Đồ án đo nồng độ oxy bão hòa trong máu

LỜI NÓI ĐẦU 1 LỜI CẢM ƠN 2 Mục lục 3 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 5 1. Cơ sở 5 1.1. Sự cần thiết của oxi trong máu 5 1.2. Sự vận chuyển khí O2 của máu 5 1.3. Một số khái niệm 6 1.3.1. Nồng độ bão hòa của oxi trong máu 6 1.3.2. Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của oxi trong máu. 6 1.4. Các phương pháp đo nồng độ oxi trong máu 6 2. Mục tiêu và phạm vi đồ án. 7 3. Phương pháp luận 8 4. Tổng quan về Pulse Oximeters 8 5. Nguyên tắc 10 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 11 1. Đặt vấn đề. 11 2. Cơ sở lý thuyết. 11 2.1. Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu. 11 2.2. Nguyên lý của thiết bị đo nồng độ oxy (Pulse Oximetry) 14 2.3. Tính nồng độ bão hòa của oxi trong máu 17 3. Giải pháp. 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20 1. Giới thiệu. 20 2. Thiết kế hệ thống. 20 2.1. Sơ đồ khối. 20 2.2. Chức năng của các khối: 21 2.2.1. Bộ định thời. 21 2.2.2. Khối cảm biến. 29 2.2.3. Bộ chuyển đổi dòng điện – điện áp. 33 2.2.4. Tiền khuếch đại. 36 2.2.5. Bộ lọc. 37 2.2.6. Bộ khuếch đại tổng. 39 2.2.7. Bộ chuyển đổi ADC 40 2.2.8. Vi điều khiển PIC16F877A. 42 2.2.9. Text LCD 44 2.2.10. Khối nguồn. 46 2.3. Thuyết minh nguyên lý hoạt động. 46 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50 1. Giới thiệu và nhìn lại thiết kế. 50 2. Các vấn đề tồn tại với hệ thống này và phát triển hệ thống. 50 Tài liệu tham khảo: 51

Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Chăm sóc sức khỏe là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của cuộc sống. Cuộc sống ngày càng hiện đại thì việc chăm sóc sức khỏe ngày càng được quan tâm. Trong thực trạng thiếu hụt bác sĩ như hiện nay thì việc thiết kế một hệ thống giám sát y tế từ xa là một giải pháp có thể làm giảm cả thời gian chờ đợi của bệnh nhân và công việc của bác sĩ. Đề tài “Thiết kế hệ thống đo nồng độ bão hòa oxy trong máu sử dụng trong chẩn đoán lâm sàng ” là một giải pháp của chúng em nhằm thực hiện ý tưởng trên. Oxy là một nguyên tố rất cần cho sự sống, có thể nói nếu thiếu oxy thì mọi sinh vật không thể tồn tại được trên trái đất này. Đối với cơ thể người oxy cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình oxy hóa xảy ra bên trong cơ thể. Một chức năng quan trọng của máu đối với cơ thể là chức năng vận chuyển: sau quá trình tiêu hóa, các chất dinh dưỡng ở nhung mao ruột được vận chuyển vào máu , khí O 2 từ phổi đến các mô và khí CO 2 từ các mô đến phổi cũng được vận chuyển qua đường máu. Nếu xảy ra tình trạng thiếu oxy sẽ gây nguy cơ tử vong cao. Nghiên cứu trong một tạp chí ước tính tỷ lệ tử vong bệnh nhân Hoa Kỳ do hậu quả của thiếu oxy trong máu không được phát hiện ở mức 2.000 đến 10.000 ca tử vong mỗi năm. Nồng độ oxy trong máu là một thông tin quan trọng. Ở những người bình thường nồng độ oxy trong máu từ 95 đến 99%. Thiết kế của chúng em là một hệ thống thiết bị đo đạc nồng độ bão hòa oxy trong máu, hy vọng sẽ giúp các bác sĩ phát hiện ra những bất thường hoặc chẩn đoán một cách nhanh nhất giúp các bệnh nhân điều trị theo phương pháp hiệu quả nhất. GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh 1 Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp Mục lục CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Cơ sở 1.1. Sự cần thiết của oxi trong máu Oxi là một nguyên tố rất cần cho sự sống, có thể nói nếu thiếu oxi thì mọi sinh vật không thể tồn tại được trên trái đất này. Đối với cơ thể người oxi cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình oxi hóa xảy ra bên trong cơ thể. Một chức năng quan trọng của máu đối với cơ thể là chức năng vận chuyển: sau quá trình tiêu hóa, các chất dinh dưỡng ở nhung mao ruột được vận GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp chuyển vào máu , khí O 2 từ phổi đến các mô và khí CO 2 từ các mô đến phổi cũng được vận chuyển qua đường máu. 1.2. Sự vận chuyển khí O2 của máu Khí O 2 được vận chuyển theo máu thông qua hai dạng hòa tan và kết hợp với haemoglobin ( haemoglobin là một Protein được kết lại trong hồng cầu ). Dạng hòa tan : Khả năng hòa tan của oxi trong máu rất nhỏ so với lượng oxi vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô. Dạng kết hợp : oxi được vận chuyển trong máu ở dạng kết hợp là kết quả của một loạt phản ứng thuận nghịch xảy ra giữa oxi và haemoglobin (Hb) để tạo thành oxyhaemoglobin (HbO 2 ). Sự kết hợp giữa O 2 và Hb tỉ lệ thuận với phân áp của O 2 trong máu. Khi phân áp oxi tăng dần từ 0 – 100mmHg, tỷ lệ % hòa tan HbO 2 cũng tăng dần tới 97%. Ngược lại, khi phân áp oxi giảm từ 100 – 0 mmHg thì tỷ lệ % bão hòa của HbO 2 cũng giảm dần theo thứ tự đó. Từ những khái niệm này người ta có thể đưa ra vài phương pháp đo nồng độ bão hòa của oxi trong máu. 1.3. Một số khái niệm 1.3.1. Nồng độ bão hòa của oxi trong máu Do khí O 2 vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng kết hợp nên nồng độ bão hòa của Oxi trong máu chủ yếu được xác định bởi tỷ lệ % hòa tan của HbO 2 . 1.3.2. Tại sao cần phải xác định nồng độ bão hòa của oxi trong máu. Khi cơ thể hoạt động sẽ tiêu tốn năng lượng và cơ thể sẽ đòi hỏi thường xuyên được cung cấp năng lượng qua sự oxi hóa các chất dinh dưỡng, quá trình này xảy ra chủ yếu ở mô tế bào. Nếu trong máu thiếu oxi thì các phản ứng oxi GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp hóa sẽ chậm đi và không đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cư thể, ngoài ra thiếu oxi sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của cơ thể, cơ thể sẽ khó đào thải các chất độc ra ngoài… Do đó đối với người bệnh và ngay cả đối với người bình thường thì việc xác định nhanh chóng và chính xác thông số nồng độ bão hòa của oxi trong máu là hết sức cần thiết. 1.4. Các phương pháp đo nồng độ oxi trong máu Nói chung có nhiều phương pháp đo nồng độ oxi trong máu, các phương pháp phổ biến được nêu ra dưới đây: - Phương pháp dùng điện cực oxy - Phương pháp cộng hưởng điện tử từ tính - Phương pháp chụp tia pozitron - Phương pháp Pulse Oximetry Phương pháp “ Pulse Oximetry ” là phương pháp đo dựa vào xung nhịp tim, phương pháp này có các ưu điểm sau: • Biết kết quả ngay • Chỉ cần một thao tác đo • Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể • Độ tin cậy cao Do đó nội dung của đồ án này sẽ đề cập đến phương pháp đo này. 2. Mục tiêu và phạm vi đồ án. Ngày nay hầu hết các bệnh viện hay phòng khám thường có rất nhiều bệnh nhân, do đó thường xảy ra trường hợp thiếu các bác sĩ, bệnh nhân phải chờ GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp đợi rất lâu mới được chữa trị. Chúng em hy vọng có thể thiết kế được một “ hệ thống đo nồng độ bão hòa oxy trong máu sử dụng trong chẩn đoán lâm sàng ” để có thể giảm được thời gian chờ đợi của bệnh nhân và giảm tải công việc của các bác sĩ. Mục tiêu của chúng em là kết hợp giữa thiết bị đo và tín hiệu sinh lý qua xử lý sẽ đưa ra kết quả nhanh chóng , hiển thị trên màn hình LCD. Kết quả đưa ra là chính xác giúp các bác sĩ dễ dàng chẩn đoán bệnh. Điều đặc biệt là thay vì phải cố định bệnh nhân trên giường bệnh hay không cho cử động ,tự do đi lại thì phương pháp đo này lại làm cho bệnh nhân thấy dễ chịu, thoải mái, không bị gò bó bởi thiết bị đo này kẹp trực tiếp vào ngón tay của người bệnh. Phương pháp“ Pulse Oximetry ” sử dụng ánh sáng để đo nồng độ oxy bão hòa trong máu. 3. Phương pháp luận Đồ án chia làm 4 chương: Chương 1: tổng quan Chương 2: giải pháp thực hiện Chương 3: thiết kế hệ thống Chương 4: kết luận và hướng phát triển GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp Qua chương giới thiệu chúng ta có thể biết thêm về một số kiến thức y học, biết được mục tiêu của đồ án này là gì và đưa ra giải pháp thực hiện. Ở đồ án này chúng em tập trung đi sâu vào thiết kế hệ thống (thiết kế phần cứng), thiết kế từng phần cho hệ thống và ghép lại thành một hệ thống hoàn chỉnh. Phương pháp được sử dụng đòi hỏi phải nghiên cứu sâu và chính xác mới thu được kết quả như mong muốn, cần phải nắm được sinh lý của người bệnh, ai có thể sử dụng được phương pháp đo này. Việc thực hiện đo nồng độ oxy bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các mạch điện tử để có được các tín hiệu cần thiết, phần mềm lấy các thông tin cần thiết từ tín hiệu trên sau đó sẽ được sử dụng để tính toán độ bão hòa oxy trong máu (cho cả phần cứng và phần mềm ). Đối với đồ án này chỉ thực hiện phần cứng để có được tín hiệu sinh lý sau đó được xử lý cho hiển thị ra LCD. 4. Tổng quan về Pulse Oximeters Pulse Oximeters (SpO 2 ) là một thiết bị đo nồng độ bão hòa oxy trong máu. Chỉ cần kẹp đầu đo vào ngón tay hoặc chân hoặc dái tai là có thể xác định được độ bão hòa oxy trong máu và nhịp tim (mạch). Đây là thiết bị thường được sử dụng trong khoa hồi sức. GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp Hình 1.1: Thiết bị kiểm tra máy phân tích SpO 2 Khi kẹp cảm biến SpO 2 vào ngón tay của máy test thì máy SpO 2 chỉ báo đúng thông số SpO 2 & nhịp tim đang được cài đặt trên màn LCD của máy test . 5. Nguyên tắc Thiết bị được thiết kế để đo sự bão hòa oxy (SpO 2 ) trong mạch máu và nhịp tim, dựa trên nguyên tắc đo phần trăm của haemoglobin bị oxy hóa chức GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp năng đến hemoglobin toàn phần. Việc đo sự bão hòa oxy trong máu thu được bởi ánh sáng đỏ và hồng ngoại trực tiếp thông qua thành mạch máu đang đập. Những mạch máu đang đập là một phần của tia sáng gây ra sự thay đổi trong toàn bộ của ánh sáng được dò tìm bởi một cực ánh sáng. Thiết bị xác định sự bão hòa oxy của máu động mạch bằng cách đo tỉ lệ màu đỏ truyền qua ánh sáng hồng ngoại giữa dạng sóng nhịp tim. CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 1. Đặt vấn đề. Đối với các bệnh nhân có nguy cơ suy hô hấp, điều quan trọng là theo dõi độ bão hòa oxy trong máu của cá nhân đó để đảm bảo máu luôn được vận chuyển lưu thông liên tục trong toàn bộ các hệ thống. Để đảm bảo tốt nhất cho GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  Đồ án tốt nghiệp bệnh nhân thì thông tin này phải được cập nhật liên tục, nhanh chóng và kịp thời. 2. Cơ sở lý thuyết. 2.1. Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu. Vào năm 1860 người ta phát hiện ra rằng haemoglobin là chất mang màu sắc nó có trong hồng cầu và ảnh hưởng đến màu sắc của máu, sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy bởi haemoglobin sẽ thay đổi với hàm lượng oxi trong nó. Hình 2.1: Quang phổ hấp thụ của HbO 2 và Hb Bởi vì hai dạng chủ yếu của haemoglobin có trong máu mà ảnh hưởng nhiều nhất đối với ánh sáng là Oxyhaemoglobin (HbO2) và Reducedoxyhaemoglobin (Hb), HbO2 và Hb có quang phổ hấp thụ khác nhau với các bước sóng ánh sáng khác nhau. GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh [...]... nghiệp Đồ án tốt Về phương diện hoá học O 2 kết hợp với Haemoglobin bên trong hồng cầu tạo nên gần như tất cả oxi trong máu ( chỉ có một phần rất nhỏ nằm trong các thành phần khác của máu ) Mức độ bão hòa của oxi trong máu thường được quy về SaO 2 hoặc SpO2 và được định nghĩa là tỷ số của oxyhaemoglobin và tổng số haemoglobin trong máu (oxyhaemoglobin + Reducedoxyhaemoglobin ) : (1) Nồng độ bão hòa của... phụ thuộc vào độ dầy của mô mạch Oxy trong máu có đặc tính hấp thụ ánh sáng khác nhau với ánh sáng đỏ và hồng ngoại So sánh hai dạng sóng thu được có thể ước tính của độ bão hòa oxy trong máu Hình 3.7: Led đỏ và Led hồng ngoại  Phôtô điốt Ánh sáng truyền qua từ LED qua ngón tay sẽ thu lại ở Phôtô điốt để theo dõi sự hấp thụ Hb và HbO2 Tín hiệu thu được ở Phôtô điốt thể hiện cường độ sáng mà Phôtô... độ thay đổi (tỷ lệ mà tại đó Phôtô điốt có khả năng thay đổi giữa các trạng thái cùng cực của nó) là đủ để cho phép nắm bắt các tín hiệu thay đổi nhanh chóng với chất lượng tốt Sự truyền của ánh sáng đỏ phụ thuộc trên lượng oxygen trong máu và độ dầy của mô mạch máu Trong lúc đó, GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  nghiệp Đồ án tốt sự truyền của ánh sáng hồng ngoại lại độc lập với nồng độ oxygen... thụ của máu đối với hai bước sóng cũng sẽ sai khác nhau nhiều nhất và mức độ sai khác phụ thuộc vào nồng độ bão hoà của oxi trong máu Như vậy khi chiếu hai tia đỏ và hồng ngoại qua vùng cơ thể có chứa động mạch, dựa vào cường độ của các tia nhận lại có thể xác định được nồng độ bão hoà của oxy trong máu (SaO2) Về mặt vật lý mô hình quá trình truyền sáng này như sau: Iin GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Động... I Trường ĐHKTCN  nghiệp Đồ án tốt L Hình 2.2: Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch Có thể cho rằng ánh sáng truyền qua động mạch chỉ chịu sự ảnh hưởng của nồng độ HbO2 và Hb trong máu Theo định luật Beer – Lambert : Cường độ ánh sáng truyền qua sẽ giảm tỷ lệ theo hàm mũ với bề dày L của động mạch Trên hình 2.2 : Động mạch có bề dày L Tia tới có cường độ Iin Sau khi truyền qua còn... đúng chu kì và điều khiển độ sáng cho LED phù hợp Hình 3.2: Giản đồ thể hiện chu kì sáng và tắt của các LED  IC555 Nồng độ bão hòa của oxy trong máu là một hàm số của các cường độ sáng nhận được khi truyền qua ngón tay nên kết quả của phép đo sẽ chính xác nhất khi sử dụng một Detecter duy nhất Do đó dùng bộ Timer để điều khiển hai LED phát sáng sao cho tại một thời điểm đo nhất định chỉ có một LED... máu (oxyhaemoglobin + Reducedoxyhaemoglobin ) : (1) Nồng độ bão hòa của oxi của máu trong động mạch là một thông số được đo với Oximetry và thường được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%) Dưới điều kiện sinh học bình thường máu trong động mạch có độ bão hòa khoảng 97%, trong khi đó máu trong tĩnh mạch chỉ có độ bão hòa khoảng 75% Nhìn hình 2.1 ta có thể thấy rằng với hai bước sóng: Một là tia đỏ... chiều DC : Idc Thành phần xoay chiều, biến đổi đồng bộ với nhịp tim AC : Iac Ánh sáng truyền qua ngón tay chịu sự hấp thụ của : A – Máu trong động mạch V – Máu trong tĩnh mạch T – Xương, da, mô … GVHD: Th.S Phạm Duy Khánh Trường ĐHKTCN  nghiệp Đồ án tốt Do sự hấp thụ của máu trong tĩnh mạch, xương, da và mô là không đổi, chỉ có sự hấp thụ của máu trong động mạch là thay đổi nên ta có thể tách bỏ phần... quyết trong khâu xử lý tín hiệu 2.3 Tính nồng độ bão hòa của oxi trong máu Trên thực tế, người ta không tính R theo phương trình (4) rồi thay vào phương trình (3) để tính nồng độ bão hòa của oxi trong máu (SaO 2), nhiều thí nghiệm trên thế giới đã chứng tỏ phương pháp trên không còn chính xác khi SaO2 < 85% Thực nghiệm đã tìm ra được cách tính SaO2 như sau: Cho 2 nguồn phát với cùng cường độ sáng: Iin1... tần số đúng bằng tần số của tim, do tác động này của tim mức độ tập trung của HbO2 và Hb cũng thay đổi theo, do đó độ hấp thụ ánh sáng của máu thay đổi và cường độ ánh sáng sau khi truyền qua cũng thay đổi Mức độ hấp thụ của tĩnh mạch, mô và xương hầu như không thay đổi theo nhịp tim Chúng ta có thể xác định nồng độ bão hòa của oxi trong máu bằng cách loại bỏ thành phần một chiều của tín hiệu từ toàn . pháp đo nồng độ bão hòa của oxi trong máu. 1.3. Một số khái niệm 1.3.1. Nồng độ bão hòa của oxi trong máu Do khí O 2 vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng kết hợp nên nồng độ bão hòa. năm. Nồng độ oxy trong máu là một thông tin quan trọng. Ở những người bình thường nồng độ oxy trong máu từ 95 đến 99%. Thiết kế của chúng em là một hệ thống thiết bị đo đạc nồng độ bão hòa oxy trong. Oximeters (SpO 2 ) là một thiết bị đo nồng độ bão hòa oxy trong máu. Chỉ cần kẹp đầu đo vào ngón tay hoặc chân hoặc dái tai là có thể xác định được độ bão hòa oxy trong máu và nhịp tim (mạch). Đây là