Nhận xét: Đây là các phƣơng pháp phổ biến, đơn giản, dễ đo. Chi phí khi đo khơng đáng kể. Kết quả đo có độ chính xác phụ thuộc vào ngƣời đo, có sự sai sót do chênh lệch thời gian đếm của ngƣời đo và đồng hồ đếm thời gian. Tốn nhiều thời gian, công sức để đo.
Phƣơng pháp 2: Phƣơng pháp xâm lấn
Sử dụng các điện cực để đo nhịp tim trong một khoảng thời gian, dòng điện từ nguồn sẽ đi qua các điện cực vào cơ thể rồi phản hồi lại các thông tin nhịp tim. Các điện cực sẽ đƣợc gắn lên vùng ngực đã đƣợc cồn khử trùng, dùng bằng dán cố định dây và điện cực, dụng cụ sẽ đƣợc khởi động và đo liên tục từ 24-48 tiếng, dữ liệu sẽ đƣợc lini trữ vào một bộ nhớ.
Nhận xét: là phƣơng pháp có độ chính xác cao, đƣợc sử dụng nhiều trong các
bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo đƣợc nhiều thơng số trong cùng một khoảng thời gian. Nhƣng có thể gây ra các tác dụng phụ nhƣ dị ứng da do tiếp xúc dòng điện cực hay các chất để dán cố định, gây cảm giác khó chịu.
Phƣơng pháp 3: Phƣơng pháp khơng xâm lấn
Khi tim đập, máu sẽ đƣợc dồn đi khắp cơ thể qua động mạch, tạo ra sự thay đồi về áp suất trên thành động mạch và lƣợng máu chảy qua động mạch. Vì thế ta có thể đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó. Khi lƣợng máu trong thành động mạch
22
thay đổi sẽ làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng đƣợc truyền qua động mạch thì cƣờng độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim. Khi nhịp tim giãn ra, lƣợng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cƣờng độ lớn, ngƣợc lại khi tim co vào, lƣợng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ có cƣờng độ nhỏ hơn. Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm hai thành phần AC và DC.
- Thành phần DC đặc trƣng cho cƣờng độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xƣơng và tĩnh mạch.
- Thành phần AC đặc trƣng cho cƣờng độ ánh sáng thay đổi khi lƣợng máu thay đổi truyền qua động mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ với tần số của nhịp tim.
Ngƣời ta ứng dụng hiện tƣợng này của ánh sáng để thực hiện đo nhịp tim bằng phƣơng pháp quang, nguyên lý đo đƣợc thể hiện ở hình 2.3 bên dƣới.
Hình 2. 7 Đo nhịp tim bằng phương pháp quang
Nhận xét: đơn giản, dễ sử dụng, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng thoải mái, khơng gây
23
thích hợp để theo dõi bệnh nhân trong thời gian dài. Hiện tại, hai phƣơng pháp trên đƣợc sử dụng khá phổ biến, tuy nhiên do yêu cầu về độ chính xác và theo mục tiêu ban đầu của đề tài, nhóm đã quyết định chọn đo nhịp tim bằng phƣơng pháp quang.
2.3.2 Phƣơng pháp đo SPO2 dựa vào hấp thụ quang học
Hình 2. 8 Vị trí đặt cảm biến
Vị trí đặt cảm biến hợp lý nhất là các đầu ngón tay nhƣ hình 2.7, tuy động mạch ở vị trí này khơng q lớn nhƣng bề dày cơ thể ánh sáng phải truyền qua lại tƣơng đối ít nên chỉ cần dùng 1 LED làm nguồn phát. Mặt khác, ở vị trí này cho mức độ biến thiên cƣờng độ ánh sáng nhận đƣợc là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận đƣợc, tỉ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều là đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đƣa ra kết quả chính xác nhất. Tuy nhiên, khi đo cần giữ ngón tay khơng dịch chuyển, sẽ ảnh hƣởng tới độ chính xác của kết quả đo.
Một thiết bị ở một bên của đầu dị phát ra ánh sáng đơ (660nm) và hồng ngoại (880nm). Đầu dị (photodetecter) sẽ đặt quanh ngón tay để thu nhận ánh sáng. Dựa vào sự hấp thụ của hai loại tế bào hemoglobin với các bƣớc sóng khác nhau, ta xác định đƣợc thông số SpO2. Mức độ hấp thụ ánh sáng của một bƣớc sóng xác định phụ thuộc vào bản chất môi trƣờng vật chất. Sau khi cảm biến quang đã nhận đƣợc các tia ánh sáng đỏ (R) và tia hồng ngoại(IR), tỉ lệ R/IR sẽ đƣợc đem ra so sánh với bàng tra cứu chuẩn đƣợc các nhà thiết kế máy đo xây dựng sẵn để chuyển đổi sang giá trị Sp02 tƣơng ứng.
24
2.3.3 Phƣơng pháp đo nhiệt độ
Phƣơng pháp 1: Phƣơng pháp đo trực tiếp
Phƣơng pháp đo trực tiếp: Tính chất vật lí chung của nhiệt độ là ln truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn. Lợi dụng tính chất này cho tiếp xúc nhiệt kế vào vật cần đo, nhiệt độ từ vật sẽ truyền sang nhiệt kế cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt thì số chi nhiệt kế là số chi nhiệt độ của vật. Thiết bị ứng dụng tính chất này để đo nhiệt độ là nhiệt kế thủy ngân.
Phƣơng pháp 2: Phƣơng pháp đo gián tiếp
Phƣơng pháp đo nhiệt độ gián tiếp sử dụng thiết bị đo nhiệt độ từ xa (thƣờng gọi là súng đo nhiệt độ hồng ngoại hay súng hồng ngoại). Phƣơng pháp này sử dụng khi đo nhiệt độ bề mặt của vật ở xa, cao, khó tiếp cận, trong mơi trƣờng khắc nghiệt (đƣờng ống trên cao, nhiệt độ khu vực q nóng và nguy hiểm đến tính mạng).[8]
2.4 Chuẩn giao tiếp I2C
Đầu năm 1980 Phillips đã phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây đƣợc gọi là I2C. I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit. Đây là đƣờng Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. I2C mặc dù đƣợc phát triển bởi Phillips, nhƣng nó đã đƣợc rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng. I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển, có thể kể ra đây một vài tên tuổi ngoài Phillips nhƣ: Texas Instrument(TI), MaximDallas, analog Device, National Semiconductor, w. Bus 12C đƣợc sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau nhƣ các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM, vv chip nhớ nhƣ: RAM tĩnh (Static RAM), EEPROM, bộ chuyển đổi tƣơng tự số (ADC), số tƣơng tự (DAC), IC điều khiển LCD, LED, vv.
25
- Một đƣờng xung clock (SCL) chỉ do Master phát đi (thông thƣờng ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1MHz và 3.4MHz)
- Một đƣờng dữ liệu (SDA) theo 2 hƣớng.
Có rất nhiều thiết bị có thể cũng đƣợc kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ đƣợc nhận ra bởi một địa chỉ duy nhất với một quan hệ master/slave tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi thiết bị có thể hoạt động nhƣ là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận. Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là master hay slave.
Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó cịn đƣợc cấu hình là thiết bị master hay slave. Đó là vì trên một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị master hay slave. Thiết bị master nắm vai trò tạo xung clock đồng bộ cho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị master - slave giao tiếp thì thiết bị master có nhiệm vụ tạo xung clock đồng bộ và quản lý địa chỉ của thiết bị slave trong suốt quá trình giao tiếp. Thiết bị master giữ vai trị chủ động, còn thiết bị slave giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp. Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng 7 bit để định địa chỉ, do đó trên một bus có thể có tới 27 địa chỉ tƣơng ứng với 128 thiết bị có thể kết nối, nhƣng chỉ có 112, 16 địa chỉ cịn lại đƣợc sử dụng vào mục đích riêng. Bit cịn lại quy định việc đọc hay ghi dữ liệu (1 là write, 0 là read).
Có một lƣu ý nhỏ về xung clock. Bản chất của IDC là dữ liệu trên đƣờng SDA chỉ đƣợc ghi nhận ở sƣờn lên của chân CLK. Do vậy xung clock có thể khơng cần chính xác tốc độ là 1MHz hay 3.4MHz. Lợi dụng điểm này có thể sử dụng 2 chân GPIO để làm chân giao tiếp I2C mềm mà không nhất thiết cần một chân CLK tạo xung với tốc độ chính xác.
Q trình truyền dữ liệu giữa 2 thiết bị chế độ Master – Slave dùng bus I2C diễn ra nhƣ sau:
26
Thiết bị master tạo xung START (tức là đƣờng SDA thay đổi từ mức cao xuống mức thấp và đƣờng SCL đang ở mức cao) để bắt đầu quá trình giao tiếp.
Thiết bị master gửi địa chỉ của thiết bị slave muốn giao tiếp cùng với bit R/W và đợi xung ACK phản hồi. Địa chỉ của thiết bị slave đƣợc định nghĩa bởi 7 bit, ngồi ra có thể đánh địa chỉ dƣới dạng 10 bit nếu sau lệnh START gửi chuỗi 11110 ra đƣờng SDA. Bit R/W dùng để điều khiển hƣớng truyền- bit “0” là truyền từ master tới slave, ngƣợc lại bit “1” là truyền từ slave tới master. Việc thiết lập bit R/W do thiết bị master quy định.
Khi nhận đƣợc cung báo ACK từ thiết bị slave xác nhận đúng địa chỉ thì bắt đầu thực hiện truyền dữ liệu. Dữ liệu đƣợc gửi theo từng byte. Mỗi byte gồm 8 bit và sau mỗi byte đều bắt buộc có một xung ACK để đảm bảo quá trình truyền nhận diễn ra chính xác. Số lƣợng byte là khơng giới hạn. Xung ACK đƣợc định nghĩa là SDA kéo xuống mức thấp. Ngồi ra, khi khơng nhận đƣợc đúng địa chỉ hay khi muốn kết thúc quá trình giao tiếp thiết bị nhận sẽ gửi một xung NACK tức là SDA ở mức cao.
Kết thúc quá trình truyền, thiết bị master sẽ gửi xung STOP hoặc thiết bị slave gửi xung NACK để báo hiệu kết thúc. Xung STOP tƣơng tự nhƣ xung START nhƣng trạng thái của đƣờng SDA thay đổi từ mức thấp lên mức cao. Ngồi ra, trong một q trình giao tiếp có thể lặp lại xung START kèm theo một địa chỉ mới để bắt đầu một giao tiếp khác.
Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản của nó: một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị mà chỉ cần hai lối ra điều khiển.
2.5 Ƣu nhƣợc điểm của thiết bị Ƣu điểm:
- Hệ thống dễ sử dụng, dễ thao tác.
27
- Giá thành rẻ.
- Sử dụng đƣợc tại nhà, tại giƣờng bệnh, phòng khám tƣ.
- Không phụ thuộc vào nguồn điện 220V. Nguồn cấp ở thể là sạc để sử dụng.
Nhƣợc điểm:
- App điện thoại dung kết nối Bluetooth nên khoảng cách kết nối hạn chế.
- Hệ thống dữ liệu truyền nhận nội bộ bảo mật chƣa tốt, ngƣời lạ có thể xâm nhập.
- Hệ thống đo cịn phụ thc rất nhiều vào chất lƣợng cảm biến vì phƣơng pháp đo là hấp thụ quang học nên rất dễ bị nhiễu bở ánh sang bên ngoài.
28
Chƣơng 3: PHƢƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Giới thiệu phần cứng
Thiết bị đầu vào là nút nhấn, cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100 và cảm biến nhiệt độ MLX90614. Thiết bị đầu ra sử dụng Led, buzzer Bộ điều khiển trung tâm là vi điều khiển Atmega 2560. Sử dụng chuẩn truyền dữ liệu có dây I2C và truyền khơng dây qua module Bluetooth. Thiết bị lƣu trữ là bộ nhớ RAM. Nguồn cấp là 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.7V.
3.1.1 Cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100
Cảm biến MAX30100 của hãng Maxim là module tích hợp có khả năng đo đƣợc nồng độ oxy trong máu và nhịp tim. Đây là một cảm biến quang học, nó phát ra hai bƣớc sóng ánh sáng từ hai đèn LED (LED đỏ và một LED hồng ngoại) nhƣ trong hình 2.5. Sau đó đo sự hấp thụ của mạch đập (pulsing blood) bằng cách thu tín hiệu thơng qua một bộ cảm biến ánh sáng (photodetector). Sự kết hợp màu LED đƣợc sử dụng để đọc dữ liệu ở đầu ngón tay. Từ đó xác định đƣợc nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.[9]
Hình 3. 1 Cảm biến nhịp tim và SpO2 MAX30100
Cảm biến có đặc điểm là tích hợp IC MAX30100 của Maxim, đây chính là bộ cảm biến quang học gồm hai LED, đƣợc tối ƣu và giảm nhiễu. Bên cạnh đó có sử dụng nguyên lý đo hấp thụ quang học của máu với tốc độ lấy mẫu dựa trên trạng
29
thái LED có thể lập trình đƣợc phục vụ cho mục đích tiết kiệm năng lƣợng. Giao tiếp thơng qua I2C. Chi tiết về cảm biến đƣợc thể hiện rõ ở thông số kỹ thuật trong
bảng 3.1 bên dƣới.
Bảng 3. 1 Băng thông số kỹ thuật cảm biến MAX30100
S TT THÔNG SỐ GIÁ TRỊ 1 IC MAX30100 2 Điện áp hoạt động 1.8V – 3.3V (DC) 3 Dòng hoạt động thấp 0.7 (uA)
4 Giá trị ADC 16-bit
5 Tốc độ đọc dữ liệu 50Hz to 1kHz
6 Cảm biến quang IR led hồng ngoại & bộ tách sóng quang
7 Hỗ trợ giao tiếp I2C
8 Nhiệt độ hoạt động -40 ° C đến +85 ° C
30
Hình 3. 2 Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại MXL90614
Cảm biến MXL90614 đƣợc sử dụng để đo nhiệt độ. Nhiệt kế đƣợc gắn đầu phát để phát ra tia hồng ngoại (hình 3.1) từ đó có thể đo nhiệt độ vật mà khơng cần tiếp xúc. MLX90614 tích hợp cả chip dị nhiệt độ nhạy IR. Điều này cho phép độ chính xác và độ phân giải cao của nhiệt kế. Nhiệt độ đo đƣợc trong phạm vi nhiệt độ hoàn chỉnh với độ phân giải 0,02 ° C.
Nhiệt độ đo đƣợc trong phạm vi từ -20 đến 120 ° C, với độ phân giải đầu ra là 0,14 ° C. Cảm biến MLX90614 có 4 chân thể hiện ở hình 2.7 cùng với vỏ bọc ngồi và thân. Hai chân dùng để giao tiếp I2C với oled là SCL và SDA. SCL có tác dụng để đồng bộ hóa giữa các thiết bị khi truyền dữ liệu, còn SDA là dây dữ liệu truyền qua. 2 chân còn lại dùng để nối nguồn và đất.[10]
Hình 3. 3 Sơ đồ chân cảm biến MXL90614
31
loại sóng này có bƣớc sóng dài và mang đến ánh sáng tốt. Hầu hết các cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại sẽ có bƣớc sóng từ 0.8µm đến 14µm. Tất cả các phép đo nhiệt độ trên 0°K đều phát ra bức xạ điện từ. Từ nguyên lý này, cảm biến hồng ngoại sẽ thu đƣợc bức xạ điện từ trên vật. Sau đó truyền dữ liệu về cho vi xử lý để tính tốn ra đƣợc nhiệt độ của vật đó. Module cảm biến MLX90614, cảm biến thích hợp cho việc đo nhiệt độ khơng tiếp xúc. Đầu ra là tín hiệu số, đầu vào là tín hiệu tƣơng tự.
Cảm biến có đặc điểm hoạt động ở 3.3 - 5 V. Có thể điều chỉnh độ nhạy cảm biến thơng qua phần mềm lập trình. Kích thƣớc nhỏ, chi phí thấp, thời gian đáp ứng nhanh. Cảm biến hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lƣợng. Khoảng cách đo nhỏ hơn 1 m với phạm vi nhiệt độ đo rộng: (-40 đến + 85 ° C trong nhiệt độ cảm biến) và (-70 đến + 380 ° C nhiệt độ của đối tƣợng).
3.1.3 Tổng quan về module Arduino Mega2560
Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển xây dựng dựa trên vi điều khiển Atmega 2560. Nó có 54 chân I/O (trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân ouput với chức năng PWM), 16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16Mhz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn, 1 header, 1 nút nhấn reset (hình 3.4). Nó chứa mọi thứ cần thiết hỗ trợ cho ngƣời lập trình vi điều khiển, đơn giản chỉ việc kết nối nó với máy tính bằng cable USB là có thể bắt đầu học tập. Mach Arduino 2560 sử dụng tƣơng thích với phần lớn các Shield của Arduino UNO[11]. Chi tiết về đặc