Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Thiết Bị Giám Sát Nhịp Tim

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực

• Tác giả: Bùi Minh Phú
• Người hướng dẫn: TS. Võ Tường Quân
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Đề tài dạng thực nghiệm
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu đề tài và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Nội dung nghiên cứu cụ thể
• 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: NHỊP TIM
• 2.1. Đồ thị nhịp tim
• 2.1.1. Thiết bị đo ECG
• 2.1.2. Thiết bị đo SpO2
• 2.1.3. Thiết bị đo EtCO2
• 2.1.4. Thiết bị đo huyết áp
• 2.2. Nhịp tim bình thường
• 2.2.1. Nhịp tim bình thường theo độ tuổi
• 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim
• 2.3. Nhịp tim bất thường
• 3. CHƯƠNG III: CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHỊP TIM
• 3.1. Cảm biến đo nhịp tim
• 3.1.1. Các phương pháp đo nhịp tim
• 3.1.1.1. Ống nghe nhịp tim
• 3.1.1.2. Cảm biến đo điện tim (ECG)
• 3.1.1.3. Cảm biến phương pháp SpO2
• 3.2. So sánh và lựa chọn cảm biến nhịp tim
• 3.2.1. Theo yêu cầu của thiết bị
• 3.2.2. Theo nhiễu cảm biến
• 3.2.3. Kết luận lựa chọn cảm biến đo nhịp tim
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 4.1. Thiết bị giám sát nhịp tim
• 4.1.1. Sơ đồ khối thiết bị giám sát nhịp tim
• 4.2. Thiết kế module A
• 4.2.1. Sơ đồ khối của module A
• 4.2.2. Sơ đồ kết nối cảm biến truyền nhận tín hiệu
• 4.2.3. Sơ đồ mạch lọc nhiễu và khuếch đại
• 4.2.4. Nguồn pin cho module A
• 4.2.4.1. Nguồn pin Lipo
• 4.2.4.2. Bài toán năng lượng cho module A di động
• 4.3. Thiết kế module B
• 4.3.1. Sơ đồ khối của module B
• 4.3.2. Sơ đồ mạch xử lý trung tâm
• 4.3.3. Giao tiếp SIM 908, máy tính
• 4.3.3.1. Sơ đồ mạch module nRF24L01
• 4.3.3.2. Sơ đồ mạch module SIM 908
• 4.3.3.3. Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính
• 4.3.3.4. Sơ đồ mạch chuông đèn báo
• 4.3.4. Nguồn cho module B
• 5. CHƯƠNG V: XỬ LÝ TÍN HIỆU
• 5.1. Tín hiệu tại module A
• 5.1.1. Sơ đồ giải thuật module A
• 5.1.2. Thực nghiệm kiểm tra module A
• 5.2. Tín hiệu tại module B
• 5.2.1. Sơ đồ giải thuật cho module B
• 5.2.2. Thực nghiệm kiểm tra module B
• 6. CHƯƠNG VI: THỰC NGHIỆM
• 6.1. Thi công và kiểm tra mạch
• 6.1.1. Thi công mạch Module A
• 6.1.1.1. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến
• 6.1.1.2. Mạch module nRF24L01
• 6.1.1.3. Hình ảnh module A
• 6.1.2. Thi công mạch Module B
• 6.1.2.1. Mạch trung tâm module B
• 6.1.2.2. Mạch giao tiếp máy tính
• 6.1.2.3. Module B được lắp vào vỏ hộp
• 6.2. Sản phẩm gồm 2 module A và module B
• 6.2.1. Lấy số liệu đo
• 6.2.2. Đánh giá kết quả đo
• 6.2.3. Đồ thị nhịp tim
• 7. CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• PHỤ LỤC BÀI BÁO KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ với chủ đề 'Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim' thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử được thực hiện bởi Bùi Minh Phú tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế một thiết bị y tế có khả năng giám sát nhịp tim liên tục, đặc biệt dành cho bệnh nhân và người cao tuổi. Thiết bị này không chỉ đo nhịp tim mà còn có khả năng phát hiện tình trạng nguy hiểm và gửi cảnh báo qua SMS đến bác sĩ hoặc người chăm sóc.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế một thiết bị giám sát nhịp tim có tính di động cao, gọn nhẹ, và dễ sử dụng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc xử lý nhiễu tín hiệu nhịp tim, thiết kế phần cứng, và tích hợp công nghệ IoT để truyền dữ liệu từ xa. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc tối ưu hóa nguồn năng lượng để thiết bị có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.

II. Tổng quan về thiết bị giám sát nhịp tim

Thiết bị giám sát nhịp tim được thiết kế dựa trên các công nghệ hiện đại như cảm biến đo nhịp tim, hệ thống giám sát sức khỏe từ xa, và công nghệ IoT. Thiết bị bao gồm hai module chính: Module A (thiết bị đeo) và Module B (thiết bị trung tâm). Module A sử dụng cảm biến để đo nhịp tim và truyền dữ liệu không dây đến Module B, nơi xử lý tín hiệu và đưa ra cảnh báo khi cần thiết.

2.1. Các loại cảm biến đo nhịp tim

Luận văn phân tích các loại cảm biến đo nhịp tim phổ biến như cảm biến ECG, cảm biến SpO2, và cảm biến hồng ngoại. Mỗi loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng, và nghiên cứu đã lựa chọn cảm biến TCRT1000 do tính ổn định và độ chính xác cao. Cảm biến này được tích hợp vào Module A để thu thập dữ liệu nhịp tim.

2.2. Thiết kế phần cứng

Phần cứng của thiết bị được thiết kế với các module riêng biệt để đảm bảo tính linh hoạt và dễ dàng bảo trì. Module A bao gồm cảm biến, mạch lọc nhiễu, và mạch khuếch đại tín hiệu. Module B bao gồm vi điều khiển trung tâm, module SIM908 để gửi SMS, và giao tiếp với máy tính để hiển thị dữ liệu. Nguồn năng lượng cho Module A sử dụng pin Lipo để đảm bảo thời gian hoạt động dài.

III. Xử lý tín hiệu và thực nghiệm

Luận văn trình bày chi tiết quá trình xử lý tín hiệu nhịp tim từ cảm biến. Tín hiệu thu được từ Module A được lọc nhiễu và khuếch đại trước khi truyền đến Module B. Tại Module B, tín hiệu được xử lý để đếm số nhịp tim/phút và đưa ra cảnh báo nếu phát hiện tình trạng bất thường. Thực nghiệm được tiến hành trên các tình nguyện viên để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của thiết bị.

3.1. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị có độ chính xác cao trong việc đo nhịp tim và phát hiện các tình trạng bất thường. Đồ thị nhịp tim hiển thị trên máy tính cho thấy rõ ràng các biến động nhịp tim, và hệ thống cảnh báo hoạt động hiệu quả khi nhịp tim vượt ngưỡng an toàn.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn kết luận rằng thiết bị giám sát nhịp tim được thiết kế có khả năng ứng dụng cao trong thực tế, đặc biệt là trong việc chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân và người cao tuổi. Thiết bị không chỉ giúp theo dõi nhịp tim liên tục mà còn giảm thiểu rủi ro do không được giám sát kịp thời. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển tiếp theo như tích hợp thêm các cảm biến đo huyết áp và nhiệt độ để tăng tính đa năng của thiết bị.

4.1. Giá trị thực tiễn

Thiết bị có giá trị thực tiễn cao trong việc hỗ trợ chăm sóc sức khỏe tại nhà và trong các cơ sở y tế. Với khả năng giám sát từ xa, thiết bị giúp giảm tải cho các y bác sĩ và người chăm sóc, đồng thời đảm bảo an toàn cho bệnh nhân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, các bệnh lý về tim mạch chiếm khoảng 31% tổng số ca tử vong trên toàn cầu, trở thành nguyên nhân gây tử vong hàng đầu ở cả các nước phát triển lẫn đang phát triển. Tại Việt Nam, xu hướng già hóa dân số đang diễn ra nhanh chóng với hơn 10 triệu người cao tuổi, trong khi số lượng đội ngũ y bác sĩ và nhân viên điều dưỡng chưa thể đáp ứng kịp thời nhu cầu theo dõi liên tục. Thực tế lâm sàng cho thấy nhiều trường hợp biến chứng tim mạch nguy hiểm có thể được cứu chữa kịp thời nếu các bất thường như nhịp tim tăng nhanh trên 100 nhịp/phút hoặc tụt giảm dưới 60 nhịp/phút được phát hiện ngay lập tức. Các thiết bị đo điện tim truyền thống tại bệnh viện thường có kích thước cồng kềnh, chi phí cao và đòi hỏi bệnh nhân phải cố định tại chỗ, gây bất tiện lớn cho sinh hoạt thường nhật.

Nhằm giải quyết bài toán cấp thiết này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim không dây di động dành cho bệnh nhân và người cao tuổi. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là chế tạo một hệ thống nhúng gọn nhẹ gồm hai khối xử lý tách biệt, có khả năng theo dõi liên tục các chỉ số nhịp tim khi người bệnh sinh hoạt tại nhà. Hệ thống tích hợp tính năng tự động nhận dạng trạng thái nguy hiểm để gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến bác sĩ và kích hoạt chuông đèn báo động tại chỗ. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện từ tháng 01/2014 đến tháng 06/2014, đạt mục tiêu duy trì thời gian hoạt động của khối di động từ 4 đến 8 giờ liên tục và truyền tín hiệu vô tuyến ổn định ở khoảng cách 25m xuyên vật cản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp quang thể tích biến thiên (Photoplethysmography - PPG) dựa trên định luật quang học Beer-Lambert. Nguyên lý này khai thác sự thay đổi mức độ hấp thụ và phản xạ ánh sáng của huyết sắc tố (Hemoglobin) trong máu giàu oxy khi tim co bóp tống máu qua hệ thống mao mạch ở đầu ngón tay. So với phương pháp điện tâm đồ (ECG) ghi nhận điện thế khử cực tế bào cơ tim ở mức khoảng -90mV cần tối thiểu 3 điện cực dán phức tạp, phương pháp quang phản xạ sử dụng cảm biến tích hợp gọn nhẹ hơn, hạn chế tối đa sự bất tiện cho người đeo.

Khung lý thuyết xử lý tín hiệu analog y sinh được xây dựng nhằm tách sóng xung thể tích (sóng Pleth) từ dòng tín hiệu thô. Tín hiệu sinh học thu được từ cảm biến có biên độ cực nhỏ chỉ khoảng 2mV đến 5mV và bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn tạp âm. Hệ thống sử dụng mô hình mạch lọc thông cao với tần số cắt 0,72Hz để triệt tiêu thành phần điện áp một chiều (DC drift), kết hợp mạch lọc thông thấp với tần số cắt 2,34Hz để loại bỏ nhiễu sóng hài 50Hz từ mạng điện lưới dân dụng. Về mặt truyền thông, đề tài áp dụng mô hình mạng cảm biến thân thể (Body Area Networks - BANs) kết hợp công nghệ truyền sóng vô tuyến tần số 2,4GHz và mạng viễn thông toàn cầu GSM/GPRS.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích định lượng trên cỡ mẫu 20 tình nguyện viên ngẫu nhiên với độ tuổi từ 18 đến 72 tuổi. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu phi xác suất kết hợp phân tầng theo các nhóm tuổi: thanh niên (18-30 tuổi), trung niên (31-50 tuổi) và người cao tuổi (trên 50 tuổi). Cách tiếp cận này giúp đánh giá toàn diện mức độ ảnh hưởng của cơ địa, độ dày biểu bì và độ chai của da tay đối với khả năng phản xạ tia hồng ngoại của cảm biến.

Phương pháp phân tích dạng sóng trong miền thời gian được lựa chọn vì tính đơn giản, cho phép vi điều khiển PIC16F887 với tần số thạch anh 20MHz thực hiện thuật toán đếm xung đỉnh tức thời mà không gây trễ tính toán. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) 8-bit trên chip xử lý liên tục các mức điện áp để tính toán chỉ số nhịp tim trên phút (bpm). Quá trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ theo 3 giai đoạn trong 5 tháng: thiết kế mô phỏng mạch nguyên lý trên máy tính, gia công phần cứng mạch in (PCB), và đo kiểm tín hiệu thực tế bằng máy hiện sóng oscilloscope chuyên dụng Gwinstek GDS-1102A-U trước khi thử nghiệm lâm sàng trên người.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống mạch tiền khuếch đại và lọc tích cực 2 tầng đã nâng tổng hệ số khuếch đại tín hiệu lên 10.201 lần, biến đổi tín hiệu nhịp tim từ mức vài milivolt thành dạng sóng điện áp 2,5V đến 4,5V tương thích chuẩn số TTL. Tần số cắt được tối ưu chính xác tại mức 0,72Hz và 2,34Hz giúp loại bỏ hơn 98% nhiễu trôi đường nền và nhiễu sóng điện từ 50Hz xung quanh môi trường sinh hoạt.

Thứ hai, thử nghiệm truyền thông không dây bằng module nRF24L01 ở tần số 2,4GHz chứng minh khả năng truyền dữ liệu nhịp tim xuyên qua 2 tầng tường gạch với cự ly thực tế đạt 25m. Độ trễ truyền gói tin đo được luôn duy trì ở mức dưới 15ms và tỷ lệ suy hao gói tin ghi nhận thực tế chỉ khoảng 0,8%, đảm bảo dữ liệu truyền từ người bệnh đến trạm thu trung tâm không bị gián đoạn.

Thứ ba, thiết bị đạt độ chính xác đếm nhịp tim tổng thể trên 96,5% khi đối chiếu trực tiếp với máy đo nhịp tim chuyên dụng trong y tế. Trong 100% các tình huống thử nghiệm giả lập trạng thái nhịp tim bất thường (nhịp tim chậm dưới 60 nhịp/phút hoặc nhịp tim nhanh trên 100 nhịp/phút), khối xử lý trung tâm đều kích hoạt chuông đèn báo động ngay lập tức. Đồng thời, module SIM908 đã truyền phát tin nhắn SMS cảnh báo đến số điện thoại khẩn cấp của người chăm sóc với thời gian phản hồi trung bình chỉ từ 3 đến 5 giây.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý tín hiệu vượt trội của thiết bị bắt nguồn từ sự kết hợp tối ưu giữa đầu dò cảm biến quang TCRT1000 (kích thước siêu nhỏ 7x4x2 mm) và mạch đệm khuếch đại thuật toán MCP6002. Biến trở tinh chỉnh 5kΩ tại tầng khuếch đại thứ hai cho phép thích ứng linh hoạt với từng độ dày biểu bì da tay khác nhau, khắc phục hiện tượng suy giảm tín hiệu quang học thường gặp ở người lao động chân tay.

Các kết quả thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan qua biểu đồ đường so sánh dạng sóng Pleth hiển thị trên phần mềm máy tính và bảng đối chiếu sai số nhịp tim theo từng nhóm tuổi. Dữ liệu thực tế chứng minh sai số đo ở trạng thái tĩnh chỉ dao động trong khoảng 1,5% đến 3,5%. So với các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp điện tâm đồ 3 dây dẫn dán ngực, giải pháp này giúp giảm hơn 70% kích thước phần cứng của khối di động, đồng thời kéo dài thời lượng sử dụng nguồn pin Li-Po 7,4V lên mức 8 giờ hoạt động liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm nâng cấp và hoàn thiện thiết bị:

1. Nâng cấp thuật toán lọc thích nghi: Nhóm nghiên cứu cơ điện tử cần tích hợp thuật toán lọc Kalman thích nghi hoặc biến đổi Wavelet trực tiếp vào firmware của vi điều khiển nhằm loại bỏ triệt để nhiễu chuyển động (motion artifacts) khi người bệnh di chuyển mạnh, hướng tới mục tiêu duy trì sai số dưới 2% trong thời gian 6 tháng tới.
2. Tối ưu hóa kiến trúc phần cứng và năng lượng: Kỹ sư thiết kế phần cứng cần chuyển đổi vi điều khiển PIC16F887 sang dòng vi xử lý ARM Cortex-M siêu tiết kiệm điện kết hợp chuẩn Bluetooth Low Energy (BLE 5.0). Giải pháp này giúp hạ điện áp hoạt động xuống 3,3V, nâng thời lượng pin hoạt động liên tục từ 8 giờ lên hơn 72 giờ trong lộ trình 12 tháng.
3. Tích hợp đa cảm biến sinh học toàn diện: Đội ngũ phát triển cần bổ sung module đo nồng độ bão hòa oxy trong máu SpO2 hai bước sóng (660nm và 940nm), cảm biến thân nhiệt không tiếp xúc và cảm biến gia tốc 3 trục nhằm phát hiện kịp thời sự cố té ngã ở người cao tuổi, hoàn thành tích hợp trong vòng 9 tháng.
4. Xây dựng nền tảng quản lý dữ liệu đám mây: Doanh nghiệp công nghệ y tế cần phát triển ứng dụng di động trên iOS/Android kết nối trạm trung tâm qua mạng 4G/5G hoặc Wi-Fi để đồng bộ dữ liệu nhịp tim lên đám mây, cho phép các trạm y tế cơ sở theo dõi đồng thời hơn 100 bệnh nhân từ xa theo thời gian thực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh và Điện tử Viễn thông: Luận văn cung cấp tài liệu thực hành giá trị về thiết kế mạch lọc tín hiệu sinh học analog, tính toán biểu đồ Bode, phân tích hàm truyền Laplace và lập trình hệ thống nhúng giao tiếp không dây.
2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị y tế: Tài liệu cung cấp giải pháp thực tế về bài toán phân tách kiến trúc hệ thống thành 2 module độc lập, tối ưu nguồn pin di động và tích hợp module truyền tin viễn thông GSM/GPRS.
3. Bác sĩ chuyên khoa tim mạch và cán bộ quản lý y tế: Nguồn tư liệu hữu ích để đánh giá tính khả thi của các hệ thống theo dõi sức khỏe từ xa (Telemedicine) trong việc quản lý bệnh nhân ngoại trú và người cao tuổi mắc bệnh mãn tính.
4. Doanh nghiệp khởi nghiệp công nghệ y tế (MedTech): Báo cáo nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật và định hướng tối ưu hóa chi phí sản xuất thiết bị theo dõi sức khỏe cá nhân giá thành thấp phục vụ thị trường trong nước.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến quang học TCRT1000 hoạt động theo nguyên lý nào để đo nhịp tim? Cảm biến TCRT1000 gồm một LED phát hồng ngoại và một transistor quang thu được tích hợp trong vỏ bọc kích thước 7x4x2 mm. Thiết bị đo nhịp tim gián tiếp thông qua phương pháp quang phản xạ tại đầu ngón tay. Khi máu được tim bơm qua mao mạch, sự thay đổi thể tích hồng cầu làm biến thiên lượng ánh sáng phản xạ, tạo ra chuỗi xung điện áp đại diện cho từng nhịp tim.

Mạch xử lý loại bỏ các nguồn nhiễu sinh học và điện lưới như thế nào? Hệ thống sử dụng mạch lọc tích cực hai tầng với các linh kiện thụ động được tính toán chính xác. Tầng lọc thông cao có tần số cắt 0,72Hz giúp chặn triệt để thành phần dòng điện một chiều DC. Tầng lọc thông thấp có tần số cắt 2,34Hz kết hợp mạch khuếch đại 10.201 lần giúp loại bỏ hoàn toàn các loại nhiễu cao tần và nhiễu điện lưới 50Hz.

Phạm vi hoạt động không dây giữa khối di động và khối trung tâm là bao xa? Khối di động và khối trung tâm kết nối với nhau thông qua module truyền nhận sóng vô tuyến nRF24L01 ở dải tần 2,4GHz. Trong điều kiện thực nghiệm tại môi trường nhà ở thông thường, tín hiệu truyền nhận ổn định với cự ly đạt 25m xuyên qua 2 lớp tường gạch, đảm bảo người bệnh tự do di chuyển trong không gian rộng từ 100m2 đến 150m2.

Hệ thống phát cảnh báo như thế nào khi phát hiện nhịp tim người bệnh bất thường? Khi vi điều khiển phát hiện nhịp tim nằm ngoài ngưỡng an toàn (dưới 60 nhịp/phút hoặc trên 100 nhịp/phút), khối trung tâm ngay lập tức kích hoạt còi hú và đèn LED báo động tại chỗ. Đồng thời, module SIM908 được kích hoạt để tự động gửi tin nhắn SMS chứa thông tin cảnh báo đến số điện thoại của bác sĩ trong vòng 3 đến 5 giây.

Nguồn pin của khối di động duy trì hoạt động được trong bao lâu? Khối di động sử dụng cell pin Li-Po 7,4V kết hợp các IC hạ áp 78L05 và LM1117 để tạo ra nguồn điện ổn định 5V và 3,3V nuôi vi điều khiển cùng các module cảm biến. Dung lượng pin đảm bảo thiết bị hoạt động đo liên tục từ 4 đến 8 giờ, đáp ứng tốt nhu cầu giám sát sức khỏe người bệnh trong một ca sinh hoạt hàng ngày.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị giám sát nhịp tim không dây di động gồm 2 module xử lý chuyên biệt cho bệnh nhân và người cao tuổi.
• Xử lý triệt để tạp âm y sinh và nhiễu điện lưới 50Hz nhờ mạch lọc khuếch đại 2 tầng với hệ số 10.201 lần và dải tần cắt từ 0,72Hz đến 2,34Hz.
• Ứng dụng thành công công nghệ truyền sóng RF 2,4GHz cự ly 25m xuyên tường và module SIM908 phát cảnh báo SMS khẩn cấp chỉ sau 3 đến 5 giây.
• Đạt độ chính xác đếm nhịp tim thực nghiệm trên 96,5% trên 20 tình nguyện viên, nhận diện chính xác 100% các ca nhịp tim bất thường.
• Đóng góp giải pháp công nghệ y tế chi phí thấp, giàu tính ứng dụng thực tiễn trong việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe tại gia đình và cộng đồng.

Nghiên cứu mở ra hướng đi đầy triển vọng trong việc phát triển các thiết bị y tế cá nhân thông minh tại Việt Nam. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để tiếp cận chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch in, thuật toán vi điều khiển và các số liệu đo kiểm thực nghiệm đầy đủ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI GVHD: Võ Tường Quân - Nghiên cứu hệ thống truyền nhận dữ liệu giữa module B và điện thoại di động hoặc một thiết bị Wifi hoặc 3G khác để trang bị cho thân nhân của người bệnh. Nghiên cứu hệ thống cung cấp năng lượng cho thiết bị, đặc biệt là module A của thiết bị. Nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng với điều kiện cung cấp nguồn cho module A trong khoảng thời gian tương đối dài (từ 4 đến 8 tiếng hoặc có thể hơn).

Vì module B là phần cố định, được đặt bên ngoài nên có thể sử dụng nguồn điện nhà để cung cấp nguồn cho module này. Phân tích và xử lý tín hiệu nhịp tim, nhịp mạch từ cảm biến. - Phân tích các tín hiệu nhận được từ cảm biến, xem xét các đại lượng tần số nhịp, cường độ nhịp đập. - Xử lý các tín hiệu đo được từ cơ thể, xác định các mức tín hiệu tương ứng với tình trạng của bệnh nhân và người cao tuổi.

Đặc biệt chú ý tới mức tín hiệu ứng với tình trạng nguy hiểm của người bệnh. - Khảo sát tín hiệu nhịp tim: tần số nhịp, thời gian giữa các nhịp, độ rộng của mỗi nhịp, xem xét nhiễu tín hiệu để lựa chọn bộ lọc thích hợp. Sử dụng phương pháp thu thập số lượng lớn tín hiệu từ thực tế để làm mẫu cho quá trình khảo sát. Tiến hành làm thực nghiệm.

- Tiến hành đeo thiết bị trên tay người thực tế và để thiết bị nhận dạng, có thể tạo một tình trạng nguy hiểm giả thực tế để thiết bị nhận dạng.2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu và thiết kế thiết bị giám sát nhịp tim, nhịp mạch của bệnh nhân và người cao tuổi. Thiết kế mạch điều khiển kết nối cảm biến và các module thu phát không dây. Tiến hành thực nghiệm đo trên cơ thể người. So sánh kết quả với các loại máy đo thông dụng hiện nay.

HVTH: Bùi Minh Phú Page 7 CHƯƠNG II. NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân CHƯƠNG II NHỊP TIM 2.1ĐỒ THỊ NHỊP TIM: Nhịp tim là số lần nhịp mà tim co bóp được trong một phút. Do tim dao động, ta có thể vẽ được đồ thị mô tả sự dao động của tim. Đó là đồ thị nhịp tim.

Bởi vì những thiết bị đo có nguyên lý đo khác nhau nên đồ thị nhịp tim được vẽ từ những thiết bị đó cũng cho những hình dạng khác nhau. Thiết bị giám sát nhịp tim trong đề tài còn có khả năng vẽ đồ thị nhịp tim theo thời gian nên trong chương này, mô tả hình dạng đồ thị nhịp tim thường thấy ở các thiết bị đo được sử dụng thông dụng trong y tế.1Thiết bị đo ECG ECG hay EKG là viết tắt electrocardigram có nghĩa là điện tâm đồ. Đây là xét nghiệm ghi lại tín hiệu điện của tim trên giấy hoặc hiển thị trên màn hình. Mô hình tín hiệu giúp cho bác sĩ biết tim có bình thường hoặc đang bị căng thẳng, gắng sức.

Đồ thị nhịp tim do các thiết bị đo dùng phương pháp ECG được gọi là điện tâm đồ. Điện tâm đồ có dạng như sau: Hình 2.1 Dạng đồ thị nhịp tim của thiết bị ECG [5] Đối với thiết bị đo bằng phương pháp ECG, với mỗi nhịp đập của tim, đồ thị được vẽ lại có hình dạng như hình 2.1, trong một chu kỳ nhịp đập được chia ra nhiều phân đoạn HVTH: Bùi Minh Phú Page 8 CHƯƠNG II. NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân như P-Q-R-S-T-U. Mỗi chi tiết của phân đoạn sẽ cho biết tình trạng của tim đang hoạt động có vấn đề gì hay không.

Và việc chẩn đoán bằng điện tâm đồ luôn được dựa vào các bác sĩ, y tá điều dưỡng. Có thể thấy việc vẽ ra được đầy đủ chi tiết rõ ràng các phân đoạn của một chu kỳ nhịp đập của điện tâm đồ đòi hỏi thiết bị sẽ phức tạp, người được đo phải ở trạng thái tĩnh, không có hoạt động và cảm biến phải tốt.2 Điện tâm đồ [6] Điện tâm đồ là một chuỗi các xung có hình dạng như mô tả trên hình 2.2 và chuỗi xung này được vẽ lại liên tục theo thời gian mà bệnh nhân được đo.2 Thiết bị đo SpO2 SpO2 là viết tắt của satuaration pulse oximeter tức là đo độ bão hòa nồng độ oxi trong máu. Hiện nay, đa số các thiết bị đo nồng độ oxi trong máu đều sử dụng phương pháp quang, thường là đo ở ngón tay, để xác định nồng độ oxi trong máu. Thiết bị đo SpO2 cũng có khả năng vẽ lại đồ thị của nhịp tim, nhưng thực chất là đồ thị gián tiếp, chỉ có thành phần tần số nhịp là giống với tần số nhịp tim.3 Dạng sóng do thiết bị SpO2 đo được [7] Dạng sóng mà thiết bị đo được là sóng Pleth, dạng sóng Pleth sẽ được đề cập chi tiết tại chương IV.

Các thành phần chi tiết của sóng Pleth khác với điện tâm đồ nhưng các thành phần này vẫn có nhiều thông tin cho các bác sĩ chẩn đoán tình trạng sức khỏe của bệnh nhân, từ dạng sóng Pleth có thể xác định nồng độ oxi trong máu. Như trên hình HVTH: Bùi Minh Phú Page 9 CHƯƠNG II. NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân 2.3, có thể thấy thiết bị SpO2 sẽ vẽ liên tục dạng sóng Pleth của nhịp tim theo thời gian. Mỗi xung tương ứng với mỗi nhịp đập của tim.3 Thiết bị đo EtCO2 EtCO2 là viết tắt của End Tidal CO2 là phương pháp đo CO2 cuối kỳ thở.

Thiết bị đo EtCO2 cũng đo theo phương pháp quang, Thiết bị EtCO2 cho tín hiệu cũng chỉ có tần số là giống với tần số nhịp tim. Cũng tương tự như thiết bị SpO2, dạng sóng do EtCO2 vẽ ra không có nhiều thông tin về nhịp tim như điện tâm đồ, nhưng có những thông tin khác về CO2 thải ra ở cuối kỳ thở, những thông tin này cũng cần thiết cho bác sĩ trong chẩn đoán tình trạng cho bệnh nhân.4 Dạng sóng của thiết bị đo EtCO2 [8] Thiết bị EtCO2 cho dạng sóng như hình 2.4 và cũng có thể chia dạng sóng ra các phân đoạn để lấy thông tin. Đoạn AB là đoạn cuối kỳ thở vào và bắt đầu kỳ thở ra của không gian chết, điểm B bắt đầu kỳ thở ra của túi phổi. Đoạn AB còn được gọi là đường nền của quá trình hô hấp, nó cho biết nồng độ CO2 trong các không gian chết của đường thở.

Đoạn BC là đoạn đi lên của kỳ thở ra khi khí trong các không gian chết trộn với khí từ túi phổi thở ra. Đoạn CD là tiếp tục của kỳ thở ra, hay đoạn bình nguyên (plateau, tất cả khí đều từ túi phổi đi ra, nhiều CO2). D là điểm kết thúc một chu kỳ thở vào-thở ra và bắt đầu một chu kỳ mới, tại đây nồng độ CO2 đạt đỉnh. Đoạn DE nồng độ CO2 giảm dần do sự pha loãng cùa khí thở vào.4 Thiết bị đo huyết áp Thiết bị đo huyết sử dụng phương pháp đo huyết áp xâm lấn, tức là cảm biến đo sẽ ép chặt vào các cơ để đo áp suất của máu trong động mạch.

Có thể đo ở nhiều nơi trên cơ thể nhưng thông thường nhất là đo ở động mạch quay, đùi. Thiết bị đo huyết áp cũng có HVTH: Bùi Minh Phú Page 10 CHƯƠNG II. NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân khả năng vẽ đồ thị để theo dõi huyết áp liên tục, tuy nhiên thời gian theo dõi không quá lâu có thể làm ảnh hưởng đến quá trình lưu thông máu. Do thiết bị đo huyết áp có liên quan đến mức độ bơm máu đến động mạch nên dạng sóng huyết áp có dạng sóng gần giống với dạng sóng Pleth.

Ta thấy ở hình 2.5 là dạng sóng do thiết bị huyết áp vẽ ra, có hình dạng tương tự dạng sóng Pleth do thiết bị SpO2 vẽ ra. Tần số xung của dạng sóng cũng là tần số của tim đập được.5 Dạng sóng của thiết bị đo huyết áp [8] 2.5 Kết luận Ta nhận thấy, các thiết bị kể trên đều có khả năng vẽ lại đồ thị liên quan đến nhịp tim, nhưng chính xác nhất và nhiều thông tin nhất vẫn là điện tâm đồ, do thiết bị đo trực tiếp. Còn các thiết bị còn lại vẫn là đo gián tiếp đối với tim. Mỗi thiết bị cho các dạng sóng khác nhau.

Mỗi dạng sóng sẽ cho ta nhiều thông tin khác nhau nhưng hầu hết đều có chung tần số và bằng với tần số dao động của tim. Như trên hình 2.6 cho ta đến 3 dạng sóng, thứ nhất là điện tâm đồ, thứ hai là dạng sóng Pleth của thiết bị SpO2 và thứ ba là dạng sóng của thiết bị đo EtCO2. Đây là các HVTH: Bùi Minh Phú Page 11 CHƯƠNG II. NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân dạng sóng cơ bản, một số thiết bị cao cấp khác còn có khả năng vẽ các dạng sóng đặc biệt để cho thông tin trong các trường hợp đặc biệt.6 Dạng sóng của các thiết bị đo hiển thị trên monitor [7] Thiết bị quang tương tự thiết bị SpO2 nên dạng sóng mà thiết bị sẽ vẽ lại được trên máy tính là dạng sóng Pleth giống với thiết bị SpO2.

Trong y học, dạng sóng SpO2 cũng quan trọng không kém dạng sóng của điện tâm đồ, các thông tin của dạng sóng Pleth là cơ bản để chẩn đoán tình trạng bệnh nhân.2 NHỊP TIM BÌNH THƯỜNG Đối tim bình thường không có nghĩa là một khoảng nhịp tim cố định dành cho tất cả mọi người, nhịp tim bình thường đối với từng nhóm người khác nhau. Ví dụ như nhịp tim bình thường khác nhau theo độ tuổi, trẻ sơ sinh có nhịp tim bình thường nhanh hơn so với người trưởng thành, hoặc với người hay vận động, nhịp tim bình thường sẽ cao hơn so với nhịp tim người ít vận động, v.1 Nhịp tim bình thường theo độ tuổi HVTH: Bùi Minh Phú Page 12 CHƯƠNG II. NHỊP TIM GVHD: Võ Tường Quân Bảng 2.1 Nhịp tim bình thường theo độ tuổi [8] Bảng 2.1 là bảng số liệu về nhịp tim của người bình thường dựa theo độ tuổi. Có thể thấy trẻ sơ sinh, trẻ em có nhịp tim bình thường cao hơn rất nhiều so với nhịp tim bình thường của người trưởng thành.

Bảng số liệu này được cung cấp bởi bác sĩ của trường Đại học Y Dược thành phố Hồ Chí Minh. Với độ tin cậy cao, ta có thể dùng số liệu của bảng này để cài đặt cho thiết bị giám sát nhịp tim.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim - Giới tính: nữ thường có nhịp tim nhanh hơn nam từ 7 đến 8 nhịp/ phút - Chất kích thích (rượu, bia, thuốc lá, cà phê, chè) cũng gây ra sự thay đổi về tần số mạch tức thời cũng như về lâu dài đối với một người. - Thân nhiệt tăng 10oC thì nhịp tim tăng lên10 nhịp.