Báo Cáo Môn Học Đồ Án Thiết Kế 2 Thiết Kế Mạch Đo Nhịp Tim Và Nồng Độ Oxy Trong Máu.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

MÔN HỌC ĐỒ ÁN THIẾT KẾ 2Đề tài: Thiết kế mạch đo nhịp tim và nồng

độ oxy trong máu

Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Việt Dũng Sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 3-2023

LỜI NÓI ĐẦU

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Điện - Điện Tử đã đưamôn học Đồ án thiết kế 2 vào trương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơnsâu sắc đến thầy Vũ Sinh Thượng đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báu choem trong suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học bản thân emvà cả nhóm đã có thêm cho mình nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả vànghiêm túc Đây chắc chắn sẽ là những kiến thức quý báu, là hành trang để em có thểvững bước sau này.

Môn Đồ án thiết kế 2 là môn học bổ ích, đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liềnvới nhu cầu thực tiễn của sinh viên Tuy nhiên, do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế vàkhả năng tiếp thu thực tế còn nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng có lẽbài báo cáo khó tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn chưa chính xác, kínhmong thầy/cô xem xét và góp ý để bài báo cáo của em được hoàn thiện hơn.

1.2 Nghiên cứu, thu thập dữ liệu 6

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Các phương pháp đo chức năng tim mạch 8

2.2 Các thông số và tiêu chuẩn chẩn đoán 9

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 11

3.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy đo nhịp tim & nồng độ trong máu 11

3.2 Xác định yêu cầu 12

3.3 Lên ý tưởng thiết kế 12

3.4 Thiết kế chi tiết 13

3.4.1 Lựa chọn linh kiện 13

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống 1 2 Hình 3-2 Mô tả sơ đồ nguyên lý của mạch 1 3 Hình 3-4 Cáp kết nối 1 4 Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 1 4 Hình 3-6 M odule cảm biến ánh sáng MAX30100 1 5 Hình 3-7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý 1 6 Hình 3-8 NodeMCU ESP8266 17 Hình 3-9 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 1 8

Hình 3-10 Màn hình OLED 19

TÓM TẮT BÀI TẬP LỚN

Các bệnh liên quan đến đường hô hấp ngày càng gia tăng nhưng các thiết bị máymóc, cơ sở hạ tầng, điều kiện kinh tế ảnh hưởng rất nhiều đến việc đến việc theo dõi,khám chữa bệnh của mọi người.

Đề tài này, em hướng đến tính di dộng, đảm bảo kinh tế, dễ dàng sử dụng, có thểphát triển thêm Cụ thể là thiết kế mạch đo chức năng hô hấp từ đó đánh giá sức khỏecủa người sử dụng để mọi người có thể theo dõi tình trạng sức khỏe của bản thân kịpthời chữa trị.

Việc theo dõi tim mạch có thể cung cấp thông tin quan trọng về sức khỏe của conngười, cho phép phát hiện sớm các vấn đề tim mạch và thực hiện các biện pháp phòngngừa hoặc điều trị kịp thời.

Một trong những phương pháp theo dõi tim mạch phổ biến là sử dụng thiết bị đonhịp tim Các thiết bị này thường được đeo trên người hoặc đặt trên tay và ghi lại cácdữ liệu về nhịp tim trong suốt thời gian quan sát Các thông số quan trọng như nhịptim, nhịp tim tối đa, nhịp tim tối thiểu và nhịp tim trung bình có thể được ghi lại vàtheo dõi.

1.2 Nghiên cứu, thu thập dữ liệu

Bệnh tim mạch gồm một nhóm các bệnh lý liên quan đến tim và mạch máu, baogồm bệnh tim đau, nhồi máu cơ tim, đột quỵ, và suy tim Đây là nguyên nhân hàngđầu gây tử vong ở nhiều nước, đặc biệt trong số những người trưởng thành

Tần suất bệnh tim mạch ở Việt Nam đã tăng đáng kể trong thập kỷ qua Theo Báocáo toàn cầu về bệnh tim mạch của Tổ chức Y tế Thế giới, bệnh tim mạch đã trở thànhnguyên nhân hàng đầu gây tử vong ở Việt Nam, chiếm khoảng 30% tổng số ca tửvong Tỉ lệ này cũng tăng nhanh chóng, đặc biệt ở các đô thị lớn và thành thị.

Nhiều nghiên cứu cũng đã xác định một số yếu tố nguy cơ tiềm tàng liên quan đếnbệnh tim mạch ở người Việt Nam Những yếu tố này bao gồm:

- Lối sống không lành mạnh

- Sự gia tăng của số người hút thuốc lá, tiêu thụ rượu và chế độ ăn không lànhmạnh, với nhiều mỡ động vật và đường, đóng góp vào tình trạng béo phì và tăng nguycơ mắc bệnh tim mạch;

7- Bệnh lý liên quan: Tiếp xúc với các yếu tố nguy cơ như huyết áp cao, tiểu đường,tăng lipid máu, và bệnh thận cũng tăng nguy cơ mắc bệnh tim mạch.

- Áp lực công việc và tình trạng căng thẳng: Công việc căng thẳng, stress và áp lựccuộc sống hàng ngày có thể đóng góp vào nguy cơ bị bệnh tim mạch.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Từ những số liệu trên ta thấy việc đo đạc những chỉ số liên quan đến tim mạch, từđó đánh giá sức khỏe, các bệnh liên quan đến tim mạch là cực kì cần thiết

Nhưng để hướng đến tính di động, mỗi cá nhân đều có thể tự kiểm tra đánh giá tìnhtrạng sức khỏe của bản thân, không tốn quá nhiều thời gian, việc di chuyển, chi phí, từđó em quyết định chọn đề tài “Thiết kế mạch đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu”.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Các phương pháp đo chức năng tim mạch

Chức năng tim mạch đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cung cấp máu và oxycho cơ thể Tim là một cơ quan cơ bản trong hệ thống tim mạch, có nhiệm vụ bơmmáu từ lòng tim ra khắp cơ thể thông qua mạng lưới mạch máu Để đánh giá chứcnăng tim mạch, các thiết bị đo và kiểm tra sau đây được sử dụng:

• Đo huyết áp: Đo huyết áp là một phương pháp đánh giá chức năng tim mạchquan trọng Thiết bị đo huyết áp gồm một bộ máy sphygmomanometer (bao gồm bìahuyết áp và ống thủy tinh) và một stethoscope Quá trình đo huyết áp dựa trên việc đoáp lực trong mạch động mạch và mạch tĩnh mạch, giúp xác định áp lực tại thời điểmhướng và thở ra của tim.

• Đo nhịp tim: Đo nhịp tim là một phương pháp khác để đánh giá chức năng timmạch Các thiết bị đo nhịp tim có thể là đồng hồ đeo tay hoặc thiết bị đo điện tử đặttrên ngón tay hoặc tai Chúng sử dụng các cảm biến để đo tần số tim và cung cấpthông tin về nhịp tim của người dùng.

• Máy ECG (Điện tâm đồ): Máy ECG ghi lại hoạt động điện của tim và cung cấp

thông tin về nhịp tim và hoạt động điện của tim Nó sử dụng các điện cực được gắntrên da để ghi lại sóng điện từ tim và tạo ra biểu đồ điện tâm đồ Máy ECG có thể pháthiện các vấn đề như nhịp tim không đều, rối loạn nhịp tim và bất thường điện tim.

• Đo mức độ hô hấp: Mức độ hô hấp cũng liên quan đến chức năng tim mạch.

Máy đo mức độ hô hấp thông thường sử dụng cảm biến ánh sáng để đo mức độ oxytrong máu thông qua việc đo sự thay đổi màu sắc của da, do đó đánh giá mức độ hôhấp và sự cung cấp oxy cho cơ thể.

Các thiết bị đo và kiểm tra trên cung cấp thông tin quan trọng về chức năng timmạch Sự đánh giá chính xác chức năng tim mạch có thể giúp phát hiện các vấn đề sứckhỏe như bệnh tim, nhịp tim không đều và rối loạn tim, từ đó đưa ra phác đồ điều trịphù hợp.

2.2 Các thông số và tiêu chuẩn chẩn đoán• Nhịp tim

Nhịp tim là số lần tim co bóp trong một đơn vị thời gian, thường được đếm trong một phút.Trong trạng thái bình thường, nhịp tim trung bình cho người lớn là khoảng 60-100nhịp/phút Tuy nhiên, nhịp tim có thể biến đổi dựa trên tuổi tác, tình trạng sức khỏe và hoạtđộng vận động Nhịp tim không bình thường, như nhịp tim nhanh (tachycardia) hoặc nhịptim chậm (bradycardia), có thể là dấu hiệu của các vấn đề tim mạch:

Phạm vi nhịp tim bình thường theo độ tuổi và giới tính.

Các giá trị ngưỡng để xác định nhịp tim không đều, nhịp tim nhanh, nhịp tim chậm và các rối loạn nhịp tim khác.

Thông tin về tần suất và tỷ lệ các rối loạn nhịp tim phổ biến như nhồi máu cơ tim, rung tim, mất nhịp, nhịp tim bất thường, vv.

• Huyết áp

Huyết áp là áp lực mà máu đẩy lên tường động mạch khi tim co bóp (huyết áp tâm thu)và khi tim thả lỏng (huyết áp tâm trương) Huyết áp được đo bằng đơn vị mmHg (milimetthủy ngân) Theo tiêu chuẩn chẩn đoán, áp huyết tâm thu bình thường cho người lớn làdưới 120 mmHg và áp huyết tâm trương bình thường là dưới 80 mmHg Một áp huyết caocó thể là dấu hiệu của bệnh tim mạch như tăng huyết áp

Khoảng giá trị huyết áp bình thường: Áp suất tâm thu (huyết áp cao nhất khi tim co bóp)thường nằm trong khoảng 90-120 mmHg và áp suất tâm trương (huyết áp thấp nhất khi timnghỉ) thường nằm trong khoảng 60-80 mmHg.

Phân loại huyết áp: Theo tiêu chuẩn hiện tại, huyết áp được phân loại thành huyết ápbình thường, huyết áp tăng cao (pre-hypertension), huyết áp tâm thu cao (hypertensionstage 1 và stage 2), và huyết áp tâm thu cực cao (hypertensive crisis).

Thống kê về tần suất và tỷ lệ người bị tăng huyết áp trên toàn cầu hoặc theo các nhómtuổi, giới tính.

• Điện tâm đồ (ECG)

Điện tâm đồ là một kỹ thuật ghi lại hoạt động điện của tim Nó đánh giá nhịp tim, nhịp điệncủa tim và xác định các rối loạn nhịp tim Điện tâm đồ cung cấp thông tin về điện tim bằng

cách ghi lại các sóng điện từ các điện cực gắn trên da Bằng cách phân tích các biểu đồ điệntâm đồ, các chuyên gia có thể xác định nếu có bất thường như nhịp tim không đều, nhịp timnhanh/quá chậm, hay các vấn đề khác liên quan đến tim mạch:

Các hình dạng và biểu hiện thông số trong đồ ECG, bao gồm P wave, QRS complex, STsegment, T wave.

Mối liên hệ giữa các biểu hiện trong đồ ECG và các bệnh lý tim mạch như rối loạn nhịptim, đau thắt ngực, tổn thương cơ tim, vv.

Một số thông tin về các chỉ số đo lường và đánh giá từ ECG như tốc độ nhịp tim, khoảngR-R, thời gian và điện thế của các pha trong chu kỳ tim.

• Xét nghiệm máu

Xét nghiệm máu có thể cung cấp thông tin quan trọng về chức năng tim mạch Các chỉ sốcần xem xét bao gồm mức đường huyết (glucose), cholesterol (bao gồm cả LDL và HDLcholesterol), triglycerides và các chỉ số vi khuẩn tim như troponin:

Số lượng và tỷ lệ các tế bào máu: Đo lượng hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu để đánh giáchất lượng và tỷ lệ tế bào trong mẫu máu.

Giá trị bình thường của tế bào máu: Đưa ra giá trị tham khảo cho số lượng và tỷ lệ hồngcầu, bạch cầu và tiểu cầu ở người trưởng thành.

Hồng cầu: Đo lượng hồng cầu tổng hợp và kiểm tra chỉ số liên quan như hồng cầu trungbình (mean corpuscular volume - MCV), nồng độ hồng cầu trung bình (mean corpuscularhemoglobin concentration - MCHC), và hồng cầu tiểu cầu (red blood cell distributionwidth - RDW)

Bạch cầu: Đo lượng bạch cầu tổng hợp và xác định số lượng và tỷ lệ các loại bạch cầunhư bạch cầu trung tính, bạch cầu bạch cầu, bạch cầu tiểu cầu, bạch cầu eo, và bạch cầubạch cầu

Chỉ số huyết tương: Bao gồm đường huyết, cholesterol (tổng, HDL, LDL), triglyceridevà các chỉ số huyết tương khác để đánh giá rủi ro tim mạch và sức khỏe tổng thể.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

3.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy đo nhịp tim & nồng độ trong máu• Máy đo nhịp tim:

Máy đo nhịp tim thường sử dụng nguyên lý đo nhịp tim không xâm lấn Mộtphương pháp phổ biến được sử dụng là đo nhịp tim bằng cảm biến ánh sáng Nguyênlý hoạt động của cảm biến ánh sáng dựa trên sự thay đổi trong lượng máu lưu thôngqua các mạch máu như mạch đập.

Khi tim hoạt động, máu được bơm đi qua các mạch máu trong cơ thể Trong quátrình này, lượng máu trong các mạch máu sẽ thay đổi theo chu kỳ nhịp tim Cảm biếnánh sáng được đặt lên da, thường ở ngón tay hoặc cổ tay, để theo dõi sự thay đổi ánhsáng được phản xạ từ da khi máu lưu thông qua.

• Cảm biến nồng độ oxy ánh sáng:

Cảm biến nồng độ oxy ánh sáng, thường được gọi là cảm biến SpO2 (Saturation ofPeripheral Oxygen), dùng để đo nồng độ oxy trong máu Nguyên lý hoạt động của cảmbiến này dựa trên sự thay đổi ánh sáng khi đi qua mạch máu

Cảm biến ánh sáng gửi tia sáng thông qua da và nhận lại tia sáng được phản xạ từdưới da Khi lượng máu trong các mạch máu thay đổi, ánh sáng phản xạ từ da cũng sẽthay đổi theo Cảm biến ánh sáng sẽ phân tích sự thay đổi ánh sáng này và dựa trên đótính toán được nhịp tim của người sử dụng.

Cảm biến SpO2 sử dụng hai nguồn ánh sáng khác nhau, thường là ánh sáng đỏ vàánh sáng hồng ngoại Cả hai nguồn ánh sáng được gửi qua da, thông qua mạch máu.Ánh sáng được phản xạ lại từ dưới da và được cảm biến SpO2 thu lại.

Sự thay đổi nồng độ oxy trong máu ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ ánh sáng đỏ vàánh sáng hồng ngoại Cảm biến SpO2 đo lượng ánh sáng được hấp thụ và tính toánnồng độ oxy trong máu dựa trên sự khác biệt giữa ánh sáng gửi đi và ánh sáng thu lại.

Thông qua các thuật toán và quy trình xử lý tín hiệu, máy đo nhịp tim và cảm biếnSpO2 tính toán và hiển thị kết quả tương ứng trên màn hình để người dùng có thể theodõi nhịp tim và nồng độ oxy của mình.

3.2 Xác định yêu cầuYêu cầu chức năng

- Đo thông số: Đo được nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.- Hiển thị kết quả đo được trên màn hình LCD.

3.3 Lên ý tưởng thiết kế

Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống

- Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho toàn mạch hoạt động- Khối cảm biến: thu thập các thông số (nhịp tim, sp) và đưa đến khối Điều khiển- Khối điều khiển: nhận các dữ liệu đo được từ khối Cảm biến thực hiện xử lý, tính

toán để ra được giá trị của thông số cần đo.- Khối hiển thị: hiển thị các thông số đo được.

3.4 Thiết kế chi tiết

3.4.1 Lựa chọn linh kiện

Bảng 3-1 Trình bày các linh kiện được chọn để sử dụng trong mạch của hệthống

3.5 Thiết kế chi tiết

3.5.2 Khối cảm biến

Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

Hình 3-5 là sơ đồ nguyên lý module cảm biến ánh sáng MAX30100

Hình 3-6 module cảm biến ánh sáng MAX30100

• Module MAX30100 tích hợp một đèn LED và một bộ phát hiện ánh sáng ĐènLED phát ánh sáng qua da và bộ phát hiện ánh sáng thu lại ánh sáng đã phản xạ.Dựa vào sự thay đổi trong ánh sáng thu lại, module MAX30100 có thể đo đượcnhịp tim và nồng độ oxy.

• Các tính năng của module cảm biến ánh sáng MAX30100 bao gồm:

• Đo nhịp tim: Module MAX30100 có khả năng đo tần số nhịp tim của ngườidùng thông qua việc theo dõi sự thay đổi ánh sáng được phản xạ từ mạch máutrong cơ thể.

• Đo nồng độ oxy: Ngoài việc đo nhịp tim, MAX30100 cũng có khả năng đonồng độ oxy trong máu Nồng độ oxy được tính toán dựa trên sự khác biệt giữaánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại được phản xạ lại từ mạch máu.

• Giao tiếp dễ dàng: Module MAX30100 sử dụng giao tiếp I2C để kết nối với viđiều khiển hoặc bo mạch Arduino và truyền dữ liệu đo đạc về các thiết bị điềukhiển khác.

• Module cảm biến ánh sáng MAX30100 thường được ứng dụng trong các thiếtbị y tế, như thiết bị đo nhịp tim và nồng độ oxy, thiết bị giám sát sức khỏe cánhân, thiết bị y tế di động và các ứng dụng IoT liên quan đến y tế và sức khỏe.

Thông số kỹ thuật:

Đo được nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu.

3.5.3 Khối xử lý trung tâm

Hình 3-7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý

Hình 3-8 là sơ đồ mạch nguyên lý của khối xử lý NodeMCU ESP8266, với thiết kếdễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lậptrình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266trở nên rất đơn giản.

Hình 3-8 NodeMCU ESP8266

Thông số kỹ thuật của NodeMCU ESP8266:

Tương thích các chuẩn wifi : 802.11 b/g/nHỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-APTích hợp TCP/IP protocol stack

Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching networkTích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power management units+25.dBm output power in 802.11b mode

Power down leakage current of <10uA

Integrated low power 32-bit CPU could be used as application processorSDIO 1.1/2.0, SPI, UART

3.5.4 Khối hiển thị

Hình 3-9 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

Hình 3-10 mô tả sơ đồ mạch nguyên lý khối hiển thị Sau khi khối xử lý nhận dữliệu từ khối cảm biến và thực hiện các tính toán, xử lý để ra được các thông số, dữ liệunày sẽ được truyền sang khối hiển thị cho phép người dùng theo dõi, quan sát cácthông số này.

Trong bài tập lớn này, ta sử dụng màn hình OLED (Hình 3-11) để hiển thị dữ liệuđo được OLED gồm những lớp như tấm nền, Anode, lớp hữu cơ, cathode Và phát raánh sáng theo cách tương tự như đèn LED Quá trình trên được gọi là phát lân quangđiện tử Những ưu điểm có thể kể đến trên màn hình OLED là những lớp hữu cơ nhựamỏng, nhẹ mềm dẻo hơn những lớp tinh thể trên LED hay LCD nhờ vậy mà có thểứng dụng OLED để chế tạo màn hình gập cuộn được Độ sáng của OLED cũng tốt hơnLED và không cần đèn nền như trên LCD nên sử dụng pin ít hơn Góc nhìn cũng càithiện hơn những công nghệ tiền nhiệm, khoảng 170 độ.