26 Do tín hiệu cần thu có tần số theo tần số của nhịp mạch, từ khoảng 0.5 Hz đến khoảng 4Hz nên khối lọc tín hiệu được thiết kế ở kiểu lọc thông dải. Bộ lọc thông dải được thiết kế 2 tầng để tổng thể bộ lọc thu được độ lợi lớn và đáp ứng tần số tốt hơn việc chỉ sử dụng một tầng lọc duy nhất. Phương pháp này sẽ cải tiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra.
Thiết kế của bộ lọc thông dải được thể hiện trong hình 24:
Hình 24: Sơ đồ nguyên lý khối lọc tín hiệu
Để đáp ứng tần số thông dải mục tiêu (0.5-4 Hz), thông số của bộ lọc được tính toán và lựa chọn như sau:
- Bộ lọc tầng 1: o Tần số cắt thấp: 𝑓𝑡ℎấ𝑝1 = 1 2𝜋(47𝜇𝐹)(10𝑘Ω)= 0.338𝐻𝑧 o Tần số cắt cao 𝑓𝑐𝑎𝑜1 = 1 2𝜋(200𝑛𝐹)(120𝑘Ω)= 6.63𝐻𝑧 o Độ lợi: 𝐴 = −120𝑘 10𝑘 = −12 - Bộ lọc tầng 2: o Tần số cắt thấp: 𝑓𝑡ℎấ𝑝2 = 1 2𝜋(47𝜇𝐹)(10𝑘Ω)= 0.338𝐻𝑧
27 o Tần số cắt cao 𝑓𝑐𝑎𝑜2 = 1 2𝜋(24𝑛𝐹)(330𝑘Ω)= 19.91𝐻𝑧 o Độ lợi: 𝐴 = −333𝑘 10𝑘 = −33.3 2.2.6Khối vi xử lý
Khối vi xử lý đươc lựa chọn sử dụng module Arduino Nano nhờ những đặc điểm nổi bật sau:
- Module có kích thước nhỏ gọn dễ tích hợp vào sản phẩm nhưng vẫn đầy đủ các cổng tín hiệu ra/vào cần thiết
- Ngôn ngữ lập trình C đơn giản, dễ sử dụng và có sẵn các thư viện tương tác với các khối giao tiếp ngoài.
- Giá thành rẻ
Hình 25: Arduino Nano
Thông số kỹ thuật của Arduino nano như sau:
Bảng 4: Bảng thông số kỹ thuật module Arduino nano[18]
Arduino Nano Thông số kỹ thuật Số chân analog I/O 8
Cấu trúc AVR
Tốc độ xung 16 MHz
Dòng tiêu thụ I/O 40mA Số chân Digital I/O 22
28 Bộ nhớ Flash 32 KB of which 2 KB used
by Bootloader Điện áp ngõ vào (7-12) Volts Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V
Kích thước bo mạch 18 x 45 mm Nguồn tiêu thụ 19mA
Ngõ ra PWM 6
SRAM 2KB
Cân nặng 7 gms
Arduino nano có kích thước rất nhỏ nhưng vẫn sở hữu đầy đủ các tính năng của các mạch vi điều khiển khác, rất thích hợp trong quá trình nghiên cứu và tích hợp sản phẩm mẫu. Các chân tín hiệu của aruino nano được đưa ra trong hình 25:
Hình 26: Sơ đồ chân tín hiệu module Arduino nano[18]
2.2.7 Khối giao tiếp
Thiết kế lựa chọn module thu phát bluetooth HC - 06 đảm nhiệm vai trò giao tiếp giữa smart phone và thiết bị đo huyết áp. Module thu phát bluetooth HC-06 có chân tín hiệu ra hoàn chỉnh giúp dễ dàng kết nối để thực hiện các thí nghiệm, module được thiết kế để cho thể hoạt động từ mức điện áp 3V3 đến 5V.[17]
29
Hình 27: Module thu phát bluetooth HC- 06
Thông số kỹ thuật module thu phát bluetooth HC-06:
- Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC.
- Điện áp giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5VDC.
- Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200
- Dải tần sóng hoạt động: Bluetooth 2.4GHz
- Sử dụng CSR mainstream bluetooth chip, bluetooth V2.0 protocol standards.
- Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA
- Kích thước của module chính: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm
- Thiết lập mặc định:
- Baud rate: 9600, N, 8, 1.
- Pairing code: 1234.
2.2.8Khối cảm biến
Cảm biến áp suất được lựa chọn ở đây là cảm biến áp suất áp điện 2SMPP-02 của hãng Omron, đây là cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng máy đo huyết áp hiện hành với kích thước nhỏ gọn, độ chính xác và tuổi thọ cao.
30
Hình 28: Cảm biến 2SMPP-02 OMRON
Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất áp điện 2SMPP-02 OMRON được trình bày trong bảng 5:
Bảng 5: Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất 2SMPP-02 OMRON [16]
STT Cảm biến 2SMPP-02 Thông số kỹ thuật 1 Loại cảm biến Áp suất Gauge
2 Phương pháp cảm biến Piezoresistance – Điện trở áp điện
3 Môi trường áp suất Không khi
4 Dải đo áp suất 0 -37kPa (277,5mmHg) 5 Dải áp suất tối đa 53kPa
6 Nhiệt độ hoạt động 0-50oC 7 Độ ẩm hoạt động 15-95%
8 Điện trở cầu 20 ±2 kΩ
9 Điện áp vi sai 31.0 ±3.1 mV (tại 37kPa) 10 Độ phi tuyến 0.8% FS max. (0 đến 37 kPa) 11 Độ trễ áp suất 0.5% FS (0 to 37 kPa)
12 Công suất tiêu thụ 0.2mW
31 Cảm biến 2SMPP-02 sử dụng phần tử cảm biến điện trở áp điện là một cầu điện trở áp điện đặt bên trong để làm chip cảm biến. Cấu trúc của cảm biến được trình bày trong hình 28:
Hình 29: Hình ảnh minh hoạ kế cấu cảm biển áp suất 2SMPP-02 [16]
Khi áp lực được đưa vào cảm biến thông qua đầu khí vào của cảm biến lớp màng của cầu điện trở áp điện bị biến dạng dẫn đến thay đổi giá trị điện trở của các điện trở áp điện. Mô tả tác động của áp lực tấm điện trở áp điện của cảm biến được trình bày trong hình 29:
Hình 30: Hình ảnh nguyên lý tác động áp lực lên bề mặt cảm điện trở áp điện [16]
Các chân tín hiệu của cảm biến và cầu điện trở áp điện của cảm biến 2SMPP-02 được mô tả như hình dưới. Cầu điện trở là một cặp mạch phân áp với 2 đầu ra là
32 Vout+ và Vout-. Giá trị áp suất được tính toán từ giá trị đầu ra là điện áp chênh lệch giữa Vout+ và Vout-.
Hình 31: Sơ đồ chân và sơ đồ mạch điện tương đương của cảm biến áp suất 2SMPP-02 [16]
Giá trị điện áp chênh lệch ban đầu Vo = 0 do giá trị điện trở R1=R2=R3=R4=R. Giá trị điện áp đầu ra được tính theo công thức:
𝑉𝑜 = ( 𝑅1. 𝑅3− 𝑅2𝑅4 𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3+ 𝑅4) . 𝐼
(1)
Khi có áp suất tác động, điện trở áp điện thay đổi giá trị điện trở, với R1, R3 tăng ∆𝑅 và R2 và R4 giảm ∆𝑅.
Hình 32: Sơ đồ mạch điện tương đương của cảm biến 2SMPP-02 khi được cấp nguồn [16]
Thay giá trị R1, R2, R3, R4 bằng R và ∆𝑅 tương ứng vào công thức (1), ta được
𝑉𝑜 = ( (𝑅 + ∆𝑅). (𝑅 + ∆𝑅) − (𝑅 − ∆𝑅). (𝑅 − ∆𝑅) (𝑅 + ∆𝑅) + (𝑅 − ∆𝑅) + (𝑅 + ∆𝑅) + (𝑅 − 𝑅)) . 𝐼
33 Khi đó:
𝑉𝑜 = ∆𝑅. 𝐼 (3)
2.2.9Thiết kế hoàn thiện
Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết kế sản phẩm đo huyết áp được thiết kế như hình dưới:
Hình 33: Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết kế thiết bị đo huyết áp
Thiết kế trước khi được tích hợp hoàn thiện được thực hiện lắp ráp trên board test, một số hình ảnh trong quá trình thiết kế được thể hiển trong hình 33 và 34:
34
Hình 35: Dạng sóng tín hiệu áp lực thụ được sau khi xử lý nhiễu và khuếch đại
Toàn bộ các khối mạch điện tử chức năng được thiết kế và tích hợp trên cùng một bo mạch chính.
Hình 36: Thiết kế mạch in của sản phẩm trước khi hàn linh kiện và kết nối các khối ngoài
Hình 37: Hình ảnh Mạch thiết kế sau khi hàn linh kiện và kết nối các khối ngoài
Mạch thiết kế được hoàn thiện và kết nối với khối bơm được đóng hộp và hoàn thiện để thuận lợi cho quá trình đánh giá và sử dụng.
35
Hình 38: Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện
2.3 Thiết kế ứng dụng điều khiển 2.3.1Ngôn ngữ sử dụng 2.3.1Ngôn ngữ sử dụng
Ứng dụng điều khiển và lưu trữ kết quả đo huyết áp được lựa chọn thiết kế trên ngôn ngữ lập trình Android. Do phần lớn người dùng hiện tại sử dụng điện thoại Android, hơn 60%. Ngoài ra, ngôn ngữ Android với mã nguồn mở, lập trình đơn giản, quá trình kiểm tra ứng dụng tự động, nhanh chóng, khả năng cập nhật hay phát bản thử nghiệm dễ dàng.
Kotlin là một ngôn ngữ lập trình kiểu tĩnh chạy trên máy ảo Java (JVM) và có thể được biên dịch sang mã nguồn Java hay sử dụng cơ sở hạ tầng trình biên dịch LLVM. Nó được tài trợ và phát triển bởi bởi JetBrains. Mặc dù cú pháp không tương thích với Java, nhưng hiện thực JVM của thư viện chuẩn Kotlin được thiết kế để tương tác với mã Java và dựa vào mã Java từ Java Class Library có sẵn, ví dụ như collections framework. Kotlin sử dụng suy luận kiểu một cách tích cực để xác định kiểu của giá trị và biểu thức vốn không được nêu rõ. Điều này giúp giảm tính dài dòng của ngôn ngữ so với Java, vốn thường đòi hỏi toàn bộ đặc kiểu một cách dư thừa mãi đến phiên bản 10. Mã Kotlin có thể chạy trên JVM đến phiên bản Java 11 mới nhất.
Kể từ Android Studio 3.0 (phát hành vào tháng 10 năm 2017), Kotlin được Google hỗ trợ đầy đủ để sử dụng cho việc lập trình ứng dụng cho hệ điều hành Android của họ, và được nhúng trực tiếp vào trong gói cài đặt của IDE đó để thay thế cho trình biên dịch Java tiêu chuẩn. Trình biên dịch Android Kotlin cho phép người dùng chọn lựa giữa hướng đến mã bytecode tương thích với Java 6, hay Java 8.
36 Ứng dụng đo huyết áp trên thiết bị Smartphone được thiết kế đầy đủ các tính năng mục tiêu đề ra. Tuy nhiên giao diện được thiết kế đơn giản hoá giúp dễ sử dụng trong quá trình phát triển cũng như sử dụng sau nghiên cứu. Các tính năng nâng cao sẽ được phát triển bổ sung trong nghiên cứu tiếp theo.
2.3.2 Thiết kế ứng dụng
2.3.2.1 Các màn hình hiển thị và đo huyết áp
Các màn hình của ứng dụng đo huyết áp được thiết kế như Hình 39.
Hình 39: Màn hình kết nối thiết bị và đo huyết áp
2.3.2.2 Quy trình đo huyết áp trên ứng dụng
Lưu đồ thuật toán điều khiển và lưu trữ kết quả đo huyết áp trên ứng dụng được trình bày trong hình 41.
37
Bắt đầu
Kết nối
Gửi lệnh đo
Start press
Kiểm tra dữ liệu Chờ
Bóc tách dữ liệu
Hiện thị
Save
Kết thúc Lưu kết quả đo
Hình 40: Lưu đồ thuật toán điều khiển và lưu trữ kết quả đo huyết áp trên ứng dụng.
Quy trình đo huyết áp trên ứng dụng như sau:
- Sau khi khởi động thiết bị, kết nối ứng dụng đến thiết bị bằng các chọn “Connect” và lựa chọn tên Bluetooth phát ra từ thiết bị đo huyết áp.
- Khi kết nối thành công, biểu tưởng “Status” chuyển từ màu đỏ sang xanh và hiển thị “Đã kết nối”.
- Nhấn “Start” để bắt đầu đo.
- Sau khi kết thúc đo, màn hình tự động hiển thị lựa chọn lưu kết quả để kết quả được lưu trữ lại trong mục “Record”
38
39
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
3.1 Thiết lập quy trình thử nghiệm
Thiết bị sau khi được thiết kế hoàn thiện được đánh giá so sánh với thiết bị đang được bán thương mại trên thị trường là Máy đo huyết áp bắp tay OMRON HEM- 8712.
Hình 42: Máy đo huyết áp OMRON HEM-8712
Thông số kỹ thuật chính của thiết bị được trình bày trong bảng dưới:
Bảng 6: Bảng thông số kỹ thuật máy đo huyết áp OMRON HEM-8712
Loại máy đo Huyết áp bắp tay
Loại pin 4 Pin AAA, 1.5V
Dải đo huyết áp 20 đến 280 mmHg Dải đo nhịp tim 40 đến 180 nhịp/phút Độ chính xác Huyết áp ± 3mmHg
Độ chính xác Nhịp tim ± 5%
Chu vi vòng bít 22mm-32mm
Chức năng Đo huyết áp, nhim tim Kích thước 103mm x 80mm x 129mm
Trọng lượng 250g
40
- Thử nghiệm được đánh giá trên 30 người bình thường (10 nữ, 20 nam) ở độ tuổi từ 30 đến 50 tuổi.
- Người được thử nghiệm ngồi trên ghế, đặt 2 tay lên mặt bàn.
- Hai thiết bị thử nghiệm và thiết bị so sánh được cuốn đồng thời vào tay trái và tay phải người thực hiện đo.
- Đồng thời đo trên cả 2 thiết bị và ghi nhận lại kết quả đo
- Số lần thực hiện: 10 lần/ người (nghỉ 5 phút giữ mỗi lần thực hiện)
- Xử lý kết quả thử nghiệm:
o Đọc và ghi lại dữ liệu vào file excel.
o Đánh giá độ lệch giữa các chỉ số huyết áp tâm thu, tâm trương và nhịp tim giữa 2 thiết bị.
Hình 43 ghi nhận lại một lần thực hiện thử nghiệm đánh giá thiết bị với các thiết lập đã đưa ra.
Hình 43: Thiết lập thử nghiệm đánh giá thiết bị
3.2 Kết quả thử nghiệm
Một số kết quả thử nghiệm được trình bày trong bảng 7, kết quả đánh giá trên độ lệch giữa huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương của 2 thiết bị và phần trăm sai số nhịp tim.
41
STT
Huyết áp tâm thu Huyết áp tâm trương Nhịp tim
Thiết bị mmHg HEM87 12 mmHg Độ lệch mmHg Thiết bị mmHg HEM87 12 mmHg Độ lệch mmHg Thiết bị bpm HEM87 12 bpm Sai số (%) 1 119 115 4 76 73 3 79 79 0 2 120 120 0 86 85 1 80 81 0 3 114 110 4 84 80 4 65 64 1.6 4 105 107 -2 70 75 -5 63 60 5 5 115 120 -5 72 72 0 70 71 1.4 6 116 115 1 75 71 4 72 73 1.4 7 117 118 -1 73 75 -2 73 75 2.7 8 112 109 4 72 68 4 72 70 2.9 9 121 118 3 78 78 0 71 72 1.4 10 121 121 0 76 71 5 69 68 1.5 11 110 112 -2 65 61 4 66 67 1.5 12 110 114 -4 68 67 2 69 68 1..5 13 114 117 -3 69 69 0 64 63 1.6 14 106 101 5 64 65 -1 67 67 0 15 125 124 1 84 82 2 76 74 2.7 16 114 109 5 73 70 3 69 67 3 17 106 108 -2 61 62 -1 62 62 0 18 113 111 4 68 66 2 70 71 1.4 19 110 105 5 66 71 -5 71 70 1.4 20 122 124 -2 80 82 -2 75 75 0 3.3 Đánh giá
Từ kết quả ghi nhận đánh giá, độ chính xác của thiết kế so với thiết bị thương mại lấy so sánh làm chuẩn như sau:
- Độ chính xác huyết áp : ± 5mmHg
- Độ chính xác nhịp tim : ± 3%
Từ kết quả thử nghiệm đánh giá trên, thiết bị đã đpá ứng các yêu cầu đặt ra về độ chính xác và các tính năng đề xuất.
42 Độ chính xác của thiết bị thiết kế là khá tốt, tuy nhiên tập lấy mẫu còn nhỏ nên có thể dẫn đến độ chính xác thực tế có thể giảm khi thực hiện trên tập mẫu lớn hơn. Thiết kế của thiết bị còn chưa tối ưu nên còn chưa được nhỏ gọn, tác giả sẽ tiếp tục tối ưu về mặt linh kiện và thiết kế trong những phiên bản sau để thiết bị trở nên thực sự nhỏ gọn và tiện dụng với người bệnh.
43
KẾT LUẬN
Ở trong nghiên cứu này, luận văn đã tình bày toàn bộ những lý thuyết liên quan, phương thức thực hiện, quá trình thực hiện thiết kế và những kết quả đạt được. Đây là một đề tài vô cùng hữu ích và có tính ứng dụng cao, tuy nhiên lượng công việc cần thực hiện khá nhiều từ thiết kế mạch điện tử, lập trình phần cứng đến thiết kế và lập trình phần mềm. Tác giả đã thực hiện nghiêm túc và đạt được các mục tiêu đề ra trong nghiên cứu lần này. Với kết quả như sau:
- Thiết kế thiết bị đo huyết áp tự động: Thiết bị đã thực hiện đầy đủ tính năng của một thiết bị đo huyết áp, kèm với đó là tính năng kết nối với Smartphone và truyền gửi kết quả đo lên ứng dụng lưu trữ.
- Thiết kế ứng dụng điều khiển thiết bị và lưu trữ kết quả đo: Ứng dụng đã thực hiện được các tính năng điều khiển đo huyết áp và lưu trữ kết quả đo trong ứng dụng.
Tuy nhiên, với năng lực hạn chế, thời gian và các chuyên môn đa dạng nên kết quả