Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo nhịp tim bằng phương pháp hồng ngoại hiển thị trên điện thoại thông minh

LỜI MỞ ĐẦU Danh ngơn có câu: “Chỉ người giàu ốm họ thực hiểu bất lực giàu sang” Vì thế, với phát triển xã hội, nhiều bệnh phát Trong có số bệnh nguy hiểm đe dọa sức khỏe cộng đồng Do việc quan tâm tới sức khỏe ngày trọng ưu tiên hàng đầu Trên giới nói chung nước ta nói riêng, ngành thiết bị y sinh cịn nhiều điều bí ẩn cần khai phá, nhiều thiết bị đại đời giúp người đo thơng số thể người, từ chuẩn đốn bệnh để điều trị Trong thơng số đo người nay, nhịp tim thông số cần quan tâm Như biết, tim phận quan trọng thể người, có vấn đề tim chứng tỏ sức khỏe có vấn đề Đo nhịp tim giúp biết phần tình trạng tim, sau giúp phát bệnh huyết áp, hở van tim… Hiện nay, thiết bị đo ECG thiết bị đại, đo xác nhịp tim, thiết bị đắt, không linh hoạt mang theo người, không theo dõi thường xuyên Vì vậy, thiết bị đo xác nhịp tim giá thành thấp cần thiết Song hành với đó, điện thoại thơng minh ngày đại hơn, đa tính phổ biến hơn, thúc đẩy nhu cầu nắm bắt tình hình sức khỏe người người thân gia đình lúc nơi Nắm bắt thực tế đó, ý tưởng kết hợp thiết bị đo nhịp tim với điện thoại thơng minh hình thành Do đó, em chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo nhịp tim phương pháp hồng ngoại hiển thị điện thoại thông minh” làm Đồ án tốt nghiệp Nội dung Đồ án trình bày chương: Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Thiết bị đo nhịp tim sử dụng phương pháp hồng ngoại Chương 3: Ứng dụng hiển thị nhịp tim điện thoại thông minh Chương 4: Các kết triển khai thử nghiệm Chương 5: Đánh giá kết hướng phát triển thiết bị -1- Chương 1: Đặt vấn đề CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Trong chương trình bày số khái niệm huyết áp, nhịp tim số phương pháp đo nhịp tim Đồng thời giới thiệu mục tiêu, định hướng đồ án cấu trúc đồ án 1.1 Khái niệm huyết áp, nhịp tim Hình 1.1: Nguyên tắc đo huyết áp Hình 1.2: Dạng tín hiệu nhịp đập tim Theo y học, huyết áp áp suất mà máu tác dụng lên thành mạch máu Thông thường người ta đo áp suất máu tác dụng lên thành động mạch Ngoài số trường hợp người ta đo huyết áp tĩnh mạch, huyết áp tĩnh mạch trung tâm, huyết áp động mạch phổi, huyết áp tim,… Tuy nhiên nói đến đo huyết áp chủ yếu người ta muốn nói đến việc đo áp suất máu tác dụng lên động mạch Khi tim co bóp, đẩy máu khắp thể Trước tiên, tim giãn dồn máu vào (thời điểm T1 hình 1.2), lúc áp suất máu động mạch nhỏ – huyết áp tâm trương (Diastolic Pressure - DP) Tiếp theo, tim co bóp dồn máu đi, thời điểm áp suất tác dụng lên thành mạch lớn (thời điểm T2 hình 1.2) Giá trị huyết áp gọi huyết áp tâm thu (Systolic Pressure - SP) Một thông số thông số huyết áp giúp bác sĩ chẩn đốn tình hình bệnh nhân nhịp tim Nhịp tim xác định số lần đập tim phút Thông thường xác định huyết áp, người ta xác định kèm theo thông số nhịp tim Công việc thực đơn giản cách đếm nhịp tim lấy trung bình số lần tim đập phút -2- Chương 1: Đặt vấn đề 1.2 Một số phương pháp đo nhịp tim 1.2.1 Đo nhịp tim phương pháp Oscillometric Thông thường nhịp tim đo với huyết áp phương pháp đo nhịp tim thường gắn liền với phương pháp đo huyết áp Cách đo huyết áp – nhịp tim theo phương pháp Oscillometric sau: - Người ta dùng bao khí có gắn sensor đo áp suất, quấn quanh bắp tay người cần đo (nơi có động mạch chạy qua) Vị trí, tư người cần đo huyết áp cần đúng, cụ thể bắp tay nơi quấn bao khí phải đặt ngang tim - Trước tiên bao khí bơm căng lên để áp suất bao cao huyết áp thấp (thông thường bơm lên cỡ 180 mmHg đủ, đặc biệt người già phải bơm lên 200 mmHg) Lúc động mạch bị bao khí chẹn lại, máu khơng chảy động mạch chỗ bị quấn bao khí (như mơ tả hình 1.1) - Tiếp theo, người ta xả từ từ khí bao Khi áp suất bao lớn huyết áp cao máu khơng thể lưu thơng động mạch Chỉ áp suất bao cân với áp suất máu máu động mạch lưu thơng lúc áp suất bao khí thay đổi theo nhịp đập tim, tín hiệu điện mà sensor áp suất đưa thay đổi đồng với nhịp đập tim Chu kỳ thay đổi tín hiệu điện chu kỳ nhịp tim Do phương pháp đo nhịp tim cách đếm số chu kỳ khoảng thời gian định sau chia số đếm cho khoảng thời gian đếm Phương pháp đơn giản nhiên độ xác khơng cao đếm thời gian không đủ lớn 1.2.2 Đo nhịp tim phương pháp sử dụng điện cực (điện tâm đồ) Cơ tim ví tế bào, lúc nghỉ: ion dương màng tế bào ion âm bị giữ màng để cân lực hút tĩnh điện; tế bào gọi có cực Khi tim bị kích thích xuất khử cực ion âm khuếch tán màng, ion dương khuếch tán vào màng Tiếp theo tượng khử cực, lại đến tái cực điện dương xuất trở lại mặt tế bào, điện âm mặt lúc đầu hình Hai tượng khử cực tái cực xuất tâm thu, cịn kỳ tâm trương, tim trạng thái cực nói Nếu dùng điện kế để thu tượng trên, ta có đường biểu diễn gọi điện tâm đồ: -3- Chương 1: Đặt vấn đề Hình 1.3: Hình dạng đường điện tâm đồ với số điểm đặc trưng Đường bao gồm: - Một đường đẳng điện ứng với tượng có cực - Đoạn PQ gồm thời gian khử cực nhĩ truyền xung động từ nhĩ tới thất - Phức QS: khử cực tâm thất - Đoạn ST: thời kỳ khử cực hồn tồn thất - Sóng T: tái cực tâm thất Để thực đo điện tâm đồ, điện cực nhỏ kim loại dán vào cánh tay, chân ngực Dây điện kết nối điện cực với máy đo điện tim Máy phát khuếch đại xung điện xảy nhịp đập tim ghi chúng vào tờ giấy máy tính Nhịp tim ghi nhận từ điện cực khác Xét nghiệm khoảng phút để thực 1.3 Mục tiêu đồ án định hướng Mục tiêu cuả đồ án là: - Nghiên cứu thiết kế cảm biến thu tín hiệu nhịp tim sử dụng hồng ngoại - Hoàn thiện thu thập, tính tốn, xử lý tín hiệu điện tim - Hồn thiện giao diện hiển thị điện thoại thông minh chạy android - Kết nối truyền liệu từ thiết bị lên điện thoại qua Bluetooth - Hiển thị nhịp tim dạng song với sai số thấp Định hướng đồ án: - Ứng dụng vào theo dõi chăm sóc bệnh nhân nhà - Ứng dụng máy bay, tàu điện - Ứng dụng bệnh viện, trạm y tế để bác sĩ theo dõi tình trạng nhiều bệnh nhân lúc từ phòng giám sát - Ứng dụng thể thao -4- Chương 1: Đặt vấn đề - Lưu trữ liệu trực tuyến lần đo 1.4 Cấu trúc đồ án Đồ án thực với mục tiêu sau: - Xử lý tín hiệu nhịp tim gửi từ cảm biến tính giá trị nhịp tim - Hiển thị nhịp tim, dạng sóng nhịp tim hình GLCD - Truyền – nhận liệu điện thoại thiết bị Bluetooth - Thiết kế ứng dụng hiển thị kết đo điện thoại chạy Android Hình 1.4: Cấu trúc giải pháp đề xuất đồ án -5- Chương 2: Thiết bị đo nhịp tim sử dụng phương pháp hồng ngoại CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ ĐO NHỊP TIM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỒNG NGOẠI 2.1 Tổng quan phương pháp đo nhịp tim sử dụng hồng ngoại 2.1.1 Nguyên lý phương pháp đo Do phương pháp Oscillometric chủ yếu dùng để đo huyết áp nên phải dùng bao khí để chặn nghẽn dòng máu động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch đập tim nhận bị sai khác so với bình thường Sai khác nhỏ nhiều ảnh hưởng đến độ xác kết đo nhịp tim Vậy nên để nâng cao độ xác cho phép đo cần sử dụng cảm biến để lấy tín hiệu đồng với nhịp tim mà không ảnh hưởng đến lưu thông máu nơi đặt cảm biến Giải pháp thích hợp cho vấn đề sử dụng cảm biến quang học Phương pháp sau: Như trình bày phần trên, tim co bóp đẩy máu khắp thể, tim giãn dồn máu vào nó, lúc áp suất máu động mạch giảm tim co lại áp suất động mạch tăng lên Chính tăng áp suất làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng động mạch, tia sáng truyền qua động mạch cường độ ánh sáng sau truyền qua động mạch biến thiên đồng với nhịp tim Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ánh sáng, ánh sáng sau truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại tim co vào, áp suất máu lớn, ánh sáng sau truyền qua động mạch có cường độ nhỏ Hình 2.1: Sự truyền ánh sáng qua động mạch -6- Chương 2: Thiết bị đo nhịp tim sử dụng phương pháp hồng ngoại Hình 2.2: Sự hấp thụ ánh sáng truyền qua ngón tay Ở ta sử dụng LED siêu sáng để phát ánh sáng qua ngón tay Cần ý cấp nguồn ổn định cho LED để tránh nhiễu cao Bố trí quang trở để nhận ánh sáng sau truyền qua động mạch ta nhận tín hiệu biến thiên đồng với nhịp đập tim 2.1.2 Vị trí đặt cảm biến Sau có ý tưởng cảm biến quang học có hai vấn đề đặt ra, là: Phải đặt nguồn sáng quang trở đâu để thu kết tốt nhất? Vì động mạch bên thể nên ánh sáng khơng truyền qua động mạch mà cịn truyền qua nhiều thành phần khác thể, có ảnh hưởng xấu đến tín hiệu nhận khơng? Về ngun tắc đặt nguồn sáng quang trở nơi thể có chứa động mạch Nhiễu ánh sáng mơi trường vào quang trở coi khơng đổi nên phép đo tin cậy tín hiệu ánh sáng quang trở nhận lớn Nếu đặt cảm biến khuỷu tay hay cổ tay có lợi áp suất máu động mạch biến động lớn, ánh sáng phải truyền qua bề dày lớn thể nên bị hấp thụ nhiều xương, mà độ nhạy cảu quang trở có giới hạn để thu kết mong muốn, cường độ nguồn sáng phải lớn, hao phí lượng khó ổn định cường độ nguồn sáng Nếu đặt cảm biến vành tai – nơi ánh sáng cần qua bề dày nhỏ thể, có lợi cường độ ánh sáng quang trở nhận lớn, động mạch bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận nhỏ so với toàn ánh sáng nhận được, nên tín hiệu nhận không đủ độ tin cậy -7- Chương 2: Thiết bị đo nhịp tim sử dụng phương pháp hồng ngoại Hình 2.3: Vị trí đặt nguồn sáng cảm biến Vị trí đặt nguồn sáng quang trở hợp lý nhất: đầu ngón tay Tuy động mạch khơng lớn quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không nhiều nên cần dùng LED để làm nguồn sáng, kết mức độ biến thiên cường độ sáng nhận lớn so với toàn ánh sáng nhận được, tỷ số biên độ tín hiệu với chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa kết xác Khi ánh sáng truyền qua đầu ngón tay, bị hấp thụ phần nhỏ động mạch, lại phần lớn bị hấp thụ mô xương điều may mắn hệ số hấp thụ mô xương ánh sáng không đổi theo thời gian, nên cường độ ánh sáng quang trở nhận biến thiên theo nhịp tim chiều, tín hiệu hình 2.3, hồn tồn tin tưởng tính đồng tín hiêu nhận với nhịp tim 2.2 Cấu tạo thiết bị đo Mạch đo đồ án thiết kế theo sơ đồ khối sau: Hình 2.4: Sơ đồ khối thiết bị đo Từ sơ đồ khối hình 2.4, ta thấy thiết bị đo gồm khối lớn, là: -8- Chương 2: Thiết bị đo nhịp tim sử dụng phương pháp hồng ngoại - Khối cảm biến - Khối lọc thông cao Butterworth - Khối khuếch đại đảo - Khối vi điều khiển - Khối hiển thị - Khối truyền thơng Bluetooth Các linh kiện mạch gồm: - Vi điều khiển MSP430F5132 - Module Bluetooth HC-05 - Graphic LCD 12x64 - IC LM7805, LM7905, LM1117, LM324 - IC thời gian thực BQ32000 2.3 Cấu tạo chức khối thiết bị đo 2.3.1 Khối nguồn Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Ở ta sử dụng IC LM7805 IC LM1117 để tạo nguồn cấp 3,3V cho vi điều khiển với thiết kế hình 2.5 Điện áp cấp đầu vào tối đa tới 15V Trong thực tế ta sử dụng pin Lithium với điện áp dao động khoảng 7,4V đến 8,4V Điện áp vào qua cơng tắc sau qua cầu chì 0,5A Trước IC 7805, ta mắc tụ C có giá trị 100uF/16V tụ C có giá trị 1000uF/6.3V để lọc Đầu LM7805 cho ta điện áp với giá trị 5V Sau cho qua IC LM1117 để lấy giá trị 3,3V mong muốn đầu Do điện áp từ IC 7805 lọc tụ C2 nên đầu vào LM1117 không cần mắc thêm tụ lọc 10uF, cần mắc đầu tụ C3 có giá trị 100uF để lọc điện áp 3,3V lấy từ LM1117 -9- Chương 2: Thiết bị đo nhịp tim sử dụng phương pháp hồng ngoại Hai điện trở R1 R2 có tác dụng điện áp nguồn, với mục đích báo nguồn để người dùng lưu lại thông tin quan trọng Hình 2.6: Cách mắc dịng LM 78xx theo lý thuyết Hình 2.7: Cách mắc theo lý thuyết LM 1117 LM7805 IC ổn áp sử dụng phổ biến mạch nguồn cấp cho vi điều khiển Dịng cực đại trì 1A, dịng đỉnh 2,2A; cơng suất tiêu tán cực đại không dùng tản nhiệt 2W, công suất tiêu tán dùng tản nhiệt đủ lớn 15W Với LM7805 cần có điện áp đầu vào tối thiểu 7V, chênh lệch áp vào tối thiểu 2V LM1117 dòng IC nguồn dropout voltage với mức 1,2V, cho dòng khoảng 800mA Điện áp cố định mức 1,8V, 2,5V, 2,85V, 3,3V, 5V điều chỉnh Trong trường hợp cụ thể này, nhóm sử dụng IC LM1117 cố định mức điện áp 3,3V Các thơng số tụ diode nhóm chọn theo datasheet TI cung cấp để đảm bảo nguồn đầu ổn định giảm nhiễu Một ý quan trọng layout khối nguồn phần dây đất cho IC phải ngắn nhất, đồng thời điện áp lấy sau IC bắt buộc phải lấy sau tụ lọc Tụ lọc đầu quan trọng việc trì ổn định điện áp đầu 2.3.2 Khối cảm biến Phần cảm biến thu tín hiệu từ đầu ngón tay thiết kế đơn giản từ LED siêu sáng đóng vai trị làm nguồn sáng quang trở đóng vai trị thu tín hiệu LED trắng siêu sáng loại 5mm chọn làm nguồn phát sáng loại có hiệu suất phát sáng cao Để tránh nhiễu cao tần ta cần cấp nguồn ổn định cho LED - 10 -