BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CẢM BIẾN VÀ KT ĐO LƯỜNG Y SINH Đề tài: CẢM BIẾN ÁP LỰC MÁU (HUYẾT ÁP) Giảng viên hướng dẫn: TS. DƯƠNG TRỌNG LƯỢNG Hà Nội, 8 2021 LỜI NÓI ĐẦU Trong bối cảnh thời đại khoa học công nghệ ngày một phát triển như ngày nay, con người ngoài việc áp dụng thành tựu khoa học công nghệ vào việc phát triển kinh tế, quân sự mà còn áp dụng nó để có thể chăm sóc sức khỏe cho con người. Các phép đo huyết áp có tầm quan trọng lớn trong công tác khám chữa bệnh vì nó được sử dụng để phát hiện tăng huyết áp (huyết áp cao) và hạ huyết áp (huyết áp thấp) – yếu tố dẫn đến bệnh tim mạnh và biến chứng của những bệnh nguy hiểm khác. Tăng huyết áp có mối tương quan chặt chẽ với nguy cơ đột quỵ não và nhồi máu cơ tim. Hạ huyết áp có thể làm việc cung cấp máu cho não, tim và các mô khác kém hiệu quả. Do đó, trong cuộc sống hàng ngày, việc đo và kiểm soát huyết áp là cực kỳ cần thiết và hữu ích trong việc chăm sóc sức khỏe đóng vai trò dự phòng.. Trong giới hạn của báo cáo này, chúng em xin trình bày nghiên cứu và nhóm đã tìm hiểu về mạch đo huyết áp không xâm lấn, dựa trên lập trình nhúng, chi phí thấp, nhỏ gọn, sử dụng được tại nhà. Thiết bị được thiết kế sử dụng mạch đo bằng phương pháp quang học. Tín hiệu sau khi thu được sẽ được khuếch đại và kết nối, xử lí với bộ vi điều khiển. Các giá trị huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương được ghi lại, hiển thị trên màn hình LCD hoặc máy tính. Trong quá trình thực hiện đề tài này, nhóm chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ dạy tận tình của TS.Dương Trọng Lượng giảng viên bộ môn Công nghệ Điện tử Kỹ thuật Y Sinh, viện Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Những sự chỉ dạy tận tình của thầy đã giúp đỡ nhóm chúng em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy. Vì nhiều lý do nên trong quá trình thực hiện đề tài nhóm chúng em còn mắc nhiều sai sót và hạn chế. Do đó nhóm em rất mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá của thầy, cô để đề tài có thể phát triển và hoàn thiện hơn. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii TÓM TẮT BÁO CÁO iii PHẦN MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 1 Mục tiêu 1 Cấu trúc báo cáo 1 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1.1. Giới thiệu về nguyên lý 2 1.1.1. Cơ sở lý thuyết về PPG 2 1.2. Sử dụng PPG để đo huyết áp 3 1.2.1. Nguyên lý hoạt động 3 1.2.2 Chỉ số Huyết áp 5 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA THIẾT BỊ ĐO 6 2.1. Sơ đồ khối 6 2.2. Nguyên lí hoạt động của các mạch trong từng khối 6 2.2.1. Cảm biến quang 6 2.2.2. Khối xử lí tín hiệu 7 2.2.3. Khối vi xử lí 8 2.2.4. Khối hiển thị và truyền dữ liệu, lưu trữ 8 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH XỬ LÍ TÍN HIỆU 10 3.1. Tính chất của tín hiệu PPG thu được từ cảm biến quang 10 3.2. Mô phỏng khối xử lí tín hiệu 10 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 11 4.1. Khảo sát dòng điện, điện áo qua các tụ điện, điện trở 11 4.2. Khảo sát điện áp đầu vào, đầu ra các bộ khuếch đại 11 4.3. Khảo sát đáp ứng tần số của mạch 12 4.4. Nhận xét 12 KẾT LUẬN 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14 TÓM TẮT BÁO CÁO Huyết áp là thông số thường được đo nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng trong y tế. Hầu hết các máy đo huyết áp không xâm lấn dựa trên hoặc là phương pháp nghe tim mạch hoặc phương pháp đo dao động. Phương pháp đo huyết áp phổ thông hiện nay là phương pháp Korotkoff (dùng bao hơi). Với một vài trường hợp điều trị đặc biệt, đặt catheter dùng để đo huyết áp động mạch xâm lấn cũng rất hiệu quả. Đối với các phương pháp không xâm lấn thì hầu hết chưa đạt đến độ chính xác tuyệt đối, song ưu điểm là dễ thực hiện, chi phí thấp,…, thường được biết đến như sử dụng dao động kí, sử dụng siêu âm, hay phương pháp quang học…. Mặc dù cả rất nhiều phương pháp đều được chấp nhận và sử dụng rộng rãi nhưng họ hạn chế nghiêm trọng khả năng vận động của bệnh nhân, họ yêu cầu còng khó chịu; chúng không thích hợp để chăm sóc tại nhà và không thể được sử dụng để theo dõi liên tục trong thời gian dài các ứng dụng. Đo huyết áp liên tục cho dịch vụ chăm sóc tại nhà yêu cầu một phương pháp chính xác và rẻ tiền đó là độc lập với chuyển động của bệnh nhân và không yêu cầu chăm sóc liên tục bởi một học viên. Báo cáo của nhóm em sẽ tập trung đi sâu tìm hiểu khảo sát mạch đo huyết áp bằng phương pháp PPG photoelectric plethysmography technique. PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Huyết áp (HA) là phép đo lực tác dụng trên thành mạch khi tim bơm máu qua cơ thể người. Hơn nữa, đo huyết áp được biết đến như một của các dấu hiệu quan trọng và được sử dụng rộng rãi để theo dõi tình trạng sinh lý của con người cùng với các các dấu hiệu như nhịp tim, nhịp thở, độ bão hòa oxy và nhiệt độ. Huyết áp có thể được coi là hai biến thể huyết áp tâm thu (SBP) và huyết áp tâm trương (DBP), và tâm thu là đỉnh hoặc áp suất tối đa trên thành động mạch xảy ra khi tâm thất của trái tim đang tiếp xúc. Trong khi, tâm trương là mức tối thiểu áp lực trong động mạch, xảy ra gần cuối của chu kỳ tim khi tâm thất chứa đầy máu. Thông thường, các giá trị đo được cho một người trưởng thành khỏe mạnh, đang nghỉ ngơi là 115 milimét thủy ngân (mmHg) (15 kilopascal kPa) tâm thu và 75 mmHg (10 kPa) tâm trương. Tâm thu và tâm trương các phép đo huyết áp không phải lúc nào cũng tĩnh và Máu áp suất có xu hướng thay đổi trong ngày. Đo HA liên tục cho dịch vụ chăm sóc tại nhà yêu cầu một phương pháp chính xác và rẻ tiền đó là độc lập với chuyển động của bệnh nhân và không yêu cầu chăm sóc liên tục bởi một học viên. Những yêu cầu này có thể được được tìm thấy trong hệ thống giám sát này sẽ được thiết kế bằng cách sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính quang điện (PPG). Mục tiêu Qua những vấn đề đã được nêu ở phần mở đầu, mục tiêu của đề tài hiểu nguyên lý, phương pháp, sơ đồ khối, sơ đồ mạch đo huyết áp không xâm lấn tự động của một máy đo huyết áp tự động hoặc của module đo huyết áp không xâm lấn gắn trong thiết bị theo dõi bệnh nhân đa thông số bất kỳ. Cấu trúc báo cáo Ngoài phần mở đầu trong báo cáo này nhóm chúng em có chia thành 4 phần chính như sau: Chương 1: Tìm hiểu lý thuyết nguyên lý, phương pháp đo huyết áp không xâm lấn tự động của phương pháp PPG. Chương 2: Sơ đồ khối, sơ đồ mạch đo huyết áp không xâm lấn tự động của phương pháp PPG. Chương 3: Dùng một phần mềm thiết kế mạch để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý của mạch cảm biến huyết áp không xâm lấn. Chương 4: Dùng các tool trong phần mềm đo điện áp DC, AC (nếu có) tại các điểm đầu vào đầu ra và các điểm khác trong mạch. Nhận xét về mạch đo đã tìm hiểu.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CẢM BIẾN VÀ KT ĐO LƯỜNG Y SINH Đề tài: CẢM BIẾN ÁP LỰC MÁU (HUYẾT ÁP) Giảng viên hướng dẫn: TS DƯƠNG TRỌNG LƯỢNG Hà Nội, - 2021 LỜI NÓI ĐẦU Trong bối cảnh thời đại khoa học công nghệ ngày phát triển ngày nay, người việc áp dụng thành tựu khoa học công nghệ vào việc phát triển kinh tế, quân mà áp dụng để chăm sóc sức khỏe cho người Các phép đo huyết áp có tầm quan trọng lớn cơng tác khám chữa bệnh sử dụng để phát tăng huyết áp (huyết áp cao) hạ huyết áp (huyết áp thấp) – yếu tố dẫn đến bệnh tim mạnh bi ến ch ứng c nh ững bệnh nguy hiểm khác Tăng huyết áp có mối tương quan chặt chẽ với nguy đột quỵ não nhồi máu tim Hạ huyết áp có th ể làm việc cung c ấp máu cho não, tim mô khác hiệu Do đó, sống hàng ngày, việc đo kiểm soát huyết áp cần thiết hữu ích việc chăm sóc sức khỏe đóng vai trị dự phịng Trong giới hạn báo cáo này, chúng em xin trình bày nghiên cứu nhóm tìm hiểu mạch đo huyết áp khơng xâm lấn, dựa lập trình nhúng, chi phí thấp, nhỏ gọn, sử dụng nhà Thiết bị thiết kế sử dụng mạch đo phương pháp quang học Tín hiệu sau thu khuếch đại kết nối, xử lí với vi điều khiển Các giá trị huyết áp tâm thu, huy ết áp tâm trương ghi lại, hiển thị hình LCD máy tính Trong q trình thực đề tài này, nhóm chúng em nhận giúp đỡ, dạy tận tình TS.Dương Trọng Lượng giảng viên môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật Y Sinh, viện Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Những dạy tận tình thầy giúp đỡ nhóm chúng em nhiều q trình thực đề tài Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Vì nhiều lý nên trình thực đề tài nhóm chúng em cịn mắc nhiều sai sót hạn chế Do nhóm em mong nhận lời nhận xét, đánh giá thầy, cô để đề tài phát triển hồn thiện Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TĨM TẮT BÁO CÁO Huyết áp thơng số thường đo nghiên cứu kỹ lưỡng y tế Hầu hết máy đo huyết áp không xâm lấn dựa ph ương pháp nghe tim mạch phương pháp đo dao động Phương pháp đo huy ết áp phổ thông phương pháp Korotkoff (dùng bao h ơi) V ới m ột vài trường hợp điều trị đặc biệt, đặt catheter dùng để đo huy ết áp đ ộng m ạch xâm lấn hiệu Đối với phương pháp khơng xâm lấn hầu hết ch ưa đạt đến độ xác tuyệt đối, song ưu ểm dễ thực hi ện, chi phí th ấp,…, thường biết đến sử dụng dao động kí, sử dụng siêu âm, hay phương pháp quang học… Mặc dù nhiều phương pháp chấp nhận sử dụng rộng rãi họ hạn chế nghiêm trọng khả vận động bệnh nhân, h ọ yêu cầu cịng khó chịu; chúng khơng thích hợp đ ể chăm sóc nhà khơng th ể sử dụng để theo dõi liên tục thời gian dài ứng dụng Đo huy ết áp liên tục cho dịch vụ chăm sóc nhà yêu cầu m ột phương pháp xác r ẻ tiền độc lập với chuyển động bệnh nhân không yêu cầu chăm sóc liên tục học viên Báo cáo nhóm em tập trung sâu tìm hi ểu khảo sát mạch đo huyết áp phương pháp PPG - photoelectric plethysmography technique PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Huyết áp (HA) phép đo lực tác dụng thành mạch tim b ơm máu qua thể người Hơn nữa, đo huyết áp biết đến dấu hiệu quan trọng sử dụng rộng rãi để theo dõi tình trạng sinh lý c người với các dấu hiệu nhịp tim, nhịp th ở, độ bão hòa oxy nhi ệt độ Huyết áp coi hai biến thể huyết áp tâm thu (SBP) huy ết áp tâm trương (DBP), tâm thu đỉnh áp suất tối đa thành đ ộng m ạch xảy tâm thất trái tim tiếp xúc Trong khi, tâm tr ương m ức t ối thiểu áp lực động mạch, xảy gần cuối chu kỳ tim tâm th ất ch ứa đầy máu Thông thường, giá trị đo cho người trưởng thành khỏe mạnh, nghỉ ngơi 115 milimét thủy ngân (mmHg) (15 kilopascal [kPa]) tâm thu 75 mmHg (10 kPa) tâm trương Tâm thu tâm tr ương phép đo huyết áp lúc tĩnh Máu áp suất có xu h ướng thay đ ổi ngày Đo HA liên tục cho dịch vụ chăm sóc nhà yêu cầu m ột ph ương pháp xác rẻ tiền độc lập với chuy ển động bệnh nhân không yêu cầu chăm sóc liên tục học viên Những yêu cầu có th ể đ ược tìm thấy hệ thống giám sát thi ết kế cách s d ụng kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính quang điện (PPG) Mục tiêu Qua vấn đề nêu phần mở đầu, mục tiêu đề tài hiểu nguyên lý, phương pháp, sơ đồ khối, sơ đồ mạch đo huyết áp không xâm lấn tự động máy đo huyết áp tự động module đo huyết áp không xâm lấn gắn thiết bị theo dõi bệnh nhân đa thông số Cấu trúc báo cáo Ngồi phần mở đầu báo cáo nhóm chúng em có chia thành phần sau: Chương 1: Tìm hiểu lý thuyết nguyên lý, phương pháp đo huyết áp không xâm lấn tự động phương pháp PPG Chương 2: Sơ đồ khối, sơ đồ mạch đo huyết áp không xâm lấn tự động phương pháp PPG Chương 3: Dùng phần mềm thiết kế mạch để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý mạch cảm biến huyết áp không xâm lấn 4:các Dùng cáckhác tool trong mạch phần mềm điện áp DC,đo AC có) điểm đầu vào/Chương đầu điểm xét mạch đã(nếu tìm hiểu CHƯƠNG Nhận CƠđoSỞ LÝ THUYẾT Chương tìm hiểu lý thuyết nguyên lý, phương pháp đo huyết áp không xâm lấn tự động phương pháp PPG 1.1 Giới thiệu nguyên lý 1.1.1 Cơ sở lý thuyết PPG Chụp cắt lớp vi tính (PPG) cơng nghệ đơn giản với chi phí thấp, sử dụng phổ biến y tế để đo nhịp tim độ bão hòa oxy Phương pháp dựa vào phản chiếu ánh sáng da đo lường thay đổi khả hấp thụ ánh sáng Nó thường thực với điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng da tách sóng quang (điốt quang) để đo lượng ánh sáng truyền qua phản xạ từ da Sự thay đổi màu sắc hấp thụ ánh sáng mô điều chỉnh tuần hoàn máu thể, điều khiển tâm thu tâm trương tim đập HA người tăng hệ tim co bóp thời gian tâm thu, đẩy máu ngoại vi thể Sự lan truyền sóng xung huyết dẫn đến tăng HA Tương tự, HA giảm tim giãn để chứa đầy máu thời kỳ tâm trương Điều dẫn đến tín hiệu tuần hoàn với đỉnh tâm thu rõ ràng rõ ràng (lượng máu qua đẩy từ tim tâm thu) đỉnh tâm trương (máu trở lại từ ngoại vi tim thời kỳ tâm trương) Mỗi chu kỳ lặp lại định kỳ chứa đỉnh tâm thu đỉnh tâm trương Thông số trước thường dễ dàng phát dùng để xác định nhịp tim (Heart Rate) thông số sau rõ ràng, thường khó phát cách Hình 1.1: Nguyên lý làm việc PPG Phương pháp ứng dụng nguyên lý phép đo quang phổ, truyền lại ánh sáng đám rối tĩnh mạch da phát phép đo lường thay đổi thể tích máu da Hertzman người áp dụng kỹ thuật để nghiên cứu động mạch vào năm 1937, sau Abramowitz chuyển sang ứng dụng cho tĩnh mạch Thơng số phép đo biến thiên thể tích tạo ảnh tĩnh mạch thời gian tái đổ đầy tĩnh mạch Từ mắt cảm biến quang học vòng tay chiếu chùm ánh sáng xanh lục hồng ngoại để chiếu vào mạch máu Họ cho biết máu màu đỏ phản xạ ánh sáng đỏ hấp thụ ánh sáng xanh lục Đèn LED xanh lục kèm với diode cảm quang độ nhạy cao phát lượng máu chảy qua mạch cổ tay thời điểm cụ thể Khi tim bạn đập, lượng máu chảy qua cổ tay tăng lên, ánh sáng xanh bị hấp thụ nhiều Đèn LED chớp hàng trăm lần giây nhằm tính tốn số lần tim đập phút kết nhịp tim người dùng Mặt khác, cảm biến vòng tay sử dụng ánh sáng hồng ngoại để đo nhịp tim người đeo 10 phút Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại khơng thể cung cấp liệu khả dụng vòng tay chuyển sang dùng LED xanh lục Mặt khác, cảm biến nhịp tim thiết kế với khả tự bù đắp tín hiệu thấp cách tăng độ sáng đèn LED tỷ lệ lấy mẫu Hình 1.2: Dạng sóng lý tưởng biến dị thường thấy phương pháp đo thu 1.2 Sử dụng PPG để đo huyết áp 1.2.1 Nguyên lý hoạt động Mối quan hệ PPG HA thiết lập rõ ràng PPG sử dụng để đo tốc độ dòng máu, thường gọi vận tốc sóng xung (pulse wave velocity PWV) Khi mạch cứng co lại nhiều hơn, máu di chuyển nhanh tạo nhiều áp lực Tương tự vậy, mạch giãn đàn hồi hơn, máu chậm tạo áp lực Thời gian để mạch máu xuất phát từ tim đến điểm ngoại vi thể gọi thời gian vận chuyển xung ( pulse transit time PTT) Khi PTT ngắn hơn, cho thấy HA cao hơn, PTT dài cho thấy HA thấp Tín hiệu điện tạo tim người co bóp tâm thất tạo sóng áp lực hệ thống vào động mạch thái cực áp lực động mạch hai nhịp thái cực thứ Sóng áp suất thay đổi theo chu kỳ hai thái cực gây giãn nở thành động mạch Hơn nữa, đường nó, di chuyển nhanh dịng máu Áp suất phát cách đo thay đổi hàm lượng oxy máu, gây dịng máu oxy sóng áp suất đến Tín hiệu PPG sử dụng để xác định ghi lại biến thể lưu lượng máu thể, xảy nhịp tim PPG ghi lại máy đo oxy xung cấu tạo nguồn sáng máy dị ánh sáng: Máy phát sóng xung tim mạch lan truyền thể Nguồn sáng phát ánh sáng bước sóng cố định định lượng ánh sáng tán xạ ngược tới máy dò ánh sáng tương ứng với thay đổi thể tích máu Bằng cách này, biết phần trăm hemoglobin bão hịa oxy so với tồn lượng hemoglobin thể tích Điều đặc tính hấp thụ khác oxy- deoxy-hemoglobin Tín hiệu PPG có thành phần AC DC Thành phần AC kết thay đổi xung nhịp lượng máu động mạch đồng với nhịp tim Thành phần DC có liên quan đến lượng máu trung bình mơ Thành phần AC phải lọc khỏi thành phần DC để có tín hiệu xung cần thiết Hình 1.3 Hai thành phần tín hiệu PPG Nguyên tắc phép đo quang phổ (PPG) ( a ) Sơ đồ đèn LED thu: đèn LED phát ánh sáng bước sóng cụ thể mà hấp thụ oxy8 hemoglobin cực đại; máy thu thu ánh sáng tán xạ phía sau ( b ) Tín hiệu PPG cấu tạo thành phần DC, phần không thay đổi mô thành phần AC máu có nồng độ oxy- deoxyhemoglobin thay đổi xung Các động mạch trung tâm đẩy máu đến động mạch xa b ằng cách giãn n thời kỳ tâm thu co lại thời kỳ tâm trương Tính đàn hồi động mạch định tốc độ lan truyền: Vận tốc sóng xung (PWV) Phương trình Bramwell – Hills Moens – Kortweg, đại diện cho mối quan hệ gi ữa áp su ất (P) PWV; đó, Thời gian trễ (T i m e D e l a y) động mạch có chiều dài L Phương trình gia tăng áp suất, với thông s ố khác không đổi, dẫn đến gia tăng PWV có tác động ngược đến Đ ộ tr ễ th ời gian Tính đàn hồi E động mạch định tốc độ lan truyền Vì vậy, biểu thị PWV dạng Áp suất chất lỏng ( P ) cách bao gồm mật độ máu ( ρ), đường kính động mạch ( d ), độ dày động mạch ( h ),α dạng thông số tàu (số Euler) E0 mô đun Young cho độ đàn hồi áp lực động mạch không 1.2.2 Chỉ số Huyết áp Trong bối cảnh này, PTT đề cập đến thời gian, thực sóng áp lực, di chuyển hai vị trí động mạch có liên quan ngh ịch v ới HA Nó thu cách quan sát hai sóng PPG xa Các phương trình Bramwell – Hills Moens – Kortweg đưa mối quan h ệ logarit BP Độ trễ thời gian Giả sử không đổi đối tượng: tỷ trọng máu (ρ), đường kính động mạch ( d ), độ dày động mạch ( h ), khoảng cách mà Độ trễ thời gian thu ( L ) thông số độ đàn hồi (E0), có mối quan hệ BP Độ trễ thời gian biểu diễn sau: HA = a*loge(Thời gian trễ) + b HA= a * ( Thời gian trễ ) + b Ở đây, a b số dành riêng cho chủ đề chúng có th ể thu đ ược thơng qua phân tích hồi quy BP tham chi ếu Đ ộ tr ễ th ời gian t ương ứng Mối quan hệ toán học BP Độ trễ thời gian sử dụng cơng việc Mơ hình tuyến tính khai thác Nhịp tim (HR) nh m ột bi ến th ứ hai Sau đó, mơ hình là: HA= a * ( Thời gian trễ ) + b * HR + c Một số nghiên cứu khác tích hợp thuật tốn BP tuyến tính (Ph ương trình (3)) với yếu tố ảnh hưởng khác, chẳng hạn HR Chỉ số độ cứng động mạch (ASI), ảnh hưởng đến HA Ảnh hưởng phương sai nhịp tim cho thấy tác động tích cực tiêu cực đến HA liệu lâm sàng 10 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA THIẾT BỊ ĐO Chương đưa sơ đồ khối, sơ đồ mạch đo huyết áp không xâm lấn tự động phương pháp PPG 2.1 Sơ đồ khối Thiết bị đo gồm khối chính: cảm biến quang, khối xử lí tín hiệu, khối vi xử lí, khối hiển thị, truyền liệu (LCD, Kit Bluetooth) Ngoài khối nguồn khối hiển thị liệu máy tính/điện thoại Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết bị 2.2 Nguyên lí hoạt động mạch khối 2.2.1 Cảm biến quang 11 Hình 2.2: Mạch PPG phương pháp đo Việc phát tín hiệu huyết áp dựa việc sử dụng kỹ thu ật quang h ọc gọi phương pháp chụp cắt lớp quang điện (PPG) Kỹ thu ật có kh ả phát thể tích huyết áp động mạch Dạng b ản PPG s d ụng hai thành phần: nguồn sáng để chiếu sáng m ột ph ần mơ (ví d ụ: đ ầu ngón tay) máy dị ảnh để nhận ánh sáng Tính suốt mơ s ống đ ối v ới ánh sáng giúp phần ánh sáng từ nguồn truyền qua mơ đến đầu dị Tuy nhiên, phần ánh sáng hấp thụ máu, xương, da mơ Thể tích máu mạch thay đổi th ể tích phần khác khơng đổi Do đó, hấp thụ ánh sáng thay đổi theo s ự thay đ ổi c th ể tích máu (tăng giảm) ánh sáng trở lại máy dò quang thay đổi theo s ự thay đổi thể tích máu Điện trở suất máy dò ảnh thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu vào Kết thay đổi điện trở suất thay đổi dòng điện chạy máy dị chuyển thành tín hiệu PPG 2.2.2 Khối xử lí tín hiệu Hình 2.3: Mạch xử lí tín hiệu Sau cảm biến phát thay đổi thể tích huy ết áp, m ột tín hiệu điện sinh học tần số thấp cường độ thấp nhận ốt quang Vì tín hiệu PPG phát q yếu, phải tr ải qua q trình ti ền xử lí ( khuếch đại lọc) để sử dụng cho trình xử lý ti ếp theo Vì điện áp đầu máy dị ảnh có lượng l ớn thành ph ần m ột chi ều nên yêu cầu lọc để loại bỏ thành phần chiều Lựa ch ọn l ọc t ốt sử dụng lọc thông dải hoạt động tần số cắt có th ể đ ược 12 sử dụng để loại bỏ dòng điện chiều (DC) tần s ố cắt th ứ hai có th ể đ ược sử dụng để loại bỏ thành phần tần số cao không mong mu ốn tín hi ệu nhiễu đường dây điện (50 Hz) Ngồi ra, lọc cịn sử dụng với độ lợi cao để khuếch đại tín hi ệu Bộ lọc thơng dải hai giai đoạn sử dụng giai đoạn có đ ộ khu ếch đ ại khác Mạch khuếch đại lọc mô phần sau 2.2.3 Khối vi xử lí Hình 2.4: Khối vi điều khiển PIC18F252 IC 28 chân, có chuy ển đổi A / D s ẵn có 10 bit v ới năm kênh đầu vào Tần số hoạt động DC-40MHz, nhớ chương trình 32k byte nhớ liệu 1536 byte Đầu giai đoạn điều hịa tín hiệu đ ưa vào vi điều khiển nơi xử lý (lấy mẫu lượng tử hóa) Bộ vi ều khiển PIC18F252 sử dụng hệ thống có m ột ADC tích hợp Họ thiết bị PIC18F252 hoạt động tốc độ lên đến 12MIPS có h ệ số nhân phần cứng để tính tốn nhanh thuật toán điều ển B ộ vi điều khiển tìm giá trị nhỏ (đại diện cho DBP) giá tr ị lớn nh ất (đ ại di ện cho SBP) tạo thành điện áp đầu cách sử dụng chương trình đ ược vi ết b ằng MPLAB X IDE 2.2.4 Khối hiển thị truyền liệu, lưu trữ 13 Hình 2.5: Màn hình LCD mà module Bluetooth Sau đó, vi điều khiển hiển thị thông tin huy ết áp đo hình LCD nhỏ truyền chúng qua thiết bị Bluetooth đến thi ết b ị máy tính có hỗ trợ tĩnh Giao diện Bluetooth cung cấp m ột phương th ức tiêu th ụ điện thấp thuận tiện để truyền liệu Bằng cách sử dụng Điều khiển từ xa Bluetooth (SKKCA-21) Mô-đun SKKCA21 cung cấp tảng Bluetooth đơn giản nhỏ gọn cho ứng d ụng nhúng Nó có bố cục gắn kết bề mặt giúp trình phát tri ển ứng d ụng dễ dàng Bluetooth truyền kết đọc đến PC trang bị Bluetooth Màn hình hiển thị máy tính sử dụng phần mềm đặc bi ệt có tên ParallaxSerial-Terminal Đây phần mềm đầu cuối đơn giản cho phép người dùng hi ển thị kết thông qua cổng nối tiếp xác định trước.Hệ th ống cung cấp cho người dùng giao diện dễ sử dụng môi trường quản lý huy ết áp đơn giản 14 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG MẠCH XỬ LÍ TÍN HIỆU Chương dùng phần mềm thiết kế mạch để vẽ s đồ mạch nguyên lý thiết bị đo huyết áp không xâm lấn 3.1 Tính chất tín hiệu PPG thu từ cảm biến quang chip IC diode quang chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hi ệu tín hiệu điện áp, cách sử dụng khuếch đại chip Tín hiệu ện áp bao gồm thành phần DC lớn đặt chồng lên thành phần AC nh ỏ Đ ộ l ớn thành phần AC nằm khoảng 0,1 đến 1% thành phần DC Tín hiệu PPG có tần số 0.5-4Hz, biên độ nhỏ khoảng 0.1mV, cần khuếch sau thực bước xử lí Tín hi ệu sau thu đ ược nhiễu DC nhiễu tần số 50Hz từ mạng điện dân dụng, th ế cần mơ mạch lọc 3.2 Mơ khối xử lí tín hiệu Khối xử lí bao gồm lọc khuếch đại tích h ợp m ạch nh sau Phần mềm mơ phỏng: TI TINA Hình 3.1: Mạch mơ 15 VG1: sóng sin tần số 0.5-100Hz, biên độ 0.1mV VS1/VS2: nguồn ±5V DC đưa vào chân số opamp Các lọc thông thấp tụ và trở mặc song song thi ết k ế theo công thức: fc = , Tích hợp khuếch đại đảo: G1= , G2 = Bộ lọc thông cao với tụ điện kết hợp với ện tr n ối đất T ần s ố cắt: fc = Các tụ điện có vai trị loại bỏ nhiễu DC Đi ện áp đ ầu đ ược đo b ởi vôn k ế VM1 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Chương đưa kết mô đo điện áp DC, AC (n ếu có) điểm đầu vào/ đầu điểm khác mạch đồng thời nhận xét khảo sát mạch đo tìm hiểu Hình 3.2: Mạch mơ kí hiệu Các kí hiệu mạch chiều dòng điện, điện áp ghi bảng 4.1 Khảo sát dòng điện, điện áo qua tụ điện, điện trở DC R1 [1,0] 16 AC I V I V 17.92pA 1.22µV 1.47nA 99.83µV R2 [0,2] R3 [2,3] R4 [5,9] R5 [0,3] R6 [0,4] R7 [0,5] 499.63pA 517.56pA 4.11nA 52.17nA -17.92pA 4.09nA 4.1µV 516.56µV 2.33mV 521.65µV -1.22µV 4.09µV 12.17nA 4.5nA 2.6µA 453.83nA 66.63nA 4.53µA 99.82µV 4.5mV 1.48V 4.54mV 4.53mV 4.53mV C1[8,1] C2[3,4] C3[2,3] X X X -1.22µV -522.87µV 517.56 µV X X X 5.84µV 265.09µV 4.5mV C4[5,9] X 2.33mV X 1.48V 4.2 Khảo sát điện áp đầu vào, đầu khuếch đại Đầu vào OP1 – DC 1.22µV -521.65µV AC 99.83µV 4.54mV OP2- vào OP2 – DC 1.22 µV -2.34mV Hình 3.3: Tín hiệu sóng sin đầu vào (màu vàng) đầu (màu xanh) 4.3 Khảo sát đáp ứng tần số mạch 17 AC 4.53mV 1.04V Hình 3.3: Đường cong đặc tính AC Mạch hoạt động ổn định tần số thấp, với tần số tín hiệu PPG 4.4 Nhận xét - Điện áp đầu đo phần mềm mô gần gi ống v ới giá tr ị tính tốn lí thuyết, - Mạch hoạt động tốt tần số thấp, loại bỏ thành phần nhi ễu điện dân dụng, thành phần DC (các giá trị DC đo nh ỏ), l ọc đ ược thành phần tần số cao - Vì mạch thực chức yêu c ầu đ ề ra, v ới đ ầu tín hiệu PPG khuếch đại, hình dạng tương tự tín hiệu chuẩn, phù h ợp để thực bước tính tốn, xử lí KẾT LUẬN Với hệ thống đề xuất này, huyết áp đo liên tục m ột thời gian dài theo dõi từ xa Hệ th ống nhúng nh ỏ có th ể hi ển thị huyết áp tâm thu huyết áp tâm trương không dây Bluetooth H ệ th ống cung cấp cho người dùng giao diện dễ sử dụng môi trường quản lý HA đơn giản Giao diện Bluetooth cung cấp phương thức tiêu thụ ện thấp thuận tiện để truyền liệu Sản phẩm thường tích hợp thêm bao gồm nhiều thơng số sinh lý nhịp tim, độ bão hòa oxy SPO 2, nhịp độ hô hấp, … để theo dõi thời gian dài 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm, Cảm biến KT đo lường y sinh, TS Dương Trọng Lượng, ĐH Bách Khoa Hà Nội [2] Blood Pressure Estimation from Photoplethysmogram Using a Spectro-Temporal Deep Neural Network; Gašper Slapničar,* Nejc Mlakar, and Mitja Luštrek, 2019 [3] A New Wearable Device for Blood Pressure Estimation Using PhotoplethysmogramScripted and Continuous Unscripted Activities” Sensor 2012; 12(9): 12301– 12316 Remo Lazazzera Yassir Belhaj and Guy Carrau [4] Elgendi, M., Fletcher, R., Liang, Y et al The use of photoplethysmography for assessing hypertension npj Digit Med 2, 60 (2019) [5] Rokde, K Y., et al "A Non-Invasive Blood Pressure Measurement Using Embedded Technology." International Journal of Scientific Research in Science and Technology (IJSRST) 4.1: 137-141 19 20 ... huyết áp (huyết áp cao) hạ huyết áp (huyết áp thấp) – y? ??u tố dẫn đến bệnh tim mạnh bi ến ch ứng c nh ững bệnh nguy hiểm khác Tăng huyết áp có mối tương quan chặt chẽ với nguy đột quỵ não nhồi máu. .. cảm ơn! MỤC LỤC TÓM TẮT BÁO CÁO Huyết áp thông số thường đo nghiên cứu kỹ lưỡng y tế Hầu hết m? ?y đo huyết áp không xâm lấn dựa ph ương pháp nghe tim mạch phương pháp đo dao động Phương pháp đo. .. máu Áp suất phát cách đo thay đổi hàm lượng oxy máu, g? ?y dòng máu oxy sóng áp suất đến Tín hiệu PPG sử dụng để xác định ghi lại biến thể lưu lượng máu thể, x? ?y nhịp tim PPG ghi lại m? ?y đo oxy