Đồ án: Thiết kế thiết bị đo tín hiệu ECG, hiển thị smartphone, lưu dữ liệu server

Tài liệu đồ án tốt nghiệp về thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu ECG, có chức năng hiển thị trên smartphone và lưu trữ dữ liệu trên server.

• Tác giả: Trần Trung Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Thiết Bị Đo Tín Hiệu ECG, Hiển Thị Trên Smartphone Và Lưu Dữ Liệu Về Server
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Đo ECG trên Smartphone và Server

Đồ án thiết kế máy đo ECG là một giải pháp y tế hiện đại kết hợp công nghệ điện tử, lập trình và truyền thông dữ liệu. Hệ thống này cho phép người dùng đo tín hiệu điện tim (ECG) trực tiếp từ thiết bị cảm biến chuyên dụng, hiển thị kết quả trên ứng dụng smartphone và lưu trữ dữ liệu trên server. Đây là một bước tiến quan trọng trong y tế từ xa (telemedicine), giúp bệnh nhân có thể theo dõi sức khỏe tim mạch mọi lúc, mọi nơi. Công nghệ này kết hợp nhiều lĩnh vực chuyên môn bao gồm kỹ thuật y sinh, điện tử công nghiệp, lập trình phần mềm và quản lý cơ sở dữ liệu.

1.1. Nguyên lý hoạt động của Tim và Tín hiệu Điện Tim

Tim là một bơm cơ học có chức năng bơm máu khắp cơ thể. Trong mỗi chu kỳ tim, các cơ tim co cách theo trình tự nhất định, tạo ra những sự thay đổi điện thế đặc trưng. Điện tâm đồ (ECG) ghi lại những biến đổi điện học này qua các sóng đặc trưng như P, QRS, T. Mỗi sóng phản ánh một giai đoạn của hoạt động tim. Việc phân tích sóng ECG giúp phát hiện các bệnh lý tim mạch sớm.

1.2. Ứng dụng Công nghệ trong Y tế Hiện đại

Máy đo ECG trên smartphone mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với thiết bị truyền thống. Người bệnh không cần đến bệnh viện để kiểm tra tim, tiết kiệm chi phí và thời gian. Dữ liệu được lưu trữ trên server cho phép bác sĩ theo dõi lịch sử bệnh nhân, phát hiện xu hướng bệnh lý. Công nghệ Android và Wi-Fi (ESP8266) làm nền tảng cho ứng dụng di động đáng tin cậy.

II. Kiến trúc Hệ thống Đo ECG Toàn bộ

Hệ thống máy đo ECG được xây dựng từ ba thành phần chính: phần cứng (hardware), phần mềm vi điều khiển (firmware) và ứng dụng di động (mobile app). Phần cứng bao gồm module cảm biến ADS1292R chuyên dụng cho ECG, vi điều khiển ESP8266 xử lý tín hiệu, và màn hình OLED SSD1306 hiển thị dữ liệu. Phần mềm lập trình xử lý tín hiệu ECG thô, lọc nhiễu và gửi dữ liệu qua mạng Wi-Fi đến server. Ứng dụng Android cho phép người dùng xem kết quả, lưu trữ dữ liệu cá nhân và tư vấn với bác sĩ. Toàn bộ hệ thống được tối ưu hóa để hoạt động ổn định, chính xác và an toàn.

2.1. Các Thành phần Phần Cứng Chính

Module ADS1292R là trái tim của hệ thống cảm biến, chuyên dụng cho đo ECG với độ nhạy cao và nhiễu thấp. Vi điều khiển ESP8266EX vừa xử lý dữ liệu vừa kết nối Wi-Fi, tiết kiệm chi phí. Màn hình OLED SSD1306 cung cấp hiển thị realtime. Module sạc TP4056 quản lý pin Li-ion, đảm bảo an toàn cho thiết bị.

2.2. Kiến trúc Phần Mềm và Kết nối Server

Phần mềm ESP8266 sử dụng bộ lọc số để loại bỏ nhiễu tần số cao từ tín hiệu ECG. Giao thức TCP/IP được sử dụng để truyền dữ liệu đến server qua mạng Wi-Fi. Cơ sở dữ liệu (Database) lưu trữ toàn bộ dữ liệu ECG của bệnh nhân. Ứng dụng Android kết nối server thông qua API REST, cung cấp giao diện thân thiện người dùng.

III. Quy trình Thiết kế và Thi công Thiết bị

Quy trình thực hiện đồ án thiết kế máy đo ECG tuân theo các bước khoa học từ tính toán lý thuyết đến thực tế. Đầu tiên, nhóm tiến hành tính toán và thiết kế mạch chi tiết, vẽ sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống. Sau đó, tiến hành thi công bo mạch bằng phương pháp ăn mòn được bảo vệ bằng photoresist. Tiếp theo là lắp ráp các linh kiện điện tử và kiểm tra chức năng từng mô-đun. Cuối cùng, lập trình vi điều khiển và phát triển ứng dụng Android, kiểm tra toàn bộ hệ thống hoạt động đồng bộ. Tất cả quá trình được tài liệu hóa chi tiết cho mục đích bảo trì và nâng cấp.

3.1. Giai đoạn Thiết kế Mạch và Tính toán

Nhóm thực hiện tính toán chi tiết cho các tham số mạch như khuếch đại, tần số cắt của bộ lọc số. Sơ đồ khối hệ thống được vẽ để hiển thị quy trình xử lý tín hiệu. Sơ đồ nguyên lý chi tiết từng mô-đun được kiểm tra kỹ trước khi thi công, đảm bảo tính chính xác và hiệu suất.

3.2. Thi công và Lắp ráp Thiết bị

Bo mạch được thi công bằng phương pháp ăn mòn trad ứng, sau đó khoan lỗ chân linh kiện. Các linh kiện chính như ADS1292R, ESP8266, TP4056 được lắp ráp cẩn thận. Kiểm tra điện được thực hiện từng giai đoạn để phát hiện lỗi sớm. Cuối cùng, thiết bị được đóng gói vào hộp được thiết kế chuyên dụng.

IV. Lập trình và Kết quả Đạt được

Phần mềm lập trình hệ thống được thực hiện trên ba tầng: tầng vi điều khiển (ESP8266), tầng ứng dụng di động (Android) và tầng server database. Lập trình firmware cho ESP8266 bao gồm khối kết nối Wi-Fi, khối lấy dữ liệu từ ADS1292R, khối xử lý tín hiệu ECG. Ứng dụng Android được lập trình bằng Java, cung cấp giao diện hiển thị sóng ECG realtime, lưu lịch sử bệnh nhân, tính năng tư vấn từ xa. Server sử dụng cơ sở dữ liệu SQL để lưu trữ an toàn. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác của tín hiệu ECG đạt 95%, so sánh với thiết bị y tế tiêu chuẩn.

4.1. Kết quả Phần Cứng và Phần Mềm

Bo mạch được thi công thành công với kích thước nhỏ gọn (10x8 cm), phù hợp cho thiết bị cầm tay. Firmware hoạt động ổn định, tốc độ truyền dữ liệu đạt 115200 baud. Ứng dụng Android chạy trơn tru trên các điện thoại Android 5.0 trở lên, giao diện trực quan dễ sử dụng.

4.2. Đánh giá và Hướng Phát triển Tương lai

Hệ thống máy đo ECG hiện tại đáp ứng các yêu cầu cơ bản. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp AI phát hiện bệnh lý tự động, tăng số kênh ECG từ 1 lên 12 kênh (chuẩn y tế), cải thiện pin để hoạt động lâu hơn, và mở rộng tính năng y tế khác như nhịp tim, huyết áp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này gồm có cấc nội dung sau: Thi công App trên điện thoại, thi công mô hình, lưu đồ giải thuật phần mềm và quy trình thao tác. • Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được sau thời gian thực hiện đề tài gồm các hình ảnh về sản phẩm (mô hình thiết bị và ứng dụng trên điện thoại), đánh giá sai số, tính ổn định của thiết bị, thời gian đáp ứng của sản phẩm, tính dễ sử dụng,… • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này sẽ đưa ra những kết luận sau khi hoàn thành sản phẩm, các hướng phát triển của đề tài có thể phát triển và ứng dụng sản phẩm tốt hơn trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU Sau khi lựa chọn được đề tài, để hiểu rõ hơn về tính thực thi cũng như một số lý thuyết liên quan đến đề tài, nhóm chúng em xin được trình bày một số nội dung chính sau: Tổng quan về hoạt động của tim và điện tim, Lý thuyết về bộ lọc số, Giới thiệu sơ lược về Android, Server, Wifi, Mysql, PHP cũng như phần cứng và phần mềm được sử dụng để thực hiện đề tài này.2 TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA TIM VÀ ĐIỆN TIM 2.1 Mô tả sơ lược nguyên lý hoạt động của tim Tim là một trong những bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của người và động vật[12]. Tim hoạt động như cái bơm với chức năng bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch cùng dưỡng khí và các chất dinh dưỡng đến các tế bào trong toàn bộ cơ thể [13-14]. Đồng thời tim hút máu từ các tĩnh mạch về hai tâm thất của tim, sau đó đẩy máu đến phổi để trao đổi khí CO2 và lấy khí O2 [15]. Chu kì hoạt động của tim Hình 2.1: Chu kỳ hoạt động của tim Tim hoạt động theo chu kỳ với mỗi chu kỳ tim được bắt đầu từ pha co tâm nhĩ, tiếp đến là pha co tâm thất và cuối cùng là pha giãn chung như mô tả ở hình 2.

Mỗi một chu kỳ tim thường kéo dài 0,8 giây gồm 3 pha, trong đó: • Pha nhĩ co 0.7s còn lại là thời gian nghỉ của cơ tâm nhĩ. • Pha thất co 0.5s còn lại là thời gian nghỉ của cơ tâm thất. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Thời gian của pha dãn chung là 0.4s là thời gian nghỉ.

Nhờ vào các yếu tố như hoạt động theo chu kỳ đều đặn, phân bổ đều thời gian nghỉ cùng cấu tạo đặc biệt và bền bỉ của tim cũng như lượng máu cung cấp để nuôi dưỡng dồi dào nên cơ tim có thể hoạt động liên tục [17].2 Sơ lược về điện tim a. Các quá trình điện học của tim Hình 2.2: Điện thế hoạt động – Các quá trình điện học của tim Hình 2.2 chính là quá trình điện học của tim, xảy ra do sự biến đổi hiệu điện thế giữa hai mặt trong và ngoài màng tế bào cơ tim. Sự thay đổi hiệu điện thế này xuất hiện khi có sự di chuyển của các ion (K+, Na+.) giữa mặt trong và ngoài tế bào. Khi tế bào bắt đầu hoạt động thì điện thế mặt ngoài màng tế bào trở thành âm tính tương đối so với mặt trong của màng tế bào và đó chính là hiện tượng khử cực.

Sau đó tế bào dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, khi đó điện thế mặt ngoài tế bào trở lại trạng thái dương tương đối so với mặt trong màng tế bào và quá trình đó gọi là hiện tượng tái cực [18]. Sự hình thành điện tâm đồ Nút xoang giữ vai trò chủ nhịp, tức là xung động từ nút xoang lan ra cơ nhĩ → nhĩ khử cực, tâm nhĩ bóp đẩy máu xuống tâm thất. Sau đó xung động đi qua nút N/T → Khử cực thất, tâm thất đẩy máu vào các động mạch. Hiện tượng tâm nhĩ và tâm thất khử cực lần lượt trước sau là để duy trì quá trình hoạt động bình thường của hệ tuần hoàn.

Do đó, nó cũng làm cho điện tâm đồ hình thành 2 phần là nhĩ đồ và thất đồ [18]. Phân tích hành dạng các sóng điện tim BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Điện tim bao gồm các dạng sóng như P, phức bộ QRS, sóng T, sóng U. Đặc điểm cơ bản của mỗi dạng sóng được mô tả như ở hình 2.3: Các thành phần sóng của điện tâm đồ Các dạng sóng ECG chuẩn được trình bày chi tiết hơn ở dưới đây: • Sóng P: Sóng khử cực 2 nhĩ (<0.

• Khoảng PR: khoảng thời gian dẫn truyền từ nhĩ tới thất, khoảng thời gian này được đo từ đầu sóng P đến điểm đầu QRS (0. • Phức hợp QRS: Thời gian khử cực 2 thất, được đo từ điểm cuối của khoảng PR đến hết sóng S (0. • Khoảng QT: khoảng thời gian cho thấy hoạt động khử cực và tái khử cực của tâm thất, là khoảng từ điểm đầu QRS đến cuối sóng T (0. • Đoạn ST: Thời gian 2 tâm thất hoàn toàn bị khử cực và bắt đầu ở điểm cuối QRS đến điểm đầu sóng T (0.

• Sóng T: Sóng tái cực 2 tâm thất (0.5mV, đỉnh tròn). • Sóng U: là 1 sóng nhỏ sau sóng T (<0.3 Phương pháp ghi điện tim Phương pháp ghi điện tâm đồ cũng tương tự như cách ghi các đường cong biến thiên tuần hoàn khác. Khi cho dòng điện tim tác động lên một bút ghi làm bút này dao động đều và liên tục qua lại theo một vận tốc nào đó và vẽ lên mặt một băng giấy thông qua một động cơ mà ta được một đường cong tuần hoàn gồm nhiều làn sóng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT biến thiên theo thời gian, đó là điện tâm đồ.

Tùy vào điện thế này cao hay thấp mà bút ghi sẽ vạch lên giấy một làn sóng có biên độ cao hay thấp. Các chuyển đạo thông dụng Có hai loại chuyển đạo: chuyển đạo trực tiếp và chuyển đạo gián tiếp. • Chuyển đạo trực tiếp là chuyển đạo khi đặt điện cực chạm vào cơ tim. Chỉ dùng chuyển đạo này trên những người mở lồng ngực trong phẫu thuật hay trên các động vật thí nghiệm.

• Chuyển đạo gián tiếp thường được dùng trên người bình thường, vị trí là ngoài lồng ngực với 3 loại chuyển đạo gián tiếp: chuyển đạo song cực chi (chuyển đạo mẫu), chuyển đạo đơn cực chi và chuyển đạo trước tim. Cách đặt các chuyển đạo Ngày nay, ở đại đa số các trường hợp nên đặt điện cực theo 12 cách và thu lấy 12 chuyển đạo thông dụng bao gồm 3 chuyển đạo mẫu, 3 chuyển đạo đơn cực chi và 6 chuyển đạo trước tim. Ở mỗi chuyển đạo sẽ có một hình dạng sóng ECG khác nhau.Và trong phần này chỉ nói chi tiết về 3 chuyển đạo gián tiếp vì nó thường được dùng trong thực hành y học lâm sàng. Chuyển đạo song cực chi (chuyển đạo mẫu): Các chuyển đạo mẫu (Standard) là những chuyển đạo được nghiên cứu ngay từ thời Einthoven, chúng còn được gọi là các chuyển đạo lưỡng cực các chi (bipolar limb leads) hay các chuyển đạo lưỡng cực ngoại biên (bipolar peripheral leads) vì cả hai điện cực của chúng đều là những điện cực thăm dò.

Điện cực âm ở cổ tay phải, điện cực dương ở cổ tay trái, gọi đó là chuyển đạo I, viết tắt là D1 như ở hình 2.4 với điện cực đặt ở chân phải là dây nối đất để chống ảnh hưởng tạp.4: Sơ đồ mắc các chuyển đạo mẫu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5: Tam giác Einthoven Như cách mắc ở hình 2.5, khi điện cực tay trái dương tính tương đối thì máy điện tâm đồ sẽ ghi một làn sóng dương, còn khi điện cực tay phải dương tính tương đối thì máy sẽ ghi một làn sóng âm. Do đó, ta gọi chiều dương của trục chuyển đạo là chiều từ vai phải sang vai trái. • Điện cực âm đặt ở cổ tay phải, điện cực dương đặt ở cổ chân trái, đó gọi là chuyển đạo 2, viết tắt là D2.

Khi đó, trục chuyển đạo sẽ là một đường thẳng đi từ vai phải (R) xuống gốc chân trái (F) và chiều dương chính là chiều từ R đến F. • Điện cực âm đặt ở tay trái và điện cực dương ở chân trái gọi đó là chuyển đạo 3, viết tắt là D3. Do đó, trục chuyển đạo sẽ là đường thẳng LF từ vai trái (L) đến gốc chân trái (F) và chiều dương chính là chiều từ L đến F. Các trục chuyển đạo RL, RF, và LF của D1, D2, D3 lập thành 3 cạnh của một hình tam giác đều với mỗi góc bằng 60 độ gọi là “tam giác Einthoven”.

Các chuyển đạo đơn cực các chi: Chuyển đạo này vẫn dùng 2 điện cực: một điện cực thăm dò và một điện cực trung tính (tay phải, tay trái và chân trái).6: Cách đấu cực trung tâm và mắc một chuyển đạo đơn cực chi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các chuyển đạo mẫu đều có hai điện cực thăm dò để ghi hiệu thế giữa 2 điểm của điện trường tim. Nhưng khi muốn điện thế riêng biệt của mỗi điểm thì phải biến một điện cực thành ra trung tính. Do đó, cần nối điện cực âm ra một cực trung tâm gọi tắt là CT (central terminal) có điện thế bằng 0 (trung tính) vì nó là tâm của một mạch điện hình sao mắc vào 3 đỉnh của tam giác Einthoven (Wilson).

Còn điện cực dương thì đem đặt lên vùng cần thăm dò và gọi đó là một chuyển đạo đơn cực. Khi điện cực thăm dò này được đặt ở một chi thì gọi là một chuyển đạo đơn cực chi và thường được đăt ở 3 vị trí cổ tay phải, cổ tay trái, cổ chân trái như hình 2.6 và chi tiết được trình bày dưới đây: • Cổ tay phải: chuyển đạo VR (V: voltage; R: right) thu điện thế ở mé bên phải và đáy tim với trục chuyển đạo là đường thẳng nối tâm điểm (O) ra vai phải. • Cổ tay trái: chuyển đạo VL có nhiệm vụ lấy điện thế đáy thất trái và trục chuyển đạo ở đây là đường thẳng OL. • Cổ chân trái: chuyển đạo VF, đó là chuyển đạo có thể thu được tín hiệu từ thành sau dưới của tim.

Trục chuyển đạo là đường thẳng OF.7: Sơ đồ mắc các chuyển đạo đơn cực các chi sau cải tiến Ba chuyển đạo ở hình 2.