Nghiên cứu: Hệ thống giám sát dấu hiệu sinh tồn qua nhịp thở bằng cảm biến từ trường

Báo cáo nghiên cứu hệ thống đo nhịp thở bằng cảm biến từ trường siêu nhạy. Giải pháp giám sát dấu hiệu sinh tồn liên tục với độ chính xác cao.

• Tác giả: ThS. Hồ Anh Tâm
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống theo dõi và giám sát liên tục dấu hiệu sinh tồn thông qua đo nhịp thở dựa trên cảm biến đo từ trường siêu nhạy cấu trúc micro
• Loại tài liệu: Báo cáo đề tài khoa học công nghệ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đo nhịp thở bằng cảm biến từ trường siêu nhạy

Hệ thống đo nhịp thở bằng cảm biến từ trường siêu nhạy là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực y tế hiện đại. Đây là kết quả của dự án nghiên cứu được thực hiện bởi Đại học Quốc gia Hà Nội từ năm 2022 đến 2024, dưới sự chủ trì của ThS. Hồ Anh Tâm. Công nghệ này sử dụng cảm biến từ trường dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để đo và giám sát liên tục các dấu hiệu sinh tồn, đặc biệt là nhịp thở của bệnh nhân. Với sự phát triển của các cảm biến nano và các cấu trúc vi cơ điện tử, hệ thống này mang lại độ chính xác cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong cả môi trường bệnh viện và nhà riêng. Nhu cầu về các thiết bị đo nhịp thở hiện đại ngày càng gia tăng do sự gia tăng các bệnh hô hấp trong xã hội hiện đại.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ trường siêu nhạy

Cảm biến từ trường siêu nhạy hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, phát hiện những thay đổi rất nhỏ trong từ trường do chuyển động hô hấp gây ra. Khi bệnh nhân thở, chuyển động của thành ngực và bụng sẽ tạo ra những biến đổi từ trường mà cảm biến nano có thể bắt được với độ nhạy cực cao. Cấu trúc micro của cảm biến cho phép phát hiện các tín hiệu rất yếu mà các phương pháp truyền thống không thể nhận diện được.

1.2. Ưu điểm so với các phương pháp đo nhịp thở truyền thống

Hệ thống cảm biến từ trường có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp đo thủ công hay các thiết bị cũ. Không cần tiếp xúc trực tiếp với bệnh nhân, không đòi hỏi chuyên môn cao như phương pháp ECG hay PPG. Đặc biệt, phương pháp này không bị ảnh hưởng bởi các bệnh lây nhiễm, an toàn hơn khi sử dụng cho nhiều bệnh nhân. Độ chính xác cao, dễ thao tác và có thể sử dụng được ở nhiều địa điểm.

II. Ứng dụng thực tế của hệ thống giám sát dấu hiệu sinh tồn

Hệ thống theo dõi và giám sát dấu hiệu sinh tồn dựa trên đo nhịp thở có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế. Thiết bị này giúp bác sĩ theo dõi liên tục tình trạng sức khỏe của bệnh nhân, đặc biệt là những bệnh nhân mắc các bệnh hô hấp như hen suyễn, viêm phế quản hay COVID-19. Cảnh báo sức khỏe tự động khi phát hiện các yếu tố bất thường giúp can thiệp y tế kịp thời. Thiết bị có thể được trang bị tại các bệnh viện, phòng khám cũng như tại nhà của bệnh nhân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi sức khỏe trong dài hạn. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong việc hỗ trợ chẩn đoán và điều trị các bệnh hô hấp, giảm gánh nặng công việc cho nhân viên y tế.

2.1. Ứng dụng trong môi trường bệnh viện và cơ sở y tế

Tại các bệnh viện và cơ sở y tế, hệ thống đo nhịp thở được sử dụng để giám sát liên tục các bệnh nhân nằm điều trị. Đặc biệt, thiết bị giúp phát hiện sớm các biến chứng hô hấp, theo dõi hiệu quả điều trị, và ghi lại dữ liệu để phục vụ cho nghiên cứu lâm sàng. Nhân viên y tế có thể giám sát nhiều bệnh nhân cùng lúc, nâng cao hiệu quả công tác chăm sóc.

2.2. Ứng dụng trong theo dõi sức khỏe tại gia đình

Hệ thống cảm biến từ trường có thiết kế đơn giản, dễ thao tác, phù hợp để sử dụng tại nhà cho các bệnh nhân mắn tính cần theo dõi nhịp thở định kỳ. Bệnh nhân hoặc gia đình có thể sử dụng thiết bị mà không cần đào tạo chuyên sâu. Dữ liệu có thể được truyền về bác sĩ thông qua hệ thống kết nối, cho phép quản lý sức khỏe từ xa hiệu quả.

III. Thách thức và cơ hội phát triển công nghệ đo nhịp thở

Mặc dù công nghệ cảm biến từ trường siêu nhạy mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại những thách thức trong phát triển và ứng dụng thực tế. Hiện nại, ở Việt Nam, việc đo nhịp thở chủ yếu vẫn được thực hiện thủ công, không có tiêu chuẩn hóa và phụ thuộc vào kinh nghiệm của người đo. Nhiều cơ sở y tế nhỏ vẫn thiếu các thiết bị công nghệ cao để giám sát dấu hiệu sinh tồn. Chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị hiện đại vẫn còn cao, hạn chế việc phổ cập rộng rãi. Tuy nhiên, những cơ hội phát triển rất lớn khi công nghệ này được hoàn thiện hơn, có giá thành rẻ hơn, và được tiêu chuẩn hóa trong quy trình khám chữa bệnh.

3.1. Thách thức hiện tại trong phát triển công nghệ

Các thách thức chính bao gồm việc tích hợp các cảm biến nano vào hệ thống thực tế, đảm bảo độ ổn định và tuổi thọ của thiết bị, cũng như chuẩn hóa các quy trình kiểm tra chất lượng. Nhiễu môi trường từ các thiết bị điện tử khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của đo lường. Chi phí sản xuất và nghiên cứu vẫn còn cao, yêu cầu đầu tư lớn từ các cơ sở nghiên cứu.

3.2. Cơ hội phát triển và triển khai rộng rãi

Cơ hội phát triển lớn nằm ở việc nâng cao công nghệ sản xuất, làm giảm chi phí để phổ cập rộng rãi tại các bệnh viện và y tế cơ sở. Tích hợp công nghệ AI vào hệ thống có thể giúp phân tích dữ liệu và cảnh báo sớm các bệnh lý. Kết nối với các hệ thống sức khỏe số sẽ tạo điều kiện cho quản lý sức khỏe toàn diện và có cơ sở dữ liệu lớn cho nghiên cứu.

IV. Hướng phát triển tương lai của hệ thống giám sát nhịp thở

Tương lai của hệ thống đo nhịp thở bằng cảm biến từ trường siêu nhạy rất triển vọng, với nhiều hướng phát triển mới. Tiêu chuẩn hóa công nghệ và chuẩn bị quy chuẩn kỹ thuật sẽ giúp thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở y tế. Phát triển phiên bản tích hợp kết hợp cảm biến từ trường với các cảm biến khác sẽ cho phép giám sát toàn diện nhiều dấu hiệu sinh tồn cùng lúc. Công nghệ không dây và pin lâu dài sẽ làm cho thiết bị di động hơn và tiện dụng hơn cho người dùng. Tích hợp ứng dụng di động sẽ cho phép bệnh nhân tự quản lý sức khỏe tại nhà. Hợp tác quốc tế giữa các nhà nghiên cứu và các công ty công nghệ sẽ tăng tốc độ thương mại hóa công nghệ này.

4.1. Tiêu chuẩn hóa và phát triển quy chuẩn kỹ thuật

Tiêu chuẩn hóa công nghệ là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng và an toàn cho người sử dụng. Các quy chuẩn kỹ thuật cần được phát triển dựa trên nghiên cứu lâm sàng và thử nghiệm thực tế. Cơ quan chuyên môn cần lập ra các tiêu chí để kiểm định thiết bị trước khi lưu hành thị trường. Đào tạo nhân viên y tế về cách sử dụng đúng thiết bị cũng là phần quan trọng trong quá trình triển khai.

4.2. Tích hợp công nghệ và ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe số

Tích hợp AI và machine learning vào hệ thống sẽ cho phép phân tích tự động các mẫu hô hấp bất thường và dự báo sớm các vấn đề sức khỏe. Kết nối với hệ thống hồ sơ sức khỏe điện tử cho phép bác sĩ theo dõi toàn diện lịch sử dấu hiệu sinh tồn của bệnh nhân. Ứng dụng di động sẽ giúp bệnh nhân tự quản lý và chia sẻ dữ liệu với bác sĩ, nâng cao chất lượng chăm sóc từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Sự phát triển của xã hội hiện đại cùng với 6 nhiễm môi trường kéo theo sự gia tăng các nguy cơ về bệnh tật, đặc biệt là hô hấp. Nhận thức được tầm quan trọng của thông số nhịp thở và sự khan hiểm của thị trường, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và phát triển hoản thiện hệ thống đo và giám sát nhịp thở sử đụng cảm biến đo từ trường dựa trên hiện tượng cam ứng điện từ nhằm quan sát, đo đạc, theo dõi và đánh giá các thông số chức năng nhịp thở, từ đó cảnh báo tình trạng sức khoẻ và can thiệp kịp thời khi xuất hiện yếu tổ bat thường. Thiết bị đo và giám sát nhịp thở cần đảm bảo tiêu chi đơn giản, dé thao tác, sử dụng va di chuyên đồng thời có độ nhạy cao dành cho cả các cơ sở y tế lẫn tại nhà. Hiện tại, có nhiều phương pháp đoxung nhịp thở đã được phat triển và đưa vào ứng dụng dựa trên các nguyên lý hoạt động khác nhau hỗ trợ tích cực trong theo dõi, giám sát sức khỏe và đặc biệt trong hỗ trợ chuẩn đoán điều trị bệnh hô hấp.

Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược diém có thé ké đến như người đo phải thở ra ngoài không khí không phù hợp với các bệnh có tính lây nhiễm cao (phương pháp đo thông qua sự thay đổi lưu lượng, nhiệt độ, thành phần hay độâm không khí); hoặc thiết bi/dau đo phải tiếp xúc trực tiếp với người đo đòi hỏi người tiến hành phép đo cần có chuyên môn cao (phương pháp điện tim đồ (Electrocardiography - ECG)) kết hợp kỹ thuật quang học (photoplethysmography - PPG)). Chính vì vậy, hệ thống thiết bị có chức năng đo nhịp thở một cách chính xác và toàn diện dành cho người bệnh hiện nay vẫn gặp nhiều thách thức cân được đâu tư nghiên cứu. Âm thanh hô hấp | z= | không khí Thành phần Độ ẩm không khí An ^ q Do âm thanh — Do nồng độ CO2 296 đối ds Máy vi âm Cảm biến hồng Cảm biến điện trở (Microphones) ngoai (infrared) (resistive) rea “quang “ sae (canae te quang. (fiber optic) rung (capacitive) Cam bién Tinh thé nano va hat nano Detector (1.1a) Do tần số thở bằng phương pháp (1.1b) Do tốc độ trao đổi CO2 trong nhịp.

- nhiệt điện trở để xác định nhiệt độ hô thở bằng đầu đò nội sơi và cảm biến (1.1e) Phương pháp đo dựa trên tiếp xúc cơ thể hấp (Thermister measurement) hồng ngoại (infrared sensor) (tích hợp với ECG&PCG) Hình 1. Các phương pháp do nhịp thở dang được sử dụng hiện nay Mặc dù thông tin liên quan đến nhịp thở và xung nhịp thở có vai trò quan trọng như vậy nhưng hiện tại ở Việt Nam việc theo dõi tần số thở thường được thực hiện bằng cách đếm nhịp thông thường thủ công trong khi ở các nước phát triển, công tác này đã được thực hiện sử dụng các thiết bị công nghệ chính xác cao, không phụ thuộc vào kinh nghiệm và kỹ năng người đo như cách làm thủ công. Các thiết bị liên quan đến đo đạc phân tích chức năng thở chủ yếu được trang bị cho các trung tâm, trường, bệnh viện, cơ sở khám chữa bệnh lớn phục vụ cho khám chữa bệnh và phục vụ nghiên cứu thực hành lâm sàng. Việc trang bị các thiết bị cho tất cả các cơ sở trong nước phục vụ công tác này là cần thiết nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư cao do đều phải nhập các thiết bị từ nước ngoài.

Nhận thức được tam quan trọng của thông sỐ nhịp thở và sự khan hiếm của thị trường, sáng chế này đề xuất một hệ thống thiết bị đo và theo dõi giám sát nhịp thở và xung nhịp thở liên tục sử dụng cảm biến đo từ trường độnhạy cao được sử dụng dé cảm nhận sự giãn nở liên tục của lồng ngực thông qua cảm nhận sự thay đổi từ trường do sự thay đổi vị trí vị trí tương đối giữa cảm biến và nam châm được gắn trên ngực hoặc bụng của người đo trong quá trình thực hiện phép đo. Mục tiêu - Làm chủ được công nghệ lõi chê tạo cảm biên siêu nhạy từ trường câu trúc micro với độ chính xác và tin cậy cao. - Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống đo và giám sát dấu hiệu sinh tồn liên tục sử dụng cảm biến siêu nhạy từ trường cấu trúc micro thông qua đo nhịp thở liên tục. - Đóng gói hoàn thiện hệ thống theo kiếu dáng mẫu mã công nghiệp hệ thống đo và giám sát nhịp thở và đo thử nghiệm thành công trên các tình nguyện viên với giới tính, độ tuôi và sức khỏe khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu là chế tạo thử nghiệm thiết bị đo, theo đõi nhịp thở liên tục dựa trên phương pháp đo từ trường, một sô phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sau đây sẽ được sử dụng: - Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng tính toán cau trúc vi từ sử dụng công cụ mô phỏng điều khiển từ tinh của các cẫu trúc micro và tối ưu tính chất từ mềm của vật liệu từ nên Fe, Co, Ni - Nghiên cứu, chế tạo các cấu trúc từ tính micro dang mang và dang băng nên Fe, Co va Ni sử dụng các công nghệ tiêu hình hóa; Khảo sát, đo đạc vi cấu trúc, tính chất từ, từ-điện, từ tổng trở của vật liệu từ cầu trúc micro chết tạo được - Thiết kế, chế tạo linh kiện cảm biến dựa trên hiệu ứng từ tổng trở và từ-điện sử dụng cấu hình vật liệu tôi ưu nghiên cứu chê tạo được; Khảo sát, đo đạc các đặc trưng và thông sô làm việc của cảm biên từ dé tôi ưu các thông sô hoạt động phù hợp với ứng dung đo nhịp thở. - Thiết kế và xây dựng hệ thống di động đo nhịp thở liên tục không tiếp xúc tích hợp cảm biến tôi ưu đã được nghiên cứu chê tao; Do đạc thử nghiệm và đánh giá hoạt động của hệ thông thử nghiệm trên các tình nguyện viên trong phòng thí nghiệm. Tong kết kết quả nghiên cứu Về tổng thé, sản pham của dé tài là hệ thống đo, theo dõi và giám sát phô nhịp thở sử dung cảm biến cảm biến đo từ trường đề cảm nhận sự giãn nở liên tục của lồng ngực thông qua cảm nhận sự thay đổi từ trường do sự thay đổi vị trí vị trí tương đối giữa cảm biến và nam châm có kết cấu bao gồm: cảm biến đo từ trường có độ nhạy cao, đai nam châm gắn trên ngực hoặc bụng của người đo trong quá trình thực hiện phép đo gồm đai đeo co giãn tích hợp với khay nam châm chứa cặp vĩnh cữu hình cúc áo đặt song song ngược chiều có dé chan từ dé ngăn chặn từ trường tác động đến người đo, hệ thống giá kèm trục xoay gan cảm biến dễ dàng căn chỉnh vị trí cảm biến trong không gian 3 chiều phù hợp với mọi tư thế và chiều cao của người đo, khối điện tử đo lường xử lý tín hiệu và màn hình hiển thị cảm ứngcó thé do, theo dõi và ghi nhận pho nhịp thở liên tục theo phương pháp không tiếp xúc, không xâm lan. Các kết quả nghiên cứu chính gồm: Màn hình Cam biến từ biethin trường = Nam cham Bộ chuyen dai Ghế ngồi (a) Sơ đồ nguyên Lý hệ đo Hình 2.

Sơ đồ nguyên lý hệ do thở bằng cảm biến từ trường độ nhạy cao 4. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến Fluxgate Cảm biến từ trường Fluxgate hoạt động dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, được hiểu đơn giản là hiện tượng hình thành một suất điện động trên một vật dẫn khi vật đó được đặt trong một từ trường biến thiên. Đề đạt được hiệu quả đo lường tốt nhất, cau tạo của cảm biến từ trường gồm.2 lõi dây sơ cấp và thứ cấp, 1 lõi sắt từ mảnh với thiết kế chuyên dụng, 1 mạchin làm giá đỡ cảm biến và kết nối điện cực với thiết bị đo, vỏ bảo vệ cảm biến. Bi CAM BIEN 80 TỪ TRƯỜNG )- Cảm biến đo từ trường dạng thanh J4ÂAiyw(10ue89a)p Sơ cấp 71 510 (iso tử trưởng Thứ cấp Xích thích được.

iter pebb nuôi bằng nguén của cảm biến) xoay chiều) Cảm biến đo từ trường dang phéu J Hình 3. Cấu tao của cảm biến từ trường Fluxgate được phát triển cho hệ do thở 4. Quy trình chế tạo a) Cuộn dây cảm biến Trên hình 4 là hình minh họa các bước chế tạo cuộn dây sơ cấp và thứ cap cho cam bién Fluxgate do từ trường. Cuộn dây sơ cấp được lồng vào bên trong cuộn dây thứ cấp và được đặt bên ngoài một lõi sắt từ, cuộn sơ cap được kết nối với nguồn nuôi điệnáp xoay chiều dé tao từ trường cho cảm biến, cuộn thứ cấp kết nói với thiết bị do dé đo điện áp 4 chuyên đổi lỗi ra của cảm biến.

Cuộn dây chế tạo bằng lõi nhựa cách điện, các cuộn dây được cuốn bằng dây đồng bọc cách điện với mật độ xếp chặt cao nhất giúp cảm biến thu nhận được nhiều từ thông hơn và do đó tăng tín hiệu điện đầu ra cảm biến. EE (3) Cuốn dây lên lõi (1) Lõi nhựa |—>| K2Đ|U549D100 thành cuộn dây t (5) Hàn các chân cắm (4) Cắt thành các cuộn vào các dau cuộn dây có chiều dài phù hợp A gw _¬ Hình 4. Chế tạo lõi dây sơ cấp và thứ cap Hình 5. Các mẫu lõi từ nhóm nghiên của bộ phận cảm biên cứu thử nghiệm trên cảm biên b) Lõi sắt từ làm cảm biến Lõi sắt từ được sử dụng là lõi vật liệu từ mềm FeSiC dạng băng từ mỏng (dày 0,02 mm) được tạo hình dang thanh và dạng phéu (xem hình 5) với cùng chiều dài L = 43 mm.

Các phéu có miệng hình thang với cùng độ cao h = 5 mm và độ rộng miệng phéu thay đổi khác nhau D = 5, 10, 15, 20, 25 mm. Các nghiên cứu thử nghiệm sẽ được thực hiện trên các lõi này, trên cơ sở đó lựa chọn hình dang và kích thước tối ưu cho hình dạng lõi làm tín hiệu cảm biến thay đổi nhiều nhất. c) Vỏ bảo vệ cảm biến Vỏ linh kiện cảm biến được thiết kế và sản xuất trên công nghệ nhựa in 3D có đặc tính dẻo, dé dàng uôn ép theo ý muôn. Vật liệu nhựa được thiệt kê và chê tạo trực tiệp theo yêu câu trên công nghệ in 3D, tạo hình đa dạng va dam bảo an toàn trong quá trình gia công phân vỏ (hình 6).