mang theo nhiều liệu 2.4.2 Mạch thu phát wifi ESP8266 ESP8266 mạch vi điều khiển giúp điều khiển thiết bị điện tử Điều đặc biệt nó, kết hợp module Wifi tích hợp sẵn bên vi điều khiển Với giá thành rẻ (chỉ Arduino Nano), lại tích hợp sẵn Wifi, nhớ flash 8Mb ESP8266 có nhiều phiên đóng gói theo nhiều cách khác nhau, nhiên lại giống chức khả lập trình Trên thị trường phổ biến ESP8266v1, ESP8266v7 ESP8266v12 Hình 2.3 NodeMCU 0.9 2.5 Chuẩn giao tiếp ESP8266 với module Để giao tiếp ESP8266 với module chức , cần lưu ý đến chuẩn giao tiếp chúng để lập trình đúng, nắm bắt cách thức hoạt động hệ thống cách rõ ràng Trong đề án đề cập sơ lược đến chuẩn giao tiếp, cần phân biệt đâu thiết bị chủ (master), đâu thiết bị tớ (slave) Ở trường hợp cụ thể này, ESP8266 master, module shield slave 2.5.1 Chuẩn giao tiếp I2C Đầu năm 1980 Phillips phát triển chuẩn giao tiếp nối tiếp dây gọi I2C I2C tên viết tắt cụm từ Inter-Intergrated Circuit Đây đường Bus giao tiếp IC với I2C phát triển Phillips, nhiều nhà sản xuất IC giới sử dụng I2C trở thành chuẩn cơng nghiệp cho giao tiếp điều khiển, kể vài tên tuổi Phillips như: Texas Instrument(TI), MaximDallas, analog Device, National Semiconductor, vv Bus I2C sử dụng làm bus giao tiếo ngoại vi cho nhiều loại IC khác loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM, vv chip nhớ như: RAM tĩnh (Static RAM), EEPROM, chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC), IC điều khiển LCD, LED, vv I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: Một đường xung clock (SCL) Master phát (thông thường 100kHz 400kHz Mức cao 1MHz 3.4MHz) Một đường liệu (SDA) theo hướng Có nhiều thiết bị kết nối vào bus I2C, nhiên không xảy chuyện nhầm lẫn thiết bị, thiết bị nhận địa với quan hệ master/slave tồn suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị hoạt động thiết bị nhận truyền liệu hay vừa truyền vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận tùy thuộc vào việc thiết bị master hay slave Một thiết bị hay IC kết nối với bus I2C, địa (duy nhất) để phân biệt, cịn cấu hình thiết bị master hay slave Đó bus I2C quyền điều khiển thuộc thiết bị master hay slave Thiết bị master nắm vai trị tạo xung clock đồng cho tồn hệ thống, hai thiết bị master – slave giao tiếp thiết bị master có nhiệm vụ tạo xung clock đồng quản lý địa thiết bị slave suốt trình giao tiếp Thiết bị master giữ vai trò chủ động, thiết bị slave giữ vai trò bị động việc giao tiếp Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng bit để định địa chỉ, bus có tới 27 địa tương ứng với 128 thiết bị kết nối, có 112, 16 địa lại sử dụng vào mục đích riêng Bit cịn lại quy định việc đọc hay ghi liệu (1 write, read) Có lưu ý nhỏ xung clock Bản chất I2C liệu đường SDA ghi nhận sườn lên chân CLK Do xung clock khơng cần xác tốc độ 1MHz hay 3.4MHz Lợi dụng điểm sử dụng chân GPIO để làm chân giao tiếp I2C mềm mà không thiết cần chân CLK tạo xung với tốc độ xác Q trình truyền liệu thiết bị chế độ Master – Slave dùng bus I2C diễn sau: Thiết bị master tạo xung START (tức đường SDA thay đổi từ mức cao xuống mức thấp đường SCL mức cao) để bắt đầu trình giao tiếp Thiết bị master gửi địa thiết bị slave muốn giao tiếp với bit R/W đợi xung ACK phản hồi Địa thiết bị slave định nghĩa bit, ngồi đánh địa dạng 10 bit sau lệnh START gửi chuỗi 11110 đường SDA Bit R/W dùng để điều khiển hướng truyền- bit “0” truyền từ master tới slave, ngược lại bit “1” truyền từ slave tới master Việc thiết lập bit R/W thiết bị master quy định Khi nhận xung báo ACK từ thiết bị slave xác nhận địa bắt đầu thực truyền liệu Dữ liệu gửi theo byte Mỗi byte gồm bit sau byte bắt buộc có xung ACK để đảm bảo q trình truyền nhận diễn xác Số lượng byte không giới hạn Xung ACK định nghĩa SDA kéo xuống mức thấp Ngoài ra, không nhận địa hay muốn kết thúc trình giao tiếp thiết bị nhận gửi xung NACK tức SDA mức cao Kết thúc trình truyền, thiết bị master gửi xung STOP thiết bị slave gửi xung NACK để báo hiệu kết thúc Xung STOP tương tự xung START trạng thái đường SDA thay đổi từ mức thấp lên mức cao Ngồi ra, q trình giao tiếp lặp lại xung START kèm theo địa để bắt đầu giao tiếp khác Điểm mạnh I2C hiệu suất đơn giản nó: khối điều khiển trung tâm điều khiển mạng thiết bị mà cần hai lối điều khiển 2.5.2 Chuẩn giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Bus) chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao hãng Motorola đề xuất Đây kiểu giao tiếp Master – Slave, có chip Master điều phối q trình truyền thông chip Slaves điều khiển Master, truyền thơng xảy Master Slave SPI hoạt động chế độ song công (full duplex), tức thời điểm trình truyền nhận xảy đồng thời SPI gọi chuẩn truyền thông “4 dây” có đường giao tiếp chuẩn SCK (Serial Clock): xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, SPI chuẩn truyền đồng nên cần đường giữ nhịp, nhịp chân SCK báo bit liệu đến Đây điểm khác biệt với truyền thông không đồng mà biết chuẩn UART Sự tồn chân SCK giúp q trình truyền bị lổi, cho phép ta tăng tốc độ truyền lên cao MISO (Master Input/Slave Output): với thiết bị Master đường Input, với Slave đường Output Chân MISO Master Slave kết nối với MOSI (Master Output/Slave Input): ngược lại đường MISO, tức với thiết bị Master đường Output, Slave Input Chân MOSI Master Slave kết nối với SS (Slave Select): SS đường chọn Slave cần giao tiếp, thiết bị Slave chân SS mức cao, chúng không giao tiếp với Master, ngược lại với mức thấp Trong hệ thống, thiết bị Slave ln địa có chân SS, thiết bị Master có 01 hay nhiều chân SS tùy thuộc vào người thiết kế 2.6 Phần mềm lập trình ESP8266