Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xã hội hiện đại, các bệnh lý liên quan đến hệ tim mạch xuất hiện ngày càng nhiều và có xu hướng trẻ hóa do ảnh hưởng của môi trường sống, thực phẩm và thói quen sinh hoạt. Việc phát hiện sớm và theo dõi liên tục tình trạng hoạt động của tim mạch đóng vai trò then chốt nhằm giảm thiểu các biến chứng và rủi ro y tế. Mặc dù công nghệ y sinh đã phát triển mạnh mẽ với nhiều thiết bị chuyên dụng, việc tạo ra một thiết bị đo đạc vừa đảm bảo tính chính xác vừa có giá thành hợp lý vẫn là một bài toán kỹ thuật thực tế.

Tại thời điểm nghiên cứu, phần lớn các đề tài tốt nghiệp hoặc công trình nghiên cứu của sinh viên thường tập trung vào phương pháp đo nhịp tim quang học thông qua sự thay đổi lượng ánh sáng truyền qua mô và da (phương pháp PPG). Phương pháp này có độ chính xác hạn chế, chịu nhiều ảnh hưởng bởi cử động và không thể cung cấp dạng sóng điện tim chi tiết để phân tích bệnh lý. Do đó, nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài "Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG" nhằm thu nhận trực tiếp tín hiệu điện thế sinh học của tim, hiển thị dạng sóng thời gian thực và tích hợp khả năng truyền dữ liệu giám sát từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Thiết kế và thi công phần cứng máy đo điện tâm đồ (ECG) sử dụng các mạch khuếch đại thuật toán, mạch lọc thông dải và lập trình xử lý tín hiệu trên vi điều khiển STM32F407VET6.
  2. Tích hợp cảm biến MAX30100 để đo nồng độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$) và nhịp tim quang học song song với điện tim.
  3. Thiết kế web server trên module ESP8266 nhằm thu nhận dữ liệu từ vi điều khiển trung tâm và hiển thị kết quả đo đạc từ xa qua mạng Wi-Fi.

Nhiệm vụ nghiên cứu (gồm 9 nội dung theo văn bản):

  • Nội dung 1: Thiết kế sơ đồ nguyên lý (schematic) khối mạch đo lường tín hiệu ECG từ cơ thể sinh học bằng các tầng khuếch đại và lọc tích cực.
  • Nội dung 2: Kiểm tra dạng sóng đo được bằng máy hiện sóng (Oscilloscope), đánh giá và hiệu chỉnh các thông số mạch lọc, mạch khuếch đại.
  • Nội dung 3: Thiết kế sơ đồ nguyên lý khối mạch xử lý trung tâm và khối hiển thị.
  • Nội dung 4: Nghiên cứu thuật toán lập trình, xuất tín hiệu từ vi điều khiển ra màn hình hiển thị.
  • Nội dung 5: Thiết kế mạch in (PCB) cho toàn bộ hệ thống (khối đo lường, khối xử lý, khối hiển thị và khối nguồn).
  • Nội dung 6: Thi công phần cứng hoàn chỉnh cho toàn hệ thống.
  • Nội dung 7: Lập trình hiển thị dạng sóng ECG trên màn hình LCD, chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống.
  • Nội dung 8: Viết báo cáo tổng kết đồ án.
  • Nội dung 9: Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp trước hội đồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu điện thế sinh học của tim (ECG), tín hiệu quang phổ hấp thụ của máu ($SpO_2$), vi điều khiển STM32F407VET6, vi điều khiển ESP8266, màn hình LCD HMI 7 inch và cảm biến MAX30100.
  • Phạm vi không gian và phần cứng: Thiết bị được đóng gói hoàn chỉnh trong hộp mô hình có kích thước $24\text{ cm} \times 11\text{ cm} \times 7\text{ cm}$, sử dụng cấu hình đo 3 điện cực dán trên cơ thể ở chuyển đạo chi Lead II (gồm các điện cực RA - tay phải, LA - tay trái, RL - chân phải làm mốc tham chiếu). Màn hình hiển thị LCD 7 inch độ phân giải $800 \times 480\text{ pixels}$.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được thực hiện từ ngày 07/03/2020 đến ngày 04/08/2020 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sinh học

  • Cơ chế phát sinh điện tim: Hoạt động co bóp của tim được điều khiển bởi hệ thống dẫn truyền tự động gồm nút xoang nhĩ (SA node), nút nhĩ thất (AV node), bó His và mạng sợi Purkinje. Điện thế hoạt động phát sinh do sự chênh lệch nồng độ và gradient khuếch tán của các ion $Na^+$ và $K^+$ qua màng tế bào cơ tim (điện thế nghỉ khoảng $-90\text{ mV}$).

  • Ý nghĩa các sóng trên điện tâm đồ:

    • Sóng P: Biểu thị quá trình khử cực hai tâm nhĩ (thời gian bình thường $< 0{,}12\text{ s}$, biên độ $< 0{,}2\text{ mV}$).
    • Phức bộ QRS: Thể hiện quá trình khử cực hai tâm thất, kéo dài từ $0{,}06\text{ s}$ đến $0{,}10\text{ s}$.
    • Sóng T: Biểu thị quá trình tái cực muộn của hai tâm thất.
    • Khoảng PQ: Thời gian dẫn truyền xung động từ nhĩ xuống thất (bình thường $0{,}12\text{ s} - 0{,}20\text{ s}$).
    • Đoạn ST và khoảng QT: Đánh giá giai đoạn tái cực sớm và thời gian tâm thu điện học của tâm thất.

  • Đặc tính dải tần số tín hiệu và nhiễu:

    • Tần số nhịp tim: $0{,}67 - 5\text{ Hz}$ ($40 - 300\text{ bpm}$).
    • Sóng P: $0{,}67 - 5\text{ Hz}$; Phức bộ QRS: $10 - 50\text{ Hz}$; Sóng T: $1 - 7\text{ Hz}$.
    • Nhiễu cơ bắp (EMG): $5 - 50\text{ Hz}$; Nhiễu hô hấp: $0{,}12 - 0{,}5\text{ Hz}$; Nhiễu điện lưới công nghiệp: $50\text{ Hz}$ hoặc $60\text{ Hz}$.

  • Nguyên lý đo $SpO_2$ bằng phương pháp hấp thụ quang học: Phân tử Hemoglobin tồn tại ở hai dạng: Oxyhemoglobin ($HbO_2$) hấp thụ nhiều tia hồng ngoại ($940\text{ nm}$) và khử Oxyhemoglobin ($Hb$) hấp thụ nhiều ánh sáng đỏ ($660\text{ nm}$). Cảm biến đo thành phần tín hiệu gồm thành phần một chiều $DC$ (mô, xương, tĩnh mạch) và thành phần xoay chiều $AC$ (mạch đập động mạch). Tỷ số $R$ và độ bão hòa $SpO_2$ được tính theo công thức:

    $$\text{SpO}_2 = 180 - 25 \times R$$

    $$\text{Với } R = \frac{\text{AC}{\text{rms_red}} / \text{DC}{\text{rms_red}}}{\text{AC}{\text{rms_ir}} / \text{DC}{\text{rms_ir}}}$$

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch tương tự: Tính toán dải thông cho bộ lọc tích cực bậc 2 Sallen-Key và mạch lọc Notch triệt tiêu tần số $50\text{ Hz}$; tính toán hệ số khuếch đại của khuếch đại vi sai đo lường INA114.
  • Phương pháp lập trình nhúng và xử lý số: Lập trình cấu hình thanh ghi, giao tiếp bus song song FSMC điều khiển màn hình LCD HMI tích hợp chip điều khiển RA8875; lập trình thu thập tín hiệu qua bộ chuyển đổi ADC 12-bit; lập trình truyền thông nối tiếp UART và I2C.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm chuẩn: Đo kiểm dạng sóng từng tầng khuếch đại bằng dao động ký; lấy mẫu thực nghiệm trên cơ thể người; đối chiếu kết quả đo nhịp tim và $SpO_2$ với thiết bị chuẩn y khoa.
  • Tài liệu tham khảo sử dụng: Giáo trình vi xử lý (Nguyễn Đình Phú, 2014), Giáo trình Xử lý tín hiệu số (Nguyễn Hữu Phương, 2015), Tài liệu Kỹ thuật đo và phân tích điện tâm đồ bình thường (Khoa Y - ĐHQG TP.HCM), Thiết kế mạch điện tử y sinh (Nguyễn Thanh Tâm, Võ Đức Dũng).

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối cảm biến ECG / SpO2] ---> [Khối tiền xử lý / Lọc tín hiệu]
                                           |
                                           v
[Khối nguồn LM317] ---------> [Khối vi xử lý STM32F407VET6]
                                     |             |
                         (Bus FSMC)  |             | (UART)
                                     v             v
                             [Khối LCD 7 inch]   [Module ESP8266] ---> [Web Server]

  1. Khối tiền xử lý tín hiệu ECG:

    • Tầng đệm ngõ vào: Sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán đệm tín hiệu từ hai điện cực LA và RA nhằm nâng cao trở kháng ngõ vào.

    • Tầng khuếch đại đo lường: Sử dụng IC chuyên dụng INA114 với công thức độ lợi $G = 1 + \frac{50\text{ k}\Omega}{R_g}$. Chọn $R_g = 1\text{ k}\Omega$, cho hệ số khuếch đại $G = 51$ lần để nâng biên độ tín hiệu từ mức milivolt lên mức volt.

    • Tầng lọc thông thấp bậc 2 (Low-Pass Filter): Tần số cắt $F_c = 100\text{ Hz}$ theo công thức:

      $$F_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{R_1 R_2 C_1 C_2}} = 100\text{ Hz}$$

      Lựa chọn linh kiện chuẩn: $R_1 = 5{,}1\text{ k}\Omega$, $R_2 = 10\text{ k}\Omega$, $C_1 = 220\text{ nF}$, tính ra $C_2 = 100\text{ nF}$.

    • Tầng lọc thông cao bậc 2 (High-Pass Filter): Tần số cắt $F_c = 0{,}5\text{ Hz}$ với $R_1 = 15\text{ k}\Omega$, $R_2 = 33\text{ k}\Omega$, $C_1 = 20\ \mu\text{F}$, tính ra $C_2 = 11\ \mu\text{F}$.

    • Tầng lọc chặn Notch $50\text{ Hz}$: Triệt tiêu nhiễu điện lưới công nghiệp với công thức $F_n = \frac{1}{4\pi \sqrt{RC}} = 50\text{ Hz}$, chọn $R = 15\text{ k}\Omega$, tính ra $C = 100\text{ nF}$.

    • Nhóm cũng khảo sát và tích hợp module tương đương AD8232 nhằm tăng tính linh hoạt và độ ổn định khi vận hành thực tế.

  2. Khối cảm biến $SpO_2$ (MAX30100):

    • Tích hợp 2 đèn LED phát bước sóng kép ($660\text{ nm}$ và $940\text{ nm}$) cùng cảm biến quang Photodiode. Giao tiếp với STM32F4 qua giao thức $I^2C$ (sử dụng 2 điện trở kéo lên $4{,}7\text{ k}\Omega$).

  3. Khối vi xử lý trung tâm (STM32F407VET6):

    • Vi điều khiển 32-bit lõi ARM Cortex-M4, xung nhịp cực đại $168\text{ MHz}$, bộ nhớ Flash $1\text{ MB}$, SRAM $192\text{ KB} + 64\text{ KB}$ CCM.
    • Sử dụng bộ dao động thạch anh chính $8\text{ MHz}$ và thạch anh thời gian thực RTC $32{,}768\text{ kHz}$.
    • Tích hợp bộ chuyển đổi ADC 12-bit lấy mẫu tín hiệu tương tự từ khối ECG và giao tiếp FSMC tốc độ cao với màn hình LCD.
Khối chức năng / Ngoại vi Chân kết nối trên STM32F407 Chức năng chi tiết
Giao tiếp LCD (FSMC) 16 chân Data, 4 chân điều khiển Truyền dữ liệu song song 16-bit và lệnh điều khiển màn hình
Giao tiếp ESP8266 (UART) PA2 (TX), PA3 (RX) Truyền dữ liệu dạng sóng và nhịp tim sang module Wi-Fi
Giao tiếp cảm ứng ($I^2C$) PB6 (SCL), PB7 (SDA) Đọc dữ liệu tọa độ chạm từ chip điều khiển cảm ứng
Mạch nạp (ST-Link v2) PA13 (SWDIO), PA14 (SWCLK) Nạp chương trình và gỡ lỗi phần mềm
Mạch tạo dao động PC14, PC15 / PH0, PH1 Kết nối thạch anh $8\text{ MHz}$ và thạch anh RTC $32{,}768\text{ kHz}$

  1. Khối truyền nhận không dây (ESP8266 NodeMCU):

    • Vi xử lý Wi-Fi SoC $2{,}4\text{ GHz}$ chuẩn 802.11 b/g/n, tích hợp chip nạp tự động CP2102, bộ nhớ Flash $4\text{ MB}$.
    • Nhận chuỗi dữ liệu từ STM32 qua cổng UART không đồng bộ và khởi tạo Web server dạng trạm phát/kết nối mạng để hiển thị đồ thị và chỉ số lên trình duyệt.

  2. Khối nguồn và màn hình hiển thị:

    • Khối nguồn: Sử dụng IC điều áp tuyến tính LM317 kết hợp biến trở cân chỉnh nhằm tránh nhiễu xung cao tần từ các bộ nguồn chuyển mạch (SMPS), đảm bảo mức điện áp $3{,}3\text{ V}$ và $5\text{ V}$ ổn định cho toàn hệ thống.
Tên linh kiện Điện áp định mức Dòng điện tiêu thụ định mức
ESP8266 NodeMCU $5\text{ VDC}$ $200\text{ mA}$
STM32F407VET6 $3{,}3\text{ VDC}$ $240\text{ mA}$
Màn hình LCD 7 inch $3{,}3\text{ VDC}$ $180\text{ mA}$
  • Khối hiển thị: Màn hình HMI 7 inch cảm ứng điện dung, độ phân giải $800 \times 480$, tích hợp bộ điều khiển RA8875 giao tiếp qua bus FSMC. Nhóm thực hiện lập trình trực tiếp vào thanh ghi điều khiển bộ đệm khung hình của RA8875 để vẽ đồ thị:
void gotoXY(uint16_t x, uint16_t y) {
    LCD_CmdWrite(0x46); // Chọn thanh ghi 8-bit thấp của vị trí hàng ngang
    LCD_DataWrite(x); 
    LCD_CmdWrite(0x47); // Chọn thanh ghi 8-bit cao của vị trí hàng ngang
    LCD_DataWrite(x >> 8); 
    LCD_CmdWrite(0x48); // Chọn thanh ghi 8-bit thấp của vị trí hàng dọc
    LCD_DataWrite(y); 
    LCD_CmdWrite(0x49); // Chọn thanh ghi 8-bit cao của vị trí hàng dọc
    LCD_DataWrite(y >> 8); 
}

void drawPixel(uint16_t x, uint16_t y, uint16_t color) {
    gotoXY(x, y);          // Định vị tọa độ ô nhớ đệm cần ghi
    LCD_CmdWrite(0x02);    // Lệnh ghi vào bộ nhớ đệm hiển thị
    LCD_DataWrite(color);  // Ghi mã màu 16-bit (chuẩn RGB565)
}

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tỷ lệ mắc bệnh tim mạch gia tăng và sự phát triển của công nghệ Internet of Things (IoT). Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo thiết bị đo điện tim dạng sóng thực, khắc phục nhược điểm của các nghiên cứu sinh viên trước đây vốn chỉ đo nhịp tim quang học đơn thuần. Chương này phân định 9 nội dung nghiên cứu cần thực hiện, đưa ra giới hạn kỹ thuật của hệ thống (kích thước hộp $24 \times 11 \times 7\text{ cm}$, LCD 7 inch, cấu hình đo 3 điện cực Lead II) và sơ lược bố cục 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Lý thuyết về nhịp tim và phương pháp đo điện tim

Chương 2 trình bày toàn diện cơ sở sinh lý học điện tim và nguyên lý đo đạc y sinh. Nội dung phân tích cơ chế khử cực - tái cực của các buồng tim, điện thế màng tế bào, cùng ý nghĩa bệnh học của từng thành phần sóng ($P$, phức bộ $QRS$, sóng $T$, $U$, các khoảng dẫn truyền $PQ$, $ST$, $QT$). Tác giả hệ thống hóa vị trí 10 điện cực tiêu chuẩn trên cơ thể tạo nên 12 chuyển đạo lâm sàng, đồng thời giải thích phương pháp đo quang phổ $SpO_2$ dựa trên tỉ lệ hấp thụ ánh sáng đỏ/hồng ngoại của $Hb$ và $HbO_2$. Phần cứng được giới thiệu chi tiết về thông số vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VET6, module ESP8266, cảm biến MAX30100, màn hình LCD điều khiển bởi IC RA8875, cùng nguyên lý truyền thông các chuẩn UART và $I^2C$.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào khâu tính toán lý thuyết và thiết kế chi tiết từng khối mạch. Tác giả trình bày sơ đồ khối hệ thống và tính toán các tham số mạch: tầng khuếch đại đo lường INA114 có độ lợi $G=51$, bộ lọc thông thấp $100\text{ Hz}$, bộ lọc thông cao $0{,}5\text{ Hz}$ và bộ lọc triệt nhiễu Notch $50\text{ Hz}$. Chương này cung cấp sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của mạch tiền xử lý ECG, mạch cảm biến MAX30100, mạch vi điều khiển STM32F407VET6 (mạch reset, mạch dao động thạch anh, kết nối ST-Link v2), mạch nguồn điều áp tuyến tính LM317 và mạch kết nối màn hình LCD qua bus FSMC 16-bit. Giải thuật phần mềm được mô tả qua lưu đồ thuật toán toàn hệ thống và lưu đồ tính toán nhịp tim từ dữ liệu tín hiệu rời rạc.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa phần cứng và lập trình hệ thống. Các bước triển khai bao gồm: thiết kế mạch in (PCB) trên phần mềm Altium Designer, gia công mạch xử lý trung tâm, thiết kế và in 3D đầu dò cảm biến kẹp ngón tay cho cảm biến $SpO_2$, lắp đặt toàn bộ board mạch và màn hình vào hộp mô hình kích thước $24\text{ cm} \times 11\text{ cm} \times 7\text{ cm}$. Về mặt phần mềm, tác giả trình bày quy trình cấu hình chân và tạo mã nguồn khởi tạo bằng STM32CubeMX, lập trình xử lý tín hiệu và hiển thị đồ thị trên Keil C V5, lập trình giao tiếp mạng và Web server cho ESP8266 trên môi trường Arduino IDE, cùng việc biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị.

Chương 5: Kết quả thực tế

Chương 5 công bố các kết quả đo đạc thực nghiệm thu được từ mô hình hoàn thiện. Hệ thống hiển thị rõ nét dạng sóng điện tim chuyển đạo Lead II thời gian thực, giá trị nhịp tim (bpm) và nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$) trên cả màn hình LCD 7 inch và giao diện Web server qua Wi-Fi. Tác giả tiến hành thử nghiệm đối chứng trực tiếp giữa máy đo tự chế và thiết bị đo chuẩn y khoa, lập bảng so sánh dữ liệu đo đạc thực tế để đánh giá sai số và độ ổn định của hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo đạc thực nghiệm

  • Hiển thị đồ thị và thông số tại chỗ: Màn hình LCD 7 inch độ phân giải $800 \times 480$ hiển thị mượt mà đồ thị sóng điện tim Lead II với đầy đủ các thành phần nhận dạng (sóng P, phức bộ QRS và sóng T), đồng thời hiển thị đồng thời các thông số số đo nhịp tim và chỉ số $SpO_2$.
  • Giám sát từ xa qua Web Server: Module ESP8266 thiết lập thành công máy chủ web cục bộ, nhận dữ liệu số hóa từ STM32 qua giao tiếp UART và hiển thị tức thời kết quả đo đạc trên giao diện trình duyệt điện thoại/máy tính.
  • Dữ liệu đối chứng với thiết bị chuẩn y khoa: Kết quả đo đạc thực tế trên đối tượng thử nghiệm cho thấy sự tương đồng cao giữa thiết bị của đề tài và máy đo chuẩn:
Thông số đo đạc Kết quả đo trên thiết bị của đề tài Kết quả đo trên thiết bị chuẩn y khoa
Dạng sóng ECG (Lead II) Đầy đủ các đỉnh sóng P, QRS, T; đường đẳng điện ổn định Dạng sóng chuẩn y khoa đồng dạng, biên độ tương đương
Nhịp tim (Lần đo 1) Khớp với tần số tính toán trên phức bộ QRS $75\text{ bpm}$
Chỉ số $SpO_2$ (Lần đo 1) Đo đạc qua module MAX30100 hiển thị ổn định $98%$
Nhịp tim (Lần đo 2) Đáp ứng tốt theo sự thay đổi nhịp tim người đo $78\text{ bpm}$
Chỉ số $SpO_2$ (Lần đo 2) Duy trì dải đo chính xác $98%$

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Chế tạo thành công một thiết bị đo điện tim ECG và $SpO_2$ hoàn chỉnh, tích hợp phần cứng xử lý tương tự (khuếch đại, lọc dải, khử nhiễu $50\text{ Hz}$) kết hợp với vi điều khiển nhúng 32-bit hiệu năng cao STM32F407.
  • Khắc phục hạn chế của các đề tài trước đây vốn chỉ dừng lại ở việc đo nhịp tim gián tiếp qua phương pháp quang học PPG đơn giản, nâng cấp lên việc thu nhận trực tiếp điện thế hoạt động sinh học của tim.
  • Ứng dụng giải pháp giao tiếp bus song song FSMC để tối ưu hóa tốc độ quét và làm tươi dữ liệu trên màn hình LCD đồ họa kích thước lớn mà không gây hiện tượng trễ hình hay giật khung hình.
  • Tích hợp tính năng IoT thông qua Web server nhúng trên ESP8266, tạo điều kiện theo dõi sức khỏe không dây trong phạm vi mạng nội bộ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Hệ thống mới chỉ thực hiện thu nhận và hiển thị tín hiệu điện tim trên 01 chuyển đạo duy nhất (Lead II) thông qua 3 điện cực dán (RA, LA, RL), chưa mở rộng đầy đủ 12 chuyển đạo tiêu chuẩn lâm sàng (6 chuyển đạo chi và 6 chuyển đạo trước tim $V_1 - V_6$).
  • Độ chính xác của phép đo nồng độ oxy trong máu ($SpO_2$) vẫn phụ thuộc lớn vào chất lượng linh kiện của module cảm biến quang học MAX30100 có sẵn trên thị trường.
  • Hệ thống nguồn sử dụng biến trở cân chỉnh LM317 cần được tinh chỉnh cẩn thận để duy trì mức áp chuẩn, chưa tích hợp module quản lý sạc pin di động chuyên dụng bên trong hộp thiết bị.

Hướng phát triển đề tài

  • Nâng cấp phần cứng mạch tiền xử lý để hỗ trợ đo đầy đủ 12 chuyển đạo điện tim, phục vụ việc chẩn đoán đa chiều các bệnh lý phức tạp như nhồi máu cơ tim vùng sâu hay phì đại buồng tim.
  • Phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu số nâng cao (như biến đổi Wavelet, lọc thích nghi Kalman) trực tiếp trên vi điều khiển STM32 để tự động phát hiện và cảnh báo các dạng loạn nhịp tim (như rung nhĩ, ngoại tâm thu, nhịp nhanh thất).
  • Mở rộng giao thức truyền thông lên máy chủ đám mây (Cloud Server) thông qua giao thức MQTT để lưu trữ lịch sử bệnh án dài hạn và xây dựng ứng dụng di động chuyên biệt.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo ứng dụng cao đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Y sinh, Công nghệ Thông tin: Cung cấp tài liệu mẫu chi tiết về cách tính toán các tầng mạch tương tự xử lý tín hiệu y sinh có biên độ nhỏ (khuếch đại vi sai INA114, lọc Sallen-Key, lọc Notch $50\text{ Hz}$).
  • Kỹ sư và người nghiên cứu hệ thống nhúng: Cung cấp sơ đồ phần cứng và mã nguồn thực tế về việc lập trình điều khiển màn hình LCD HMI đồ họa qua chuẩn giao tiếp FSMC trên dòng ARM Cortex-M4 (STM32F4), cũng như cách kết nối đồng bộ giữa vi điều khiển chính và module Wi-Fi ESP8266 qua giao tiếp UART.
  • Các đề tài nghiên cứu thiết bị theo dõi sức khỏe cá nhân (Wearable/IoT Healthcare): Tham khảo kiến trúc đóng gói hoàn chỉnh từ cảm biến, mạch tiền xử lý, mạch điều khiển trung tâm, thiết kế vỏ hộp 3D cho đầu dò quang học đến giao diện web giám sát.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống đo điện tim trong đề tài bắt buộc phải sử dụng mạch lọc Notch $50\text{ Hz}$?
Tín hiệu điện tâm đồ trên bề mặt da có biên độ rất nhỏ (chỉ vài milivolt), do đó rất dễ bị nhiễm tạp âm từ trường điện từ của lưới điện xoay chiều công nghiệp $50\text{ Hz}$ xung quanh cơ thể và thiết bị. Mạch lọc Notch được thiết kế với tần số triệt tiêu đúng $F_n = 50\text{ Hz}$ nhằm loại bỏ hoàn toàn sóng can nhiễu này mà không làm biến dạng các dải tần số sinh học hữu ích của sóng tim.

2. Vi điều khiển STM32F407VET6 giao tiếp với màn hình LCD 7 inch thông qua chuẩn giao tiếp nào và ưu điểm là gì?
Vi điều khiển STM32F407VET6 kết nối với chip điều khiển RA8875 của màn hình LCD 7 inch thông qua chuẩn giao tiếp bus song song FSMC (Flexible Static Memory Controller) với 16 đường dữ liệu và 4 đường điều khiển. Giao tiếp FSMC cho phép vi điều khiển truy xuất bộ nhớ đệm hiển thị của màn hình với tốc độ cực cao tương đương truy xuất bộ nhớ RAM tĩnh, giúp vẽ dạng sóng thời gian thực mượt mà mà không làm nghẽn tài nguyên CPU.

3. Đề tài sử dụng cấu hình đo mấy điện cực và thuộc chuyển đạo nào?
Đề tài sử dụng cấu hình đo 3 điện cực dán gồm: điện cực đặt tại tay phải (RA), tay trái (LA) và chân phải (RL làm điện cực tham chiếu nối đất/nâng mass). Cấu hình này tương ứng với chuyển đạo chi Lead II (DII), là chuyển đạo phổ biến nhất cho thấy biên độ sóng P và phức bộ QRS rõ nét nhất để tính toán nhịp tim.

4. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn mạch nguồn sử dụng IC LM317 thay vì các module nguồn xung hạ áp (SMPS)?
Tín hiệu điện sinh học ECG rất nhạy cảm với các xung nhiễu điện áp tần số cao. Các bộ nguồn xung hạ áp thường tạo ra gợn sóng (ripple) và sóng hài chuyển mạch lớn gây nhiễu thẳng vào tầng khuếch đại đo lường. Mạch nguồn sử dụng IC ổn áp tuyến tính LM317 tạo ra điện áp một chiều phẳng, sạch, triệt tiêu tối đa can nhiễu nguồn giúp tín hiệu đo được trung thực nhất.

5. Công thức tính chỉ số $SpO_2$ từ cảm biến quang MAX30100 được thực hiện như thế nào?
Chỉ số $SpO_2$ được tính toán thông qua việc so sánh tỷ số hấp thụ quang học $R$ giữa bước sóng đỏ và hồng ngoại theo công thức thực nghiệm: $\text{SpO}2 = 180 - 25 \times R$. Trong đó $R$ là tỉ số giữa biên độ xoay chiều và thành phần một chiều của kênh ánh sáng đỏ chia cho tỉ số tương ứng của kênh ánh sáng hồng ngoại ($R = \frac{AC{red}/DC_{red}}{AC_{ir}/DC_{ir}}$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công hoàn chỉnh thiết bị đo điện tâm đồ ECG và nồng độ oxy trong máu $SpO_2$ tích hợp công nghệ giám sát từ xa. Hệ thống phần cứng hoạt động ổn định nhờ sự kết hợp giữa các tầng lọc - khuếch đại tương tự chính xác, vi điều khiển ARM Cortex-M4 tốc độ cao và module truyền thông Wi-Fi ESP8266. Dạng sóng điện tim thu được ở chuyển đạo Lead II cùng các thông số nhịp tim, $SpO_2$ hiển thị đồng thời trên màn hình LCD 7 inch và giao diện Web server với độ tin cậy cao khi đối chứng cùng thiết bị y tế chuyên dụng. Công trình đóng vai trò là một tài liệu kỹ thuật thực nghiệm mẫu mực trong lĩnh vực thiết kế thiết bị điện tử y sinh và ứng dụng IoT theo dõi sức khỏe.