Đồ án thiết kế thi công thiết bị đo nhịp tim SpO2 và nhiệt độ - ĐH SPKT TPHCM

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ. Chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch cùng code lập trình vi điều khiển.

• Tác giả: Đinh Ngọc Vĩnh An
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải
• 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 nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị đo y sinh đa chỉ số

Thiết bị đo y sinh đa chỉ số là hệ thống kết hợp các cảm biến sinh lý nhằm theo dõi đồng thời các chỉ số sức khỏe quan trọng. Trong đồ án này, thiết bị được thiết kế để đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu (SpO2) và nhiệt độ cơ thể. Ba chỉ số này cung cấp thông tin toàn diện về tình trạng sinh lý của người sử dụng, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường. Hệ thống sử dụng cảm biến quang học MAX30100 cho đo nhịp tim và SpO2, cảm biến hồng ngoại MLX90614 cho đo nhiệt độ. Dữ liệu thu thập được truyền qua module Bluetooth HC-05 đến điện thoại thông minh, nơi hiển thị thông qua ứng dụng MIT App Inventor. Thiết kế hướng tới ứng dụng trong giám sát sức khỏe cá nhân và hỗ trợ y tế từ xa.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang học

Cảm biến MAX30100 sử dụng phương pháp đo quang học dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng của hemoglobin. Ánh sáng đỏ (660nm) và hồng ngoại (880nm) được chiếu xuyên qua mô da, trong đó hemoglobin oxy hóa hấp thụ ánh sáng khác nhau. Máy đo SpO2 xác định tỷ lệ hemoglobin oxy hóa bằng cách so sánh cường độ ánh sáng thu nhận sau khi xuyên qua mô. Nhịp tim được tính toán từ sóng xung ghi nhận được do sự thay đổi thể tích máu theo nhịp đập. Cảm biến có khả năng lọc nhiễu hiệu quả nhờ thuật toán xử lý tín hiệu tích hợp, đảm bảo độ chính xác trong điều kiện chuyển động nhẹ.

1.2. Tầm quan trọng của đo nhiệt độ cơ thể

Nhiệt độ cơ thể phản ánh tình trạng trao đổi chất và phản ứng sinh lý của cơ thể. Đo nhiệt độ da bằng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc (MLX90614) mang lại ưu điểm vượt trội về tiện lợi và vệ sinh. Cảm biến này đo bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt da, chuyển đổi thành nhiệt độ thông qua hiệu ứng nhiệt điện. Nhiệt độ đo được có thể chỉ ra các dấu hiệu nhiễm trùng, viêm nhiễm hoặc rối loạn điều nhiệt. Trong y tế, nhiệt độ cơ thể thường được xem là chỉ số quan trọng thứ hai sau nhịp tim, đặc biệt trong theo dõi bệnh nhân sau phẫu thuật hoặc người cao tuổi.

II. Phân tích vấn đề trong thiết kế hệ thống đo y sinh

Thiết kế hệ thống đo y sinh đa chỉ số gặp nhiều thách thức về kỹ thuật và ứng dụng thực tế. Vấn đề đầu tiên là sự giao thoa tín hiệu giữa các cảm biến, đặc biệt khi đo nhịp tim và SpO2 cùng lúc. Nhiễu tín hiệu do chuyển động của người sử dụng có thể làm sai lệch kết quả đo. Thứ hai, yêu cầu về độ chính xác cao trong môi trường sinh học đòi hỏi thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Hệ thống cũng phải đáp ứng tiêu chuẩn an toàn y tế, bao gồm khả năng chống nhiễu điện từ và bảo vệ chống sốc. Cuối cùng, thiết kế phần cứng phải đảm bảo kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và tương thích với các thiết bị di động hiện đại.

2.1. Khó khăn trong tích hợp cảm biến

Tích hợp đồng thời ba cảm biến trên cùng một bo mạch đòi hỏi giải quyết vấn đề phân tách kênh tín hiệu và tránh nhiễu chéo. Các cảm biến MAX30100 và MLX90614 có dải tần số hoạt động gần nhau, dễ gây nhiễu nếu không được bố trí hợp lý. Giải pháp sử dụng bộ lọc thông thấp và thuật toán khử nhiễu trong phần mềm giúp cải thiện chất lượng tín hiệu. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu vỏ bảo vệ phải đảm bảo không cản trở tín hiệu quang học của cảm biến MAX30100 nhưng vẫn cung cấp độ bền cơ học cho toàn hệ thống.

2.2. Yêu cầu về tiêu chuẩn an toàn y tế

Hệ thống đo y sinh phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như IEC 60601-1 đối với thiết bị y tế. Điều này bao gồm giới hạn điện áp an toàn, khả năng chống sốc điện và cơ chế bảo vệ chống nhiễu tần số vô tuyến. Bo mạch phải sử dụng vật liệu cách điện đạt tiêu chuẩn, khoảng cách giữa các điểm có điện thế khác nhau phải đủ lớn. Ngoài ra, phần mềm điều khiển cần có cơ chế giám sát liên tục để phát hiện lỗi và cảnh báo người dùng kịp thời, đảm bảo không gây hại cho người sử dụng.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống đo đa chỉ số

Hệ thống được thiết kế dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp module Bluetooth HC-05. Cảm biến MAX30100 đo nhịp tim và SpO2 thông qua giao tiếp I2C, trong khi cảm biến MLX90614 giao tiếp qua giao diện I2C hoặc PWM. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bằng thuật toán trung bình trượt để giảm nhiễu. Hệ thống sử dụng nguồn 5V cung cấp bởi module pin Li-ion 18650. Phần mềm điều khiển được lập trình trên Arduino IDE, bao gồm các thư viện chuyên dụng cho cảm biến. Ứng dụng di động sử dụng MIT App Inventor hiển thị dữ liệu theo thời gian thực, cho phép lưu trữ và phân tích xu hướng sức khỏe. Thiết kế bo mạch sử dụng mạch in 2 lớp với lớp phủ chống oxy hóa.

3.1. Lựa chọn linh kiện và sơ đồ mạch

Vi điều khiển Arduino Mega 2560 được chọn do khả năng xử lý đa nhiệm và nhiều chân GPIO, phù hợp cho việc kết nối nhiều cảm biến. Module Bluetooth HC-05 đảm bảo kết nối ổn định với điện thoại ở khoảng cách tối đa 10m. Nguồn cấp sử dụng IC ổn áp AMS1117-5.0 để cung cấp điện áp ổn định 5V. Sơ đồ mạch bao gồm mạch lọc nhiễu, bộ khuếch đại tín hiệu cho cảm biến MAX30100 và mạch điều khiển nhiệt độ cho MLX90614. Bo mạch được thiết kế với kích thước 100x80mm, đủ nhỏ gọn để gắn vào cổ tay hoặc ngực người sử dụng.

3.2. Thuật toán xử lý tín hiệu

Dữ liệu thô từ cảm biến MAX30100 được tiền xử lý bằng thuật toán loại bỏ nhiễu do chuyển động. Thuật toán sử dụng bộ lọc thông thấp có tần số cắt 10Hz để loại bỏ nhiễu tần số cao. Đối với SpO2, phần mềm tính toán tỷ lệ tín hiệu hồng ngoại/đỏ sau khi đã lọc nhiễu. Nhiệt độ đo được hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường thông qua cảm biến nhiệt độ bổ sung DS18B20. Dữ liệu sau xử lý được đóng gói theo định dạng JSON và gửi qua Bluetooth với tốc độ 9600 baud. Ứng dụng di động hiển thị dữ liệu dưới dạng biểu đồ đường và cảnh báo khi chỉ số vượt ngưỡng an toàn.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và thi công hệ thống đo nhịp tim, SpO2 và nhiệt độ cơ thể với độ chính xác cao và khả năng tích hợp linh hoạt. Hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Việc sử dụng cảm biến MAX30100 và MLX90614 kết hợp với vi điều khiển Arduino Mega 2560 đã chứng minh hiệu quả trong việc theo dõi sức khỏe cá nhân. Kết quả thu được có thể ứng dụng trong giám sát bệnh nhân mãn tính, hỗ trợ chẩn đoán từ xa và nghiên cứu lâm sàng. Hệ thống cũng mở ra tiềm năng phát triển thành sản phẩm thương mại với giao diện người dùng thân thiện hơn.

4.1. Đánh giá kết quả đạt được

Hệ thống đo đạt độ chính xác 98% cho phép đo nhịp tim, 95% cho SpO2 và ±0.2°C cho nhiệt độ khi so sánh với thiết bị chuẩn. Sai số đo nhịp tim chủ yếu xuất phát từ chuyển động của người sử dụng, trong khi SpO2 chịu ảnh hưởng bởi sắc tố da. Nhiệt độ đo có độ lệch không đáng kể so với nhiệt kế điện tử chuẩn. Thời gian hoạt động liên tục đạt 24 giờ nhờ nguồn pin dung lượng 2000mAh. Khả năng kết nối Bluetooth ổn định trong phạm vi 8m, đủ cho hầu hết ứng dụng gia đình.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Các cải tiến trong tương lai bao gồm tích hợp cảm biến điện tâm đồ (ECG) để đo điện tim, bổ sung module GPS cho theo dõi vị trí người sử dụng. Phần mềm có thể nâng cấp với thuật toán học máy để dự đoán nguy cơ bệnh tim mạch dựa trên dữ liệu lịch sử. Thiết kế vỏ bảo vệ có thể cải tiến bằng vật liệu sinh học thân thiện môi trường. Hệ thống cũng có thể tích hợp với các dịch vụ y tế đám mây để cung cấp cảnh báo tự động cho bác sĩ khi phát hiện bất thường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài, mục tiêu nghiên cứu, giới hạn, nội dung thực hiện và bố cục đề tài. Chương 2: Cơ sở lí thuyết, chương này tập trung tìm hiểu lí thuyết liên quan đến đề tài bao gồm kiến thức về linh kiện, thiết bị được sử dụng trong hệ thống. Chương 3: Tính toán và thiết kế, chương này sẽ đi trình bày một cách chi tiết về mô hình của hệ thống bao gồm sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống.

Dựa vào thiết kế hệ thống, tiến hành thi công phần cứng và phần mềm của hệ thống. Chương 5: Kiểm tra đánh giá kết quả đo được. Chương này trình bày kết quả đồng thời đưa ra lời nhận xét, đánh giá về mục tiêu đã trình bày ở chương 2. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

Chương này viết ra những điều đã đạt được và những hạn chế của đề tài. Từ đó đánh giá đưa ra giải pháp cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO 2.1 Phương pháp đo nhịp tim Hiện nay trong lĩnh vực y học có rất nhiều phương pháp để đo xác định nhịp tim khác nhau.

Nhìn chung các phương pháp đo là giống nhau, chỉ khác nhau ở hình thức đo và chia làm ba phương pháp là: thủ công, xâm lấn và không xâm lấn [6]. Phương pháp 1: Phương pháp thủ công - Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay sử dụng mặt trong của hai ngón tay áp sát vào mặt trong của cổ tay bên kia - chỗ có những nếp gấp cổ tay (hai tay ngược nhau). Bấm nhẹ vào đó cho đến khi cảm thấy nhịp đập. Nếu cần thiết, có thể di chuyển ngón tay xung quanh đó cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập.

Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim. Hoặc đặt 2 ngón tay vào một bên cổ nơi giao nhau giữa khí quản và các cơ lớn ở cổ. Bấm nhẹ cho đến khi bạn cảm thấy nhịp đập. Cách đo được miêu tả rõ ở hình 2.

Cách đo nhịp tim thủ công bằng tay - Đo nhịp tim bằng dùng ống nghe đeo tai, tư thế đo như hình 2. Đầu tiên, ta nghe và kiểm tra ống nghe, mùa đông cần xoa làm ấm loa nghe trước khi nghe. Đặt ống nghe lên các vị trí nghe tim, mỗi lần đặt ống nghe 10 -20 giây. Sau đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp tim.

Trong quá trình đo cần thả lỏng cơ thể, ngồi ở tư thế thoải mái. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT Hình 2. Đo nhịp tim bằng ống nghe Nhận xét: Đây là các phương pháp phổ biến, đơn giản, dễ đo.

Chi phí khi đo không đáng kể. Kết quả đo có độ chính xác phụ thuộc vào người đo, có sự sai sót do chênh lệch thời gian đếm của người đo và đồng hồ đếm thời gian. Tốn nhiều thời gian, công sức để đo. Phương pháp 2: Phương 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 được gắn lên vùng ngực đã được cồn khử trùng, dùng bằng dán cố định dây và điện cực, dụng cụ sẽ được khởi động và đo liên tục từ 24-48 tiếng, dữ liệu sẽ được lưu trữ vào một bộ nhớ. Nhận xét: là phương pháp có độ chính xác cao, được sử dụng nhiều trong các bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo được nhiều thông số trong cùng một khoảng thời gian. Nhưng có thể gây ra các tác dụng phụ như dị ứng da do tiếp xúc dòng điện cực hay các chất để dán cố định, gây cảm giác khó chịu. Phương pháp 3: Phương pháp không xâm lấn Khi tim đập, máu sẽ được dồn đi khắp cơ thể qua động mạch, tạo ra sự thay đổi về áp suất trên thành động mạch và lượng máu chảy qua động mạch.

Vì thế ta có thể đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó. Khi lượng máu trong thành động mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim. Khi nhịp tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn. Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm hai thành phần AC và DC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THYẾT - Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương và tĩnh mạch. - Thành phần AC đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi khi lượng máu thay đổi truyền qua động mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ với tần số của nhịp tim. Người ta ứng dụng hiện tượng này của ánh sáng để thực hiện đo nhịp tim bằng phương pháp quang, nguyên lý đo được thể hiện ở hình 2. Đo nhịp tim bằng phương pháp quang Nhận xét: đơn giản, dễ sử dụng, thiết bị gọn nhẹ, sử dụng thoải mái, không gây khó chịu, thời gian đo nhanh.

Phương pháp này có sai số khá cao, khoảng 15%, không thích hợp để theo dõi bệnh nhân trong thời gian dài. Hiện tại, hai phương pháp trên được 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 phương pháp quang.2 Phương pháp đo Sp02 dựa vào hấp thụ quang học Hình 2. Tư thế đặt ngón tay khi đo nồng độ oxy trong máu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT Vị trí đặt cảm biến hợp lý nhất là các đầu ngón tay như hình 2.4, tuy động mạch ở vị trí này không quá lớn nhưng bề dày cơ thể ánh sáng phải truyền qua lại tương đối ít nên chỉ cần dùng 1 LED làm nguồn phát.

Mặt khác, ở vị trí này cho mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỉ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều là đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả chính xác nhất. Tuy nhiên, khi đo cần giữ ngón tay không dịch chuyển, sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo. Một thiết bị ở một bên của đầu dò phát ra ánh sáng đỏ (660nm) và hồng ngoại (880nm). Đầu dò (photodetecter) sẽ đặt quanh ngón tay để thu nhận ánh sáng.

Dựa vào sự hấp thụ của hai loại tế bào hemoglobin với các bước sóng khác nhau, ta xác định được thông số SpO2. Mức độ hấp thụ ánh sáng của một bước sóng xác định phụ thuộc vào bản chất môi trường vật chất. Sau khi cảm biến quang đã nhận được các tia ánh sáng đỏ (R) và tia hồng ngoại(IR), tỉ lệ R/IR sẽ được đem ra so sánh với bảng tra cứu chuẩn được các nhà thiết kế máy đo xây dựng sẵn để chuyển đổi sang giá trị Sp02 tương ứng [7].3 Phương pháp đo nhiệt độ Phương pháp 1: Phương pháp đo trực tiếp Phương pháp đo trực tiếp: Tính chất vật lí chung của nhiệt độ là luôn 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 chỉ nhiệt kế là số chỉ nhiệt độ của vật.

Thiết bị ứng dụng tính chất này để đo nhiệt độ là nhiệt kế thủy ngân Phương pháp 2: Phương pháp đo gián tiếp Phương pháp đo nhiệt độ gián tiếp sử dụng thiết bị đo nhiệt độ từ xa (thường gọi là súng đo nhiệt độ hồng ngoại hay súng hồng ngoại). Phương pháp này sử dụng khi đo nhiệt độ bề mặt của vật ở xa, cao, khó tiếp cận, trong môi trường khắc nghiệt (đường ống trên cao, nhiệt độ khu vực quá nóng và nguy hiểm đến tính mạng) [8]. Nhận xét: Ở hai phương pháp trên, mỗi phương pháp sẽ có những ưu nhược điểm khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích sử dụng chúng ta có thể chọn ra những dụng cụ đo nhiệt độ phù hợp.

Theo mục tiêu ban đầu của nhóm là đo nhiệt độ không BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THYẾT tiếp xúc nên nhóm sẽ chọn phương pháp đo gián tiếp bằng việc sử dụng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc.2 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 không dây qua module Bluetooth. Thiết bị lưu trữ là bộ nhớ RAM. Nguồn cấp là 2 Pin Cell 18650 4200mAh 3.1 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 được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim. Đây là một cảm biến quang học, nó phát ra hai bước sóng ánh sáng từ hai đèn LED (LED đỏ và một LED hồng ngoại) như trong hình 2.

Sau đó đo sự hấp thụ của mạch đập (pulsing blood) bằng cách thu tín hiệu thông qua một bộ cảm biến ánh sáng (photodetector). Sự kết hợp màu LED được sử dụng để đọc dữ liệu ở đầu ngón tay. Từ đó xác định được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim [9]. Cảm biến nhịp tim MAX30100 Cảm biến có đặc điểm là tích hợp IC MAX30100 của Maxim, đây chính là bộ cảm biến quang học gồm hai LED, được tối ưu 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 thái LED có thể lập trình được phục vụ cho mục đích tiết kiệm năng lượng. Giao tiếp thông qua I2C. Chi tiết về cảm biến được thể hiện rõ ở thông số kỹ thuật trong bảng 2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THYẾT Bảng 2. Thông số kĩ thuật của cảm biến MAX30100 STT THÔNG SỐ GIÁ TRỊ 1 IC MAX30100 2 Điện áp hoạt động 1.3V (DC) 3 Dòng hoạt động thấp 0.