Giới thiệu dự án

Theo thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), các bệnh lý tim mạch (Cardiovascular Diseases - CVDs) là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên toàn cầu, cướp đi sinh mạng của khoảng 17,9 triệu người mỗi năm, chiếm 31% tổng số ca tử vong. Tại Việt Nam, mô hình bệnh tật đang có sự chuyển dịch nhanh chóng với tỷ lệ người mắc các chứng rối loạn nhịp tim, nhồi máu cơ tim, và suy tim ngày càng gia tăng và có xu hướng trẻ hóa do lối sống công nghiệp hóa, áp lực công việc và chế độ dinh dưỡng thiếu lành mạnh.

Điện tâm đồ (Electrocardiogram - ECG) là một công cụ cận lâm sàng tiêu chuẩn, giữ vai trò sống còn trong việc ghi lại các biến thiên điện thế sinh học do tim phát ra trong quá trình co bóp, giúp phát hiện sớm các bất thường dẫn truyền điện học. Tuy nhiên, các dòng máy đo ECG tiêu chuẩn trong bệnh viện thường có kích thước cồng kềnh, cấu tạo phức tạp, chi phí đầu tư đắt đỏ và đòi hỏi kỹ thuật viên chuyên trách vận hành. Ngược lại, các thiết bị đeo thương mại phổ biến (smartband, smartwatch) chủ yếu sử dụng phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmography - PPG) để ước lượng nhịp tim gián tiếp. Phương pháp PPG thuần túy tồn tại nhược điểm lớn: rất dễ bị nhiễu do chuyển động, độ chính xác không cao và hoàn toàn không thể tái hiện được hình thái sóng điện sinh học (phức bộ P-QRS-T) để phục vụ chẩn đoán bệnh lý học chuyên sâu.

Nhằm giải quyết bài toán trên, đồ án "Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG" được thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống nhúng đo điện tim và nồng độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$) chuyên dụng, nhỏ gọn, giá thành thấp, tích hợp màn hình hiển thị trực quan và khả năng giám sát từ xa qua giao thức mạng không dây.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                 HỆ THỐNG ĐO ECG & SpO2                             |
|                                                                                   |
|  [Điện cực sinh học] ---> [Mạch tiền xử lý ECG] ---\                              |
|   (Lead II: RA, LA, RL)   (INA114 / AD8232)         \                             |
|                                                      +--> [MCU STM32F407VET6]     |
|  [Cảm biến SpO2]     ---> [MAX30100 Module] --------/     (ARM Cortex-M4 168MHz)  |
|   (Quang học RED/IR)      (Giao tiếp I2C)                       |          |      |
|                                                                 | (FSMC)   | (UART|
|                                                                 v          v      |
|                                                       [LCD 7" RA8875]  [ESP8266]  |
|                                                        (800x480 GUI)       |      |
|                                                                            v      |
|                                                                       [Web Server]|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế mạch tiền xử lý tín hiệu điện sinh học: Thu nhận tín hiệu ECG biên độ cực nhỏ ($0.5\text{ mV} - 5\text{ mV}$) từ cơ thể người, triệt tiêu nhiễu đường dây điện lưới $50\text{ Hz}$, lọc thông dải tần số $0.5\text{ Hz} - 100\text{ Hz}$ và khuếch đại điện áp lên dải đo của bộ chuyển đổi ADC ($0 - 3.3\text{ V}$).
  2. Tích hợp khối đo nồng độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$): Sử dụng cảm biến quang học bước sóng kép để đo đạc và tính toán chính xác chỉ số $SpO_2$ cùng nhịp mạch ngoại vi.
  3. Phát triển khối xử lý trung tâm hiệu năng cao: Lập trình vi điều khiển ARM Cortex-M4 (STM32F407VET6) xử lý tín hiệu số, nhận diện phức bộ sóng QRS, tính toán tần số tim theo thời gian thực và quản lý hiển thị đồ họa tốc độ cao qua bus FSMC lên màn hình 7 inch.
  4. Xây dựng giải pháp IoT Web Server: Tích hợp module Wi-Fi ESP8266 giao tiếp UART với MCU trung tâm, truyền tải dữ liệu đồ thị sóng và chỉ số sinh tồn lên giao diện Web Server phục vụ theo dõi từ xa.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Cấu hình điện cực: Hệ thống đo đạc sử dụng chuẩn 3 điện cực chi (Lead II: Cổ tay phải - RA, Cổ tay trái - LA, Chân trái - RL).
  • Phần cứng hiển thị: Màn hình màu LCD 7 inch TFT cảm ứng điện dung, độ phân giải $800 \times 480\text{ pixels}$, điều khiển bởi IC RA8875.
  • Kích thước thiết bị hoàn thiện: Đóng gói nguyên khối trong hộp bảo vệ kích thước $24\text{ cm} \times 11\text{ cm} \times 7\text{ cm}$.
  • Môi trường kết nối: Web Server hoạt động trên nền mạng nội bộ (Local Area Network - Access Point/Station mode) phát bởi ESP8266.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Máy đo ECG chuyên dụng tại bệnh viện Vòng đeo tay thông minh (Smartband / PPG) Hệ thống ECG & $SpO_2$ nhúng (Đề tài)
Bản chất đo lường Dòng điện sinh học tim (12 chuyển đạo) Thay đổi thể tích máu qua quang học (PPG) Dòng điện sinh học Lead II + Quang phổ $SpO_2$
Khả năng chẩn đoán Rất cao (Đầy đủ sóng P, QRS, T, ST, QT) Thấp (Chỉ ước lượng BPM trung bình) Tốt (Nhận diện hình thái sóng P, QRS, T, ST)
Độ cơ động Cố định hoặc xe đẩy cồng kềnh Rất cao, đeo tay liên tục Cao, dạng máy để bàn nhỏ gọn ($24 \times 11 \times 7\text{ cm}$)
Khả năng truyền IoT Phức tạp, giao thức y tế đóng (DICOM/PACS) Qua App Bluetooth độc quyền đóng Web Server mở trên Wi-Fi, truy cập mọi trình duyệt
Chi phí sản xuất Rất đắt ($2,000 - $10,000 USD) Trung bình ($30 - $300 USD) Thấp (< $100 USD), linh kiện dễ thay thế

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Đo và vẽ chính xác dạng sóng ECG Lead II thời gian thực; lọc sạch nhiễu $50\text{ Hz}$; tính toán nhịp tim (BPM) và $SpO_2$ ($%$); xuất giao diện màn hình LCD 7 inch mượt mà; truyền dữ liệu qua Web Server.
  • Should have (Nên có): Bộ điều chỉnh nguồn tuyến tính LM317 cách ly hoàn toàn xung nhiễu nguồn; module hóa cảm biến AD8232 và MAX30100 giúp dễ dàng bảo trì thay thế.
  • Could have (Có thể mở rộng): Lưu trữ lịch sử dữ liệu vào thẻ nhớ SD Card; đồng bộ cơ sở dữ liệu đám mây qua MQTT.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Đo đủ 12 chuyển đạo tim đồng thời; thuật toán AI phân loại tự động 15 dạng loạn nhịp tim phức tạp.

Thiết kế hệ thống

1. Khối tiền xử lý và lọc tương tự (Analog Front-End)

Tín hiệu điện thế tim lấy từ các điện cực bề mặt có biên độ rất bé ($0.1\text{ mV} - 5\text{ mV}$) trên nền nhiễu đồng pha (Common-Mode Noise) lớn từ cơ thể và môi trường. Mạch thu nhận sử dụng bộ khuếch đại đo lường chuyên dụng INA114 (Instrumentation Amplifier) với hệ số suy giảm tín hiệu đồng pha (CMRR) đạt $115\text{ dB}$, thiết lập độ lợi khuếch đại $G = 51$:

$$G = 1 + \frac{50\text{ k}\Omega}{R_g} \xrightarrow{G=51} R_g = 1\text{ k}\Omega$$

Hệ thống mạch lọc tích cực bậc 2 Sallen-Key được thiết kế để giới hạn dải thông sinh lý của tim:

  • Mạch lọc thông cao (High-Pass Filter): Cắt thành phần trôi đường đẳng điện do hô hấp ($f_c = 0.5\text{ Hz}$):

$$f_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{R_1 R_2 C_1 C_2}} = 0.5\text{ Hz} \quad (R_1=15\text{ k}\Omega, R_2=33\text{ k}\Omega, C_1=20,\mu\text{F}, C_2=11,\mu\text{F})$$

  • Mạch lọc thông thấp (Low-Pass Filter): Cắt nhiễu cơ và nhiễu cao tần ($f_c = 100\text{ Hz}$):

$$f_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{R_1 R_2 C_1 C_2}} = 100\text{ Hz} \quad (R_1=5.1\text{ k}\Omega, R_2=10\text{ k}\Omega, C_1=220\text{ nF}, C_2=100\text{ nF})$$

  • Mạch lọc chặn Notch $50\text{ Hz}$ (Twin-T Notch Filter): Loại bỏ triệt để can nhiễu từ điện lưới xoay chiều công nghiệp:

$$f_n = \frac{1}{4\pi R C} = 50\text{ Hz} \quad (R=15\text{ k}\Omega, C=100\text{ nF})$$

Bên cạnh mạch rời rạc, đồ án tích hợp mạch tích hợp tiền khuếch đại chuyên dụng AD8232 của Analog Devices nhằm tăng cường tính linh hoạt, giảm thiểu kích thước bo mạch và nâng cao độ ổn định trong điều kiện hoạt động thực tế.

2. Khối cảm biến nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$)

Sử dụng cảm biến quang học tích hợp MAX30100 bao gồm hai đèn LED phát bước sóng kép: ánh sáng đỏ (Red LED $\lambda = 660\text{ nm}$) và ánh sáng hồng ngoại (IR LED $\lambda = 880\text{ nm}$) kết hợp photodiode độ nhạy cao. Dựa trên định luật Beer-Lambert, tỷ lệ hấp thụ biến thiên (AC) trên nền cố định (DC) của hai bước sóng được tính toán để suy ra tỷ số $R$:

$$R = \frac{\left(\frac{AC_{red}}{DC_{red}}\right)}{\left(\frac{AC_{ir}}{DC_{ir}}\right)}$$

Chỉ số bão hòa oxy trong máu được xác định qua công thức thực nghiệm:

$$SpO_2 = 180 - 25 \times R$$

Cảm biến giao tiếp với vi điều khiển STM32F4 qua bus $I^2C$ với trở kéo $4.7\text{ k}\Omega$, hoạt động ở điện áp $3.3\text{ V}$.

3. Technology Stack & Thông số kỹ thuật

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                                 TECHNOLOGY STACK                                   |
+----------------------+-------------------------------------------------------------+
| Vi điều khiển chính  | STM32F407VET6 (32-bit ARM Cortex-M4 @ 168MHz, 512KB Flash) |
| Module Wi-Fi / IoT   | ESP8266 NodeMCU Lua (SoC Tensilica L106 32-bit, 4MB Flash)  |
| Tiền xử lý ECG       | Analog Devices AD8232 / TI INA114 Precision Inst. Amp      |
| Cảm biến quang học   | Maxim Integrated MAX30100 (Pulse Oximeter & Heart-Rate)    |
| IC Điều khiển LCD    | RAIO RA8875 Driver (Giao tiếp FSMC 16-bit, Font ROM tích hợp)|
| Nguồn tuyến tính     | Texas Instruments LM317 Adjustable Linear Regulator         |
| Môi trường phát triển| Keil MDK-ARM v5.29, STM32CubeMX v6.0, Arduino IDE v1.8.13   |
| Thiết kế phần cứng   | Altium Designer 20.0 (Schematic capture & 2-Layer PCB)      |
+----------------------+-------------------------------------------------------------+

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                             NGÂN SÁCH DÒNG ĐIỆN HỆ THỐNG                           |
+--------------------------+---------------------+-----------------------------------+
| Phân hệ phần cứng        | Điện áp định mức    | Dòng điện tiêu thụ danh định      |
+--------------------------+---------------------+-----------------------------------+
| STM32F407VET6 MCU Board  | 3.3 VDC             | ~ 240 mA                          |
| ESP8266 NodeMCU Wi-Fi    | 5.0 VDC (Tx peak)   | ~ 200 mA (Truyền liên tục)        |
| Màn hình LCD 7" TFT      | 3.3 VDC             | ~ 180 mA (Đèn nền sáng cực đại)  |
| Khối AFE (AD8232/MAX30100)| 3.3 VDC            | ~ 5 mA                            |
| TỔNG TIÊU THỤ CÔNG SUẤT  |                     | ~ 625 mA (Chọn nguồn cấp >= 1.0A) |
+--------------------------+---------------------+-----------------------------------+

Methodology

Dự án được triển khai theo mô hình kỹ thuật tuyến tính kết hợp kiểm thử phân tầng (V-Model rút gọn) trong vòng 16 tuần:

  1. Tuần 1 - 4: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điện sinh học tim, phân tích cấu trúc sóng ECG, lựa chọn linh kiện.
  2. Tuần 5 - 7: Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic), tính toán mạch lọc tương tự, layout bo mạch PCB 2 lớp trên Altium Designer.
  3. Tuần 8 - 10: Gia công phần cứng, đo kiểm thông số mạch lọc bằng Oscilloscope, đóng gói mô hình khung vỏ.
  4. Tuần 11 - 13: Lập trình Firmware STM32F407 (ADC DMA, thuật toán QRS, driver FSMC cho RA8875) và Web Server ESP8266; hiệu chỉnh tham số.
  5. Tuần 14 - 16: Kiểm chuẩn đối chứng với máy đo y khoa, viết tài liệu kỹ thuật và báo cáo nghiệm thu.

Implementation và kết quả

Development process

Trọng tâm của quá trình phát triển là giải quyết bài toán hiển thị đồ thị sóng ECG thời gian thực mượt mà trên màn hình $800 \times 480\text{ pixels}$ mà không làm nghẽn chu kỳ lấy mẫu ADC của vi điều khiển. Đồ án sử dụng bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt (FSMC - Flexible Static Memory Controller) của STM32F407 để giao tiếp song song 16-bit với IC điều khiển đồ họa RA8875.

Trích xuất mã nguồn điều khiển hiển thị tốc độ cao (RA8875 Driver):

#include "stm32f4xx.h"
#include "ra8875_driver.h"

/**
 * @brief  Thiết lập tọa độ con trỏ ghi bộ nhớ đệm đồ họa RA8875
 * @param  x: Tọa độ pixel trục hoành (0 - 799)
 * @param  y: Tọa độ pixel trục tung (0 - 479)
 */
void gotoXY(uint16_t x, uint16_t y) {
    LCD_CmdWrite(0x46);             // Chọn thanh ghi cấu hình vị trí X (Byte cao)
    LCD_DataWrite((uint8_t)(x));    // Ghi 8-bit thấp của tọa độ X
    LCD_CmdWrite(0x47);             // Chọn thanh ghi cấu hình vị trí X (Byte thấp)
    LCD_DataWrite((uint8_t)(x >> 8)); // Ghi bit thứ 9 của tọa độ X
    
    LCD_CmdWrite(0x48);             // Chọn thanh ghi cấu hình vị trí Y (Byte cao)
    LCD_DataWrite((uint8_t)(y));    // Ghi 8-bit thấp của tọa độ Y
    LCD_CmdWrite(0x49);             // Chọn thanh ghi cấu hình vị trí Y (Byte thấp)
    LCD_DataWrite((uint8_t)(y >> 8)); // Ghi bit thứ 9 của tọa độ Y
}

/**
 * @brief  Vẽ một điểm ảnh đơn lẻ lên màn hình với định dạng màu RGB565
 * @param  x: Tọa độ X
 * @param  y: Tọa độ Y
 * @param  color: Giá trị màu 16-bit (5-bit Red, 6-bit Green, 5-bit Blue)
 */
void drawPixel(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t color) {
    gotoXY(x, y);                   // Định vị con trỏ tới vị trí ô nhớ cần ghi
    LCD_CmdWrite(0x02);             // Gửi lệnh ghi dữ liệu vào Memory Data Read/Write Port
    LCD_DataWrite(color);           // Ghi trực tiếp giá trị 16-bit màu vào GRAM
}

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                         LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN TÍNH NHỊP TIM (BPM)                      |
|                                                                                    |
|       [Bắt đầu]                                                                    |
|           |                                                                        |
|           v                                                                        |
|   [Đọc mẫu ADC ECG] ----> (Lấy mẫu tại fs = 250Hz qua Timer ngắt)                 |
|           |                                                                        |
|           v                                                                        |
|   [Lọc số FIR Notch 50Hz]                                                          |
|           |                                                                        |
|           v                                                                        |
|   < V_sample > Ngưỡng V_th? > -- (NO) ---> [Tiếp tục lấy mẫu]                      |
|           |                                                                        |
|         (YES)                                                                      |
|           v                                                                        |
|   < Khoảng cách delta_t > T_refractory (200ms)? > -- (NO) -> [Bỏ qua nhiễu sóng T] |
|           |                                                                        |
|         (YES)                                                                      |
|           v                                                                        |
|   [Xác định Đỉnh Sóng R]                                                           |
|   [Tính khoảng RR: Delta_T = T_current - T_previous]                               |
|   [Tính tức thời: BPM = 60000 / Delta_T]                                           |
|   [Cập nhật mảng trung bình trượt 5 nhịp gần nhất]                                 |
|           |                                                                        |
|           v                                                                        |
|   [Đóng gói UART gửi sang ESP8266 & Render LCD]                                    |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Testing và validation

Hệ thống được đưa vào thử nghiệm thực tế trên nhiều đối tượng sinh viên tình nguyện trong trạng thái nghỉ tĩnh và sau vận động nhẹ. Dữ liệu đo đạc được đối chuẩn trực tiếp song song với Thiết bị giám sát y khoa chuyên dụng (Patient Monitor chuẩn bệnh viện).

Lần đo Nhịp tim chuẩn (BPM) Nhịp tim đề tài (BPM) Độ lệch ($\Delta$ BPM) $SpO_2$ chuẩn ($%$) $SpO_2$ đề tài ($%$) Độ lệch ($\Delta%$)
Mẫu 1 76 75 -1 98 98 0
Mẫu 2 82 84 +2 97 96 -1
Mẫu 3 68 68 0 99 98 -1
Mẫu 4 95 93 -2 96 96 0
Mẫu 5 104 106 +2 97 98 +1
Trung bình 85.0 85.2 $\pm 1.4\text{ BPM}$ 97.4% 97.2% $\pm 0.6%$ 
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        ĐÁNH GIÁ ĐẶC TUYẾN DẠNG SÓNG ECG                           |
|                                                                                   |
|  Biên độ (mV)                                                                     |
|    ^                                                                              |
|    |                           R                                                  |
| 1.5|                         /   \                                                |
|    |                        /  |  \                                               |
| 1.0|                       /   |   \                                              |
|    |                      /    |    \                                             |
| 0.5|         P           /     |     \            T                               |
|    |      _-- --_       /      |      \        _-- --_                            |
| 0.0|____/________\_____/_______|_______\______/_______\________> Thời gian (s)   |
|    |                  Q        |        S                                         |
|    +---------------------------+----------------------------------------------->  |
|    |<- Đoạn PR ->|<- Phức bộ QRS ->|<-- Đoạn ST -->|                              |
|    |   (160ms)   |     (80ms)      |    (120ms)    |                              |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Kết quả đạt được

  1. Chất lượng tín hiệu: Dạng sóng ECG Lead II thể hiện rõ nét, phân biệt đầy đủ các thành phần giải phẫu tim gồm sóng P (khử cực nhĩ), phức bộ QRS (khử cực thất) và sóng T (tái cực thất); đường đẳng điện ổn định, không bị méo dạng hay trôi dốc.
  2. Độ chính xác đo lường: Sai số đo nhịp tim trung bình chỉ $\pm 1.4\text{ BPM}$ ($< 2%$), sai số nồng độ $SpO_2$ nằm trong khoảng $\pm 0.6%$, hoàn toàn tiệm cận độ chính xác của các thiết bị theo dõi y tế chuyên dụng.
  3. Hiển thị và truyền thông: Tốc độ quét màn hình LCD đạt $30\text{ fps}$ nhờ bus FSMC; Web Server phản hồi mượt mà qua kết nối Wi-Fi với độ trễ truyền dữ liệu $< 200\text{ ms}$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc phần cứng phân tầng tối ưu: Kết hợp vi xử lý ARM Cortex-M4 32-bit tốc độ cao với bộ điều khiển đồ họa chuyên dụng RA8875 qua bus địa chỉ/dữ liệu song song FSMC. Giải pháp này giải phóng hoàn toàn năng lực tính toán của CPU khỏi tác vụ render điểm ảnh, dành trọn vẹn tài nguyên cho việc chuyển đổi ADC đa kênh và xử lý tín hiệu số thời gian thực.
  2. Kỹ thuật triệt nhiễu tương tự kết hợp nguồn tuyến tính: Thay vì sử dụng các mạch giảm áp xung (Buck Converter) vốn tạo ra sóng hài tần số cao ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu sinh học, hệ thống ứng dụng triệt để nguồn tuyến tính LM317 kết hợp mạch lọc Notch $50\text{ Hz}$ và lọc thông dải chủ động bậc 2, nâng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) lên $> 40\text{ dB}$.
  3. Mô hình nhúng tích hợp kép (ECG + $SpO_2$ + IoT): Khác với các đề tài khóa luận trước đây chỉ thực hiện đơn lẻ chức năng đo nhịp tim bằng quang học hoặc ECG đơn thuần không có kết nối, hệ thống này mang lại một giải pháp trọn gói: đo đạc đồng thời dòng điện tim và bão hòa oxy, hiển thị tại chỗ trên màn hình lớn 7 inch và truyền phát không dây lên nền tảng web.
  4. Tối ưu hóa chi phí sản xuất: Thiết kế toàn bộ bo mạch với tổng chi phí linh kiện ước tính dưới $100\text{ USD}$, mở ra tiềm năng ứng dụng cực lớn cho các trạm y tế vùng sâu vùng xa hoặc hỗ trợ chăm sóc sức khỏe gia đình.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng (Use Cases)

  • Hệ thống theo dõi bệnh nhân tại nhà (Home Tele-care): Người cao tuổi, bệnh nhân có tiền sử bệnh tim mạch hoặc sau phẫu thuật bắc cầu mạch vành có thể tự đo điện tim mỗi ngày. Dữ liệu dạng sóng và chỉ số sinh tồn được phát qua Wi-Fi giúp bác sĩ gia đình có thể truy cập qua điện thoại thông minh từ xa để đánh giá tình trạng mà không cần đến tận nơi.
  • Trang thiết bị hỗ trợ cho trạm y tế tuyến xã/phường: Cung cấp phương tiện tầm soát tim mạch ban đầu với chi phí thấp, hỗ trợ phát hiện sớm các ca nhồi máu cơ tim cấp (thông qua đoạn ST chênh) hoặc rung nhĩ để kịp thời chuyển tuyến điều trị.
  • Phòng tập thể thao và nghiên cứu y sinh học thể dục: Đánh giá phản ứng điện sinh học của tim và mức độ thiếu oxy cơ bắp trong các bài kiểm tra thể lực nâng cao (Stress Test).
+------------------------------------------------------------------------------------+
|                       SƠ ĐỒ TRIỂN KHAI GIÁM SÁT TỪ XA                              |
|                                                                                    |
|   +-------------------+                                                            |
|   |  Người bệnh đo    |                                                            |
|   |  ECG & SpO2       |                                                            |
|   +---------+---------+                                                            |
|             | (Điện cực / Cảm biến)                                                |
|             v                                                                      |
|   +---------+---------+      Sóng Wi-Fi 802.11 b/g/n     +---------------------+   |
|   |   Hộp máy nhúng   | ===============================> |  Điện thoại / Tablet |   |
|   |   (STM32+ESP8266) |         (Web Server IP)          |  Bác sĩ / Thân nhân |   |
|   +-------------------+                                  +----------+----------+   |
|                                                                     |              |
|                                                                     v              |
|                                                          +----------+----------+   |
|                                                          | Xem đồ thị Lead II  |   |
|                                                          | Nhịp tim: 75 BPM    |   |
|                                                          | SpO2: 98%           |   |
|                                                          +---------------------+   |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Yêu cầu triển khai và vận hành

  • Nguồn cấp: Bộ adapter nguồn $9\text{V} - 12\text{VDC} / 1.5\text{A}$ hoặc pin sạc Li-ion $7.4\text{V}$ tích hợp mạch giảm áp.
  • Môi trường đo lường: Người đo cần ở trạng thái tĩnh, hạn chế cử động cơ bắp chi; các điện cực dán Ag/AgCl cần có gel dẫn điện tốt tiếp xúc trực tiếp với da cổ tay và chân.
  • Kết nối mạng: Thiết bị phát điểm truy cập Wi-Fi mềm (SoftAP Mode) hoặc tự động kết nối vào Router mạng nội bộ với địa chỉ IP tĩnh hiển thị trên màn hình khởi động.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Số lượng chuyển đạo: Thiết bị mới triển khai đo đạc trên 1 kênh chuyển đạo Lead II (3 điện cực), chưa đủ khả năng khảo sát toàn diện 12 chuyển đạo tiêu chuẩn (I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1-V6) để chẩn đoán tổn thương cục bộ các thành tim.
  • Phạm vi truyền thông: Hệ thống Web Server chạy nội bộ trên chip ESP8266 bị giới hạn số lượng kết nối đồng thời ($< 5\text{ clients}$) và chưa tích hợp truyền dữ liệu ra Internet qua đám mây (Cloud Server).
  • Cảm biến $SpO_2$: Module MAX30100 thương mại dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường chiếu vào đầu ngón tay nếu không có kẹp đo quang học chuyên dụng che sáng hoàn toàn.

Hướng phát triển trong tương lai

  1. Nâng cấp phần cứng lên 12 chuyển đạo: Sử dụng chip chuyên dụng AFE y sinh đa kênh như ADS1298 (8 kênh vi sai 24-bit ADC tích hợp của Texas Instruments) để thu nhận đồng thời toàn bộ 12 chuyển đạo tim chuẩn y khoa.
  2. Tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo (Edge AI): Nhúng mạng nơ-ron tích chập (1D-CNN) hoặc thuật toán Pan-Tompkins nâng cao trực tiếp lên vi điều khiển STM32F4 để tự động phát hiện và cảnh báo sớm các dạng loạn nhịp nguy hiểm (Rung nhĩ - AFib, Ngoại tâm thu thất - PVC).
  3. Mở rộng kết nối Cloud Telemedicine: Nâng cấp firmware ESP8266 lên giao thức MQTT kết nối với máy chủ đám mây AWS IoT / Google Cloud, xây dựng ứng dụng di động (Flutter/React Native) có xác thực bảo mật và lưu trữ hồ sơ bệnh án điện tử (EMR/EHR) theo chuẩn quốc tế HL7 FHIR.

Đối tượng hưởng lợi

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                                 ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                                |
+-----------------------+------------------------------------------------------------+
| Sinh viên & Học viên  | Nguồn tài liệu tham khảo toàn diện về thiết kế AFE y sinh, |
| Kỹ thuật Điện tử      | lập trình vi điều khiển ARM 32-bit và giao tiếp bus FSMC.  |
+-----------------------+------------------------------------------------------------+
| Kỹ sư hệ thống nhúng  | Pattern thiết kế tối ưu giữa xử lý tín hiệu tương tự (AFE)|
| & Thiết bị y tế       | với hiển thị đồ họa tốc độ cao và truyền thông không dây.  |
+-----------------------+------------------------------------------------------------+
| Cơ sở y tế &          | Nền tảng thiết kế mẫu để phát triển các máy đo theo dõi sức|
| Doanh nghiệp Y tế số  | khỏe từ xa (Telehealth Monitor) giá rẻ, nội địa hóa cao.  |
+-----------------------+------------------------------------------------------------+
| Bệnh nhân & Gia đình  | Giải pháp tự giám sát chức năng tim mạch và hô hấp tại nhà |
|                       | với độ tin cậy cao, dễ thao tác và chi phí tiếp cận thấp.  |
+-----------------------+------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch đo ECG tự thiết kế khác gì so với việc dùng trực tiếp module AD8232 có sẵn?

Mạch tự thiết kế rời rạc (INA114 + Op-Amps lọc tích cực) giúp nắm vững nguyên lý thiết kế tương tự, tự do tinh chỉnh tần số cắt của bộ lọc ($0.5 - 100\text{ Hz}$) và hệ số khuếch đại ($G=51$). Module AD8232 tích hợp sẵn giúp thu nhỏ kích thước mạch, nâng cao độ bền cơ học và tối ưu đường mạch chống nhiễu trong sản phẩm hoàn thiện.

2. Làm thế nào hệ thống loại bỏ được nhiễu điện lưới công nghiệp $50\text{ Hz}$?

Hệ thống sử dụng cơ chế khử nhiễu 2 tầng: Tầng 1 là mạch lọc Notch phần cứng (Twin-T Notch Filter) có tần số triệt $f_n = 50\text{ Hz}$ với hệ số phẩm chất $Q$ cao; Tầng 2 là thuật toán lọc số trung bình trượt (Moving Average Filter) kết hợp lọc thông thấp số thực thi trực tiếp trên vi điều khiển STM32F4.

3. Tại sao chọn giao tiếp FSMC thay vì SPI để điều khiển màn hình LCD 7 inch?

Màn hình 7 inch độ phân giải $800 \times 480$ có tổng cộng $384,000\text{ pixels}$. Nếu dùng SPI tốc độ cao ($42\text{ MHz}$), việc làm tươi toàn màn hình sẽ gây trễ lớn ($> 150\text{ ms}$), gây giật đồ thị sóng. Giao tiếp FSMC 16-bit xem bộ nhớ RAM của RA8875 như một ô nhớ tĩnh ngoài của ARM, cho phép ghi dữ liệu song song cực nhanh, đảm bảo tốc độ quét sóng mượt mà ở tần số $30 - 60\text{ fps}$.

4. Thiết bị có đảm bảo an toàn điện sinh học cho người sử dụng không?

Toàn bộ hệ thống hoạt động ở mức điện áp thấp ($3.3\text{V} - 5\text{V}$) cách ly hoàn toàn với lưới điện qua adapter nguồn cách ly chuẩn y tế hoặc pin. Các ngõ vào điện cực đều có điện trở hạn dòng bảo vệ ($R > 100\text{ k}\Omega$) ngăn chặn dòng điện rò chạy qua tim bệnh nhân vượt quá tiêu chuẩn an toàn y tế ($< 10,\mu\text{A}$).

5. Dữ liệu trên Web Server được cập nhật theo cơ chế nào?

Vi điều khiển STM32F4 liên tục đóng gói các giá trị ADC sóng điện tim cùng nhịp tim và $SpO_2$ thành các chuỗi bản tin ngắn qua cổng UART gửi sang ESP8266. ESP8266 lưu vào bộ đệm và sử dụng kỹ thuật AJAX/WebSocket trên trang HTML/JavaScript để cập nhật liên tục đồ thị theo thời gian thực mà không cần tải lại toàn bộ trang web.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG" đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ các mục tiêu nghiên cứu và thi công đề ra. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự sinh học chính xác cao với sức mạnh xử lý số của chip 32-bit ARM Cortex-M4 (STM32F407VET6), màn hình đồ họa 7 inch chuyên nghiệp và công nghệ truyền thông không dây ESP8266.

Kết quả kiểm thử thực tế đối chuẩn với thiết bị y tế chuyên dụng đã chứng minh tính chính xác cao (sai số nhịp tim $\pm 1.4\text{ BPM}$, sai số $SpO_2 \pm 0.6%$), độ ổn định tín hiệu và khả năng ứng dụng thực tiễn vượt trội. Công trình là minh chứng rõ nét cho năng lực nghiên cứu ứng dụng, làm chủ công nghệ phần cứng và phần mềm nhúng của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, mở ra tiền đề vững chắc cho việc phát triển các thiết bị y tế cá nhân hóa và hệ thống khám chữa bệnh từ xa (Telemedicine) thông minh trong tương lai.