Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang

Có thể nói nhịp tim chính là một trong các thông số quan trọng đầu tiên được phát hiện và dùng để chẩn đoán tình trạng của một người. Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức năng bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch và đem dưỡng khí cùng các chất dinh dưỡng đến các cơ quan trong cơ thể. Hệ thống tim mạch của con người bao gồm tim, mạch máu và khoảng năm lít máu mà mạch máu vận chuyển. Đo nhịp tim cho thấy sự lành mạnh của hệ thống tim mạch của con người, nhịp tim nhanh hay chậm phản ánh tình trạng bệnh lý hay chỉ đơn giản là sự vận động của cơ thể. Từ xa xưa, việc đo nhịp tim đã trở nên vô cùng quan trọng nhưng có điều nó rất kém chính xác và thủ công vì là bắt mạch ở cổ tay. Cách xác định này chỉ mang tính chất ước lượng, theo kinh nghiệm là chủ yếu và dễ có sai sót. Nhưng ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thì các máy đo nhịp tim ra đời, rất gọn nhẹ và tiện dụng. Điển hình như máy đo điện tim ECG là một thiết bị hết sức thông dụng tại các cơ sở y tế, các máy đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu và nhịp tim... Tuy nhiên các thiết bị hiện nay có giá thành khá cao hoặc vận hành phức tạp, chưa phù hợp với nhiều cá nhân muốn tự theo dõi tại nhà, do vậy tôi chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Mục đích của đề tài này là xây dựng được một hệ thống theo dõi nhịp tim hoàn chỉnh có kết cấu đơn giản, có thể theo dõi và hiển thị nhịp tim liên tục, đảm bảo độ chính xác. Trong đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu và phát triển một thiết bị theo dõi nhịp tim khi nghỉ ngơi dựa trên mạch xử lý Arduino Mini có chi phí thấp và sử dụng cảm biến quang học để đo sự thay đổi thể tích máu trên đầu ngón tay. Nội dung của đồ án gồm có 3 chương: - Chương 1. Tổng quan về cơ sở lý thuyết và nguyên lý đo nhịp tim - Chương 2. Cơ sở xây dựng mô hình đo nhịp tim - Chương 3. Thiết kế mô hình đo nhịp tim Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của giảng viên ThS. Đặng Trần Huy cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử y sinh. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới mọi người đã giúp tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHÓA 13 HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ Y SINH XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM THÔNG QUA CẢM BIẾN QUANG NĂM 2019 KHÓA 13 HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 52520216 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM THÔNG QUA CẢM BIẾN QUANG Cán bô hướng dẫn khoa học: Đại úy, ThS Đặng Trần Huy BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NĂM 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN Phê chuẩn Ngày … tháng … năm ……… Độ mật: ………… Số: ……………… CHỦ NHIỆM KHOA NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên: Lớp: ĐTYS13 Khóa: 13 Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành: Điện tử y sinh Tên đề tài: “Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang” Các số liệu ban đầu: Đo trực tiếp với thiết bị bệnh viện Nội dung thuyết minh: Bản thuyết minh gồm chương: - Chương Tổng quan sở lý thuyết nguyên lý đo nhịp tim - Chương Cơ sở xây dựng mơ hình đo nhịp tim - Chương Thiết kế mơ hình đo nhịp tim Sản phẩm: Mơ hình đo nhịp tim hồn chỉnh Cán hướng dẫn: Đại úy, Thạc sĩ Đặng Trần Huy - Giảng viên Bộ môn Điện tử y sinh - Khoa Kỹ thuật điều khiển, hướng dẫn toàn đồ án Ngày giao: … / … / …… Chủ nhiệm môn GVC, TS Nguyễn Mạnh Cường Ngày hoàn thành: … / … / …… Hà Nội, ngày … tháng … năm …… Cán hướng dẫn GV, ThS Đặng Trần Huy Học viên thực Đã hoàn thành nộp đồ án ngày … tháng … năm …… Lê Thế Trung DANH MỤC VIẾT TẮT ADC Analog to digital converter BPM Beat per RHR Resting heart rate PPM Pulse per HbO2 De-oxy Hemoglobin SpO2 Saturation of peripheral oxygen PPG Photopethysmography ECG Electrocardiography MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO NHỊP TIM 1.1 SINH LÝ HỌC VÀ Ý NGHĨA CỦA NHỊP TIM 1.1.1 Vị trí, cấu tạo tim 1.1.2 Chu kỳ hoạt động tim 11 1.1.3 Ý nghĩa nhịp tim 14 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO NHỊP TIM 15 1.2.1 Cơ sở lý thuyết 15 1.2.2 Nguyên lý đo nhịp tim 16 1.2.3 Các phương pháp đo nhịp tim .18 1.2.4 Đặc trưng tín hiệu 20 1.2.5 Xử lý liệu 21 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 CHƯƠNG CƠ SỞ XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐO NHỊP TIM .23 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO 23 2.2 CƠ SỞ MẠCH 23 2.2.1 Định nghĩa khuếch đại thuật toán Op-Amp 23 2.2.2 Các mạch tính tốn sử dụng khuếch đại thuật tốn .25 2.2.3 Mạch lọc tích cực 33 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM 42 2.3.1 Phần cứng 42 2.3.2 Phần mềm 44 KẾT LUẬN CHƯƠNG 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO NHỊP TIM 46 3.1 LINH KIỆN PHẦN CỨNG SỬ DỤNG 46 3.1.1 Mạch điều khiển Arduino Mini Pro 46 3.1.2 Màn hình LCD 16x2 48 3.1.3 IC MCP6002 50 3.1.4 Cảm biến hồng ngoại 51 3.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO NHỊP TIM 52 3.3 KẾT QUẢ SẢN PHẨM .55 KẾT LUẬN CHƯƠNG 60 TỔNG KẾT .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 LỜI MỞ ĐẦU Các phát minh khoa học phát triển công nghệ giúp sống người trở nên dễ dàng tiện nghi Một số ứng dụng vào y khoa giúp nhân viên y tế thu liệu sinh lý quan trọng bệnh nhân Nói cách xác tín hiệu điện sinh trình hoạt động tổ chức sống mang nguồn thơng tin hữu ích việc chẩn đốn điều trị, trở thành cơng cụ đắc lực hoạt động khám chữa bệnh nghiên cứu khoa học Ngày nay, việc thu nhận phân tích tín hiệu điện sinh học dường khơng thể thiếu sở y tế lớn nhỏ Nếu bệnh viện, phòng khám hay xe cứu thương mà thiếu trang thiết bị theo dõi thông số sống monitor hay máy đo điện tim, máy đo huyết áp thật khó khăn việc chẩn đốn thăm khám, gây sai sót ảnh hưởng trực tiếp đến người bệnh Có thể nói nhịp tim thông số quan trọng phát dùng để chẩn đốn tình trạng người Tim phận quan trọng hệ tuần hoàn động vật, với chức bơm đặn để đẩy máu theo động mạch đem dưỡng khí chất dinh dưỡng đến quan thể Hệ thống tim mạch người bao gồm tim, mạch máu khoảng năm lít máu mà mạch máu vận chuyển Đo nhịp tim cho thấy lành mạnh hệ thống tim mạch người, nhịp tim nhanh hay chậm phản ánh tình trạng bệnh lý hay đơn giản vận động thể Từ xa xưa, việc đo nhịp tim trở nên vơ quan trọng có điều xác thủ cơng bắt mạch cổ tay Cách xác định mang tính chất ước lượng, theo kinh nghiệm chủ yếu dễ có sai sót Nhưng ngày nay, với phát triển cơng nghệ máy đo nhịp tim đời, gọn nhẹ tiện dụng Điển máy đo điện tim ECG thiết bị thông dụng sở y tế, máy đo nồng độ bão hòa Oxy máu nhịp tim Tuy nhiên thiết bị có giá thành cao vận hành phức tạp, chưa phù hợp với nhiều cá nhân muốn tự theo dõi nhà, chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang” cho đồ án tốt nghiệp Mục đích đề tài xây dựng hệ thống theo dõi nhịp tim hoàn chỉnh có kết cấu đơn giản, theo dõi hiển thị nhịp tim liên tục, đảm bảo độ xác Trong đề tài này, nghiên cứu phát triển thiết bị theo dõi nhịp tim nghỉ ngơi dựa mạch xử lý Arduino Mini có chi phí thấp sử dụng cảm biến quang học để đo thay đổi thể tích máu đầu ngón tay Nội dung đồ án gồm có chương: - Chương Tổng quan sở lý thuyết nguyên lý đo nhịp tim - Chương Cơ sở xây dựng mơ hình đo nhịp tim - Chương Thiết kế mơ hình đo nhịp tim Trong q trình thực đồ án, tơi nhận giúp đỡ bảo tận tình giảng viên ThS Đặng Trần Huy thầy cô giáo môn Điện tử y sinh Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới người giúp hoàn thành đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO NHỊP TIM 1.1 SINH LÝ HỌC VÀ Ý NGHĨA CỦA NHỊP TIM 1.1.1 Vị trí, cấu tạo tim Tim nằm trung thất giữa, lệch sang bên trái lồng ngực, đè lên hoành, hai phổi, trước thực quản thành phần khác trung thất sau Trục tim từ phía sau trước, hướng chếch sang trái xuống Hình 1.1 Vị trí tim thể người Tim tích to nắm tay, người lớn nặng khoảng 260-270 gam Trục dọc từ sau trước, hướng chếch sang trái xuống dưới, dài khoảng 12 cm, bề ngang khoảng cm Tim có vách ngăn (vách nhĩ thất) chia thành hai nửa riêng biệt nửa phải nửa trái Nửa phải chứa máu đỏ thẫm, giàu CO 2, nửa trái chứa máu đỏ tươi, giàu O2 Nếu có tật vách ngăn dẫn tới tật thông liên nhĩ tật thông liên thất Mỗi nửa tim có hai ngăn: tâm nhĩ tâm thất Máu từ tĩnh mạch chủ tĩnh mạch chủ đổ vào tâm nhĩ phải, máu từ tâm thất phải bơm vào động mạch phổi trái phải Máu từ bốn tĩnh mạch phổi đổ vào tâm nhĩ trái máu từ tâm thất trái bơm vào động mạch chủ Tim cấu thành từ loại đặc biệt tim Tim khối rỗng, chia thành buồng: tâm nhĩ tâm thất Nhĩ phải nhĩ trái, thành mỏng, nhận máu tĩnh mạch, đưa xuống thất Thất phải thất trái, thành dày, bơm máu vào động mạch với áp lực cao Hai tâm nhĩ ngăn cách vách liên nhĩ, hai tâm thất ngăn cách vách liên thất Tim cấu tạo ba lớp: ngoại tâm mạc, tim nội tâm mạc Tâm nhĩ phải; Tâm nhĩ trái; Tĩnh mạch chủ trên; Động mạch chủ; Động mạch phổi; Tĩnh mạch phổi; Van hai lá; Van động mạch chủ; Tâm thất trái; 10 Tâm thất phải; 11 Tĩnh mạch chủ dưới; 12 Van ba lá; 13 Van động mạch phổi Hình 1.2 Cấu tạo tim Ngoại tâm mạc (hay màng tim) túi kín gồm hai lớp: bao sợi bên ngồi, gọi ngoại tâm mạc sợi bao mạc lót bên trong, gọi ngoại tâm mạc mạc - Ngoại tâm mạc sợi dày, chắc, thớ sợi dính với quan lân cận xương ức, cột sống, hồnh … có dây chằng ức ngoại tâm mạc - Ngoại tâm mạc mạc gồm hai lá: thành tạng Giữa hai khoang ảo, kín gọi khoang ngoại tâm mạc ... tài ? ?Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang? ?? cho đồ án tốt nghiệp Mục đích đề tài xây dựng hệ thống theo dõi nhịp tim hồn chỉnh có kết cấu đơn giản, theo dõi hiển thị nhịp tim. .. đề tài: ? ?Xây dựng hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến quang? ?? Các số liệu ban đầu: Đo trực tiếp với thiết bị bệnh viện Nội dung thuyết minh: Bản thuyết minh gồm chương: - Chương Tổng quan sở... Chương Tổng quan sở lý thuyết nguyên lý đo nhịp tim - Chương Cơ sở xây dựng mơ hình đo nhịp tim - Chương Thiết kế mơ hình đo nhịp tim Sản phẩm: Mơ hình đo nhịp tim hoàn chỉnh Cán hướng dẫn: Đại úy,