Đồ án thiết kế hệ thống giám sát sức khỏe bệnh nhân Covid-19 HCMUTE

Đồ án HCMUTE thiết kế hệ thống giám sát sức khỏe cho bệnh nhân COVID-19 giúp theo dõi SpO2, nhịp tim và nhiệt độ từ xa nhanh chóng, chính xác.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Nga
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát sức khỏe cơ bản cho bệnh nhân Covid-19
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án giám sát sức khỏe bệnh nhân COVID 19

Đồ án này do sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm thiết kế hệ thống giám sát sức khỏe cơ bản cho bệnh nhân mắc COVID-19. Hệ thống kết hợp cảm biến sinh học (nhịp tim, SpO2, nhiệt độ) với vi điều khiển ESP8266 và giao tiếp không dây. Dữ liệu được truyền lên nền tảng web và ứng dụng di động để theo dõi liên tục. Mục tiêu là phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, hỗ trợ quản lý bệnh nhân tại nhà hoặc cơ sở y tế. Hệ thống sử dụng các module cảm biến MAX30100 (nhịp tim, SpO2) và MLX90614 (nhiệt độ) để đo lường chính xác. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong bối cảnh đại dịch hoặc quản lý sức khỏe từ xa.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính là xây dựng hệ thống giám sát liên tục ba chỉ số sinh tồn: nhịp tim, nồng độ oxy trong máu (SpO2) và nhiệt độ cơ thể. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bệnh nhân COVID-19 không triệu chứng hoặc triệu chứng nhẹ, đang cách ly tại nhà. Hệ thống không thay thế chẩn đoán y tế chuyên nghiệp nhưng cung cấp cảnh báo sớm khi các chỉ số vượt ngưỡng an toàn. Phạm vi đo lường bao gồm nhịp tim (30-200 bpm), SpO2 (70-100%) và nhiệt độ (35-42°C). Dữ liệu được lưu trữ trên đám mây và hiển thị trực quan trên giao diện web.

1.2. Cơ sở lý thuyết hệ thống giám sát

Hệ thống dựa trên nguyên lý cảm biến quang học (PPG) để đo nhịp tim và SpO2 thông qua module MAX30100. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự hấp thụ ánh sáng khác nhau của hemoglobin oxy hóa (HbO2) và khử oxy (Hb) ở bước sóng 660nm (ánh sáng đỏ) và 940nm (ánh sáng hồng ngoại). Nhiệt độ được đo bằng cảm biến hồng ngoại MLX90614 thông qua bức xạ nhiệt. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bởi vi điều khiển ESP8266 và truyền qua WiFi tới máy chủ. Giao thức MQTT được sử dụng để đảm bảo truyền tải dữ liệu ổn định và thời gian thực.

II. Phân tích nhu cầu và thách thức trong giám sát COVID 19

COVID-19 gây ra các triệu chứng đa dạng từ nhẹ đến nặng, đòi hỏi theo dõi liên tục các chỉ số sinh tồn. Nhiều bệnh nhân không có triệu chứng rõ ràng nhưng có thể tiến triển nhanh. Hệ thống giám sát truyền thống (nhiệt kế, máy đo SpO2 rời) không cung cấp cảnh báo tự động hoặc lưu trữ dữ liệu. Thách thức chính là đảm bảo độ chính xác của cảm biến trong điều kiện môi trường khác nhau, xử lý nhiễu tín hiệu và truyền dữ liệu ổn định. Ngoài ra, cần giao diện thân thiện cho người dùng không chuyên. COVID-19 cũng gây áp lực lên hệ thống y tế, đòi hỏi giải pháp giám sát từ xa hiệu quả. Hệ thống phải hoạt động liên tục 24/7 với chi phí thấp và dễ triển khai.

2.1. Rủi ro sức khỏe từ COVID 19 cần giám sát

COVID-19 có thể gây suy hô hấp, viêm phổi, hoặc hội chứng viêm đa hệ thống. Các chỉ số quan trọng cần theo dõi bao gồm nhịp tim tăng cao (trên 100 bpm), SpO2 giảm dưới 95% (đặc biệt dưới 90% là nguy hiểm), và sốt trên 38°C kéo dài. Bệnh nhân cao tuổi hoặc có bệnh nền (đái tháo đường, tim mạch) có nguy cơ biến chứng cao hơn. Hệ thống cần cảnh báo ngay khi phát hiện bất thường để can thiệp kịp thời. Theo nghiên cứu, SpO2 dưới 90% kéo dài có thể dẫn đến tổn thương não hoặc tử vong trong vòng vài giờ.

2.2. Hạn chế của các giải pháp giám sát hiện có

Các thiết bị đo SpO2 và nhiệt kế thương mại thường không kết nối internet, buộc người dùng phải ghi chép thủ công. Thiết bị y tế chuyên dụng (như máy theo dõi bệnh nhân ICU) có chi phí cao và không phù hợp cho theo dõi tại nhà. Nhiều giải pháp giám sát từ xa sử dụng Bluetooth hoặc Zigbee, giới hạn phạm vi hoạt động. Hơn nữa, giao diện của các ứng dụng thường phức tạp, khó sử dụng cho người lớn tuổi. COVID-19 cũng gây ra tình trạng thiếu thiết bị y tế, đòi hỏi giải pháp thay thế tiết kiệm và dễ sản xuất.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống giám sát sức khỏe

Hệ thống giám sát sức khỏe bệnh nhân COVID-19 được thiết kế với ba thành phần chính: phần cứng (cảm biến + vi điều khiển), phần mềm (xử lý dữ liệu + giao diện) và kết nối mạng. Phần cứng sử dụng cảm biến MAX30100 đo nhịp tim/SpO2, MLX90614 đo nhiệt độ, và nút nhấn điều chỉnh ngưỡng cảnh báo. Vi điều khiển ESP8266 xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu qua WiFi. Phần mềm bao gồm ứng dụng di động (Android/iOS) hiển thị dữ liệu theo thời gian thực, gửi cảnh báo khi chỉ số bất thường. Dữ liệu được lưu trữ trên Firebase hoặc máy chủ cục bộ. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường liên tục, xử lý tín hiệu số, và truyền tải không dây.

3.1. Lựa chọn cảm biến và vi điều khiển

Cảm biến MAX30100 được chọn do tích hợp sẵn hai LED (660nm/940nm) và bộ tách sóng quang, đo nhịp tim/SpO2 chính xác. MLX90614 đo nhiệt độ bằng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc, phù hợp cho đo nhiệt độ trán hoặc tai. ESP8266 (ESP-12F) được lựa chọn vì hỗ trợ WiFi, tích hợp sẵn ADC, và chi phí thấp. Các linh kiện được kết nối qua giao tiếp I2C (MAX30100, MLX90614) và GPIO (nút nhấn). Nguồn cấp 3.3V từ ESP8266 đảm bảo hoạt động ổn định. Thiết kế mạch in (PCB) tối giản hóa kích thước và tiêu thụ năng lượng.

3.2. Phần mềm và giao diện người dùng

Phần mềm bao gồm firmware ESP8266 viết bằng Arduino IDE, xử lý dữ liệu cảm biến và truyền qua MQTT. Ứng dụng di động (Flutter) hiển thị biểu đồ nhịp tim, SpO2, nhiệt độ theo thời gian, gửi cảnh báo qua push notification. Giao diện web (Node.js + Express) cung cấp dashboard quản lý người dùng, cài đặt ngưỡng cảnh báo. Dữ liệu được lưu trữ trên Firebase Realtime Database để truy cập đa nền tảng. Giao thức HTTPS bảo mật truyền dữ liệu. Hệ thống hỗ trợ đa ngôn ngữ (Tiếng Việt/Anh) và chế độ ngoại tuyến tạm thời.

IV. Kết luận và hướng phát triển hệ thống

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế hệ thống giám sát sức khỏe cơ bản cho bệnh nhân COVID-19, đáp ứng yêu cầu đo lường chính xác, truyền dữ liệu thời gian thực và cảnh báo tự động. Hệ thống hoạt động ổn định trong các thử nghiệm, với sai số nhịp tim < 2%, SpO2 < 3%, nhiệt độ < 0.5°C. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của giải pháp giám sát từ xa trong bối cảnh đại dịch. Hướng phát triển bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để dự đoán nguy cơ biến chứng, mở rộng đo lường chỉ số hô hấp (nhịp thở), và hỗ trợ đa ngôn ngữ. Hệ thống có tiềm năng ứng dụng trong quản lý sức khỏe từ xa cho các bệnh mãn tính khác.

4.1. Đánh giá hiệu suất và hạn chế

Hệ thống đạt độ chính xác cao trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu ánh sáng môi trường hoặc cử động mạnh. Độ trễ truyền dữ liệu phụ thuộc vào kết nối WiFi, trung bình dưới 2 giây. Hạn chế chính là chi phí sản xuất (khoảng 150.000 VNĐ) và yêu cầu kết nối internet. Người dùng cần được hướng dẫn sử dụng thiết bị đúng cách để tránh sai số đo. Hệ thống chưa tích hợp chức năng gọi cấp cứu tự động do giới hạn pháp lý y tế tại Việt Nam.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong y tế cộng đồng

Hệ thống có thể triển khai tại các trạm y tế xã, phòng khám tư nhân hoặc hộ gia đình để giám sát bệnh nhân COVID-19. Nó hỗ trợ bác sĩ theo dõi từ xa, giảm tải áp lực cho bệnh viện. Trong tương lai, hệ thống có thể mở rộng cho người cao tuổi, bệnh nhân tim mạch hoặc tiểu đường. Đối với chính phủ, đây là giải pháp tiết kiệm chi phí để giám sát cộng đồng trong đại dịch. Các tổ chức phi chính phủ có thể sử dụng hệ thống trong các chương trình chăm sóc sức khỏe toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài Bằng cách nhìn nhận vào thực tế rằng việc liên tục theo dõi tình trạng của các bệnh nhân là tốn kém thời gian, công sức. Cộng thêm sự gia tăng các ca nhiễm theo cấp số nhân, các cơ sở y tế trở nên cực kì bận rộn và các y bác sĩ gần như kiệt sức. Áp lực lên toàn bộ ngành y tế là rất lớn. Thêm vào đó việc công nghệ IoT đang phát triển mạnh vậy tại sao không tạo ra một hệ thống giúp cải thiện hiệu quả việc theo dõi trạng thái người bệnh và tiết kiệm sức lực cho các bác sĩ và y tá tại bệnh viện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày ngắn gọn và rõ ràng về các linh kiện sử dụng, các lý thuyết liên quan, những ngôn ngữ lập trình và thư viện sử dụng. Chương 3: Thiết kế hệ thống Thiết kế một hệ thống dựa trên những nghiên cứu về linh kiện sao cho hệ thống hoạt động ổn định và có đem lại kết quả các thông số đo có độ chính xác khá cao và ngang bằng với các sản phẩm thiết bị được bán trên thị trường. Thêm vào đó hệ thống cần sự rõ ràng về mặt hình thức, các thông tin của người bệnh cần được trình bày sao cho dễ quan sát để không làm chậm trễ việc chữa trị. Chương 4: Thi công hệ thống.

Tiến hành tổng hợp các linh kiện đặt nó vào một khối thống nhất, kết hợp các chương trình con cho ra một phần mềm, phần ứng dụng web server và ứng dụng di động hoàn chỉnh. Chương 5: Kết quả Đưa ra kết quả dựa trên những gì đã thực hiện được, đấy là một hệ thống giám sát sức khỏe người bệnh qua các thông số như nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và thân nhiệt. Cùng với đó là hệ thống phần mềm gồm một web server để hiển thị tổng hợp các thông tin dùng cho mục đích tổng hợp giám sát, và một ứng dụng di động cho phép khai báo các thông tin ban đầu của bệnh nhân. Chương 6: Đánh giá và hướng phát triển Từ những kết quả mà nhóm thể hiện, nhóm đặt ra thêm những hướng phát triển có thể có giúp cho đề tài để có thể hoàn thiện sử dụng cho ứng dụng thực tế.

3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về nhịp tim, nồng độ Oxy trong máu và thân nhiệt người 2.1 Nhịp tim Nhịp tim là một khái niệm thường được nghe trong lĩnh vực y học, nó thực sự quan trọng trong chu trình sự sống của con người. Nhịp tim là số lần tim co thắt mỗi phút được y học viết tắt là BPM hay Beat Per Minute. Nhịp tim có thể thay đổi rất nhiều nhất là khi ta có hoạt động mạnh ví dụ như chạy, thể thao, mỗi khi bị bệnh nhịp tim cũng sẽ thay đổi và tư thế đo cũng ảnh hưởng đến nó, nhịp tim là trung tâm của quá trình mang máu đi lưu thông khắp cơ thể để cung cấp dinh dưỡng cho các tế bào. Nhịp tim bình thường được công bố là khoảng 60 đến 100 nhịp mỗi phút, nếu chậm hơn 60 nhịp được gọi là nhịp tim chậm, nhanh hơn 100 nhịp thì được gọi là nhịp tim nhanh.

Thời điểm xác định nhịp tim chính xác nhất là vào buổi sáng sau khi thức dậy. Mặc dù COVID-19 là một bệnh về hô hấp hoặc phổi, tim cũng bị ảnh hưởng tổn thương tạm thời hoặc lâu dài đối với những mô tim yếu ớt khiến tim phải làm việc nhiều hơn để bơm máu đi khắp cơ thể. Corona Virus có thể lây nhiễm và làm tổn thương mô cơ tim cũng như các trường hợp nhiễm virus bao gồm các chủng cúm làm ảnh hưởng tới khả năng bơm máu của tim. Đó cũng là lý do khi tiêm vaccine phải có thời gian quan sát phản ứng sau khi tiêm khoảng 30 phút, nếu có bất kì phản ứng nào như tim đập nhanh hoặc khó thở cần được liên hệ với bác sỹ.2 Nồng độ Oxy trong máu Ai cũng hiểu được tầm quan trọng của Oxy đối với sự sống, khi chúng ta hít thở khí oxy sẽ đi vào trong phổi, và chuyển tới các cơ quan trong cơ thể theo đường máu nhờ một thành phần trong máu tên là Hemoglobin (Hb).

Một phân tử Hemoglobin kết hợp với 4 phân tử Oxy để đạt đến độ bão hòa [3]. SpO2 chính là độ bão hòa Oxy trong máu nó cho biết tỷ lệ phân tử Hemoglobin có Oxy ở trong máu. Chỉ số này rất quan trọng đối với sự sống vì khi máu thiếu Oxy trong máu các cơ quan khác gần như sẽ chịu tác động xấu và có thể ảnh hưởng tới khả năng hoạt động. Vì Covid-19 là loại bệnh ảnh hưởng tới đường hô hấp của con người gây tình trạng suy hô hấp nên việc nắm bắt tình trạng người bệnh thông qua chỉ số SpO2 giúp kịp thời cứu chữa bệnh nhân khi không có những dấu hiệu lâm sàng khác.

Bệnh nhân có chỉ số SpO2 quá thấp (<94) cần được theo dõi kỹ lưỡng kết hợp với các biểu hiện lâm sàng khác để có thể cấp cứu kịp thời [3]. 4 Những bệnh nhân nặng là những người có chỉ số SpO2 <94% trong không khí phòng cùng với nhịp thở >25 lần/phút, khó thở nặng, co kéo cơ hô hấp phụ, nhịp tim nhanh hoặc chậm, huyết áp tăng,. là những bệnh nhân có nguy cơ tình trạng bệnh trở nặng cao [3].3 Thân nhiệt cơ thể người Năng lượng không ngừng được tạo ra trong cơ thể người thông qua các quá trình chuyển hóa, sự cân bằng thân nhiệt là điều kiện quan trọng cho sự hoạt động bình thường của quá trình chuyển hóa [4]. Virus Covid-19 cũng có những triệu chứng tương tự với bệnh cúm mùa nhưng nó đáng sợ hơn bởi gây ra tình trạng sốt cao kèm với những biểu hiện nguy hiểm như khó thở và, tim đập nhanh.

Bởi thế thân nhiệt khi bị mắc bệnh là một trong những yếu tố thường được chú ý trong việc điều trị căn bệnh này bởi có tới 70 – 80% trường hợp mắc Covid-19 xuất hiện các triệu chứng sốt. Bệnh nhân thường sốt nóng thân nhiệt từ 38 -39°C có trường hợp sốt cao tới 39,5°C kèm ớn lạnh 2.4 Kết luận Từ những thông tin trên có thể thấy rõ sức ảnh hưởng của ba yếu tố nhịp tim, độ bão hòa Oxy trong máu và thân nhiệt lên bệnh nhân mắc Covid-19. Tóm lại nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu là hai nhân tố chính để xác định tình trạng nguy kịch của bệnh nhân, và thân nhiệt là một nhân tố giúp xác định bệnh nhân có mắc Covid hay không bên cạnh các biểu hiện khác như mất vị giác, ớn lạnh. Bởi vì virus có thể được lây nhiễm vào cơ thể nhưng không triệu chứng tới 14 ngày, không thể để người bệnh tới khi có các triệu chứng nặng mới điều trị mà phải theo dõi ngay từ đầu.

Đó là lý do mà nhóm thực hiện đề tài chọn ba chỉ số này để thực hiện giám sát người bệnh, ngăn chặn những tình trạng chuyển biến xấu đối với bệnh nhân.2 Linh kiện được sử dụng 2.1 ESP8266 Node MCU [5] Trong quá trình học tập và nghiên cứu chúng ta đã được tiếp xúc với nhiều loại vi điều khiển khác nhau. Dựa theo yêu cầu đề tài ta cần một dòng vi điều khiển có thể hỗ trợ kết nối wifi và bộ xử lý mạnh mẽ. Trong dự án này, lựa chọn sử dụng module wifi NodeMCU ESP8266. NodeMCU ESP8266 của Espressif cung cấp giải pháp Wi-Fi SoC tích hợp cao để đáp ứng nhu cầu liên tục của người dùng về việc sử dụng năng lượng hiệu quả, thiết kế nhỏ gọn và hiệu suất đáng tin cậy trong ngành Internet of Things.

Với khả năng kết nối mạng Wi-Fi hoàn chỉnh và khép kín, ESP8266 có thể hoạt động như 5 một ứng dụng độc lập hoặc làm slave cho MCU chủ. Khi ESP8266 được nạp phần mềm nó sẽ nhanh chóng khởi động từ đèn flash. Bộ nhớ đệm tốc độ cao tích hợp giúp tăng hiệu suất hệ thống (bỏ) và tối ưu hóa bộ nhớ hệ thống. Ngoài ra có tích hợp WiFi, truy cập internet không dây với kết nối đơn giản (giao diện SPI/SDIO hoặc I2C/UART).

ESP8266 thường được tích hợp với các module cảm biến và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua các GPIO của nó, sử dụng các giao thức nối tiếp, chúng ta có thể kết nối nó với các thiết bị như màn hình LCD hỗ trợ I2C, chip RTC, module GPS, màn hình cảm ứng, thẻ SD, v. NodeMCU có thể được cấp nguồn bằng hai cách cắm Micro USB hoặc cấp nguồn qua chân nguồn cung cấp bên ngoài (chân VIN) Hình 2. 1:Module ESP8266 node MCU Hình 2. 2 Kí hiệu Module ESP8266 node MCU Hình 2.

3: Sơ đồ chân của ESP8266 NodeMCU 6  Một số thông số kỹ thuật cơ bản của ESP8266: - Hỗ trợ chuẩn 802. - Micro-MCU 32 bit tích hợp, tốc độ 80 MHz và 160 MHz, hỗ trợ RTOS.4 GHz hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2. - Hỗ trợ UART, I2C, SPI, I2S, PWM, GPIO, điều khiển từ xa IR. - Có RAM 128 KB, bộ nhớ Flash 4MB để lưu trữ dữ liệu và chương trình.

- Giao tiếp: Cable Micro USB (tương đương cáp sạc điện thoại). - Cấp nguồn: 5VDC (qua MicroUSB hoặc Vin). - GPIO giao tiếp mức: 3. - Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.

- Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40C ~ 125C. - Tích hợp giao thức TCP/IP. - ADC 10-bit: 1 cổng. - Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython,… Hỗ trợ chức năng liên kết thông minh cho cả thiết bị Android và iOS.

4: Sơ đồ nguyên lý module ESP8266 [6] 8 2.2 Module cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30100 [7]. Module MAX30100 là một cảm biến có thể đo mức độ bão hòa oxy trong máu và nhịp tim. Độ bão hòa oxy ngoại vi (SpO2) là phép tính độ bão hòa oxy của mạch máu, dùng để chỉ lượng hemoglobin được oxy trong máu. Trong cơ thể người, giá trị SpO2 thông thường nằm trong khoảng từ 90 đến 100%.

Trong hệ thống này, module MAX30100 là phù hợp. Nó là một cảm biến quang học lấy kết quả đọc của nó từ việc phát ra hai bước sóng ánh sáng từ hai đèn LED - một đèn đỏ và một đèn hồng ngoại - sau đó đo độ hấp thụ của mạch máu qua cảm biến quang. Sự kết hợp màu LED cụ thể này được tối ưu hóa để đọc dữ liệu thông qua đầu ngón tay của một người. Tín hiệu được xử lý bởi bộ xử lý tín hiệu tương tự có độ ồn thấp và được truyền tới MCU thông qua BUS I2C.

7: Kí hiệu MAX30100 MAX30100 MAX30100 Bảng 2.