Mô hình thiết bị đo một số dấu hiệu sinh tồn theo nguyên lý iot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH MINH MƠ HÌNH THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ DẤU HIỆU SINH TỒN THEO NGUYÊN LÝ IoT Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Quang Linh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng 01 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Thanh Minh MSHV : 1870598 Ngày, tháng, năm sinh : 19 - 10 - 1981 Chuyên ngành : Nơi sinh : Hưng Yên Vật Lý Kỹ Thuật Mã số : 8520401 I TÊN ĐỀ TÀI : Thiết kế mơ hình thiết bị đo tín hiệu sinh tồn theo nguyên lý IoT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Tổng quan tín hiệu sinh tồn người : nhịp tim, nồng độ oxy máu, điện - Tìm hiểu chế vật lý cảm biến đo nhịp tim, nồng độ oxy máu theo phương pháp đo quang, đo tín hiệu điện - Thiết kế hệ đo tín hiệu sinh tồn IoT : kết hợp cảm biến với Arduino Uno, Wifi ESP8266 tạo thành mạch đo tín hiệu sinh tồn theo dõi qua ứng dụng Blynk điện thoại thông minh III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19-08-2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 08-12-2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Huỳnh Quang Linh Tp HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy PGS.TS Huỳnh Quang Linh Thầy tận tình hướng dẫn, góp ý định hướng cho em suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Bộ Môn Vật Lý - Khoa Khoa Học Ứng Dụng - Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn đến tất quý Thầy Cô Bộ Môn Vật Lý Kỹ Thuật – Khoa Khoa Học Ứng Dụng – Trường Đại Học Bách Khoa – Thành Phố Hồ Chí Minh Những kiến thức kinh nghiệm quý báu mà em học từ Thầy Cơ suốt q trình học hành trang tốt giúp em vững bước sống nghiệp TP.Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 12 năm 2019 Học Viên Nguyễn Thanh Minh TĨM TẮT LUẬN VĂN Thiết kế mơ hình thiết bị đo tín hiệu sinh tồn theo nguyên lý IoT Tín hiệu sinh tồn người nhóm tín hiệu sinh học quan trọng cho biết tình trạng chức quan trọng trì sống thể Sự theo dõi tín hiệu thực để giúp đánh giá sức khỏe thể chất chung, phát bệnh theo dõi tiến triển phục hồi bệnh Với nguyên lý phương tiện Internet vạn vật (IoT), thiết bị theo dõi tín hiệu sinh tồn từ xa, khơng dây theo thời gian thực giúp cho bác sĩ theo dõi đánh giá xác tình trạng bệnh nhân, giúp cho người chủ động quản lý sức khỏe theo nguyên tắc y học 4P dự phòng cá nhân hóa Với tinh thần trên, luận văn trình bày thiết kế mơ hình hệ thống theo dõi số dấu hiệu sinh tồn: nhịp tim, nồng độ oxy máu, tín hiệu điện Hệ thống sử dụng mạng cảm biến không dây để theo dõi liên tục thơng số trên: tín hiệu thu từ cảm biến đo nhịp tim, nồng độ oxy máu tín hiệu điện xử lý mạch Arduino Nano gửi đến máy chủ Blynk sử dụng giao tiếp không dây ESP8266 Thông qua ứng dụng Blynk (ứng dụng IoT) điện thoại thông minh, người sử dụng xem đánh giá tín hiệu đó, tích hợp vào phần mềm hỗ trợ chẩn đoán khác Kết luận văn thể bước đầu thử nghiệm việc thu nhận xử lý theo thời gian thực nhiều tín hiệu đồng thời theo nguyên lý IoT ABSTRACT Design of monitoring system model of selected vital signs using IoT principle Vital signs are the group of the most important biosignals that indicate the state of the vital (life-sustaining) functions of the body These signals are monitored to help assessing overall physical health, detecting possible diseases and evaluating the progress of health recovery With the principle of Internet of Things (IoT), electronic devices monitoring vital signs remotely, wirelessly and in real-time can help physicians to evaluate patient’s states more accurately and help people to manage effectively their health according to the principles of P4 medicine Under mentioned context, this thesis presents the design of a system to monitor some vital signs: heart rate, blood oxygen level, electromyographic signal The system uses wireless sensor network to continuously monitor the above parameters: signals received from heart rate, blood oxygen level and electromyographic sensors processed by Arduino Nano circuit and sent to the Blynk server using the ESP8266 wireless interface Through the Blynk application (IoT application) on the smartphone, users can view and evaluate mentioned signals, or integrate them into other diagnostic support software The results show the initial test of real-time reception and processing of multiple biosignals based on IoT principles LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn: “Mơ hình thiết bị đo số dấu hiệu sinh tồn theo nguyên lý IoT” em tìm hiểu, nghiên cứu, hồn thành PGS.TS Huỳnh Quang Linh trực tiếp hướng dẫn Các số liệu kết thu trình bày luận văn hoàn toàn trung thực Luận văn tốt nghiệp đánh dấu cho thành quả, kiến thức em thu nhận suốt trình học tập rèn luyện trường Trong luận văn này, em sử dụng số tài liệu tham khảo: sách, báo quốc tế, báo nước, trang web mã nguồn mở, danh mục Tài liệu tham khảo TP.Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 12 năm 2019 Học Viên Nguyễn Thanh Minh BẢNG CHỮ VIẾT TẮT ANN: Artificial Neural Network – Mạng Neuron nhân tạo DSP: Digital Signal Processing – Xử lý tín hiệu số ECG: Electrocardiography – Điện tâm đồ EEG: Electroencephalography – Điện não đồ EMG:Electromyogram – Điện đồ EHW: Evolvable Hardware Chip – Chip phần cứng phát triển Hb: Hemoglobin – Huyết sắc tố IDE: Intergrated Development Environment – Mơi trường phát triển tích hợp IoT: Internet of Thing – internet vạn vật NCS: Nerve Conduction Studies – Nghiên cứu dẫn truyền thần kinh MES: Myoelectric Signal – Tín hiệu điện PWM: Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung SaO2: Saturation of Oxygen – Độ bão hòa oxy SEMG: Surface Electromyography – Điện bề mặt SMU: Single Motor Unit – Đơn vị vận động đơn SFT: Short Fourier Transform – Biến đổi Fourier ngắn ROM: Read Only Memory – Bộ nhớ đọc RAM: Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập tạm thời HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mặt cắt tim 14 Hình 2.2 Cấu tạo hệ truyền dẫn tim 16 Hình 2.3 Điện tâm đồ người bình thường 19 Hình 2.4 Sơ đồ khối quy trình thí nghiệm phân tích wavelet 36 Hình 2.5 Thiết bị ống hít thơng minh hãng Propeller Health 43 Hình 3.1 Sơ đồ khối cảm biến Max30100 44 Hình 3.2 Arduino Uno 50 Hình 3.3 Module Wifi ESP8266 50 Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động Blynk 52 Hình 3.5 Giao diện Arduino IDE 53 Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống 54 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối hệ thống 55 Hình 4.1 Mơ hình mạch đo 62 Hình 4.2 Kết đo Nhịp tim SpO2 mạch máy Smiths Medical PM người 63 Hình 4.3 Kết đo mạch mơ hình hiển thị ứng dụng Blynk người 64 Hình 4.4 Kết đo Nhịp tim SpO2 mạch máy Smiths Medical PM người 65 Hình 4.5 Kết đo mạch mơ hình hiển thị ứng dụng Blynk người 66 HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Giới thiệu……………………………………………………………………6 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn……………………………………………… CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Dấu hiệu sinh tồn 2.1.1 Nhiệt độ thể 2.1.2 Huyết áp 10 2.1.3 Nhịp tim 10 2.1.4 Nhịp thở 11 2.1.5 Nồng độ bão hòa oxy máu (SpO2) 11 2.1.6 Tín hiệu điện 12 2.2 Tín hiệu điện tim (ECG) 12 2.2.1 Cấu tạo hoạt động tim đặc trưng sinh lý tim 12 2.2.2 Khái niệm tín hiệu điện tim 18 2.2.3 Nhiễu tín hiệu điện tim 22 2.2.4 Phương pháp xác định nhịp tim 22 2.3 Nồng độ bão hòa oxy máu (SpO2) 25 2.3.1 Sự cần thiết oxy máu 25 2.3.2 Sự vận chuyển oxy máu 26 2.3.3 Nồng độ bão hòa oxy máu 27 2.3.4 Các phương pháp đo độ bão hòa oxy máu 29 2.4 Tín hiệu điện (EMG) 30 HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 58 } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { // MyoWare Sensor if (millis() - myo_LastReport > MYO_REPORTING_PERIOD_MS) { // read the input on analog pin 0: int adcVal = analogRead(analogPin); Serial.println (adcVal); mySerial.print (adcVal); mySerial.write ('a'); myo_LastReport = millis(); } // MAX30100 Sensor pox.update(); if (millis() - max_LastReport > MAX_REPORTING_PERIOD_MS) { int ir_val=pox.getHeartRate(); Serial.print("Heart rate:"); Serial.print(ir_val); int red_val=pox.getSpO2(); Serial.print("bpm / SpO2:"); Serial.print(pox.getSpO2()); Serial.println("%"); // mySerial.print (ir_val); mySerial.write ('b'); mySerial.print (red_val); mySerial.write ('c'); // HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 59 max_LastReport = millis(); } } [13] ❖ Chương trình kết nối với Blynk #define BLYNK_PRINT Serial #include #include #include #include // Khai báo serial SoftwareSerial mySerial(13, 15); // RX, TX char auth[] = "K8HQVUjm9grVAsO2BLfhvT26n3_0e8IE"; //AuthToken copy Blynk Project char ssid[] = "LG G6"; //Tên wifi char pass[] = "password"; //Mật wifi SimpleTimer timer; // Su dung timer char ledPin=16; char data[8], i=0; int myo_val, ir_val, red_val; void sendSensor(); void setup() { Serial.begin(9600); // Mở Serial Serial.println ("ESP Serial Ready "); mySerial.begin(9600); HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 60 pinMode (ledPin, OUTPUT); Blynk.begin(auth, ssid, pass); // Ket noi voi blynk timer.setInterval(1000L, sendSensor); //1s doc cam bien lan } void loop() { // if (mySerial.available()) { char rx=mySerial.read(); if (rx=='a'){ myo_val = atoi(data); Serial.print ("Gia tri cam bien co (myoWare) = "); Serial.println (myo_val); while (i>0){ data [i]=0; i ; } } else if (rx=='b'){ ir_val = atoi(data); Serial.print ("Nhip tim = "); Serial.println (ir_val); while (i>0){ data [i]=0; i ; } } else if (rx=='c'){ red_val = atoi(data); Serial.print ("Du lieu oxi = "); Serial.println (red_val); HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 61 while (i>0){ data [i]=0; i ; } } else { data[i]=rx; i++; } } // Blynk.run(); // Chay Blynk timer.run(); // Chay SimpleTimer } void sendSensor() { Blynk.virtualWrite(V0, myo_val); Blynk.virtualWrite(V1, ir_val); Blynk.virtualWrite(V2, red_val); digitalWrite (ledPin,!digitalRead(ledPin)); } HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 62 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết 4.1.1 Mạch hồn chỉnh Hình 4.1 Mơ hình mạch đo 4.1.2 Kết đo Nhịp tim, SpO2, đo tín hiệu điện • Kết đo máy Smiths Medical PM STT Người đo Nhịp Tim SpO2 Tín hiệu (Số (%) điện nhịp/phút) 01 Người 81 97 117 02 Người 73 97 118 HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 63 03 Người 70 96 125 04 Người 68 97 130 05 Người 79 97 120 • Kết App Blynk o Kết đo mạch máy Smiths Medical PM Hình 4.2 Kết đo Nhịp tim SpO2 mạch máy Smiths Medical PM Người HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 64 Hình 4.3 Kết đo mạch mơ hình hiển thị ứng dụng Blynk Người HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 65 Hình 4.4 Kết đo Nhịp tim SpO2 mạch máy Smiths Medical PM Người HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 66 Hình 4.5 Kết đo mạch mơ hình hiển thị ứng dụng Blynk người HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 67 4.2 Bàn luận Từ kết liệu sinh tồn thu đo: nhịp tim, nồng độ bão hịa oxy máu tín hiệu điện ta thấy người kết cho thấy nhịp tim, nồng độ bão hòa oxy máu tín hiệu điện khơng ổn định Khi theo dõi liên tục ứng dụng Blynk ta thấy đồ thị khơng liên tục sức khỏe người đo Người không tốt đồ thị người đo Người đường thẳng sức khỏe Người tốt HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành mục tiêu đề là: tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế, thi công mạch đo số dấu hiệu sinh tồn theo nguyên lý IoT Bước đầu mạch hoạt động ổn định, đo số dấu hiệu sinh tồn như: nhịp tim nồng độ oxy máu so sánh với máy đo Smiths Medical PM mạch cho kết tương đối giống Sử dụng linh kiện rẻ tiền sẵn có cho kết tương đối xác so với máy đo hãng Smiths Medical kết đo chấp nhận Với liệu thu bác sĩ nhân viên y tế sử dụng kết để chẩn đoán bệnh, theo dõi đánh giá xác tình trạng bệnh nhân liên tục nơi Hệ thống theo dõi dấu hiệu sinh tồn liên tục theo thời gian thực cịn lưu trữ liệu cho phép ta xem lại kết quả: theo phút, giờ, ngày, tháng, năm 5.1.1 Ưu điểm Phần cứng thiết kế gọn mà đảm bảo yêu cầu đặt Kết mơ hình thiết bị đo theo dõi ứng dụng Blynk điện thoại thông minh hiển thị kết đo, biểu đồ, nhiều người theo dõi kết thời gian Việc theo dõi thông số sinh tồn: nhịp tim, nồng độ oxy máu, tín hiệu điện quan trọng cần thiết cho bác sĩ việc chẩn đoán phát sớm bệnh ngăn ngừa biến chứng nghiêm trọng cho bệnh nhân 5.1.2 Nhược điểm Mơ hình sử dụng mạch có sẵn độ xác chưa cao, cần phải cải tiến sử dụng linh kiện chất lượng cao giảm nhiễu, để tín hiệu đo đạt độ xác cao khó đeo theo người lúc nơi HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 69 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để phát triển mô hình đo thành thiết bị nhỏ gọn đeo người bệnh nhân hoạt động ổn định phải cần nhiều thời gian công sức, cần nhiều thử nghiệm, cải tiến để đạt độ xác 100% hệ thống Có thể phát triển xây dựng hệ thống IoT với: hệ thống mạng cảm biến BSN, mạch điện tử kết nối internet với máy chủ Khi hệ thống máy chủ tự động thu thập liệu người dùng, liệu phân tích, xử lý, tích hợp lưu trữ vào hồ sơ người dùng tự động suất báo cáo sức khỏe định kỳ HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.B.I Raez, M.S Hussain, F Mohd-Yasin, “Techniques of EMG signal analysis: detection, processing, classification and applications”, Biol Proced Online 2006; 8(1): 11-35, 2006 [2] S.Grimnes, J.O.Høgetveit, “Biomedical Sensors”, University of Oslo, Norway & Oslo University Hospital Rikshospitalet, Norway, 2012 [3] U.Gogate, J.Bakal, “Healthcare Monitoring System Based on Wireless Sensor Network for Cardiac Patients”, Biomedical & Pharmacology Journal, pp 1681- 1688, 2018 [4] Mrs S.Chakole, Ruchita R Jibhkate, A.V Choudhari, S.R Gawali, Pragati R Tule, “A healthcare monitoring system using wifi module, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Volume: 04 Issue: 03, 2017 [5] M.A.Singh, Mr A D Vishwakarma, “Real Time ECG Parameter Identification and Monitoring”, International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, pp 451-455, 2016 [6] Rameswari.R, Divya.N, “Smart Health Care Monitoring System Using Android Application: A Review”, International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), Volume-7 Issue-4S, 2018 [7] Ko, Jeong Gil, “Wireless sensor networks for healthcare”, Proceedings of the IEEE, Volume: 98, Issue: 1, 2010 [8] Alemdar, Hande, Cem Ersoy, “Wireless sensor networks for healthcare: A survey, Computer networks” pp 2688-2710, 2010 [9] Ajitha, “IOT Based Heart Attack Detection and Alert System” IJEMR, pp 285288, 2017 HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 71 [10] N.Mutha, “Patient Health Monitoring Using Android Application”, International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering, Vol 4, Issue 3, 2016 [11] U.Gogate, M.Marathe, J.Mourya, N.Mohan, “Android Based Health Monitoring System for Cardiac Patients”, International Research Journal of Engineering and Technology, Volume: 04 Issue: 04, 2017 [12] T.Gupta, B.Wadhwa, Y.Sharma, O.Juneja, Jyotiadityan, R.Butola, S.Karkra “IoT Based Vitality Measurement System” International Journal of Computer Science and Mobile Computing, pp 549-554, May- 2016 [13] Oxullo “Arduino” https://github.com, Dec 17, 2019 [14] “Ứng dụng IoT liệu lớn lĩnh vực chăm sóc sức khỏe người”, Tạp chí khoa học công nghệ Việt Nam, 2017 [15] Cấu tạo tim nào?BVĐKQT Thu Cúc, Hà nội, 2019 https://benhtimmach.info.vn/cau-tao-cua-tim-nhu-the-nao/, truy cập 20/10/2019 [16] Nhịp tim chuẩn bao nhiêu?BVĐKQT Vinmec, TP Hồ Chí Minh, 2019 https://www.vinmec.com/vi/tin-tuc/thong-tin-suc-khoe/nhip-tim-chuan-la-baonhieu/, 05/04/2019 [17]https://www.dieutri.vn/sachdientamdo/song-p-binh-thuong-va-benh-ly-trendien-tam-do, 10/10/2012 HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 72 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Thanh Minh Sinh ngày: 19 – 10 - 1981 Nơi Sinh: Hưng Yên Địa chỉ: 107 đường số 14, phường 8, Gò Vấp, TP.Hồ Chí Minh Qúa trình đào tạo: từ 2015 – 2017 học Đại Học Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Từ năm 2018 – 2019 học Cao Học trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Qúa trình cơng tác: làm việc tự HVTT: NGUYỄN THANH MINH – MSHV: 1870598 ... 2.1 Dấu hiệu sinh tồn Dấu hiệu sinh tồn bao gồm dấu hiệu chính: nhiệt độ thể, huyết áp, nhịp tim, nhịp thở có thêm dấu hiệu thứ 5: nồng độ oxy máu, dấu hiệu thứ 6: tín hiệu điện Những dấu hiệu. .. vững bước sống nghiệp TP.Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 12 năm 2019 Học Viên Nguyễn Thanh Minh TĨM TẮT LUẬN VĂN Thiết kế mơ hình thiết bị đo tín hiệu sinh tồn theo nguyên lý IoT Tín hiệu sinh tồn người... processing of multiple biosignals based on IoT principles LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn: “Mơ hình thiết bị đo số dấu hiệu sinh tồn theo nguyên lý IoT? ?? em tìm hiểu, nghiên cứu, hoàn thành