Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công tác y tế hiện đại, nhu cầu nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe ngày càng trở nên cấp thiết dưới tác động của sự gia tăng dân số và xu hướng già hóa. Thực tiễn từ các cuộc khủng hoảng y tế quy mô lớn, điển hình như đại dịch COVID-19, cho thấy các bệnh viện và cơ sở điều trị thường xuyên rơi vào tình trạng quá tải nhân lực khi phải theo dõi liên tục, trực tiếp từng bệnh nhân tại giường bệnh. Phương thức giám sát thủ công truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế, bao gồm nguy cơ chậm trễ trong việc phát hiện các biến chứng sinh tồn nguy cấp, tiêu tốn thời gian của điều dưỡng và làm gia tăng rủi ro đối với người bệnh cần chế độ chăm sóc đặc biệt.

Xuất phát từ thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình giường bệnh dùng trong y tế" do sinh viên Nguyễn Quốc Hiển và Trịnh Hải Triều thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Minh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (Khoa Điện – Điện tử, ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, khóa bảo vệ tháng 06/2024) tập trung vào việc tự động hóa quá trình theo dõi người bệnh tại giường thông qua công nghệ nhúng và Internet of Things (IoT).

Đề tài xác định 6 mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim tích hợp cảm biến quang học, có khả năng kích hoạt cảnh báo tức thời khi phát hiện chỉ số bất thường và hiển thị trực quan biểu đồ nhịp tim lên giao diện web của nhân viên y tế.
  2. Thiết lập cơ chế điều chỉnh ngưỡng cảnh báo nhịp tim linh hoạt (được điều chỉnh theo yêu cầu hội đồng là thực hiện thông qua giao diện trang web quản lý).
  3. Tích hợp màn hình cục bộ tại giường bệnh để hiển thị chỉ số nhịp tim, thời gian thực và các thông tin điều trị liên quan.
  4. Triển khai module camera ghi nhận hình ảnh trực tiếp của bệnh nhân tại giường và truyền phát về giao diện web, cho phép bác sĩ quan sát từ xa.
  5. Xây dựng hệ thống web quản trị vận hành trên mạng cục bộ (LAN), hỗ trợ bác sĩ theo dõi dữ liệu sinh hiệu và thiết lập lịch trình chăm sóc (uống thuốc, tái khám, tập luyện).
  6. Tích hợp nút bấm gọi hỗ trợ khẩn cấp tại giường giúp người bệnh chủ động liên lạc với nhân viên y tế khi cần thiết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn rõ ràng:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chỉ số nhịp tim người; vi điều khiển ESP32; cảm biến đo nhịp tim chuyên dụng; module ESP32-CAM; kỹ thuật thiết kế giao diện web quản lý và cơ sở dữ liệu thời gian thực.
  • Phạm vi kỹ thuật và môi trường: Hệ thống thử nghiệm trên quy mô 2 giường bệnh; vận hành trong mạng LAN nội bộ; dải đo nhịp tim hoạt động từ 20 đến 200 bpm (nhịp/phút) với sai số cho phép trong ngưỡng $\pm 5%$; camera đạt độ phân giải tối thiểu 480p; màn hình hiển thị LCD 20x4 ký tự; môi trường nhiệt độ phòng bệnh hoạt động ổn định từ $15^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các kiến thức sinh lý học tim mạch và kỹ thuật vi điều khiển - truyền thông dữ liệu trong hệ thống nhúng y tế:

  1. Sinh lý học nhịp tim: Nhịp tim (Heart Rate - HR) phản ánh số lần co bóp của cơ tim trong một phút. Nghiên cứu tập trung vào nhịp tim khi nghỉ ngơi (Resting Heart Rate - RHR), dao động từ 60 đến 100 nhịp/phút ở người trưởng thành và chịu ảnh hưởng bởi độ tuổi, giới tính, thân nhiệt, tư thế vận động cũng như trạng thái tâm lý. Nhóm tác giả tổng hợp khung chỉ số nhịp tim tiêu chuẩn theo lứa tuổi làm cơ sở phân tích cảnh báo:
Nhóm độ tuổi Dải nhịp tim bình thường (nhịp/phút)
Trẻ sơ sinh 100 – 160
Trẻ 1 – 2 tuổi 90 – 150
Trẻ 3 – 4 tuổi 80 – 140
Trẻ 5 – 6 tuổi 75 – 120
Trẻ 7 – 9 tuổi 70 – 110
Trẻ 10 – 12 tuổi 60 – 100
Trẻ 13 – 15 tuổi 55 – 95
Trẻ 16 – 18 tuổi 50 – 90
Người trưởng thành 60 – 100
Người cao tuổi 40 – 100
  1. Phương pháp đo nhịp tim: Văn bản phân tích ba phương pháp đo phổ biến: đo dao động áp suất (Oscillometric), đo điện tâm đồ (ECG) ghi nhận biến thiên điện thế sinh học, và đo thể tích tưới máu bằng phương pháp quang học (Photoplethysmography - PPG). Đề tài lựa chọn kỹ thuật PPG thông qua việc chiếu xạ ánh sáng vào mao mạch ngoại vi và thu nhận sự thay đổi cường độ phản xạ/tái hấp thụ ánh sáng theo chu kỳ tuần hoàn máu.
  2. Chuẩn truyền thông công nghiệp và nhúng:
    • Chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp nối tiếp đồng bộ giữa vi điều khiển trung tâm và các module ngoại vi thông qua hai đường dây SCL (Serial Clock Line) và SDA (Serial Data Line), kiểm soát luồng truyền nhận bằng địa chỉ thiết bị và các bit phản hồi ACK/NACK.
    • Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ qua hai chân tín hiệu TX và RX, sử dụng khung dữ liệu bao gồm bit Start, khung dữ liệu 8-bit, bit chẵn lẻ (Parity) và bit Stop tại tốc độ baud 115200 bps phục vụ việc nạp chương trình và truyền nhận chuỗi dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai xuyên suốt: kết hợp phương pháp tổng hợp tài liệu học thuật (nghiên cứu thông số kỹ thuật linh kiện, cấu trúc thanh ghi, chuẩn giao tiếp vi điều khiển) với phương pháp khảo sát và thực nghiệm hệ thống phần cứng (thiết kế mạch nguyên lý, lắp ráp linh kiện, đo đạc thông số thực tế và kiểm thử độ trễ phần mềm).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tán, đáp ứng yêu cầu đặt trực tiếp trên tay vịn giường bệnh nhằm tối ưu diện tích và độ cơ động.

1. Thiết kế phần cứng

Hệ thống bao gồm 7 khối chức năng chính:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32 tích hợp vi xử lý lõi kép, hỗ trợ kết nối Wi-Fi băng tần 2.4 GHz (chuẩn 802.11 b/g/n, tốc độ lên đến 150 Mbps), 34 chân GPIO, 2 bộ giao tiếp I2C, 3 cổng UART, cùng bộ chuyển đổi ADC 18 kênh. ESP32 đảm nhận việc thu thập tín hiệu cảm biến, điều phối hiển thị, giám sát nút bấm, phát cảnh báo và đồng bộ dữ liệu mạng.
  • Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến quang học GY-MAX30100 kết nối với ESP32 thông qua bus I2C, hoạt động ở mức điện áp 3.3V, trực tiếp thu thập xung phản xạ hồng ngoại từ đầu ngón tay bệnh nhân.
  • Khối hiển thị: Sử dụng màn hình ký tự LCD 20x4 kết hợp module chuyển đổi giao tiếp I2C (PCF8574), giúp rút giảm số lượng chân điều khiển từ 16 chân xuống còn 2 chân truyền dữ liệu (SDA, SCL), cấp nguồn 5V.
  • Khối cảnh báo: Sử dụng module còi buzzer 5V kết nối với chân GPIO của ESP32 để phát âm thanh cảnh báo tại chỗ khi nhịp tim vượt ngưỡng hoặc khi tới khung giờ thực hiện y lệnh.
  • Khối nút nhấn: Gồm 4 nút nhấn nhả nối với các chân GPIO cấu hình điện trở kéo lên nội (Pull-up), chân còn lại nối mass (GND), cung cấp các thao tác: chuyển trang hiển thị, kiểm tra lịch trình, tắt âm và gọi nhân viên y tế.
  • Khối camera: Sử dụng module ESP32-CAM tích hợp camera mini, kết nối qua mạng Wi-Fi và nạp mã nguồn thông qua đế nạp chuyên dụng ESP32-CAM USB Programming Adapter, thiết lập luồng truyền hình ảnh bệnh nhân về máy chủ.
  • Khối nguồn: Biến đổi điện lưới xoay chiều 220VAC thành điện áp một chiều 5VDC với dòng định mức 2A thông qua mạch nguồn chuyển mạch AC-DC.

Bảng tính toán phụ tải dòng điện của toàn bộ hệ thống:

Tên thiết bị / Module Số lượng Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ danh định
Module ESP32 1 3.3V / 5V 80 mA
Mạch thu phát Wi-Fi / BLE Tích hợp 3.3V 3.5 mA
Module ESP32-CAM Ai-Thinker 1 5V 180 mA
Màn hình LCD 20x4 và module I2C 1 5V 50 mA
Còi cảnh báo Buzzer 1 5V 50 mA
Cảm biến nhịp tim GY-MAX30100 1 3.3V ~1.2 mA
Tổng dòng điện tiêu thụ (nhánh 5V) - 5V 310 mA (đỉnh ~360 mA)

Mức tiêu thụ 310 mA nằm hoàn toàn trong giới hạn an toàn của bộ nguồn AC-DC 5V - 2A đã lựa chọn, đảm bảo hệ thống vận hành liên tục 24/7 không bị sụt áp.

2. Thiết kế phần mềm và thuật toán

Thuật toán điều khiển của hệ thống được xây dựng trên ESP32 với chu trình vận hành thời gian thực:

  • Khởi tạo: Thiết lập ngoại vi GPIO, khởi động giao tiếp I2C ở tần số chuẩn, kết nối mạng Wi-Fi theo vòng lặp giám sát. Sau khi kết nối thành công, hệ thống khởi động máy chủ web nội bộ, kết nối máy chủ dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database và đồng bộ dấu thời gian chuẩn qua giao thức NTP (Network Time Protocol).
  • Thuật toán xử lý tín hiệu nhịp tim: Đọc liên tục cường độ dòng bức xạ hồng ngoại (IR) từ cảm biến MAX30100; thuật toán lọc đỉnh xung xác định chu kỳ nhịp đập, tính toán số nhịp mỗi phút (bpm) và lưu vào mảng dữ liệu. Giá trị nhịp tim hiển thị là giá trị trung bình trượt của các phần tử trong mảng nhằm loại trừ nhiễu giao thoa do cử động. Nếu chỉ số nằm ngoài ngưỡng cho phép, cờ emergencyState chuyển lên mức 1, đồng thời kích hoạt buzzer và gửi tín hiệu cảnh báo khẩn cấp lên cơ sở dữ liệu.
  • Máy trạng thái điều khiển giao diện (biến setnum):
    • setnum = 0: Màn hình mặc định, hiển thị thời gian thực và thông số nhịp tim tức thời.
    • setnum = 1: Màn hình hiển thị danh sách lịch trình y tế trong ngày.
    • setnum = 2: Màn hình hiển thị ngưỡng nhịp tim tối đa (Max) và tối thiểu (Min).
    • setnum = 4: Trạng thái thực thi lịch trình; khi dấu thời gian từ NTP trùng khớp với dữ liệu giờ và phút được cấu hình từ web, hệ thống tự động nhảy sang trạng thái 4, bật còi buzzer và hiển thị nội dung công việc (uống thuốc, tập luyện) lên LCD.
    • Xử lý nút bấm: Nhấn nút Home đưa biến setnum về 0; nhấn nút Up đảo trạng thái biến alertState để kích hoạt hoặc hủy cuộc gọi bác sĩ; nhấn nút Set để chuyển đổi tuần tự giữa các giao diện quan sát.
  • Cơ sở dữ liệu và giao diện web: Cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database được tổ chức theo cấu trúc phân cấp:
    • Nhánh Status: Gồm Alert (trạng thái bệnh nhân nhấn chuông gọi), Emergency (báo động nhịp tim vượt ngưỡng), HeartRate (giá trị nhịp tim theo thời gian thực).
    • Nhánh Info: Chứa hồ sơ bệnh án, thông tin giường và định danh bệnh nhân.
    • Nhánh Schedule: Chứa các bản ghi lịch biểu (Calendar 1, Calendar 2, Calendar 3...) gồm nhãn thời gian và nội dung y lệnh. Cứ mỗi chu kỳ 10 phút, ESP32 thực hiện truy vấn đồng bộ lại toàn bộ dữ liệu lịch làm việc để phòng ngừa sai lệch khi xảy ra sự cố mất điện. Giao diện Web được phân chia theo hai nhóm người dùng trên nền tảng mạng LAN:
    • Trang bác sĩ: Bảng điều khiển quản lý tổng thể số lượng giường bệnh; trạng thái đèn chỉ báo trực quan; danh sách tiếp nhận thông báo gọi giường và cảnh báo nhịp tim; nút bấm truy cập trang thông tin chi tiết qua địa chỉ IP riêng của giường bệnh; biểu đồ theo dõi biến thiên nhịp tim; khung công cụ lập lịch chăm sóc sức khỏe; màn hình xem trực tiếp luồng video từ ESP32-CAM.
    • Trang người nhà: Giao diện đơn giản hóa, chỉ cho phép xem thông số nhịp tim của bệnh nhân, thời gian biểu chăm sóc và hình ảnh trực tiếp từ camera.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu phân tích bối cảnh y tế số, làm rõ tính cấp thiết của việc tự động hóa thiết bị theo dõi người bệnh tại cơ sở y tế. Tác giả xác định chi tiết mục tiêu của đề tài, đặt ra các giới hạn kỹ thuật (2 giường bệnh, mạng LAN, sai số đo $\pm 5%$, dải đo 20–200 bpm) và các giới hạn về môi trường hoạt động. Phương pháp nghiên cứu được xác định bao gồm tổng hợp lý thuyết linh kiện và thực nghiệm khảo sát hệ thống. Bố cục quyển báo cáo được phân chia thành 5 chương tuần tự.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa kiến thức sinh lý về nhịp tim, nhịp tim nghỉ ngơi, các biến thiên theo độ tuổi (tổng hợp qua Bảng 2.1) và các tác nhân ngoại cảnh tác động đến tuần hoàn máu (nhiệt độ, thể trạng, tư thế, cảm xúc, dược phẩm). Tác giả so sánh ba nguyên lý đo nhịp tim: dao động huyết áp, điện tâm đồ (ECG) và quang học biến thiên thể tích máu (PPG). Phần cuối của chương đi sâu vào nguyên lý kỹ thuật của hai giao thức truyền thông nhúng sử dụng trong đề tài là I2C (cơ chế phân định Master-Slave, cấu trúc khung tin nhắn, bit Start/Stop, địa chỉ và phản hồi ACK/NACK) và UART (nguyên lý truyền nhận bất đồng bộ, cấu trúc gói tin và tốc độ baud).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình phát triển giải pháp từ ý tưởng, yêu cầu chức năng đến thiết kế chi tiết từng khối. Sau khi phân tích sơ đồ khối tổng quát, tác giả thuyết minh chi tiết phần cứng của từng thành phần: module xử lý ESP32, cảm biến quang học GY-MAX30100, màn hình LCD 20x4 kết hợp module mở rộng I2C, còi buzzer, cụm 4 nút bấm, module truyền hình ảnh ESP32-CAM và mạch nguồn hạ áp AC-DC 5V 2A kèm bảng tính toán năng lượng chi tiết. Phần mềm hệ thống được diễn giải thông qua các sơ đồ lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh: lưu đồ tổng quát, lưu đồ khởi tạo hệ thống qua mạng và NTP, lưu đồ tính toán - lọc nhiễu nhịp tim, lưu đồ quét phím chức năng và lưu đồ cảnh báo lịch trình. Cấu trúc cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và bố cục các trang web điều khiển từ xa cũng được định hình chi tiết.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố kết quả thi công thực tế của mô hình giường bệnh. Phần cứng hoàn chỉnh được đóng gói bên trong hộp điều khiển bảo vệ gắn trên tay vịn di động của giường bệnh, cho phép xoay đổi góc nhìn; thiết bị đo nhịp tim được thiết kế thành một đầu đo riêng biệt để bệnh nhân kẹp tay khi đo; cụm ESP32-CAM được gắn cố định tại đầu giường. Tác giả kiểm chứng thành công các chức năng hiển thị của màn hình LCD tại chỗ trong nhiều trạng thái: trạng thái chờ không có bệnh nhân, trạng thái nhịp tim bình thường, nhịp tim thấp, nhịp tim cao, trạng thái kích hoạt gọi bác sĩ và màn hình thông báo lịch trình. Về phía phần mềm mạng, dữ liệu nhịp tim, trạng thái chuông gọi và sự cố khẩn cấp được xác nhận đồng bộ hóa thời gian thực lên máy chủ Firebase và thể hiện chính xác trên giao diện web của bác sĩ lẫn người nhà bệnh nhân.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các hạng mục đã hoàn thành theo mục tiêu đặt ra, đánh giá mức độ ổn định của hệ thống trong điều kiện thí nghiệm và giải trình việc tiếp thu các ý kiến đóng góp từ Hội đồng chấm tốt nghiệp (bổ sung phân tích lựa chọn linh kiện, khóa quyền thay đổi ngưỡng nhịp tim tại giường bệnh, đánh giá độ tin cậy và chuẩn hóa danh mục tài liệu tham khảo). Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng nâng cấp phần cứng và phần mềm trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật cụ thể

  • Chế tạo thành công mô hình giường bệnh y tế có gắn hộp điều khiển xoay đa hướng trên tay vịn, tích hợp đầu đo nhịp tim rời và camera giám sát ở đầu giường.
  • Module GY-MAX30100 đo đạc và lọc nhiễu tín hiệu nhịp tim ổn định trong dải đo quy định (20–200 bpm), giữ sai số dưới mức $\pm 5%$.
  • Màn hình LCD 20x4 kết nối qua I2C hiển thị thông số rõ ràng theo từng phân cảnh: chỉ số sinh hiệu, danh mục lịch khám/uống thuốc, và chỉ báo gọi bác sĩ.
  • Hệ thống cảnh báo kép hoạt động chính xác: phát âm thanh qua buzzer tại giường ngay lập tức khi phát hiện nhịp tim bất thường hoặc đến giờ y lệnh; đồng thời đẩy biến cờ emergencyState = 1 lên Firebase.
  • Thiết lập giao diện web chạy trong mạng LAN với hai phân hệ bác sĩ và người thân; hiển thị biểu đồ biến thiên nhịp tim liên tục, truyền phát hình ảnh từ ESP32-CAM với độ trễ thấp và tự động đồng bộ lại lịch biểu định kỳ 10 phút một lần qua giao thức NTP.

2. Đóng góp của đề tài

So với các phương pháp theo dõi thủ công tại các cơ sở y tế thông thường, đề tài mang lại giải pháp kỹ thuật mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

  • Xây dựng mô hình nhúng kết hợp IoT chi phí thấp, tối ưu hóa phần cứng thông qua việc tận dụng khả năng xử lý kép và kết nối Wi-Fi tích hợp của ESP32.
  • Giải quyết bài toán quá tải nhân lực điều dưỡng bằng cách tập trung hóa dữ liệu nhiều giường bệnh về một giao diện giám sát trung tâm, kết hợp quan sát hình ảnh thực tế mà không cần nhân viên y tế túc trực liên tục tại phòng bệnh.
  • Nâng cao tính an toàn y tế thông qua việc tiếp thu góp ý của Hội đồng tốt nghiệp: loại bỏ tính năng tự điều chỉnh ngưỡng nhịp tim của bệnh nhân bằng nút bấm tại giường, chuyển giao toàn bộ quyền cấu hình ngưỡng sinh hiệu về giao diện web có xác thực của nhân viên y tế nhằm loại trừ nguy cơ sai sót do người bệnh tự ý thao tác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu thiết kế cốt lõi, công trình vẫn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật được xác định từ phạm vi nghiên cứu:

  • Quy mô thử nghiệm hẹp: Phiên bản phần cứng hiện tại chỉ mới triển khai và kiểm thử đồng thời trên 2 giường bệnh mô hình.
  • Phạm vi kết nối hạn chế: Hệ thống giám sát và truyền dữ liệu hình ảnh phụ thuộc vào mạng cục bộ (LAN); chưa cấu hình định tuyến tên miền hoặc máy chủ đám mây công cộng (WAN) để truy cập từ mạng ngoài bệnh viện.
  • Hạn chế của cảm biến quang học: Cảm biến GY-MAX30100 phụ thuộc nhiều vào vị trí tiếp xúc và độ khít của ngón tay; các cử động ngón tay mạnh trong lúc đo vẫn có thể gây nhiễu cơ học lên tín hiệu xung hồng ngoại.
  • Đánh giá độ tin cậy: Việc đánh giá độ tin cậy của hệ thống trong văn bản báo cáo chủ yếu dừng lại ở các kiểm nghiệm định tính trong môi trường phòng thí nghiệm, chưa có số liệu thử nghiệm lâm sàng dài ngày trên nhiều thể trạng bệnh nhân khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất bao gồm:

  • Mở rộng năng lực quản lý của hệ thống lên quy mô toàn bộ khoa phòng (nhiều hơn 2 giường bệnh).
  • Triển khai máy chủ đám mây có bảo mật, cho phép giám sát thông qua kết nối Internet diện rộng bên ngoài mạng LAN.
  • Tích hợp thêm các cảm biến sinh hiệu khác như cảm biến nhiệt độ cơ thể, cảm biến đo độ bão hòa oxy trong máu (SpO2) chuyên sâu hoặc cảm biến đo huyết áp.
  • Nâng cấp độ phân giải và chất lượng khung hình của module camera; cải tiến cấu trúc cơ khí của kẹp cảm biến nhịp tim để giảm thiểu nhiễu chuyển động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp và có giá trị chuyên môn cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử – Viễn thông, Kỹ thuật Y sinh và Hệ thống Nhúng & IoT: Cung cấp phương pháp luận hoàn chỉnh từ khâu tính toán công suất nguồn, phân bổ chân GPIO vi điều khiển, tối ưu hóa giao tiếp bus ngoại vi (I2C, UART) cho đến thuật toán xây dựng máy trạng thái hữu hạn (FSM) xử lý nút bấm và hiển thị.
  • Người thực hiện các đề tài thiết bị hỗ trợ y tế thông minh: Bản báo cáo cung cấp mẫu thiết kế cơ sở dữ liệu thời gian thực (Firebase Realtime Database) kết hợp cơ chế đồng bộ hóa thời gian thực (NTP) và giải pháp truyền luồng dữ liệu hình ảnh trực tiếp qua vi điều khiển giá rẻ ESP32-CAM.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Mục 3.15 (Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống), Bảng 3.4 (Tính toán dòng điện tiêu thụ và nguồn phụ tải), cùng hệ thống lưu đồ giải thuật chi tiết (Hình 3.16 đến 3.20) mô tả logic điều khiển ngắt, xử lý lọc nhiễu tín hiệu quang và đồng bộ dữ liệu mạng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng phương pháp nào để đo nhịp tim của bệnh nhân và sai số kỹ thuật cho phép là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng phương pháp hấp thụ quang học (Photoplethysmography - PPG) thông qua module cảm biến GY-MAX30100. Cảm biến chiếu ánh sáng vào da và đo lường sự biến thiên của dòng bức xạ phản xạ hồng ngoại (IR) trong mao mạch theo từng nhịp đập. Sai số đo đạc cho phép được tác giả quy định là trong phạm vi $\pm 5%$ với dải đo từ 20 đến 200 bpm.

2. Tổng dòng điện tiêu thụ của các linh kiện ở mức điện áp 5V là bao nhiêu và hệ thống dùng nguồn điện nào?
Tổng dòng điện tiêu thụ tính toán cho các thiết bị dùng nguồn 5V là 310 mA (ESP32: 80 mA, ESP32-CAM: 180 mA, LCD kèm module I2C: 50 mA; chưa kể tải tức thời của còi buzzer 50 mA). Nhóm tác giả sử dụng nguồn điện lưới sinh hoạt xoay chiều 220VAC chuyển đổi qua mạch hạ áp AC-DC để cung cấp nguồn 5VDC với dòng định mức tối đa 2A, đáp ứng đầy đủ yêu cầu vận hành liên tục.

3. Tại sao nhóm tác giả phải thay đổi chức năng điều chỉnh ngưỡng nhịp tim sau phiên bảo vệ đồ án?
Theo biên bản góp ý của Hội đồng chấm tốt nghiệp, việc cho phép bệnh nhân tự ý điều chỉnh ngưỡng cảnh báo thông số sức khỏe thông qua nút nhấn đặt tại giường tiềm ẩn nguy cơ sai lệch chỉ định y khoa. Do đó, nhóm tác giả đã chỉnh sửa thiết kế: khóa tính năng này trên hộp phần cứng tại giường và chỉ cho phép nhân viên y tế thay đổi ngưỡng nhịp tim thông qua giao diện trang web quản trị.

4. Cơ chế đồng bộ lịch trình y tế từ máy chủ web về giường bệnh hoạt động như thế nào?
Sau khi khởi động và đồng bộ thời gian thực qua giao thức NTP, vi điều khiển ESP32 sẽ tải dữ liệu lịch chăm sóc sức khỏe (giờ, phút, nội dung công việc) từ máy chủ web. Quá trình truy vấn và cập nhật này được tự động lặp lại mỗi 10 phút một lần nhằm tránh sai lệch thông tin trong trường hợp mất điện khiến máy chủ phải khởi động lại. Khi thời gian thực trùng khớp với lịch hẹn, ESP32 chuyển biến trạng thái setnum sang 4, kích hoạt còi buzzer và hiển thị thông tin y lệnh lên màn hình LCD.

5. Cụm 4 nút nhấn tại giường bệnh được đấu nối như thế nào và đảm nhận những chức năng gì?
Bốn nút nhấn nhả được nối với 4 chân GPIO của ESP32, cấu hình chế độ điện trở kéo lên nội (Pull-up) và chân còn lại nối đất (GND). Các nút đảm nhận chức năng điều hướng qua biến trạng thái setnum: nút Home đưa hệ thống về màn hình chính (setnum = 0), nút Up thực hiện đổi trạng thái cờ alertState để gọi hoặc hủy gọi bác sĩ, nút Set chuyển đổi giữa các giao diện xem lịch trình chăm sóc (setnum = 1) và xem giới hạn ngưỡng nhịp tim (setnum = 2).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình giường bệnh dùng trong y tế" của sinh viên Nguyễn Quốc Hiển và Trịnh Hải Triều đã hiện thực hóa thành công một mô hình thiết bị giám sát sức khỏe tại giường đáp ứng các yêu cầu y tế cơ bản. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ESP32, cảm biến quang học PPG, camera truyền phát trực tiếp và cơ sở dữ liệu Firebase, hệ thống đã đồng bộ hóa hiệu quả dữ liệu sinh hiệu và hình ảnh bệnh nhân lên giao diện web nội bộ. Mặc dù vẫn còn giới hạn trong phạm vi mạng LAN và quy mô mô hình 2 giường bệnh, đề tài đã chứng minh tính khả thi của giải pháp hỗ trợ chăm sóc y tế bán tự động, chi phí thấp và giàu tiềm năng phát triển thành sản phẩm ứng dụng lâm sàng hoàn chỉnh.