a. SpO2 và sự phát triển của phương pháp đo mạch dựa trên SpO2
Khi chúng ta thở oxy sẽ vào phổi. Máu mà thành phần quan trọng nhất của máu là Hemoglobine (Hb) sẽ vận chuyển oxy từ phổi đến các nơi cần thiết trong cơ thể để đảm bảo sự sống. Sự vận chuyển đó xảy ra khi Hb kết hợp với oxy thành HbO2.
Tỷ lệ gọi là độ bão hòa oxy trong máu, nói cách khác là tỷ lệ phần trăm hemoglobine của máu kết hợp với Oxy. Độ bão hòa oxy trong máu nếu được đo trên thực tế được gọi là SaO2, còn nếu được đo dựa trên mạch đập được gọi là SpO2.
Đến năm 1935, với sự phát minh ra thiết bị thô sơ đầu tiên dựa vào 2 bước sóng chính là đỏ và xanh dương đặt ở dáy tai dùng để đo SpO2, Matthes được nhắc đến như người đầu tiên đã tìm ra phương pháp khảo sát oxy trong máu. Thiết bị này vấp phải 2 nhược điểm:
1. Sự dẩn truyền ánh sáng qua dái tai bị ảnh hưởng bởi các yếu khác ngoài Hb như sắc tố da.
2. Nó không phân biệt được HbO2 nào là của động mạch, HbO2 nào là của tĩnh mạch.
Đến năm 1949, Wood đã phát triển thêm kỷ thuật trên bằng cách đưa vào đó 1 thiết bị có khả năng cảm biến với mạch đập. Nhưng sau đó, kỷ thuật này đã bị đình trệ lại vì ký do kinh phí. Mãi đến khi được tập đoàn Nihon Kohden tài trợ, năm 1972, Aoyagi đã chính thức cho ra đời máy đo oxy dựa vào mạch đập (Pulse oxymetri).
Sự ra đời của máy đo Oxy dựa vào mạch đập vào những năm 1970 đã loại bỏ những nhược điểm của máy đo oxy trước đây. Điểm đặc biệt của máy đo Oxy dựa vào mạch đập là bộ phận tiếp nhận ánh sáng chỉ nhận các sóng ánh sáng có cường độ dao động. Đầu dò của nó sẽ đặt quanh ngón tay. Điều này cho phép máy đo oxy dựa vào mạch đập chỉ phát hiện ra các Hb của động mạch và nó làm giảm hoặc loại bỏ những sai
34
sót tạo nên bởi sự hấp thu ánh sáng của những cấu trúc không có mạch đập như: mô liên kết và tĩnh mạch.
Đến năm 1987, máy đo oxy dựa vào mạch đập đã được sử dụng rộng rãi ở các phòng gây mê Mỹ. Vài năm sau, SpO2 trở nên phổ biến khắp thế giới.
b. Mạch đo xung nhịp tim qua SpO2 trên đầu ngón tay
Hình 2.13. Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dựa trên SpO2.
Trong sơ đồ khối của mạch đo nhịp tim, IR LED được sử dụng để chiếu sáng vào ngón tay của người sử dụng bằng ánh sáng hồng ngoại. Khi đó cường độ ánh sáng hồng ngoại phản xạ lại Photo Transistor sẽ thay đổi theo huyết áp trong các đầu ngón tay. Mỗi nhịp tim, máu sẽ đẩy ra các mao mạch ở ngón tay làm thay đổi cường độ phản xạ hồng ngoại, khiến điện áp đầu ra phía trên Photo Transistor thay đổi.
Hình 2.14. Sơ đồ mạch dò nhịp tim.
Điện áp thay đổi phía trên Photo Transistor (tại điểm A) sẽ được đưa qua một mạch lọc thông cao để lọc thành phần một chiều vào mạch với tần số cắt cao:
= 1
35
Sau khi được lọc thông cao (B), tín hiệu (theo nhịp tim) sẽ được khuếch đại lên với hệ số khuếch đại tối đa = 1 + ≈ 34 lần (C). Sau đó tín hiệu đã được khuếch đại sẽ được lọc thông thấp (D) với mục đích loại bỏ tạp nhiễu ở tần số cao (do ánh sáng, rung…) với tần số cắt thấp:
= 1
2 ≈ 15( )
Tín hiệu cuối cùng được đưa vào so sánh với điện áp chuẩn qua mạch so sánh để chuyển đổi từ dạng điện áp tương tự sang dạng điện áp số để đưa về xử lý trong khối điều khiển. Tín hiệu cuối cùng tại đầu ra (Điểm E) là tín hiệu mức 0 và 1, tương ứng với khi có nhịp tim đập thì đầu ra ra mức 1.
2.2.2. Hoạt động của hệ thống
Hệ thống được gắn trên cơ thể người sử dụng với cảm biến nhịp tim được gắn vào đầu ngón tay, cảm biến nhiệt độ và mạch hỗ trợ cảm biến nhịp tim được gắn quanh cổ tay.
Khi người sử dụng đang nằm ở ngoài phạm vi của mạng cảm biến không dây, xung nhịp tim được đưa về tạo ngắt trên Arduino Mega2560, mỗi khi có ngắt, Arduino sẽ đếm thời gian giữa hai lần xung nhịp đưa về để tính ra số nhịp tim mỗi phút, ngoài ra Arduino sẽ đọc giá trị nhiệt độ cơ thể người sử dụng, nếu số nhịp tim tính được hay nhiệt độ cơ thể có dấu hiệu bất thường thì hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo thông qua LED và còi đồng thời gửi tin nhắn đến số điện thoại của người thân hoặc bác sỹ để thông báo tình hình sức khỏe của người sử dụng.
36
Hình 2.15. Khi người sử dụng ở ngoài phạm vi của mạng cảm biến không dây.
Ngoài ra khi bộ đếm timer tăng lên quá cao (Khoảng thời gian giữa hai nhịp tim quá lâu) thì đồng thời hệ thống cũng lập tức thông báo và gửi tin nhắn cảnh báo qua tin nhắn đến số điện thoại đã được đăng ký.
37
Khi người sử dụng đang nằm trong phạm vi của mạng cảm biến không dây thì mỗi khi có xung nhịp tim đưa về Arduino, hệ thống sẽ lập tức gửi dữ liệu nhiệt độ và lượng SpO2 đo được (Do mạch cảm biến nhịp tim đưa về mức tín hiệu số 1 và 0 nên lượng SpO2 khi ở mức 1 được coi bằng giá trị 100% và ở mức 0 là 0%) qua Xbee Zb24 về máy tính trung tâm. Từ các dữ liệu này, máy tính trung tâm sẽ phân tích và đánh giá tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách liên tục và chính xác nhất.
38
CHƯƠNG III
XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ 3.1. Xây dựng phần mềm
3.1.1. Lập trình nhúng với nền tảng Arduino
Môi trường Arduino được thiết kế đơn giản cho người mới bắt đầu sử dụng. Không phải phần mềm hoặc các thiết bị điện tử thực nghiệm. Với Arduino bạn có thể xây dựng một dự án đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển ánh sáng, âm thành, chuyển động… Arduino được sử dụng để tạo ta rất nhiều thứ tuyệt vời như nhạc cụ, robot, điêu khắc ánh sáng, trò chơi, đồ nội thất tương tác thậm chí là quần áo thông minh có khả năng tương tác với cơ thể.
Arduino được sử dụng rất nhiều trong các chương trình giáo dục trên toàn thế giới, đặc biệt đối với các nhà thiết kế và nghệ sĩ những người muốn tạo ra những cái mới độc mà không cần am hiểu sâu về vấn đề của kỹ thuật của những thứ mà họ đã sáng tạo ra. Bởi vì Arduino được thiết kế sử dụng cho những người không am hiểu về kỹ thuật, phần mềm Arduino có rất nhiều ví dụ được cung cấp bởi nhà phát triển nên rất dễ dàng để tiếp cận và sử dụng.
Mặc dù dễ dàng sử dụng nhưng Arduino có phần cứng được thiết kế rất tinh tế nên các kỹ sư có thể dễ dàng nhúng nó vào trong các ứng dụng nhúng. Người đã sử dụng và phát triển các ứng dụng nhúng bằng vi điều khiển cũng bị thu hút bởi Arduino do khả năng phần cứng tốt và và phần mềm tiện dụng dễ dàng cho việc giải quyết các ý tưởng. Arduino được biết đến nhiều nhất là phần cứng của nó, nhưng phải có phần mềm để lập trình phần cứng. Cả phần cứng và phần mềm gọi chung là “Arduino’’. Sự kết hợp đó cho phép bạn tạo ra các dự án có ý nghĩa và kiểm soát thế giới vật chất. Các phần mềm là tự do, mã nguồn mở thông qua một nền tảng. Các board bạn có thể mua với giá rẻ hoặc bạn có thể tự thiết kế với mã nguồn schematic mở. Ngoài ra, có một số hoạt động liên quan tới Arduino được giải đáp bởi diễn đàn Arduino trên toàn thế giới và Wikimedia gọi chung là sân chơi Arduino.
Phần cứng Arduino: là các board Arduino nơi thực thi các chương trình lập trình. Các board này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành
39
phần được ghép trực tiếp vào nó để tương tác với thế giới thực để cảm nhận hoặc truyền thông. Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc. Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa và các thiết bị hiển thị.
Phần mềm Arduino: được gọi là sketches, được tạo ra trên máy tính có tích hợp
môi trường phát triển (IDE). IDE cho phép bạn viết, chỉnh sửa code và chuyển đổi sao cho phần cứng có thể hiểu. IDE dung để biên dịch và nạp vào Arduino (quá trình sử lý này gọi là UPLOAD).
Cũng như các ngôn ngữ lập trình khác, ngôn ngữ trong Arduino sử dụng ngôn ngữ C. Cấu trúc một chương trình Arduino bao gồm 2 phần chính:
void setup() {
Thực hiện việc thiết lập ban đầu cho các ứng dụng. }
void loop() {
Vòng lặp thực hiện chương trình. }
Hàm setup() được sử dụng để khởi tạo giá trị các biến, chế độ chân, bắt đầu sử dụng các thư viện…Hàm setup chỉ thực hiện một lần khi cấp nguồn hoặc reset Arduino. Hàm loop() được hiểu như là chương trình chính, thực hiện các chức năng được lập trình và có tính lặp lại liên tục.
40