Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngừng tim đột ngột ngoài bệnh viện (Out-of-Hospital Cardiac Arrest - OHCA) là một biến chứng cấp tính nguy hiểm đối với tính mạng, thường xuất hiện ở bệnh nhân có bệnh lý nền như tăng huyết áp, rối loạn nhịp tim hoặc rối loạn chuyển hóa lipid. Thống kê năm 2016 ghi nhận tỷ lệ mắc OHCA dao động từ 50 đến 100 ca trên 100.000 người mỗi năm, với tỷ lệ sống sót sau khi xuất viện chỉ đạt từ 5% đến 20%. Kỹ thuật hồi sinh tim phổi (Cardiopulmonary Resuscitation - CPR) đóng vai trò sống còn vì hành động này cung cấp khoảng 1/3 lưu lượng máu bình thường lên não và duy trì 10% đến 20% lượng máu đến tim cùng các cơ quan trọng yếu.
Dữ liệu lâm sàng tại Việt Nam do PGS.TS Hoàng Bùi Hải và cộng sự khảo sát giai đoạn 2017 - 2019 trên 239 bệnh nhân ngừng tuần hoàn ngoại viện ghi nhận độ tuổi trung bình là 54,8 tuổi, tỷ lệ nam giới chiếm 72%. Đáng chú ý, 77% trường hợp xảy ra tại gia đình và 64,9% có người chứng kiến (trong đó 85,2% người chứng kiến là người thân). Tuy nhiên, chỉ có 8,7% người chứng kiến tiến hành cấp cứu ngừng tuần hoàn; 13,4% nạn nhân được vận chuyển bằng xe cứu thương 115. Kết quả là tỷ lệ sống sót khi xuất viện chỉ đạt 3,8%, tỷ lệ có kết cục thần kinh tốt đạt 0,4%, và tỷ lệ sống theo mẫu báo cáo Utstein đạt 10%. Tại Hoa Kỳ, khảo sát ở bang Texas giai đoạn 2019 - 2020 ghi nhận 3.619 ca OHCA; tỷ lệ được cấp cứu hồi sức giảm từ 46,2% năm 2019 xuống 42,2% năm 2020, tỷ lệ sống sót khi nhập viện giảm từ 27,2% xuống 21%, và tỷ lệ xuất viện giảm từ 10% xuống 7,4%.
Trở ngại lớn trong cấp cứu ngoài bệnh viện tại Việt Nam là điều kiện giao thông ùn tắc khiến thời gian tiếp cận của xe cấp cứu kéo dài (thực tế có trường hợp ghi nhận mất đến 22,4 phút). Trong khi đó, các tế bào neuron vỏ não sẽ chịu tổn thương không hồi phục sau khoảng 4 đến 6 phút thiếu oxy. Việc phổ cập kỹ năng và cung cấp công cụ hỗ trợ người không chuyên thực hiện CPR chuẩn xác là giải pháp cấp bách. Các thiết bị hiện hành trên thị trường có những hạn chế nhất định khi tiếp cận người dân: thiết bị ép tim tự động Lucas-II của Đại học Lund chủ yếu hướng tới nhân viên y tế chuyên nghiệp; trong khi thiết bị ép tim thủ công CPR Meter 2 của hãng Laerdal lại thiếu hướng dẫn trực quan cụ thể cho người chưa qua đào tạo y khoa. Từ thực trạng này, đề tài được triển khai nhằm chế tạo một thiết bị hỗ trợ nhỏ gọn, thao tác nhanh, cung cấp phản hồi trực tiếp bằng âm thanh và ánh sáng.
Mục tiêu nghiên cứu bao gồm:
- Thiết kế và thi công thiết bị đo đạc hai thông số kỹ thuật cốt lõi trong ép tim: tốc độ ép và độ sâu ép theo thời gian thực.
- Tích hợp hệ thống phản hồi âm thanh giọng nói và dải đèn LED chỉ báo để người không chuyên tự điều chỉnh thao tác chuẩn xác theo khuyến cáo y tế.
- Đảm bảo thiết bị khởi động nhanh (khoảng 7 giây), vận hành ổn định tối thiểu 30 phút bằng nguồn pin tích hợp.
Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 9 nội dung:
- Nội dung 1: Tham khảo, đọc và tóm tắt tài liệu chuyên ngành để xác định định hướng đề tài.
- Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống.
- Nội dung 3: Tính toán, thiết kế kết nối phần cứng giữa bo mạch Arduino Nano 33 BLE với cảm biến áp suất linh hoạt FSR, mạch sạc TP4056, dải LED RGB và module âm thanh DFPlayer Mini.
- Nội dung 4: Chế tạo phần cứng, thi công mạch in (PCB) và cảm biến lực điện trở.
- Nội dung 5: Xây dựng chương trình điều khiển và thuật toán xử lý tín hiệu cho vi điều khiển.
- Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, kiểm tra thông số, đánh giá sai số và hiệu chỉnh.
- Nội dung 7: Thiết kế vỏ hộp và cấu trúc cơ khí mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks.
- Nội dung 8: Soạn thảo báo cáo khóa luận tốt nghiệp.
- Nội dung 9: Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị hỗ trợ thao tác ép tim ngoài lồng ngực ứng dụng cảm biến áp trở linh hoạt FSR kết hợp cảm biến quán tính IMU; các thuật toán xử lý tín hiệu số (lọc số IIR/FIR và bộ lọc Kalman).
- Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; thực nghiệm trên mô hình ma-nơ-canh huấn luyện CPR tự tạo.
- Phạm vi thời gian: Thực hiện từ ngày 17/02/2025 đến ngày 14/06/2025.
- Giới hạn kỹ thuật: Kích thước hình học của thiết bị đạt 14 x 6,3 x 4,5 cm; sử dụng cảm biến FSR chế tạo thủ công; thời gian ổn định hệ thống sau khởi động là 7 giây; độ chính xác tính nhịp đạt 100%; độ chính xác đo độ sâu đạt tối đa 98,53%.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết y khoa của đề tài dựa trên quy trình Hồi sinh tim phổi cơ bản (Basic Life Support - BLS) chuẩn hóa theo trình tự ba bước C - A - B (Chest Compression - Airway - Breathing) ban hành bởi Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ (AHA) và Bộ Y tế Việt Nam. Trình tự này ưu tiên ép tim ngoài lồng ngực (C) ngay từ đầu để duy trì dòng tuần hoàn chứa oxy sẵn có trong máu đến các cơ quan trọng yếu, thay thế cho quy trình A - B - C truyền thống. Các tiêu chuẩn thao tác bắt buộc gồm:
- Vị trí đặt tay: 1/2 dưới xương ức của nạn nhân, xác định bằng cách miết dọc bờ sườn về mũi ức rồi lùi lên phía trên 2 khoát ngón tay. Vùng tiếp xúc ép chuẩn có kích thước tương đương 50 x 50 mm theo các nghiên cứu lâm sàng.
- Tư thế ép: Người cấp cứu quỳ hai gối rộng bằng vai, đặt gót bàn tay lên vị trí ép, các ngón tay đan vào nhau; cánh tay giữ thẳng, khuỷu tay không gập, tạo góc vuông 90 độ so với lồng ngực nạn nhân để truyền lực từ khớp háng và trọng tâm thân trên xuống.
- Thông số kỹ thuật: Tần số ép duy trì từ 100 đến 120 nhịp/phút; độ sâu ép đạt từ 50 đến 60 mm (khoảng 2 inch); thả lỏng hoàn toàn giữa các lần nhấn để lồng ngực giãn nở tối đa; chu kỳ thực hiện gồm 30 lần ép tim kết hợp 2 lần thổi ngạt.
Về mặt công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu:
- Cảm biến lực điện trở (Force-Sensing Resistor - FSR): Hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở, chuyển đổi áp lực cơ học tác động lên bề mặt thành sự biến thiên điện trở. Cảm biến được cấu tạo từ các hạt Graphene dẫn điện kết hợp sợi dệt.
- Cảm biến đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU) LSM9DS1: Cảm biến 9 trục tự do (9DOF) chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). Nguyên lý hoạt động dựa trên sự dịch chuyển của khối quán tính treo lơ lửng (proof mass) làm biến đổi khoảng cách $d$ giữa các điện cực ngón tay và điện cực cố định dạng răng lược, làm thay đổi điện dung $C = \varepsilon \cdot S / d$. Gia tốc tuyến tính $a$ được suy ra theo định luật II Newton ($F = m \cdot a$). Quãng đường dịch chuyển $S$ của lồng ngực được xác định bằng phương pháp tính tích phân hai lần gia tốc theo thời gian:
$$S = \iint a , dt$$
Trên hệ thống nhúng rời rạc, thuật toán tính toán thông qua vận tốc tích lũy:
$$v = v_0 + a \cdot dt$$
$$x = x_0 + v \cdot dt$$
- Kỹ thuật lọc số: Nhóm nghiên cứu khảo sát 4 dạng đáp ứng tần số gồm Butterworth, Chebyshev I, Chebyshev II và Elliptic. Bộ lọc số Butterworth thông thấp bậc 4 và bộ lọc thông cao bậc 1 được lựa chọn để triệt tiêu nhiễu tần số cao và thành phần trôi một chiều (DC drift) của gia tốc kế.
- Bộ lọc Kalman: Thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu được triển khai nhằm khử các dao động nhiễu vi mô phát sinh do tiếp xúc cơ học không đều của các lớp hạt Graphene trong cảm biến FSR. Thuật toán bao gồm ba bước tính toán tuần hoàn:
- Tính toán độ lợi Kalman ($KG$):
$$KG = \frac{E_{est}}{E_{est} + E_{mea}}$$
- Cập nhật ước lượng trạng thái hiện tại:
$$est_t = est_{t-1} + KG \cdot (mea - est_{t-1})$$
- Cập nhật sai số ước lượng có bổ sung tham số nhiễu quá trình ($q$):
$$E_{est_t} = (1 - KG) \cdot E_{est_{t-1}} + q$$
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Chế tạo vật liệu màng mỏng dẫn điện thủ công bằng kỹ thuật nhúng phủ dung dịch Graphene trên nền vải dệt.
- Mô phỏng mạch điện bằng phần mềm Proteus; thiết kế mô hình cơ khí 3D trên SolidWorks; lập trình nhúng trên môi trường Arduino IDE; phân tích và đối sánh tín hiệu trên phần mềm MATLAB.
- Thu thập dữ liệu thực nghiệm trên mô hình ma-nơ-canh tự chế, sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 làm thiết bị đối chứng chuẩn để đo lường độ sâu cơ học.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 4 khối chức năng chính: Khối xử lý trung tâm, Khối cảm biến, Khối chỉ báo và Khối nguồn.
| Khối chức năng |
Linh kiện / Công nghệ sử dụng |
Thông số kỹ thuật / Chức năng chính |
| Khối xử lý trung tâm |
Arduino Nano 33 BLE (Nordic nRF52840) |
Vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M4F, xung nhịp 64 MHz, 1 MB Flash, 256 KB RAM, 8 kênh ADC 12-bit, điện áp I/O 3,3V. |
| Khối cảm biến lực |
Tag cảm biến FSR 5 điểm tự chế tạo |
Kích thước mảng 65 x 50 mm, cấu trúc sandwich 4 lớp, điện trở không tải 10 MΩ, điện trở khi nhấn 250 Ω. |
| Khối cảm biến quán tính |
Cảm biến MEMS LSM9DS1 (tích hợp trên bo) |
Cảm biến 9 trục (gia tốc, con quay hồi chuyển, từ kế), giao tiếp I2C/SPI, dải đo gia tốc ±2g, ±4g, ±8g, ±16g. |
| Khối hiển thị |
2 thanh LED RGB WS2812B |
Điều khiển bằng 1 chân PWM, hiển thị dải màu trực quan báo tốc độ và độ sâu ép tim. |
| Khối phát âm thanh |
Module DFPlayer Mini kết hợp loa |
Giao tiếp UART (chân TX/RX), giải mã MP3 phát các câu hướng dẫn thao tác bằng giọng nói. |
| Khối nguồn |
Pin Li-Po, mạch TP4056, mạch PW5300A |
Mạch sạc bảo vệ TP4056 kết hợp IC tăng áp PW5300A kích lên 5V, cấp nguồn liên tục trên 30 phút. |
Quy trình chế tạo cảm biến FSR:
Cảm biến áp trở linh hoạt được thiết kế dạng mảng gồm 5 cảm biến con liên kết với nhau, tạo thành diện tích 65 x 50 mm nhằm bao trọn vùng đặt tay ép tim chuẩn 50 x 50 mm trên xương ức. Cấu trúc gồm 4 lớp vật liệu:
- Lớp điện cực: Sử dụng vật liệu Pyralux® AP (DuPont) - tấm laminate polyimide phủ đồng kép không dùng chất kết dính, hằng số điện môi $D_k = 3,4$, hệ số tổn thất $D_f = 0,002$. Điện cực được khắc hình vuông kích thước 15 x 15 mm, các đường dẫn đan xen dạng răng lược rộng 0,5 mm, khoảng cách giữa các đường là 2 mm.
- Lớp đệm: Cắt từ vật liệu đàn hồi kích thước 15 x 15 mm dạng khung lưới, đặt giữa lớp điện cực và lớp dẫn điện để ngăn tiếp xúc khi chưa có lực tác dụng, chống hiện tượng võng dão vật liệu.
- Lớp dẫn điện: Sử dụng vải cotton-poly (tỷ lệ 80% cotton, 20% polyester) dệt theo cấu trúc satin weave (filling-faced). Vải được nhuộm bằng mực dẫn điện Graphene thương mại (độ dẫn 10 Ω/cm²) pha loãng với dung môi butyl axetat theo tỷ lệ thể tích 1:2 (5 ml mực : 10 ml butyl axetat). Mẫu vải 6 x 6 cm được nhúng ngập trong 3 - 5 phút, ép phẳng bằng mica, để ráo 1 phút; quy trình nhúng được lặp lại 10 chu kỳ trước khi sấy khô. Điện trở bề mặt vải sau nhuộm đạt từ 10 đến 20 kΩ.
- Lớp bảo vệ ngoài cùng: Băng keo trong suốt cách ẩm, chống bụi bẩn và cố định cơ học toàn bộ cấu trúc.
Mạch đo tín hiệu FSR sử dụng cấu hình phân áp kết hợp điện trở kéo xuống $R = 10\text{ k}\Omega$, cấp điện áp $V_{cc} = 3,3\text{V}$:
$$V_{sensor} = V_{cc} \cdot \frac{R}{R + R_{sensor}}$$
Khi không có lực nhấn, $R_{sensor} \approx 10\text{ M}\Omega$, điện áp ra $V_{sensor} \approx 0,003\text{V} \approx 0\text{V}$. Khi nhấn với lực đầy đủ, $R_{sensor} \approx 250,\Omega$, điện áp ngõ ra đạt $V_{sensor} \approx 3,29\text{V} \approx 3,3\text{V}$. Tín hiệu từ 5 cảm biến con được đưa vào các ngõ ADC A3, A4, A5, A6, A7 của vi điều khiển.
Thuật toán xử lý và điều khiển:
- Tín hiệu FSR sau khi đọc qua ADC được đưa qua bộ lọc Kalman với giá trị phương sai đo lường xác định qua thực nghiệm $E_{mea} = 217$, bổ sung hệ số nhiễu quá trình $q$ để bám sát tốc độ chuyển dịch của từng nhịp nhấn mà không gây trễ pha.
- Tín hiệu gia tốc tuyến tính trục Z từ LSM9DS1 được lọc thông qua bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4 kết hợp lọc thông cao bậc 1 để loại bỏ trôi DC, sau đó tính tích phân hai lần để xác định độ lún của lồng ngực.
- Vi điều khiển liên tục so sánh tần số nhấn với ngưỡng 100 - 120 nhịp/phút và độ sâu với ngưỡng 50 - 60 mm để kích hoạt thanh LED RGB chuyển trạng thái màu tương ứng, đồng thời gửi lệnh UART tới DFPlayer Mini phát các câu hướng dẫn: nhấn nhanh hơn, nhấn chậm lại, nhấn sâu hơn hoặc duy trì thao tác.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài thông qua các số liệu dịch tễ học về tỷ lệ tử vong do ngừng tim ngoài bệnh viện (OHCA) tại Việt Nam và trên thế giới. Nội dung phân tích cơ chế thiếu máu não và giới hạn thời gian vàng 4 - 6 phút trong cấp cứu ngừng tuần hoàn. Tác giả đối chiếu tính năng và giới hạn của hai dòng sản phẩm trên thị trường là Lucas-II (thiết bị ép tim tự động) và CPR Meter 2 (thiết bị phản hồi cầm tay), từ đó xác lập mục tiêu nghiên cứu, 9 nhiệm vụ cụ thể, cấu trúc đồ án và 5 giới hạn kỹ thuật về kích thước (14 x 6,3 x 4,5 cm), thời gian khởi động (7 giây), độ chính xác tính nhịp (100%) và độ chính xác tính độ sâu (tối đa 98,53%).
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Chương 2 hệ thống hóa kiến thức chuyên môn về quy trình hồi sinh tim phổi cơ bản (BLS) theo chuẩn C - A - B của AHA và Bộ Y tế, giải thích chi tiết động học cơ thể người cấp cứu và vị trí ép tim tại 1/2 dưới xương ức. Chương này phân tích nguyên lý cảm biến áp trở linh hoạt FSR, cấu trúc phân tử Graphene, đặc tính vải dệt cotton-poly 80/20 và màng polyimide Pyralux® AP. Đồng thời, chương 2 làm rõ cấu tạo MEMS của cảm biến quán tính 9 trục LSM9DS1, công thức tích phân kép gia tốc rời rạc để đo khoảng cách, lý thuyết lọc số IIR/FIR (Butterworth, Chebyshev, Elliptic) và toán học bộ lọc Kalman (độ lợi $KG$, cập nhật ước lượng trạng thái, phương sai sai số và tham số nhiễu quá trình $q$).
Chương 3. Tính toán và thiết kế
Chương 3 chi tiết hóa sơ đồ khối toàn hệ thống và tính toán thiết kế cho từng khối chức năng. Tác giả phân tích cấu hình vi điều khiển Arduino Nano 33 BLE dùng chip nRF52840, tính toán công suất tiêu thụ của các ngõ xuất I/O đạt 99 mW tại dòng 30 mA. Chương này trình bày quy trình tính toán kích thước tag cảm biến 5 điểm kích thước 65 x 50 mm dựa trên diện tích nhấn chuẩn 50 x 50 mm của nghiên cứu Yasuaki Koyama; tính toán mạch chia áp phân giải điện trở FSR với trở kéo 10 kΩ; thiết kế mạch giao tiếp UART với module âm thanh DFPlayer Mini; mạch điều khiển dải LED WS2812B; sơ đồ nguyên lý khối nguồn dùng pin Li-Po, IC sạc TP4056 và IC tăng áp PW5300A. Phần xử lý tín hiệu trình bày thiết kế chi tiết bộ lọc Butterworth số bậc 4 và lựa chọn tham số cho bộ lọc Kalman ($E_{mea} = 217$).
Chương 4. Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế phần cứng và lập trình nhúng. Nội dung bao gồm các bước nhuộm vải Graphene thủ công; gia công ăn mòn mạch in Pyralux cho lớp điện cực; lắp ráp hoàn thiện mảng cảm biến FSR 4 lớp; thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên Proteus và hàn lắp linh kiện điều khiển. Chương này giới thiệu mô hình vỏ hộp thiết bị được dựng hình trên SolidWorks và in bằng công nghệ in 3D; xây dựng các lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh bao gồm: chương trình chính, chương trình khởi tạo cấu hình LSM9DS1, hàm đọc và lọc dữ liệu FSR, chương trình chỉ báo tốc độ nhấn và chương trình tính toán, hiển thị độ sâu ép tim. Cuối chương là tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành và thao tác đặt thiết bị trên người bệnh.
Chương 5. Kết quả - nhận xét - đánh giá
Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được: hình thái bề mặt và độ dẫn điện của vải sau nhuộm Graphene (đạt 10 - 20 kΩ); phép đo độ dày cảm biến FSR bằng thiết bị đo mini; đồ thị đáp ứng lực - áp suất và kết quả thử nghiệm độ bền bằng máy nhấn cơ học tự tạo. Tác giả phân tích đồ thị so sánh đáp ứng lọc tín hiệu gia tốc trục Z và tín hiệu FSR trên MATLAB đối chiếu với tín hiệu xử lý trực tiếp trên vi điều khiển qua các trạng thái tĩnh, chuyển động đơn lẻ và dao động liên tục ở các tần số 100, 110 và 120 nhịp/phút. Kết quả kiểm thử chức năng CPR trên ma-nơ-canh huấn luyện cho thấy độ sai số đo sâu đối chứng với cảm biến siêu âm HC-SR04 ở các tần số 99 nhịp/phút và 136 nhịp/phút, cùng bảng tổng kết dự toán kinh phí linh kiện chế tạo.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành so với các mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định khả năng vận hành của thiết bị trong việc hỗ trợ cấp cứu ép tim cho người không chuyên môn. Tác giả chỉ ra các hạn chế cố hữu về độ bền vật liệu cảm biến FSR thủ công và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển đề tài trong các giai đoạn tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Các kết quả định lượng được trích xuất trực tiếp từ các đợt thử nghiệm thực tế của khóa luận:
- Chế tạo vật liệu dẫn điện: Vải cotton-poly (80/20) sau quy trình nhuộm nhúng 10 chu kỳ trong dung dịch Graphene/butyl axetat đạt độ dẫn điện ổn định với mức điện trở từ 10 đến 20 kΩ.
- Hoạt động của cảm biến FSR: Cảm biến thể hiện dải điện áp ngõ ra biến thiên rõ rệt từ xấp xỉ 0V (0,003V ở trạng thái không tải với điện trở 10 MΩ) đến xấp xỉ 3,3V (3,29V khi chịu lực nhấn với điện trở 250 Ω).
- Độ chính xác tính toán: Thiết bị đạt độ chính xác tính nhịp ép tim 100%; độ chính xác đo lường độ sâu ép tim đạt tối đa 98,53% (tùy thuộc vào tốc độ nhấn của người thao tác khi đối chứng với cảm biến chuẩn siêu âm HC-SR04).
- Thời gian đáp ứng: Thiết bị cần thời gian ổn định tín hiệu ban đầu là 7 giây sau khi khởi động trước khi bước vào trạng thái sẵn sàng đo đạc.
- Quy chuẩn kích thước và nguồn: Toàn bộ hệ thống phần cứng, cảm biến, pin Li-Po và mạch chuyển đổi được tích hợp trong vỏ hộp in 3D kích thước 14 x 6,3 x 4,5 cm, đáp ứng thời gian hoạt động liên tục vượt mốc yêu cầu tối thiểu 30 phút.
Các giải pháp và kiến nghị do tác giả đề xuất:
- Tích hợp đồng thời phản hồi thị giác (thanh LED RGB WS2812B) và phản hồi thính giác (giọng nói qua DFPlayer Mini) để cung cấp hướng dẫn trực quan theo thời gian thực, giúp người thao tác không bị phân tâm hoặc lúng túng trong tình huống khẩn cấp.
- Áp dụng bộ lọc Kalman một chiều có bổ sung hệ số nhiễu quá trình $q$ cho tín hiệu cảm biến FSR, giải quyết triệt để hiện tượng trôi mức tín hiệu và hiện tượng dẹt tín hiệu khi thao tác ép nhả diễn ra liên tục ở tần số cao.
- Kết hợp bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4 và bộ lọc thông cao bậc 1 để xử lý tín hiệu gia tốc từ cảm biến LSM9DS1, hạn chế tối đa sai số tích lũy của phép tích phân kép.
Đóng góp của đề tài:
- Chế tạo thành công cảm biến áp trở linh hoạt FSR từ vật liệu vải dệt cotton-poly kết hợp hạt Graphene với chi phí thấp, thay thế các cảm biến áp lực thương mại đắt tiền.
- Thiết kế mảng 5 cảm biến con kích thước 65 x 50 mm tối ưu hóa cho diện tích tiếp xúc bàn tay tại vị trí 1/2 dưới xương ức theo đúng dữ liệu nghiên cứu giải phẫu y khoa.
- Xây dựng thiết bị hỗ trợ CPR hướng tới đối tượng người không chuyên môn, thu hẹp khoảng cách tiếp cận công nghệ so với các thiết bị đắt tiền dùng trong bệnh viện (như Lucas-II) và khắc phục nhược điểm thiếu chỉ dẫn chi tiết của các thiết bị đo lường cầm tay hiện nay (như CPR Meter 2).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận trong văn bản:
- Cảm biến áp trở linh hoạt FSR được chế tạo bằng phương pháp thủ công (nhúng phủ dung dịch và ép mica bằng tay), dẫn đến độ đồng đều bề mặt, độ nhạy và độ bền cơ học qua nhiều chu kỳ nén ép liên tục còn giới hạn.
- Hệ thống yêu cầu thời gian khởi động ổn định khoảng 7 giây để cân bằng các giá trị đo ban đầu trước khi có thể thực hiện cấp cứu.
- Độ chính xác trong phép đo độ sâu phụ thuộc vào tần số nhấn của người dùng, sai số có xu hướng tăng lên khi tốc độ ép dao động quá nhanh hoặc không đều ngoài dải chuẩn.
- Các cảnh báo phản hồi của thiết bị chỉ giới hạn ở việc đếm nhịp và cảnh báo độ sâu thông qua hệ thống câu lệnh âm thanh cố định và màu sắc đèn LED.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Cải tiến quy trình chế tạo cảm biến FSR bằng các phương pháp công nghiệp chuẩn hóa như kỹ thuật in lưới (Screen-printing) hoặc phủ nhúng tự động (Dip coating) nhằm nâng cao độ bền, độ lặp lại và độ nhạy của màng dẫn điện.
- Tối ưu hóa thuật toán tích phân và bù sai số trôi cho cảm biến quán tính LSM9DS1 nhằm duy trì độ chính xác cao của phép đo độ sâu trên toàn bộ các dải tốc độ ép tim khác nhau.
- Tối ưu hóa phần mềm để rút ngắn thời gian khởi động và ổn định của vi điều khiển xuống dưới 7 giây, đáp ứng yêu cầu khẩn cấp của các tình huống cấp cứu ngưng tuần hoàn.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận trong việc chuyển hóa các hướng dẫn y khoa lâm sàng (chuẩn cấp cứu hồi sinh tim phổi BLS/AHA) thành các thông số kỹ thuật và bài toán thiết kế thiết bị y tế cụ thể.
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Hệ thống nhúng và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu thực chứng về phương pháp thiết kế phần cứng nhúng dựa trên vi điều khiển ARM Cortex-M4 (nRF52840), kỹ thuật xử lý tín hiệu số từ cảm biến quán tính MEMS (LSM9DS1) và kỹ thuật phân áp cho cảm biến trở kháng.
- Các nhóm nghiên cứu về cảm biến linh hoạt (Flexible Sensors) và vật liệu mới: Tài liệu mô tả chi tiết tỷ lệ pha chế, dung môi và quy trình 4 bước nhuộm phủ mực Graphene trên vải cotton-poly dệt satin weave để chế tạo cảm biến áp trở màng mỏng giá thành thấp.
- Các kỹ sư phát triển thiết bị mô phỏng và huấn luyện y tế: Phần thiết kế mô hình ma-nơ-canh huấn luyện và hệ thống đo đối chứng bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 là tư liệu thực nghiệm có giá trị triển khai thực tế.
Câu hỏi thường gặp
1. Hai thông số kỹ thuật cốt lõi trong hồi sinh tim phổi mà thiết bị cần đo lường và kiểm soát là gì?
Thiết bị đo lường tốc độ ép tim (yêu cầu đạt từ 100 đến 120 nhịp/phút) thông qua cảm biến áp trở linh hoạt FSR và độ sâu ép tim (yêu cầu đạt từ 50 đến 60 mm, tương đương ít nhất 2 inch) thông qua cảm biến đo lường quán tính MEMS LSM9DS1.
2. Mảng cảm biến FSR trong đồ án được cấu tạo từ những lớp vật liệu nào và kích thước ra sao?
Mảng cảm biến FSR gồm 5 cảm biến con liên kết thành diện tích 65 x 50 mm (bao trùm diện tích ép chuẩn 50 x 50 mm trên xương ức). Cấu trúc gồm 4 lớp: lớp điện cực bằng vật liệu Pyralux® AP (đồng trên nền polyimide, kích thước điện cực 15 x 15 mm, khoảng cách răng lược 2 mm); lớp đệm đàn hồi ngăn cách; lớp dẫn điện bằng vải cotton-poly 80/20 dệt satin weave nhuộm mực Graphene (đạt điện trở 10 - 20 kΩ); và lớp bảo vệ ngoài cùng bằng băng keo trong suốt.
3. Tín hiệu gia tốc được biến đổi thành độ sâu ép lồng ngực bằng phương pháp nào?
Tín hiệu gia tốc tuyến tính trục Z từ cảm biến LSM9DS1 sau khi loại bỏ nhiễu bằng bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4 và lọc thông cao bậc 1 sẽ được tính tích phân hai lần theo thời gian trên hệ thống nhúng thông qua các công thức rời rạc: vận tốc $v = v_0 + a \cdot dt$ và vị trí $x = x_0 + v \cdot dt$.
4. Thiết bị xử lý hiện tượng nhiễu tiếp xúc của cảm biến FSR bằng thuật toán gì?
Thiết bị triển khai bộ lọc Kalman một chiều với sai số phép đo thực nghiệm $E_{mea} = 217$. Thuật toán được bổ sung tham số nhiễu quá trình $q$ trong bước cập nhật sai số ước lượng để đảm bảo bộ lọc đáp ứng nhanh với sự thay đổi biên độ đột ngột của từng nhịp nhấn, tránh hiện tượng trễ pha và làm phẳng tín hiệu.
5. Kết quả kiểm nghiệm độ chính xác của thiết bị trên mô hình thực nghiệm đạt mức nào?
Khi thử nghiệm trên mô hình ma-nơ-canh huấn luyện và đối chứng với cảm biến chuẩn siêu âm HC-SR04, thiết bị đạt độ chính xác tính nhịp ép tim 100% và độ chính xác đo độ sâu ép tim đạt tối đa 98,53%.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo thành công thiết bị hỗ trợ cấp cứu ép tim ngoài lồng ngực dành cho người không chuyên môn, tích hợp mảng cảm biến áp trở linh hoạt FSR tự chế và cảm biến quán tính 9 trục LSM9DS1 trên nền tảng vi điều khiển Arduino Nano 33 BLE. Hệ thống xử lý tín hiệu thời gian thực bằng bộ lọc Butterworth và bộ lọc Kalman, cung cấp phản hồi trực quan qua giọng nói và đèn LED với độ chính xác tính nhịp đạt 100% và đo độ sâu đạt 98,53%. Mặc dù quy trình chế tạo cảm biến thủ công còn một số hạn chế về độ bền, kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của giải pháp công nghệ giá thành thấp, đóng góp tư liệu kỹ thuật quan trọng cho lĩnh vực thiết bị y tế hỗ trợ cộng đồng.