Nghiên cứu thiết kế mô hình máy đo nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - NGUYỄN VĂN NGỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY ĐO NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ T HUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM VĂN TUẤN Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Phản biện 2: TS Lương Hồ ng Khanh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 02 tháng năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Một tình trạng diễn phổ biến là: Hầu hết vụ tai nạn giao thông, nạn nhân tử vong trước đưa đến bệnh viện Lý giải điều này, bác sĩ thống quan điểm chậm trễ việc sơ cứu bệnh nhân chờ xe cứu thương Ngoài ra, trường hợp phổ biến khác bệnh nhân có tiền sử mắc bệnh cao huyết áp, bệnh tim mạch hay bệnh nhân phẫu thuật cần thời gian điều trị theo dõi Các thống kê rằng, đối tượng vào ban đêm ngủ thường có tình trạng tim ngừng đập, ngừng thở đột ngột, hay huyết áp tăng giảm cách đột ngột Tình trạng biện pháp phát sơ cứu kịp thời bệnh nhân dẫn tới tình trạng đột quỵ hay tai biến mạch máu não dẫn đến tử vong Qua dẫn chứng cụ thể trên, thấy tầm quan trọng việc phát sớm thay đổi đột ngột bệnh nhân cách đo thông số nhịp tim, SpO2 ( thông số sinh tồn), từ thông số ta đưa cảnh báo, chẩn đoán cách nhanh có thể, để hướng dẫn cho nhân viên y tế hay chí người nhà bệnh nhân có biện pháp sơ cứu kịp thời chờ xe cứu thương đến, từ giảm thiểu thương vong Chính nhận cần thiết thiết bị di động đo thông số sinh tồn lúc nơi, hay thiết bị theo dõi, cảnh báo tình trạng bệnh nhân đời tất yếu Footer Page of 126 Header Page of 126 2 Mục đích nghiên cứu Thiết kế mô hình đo nh ịp tim nồng độ oxy máu bệnh nhân phương pháp không xâm lấn [11], [23] Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu - Kiến thức y sinh hoạt động tim, nồng độ oxy máu, nguyên lý hoạt động cảm biến [33] - Thuật toán xử lý tín hiệu nhận từ cảm biến - Vi điều khiển dùng để thiết kế mô hình đo giám sát [6], [7], [10] - Phần mềm tương tác Smartphone [16], [17] - Thiết kế bảng mạch thử nghiệm hoàn chỉnh cho mô hình đo - Các phương pháp đánh giá độ tin cậy độ xác thiết bị đo thiết kế b Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim nồng độ oxy máu không xâm lấn sử dụng kỹ thuật truyền xuyên qua [6], [7], [32] Nội dung luận văn tập trung thiết kế tiền xử lý tín hiệu mạch xử lý trung tâm [14], [25] Đồng thời nghiên cứu sử dụng môi trường Java Eclipse để xây dựng phần mềm hệ điều hành Android [16], [17] Phạm vi nghiên cứu đề tài giới hạn mô hình máy đo thông số nhịp tim, SpO2 dùng vi điều khiển tiêu thụ công suất thấp Footer Page of 126 Header Page of 126 Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu nhu cầu, cấp thiết thực tế, khảo sát giải pháp có hi ện nay, so sánh, đánh giá giải pháp đưa nhận xét cho giải pháp - Thu thập tài liệu, tìm hiểu nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim nồng độ oxy phương pháp không xâm lấn [11], [23] - Xử lý liệu đưa từ cảm biến, truyền liệu qua giao tiếp Bluetooth - Xây dựng phần mềm hệ điều hành Android [16], [17] Ý nghĩa khoa h ọc thực tiễn Các phương pháp đo trước sử dụng xâm lấn, nghĩa tác động đến thể bệnh nhân, ví dụ dùng phương pháp đo khí máu [8],[27] Phương pháp đo khí máu lấy mẫu máu bệnh nhân đem phân tích cho nhiều thông số có SpO2 [27] Điều làm cho bệnh nhân cảm thấy khó chịu khó sử dụng để theo dõi liên tục Đề tài đề xuất phương pháp đo nhịp tim nồng độ oxy máu (SpO2) phương pháp không xâm lấn [11], [23] Từ không xâm lấn có nghĩa không tác đ ộng đến thể bệnh nhân cách sử dụng đầu đo cảm biến gắn đầu ngón tay Đầu đo thiết kế cho bệnh nhân không cảm thấy khó chịu gắn để tiến hành đo liên tục khoảng thời gian dài Việc thiết kế xử lý tín hiệu trước sử dụng mạch lọc, mạch khuếch đại IC thông thường, việc tính toán đo Footer Page of 126 Header Page of 126 đạc tín hiệu thực loại vi điều khiển có điện áp 5V [26], [31] Với mục đích nghiên cứu thiết bị di động [3], đề tài đề xuất giải pháp thiết kế lọc, khuếch đại nhỏ gọn sử dụng IC chuyên dụng với điện áp tiêu thụ khoảng 1.8-3V [26] Đề tài s dụng vi điều khiển tiêu thụ nguồn thấp Texas Instruments MSP430, VĐK s dụng nguồn 1.8-3V có tích hợp DAC, ADC phục vụ cho việc lấy mẫu tín hiệu Đề tài nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế thiết bị di động đo nhịp tim, SpO2 bệnh nhân lúc, nơi theo dõi bệnh nhân liên tục Với giá thành chấp nhận được, đề tài giải pháp hữu ích cho hộ gia đình, b ệnh viện, trường học việc chăm sóc theo dõi bệnh nhân Cấu trúc luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm chương sau: CHƯƠNG TỔNG QUAN Nghiên cứu thực trạng nay, cấp thiết cần phải có đề tài Tìm hiểu lý thuyết y sinh lĩnh vực đo nhịp tim SpO2, mối quan hệ hấp thụ bước sóng ánh sáng khác phân tử Hb HbO2 để từ đưa công thức để tính toán CHƯƠNG KHẢO SÁT, ĐƯA RA TIÊU CHÍ CỦA ĐỀ TÀI Khảo sát giải pháp có thực tế kể nước nước ngoài, nhận xét, đánh giá giải pháp theo tiêu chí định Footer Page of 126 Header Page of 126 - Xây dựng giải pháp dựa nhu cầu thực tế đưa tiêu chí đề tài, xây dựng mô hình tổng quan đề tài dựa sơ đồ khối CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO Từ tiêu chí đề tài, mô hình tổng quan chương 2, chương xây dựng mô hình cụ thể Dựa mô hình cụ thể này, phân tích, lựa chọn thành phần cho khối mô hình đo cho phù h ợp với mục đích đề tài CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Tìm hiểu tiêu chí đánh giá hệ thống, sau áp dụng để đánh giá kết mô hình đề tài Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm tính khả thi đề tài Nêu hướng phát triển đề tài cho thương mại hóa thành sản phẩm Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương trình bày tình trạng diễn thực tế, nguồn gốc đời SpO2 máy đo nhịp tim SpO2 Chương trình bày lý thuy ết vận chuyển oxy máu, nguyên lý hoạt động Pulse Oximeter, mối quan hệ hấp thụ sóng ánh sáng khác Hb HbO2 Đưa công thức để tính toán thông số nhịp tim SpO2 1.2 THỰC TRẠNG HIỆN NAY 1.3 NGUỒN GỐC CỦA SPO2 VÀ SỰ RA ĐỜI CỦA PULSE OXIMETER 1.4 SỰ VẬN CHUYỂN OXY TRONG MÁU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PO (1.1) Hình 1.6 Quang phổ hấp thụ Hb HbO2 [22] Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 1.7 Cường độ hấp thụ ánh sáng máu Hình 1.8 Đường cong mối quan hệ tỉ lệ R/IR % bão hòa oxy định luật Beer-Lambert thực nghiệm [11] Bằng trình thực nghiệm, người ta tìm kỹ thuật để đơn giản hóa sau [17], [19]: Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 (1.7) Phương trình tối giản giản cách điều khiển dòng qua Led để mức DC Led đỏ với mức DC led hồng ngoại tỉ lệ (R/IR) rút gọn lại sau [19]: (1.8) Sau tìm R từ phương trìn h trên, SpO2 tính theo phương trình sau [19], [23], [28]: (1.9) 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày vấn đề khó khăn gặp phải thực tế xác định sớm thông số sinh tồn bệnh nhân mà SpO2 nhịp tim thông số Ngoài ra, chương tìm hi ểu nguồn gốc SpO2 đời PO Sự vận chuyển oxy máu đư ợc diễn giải chi tiết trực quan, giúp cho có nhìn sâu thành phần nhiệm vụ máu thể Qua chương biết hấp thụ Hb HbO2 bước sóng khác mức sai khác phụ thuộc vào nồng độ bão hòa oxy máu Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 so sánh, đánh giá tiêu chí thiết bị y tế Chương trình bày giải pháp đề tài, đưa sơ đồ khối tổng quan kết minh họa giải pháp Từ sơ đồ khối tổng quan tiến hành đưa nhận định nhiệm vụ phần, phân tích để đưa cấu trúc mô hình bao gồm thành phần : thiết bị đo Smartphone để hiển thị kết chẩn đoán ban đầu Việc lựa chọn, phân tích cụ thể chức khối, linh kiện sử dụng khối thực chương Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 11 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO 3.1 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUAN CỦA GIẢI PHÁP Chương đề xuất mô hình đo cụ thể bao gồm khối tiền xử lý, khối lọc khuếch đại, khối lấy mẫu tính toán, cuối khối giao tiếp với Smartphone Sau lựa chọn chức cụ thể khối thiết kế chi tiết, tính toán, lựa chọn linh kiện khối Đồng thời xây dựng lưu đồ thuật toán viết chương trình cho vi điều khiển Bên cạnh tìm hiểu môi trường Java Eclipse để thiết kế giao diện phần mềm Smartphone để tương tác với thiết bị để hiển thị thông số nhịp tim SpO2 đưa chẩn đoán ban đầu bệnh nhân 3.2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ĐO Nội dung quan trọng phần đề xuất mô hình đo cụ thể bao gồm khối mục b) Sau tham khảo tài liệu chuẩn nguyên lý hoạt động PO, tài liệu thiết kế lọc, vi điều khiển, hình 3.1 sơ đ khối tổng quan mô hình đo Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 Hình 3.1 Sơ đ khối mô hình máy đo 3.3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO P6 10 3.3.1 Khối cảm biến +IR_LED, -RED_LED -IR_LED, +RED_LED CATHODE_PHOTODIODE 11 CONNECTOR DB9 Hình 3.8 Sơ đ chân kết nối với mạch tiền xử lý Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 3.3.2 Khối điều khiển Led 3.3.3 Khối tiền xử lý a) Mạch chuyển đổi I/V VCC_3V C4 104 R22 VCC_3V 2VIN = 0.32V + 10K CATHODE_PHOTODIODE U4 AUTO GAIN CONTROL OPA380 0.047uF(473) C3 R17 1MHz Hình 3.13 Mạch chuyển dòng thành áp I/V b) Mạch tạo điện áp so sánh khuếch đại VCC_3V C9 104 + R2 20K - U6 OPA333 2 Vref R1 220K 0.47u C26 Hình 3.15 Mạch lọc khuếch đại vi sai lọc thông thấp Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 14 c) Mạch lọc thông thấp Sallen-key d) Mạch lọc thông cao Sallen-key 3.3.4 Lấy mẫu tín hiệu mạch VĐK 3.3.5 Giao tiếp Bluetooth 3.3.6 Khối nguồn 3.4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM TƯƠNG TÁC 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương đ ề xuất mô hình đo cho giải pháp đề tài Từ mô hình đo ti ến hành phân tích, thiết kế thành phần khối Sau lắp ráp khối lại với thành hệ thống hoàn chỉnh Từ sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh hệ thống, tiến hành thi công mạch kiểm tra chức cụ thể khối Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 15 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Ở chương trước tìm hiểu, phân tích sản phẩm, giải pháp nước Đưa sơ đồ khối mô hình đo, tiến hành phân tích, lựa chọn thành phần linh kiện khối, thi công mạch xây dựng phần mềm cho VĐK phần mềm tương tác Smartphone 4.2 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MỘT SẢN PHẨM PO CẦM TAY 4.3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA MÔ HÌNH 4.3.1 Phân tích kết a) Dạng sóng ngõ I/V Hình 4.1 Dạng sóng hấp máu Led IR ngõ I/V Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 16 Hình 4.2 Dạng sóng hấp máu Led Red ngõ I/V b) Kết tiền xử lý Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 17 Hình 4.3 Dạng sóng hấp máu Led IR ngõ lọc thông thấp Sallen-key Hình 4.4 Dạng sóng hấp máu Led Red ngõ lọc thông thấp Sallen-key Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 18 c) Bảng mạch hoàn chỉnh Hình 4.5 Mô hình đo m ặt Trước Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 19 Hình 4.6 Mô hình đo mặt Sau d) Kết phần mềm Smartphone (a) Footer Page 21 of 126 (b) (c) Header Page 22 of 126 20 Hình 4.7 Giao diện phần mềm Smartphone 4.3.2 Đánh giá kết mô hình a) Đánh giá theo tiêu chí đề Bảng 4.1: Kết đo SpO2 nhịp tim người bình thư ờng STT SpO2 Nhịp tim (%) (Số nhịp/Phút) Người L1 L2 L3 L1 L2 L3 Người 92 90 97 75 73 73 Người 97 94 96 63 72 75 Người 96 97 83 85 80 82 Người 96 40 83 70 30 35 Người 97 95 97 70 75 72 Bảng 4.2: Kết đo SpO2 nhịp tim người vừa tập thể dục STT Người SpO2 Nhịp tim (%) (Số nhịp/Phút) L1 L2 L3 L1 L2 L3 Người 96 95 97 120 122 120 Người 97 94 97 110 113 111 Người 98 99 97 60 65 62 Người 96 85 83 96 98 97 Người 97 95 97 85 88 87 Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 21 Bảng 4.3 kết mô hình so sánh với máy đo chuẩn bệnh viện Bảng 4.3 Bảng so sánh kết mô hình đo máy đo chuẩn Máy đo Họ Tên SpO2 Nhịp tim (%) (Số nhịp/Phút) L1 L2 L3 L1 L2 L3 Máy đo Ngô Đinh Nhật Hoàng 98 98 98 89 82 80 Mô hình Ngô Đinh Nhật Hoàng 96 94 97 89 82 80 Máy đo Nguyễn Văn Ngọc 98 98 98 79 80 83 Mô hình Nguyễn Văn Ngọc 95 98 96 66 75 67 b) Ưu điểm mô hình đo Phần cứng thiết kế với số lọc tối thiểu nhằm giảm bớt cồng kềnh thi công Do đó, tương lai mạch thiết kế gọn nhẹ mà đảm bảo yêu cầu đặt Thêm ưu điểm mô hình ý tư ởng sử dụng Smartphone giao tiếp với thiết bị để hiển thị kết quả, vẽ biểu đồ thống kê, đưa chẩn đoán lâm sàng, điều mà thiết bị đo đạc cầm tay trước chưa làm Việc theo dõi nồng độ oxy máu cần thiết cho bác sĩ chẩn đoán phát sớm tình trạng thiếu oxy gây biến chứng nghiêm trọng cho bệnh nhân Khi theo dõi độ bão hòa oxy mạch đập xác làm giảm việc phân tích khí máu động mạch Theo dõi độ bão hòa oxy theo mạch đập dễ làm, Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 22 làm thủ thuật xâm lấn, không tai biến, thời gian nhanh so với lấy máu động mạch phương pháp phân tích khí máu c) Nhược điểm mô hình đo Phần cảm biến đư ợc chế tạo theo nguyên lý, tín hiệu thu có nhiễu lớn, nên mô hình phải dùng cảm biến có sẵn Covidien Hiện mô hình sử dụng loại cảm biến đo nhiều lần nên hoạch toán chi phí cho mô hình giá thành mô hình thời điểm cao 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương cho thấy số kết đạt mô hình Như dạng sóng hấp thụ ánh sáng máu led khác truyền qua đầu ngón tay Ngoài có phần mềm tương tác Smartphone với tính Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 23 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đề tài tạo mô hình máy đo nh ịp tim nồng độ oxy máu kỹ thuật không xâm lấn Các khối tiền xử lý rút gọn xuống mức tối thiểu, mô hình thiết kế để sử dụng với mức điện áp 3V, thay 5V trước [26], [31] Những thông số kết mặt kỹ thuật khối tiền xử lý tương đương với kết đề tài công b ố trước [30] Phần mềm xây dựng với chức tùy chọn phù hợp với đối tượng, nhiệm vụ cụ thể Ở thời điểm số chức phần mềm chưa sử dụng tương lai tiếp tục phát triển để hoàn thiện Thông qua đo đạc số đối tượng khác kết chung đối tượng phù hợp với quy định nhịp tim SpO2, xem thêm bảng [4.1], [4.2] Tóm lại, Ở thời điểm tại, mô hình đo có chức đo thông số SpO2 nhịp tim người sử dụng lần thời điểm Khoảng cách lần đo liên tiếp phút Kết mô hình đo so sánh với máy đo đại đạt độ xác tương đối Phần mềm tương tác Smartphone có khả hiển thị, lưu liệu vào nhớ gửi liệu qua email thông qua kết nối 3G wifi tới địa email cài đặt trước nhập Ngoài ra, vừa đo xong, nhịp tim SpO2 Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 24 nằm quy định Smartphone phát âm thanh, đồng thời thông báo để nhắc nhở người dùng Hướng phát triển Để phát triển từ mô hình đo thành thiết bị đo đòi h ỏi cần nhiều công sức, lần thử nghiệm, nâng cấp, thay Đối với mô hình đo này, có th ể thiết kế lọc tối ưu nhằm khôi phục lại gần hoàn toàn dạng tín hiệu Phần mềm tương lai có chức chẩn đoán dựa thông số đo để hỗ trợ bác sĩ định cuối Mô hình thiết kế nhỏ gọn nhờ sử dụng VĐK nhỏ đảm bảo tiêu chuẩn tiêu thụ nguồn thấp, tích hợp ADC, DAC Khi kết hợp với kỹ thuật layout chống nhiễu tốt mô hình chế tạo nhỏ gọn nhiều Footer Page 26 of 126 ... 21 Bảng 4.3 kết mô hình so sánh với máy đo chuẩn bệnh viện Bảng 4.3 Bảng so sánh kết mô hình đo máy đo chuẩn Máy đo Họ Tên SpO2 Nhịp tim (%) (Số nhịp/ Phút) L1 L2 L3 L1 L2 L3 Máy đo Ngô Đinh Nhật... hoạt động PO, tài liệu thiết kế lọc, vi điều khiển, hình 3.1 sơ đ khối tổng quan mô hình đo Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 Hình 3.1 Sơ đ khối mô hình máy đo 3.3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH... 126 23 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đề tài tạo mô hình máy đo nh ịp tim nồng độ oxy máu kỹ thuật không xâm lấn Các khối tiền xử lý rút gọn xuống mức tối thiểu, mô hình thiết kế để sử