Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật y sinh: Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch

Các số liệu ban đầu: - Tài liệu về thông số kỹ thuật, cảm biến của các thiết bị giám sát truyền dịch.. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu các loại thiết bị giám sát truyền dịch trên thị trườ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

GVHD: THS NGUYỄN TRƯỜNG DUY SVTH: NGUYỄN THỊ THÙY CHÂU

NGUYỄN THỊ ÁNH NGỌC

TP Hồ Chí Minh, tháng 6/2024THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT

QUÁ TRÌNH TRUYỀN DỊCH

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ

GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH TRUYỀN DỊCH

SVTH: Nguyễn Thị Thùy Châu

Tp Hồ Chí Minh - 06/2024

i

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ

GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH TRUYỀN DỊCH

SVTH: Nguyễn Thị Thùy Châu

Tp Hồ Chí Minh - 06/2024

ii

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 02 năm 2024

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Thùy Châu MSSV: 20129041

Nguyễn Thị Ánh Ngọc MSSV: 20129067

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh Mã ngành: 01

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH

TRUYỀN DỊCH

1 Các số liệu ban đầu:

- Tài liệu về thông số kỹ thuật, cảm biến của các thiết bị giám sát truyền dịch

- Các tài liệu về các tiêu chuẩn an toàn trong y tế

- Tài liệu về phần mềm lập trình Arduino IDE, ngôn ngữ lập trình C, Android Studio,

ngôn ngữ Java, Solidworks

2 Nội dung thực hiện:

- Tìm hiểu các loại thiết bị giám sát truyền dịch trên thị trường như tính năng, các công nghệ được sử dụng

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các module cảm biến được sử dụng trong đề tài

- Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý

- Viết báo cáo thực hiện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2024

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2024

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Trường Duy

iv

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 03 năm 2024

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Thùy Châu MSSV: 20129041

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Ánh Ngọc MSSV: 20129067

Lớp: 20129C

Tên đề tài: Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD

Tuần 3

(04/03 – 09/03)

- Tìm hiểu các thiết bị giám sát truyền dịch trên thị trường

- Viết tổng quan đề tài

- Thiết kế sơ đồ khối

Tuần 4

(11/03 -16/03)

- Tìm hiểu phần cứng, lựa chọn và lập danh sách linh kiện phù hợp

- Tìm hiểu và lựa chọn phần mềm thiết kế App giám sát

(01/07-06/07) - Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

vii

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

viii

LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trường Duy đã hướng dẫn

và góp ý tận tình, cũng như chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu để nhóm chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài

Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô trong Khoa Điện – Điện Tử

đã nhiệt tình trong việc truyền đạt vốn kiến thức quý báu giúp đỡ chúng em rất nhiều trong suốt quá trình học tập

Chúng em cũng xin cảm ơn các bạn trong lớp đã hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài này Cuối cùng, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và người thân, những người luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể tập trung vào việc học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thị Thùy Châu Nguyễn Thị Ánh Ngọc

ix

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ i

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN vii

LỜI CẢM ƠN viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

TÓM TẮT xvii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 3

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ GIÁM SÁT DỊCH TRUYỀN 5

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 6

2.2.1 Module Wifi ESP32 6

2.2.2 Cảm biến nhỏ giọt và bọt khí 11

x

2.2.3 Cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100 13

2.2.4 Màn hình LCD1602 15

2.3 FIREBASE 17

2.3.1 Khái niệm 17

2.3.2 Các tính năng chính của Firebase 17

2.3.3Ưu và nhược điểm của Firebase 18

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 19

3.1 GIỚI THIỆU 19

3.2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 19

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 19

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 20

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 28

3.2.4 Thiết kế mô hình 28

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 31

4.1 GIỚI THIỆU 31

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 31

4.2.1 Thi công board mạch 31

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 34

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 37

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 37

4.3.2 Thi công mô hình 38

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 44

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 44

4.4.2 Phần mềm lập trình ESP32 50

xi

4.4.2 Phần mềm lập trình cho App Android 52

4.5 DỰ TOÁN CHI PHÍ 59

4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 60

4.6.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng 60

4.6.2 Quy trình thao tác 61

Chương 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 62

5.1 GIỚI THIỆU 62

5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 62

5.2.1 Cảm biến nhỏ giọt 62

5.2.2 Cảm biến bọt khí 63

5.2.3 Cảm biến nhịp tim và SpO2 64

5.2.4 Thao tác và cảnh báo trên App Android 65

5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 69

5.3.1 Thử nghiệm cảm biến nhỏ giọt 70

5.3.2 Thử nghiệm cảm biến bọt khí 72

5.3.3 Thử nghiệm cảm biến nhịp tim và SpO2 73

5.4 ĐÁNH GIÁ 75

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

6.1 KẾT LUẬN 76

6.2 Hướng phát triển 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 82

xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LCD Liquid Crystal Display

IDE Integrated Development Environment

SRAM Staticrandom-accessmemory

I2C Inter – Integrated Circuit

I2S Inter - IC Sound

GPIO General-purposeinput/output

BLE Bluetooth Low Energy

API application programming interface

PWM Pulse-widthmodulation

DAC Digital to Analog Converter

AFH Adaptive frequency-hopping

SDA Serial data line

SCL Serial clock line

APK Android Package Kit

SPI Serial Peripheral Interface

SpO2 Saturation of peripheral oxygen

BR/EDR Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate

SDIO Input/Output

xiii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Các sản phẩm giám sát dịch truyền trên thị trường 6

Hình 2.2 Cấu trúc tổng quát của ESP32 7

Hình 2.3 Sơ đồ chân của ESP32 10

Hình 2.4 Led phát tia laser 12

Hình 2.5 Mắt thu tia laser 13

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAX30100 14

Hình 2.7 Sơ đồ khối cấu tạo của cảm biến MAX30100 15

Hình 2.8 Cảm biến MAX30100 15

Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD 16x2 16

Hình 3.1 Sơ đồ khối 19

Hình 3.2 Sơ đồ chức năng các chân của ESP32 20

Hình 3.3 Mạch nguyên lý của Module thu Laser 21

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối khối cảm biến với ESP32 22

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối hiển thị với ESP32 24

Hình 3.6 Adapter 5V – 1A có đầu DC 5.5 X 2.1mm 25

Hình 3.7 Pin cell 18650 2800mAh 3.7V 26

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối 2 pin 26

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối nguồn chính và pin dự phòng 27

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối toàn mạch 28

Hình 3.11 Mô hình cảm biến nhỏ giọt 29

Hình 3.12 Mô hình cảm biến bọt khí 29

Hình 3.13 Mô hình cảm biến MAX30100 30

Hình 3.14 Mô hình thiết bị giám sát truyền dịch 30

Hình 4.1 Sơ đồ mạch in khối cảm biến nhỏ giọt 31

Hình 4.2 Sơ đồ mạch in khối cảm biến bọt khí 32

Hình 4.3 Sơ đồ mạch điều khiển 32

Hình 4.4 Sơ đồ mạch nguồn 33

xiv

Hình 4.5 Mạch in cảm biến nhỏ giọt đã hoàn thiện được đặt trong mô hình 34

Hình 4.6 Mặt dưới (trái), mặt trên (phải) của khối cảm biến bọt khí 35

Hình 4.7 Mặt dưới (trái), mặt trên (phải) của khối điều khiển 36

Hình 4.8 Mạch in nguồn 36

Hình 4.9 Mạch điều khiển được đóng gói trong hộp 37

Hình 4.10 Quá trình lắp ráp thiết bị 39

Hình 4.11 Quy trình lắp ráp cảm biến 40

Hình 4.12 Mặt trước của mô hình sau khi hoàn thiện 41

Hình 4.13 Mặt bên phải của mô hình sau khi hoàn thiện 41

Hình 4.14 Mặt bên trái của mô hình sau khi hoàn thiện 42

Hình 4.15 Mặt sau của mô hình sau khi hoàn thiện 42

Hình 4.16 Mô hình hoàn chỉnh của cảm biến đo nhịp tim và SpO2 43

Hình 4.17 Mô hình hoàn chỉnh của cảm biến nhỏ giọt 43

Hình 4.18 Mô hình hoàn chỉnh của cảm biến bọt khí 44

Hình 4.19 Lưu đồ chương trình chính 45

Hình 4.20 Lưu đồ chương trình chính của App 47

Hình 4.21 Lưu đồ chương trình con thêm bệnh nhân 48

Hình 4.22 Lưu đồ chương trình con chỉnh sửa thông tin 48

Hình 4.23 Lưu đồ chương trình con cảnh báo 49

Hình 4.24 Lưu đồ chương trình con đọc dữ liệu từ cảm biến 51

Hình 4.25 Giao diện giám sát 54

Hình 4.26 Giao diện danh sách bệnh nhân 55

Hình 4.27 Giao diện Upload dữ liệu bệnh nhân 56

Hình 4.28 Giao diện thông tin chi tiết bệnh nhân 57

Hình 4.29 Màn hình Update Data 58

Hình 4.30 Quy trình vận hành thiết bị 61

Hình 5.1 Vị trí đặt cảm biến nhỏ giọt trên bầu đếm giọt 63

Hình 5.2 Vị trí gắn cảm biến bọt khí trên dây truyền dịch 64

Hình 5.3 Vị trí kẹp cảm biến nhịp tim và SpO2 trên người đối tượng sử dụng 64

xv

Hình 5.4 Giao diện giám sát 65

Hình 5.5 Giao diện danh sách bệnh nhân 65

Hình 5.6 Giao diện thông tin chi tiết bệnh nhân 66

Hình 5.7 Chỉnh sửa thông tin bệnh nhân 66

Hình 5.8 Đăng ký thông tin bệnh nhân 67

Hình 5.9 Giao diện giám sát sau khi lưu thông tin 68

Hình 5.10 Trạng thái cảnh báo 68

Hình 5.11 Kết quả thiết bị giám sát dịch truyền 69

Hình 5.12 Kết quả hiển thị trên màn hình LCD 70

xvi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các sản phẩm giám sát dịch truyền trên thị trường 5

Bảng 2.2 So sánh giữa ESP8266 và ESP32 6

Bảng 2.3 Thông số của ESP-WROOM-32 8

Bảng 3.1 Liệt kê dòng tiêu thụ và điện áp của các linh kiện 25

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện 33

Bảng 4.2 Các chi tiết cho thi công mô hình 38

Bảng 4.3 Chi phí cho các linh kiện, vật liệu sử dụng trong mô hình 59

Bảng 5.1 Thống kê số lần phát hiện nhỏ giọt của cảm biến nhỏ giọt với tốc độ truyền 30ml/h, 60ml/h, 90ml/h trong 2 phút 70

Bảng 5.2 Thống kê số lần phát hiện nhỏ giọt của cảm biến nhỏ giọt với tốc độ truyền 30ml/h, 60ml/h, 90ml/h trong 30 phút 71

Bảng 5.3 Kiểm tra tốc độ nhỏ giọt 72

Bảng 5.4 Thống kê số lần phát hiện bọt khí của cảm biến bọt khí 73

Bảng 5.5 Thống kê kết quả đo nhịp tim bằng cảm biến MAX30100 73

Bảng 5.6 Thống kê kết quả đo SpO2 bằng cảm biến MAX30100 74

xvii

TÓM TẮT

Ngày nay, nhiều thiết bị thông minh và tự động hóa trong lĩnh vực y tế đã xuất hiện nhằm giúp các bác sĩ dễ dàng chẩn đoán, điều trị một cách chính xác mà vẫn tiết kiệm thời gian Truyền dịch tĩnh mạch cũng là một phương pháp phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong việc điều trị chăm sóc sức khỏe Tuy nhiên, khi thực hiện phương pháp này, các nhân viên y tế sẽ mất nhiều thời gian kiểm tra quá trình truyền dịch Vì thế, nhóm chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch” với mục tiêu

giúp nhân viên y tế kiểm soát tốt hơn quá trình truyền dịch và giảm nguy cơ phát sinh vấn

đề sức khỏe cho bệnh nhân

Thiết bị giám sát quá trình truyền dịch sử dụng cảm biến Laser để giám sát lượng dịch truyền, tốc độ nhỏ giọt và phát hiện tắc nghẽn mạch trong quá trình truyền dịch Đồng thời, sử dụng cảm biến MAX30100 để đo các chỉ số sinh tồn của bệnh nhân bao gồm chỉ

số nhịp tim và SpO2 (nồng độ oxy trong máu của bệnh nhân) Các thông số tốc độ nhỏ giọt, thể tích dịch truyền, chỉ số nhịp tim và SpO2 sẽ được hiển thị lên LCD và App giám sát trên điện thoại Android Khi có sự bất thường trong các thông số này, App sẽ đưa ra cảnh báo cho nhân viên y tế biết kịp thời

Kết quả thực hiện, nhóm đã tìm hiểu các lý thuyết liên quan đến truyền dịch tĩnh mạch và các module, cảm biến có trong đề tài Chuyển được dữ liệu đọc từ cảm biến Laser

và cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100 lên Firebase và từ Firebase qua app giám sát Thiết kế được một số giao diện cơ bản của App trên phần mềm Android Studio

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, nhu cầu truyền dịch tĩnh mạch ngày càng tăng lên do vai trò quan trọng của phương pháp này trong điều trị và chăm sóc sức khỏe Truyền dịch tĩnh mạch được sử dụng để cung cấp chất lỏng, chất dinh dưỡng và thuốc trực tiếp vào hệ thống tĩnh mạch, giúp cung cấp nhanh chóng và hiệu quả các dưỡng chất và thuốc cần thiết

Tuy nhiên, ngay cả khi truyền dịch đúng chỉ định bệnh nhân vẫn có thể gặp một số nguy hiểm trong quá trình truyền như máu bị chảy ngược do hết dịch truyền, tắc mạch do khí hay tốc độ truyền quá nhanh gây sốc với các biểu hiện như sốt, rét run, nhịp tim nhanh, nồng độ oxy trong máu giảm do giảm lưu lượng máu hoặc giảm khả năng hấp thụ oxy, thậm chí là tử vong[35] Theo bằng chứng thực nghiệm trên toàn cầu năm 2011, khoảng 20% bệnh nhân gặp rủi ro trong quá trình truyền dịch là do các nhân viên y tế Trong đó, lỗi tốc độ truyền không chính xác chiếm khoảng 94% trong tổng số các lỗi nghiêm trọng [36]

Từ thực trạng trên sự ra đời của hệ thống giám sát của quá trình truyền dịch là rất cần thiết và có tầm quan trọng đáng kể, giúp giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân cũng như tiết kiệm thời gian cho các nhân viên y tế Trên thị trường ngày nay cũng có một số công ty làm về thiết bị giám sát dịch truyền, tiêu biểu như là Monidor, IVenix với những tính năng giám sát và cảnh báo lượng dịch truyền tới nhân viên y tế Với nhu cầu như vậy, đã

có rất nhiều nghiên cứu, cụ thể trong đó là những Đồ Án Tốt Nghiệp được thực hiện, tạo

ra những mô hình thực tế như năm 2021, Lê Thị Như Quỳnh – Dương Quốc Khánh với đề tài: “THIẾT BỊ TRUYỀN DỊCH THÔNG MINH” [17], đề tài đã sử dụng ESP8266 để giám sát và cảnh báo cho nhân viên y tế về tốc độ truyền dịch và khi phát hiện bọt khí thông qua App Android Đề tài ĐATN tiếp theo là của Nguyễn Thị Thanh Thảo – Phạm Thị Thảo Vân, năm 2023, với đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY TRUYỀN DỊCH

SỬ DỤNG TRONG Y TẾ” [18], trong đề tài này có thể theo dõi các thông số truyền dịch thông qua màn hình LCD, cảnh báo khi hết lượng dịch truyền qua buzzer và có thể điều

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2

chỉnh tốc độ dịch truyền bằng cách giao tiếp qua ma trận phím Tiếp theo là sản phẩm nghiên cứu của nhóm sinh viên Nguyễn Văn Hà - Ngô Mạnh Tùng - Trần Việt Cường - Triệu Văn Đức - Phạm Thành Tôn, 2021, với sản phẩm: “THIẾT BỊ HỖ TRỢ GIÁM SÁT TRUYỀN DỊCH TRONG Y TẾ KẾT HỢP PHẦN MỀM QUẢN LÝ DỮ LIỆU ĐIỀU

y bác sĩ trên phần mềm quản lý dữ liệu của bệnh nhân khi sử dụng bình truyền dịch, theo dõi được vận tốc chảy và thời gian còn lại để truyền dịch

Từ những khảo sát trên, cùng với các kiến thức đã được trang bị, nhóm kiến nghị được thực hiện đề tài thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch có những tính năng cần thiết như sau: Thiết bị có khả năng thực hiện các chức năng giám sát lượng dịch truyền, tốc độ truyền dịch, nhịp tim và SpO2 của bệnh nhân thông qua màn hình LCD

và App trên điện thoại Android, có thể cảnh báo khi hết lượng dịch truyền, phát hiện bọt khí, tắc nghẽn đường truyền hay có sự bất thường trong chỉ số nhịp tim và SpO2 thông qua App trên điện thoại Android

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công thiết bị giám sát các chỉ số như vận tốc nhỏ giọt, thể tích dịch truyền, nhịp tim, SpO2 thông qua App để đưa ra cảnh báo khi hết dịch truyền, tắc nghẽn, khi phát hiện ra bọt khí và các chỉ số bất thường của nhịp tim cũng như SpO2, đồng thời hiển thị các chỉ số tương tự qua màn màn hình LCD

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch, nhóm đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến thiết bị giám sát truyền dịch

• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu các cảm biến được sử dụng trong đề tài

• NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống cảm biến

• NỘI DUNG 4: Lập trình phần mềm cho hệ thống

• NỘI DUNG 5: Thiết kết mô hình hệ thống

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

• NỘI DUNG 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm, thống kê số liệu và điều chỉnh

hệ thống

• NỘI DUNG 7: Viết báo cáo thực hiện

• NỘI DUNG 8: Bảo vệ luận văn

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Các thông số giới hạn của đề tài thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch bao gồm:

- Ứng dụng điện thoại chạy trên hệ điều hành Android phiên bản tối thiểu là 7.0

- Sử dụng dây truyền dịch: 20 giọt/ml

- Kích thước bọt khí nhỏ nhất có thể phát hiện: 2mm

- Sử dụng bộ dây có bầu nhỏ giọt với đường kính là 18mm và dây truyền với đường kính 4mm

- Các thí nghiệm với cảm biến nhỏ giọt và cảm biến bọt khí được thực hiện với nước

- Cảm biến nhịp tim và SpO2 chưa được thử nghiệm trên nhiều đối tượng nên chưa đạt được độ chính xác cao

1.5 BỐ CỤC

• Chương 1: Tổng quan

Chương này giới thiệu về vấn đề nghiên cứu, nêu rõ lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung cần được khảo sát, các giới hạn và thông số của nghiên cứu, cũng như bố cục của đồ án

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày lý thuyết cơ sở làm tiền đề để thực hiện đồ án, sử dụng các

đề tài đã được nghiên cứu làm cơ sở để tham khảo

• Chương 3: Tính toán và thiết kế

Đưa ra sơ đồ khối, tính toán, thiết kế các khối có trong hệ thống, vẽ lưu đồ giải thuật

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4

• Chương 4: Thi công

Nội dung chính của chương 4 là nêu sơ đồ thi công mạch in và một số chức năng của App android Trình bày mô hình thực tế của hệ thống cũng như cách thức hoạt động

để sử dụng hệ thống

• Chương 5: Kết quả , nhận xét và đánh giá

Đưa ra kết quả thực hiện và nhận xét, đánh giá

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận đề tài sau thời gian thực hiện và hướng phát triển của đề tài

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ GIÁM SÁT DỊCH TRUYỀN

Thiết bị giám sát quá trình truyền dịch là một thiết bị hữu ích để hỗ trợ nhân viên y

tế trong việc theo dõi liên tục các thông số quan trọng của quá trình truyền dịch cho bệnh nhân Thiết bị này có khả năng giám sát và hiển thị các chỉ số như tốc độ truyền dịch, thời gian truyền và nhiều thông số khác liên quan đến việc truyền dịch Điều này giúp các y bác

sĩ có thể theo dõi quá trình truyền dịch một cách chặt chẽ mà không cần phải kiểm tra bệnh nhân thường xuyên

Bảng 2.1 Các sản phẩm giám sát dịch truyền trên thị trường

Sản phẩm Pin dự phòng Công nghệ Tính năng

Sử dụng công nghệ không dây RF

-Giám sát từ xa và đưa ra cảnh báo về các thông số giọt truyền, tốc độ truyền,

-Có khả năng tạo biểu đồ đường truyền để hiển thị dữ liệu tốt hơn

Sử dụng công nghệ wifi -Giám sát từ xa các thông số tốc độ dòng chảy, tốc độ nhỏ giọt,

thể tích truyền của nhiều thiết bị cùng một lúc sử dụng công nghệ wifi

- Đưa ra cảnh báo khi thiết bị ngừng truyền, túi IV trống và tốc độ dòng chảy bị vượt quá -Tạo báo cáo tự động

Monidrop - IV

Infusion Monitor

(Ấn Độ) [27]

Sử dụng công nghệ wifi Giám sát từ xa các thông số như tốc độ truyền dịch, lượng dịch

đã truyền, thời gian truyền dịch,

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6

Đưa ra cảnh báo khi có sai lệch tốc độ truyền, lượng dịch truyền trong túi IV hết,

a Dripo infusion Monitor b Accuflow Drip Monitor c Monidrop - IV Infusion Monitor

Hình 2.1 Các sản phẩm giám sát dịch truyền trên thị trường

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.2.1 Module Wifi ESP32

Để thực hiện được đề tài của mình, nhóm quyết định sử dụng module wifi để truyền nhận tín hiệu Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều module wifi được nghiên cứu phát triển và sản xuất như ESP8266, ESP32, TI CC3200, Microchip WINC1500, Realtek Ameba Trong đó hai module wifi ESP8266 và ESP32 là được sử dụng thông dụng và rộng rãi nhất Để chọn được module phù hợp sử dụng cho đề tài nhóm thực hiện đã tiến hành lập bảng so sánh giữa ESP8266 và ESP32:

Bảng 2.2 So sánh giữa ESP8266 và ESP32

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7

Hiệu suất năng lượng Tiêu thụ năng lượng cao,

không có các tính năng tiết kiệm năng lượng

Hỗ trợ các tính năng tiết kiệm năng lượng như chế

độ deep sleep

Để xử lý nhanh thông tin và thông báo nhanh chóng, kịp thời cho các nhân viên y

tế về tình trạng truyền dịch hiện tại của bệnh nhân Cũng như tương thích điện áp giữa các module với nhau, nhóm quyết định sử dụng ESP32 để thực hiện đề tài

ESP32 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có

hỗ trợ WiFi và dual-mode Bluetooth Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ở cả hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.[20]

Cấu trúc tổng quát của ESP32[21]

Hình 2.2 Cấu trúc tổng quát của ESP32

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8

Bảng 2.3 Thông số của ESP-WROOM-32

Wifi Giao thức 802.11 b/g/n (802.11n lên đến 150 Mbps)

Bluetooth Giao thức Bluetooth v4.2 BR/EDR và BLE specification

Radio Máy thu NZIF có độ nhạy -97dBm

Máy phát Class-1, class-2 and class-3 AFH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9

Audio CVSD (Continuously variable slope delta) and

SBC (Sub Band Codec)

Phần cứng Giao diện module SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM,

Motor PWM, I2S, IR, mạch đếm xung, GPIO, cảm biến cảm ứng điện dung, ADC, DAC

Điện áp hoạt động 3.0 V ~ 3.6 V Dòng điện hoạt động 80mA

Dòng điện tối thiểu được cung cấp bởi nguồn

500mA

Nhiệt độ hoạt động –40 °C ~ +85 °C Kích thước 18 mm × 25.5 mm × 3.10 mm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10

Hình 2.3 Sơ đồ chân của ESP32

GPIO (General Purpose Input/Output Interface): Gồm 30 chân GPIO, mỗi chân có thể được lập trình với nhiều chức năng khác nhau như đọc tín hiệu số, tín hiệu analog, kết nối cảm biến Hầu hết các chân số được cấu hình với điện trở kéo lên hoặc kéo xuống, và có thể được sử dụng cho các giao tiếp như UART, SPI [23]

ADC (Analog to Digital Converter): ESP32 tích hợp ADC 12 bit và hỗ trợ 18 kênh đo.[23]

DAC (Digital to Analog Converter): ESP32 có hai kênh DAC 8 bit được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (tín hiệu analog), được tích hợp điện trở và

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter): ESP32 tích hợp ba cổng UART bao gồm: UART1, UART2, UART3 với chuẩn giao tiếp bất đồng bộ (RS232 và RS485) với tốc độ có thể đạt tới 5Mbps [23]

I2C Interface (Inter-Integrated Circuit): ESP32 có hai giao tiếp I2C, có thể vận hành ở chế độ master hoặc slave [23]

I2S Interface (Inter-IC Sound): ESP32 có hai giao tiếp I2S, có thể hoạt động ở chế độ master hoặc slave Các chân I2S này được cấu hình để hoạt động ở độ phân giải 8/16/32/48/64bit làm kênh đầu vào hoặc đầu ra Hỗ trợ tần số từ 10KHz đến 40KHz [23] Điều khiển hồng ngoại từ xa (Infrared Remote controller): Hỗ trợ 8 kênh điều khiển truyền và nhận, cho phép giao tiếp với các thiết bị điều khiển từ xa sử dụng tín hiệu hồng ngoại [23]

Bộ đếm (Pulse counter): Có 7 chế độ hoạt động Mỗi kênh đếm có thể thu nhận 4 tín hiệu cùng một lúc, bao gồm 2 tín hiệu xung và 2 tín hiệu điều khiển Khi bộ đếm đạt đến ngưỡng giá trị đặt trước sẽ tạo ra một tín hiệu ngắt [23]

PWM (Pulse Width Modulation): Bộ điều khiển độ rộng xung (PWM) được sử dụng

để điều khiển tốc độ động cơ kỹ thuật số và độ sáng của đèn thông minh [23]

SPI (Serial Peripheral Interface): ESP32 có 3 SPI (SPI, HSPI, VSPI ) ở chế độ master

và slave, SPI có thể kết nối đến SRAM và Flash.[23]

2.2.2 Cảm biến nhỏ giọt và bọt khí

Cảm biến nhỏ giọt hoạt động dựa trên nguyên lý quang học, sử dụng nguồn sáng Laser và mắt thu quang (photodetector) Khi một giọt dịch rơi qua khu vực giữa nguồn sáng và bộ thu, nó sẽ cắt ngang tia sáng, gây ra sự gián đoạn mà bộ thu quang sẽ ghi nhận Mỗi lần xảy ra gián đoạn, cảm biến sẽ ghi lại một giọt, từ đó đếm số lượng giọt dịch được truyền Số liệu này sau đó được dùng để tính toán thể tích dịch đã được truyền

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12

Cảm biến bọt khí được thiết kế để phát hiện sự hiện diện của bọt khí trong ống truyền dịch Cảm biến sử dụng công nghệ quang học, hoạt động bằng cách phát hiện sự thay đổi cường độ ánh sáng khi ánh sáng truyền qua chất lỏng trong ống dẫn dịch Nó sử dụng nguồn sáng (LED hoặc Laser) và mắt thu (photodetector)

Nguồn sáng phát ra một chùm tia sáng đi qua ống dẫn dịch Khi chất lỏng không chứa bọt khí, ánh sáng truyền qua ổn định và ít bị tán xạ Khi có bọt khí, chúng gây tán xạ

và làm thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua, do bọt khí có chỉ số khúc xạ khác với chất lỏng Bộ thu quang nhận tín hiệu ánh sáng này và chuyển đổi thành tín hiệu điện Sự giảm hoặc dao động trong tín hiệu điện cho thấy sự hiện diện của bọt khí trong chất lỏng

Hình 2.4 Led phát tia laser

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13

Hình 2.5 Mắt thu tia laser

• Dòng điện tiêu thụ: 20mA

2.2.3 Cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100

Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 sử dụng phương pháp đo quang

để đo nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu Cảm biến có cấu tạo gồm 2 thành phần chính: một nguồn phát ánh sáng và một bộ thu quang

Nguồn phát ánh sáng bao gồm hai diode phát quang, một phát ra ánh sáng đỏ có bước sóng 660nm và một phát ra ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 940nm Khi ánh sáng chiếu vào ngón tay, máu với hàm lượng oxy cao sẽ hấp thụ nhiều ánh sáng đỏ hơn, trong khi máu ít oxy sẽ hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại hơn Phần ánh sáng không bị hấp thụ

sẽ phản xạ trở lại và được bộ thu quang nhận diện

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14

Bộ thu quang sẽ đo cường độ của các tia sáng phản xạ và xử lý tín hiệu để tính toán nồng độ oxy trong máu Dữ liệu này sau đó sẽ được gửi đến bộ vi điều khiển để hiển thị kết quả Cảm biến đo nồng độ oxy trong máu là một công cụ quan trọng trong việc theo dõi sức khỏe người bệnh một cách không xâm lấn.[29]

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MAX30100

Module cảm biến MAX30100 có hai đèn LED (IR và RED) có bước sóng riêng và một cảm biến quang để phát hiện ánh sáng Tín hiệu từ cảm biến được chuyển đổi sang dạng số bởi bộ ADC Sau đó, dữ liệu số được lọc và làm sạch trước khi được lưu vào thanh ghi dữ liệu Dữ liệu trong thanh ghi này có thể được truyền đến vi điều khiển qua giao thức I2C để xử lý và hiển thị kết quả đo nồng độ oxy trong máu.[29]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15

Hình 2.7 Sơ đồ khối cấu tạo của cảm biến MAX30100

• VIN: Đầu vào cấp điện áp

• SCL: I2C - Xung clock nối tiếp

• SDA: I2C - Chân dữ liệu nối tiếp

• INT: Ngừng hoạt động khi cấp mức logic thấp vào chân này

• GND: Chân nối đất

2.2.4 Màn hình LCD1602

Màn hình LCD 16x2 sử dụng biến trở để điều khiển độ tương phản của màn hình và truyền dữ liệu theo chuẩn song song 4 bit

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16

Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD 16x2

Chức năng của từng chân LCD 1602:

- Chân VSS (chân số 1): Đây là chân nối đất của LCD, được kết nối với GND của mạch điều khiển

- Chân VDD (chân số 2) nối với nguồn 5V, cung cấp điện áp hoạt động cho LCD

- Chân VE (chân số 3) dùng để điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD Thường được kết nối với một biến trở để điều chỉnh độ tương phản bằng tay

- Chân RS (chân số 4): Được sử dụng để chọn giữa thanh ghi lệnh (Instruction Register - IR) hoặc thanh ghi dữ liệu (Data Register - DR) Khi chân này được kéo xuống mức thấp (0), lệnh sẽ được gửi tới IR Khi chân này được kéo lên mức cao (1),

dữ liệu sẽ được gửi tới DR

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17

- Chân R/W (chân số 5): Dùng để chọn chế độ đọc hoặc ghi dữ liệu Khi chân này ở mức thấp (0), LCD sẽ ở chế độ ghi (write) Khi chân này ở mức cao (1), LCD sẽ ở chế

độ đọc (read)

- Chân E (chân số 6): Dùng để đồng bộ việc truyền dữ liệu vào hoặc ra khỏi LCD Một xung lên (high-to-low) trên chân này sẽ kích hoạt LCD nhận lệnh hoặc dữ liệu từ các chân D0-D7

- Chân D0-D7 (chân số 7 đến 14): Đây là các chân dữ liệu, có thể hoạt động ở chế độ

8 bit hoặc 4 bit Chúng được sử dụng để gửi lệnh và dữ liệu tới LCD

- Chân A và chân K (chân số 15 và 16): Chân A (anode) và K (cathode) dùng để cấp nguồn cho đèn nền của LCD, giúp hiển thị rõ hơn trong điều kiện ánh sáng yếu Chân

A thường được kết nối với nguồn dương và chân K được kết nối với GND [1]

2.3 FIREBASE

2.3.1 Khái niệm

Firebase là một nền tảng phát triển ứng dụng di động và web do Google cung cấp Đây là một dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây mạnh mẽ, được thiết kế để đơn giản hóa việc phát triển ứng dụng thông qua việc cung cấp các công cụ và dịch vụ cần thiết.[5]

Cloud Firestore của Firebase cung cấp các tính năng như đồng bộ hóa dữ liệu thời gian thực, truy vấn linh hoạt và khả năng mở rộng cao, giúp nhà phát triển tạo ra các ứng dụng có khả năng phản hồi nhanh và đáng tin cậy.[5]

2.3.2 Các tính năng chính của Firebase

Firebase có nhiều tính năng khác nhau, trong đó có ba tính năng chính sau:

Realtime Database: Cơ sở dữ liệu thời gian thực, lưu trữ dữ liệu dưới dạng JSON và đồng bộ hóa với mọi kết nối Realtime Database cho phép lưu trữ và truy vấn dữ liệu một cách đơn giản và hiệu quả mà không cần thiết lập server hay viết code backend phức tạp.[6]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 18

Firebase Hosting: Dịch vụ triển khai web và ứng dụng web, cung cấp một máy chủ ổn định, bảo mật và thời gian tải nhanh Nó hỗ trợ SSL miễn phí, giúp dễ dàng triển khai các trang web như điều khoản dịch vụ và chính sách bảo mật.[6]

Firebase Cloud Messaging (FCM): Dịch vụ gửi và nhận tin nhắn miễn phí, cho phép gửi thông báo đến các thiết bị Android, iOS hoặc website của người dùng một cách đơn giản và hiệu quả.[6]

Ngoài các tính năng trên, Firebase còn có những tính năng khác như: Firebase Analytics, Firebase Authentication, Firebase Storage, Các tính năng này đều được quản

lý thông qua một giao diện Firebase Console.[6]

2.3.3 Ưu và nhược điểm của Firebase

a Ưu điểm

- Cung cấp các dịch vụ và công cụ có sẵn và dễ sử dụng

- Hỗ trợ đa dạng các nền tảng như web, Android, iOS, Unity,

- Đảm bảo độ tin cậy cao cho các ứng dụng

- Hỗ trợ nhiều nền tảng và ngôn ngữ lập trình khác nhau, vì vậy có thể phát triển ứng dụng đa nền tảng một cách hiệu quả và dễ dàng

- Cung cấp các tính năng như xác thực người dùng, lưu trữ tệp tin, tích hợp thanh toán, kiểm tra, thử nghiệm phần mềm và gỡ lỗi

b Nhược điểm

- Phiên bản miễn phí giới hạn về số lượng kết nối và dung lượng sử dụng

- Khó khăn trong việc tích hợp với một số công nghệ và dịch vụ khác như không hỗ trợ hai công nghệ trong xây dựng API gồm GraphQL hay Apollo Client.[6]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Chức năng của từng khối

• Khối cảm biến: Thu nhận tín hiệu từ bộ cảm biến thu phát laser và MAX30100 và gửi dữ liệu về ESP32

• Khối xử lý: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến và thông số thể tích cần truyền từ

Firebase để tiến hành tính toán các thông số cần thiết và gửi các thông số này lên Firebase

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20

• Khối hiển thị: Hiển thị các thông số tốc độ truyền dịch, thể tích còn lại, chỉ số nhịp tim và SpO2 của bệnh nhân

• Firebase: Truyền nhận dữ liệu với khối xử lý, lưu trữ dữ liệu và truyền gửi dữ liệu qua lại với ứng dụng Android

• Ứng dụng Android: truyền nhận dữ liệu qua lại với Firebase, hiển thị các thông số giám sát và đưa ra cảnh báo

• Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch

a Khối xử lý trung tâm

Hình 3.2 Sơ đồ chức năng các chân của ESP32

Theo hình 3.2, chức năng các chân được sử dụng như sau:

- Chân D25 được kết nối với cảm biến thu laser số 1 Cảm biến này kết hợp với cảm biến phát laser số 1 để tạo thành một bộ thu phát laser có chức năng phát hiện giọt nước chảy xuống bầu nhỏ giọt

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21

- Chân D14 được kết nối với cảm biến thu laser số 2 Cảm biến này kết hợp với cảm biến phát laser 2 để tạo thành một bộ thu phát laser có chức năng phát hiện bọt khí trong dây truyền dịch

- Chân D21 được kết nối đồng thời với chân SDA của LCD I2C và chân SDA của cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100

- Chân D22 được kết nối đồng thời với chân SCL của LCD và chân SCL của cảm biến MAX30100 Ở đây, LCD dùng để hiển thị các thông số liên quan đến quá trình truyền dịch như tốc độ nhỏ giọt, thể tích truyền còn lại, các chỉ số nhịp tim và SpO2 của bệnh nhân trong quá trình tuyền dịch và cảm biến MAX30100 dùng để đo các chỉ số nhịp tim và SpO2 của bệnh nhân

- Chân 3.3V được kết nối với chân VIN của cảm biến MAX30100 để cấp nguồn cho cảm biến hoạt động

b Khối cảm biến

Khối cảm biến gồm cảm biến nhỏ giọt, cảm biến bọt khí và cảm biến đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu Cảm biến nhỏ giọt và cảm biến bọt khí có nguyên lý hoạt động tương tự nhau và đều có cấu tạo gồm hai phần chính là nguồn phát tia Laser và mắt thu Laser Dưới đây là sơ đồ nguyên lý của Module nhận tín hiệu từ Laser

Hình 3.3 Mạch nguyên lý của Module thu Laser [37]