Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch đo nhịp tim ứng dụng trong y học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH 005.5 KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHỊP TIM ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Người hướng dẫn : ThS Nguyễn Phúc Ngọc Sinh viên thực : Lê Văn Anh Lớp : 51K2 - ĐTVT Khóa học : 2010 - 2015 NGHỆ AN - 2015 NGHỆ AN - 2012 LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cám ơn thầy Nguyễn Phúc Ngọc tận tình hướng dẫn định hướng em thời gian nghiên cứu thực đề tài Em xin chân thành cám ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp cho em kiến thức vững suốt năm học qua Thời gian thực đồ án có hạn nên cố gắng nhiều đồ án không tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy khoa tận tình bảo góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN MỤC LỤC TĨM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Tìm hiểu nhịp tim bệnh liên quan tới nhịp tim 1.2.1 Tìm hiểu tim cấu tạo tim 1.2.2 Tìm hiểu nhịp tim bệnh liên quan đến nhịp tim 1.3 Các phương pháp đo nhịp tim 1.3.1 Đo nhịp tim phương pháp Oscillometric 1.3.2 Đo nhịp tim phương pháp hấp thụ quang học 1.4 Các thiết bị đo nhịp tim có thị trường 1.4.1 Đồng hồ đo nhịp tim HRMM10 1.4.2 Máy đo huyết áp cổ tay tự động Scala KP-7160 10 1.4.3 Máy đo nồng độ hòa oxy nhịp xung cầm tay BCI 3301 10 1.5 Kết luận chương 11 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 12 2.1 Giới thiệu chương 12 2.2 Giới thiệu chung linh kiện 12 2.2.1 OPAMP: LM324 12 2.2.2 Vi điều khiển PIC16F877A 13 2.2.3 Tổng quan chuẩn giao tiếp USB VĐK PIC18F14K50 14 2.2.4 LCD 16x2 16 2.2.5 Module truyền phát RF: nRF24L01 18 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH 21 3.1 Giới thiệu chương 21 3.2 Lưu đồ thuật toán 22 3.2.1 Chương trình 22 3.2.2 Đo nhịp tim 23 3.2.3 Giao tiếp LCD 24 3.2.4 Truyền nhận tín hiệu RF giao tiếp máy tính giao thức USB 25 3.3 Viết chương trình 28 3.4 Kết thúc chương 28 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MƠ PHỎNG, THI CÔNG VÀ KIỂM TRA 29 4.1 Giới thiệu chương 29 4.2 Sơ đồ khối tổng quan thiết bị 30 4.3 Tính tốn & thiết kế 31 4.3.1 Mạch cảm biến nhịp tim, khuếch đại lọc nhiễu tín hiệu 31 4.3.2 Khối xử lý trung tâm cảnh báo hiển thị 34 4.3.3 Khối nguồn 35 4.4 Mô phỏng, thi công kiểm tra 36 4.4.1 Mô 36 4.4.2 Thi công mạch 39 4.4.3 Lắp ráp kiểm tra mạch 40 4.5 Kết luận chương 41 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án kết cấu thành chương Chương 1: Tổng quan hệ thống Chương 2: Tìm hiểu linh kiện điện tử đồ án Chương 3: Xây dựng lưu đồ thuật tốn viết chương trình Chương 4: Tính tốn, thiết kế phần cứng – Mô phỏng, thi công kiểm tra Hệ thống theo dõi sức khỏe bệnh nhân thông qua việc đo nhịp tim, xử lý tín hiệu bệnh lý, thông báo cho bác sĩ cần thiết Hệ thống cịn giao tiếp với máy tính thơng qua chuẩn RF, nên theo dõi sức khỏe bệnh nhân gián tiếp thông qua hình máy tính Với việc thiết kế, thi cơng hoàn thiện hệ thống theo dõi sức khỏe bệnh nhân thành cơng, em hy vọng đồ án góp phần vào lĩnh vực điện tử y sinh mẻ nước ta tạo niềm tin thúc đẩy cho em tiếp tục theo đuổi tạo dựng cho nghiệp tương lai theo hướng đề tài đồ án ABSTRACT The thesis is structured into four main chapters Chapter 1: Overview of the system Chapter 2: The components that make up the system Chapter 3: Build flowchart algorithm and write programs Chapter 4: Calculation, design hardware - Simulation, construction and inspection System health monitoring of patients by measuring heart rate, signal processing of the disease, inform your doctor as needed The system can also communicate with computers via standard RF, so it can monitor the health of patients indirectly through a computer screen With the design, construction and finishing system to monitor the health of patients successfully, I hope this project will contribute to the field of biomedical electronics is new in our country and create confidence boost I continu to pursue his career building for the future direction of this project topic DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo tim người Hình 1.2 Cách đo huyết áp đo nhịp tim Hình 1.3 Tín hiệu nhịp tim thu từ cảm biến Hình 1.4 Vị trí đặt cảm biến nhịp tim Hình 1.5 Đồng hồ đo nhịp tim HRMM10 Hình 1.6 Máy đo huyết áp cổ tay tự động Scala KP-7160 Hình 2.1 Sơ đồ chân OPAMP LM324 Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC 16F877A Hình 2.3 kiểu cổng USB thơng dụng Hình 2.4 Sơ đồ chân PIC18F14K50 Hình 2.5 LCD 16x2 Hình 2.6 Module nRF24L01 Hình 2.7 Cấu trúc bên nRF24L01 Hình 2.8 Sơ đồ kết nối nRF24L01 với vi điều khiển Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn đo nhịp tim Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn giao tiếp LCD Hình 3.4 Lưu đồ thuật tốn truyền tín hiệu RF Hình 3.5 Lưu đồ thuật tốn nhận tín hiệu RF truyền lên máy tính Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quan tồn thiết bị Hình 4.2 Mạch cảm biến, khuếch đại tín hiệu nhịp tim Hình 4.3 Khối mạch cảm biến Hình 4.4 Khối khuếch đại lọc nhiễu tín hiệu Hình 4.5 Mạch so sánh tạo dạng tín hiệu Hình 4.6 Mạch so sánh tạo dạng tín hiệu Hình 4.7 Mạch nguồn Hình 4.8 Mơ Phỏng phần hiển thị LCD Hình 4.9 Mơ phần cảm ứng nhịp tim Hình 4.10 Dạng sóng mơ Hình 4.11 Giao diện phần mềm giao tiếp máy tính Hình 4.12 Layout mạch điều khiển trung tâm hiển thị LCD Hình 4.13 Layout mạch giao tiếp USB Hình 4.14 Layout mạch cảm ứng nhịp tim Hình 4.15 Layout mạch nguồn Hình 4.16 Đồ thị theo dõi nhịp tim bệnh nhân Hình 4.17 Kết đo thử thực tế Bảng 1.1 Thống kê nhịp tim người độ tuổi khác Bảng 2.1 Sơ đồ chân cổng usb Bảng 2.2 Chức chân LCD Bảng 2.3 Chức chân moule nRF24L01 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT OP AMP Operational Amplifier Mạch khuếch đại thuật tốn PIC Programable Intelligent Compute Máy tính thơng minh khả trình ROM Read-only Memory Bộ nhớ đọc RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều xung ICSP In-Circuit Serial Programming Chuẩn nạp cho vi điều khiển USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối đa dụng máy tính HID Human Interface Devices Một loại chuẩn giao tiếp USB CDC Communications Device Class Một loại chuẩn giao tiếp USB LED Light Emitting Diode Điốt phát quang RF Radio Frequency Sóng radio LNA Low Noise Apmlifier Bộ khuếch đại nhiễu thấp LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng PCB Printer Circuit Board Bảng mạch in EEPRO Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ không bay M Read-Only Memory SPI Serial Peripheral Interface Chuẩn đồng nối tiếp để truyền liệu chế độ song công LỜI MỞ ĐẦU Ngày tiến vượt bậc kinh tế, khoa học kĩ thuật, giúp cho đời sống người nâng cao Chưa lịch sử sống môi trường đầy đủ tiện nghi Và từ đó, nhu cầu chăm sóc sức khỏe người ngày tăng, nhu cầu thiết thực sống đại ngày Thấy rõ tầm quan trọng vai tṛò điện tử ngày lớn sống người nói chung lĩnh vực y tế nói riêng, đồ án em dần hoàn thiện mang tên: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch đo nhịp tim ứng dụng y học.” Đề tài em hướng tới mục đích sau: - Tìm hiểu lý thuyết, tính tốn thiết kế mạch - Xây dựng lưu đồ thuật toán chế tạo để kiểm chứng tính dắn phần thiết kế lưu đồ thuật toán vừa xây dựng Cấu trúc đồ án, phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng biểu, tài liệu tham khảo, nội dung đồ án trình bày chương:  Chương 1: Tổng quan hệ thống Chương trình bày kiến thức tim nhịp tim, triệu chứng bệnh có liên quan tới nhịp tim Các phương pháp đo nhịp tim số thiết bị đo nhịp tim cầm tay  Chương 2: Tìm hiểu linh kiện điện tử đồ án Chương giới thiệu sơ lược số linh kiện module điện tử phục vụ cho việc nghiên cứu, chế tạo đồ án tốt nghiệp  Chương 3: Xây dựng lưu đồ thuật toán viết chương trình Chương trình bày việc xây dựng lưu đồ thuật toán, liên quan đến hệ thống giám sát sức khỏe bệnh nhân Viết chương trình điều khiển hệ thống  Chương 4: Tính tốn, thiết kế phần cứng – Mô phỏng, thi công kiểm tra Chương tìm hiểu nguyên lý vào thiết kế chi tiết sản phẩm với yêu cầu chất lượng đề Với việc thiết kế, thi cơng hồn thiện hệ thống theo dõi sức khỏe bệnh nhân thành công, em hy vọng đồ án góp phần vào lĩnh vực điện tử y sinh mẻ nước ta tạo niềm tin thúc đẩy cho em tiếp tục theo đuổi tạo dựng cho nghiệp tương lai theo hướng đề tài đồ án 4.4.3 Lắp ráp kiểm tra mạch 4.4.3.1 Lắp ráp kiểm tra khối nguồn Sau lắp ráp mạch nguồn theo thiết kế, em tiến hành kiểm tra mạch để đảm bảo cung cấp đủ nguồn cho mạch hoạt động Sử dụng điện trở công suất làm tải để đo nguồn, nguồn đảm bảo cung cấp cho thiết bị khác, dòng đảm bảo 3A Các module ngoại vi module RF hoạt động tốt 4.4.3.2 Lắp ráp kiểm tra khối mạch cảm ứng nhịp tim Sau lắp ráp mạch em đo thông số thực tế sau:  Mức điện áp DC: 2V  Mức điện áp AC tín hiệu nhịp tim: - Chưa khuếch đại: 30mV - Qua tầng khuếch đại 1: 1,4V - Qua tầng khuếch đại 2: 3,5V - Điện áp đưa vào VĐK: 3,4V 4.4.3.3 Kiểm tra đo thử nhịp tim Sau hoàn thành xong mạch đo nhịp tim, em đo đạc thực tế thu kết sau: Hình 4.17 Đồ thị theo dõi nhịp tim bệnh nhân 40 Hình 4.17 Kết đo thử thực tế 4.5 Kết luận chương Sau q trình hồn thiện đồ án, em tạo thành phẩm máy đo đạc nhịp tim phương pháp hấp thụ quang học Qua q trình thử nghiệm kiểm tra mạch thấy sản phẩm bước ứng dụng vào thực tế 41 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN: Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu hồn thành đồ án tốt nghiệp, mục đích đề em thu kết sau: Tìm hiểu cấu tạo tim kiến thức tim nhịp tim, triệu chứng bệnh có liên quan tới nhịp tim Các phương pháp đo nhịp tim số thiết bị đo nhịp tim cầm tay Tìm hiểu cấu tạo linh kiện module điện tử phục vụ cho việ chế tạo mạch đo nhịp tim Biết cách xây dựng sơ đồ thuật tốn viết chương trình thuật tốn điều khiển cho mạch ngơn ngữ lập trình C Tìm hiểu phần mềm visual basic viết chương trình hiển thị đo nhịp tim máy tính Từ em tiến hành chế tạo mạch đo nhịp tim dùng vi điều khiển PIC 16F877A với cảm biến đo led thu phát hồng ngoại Kết đo hiển thị lên LCD hiển thị lên máy tính phần mềm visual basic giao tiếp qua sóng RF Sau thi cơng lắp ráp kiểm tra mạch, thấy mạch hoạt động giống với lý thuyết tính tốn, nhiên số điều kiện khác mạch cảm ứng nhịp tim chưa thể chạy theo mong muốn, cần nghiên cứu thêm phương án đo đạc nhịp tim phương pháp chống triệt nhiễu So với thiết bị bày bán thị trường thiết bị của em cồng kềnh tiêu tốn nhiều lượng, gây khó khăn việc di chuyển thiết bị Sai số lớn so với thiết bị bày bán thị trường Vẫn chưa điều khiển cấu hình thiết bị sử dụng Với thời gian tìm hiểu ỏi, kiến thức sở vật chất hạn chế, nên sản phẩm hồn thiện cịn chưa đạt hoàn toàn yêu cầu đặt Trong thời gian tới em cố gắng tìm hiểu sâu để hồn thiện đề tài để đưa vào ứng dụng thực tế đạt độ xác đáng tin cậy 42 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI: Thiết kế, chế tạo máy đo đạc đa với khả đo đạc thêm thông số y sinh khác huyết áp, thân nhiệt, điện tâm đồ… Đề tài đồ án hoàn thiện mở rộng thêm thành hệ thống giám sát sức khỏe bệnh nhân ứng dụng gia đình giường bệnh bệnh viện Với hệ thống này, ta dễ dàng kết nối thêm ngắt kết nối thiết bi theo dõi nhịp tim, ta dễ dàng theo dõi sức khỏe nhiều bệnh thời điểm Hệ thống chắn hỗ trợ đắc lực cho y sỹ, bác sỹ suốt trình theo dõi người bệnh Kiểm tra sức khỏe bệnh nhân thơng qua sóng RF 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dư Quang Bình, “Cấu kiện điện tử”, Trường Đại học Bách khoa - đại học Đà Nẵng 1998 [2] Phạm Minh Hà, “Kỹ thuật mạch điện tử”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - Hà Nội 1997 [3] Nguyễn Sơn Hải, “Lập trình với Microsoft Visual Basic 6.0”, Cục cơng nghệ thơng tin – Bộ giáo dục đào tạo, Hà Nội 2006 [4] Huỳnh Thu, Điện tử y sinh học, Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh [5] http://banlinhkien.vn/mcu/threads/module-nrf24l01-2-4g-cách-thức-sử-dụngvới-tất-cả-các-dịng-vĐk.129/ truy cập lần cuối 5/1/2015 [6] Datasheet PIC 16F877A từ http://www.datasheet.catalog.com truy cập lần cuối 12/1/2015 [7] http://thongtinsuckhoe.net/may-do-huyet-ap-co-tay-tu-dong-scala-kp-7160/ truy cập lần cuối 28/12/2014 44 PHỤ LỤC Chương trình C sử dụng đồ án 1.1 Chương trình #include #include #include "lcd.c" #include "var.h" #include "timer.c" #define PWRK PIN_C0 //Dinh nghia cac chan LED #define LED1 PIN_C3 #define LED2 PIN_D0 #define LED3 PIN_D1 #use delay(clock 12000000) #use rs232(baud=9600,Parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7) #define PWRK PIN_C0 void RF_send(unsigned int truyen) { int i; set_TX_mode(); //Che truyen delay_ms(10); Txbuf[0]= truyen; //Gan gia tri vao bo dem for (i=0;i=60)&(heart50)&(heart=0;i ) { if(bit_test(data,i)) { output_high(MO);} else {output_low(MO); } output_high(SCK); // tao xung clock if (input(MI)) { bit_set(return_value,i);} output_low(SCK); } } void Read_reg_value(unsigned int address) { output_low(CSN); spi_w_r(address); spi_w_r(0); output_high(CSN); } void Write_reg_value(unsigned int address, unsigned int write_value) { output_low(CSN); spi_w_r(0x20 + address); spi_w_r(write_value); output_high(CSN); 50 } void Read_data_value(unsigned int address, unsigned int *pdata, unsigned int size) { signed int i; output_low(CSN); spi_w_r(address); for(i=0;i