Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering) là lĩnh vực liên ngành ứng dụng các tiến bộ kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin và vật lý vào chẩn đoán, theo dõi và điều trị y tế. Trong đó, các thiết bị điện tử y sinh cầm tay theo dõi tín hiệu sinh tồn đang đóng vai trò quan trọng nhờ tính cơ động, độ chính xác cao và khả năng giám sát không xâm lấn. Dòng vi điều khiển tích hợp ngoại vi tương tự (Mixed-signal Microcontroller) của Freescale Semiconductor (sau này là NXP), tiêu biểu là dòng Kinetis K50 dựa trên vi kiến trúc ARM Cortex-M4, được thiết kế chuyên biệt nhằm phục vụ các giải pháp y tế nhờ tích hợp bộ khuếch đại thuật toán, bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng và các bộ biến đổi ADC/DAC độ phân giải cao.

Trước đây, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, đề tài tốt nghiệp năm 2011 của sinh viên Phạm Minh Thuận và Nguyễn Viết Minh (dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Tỷ Phú) đã bước đầu tiếp cận kit Kinetis K50 để đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim. Tuy nhiên, nghiên cứu năm 2011 chỉ dừng lại ở việc vận hành các cấu hình có sẵn của nhà sản xuất và hiển thị dữ liệu trên giao diện mặc định, chưa tiến hành phân tích toàn diện kiến trúc phần cứng, cấu hình thanh ghi các module tương tự nội tại, cũng như chưa tự thiết kế phần mềm thu nhận dữ liệu độc lập.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Khảo sát kit Medical Application Kinetis K50 và ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim" được thực hiện bởi hai sinh viên Nguyễn Minh Quân và Lê Thế Nhật (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, chuyên ngành Điện tử Công nghiệp) vào tháng 07/2016.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 6 nội dung:

  1. Khảo sát tổng quan phần cứng kit Medical Application Kinetis K50.
  2. Khảo sát các chương trình ứng dụng y sinh mẫu do hãng cung cấp (đo điện tim, huyết áp, đường huyết, chức năng hô hấp của phổi, nồng độ oxy trong máu và nhịp tim).
  3. Lập trình cho kit phát triển trên nền tảng các thư viện và chương trình mẫu trong môi trường IAR Embedded Workbench.
  4. Xây dựng giao diện máy tính trên phần mềm MATLAB để giao tiếp, truyền nhận dữ liệu qua cổng USB, hiển thị giá trị số và vẽ đồ thị thời gian thực của nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.
  5. Thực hiện đo đạc thực nghiệm trên 5 đối tượng người ở hai trạng thái: không vận động (nghỉ ngơi) và vận động để theo dõi sự biến thiên của nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.
  6. Nhận xét, so sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kit thực hành y sinh Freescale Medical Application Kinetis K50, board điều khiển TWR-K53N512, module mở rộng y sinh MED-SPO2, cảm biến quang thể tích Pulse Oximetry và cảm biến gia tốc 3 trục MMA7660FC.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý đo quang học thể tích (Pulse Oximetry)

Đo nồng độ oxy trong máu bằng phương pháp quang học thể tích (Pulse Oximetry) là kỹ thuật không xâm lấn xác định đồng thời hai chỉ số sinh lý: nồng độ bão hòa oxy trong máu động mạch ngoại vi ($SpO_2$) và tần số nhịp tim ($HR$). Phương pháp dựa trên sự khác biệt về phổ hấp thụ quang học giữa hemoglobin khử ($Hb$) và oxyhemoglobin ($HbO_2$) ở hai bước sóng ánh sáng:

  • Ánh sáng đỏ (Red light): bước sóng 660 nm, nơi $Hb$ có hệ số hấp thụ ánh sáng cao hơn so với $HbO_2$.
  • Ánh sáng hồng ngoại (Infrared light): bước sóng 905 nm, 910 nm hoặc 940 nm, nơi $HbO_2$ có hệ số hấp thụ cao hơn so với $Hb$.

Tín hiệu quang thu được qua đầu thu photodiode phân tách thành hai thành phần:

  • Thành phần một chiều ($DC$): đại diện cho sự hấp thụ tĩnh của các mô sinh học như da, xương, cơ, chất béo và máu tĩnh mạch.
  • Thành phần xoay chiều ($AC$): biến thiên tuần hoàn theo chu kỳ co bóp của tim (tâm thu và tâm trương), phản ánh thể tích máu động mạch thay đổi theo từng nhịp đập.

Hệ số hấp thụ tương đối $R$ được xác định theo tỷ số: $$R = \frac{(AC / DC){\text{Red}}}{(AC / DC){\text{IR}}}$$

Tỷ số $R$ sau đó được ánh xạ sang giá trị phần trăm $SpO_2$ dựa trên bảng giá trị thực nghiệm (chẳng hạn $R = 0{,}4$ tương ứng với $SpO_2 = 100%$, $R = 1$ tương ứng với $SpO_2 = 85%$, và $R = 3{,}4$ tương ứng với $SpO_2 = 0%$).

Về kỹ thuật, Pulse Oximetry được phân loại thành hai dạng:

  • Phương pháp truyền xuyên qua (Transmittance): LED phát và photodiode thu đặt đối diện nhau qua các mô mỏng như đầu ngón tay hoặc dái tai.
  • Phương pháp phản xạ (Reflectance): LED và photodiode đặt trên cùng một mặt phẳng để thu ánh sáng tán xạ ngược từ các vùng mô dày hơn (trán, cẳng tay).

Phương pháp nghiên cứu kỹ thuật

Đề tài sử dụng phương pháp khảo sát tài liệu kỹ thuật kết hợp thực nghiệm phần cứng và phần mềm:

  • Phân tích kỹ thuật vi mạch: Giải mã sơ đồ nguyên lý, cấu hình ngoại vi phần cứng của vi điều khiển MK53N512, cảm biến gia tốc MMA7660FC và mạch điều hòa tín hiệu y sinh MED-SPO2.
  • Phương pháp lập trình nhúng và xử lý tín hiệu: Cấu hình hệ thống thanh ghi ngoại vi (PORT, ADC, DAC, OPAMP, TRIAMP, I2C, UART, USB) trên phần mềm nhúng IAR Embedded Workbench.
  • Phương pháp thiết kế phần mềm công cụ: Xây dựng ứng dụng giao tiếp nối tiếp trên nền tảng MATLAB GUI để xử lý gói tin, điều khiển thiết bị hai chiều và biểu diễn dữ liệu trực quan.
  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Lấy mẫu trực tiếp trên 5 đối tượng sinh viên 22 tuổi ở các điều kiện sinh lý nghỉ ngơi và sau vận động.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ sinh thái phần cứng của đề tài được cấu trúc theo hệ thống dạng tháp (Freescale Tower System), bao gồm các khối liên kết chặt chẽ:

[Module TWR-SER] <---> [Module TWR-ELEV] <---> [Module TWR-K53N512]
 (Giao tiếp USB,        (Primary/Secondary      (MCU K53N512, MMA7660FC,
  Ethernet, COM)         Kẹp bus & cấp nguồn)    OSJTAG, GPIO, ADC/DAC)
                                                        |
                                                        v (Cổng y tế 2x10)
                                                [Module MED-SPO2]
                                                        |
                                                [Đầu đo ngón tay]

Kiến trúc phần cứng vi điều khiển K53N512

Vi điều khiển trung tâm là MK53N512CLQ100 (lõi ARM Cortex-M4 32-bit) sở hữu các đặc tính kỹ thuật:

  • Tần số xung nhịp cực đại: 100 MHz. Điện áp vận hành: 1,71 V đến 3,6 V.
  • Bộ nhớ: 512 KB Flash chương trình, 128 KB SRAM dữ liệu.
  • Khối ngoại vi tương tự tích hợp (Analog Front-End): 2 bộ ADC 16-bit, 2 bộ DAC 12-bit, 3 bộ so sánh tín hiệu tương tự tốc độ cao (ACMP), 2 bộ khuếch đại thuật toán (OPAMP) có thể lập trình độ lợi không cần linh kiện ngoài, 2 bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng (TRIAMP) có dòng phân cực đầu vào cực thấp.
  • Mạch gỡ lỗi tích hợp OSJTAG: sử dụng vi điều khiển phụ MC9S08JM60CLD (8-bit HCS08, tốc độ xử lý 48 MHz, 60 KB Flash) kết nối cổng USB để nạp chương trình và gỡ lỗi mà không cần bộ nạp ngoài.
Khối phần cứng Mã hiệu / Thành phần Chức năng chính
Board xử lý chính TWR-K53N512 Chứa MCU MK53N512, cảm biến MMA7660FC, mạch gỡ lỗi OSJTAG, 2 LED, 2 phím nhấn, cảm biến chạm TSI
Board kết nối tháp TWR-ELEV (Primary & Secondary) Cung cấp bus tín hiệu số/tương tự 2x80 chân và phân phối nguồn 5V, 3.3V toàn kit
Board giao tiếp TWR-SER Hỗ trợ cổng giao tiếp nối tiếp RS232, RS485, USB và Ethernet RMII/MII
Module đo y sinh MED-SPO2 Tiền xử lý, lọc tín hiệu tương tự quang phổ nồng độ oxy và xung nhịp tim
Cảm biến gia tốc MMA7660FC Cảm biến 3 trục I2C, độ phân giải 6-bit, định vị 6 tư thế không gian
Bộ nạp trên board MC9S08JM60CLD Vi điều khiển chuyển đổi giao thức OSJTAG/USB sang JTAG cho lõi ARM

Mạch điều hòa tín hiệu tương tự trên module MED-SPO2

Module MED-SPO2 kết nối với board chính qua đầu cắm y tế 2x10 chân (Medical Connector), mang đầy đủ các đường tín hiệu của ADC, DAC, OPAMP và TRIAMP. Mạch đo gồm 4 tầng xử lý tín hiệu:

  1. Mạch phát xung điều khiển LED: Luân phiên cấp dòng phát cho LED đỏ (660 nm) và LED hồng ngoại (905/940 nm).
  2. Bộ chuyển đổi dòng sang áp (I-to-V Converter): Sử dụng khuếch đại thuật toán chuyển dòng quang điện từ photodiode thành điện áp.
  3. Tầng lọc và khuếch đại tín hiệu:
    • Bộ lọc thông thấp tần số cắt 6 Hz: Triệt tiêu các nhiễu tần số cao vượt ngoài dải tần sinh lý của xung mạch đập.
    • Bộ lọc chắn dải (Notch filter) 60 Hz: Triệt tiêu nhiễu tần số lưới điện xoay chiều công nghiệp.
    • Bộ lọc thông cao: Loại bỏ thành phần điện áp trôi đường nền một chiều ($DC$).
    • Bộ lọc thông thấp tích cực: Tiếp tục làm mịn dạng sóng quang thể tích (PPG).
  4. Mạch tạo điện áp tham chiếu: Định mức điện áp phân cực cho các bộ khuếch đại và các kênh chuyển đổi ADC.

Giao diện phần mềm MATLAB thu thập dữ liệu

Phần mềm trên máy tính được lập trình bằng công cụ GUI của MATLAB, thực hiện kết nối với cổng COM ảo tạo ra từ module điều khiển. Giao diện có chức năng:

  • Lựa chọn cổng truyền thông COM, tốc độ truyền baud, mở và ngắt kết nối.
  • Gửi lệnh điều khiển yêu cầu board K53 bắt đầu gửi gói tin hoặc tạm dừng phát dữ liệu.
  • Tách luồng dữ liệu nhị phân nhận được thành hai giá trị độc lập: nhịp tim (nhịp/phút - BPM) và nồng độ bão hòa oxy ($SpO_2$ tính theo %).
  • Vẽ đồ thị xung quang thể tích và diễn biến các chỉ số sinh học theo thời gian thực.
  • Tích hợp giao diện hiển thị không gian 3 chiều trạng thái định hướng của kit dựa trên dữ liệu thanh ghi cảm biến gia tốc MMA7660FC, đồng thời có nút bấm điều khiển bật/tắt 2 đèn LED trên board TWR-K53N512.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tầm quan trọng của ngành Kỹ thuật Y sinh và vai trò của các thiết bị điện tử y sinh ứng dụng vi điều khiển chuyên dụng. Tác giả nêu bật bối cảnh ra đời của bộ kit Medical Application Kinetis K50 của hãng Freescale và phân tích đề tài nghiên cứu trước đó của sinh viên khóa 2011. Từ việc chỉ ra khoảng trống nghiên cứu của nhóm đi trước (chưa khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng của kit và chỉ sử dụng giao diện phần mềm sẵn có của nhà sản xuất), chương 1 xác lập 6 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, các phạm vi giới hạn về phần cứng, phần mềm và phương pháp kiểm thử của đề tài.

CHƯƠNG 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan cấu trúc của bộ kit thí nghiệm Kinetis K50 bao gồm 3 khối chính: TWR-K53N512, TWR-ELEV, TWR-SER và 5 module đo y sinh tương thích (MED-SPI, MED-SPO2, MED-GLU, MED-BPM, MED-EKG). Chương đi sâu vào các định nghĩa y học chuẩn mực theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ (AHA):

  • Nồng độ $SpO_2$ bình thường của người dao động từ 95% đến 100%; dưới 95% là tình trạng thiếu oxy, và dưới 90% thuộc diện cấp cứu y tế.
  • Nhịp tim lúc nghỉ ngơi của người bình thường nằm trong khoảng 60 đến 100 nhịp/phút.

Đồng thời, chương phân tích tường tận nguyên lý đo Pulse Oximetry truyền xuyên qua và phản xạ, công thức xác định hệ số hấp thụ $R$, sự tương quan giữa thể tích máu trong động mạch ở thì tâm thu/tâm trương với đường cong hấp thụ ánh sáng qua mô sống.

CHƯƠNG 3. Khảo sát

Chương 3 là chương có dung lượng kỹ thuật lớn nhất, khảo sát toàn diện từng thành phần phần cứng và vi điều khiển:

  • Module TWR-K53N512: Sơ đồ khối, hệ thống phân phối nguồn 5V/3.3V, xung nhịp dao động chính 50 MHz từ bộ tạo xung ngoài hoặc thạch anh 32,768 kHz cho RTC, mạch gỡ lỗi OSJTAG sử dụng IC MC9S08JM60CLD (44 chân), cổng truyền thông hồng ngoại IRDA kết hợp bộ lọc thông thấp $0{,}1,\mu\text{F}$.
  • Cảm biến gia tốc MMA7660FC: Giao tiếp I2C qua bus I2C1 port C, chức năng 10 chân IC, các thanh ghi dữ liệu trục XOUT, YOUT, ZOUT và thanh ghi trạng thái nghiêng TILT với các bit kiểm tra hướng (BaFro, PoLa, Tap, Shake).
  • Các cổng kết nối chuyên dụng: Cổng TWRPI đa dụng (20 chân), cổng Touch TWRPI kết nối màn hình SLCD 28 đoạn hoặc các phím điện dung cảm ứng (TSI), cổng kết nối y tế chuẩn 2x10 chân kết nối trực tiếp với các kênh DAC0, ADC0, ADC1, OPAMP0, OPAMP1, TRIAMP0, TRIAMP1.
  • Bảng cấu hình chi tiết hệ thống Jumper trên board (từ J1 đến J34) xác lập chế độ hoạt động cho nguồn, xung nhịp, giao tiếp FlexBus, bộ đọc thẻ nhớ SD/MMC và các chân ngắt.
  • Khảo sát thanh ghi vi điều khiển K53: Các thanh ghi điều khiển cấu hình chân và lọc số của PORT (PORTx_PCRn, PORTx_GPCLR, PORTx_GPCHR, PORTx_ISFR, PORTx_DFCR, PORTx_DFWR), các thanh ghi dữ liệu GPIO (GPIOx_PDOR, PORTx_PSOR, PORTx_PCOR, PORTx_PTOR, PORTx_PDIR, PORTx_PDDR), cùng cấu trúc các thanh ghi điều khiển ngoại vi ADC 16-bit, DAC 12-bit, OPAMP và TRIAMP.
  • Khảo sát các chương trình ứng dụng y tế mẫu do Freescale cung cấp: Khảo sát quy trình thiết lập, kết nối và giao diện vận hành của module đo chức năng hô hấp MED-SPI, nồng độ oxy MED-SPO2, đường huyết MED-GLU, huyết áp MED-BPM và điện tâm đồ MED-EKG.

CHƯƠNG 4. Ứng dụng

Chương 4 mô tả quy trình thiết kế phần mềm và xây dựng hai ứng dụng cụ thể:

  1. Ứng dụng cảm biến gia tốc MMA7660FC: Lưu đồ giải thuật đọc dữ liệu I2C từ các thanh ghi của cảm biến, nhận dạng 6 hướng không gian của kit, truyền gói tin lên MATLAB để thay đổi góc xoay của mô hình đồ họa 3D tương ứng, kết hợp logic nhận lệnh từ giao diện để bật/tắt 2 đèn LED người dùng trên board.
  2. Ứng dụng đo nồng độ oxy và nhịp tim: Thiết kế chi tiết sơ đồ khối và mạch điện nguyên lý module MED-SPO2 (mạch phát xung LED, mạch khuếch đại dòng quang điện, bộ lọc thông thấp 6 Hz, bộ lọc Notch 60 Hz, bộ lọc thông cao và mạch đệm điện áp tham chiếu). Xây dựng quy trình xử lý giải thuật lấy mẫu tín hiệu tương tự từ ngón tay đưa vào ADC của K53, tính toán tỷ lệ tín hiệu $AC/DC$, nội suy bảng giá trị $SpO_2$, xác định khoảng thời gian giữa hai đỉnh sóng PPG để tính nhịp tim và đóng gói dữ liệu truyền qua cổng USB ảo lên giao diện MATLAB.

CHƯƠNG 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm thu nhận được từ hai ứng dụng:

  • Kết quả nhận dạng cảm biến gia tốc: Hoàn thành thử nghiệm thay đổi vị trí kit qua 6 trạng thái không gian (từ vị trí 1 đến vị trí 6), giao diện máy tính cập nhật tức thời hình ảnh mô phỏng trạng thái nghiêng và thực hiện điều khiển trạng thái 2 LED qua lại chính xác giữa nút bấm cứng và nút bấm ảo trên MATLAB GUI.
  • Kết quả đo $SpO_2$ và nhịp tim: Tổng hợp bảng số liệu và đồ thị dạng sóng PPG đo trên 5 đối tượng sinh viên 22 tuổi (Trần Hữu Trực, Nguyễn Đăng Khoa, Đào Ngọc Ánh, Lê Thế Nhật, Nguyễn Minh Quân) tại hai trạng thái không vận động và sau vận động. Kết quả chỉ ra sự thay đổi rõ nét của nhịp tim (tăng mạnh khi vận động) trong khi chỉ số $SpO_2$ của người khỏe mạnh vẫn được duy trì ổn định trong ngưỡng sinh lý bình thường (97% - 99%).

CHƯƠNG 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt nắm bắt phần cứng kit K50, làm chủ các ngoại vi analog tích hợp, làm chủ giao tiếp nối tiếp và xây dựng thành công công cụ đo y sinh kết hợp phần mềm MATLAB. Đồng thời, tác giả đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cấp và hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Đồ án đã khảo sát thành công cấu trúc phần cứng của hệ thống Kinetis K50 và vận hành ổn định hệ thống đo $SpO_2$, nhịp tim cùng cảm biến gia tốc MMA7660FC. Các dữ liệu đo đạc thực tế trên 5 đối tượng thanh niên (22 tuổi) được ghi nhận đầy đủ ở hai trạng thái:

Đối tượng thử nghiệm Tuổi Trạng thái sinh lý Nồng độ $SpO_2$ (%) Nhịp tim (BPM)
Trần Hữu Trực 22 Không vận động (nghỉ ngơi)
Có vận động		 98 - 99
97 - 99		 72 - 76
108 - 116
Nguyễn Đăng Khoa 22 Không vận động (nghỉ ngơi)
Có vận động		 98 - 99
98 - 99		 70 - 75
112 - 120
Đào Ngọc Ánh 22 Không vận động (nghỉ ngơi)
Có vận động		 97 - 99
97 - 98		 75 - 80
115 - 124
Lê Thế Nhật 22 Không vận động (nghỉ ngơi)
Có vận động		 98 - 99
97 - 99		 68 - 74
105 - 114
Nguyễn Minh Quân 22 Không vận động (nghỉ ngơi)
Có vận động		 98 - 99
98 - 99		 72 - 78
110 - 118

Về ứng dụng gia tốc, hệ thống nhận diện chính xác $6/6$ vị trí không gian của kit dựa trên việc đọc dữ liệu thanh ghi TILT và các trục XOUT, YOUT, ZOUT của IC MMA7660FC, truyền tải lên giao diện đồ họa 3D với độ trễ thấp.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tối ưu hóa bộ lọc tín hiệu tương tự: Tác giả kiến nghị việc kết hợp giữa bộ lọc chủ động phần cứng trên module MED-SPO2 (lọc dải 60 Hz và lọc thông thấp 6 Hz) với các thuật toán lọc số (Digital Filtering) cài đặt trong MCU K53 nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trôi đường nền do cử động tay của người được đo.
  • Cải tiến phần mềm máy tính: Đề xuất bổ sung tính năng tự động ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu định dạng file Excel hoặc văn bản để lưu trữ lịch sử theo dõi sức khỏe của bệnh nhân theo thời gian dài.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

So với công trình năm 2011 của nhóm sinh viên Phạm Minh Thuận và Nguyễn Viết Minh:

  • Đề tài hiện tại đã thực hiện một cuộc khảo sát hệ thống, phân tích tường tận sơ đồ nguyên lý phần cứng, cấu hình chi tiết hệ thống thanh ghi của các khối ngoại vi tương tự (ADC, DAC, OPAMP, TRIAMP) và hệ thống chuyển mạch jumper trên board TWR-K53N512.
  • Nhóm tác giả đã tự thiết kế một giao diện phần mềm hoàn chỉnh trên MATLAB, không phụ thuộc vào bộ phần mềm đóng gói của Freescale, cho phép hiển thị trực tiếp đồ thị dạng sóng thể tích, đọc dữ liệu hai chiều và tích hợp ứng dụng cảm biến vị trí MMA7660FC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Kích thước thiết bị còn cồng kềnh: Hệ thống còn cắm ghép nhiều tầng module (TWR-K53N512, TWR-ELEV, TWR-SER và MED-SPO2) theo chuẩn Tower System, chưa được thu nhỏ thành một thiết bị đo cầm tay thương mại hoàn chỉnh.
  • Phương thức kết nối có dây: Dữ liệu truyền về máy tính phụ thuộc vào cáp kết nối USB, làm hạn chế không gian vận động của đối tượng kiểm tra.
  • Mẫu kiểm thử hạn hẹp: Thực nghiệm mới chỉ tiến hành trên nhóm mẫu nhỏ gồm 5 người trẻ tuổi có cùng độ tuổi (22 tuổi) và cùng tình trạng sức khỏe tốt, chưa tiến hành thử nghiệm trên các bệnh nhân có bệnh lý tim mạch hoặc người cao tuổi.

Hướng phát triển của đề tài

  1. Tích hợp giao tiếp không dây: Bổ sung module truyền thông Bluetooth hoặc Wi-Fi để truyền dữ liệu sinh tồn từ kit đo về máy tính hoặc thiết bị di động (smartphone/tablet), giúp bệnh nhân có thể vận động linh hoạt trong quá trình đo.
  2. Tích hợp màn hình hiển thị tại chỗ: Lập trình giao tiếp trực tiếp với màn hình LCD (hoặc module Segment LCD sẵn có trên kit) để hiển thị tức thời kết quả nhịp tim và $SpO_2$ mà không cần kết nối với máy tính.
  3. Tối ưu thiết kế phần cứng: Thiết kế lại toàn bộ bo mạch gom gọn vi điều khiển Kinetis K50 cùng mạch tương tự MED-SPO2 lên một bảng mạch in (PCB) duy nhất, sử dụng nguồn pin sạc nhỏ gọn.
  4. Mở rộng thêm các module y sinh khác: Kết hợp khảo sát và tích hợp đồng thời các module đo điện tim (MED-EKG) và đo huyết áp (MED-BPM) trên cùng một giao diện quản lý bệnh nhân thống nhất.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị học thuật và kỹ thuật thực tiễn cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác và mạch điện thực tế của phương pháp Pulse Oximetry, các bước lọc tín hiệu nhiễu sinh học và phương pháp chuyển đổi tín hiệu quang điện.
  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng: Phần khảo sát cấu trúc thanh ghi ngoại vi tương tự (OPAMP, TRIAMP, ADC, DAC) của dòng vi điều khiển ARM Cortex-M4 (Freescale Kinetis K50/K53) là tài liệu tham khảo chi tiết bằng tiếng Việt về lập trình vi điều khiển trộn tín hiệu (Mixed-signal MCU).
  • Người phát triển hệ thống giám sát trên máy tính: Phương pháp tổ chức gói tin truyền nhận qua cổng nối tiếp ảo (USB CDC/UART) và xây dựng giao diện hiển thị đồ thị thời gian thực trên MATLAB GUI trong đồ án là mô hình mẫu có thể tái sử dụng cho các dự án đo lường khác.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong kit phát triển là dòng nào và có những đặc tính ngoại vi tương tự gì nổi bật?
Bộ vi điều khiển trung tâm là MK53N512CLQ100 thuộc dòng Kinetis K53 của hãng Freescale, phát triển trên nền tảng lõi ARM Cortex-M4 32-bit (tần số 100 MHz, 512 KB Flash, 128 KB SRAM). Điểm nổi bật phục vụ y tế của chip này là tích hợp sẵn khối tương tự gồm 2 bộ ADC 16-bit, 2 bộ DAC 12-bit, 3 bộ so sánh tín hiệu tương tự, 2 bộ khuếch đại thuật toán (OPAMP) có thể lập trình độ lợi nội và 2 bộ khuếch đại chuyển đổi trở kháng (TRIAMP) với dòng phân cực cực thấp.

2. Mạch lọc trên module đo nồng độ oxy MED-SPO2 gồm những khâu lọc tín hiệu cụ thể nào?
Module MED-SPO2 sử dụng 4 tầng lọc và tiền xử lý tín hiệu tương tự: mạch chuyển đổi dòng sang áp (I-to-V Converter) từ dòng quang điện của photodiode, bộ lọc thông thấp với tần số cắt 6 Hz để lọc nhiễu tần số cao, bộ lọc chắn dải (Notch filter) 60 Hz để triệt tiêu nhiễu từ lưới điện xoay chiều, bộ lọc thông cao nhằm chặn thành phần điện áp trôi đường nền một chiều ($DC$), và mạch tạo mức điện áp tham chiếu.

3. Mạch gỡ lỗi nạp chương trình trên board TWR-K53N512 hoạt động như thế nào?
Kit tích hợp mạch gỡ lỗi OSJTAG (Open Source JTAG) trực tiếp trên board dựa trên vi điều khiển 8-bit Freescale MC9S08JM60CLD (lõi HCS08, tốc độ 48 MHz, 60 KB Flash). Vi điều khiển phụ này giao tiếp với máy tính qua cổng USB và kết nối với các chân nạp JTAG/SWD của chip chính MK53N512, cho phép lập trình và gỡ lỗi trực tiếp qua môi trường IAR Embedded Workbench mà không cần mạch nạp ngoài.

4. Cảm biến gia tốc MMA7660FC trên board được dùng vào mục đích gì và kết nối theo chuẩn giao tiếp nào?
IC MMA7660FC là cảm biến gia tốc kỹ thuật số 3 trục kết nối với vi điều khiển K53 qua chuẩn giao tiếp I2C (trên kênh I2C1, Port C). Cảm biến có độ phân giải 6-bit, được lập trình để xác định 6 trạng thái hướng không gian của kit thí nghiệm và truyền dữ liệu lên giao diện MATLAB để xoay mô hình đồ họa 3D tương ứng theo chuyển động thực tế của kit.

5. Kết quả đo nhịp tim và SpO2 trên 5 đối tượng thực nghiệm cho thấy quy luật biến đổi sinh lý nào?
Kết quả thực nghiệm trên 5 đối tượng 22 tuổi cho thấy: ở trạng thái nghỉ ngơi, nhịp tim nằm trong khoảng 68 - 80 BPM và chỉ số $SpO_2$ đạt 97% - 99%; sau khi vận động, nhịp tim của cả 5 đối tượng đều tăng rõ rệt lên dải 105 - 124 BPM để đáp ứng nhu cầu tuần hoàn oxy, trong khi chỉ số $SpO_2$ vẫn được duy trì ổn định ở mức an toàn sinh lý bình thường (97% - 99%).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Minh Quân và Lê Thế Nhật đã hoàn thành việc khảo sát chuyên sâu kiến trúc phần cứng kit y sinh Freescale Medical Application Kinetis K50 cùng vi điều khiển MK53N512. Nhóm tác giả đã làm chủ quy trình điều hòa tín hiệu quang thể tích trên module MED-SPO2, xây dựng thành công phần mềm giao tiếp và hiển thị đồ thị thời gian thực trên môi trường MATLAB GUI. Toàn bộ hệ thống đo nồng độ oxy trong máu, nhịp tim và cảm biến gia tốc đã được thử nghiệm thực tế trên người với số liệu trung thực, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các thiết bị theo dõi y tế cầm tay nhỏ gọn trong tương lai.