Ứng dụng FPGA trong thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đào Minh Thành ỨNG DỤNG FPGA TRONG THIẾT KẾ MÁY THEO DÕI BỆNH NHÂN ĐA THÔNG SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM NGỌC NAM HàNội – Năm 2016 Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số MỤC LỤC Mở đầu:……………………………………………………………………………………………………………….…………… … b Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu c Phương pháp nghiên cứu d Đóng góp luận văn e Cấu trúc luận văn Chương 1: Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ FPGA VÀ NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH VHDL 1.1 Giới thiệu FPGA 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Ứng dụng 1.1.3 Hệ thống mạch liên kết 1.1.4 Các phần tử tích hợp sẵn 1.2 Ngơn ngữ lập trình cho FPGA 10 1.2.1 Giới thiệu 10 1.2.2 Ngôn ngữ VHDL 10 Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ MÁY THEO DÕI BỆNH NHÂN ĐA THÔNG SỐ 2.1 Khảo Sát Hệ Thống Monitor đa thông số 26 2.2 Chức monitor đa thông số 28 2.2.1 Hiển thị tín hiệu điện tim 28 2.2.2 Hiển thị tín hiệu SPO2 29 2.2.3 Hiển thị tín hiệu huyết áp 30 2.3 Cơ sở lý thuyết hệ thống monitor đa thông số 31 2.3.1 Phép đo nhịp tim(HR) 31 2.3.2 Phép đo nhịp mạch 33 2.3.3 Phép đo huyết áp 33 2.3.4 Phép đo nhiệt độ 41 2.3.5 Phép đo nhịp thở 42 2.3.6 Ghi tín hiệu điện tim ECG 46 2.3.7 Độ bão hòa oxi máu SpO2 52 Chương 3: SỬ DỤNG KIT FPGA ĐỂ THIẾT KẾ MÁY THEO DÕI BỆNH NHÂN ĐA THƠNG SỐ 3.1 Sơ đồ khối thơng số máy theo dõi bệnh nhân 55 GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số 3.2 Sơ đồ khối FPGA theo dõi tín hiệu điện tim ECG 60 3.2.1 Cảm biến tín hiệu ECG 61 3.2.2 Mạch số hóa tín hiệu điện tim ECG 62 3.2.3 Bộ xử lý hiển thị 64 3.2.4 Code lập trình cho Kid FPGA 73 3.3 Kết luận chung hướng phát triển đề tài 105 GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: trúc FPGA………………………………………………………4 Hình 1.2: Khối logic FPGA……………………….………………………7 Hình 1.3: Cấu trúc process……………………………………………… …….14 Hình 1.4: Sơ đồ khối Testbench……………………………………… … 15 Hình 1.5: Giao diện phần mềm ISE…………………………………………….16 Hình 1.6: Các lựa chọn tạo project với Virtex 4……………………………… 20 Hình 1.7: Khai báo cổng cho ví dụ tạo counter bit…………… 21 Hình 1.8: Thiết lập tham số mơ phỏng…………………………………… 23 Hình 1.9: Thiết lập thời gian đếm tiến, lùi cho counter……………………… 24 Hình 1.10: Kết mơ counter…………………………………….24 Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân…………………………… 26 Hình 2.2: Sơ đồ khối máy theo dõi bệnh nhân đa thơng số……………………27 Hình 2.3: Sơ đồ mạch khối EGG/RESP……………………………………… 28 Hình 2.5 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu cảm biến Spo2…………………………29 Hình 2.6: Sơ đồ khối khối NIBP……………………………………………….30 Hình 2.7: Nguyên lý chuyển đổi tần số sang điện áp để theo dõi nhịp tim tức thì………………………………………………………………………………32 Hình 2.8: Sơ đồ khối máy……………………………………………… 33 Hình 2.9: Ảnh cấy cảm biến trực tiếp vào động mạch…………………… …35 Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện đo huyết áp tâm thu tâm trương…………….36 Hình 2.11: Dạng sóng tín hiệu thu đo theo phương pháp Korotkoff dao động kế 37 Hình 2.12: Phương pháp đo huyết áp gián Rheographic………… 38 Hình 2.13: Các khối thiết bị đo huyết áp siêu âm………………40 Hình 2.14: Sơ đồ khối chi tiết đo nhiệt độ hiển thị số trực tiếp…………… 41 Hình 2.15: Nguyên lý phương pháp đo trở kháng phổi………………………43 Hình 2.16: Nồng độ CO2 hít vào thở ra……………………………….45 GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thơng số Hình 2.17: Sơ đồ khối q trình phân tích khí CO2 thở……….46 Hình 2.18: Các đạo trình chuẩn……………………………………… ………47 Hình 2.19: Các đạo trình chi đơn cực………………………………………….47 Hình 2.20: Các đạo trình trước ngực……………………………………… …48 Hình 2.21: Điện tim 12 kênh ghi……………………………………… …… 48 Hình 2.22: Điện tim kênh ghi……………………………………………… 48 Hình 2.23: Điện tim kênh ghi……………………………………………… 49 Hình 2.24: Nhịp tim chuẩn…………………………………………………….49 Hình 2.25: Sơ đồ khối thu nhận tín hiệu ECG…………………………… 50 Hình 2.26: Sơ đồ khối xử lý tín hiệu………………………………………… 53 Hình 2.27: Sự hấp thụ ánh sang hồng ngoại mô, máu tĩnh mạch, xương da………………………………………………………………………………54 Hình 3.1: Sơ đồ khối chung cho việc hiển thị thơng số monitor.……55 Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguồn 5V………………………………………………56 Hình 3.3: Cảm biến ECG………………………………………………………56 Hình 3.4: Cảm biến huyết áp khơng xâm lấn (NIBP)………………………….57 Hình 3.5: Cảm biến huyết áp xâm lấn (IBP)………………………………… 58 Hình 3.6: Cảm biến theo dõi nhiệt độ bệnh nhân………………………….… 59 Hình 3.7: Cảm biến SPO2…………………………………………… ………59 Hình 3.8: Sơ đồ khối FPGA theo dõi tín hiệu điện tim ECG………………60 Hình 3.9: Cảm biến nhịp tim ECG…………………………………………….61 Hình 3.10: Sơ đồ ngun lý mạch số hóa tín hiệu ECG……………………….62 3.11 Thơng số IC ADC……………………………………………………… 64 Hình 3.12: Kit DE1…………………………………………………………….66 Hình 3.13: Kit DE1 phần mềm…………………………………………… 67 Hình 3.14: Các thành phần Kit DE1………………………………………67 Hình 3.15: Trình soạn thảo Quatus…………………………………………….69 GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thơng số Hình 3.16: Màn hình làm việc Quatus……………………………….………69 Hình 3.17: Cửa sổ Assignment Editor dùng để gán chân……………………70 Hình 3.18: Giao diện nạp code……………………………………………….71 GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số MỞ ĐẦU a Lý chọn đề tài Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, thiết bị theo dõi bệnh nhân phát triển không ngừng đóng vai trị quan trọng việc trợ giúp Bác sỹ y tá theo dõi hoạt động sống người bệnh Mục đích trình theo dõi bệnh nhân để có đánh giá định lượng tham số sinh học quan trọng bệnh nhân giai đoạn nguy kịch chức sinh học Những bệnh nhân ốm nặng, bệnh nhân hồi phục sau mổ bị bệnh tim mạch,… thiết bị theo dõi giám sát liên tục biểu sống Là thiết bị có chức theo dõi sức khoẻ bệnh nhân thông qua việc thu nhận xử lý liên tục thông số sống quan trọng bệnh nhân như: Tín hiệu điện tim (ECG), nhịp tim (HR), nhịp thở (RESP), độ bão hòa oxy (SpO2), huyết áp không can thiệp (NIBP), nhiệt độ thể (TEMP) phát báo động xảy điều kiện khơng an tồn Thiết bị theo dõi bệnh nhân thường sử dụng để theo dõi sức khoẻ bệnh nhân phòng mổ, hồi sức cấp cứu, điều trị, Thiết bị theo dõi bệnh nhân sử dụng cho giường bệnh nhân riêng biệt kết nối với trạm theo dõi trung tâm điều khiển Các liệu bệnh nhân hiển thị liên tục hình đặt đầu giường bệnh nhân hình trạm trung tâm Thiết bị theo dõi bệnh nhân thiết kế chế tạo dựa tiến khoa học kỹ thuật công nghệ cao số nước giới Ở nước ta, lĩnh vực mẻ Các bệnh viện sở y tế nước phải nhập thiết bị từ nước với giá thành đắt Với mục tiêu nghiên cứu học hỏi khoa học kỹ thuật công nghệ lĩnh vực này, em lựa chọn đề tài “Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số” Với ưu điểm lớn công nghệ FPGA chế tái cấu trúc tốc độ làm việc cực cao, cơng nghệ FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số hướng nghiên cứu hồn tồn có khả ứng dụng vào thực tế GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số b Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu số nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu FPGA ngôn ngữ lập trình VHDL - Chương 2: Giới thiệu máy theo dõi bệnh nhân đa thông số - Chương 3: Sử dụng Kit FPGA để thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số Trong khuôn khổ luận văn, Em nghiên cứu trình bày cách tổng thể hiểu biết em công nghệ FPGA, máy theo dõi bệnh nhân đa thông số, đưa phương án thực việc thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số công nghệ FPGA, phần lại thiết kế, chế tạo phần máy theo dõi bệnh nhân đa thông số Thông số em chọn để thực tín hiệu điện tim đồ ECG c Phương pháp nghiên cứu Đọc tài liệu FPGA, ngơn ngữ lập trình, Kit De1 Altera, máy theo dõi bệnh nhân đa thông số, nguyên lý hoạt động cảm biến Kết hợp kiến thức FPGA áp dụng vào tốn thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thơng số theo sơ đồ khối lập Thi công chế tạo phần theo dõi thông số điện tim ECG cơng nghệ FPGA d Đóng góp luận văn Các loại cảm biến nhà sản xuất máy theo dõi bệnh nhân đa thông số khác nhau, khó mua lẻ thị trường, nên việc chọn cảm biến khác với cảm biến thực tế sử dụng Đưa cách tổng quan mắt tác giả việc thiết kế máy theo dõi bệnh nhân, chưa tối ưu thiết kế nhà sản xuất cung cấp máy theo dõi bệnh nhân đa thơng số e Cấu trúc luận văn Ngồi phần mở đầu, luận văn gồm 03 chương với nội dung sau: GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số - Chương 1: Giới thiệu FPGA ngôn ngữ lập trình VHDL: Trình bày tổng quan cơng nghệ FPGA, khái niệm, ứng dụng, hệ thống mạch liên kết, phần tử tích hợp sẵn ngơn ngữ lập trình VHDL Đây tiền đề cho việc thiết kế nên hệ thống FPGA - Chương 2: Giới thiệu máy theo dõi bệnh nhân đa thông số: Chương trình bày tổng quan máy theo dõi bệnh nhân đa thông số Cơ sở khoa học phép đo, như: Phép đo nhịp tim, phép đo nhịp mạch, phép đo huyết áp, phép đo nhiệt độ, phép đo nhịp thở, phép đo ECG, phép đo độ bão hòa Oxy máu Đây thơng số thể sống bệnh nhân - Chương 3: Sử dụng Kit FPGA để thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số: Chương đề cập đến vấn đề như: Sơ đồ khối tổng thể máy theo dõi bệnh nhân đa thông số, loại cảm biến cho loại thơng số, xử lý tín hiệu cảm biến (chuyển sang tín hiệu số), Kit De1 Altera sử dụng để thực tốn, lập trình cuối kết luận chung hướng phát triển đề tài GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam Page HVTH: Đào Minh Thành Ứng dụng FPGA thiết kế máy theo dõi bệnh nhân đa thông số cnt = threshold)) begin cnt