Đồ án HCMUTE: Thiết kế đầu đọc thẻ gel phục vụ xét nghiệm nhóm máu

Đồ án nghiên cứu hcmute design of a gel card reader for blood grouping tests, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Trương Hoàng Gia Bảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: HCMC University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Biomedical Engineering
• Đề tài: Thiết kế đầu đọc thẻ gel cho xét nghiệm nhóm máu
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: PROBLEM STATEMENT
• 1.1. OBJECTIVE
• 1.2. THESIS CONTENTS
• 1.3. LIMITATIONS
• 1.4. BRIEF SUMMARY OF THESIS
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. TYPES OF HUMAN BLOOD
• 2.2. GEL CARD METHOD AND TYPE OF GEL CARDS
• 2.2.1. Gel Card method
• 2.2.2. Type of Gel Cards

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về đầu đọc thẻ gel cho xét nghiệm nhóm máu là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực y tế. Thiết kế này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định nhóm máu mà còn giảm thiểu chi phí cho các cơ sở y tế. Hệ thống này sử dụng công nghệ immunohematology để phân tích mẫu máu thông qua phân tích hình ảnh gel. Việc sử dụng phần mềm phân tích nhóm máu giúp tự động hóa quy trình, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của kết quả xét nghiệm. Theo nghiên cứu, việc áp dụng kỹ thuật gel trong xét nghiệm nhóm máu đã chứng minh được tính ưu việt so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Tầm quan trọng của xét nghiệm nhóm máu

Xét nghiệm nhóm máu đóng vai trò quan trọng trong y học, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp như truyền máu. Việc xác định chính xác nhóm máu giúp ngăn ngừa các phản ứng bất lợi có thể xảy ra trong quá trình truyền máu. Hệ thống xác định nhóm máu hiện tại chủ yếu dựa vào các phương pháp thủ công, dễ xảy ra sai sót. Do đó, việc phát triển một đầu đọc thẻ gel có khả năng tự động hóa quy trình xét nghiệm là rất cần thiết.

II. Phương pháp Gel Card

Phương pháp Gel Card là một trong những phương pháp hiện đại nhất trong xét nghiệm nhóm máu. Thẻ gel được thiết kế với các ống nhỏ chứa gel và thuốc thử tương ứng. Khi mẫu máu được đưa vào, phản ứng giữa kháng nguyên và kháng thể sẽ diễn ra trong môi trường gel. Kết quả sẽ được xác định dựa trên vị trí của các tế bào hồng cầu trong gel sau khi quay ly tâm. Phân tích hình ảnh gel cho phép xác định mức độ ngưng kết của tế bào hồng cầu, từ đó xác định nhóm máu một cách chính xác. Việc sử dụng phần mềm phân tích nhóm máu giúp tự động hóa quy trình này, giảm thiểu sai sót do con người.

2.1. Cấu trúc của thẻ gel

Thẻ gel thường có từ 6 đến 8 ống nhỏ, mỗi ống chứa gel và thuốc thử khác nhau. Các ống này được thiết kế để chỉ cho phép các tế bào hồng cầu bình thường đi qua, trong khi các tế bào đã ngưng kết sẽ bị giữ lại trong gel. Điều này giúp dễ dàng phân tích và xác định nhóm máu. Kháng nguyên nhóm máu được sử dụng trong thẻ gel bao gồm Anti A, Anti B, và Anti D, giúp xác định các nhóm máu A, B, AB, và O.

III. Thiết kế và tính toán

Quá trình thiết kế đầu đọc thẻ gel bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định các thành phần cần thiết như Raspberry Pi 4B, camera, và các linh kiện điện tử khác. Sau đó, thiết kế sơ đồ khối cho thiết bị, bao gồm các phần như nguồn điện, bộ xử lý trung tâm, và giao diện người dùng. Việc tính toán công suất và thiết kế mạch điện cũng rất quan trọng để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định. Phân tích sinh học và phân tích hình ảnh là hai yếu tố chính trong việc phát triển phần mềm cho đầu đọc thẻ gel.

3.1. Thiết kế mạch điện

Mạch điện của đầu đọc thẻ gel cần được thiết kế sao cho đảm bảo cung cấp đủ điện năng cho các linh kiện. Việc sử dụng mạch nguồn chuyển đổi giúp giảm thiểu kích thước và trọng lượng của thiết bị. Các linh kiện như bộ lọc nhiễu và mạch chỉnh lưu cũng cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình hoạt động. Thiết kế PCB cũng là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa không gian và hiệu suất của thiết bị.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ việc thử nghiệm đầu đọc thẻ gel cho thấy độ chính xác cao trong việc xác định nhóm máu. Hệ thống đã có thể nhận diện và phân tích các mẫu gel một cách nhanh chóng và hiệu quả. So với các thiết bị hiện có trên thị trường, đầu đọc thẻ gel này có giá thành thấp hơn nhiều, giúp các cơ sở y tế dễ dàng tiếp cận công nghệ mới. Phân tích sinh học cho thấy rằng hệ thống có thể xử lý nhiều mẫu cùng lúc, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các thiết bị y tế tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu suất

Đánh giá hiệu suất của đầu đọc thẻ gel cho thấy rằng thiết bị có thể đạt được độ chính xác lên đến 95% trong việc xác định nhóm máu. Điều này cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ phân tích hình ảnh trong xét nghiệm nhóm máu là một bước tiến lớn. Hệ thống cũng cho phép lưu trữ và quản lý thông tin bệnh nhân, giúp cải thiện quy trình làm việc tại các cơ sở y tế.

V. Kết luận và hướng phát triển

Dự án thiết kế đầu đọc thẻ gel cho xét nghiệm nhóm máu đã đạt được những kết quả khả quan. Hệ thống không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định nhóm máu mà còn giảm thiểu chi phí cho các cơ sở y tế. Trong tương lai, có thể mở rộng tính năng của thiết bị để hỗ trợ nhiều loại xét nghiệm khác nhau. Việc phát triển thêm các thuật toán phân tích sinh học và phân tích hình ảnh sẽ giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất của hệ thống. Điều này không chỉ có lợi cho ngành y tế mà còn góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ chăm sóc sức khỏe tại Việt Nam.

5.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ nhạy của hệ thống và mở rộng khả năng nhận diện các loại thẻ gel khác nhau. Việc tích hợp công nghệ AI vào quy trình phân tích cũng là một hướng đi tiềm năng, giúp tự động hóa hoàn toàn quy trình xét nghiệm. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các xét nghiệm y tế trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Xét nghiệm máu đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động chẩn đoán y khoa, bao gồm các mảng xét nghiệm sinh hóa, huyết học, đông máu và định nhóm máu. Việc xác định chính xác nhóm máu là điều kiện tiên quyết nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối trong truyền máu và phát hiện sớm các bất thường miễn dịch. Lịch sử y học ghi nhận năm 1901, Karl Landsteiner phát hiện ba nhóm máu cơ bản A, B, O; đến năm 1902, nhóm máu AB được công bố; hơn 40 năm sau, hệ thống kháng nguyên Rhesus (Rh) tiếp tục được phát hiện, tạo nên bước ngoặt lớn cho an toàn truyền máu.

Trong nhiều thập kỷ, quy trình định nhóm máu truyền thống chủ yếu dựa trên phương pháp thủ công như thử nghiệm trên phiến sứ (enamel slabs) hoặc trong ống nghiệm (in vitro). Mặc dù đơn giản và chi phí thấp, các phương pháp này tồn tại nhược điểm lớn: dễ phát sinh sai sót kỹ thuật, nhầm lẫn trong thao tác hành chính và phụ thuộc nhiều vào trình độ chủ quan của kỹ thuật viên. Để khắc phục, công nghệ thẻ gel (Gel Card) do Yves Lapierre phát triển đã ra đời và trở thành kỹ thuật tiêu chuẩn tại các bệnh viện, phòng xét nghiệm hiện đại nhờ khả năng chuẩn hóa phản ứng ngưng kết.

Tuy nhiên, các hệ thống đầu đọc thẻ gel tự động (Gel Card Reader) thương mại nhập khẩu tại Việt Nam (như thiết bị DG Reader của Grifols) có giá thành rất cao, thường không dưới 5.000 USD, gây khó khăn cho việc trang bị đồng bộ tại các cơ sở y tế tuyến cơ sở. Trước thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y sinh với đề tài "Thiết kế đầu đọc thẻ gel cho xét nghiệm nhóm máu" (Design of a Gel Card Reader for Blood Grouping Tests) được nhóm sinh viên Trương Hoàng Gia Bảo và Nguyễn Minh Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thành Hải tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống đầu đọc thẻ gel tự động có khả năng nhận diện nhóm máu với độ chính xác cao và giá thành thấp. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Nghiên cứu hệ thống nhóm máu và nguyên lý xét nghiệm định nhóm máu bằng phương pháp Gel Card.
2. Khảo sát chức năng và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị Gel Card Reader.
3. Thiết kế lưu đồ thuật toán và lập trình xử lý ảnh trên nền tảng ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV.
4. Tính toán, thiết kế và thi công mạch nguồn xung (Switching Power Supply) 5V–5A cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.
5. Thiết kế và gia công vỏ máy bảo vệ cùng buồng chụp ảnh kín bằng phần mềm SolidWorks và công nghệ in 3D.
6. Xây dựng giao diện đồ họa người dùng (GUI) để điều khiển, hiển thị kết quả và quản lý hồ sơ bệnh nhân.
7. Thi công hoàn thiện mô hình, thử nghiệm trên mẫu thực tế và so sánh đánh giá với thiết bị thương mại.
8. Hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thẻ Gel Card xét nghiệm nhóm máu (các loại thẻ thông dụng: Forward, Forward and Reverse, CrossMatch, Coombs).
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế mô hình phần cứng nhúng sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 4B kết hợp webcam USB Full HD; nguồn mẫu thẻ gel thực nghiệm được hỗ trợ bởi Khoa Xét nghiệm – Bệnh viện Đa khoa Khu vực Thủ Đức cùng sự hỗ trợ kỹ thuật từ Công ty TNHH Thiết bị Y tế Nghĩa Tín và Công ty Công nghệ Dương Phú.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 07/10/2020 đến ngày 20/01/2021.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

1. Cơ sở lý thuyết y sinh về hệ nhóm máu và kỹ thuật Gel Card

Hệ nhóm máu ABO phân loại nhóm máu dựa trên sự hiện diện hay vắng mặt của kháng nguyên A và B trên bề mặt hồng cầu. Sự kết hợp giữa kháng nguyên trên hồng cầu và kháng thể trong huyết tương quy định bốn nhóm máu chính: A, B, AB và O. Bên cạnh đó, hệ Rhesus phân loại dựa trên kháng nguyên Rhesus D (RhD): người có kháng nguyên D là Rh dương ($Rh^+$), người không có là Rh âm ($Rh^-$).

Kỹ thuật Gel Card sử dụng các thẻ nhựa chứa 6 hoặc 8 vi ống (microtubes). Mỗi vi ống được nạp sẵn một lượng gel hạt có kích thước xác định đóng vai trò như một màng lọc cơ học, cùng với các kháng thể đơn dòng tương ứng (Anti-A, Anti-B, Anti-D, hoặc môi trường trung tính Ctrl). Hỗn dịch hồng cầu pha loãng trong dung dịch LISS (Low Ionic Strength Solution) được nhỏ vào buồng phản ứng ở phần trên của vi ống. Sau thời gian ủ, thẻ được đưa vào máy ly tâm chuyên dụng quay ở lực ly tâm $85g$ (tương đương 880 vòng/phút) trong 10 phút.

Dưới tác động của lực ly tâm:

• Nếu xảy ra phản ứng ngưng kết (kháng nguyên gặp kháng thể tương ứng), các phức hợp hồng cầu ngưng kết có kích thước lớn sẽ bị giữ lại trên bề mặt hoặc lơ lửng trong cột gel (kết quả dương tính).
• Nếu không xảy ra phản ứng ngưng kết, các hồng cầu tự do đi xuyên qua các khe hở của hạt gel và lắng xuống đáy vi ống tạo thành một điểm gọn (kết quả âm tính).

Mức độ ngưng kết được phân loại theo thang tiêu chuẩn y khoa:

• Mức 4+: Toàn bộ khối hồng cầu ngưng kết tập trung thành dải đặc ở đỉnh cột gel.
• Mức 3+: Phần lớn hồng cầu ngưng kết nằm ở nửa trên của cột gel.
• Mức 2+: Hồng cầu ngưng kết phân bố rải rác dọc theo toàn bộ chiều dài cột gel.
• Mức 1+: Phần lớn hồng cầu ngưng kết lắng xuống nửa dưới cột gel, một phần nhỏ ở đáy.
• Mức 0 (hoặc -): Không có ngưng kết, tất cả hồng cầu lắng hoàn toàn xuống đáy vi ống.

2. Phương pháp nghiên cứu và thuật toán xử lý ảnh

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật tích hợp phần cứng - phần mềm, kết hợp thực nghiệm so sánh đối chứng. Quy trình xử lý ảnh số gồm các kỹ thuật chính:

• Cắt vùng quan tâm (ROI): Tách riêng từng vi ống trong ảnh chụp toàn bộ thẻ gel.
• Chuyển đổi không gian màu: Chuyển từ không gian màu RGB sang không gian màu HSV (Hue - Saturation - Value) để phân đoạn màu đỏ của hồng cầu độc lập với cường độ chiếu sáng.
• Phân ngưỡng nhị phân (Binary Thresholding): Áp dụng ngưỡng cố định ($T = 10$) trên ảnh xám sau khi lọc sắc độ đỏ để chuyển ảnh thành dạng nhị phân trắng/đen.
• Toán tử hình thái học (Dilation): Áp dụng phép toán giãn nở hình ảnh với phần tử cấu trúc kích thước $5 \times 5$ để kết nối các điểm ảnh ngưng kết bị đứt đoạn, tăng độ liền mạch cho vùng nhận dạng: $$A \oplus B = \bigcup_{x \in A} B_x$$
• Xác định đường bao và tọa độ trọng tâm (Centroid): Sử dụng hàm cv2.findContours để trích xuất biên của khối ngưng kết và dùng công thức mô-men không gian (cv2.moments) để xác định tọa độ trọng tâm trên trục tung ($C_y$): $$C_y = \frac{M_{01}}{M_{00}}$$ Tọa độ $C_y$ dọc theo chiều cao cột vi ống là căn cứ định lượng để thuật toán gán mức ngưng kết (từ 0 đến 4+).

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

1. Kiến trúc phần cứng tổng thể

Hệ thống Gel Card Reader được cấu thành từ 4 khối chức năng chính:

• Khối xử lý trung tâm: Máy tính nhúng Raspberry Pi 4B (vi xử lý Quad-core, kiến trúc ARM, tích hợp cổng USB 3.0, Micro HDMI).
• Khối thu nhận hình ảnh: Webcam Hoco DI01 độ phân giải Full HD ($1920 \times 1080$), kết nối qua cổng USB, cho phép chụp cận cảnh trong không gian hẹp.
• Khối hiển thị và ngoại vi: Màn hình LCD Samsung kích thước 13–14 inch độ phân giải HD kết nối qua cổng Micro HDMI, kết hợp bàn phím và chuột máy tính qua cổng USB.
• Khối nguồn và làm mát: Bộ nguồn xung 5V–5A tự chế tạo, thanh LED chiếu sáng buồng chụp và quạt DC tản nhiệt.

2. Tính toán và thiết kế mạch nguồn xung (Switching Power Supply 5V–5A)

Mạch nguồn sử dụng cấu trúc nguồn xung Flyback cách ly, chuyển đổi điện áp xoay chiều 220VAC thành điện áp một chiều 5VDC ổn định. Tổng công suất tiêu thụ tối thiểu của hệ thống được tính toán:

STT	Thiết bị tiêu thụ	Điện áp (V)	Dòng điện (mA)	Công suất (W)
1	Bo mạch Raspberry Pi 4B	5	2.000	10,0
2	Webcam Hoco DI01 USB	5	240	1,2
3	Quạt tản nhiệt DC	5	265	1,3
4	Thanh LED chiếu sáng	5	240	1,2
Tổng	Toàn bộ hệ thống	5	> 2.745	$\approx$ 13,7 W

Nhóm nghiên cứu thiết kế bộ nguồn công suất định mức 25W (5V–5A) để đảm bảo độ dự phòng và an toàn vận hành liên tục. Mạch nguồn gồm 4 phân khu chính:

1. Mạch lọc nhiễu và chỉnh lưu sơ cấp: Gồm cầu chì bảo vệ quá dòng F1 (2A), biến trở chống sét quá áp VR1 (7D471K / 300V), tụ chống nhiễu cao tần CX1 (100nF / 310V), cuộn cảm lọc nhiễu LF1 (10mH), cầu diode 1N4007 (BD1–BD4), điện trở nhiệt NTC RT1 (5D-9, $5,\Omega$) hạn chế dòng nạp xung kích và tụ hóa lọc nguồn chính C1 ($33,\mu\text{F} / 450\text{V}$).
2. Mạch tạo dao động xung (Flyback): Sử dụng transistor công suất NPN MJE13007-2 (Q2, chịu dòng 8A, điện áp 400V) kết hợp BJT điều khiển C1815 (Q1), biến áp xung T1 với cuộn sơ cấp gồm 38 vòng dây đồng đường kính 0,7 mm (mật độ dòng $J = 5,\text{A/mm}^2$), diode phục hồi nhanh FR107 (D1) và diode Zener 1N4735 (6,2V).
3. Mạch chỉnh lưu thứ cấp: Sử dụng Diode Schottky công suất MBR10100 (D3, 10A / 100V) có sụt áp thuận thấp và thời gian đáp ứng nhanh, kết hợp cặp tụ hóa dung lượng cao C7, C8 ($1000,\mu\text{F} / 10\text{V}$) để san phẳng điện áp ngõ ra 5V.
4. Mạch hồi tiếp ổn áp: Sử dụng IC tham chiếu điện áp Shunt TL431 (U2) kết hợp Optocoupler PC817 (U1) tạo vòng hồi tiếp cách ly quang hoàn toàn giữa điện áp cao sơ cấp và điện áp thấp thứ cấp, điều chỉnh độ rộng xung PWM để giữ điện áp ngõ ra luôn ổn định ở mức 5VDC.

3. Thiết kế cơ khí và vỏ thiết bị

Vỏ thiết bị được thiết kế trên phần mềm SolidWorks và gia công bằng công nghệ in 3D, chia làm hai phần chính:

• Khung đế (Base holder): Cố định khay trượt cắm thẻ Gel Card, giá treo webcam Hoco DI01, bo mạch nguồn, Raspberry Pi 4B và thanh đèn LED. Mặt sau khung đế bố trí các cổng chờ gắn quạt tản nhiệt, công tắc nguồn, giắc cắm AC và các khe cắm ngoại vi (USB, LAN, HDMI) của Raspberry Pi.
• Thân vỏ bảo vệ (Device case): Tạo buồng tối kín cách ly ánh sáng môi trường bên ngoài, đảm bảo điều kiện chiếu sáng nhân tạo bên trong buồng chụp luôn đồng nhất ở mọi lần đo. Phía trên đỉnh vỏ có khe định vị giúp người dùng thao tác cắm và rút thẻ gel dễ dàng.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu (Problem Statement & Introduction)

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của xét nghiệm nhóm máu, nêu bật quá trình phát triển từ phương pháp thủ công sang công nghệ thẻ gel hiện đại của Yves Lapierre. Tác giả chỉ ra vấn đề chi phí đầu tư thiết bị đọc thẻ gel quá cao tại các bệnh viện Việt Nam (trên 5.000 USD/máy). Từ đó, xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống đọc thẻ gel tự động giá rẻ, liệt kê 8 nội dung công việc triển khai và xác định các giới hạn ban đầu của đề tài (chưa có bộ lưu điện khi mất nguồn đột ngột, chưa tích hợp đầu đọc mã vạch tự động).

Chương 2. Tổng quan lý thuyết (Literature Review)

Chương này tổng hợp cơ sở lý thuyết y sinh và kỹ thuật:

• Cấu trúc hệ nhóm máu ABO và Rhesus; cấu tạo chi tiết của vi ống trong thẻ Gel Card (gồm buồng phản ứng, cột hạt gel rây lọc, dung dịch kháng thể Anti-A, Anti-B, Anti-D và dung dịch kiểm chứng Ctrl).
• Các mức ngưng kết tiêu chuẩn từ 0 đến 4+.
• Tổng quan giải thuật xử lý ảnh: phép giãn nở hình ảnh (Dilation), thuật toán phát hiện biên Canny (Canny Edge Detection) qua 4 bước (Gaussian Blur, Sobel Gradient, Non-maximum Suppression, Hysteresis Thresholding).
• So sánh các dòng máy tính nhúng: Raspberry Pi 4B, Pi 3B+, Pi 3B, Pi 3A+, Pi Zero; khẳng định lựa chọn Raspberry Pi 4B nhờ vi xử lý 4 nhân mạnh mẽ, tùy chọn RAM lớn và khả năng chạy mượt mà ngôn ngữ Python.
• Tổng quan cấu trúc và ưu điểm vượt trội về hiệu suất (trên 70% so với 40% của nguồn tuyến tính IC 7805) của bộ nguồn xung switching.

Chương 3. Tính toán và thiết kế (Design and Calculation)

Trình bày chi tiết tính toán giải tích và sơ đồ nguyên lý:

• Thiết lập sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ khối nguồn Flyback.
• Tính toán chi tiết các thông số mạch nguồn: tính công suất tải ($13,7\text{ W}$), dòng điện đỉnh, độ tự cảm cuộn sơ cấp $L_{\text{pri}}$, số vòng dây cuộn sơ cấp (38 vòng dây Ø0,7mm), cuộn thứ cấp, thông số phân áp cho TL431 và PC817.
• Danh mục linh kiện chi tiết của từng phân vùng mạch nguồn.
• Bản vẽ 3D khung đế và vỏ thiết bị trên SolidWorks.
• Thiết kế thuật toán xử lý ảnh: cắt 8 vùng vi ống ROI ($255 \times 75$ pixel) theo tọa độ xác định bằng công cụ Paint, chuyển đổi RGB sang HSV, phân ngưỡng màu đỏ, nhị phân hóa ($T=10$), tìm đường bao (findContours), xác định tọa độ trọng tâm $C_y$ (moments) và xây dựng lưu đồ logic phân loại nhóm máu kết hợp kiểm tra cột Ctrl.

# Đoạn mã trích xuất 8 vùng vi ống (ROI) từ ảnh gốc
roi1 = img1[274:274+255, 423:423+75]
roi2 = img1[274:274+255, 583:653]
roi3 = img1[274:274+255, 708:708+75]
roi4 = img1[274:274+255, 855:855+75]
roi5 = img1[274:274+255, 1002:1002+75]
roi6 = img1[274:274+255, 1145:1145+75]
roi7 = img1[274:274+255, 1289:1289+75]
roi8 = img1[274:274+255, 1427:1427+75]

Chương 4. Kết nối và thi công hệ thống (Connection of System Parts)

Mô tả quá trình chế tạo phần cứng thực tế và xây dựng phần mềm:

• Gia công bo mạch in (PCB) mạch nguồn xung 5V–5A, lắp ráp linh kiện và đo kiểm tra dạng sóng, điện áp ngõ ra khi có tải và không tải.
• In 3D và hoàn thiện khung đế, vỏ máy, bố trí webcam và thanh LED góc chiếu tối ưu.
• Đấu nối toàn bộ hệ thống phần cứng với Raspberry Pi 4B.
• Thiết kế giao diện người dùng (GUI) bằng phần mềm Qt Designer và tích hợp trên môi trường lập trình PyCharm IDE với Python.

Chương 5. Kết quả và bàn luận (Results and Discussion)

Trình bày kết quả thử nghiệm thực tế của hệ thống:

• Kiểm tra tính ổn định điện áp ngõ ra của bộ nguồn switching đạt chuẩn 5V khi kết nối toàn bộ tải thực tế.
• Thử nghiệm nhận diện trên các mẫu thẻ nhóm máu thực tế: nhận dạng chính xác các nhóm máu $O^-$, $B^+$, $A^+$, $B^-$.
• Kiểm tra tính năng phát hiện thẻ lỗi: khi cột kiểm chứng Ctrl hiển thị ngưng kết dương tính (từ 1+ đến 4+), giao diện lập tức phát cảnh báo thẻ không hợp lệ (Wrong Gel Card recognition).
• Đối chiếu, so sánh thiết kế và chức năng với thiết bị thương mại DG Reader của hãng GRIFOLS; thảo luận về độ chính xác và hiệu quả kinh tế.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển (Future Works and Conclusion)

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành, chỉ ra những mặt còn hạn chế của mô hình thử nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mở rộng trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Hệ thống phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công bộ nguồn xung Flyback 5V–5A nhỏ gọn, hiệu suất cao, cung cấp nguồn ổn định cho Raspberry Pi 4B, webcam, thanh LED và quạt tản nhiệt. Gia công hoàn thiện vỏ máy in 3D buồng tối tiêu chuẩn, đảm bảo chất lượng thu nhận hình ảnh đồng nhất.
• Giải thuật xử lý ảnh chính xác: Hệ thống tự động cắt chính xác 8 vùng vi ống kích thước $255 \times 75$ pixel, phân đoạn màu đỏ trên không gian HSV và tính toán tọa độ trọng tâm $C_y$ để định lượng chính xác 5 mức độ ngưng kết (0, 1+, 2+, 3+, 4+).
• Phân loại nhóm máu và kiểm soát chất lượng tự động: Nhận diện chính xác các nhóm máu hệ ABO và Rh ($A^+$, $B^+$, $O^+$, $AB^+$, $A^-$, $B^-$, $O^-$, $AB^-$). Tích hợp cơ chế tự động kiểm tra vi ống Ctrl (vị trí số 4 và số 8 trên thẻ): nếu cột Ctrl xuất hiện phản ứng ngưng kết ($\ge 1+$), hệ thống lập tức xuất cảnh báo thẻ hỏng/hết hạn sử dụng.
• Giao diện quản lý thông tin: Xây dựng phần mềm giao diện GUI trực quan cho phép kỹ thuật viên chọn loại thẻ (Forward, Forward and Reverse), xem kết quả trực tiếp và nhập/lưu trữ dữ liệu bệnh nhân (Họ tên, Mã bệnh nhân, Ngày sinh, Giới tính, Kết quả xét nghiệm) vào cơ sở dữ liệu.

2. Đóng góp của đề tài

• Làm chủ quy trình thiết kế và tích hợp hệ thống thiết bị y tế kết hợp giữa kỹ thuật vi điều khiển nhúng (Raspberry Pi 4B), điện tử công suất (nguồn xung) và thị giác máy tính (Computer Vision).
• Đưa ra giải pháp công nghệ có khả năng thay thế các thiết bị ngoại nhập đắt tiền (tiết kiệm đáng kể so với mức giá 5.000 USD của DG Reader - Grifols), mở ra tiềm năng ứng dụng tại các bệnh viện, phòng khám vừa và nhỏ ở Việt Nam.
• Loại bỏ yếu tố sai sót chủ quan của con người trong việc đọc kết quả xét nghiệm nhóm máu bằng mắt thường.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

Theo công bố của tác giả trong văn bản, đồ án còn một số điểm hạn chế:

• Hệ thống chưa có cơ chế lưu trữ tự động dữ liệu đang xử lý khi xảy ra sự cố mất điện nguồn đột ngột.
• Thuật toán mới chỉ tập trung xử lý cho các dòng thẻ gel thông dụng: Forward, Forward and Reverse, CrossMatch, Coombs.
• Thiết bị chưa tích hợp module quét mã vạch (barcode) để tự động nhận dạng loại thẻ và mã định danh thẻ mà vẫn cần người dùng lựa chọn loại thẻ thủ công trên giao diện.

2. Hướng phát triển tiếp theo

• Nghiên cứu tích hợp đầu đọc mã vạch tự động nhằm đồng bộ mã thẻ gel với mã bệnh nhân, tối ưu hóa quy trình tự động hóa phòng xét nghiệm.
• Bổ sung khối pin/bộ lưu điện dự phòng (UPS) nhằm bảo vệ dữ liệu khi mất nguồn điện lưới.
• Mở rộng tập dữ liệu thuật toán xử lý ảnh để tương thích thêm nhiều loại thẻ xét nghiệm miễn dịch huyết học phức tạp khác.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Y sinh: Cung cấp tài liệu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế thiết bị chẩn đoán in-vitro (IVD), nguyên lý kỹ thuật Gel Card và phương pháp tự động hóa xét nghiệm huyết học.
• Kỹ sư Điện tử - Hệ thống nhúng: Tham khảo phương pháp tính toán, thiết kế chi tiết mạch nguồn xung Flyback cách ly 220VAC sang 5VDC công suất 25W và kỹ thuật tích hợp máy tính nhúng Raspberry Pi 4B với các thiết bị ngoại vi y tế.
• Kỹ sư Thị giác máy tính / Xử lý ảnh: Tham khảo giải thuật phân đoạn ảnh màu HSV, phép toán hình thái học Dilation, lọc biên và tính toán mô-men trọng tâm hình học phục vụ định lượng mức độ ngưng kết sinh học trong không gian ảnh hẹp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống Gel Card Reader phân loại 5 mức độ ngưng kết hồng cầu dựa trên nguyên lý nào? Thuật toán phân tích tọa độ trọng tâm trục dọc ($C_y = M_{01}/M_{00}$) của khối hồng cầu ngưng kết màu đỏ sau khi nhị phân hóa và giãn ảnh trong vi ống kích thước $255 \times 75$ pixel: ngưng kết tập trung ở đỉnh cột là mức 4+, ở nửa trên là mức 3+, trải dài toàn cột là mức 2+, ở nửa dưới là mức 1+, và nếu toàn bộ hồng cầu lắng xuống đáy tạo thành điểm gọn là mức 0 (âm tính).

2. Cơ chế tự động phát hiện thẻ gel bị lỗi hoặc không hợp lệ hoạt động như thế nào? Hệ thống kiểm tra giá trị tại vi ống kiểm chứng trung tính Ctrl (nằm ở vị trí số 4 và số 8 trên thẻ). Ở điều kiện chuẩn, cột Ctrl bắt buộc phải cho kết quả âm tính (-). Nếu thuật toán phát hiện cột Ctrl có ngưng kết dương tính (từ mức 1+ đến 4+), hệ thống sẽ kết luận thẻ đã hỏng hoặc không còn giá trị sử dụng và lập tức hiển thị cảnh báo lỗi lên màn hình.

3. Tại sao nhóm tác giả tự thiết kế bộ nguồn xung (Switching Power Supply) 5V–5A thay vì dùng nguồn tuyến tính? Mạch nguồn tuyến tính hạ áp dùng biến áp và IC ổn áp 7805 có hiệu suất thấp (chỉ khoảng 40%), tỏa nhiệt lượng lớn và kích thước cồng kềnh. Mạch nguồn xung Flyback được chọn vì đạt hiệu suất cao trên 70%, kích thước nhỏ gọn, ít tỏa nhiệt, dải điện áp ngõ vào rộng và có khả năng cách ly an toàn cao giữa điện áp lưới 220VAC và khối vi xử lý 5VDC.

4. Thiết bị sử dụng camera và nền tảng máy tính nhúng nào để xử lý ảnh? Thiết bị sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 4B (sản xuất năm 2019, vi xử lý Quad-core) chạy hệ điều hành Linux và môi trường Python/OpenCV, kết hợp với webcam Hoco DI01 độ phân giải Full HD ($1920 \times 1080$) giao tiếp qua cổng USB 3.0.

5. Những hạn chế kỹ thuật chính được tác giả công bố trong đồ án là gì? Đồ án công bố 3 hạn chế: không lưu kết quả tạm thời khi mất điện đột ngột; chỉ hỗ trợ các loại thẻ gel thông dụng (Forward, Forward and Reverse, CrossMatch, Coombs); và chưa tích hợp bộ đọc mã vạch để tự động nhận dạng chủng loại thẻ gel.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế đầu đọc thẻ gel cho xét nghiệm nhóm máu" của nhóm sinh viên Trương Hoàng Gia Bảo và Nguyễn Minh Đức (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã chế tạo thành công một hệ thống thiết bị y tế nhúng hoàn chỉnh ứng dụng Raspberry Pi 4B và xử lý ảnh OpenCV. Thiết bị giải quyết tốt bài toán tự động hóa đọc thẻ gel định nhóm máu ABO/Rh, tự phát hiện thẻ hỏng và quản lý dữ liệu bệnh nhân với độ chính xác cao. Đây là một nghiên cứu mang tính ứng dụng thực tiễn lớn, chứng minh tính khả thi trong việc nội địa hóa các thiết bị xét nghiệm y tế chuyên dụng với chi phí thấp nhằm phục vụ cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING GRADUATION THESIS MAJOR: BIOMEDICAL ENGINEERING DESIGN OF A GEL CARD READER FOR BLOOD GROUPING TESTS ADVISOR: Assoc. NGUYEN THANH HAI STUDENT’S NAME: TRUONG HOANG GIA BAO STUDENT ID: 16129007 STUDENT’S NAME: NGUYEN MINH DUC STUDENT ID: 16129017 SKL 0 0 7 8 2 7 HO CHI MINH CITY, JANUARY 2021 do an HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRONICS - BIOMEDICAL ENGINEERING --------------------------------- GRADUATION THESIS MAJOR: BIOMEDICAL ENGINEERING PROJECT NAME: DESIGN OF A GEL CARD READER FOR BLOOD GROUPING TESTS Advisor: Assoc. NGUYEN THANH HAI Truong Hoang Gia Bao Student ID: 16129007 Nguyen Minh Duc Student ID: 16129017 do an HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRONICS - BIOMEDICAL ENGINEERING --------------------------------- GRADUATION THESIS MAJOR: BIOMEDICAL ENGINEERING PROJECT NAME: DESIGN OF A GEL CARD READER FOR BLOOD GROUPING TESTS Advisor: Assoc. NGUYEN THANH HAI Truong Hoang Gia Bao Student ID: 16129007 Nguyen Minh Duc Student ID: 16129017 Ho Chi Minh City, January 2021 do an HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of Electrical & Electronics Engineering Independence – Freedom– Happiness Department of Electronics Industrial-Biomedical Engineering Ho Chi Minh City, January 20, 2021 MISSION Student name: Trương Hoàng Gia Bảo Student ID: 16129007 Nguyễn Minh Đức Student ID: 16129017 Major: Biomedical Engineering Major ID: D520212 Type of training: Regular full time Code: 1 Year: 2016 Class: 161290 I.

GRADUATION PROJECT: II. Initial resources: ● Raspberry Pi 4B. Implementation: ● Use a Python programming language. ● Design PCB and make a power supply board.

● Design and make a 3D model. ● Design the entire model of the project. ● Self-evaluate the entire project. DATE OF DELIVERY: 07/10/2020 IV.

DATE OF COMPLETION: 20/01/2021 V. ADVISOR NAME: Assoc. NGUYEN THANH HAI ADVISOR DEPARTMENT OF ELECTRONICS INDUSTRIAL- BIOMEDICAL ENGINEERING v do an HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of Electrical & Electronics Engineering Independence – Freedom– Happiness Department of Electronics Industrial-Biomedical Engineering ----o0o---- Ho Chi Minh City, October 28, 2020 SCHEDULE Student name: Trương Hoàng Gia Bảo Student ID: 16129007 Student name: Nguyễn Minh Đức Student ID: 16129017 Class: 161290 Graduation project: Design of a Gel Card reader for blood grouping test. Lecturer Week Task description confirm Week 1st - Meet the advisor to listen to the request for doing (October 12 - a project, choose a project topic.

October 18) Week 2nd (October 19 - - Advisor reviews topic. October 25) Week 3rd - Write an abstract of the selected topic: what the (October 26 – topic purpose is, the design request, the limits of the November 1 ) topic. Week 4th & week 5th - Research into a theoretical basis of the project on (November 2 - many resources. November 15) Week 6th & week 7th - Buy components, make the power supply board.

(November 16 – - Design the prototype and conduct experiments. November 29) Week 8th & week 9th - Design software, hardware for the product and (November 30 - conducting experiments. December 13) Week 10th & week - Check the product's accuracy with actual samples 11th and recalibrate. (December 14 - - Write the thesis report.

December 27) vi do an Week 12th & week 13th - Continue conducting experiments. (December 28 – - Complete the model and the thesis report. January 10) Week 14th & week - Submit the final version of the thesis report and 15th report the thesis. (January 11 - - Submit to the advisor for the last inspection.

January 24) Week 16th (January 25 – - Make a presentation. January 31) ADVISOR (Sign and write your full name) vii do an GUARANTEE We guarantee that this project is our research, under Assoc. NGUYEN THANH HAI 's guidance. The results published in this project are honest and are not replicated from any other work.