ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu thế thời đại mới, Kỹ Thuật Y Sinh hiện đang là một lĩnh vực nổi bật thu hút sự quan tâm của thế giới. Đây là một lĩnh vực đa ngành, những phát minh vật lý và những kỹ thuật tiên tiến nhất được ứng dụng vào việc tạo ra các phương pháp nghiên cứu và thiết bị phục vụ cho sức khỏe cũng như giúp hiểu biết sâu hơn về các tiến trình sinh học của con người. Những sản phẩm của ngành này rất phong phú, bao gồm máy CT- scanner, X-quang, điện tâm đồ, nội soi, bộ phận nhân tạo trong cơ thể người, vật liệu sinh học. và những sản phẩm đó được gọi là thiết bị điện tử y sinh.
Thiết bị điện tử y sinh thường được chế tạo bằng một hay nhiều vi điều khiển kết hợp với các linh kiện điện tử, cảm biến khác để tạo thành 1 thiết bị hoàn chỉnh. Việc khảo sát một trong số các thiết bị điện tử y sinh giúp hiểu thêm kiến thức và biết thêm được ứng dụng về y học rất hay và hữu ích của vi điều khiển. Cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật thì các thiết bị điện tử y sinh ngày càng hiện đại, phổ biến, có độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn và dùng để chuẩn đoán các bệnh về tim mạch, hô hấp, đường ruột. Với mục đích khảo sát về thiết bị điện tử y sinh, nhóm thực hiện đề tài dựa trên bộ kit thực hành y sinh của hãng bán dẫn Freescale là kit "Medical Application Kinetis K50".
Kit “Medical Application Kinetis K50” là một kit chuyên dùng cho các ứng dụng về y sinh. Kit có thể dùng để đo được nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đường huyết. Mục đích chính của nhà sản xuất là giứp sinh viên tiếp cận với điện tử y sinh, vì vậy kit thí nghiệm có giá hợp lý và sử dụng vi điều khiển trung tâm có nền tảng của ARM. Kit đã được một nhóm sinh viên gồm Phạm Minh Thuận và Nguyễn Viết Minh khóa 2011 do thầy Phạm Tỷ Phú hướng dẫn tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh thực hiện để đo nồng độ oxy trong máu nhưng chỉ tập trung vào việc dùng kit để đo được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim rồi hiển thị lên số liệu lên giao diện của nhà sản xuất cung cấp cho người sử dụng mà chưa đi khảo sát hết các phần cơ bản của kit.
Nhóm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 1 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN thực hiện đề tài mong muốn được tiếp cận với lĩnh vực điện tử y sinh và ban đầu khảo sát các phần cơ bản của kit …, thêm vào đó là ứng dụng module đo oxy trong máu và nhịp tim để giao tiếp máy tính. Với ý tưởng trên, nhóm thực hiện đề tài quyết định thực hiện đề tài: “KHẢO SÁT KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 VÀ ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU VÀ NHỊP TIM”. MỤC TIÊU Khảo sát kit Medical Application Kinetis K50 và sử dụng kit để thực thi một số ứng dụng trong đó bao gồm ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.
NỘI DUNG ĐỀ TÀI Đề tài gồm những nội dung chính sau đây: NỘI DUNG 1: Khảo sát tổng quan phần cứng của kit “Medical Application Kinetics K50”. NỘI DUNG 2: Khảo sát các chương trình ứng dụng y sinh mà kit có thể làm được như đo điện tim, huyết áp, đường huyết … NỘI DUNG 3: Lập trình cho kit dựa trên các chương trình mẫu. NỘI DUNG 4: Viết giao diện để giao tiếp và hiển thị và vẽ đồ thị số liệu của nhịp tim và nồng độ oxy trong máu qua cổng USB giữa kit với máy tính. NỘI DUNG 5: Thực hiện đo thí nghiệm với 5 người để kiểm tra sự thay đổi của nhịp tim.
NỘI DUNG 6: Nhận xét và đánh giá kết quả thực hiện. GIỚI HẠN Khảo sát phần cứng của kit Medical Application Kinetis K50 gồm 3 phần là: module điều khiển chính TWR-K53N512, module kết nối tháp TWR-ELEV (Primary Elevator và Secondary Elevator) và module giao tiếp TWR-SER. Khảo sát các chương trình ứng dụng y sinh của kit gồm: đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đường huyết, điện tim, chức năng hô hấp của phổi và huyết áp. Hệ thống để đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu gồm kit Medical Application Kinetis K50, module MED-SPO2 và cảm biến đo nồng độ oxy trong máu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 2 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Giao diện để hiển thị và vẽ đồ thị số liệu nhịp tim và nồng độ oxy trong máu từ kit lên máy tính được viết bằng phần mềm Matlab. Thực hiện đo thí nghiệm với 5 người chỉ ở 2 trạng thái là vận động và không vận động để kiểm tra sự thay đổi của nhịp tim. BỐ CỤC Đồ án được xây dựng bao gồm các chương sau: Chƣơng 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này giới thiệu về kit Medical Application Kinetis K50 để khảo sát và làm ứng dụng cho đề tài và một số lý thuyết về nồng độ oxy trong máu và nhịp tim. Chƣơng 3: Khảo sát.
Chương này khảo sát từng phần của kit Medical Application Kinetis K50 và những ứng dụng y sinh sử dụng kit Medical Application Kinetis K50 do nhà sản xuất cung cấp. Chƣơng 4: Ứng dụng. Chương này tập trung vào việc sử dụng cảm biến gia tốc MMA7660 trên module TWR_K53N512 để hiển thị vị trí đặt kit Medical Application Kinetis K50 lên trên giao diện máy tính và điều khiển led từ máy tính. Sử dụng module MED-SPO2 để đo và hiển thị các thông số nhịp tim, nồng độ oxy trong máu lên máy tính.
Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Chương này trình bày các kết quả thu được từ 2 ứng dụng của chương 4 và tiến hành nhận xét và đánh giá kết quả đó. Chƣơng 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này đưa ra các kết luận mà nhóm thực hiện đề tài đã nghiên cứu.
Đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 3 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2.1 GIỚI THIỆU KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 Kit Medical Application Kinetis K50 là một kit phát triển cho các dòng K53 của vi điều khiển Kinetis. Các vi điều khiển Kinetis được xây dựng từ công nghệ mới 90nm Thin Film Storage (TFS) của NXP với FlexMemory độc nhất.
Dòng vi điều khiển Kinetis kết hợp với các sáng kiến về điện áp thấp và hiệu suất cao mới nhất, khả năng trộn tín hiệu có độ chính xác cao với 1 phạm vi kết nối rộng, giao diện người-máy, an toàn và an ninh. Tất cả các dòng vi điều khiển Kinetis bao gồm một mảng mạnh về analog, truyền thông, timing và điều khiển thiết bị ngoại vi với mức độ các tính năng được tích hợp ngày càng tăng cùng với kích thước bộ nhớ flash và số lượng đầu vào / đầu ra [1]. Dòng vi điều khiển K50 có các chân, ngoại vi và phần mềm tương thích với các vi điều khiển Kinetis khác và cung cấp cho người thiết kế một công cụ đo lường analog gồm có các hoạt động đã được tích hợp, các bộ khuyếch đại và module ADC, DAC có độ phân giải cao. Ngoài ra còn có các tính năng là IEEE 1588 Ethernet, mã hóa phần cứng và full-speed USB 2.0 On-The-Go.
Dòng vi điều khiển K50 khởi đầu bằng 128 KB flash trong gói 64 QFN lên tới 512 KB flash trong gói 144 MAPBGA [1]. Kit Medical Application Kinetis K50 có thể kết hợp với các module y sinh của Freescale để tạo thành 1 hệ thống ứng dụng y sinh để đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đường huyết, điện tim, chức năng hô hấp của phổi và huyết áp. Các module y sinh bao gồm: Module MED-SPI: dùng để đo chức năng hô hấp của phổi. Module MED-SPO2: dùng để đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.
Module MED-EKG: dùng để đo điện tim và nhịp tim. Module MED-BPM: dùng để đo huyết áp và nhịp tim. Module MED-GLU: dùng để đo đường huyết. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 4 do an CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Kit Medical Application Kinetis K50 bao gồm 3 phần chính đó là: Module điều khiển TWR-K53N512: Module điều khiển TWR-K53N512 có thể hoạt động như một công cụ gỡ lỗi độc lập và có thể được mua riêng từ kit [3]. Tích hợp giao diện gở lỗi (debug) cho việc lập trình trở nên dễ dàng hơn và chạy điều khiển thông qua chuẩn USB [3]. Module điều khiển TWR-K53N512 Module giao tiếp TWR-SER. Module giao tiếp TWR-SER BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 5 do an CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Module kết nối tháp TWR-ELEV (Primary Elevator và Secondary Elevator): Có các bus chứa tín hiệu số thông thường và các bus mở rộng [3]. Primary Elevator và Secondary Elevator mỗi bên có 2x80 kết nối ở mặt sau để thuận tiện cho việc truy cập tín hiệu và để lắp ráp 1 số thiết bị tương thích với kit [3]. Cấp nguồn cho toàn bộ kit [3]. Module kết nối TWR-ELEV Secondary Hình 2.
Module kết nối TWR-ELEV Primary Sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh thì kit Medical Application Kinetis K50 có kích thước dài, rộng và cao đều là 3. Kit có thể được cấp nguồn thông qua máy tính bằng cáp USB thông thường hoặc từ 1 bộ sạc USB. Ngoài ra kit còn có thể được cấp nguồn thông qua board Primary Elevator của module kết nối tháp TWR-ELEV. Hình ảnh của kit Medical Application Kinetis K50 được thể hiện trong Hình 2.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 6 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Kit Medical Application Kinetis K50 2.2 ĐỊNH NGHĨA VỀ NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU Nồng độ oxy trong máu (SPO2) là tỷ lệ mức bão hoà oxy gắn vào hemoglobin (Hb) máu động mạch ngoại vi (saturation of peripherical oxygen), được dùng để theo dõi tình trạng oxy máu và phát hiện sớm thiếu oxy máu của bệnh nhân [7]. Theo tổ chức American Heart Association , nhịp tim được xác định là số lần đập của tim trong một phút.
Nhịp tim thay đổi giữa những người khác nhau. Các vị trí tốt nhất được dùng để xác định nhịp tim là: cổ tay, bên trong khuỷu tay, bên cổ, phía trên của bàn chân.3 NGUYÊN LÝ CỦA PULSE OXIMETRY Pulse Oximetry là phương pháp đo quang học không xâm lấn, phương pháp này đo được cả hai thông số về sinh lý (physiological) là nhịp tim và sinh hóa (biochemical) là SPO2.