Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim

Tổng quan tình hình nghiên cứu Thiết bị giám sát nhịp tim là thiết bị có kích thước nhỏ, gọn, có tính thẫm mỹ được gắn trên bệnh nhân hoặc người cao tuổi, đo tín hiệu nhịp tim của người

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT NHỊP TIM”

Dân số ngày càng gia tăng Số lượng người cao tuổi và bệnh nhân ngày càng nhiều trong khi đó số lượng y bác sĩ theo dõi và chăm sóc người bệnh và người cao tuổi không theo kịp đà tăng đó Do đó, quá trình chăm sóc và theo dõi bệnh nhân không đảm bảo Nhiều trường hợp người bệnh và người cao tuổi lẽ ra có thể qua khỏi nếu như biết được các triệu chứng và chữa trị kịp thời, ví dụ như huyết áp tăng cao, nhịp tim thay đổi bất thường Nhưng họ lại tử vong vì không được giám sát liên tục, các y bác sĩ không nhận biết được ngay các biến chứng lúc đó ở người bệnh và có biện pháp cứu chữa kịp thời Đề tài nghiên cứu một hệ thống có khả năng giám sát nhịp tim bệnh nhân, người cao tuổi thường xuyên và liên tục để phát hiện ngay những biến chứng nếu có của người bệnh

1.1.2 Đề tài dạng thực nghiệm Ứng dụng công nghệ trong quá trình theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân và người cao tuổi vẫn đang phát triển Tuy vậy, các thiết bị theo dõi tình trạng sức khỏe vẫn chỉ mới dừng lại ở các thiết bị đo và hiển thị Ví dụ như máy đo huyết áp, máy điện tâm đồ Các thiết bị này cần có y bác sĩ theo dõi thường xuyên Các thiết bị không có chức năng nhận dạng biến chứng và mức độ nguy hiểm tình trạng người bệnh Các thiết bị cũng không có chức năng báo động cho người thân, người chăm sóc, các y bác sĩ biết tình trạng của người bệnh Đề tài sẽ tập trung vào thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim và được kiểm nghiệm thực tế trên bệnh nhân Từ cơ sở các số liệu thực tế, đánh giá thiết bị và đưa ra hướng nghiên cứu, hoàn thiện sản phẩm phục vụ rộng rãi trong đời sống

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI GVHD: Võ Tường Quân

1.1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Thiết bị giám sát nhịp tim là thiết bị có kích thước nhỏ, gọn, có tính thẫm mỹ được gắn trên bệnh nhân hoặc người cao tuổi, đo tín hiệu nhịp tim của người đeo Chức năng chính của thiết bị là đo và tự đánh giá tình trạng sức khỏe của bệnh nhân liên tục Nếu thiết bị nhận dạng được tình trạng bất thường, hoặc nguy hiểm của bệnh nhân, thiết bị sẽ gửi tin báo động tới các y bác sĩ, người chăm sóc Thiết bị truyền tín hiệu bằng phương pháp không dây tới người giám sát để thiết bị được gọn như một món trang sức và người đeo thiết bị thoải mái, sinh hoạt độc lập bình thường a Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, trong nước ta, việc kiểm tra nhịp tim chủ yếu vẫn được thực hiện bởi con người, do các y bác sĩ, người chăm sóc thực hiện:

+ Phương pháp kiểm tra định kỳ:

Hình 1.1 Thăm khám định kỳ cho bệnh nhân và người cao tuổi [1]

Các bệnh nhân và người cao tuổi ở bệnh viện hay ở nhà sẽ được các y bác sĩ, người chăm sóc thăm khám để lấy số liệu và xác định tình trạng của người bệnh, người cao tuổi theo một chu kỳ nhất định Chu kỳ thăm khám phụ thuộc vào sức khỏe của người bệnh, người bệnh thường hay bị biến chứng thì chu kỳ thăm khám sẽ ngắn lại Đặc điểm của phương pháp này tiết kiệm sức lực của y bác sĩ, người chăm sóc khi bệnh nhân và người cao tuổi có sức khỏe tương đối tốt, tình trạng cơ thể không thay đổi nhiều Giá thành của phương pháp này rẻ nhưng người bệnh không được theo

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI GVHD: Võ Tường Quân dõi liên tục nên xác xuất gặp nguy hiểm của người bệnh khi có bất thường xảy ra sẽ rất cao

+ Phương pháp theo dõi liên tục, xác định tình trạng bởi con người:

Hình 1.2 Đo điện tâm đồ cho bệnh nhân [2]

Trong phương pháp này, bệnh nhân và người cao tuổi được được các y bác sĩ gắn thiết bị đo trên cơ thể liên tục (thường là máy đo điện tâm đồ) Các thiết bị này có kích thước lớn và được đặt ở một vị trí cố định, người cần đo phải nằm hoặc ngồi ở vị trí cố định Thiết bị đo và hiển thị lên màn hình các số liệu về tim liên tục Người bệnh có thể tự quan sát tình trạng của bản thân, nhưng để xác định chính xác tình trạng của cơ thể vẫn phải cần dựa vào y bác sĩ, người chăm sóc có chuyên môn

Phương pháp này được sử dụng ở những người mà tình trạng sức khỏe có nhiều biến chứng, phương pháp này tốt hơn phương pháp kiểm tra định kỳ vì người bệnh được theo dõi các chỉ số sinh học liên tục Tuy vậy phương pháp này cần người bệnh còn ý thức, biết đọc các chỉ số sinh học hoặc các y bác sĩ, người chăm sóc có chuyên môn theo dõi liên tục Giá thành của phương pháp này đắt hơn phương pháp kiểm tra định kỳ vì thiết bị được dùng là thiết bị đo chuyên dụng, chính xác Thiết bị đắt và ít nên không sử dụng rộng rãi mà chỉ dùng cho các bệnh nhân bị biến chứng

Hình 1.3 Đo điện tim cho bệnh nhân [3]

+ Phương pháp giám sát sử dụng camera:

Phương pháp này cũng dựa trên phương pháp theo dõi liên tục và xác định tình trạng bởi con người Phương pháp này thêm vào camera để quan sát bệnh nhân và người cao tuổi, quan sát số liệu đo để xác định tình trạng của người bệnh ở một nơi khác phòng người bệnh đang ở Đặc điểm của phương pháp này là bệnh nhân và người cao tuổi được theo dõi sát, được y bác sĩ và người chăm sóc có chuyên môn xác định tình trạng cơ thể liên tục nhiều hơn so với hai phương pháp trên Đảm bảo hơn cho sức khỏe người bệnh và tạo sự thoải mái cho người bệnh khi không bị các y bác sĩ hoặc người chăm sóc làm phiền Giá thành phương pháp này đắt hơn so với phương pháp theo dõi liên tục, xác định tình trạng bởi con người do cần trang bị thêm camera b Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nơi chú trọng đến hướng nghiên cứu này, tuy vậy phần lớn nghiên cứu tập trung vàocác loại cảm biến nhỏ gọn gắn trên bệnh nhân và người cao tuổi hơn là nghiên cứu hệ thống giám sát bệnh nhân và người cao tuổi:

Theo báo cáo của ABI Research thì số lượng cảm biến không dây dùng để đo các tín hiệu sinh học của người cần giám sát ngày càng tăng và sẽ hơn 400 triệu trước năm

2014 Và số lượng cảm biến này được dùng trong 3 lĩnh vực lớn là dụng cụ thể dục, theo dõi sức khỏe tại nhà và chăm sóc sức khỏe từ xa

Hình 1.4 Cảm biến trên bệnh nhân và truyền thông với hệ thống [4]

Sự phát triển của cảm biến và truyền thông mạng không dây đã được nhiều công ty và trường đại học nghiên cứu kết hợp để đưa ra những cảm biến có khả năng truyền tín hiệu bằng phương pháp không dây ứng dụng trong y tế Những cảm biến có khả năng tương tác với nhau trong mạng cảm biến (Body Area Sensor Networks – BANs)

Hình 1.5 Cảm biến tích hợp MCU nhiều chức năng [4]

Các cảm biến đo tín hiệu sinh học này được dùng trong hệ thống giám sát bệnh nhân và người cao tuổi Gần đây, diễn đàn Freescale Technology trình bày các cảm biến ứng dụng trong giám sát người cao tuổi như theo dõi hoạt động của cơ thể, di chuyển của người già, dự đoán nguy cơ có thể ngã Bên cạnh đó, Freescale cũng công bố cảm biến áp suất hoạt động ở cường độ 8.5 micro ampe với tần số 1Hz khoảng đo là 20

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI GVHD: Võ Tường Quân đến 110kPa, và cảm biến có thể đo nhiệt độ, có thể ứng dụng trong giám sát người cao tuổi

Hình 1.6 Hệ thống giám sát bệnh nhân và người cao tuổi [4]

Nhìn chung, hướng nghiên cứu ứng dụng các cảm biến trong hệ thống giám sát bệnh nhân và người cao tuổi còn khá mới trên thế giới Chỉ một số trường đại học và công ty mới nghiên cứu hướng này, hệ thống giám sát sẽ cảnh báo và đảm bảo quá trình chăm sóc tốt hơn cho bệnh nhân và người cao tuổi.

Mục tiêu đề tài và phạm vi nghiên cứu

a Nghiên cứu sử dụng nguồn nhịp của con người, các cảm biến, thiết bị đo nhịp tim, nhịp mạch, các phương pháp truyền nhận dữ liệu

- Tìm hiểu các cảm biến đo nhịp tim, nhịp mạch có kích thước nhỏ như SpO2, ECG, thu phát LED hồng ngoại…

- Tìm hiểu nguyên lý, cách sử dụng các cảm biến và những điều kiện có khả năng gây nhiễu lên từng loại cảm biến

- So sánh và lựa chọn phương pháp đo nhịp tim, nhịp mạch, điện tim

- Nghiên cứu hệ thống khuếch đại tín hiệu nhịp mạch hoặc nhịp tim hoặc điện tim để có được tín hiệu phù hợp trong việc nhận dạng và xử lý tín hiệu

- Nghiên cứu hệ thống truyền nhận dữ liệu giữa module B và điện thoại di động hoặc một thiết bị Wifi hoặc 3G khác để trang bị cho thân nhân của người bệnh b Nghiên cứu hệ thống cung cấp năng lượng cho thiết bị, đặc biệt là module A của thiết bị Nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng với điều kiện cung cấp nguồn cho module A trong khoảng thời gian tương đối dài (từ 4 đến 8 tiếng hoặc có thể hơn)

Vì module B là phần cố định, được đặt bên ngoài nên có thể sử dụng nguồn điện nhà để cung cấp nguồn cho module này c Phân tích và xử lý tín hiệu nhịp tim, nhịp mạch từ cảm biến

- Phân tích các tín hiệu nhận được từ cảm biến, xem xét các đại lượng tần số nhịp, cường độ nhịp đập

- Xử lý các tín hiệu đo được từ cơ thể, xác định các mức tín hiệu tương ứng với tình trạng của bệnh nhân và người cao tuổi Đặc biệt chú ý tới mức tín hiệu ứng với tình trạng nguy hiểm của người bệnh

- Khảo sát tín hiệu nhịp tim: tần số nhịp, thời gian giữa các nhịp, độ rộng của mỗi nhịp, xem xét nhiễu tín hiệu để lựa chọn bộ lọc thích hợp Sử dụng phương pháp thu thập số lượng lớn tín hiệu từ thực tế để làm mẫu cho quá trình khảo sát d Tiến hành làm thực nghiệm

- Tiến hành đeo thiết bị trên tay người thực tế và để thiết bị nhận dạng, có thể tạo một tình trạng nguy hiểm giả thực tế để thiết bị nhận dạng

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu và thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim, nhịp mạch của bệnh nhân và người cao tuổi

Thiết kế mạch điều khiển kết nối cảm biến và các module thu phát không dây Tiến hành thực nghiệm đo trên cơ thể người So sánh kết quả với các loại máy đo thông dụng hiện nay.

NHỊP TIM

Nhịp tim bình thường

Đối tim bình thường không có nghĩa là một khoảng nhịp tim cố định dành cho tất cả mọi người, nhịp tim bình thường đối với từng nhóm người khác nhau Ví dụ như nhịp tim bình thường khác nhau theo độ tuổi, trẻ sơ sinh có nhịp tim bình thường nhanh hơn so với người trưởng thành, hoặc với người hay vận động, nhịp tim bình thường sẽ cao hơn so với nhịp tim người ít vận động, v.v…

2.2.1 Nhịp tim bình thường theo độ tuổi

CHƯƠNG II NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân

Bảng 2.1 Nhịp tim bình thường theo độ tuổi [8]

Bảng 2.1 là bảng số liệu về nhịp tim của người bình thường dựa theo độ tuổi Có thể thấy trẻ sơ sinh, trẻ em có nhịp tim bình thường cao hơn rất nhiều so với nhịp tim bình thường của người trưởng thành Bảng số liệu này được cung cấp bởi bác sĩ của trường Đại học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh Với độ tin cậy cao, ta có thể dùng số liệu của bảng này để cài đặt cho thiết bị giám sát nhịp tim

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim

- Giới tính: nữ thường có nhịp tim nhanh hơn nam từ 7 đến 8 nhịp/ phút - Chất kích thích (rượu, bia, thuốc lá, cà phê, chè) cũng gây ra sự thay đổi về tần số mạch tức thời cũng như về lâu dài đối với một người

- Thân nhiệt tăng 10 o C thì nhịp tim tăng lên10 nhịp Trong cơn đau, nhịp mạch của một người thường tăng lên so với lúc bình thường

- Một số thuốc ảnh hưởng đến mạch khá rõ ràng (các thuốc kích thích giao cảm làm tần số mạch tăng, các thuốc an thần, giảm đau làm tần số mạch giảm)

- Nhiệt độ môi trường, tiếng ồn, sự ô nhiễm cũng có thể tác động đến tần số mạch của người bệnh

- Xúc động mạnh, sợ hãi, tức giận có thể làm mạch giảm đi trong vài giây rồi chuyển sang trạng thái đập rất nhanh và mạnh

CHƯƠNG II NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân

- Thông thường mạch của một người thường chậm hơn vào buổi đêm (có thể xuống đến 40nhịp/phút), và nhanh hơn vào ban ngày

Kết luận: thông tin các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim được cung cấp từ bác sĩ trong ngành của trường Đại học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh Với các thông tin này, khi ta cài đặt cho thiết bị giám sát nhịp tim, ta cũng cần chú ý để cài đặt cho chính xác, tránh việc thiết bị báo sai đối với bệnh nhân cần theo dõi

- Mạch nhanh: khi tần số > 100 lần/ phút - Mạch chậm: khi tần số < 60 lần/ phút - Mạch so le: mạch lúc mạnh lúc yếu - Mạch nghịch: mất mạch ở thì hít vào, thường gặp ở người có tràn dịch màng tim - Mạch cứng: khó bắt, thường gặp người bệnh xơ vữa động mạch

- Mạch yếu như sợi chỉ: mạch mờ nhạt, khó bắt, gặp ở người bệnh trong giai đoạn sốc (sốc giảm thể tích, sốc nhiễm trùng…)

Kết luận: ta có thể sử dụng thông tin mạch nhanh, mạch chậm để cài đặt cho thiết bị giám sát nhịp tim Thiết bị sẽ có khả năng phát hiện và cảnh báo khi nhịp tim nhanh hay chậm bất thường Còn các yếu tố còn lại về bất thường, bác sĩ, hoặc người chăm sóc có thể theo dõi đồ thị nhịp tim được vẽ trên máy tính để chẩn đoán tình trạng bệnh nhân.

CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHỊP TIM

Cảm biến đo nhịp tim

Trong cơ thể người, tim là bộ phận như máy bơm, co bóp liên tục để tuần hoàn máu đi khắp cơ thể Nhịp tim là tần số co bóp của tim, biết được nhịp tim ta có thể chẩn đoán được tình hình sức khỏe

Có nhiều loại cảm biến đo nhịp tim, các cảm biến thường thấy là đo gián tiếp qua nhịp mạch, không đo trực tiếp từ dao động co bóp của tim Nhịp mạch là dao động của các mạch vận chuyển máu từ tim đi đến các cơ quan và trở về tim

3.1.2 Các phương pháp đo nhịp tim a Ống nghe nhịp tim (stethoscope) Ống nghe nhịp tim là loại cảm biến đơn giản và được dùng từ sớm nhất để đo nhịp tim người bệnh Nguyên lý làm việc của ống nghe là thu trực tiếp dao động âm do nhịp tim co bóp gây ra để xác định nhịp tim Ống nghe nhịp cơ bản nhất chỉ có chức năng khuếch đại âm thu được đưa đến tai bác sĩ Hiện nay, trường đại học Melbourne đã phát triển một loại ống nghe số có tên StethoCloud Nguyên lý hoạt động của loại ống nghe này cũng giống loại ống nghe cơ bản, thêm vào đó là mạch chuyển đổi dao động âm thành tín hiệu điện [11] Thiết bị này được phát triển kết nối sử dụng với điện thoại thông minh

Yêu cầu khi sử dụng cảm biến: cần nguồn điện, cảm biến áp sát vào thành ngực tại vị trí gần tim

Hình 3.1 Ống nghe nhịp tim điện tử [11]

CHƯƠNG III CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân b Cảm biến đo điện tim (ECG) Đo điện tim là quá trình đo trực tiếp dòng điện trong tim phát ra do hoạt động co bóp của tim Điện áp này rất nhỏ, tính bằng milivolt, có thể dò thấy nhờ các điện cực

Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim:

Trong điều kiện bình thường, tại màng tế bào, nồng độ ion sẽ có nồng độ như sau:

Hình 3.2 Nồng độ ion tại màng tế bào [12]

Do chênh lệch nồng độ điện của các ion trong tế bào mà khi không hoạt động, tế bào cơ tim ở trạng thái phân cực và điện thế trên màng tế bào là khoảng -90mV Khi tế bào hoạt động, các ion vận chuyển qua màng tế bào làm thay đổi điện thế trên màng tế bào

Sự dịch chuyển của các ion trong tế bào tim thể hiện gồm trạng thái bình thường, khử cực và tái cực

CHƯƠNG III CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân

Hình 3.3 Các quá trình điện học của tim [13]

Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích), điện thế mặt ngoài màng tế bào sẽ trở thành âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong: người ta gọi đó là hiện tượng khử cực (despolarisation)

Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực dương): người ta gọi đó là hiện tượng tái cực (repolaisation)

Hình 3.4 Các quá trình hình thành tín hiệu điện tim [14]

Tim hoạt động được nhờ xung động truyền qua hệ thần kinh, tại mỗi nơi xung động đi tới, các cơ tim được kích thích và sinh ra quá trình khử cực và tái khử cực làm cho các điện thế trên màng tế bào thay đổi Các quá trình được mô tả trong chuỗi hình 3.4

Tương ứng với mỗi trạng thái của tim tạo nên các đoạn thể hiện điện áp trên điện tâm đồ

Xét tới một nhịp tim được vẽ trên điện tâm đồ được mô tả ở bảng sau: Đặc điểm Mô tả Độ rộng Đoạn RR Là khoảng thời gian giữa 2 sóng R liên tiếp 0.6-1.2s

Sóng P Trong quá trình khử cực tâm nhĩ, các vector điện truyền theo chiều từ tâm nhĩ phải về tâm nhĩ trái 80ms Đoạn PR Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu sóng P đến lúc bắt đầu phức bộ QRS 120-200ms

Quá trình khử cực nhanh của tâm thất trái và tâm thất phải 80-120ms Đoạn ST Khoảng thời gian kết thúc phức bộ QRS đến bắt đầu sóng T 80-120ms

Bảng 3.1 Mô tả đặc điểm sóng điện tim [6]

Yêu cầu khi sử dụng cảm biến phương pháp ECG: cần dán các điện cực vào cơ thể

Số điện cực tối thiểu là ba điện cực để có thể đo được điện tim Cần nguồn điện nuôi để đọc được kết quả điện tim c Cảm biến phương pháp SpO2: Đo nhịp tim bằng phương pháp SpO2 là phương pháp đo gián tiếp bằng LED thu phát hồng ngoại Phương pháp này có hai cách là đâm xuyên và phản xạ Dựa vào đặc điểm hấp thụ hoặc phản xạ khác nhau của máu giàu oxi và máu nghèo oxi

Khi tim co bóp vận chuyển máu đi nuôi cơ thể, máu từ tim theo động mạch đi ra là máu giàu oxi, có màu đỏ tươi tới các cơ quan Khi vận chuyển qua các cơ quan, máu trở nên nghèo oxi và có màu đỏ thẫm, máu đỏ thẫm sẽ theo tĩnh mạch trở lại về tim

Phương pháp SpO2 này thường được đo tại đầu ngón tay

+ Phương pháp phản xạ: Là phương pháp sử dụng 2 LED thu phát hồng ngoại ở cùng một phía của ngón tay Khi máu vận chuyển qua đầu ngón tay, do độ phản xạ của máu giàu oxi và máu nghèo oxi khác nhau nên cường độ sáng thu được từ LED phát ra thay đổi khi có nhịp tại vị trí đo

Hình 3.5 Đo bằng phương pháp phản xạ [15] Đặc điểm của phương pháp phản xạ là cảm biến gồm LED thu phát là một khối, vị trí tương đối giữa hai linh kiện là cố định do đó sẽ không xảy ra tình trạng nhiễu do rung động làm lệch, thay đổi vị trí hai linh kiện này Tuy nhiên vì là một khối nên cảm biến sẽ lớn ở một bên của đầu ngón tay, gây cộm khó chịu cho tay người và khó đóng gói

+ Phương pháp hấp thụ: cũng là phương pháp sử dụng 2 LED thu phát hồng ngoại nhưng được bố trí đối xứng ở hai đầu một ngón tay Khi máu vận chuyển qua đầu ngón tay, do sự hấp thụ một phần ánh sáng từ LED hồng ngoại phát ra là khác nhau đối với máu giàu oxi và máu nghèo oxi do đó tín hiệu mà LED thu được cũng thay đổi khi có nhịp ở đầu ngón tay Đặc điểm của phương pháp hấp thụ là cảm biến gồm LED thu phát là hai phần riêng biệt, có thể được đóng gói để vị trí tương đối của hai linh kiện không thay đổi Nếu đóng gói cứng thì vị trí tương đối hai linh kiện cố định chắc chắn, nhưng chỉ thích hợp với kích cỡ tay một số người tương ứng Nếu đóng gói mềm thì ngược lại, vị trí tương đối của hai linh kiện có thể thay đổi, hai linh kiện có thể lệch không nằm đối xứng dẫn đến nhiễu từ cảm biến đo

Hình 3.6 Đo bằng phương pháp hấp thụ [16]

So sánh và lựa chọn cảm biến nhịp tim

a Yêu cầu thiết bị: kích thước nhỏ gọn, ít dây dẫn, khả năng di động cao Thiết bị phải luôn được gắn ở vị trí sẵn sàng đo liên tục Cảm biến ảnh hưởng đến sinh hoạt bình thường của người bệnh càng ít được ưu tiên sử dụng b Với ống nghe nhịp tim điện tử: Khi đo nhịp tim người bệnh, cảm biến phải được được người dùng đặt lên vị trí ngực, áp sát vào tim để thu được dao động âm

Hình 3.7 Cách đặt cảm biến ống nghe nhịp tim điện tử [17]

CHƯƠNG III CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân Ống nghe nhịp tim điện tử không đáp ứng tốt yêu cầu vị trí cảm biến luôn được đặt theo sát và đo liên tục người bệnh do đó không chọn phương án sử dụng cảm biến ống nghe nhịp tim điện tử c Cảm biến đo nhịp tim ECG: cảm biến ECG để đo được nhịp tim cần phải được gắn lên cơ thể ở ít nhất 3 vị trí Số điện cực ít nhất là 3 vì vậy số dây dẫn từ điện cực về thiết bị đo di động cũng là 3

Hình 3.8 Cách đặt cảm biến đo nhịp tim ECG [17]

Cảm biến đo nhịp tim ECG không đáp ứng tốt yêu cầu gọn gàng, ít dây dẫn Mặc khác, thiết kế bộ đọc cảm biến đo nhịp tim ECG khá phức tạp và không tránh khỏi bộ đọc tín hiệu cảm biến về có kích thước to, khả năng di động không cao Do đó, trong trường hợp này, chúng ta loại bỏ sử dụng cảm biến ECG trong thiết bị giám sát nhịp tim d Cảm biến đo theo phương pháp SpO2:

Hình 3.9 Cách đặt cảm biến đo theo phương pháp SpO2 [18]

Cảm biến đo theo phương pháp SpO2 sử dụng linh kiện đơn giản nên khối cảm biến đầu thu khá gọn gàng, hai linh kiện đưa về 4 dây dẫn nhỏ có thể bó lại làm 1 đường dây dẫn lớn Cảm biến chụp trên đầu ngón tay người ít gây khó chịu cũng như cản trở những sinh hoạt bình thường của người bệnh

Cảm biến đo theo phương pháp SpO2 đáp ứng tốt yêu cầu gọn gàng, ít dây dẫn, nguyên lý đơn giản nên đầu thu thiết kế gọn gàng hơn đối với cảm biến ECG Nếu người bệnh bị phong thấp, chụp cảm biến lên đầu ngón tay làm ra mồ hôi, ẩm ở đầu cảm biến gây khó chịu, thì đầu thu cảm biến có thể thiết kế linh hoạt giống như một chiếc nhẫn đeo vào tay người bệnh Cảm biến linh hoạt trong việc đặt đầu thu ở vị trí đầu ngón tay hoặc giữa ngón tay hoặc ở lòng bàn tay gần cổ tay

Tóm lại, cảm biến đo theo phương pháp SpO2 là phù hợp nhất cho thiết bị giám sát nhịp tim Chúng ta chọn lựa cảm biến đo theo phương pháp SpO2 cho thiết bị giám sát nhịp tim trong đề tài này

3.2.2 Theo nhiễu cảm biến a Ống nghe nhịp tim điện tử:

* Nhiễu từ các nguồn bên ngoài cơ thể:

- Ống nghe nhịp tim điện tử đo tín hiệu là dao động âm, dao động cơ học, cho nên nguồn nhiễu gây ra là do các dao động âm từ các nguồn khác ngoài tim tạo ra

Nhiễu dao động âm từ môi trường ngoài như tiếng nói, âm nhạc, tiếng ồn bên ngoài…

- Để loại bỏ nguồn nhiễu, thiết bị phải hoạt động ở môi trường ít tiếng ồn hoặc cảm biến đeo cho người bệnh cần được che chắn, cách âm đối với môi trường bên ngoài Việc loại bỏ nhiễu này làm thiết bị thêm cồng kềnh hoặc người sử dụng sẽ không thoải mái trong sinh hoạt như nói chuyện hoặc nghe nhạc

* Nhiễu từ chính người bệnh:

- Khi người bệnh có hoạt động ăn uống, hoặc nói chuyện thì nguồn tạp âm tạo ra do dây thanh quản rung động hoặc thực quản va đập với thức ăn, thức uống làm nhiễu tín hiệu cảm biến

- Để loại bỏ nguồn nhiễu, thiết bị sẽ không hoạt động trong thời gian người bệnh ăn uống hoặc nói chuyện, điều này là không phù hợp với thiết bị giám sát nhịp tim với yêu cầu đo liên tục

Vấn đề xử lý nhiễu từ ống nghe nhịp tim không phù hợp với thiết bị do đó không chọn ông nghe nhịp tim điện tử làm cảm biến cho thiết bị giám sát nhịp tim b Cảm biến đo nhịp tim ECG:

* Nhiễu từ các nguồn bên ngoài cơ thể:

- Nhiễu do các nguồn tĩnh điện:

+ Bệnh nhân hoạt động như một mặt phẳng của tụ điện Khi một vật thể được nạp điện được mang lại gần một vật không nạp điện thì vật không mang điện có điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên

+ Ví dụ, nếu một cơ thể không tiếp đất đặt gần một dây cáp mà được kết nối với mạng lưới, thì điện tích bề mặt của điện áp cân bằng và đối ngược tăng lên mặc dù không có dòng chạy giữa 2 cơ thể

- Nhiễu do kích thích điện từ:

Nhiễu xảy ra ở gần các dây mang dòng điện xoay chiều và hậu quả của nhiễu tần số 50Hz Nhiễu tần số 50Hz là một sự sai lệch về điện thế liên quan tới mặt đất mà được hiểu là bất kì vật nào gần với dây mang dòng xoay chiều, vật đó mang điện áp không phải của đất hoặc của đường dây mà là điện áp ở một vài nơi giữa chúng Do sự phát sinh của từ trường sinh ra bởi dòng điện thì tất cả các vật dẫn mang dòng điện được bao quanh bởi trường điện từ

Sự truyền sóng radio nhờ cực điện nhiệt bị kích hoạt trong không khí như một anten phát radio trong khi đạo trình ECG bệnh nhân hoạt động như một dây anten thu

Giải pháp để giảm bớt nhiễu:

+ Sử dụng bộ phân tích vi sai để khuếch đại tín hiệu nhỏ

+ Các mạch điện có phủ đồng hoặc nhôm để giảm thiểu sự kích thích điện từ

+ Bao quanh mỗi điện cực có tấm chắn phủ đồng tối thiểu hóa sự cảm ứng tĩnh điện Giữ các điện cực càng ngắn càng tốt

Kết luận lựa chọn cảm biến đo nhịp tim

Từ hai tiêu chí lựa chọn cảm biến đo nhịp tim cho thiết bị giám sát nhịp tim là tiêu chí yêu cầu về tính di động, nhỏ gọn, thẫm mỹ của sản phẩm và tiêu chí tín hiệu bị nhiễu, cần xử lý nhiễu tốt, chúng ta chọn loại cảm biến đo theo phương pháp SpO2

Cảm biến đo theo phương pháp SpO2 có hai loại là phản xạ và hấp thụ (hoặc xuyên qua), chúng ta chọn loại cảm biến phản xạ để đảm bảo vị trí tương đối 2 LED thu phát hồng ngoại cố định, giảm tình trạng gây nhiễu ghi người bệnh có những rung động làm thay đổi vị trí 2 LED thu phát Đầu dò cảm biến có thành phần chính là sử dụng linh kiện TCRT1000

Cảm biến TCRT1000 bao gồm 2 LED thu phát hồng ngoại được đóng gói trong 1 kiện có kích thước nhỏ 7x4x2.5 mm.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Thiết bị giám sát nhịp tim

Thiết bị giám sát nhịp tim có chức năng chính là đo nhịp tim của người bệnh liên tục trong quá trình sinh hoạt của người bệnh Thiết bị do vậy phải nhỏ gọn và có tính di động cao Thiết bị sau khi đo được nhịp tim người bệnh còn có khả năng xác định tình trạng người bệnh, nếu người bệnh có nhịp tim bất thường thì gửi tin nhắn SMS cho bác sĩ, người chăm sóc kịp thời, đồng thời kích hoạt chuông đèn báo động cho những người xung quanh bệnh nhân biết tình trạng nguy hiểm

Dựa vào chức năng của thiết bị mà chúng ta chia làm hai module để chia công việc xử lý, và đảm bảo năng lượng cho thiết bị có khả năng đo liên tục cho người bệnh

4.1.2 Sơ đồ khối thiết bị giám sát nhịp tim

Thiết kế module A

Module A là module di động, bao gồm đầu dò cảm biến đo nhịp tim và bộ thu xử lý tín hiệu từ đầu dò đưa về Bộ thu có chức năng lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu thu được từ cảm biến Sau đó chuyển toàn bộ tín hiệu nhịp tim đã được lọc nhiễu về module B thông qua sóng RF

Do module A di động cùng người bệnh nên bài toán năng lượng tại module A được đặt ra là thiết bị có khả năng đo liên tục cho bệnh nhân ít nhất là 8 tiếng đồng hồ trong một ngày Bài toán năng lượng cho module A sẽ được đề cập ở cuối phần thiết kế module A trong chương này

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG GVHD: Võ Tường Quân

4.2.2 Sơ đồ khối của module A

Hình 4.2 Sơ đồ khối module A 4.2.3 Sơ đồ mạch a Sơ đồ kết nối cảm biến truyền nhận tín hiệu Cảm biến TCRT1000 có 4 chân đầu ra Ta kết nối hai chân ground của LED phát và thu hồng ngoại với nhau tại đầu dò để tiết kiệm số lượng dây dẫn từ đầu dò kéo về bộ thu

Tại bộ thu mạch sử dụng một transistor C1815 để kích hoạt LED phát tại đầu dò, điều khiển transistor là đường tín hiệu Enable được kết nối với vi điều khiển để điều kích hoạt cảm biến hoạt động Tín hiệu từ đường sensor sẽ được tiếp tục đưa qua mạch lọc nhiễu và khuếch đại

Hình 4.3 Sơ đồ kết nối cảm biến sensor

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG GVHD: Võ Tường Quân b Sơ đồ mạch lọc nhiễu và khuếch đại

Hình 4.4 Sơ đồ mạch lọc và khuếch đại tầng 1

Tín hiệu thô ra từ cảm biến có giá trị nhỏ và nhiễu sẽ được đưa vào bộ lọc thông cao đầu tiên để tách tín hiệu khỏi thành phần điện áp một chiều sinh ra trong cảm biến

Yêu cầu đặt ra là tần số cắt của mạch này rất nhỏ, chỉ có tác dụng để chặn dòng DC

Vì tần số tin hiệu nhịp tim là nhỏ, để không bị mất tín hiệu nhịp tim thì mạch lọc thông cao phải có tần số cắt thấp Trong đa số các ứng dụng trong y tế, dải tần số quan tâm đối với tín hiệu nhịp tim là từ 0,7Hz trở lên Do vậy ta thiết kế bộ lọc thông cao có thể đo được tần số: Tần số cắt:

Chọn điện trở cú giỏ trị RGK và tụ điện cú điện dung C = 4,7à Ta tính được giá trị f c ≈ 0.7 Hz

Hàm truyền của mạch lọc thông cao:

( ) = = (4.2) Biểu đồ Bode được thể hiện như sau:

Hình 4.5 Biểu đồ Bode mạch lọc thông cao, tần số cắt 0,7Hz

Từ biểu đồ Bode ta có thể thấy tín hiệu có tần số nhỏ hơn 1 bị loại bỏ, mạch lọc thông cao thiết kế như vậy có thể đáp ứng được yêu cầu

Tín hiệu sau khi qua mạch lọc thông cao, tiếp tục được cho qua mạch lọc thông thấp, kết hợp với khuếch đại tuyến tính Mạch lọc thông thấp giúp loại bỏ thành phần nhiễu tần số cao trên khoảng 2,34Hz Trong nhiễu tần số cao đó phần lớn là do nhiễu từ mạng điện lưới có tần số 50Hz Ta chọn tần số cắt lớn hơn 2.34Hz vì nhịp tim người thông thường không vượt quá 140 nhịp/ phút Bên cạnh mạch lọc thông thấp còn có mạch khuếch đại lên 101 lần để tăng biên độ tín hiệu lên

Từ sơ đồ mạch thông thấp và khuếch đại, sử dụng các định luật Kirchoff cho mạch điện, biến đổi Laplace ta có hàm truyền mạch lọc thông thấp và khuếch đại như dưới đây

Hàm truyền mạch lọc thông thấp và khuếch đại:

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG GVHD: Võ Tường Quân Biểu đồ Bode được thể hiện như sau:

Hình 4.6 Biểu đồ Bode mạch lọc thông thấp và khuếch đại

Từ biểu đồ Bode ta thấy, những tín hiệu lớn hơn 4 sẽ bị loại bỏ, không được khuếch đại Mạch lọc thông thấp và khuếch đại thiết kế như vậy đạt yêu cầu

Tín hiệu stage 1 sau khi qua mạch lọc thông thấp và khuếch đại lại được đưa qua thêm một tầng lọc và khuếch đại tương tự như vậy nữa để hệ số khuếch đại tín hiệu là 10201

Hình 4.7 Sơ đồ mạch lọc và khuếch đại tầng 2

Biến trở RV1 5K trước mạch lọc thông cao của tầng lọc khuếch đại 2 được dùng để tinh chỉnh giá trị khuếch đại trong khoảng 10201 Nếu hệ số khuếch đại tổng hợp nhỏ thì tín hiệu ra nhỏ, không nhận biết được tín hiệu, nếu hệ số khuếch đại tổng hợp quá lớn thì tín hiệu ra quá lớn, vượt ngưỡng tín hiệu mà vi điều khiển nhận biết được

Tín hiệu stage 2 trước khi qua tầng đệm có thể sử dụng để báo hiệu nhịp tim, đồng bộ nhịp tim theo nhịp chớp tắt của một LED hiển thị Sau khi qua hai tầng khuếch đại, tín hiệu được đưa vào tầng đệm không đảo để có tín hiệu nhịp tim gần với tín hiệu xung theo chuẩn TTL để có thể đưa vào vi điều khiển Tín hiệu signal sẽ được đưa vào vi điều khiển để xử lý và tính toán số nhịp tim trên phút

Hình 4.8 Sơ đồ mạch tầng đệm

Tín hiệu signal là tín hiệu analog được đưa vào vi điều khiển ở chân AN0 để chuyển đổi sang tín hiệu số, sử dụng bộ ADC của vi điều khiển Vi điều khiển sử dụng ở đây là PIC 16F887 loại chân dán, có kích thước nhỏ Mạch sử dụng chip dán là để thu nhỏ kích thước của mạch theo yêu cầu của thiết bị giám sát nhịp tim

Vi điều khiển sử dụng tần số 20MHz, bộ chuyển đổi ADC 8 bit dùng chuyển đổi tín hiệu signal thành tín hiệu số để truyền sang module B Nguồn nuôi vi điều khiển là pin Lipo có điện áp 7.4V nên mạch nguồn sử dụng IC 7805 để chuyển đổi sang 5V phù hợp với điện áp hoạt động của vi điều khiển

Hình 4.9 Sơ đồ mạch nguồn

Thiết kế module B

Module B là module cố định có nhiệm vụ nhận tín hiệu nhịp tim gửi từ module A

Module B có chức năng sau khi nhận được tín hiệu nhịp tim sẽ xử lý tín hiệu, đưa ra được giá trị nhịp tim trên một phút, so sánh giá trị nhịp tim với nhịp tim của người bình thường Nếu giá trị nhịp sai khác, trường hợp bất thường thì phát lệnh cảnh báo cho module SIM908 gửi tin nhắn SMS tới người chăm sóc, đồng thời kích hoạt chuông và đèn báo cho người xung quanh

4.3.2 Sơ đồ khối của module B

Hình 4.13 Sơ đồ khối module B

4.3.3 Sơ đồ mạch a Sơ đồ mạch xử lý trung tâm Mạch trung tâm sử dụng vi điều khiển 18F23k22 để xử lý dữ liệu Vi điều khiển 18F23k22 có hai cổng UART dùng để giao tiếp với computer và giao tiếp với SIM908 Mặc khác, trong module B này, chúng ta chọn dòng vi điều khiển 18F vì giá thành ở mức trung bình, đủ chức năng và khả năng xử lý được công việc của module B Nguồn dao động cho vi điều khiển là thạch anh 20MHz Nguồn sử dụng là 5V Vi điều khiển sử dụng toàn bộ Port A để điều khiển hiển thị LCD1602, sử dụng chân RC0 và RC1 để điều khiển chuông đèn báo, cặp chân RC6 và RC7 được dùng cho truyền nhận UART giao tiếp với SIM908, cặp chân PGC và PGD được dùng cho truyền nhận UART thứ hai dùng để hiển thị nhịp tim ra máy tính Toàn bộ Port B được dùng để giao tiếp SPI với module nRF24L01 truyền nhận dữ liệu với module A

Hình 4.14 Sơ đồ mạch trung tâm module B b Sơ đồ mạch nguồn Do vi điều khiển sử dụng nguồn 5V và chip nRF24L01 sử dụng nguồn 3.3V nên chúng ta thiết kế mạch nguồn tạo hai điện áp là 5V sử dụng IC 7805 và điện áp 3.3V sử dụng IC LM1117 3.3V

RB0/AN12/INT0 RB1/AN10/INT1 RB2/AN8/INT2 RB3/AN9/CCP2 RB4/AN11/KBI0 RB5/KBI1/PGM RB6/KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD MCLR*/VPP/RE3

RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/Vref -/CVref RA3/AN3/Vref + RA4/T0CKI/C1OUT RA5/AN4/SS*/LVDIN/C2OUT

RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1/P1A RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK

Hình 4.15 Sơ đồ mạch nguồn c Giao tiếp SIM908, máy tính

Hình 4.16 Sơ đồ Header giao tiếp với SIM908, LCD1602, máy tính, nRF24L01 Để vi điều khiển giao tiếp được với SIM 908, và máy tính, LCD 1602 ta cần kết nối chân vi điều khiển với SIM 908, máy tính, LCD 1602 Thuận tiện cho việc lắp ráp, ta không hàn chết thiết bị ngay trên board mà sẽ đưa ra các header để nối các dây bus tới các thiết bị Đặt biệt khi một thành phần nào bị hư hỏng, ta có thể thay thế nhanh thành phần đó mà không ảnh hưởng tới các thành phần còn lại d Sơ đồ mạch module nRF24L01 Module truyền nhận nRF24L01 sử dụng ở module B cũng không khác ở module A

Hai module nRF24L01 này giống hệt nhau, hai module này có khả năng truyền nhận với nhau khi chúng được thiết lập cùng một địa chỉ bằng phần mềm khi giao tiếp với vi điều khiển Chức năng truyền nhận của module cũng như frame truyền được cài đặt thông qua phần mềm

Hình 4.17 Sơ đồ mạch module truyền nhận nRF24L01 e Sơ đồ mạch module SIM908 Trong thiết bị giám sát nhịp tim này, nhịp tim của người sẽ được theo dõi liên tục khi có dấu hiệu bất thường sẽ ngay lặp tức đưa ra cảnh báo đến người chăm sóc thông qua khối truyền phát dữ liệu GSM.Vì vậy, khối truyền phát dữ liệu GSM đóng vai trò rất quan trọng Chúng ta chọn sử dụng module SIM908 để làm khối truyền phát dữ liệu GSM

SIM908 module là một Module Quad-Band GSM / GPRS hoàn chỉnh kết hợp công nghệ GPS để dẫn đường vệ tinh Thiết kế nhỏ gọn tích hợp GPRS và GPS trong một sẽ tiết kiệmđáng kểthờigian và chi phí cho khách hàng để phát triển các ứng dụng.Sơ đồ mạch thiết kế được trình bày ở hình dưới đây

SIM908 có 2 port dữ liệu nối tiếp: 1 cho module GSM, 1 cho module GPS Port nối tiếp sử dụng cho module GSM kết nối đến chân 12, 14 và 10 trên connector.Port nối tiếp sử dụng cho module GPS gồm GPS TXD và GPS RXD kết nối đến chân 4 và 5 trên connector Trên thực tế port nối tiếp của GSM cho phép quản lý toàn bộ module SIM908,vì vậy nó có thể cấu hình và giao tiếp nhận dữ liệu GPS và gửi đến vi điều khiển

Hình 4.18 Sơ đồ mạch module SIM908 [21]

Module SIM908 tích hợp 2 connector anten cho bộ GSM và bộ GPS.Anten cho bộ GSM có thể được kết nối trực tiếp trên connector riêng của SIM908 hoặc connector RF ngoài trên board.Anten cho bộ GPS thì cũng được kết nối trực tiếp trên connector riêng của SIM908 hoặc connector RF ngoài trên board

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG GVHD: Võ Tường Quân Đặc điểm kỹ thuật của module Sim908:

• Tương thích với GSM pha 2/2 +

• Điều khiển thông qua lệnh AT COMMAND)

• Ứng dụng bộ công cụ SIM

• Cung cấp phạm vi điện áp: GPRS: 3,2 ~ 4,8 V ; GPS: 3,0 ~ 4.5V

• Tiêu thụ điện năng thấp

• Kích thước: 46mm x 46mm Nhiệt độ hoạt động: -40 ° C đến +85 ° C f Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính

Hình 4.19 Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính

Giao tiếp máy tính giữa vi điều khiển thông qua cổng UART Mức điện áp logic của vi điều khiển là 0 và 5V nhưng mức logic điện áp của máy tính là -3V đến -25V và +3V đến +25V Do vậy ta phải dùng IC chuyển đổi hai mức điện áp này Trong mạch giao tiếp máy tính này, chúng ta không sử dụng MAX232 để chuyển đổi điện áp mà sử dụng FT232L để chuyển đổi cổng USB sang cổng COM đồng thời chuyển đổi cổng COM ảo này có mức điện áp logic phù hợp với vi điều khiển Mạch đơn giản và dễ sử dụng vì hiện nay phần lớn máy tính không còn cổng COM, thay vào đó ta sử dụng trực tiếp cổng USB sẵn có từ máy tính

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG GVHD: Võ Tường Quân g Sơ đồ mạch chuông đèn báo Chuông và đèn báo được dùng để cảnh báo cho người xung quanh bệnh nhân khi bệnh nhân gặp nguy hiểm Chuông và đèn báo sử dụng dòng lớn nên không thể kích trực tiếp từ vi điều khiển tới chuông đèn báo mà ta sẽ sử dụng một mạch kích rờ le để đóng ngắt mạch chuông đèn báo

Hình 4.20 Sơ đồ mạch chuông đèn báo

Mạch chuông đèn báo ở đây sử dụng một opto cách ly quang để cách ly mạch vi điều khiển và mạch chuông đèn báo Khi vi điều khiển kích opto hoạt động, opto sẽ kích transistor C1815, transistor C1815 dẫn cho dòng chạy qua cuộn dây rờ le, rờ le chuyển trạng thái và đóng nguồn cho chuông đèn báo

Nguồn sử dụng cho module B không cần thiết là nguồn di động, vì vậy, nguồn có thể sử dụng trực tiếp từ điện lưới nhà được hạ áp và chỉnh lưu sang điện áp 9-12V trước khi được đấu vào module B Có thể sử dụng adaptor chuyển đổi sang DC12V 1A phổ biến trên thị trường

XỬ LÝ TÍN HIỆU

Tín hiệu tại module A

5.1.1 Sơ đồ giải thuật module A

Hình 5.1 Sơ đồ giải thuật chương trình module A

CHƯƠNG V XỬ LÝ TÍN HIỆU GVHD: Võ Tường Quân

- Khi module A được cho hoạt động, chương trình sẽ khởi tạo giao tiếp SPI để truyền dữ liệu sang cho module nRF24L01 Chương trình cũng khởi tạo bộ Analog to Digital Converter (ADC) cấu hình Timer0

- Chương trình cấu hình sử dụng Timer0 đếm sao cho đủ 20ms thì bắt đầu chuyển đổi điện áp nhịp tim sang dạng dữ liệu số một lần Ở đây là tương ứng với một lần lấy mẫu điện áp

- Dữ liệu được gán cho mảng Tx là mảng sẽ truyền tới module B qua nRF24L01

Mảng Tx sẽ lấy đủ 25 mẫu giá trị điện áp của nhịp tim Khi lấy đủ 25 mẫu, mảng Tx sẽ được đẩy sang nRF24L01 để truyền sang module B

- Có thể thấy rằng với mỗi lần module A gửi dữ liệu sang cho module B là 20ms x 25 mẫu = 500ms Tương ứng mỗi lần gửi dữ liệu là 0.5 giây

Số mẫu gửi qua này để vẽ đồ thị nhịp tim và đếm số nhịp tim trong một phút Để đếm số nhịp tim trong một phút, ta có thể đếm số nhịp trong một khoảng thời gian là bội số của giây rồi suy ra số nhịp tim trong một phút Ta muốn cài đặt thời gian mỗi lần gửi dữ liệu là bội số của giây, khi đó số mẫu phải là bội số của 50 mẫu, nhưng bộ nhớ vi điều khiển tại module A không đủ lưu một lần 50 mẫu, đồng thời module RF mỗi lần truyền tối đa 32byte một frame truyền Do đó, ta chọn 25 mẫu, tức là mỗi 0.5 giây truyền một lần, ta có thể truyền số chẵn lần để được số mẫu là trong khoảng thời gian là bội số của

Tín hiệu vi điều khiển nhận được là giá trị điện áp đã được khuếch đại, có tần số dao động đồng bộ với tần số nhịp tim của người bệnh Để hiểu được tín hiệu này, vi điều khiển sử dụng bộ chuyển đổi Analog Digital Converter (ADC) để chuyển đổi sang giá trị số Đồng thời, sau khi chuyển đổi, dữ liệu số này được đẩy sang module RF và gửi tới module B

5.1.2 Thực nghiệm kiểm tra module A

- Để đảm bảo rằng dữ liệu truyền từ module A sang module B chính xác là dữ liệu điện dao động của nhịp tim trước khi được module A đẩy sang nRF24L01, ta sử dụng osciiloscope để đo dao động này

- Thiết bị Oscilloscope được sử dụng dùng để đo trong đề tài này là Gwinstek GDS- 1102A-U, có tần số đo được đến 100MHz Thiết bị có khả năng sao lưu dạng sóng, phát hiện tần số của số, sao lưu hình ảnh của kết quả đo vào USB

- Ta tiến hành đo tín hiệu nhịp tim của một người bình thường, dùng máy hiện sóng đo điện áp nhịp tim tại ngay đầu ra của cảm biến Kết quả đo được thể hiện ở hình dưới như sau:

Hình 5.3 Tín hiệu đo tại cảm biến trên Oscilloscope

- Trên osciiloscope, ta nhận thấy tín hiệu điện áp của nhịp tim dao động trong khoảng 40mV, khoảng điện áp nhịp tim dao động quá nhỏ so với điện áp hiện tại của tín hiệu hơn 2V Vì vậy, ta cho tín hiệu này qua mạch lọc thông cao để loại bỏ dòng DC gây ra, đồng thời qua mạch lọc thông thấp và khuếch đại tín hiệu như mô tả trong chương 3, ta tiến hành đo tín hiệu stage 1 sau khi qua một tầng lọc nhiễu và khuếch đại này

Hình 5.4 Tín hiệu stage 1 đo trên Oscilloscope

- Tín hiệu stage 1 được đo bằng oscilloscope, ta nhận thấy tín hiệu đã giảm bớt nhiễu khá nhiều, khoảng dao động của tín hiệu nhịp tim có mức điện áp là 400mV Tín hiệu đã được thu được đã được tách khỏi thành phần điện DC vì vậy mức điện áp thấp nhất của tín hiệu đã được kéo tới vị trí 0V Tín hiệu thu được có dạng thu được gần giống với tín hiệu lý thuyết

- Dạng sóng Pleth được viết tắt Plethysmography có nghĩa là biểu đồ đo thể tích Nó thể hiện sự thay đổi thể tích trong một cơ quan hay trong toàn bộ cơ thể.Mỗi chu kỳ trên dạng sóng này ứng với một nhịp đập của tim Đường đi lên ứng với quá trình tâm thu, máu từ động mạch chủ được bơm đến ngón tay Đường đi xuống ứng với quá trình tâm trương Trên đường đi xuống có một gai nhỏ, gai này được tạo ra do máu từ động

CHƯƠNG V XỬ LÝ TÍN HIỆU GVHD: Võ Tường Quân mạch chủ khi được bơm đến các phần dưới cơ thể tạo sẽ áp lực lên trên và truyền đến ngón tay

Hình 5.5 Dạng sóng Pleth tín hiệu nhịp tim thu được [23]

- Độ cao của sóng cho biết dung lượng máu lưu thông trong động mạch, chiều dài bước sóng cho biết nhịp tim Các dạng sóng Pleth không bình thường sẽ cho bác sỹ một số thông tin về tình trạng của bệnh nhân.So sánh tín hiệu thu được và tín hiệu trên lý thuyết, ta thấy có sự tương quan gần giống nhau, có sự phân biệt hai trạng thái tâm thu (systolic) và tâm trương (diastolic) Tín hiệu stage 1 xem như đạt yêu cầu có thể sử dụng

- Ta tiếp tục đo tín hiệu stage 2 sau khi qua 2 tầng lọc và khuếch đại, thu được đồ thị trên oscilloscope như trên hình 5.6

- Tín hiệu sau khi qua 2 tầng lọc và khuếch đại, tín hiệu nhịp tim đã rõ ràng không còn nhiễu so với tín hiệu stage 1, mặc khác, tín hiệu có giá trị dao động từ 0 đến 5V Điều đó có nghĩa là tín hiệu đã được khuếch đại tối đa nên tín hiệu nhận được đã bị cắt đi phần ngọn Tín hiệu lúc nà chỉ còn là dạng xung hình thang không còn dạng tín hiệu Pleth như stage 1

Hình 5.6 Tín hiệu stage 2 đo trên oscilloscope

Kết luận về tín hiệu thu được tại module A:

+ Tín hiệu tại đầu cảm biến nhiễu nhiều bởi thành phần DC và thành phần AC (50Hz), tín hiệu dao động nhỏ

+ Tín hiệu stage 1 sau khi qua lọc thông cao, lọc thông thấp kết hợp khuếch đại đã cắt thành phần nhiễu DC, AC và có được dạng sóng Pleth của nhịp tim Tín hiệu dao động vẫn còn nhỏ Thích hợp đưa về máy tính để vẽ đồ thị nhịp tim

+ Tín hiệu stage 2 sau khi qua thêm một lọc thông cao, lọc thông thấp kết hợp khuếch đại đã tạo được tín hiệu xung hình thang dao động cùng tần số với tần số nhịp tim Thích hợp dùng để đếm và đưa ra kết quả số nhịp tim trên phút

Tín hiệu tại module B

Tại module B, nhiệm vụ quan trọng nhất là đếm và đưa ra kết quả nhịp tim trên phút chính xác để có thể dùng so sánh với tín hiệu nhịp tim người bình thường và chẩn đoán tình trạng bệnh nhân

Hình 5.7 Sơ đồ giải thuật chương trình cho module B

5.2.2 Thực nghiệm kiểm tra module B

Ta tiến hành đo thử nghiệm đếm số nhịp tim/phút khi chỉ sử dụng một tín hiệu stage 2 và khi sử dụng cả 2 tín hiệu stage 1 và stage 2 cho quá trình đếm

1 74 75 Đo trên cùng một người, cùng một thời điểm bằng hai thiết bị, máy đo huyết áp OMRON đeo trên cánh tay trái giữ yên, thiết bị giám sát nhịp tim đo trên ngón tay trỏ tay phải giữ yên

11 65 74 Đo trên cùng một người, cùng một thời điểm bằng hai thiết bị, máy đo huyết áp OMRON đeo trên cánh tay trái giữ yên, thiết bị giám sát nhịp tim đo trên ngón tay trỏ tay phải rung nhẹ

Bảng 5.1 Số liệu đo nhịp tim khi chỉ sử dụng tín hiệu stage 2

Bảng 5.1 cho ta kết quả đo nhịp tim/phút khi chỉ sử dụng tín hiệu stage 2 để đếm

Từ bảng số liệu đo nhịp tim khi chỉ sử dụng một tín hiệu stage 2 ta dùng chương trình microsoft excel để vẽ đồ thị

Hình 5.8 Đồ thị đếm nhịp tim/phút khi chỉ sử dụng tín hiệu stage 2

Ta thấy rằng khi chỉ sử dụng tín hiệu stage 2 để đếm nhịp tim, kết quả đếm được tương đối giống với kết quả của thiết bị đo chuẩn OMRON khi tay để giữ yên (kết quả từ lần 1 đến lần 10), nhưng kết quả đếm được khi tay gắn thiết bị giám sát nhịp tim rung nhẹ bị sai số tương đối lớn so với thiết bị đo chuẩn OMRON (kết quả từ lần 11 đến lần

Kết quả đo nhịp tim khi sử dụng tín hiệu stage 1 và stage 2 để đếm nhịp tim:

1 86 86 Đo trên cùng một người, cùng một thời điểm bằng hai thiết bị, máy đo huyết áp OMRON đeo trên cánh tay trái giữ yên, thiết bị giám sát nhịp tim đo trên ngón tay trỏ tay phải giữ yên

Thiết bị giám sát nhịp timOMRON

11 80 83 Đo trên cùng một người, cùng một thời điểm bằng hai thiết bị, máy đo huyết áp OMRON đeo trên cánh tay trái giữ yên, thiết bị giám sát nhịp tim đo trên ngón tay trỏ tay phải rung nhẹ

Bảng 5.2 Số liệu đo nhịp tim khi sử dụng tín hiệu stage 1 và stage 2

Từ bảng số liệu đo nhịp tim khi chỉ sử dụng một tín hiệu stage 2 ta dùng chương trình microsoft excel để vẽ đồ thị

Hình 5.9 Đồ thị đếm nhịp tim/phút khi sử dụng tín hiệu stage 1 và stage 2

Ta thấy rằng khi sử dụng tín hiệu stage 1 và stage 2 để đếm nhịp tim, kết quả đếm được cũng tương đối giống với kết quả của thiết bị đo chuẩn OMRON khi tay để giữ yên (kết quả từ lần 1 đến lần 10), nhưng kết quả đếm được khi tay gắn thiết bị giám sát nhịp tim rung nhẹ cũng bị sai số so với thiết bị đo chuẩn OMRON (kết quả từ lần 11 đến lần 20) Ta thấy cách đếm này, sai số nhỏ hơn so với cách đếm chỉ dùng 1 tín hiệu

Thiết bị giám sát nhịp timOMRON

Vậy ta sẽ áp dụng cách đếm nhịp tim/phút dựa trên cả 2 tín hiệu stage 1 và stage 2 để kết quả đếm được khi tay rung nhẹ vẫn có thể sử dụng được

Sau khi kết quả nhịp tim/phút theo như yêu cầu, ta sẽ so sánh với số liệu nhịp tim của người bình thường, từ đó cho biết tình trạng bệnh nhân và có những lệnh cảnh báo tác động tới module GSM và module chuông đèn báo khi cần thiết

Hình 5.10 Sơ đồ giải thuật chương trình CẢNH BÁO

Sơ đồ giải thuật cho chương trình cảnh báo đơn giản, chỉ là so sánh xem nhịp tim đo được có nằm trong giới hạn của nhịp tim bình thường hay không, nếu không nằm trong khoảng giới hạn, vi điều khiển sẽ gửi tin nhắn SMS tới SIM908 và kích hoạt chuông

CHƯƠNG V XỬ LÝ TÍN HIỆU GVHD: Võ Tường Quân đèn báo hoạt động Còn nếu nhịp tim nằm trong khoảng giới hạn thì bộ đếm thời gian sẽ so sánh xem đã đủ một chu kỳ để gửi một tin nhắn SMS thông báo tình trạng bệnh nhân cho người chăm sóc hay không Nếu đúng thì gửi một tin nhắn SMS thông báo tình trạng bình thường của bệnh nhân, sau đó tắt chuông báo, đèn báo Nếu sai thì chuyển sang tắt chuông báo, đèn báo

Gửi tin nhắn SMS tới SIM908 thực chất là gửi chuỗi kí tự lệnh AT Command cho SIM908 qua giao tiếp UART Các lệnh giao tiếp SIM908 cơ bản được thực hiện bao gồm các lệnh sau:

AT + CMGF=1; // lệnh cấu hình chuyển sang định dạng kiểu text AT+ CMGS=”xxxxxxxxxx”;//lệnh gửi tin nhắn cho người thân hoặc bác sỹ

> Viết nội dung tin nhắn Ctrl Z

Trong đó “xxxxxxxxxx” là số điện thoại của người nhận tin nhắn

Kích hoạt chuông báo, đèn báo là việc vi điều khiển kích tín hiệu mức cao lên chân nối với mạch công suất chuông đèn báo, ngược lại tắt chuông đèn báo là kích mức tín hiệu mức thấp lên chân nối với mạch công suất chuông đèn báo Có thể thấy việc chân được chốt ở một mức tín hiệu nào đó nếu chương trình quay trở lại vẫn kích mức tín hiệu đó thì chuông và đèn báo không thay đổi trạng thái hoạt động Tóm lại, việc kích liên tục một mức tín hiệu không làm thay đổi trạng thái hoạt động của chuông và đèn báo.

THỰC NGHIỆM

Thi công và kiểm tra mạch

Sau khi tiến hành tính toán, lựa chọn các thiết bị, linh kiện, ta tiến hành thi công và kiểm tra các mạch

6.1.1 Thi công mạch Module A a Mạch xử lý tín hiệu cảm biến

Hình 6.1 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến

Mạch xử lý tín hiệu cảm biến được thiết kế có kích thước 85x55x17 mm Trên hình 6.1, module nRF24L01 được gắn vào mạch xử lý tín hiệu module A b Mạch module nRF24L01

CHƯƠNG VI THỰC NGHIỆM GVHD: Võ Tường Quân

Mạch nRF24L01 có kích thước 26x12x10 mm, khối lượng 10 gam Được đưa ra 8 chân header để gắn vào mạch xử lý tín hiệu module A Thiết kế tháo gắn này để dễ thay thế khi xảy ra sự cố với mạch nRF24L01 c Hình ảnh module A

Hình 6.3 Mạch module A được đặt vào vỏ hộp

Mạch module A được lắp vào hộp nhựa gọn gàng, hộp có kích thước 95x70x.25mm

Vỏ hộp kỹ thuật có 4 nút để bắt vít chặt, kín toàn bộ thiết bị

6.1.2 Thi công mạch Module B a Mạch trung tâm module B

Hình 6.4 Mạch trung tâm module B

Mạch trung tâm module B có kích thước 95x60x25mm Trên hình 6.4, mạch nRF24L01 cũng được gắn sẵn trên mạch trung tâm module B để truyền nhận dữ liệu từ module A

CHƯƠNG VI THỰC NGHIỆM GVHD: Võ Tường Quân b Mạch SIM 908

Module SIM 908 có kích thước 75x50x15mm SIM 908 có 2 chốt anten dùng cho mạng GSM và anten GPS c Mạch giao tiếp máy tính

Hình 6.6 Mạch giao tiếp máy tính

Mạch giao tiếp máy tiếp giả lập cổng COM ảo bằng cổng USB có kích thước 35x20x10, giao tiếp với mạch trung tâm module B qua 4 chân header được đưa ra ngoài

CHƯƠNG VI THỰC NGHIỆM GVHD: Võ Tường Quân d Module B được lắp vào vỏ hộp

Hình 6.7 Mạch module B được cho vào vỏ hộp

Mạch toàn bộ module B được lắp vào vỏ hộp kỹ thuật, LCD1602 hiển thị được lắp vào nắp có tạo cửa sổ để người dùng có thể xem thông tin e Sản phẩm gồm 2 module A và module B

Hình 6.8 Thiết bị giám sát nhịp tim

Sản phẩm sau khi hoàn thành gồm module A, module B có anten GSM được kết nối, màn hình hiển thị và chuông báo.

Kết quả đo

Sau khi hoàn thành thi công mạch, lắp ráp các mạch chức năng lại với nhau, và viết chương trình, ta tiến hành cho thiết bị lấy kết quả, số liệu đo trên các tình nguyện viên

Sau đó đối chiếu với thiết bị chuẩn là máy đo huyết áp của hãng OMRON và thiết bị đo nhịp tim của EasyPulse Việc lấy mẫu đo được tiến hành đồng thời trên thiết bị giám sát nhịp tim và thiết bị đo

Số người tham gia lấy mẫu là 10 người Mỗi người được thực hiện đo 10 lần

Tình nguyện viên Giới tính

Bùi Ngọc Hữu Vinh Nam 26 14h,

Lê Thị Thanh Thiện Nữ 30 16h,

Bảng 6.1 Bảng kết quả đo thực nghiệm nhịp tim 6.2.2 Đánh giá kết quả đo

Với các số liệu vừa đo đạc ở trên, chúng ta dùng chương trình Microsoft Excel 2007 để vẽ lại đồ thị biểu diễn sự tương quan kết quả đo của 2 thiết bị

Hình 6.9 Đồ thị kết quả đo nhịp tim thực tế

Dựa vào đồ thị ta có nhận xét: có sự sai lệch giữa số liệu nhịp tim đo bằng mạch thiết kế và số liệu nhịp tim đo bằng thiết bị chuẩn, nhưng sự sai lệch này là không quá lớn

Với việc sai số không qua 10 nhịp tim/phút thì việc thiết bị có báo động sai cho bác sĩ, người chăm sóc sẽ không xảy ra

Dùng thiết bị đo nhịp tim để đo và vẽ đồ thị nhịp tim một người bất kỳ theo thời gian

Ta có được đồ thị nhịp tim của người được đo hiển thị trên máy tính như sau:

Hình 6.10 Đồ thị nhịp tim hiển thị trên máy tính

Nhận thấy rằng, đồ thị đo nhịp tim của người cần đo có dạng sóng Pleth Do không có sẵn thiết bị vẽ đồ thị nhịp tim theo phương pháp SpO2 nên đề tài chưa so sánh, đánh giá chính xác được đồ thị nhịp tim được thiết bị giám sát nhịp tim vẽ lại có đầy đủ thông tin và tin cậy

CHƯƠNG VII KẾT LUẬN GVHD: Võ Tường Quân

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim
Tác giả	Bùi Minh Phú
Người hướng dẫn	TS Võ Tường Quân
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,74 MB