Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong y học hiện đại, bệnh lý tim mạch là một trong những nguyên nhân gây tử vong và tàn phế hàng đầu trên toàn cầu. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có khoảng 17,5 triệu người tử vong do các bệnh liên quan đến tim mạch. Tại Việt Nam, tỷ lệ mắc các bệnh lý tim mạch cũng đang gia tăng nhanh chóng dưới áp lực môi trường sống và sinh hoạt. Kỹ thuật ghi điện tâm đồ (Electrocardiography - ECG) đóng vai trò là phương pháp chẩn đoán cơ bản, ghi lại các biến thiên điện thế hoạt động của tim nhằm phát hiện sớm các rối loạn nhịp và bệnh lý cơ tim.

Tuy nhiên, việc thu thập tín hiệu điện tim ở đối tượng trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ (đặc biệt là trẻ dưới 12 tháng tuổi) gặp nhiều trở ngại đặc thù:

  • Đặc điểm giải phẫu và sinh lý: Trẻ em dưới 12 tháng tuổi có tần số tim nhanh (khoảng 140 chu kỳ/phút ở trẻ 1 tuổi so với 60–80 chu kỳ/phút ở người lớn), biên độ tín hiệu nhỏ và cơ thể chưa phát triển hoàn thiện.
  • Hạn chế của thiết bị truyền thống: Các máy đo điện tim lâm sàng tiêu chuẩn sử dụng từ 3 đến 10 điện cực dạng kẹp chi hoặc giác hút/dán kèm gel dẫn điện. Hệ thống dây nối cồng kềnh, lớp gel dính và cảm giác tiếp xúc kim loại lạnh dễ làm trẻ đau rát, sợ hãi, quấy khóc, dẫn đến nhiễu điện cơ (EMG) và sai lệch nghiêm trọng dạng sóng ECG.
  • Rào cản kinh tế và phân bố trang thiết bị: Các dòng máy đo điện tim chuyên dụng hoặc các hệ thống giám sát biểu bì không dây cao cấp (như BTL-08 SD3, Contec ECG1201, hệ thống Binodal) có giá thành cao, khó trang bị đồng bộ tại các cơ sở y tế tuyến huyện, xã, vùng sâu, vùng xa hay hải đảo.

Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và thi công thiết bị điện tim cho trẻ em dưới 12 tháng tuổi" được thực hiện nhằm chế tạo một thiết bị đo ECG hai điện cực khô cầm tay nhỏ gọn, truyền dữ liệu không dây qua Bluetooth đến điện thoại thông minh Android, giúp thao tác đo nhanh, giảm thiểu tối đa sự khó chịu cho trẻ nhỏ và hạ giá thành thiết bị.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh thiết bị phần cứng thu nhận tín hiệu điện tim chuyên biệt cho trẻ dưới 12 tháng tuổi, tích hợp truyền thông Bluetooth và xây dựng ứng dụng hiển thị, lưu trữ dữ liệu thời gian thực trên hệ điều hành Android.

Văn bản xác định 10 nội dung nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của tim và tính chất tín hiệu điện tim.
  2. Tìm hiểu các phương pháp thu nhận dữ liệu ECG.
  3. Tìm hiểu chức năng và cách thức hoạt động của các thiết bị đo ECG.
  4. Tìm hiểu các chuẩn truyền thông công nghiệp và không dây (SPI, Bluetooth).
  5. Tìm hiểu linh kiện thu tín hiệu và IC cảm biến chuyên dụng đo điện tim.
  6. Nghiên cứu, lập trình ứng dụng Android để điều khiển, giám sát và hiển thị dữ liệu; thiết kế và thi công mô hình vỏ hộp thiết bị.
  7. Nghiên cứu lập trình cho vi điều khiển ESP32 nhận dữ liệu từ module cảm biến qua giao tiếp SPI.
  8. Nạp chương trình, chạy thử nghiệm hệ thống, hiệu chỉnh và hoàn thiện sản phẩm.
  9. Thực hiện viết báo cáo tổng kết đồ án.
  10. Bảo vệ đề tài trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Dạng sóng điện thế sinh học của tim (ECG) ở trẻ nhỏ, các giải pháp lọc nhiễu số, kiến trúc vi điều khiển ESP32, IC khuếch đại tương tự tích hợp ADS1292R và môi trường lập trình di động Android.
  • Phạm vi không gian và truyền thông: Khoảng cách truyền nhận dữ liệu không dây giữa thiết bị đo và điện thoại thông minh qua Bluetooth đạt dưới 5 mét.
  • Phạm vi nền tảng phần mềm: Ứng dụng di động được xây dựng chuyên biệt cho hệ điều hành Android (phiên bản 5.0 trở lên); không hỗ trợ các hệ điều hành khác (iOS, Java, Symbian, Linux).
  • Phạm vi ứng dụng: Thiết bị dừng lại ở mức độ mô hình nghiên cứu, phục vụ học tập và theo dõi thực nghiệm, không sử dụng trực tiếp thay thế thiết bị chẩn đoán y tế pháp quy tại bệnh viện.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 10/03/2020 đến ngày 04/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh và Điện tử:

  • Sinh lý điện học tim: Hệ thống dẫn truyền tự động của tim bao gồm nút xoang (Keith-Flack, phát nhịp 80–100 nhịp/phút), nút nhĩ-thất (Aschoff-Tawara, phát nhịp 40–60 nhịp/phút), bó His (30–40 nhịp/phút) và mạng Purkinje. Chu kỳ tim tiêu chuẩn kéo dài khoảng 0,8 giây, gồm ba pha: co tâm nhĩ (0,1s), co tâm thất (0,3s) và pha dãn chung (0,4s).
  • Cấu trúc sóng điện tâm đồ: Tín hiệu ECG bề mặt bao gồm các thành phần sóng P (khử cực hai tâm nhĩ), phức bộ QRS (khử cực hai tâm thất, kéo dài 0,06–0,10s), khoảng PR (0,12–0,20s), đoạn ST, sóng T (tái cực hai tâm thất) và sóng U.
  • Tam giác Einthoven và hệ thống đạo trình: Hệ thống 12 đạo trình tiêu chuẩn gồm 3 đạo trình chi lưỡng cực (Đạo trình I: LA-RA, Đạo trình II: LL-RA, Đạo trình III: LL-LA), 3 đạo trình chi đơn cực tăng cường (aVR, aVL, aVF) và 6 đạo trình trước ngực (V1–V6). Trong đề tài này, cấu hình đo sử dụng 2 điện cực tiếp xúc tương đương đạo trình I thu gọn.
  • Lý thuyết lọc số tín hiệu: Áp dụng các thuật toán lọc số (Digital Filter) bao gồm bộ lọc thông thấp (Low-pass Filter) và bộ lọc khử thành phần một chiều (DC offset) để loại bỏ nhiễu trôi đường đẳng điện và nhiễu tần số cao từ môi trường.
  • Truyền thông Bluetooth: Khảo sát hai giao thức Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy (BLE) hoạt động ở băng tần ISM 2,4 GHz với cơ chế nhảy tần 79 kênh (Classic) hoặc 40 kênh (BLE), mô hình Master - Slave.
Đặc điểm kỹ thuật Bluetooth Classic Bluetooth Low Energy (BLE)
Khoảng cách hoạt động 100 m > 100 m
Tốc độ truyền 1 – 3 Mbit/s 1 Mbit/s
Thông lượng dữ liệu 0,7 – 2,1 Mbit/s 0,27 Mbit/s
Số lượng Slave tối đa 7 thiết bị Tùy vào ứng dụng
Mã hóa bảo mật 56 / 128 bit 128 bit AES và counter mode CBC-MAC
Độ trễ kết nối 100 ms 6 ms
Mức tiêu thụ năng lượng ~ 1 W 0,01 – 0,5 W
Dòng điện tiêu thụ < 30 mA < 15 mA
  • Kiến trúc phần mềm Android: Hoạt động dựa trên 4 thành phần nền tảng gồm Activity (giao diện tương tác), Service (tiến trình nền), Content Provider (quản lý và chia sẻ dữ liệu), Broadcast Receiver (tiếp nhận thông điệp hệ thống) và tệp cấu hình trung tâm AndroidManifest.xml.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập dữ liệu kỹ thuật từ datasheet của nhà sản xuất (Texas Instruments, Espressif Systems), kết hợp các công trình nghiên cứu về xử lý tín hiệu ECG không xâm lấn.
  2. Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử:
    • Sử dụng phần mềm thiết kế mạch chuyên dụng để vẽ sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in (PCB) 2 lớp.
    • Tính toán phối hợp trở kháng, khuếch đại vi sai, chuyển đổi mức điện áp logic và tính toán phân bổ công suất khối nguồn.
  3. Phương pháp thực nghiệm và lập trình hệ thống:
    • Lập trình vi điều khiển ESP32 bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE.
    • Xây dựng ứng dụng giao diện Android bằng nền tảng đồ họa khối lệnh MIT App Inventor.
    • Chế tạo vỏ hộp thiết bị bằng công nghệ in 3D, gia công điện cực tấm Inox không gỉ.
  4. Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các phép đo điện thế sinh học trên người tình nguyện, đối chiếu dạng sóng và nhịp tim đo được với các đồng hồ và thiết bị theo dõi nhịp tim thương mại.

Thiết kế và thi công hệ thống

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng đo điện tim được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 5 khối chức năng chính:

[Khối Cảm biến: ADS1292R + 2 Điện cực Inox] 
[Khối Hiển thị & Lưu trữ: Ứng dụng Android]
  • Khối cảm biến thu nhận tín hiệu (ADS1292R): Sử dụng IC ADS1292R (Texas Instruments) tích hợp 2 kênh ADC Sigma-Delta 24-bit, bộ khuếch đại khả trình (PGA) đặt ở độ lợi khuếch đại $A = 12$, bộ lọc nhiễu điện từ EMI Filter và nguồn điện áp tham chiếu nội Bandgap $2,42\text{ V}$. Tín hiệu được truyền về vi điều khiển qua giao tiếp SPI tốc độ cao ($f_{CLK} = 2\text{ MHz}$).
  • Khối chuyển đổi mức logic: Module tích hợp IC chuyển mức YE08/IY08 để tương thích mức logic giữa cảm biến ($3,0\text{ V}$) và vi điều khiển ($3,3\text{ V}$).
  • Khối điện cực tiếp xúc: Thay thế các loại điện cực dán hoặc kẹp thông thường bằng hai tấm điện cực Inox mỏng, cố định trên bề mặt hộp thiết bị bằng vít cấy M3 hàn đứng, giúp người dùng hoặc trẻ nhỏ chỉ cần chạm/áp tay trực tiếp để lấy tín hiệu.
  • Khối vi xử lý trung tâm (ESP32): Sử dụng kit MH ET LIVE ESP32 Minikit trang bị vi xử lý 32-bit Tensilica LX6 Dual-core (xung nhịp điều chỉnh $80 - 240\text{ MHz}$), hỗ trợ giao tiếp ngoại vi SPI, UART, bộ thu phát Bluetooth Classic và BLE.
  • Khối báo hiệu: Mạch đèn LED đỏ hiển thị trạng thái nguồn. Với điện áp thuận của LED $V_F = 2,0\text{ V}$, dòng định mức $I_F = 10\text{ mA}$, nguồn cấp danh định $3,7\text{ V}$, giá trị điện trở hạn dòng được tính toán: $$R = \frac{3,7\text{ V} - 2,0\text{ V}}{0,01\text{ A}} = 170\ \Omega \quad \longrightarrow \quad \text{Chọn điện trở chuẩn } 220\ \Omega$$
  • Khối nguồn nuôi: Hệ thống sử dụng nguồn pin sạc Li-ion $3,7\text{ V}$, kết hợp module quản lý sạc TP4056 qua cổng Micro-USB và IC ổn áp tuyến tính AP2112K tạo nguồn điện áp ổn định $3,3\text{ V}$ (dòng tải cực đại $600\text{ mA}$). Tổng công suất tiêu thụ của khối cảm biến đạt trung bình $670,5\ \mu\text{W}$ (cực đại $773\ \mu\text{W}$); dòng tiêu thụ cực đại của ESP32 khi truyền Bluetooth đạt $130\text{ mA}$.
Giao tiếp chân SPI Ký hiệu chân Chức năng kỹ thuật
Xung nhịp Clock SCK Truyền xung đồng thì giao tiếp giữa Master và Slave
Master In Slave Out MISO Đường truyền dữ liệu từ ADS1292R về ESP32
Master Out Slave In MOSI Đường truyền cấu hình từ ESP32 sang ADS1292R
Chọn chip CS Tín hiệu Chip Select kích hoạt cảm biến
Khởi động đo START Nhận tín hiệu điều khiển bắt đầu lấy mẫu từ ADS1292R
Điều khiển nguồn PWDN / RESET Chân điều khiển tắt nguồn (Power Down) hoặc Reset cảm biến
Tín hiệu sẵn sàng DRDY Báo tín hiệu chuyển đổi ADC đã sẵn sàng để đọc

Thiết kế phần mềm và thuật toán

  • Chương trình nhúng vi điều khiển (ESP32):
    1. Khởi tạo cổng truyền thông nối tiếp, cấu hình chân giao tiếp SPI và thiết lập các thanh ghi chức năng cho ADS1292R.
    2. Khởi tạo cổng truyền thông không dây Bluetooth Serial.
    3. Đọc dữ liệu mẫu 24-bit từ ADS1292R mỗi khi chân DRDY tích cực mức thấp.
    4. Áp dụng giải thuật lọc số: loại bỏ thành phần điện áp một chiều (DC Drift) và lọc thông thấp làm mịn dạng sóng.
    5. Đóng gói dữ liệu điện tim theo định dạng chuỗi và phát liên tục qua giao tiếp Bluetooth.
  • Ứng dụng di động (MIT App Inventor):
    • Screen 1 (Đăng nhập và Kết nối): Quản lý xác thực người dùng, quét danh sách và kết nối với thiết bị Bluetooth ESP32.
    • Screen 2 (Quản lý hồ sơ): Nhập và lưu trữ thông tin bệnh nhân, lịch sử đo.
    • Screen 3 (Hiển thị thời gian thực): Nhận luồng dữ liệu số, giải mã và hiển thị đồ thị sóng ECG trực tiếp trên thành phần Canvas, đồng thời hỗ trợ tính năng lưu đồ thị và xem lại dữ liệu đo trước đó.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong việc chăm sóc sức khỏe tim mạch cho trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ. Tác giả tổng thuật các công trình nghiên cứu trong nước về máy đo nhịp tim sử dụng cảm biến quang (Pulse Sensor), module Sim900A, vi điều khiển Arduino và ESP8266; đồng thời chỉ ra khoảng trống kỹ thuật trong việc chế tạo thiết bị đo điện tim dạng sóng ECG chuyên dụng, gọn nhẹ và giá thành thấp. Chương này công bố chi tiết mục tiêu, 10 nhiệm vụ nghiên cứu, các giới hạn kỹ thuật của hệ thống và bố cục toàn văn đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 thiết lập nền tảng khoa học toàn diện cho đề tài:

  • Trình bày giải phẫu học tim, hệ dẫn truyền tự động, nguồn gốc ion sinh học ($Na^+, K^+, Ca^{2+}, Cl^-$) tạo nên dòng điện tim và ý nghĩa của các khoảng/đoạn $P, Q, R, S, T, U$ trên điện tâm đồ.
  • Khái quát lý thuyết bộ lọc tương tự và lọc số, phân loại đáp ứng xung hữu hạn (FIR) và vô hạn (IIR), các cấu hình lọc thông thấp, thông cao, thông dải.
  • Phân tích chuẩn truyền thông Bluetooth, cơ chế nhảy tần chống nghe lén và bảng thông số so sánh giữa Bluetooth Classic với BLE.
  • Giới thiệu kiến trúc hệ điều hành Android, vòng đời các thành phần phần mềm và cấu trúc tệp manifest.
  • Mô tả chi tiết thông số phần cứng module ADS1292R (tốc độ lấy mẫu 125 SPS đến 8 kSPS, độ phân giải 24-bit) và module vi điều khiển MH ET LIVE ESP32 Minikit.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung giải quyết các bài toán tính toán kỹ thuật phần cứng:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ nguyên lý chi tiết của hệ thống.
  • Phân tích mạch khuếch đại vi sai ngõ vào, lập công thức tính điện áp ngõ ra $V_{out}$ và cấu hình hệ số khuếch đại $A = 12$ thông qua bộ khuếch đại lập trình (PGA).
  • Trình bày nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi ADC Sigma-Delta 1-bit/24-bit nội suy và mạch điện áp tham chiếu nội Bandgap.
  • Tính toán điện trở hạn dòng cho khối báo hiệu LED đỏ ($R = 220\ \Omega$).
  • Tính toán cân bằng công suất tiêu thụ toàn mạch: xác định công suất cực đại của module ADS1292R ($773\ \mu\text{W}$) và dòng tiêu thụ đỉnh của khối xử lý ESP32 ($130\text{ mA}$) nhằm lựa chọn dung lượng pin phù hợp.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế:

  • Quy trình gia công mạch in PCB thủ công: in sơ đồ mạch trên giấy A4 chuyên dụng, ủi nhiệt lên phíp đồng, ăn mòn bằng dung dịch rửa mạch, khoan lỗ và hàn linh kiện hoàn thiện.
  • Thiết kế bản vẽ 3D và gia công vỏ hộp bảo vệ bằng máy in 3D, bố trí tối ưu vị trí khay pin, công tắc nguồn, cổng sạc, bo mạch chủ và 2 tấm điện cực Inox tiếp xúc ngoài.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết cho vi điều khiển (cấu hình thanh ghi, lấy mẫu SPI, đóng gói dữ liệu) trên Arduino IDE.
  • Thiết kế giao diện và lập trình khối chức năng cho ứng dụng Android trên MIT App Inventor qua 3 màn hình tương tác.
  • Soạn thảo quy trình vận hành thiết bị, tài liệu hướng dẫn sử dụng và bảng phân loại các sự cố kỹ thuật thường gặp kèm giải pháp khắc phục.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Hình ảnh hoàn thiện của phần cứng thiết bị đo và giao diện phần mềm hiển thị trên điện thoại thông minh.
  • Phân tích dạng sóng thực tế qua các giai đoạn xử lý: dạng sóng thô ban đầu, dạng sóng sau khi qua bộ lọc khử trôi DC, và dạng sóng mịn rõ nét sau bộ lọc thông thấp.
  • Đánh giá khả năng kết nối không dây Bluetooth ổn định, tốc độ cập nhật dữ liệu đáp ứng thời gian thực.
  • Lập bảng so sánh, đối chiếu kết quả đo nhịp tim thực tế giữa thiết bị tự chế tạo và các thiết bị đo đối chứng trên các sinh viên tình nguyện, ghi nhận sai số nằm trong giới hạn cho phép.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành theo mục tiêu ban đầu, xác nhận thiết bị hoạt động ổn định, đáp ứng được tiêu chí đo điện tim nhanh, không xâm lấn và giá thành rẻ. Đồng thời, tác giả chỉ ra các hạn chế tồn đọng và đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Chế tạo thành công phần cứng: Thiết bị đo điện tim cầm tay hoàn chỉnh, kích thước nhỏ gọn, vỏ hộp in 3D chắc chắn, tích hợp 2 điện cực Inox mặt ngoài, hoạt động bằng nguồn pin sạc $3,7\text{ V}$ tích hợp cổng sạc USB và đèn báo trạng thái nguồn.
  • Xử lý tín hiệu số hiệu quả: Tín hiệu điện tim thu từ cảm biến ADS1292R sau khi qua các thuật toán lọc số (khử thành phần DC và lọc thông thấp) đã loại bỏ thành công nhiễu trôi đường đẳng điện và nhiễu co cơ, hiển thị rõ ràng phức bộ QRS cùng các sóng P, T.
  • Phần mềm ứng dụng di động hoàn chỉnh: Ứng dụng Android chạy ổn định, cho phép quét kết nối Bluetooth, vẽ đồ thị sóng điện tim thời gian thực trên màn hình di động, ghi nhận và lưu trữ thông tin bệnh nhân.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Đề xuất giải pháp đo điện tim không xâm lấn, loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây dán và gel dẫn điện truyền thống, tạo sự thoải mái và phù hợp đặc thù cho đối tượng trẻ nhỏ dưới 12 tháng tuổi.
  • Thiết kế hệ thống với chi phí linh kiện thấp, cấu tạo đơn giản, mở ra tiềm năng trang bị cho các phòng khám gia đình, cơ sở y tế vùng sâu vùng xa phục vụ sàng lọc sơ bộ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi truyền thông: Khoảng cách kết nối không dây Bluetooth bị giới hạn dưới 5 mét, dễ suy giảm tín hiệu khi có vật cản.
  • Tương thích phần mềm: Ứng dụng hiển thị mới chỉ hỗ trợ hệ điều hành Android, chưa phát triển trên iOS hoặc nền tảng Web.
  • Số lượng đạo trình: Thiết bị mới thu nhận tín hiệu trên 1 kênh (tương đương đạo trình I thu gọn từ 2 điện cực), chưa thể hiện đầy đủ 12 đạo trình tiêu chuẩn phục vụ chẩn đoán sâu các bệnh lý tim mạch phức tạp.
  • Phạm vi kiểm chuẩn: Hệ thống mới được thử nghiệm thực tế trên người tình nguyện trưởng thành trong điều kiện nghiên cứu phòng thí nghiệm, chưa qua thử nghiệm lâm sàng diện rộng trên bệnh nhi dưới 12 tháng tuổi tại bệnh viện chuyên khoa.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng ứng dụng sang các hệ điều hành khác (iOS) và xây dựng hệ thống máy chủ đám mây (Cloud/IoT) để truyền dữ liệu từ xa đến bác sĩ chuyên khoa.
  • Tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI/Machine Learning) nhằm tự động nhận dạng sóng, tính toán tự động các khoảng PR, QRS, QT và cảnh báo sớm các dạng loạn nhịp tim.
  • Nâng cấp phần cứng: tối ưu hóa kích thước mạch in, sử dụng chuẩn Bluetooth Low Energy (BLE) để tiết kiệm năng lượng, bổ sung thêm các kênh đo để tiến tới hỗ trợ nhiều đạo trình hơn.
  • Thực hiện kiểm định đo lường chuẩn hóa và thử nghiệm lâm sàng theo quy định y tế.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh: Tham khảo quy trình thiết kế khối mạch tương tự thu nhận tín hiệu sinh học biên độ nhỏ (AFE), cấu hình IC chuyên dụng ADS1292R, kỹ thuật khuếch đại vi sai và chống nhiễu sinh học.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Hệ thống Nhúng, IoT: Tham khảo cách thiết kế vi điều khiển ESP32 giao tiếp SPI tốc độ cao, truyền dữ liệu qua Bluetooth Serial và tính toán năng lượng khối nguồn pin sạc.
  • Người phát triển ứng dụng di động giám sát sức khỏe: Tham khảo mô hình xây dựng ứng dụng vẽ đồ thị tín hiệu thời gian thực và quản lý cơ sở dữ liệu trên môi trường MIT App Inventor.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thiết bị sử dụng 2 điện cực Inox thay vì điện cực dán Ag/AgCl thông thường?

Thiết bị sử dụng 2 tấm điện cực Inox nhằm tạo sự tiện lợi và thoải mái tối đa khi đo cho trẻ nhỏ dưới 12 tháng tuổi. Điện cực dán có lớp gel dính và dây nối rườm rà dễ gây kích ứng da, làm trẻ sợ hãi và quấy khóc dẫn đến nhiễu tín hiệu. Điện cực Inox gắn cố định trên vỏ hộp cho phép lấy tín hiệu nhanh chóng chỉ bằng cách tiếp xúc chạm tay mà không cần dán dây hay bôi gel.

2. IC ADS1292R đảm nhận những chức năng kỹ thuật gì trong hệ thống?

ADS1292R là vi mạch tương tự chuyên dụng (Analog Front-End) tích hợp: bộ khuếch đại khả trình (PGA) với độ lợi cấu hình trong đề tài là $A = 12$, bộ lọc nhiễu điện từ EMI, bộ chuyển đổi ADC Sigma-Delta 24-bit tốc độ cao, và nguồn điện áp tham chiếu nội Bandgap $2,42\text{ V}$. IC này thu nhận hiệu điện thế sinh học từ 2 điện cực, khuếch đại, số hóa và truyền sang ESP32 qua giao thức SPI.

3. Khối vi điều khiển giao tiếp với module ADS1292R qua chuẩn nào và xung nhịp là bao nhiêu?

Vi điều khiển ESP32 giao tiếp với module cảm biến ADS1292R theo chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ SPI (Master - Slave) với tần số xung nhịp đồng hồ $f_{CLK} = 2\text{ MHz}$, sử dụng các chân điều khiển và dữ liệu: SCK, MISO, MOSI, CS, START, PWDN/RESET và DRDY.

4. Giá trị điện trở hạn dòng của LED báo nguồn được tính toán như thế nào?

Dựa trên nguồn pin Li-ion $3,7\text{ V}$, LED đỏ có điện áp thuận danh định $V_F = 2,0\text{ V}$ và dòng định mức $I_F = 10\text{ mA}$, giá trị điện trở được tính theo định luật Ohm: $R = (3,7 - 2,0) / 0,01 = 170\ \Omega$. Nhóm tác giả đã lựa chọn giá trị điện trở thương mại chuẩn là $220\ \Omega$ để đảm bảo độ sáng vừa phải và gia tăng độ bền cho LED.

5. Ứng dụng di động được xây dựng trên môi trường nào và có những chức năng chính gì?

Ứng dụng di động được lập trình trên nền tảng MIT App Inventor chạy trên hệ điều hành Android. Ứng dụng gồm 3 màn hình chức năng: quản lý kết nối Bluetooth, quản lý và lưu thông tin bệnh nhân, hiển thị dạng sóng ECG thời gian thực trên Canvas, đồng thời hỗ trợ lưu và xem lại dữ liệu đồ thị điện tim đã ghi.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công thiết bị điện tim cho trẻ em dưới 12 tháng tuổi" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ thiết kế phần cứng, lập trình thuật toán lọc số trên vi điều khiển ESP32 đến xây dựng ứng dụng hiển thị thời gian thực trên hệ điều hành Android. Sản phẩm giải quyết tốt bài toán đo điện tim nhanh, không xâm lấn, giảm thiểu dây nối và giảm cảm giác khó chịu cho đối tượng trẻ nhỏ. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về thiết kế thiết bị y tế nhúng, xử lý tín hiệu điện sinh học và ứng dụng truyền thông không dây trong giám sát sức khỏe di động.