Thiết kế mạch đo nhịp tim và nồng độ oxi trong máu

Trong lĩnh vực y tế, việc đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và chẩn đoán tình trạng sức khỏe của con người. Với sự phát triển của công nghệ và các thiết bị y tế hiện đại, thiết kế mạch đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu đã trở thành một đề tài thú vị và đầy tiềm năng, đặc biệt đối với em sinh viên có đam mê về công nghệ. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu này là tạo ra một thiết bị dễ sử dụng và không xâm lấn và giúp người dùng có thể tự theo dõi sức khỏe của mình thông qua app trên điện thoại trong thời gian thực. Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, em sẽ tìm hiểu về cách hoạt động của nhịp tim, đồng thời nắm vững nguyên lý hoạt động của các cảm biến và mạch điện tử để thu thập và xử lý dữ liệu. Em cũng sẽ tìm hiểu về các thuật toán và phương pháp tính toán để chuyển đổi dữ liệu thu thập được thành những thông số hữu ích và dễ hiểu. Em mong rằng qua đề tài này có thể giúp ích cho người bệnh có thể theo dõi nhịp tim của bản thân để khi nhận thấy được những dấu hiệu bất thường có thể nhanh chóng đến đến trạm y tế để ngăn chặn các vấn đề lớn. Kiến thức y sinh về hoạt động của tim, nồng độ oxy trong máu, nguyên lý hoạt động của cảm biến, cách đo hướng dẫn đo cho người dùng. Thuật toán xử lý tín hiệu nhận được từ cảm biến. Vi điều khiển dùng để thiết kế mô hình đo và giám sát. Phần mềm tương tác trên Smartphone. Thiết kế bảng mạch thử nghiệm hoàn chỉnh cho mô hình đo. Các phương pháp đánh giá độ tin cậy và độ chính xác của thiết bị đo được thiết kế. Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu không xâm lấn sử dụng kỹ thuật truyền xuyên qua. Nội dung của luận văn tập trung thiết kế bộ tiền xử lý tín hiệu và mạch xử lý trung tâm. Đồng thời nghiên cứu sử dụng môi trường Java Eclipse để xây dựng phần mềm trên hệ điều hành Android. Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn ở mô hình máy đo các thông số nhịp tim, SpO2 dùng vi điều khiển tiêu thụ công suất thấp.

THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM

VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU

ĐIỆN TỬ Y SINH

THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHỊP TIM

VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU

ĐIỆN TỬ Y SINH

MỤC LỤC

Tran

TRANG PHỤ BÌA ii

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

1.6 Cấu trúc bài báo cáo 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN KHẢO SÁT VÀ ĐƯA RA TIÊU CHÍ CỦA ĐỀ TÀI 5

2.1 Giới thiệu chương 5

2.2 Tổng quan về SpO2 5

2.2.1 Lịch sử của kỹ thuật khảo sát SpO2 5

2.2.2 Độ chính xác của SpO2 6

2.2.3 Khi nào cần phải kiểm tra người bệnh bằng máy đo nồng độ oxy trong máu? 6

2.2.4 Kiểm soát tim mạch và nồng độ oxy trong máu là điều cần thiết 7 2.3 Sự vận chuyển oxy trong máu và nguyên lý hoạt động của PO 7

2.4 Khảo sát các phương pháp đo trong và ngoài nước 10

2.5 Xây dựng mô hình đề tài 13

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN CÁC LINH KIỆN VÀ XÂY DỰNG, THIẾT KỂ MÔ HÌNH ĐO NHỊP TIM 15

3.1 Sơ đồ khối 15

3.2 Chọn các linh kiện và thiết bị trong khối 16

3.2.1 Khối cảm biến (Cảm Biến MAX30100) 16

3.2.2 Khối vi điều khiển (Arduino Uno R3) 21

3.2.3 Module Bluetooth (Module Bluetooth HC-05 ) 26

3.2.4 Khối hiển thị (LCD16x02) 28

3.2.5 Khối chuông báo (Còi Buzzer) 33

3.3 Sơ đồ nguyên lý 35

3.4 Lập trình 37

3.5 Ứng dụng trên điện thoại 43

3.6 Sản phẩm hoàn thành 46

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 48

4.1 Kết quả đạt được 48

4.2 Đánh giá mô hình 48

4.3 Hướng phát triển 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

2 Hình 2.2 Cường độ hấp thụ đối với ánh sáng của máu 7

3 Hình 2.3 Đường cong mối quan hệ tỉ lệ R/IR và % bão hòa oxy của

12 Hình 3.5 a) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_R vào nhiệt độ

b) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_IR vào nhiệt độ 18

13 Hình 3.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAX30100 18

15 Hình 3.8 Chức năng chi tiết các chân điều khiển Arduino Uno R3 21

16 Hình 3.9 Cửa sổ làm việc của phần mềm ngôn ngữ lập trình Arduino 24

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực y tế, việc đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu đóng vai trò quantrọng trong việc theo dõi và chẩn đoán tình trạng sức khỏe của con người Với sựphát triển của công nghệ và các thiết bị y tế hiện đại, thiết kế mạch đo nhịp tim vànồng độ oxy trong máu đã trở thành một đề tài thú vị và đầy tiềm năng, đặc biệt đốivới em sinh viên có đam mê về công nghệ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu này là tạo ra một thiết bị dễ sử dụng và không xâmlấn và giúp người dùng có thể tự theo dõi sức khỏe của mình thông qua app trênđiện thoại trong thời gian thực

Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, em sẽ tìm hiểu về cách hoạt động của nhịptim, đồng thời nắm vững nguyên lý hoạt động của các cảm biến và mạch điện tử đểthu thập và xử lý dữ liệu Em cũng sẽ tìm hiểu về các thuật toán và phương pháptính toán để chuyển đổi dữ liệu thu thập được thành những thông số hữu ích và dễhiểu

Em mong rằng qua đề tài này có thể giúp ích cho người bệnh có thể theo dõi nhịptim của bản thân để khi nhận thấy được những dấu hiệu bất thường có thể nhanhchóng đến đến trạm y tế để ngăn chặn các vấn đề lớn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, có nhiều trường hợp tử vong do mắc biến chứng đột quỵ (tai biến mạchmáu não) Nguyên nhân của đột quỵ chủ yếu là do tình trạng não bộ bị tổn thươngnghiêm trọng do quá trình cấp máu não bị gián đoạn hoặc giảm đáng kể khiến não

bộ bị thiếu oxy, không đủ dinh dưỡng để nuôi các tế bào Trong vòng vài phút nếukhông được cung cấp đủ máu các tế bào não sẽ bắt đầu chết Chính vì vậy, chúng tacần một thiết bị theo dõi sức khỏe để phòng ngừa những trường hợp đáng tiếc.Qua những dẫn chứng cụ thể như trên, chúng ta thấy được tầm quan trọng của việcphát hiện sớm sự thay đổi đột ngột của bệnh nhân bằng cách đo các thông số nhịptim, SpO2 ( các thông số sinh tồn), từ các thông số này ta có thể đưa ra cảnh báo,các chẩn đoán một cách nhanh nhất có thể, để hướng dẫn cho các nhân viên y tế haythậm chí người nhà bệnh nhân có những biện pháp sơ cứu kịp thời trong khi chờ xecứu thương đến, từ đó giảm thiểu thương vong Chính vì nhận ra sự cần thiết đó cácthiết bị di động đo các thông số sinh tồn mọi lúc mọi nơi, hay thiết bị có thể theodõi, cảnh báo tình trạng của bệnh nhân ra đời như một tất yếu

Đề tài của em là một thiết bị đo nhịp tim và oxy trong máu bằng phương phápkhông xâm lấn nhằm theo dõi sức khỏe và cảnh báo cho người dùng Với cách sửdụng đơn giản so với máy đo nhịp tim truyền thống

1.2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế mô hình đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu bệnh nhân bằng phươngpháp không xâm lấn nhằm theo dõi sức khỏe và cảnh báo

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

- Kiến thức y sinh về hoạt động của tim, nồng độ oxy trong máu, nguyên lýhoạt động của cảm biến, cách đo hướng dẫn đo cho người dùng.

- Thuật toán xử lý tín hiệu nhận được từ cảm biến

- Vi điều khiển dùng để thiết kế mô hình đo và giám sát

- Phần mềm tương tác trên Smartphone

- Thiết kế bảng mạch thử nghiệm hoàn chỉnh cho mô hình đo

- Các phương pháp đánh giá độ tin cậy và độ chính xác của thiết bị đo đượcthiết kế

b Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim và nồng độ oxytrong máu không xâm lấn sử dụng kỹ thuật truyền xuyên qua Nội dung của luậnvăn tập trung thiết kế bộ tiền xử lý tín hiệu và mạch xử lý trung tâm Đồng thờinghiên cứu sử dụng môi trường Java Eclipse để xây dựng phần mềm trên hệ điềuhành Android Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn ở mô hình máy đo cácthông số nhịp tim, SpO2 dùng vi điều khiển tiêu thụ công suất thấp

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu nhu cầu, sự cấp thiết trong thực tế, khảo sát các giải pháp đã cóhiện nay, so sánh, đánh giá các giải pháp và đưa ra nhận xét cho mỗi giảipháp

- Thu thập tài liệu, tìm hiểu nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim và nồng độoxy bằng phương pháp không xâm lấn

- Xử lý dữ liệu đưa về từ cảm biến, truyền dữ liệu qua giao tiếp Bluetooth

- Xây dựng phần mềm trên hệ điều hành Android

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Các phương pháp đo trước đây sử dụng sự xâm lấn, nghĩa là tác động đến cơ thểbệnh nhân, ví dụ như dùng phương pháp đo khí máu Phương pháp đo khí máu làlấy mẫu máu của bệnh nhân và đem phân tích sẽ cho ra nhiều thông số trong đó có

SpO2 Điều đó có thể làm cho bệnh nhân cảm thấy khó chịu và khó có thể sử dụng

để theo dõi liên tục Đề tài này đề xuất phương pháp đo nhịp tim và nồng độ oxytrong máu (SpO2) bằng phương pháp không xâm lấn Từ không xâm lấn có nghĩa

là không tác động đến cơ thể bệnh nhân bằng cách sử dụng một đầu đo cảm biếngắn trên đầu ngón tay Đầu đo này được thiết kế sao cho bệnh nhân không cảm thấykhó chịu khi gắn để tiến hành đo liên tục trong một khoảng thời gian dài

Đề tài nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế hiện nay là một thiết bị di động đo nhịp tim,SpO2 của bệnh nhân mọi lúc, mọi nơi và có thể theo dõi bệnh nhân liên tục Với giáthành có thể chấp nhận được, đề tài có thể là một giải pháp hữu ích cho các hộ giađình, trường học trong việc chăm sóc và theo dõi bệnh nhân

1.6 Cấu trúc bài báo cáo.

- Chương 1: Tổng quan về đề tài.

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Nghiên cứu thực trạng hiện nay, sự cấp thiết cần phải có của đề tài Tìm hiểu

lý thuyết về y sinh trong lĩnh vực đo nhịp tim và SpO2, mối quan hệ giữa sựhấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau của các phân tử Hb và HbO2 để

từ đó đưa ra công thức để tính toán

- Chương 3: Tổng quan các linh kiện và xây dựng, thiết kế mô hình đo nhịp

- Chương 4: Kết quả đạt được và đánh giá mô hình

Tìm hiểu các tiêu chí đánh giá của một hệ thống, sau đó áp dụng để đánh giákết quả mô hình của đề tài Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm và tính khả thicủa đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN KHẢO SÁT VÀ ĐƯA RA TIÊU CHÍ CỦA ĐỀ

TÀI 2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày về những tình trạng đang diễn ra trong thực tế, nguồn gốc

ra đời của SpO2 và máy đo nhịp tim và SpO2 Chương này cũng trình bày lý thuy ết

về sự vận chuyển oxy trong máu, nguyên lý hoạt động của Pulse Oximeter, mốiquan hệ giữa sự hấp thụ các sóng ánh sáng khác nhau của Hb và HbO2 Đưa racông thức để tính toán các thông số nhịp tim và SpO2

2.2 Tổng quan về SpO2

SpO2 chỉ mức độ bão hoà oxy trong máu, dịch ra là Saturation of peripheraloxygen Chỉ số này dễ dàng được đo qua da bằng một loại thiết bị đầu dò được kẹp

ở dái tai, ngón tay hoặc ngón chân

Chỉ số SpO2 giúp phát hiện sớm hiện tượng thiếu hụt oxy trong máu bệnh nhântrước khi xảy ra tình trạng tím tái Vì thế việc theo dõi liên tục chỉ số SpO2 ở ngườibệnh là điều rất cần thiết, đây cũng là một biện pháp an toàn và hiệu quả cao

2.2.1 Lịch sử của kỹ thuật khảo sát SpO2

Năm 1935, với sự phát minh ra thiết bị thô sơ đầu tiên dựa vào 2 bước sóng chính là

đỏ và xanh dương đặt ở dái tai dùng để đo SpO2, Matthes được nhắc đến như ngườiđầu tiên tìm ra phương pháp khảo sát oxy trong máu Năm 1949, Wood đã pháttriển thêm kỹ thuật trên bằng cách đưa vào đó 1 thiết bị có khả năng cảm biến vớimạch đập Nhưng sau đó, kỹ thuật này đã bị đình trệ lại vì lý do kinh phí Mãi đếnkhi tập đoàn Nihon Kohden vào cuộc, năm 1972, Aoyagi đã chính thức cho ra đờimáy đo oxy dựa vào mạch đập (Pulse oxymetri) Đến năm 1987, máy đo oxy dựavào mạch đập đã được sử dụng rộng rãi ở các phòng gây mê Mỹ Vài năm sau,SpO2 trở nên phổ biến khắp thế giới

Máy đo oxy tại giường đầu tiên sử dụng đầu dò kẹp vào dái tai Một thiết bị ở mộtbên của đầu dò phát ra ánh sáng đỏ (660nm) và tím (940nm) xuyên qua dái tai đếnthiết bị nhận sáng bên đối diện, tại đây nó sẽ khuếch đại ánh sáng vừa được truyềnqua Mục đích là đo HbO2 ở trong các mao quản nhỏ của dái tai Tuy nhiên, thiết bịnày vấp phải 2 nhược điểm: 1 Sự dẫn truyền ánh sáng qua dái tai bị ảnh hưởng bởicác yếu tố khác ngoài Hb như sắc tố da 2 Nó không phân biệt được HbO2 nào làcủa động mạch, HbO2 nào là của tĩnh mạch.

Sự ra đời của máy đo oxy dựa vào mạch đập vào giữa năm 1970 đã loại bỏ nhữngnhược điểm của máy đo oxy trước đây Điểm đặc biệt của máy đo oxy dựa vàomạch đập là bộ phận tiếp nhận ánh sáng chỉ nhận các sóng ánh sáng có cường độdao động Đầu dò của nó sẽ đặt quanh ngón tay Điều này cho phép máy đo oxy dựavào mạch đập chỉ phát hiện ra các Hb của động mạch và nó làm giảm hoặc loại bỏnhững sai sót tạo nên bởi sự hấp thu ánh sáng của những cấu trúc không có mạchđập như: mô liên kết và tĩnh mạch

2.2.2 Độ chính xác của SpO2

Độ bão hòa oxy đo được bằng máy đo oxy dựa vào mạch đập (SpO2) thấp hơnkhoảng 3% so với độ bão hòa oxy thực tế (SaO2) Thử nghiệm đo SpO2 nhiều lầnliên tục trên 1 bệnh nhân ổn định cho thấy kết quả không khác nhau, điều này chứng

tỏ SpO2 cho một mức độ đáng tin cậy cao

2.2.3 Khi nào cần phải kiểm tra người bệnh bằng máy đo nồng độ oxy trong máu?

- Phát hiện giảm lưu thông không khí: những người bị hen suyễn, COPD, độtquỵ tai biến cần phải sử dụng để đo nồng độ oxy hoa tan trong máu ở nhữngtrường hợp khó thở, choáng váng, tím môi, tay chân, lên cơn ho như cảmthấy ngợp tim

- Huyết áp thấp: Đa số những người có chỉ số huyết áp thấp đều có mạch máukhông bình thường Do đó sự lưu thông máu có khi chỉ có áp lựa máu lên

động mạch giảm thấp đến 30mmHg Điều này cho thấy họ có những triệuchứng như lạnh tay chân, đổ mồ hôi hột trên trán và lưng, nói sảng, buồnnôn Huyết áp thấp đường xem thường nó, hãy kiểm tra bằng máy SpO2 loại

cá nhân kẹp ngón tay để xác định nồng độ oxy trong máu và nhịp tim nhanhchóng

- Ngộ độc Carbonnic CO: Khí CO thường có trong hầm mỏ, các thợ hàn xìtrong bồn téc, đốt than tổ ong, ngộp nước hồ bơi, Ngộ độc khí carbonic dễgây tổn thương mô thần kinh não và các giác quan trong cơ thể Do đó, dựavào máy đo nồng độ oxy trong máu loại kẹp tay SpO2 có thể kiểm tra nhanhchóng tình trạng hòa tan oxy trong máu cũng như nhịp tim

- Bệnh thiếu máu: rõ ràng là thiếu máu tức là Hemoglobine trong máu giảmthấy hơn bình thường Thiếu máu nghiêm trọng gây ra những biến chứng taihại cho hệ tuần hoàn máu và các bộ phận khác trong cơ thể Một số ngườibệnh cần phải kiểm tra tình trạng nhịp tim và nồng độ hòa tan oxy trong máuthường xuyên tại gia đình bằng máy đo nồng độ oxy trong máu SpO2

2.2.4 Kiểm soát tim mạch và nồng độ oxy trong máu là điều cần thiết

Khi phát hiện những triệu chứng liên quan đến nhịp tim bất thường đồng thời chỉ sốSpO2 trong máu thấp có nghĩa là người bệnh cần phả được can thiệp nhanh nhờ đó

có thể cứu sống họ nếu trong những tình huống xấu nhất

Hiện nay, máy đo nồng độ oxy hòa tan trong máu chưa được chú trọng nhiều nhưngnhững người đang có những bệnh: thiếu máu, suy thận, suy hô hấp, suy tim, bệnhđau tim (nhồi máu cơ tim trong giai đoạn phục hồi), mở nội khí quản, huyết ápthấp, cần phải có một máy đo nồng độ oxy trong máu SpO2 trong gia đình nhằmkiểm tra nhanh để phán đoán xem liệu có nên đưa người bệnh vào ngay trong bệnhviện hay không

2.3 Sự vận chuyển oxy trong máu và nguyên lý hoạt động của PO

S a O2= H b O2

H b O2+H b

Hình 2 1 Quang phổ hấp thụ của Hb và HbO2

Hình 2 2 Cường độ hấp thụ đối với ánh sáng của máu

Hình 2 3 Đường cong mối quan hệ tỉ lệ R/IR và % bão hòa oxy của định luật

Beer-Lambert và thực nghiệm

Bằng quá trình thực nghiệm, người ta đã tìm ra một kỹ thuật để đơn giản hóa như

Phương trình trên được tối giản giản bằng cách điều khiển dòng qua Led để mức

DC của Led đỏ bằng với mức DC của led hồng ngoại thì tỉ lệ (R/IR) được rút gọnlại như sau:

2.4 Khảo sát các phương pháp đo trong và ngoài nước

Có rất nhiều phương pháp để đo và xác định nhịp tim khác nhau hiện nay trong vàngoài nước Nhìn chung các phương pháp đo là giống nhau, chỉ khác nhau ở hìnhthức đo và được chia làm ba phương pháp là :thủ công, xâm lấn, không xâm lấn + Phương pháp 1: Phương pháp thủ công

Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay: Sử dụng măt trong của 2 ngón tay áp sát vào mặttrong của cổ tay bên kia - chỗ có những nếp gấp cổ tay (hai tay ngược nhau) Bấmnhẹ vào đó cho đến khi cảm thấy nhịp đập Nếu cần thiết, có thể di chuyển ngón tayxung quanh đó cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập Sau đó dùng đồng hồ để xácđịnh số nhịp tim Hoặc đặt 2 ngón tay vào một bên cổ nơi giao nhau giữa khí quản

và các cơ lớn ở cổ Bấm nhẹ cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập

Hình 2 4 Cách đo thủ công bằng tay

Đo nhịp tim bằng dùng ống nghe: đeo tai nghe và kiểm tra ống nghe, mùa đông cầnxoa làm ấm loa nghe trước khi nghe Đặt ống nghe lên các vị trí nghe tim, mỗi lầnđặt ống nghe 10 -20 giây Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim

Hình 2 5 Đo thủ công bằng ống nghe

Nhận xét: là phương pháp phổ biến ,đơn giản, dễ đo Chi phí khi đo không đáng kể.Kết quả đo có độ chính xác phụ thuộc vào người đo, có sự sai sót do chênh lệch thời

gian đếm của người đo và đồng hồ đếm thời gian Tốn nhiều thời gian, công sức để

đo

+ Phương pháp 2: Phương pháp xâm lấn

Sử dụng các điện cực để đo nhịp tim trong một khoảng thời gian, dòng điện từnguồn sẽ đi qua các điện cực vào cơ thể rồi phản hồi lại các thông tin nhịp tim.Trước khi đo phải cần lưu ý những vấn đề: không ăn uống, không sử dụng các loạiphấn, dầu hay mỹ phẩm vùng ngực Các điện cực sẽ được gắn lên vùng ngực đãđược cồn khử trùng, dùng bằng dán cố định dây và điện cực, dụng cụ sẽ được khởiđộng và đo liên tục từ 24-48 tiếng, dữ liệu sẽ được lưu trữ vào một bộ nhớ

Nhận xét: là phương pháp có độ chính xác cao, được sử dụng nhiều trong các bệnhviện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo được nhiều thông số trong cùng mộtkhoảng thời gian Nhưng có thể gây ra các tác dụng phụ như dị ứng da do tiếp xúcdòng điện cực hay các chất để dán cố định , gây cảm giác khó chịu Vì thiết bị hiệnđại nên sai số trung bình của thiết bị đo là 1% và chi phí trung bình mỗi lần đo là

150 USD

Hình 2 6 Đo bằng điện cực

+ Phương pháp 3: Phương pháp không xâm lấn

Khi tim đập, máu sẽ được dồn đi khắp cơ thể qua động mạch, tạo ra sự thay đổi về

áp suất trên thành động mạch và lượng máu chảy qua động mạch Vì thế ta có thể

đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó Khi lượng máu trong thành độngmạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi mộttia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽbiến thiên đồng bộ với nhịp tim Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu qua động mạchnhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độlớn, ngược lại khi tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khitruyền qua động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.Ánh sáng sau khi truyền qua ngóntay gồm hai thành phần AC và DC

Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương vàtĩnh mạch

Thành phần AC đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi khi lượng máu thay đổitruyền qua động mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ với tần số của nhịp tim

Hình 2 7 Đo bằng quang học

Nhận xét: có độ chính xác cao, đơn giản, dễ sử dụng, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng thoảimái, không gây khó chịu, thời gian đo nhanh Các phương pháp quang học có mộtđánh giá sai số 15%

Ngoài ra còn rất nhiều phương pháp khác để đo nhịp tim như điện tâm đồ,Phonocardiogram (PCG), huyết dạng sóng áp lực và xung mét, những phương pháp

đo cũng được sử dụng nhiều nhưng đều là lâm sàng và nhìn chung là rất tốn kém

2.5 Xây dựng mô hình đề tài

Nhu cầu thực tế , nhu cầu chăm sóc sức khỏe của Việt Nam hiện nay không dừng ở

“An toàn” mà là “Sự thoải mái”

Khi đi khám sức khỏe, đo nhịp tim , đo nồng độ oxy trong máu có rất nhiều bệnhnhân ngại hoặc cảm thấy khó chịu trong việc khám, kiểm tra của bác sỹ khi tiếp xúctrực tiếp với cơ thể, hay dùng những dụng cụ tác động đến cơ thể Mọi người đềumuốn có thể tìm ra nguyên nhân bệnh mà không cần phải ảnh hưởng nhiều đến cơthể, gây cảm giác khó chịu Nên việc sử dụng các dụng cụ đo, kiểm tra có thể đưa rađược những thông số chính xác, hiệu quả mà không ảnh hưởng đến người bệnh làviệc mà người bệnh hay bác sỹ đều mong muốn

Ngày nay thì càng có thêm nhiều dịch bệnh nguy hiểm vẫn xảy ra hàng năm khiếnthế giới phải khiếp sợ và làm tổn hao đội ngũ y bác sỹ

Nhu cầu về chăm sóc sức khỏe ngày càng tăng mà trong khi đó đội ngũ y bác sỹ thì

có hạn

=> Yêu cầu cần có một thiết bị giám sát nhịp tim và nồng độ oxy trong máu con người chính xác mà vẫn tạo cho họ sự thoải mái, giải quyết được sự quá tải cho đội ngũ y bác sỹ hay theo dõi người bị dịch bệnh trongphòng cách ly mà không phải tiếp xúc trực tiếp với người bệnh.

+ Khoảng đo SpO2:

- SpO2 trong khoảng 97- 99%: lượng oxy trong máu bình thường

- SpO2 từ 94 - 96%: lượng oxy trong máu trung bình

- SpO2 từ 90 - 93%: chỉ số oxy trong máu ở mức thấp cần hỗ trợ thở Oxy chobệnh nhân và xin ý kiến chỉ định của bác sĩ chuyên khoa hô hấp hoặc hồi sứccấp cứu.

- SpO2 < 92% không thở oxy, hoặc SpO2 < 95% khi đã trợ thở oxy: triệuchứng suy hô hấp

- SpO2 < 90%: đây là biểu hiện của một ca cấp cứu lâm sàng

+ Khoảng đo nhịp tim:

- Nhịp tim 60-100 nhịp trên phút: nhịp tim bình thường

- Nhịp tim dưới 50 nhịp trên phút: nhịp tim chậm

- Nhịp tim trên 100 nhịp trên phút : nhịp tim nhanh

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN CÁC LINH KIỆN VÀ XÂY DỰNG, THIẾT KỂ

MÔ HÌNH ĐO NHỊP TIM 3.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống

3.2 Chọn các linh kiện và thiết bị trong khối

3.2.1 Khối cảm biến (Cảm Biến MAX30100)

Hình 3 2 Cảm Biến MAX30100

MAX30100 là một giải pháp cảm biến đo nhịp tim và đo nhịp tim tích hợp Nó kếthợp hai đèn LED, bộ tách sóng quang, quang học được tối ưu hóa và xử lý tín hiệutương tự nhiễu thấp để phát hiện tín hiệu oxy hóa nhịp tim và nhịp tim Cảm Biếnnhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30100 hoạt động từ các bộ nguồn 1.8V và 3.3V

và có thể được cấp nguồn thông qua phần mềm với dòng điện chờ không đáng kể,cho phép nguồn điện luôn được kết nối mọi lúc

+ Tính năng, đặc điểm :

 Đèn LED tích hợp

 Nhỏ gọn 5,6mm x 2,8mm x 1,2mm được cải tiến về mặt quang học

 Hoạt động năng lượng thấp, tăng tuổi thọ pin cho các thiết bị đeo được

 Tốc độ mẫu có thể lập trình và dòng điện LED cho tiết kiệm điện

 Dòng tắt máy cực thấp (0,7μA, typ)A, typ)

 Chức năng nâng cao cải thiện hiệu suất đo lường

 SNR cao cung cấp khả năng phục hồi chuyển động mạnh mẽ

 Tích hợp hủy ánh sáng xung quanh

 Khả năng tỷ lệ mẫu cao

 Khả năng xuất dữ liệu nhanh

Đầu ra từ diode quang được gửi đến bộ chuyển đổi ADC, từ đó dữ liệu digital đượcgửi từ bộ lọc tín hiệu đến thanh ghi dữ liệu digital Dữ liệu nhận được từ thanh ghi

và có thể gửi đến vi điều khiển thông qua giao thức I2C

+ Sơ đồ mạch của cảm biến max30100:

Hình 3 4 Sơ đồ mạch của Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy Trong Máu MAX30100

+ Cảm biến có 2 chức năng đặc biệt:

- Cảm biến nhiệt độ (temperature sensor) trên chip để (tùy chọn) hiệu chỉnh sựphụ thuộc nhiệt độ của hệ thống phụ SpO2 Thuật toán SpO2 tương đốikhông nhạy cảm với bước sóng của đèn LED_IR, nhưng khá nhạy cảm vớibước sóng của đèn LED_R và rất quan trọng để điều chỉnh việc giải thích,phân tích dữ liệu

- Và trình điều khiển LED của MAX30100 tích hợp các trình điều khiểnLED_R và LED_IR để điều khiển dòng Các xung LED cho phép đo SpO2

và nhịp tim Đèn LED có thể được lập trình từ 0 mA đến 50mA với điện ápcung cấp thích hợp Độ rộng xung LED có thể được lập trình từ 200 µs đến1,6 ms để tối ưu hóa độ chính xác đo lường và mức tiêu thụ điện năng dựatrên về các trường hợp sử dụng

Hình 3 5 a) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_R vào nhiệt độ b) Đồ thị

mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_IR vào nhiệt độ

+ Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến có một cặp diode phát quang phát ra ánh sáng đỏ đơn sắc có bước sóng660nm và ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 940nm Các bước sóng này đặc biệtđược chọn vì ở bước sóng này, giữa hemoglobin được oxy hóa (Oxygenated Hb) vàkhử oxy (Deoxygenated Hb) có các đặc tính hấp thụ bước sóng rất khác nhau

Như biểu đồ dưới đây, có thể thấy sự khác biệt giữa HbO2 (Oxygenated Hb) và Hb(Deoxygenated Hb) khi hấp thụ các bước sóng này

Hình 3 6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAX30100

+ Phần cảm biến:

Có hai bộ phận cảm biến, một diode phát quang và một bộ thu quang Khi diodequang phát ra ánh sáng, chiếu vào ngón tay Ánh sáng phát ra được hấp thụ bởi máu

có oxy và phần còn lại của ánh sáng phản xạ qua ngón tay và chiếu vào bộ dò quang

mà dữ liệu đầu ra được xử lý và đọc thông qua bộ vi điều khiển

Khi áp chặt mặt cảm biến vào da, nơi có mạch máu chảy (thường là áp vào tai, đầungón tay, để dễ kẹp) Đầu phát sẽ phát ra ánh sáng đi vào trong da Dòng ánh sáng

đó sẽ bị khuếch tán ra xung quanh, và một phần đi tới quang trở gần đầu phát Do bị

ép vào nên lượng máu ở phấn cản biến sẽ thay đổi, cụ thể khi không có áp lực dotim đập, máu sẽ dồn ra xung quanh, lượng ánh sáng từ đầu phát sẽ về đầu thu nhiềuhơn so với tim đập, máu chảy qua nơi có cảm biến áp vào Sự thay đổi là rất nhỏ,nên phần cảm nhận ánh sáng (quang trở) thường có mạch IC để khuếch đại tín hiệuthay đổi này, đưa về các mạch lọc, đếm hoặc các mạch ADC để tính toán ra nhịptim Tín hiệu đầu ra là tín hiệu analog, dao động theo các mạch đập nhịp tim