HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1 BÀI TẬP TIỂU LUẬN KẾT THÚC MÔN HỌC IOT VÀ ỨNG DỤNG TÊN ĐỀ TÀI HỆ THỐNG THEO DÕI NHỊP TIM Hà Nội, tháng 10 năm 2022 2 Lời cam đo[.]
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA CƠNG NGHỆ THÔNG TIN - - BÀI TẬP TIỂU LUẬN KẾT THÚC MÔN HỌC IOT VÀ ỨNG DỤNG TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG THEO DÕI NHỊP TIM Hà Nội, tháng 10 năm 2022 Lời cam đoan Em xin cam đoan đề tài: Hệ thống theo dõi nhịp tim nhóm em Nguyễn Thị Quyên nghiên cứu thực Em kiểm tra liệu theo quy định hành Kết làm đề tài Hệ thống theo dõi nhịp tim trung thực khơng chép từ tập nhóm khác Các tài liệu sử dụng tiểu luận có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng (Ký ghi rõ họ tên) Quyên Nguyễn Thị Quyên Lời cảm ơn Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy N.T.Tuyên Trong trình học tập tìm hiểu mơn IoT ứng dụng, em nhận quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tận tình, tâm huyết thầy Thầy giúp em tích lũy thêm nhiều kiến thức để có vận dụng chúng vào tiểu luận Do chưa có nhiều kinh nghiệm hạn chế kiến thức nên tránh khỏi tập lớn em có nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp, phê bình thầy để hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 1.2 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu đề tài 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu PHẦN NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Tín hiệu nhịp tim 2.1.2 Các phương pháp đo nhịp tim 2.1.3 ESP8266 2.1.4 Phần mềm lập trình ESP8266 2.1.5 Cảm biến MAX30100 2.1.6 Màn hình OLED 0.96 inch 2.2 Yêu cầu hệ thống 2.3 Xây dựng hệ thống 2.3.1 Sơ đồ khối chức 2.3.2 Sơ đồ chi tiết 2.3.3 Lưu đồ giải thuật 11 2.3.4 Giải thuật đo nhịp tim 12 2.3.5 Code 15 2.4 Kết 17 2.5 Nhận xét – đánh giá 17 PHẦN KẾT LUẬN 19 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu - Tim mạch bệnh lý nguy hiểm chiếm tỷ lệ tử vong cao, đặc biệt tần suất mắc bệnh tim mạch ngày trẻ hóa thói quen thiếu lành mạnh sinh hoạt hàng ngày Theo chia sẻ GS.TS Võ Thành Nhân – Giám đốc Trung tâm Tim mạch, Bệnh viện Đa khoa Quốc tế Vinmec Central Park, bệnh lý tim mạch nguyên nhân hàng đầu gây tử vong toàn giới, nhiều bệnh lý ung thư, dù nước hay phát triển Tại Việt Nam, theo thống kê Bộ Y tế năm có khoảng 200.000 người tử vong bệnh tim mạch, chiếm 33% ca tử vong Theo thống kê Viện Tim Mạch năm 2015, tỷ lệ tăng huyết áp người trưởng thành độ tuổi 18- 65 chiếm 25%, người trưởng thành có người tăng huyết áp Tăng huyết áp làm tăng nguy tử vong đột quỵ lên gấp lần tăng nguy tử vong bệnh lý tim mạch lên gấp lần so với người không mắc bệnh [1] - Bệnh lý tim mạch thường cho gặp người lớn tuổi Song thực tế, tần suất mắc bệnh người trẻ trung niên cao nghĩ, xảy với lứa tuổi tuổi bị mắc ngày trẻ hoá - Người trẻ thường cho họ khơng có nguy mắc bệnh nên họ thường chủ quan biện pháp phịng ngừa hợp lý - Bên cạnh đó, người mắc bệnh tim mạch vào ban đêm ngủ thường có tình trạng ngừng thở đột ngột hay tim ngưng đập, tăng giảm huyết áp bất thường Việc phịng ngừa tình trạng nói trình dài cố xảy ra, phát lập tức, hội để cứu chữa bệnh giảm thiểu khả di chứng tàn tật nhiều Qua đó, vấn đề đặt làm để theo dõi sức khỏe người bệnh lâu dài phát có cố xảy 1.2 - Mục tiêu đối tượng nghiên cứu đề tài Xây dựng hệ thống theo dõi nhịp tim đảm bảo tính xác, tức thời hoạt động liên tục - Đối tượng nghiên cứu phần mềm giải thuật để đo nhịp tim xác, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạt động chức 1.3 Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu khn khổ mơ hình nhỏ áp dụng cho người dùng, nhiên có khả mở rộng thành hệ thống lớn Ngoài ra, kiến thức lập trình cịn hạn chế nên khơng tạo sở liệu, truy xuất liệu, để theo dõi thời gian dài 1.4 - Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu thơng số tín hiệu nhịp tim, từ xây dựng giải thuật phù hợp nhằm giảm thiểu sai số đo đạc - Kiểm tra tính xác phép đo thiết bị sử dụng thị trường - Xây dựng mơ hình hệ thống giám sát, theo dõi nhịp tim PHẦN NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Tín hiệu nhịp tim - Nhịp tim (Heart Rate – HR) số nhịp đập tim đơn vị thời gian, thường tính nhịp/phút Nhịp tim thay đổi theo nhu cầu hấp thụ Oxy tiết CO2 thể, ví dụ lúc tập thể dục lúc ngủ Chỉ số HR bình thường khác cá thể, phụ thuộc vào giới tính, độ tuổi, tình trạng sức khỏe, Sự thay đổi số HR dấu hiệu cho thấy thay đổi trạng thái tim, qua phản ánh tình trạng sức khỏe thể - Resting Heart Rate (RHR) số nhịp tim thể trạng thái nghỉ ngơi, tìm khơng cần phải hoạt động nhiều để bơm máu khắp thể, RHR đo xác vào thời điểm vừa ngủ dậy lúc sáng sớm Ở trạng thái ngồi nằm, thư giãn thể không bệnh tật, số RHR vào khoảng 60-100 BPM Tuy vậy, RHR thấp 60 không đồng nghĩa với bất ổn thể, dấu hiệu tác dụng phụ dùng thuốc, vận động viên, người hoạt động nhiều, trạng tốt, tim họ khơng cần phải hoạt động mạnh để giữ cho quan chức thể hoạt động ổn định Ngoài ra, yếu tố bên gây ảnh hưởng đến HR: • Nhiệt độ mơi trường: nhiệt độ tăng cao, tim đập mạnh truyền máu nhiều hơn, số HR tăng thường khơng q 10 BPM • Trạng thái thể: HR thường không đổi trạng thái nghỉ ngơi, đứng ngồi Tuy nhiên, vào khoảng 15-20s vừa đứng lên, HR tăng lên chút trước ổn định trơ3 lại Yếu tố cảm xúc, tinh thần ảnh hưởng đến HR: lo lắng, căng thẳng hay xúc động khiến HR tăng cao • Kích thước thể: với người nặng cân, RHR thường cao hơn, khơng vượt q 100 BPM • Tác dụng phụ sử dụng thuốc: loại thuốc kiềm hãm thể tiết adrenaline (beta blocker) làm chậm HR, liều lượng thuốc làm tăng HR Bảng 2.1 Chỉ số RHR phụ thuộc vào độ tuổi - Theo dõi số HR người trog thời gian dài cho ta biết phần tình trạng sức khỏe, thói quen hàng ngày, chất lượng sống họ, qua có biện pháp cải thiện kịp thời 2.1.2 Các phương pháp đo nhịp tim - Phương pháp Oscillometric: Phương pháp thường phải đo nhịp tim chung với huyết áp Dựa cảm biến áp suất gắn vào bắp tay người cần đo (nơi có động mạch chạy qua), dựa vào thay đổi lưu lượng máy chảy qua động mạch thu tín hiệu điện Tín hiệu điện thu từ cảm biến áp suất thay đổi đồng với tín hiệu nhịp tim Chu kỳ thay đổi tín hiệu chu kỳ tín hiệu nhịp tim Từ thu tín hiệu điện tim - Phương pháp điện tâm đồ: Như trình bày phần “Sự hình thành điện tâm đồ”, cấu trúc đặc trưng đặc điểm tim mà điện tim đo gián tiếp nhờ điện cực đặt lên điểm xác định bề mặt thể Nếu ta đặt tim vào hệ tọa độ vng góc ba chiều hình chiếu đường cong không gian lên ba mặt phẳng có dạng ba đường cong có tên P, QRS, T (và có sóng U) Vector tạo đường cong mặt phẳng diện vector điện tim Các tín hiệu thu từ điện cực xử lý hiển thị máy đo điện tim - Phương pháp hấp thụ quang học: + Khi tim đập, máu đẩy khắp thể qua động mạch, tạo thay đổi áp suất thành động mạch lượng máu chảy qua động mạch Vì vậy, ta có thề đo nhịp tim cách đo thay đổi + Khi hàm lượng máu thành động mạch thay đổi làm thay đổi mức độ 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 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 2.1.3 ESP8266 - Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua D1 Mini kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản - Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua D1 Mini có thiết kế nhỏ gọn, tích hợp sẵn mạch nạp chương trình giao tiếp UART CH340, thường dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoTs - Thông số kỹ thuật: • Model: NodeMCU Lua D1 Mini • IC chính: ESP8266 Wifi SoC phiên ESP12 • Phiên firmware: NodeMCU • Chip nạp giao tiếp UART: CH340 • GPIO tương thích hồn tồn với firmware NodeMCU • Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB vào chân 5V, 3V3 • GPIO giao tiếp mức 3.3VDC • Wifi: 2.4GHz • Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2 • Tích hợp giao thức TCP/IP • Thiết kế nhỏ gọn, cắm trực tiếp vào test board • Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino • Kích thước: 34.2 x 25.6mm 2.1.4 Phần mềm lập trình ESP8266 - Trong đề tài sử dụng trình biên dịch Arduino IDE tiện lợi hỗ trợ tốt cho người dùng Hình 2.1 Giao diện Arduino IDE 2.1.5 Cảm biến MAX30100 - MAX30100 cảm biến đa sử dụng cho nhiều ứng dụng Là cảm biến theo dõi nhịp tim máy đo oxy Cảm biến có hai diode phát sáng, cảm biến quang (photodetector) linh kiện xử lý tín hiệu để phát nhịp tim đo xung oxy Hình 2.2 Cảm biến MAX30100 - Đặc tính kỹ thuật MAX30100: + Điện áp hoạt động từ 1,8V – 3,3V + Dòng điện đầu vào 20mA + Tích hợp loại bỏ nhiễu từ ánh sáng xung quanh + Tốc độ lấy mẫu tín hiệu cao + Xuất đầu liệu nhanh - Nguyên lý hoạt động: cảm biến có cặp diode phát quang phát ánh sáng đỏ đơn sắc có bước sóng 660nm ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 940nm Các bước sóng đặc biệt chọn bước sóng hemoglobin oxy hóa (Oxygenated Hb) khử oxy (Deoxygented Hb) có đặc tính hấp thu bước sóng khác 2.1.6 Màn hình OLED 0.96 inch - Thơng số kỹ thuật: + Điện áp sử dụng: 2.2-5.5VDC + Công suất tiêu thụ:: 0.04w + Góc hiển thị: lớn 160 độ + Số điểm hiển thị: 128x64 điểm + Độ rộng hình: 0.96inch + Giao tiếp: I2C 2.2 Yêu cầu hệ thống - Hệ thống có chức năng: + Xác định tín hiệu nhịp tim + Tính tốn thông số nhịp tim + Truyền liệu lên trang web app 2.3 Xây dựng hệ thống 2.3.1 Sơ đồ khối chức Hình 2.3 Sơ đồ khối - Chức khối: + Khối nguồn: cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm + Khối nhận tín hiệu nhịp tim: nhận tín hiệu nhịp tim gửi cho khối xử lý trung tâm + Khối xử lý trung tâm: cấp nguồn nuôi cho khối cảm biến nhịp tim khối hiển thị Nhận liệu thơ từ khối cảm biến, xử lý tính tốn cho giá trị HR xuất tín hiệu cho khối hiển thị truyền liệu cho trang web + Khối hiển thị: nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm hiển thị thông số + Khối liệu web: nhận liệu từ khối xử lý trung tâm hiển thị thơng số ngồi 2.3.2 Sơ đồ chi tiết ESP8266 → OLED + MAX30100 D1 SCL D2 SDA G GND 3V -VCC/VIN 10 2.3.3 Lưu đồ giải thuật Hình 2.4 Lưu đồ thuật tốn chương trình Ban đầu khởi tạo biến sử dụng chương trình, sau hiển thị giao diện giá trị liệu Tiếp theo khối xử lý trung tâm kết nối với mạng wifi thiết lập trang web đồng thời cập nhật thời gian thực Sau khối xử lý trung tâm xử lý tín hiệu nhịp tim huyết áp để hiển thị thơng số lên hình cập nhật lên trang web 11 2.3.4 Giải thuật đo nhịp tim Hình 2.5 Dạng sóng ECG chu kỳ đập tim - Theo hình trên, dạng sóng ECG tuần hồn Xét chu kỳ sóng, điểm T, tăng nhanh đến điểm P, cạnh lên đặc trưng cho quãng thời gian mà xung truyền cảm biến ta đặt, cạnh xuống, đưa biên độ tín hiệu mức bình thường (khoảng V/2) Tồn điểm cận gọi Dichrotic Notch, xét tổng quan, biên độ tín hiệu giảm mức nhiễu trước có xung khác xảy Do tín hiệu tuần hồn, nên ta chọn điểm dễ nhận biết làm mốc đối chiếu, giả dụ điểm P, để xác định khoảng thời gian xung liền nhau, từ tính BPM Tuy nhiên, nhận thấy điểm P, có tồn Dichrotic Noth, điều dẫn đến sai số cho phép đo Về mặt lý tưởng, ta muốn tìm điểm mà đặc trưng cho thời điểm tức thời tim đập, việc tính tốn BPM giảm thiểu tối đa sai số Một số nhà nghiên cứu cho điểm đặc trưng cho thời điểm tức thời tim đập rơi vào khoảng cạnh lên sóng ECG, có ý kiến cho vào lúc biên độ tín hiệu đạt 50% độ lớn biên độ điểm P, BPM tính tốn cách lấy trung bình từ 10 giá trị IBI trước - Dựa vào dạng sóng ECG mà lưu đồ giải thuật đưa sau: 12 Hình 2.6 Lưu đồ giải thuật đo nhịp tim 13 Giải thích lưu đồ: • Đầu tiên, đọc tín hiệu analog từ cảm biến, tăng giá trị biến sampleCounter, biến giúp theo dõi thời gian Biến N nhằm giúp tránh nhiễu • Tiếp đó, cần theo dõi giá trị biên độ cao thấp tín hiệu, tức điểm P T (khơng xét Dichrotic Notch) • Giá trị thresh khởi tạo 512, tức V/2, lưu ý có khoảng thời gian 3/5, IBI cần bỏ qua trước gán giá trị cho T để tránh việc đọc nhầm điểm Dichrotic Notch • Trước xác định có nhịp tim hay khơng, cần đặt ngưỡng tối thiểu 250mS, tức giá trị BPM vượt 240 BPM Khi biên độ tín hiệu qua ngưỡng thresh bỏ qua khoảng thời gian 3/5 IBI, tức ghi nhận có nhịp tim, tiến hành bật cờ Pulse thành true cho phép LED sáng Khoảng thời gian từ thời điểm xét trở lastBeatTime trước IBI, sau cập nhật giá trị cho lastBeatTime • Biến firstBeat secondBeat khởi tạo true false Nên lần sau tìm nhịp tim bật cờ Pulse thành true, điều kiện khởi tạo biến firstBeat thực thi hàm return, tức ta bỏ không lấy giá trị IBI đầu tiên, nhằm giảm thiểu sai số phép đo (chờ cho hệ thống hoạt động ổn định), tính tốn thực vào IBI thứ • Tiếp theo, tính tốn giá trị BPM: mảng rate [] dùng để chứa giá trị IBI, bỏ giá trị IBI cũ (11 beat trước), chuyển giá trị IBI vào vị trí thứ 10 mảng Sau có mảng array [] hồn chỉnh, việc tính BPM tương đối đơn giản, cuối bật cờ QS thành true, tức hệ thống tính giá trị BPM • Có Pulse giá trị biên độ rơi vào cạnh lên dạng sóng, nên biên độ tín hiệu ngưỡng thresh cờ Pulse true, tức tín hiệu cạnh xuống, cho tắt LED đặt lại cờ Pulse thành false, sẵn sàng cho hệ thống tìm beat 14 • Trong trường hợp khơng nhận tín hiệu, cho hệ thống đặt lại giá trị khởi tạo 2.3.5 Code Thiết lập giao diện hình OLED 15 Thiết lập giao diện cảm biến nhịp tim MAX30100 16 2.4 Kết Hình 2.7 Kết đo nhịp tim Mơ hình Máy đo Nhịp tim (số nhịp/p) L1 L2 L3 L4 80 83 89 86 82 86 86 89 Bảng 2.2 Kết đo nhịp tim mơ hình máy đo L5 79 83 2.5 Nhận xét – đánh giá - Kết đo nhịp tim: thơng số ổn định, có sai số nhỏ máy đo chuẩn với mạch thi công 17 Hình 2.8 Đồ thị kết đo nhịp tim mơ hình so với máy đo 18 PHẦN KẾT LUẬN - - Đề tài tạo mơ hình máy đo nhịp tim kỹ thuật không xâm lấn Các khối tiền xử lý rút gọn xuống mức tối thiểu, mơ hình thiết kế để sử dụng với mức điện áp 3V Những kết mặt kỹ thuật mơ hình tương đương với kết so với máy đo Mặc dù nhiều hạn chế đề tài ứng dụng vào việc theo dõi nhịp tim cho người cao tuổi sống xa cái, bệnh nhân nhập viện điều trị lâu ngày Mơ hình phát triển để kết hợp đo huyết áp, thông báo liệu lên app web thông qua Internet, cảnh báo cho người thân có liệu bất thường xảy 19 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thanh Hoàng (2019) Thiết kế thi cơng vịng tay đo nhịp tim sử dụng công nghệ IoTs (Tp.HCM) [2] Võ Thành Nhân Bệnh lý tim mạch: nguyên nhân gây tử vong hàng đầu Truy cập ngày 10/12/2022, từ https://www.vinmec.com/vi/tim-mach/thong-tin-suc-khoe/benh-lytim-mach-nguyen-nhan-gay-tu-vong-hangdau/#:~:text=T%E1%BA%A1i%20Vi%E1%BB%87t%20Nam%2C%20theo%20th%E1 %BB%91ng,m%E1%BB%99t%20ng%C6%B0%E1%BB%9Di%20t%C4%83ng%20huy %E1%BA%BFt%20%C3%A1p [3] Long Phan Tìm hiểu MAX30100 Truy cập 10/12/2022, từ https://blog.mecsu.vn/timhieu-max30100-cam-bien-nhiptim/#:~:text=MAX30100%20l%C3%A0%20c%E1%BA%A3m%20bi%E1%BA%BFn% 20%C4%91a,tim%20v%C3%A0%20%C4%91o%20xung%20oxy [4] Nguyễn Thành Phong, Hồ Văn Hậu Phát triển hệ thống đo huyết áp, tim mạch cầm tay (Đồ án tốt nghiệp, Trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2016) [5] Nguyễn Đình Phú (2013) Giáo trình vi xử lý Tp.HCM : Trường ĐHSPKT [6] Phạm Nguyễn Vinh (2003) Sổ tay điện tâm đồ NXH Y học [7] https://www.esp8266.com/ [8] https://arduino.esp8266.vn/ 20