Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tín hiệu

Nghiên cứu chuyên sâu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tín hiệu điện tim ecg trê, phương pháp luận hiện đại, kết quả ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Việt Hoàng
• Người hướng dẫn: Ts. Ngô Duy Tân
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Giám Sát Tín Hiệu Điện Tim ECG Trên Nền Tảng IoT
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát tín hiệu điện tim ECG

Hệ thống giám sát tín hiệu điện tim ECG là một giải pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực y tế hiện đại. Giám sát ECG đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm các bệnh lý tim mạch. Luận văn ThS này tập trung vào xây dựng hệ thống giám sát dựa trên nền tảng IoT (Internet of Things), cho phép theo dõi tín hiệu điện tim từ xa một cách hiệu quả. Cấu tạo của tim gồm bốn buồng: hai nhĩ và hai thất, hoạt động theo một chu kỳ điều hòa để bơm máu đi khắp cơ thể. Tín hiệu ECG được tạo ra từ các hoạt động điện sinh học của tim, phản ánh mỗi giai đoạn của chu kỳ tim thông qua các sóng đặc trưng. Việc nghiên cứu xây dựng hệ thống này không chỉ cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe mà còn hỗ trợ bác sĩ trong chẩn đoán và điều trị hiệu quả.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tim

Tim là một cơ quan cơn co bơm máu liên tục. Cấu tạo của tim bao gồm bốn buồng chính: nhĩ phải, nhĩ trái, thất phải và thất trái. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự tương tác của các nút điện sinh học như nút xoang nhĩ (SAN) và nút nhĩ thất (AVN). Các nút này điều phối nhịp tim thông qua các xung điện tự động sinh ra từ các tế bào tim. Chu kỳ tim bao gồm pha co tâm nhĩ và pha co tâm thất, diễn ra liên tục từ 60-100 lần mỗi phút ở người khỏe mạnh.

1.2. Sóng tín hiệu điện tim và đạo trình điện tâm đồ

Tín hiệu ECG được biểu thị qua các sóng đặc trưng gồm sóng P, sóng QRS, sóng T và sóng U. Sóng P đại diện cho sự khử cực của tâm nhĩ, sóng QRS phản ánh sự khử cực của tâm thất, còn sóng T là sự tái cực của tâm thất. Đạo trình điện tâm đồ được thiết kế bởi Einthoven với tam giác Einthoven, bao gồm ba đạo trình tiêu chuẩn (I, II, III) và ba đạo trình tăng cường. Các đạo trình này cho phép bác sĩ đánh giá hoạt động điện tâm từ các góc nhìn khác nhau, giúp phát hiện các bất thường tim mạch.

II. Ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát sức khỏe từ xa

Công nghệ IoT (Internet of Things) đã mở ra những cơ hội mới trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong giám sát sức khỏe từ xa. Hệ thống IoT y tế cho phép các bệnh nhân được theo dõi liên tục ngay tại nhà mà không cần đến bệnh viện thường xuyên. Xây dựng hệ thống giám sát dựa trên IoT mang lại nhiều ưu điểm như: giảm chi phí chăm sóc sức khỏe, nâng cao chất lượng cuộc sống bệnh nhân, và cho phép bác sĩ can thiệp kịp thời khi phát hiện bất thường. Các thách thức chính bao gồm bảo mật dữ liệu, độ tin cậy kết nối, và độ chính xác của cảm biến. Những ứng dụng thực tiễn của IoT trong y tế đã chứng minh hiệu quả cao trong theo dõi các tín hiệu sinh học như nhất động, huyết áp, và đặc biệt là tín hiệu ECG từ xa.

2.1. Ưu điểm và thách thức của IoT trong y tế

Ưu điểm của IoT y tế bao gồm: theo dõi real-time, giảm thời gian chờ đợi, cải thiện khả năng tiếp cận dịch vụ y tế ở vùng sâu. Thách thức bao gồm bảo mật thông tin bệnh nhân, độ tin cậy của các thiết bị, và chi phí ban đầu cao. Nguy cơ chính là lỗi kỹ thuật có thể gây ra chẩn đoán sai hoặc mất dữ liệu quan trọng của bệnh nhân.

2.2. Cấu trúc hệ thống IoT trong giám sát ECG

Cấu trúc hệ thống gồm ba tầng chính: tầng cảm biến (sensor layer), tầng xử lý (processing layer), và tầng ứng dụng (application layer). Tầng cảm biến bao gồm cảm biến ECG AD8232 và các thiết bị đo lường. Tầng xử lý sử dụng microcontroller để xây dựng hệ thống lọc tín hiệu và truyền dữ liệu. Tầng ứng dụng sử dụng nền tảng IoT Ubidots để hiển thị dữ liệu trên giao diện web và ứng dụng di động.

III. Thiết kế và xây dựng phần cứng hệ thống

Phần cứng của hệ thống giám sát ECG bao gồm các thành phần chính như cảm biến ECG, mô đun xử lý tín hiệu AD8232, và microcontroller. Xây dựng hệ thống phần cứng đòi hỏi sự lựa chọn cảm biến có độ nhạy cao và khả năng lọc nhiễu tốt. Cảm biến ECG sử dụng ba điện cực để đo tín hiệu từ da: hai điện cực để đo tín hiệu và một điện cực tham chiếu. Mô đun AD8232 là bộ xử lý tín hiệu tích hợp chuyên dụng cho giám sát ECG, có khả năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu đầu vào với độ chính xác cao. Microcontroller ESP32 được sử dụng để chuyển đổi ADC, xử lý dữ liệu, và truyền tải lên nền tảng IoT thông qua giao thức WiFi.

3.1. Cảm biến ECG và mô đun xử lý AD8232

Cảm biến ECG được thiết kế để nhận diện các xung điện tim từ cơ thể. Mô đun AD8232 là một bộ xử lý tín hiệu analog tích hợp sẵn các chức năng khuếch đại, lọc thông dải, và khử nhiễu. Độ lợi của mô đun có thể điều chỉnh từ 100 đến 40,000 lần. Xây dựng phần cứng sử dụng AD8232 giúp giảm nhiễu và cải thiện chất lượng tín hiệu đầu ra trước khi gửi đến microcontroller.

3.2. Lọc tín hiệu và khử nhiễu

Tín hiệu ECG dễ bị nhiễu từ các nguồn như điện lưới (50Hz), chuyển động cơ thể, và nhiễu điện từ. Lọc tín hiệu được thực hiện qua các bộ lọc analog trong mô đun AD8232 và bộ lọc số trong phần mềm. Bộ lọc Butterworth và bộ lọc thích nghi được sử dụng để khử nhiễu ECG hiệu quả. Xây dựng hệ thống lọc nhiều tầng giúp cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu ECG cuối cùng.

IV. Phát triển phần mềm và tích hợp nền tảng IoT

Xây dựng phần mềm cho hệ thống giám sát ECG sử dụng Arduino IDE để lập trình microcontroller ESP32. Phần mềm chủ yếu xử lý việc đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu số, và truyền tải dữ liệu lên nền tảng IoT Ubidots. Giám sát ECG thông qua nền tảng IoT cho phép người dùng truy cập dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào có kết nối internet. Giao thức MQTT được sử dụng để truyền thông điệp hiệu quả với kích thước nhỏ, phù hợp cho các thiết bị IoT. Giao diện người dùng trên Ubidots cung cấp khả năng theo dõi real-time, lưu trữ dữ liệu lịch sử, và cảnh báo tự động khi phát hiện bất thường. Hệ thống giám sát này được thử nghiệm và đánh giá để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác.

4.1. Lập trình và xử lý dữ liệu với Arduino IDE

Arduino IDE là môi trường phát triển tích hợp sử dụng ngôn ngữ C/C++ để lập trình ESP32. Chương trình chính thực hiện việc khởi tạo cảm biến, đọc giá trị ADC, xử lý dữ liệu, và gửi dữ liệu lên nền tảng IoT. Xây dựng hệ thống phần mềm bao gồm các hàm xử lý ngắt, các hàm lọc số, và các hàm giao tiếp mạng. Các thư viện được sử dụng giúp tối ưu hóa quá trình phát triển và đảm bảo tính tin cậy.

4.2. Tích hợp và triển khai trên nền tảng Ubidots

Nền tảng Ubidots là một dịch vụ IoT đám mây cho phép giám sát và quản lý dữ liệu cảm biến. Dữ liệu ECG được truyền tải qua giao thức MQTT với mã xác thực API riêng. Ubidots cung cấp bảng điều khiển trực quan với các biểu đồ thời gian thực, cảnh báo tự động, và khả năng chia sẻ dữ liệu với bác sĩ. Xây dựng giao diện trên Ubidots cho phép bệnh nhân và chuyên gia y tế theo dõi tín hiệu ECG liên tục.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TIM VÀ HỆ THỐNG IOT 1.1, Tổng quan về thiết bị đo điện tim ECG: 1.1, Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tim: Trái tim là cơ quan cơ rỗng hình nón nằm ở trung thất giữa, được bao bọc trong màng ngoài tim. Là trung tâm của hệ tuần hoàn, tim có nhiệm vụ bơm máu, cung cấp oxy và chất dinh dưỡng, đồng thời loại bỏ chất thải từ các mô cơ thể. Tim và hệ thống động mạch, tĩnh mạch tạo nên hệ tim mạch. Mỗi ngày, tim bơm khoảng 7.200 lít máu và đập khoảng 100.000 lần, tổng cộng khoảng 3 tỷ nhịp trong suốt cuộc đời.

Tim người lớn đập khoảng 60-80 lần mỗi phút, trong khi tim trẻ sơ sinh đập nhanh hơn, từ 70-190 lần mỗi phút. Hình 1 Vị trí của tim Vị trí của tim: Tim nằm ở bên trái của cơ thể. Vị trí cụ thể của tim là ở giữa phổi phải và trái, nằm phía sau và bên trái xương ức. Do tim chếch về bên trái của lồng ngực nên phần phổi trái sẽ nhỏ hơn một chút để nhường chỗ cho tim.

Tim và các cơ quan bên trong khác được bảo vệ bởi lồng ngực. Cấu tạo của tim: Hình 2 Cấu tạo của tim 9 BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tim là một khối cơ rỗng đặc biệt có 4 ngăn dày mỏng khác nhau. Bao bên ngoài là một túi sợi gọi là bao tim. Bên trong toàn bộ được cấu tạo bằng cơ tim có vách ngăn thành hai nửa riêng biệt là tim trái và tim phải.

Mổi nữa lại được chia ra thành hai buồng là tâm nhĩ và tâm thất. Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất còn giữa tâm thất trái và động mạch chủ cũng như giữa tâm thất phải và động mạch phổi có van bán nguyệt. Các van bán nguyệt này đảm bảo cho máu di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất và từ tâm thất vào động mạch chủ do đó mới đảm bảo được sự tuần hoàn của máu. Vai trò của tim: Hệ thống tim mạch làm nhiệm vụ vận chuyển máu giàu oxi (O2) từ tim đi khắp cơ thể và lại vận chuyển máu nghèo oxi (O2) từ cơ thể chở về tim.

Trong đó máu mang các chất dinh dưỡng và khí oxi (02) hấp thụ được từ các cơ quan tiêu hóa cũng như hô hấp đi tới khắp các cơ quan trong cơ thể, đồng thời qua đó bài tiết chất cặn bã trong cơ thể ra ngoài. Hoạt động của tim: − Tim có một hệ thống nút đặc biệt có khả năng tự phát xung, gồm: − Nút xoang nhĩ (SAN): Nằm ở tâm nhĩ, gần tĩnh mạch chủ trên. Phát xung với tần số khoảng 120 lần/phút và là nút tạo nhịp chính cho toàn bộ tim. − Nút nhĩ thất (AVN): Nằm ở bên phải vách liên nhĩ, phát xung với tần số khoảng 50-60 lần/phút.

− Bó His: Chạy từ nút nhĩ thất đến vách liên thất, chia làm hai nhánh và phát xung với tần số khoảng 30-40 lần/phút. − Hoạt động co bóp của tim diễn ra theo một chu kỳ, gọi là chu chuyển tim, gồm ba giai đoạn: − Tâm thất thu (0.3s): − Thời kỳ áp suất (0.05s): Tâm thất co, áp suất tăng, van nhĩ thất đóng. − Thời kỳ đẩy máu (0.25s): Áp suất cao trong tâm thất mở van bán nguyệt, máu được đẩy vào động mạch. − Tâm thất trương (0.4s): Tâm thất giãn, van bán nguyệt đóng, van nhĩ thất mở, máu từ tâm nhĩ vào tâm thất.

Sơ đồ mô tả sự co bóp của tim: 10 BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2, Sơ lược thiết bị đo điện tim ECG: Máy điện tâm đồ (ECG) là thiết bị đo hoạt động điện của tim, giúp chẩn đoán bệnh tim thông qua một xét nghiệm không xâm lấn. Máy ghi lại hoạt động điện của tim qua các điện cực đặt trên ngực, tạo ra dấu vết hoạt động này. Các máy ECG có bảng điều khiển nhập thông tin bệnh nhân, dây dẫn gắn vào ngực, và cuộn giấy ghi kết quả. Chúng có thể chẩn đoán các bệnh như nhồi máu cơ tim, rối loạn nhịp tim, và theo dõi tim trong phẫu thuật.

ECG được sử dụng cho mọi đối tượng, từ người khỏe mạnh đến bệnh nhân có triệu chứng tim mạch hoặc cần theo dõi sau phẫu thuật hoặc điều trị tim mạch. Máy điện tâm đồ gồm bốn bộ phận chính: − Điện cực: Lưỡng cực (đặt trên cổ tay và chân trái) và đơn cực (đo chênh lệch điện áp giữa da và điện cực so sánh). − Dây kết nối: Truyền tín hiệu từ điện cực đến bộ khuếch đại. − Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu điện tim, giúp đo chính xác hơn.

− Thiết bị đầu ra: Ghi kết quả trên giấy hoặc màn hình, và có thể lưu vào máy tính để phân tích. *Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo điện tim ECG: Tim người có 4 buồng: hai tâm nhĩ nhỏ ở phía trên và hai tâm thất lớn ở phía dưới. Máu từ các cơ quan trong cơ thể chảy vào tâm nhĩ phải qua tĩnh mạch, trong khi máu từ phổi chảy vào tâm nhĩ trái. Tâm nhĩ trái bơm máu vào tâm thất trái, và tâm nhĩ phải bơm máu vào tâm thất phải.

Tâm thất phải sau đó bơm máu lên phổi, còn tâm thất trái bơm máu xuống cơ thể. 11 BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong tâm nhĩ phải có nút xoang, tạo ra xung điện kích thích sự co bóp của hai tâm nhĩ (gây ra sóng P). Xung điện tiếp tục truyền qua buồng liên thất và chuỗi tế bào sợi Purkinje, khiến hai tâm thất co bóp (tạo ra sóng QRS). Sau đó, xung điện giảm, tâm thất dãn ra (tạo sóng T).

Trái tim bơm máu bằng cách lặp đi lặp lại các động tác co bóp theo nhịp, được điều khiển bởi hệ thống điện trong cơ tim. Nhịp co bóp tạo ra một dòng điện nhỏ có thể được ghi nhận bằng máy điện tim qua các điện cực đặt trên ngực, tay và chân của bệnh nhân. *Sử dụng thiết bị đo điện tim ECG: Người bệnh sẽ được đính 10 điện cực vào các vùng da ngực, cánh tay, chân. Trong trường hợp bệnh nhân là nam giới và có lông ngực nhiều thì cần phải cạo bớt để đảm bảo chất lượng kết nối điện cực.

Đồng thời những nơi đặt điện cực phải làm sạch bằng cồn. Cần gắn đúng vị trí để đảm bảo kết quả chính xác: Cần gắn các điện cực đúng vị trí + Màu đỏ phải gắn với cánh tay phải + Màu vàng gắn với tay trái. + Màu đen gắn với chân phải. + Màu xanh lá cây gắn vào phần chân trái.

+ 6 điện cực ngực cần đặt đúng vào các vị trí khoang liên sườn theo đúng chỉ dẫn của bác sĩ. - Sau đi đã gắn các điện cực vào các vị trí chính xác, cần lưu ý để người bệnh nằm ngửa và nằm thấp hơn điện cực để tránh làm tăng lực căng trên dây. - Máy tính sẽ hiển thị những xung điện di chuyển qua tim. Ngoài cách mắc điện tim, người bệnh cũng cần lưu ý một số vấn đề sau khi thực hiện đo ECG: - Cần cung cấp cho bác sĩ đầy đủ thông tin về triệu chứng bệnh, tiền sử bệnh cá nhân và gia đình, một số yếu tố nguy cơ tim mạch, những lo lắng trong cuộc sống, các loại thuốc đang sử dụng,.

12 BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Có thể đo điện tim ở bất cứ thời điểm nào, không cần nhịn ăn trước khi thực hiện. - Trước khi đo cần tháo tất cả những đồ trang sức bằng kim loại ra khỏi cơ thể. - Trong khi đo, cần nằm yên, thả lỏng và thực hiện theo đúng chỉ dẫn của bác sĩ. - Bác sĩ sẽ chỉ định đo ECG nhiều lần vào những khoảng thời gian khác nhau ở từng bệnh nhân cụ thể.3, Sóng của tín hiệu điện tim: Hình 3 Sơ đồ sóng tín hiệu điện tim Trong đó ta có: P là sóng tạo ra sự co bóp của tâm nhĩ R là sóng đánh dấu sự kết thúc của co tâm nhĩ và bắt đầu của tâm thất co T là sóng đánh dấu sự kết thúc của tâm thất co Trong đó biên độ sóng của P, Q, S nhỏ nhất cỡ 0,2 ÷ 0,5mV.

− Sóng có biên độ lớn nhất là sóng R, có biên độ vào khoảng 1÷ 1,5mV. − Thời gian tồn tại của sóng đó là: + P - R: Từ 0,12s đến 0,2 s. + Sóng R càng hẹp và cao thì khi đó cho chúng thẩy một trái tim đó là trái tim khỏe mạnh. 13 BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP *Cơ sở của tín hiệu điện tim: Một sợi cơ bao gồm nhiều tế bào, khi hoạt động, sợi cơ co lại và xuất hiện điện thế động giữa các phần tử đã và đang khử cực.

Điện thế động này tạo ra một điện trường lan truyền dọc theo sợi cơ. Sau khoảng 0,5 giây, quá trình tái cực bắt đầu, kèm theo sự xuất hiện của một điện trường ngược lại và chuyển động với tốc độ chậm hơn. Cấu trúc phức tạp này của tim phát ra các tín hiệu điện thế, tổng hợp từ các tín hiệu điện của các sợi cơ tim. Bên trong và bên ngoài màng tế bào có các ion dương và âm như Na+, K+, và Cl-.

Sự chênh lệch nồng độ của các ion tạo ra dòng điện sinh học do sự dịch chuyển của các ion qua màng tế bào. Tế bào sống hoạt động như một pin điện, với điện cực dương (+) quay ra ngoài và cực âm (-) quay vào trong. Tính phân cực của màng tế bào tạo ra điện thể nghỉ khoảng -90 mV. Khi tế bào bị kích thích, màng tế bào thay đổi tính thẩm thấu, làm dịch chuyển ion và gây ra điện thế động.

Tế bào hoạt động qua hai giai đoạn: khử cực khi bị kích thích và tái cực khi lập lại trạng thái cân bằng. *Các giai đoạn của tín hiệu điện tim: Tim hoạt động nhờ xung động truyền qua hệ thống thần kinh tự động. Nút xoang phát xung động làm khử cực cơ tâm nhĩ, đẩy máu xuống tâm thất. Xung động sau đó truyền qua nút nhĩ thất, đi qua bó His xuống tâm thất, gây khử cực và co bóp đẩy máu ra ngoại biên.

Sự khử cực và tái cực của tâm nhĩ và tâm thất tạo ra các dạng sóng trên điện tâm đồ. Nhĩ đồ: Ghi lại dòng điện của nhĩ, chủ yếu là sóng P (khử cực nhĩ). Sóng T (tái cực nhĩ) thường bị che lấp bởi khử cực thất. Thất đồ: + Khử cực: Bao gồm ba làn sóng Q, R, S, tạo thành phức bộ QRS.

Sóng Q là sóng âm nhỏ đầu tiên, sóng R là sóng dương cao nhất, và sóng S là sóng âm nhỏ sau cùng. + Tái cực: Giai đoạn tái cực được biểu hiện qua đoạn ST và sóng T.