Bài viết nghiên cứu và trình bày kết quả nghiên cứu về thiết bị đo có thể cho kết quả đo nhịp tim trong thời gian ngắn, có chi phí rẻ hơn nhiều so với các thiết bị hiện có trên thị trường, nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác của phép đo. Do sử dụng các linh kiện sẵn có, rẻ tiền như Arduino UNO, cảm biến nhịp tim, màn hình LCD, nên sản phẩm sau khi hoàn thiện có chi phí rẻ hơn nhiều thiết bị có sẵn trên thị trường mà vẫn đảm bảo độ chính xác.
TNU Journal of Science and Technology 225(09): 118 - 124 THIẾT KẾ THIẾT BỊ THEO DÕI NHỊP TIM CẦM TAY ỨNG DỤNG CHO VIỆC THEO DÕI SỨC KHỎE TIM MẠCH KHI VẬN ĐỘNG Phùng Trung Nghĩa, Nguyễn Sỹ Hiệp* Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bệnh liên quan tới tim mạch nguyên nhân gây số lượng người chết hàng đầu năm Việt Nam giới Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết bị đo cho kết đo nhịp tim thời gian ngắn, có chi phí rẻ nhiều so với thiết bị có thị trường, đảm bảo độ xác phép đo Do sử dụng linh kiện sẵn có, rẻ tiền Arduino UNO, cảm biến nhịp tim, hình LCD, nên sản phẩm sau hồn thiện có chi phí rẻ nhiều thiết bị có sẵn thị trường mà đảm bảo độ xác Thiết bị sử dụng cho cá nhân, chẳng hạn người tham gia vận động thể thao, hỗ trợ tập phục hồi chức năng… tránh việc vận động sức gây nguy hại tới thể Dữ liệu hiển thị trực tiếp hình lưu lại vào sở liệu thuận tiện cho việc kiểm tra theo dõi hiệu vận động phương pháp tập luyện Từ khóa: Thiết bị theo dõi sức khỏe tim mạch; chăm sóc sức khỏe; hỗ trợ vận động phục hồi chức năng; nhịp tim; thiết bị đo nhịp tim Ngày nhận bài: 04/6/2020; Ngày hoàn thiện: 31/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 DESIGNING DEVICE TO KEEP TRACK OF THE HEART RATE WHICH IS SUITABLE FOR MONITORING HEART HEALTH DURING EXERCISE Phung Trung Nghia, Nguyen Sy Hiep* TNU – University of Information and Communication Technology ABSTRACT Cardiovascular diseases are one of the main causes of deaths each year in Vietnam and around the world This paper presents the results of a research to design a personal device which can measure heart rate quickly, with a lower cost compaired to devices available on the market, but still ensuring the accuracy of the measurement Using low-cost and available components such as Arduino UNO, heart rate Sensor, LCD monitor …, the proposed product is cheaper than many other devices available on the market but still ensures the accuracy required The device can be used for people participating in sports activities, doing exercise and rehabilitation to avoid excessive movements that cause harm to their body The data are displayed directly on the screen and can be saved to a convenient database to check and track the effectiveness of the movement as well as the training method Keywords: Devices for monitoring cardiovascular health; health care; mobility support and rehabilitation; heartbeat; heart rate monitor Received: 04/6/2020; Revised: 31/8/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: nshiep@ictu.edu.vn 118 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phùng Trung Nghĩa Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Thực trạng bệnh tim mạch trở thành vấn đề quan tâm nhiều người Có nhiều ca đột quỵ ghi nhận chơi thể thao, chạy để lại di chứng nặng cho người bệnh, chí tử vong Theo dõi thơng số nhịp tim vận động điều cần thiết để phòng ngừa rủi ro tăng tầm vận động cải thiện sức khỏe Trên thị trường có nhiều loại thiết bị giám sát nhịp tim phục vụ nhu cầu người sử dụng Đặc điểm chung thiết bị ghi đo nhịp tim đối tượng vận động là: -Thiết kế nhỏ gọn: Có thể đeo lên người vận động mà không gây trở ngại; - Hiển thị tức thời: Thời gian hiển thị kết ngắn, kéo dài sau vài giây tiến hành đo; 225(09): 118 - 124 Trên hình thiết bị đo nhịp tim sử dụng nguồn từ Pin lithium 3,7 V nhỏ gọn, [1] sạc nhiều lần Cảm biến cung cấp liệu nhịp tim thời người đo Sau khối điều khiển có nhiệm vụ tính tốn số nhịp phút, đưa cảnh báo đèn led có bất thường Thiết kế hệ thống 3.1 Cơ sở việc thu nhận tín hiệu Trên hình lưu đồ thuật tốn thiết bị đo nhịp tim, tác giả sử dụng module cảm biến nhịp tim XD-58C đo thay đổi cường độ ánh sáng sau qua thể người, phát xung tín hiệu có nhịp tim hình 4, tín hiệu đưa tới vi xử lí để tính tốn hiển thị kết lên hình - Đơn giản dễ sử dụng: Mọi đối tượng sử dụng; - An tồn dùng: Khơng xâm lấn, khơng tiềm ẩn nguy hại tới sức khỏe Bài báo giới thiệu thiết bị có tính ứng dụng cao thực tiễn việc theo dõi sức khỏe tim mạch với độ xác cao chi phí thấp Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống mơ tả hình bao gồm cảm biến nhịp tim thu nhận liệu gửi Arduino xử lí liệu sau hiển thị kết lên LCD theo thời gian thực Hình Dạng tín hiệu nhịp đập nhịp tim [2] Khi thở oxy vào phổi Máu thành phần quan trọng máu Hemoglobine (Hb) vận chuyển oxy từ phổi đến nơi cần thiết thể để đảm bảo sống [3] Hình Vị trí đặt nguồn sáng cảm biến Hình Mơ hình khái niệm hệ thống Sơ đồ khối Hình Sơ đồ khối hệ thống http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình Sơ đồ mạch cảm biến dựa cảm biến xung 119 Phùng Trung Nghĩa Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Cảm biến gắn thể người sử dụng cảm biến nhịp tim gắn đầu ngón tay mạch hỗ trợ cảm biến nhịp tim gắn quanh cổ tay IR LED hình sử dụng để chiếu sáng vào ngón tay người sử dụng ánh sáng hồng ngoại Khi cường độ ánh sáng hồng ngoại phản xạ lại Photo Transistor thay đổi theo huyết áp đầu ngón tay [4] Mỗi nhịp tim, máu đẩy mao mạch ngón tay làm thay đổi cường độ phản xạ hồng ngoại, khiến điện áp đầu phía Photo Transistor thay đổi Điện áp thay đổi đưa qua mạch lọc thông cao để lọc thành phần chiều vào mạch với tần số cắt cao [3] 225(09): 118 - 124 biến đo lên LCD Từ thuật tốn điều khiển chương trình biển qua lưu đồ sau 3.2 Module cảm biến nhịp tim XD-58C Cảm biến nhịp tim XD- 58C hình sử dụng cảm biến ánh sáng APDS9008 hình sử dụng để kiểm tra nhịp tim xây dựng mạch cảm biến xung hồng ngoại Mặt trước cảm biến tiếp xúc với da Sau lọc thơng cao, tín hiệu (theo nhịp tim) khuếch đại lên với hệ số khuếch đại tối đa K Sau lọc thơng thấp với mục đích loại bỏ tạp nhiễu tần số cao (do ánh sáng, rung…) với tần số cắt thấp: Hình Lưu đồ thuật tốn Tín hiệu cuối đưa vào so sánh với điện áp chuẩn qua mạch so sánh để chuyển đổi từ dạng điện áp tương tự sang dạng điện áp số để đưa xử lý khối điều khiển Tín hiệu cuối đầu tín hiệu mức 1, tương ứng với có nhịp đập đầu mức Xung nhịp tim đưa tạo ngắt Arduino uno, có ngắt, Arduino đếm thời gian hai lần xung nhịp đưa để tính số nhịp tim phút Nếu số nhịp tim tính có dấu hiệu bất thường [5] hệ thống phát tín hiệu cảnh báo thống qua LED Sau phân tích yêu cầu đề tài, vi điều khiển phải thực công việc nhận xử lí liệu gửi từ cảm biến nhịp tim Sau truyền liệu, hiển thị giá trị cảm 120 Hình Module XD-58C Hình Cảm biến ánh sáng APDS9008 Bộ cảm biến ánh sáng môi trường xung quanh, đèn LED chiếu ánh sáng vào đầu ngón tay, mơ mao mạch khác cảm http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phùng Trung Nghĩa Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 118 - 124 biến APDS9008 đọc ánh sáng mà bị phản xạ lại Hình sơ đồ mạch bên cảm biến APDS9008 [3] Hình 11 Arduino UNO Hình Mạch cảm biến APDS9008 Ban đầu LED cảm biến đặt song song với Khi đặt ngón tay lên phía cảm biến, ánh sáng từ LED đến tay ta phản chiếu trở lại APDS9008, cảm biến phát thay đổi ánh sáng Do lần tim đập lượng máu thay đổi (đột ngột) làm ánh sáng cảm biến nhận thay đổi Mỗi phát thay đổi, chân Output cảm biến kéo lên VCC, kích mở Opamp đưa xung vng chân Output cảm biến Đếm số xung vuông khoảng thời gian thu nhịp tim cần đo 3.3 Khối vi xử lý Đồ thị hình 10 cho biết kết test Arduino so với đối thủ khác, ta biết BeagleBone đứng đầu test Trong arduino Uno thấp so với đối thủ Trên hình 11 Khối vi xử lý Arduino Uno có chức thu thập xử lý liệu từ cảm biển, đồng thời hiển thị liệu lên hình LCD Kit có sẵn jump kết nối dễ dàng với thiết bị ngoại vi 3.4 Khối hiển thị LCD 16x2 loại hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị dòng chữ số bảng mã ASCII hình 12, Dữ liệu thu xử lí hiển thị Text LCD chia sẵn thành ô ứng với ô hiển thị ký tự ASCII Kích thước nhỏ gọn, tiêu tốn điện Hình 12 LCD 16x2 3.5 Khối nguồn Khối nguồn sử dụng pin 3,7V hình 13 litium để cung cấp điện áp cho hệ thống, đảm bảo tính nhỏ gọn, tiện lợi di chuyển, vận động sử dụng nhiều lần Hình 13 Pin lithium 3000mAh Hình 10 Đồ thị test Benchmark arduino so với dòng khác [6] Tuy nhiên, tác giả chọn Arduino Uno giá thành thấp mà đảm bảo yêu cầu toán đưa http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Kết thực nghiệm 4.1 Kiểm thử thực tế Tiến hành thử nghiệm: quấn miếng dính chặt vào ngón tay, đảm bảo cho cảm biến nhịp tim XD-58 tiếp xúc tốt với da, khơng bị kênh, hở khiến ánh sáng bên ngồi lọt vào Tiến hành quấn vịng bít máy Omron Hem-7200 vào bắp tay cịn lại hình 14 Vịng trịn bít nằm vị trí ngang tim Dán miếng dính cố định lại vịng bít 121 Phùng Trung Nghĩa Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Tiến hành 30 phép đo ngẫu nhiên với đối tượng đo trạng thái nghỉ, suy nghĩ vận động, kết thu hiển thị đồng thời hình 15 Nhịp tim có thay đổi tùy vào trạng thái hoạt động thể để đáp ứng đủ lượng nhu cầu Oxy dinh dưỡng Dữ liệu thu lưu vào bảng bảng với hai trường hợp để lấy liệu Hình 14 Đo đồng thời với thiết bị Omron Hình 15 Kết đồng thời hai thiết bị Trường hợp 1: Khi thể trạng thái nghỉ ngơi, ta tiến hành đo lấy số liệu Các lần đo liệt kê bảng Lần đo 17 18 29 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 GTTB Cảm biến XD58 75 78 79 76 68 70 70 78 76 77 70 72 71 73 72,6 225(09): 118 - 124 Omron Hem 7200 5,76 29,16 40,96 11,56 21,16 6,76 6,76 29,16 11,56 19,36 6,76 0,36 2,56 0,16 13,96 76 79 79 77 69 72 73 80 74 76 74 73 69 72 73,3 7,29 32,49 32,49 13,69 18,49 1,69 0,09 44,89 0,49 7,29 0,49 0,09 18,49 1,69 14,75 Từ bảng ta thấy, độ sai lệch đo cảm biến XD-58 với thiết bị Omron Hem7200 với kết đo tương ứng từ - nhịp Và giá trị kì vọng, tức giá trị nhịp tim trung bình lần đo sử dụng cảm biến XD58 72,6 nhịp/phút Còn với thiết bị Omron Hem-7200 73,3 nhịp/phút Dựa vào phương sai đo mức độ tin cậy kì vọng Ta tiến hành tính phương sai phép đo thu bảng Phương sai sử dụng cảm biến XD-58 là: Bảng Thử nghiệm thể trạng thái nghỉ Lần đo 10 11 12 13 14 15 16 122 Cảm biến XD58 70 69 72 65 73 72 70 75 68 67 80 75 74 71 76 70 Omron Hem 7200 6,76 12,96 0,36 57,76 0,16 0,36 6,76 5,76 21,16 31,36 54,76 5,76 1,96 2,56 11,56 6,76 73 73 74 64 75 75 68 75 68 66 77 73 75 74 78 69 Dn = 13,96 0,09 0,09 0,49 86,49 2,89 2,89 28,09 2,89 28,09 53,29 13,69 0,09 2,89 0,49 22,09 18,49 Tương tự áp dụng công thức tính phương sai sử dụng thiết bị Omron Hem-7200 Dn= 14,75 Kết thu ta thấy giá trị phương sai phép đo sử dụng cảm biến XD-58 thiết bị Omron Hem-7200 xấp xỉ Và 13,96 14,75 Điều có nghĩa, kì vọng hai giá trị có độ tin cậy tương đương Trong kì vọng giá trị trung bình hai phép đo sử dụng Cảm biến XD-58 thiết bị Omron Hem-7200 có giá trị 72,6 nhịp/phút 73,3 nhịp/phút xấp xỉ Phương sai http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Phùng Trung Nghĩa Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN có giá trị nhỏ có mức độ tin cậy Ở bảng số liệu dễ dàng nhận thấy phương sai phép đo sử dụng cảm biến XD58 có độ tin cậy kì vọng cao Trường hợp 2: Khi thể vừa vận động xong Từ bảng ta thu giá trị nhịp tim trung bình giá trị đo xấp xỉ nhau, giá trị nhịp tim trung bình đo cảm biến XD-58 thiết bị Omron Hem-7200 103,1 nhịp/phút 102,6 nhịp phút Bảng Thử nghiệm với đối tượng vận động Lần đo 10 11 12 13 14 15 16 17 18 29 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 GT TB Cảm biến XD-58 87 87 88 89 90 90 90 95 95 96 96 98 98 98 99 99 100 105 107 109 110 111 115 116 117 120 120 121 122 125 103,1 259 259 228 198,8 171,6 171,6 171,6 65,61 65,61 50,41 50,41 26 26 26 16,81 16,81 9,61 3,61 15,21 34,81 47,61 62,41 141,61 166,41 193,21 285,61 285,61 320,41 357,21 479,61 140,2 Omron Hem 7200 84 87 87 88 89 90 93 95 95 96 97 97 97 98 98 100 105 105 107 109 110 112 114 115 116 117 117 120 120 121 102,6 Áp dụng cơng thức tính phương sai http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 345,9 243,3 243,3 213,1 184,9 158,7 92,16 57,76 57,76 43,56 31,36 31,36 31,36 21,16 21,16 6,76 5,76 5,76 19,36 40,96 54,76 88,36 129,9 153,7 179,5 207,3 207,3 302,7 302,7 338,5 127,4 225(09): 118 - 124 Ta thu phương sai sử dụng cảm biến XD-58 là: Dn =140,2 Và phương sai sử dụng thiết bị Omron Hem-7200 Dn = 127,4 Giá trị nhịp tim có độ chênh lệch lớn so với bảng cường độ vận động thay đổi từ vận động nhẹ vận động nặng dẫn tới nhịp tim có giá trị thay đổi theo Giá trị nhịp tim trung bình sử dụng cảm biến XD-58 Omron 7200 103,1 nhịp/phút 102,6 nhịp/phút Dựa vào phương sai thấy rõ giá kì vọng phép đo sử dụng thiết bị Omron Hem7200 đáng tin cậy Tuy nhiên, giá trị phương sai chênh 4.2 Đánh giá thực nghiệm Thiết bị hoạt động ổn định: Sau tiến hành nhiều phép thử đồng thời thiết bị sử dụng cảm biến XD-58 thiết bị Omron Hem-7200 giá trị đo thu gần Khơng có chênh lệch lớn kết hai thiết bị lần đo Độ tin cậy phép đo nhịp tim sử dụng cảm biến XD-58 tương đương với phép đo sử dụng thiết bị Omron Hem-7200 Các yếu tố gây sai số ảnh hưởng đến kết đo như: nhiễu ánh sáng, tiến hành phép đo chưa xác, nhiệt độ mơi trường Và đặc biệt trạng thái thể vận động, suy nghĩ dẫn tới thay đổi nhịp tim, khoảng thời gian phút giá trị nhịp tim bị ảnh hưởng yếu tố kể Dù có sai số yếu tố khách quan gây giá trị đo chấp nhận Thiết bị hoạt động liên tục thời gian 7,5 tiếng không cần sạc, thời gian sử dụng tăng lên bật thiết bị lên cần lấy liệu 123 Phùng Trung Nghĩa Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Kết luận Bài báo nghiên cứu thiết kế thiết bị theo dõi nhịp tim cầm tay ứng dụng cho việc theo dõi sức khỏe tim mạch vận động giải yêu cầu toán độ tin cậy giá thành sản phẩm Hỗ trợ phục hồi chức tăng tầm vận động, đảm bảo an toàn cho sức khỏe Thiết bị thiết kế có độ ổn định cao, cho kết nhanh chóng, dễ sử dụng phù hợp với đối tượng Bài báo mở rộng tùy vào yêu cầu đặc thù việc theo dõi sức khỏe Nghiên cứu nâng cấp hệ thống theo hướng kết nối với thiết bị di động, theo dõi tình trạng tim mạch từ xa đưa cảnh báo có dấu hiệu bất thường Vì chi phí khoảng 250 nghìn đồng, thấp nhiều so với sản phẩm có thị trường phù hợp với mức thu nhập nhiều người [2] [3] [4] [5] TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] M Essalat, M Boloursaz Mashhadi, and F Marvasti, “Supervised Heart Rate Tracking using Wrist-Type Photoplethysmographic (PPG) Signals during Physical Exercise without Simultaneous Acceleration Signals,” IEEE Global Conference on Signal and 124 [6] 225(09): 118 - 124 Information Processing (GlobalSIP 2016), USA, Dec 2016 P Davey, “A new physiological method for heart rate correction of the QT interval,” Heart, vol 82, no 2, pp 183-186, 1999 H K Azman, and A Hafiz, “Development of a Low-Power Heart Rate Monitor Device for Observation of Heart Rate Variability,” IEEE International Conference on Smart Instrumentation, Measurement and Application (ICSIMA), 2019 C J Deepu et al., “An ECG-SoC with 535nW/channel lossless data compression for wearable sensors,” in Proc IEEE Asian SolidState Circuits Conf, 2013, pp 145-148 M B Mashhadi, M Essalat, and M Ahmadi, “An Improved Algorithm for Heart Rate Tracking during Physical Exercise Using Simultaneous WristType Photoplethysmographic (PPG) and Acceleration Signals,” 23rd Iranian Conference on Biomedical Engineering and 2016 1st International Iranian Conference on Biomedical Engineering (ICBME), 2016 D S R Krishnan, and S C Gupta, “An IoT based Patient Health Monitoring System,” International Conference on Advances in Computing and Communication Engineering, 2018 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... nghiên cứu thiết kế thiết bị theo dõi nhịp tim cầm tay ứng dụng cho việc theo dõi sức khỏe tim mạch vận động giải yêu cầu toán độ tin cậy giá thành sản phẩm Hỗ trợ phục hồi chức tăng tầm vận động, ... tầm vận động cải thiện sức khỏe Trên thị trường có nhiều loại thiết bị giám sát nhịp tim phục vụ nhu cầu người sử dụng Đặc điểm chung thiết bị ghi đo nhịp tim đối tượng vận động là: -Thiết kế. .. đảm bảo an toàn cho sức khỏe Thiết bị thiết kế có độ ổn định cao, cho kết nhanh chóng, dễ sử dụng phù hợp với đối tượng Bài báo mở rộng tùy vào yêu cầu đặc thù việc theo dõi sức khỏe Nghiên cứu