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

Tìm hiểu hệ thống giám sát sức khỏe cơ bản cho bệnh nhân mắc COVID-19. Giải pháp theo dõi chỉ số sinh tồn và hỗ trợ chăm sóc y tế an toàn tại nhà.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Nga
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường 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 về hệ thống giám sát sức khỏe Covid 19

Hệ thống giám sát sức khỏe cơ bản cho bệnh nhân Covid-19 là giải pháp công nghệ hỗ trợ theo dõi liên tục các chỉ số sinh tồn quan trọng. Hệ thống tích hợp cảm biến đo thân nhiệt, nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và huyết áp. Dữ liệu thu thập được truyền về nền tảng phần mềm qua kết nối không dây. Mục tiêu chính là phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường để can thiệp kịp thời. Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường y tế hạn chế nguồn lực. Các thành phần chính bao gồm thiết bị đo, module truyền thông và ứng dụng giám sát. Công nghệ IoT và vi xử lý đóng vai trò cốt lõi trong thiết kế.

1.1. Các chỉ số sức khỏe quan trọng theo dõi

Thân nhiệt là chỉ số đầu tiên cảnh báo nhiễm trùng. Nhịp tim bình thường dao động 60-100 nhịp/phút, tăng cao báo hiệu nguy cơ biến chứng tim mạch. Nồng độ oxy trong máu dưới 95% cần can thiệp ngay. Huyết áp tâm thu dưới 90mmHg hoặc trên 140mmHg là dấu hiệu nguy hiểm. Các chỉ số này được đo bằng cảm biến chuyên dụng gắn trên thiết bị đeo. Hệ thống xử lý dữ liệu theo ngưỡng cảnh báo được cấu hình trước. Bệnh nhân có triệu chứng nặng cần theo dõi sát sao hơn.

1.2. Công nghệ IoT trong giám sát y tế

Công nghệ IoT kết nối thiết bị y tế với mạng internet, cho phép giám sát từ xa. Module ESP8266/ESP32 đóng vai trò trung tâm xử lý dữ liệu. Cảm biến MAX30100 đo nhịp tim và SpO2 thông qua ánh sáng hồng ngoại. Cảm biến MLX90614 đo thân nhiệt không tiếp xúc. Dữ liệu truyền qua WiFi/Bluetooth đến máy chủ lưu trữ. Nền tảng web và ứng dụng di động hiển thị thông tin theo thời gian thực. Hệ thống hỗ trợ cảnh báo tự động khi chỉ số vượt ngưỡng.

II. Những thách thức trong giám sát bệnh nhân Covid 19

Bệnh nhân Covid-19 dễ diễn biến nặng đột ngột, đòi hỏi giám sát liên tục. Thiếu hụt nhân lực y tế là vấn đề toàn cầu trong đại dịch. Thiết bị y tế truyền thống cồng kềnh, khó triển khai tại nhà. Môi trường sống không đảm bảo vệ sinh gây nhiễm khuẩn thứ phát. Dữ liệu sức khỏe không được cập nhật kịp thời dẫn đến chậm trễ điều trị. Khó khăn trong kết nối mạng tại vùng sâu vùng xa. Chi phí đầu tư hệ thống cao ảnh hưởng đến khả năng triển khai rộng rãi.

2.1. Yêu cầu giám sát liên tục trong đại dịch

Covid-19 có thời gian ủ bệnh dài, triệu chứng khởi phát âm thầm. Bệnh nhân F0 không triệu chứng vẫn có thể lây nhiễm. Theo dõi sát sao giúp phát hiện sớm hội chứng viêm đa hệ thống. Cần ghi nhận diễn biến nhiệt độ, hô hấp, tim mạch 24/7. Hệ thống cảnh báo tự động giảm tải cho nhân viên y tế. Dữ liệu được lưu trữ để phân tích xu hướng dài hạn. Giám sát liên tục ngăn ngừa biến chứng nguy hiểm.

2.2. Hạn chế của phương pháp truyền thống

Đo thân nhiệt bằng nhiệt kế truyền thống chỉ chớp nhoáng, không phản ánh xu hướng. Nhân viên y tế phải tiếp xúc trực tiếp tăng nguy cơ lây nhiễm. Thiết bị đo huyết áp cần quấn quanh cánh tay gây khó chịu. Dữ liệu ghi chép thủ công dễ nhầm lẫn, mất dữ liệu. Không có cảnh báo tự động khi chỉ số nguy hiểm. Chi phí vận hành hệ thống y tế truyền thống cao. Khó khăn trong theo dõi bệnh nhân tại nhà.

III. Giải pháp hệ thống giám sát sức khỏe thông minh

Hệ thống giám sát thông minh sử dụng cảm biến không dây kết nối IoT. Thiết bị đeo nhỏ gọn đo đa chỉ số cùng lúc, truyền dữ liệu tức thời. Nền tảng phần mềm phân tích xu hướng sức khỏe theo thời gian. Cảnh báo tự động được kích hoạt khi chỉ số vượt ngưỡng. Hệ thống hỗ trợ đa nền tảng: web, ứng dụng di động, SMS. Dữ liệu được mã hóa bảo mật tuyệt đối. Tích hợp lịch sử sức khỏe cho bác sĩ đánh giá. Giải pháp phù hợp triển khai tại bệnh viện dã chiến.

3.1. Thiết kế phần cứng hệ thống

Thiết bị gồm module ESP32 làm trung tâm xử lý. Cảm biến MAX30100 đo SpO2 và nhịp tim qua ngón tay. Cảm biến MLX90614 đo thân nhiệt không tiếp xúc. Module GPS theo dõi vị trí bệnh nhân. Pin lithium polymer cung cấp năng lượng 24 giờ. Thiết kế chống nước IP67 cho môi trường ẩm ướt. Khối nút nhấn điều chỉnh ngưỡng cảnh báo. Module WiFi/Bluetooth truyền dữ liệu không dây.

3.2. Phần mềm giám sát và cảnh báo

Nền tảng web hiển thị biểu đồ xu hướng các chỉ số sức khỏe. Ứng dụng di động gửi cảnh báo push notification tức thì. Hệ thống phân tích dữ liệu theo thuật toán học máy. Cảnh báo được phân cấp theo mức độ nguy hiểm: vàng, cam, đỏ. Dữ liệu được lưu trữ trên đám mây tuân thủ quy định bảo mật. Giao diện thân thiện dễ sử dụng cho mọi đối tượng. Hỗ trợ xuất báo cáo sức khỏe định kỳ.

IV. Triển khai ứng dụng trong thực tế lâm sàng

Hệ thống đã được thử nghiệm tại bệnh viện dã chiến trong đợt dịch năm 2021. Kết quả cho thấy giảm 40% thời gian phát hiện biến chứng. Nhân viên y tế tiết kiệm 30% thời gian theo dõi thủ công. Bệnh nhân cảm thấy an tâm nhờ giám sát liên tục. Hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Chi phí đầu tư hoàn vốn sau 6 tháng triển khai. Giải pháp dễ nhân rộng sang các bệnh viện tuyến dưới. Đã được Bộ Y tế đánh giá cao về tính ứng dụng.

4.1. Kết quả thử nghiệm tại bệnh viện

Trong 3 tháng thử nghiệm, hệ thống ghi nhận 15 trường hợp SpO2 dưới 95%. 12 ca sốt cao trên 38.5°C được phát hiện sớm. 8 bệnh nhân có huyết áp bất thường được cảnh báo kịp thời. Không có trường hợp biến chứng nặng xảy ra ngoài tầm kiểm soát. Nhân viên y tế phản hồi tích cực về tính hữu dụng. Thời gian phản hồi trung bình từ cảnh báo đến can thiệp là 15 phút. Độ chính xác cảm biến đạt trên 98%.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Tích hợp thêm cảm biến điện tâm đồ theo dõi rối loạn nhịp tim. Phát triển thuật toán dự đoán nguy cơ biến chứng. Mở rộng hệ thống sang theo dõi bệnh nhân mạn tính. Liên kết với hồ sơ sức khỏe điện tử quốc gia. Tối ưu hóa chi phí sản xuất để phổ cập rộng rãi. Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích dữ liệu. Hợp tác quốc tế để chuẩn hóa giao thức giám sát.

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.