Design of integrated diagnostic equipment for tele home healthcare

MỤC LỤC TĨM TẮT ABSTRACT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI CẢM ƠN I TỔNG QUAN II NHỮNG NHIỆM VỤ ĐƯỢC ĐẶT RA VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI III NỘI DUNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI III.1 MÔ TẢ THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ III.1.1 Bo mạch modul phát tín hiệu III.1.2 Module truyền liệu không dây III.1.3 Module thu tín hiệu ECG III.1.4 Module thu tín hiệu SpO2 III.1.5 Kết truyền không dây thử nghiệm III.2 PHẦN MỀM HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN ĐIỆN TIM TRÊN ANDROID III.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp III.2.2 Kết IV NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI V KẾT LUẬN - PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC A MINH CHỨNG ẤN PHẨM KHOA HỌC B MINH CHỨNG KẾT QUẢ ĐÀO TẠO C PHỤ LỤC QUẢN LÝ 8 16 26 30 42 45 46 48 50 51 52 53 TÓM TẮT THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHẨN ĐỐN TÍCH HỢP PHỤC VỤ CHĂM SĨC SỨC KHỎE TỪ XA (TELE-HOME HEALTHCARE) Huỳnh Quang Linh Khoa Khoa học Ứng dụng, trường Đại học Bách khoa – ĐHQG HCM MSĐT: B2012-20-16 Dịch vụ chăm sóc sức khoẻ từ xa thực có nhu cầu thiết kết hợp nhiều lĩnh vực cơng nghệ để thực được: kỹ thuật thiết bị y sinh – thiết bị chẩn đốn hỗ trợ có khả thu nhận truyền tín hiệu xa, cơng nghệ viễn thông – giao diện giao tiếp hệ thống mạng để thực giao tiếp từ xa, công nghệ thông tin – phần mềm giao tiếp, chẩn đoán tự động vv… y khoa - kiến thức chẩn đoán sức khoẻ điều trị bệnh Trong phạm vi đề tài này, mục tiêu đề tài thiết kế chế tạo hệ thiết bị tích hợp bao gồm: - Thiết bị chẩn đốn thơng dụng có khả thu nhận truyền tín hiệu xa ; - Hệ thống giao tiếp trao đổi bác sĩ - bệnh nhân thơng qua máy tính, mạng Internet, điện thoại di động ; - Phần mềm hỗ trợ chẩn đoán ban đầu, phần mềm quản lý bệnh án từ xa Kết thực bao gồm: a) Thiết bị chẩn đoán tích hợp bao gồm 02 modules: điện tim SpO2,ngoại trừ việc cung cấp thông số sinh học nhịp tim, nồng độ oxy máu cho dạng tín hiệu biến thiên theo thời gian thực hỗ trợ bác sĩ chẩn đốn bất thường có b) Các chương trình chẩn đốn điện tim Android, hệ chuyên gia chẩn đoán thử nghiệm để bổ sung cho hệ thống Tuy nhiên khơng tìm địa ứng dụng để thử nghiệm, phần hệ thống giao tiếp bác sĩ – bệnh nhân phần mềm cụ thể chưa hoàn chỉnh, cố gắng phát triển tới điều kiện thích hợp ABSTRACT DESIGN OF INTEGRATED DIAGNOSTIC EQUIPMENT FOR TELE-HOME HEALTHCARE Huynh Quang Linh Faculty of Applied Science, University of Technology – VNU HCM Tele-home healthcare service has actually an urgent need due to the combination of multiple technology areas such as biomedical instrumentation – diagnostic devices capable of wireless detection and transmission of biosignals, telecommunication technology – interface and network capable of remote communication, information technology – doctor-patient interface and diagnostic supporting softwares, medicine – knowledge of medical diagnosis anf treatment Within the scope of the project, the main goal is to design and manufacture an integrated system including: - Common integrated diagnostic equipment capable of wireless detection and transmission of biosignals; - Doctor - patient communication interface using computers, internet and mobile phones; - Supporting diagnostic and medical management softwares a) Diagnostic Equipment includes 02 integrated modules: ECG and SpO2, except for the provision of biological parameters such as heart rate, blood oxygen levels also for signal shape varies with time real support doctors diagnose abnormalities may have b) The ECG diagnostic programs on Android, diagnostic expert systems are tested to complement the system However, due to not finding the address to the test application, the communication system doctor patient and the particular software is not complete, will try next development in appropriate conditions DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Khối ổn định điện áp 5V DC 3.3V DC Hình 2a: Sơ đồ chân ngõ Module HY-LPC1788-CORE Board Hình 2b: Mặt Module HY-LPC1788-CORE Board Hình 2c: Mặt Module HY-LPC1788-CORE Board Hình 3: Khối giao tiếp USB-COM Hình 4: Khối nạp JTAG Hình 5a: Khối kết nối hiển thị cảm ứng Hình 5b: Module LCD hiển thị Module cảm ứng Hình :Khối giao tiếp hình cảm ứng Hình 7: Khối mở rộng lưu trữ thẻ SD Hình 8: Khối phím nhấn Hình 9: Khối Connector bảo vệ ngõ vào Hình 12: Thiết bị HM-TR Hình 13: Sơ đồ kết nối HM-TR với vi xử lý Hình 14: Sơ đồ kết nối HM-TR với máy tính Hình 15: kết thu với 200 mẫu Hình 16: Kết thu với 600 mẫu Hình 17: Kết thu sóng tam giác qua HM-TR với thời gian Tdelay = Hình 18: Module Bluetooth HC-06 Hình 19: Thiết bị nhận tín hiệu USB Bluetooth Dongle Hình 20: Sơ đồ kết nối thu phát Bluetooth Hình 21: Kết thu từ thu phát Bluetooth Hình 22: Module Zigbee DRF1605H V2.0 Hình 23: Sơ đồ kết nối Zigbee với vi xử lý PC Hình 24: Sơ đồ chân module Zigbee DRF1605H Hình 25: Sóng Sin với tần số 150Hz tái tạo VB6.0 Hình 26: Sóng vng với tần số 150Hz Hình 27: Sơ đồ khối SpO2 Hình 27a: Khối tạo nguồn điện áp +-5V DC Hình 27b: Khối chọn đạo trình Hình 27c: Mạch hồi tiếp chân phải Hình 27d: Khối khuếch đại Hình 27e: Khối lọc thông cao, thông thấp, triệt giải 50Hz khuếch đại tầng cuối Hình 28a: Mơ hình kết nối linh kiện vào máy tim giả Hình 28b: Tín hiệu điện tim ghi nhận lại hiển thị - chưa qua lọc số Hình 28c: Tín hiệu điện tim ghi nhận lại hiển thị - Qua lọc số Hình 29: Sơ đồ khối SpO2 Hình 29a: Vi điều khiển MSP430F5338 đóng gói dạng chân QFP100 Hình 29b: Định dịng qua LED dùng trở ballast đặc tuyến V-I LED Hình 29c: Mạch điện tạo nguồn dịng Hình 29d: Mạch cầu H dùng điều khiển tắt mở cường độ chiếu sáng LEDs Hình 29e: Sơ đồ lắp linh kiện dùng OPA381 Hình 29f: Ngõ Opamp chuyển đổi dịng-áp khơng có tụ điện Cf Hình 29g: Ngõ Opamp có tụ điện Cf với tính tốn Hình 29h: Ngõ Opamp gắn tụ Cf cao tính tốn 10 10 11 12 13 13 14 14 15 15 16 17 17 17 18 18 19 20 21 21 22 23 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29 29 30 30 30 31 32 33 34 35 35 36 36 Hình 29i: Đáp ứng Opamp với xung dịng điện photodiode Hình 29j: Ngõ Opamp bị méo dạng Hình 29k: Tín hiệu phục hồi sau chỉnh lại tần số cắt Hình 29l: Biên độ đỉnh-đỉnh tín hiệu thơ thu tầng Hình 29m: Sơ đồ mạch tầng khuếch đại offset dùng OPA333 Hình 29n: Biên độ đỉnh-đỉnh tín hiệu tăng đáng kể sau qua tầng thứ Hình 30a: Tín hiệu thơ thu từ LED hồng ngoại Hình 30b: Tín hiệu thơ thu từ LED đỏ Hình 30c: Tín hiệu từ LED hồng ngoại sau khuếch đại offset Hình 30d: Tín hiệu từ LED đỏ sau khuếch đại offset Hình 30e: Tín hiệu sau lọc nhiễu FIR LED hồng ngoại Hình 30f: Tín hiệu sau lọc nhiễu FIR LED đỏ Hình 30g: Tín hiệu trừ LED hồng ngoại Hình 30h: Tín hiệu trừ LED đỏ Hình 30i: Kết tìm chu kỳ tín hiệu nhịp mạch Hình 31: Giao diện điều khiển máy tính Hình 32: Giao diện điều khiển thiết bị Hình 33: Kết hiển thị tín hiệu SpO2 thiết bị Hình 34: Kết hiển thị tín hiệu ECG thiết bị Hình 35: Kết hiển thị SpO2 ECG Hình 35a: Mơ hỉnh thiết bị điện trị liệu điều khiển khơng dây Hình 36 Một số thơng số điện tâm đồ bình thường Hình 37 Các giai đoạn tiến triển bệnh nhồi máu tim Hình 38 Lưu đồ tổng qt thuật tốn chương trình Hình 39 Lưu đồ cân đối vị trí đỉnh sóng tín hiệu đo tín hiệu mẫu 37 38 38 38 39 39 40 40 40 40 41 41 41 41 42 42 43 44 44 44 45 46 47 47 48 LỜI CẢM ƠN Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn: - KS Trần Anh Huy - ThS Nguyễn Anh Tú - ThS Nguyễn Tuấn Anh - Phịng Thí nghiệm Trọng điểm DCSELAB Đã có đóng góp hỗ trợ chun mơn để hồn thành hướng nghiên cứu Đặc biệt chân thành cảm ơn phòng Khoa học Công nghệ - Dự án trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM chân tình nhắc nhở hỗ trợ thủ tục thời điểm khó khăn để tơi hồn thành đề tài I TỔNG QUAN Tele-home Healthcare dùng nhằm mô tả cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân nhà từ xa thông qua việc sử dụng cơng nghệ thơng tin Dịch vụ chăm sóc sức khỏe bao gồm chẩn đốn điều trị, cung cấp thuốc men, tư vấn, dự phòng phục hồi, bảo hiểm y tế, vv… Ở Việt nam nay, nhu cầu khám chữa bệnh vần đề thời nhức nhối ngành y tế Hiện tượng tải sở khám chữa bệnh chất lượng dịch vụ y tế kèm theo tượng trầm kha chưa thể giải thời gian gần Một số dịch vụ bác sĩ gia đình triển khai nhằm đưa dịch vụ y tế đến tận nhà, giải phần tải dịch vụ công, phương thức chưa thật hiệu Ý tưởng đề tài hình thành hệ thống chăm sóc sức khoẻ từ xa, bác sĩ bệnh nhân giao tiếp từ xa thơng qua phương tiện thông tin mạng Internet, điện thoại di động vv… mà đạt hiệu nhờ vào thiết bị chẩn đốn thơng dụng mà bệnh nhân tự vận hành Bên cạnh hệ thống hỗ trợ bệnh nhân tự thăm dò trước khả triệu chứng bệnh để định hướng việc xác định thăm khám điều trị đâu, tư vấn cho bệnh nhân trình điều trị Nếu làm vậy, hệ thống dịch vụ giúp đỡ đáng kể mặt cho việc giảm tải dịch vụ thăm khám công, mặt cho phép bệnh nhân chọn lựa dịch vụ chất lượng đỡ thời gian, đồng thời nâng cao khả đưa dịch vụ thăm khám đến tận nhà theo nghĩa Hiện tại, Bộ Y Tế chủ trì đề tài cấp Bộ nhằm nghiên cứu mơ hình E Health áp dụng Việt Nam Đề tài chủ yếu tập trung tổng quan mơ hình E Health số nước đề xuất mơ hình phù hợp cho Việt Nam Khi Bộ Y Tế hoàn thành đề án này, nhu cầu xây dựng hệ thống quản lý (bao gồm phần cứng phần mềm) nhằm giúp bác sĩ y tá theo dõi tình trạng bệnh nhân từ xa cấp bách nhằm triển khai công nghệ E Health Việt Nam Đề tài đưa phương án góp phần giải vấn đề Mặt khác, BM Kỹ thuật Y sinh Đại học Quốc tế chủ trương xây dựng hệ thống tương tự đặt mạnh vấn đề chế tạo làm chủ cơng nghệ nội địa hố số dạng thiết bị y tế đại Trong tình hình chung đó, đề tài đề với mục tiêu thực tiễn sau: - Tăng cường khả chẩn đoán ban đầu chăm sóc từ xa việc cung cấp dịch vụ trọn gói bao gồm cung cấp thiết bị chẩn đoán đa năng, cung cấp dịch vụ theo dõi, tư vấn tiện ích tự chẩn đốn - Với mục tiêu chẩn đoán ban đầu, thiết bị chế tạo với tính đặc thù xác định thông số y sinh cho chẩn đốn định hướng nhanh, khơng vào hướng nâng cao tiện ích thiết bị ngoại nhập nhằm giảm giá thành đáng kể khả tích hợp module phục vụ truyền liệu từ xa Tóm lại, đề tài mong muốn thực mơ hình trọn vẹn hệ thống chăm sóc sức khoả từ xa với chức nhằm thử nghiệm cho q trình nâng cấp hồn thiện II NHỮNG NHIỆM VỤ ĐƯỢC ĐẶT RA VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 1) Mục tiêu: - Trong phạm vi đề tài này, mục tiêu cụ thể thiết kế chế tạo hệ thiết bị tích hợp bao gồm: - Thiết bị chẩn đốn thơng dụng có khả thu nhận truyền tín hiệu xa ; - Hệ thống giao tiếp trao đổi bác sĩ - bệnh nhân thơng qua máy tính, mạng Internet, điện thoại di động ; - Phần mềm hỗ trợ chẩn đoán ban đầu, phần mềm quản lý bệnh án từ xa 2) Nhiệm vụ: TT Tên sản phẩm Số lượng - Modul thiết bị chẩn đốn thơng - Đã hồn thành tổ hợp thiết bị dụng: chẩn đốn truyền tín hiệu không * Đo huyết áp, nhịp tim Kết dây yêu cầu thử nghiệm * Đo điện tim - Có 04 luận văn (02 LV cao học * Đo nồng độ Oxy máu 02 LV đại học) thực liên có khả thu nhận truyền tín quan hiệu xa ; - Hệ thống giao tiếp trao đổi bác sĩ bệnh nhân thơng qua máy tính, mạng Chưa thực Internet; - Hoàn thành phần mềm hỗ trợ - Các phần mềm hỗ trợ chẩn đoán ban chẩn đoán điện tim Android đầu, phần mềm quản lý bệnh án từ xa - Các chương trình khác chưa thực 02 báo cáo khoa học Hội nghị - Báo cáo khoa học hội nghị BME2014 (Kỷ yếu IFMBE 2014) báo đăng tạp chí chuyên ngành Hội (ISEMP2013) nghị KHCN2013 III NỘI DUNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI III.1 MÔ TẢ THIếT Kế VÀ THử NGHIệM THIếT Bị * Sơ đồ khối tổng quát modul truyền phát tín hiệu khơng dây - Tín hiệu sinh học (ECG, SpO2…) đưa vào module thu tín hiệu, ngõ khối xử lý hoàn toàn với khếch đại, mạch lọc analog Tín hiệu analog đưa vào khối vi xử lý thông qua khối connector bảo vệ chuyển đổi từ dạng analog sang digital chuyển đổi A DC 12bit tích hợp bên vi xử lý LPC1788 dạng liệu số, liệu số 12bit cho qua thuật toán lọc số (DSP) để triệt dãi hồn tồn tín hiệu khơng mong muốn, sau liệu xử lý hồn tồn biến đổi thành liệu 8bit với thuật toán đơn giản Dữ liệu 8bit đưa tới khối chuyển đổi điện áp mức điện áp TTL theo dạng nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), cuối liệu 8bit đưa vào module truyền phát tín hiệu khơng dây Zigbee, mã hóa phát xạ sóng điện từ dạng RF ngồi Bên cạnh đó, ngồi xuất tín hiệu phát RF, liệu cịn lưu trữ Chip, hiển thị LCD graphics thẻ SD tùy vào mục đích sử dụng Thiết bị thu sóng thu sóng xạ điện từ này, tách sóng, giải điều chế… tín hiệu số chuyển tới khối chuyển đổi mức điện áp sang điện áp máy tính, tín hiệu cuối truyền lên máy tính theo giao thức UART qua cổng RS232 - III.1.1 Bo mạch modul phát tín hiệu * Khối nguồn điện 5V DC, 3.3V DC khối công tắc chuyển áp Cung cấp điện áp 5V DC cho bo mạch Điện áp cho qua khối ổn áp tạo 3.3V DC chuẩn F1 J2 CP3 + D12Vdc + CP4 VIN C1 LED 330Uf /35V HEADER 330uF/35V FB OUT 5V FEEDBACK OUTPOWER 5V_OUT USB_POWER_OUT 1 L1 2 11V D5POWER ON/OFF GND FUSE D3 220uF D5V_OUT + CP7 MBR340 12V + CP8 C10 LED PWR (VCC) DUSB D+ GND 330uF/35V 330uF/35V R4 2K USBConnectionA R3 330 Vusb SW3 5V_PER J4 J3 TP3 5V TP2 SW KEY -SPDT U5 3V3 5V VIN VOUT SW DIP-2/SM LT1117-3.3/DD D3V3 D5V_IN LED 5V_OUT + CP13 330uF/35V CP14+ SWDP1 1 GND 12V INPUT TP1 LM2576ADJ/TO220 U8 330uF/35V R34 330 R5 330 Hình 1: Khối ổn định điện áp 5V DC 3.3V DC Dựa sơ đồ mô tả trên, điện áp ngõ vào thực hai cách sau:  Thông qua giắc cắm ba chân: Đây điện áp lấy từ mạch nguồn xung - điện áp ổn định 12V DC Điện áp hạ áp xuống 5V DC thông qua IC ổn áp LM2576 tụ điện phụ trợ Điện áp 5V DC cung cấp cho Module HY-LPC1788-CORE Board, khối USB-COM vào khối tạo nguồn điện áp chuẩn 3.3V DC  Thông qua cổng USB: Để thuận tiện việc cung cấp nguồn cho mạch, cổng USB thiết kế tương thích cho việc lấy nguồn áp trực tiếp từ máy tình, loại sạc adapter điện áp 5V DC…, điện áp lấy từ cổng sử dụng  Tùy thuộc vào điều kiện lấy điện áp, điện áp lấy cung cấp cho bo mạch điều khiển cơng tắc chuyển mạch SWDP1, sơ đồ kết nối mô tả ... thích hợp ABSTRACT DESIGN OF INTEGRATED DIAGNOSTIC EQUIPMENT FOR TELE- HOME HEALTHCARE Huynh Quang Linh Faculty of Applied Science, University of Technology – VNU HCM Tele- home healthcare service... project, the main goal is to design and manufacture an integrated system including: - Common integrated diagnostic equipment capable of wireless detection and transmission of biosignals; - Doctor... mobile phones; - Supporting diagnostic and medical management softwares a) Diagnostic Equipment includes 02 integrated modules: ECG and SpO2, except for the provision of biological parameters such