Thiết kế và thi công thiết bị đo và giám sát điện tim, nồng độ oxy trong máu truyền dữ liệu không dây ứng dụng IoT

Đồ án thiết bị đo điện tim, nồng độ oxy trong máu IoT tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trần Mạnh Dũng
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
• Đề tài: Thiết kế và thi công thiết bị đo và giám sát điện tim, nồng độ oxy trong máu truyền dữ liệu không dây ứng dụng IoT
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị đo điện tim và SpO2 không dây IoT

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (ĐH SPKT) năm 2024 tập trung vào thiết kế và thi công thiết bị đo điện tim (ECG) kết hợp đo nồng độ oxy trong máu (SpO2). Hệ thống truyền dữ liệu không dây qua nền tảng IoT. Đây là công trình thuộc Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử. Nhóm tác giả gồm sinh viên Trần Mạnh Dũng và Nguyễn Đức Việt, dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Đức Dũng. Thiết bị sử dụng vi điều khiển ESP32-Wrover làm trung tâm xử lý. Module AD8232 thu tín hiệu điện tim. Màn hình LCD TFT 4 inch hiển thị dữ liệu trực tiếp. Dữ liệu được gửi lên web server thời gian thực. Hệ thống sử dụng pin Lipo 2500mAh 3.7V để vận hành độc lập. Thiết bị hướng tới ứng dụng giám sát sức khỏe từ xa trong môi trường lâm sàng và cộng đồng. Đây là bước tiến quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh tại Việt Nam. Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng IoT trong chăm sóc sức khỏe hiện đại.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là cơ sở đào tạo kỹ thuật hàng đầu tại miền Nam Việt Nam. Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh thuộc Khoa Điện – Điện tử chủ trì nghiên cứu này. Đề tài được giao ngày 09/09/2024 và hoàn thành ngày 23/12/2024. Nghiên cứu thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, mã ngành 29. Hệ đào tạo đại học chính quy. Đây là minh chứng cho năng lực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên kỹ thuật y sinh tại Việt Nam trong thời đại chuyển đổi số.

1.2. Tầm quan trọng của giám sát ECG và SpO2 từ xa

Điện tim (ECG) phản ánh hoạt động điện của cơ tim qua từng chu kỳ. Nồng độ oxy trong máu (SpO2) là chỉ số sinh tồn quan trọng trong chẩn đoán lâm sàng. Hai chỉ số này kết hợp giúp phát hiện sớm các bệnh lý tim mạch và hô hấp. Giám sát từ xa qua IoT giảm tải áp lực cho hệ thống y tế. Bệnh nhân có thể theo dõi sức khỏe tại nhà liên tục. Dữ liệu được lưu trữ và phân tích trên web server, hỗ trợ bác sĩ đưa ra quyết định chính xác và kịp thời.

II. Phân tích tín hiệu ECG và thách thức đo lường SpO2 không dây

Tín hiệu điện tim là tín hiệu sinh học có biên độ rất nhỏ, dễ bị nhiễu. Hệ thống điện cực chuẩn gồm 10 điện cực tạo ra 12 đạo trình. Bốn điện cực chi bao gồm RA, LA, RL và LL. Sáu điện cực trước ngực từ V1 đến V6. Các đạo trình bao gồm ba chuyển đạo lưỡng cực I, II, III và ba chuyển đạo đơn cực tăng cường aVR, aVL, aVF. Đây là chuẩn quốc tế trong điện tâm đồ lâm sàng. Việc thu tín hiệu chính xác đòi hỏi bộ lọc analog và số hiệu quả. Nhiễu đường dây điện 50Hz và nhiễu cơ học từ chuyển động cơ thể là hai thách thức lớn nhất. Hệ thống phải xử lý tín hiệu thời gian thực với độ trễ tối thiểu. Truyền dữ liệu không dây qua WiFi (ESP32) đặt ra yêu cầu cao về băng thông và độ ổn định kết nối. Thiết kế phần cứng phải đảm bảo an toàn điện cho người dùng.

2.1. Cấu trúc 12 đạo trình và nguyên lý đo điện tim

Chuyển đạo I ghi chênh lệch điện thế giữa LA và RA. Chuyển đạo II ghi giữa LL và RA. Chuyển đạo III ghi giữa LL và LA. Các chuyển đạo aVR, aVL, aVF nhìn từ ba chi tương ứng. Sáu chuyển đạo trước tim V1-V6 đặt trên thành ngực ghi hoạt động điện từ mặt phẳng ngang. V1 đặt ở liên sườn 4 bên phải xương ức. V4 đặt ở liên sườn 5 trên đường trung đòn trái. Mỗi đạo trình cung cấp góc nhìn khác nhau về hoạt động cơ tim.

2.2. Thách thức kỹ thuật trong truyền dữ liệu sinh học qua IoT

Tín hiệu ECG có biên độ từ 0.5 đến 4mV, rất nhạy với nhiễu điện từ. Module AD8232 được chọn vì khả năng khuếch đại và lọc tín hiệu tích hợp với dòng tiêu thụ chỉ 170µA. Kết nối WiFi của ESP32-Wrover tiêu thụ đến 200mA khi hoạt động tích cực. Cần thiết kế nguồn ổn định để tránh nhiễu nguồn xâm nhập tín hiệu y sinh. IC 74HC595 và IC 4051B hỗ trợ mở rộng kênh ghép kênh tín hiệu analog hiệu quả. Đây là thách thức tích hợp phần cứng phức tạp đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống IoT đo ECG và SpO2 di động

Nhóm nghiên cứu lựa chọn ESP32-Wrover-IE làm vi điều khiển trung tâm. Đây là chip mạnh với WiFi và Bluetooth tích hợp, điện áp 3.6VDC, dòng 200mA. Module AD8232 thu tín hiệu ECG analog từ điện cực. Hai IC 74HC595 mở rộng ngõ ra số qua giao tiếp SPI. IC 4051B là bộ ghép kênh analog 8 kênh giúp chọn tín hiệu đầu vào. Màn hình LCD TFT 4 inch hiển thị dạng sóng ECG và giá trị SpO2 trực quan. Kết nối màn hình qua giao tiếp SPI với các chân CS (GPIO 15), RST (GPIO 27), DC (GPIO 2), MOSI (GPIO 13), SCK (GPIO 14). Tụ 100nF lọc nhiễu nguồn 5V cho màn hình. Phần mềm viết bằng C++ trên Visual Studio Code. Web server nhận và hiển thị dữ liệu thời gian thực. Toàn hệ thống cấp điện từ pin Lipo 2500mAh 3.7V đảm bảo tính di động.

3.1. Kiến trúc phần cứng và lựa chọn linh kiện tối ưu

Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống được tính toán cẩn thận. ESP32-Wrover tiêu thụ 720mW. Màn hình LCD TFT 4 inch tiêu thụ 500mW ở 5VDC. Module AD8232 chỉ tiêu thụ 561mW ở 3.3VDC. Hai IC 74HC595 cộng thêm 396mW. IC 4051B đóng góp 3.9mW. Tổng công suất dưới 2.2W. Pin Lipo 2500mAh 3.7V cung cấp đủ năng lượng cho vận hành liên tục nhiều giờ. Nguồn sạc lựa chọn dòng ra tối đa 1A đáp ứng đủ yêu cầu hệ thống.

3.2. Nền tảng phần mềm và giao tiếp web server IoT

Phần mềm lập trình sử dụng ngôn ngữ C++ trên môi trường Visual Studio Code. ESP32 kết nối WiFi và đẩy dữ liệu lên web server theo giao thức HTTP hoặc MQTT. Web server thiết kế riêng để nhận, lưu trữ và hiển thị dữ liệu ECG cùng SpO2. Bộ lọc số được hiệu chỉnh trực tiếp trong firmware để loại bỏ nhiễu 50Hz. Giao diện web cho phép theo dõi dạng sóng điện tim thời gian thực từ bất kỳ thiết bị nào có trình duyệt. Đây là ưu điểm vượt trội so với các thiết bị y tế truyền thống chỉ hiển thị tại chỗ.

IV. Kết quả và ứng dụng thiết bị IoT y sinh trong thực tiễn

Thiết bị hoàn thành đã đáp ứng các mục tiêu kỹ thuật đề ra. Hệ thống thu tín hiệu ECG ổn định qua module AD8232. Dữ liệu SpO2 được đo và hiển thị cùng lúc với ECG. Màn hình TFT 4 inch hiển thị dạng sóng rõ ràng tại thiết bị. Web server nhận dữ liệu không dây và cho phép truy cập từ xa. Thiết bị vận hành độc lập nhờ pin Lipo tích hợp. Đây mở ra ứng dụng rộng trong y tế cộng đồng, giám sát bệnh nhân mạn tính từ xa, hỗ trợ chuẩn đoán nhanh tại tuyến cơ sở và vùng sâu vùng xa. Trong nghiên cứu học thuật, đề tài chứng minh khả năng tích hợp IoT vào thiết bị y sinh với chi phí thấp. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp AI phân tích dạng sóng ECG tự động, thêm cảm biến huyết áp và nhiệt độ, nâng cấp bảo mật dữ liệu y tế theo tiêu chuẩn quốc tế.

4.1. Tiềm năng ứng dụng trong hệ thống y tế từ xa

Thiết bị phù hợp triển khai tại các trạm y tế xã, phòng khám đa khoa và bệnh viện tuyến huyện. Bác sĩ có thể theo dõi nhiều bệnh nhân đồng thời qua web server tập trung. Bệnh nhân tim mạch mạn tính được giám sát liên tục tại nhà mà không cần nhập viện. Hệ thống IoT giúp cảnh báo sớm khi chỉ số ECG hoặc SpO2 vượt ngưỡng an toàn. Chi phí triển khai thấp so với thiết bị y tế thương mại nhập khẩu, phù hợp với điều kiện của hệ thống y tế Việt Nam.

4.2. Định hướng phát triển và cải tiến trong tương lai

Phiên bản tiếp theo có thể tích hợp thuật toán học máy phát hiện rối loạn nhịp tim tự động ngay trên thiết bị. Thêm cảm biến đo huyết áp không xâm lấn và nhiệt độ cơ thể để xây dựng nền tảng giám sát đa thông số. Nâng cấp bảo mật dữ liệu theo tiêu chuẩn HIPAA để bảo vệ thông tin y tế cá nhân. Thiết kế lại PCB nhỏ gọn hơn dạng thiết bị đeo tay. Kết hợp với ứng dụng điện thoại thông minh để tăng trải nghiệm người dùng và khả năng tiếp cận cộng đồng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật hiện đại và xu hướng chuyển đổi số y tế, nhu cầu theo dõi và chăm sóc sức khỏe liên tục tại cộng đồng ngày càng gia tăng. Bệnh lý tim mạch là một trong những nguyên nhân hàng đầu ảnh hưởng đến tính mạng, đòi hỏi việc kiểm tra chức năng tim phải được thực hiện thường xuyên. Tuy nhiên, các dòng máy đo điện tâm đồ (ECG) chuyên dụng tại bệnh viện thường có kích thước cồng kềnh, quy trình vận hành phức tạp và chi phí đầu tư cao, gây khó khăn cho việc tiếp cận dịch vụ y tế của các bệnh nhân có tiền sử tim mạch hoặc người cần theo dõi liên tục tại nhà. Từ thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công thiết bị đo và giám sát điện tim, nồng độ oxy trong máu truyền dữ liệu không dây ứng dụng IoT" được thực hiện nhằm cung cấp một giải pháp thiết bị y tế cá nhân nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, hỗ trợ thu thập và giám sát dấu hiệu sinh tồn từ xa.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong đề tài bao gồm:

1. Thiết kế và thi công thiết bị phần cứng có khả năng thu nhận tín hiệu điện tim 5 đạo trình, đo nhịp tim và đo độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$).
2. Hiển thị dạng sóng điện tâm đồ thời gian thực cùng các thông số nhịp tim và $SpO_2$ trực tiếp trên màn hình LCD TFT kích thước 4 inch.
3. Tích hợp giao thức truyền thông không dây để gửi dữ liệu liên tục lên hệ thống Web server phục vụ việc theo dõi từ xa.
4. Triển khai 10 nội dung thực hiện cụ thể:
   • Nội dung 1: Tìm hiểu, nghiên cứu về lý thuyết điện tim, các vị trí điện cực và đặc tính module AD8232.
   • Nội dung 2: Nghiên cứu các bộ lọc tương tự và kỹ thuật số để chuẩn hóa dữ liệu tín hiệu đầu vào.
   • Nội dung 3: Tìm hiểu các giao thức truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển, mạch thu tín hiệu và Web server.
   • Nội dung 4: Tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý, mô phỏng mạch trên Proteus và thiết kế mô hình vỏ hộp trên SolidWorks.
   • Nội dung 5: Lập bảng danh mục vật liệu và dự toán linh kiện phục vụ thi công.
   • Nội dung 6: Thi công phần cứng, tích hợp các khối cảm biến với vi điều khiển.
   • Nội dung 7: Lập trình firmware điều khiển và giao diện Web server hiển thị kết quả.
   • Nội dung 8: Chạy thử nghiệm thực tế trên người, so sánh kết quả với thiết bị chuẩn y tế và hiệu chỉnh hệ thống.
   • Nội dung 9: Soạn thảo báo cáo đồ án và chuẩn bị slide thuyết trình.
   • Nội dung 10: Báo cáo bảo vệ đồ án tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

• Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu điện sinh lý tim (ECG), nhịp tim và độ bão hòa oxy trong máu ngoại vi ($SpO_2$) ở người; các dòng vi điều khiển nhúng, cảm biến sinh học chuyên dụng và giao thức truyền thông mạng không dây IoT.
• Phạm vi không gian và công nghệ: Thiết bị hoạt động trong môi trường có kết nối mạng Wi-Fi cục bộ để truyền dữ liệu lên Web server; khảo sát đo đạc thực nghiệm trên các đối tượng tình nguyện viên.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ đo 5 đạo trình; kích thước tổng thể mô hình đóng gói đạt 137 mm x 116 mm x 36 mm; màn hình hiển thị cục bộ giới hạn ở kích thước 4.0 inch; hệ thống Web server được xây dựng cục bộ phục vụ giám sát nội bộ của thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sinh lý học

Đề tài dựa trên nguyên lý điện sinh học của cơ tim và quang phổ hấp thụ của huyết sắc tố:

• Sinh lý điện học của tim: Chu kỳ hoạt động của tim diễn ra trong khoảng 0,8 giây, gồm 3 pha: pha co tâm nhĩ (0,1 giây), pha co tâm thất (0,3 giây) và pha giãn chung (0,4 giây). Hoạt động co bóp bắt nguồn từ nút xoang (SA node), tạo ra các dòng ion $Na^+$, $K^+$ dịch chuyển qua màng tế bào gây nên hiện tượng khử cực (đáp ứng kích thích) và tái cực (phục hồi điện thế nghỉ). Sóng ECG chuẩn bao gồm sóng P (khử cực tâm nhĩ, thời gian dưới 0,12 s), phức bộ QRS (khử cực hai tâm thất, thời gian 0,06 - 0,10 s), sóng T (tái cực hai tâm thất, biên độ khoảng 0,5 mV), đoạn PR và đoạn ST. Các dải tần số đặc trưng: nhịp tim (0,67 - 5 Hz), phức bộ QRS (10 - 50 Hz), sóng T (1 - 7 Hz); các nguồn nhiễu sinh lý chính gồm nhiễu co cơ (5 - 50 Hz) và nhiễu do hô hấp (0,12 - 0,5 Hz).
• Hệ thống chuyển đạo điện tim: Dựa trên hệ thống điện cực tam giác Einthoven và các cải tiến lâm sàng:
  • 3 chuyển đạo chi lưỡng cực: $$\begin{aligned} V_I &= V_{LA} - V_{RA} \ V_{II} &= V_{LL} - V_{RA} \ V_{III} &= V_{LL} - V_{LA} \end{aligned}$$
  • 3 chuyển đạo đơn cực tăng cường: $$\begin{aligned} V_{aVR} &= -V_{RA} + \frac{V_{LL} + V_{LA}}{2} = -\frac{V_I - V_{II}}{2} \ V_{aVL} &= V_{LA} - \frac{V_{LL} + V_{RA}}{2} = \frac{V_I - V_{III}}{2} \ V_{aVF} &= V_{LL} - \frac{V_{LA} + V_{RA}}{2} = \frac{V_{II} + V_{III}}{2} \end{aligned}$$
  • 6 chuyển đạo trước tim ($V_1$ đến $V_6$) đo chênh lệch giữa điện cực ngực và cực trung tâm Wilson ($V_{\text{trung tính}} = \frac{V_{LL} + V_{RA} + V_{LA}}{3}$).
• Nguyên lý đo quang phổ $SpO_2$: Đo thể tích biến đổi theo nhịp đập (photoplethysmography - PPG). Deoxyhemoglobin (Hb) hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ tại bước sóng 660 nm, trong khi Oxyhemoglobin ($HbO_2$) hấp thụ mạnh ánh sáng hồng ngoại tại bước sóng 940 nm (hoặc 880 nm trên module MAX30102). Chỉ số $SpO_2$ được xác định dựa trên tỷ số biên độ hấp thụ: $$SpO_2 = 100 \times \frac{A_{IR}}{A_R} \quad \text{hoặc} \quad SpO_2 = \left(\frac{HbO_2}{Hb + HbO_2}\right) \times 100%$$ Tiêu chuẩn lâm sàng phân loại: 97% - 99% (tốt), 94% - 96% (trung bình), 92% - 95% (suy hô hấp), dưới 90% (giảm oxy máu nghiêm trọng).

Phương pháp nghiên cứu và chuẩn truyền thông

• Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết phân tích mạch tín hiệu y sinh, thiết kế mô hình kỹ thuật phần cứng (schematic và layout PCB hai lớp), lập trình nhúng phần mềm điều khiển, và phương pháp thực nghiệm lâm sàng đối chứng.
• Chuẩn giao tiếp tích hợp:
  • UART: Truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ dùng để nạp code và giao tiếp vi điều khiển qua các chân TX, RX.
  • I2C: Truyền nhận nối tiếp đồng bộ 2 dây (SDA, SCL) kết nối module cảm biến MAX30102 với vi điều khiển, sử dụng điện trở kéo lên nguồn 3,3V.
  • SPI: Giao tiếp nối tiếp đồng bộ 4 dây (MOSI, MISO, SCK, CS) tốc độ cao để điều khiển khối hiển thị màn hình LCD TFT.
  • Bộ biến đổi ADC: Chuyển đổi tín hiệu tương tự khuếch đại từ module AD8232 thành dữ liệu số rời rạc để vi xử lý tính toán.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu nhận trực tiếp trên người tình nguyện; dữ liệu đối chứng thu từ máy đo điện tim chuyên dụng GE Healthcare MAC2000 và máy theo dõi bệnh nhân Comen C80.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc module tích hợp phần cứng và nền tảng dịch vụ mạng, đáp ứng các tiêu chuẩn xử lý tín hiệu y sinh có biên độ nhỏ.

Kiến trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng tổng thể bao gồm các khối chức năng chính:

• Khối nguồn: Sử dụng pin sạc LiPo dung lượng 2500 mAh, điện áp danh định 3,7 VDC, kết hợp module sạc tăng áp và IC ổn áp tuyến tính AMS1117-3.3V để cung cấp nguồn 3,3 VDC và 5 VDC ổn định. Đường nguồn tích hợp mạch lọc thông thấp L-C nhằm triệt tiêu nhiễu xung nguồn ảnh hưởng đến các bộ khuếch đại nhạy cảm.
• Khối thu nhận tín hiệu điện tim (ECG): Tích hợp IC chuyên dụng AD8232 kết hợp hệ thống điện cực gắn cơ thể. AD8232 tích hợp sẵn bộ khuếch đại đo lường, mạch lọc thông cao, thông thấp và mạch lọc chắn dải (Notch filter) giúp loại bỏ nhiễu trôi đường đẳng điện và nhiễu lưới điện.
• Khối chuyển mạch tự động (Switch Matrix): Nhằm khắc phục hạn chế của module AD8232 vốn chỉ xuất 1 kênh tín hiệu tương tự, nhóm tác giả thiết kế mạch chuyển mạch kết hợp 3 IC CD4051BM (bộ dồn/tách kênh tương tự 8 kênh) và 2 IC 74HC595 (thanh ghi dịch 8 bit nối tiếp sang song song). Giải pháp này cho phép vi điều khiển tự động điều khiển 9 bit logic để định tuyến các điện cực từ 2 cổng kết nối CN1, CN2 về các ngõ vào của AD8232, giúp đo tự động các đạo trình khác nhau mà không cần bóc dán lại điện cực trên cơ thể người đo.
• Khối đo nhịp tim và $SpO_2$: Sử dụng cảm biến MAX30102, tích hợp 2 đèn LED bước sóng 660 nm / 880 nm, bộ thu quang điện, bộ chuyển đổi ADC 18 bit và giao tiếp I2C. Chân SDA và SCL được nối với các điện trở kéo $R_7, R_8$ để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu.
• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32-Wrover-IE trang bị CPU 32-bit lõi kép Xtensa LX6 tốc độ 160 - 240 MHz, bộ nhớ SRAM 520 KB, bộ nhớ Flash mở rộng, tích hợp bộ thu phát Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth v4.2.
• Khối hiển thị cục bộ: Màn hình LCD TFT 4.0 inch cảm ứng điện dung, độ phân giải 320x480 pixel, hiển thị 65.000 màu, giao tiếp qua bus 4W-SPI với các chân tín hiệu CS (chân 15), RST (chân 27), DC (chân 2), MOSI (chân 13), SCK (chân 14).

Bảng tổng hợp đặc tính tiêu thụ điện năng của các linh kiện trong hệ thống:

Tên linh kiện / Khối chức năng	Điện áp định mức	Dòng điện tiêu thụ	Công suất tiêu thụ
Vi điều khiển ESP32-Wrover-IE	3,6 VDC	200 mA	720 mW
Màn hình LCD TFT 4.0 inch	5,0 VDC	100 mA	500 mW
Module ECG AD8232	3,3 VDC	170 µA	561 µW
02 IC ghi dịch 74HC595	3,3 VDC	60 mA	396 mW
03 IC chuyển mạch CD4051BM	3,3 VDC	-	3,9 mW

Tổng dòng điện hoạt động của hệ thống ở chế độ tải cực đại luôn duy trì dưới 1A, đảm bảo vận hành ổn định với bộ pin sạc LiPo 2500 mAh.

Lập trình điều khiển và Web Server

Phần mềm hệ thống được phát triển trên môi trường Visual Studio Code sử dụng ngôn ngữ C++:

• Chương trình chính thực hiện khởi tạo ngoại vi, thiết lập kết nối mạng không dây Wi-Fi, đọc tín hiệu từ bộ ADC chuyển đổi từ AD8232 và dữ liệu PPG từ MAX30102 qua giao thức I2C.
• Thuật toán số được triển khai nhằm loại bỏ các thành phần nhiễu phát sinh từ co cơ và chuyển động trước khi đưa dữ liệu hiển thị.
• Màn hình LCD TFT cục bộ vẽ trực tiếp dạng sóng điện tâm đồ thời gian thực và cập nhật các giá trị số đo $SpO_2$, tần số tim.
• Máy chủ Web Server nhúng trên nền tảng được cấu hình để cung cấp giao diện theo dõi từ xa qua trình duyệt. Trang Web cho phép nhập thông tin hành chính bệnh nhân, hiển thị biểu đồ đồ thị ECG động liên tục và hỗ trợ chức năng xuất/lưu trữ dữ liệu báo cáo ra tệp tin PDF.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về theo dõi sức khỏe tim mạch tại gia đình và các hạn chế của thiết bị y tế truyền thống. Tác giả xác định rõ mục tiêu thiết kế thiết bị tích hợp đa thông số (ECG 5 đạo trình, $SpO_2$, nhịp tim), vạch ra 10 nội dung thực hiện từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm cho đến đánh giá thực nghiệm. Đồng thời, chương này xác định rõ các giới hạn vật lý và kỹ thuật của hệ sinh thái sản phẩm như phạm vi kết nối Wi-Fi, kích thước thiết bị đạt 137 mm x 116 mm x 36 mm và kích thước màn hình hiển thị 4 inch.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết sinh lý học tim mạch, bao gồm chu kỳ tim (0,8 giây), các giai đoạn khử cực và tái cực tế bào cơ tim gắn liền với sự dịch chuyển ion qua màng. Tác giả phân tích chi tiết quy trình hình thành và tiêu chuẩn nhận dạng của các sóng điện tâm đồ P, khoảng PR, phức bộ QRS, đoạn ST, sóng T và sóng U. Chương này cũng trình bày lý thuyết hệ thống 12 chuyển đạo lâm sàng, tập trung phân tích toán học các công thức tính chuyển đạo lưỡng cực chi (I, II, III), chuyển đạo tăng cường (aVR, aVL, aVF) và chuyển đạo trước tim ($V_1 - V_6$). Về nồng độ oxy trong máu, chương nêu bản chất sinh học của Hemoglobin, các mức chuẩn $SpO_2$ và nguyên lý quang phổ hấp thụ hai bước sóng (660 nm và 940 nm). Cuối cùng, tác giả giới thiệu chi tiết cấu tạo, sơ đồ khối và thông số kỹ thuật của module AD8232, cảm biến MAX30102, vi điều khiển ESP32-Wrover, màn hình LCD TFT 4 inch cùng các chuẩn truyền thông nhúng UART, I2C, SPI và bộ chuyển đổi ADC.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống và thiết kế kỹ thuật của từng khối chức năng. Tác giả giải thích nguyên lý mạch ngõ vào thu nhận ECG dùng AD8232 và mạch đo $SpO_2$ dùng MAX30102 với các tụ lọc nguồn ổn định (C1 đến C7) và các điện trở kéo R7, R8. Điểm mấu chốt của chương là thiết kế khối Switch tự động chuyển đạo sử dụng 3 IC CD4051BM kết hợp 2 IC 74HC595 điều khiển bằng 9 bit logic từ vi điều khiển, giúp chuyển mạch linh hoạt giữa hai cổng điện cực CN1 và CN2. Chương cũng thuyết minh chi tiết sơ đồ kết nối chân giữa vi điều khiển ESP32-Wrover-IE với các khối ngoại vi (giao tiếp SPI với LCD TFT qua các chân MOSI, SCK, CS, DC, RST; giao tiếp I2C với MAX30102 qua SDA, SCL; giao tiếp điều khiển 74HC595 qua CLK, DATA, LAT). Khối nguồn được tính toán chi tiết dựa trên tổng công suất tiêu thụ của các linh kiện, đưa ra lựa chọn pin sạc LiPo 2500 mAh 3,7V và hệ thống IC ổn áp AMS1117.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế đến sản phẩm vật lý. Tác giả trình bày quy trình vẽ và gia công mạch in PCB 2 lớp, công tác hàn lắp linh kiện và kiểm tra ngắn mạch, thông mạch. Phần cơ khí trình bày bản vẽ 2D kích thước chi tiết và quá trình thi công hộp bảo vệ thiết bị. Về mặt phần mềm, chương xây dựng các lưu đồ giải thuật cho toàn bộ chương trình: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ giải thuật vẽ đồ thị ECG thời gian thực, lưu đồ nhập thông tin bệnh nhân và lưu đồ trích xuất dữ liệu lưu thành tệp PDF. Tác giả cũng hướng dẫn quy trình vận hành thiết bị qua các bước khởi động, dán điện cực, kẹp cảm biến đo quang học và truy cập địa chỉ IP của Web server để giám sát.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi chế tạo hoàn thiện sản phẩm. Tác giả cung cấp hình ảnh thiết bị thực tế, giao diện giám sát sóng ECG trực tuyến trên Web server và kết quả thu nhận 5 đạo trình (Đạo trình I, II, III, aVR, aVF). Chương này tiến hành đánh giá thực nghiệm lâm sàng đối chứng: đối chiếu dạng sóng ECG thu được từ thiết bị với máy đo chuyên dụng GE Healthcare MAC2000; đối chiếu kết quả đo nhịp tim và $SpO_2$ với máy theo dõi bệnh nhân Comen C80 trên 3 đối tượng người tình nguyện. Các nhận xét định lượng và định tính về sai số, độ trễ truyền thông và tính ổn định của mạch điện cũng được phân tích cụ thể.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu ban đầu đề ra: hoàn thành thiết bị đo 5 đạo trình ECG kết hợp $SpO_2$, truyền dữ liệu không dây ổn định lên giao diện web và đóng gói hoàn thiện mô hình. Bên cạnh đó, chương thẳng thắn chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện hữu và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng tính năng cho hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công một thiết bị phần cứng hoàn chỉnh với các thông số và kết quả vận hành cụ thể:

• Thông số vật lý: Thiết bị được đóng hộp gọn gàng với kích thước đo thực tế 137 mm x 116 mm x 36 mm, tích hợp màn hình LCD TFT cảm ứng 4.0 inch hiển thị sắc nét các dạng sóng và thông số sinh hiệu.
• Khả năng đo điện tim: Mạch chuyển mạch 3 IC CD4051BM và 2 IC 74HC595 vận hành chính xác, cho phép đo và hiển thị tuần tự 5 đạo trình: Đạo trình I, II, III, aVR và aVF mà không cần thay đổi vị trí các điện cực dán trên cơ thể người đo.
• Kết quả đối chứng ECG: Dạng sóng ECG 5 đạo trình thu nhận từ thiết bị thể hiện đầy đủ các thành phần đặc trưng (sóng P, phức bộ QRS, sóng T). Khi so sánh trực tiếp với máy đo điện tim chuyên dụng đạt chuẩn y tế GE Healthcare MAC2000, các đỉnh xung và biên độ sóng có sự tương đồng cao về hình dạng học và chu kỳ nhịp.
• Kết quả đo nhịp tim và $SpO_2$: Thử nghiệm đo đạc thực tế trên 3 đối tượng tình nguyện viên cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, các giá trị đo được ghi nhận và đối chứng với máy monitor theo dõi bệnh nhân chuyên dụng Comen C80.
• Hệ thống giám sát không dây: Thiết lập thành công Web server nhúng trên nền ESP32, cho phép kết nối qua địa chỉ IP mạng nội bộ. Web server hiển thị biểu đồ sóng điện tim động theo thời gian thực, lưu trữ thông tin cá nhân người đo và hỗ trợ trích xuất dữ liệu ra tệp PDF phục vụ công tác theo dõi bệnh án.

Bảng tổng hợp kết quả đo thực nghiệm các thông số sinh tồn trên 3 đối tượng tình nguyện viên (đối chứng giữa thiết bị tự chế tạo và máy chuyên dụng Comen C80):

Đối tượng thử nghiệm	Nhịp tim (BPM) - Thiết bị	Nhịp tim (BPM) - Comen C80	$SpO_2$ (%) - Thiết bị	$SpO_2$ (%) - Comen C80
Người thứ nhất	Ghi nhận ổn định	Tương đương	98%	98%
Người thứ hai	Ghi nhận ổn định	Tương đương	97%	98%
Người thứ ba	Ghi nhận ổn định	Tương đương	98%	99%

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng giải pháp chuyển mạch ma trận tương tự (sử dụng phối hợp CD4051BM và 74HC595) nhằm thay thế việc phải lắp đặt nhiều module khuếch đại AD8232 đắt tiền hoặc phải liên tục bóc dán lại điện cực gây suy giảm độ bám dính và tạo nhiễu tiếp xúc.
• Đề xuất quy trình chuẩn hóa tín hiệu gồm bộ lọc thông thấp L-C cho nguồn cấp và các thuật toán lọc số trong phần mềm nhằm giảm thiểu tối đa hiện tượng trôi đường đẳng điện do thở và nhiễu co cơ.
• Kiến nghị chuẩn hóa giao diện Web server để tối ưu hóa khả năng tương thích trên nhiều thiết bị nhận (điện thoại thông minh, máy tính cá nhân).

Đóng góp của đề tài

Tác giả đã tự xây dựng thành công một mô hình thiết bị y tế IoT có mức độ hoàn thiện cao từ khâu thiết kế phần cứng, mạch in PCB, lập trình thuật toán điều khiển đến đóng gói cơ khí 3D. Đề tài chứng minh tính khả thi của giải pháp chuyển mạch tự động hóa các đạo trình ECG với chi phí linh kiện thấp, đồng thời cung cấp giải pháp giám sát đa chỉ số sinh tồn (ECG, $SpO_2$, nhịp tim) tập trung trên nền tảng mạng không dây cục bộ phục vụ hỗ trợ y tế từ xa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

Dựa trên các giới hạn được tác giả công bố trong tài liệu:

• Thiết bị chỉ hoạt động được trong môi trường có phủ sóng mạng Wi-Fi; nếu mất kết nối không dây, chức năng giám sát và đẩy dữ liệu lên Web server không thể thực thi.
• Khả năng đo điện tim mới chỉ dừng lại ở 5 đạo trình (Đạo trình I, II, III, aVR, aVF), chưa mở rộng đầy đủ 12 chuyển đạo tiêu chuẩn lâm sàng (chưa đo đủ 6 chuyển đạo trước ngực từ $V_1$ đến $V_6$).
• Giao diện Web server được thiết kế phục vụ mạng cục bộ nội bộ, chưa triển khai lưu trữ cơ sở dữ liệu trên các nền tảng đám mây công cộng (Cloud server) để giám sát trên phạm vi Internet toàn cầu.
• Kích thước màn hình hiển thị trực tiếp trên thiết bị còn hạn chế (4.0 inch), gây khó khăn cho việc quan sát chi tiết nhiều đạo trình cùng một lúc trên giao diện phần cứng cục bộ.

Hướng nghiên cứu phát triển

• Tích hợp thêm các thuật toán thông minh (như máy học hoặc trí tuệ nhân tạo) trực tiếp trên vi điều khiển hoặc máy chủ để tự động phát hiện và cảnh báo sớm các dạng loạn nhịp tim nguy hiểm.
• Nghiên cứu mở rộng hệ thống chuyển mạch và đầu đọc tín hiệu để đo đầy đủ 12 chuyển đạo tiêu chuẩn lâm sàng.
• Nâng cấp hạ tầng phần mềm, kết nối thiết bị với hệ thống quản lý dữ liệu đám mây (Cloud Database) nhằm quản lý dữ liệu bệnh án lâu dài và cho phép các y bác sĩ theo dõi bệnh nhân từ bất kỳ đâu qua Internet.
• Tối ưu hóa kích thước vỏ hộp, thiết kế mạch tích hợp theo công nghệ dán bề mặt (SMD) để thu nhỏ kích thước thiết bị hơn nữa, hướng tới dạng thiết bị đeo y tế thông minh (wearable device).

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này cung cấp nguồn tư liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh: Tham khảo chi tiết phương pháp thu nhận, khuếch đại và lọc nhiễu tín hiệu điện sinh lý tim; nguyên lý đo quang phổ quang thể tích ($SpO_2$) và cách thức chuẩn hóa tín hiệu sinh học trước khi đưa vào bộ biến đổi tương tự - số (ADC).
• Kỹ sư và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Hệ thống Nhúng và IoT: Tham khảo thiết kế mạch ma trận chuyển đổi kênh analog thông minh sử dụng kết hợp IC 74HC595 và CD4051BM nhằm tiết kiệm tài nguyên chân vi điều khiển; kỹ thuật thiết kế nguồn ổn áp L-C chống nhiễu; phương pháp lập trình giao tiếp SPI, I2C, UART trên dòng chip ESP32-Wrover.
• Các nhóm nghiên cứu về thiết bị y tế cá nhân và y tế từ xa (Telemedicine): Khóa luận là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình xây dựng một sản phẩm y tế hoàn thiện từ sơ đồ nguyên lý, tính toán công suất tiêu thụ, layout PCB hai lớp, thiết kế vỏ hộp 2D/3D đến xây dựng Web server giám sát và thực hiện đánh giá đối chứng lâm sàng với các thiết bị chuyên dụng chuẩn mực (GE Healthcare MAC2000, Comen C80).

Câu hỏi thường gặp

1. Khối chuyển mạch (Switch Matrix) trong thiết bị được cấu tạo từ những linh kiện nào và có chức năng kỹ thuật gì? Khối chuyển mạch được cấu tạo từ 3 IC chuyển mạch tương tự CD4051BM và 2 IC thanh ghi dịch 74HC595. Chức năng chính của khối này là tạo ra 16 bit điều khiển (trong đó sử dụng 9 bit) để tự động định tuyến và chọn lựa các vị trí điện cực (RA, LA, RL) từ 2 cổng kết nối CN1, CN2 đưa về đầu vào của một module AD8232 duy nhất. Cơ chế này giúp thiết bị đo được tuần tự các đạo trình khác nhau mà người dùng không cần phải tháo và dán lại điện cực trên cơ thể.

2. Thiết bị sử dụng nguồn điện nào và giải pháp chống nhiễu nguồn cho mạch đo điện tim được thực hiện ra sao? Hệ thống sử dụng nguồn cấp từ pin sạc LiPo dung lượng 2500 mAh, điện áp 3,7 VDC, kết hợp module sạc tăng áp và IC ổn áp tuyến tính AMS1117-3.3V. Để loại bỏ nhiễu nguồn tác động lên các khối khuếch đại tín hiệu sinh học nhạy cảm, nhóm tác giả đã thiết kế bổ sung mạch lọc thông thấp L-C kết hợp các tụ điện lọc nguồn (100 nF, 22 µF) tại đầu vào vi điều khiển và các module cảm biến.

3. Thiết bị đã được thử nghiệm đối chứng với những dòng máy y tế chuyên dụng nào và kết quả ra sao? Thiết bị được thử nghiệm thực tế và đối chứng trực tiếp với hai dòng máy y tế chuẩn: máy đo điện tâm đồ GE Healthcare MAC2000 (để so sánh hình thái sóng ECG các đạo trình I, II, III, aVR, aVF) và máy monitor theo dõi bệnh nhân Comen C80 (để đối chứng độ chính xác của chỉ số nhịp tim và $SpO_2$ trên 3 người tình nguyện). Kết quả thực nghiệm cho thấy dạng sóng ECG thu được thể hiện rõ ràng các đỉnh sóng P-QRS-T tương đồng với máy MAC2000, các thông số $SpO_2$ và nhịp tim có độ chính xác cao và sai lệch không đáng kể so với máy Comen C80.

4. Thiết bị hiện tại đo được bao nhiêu đạo trình ECG và có những giới hạn vận hành nào? Thiết bị hiện đo được 5 đạo trình điện tim gồm: Đạo trình I, II, III, aVR và aVF. Các giới hạn vận hành chính bao gồm: bắt buộc phải có mạng Wi-Fi cục bộ để truyền dữ liệu lên Web server; dữ liệu chỉ được giám sát trên giao diện Web nội bộ do nhóm thiết kế; kích thước màn hình hiển thị cục bộ cố định ở 4.0 inch; và kích thước bao hộp của thiết bị là 137 mm x 116 mm x 36 mm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công thiết bị đo và giám sát điện tim, nồng độ oxy trong máu truyền dữ liệu không dây ứng dụng IoT" đã giải quyết thành công bài toán tích hợp phần cứng thu thập tín hiệu sinh lý đa thông số với nền tảng truyền thông không dây phục vụ chăm sóc sức khỏe. Nghiên cứu nổi bật ở giải pháp thiết kế mạch chuyển mạch ma trận tự động hóa quy trình đo 5 đạo trình ECG kết hợp cảm biến quang học đo $SpO_2$ và nhịp tim trong một thiết bị nhỏ gọn, vận hành bằng pin sạc. Kết quả đối chứng thực nghiệm với các thiết bị y tế chuyên dụng như GE Healthcare MAC2000 và Comen C80 khẳng định độ tin cậy và tính khả thi cao của hệ thống, đặt nền tảng thuận lợi cho các nghiên cứu nâng cấp thuật toán chẩn đoán tự động và mở rộng kết nối y tế đám mây trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Chương này sẽ đưa ra những kết luận sau khi thi công sản phẩm, nêu ra những hạn chế và hướng phát triển cho đề tài sau này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. GIỚI THIỆU Chương này trình bày tổng quan về điện tim và hoạt động của tim, phần cứng và phần mềm được sử dụng trong chương này 2. TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA TIM VÀ ĐIỆN TIM 2.

Mô tả hoạt động của tim Hình 2. Chu kỳ hoạt động của tim Mỗi chu kì tim bắt đầu từ pha co tâm nhĩ → pha co tâm thất → pha giãn chung. Mỗi một chu kì của tim bao gồm 3 pha và có thời gian là 0.8 giây [9]: Bắt đầu bằng pha co tâm nhĩ: 0.1s Nút xoang nhĩ lan truyền xung điện tới hai tâm nhĩ làm hai tâm nhĩ co tiếp đến van bán nguyệt đóng lại. Lúc này thể tích bên trong tâm nhĩ giảm đồng thời áp lực tâm nhĩ tăng lên.

Khiến cho van nhĩ thất mở ra và máu dồn xuống hai tâm thất. Pha co tâm thất: 0.3 s Nút xoang nhĩ lan truyền xung điện tới nút nhĩ thất, bó HIS và mang lưới Puockin làm hai tâm thất co, van nhĩ thất đóng lại dẫn đến áp lực trong tâm nhĩ tăng lên làm van bán nguyệt mở ra đẩy máu từ tim vào động mạch. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Pha giãn chung: 0.4s Tâm thất và tâm nhĩ cùng giãn, van nhĩ thất mở, van bán nguyệt đóng, máu từ tĩnh mạch chảy về tâm nhĩ, máu từ tâm nhĩ dồn xuống tâm thất 2. Sơ lược về điện tim 2.

Quá trình điện học của tim Hình 2. Quá trình điện học của tim Quá trình điện học xảy ra do sự chênh lệch hiệu điện thế. Sự biến này bắt nguồn từ sự di chuyển của các ion K+, Na+… từ ngoài vào trong tế bào và từ tế bào ra ngoài khi tế bào cơ tim hoạt động. Cùng với sự thay đổi tính thẩm thấu của màng tế bào đối với các ion.

Khi tế bào cơ tim bị kích thích và bắt đầu hoạt động, điện thế mặt ngoài màng tế bào trở nên âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong. Hiện tượng này gọi là hiện tượng khử cực (dépolarisation). Sau đó tế bào từ từ khôi phục lại thế cân bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực dương), quá trình này là tái cực (répolarisation). Tóm lại khi có dòng Natri, Kali chảy qua màng tim thì có điện thế được sinh ra.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hoạt động của điện thế cơ tim Hoạt động của điện tim bao gồm sự khử cực và tái khử cực. Sự hình thành ECG Sự khử cực khởi nguồn từ một xung điện phát ra từ nút xoang (sinoatrial node) xung điện này sẽ lan xuống tâm nhĩ và gây ra khử cực trong tâm nhĩ. Tuy nhiên giữa tâm nhĩ và tâm thất được ngăn cách bởi một màng xơ không dẫn truyền.

Các sóng khử cực không thể trực tiếp truyền xuống tâm thất nó phải thông qua một hệ thống dẫn truyền cơ tim đặc biệt. Nút nhĩ thất sẽ làm chậm lại sự dẫn truyền của các sóng khử cực này. Các sóng khử cực sẽ được truyền xuống tâm thất thông qua bó His. Ở trong tâm thất thì vách liên thất sẽ được khử cực trước và quá trình khử cực sẽ di chuyển từ trái sang phải.

Các sóng khử cực sẽ đi ra từ các sợi tận cùng của hệ thống dẫn truyền và di chuyển từ nội tâm mạc và hướng ra thượng tâm mạc của quả tim. Quá trình tái cực của tim thì không thật sự đồng bộ giữa các tế bào với nhau. Các tế bào cơ tim sẽ tái cực với tốc độ khác nhau phụ thuộc vào vị trí của nó trong quả tim. Những tế bào ở thượng tâm mạc sẽ có tốc độ tái cực nhanh nhất.

Tốc độ tái cực sẽ giảm dần khi đi từ thượng tâm mạc vào nội tâm mạc. Các sóng tái cực sẽ di chuyển trong tâm thất theo hướng ngược lại với sóng khử cực BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Nguyên lý đọc tín hiệu điện tim 2. Điện cực và chuyển đạo Xung điện từ truyền từ các tế bào nút xoang tâm nhĩ đến các bộ phận khác của tim chính là tín hiệu mà ta cần đo đạt.

Hình dạng tín hiệu này thể hiện được nhiều ý nghĩa sinh học trên các vị trí của tim, cứ mỗi xung điện đến từ các vị trí khác nhau trên tim sẽ cho các dạng sóng khác nhau, hình dạng đó chính là ECG [11]. Để thu thập tín hiệu ECG, chúng ta sử dụng các module và mạch khuếch đại để đo điện áp từ các điện cực gắn trên cơ thể. Đồng thời, quá trình này cũng bao gồm việc loại bỏ các nhiễu tín hiệu không mong muốn, cho phép thu được tín hiệu ECG chính xác và mong muốn. Vị trí các điện cực trên cơ thể Như đã đề cập ở trên, chúng ta có thể xác định tín hiệu ECG thông qua điện cực đặt trên bề mặt cơ thể.

Người ta đặt các điện cực ở những vị trí phù hợp nhất, nhằm phản ánh trung thực tín hiệu ECG, chúng ta có 10 điện cực: - 4 điện cực chi: RA (Right Arm), LA (Left Arm), RL (Right Leg), LL (Left leg) - 6 điện cực trước ngực: V1, V2, V3, V4, V5, V6. Trong điện tâm đồ có tổng cộng 12 chuyển đạo (còn gọi là đạo trình), bao gồm các chuyển đạo chi và chuyển đạo trước tim. 12 đạo trình bao gồm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 3 chuyển đạo lưỡng cực: I, II, III - Chuyển đạo I: Ghi lại sự chênh lệch điện thế giữa tay trái (LA) và tay phải (RA). - Chuyển đạo II: Ghi lại sự chênh lệch điện thế giữa chân trái (LL) và tay phải (RA).

- Chuyển đạo III: Ghi lại sự chênh lệch điện thế giữa chân trái (LL) và tay trái (LA). - 3 chuyển đạo đơn cực tăng cường (Augmented unipolar leads) : - aVR: Nhìn từ tay phải (RA). - aVL: Nhìn từ tay trái (LA). - aVF: Nhìn từ chân trái (LL).

- Sáu chuyển đạo trước tim (Precordial leads): 6 chuyển đạo - Được đo bằng các điện cực đặt trên thành ngực. - Ghi lại hoạt động điện của tim từ mặt phẳng ngang. - Sáu chuyển đạo trước tim: - V1: Đặt ở khoảng liên sườn 4, ngay bên phải xương ức. - V2: Đặt ở khoảng liên sườn 4, ngay bên trái xương ức.

- V3: Đặt giữa V2 và V4. - V4: Đặt ở khoảng liên sườn 5, trên đường trung đòn trái. - V5: Đặt ngang mức với V4, trên đường nách trước. - V6: Đặt ngang mức với V4 và V5, trên đường nách giữa.

Vị trí các đạo trình trên cơ thể BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Cách thu các đạo trình A. Chuyển đạo lưỡng cực: Dùng 3 điểm là tay phải, tay trái và chân trái để đặt chuyển đạo gián tiếp ghi hoạt động của tim.6 mô tả cách thu đạo trình các điện cực (từ ba vị trí tay phải, tay trái và chân trái có ký hiệu lần lượt là RA, LA và LL [14].Cách đặt chuyển đạo lưỡng cực Chuyển đạo I: Điện cực âm gắn ở cổ tay phải (-), điện cực dương gắn ở cổ tay trái (+), đó là chuyển đạo I, viết tắt là D1. Chuyển đạo II: Điện cực âm gắn ở cổ tay phải (-), điện cực dương gắn ở cổ chân trái (+), đó là chuyển đạo II, viết tắt là D2.

Chuyển đạo III: Điện cực âm gắn ở tay trái (-) và điện cực dương ở chân trái (+) đó là chuyển đạo III, viết tắt là D3. Tín hiệu ECG của các đạo trình lưỡng cực chi (I, II, III) được xác định theo công thức sau: VI = VLA – VRA (2.1) VII = VLL – VRA (2.2) VIII = VLL – VLA (2.3) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT B. Các chuyển đạo đơn cực tăng cường Hình 2. Cách thu các đạo trình tăng cường Hình 2.7 dùng 2 điên trở (khối màu đen để làm điện cực trung tính).

Nếu làm thế sẽ phức tạp quá trình thu. Chính vì thế các nhà khoa học đã sử dụng luôn đạo chuyển đạo lưỡng cực thể đo chuyển đạo tăng cường theo mô tả dưới đây mô tả ở Hình 2. Sơ đồ mắc các chuyển đạo tăng cường sau cải tiến Tín hiệu ECG của các đạo trình tăng cường aVR, aVL, aVF được xác định như sau: VLL + VLA I−II (2.5) VaVR = -VRA + =- 2 2 VLL + VRA I−III (2.6) VaVL = VLA − = 2 2 VLA + VRA II+III (2.7) VaVF = VLL − = 2 2 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT C. Các chuyển đạo đơn cực trước tim Chuyển đạo này bao gồm một điện cực trung tính đặt tại cực trung tâm và điện cực thăm dò đặt tại 6 vị trí trên ngực tạo nên 6 chuyển đạo trước tim, kí hiệu bằng chữ V (voltage) kèm theo các chỉ số từ 1 đến 6, được đặt lần lượt trên 6 điểm ở vùng trước tim như ở Hình 2.

Và chi tiết vị trí các điện cực gắn lên cơ thể bệnh nhân được trình bày dưới đây [14]. Vị trí đặt điện cực thăm dò của các chuyển đạo trước tim Tín hiệu ECG của các đạo trình trước ngực được xác định như sau: Vx = VĐiện cực ngực − VTrung tính (2.7) Trong đó: • Vx: là điện thế tại một chuyển đạo ngực (V1, V2, V3, V4, V5, hoặc V6). • VĐiện cực ngực: là điện thế tại vị trí đặt điện cực trên ngực. • VTrung tính: là điện áp trung bình của ba điện cực chi, tính bằng công thức sau: VLL + VRA+VLA Vtrung tính = (2.8) 3 • Vx là các đạo trình từ V1 đến V6 lần lượt được tính bằng hiệu của điện thế tại vị trí các điện cực trước ngực đó với điểm có điện thế bằng 0 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

PHÂN TÍCH HÌNH DẠNG SÓNG ĐIỆN TIM 2. Quá trình hình thành các sóng ECG Tất cả các chuyển đạo máy ECG được cài đặt sao cho nếu có một sóng khử cực nào đó có chiều hướng về một chuyển đạo bất kì nó sẽ hiển thị bằng một sóng dương trên chuyển đạo đó.