Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế thiết bị đo điện tim, điện cơ và nồng độ oxy trong máu giám sát trên điện thoại dùng Android và Internet" do sinh viên Lâm Nhựt Tân và Hồ Quốc Hiếu thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trương Ngọc Anh tại Bộ môn Điện tử - Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 08/2016).

Bối cảnh thực tế xuất phát từ nhu cầu kiểm tra, theo dõi sức khỏe tại nhà ngày càng tăng nhằm giảm thiểu thời gian, công sức và chi phí đi lại của người bệnh đến các cơ sở y tế. Đồng thời, sự phát triển của vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và sự phổ cập của điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android tích hợp chuẩn kết nối USB OTG (USB On-The-Go) cùng hạ tầng mạng viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập, hiển thị và truyền dẫn dữ liệu y sinh từ xa.

Mục tiêu chính của đề tài được tác giả xác định cụ thể:

  1. Thu thập dữ liệu tín hiệu sinh học từ các mô-đun đo điện tim, điện cơ và nồng độ bão hòa oxy trong máu.
  2. Hiển thị các thông số và dạng sóng thời gian thực lên màn hình điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android.
  3. Lưu trữ kết quả đo cục bộ trên bộ nhớ thiết bị di động và truyền dữ liệu lên dịch vụ đám mây Google Drive phục vụ việc theo dõi từ xa.

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên ứng dụng Android.
  2. Lập trình tính năng truyền và đồng bộ dữ liệu lên Google Drive từ ứng dụng Android.
  3. Lập trình khối đo điện cơ (EMG - Electromyography).
  4. Lập trình khối đo điện tim (ECG - Electrocardiography).
  5. Lập trình khối đo nồng độ bão hòa oxy trong máu (SpO2 - Pulse Oximetry).

Đối tượng nghiên cứu là các tín hiệu điện sinh học trên cơ thể người (điện thế hoạt động của tim, điện thế hoạt động của cơ bắp) và tín hiệu quang thể tích biểu thị độ bão hòa oxy động mạch. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tích hợp các mô-đun phần cứng có sẵn (AD8232, Muscle Sensor v3, CJMCU-30100) kết nối với vi điều khiển xử lý trung tâm, giao tiếp với điện thoại thông minh qua cáp USB OTG, giám sát qua ứng dụng di động chuyên biệt và tải dữ liệu lên thư mục Google Drive định sẵn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết y sinh học kết hợp với kỹ thuật điện tử nhúng và công nghệ phần mềm di động:

  • Điện tâm đồ (ECG): Ghi nhận các biến thiên điện thế rất nhỏ (milivôn) do hoạt động khử cực và tái phân cực của cơ tim sinh ra trong chu kỳ co bóp. Tín hiệu gồm quãng PR (khử cực tâm nhĩ), phức bộ QRS (khử cực tâm thất), đoạn ST và sóng T (tái phân cực tâm thất). Nghiên cứu áp dụng phương pháp đo chuyển đạo mẫu lưỡng cực ngoại biên (Chuyển đạo I - D1, Chuyển đạo II - D2, Chuyển đạo III - D3) với 3 điện cực dán trên cơ thể và 1 điện cực nối đất tại chân phải nhằm giảm thiểu can nhiễu từ môi trường.
  • Điện cơ đồ (EMG): Ghi nhận hoạt động điện sinh học tỷ lệ thuận với mức độ co cơ. Đồ án lựa chọn phương pháp đo bề mặt (Surface EMG) bằng điện cực dán ngoài da thay vì phương pháp xâm lấn dùng kim đâm vào cơ bắp, đảm bảo tính an toàn và tiện lợi khi tự thao tác.
  • Nồng độ bão hòa oxy trong máu (SpO2): Dựa trên nguyên lý quang học xung nhịp (Pulse Oximetry). Tác giả ứng dụng đặc tính hấp thụ ánh sáng khác biệt giữa Oxyhemoglobin (HbO2) và Deoxyhemoglobin (Hb): Hb hấp thụ mạnh tia đỏ (bước sóng ~660 nm) và ít hấp thụ tia hồng ngoại, trong khi HbO2 hấp thụ mạnh tia hồng ngoại (bước sóng ~900 nm) và ít hấp thụ tia đỏ. Tín hiệu được tách thành hai phần: thành phần một chiều (DC) tương ứng với sự hấp thụ tĩnh của mô, xương, máu tĩnh mạch và thành phần xoay chiều (AC) phản ánh lượng máu động mạch biến đổi theo nhịp đập của tim.
  • Hệ điều hành Android và máy ảo Dalvik: Tìm hiểu kiến trúc phân tầng của Android (Nhân Linux 2.6, tầng thư viện C/C++, Android Runtime với máy ảo Dalvik thực thi tệp tin .dex, tầng Application Framework và tầng Applications), quy trình quản lý ngăn xếp Activity (Activity Stack) và các phương thức vòng đời ứng dụng (onCreate, onStart, onResume, onPause, onStop, onDestroy).
  • Chuẩn truyền thông công nghiệp và kết nối ngoại vi:
    • Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) mức logic TTL (0 - 5V), cấu hình khung truyền chuẩn: 1 start bit, 8 data bits, không parity bit, 1 stop bit.
    • Chuẩn truyền thông liên mạch I2C (Inter-Integrated Circuit) sử dụng 2 đường tín hiệu SCL (xung nhịp) và SDA (dữ liệu) có điện trở kéo lên nguồn, hỗ trợ định địa chỉ thiết bị 7-bit và 10-bit.
    • Chuẩn USB OTG (USB On-The-Go) mở rộng từ USB 2.0, cho phép thiết bị di động đóng vai trò thiết bị chủ (Host) vừa tiếp nhận dữ liệu truyền thông nối tiếp vừa cấp nguồn trực tiếp 5V cho mạch đo phần cứng.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết thiết kế mạch, lập trình nhúng trên vi điều khiển, phát triển ứng dụng di động Android và kiểm nghiệm đối chứng thực nghiệm với các thiết bị y tế chuyên dụng.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 4 khối chức năng: Khối cảm biến, Khối xử lý trung tâm, Khối thiết bị Android và Khối lưu trữ đám mây.

+-------------------------------------------------------------+
|                        KHỐI CẢM BIẾN                        |
|  [AD8232 - ECG]    [Muscle Sensor v3 - EMG]   [MAX30100]    |
+------------------------------+------------------------------+
                               | Tín hiệu Analog & I2C
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                      KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM                   |
|                   Arduino Nano (ATmega328)                  |
+------------------------------+------------------------------+
                               | Cáp USB OTG (Cấp nguồn 5V & UART)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                     KHỐI THIẾT BỊ ANDROID                   |
|         Điện thoại Sony Xperia C (Android 4.2.2)            |
|       - Ứng dụng giám sát: Vẽ sóng ECG/EMG, hiển thị SpO2   |
|       - Cơ sở dữ liệu SQLite: Quản lý người dùng, bệnh án   |
+------------------------------+------------------------------+
                               | Internet (Wi-Fi / 3G) qua Temboo
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                    KHỐI LƯU TRỮ TRÊN INTERNET               |
|                   Dịch vụ đám mây Google Drive              |
+-------------------------------------------------------------+

1. Khối cảm biến thu nhận tín hiệu

  • Mô-đun đo điện tim (SparkFun AD8232): Tích hợp IC tiền khuếch đại chuyên dụng cho tín hiệu sinh học AD8232. Mạch có hệ số nén tín hiệu cách chung (CMRR) đạt 80 dB, dòng tiêu thụ thấp 170 µA, tích hợp mạch điều khiển chân phải (Right Leg Drive - RLD) triệt tiêu nhiễu mode chung. Tín hiệu được xử lý qua bộ lọc thông cao bậc 2 tần số cắt 0,5 Hz và bộ lọc thông thấp bậc 2 tần số cắt 40 Hz trước khi đưa ra chân OUT analog. Mô-đun còn có các chân logic LOD+ và LOD- phục vụ tính năng phát hiện tuột điện cực (Leads-off Detection).
  • Mô-đun đo điện cơ (Advancer Technologies Muscle Sensor v3): Kích thước 2,54 cm x 2,54 cm, sử dụng vi mạch khuếch đại đo lường AD8221 với CMRR tối thiểu 80 dB lên tới 10 kHz tại hệ số khuếch đại G=1, điện áp offset ngõ vào cực đại 25 µV. Tín hiệu điện thế cơ bắp từ 3 điện cực được lọc nhiễu, đưa qua tầng chỉnh lưu toàn kỳ (Rectify), tầng làm phẳng (Smooth) và tầng khuếch đại biến đổi biên độ tín hiệu sang mức điện áp 0 - Vs đưa vào vi điều khiển.
  • Mô-đun đo SpO2 và nhịp tim (CJMCU-30100 tích hợp MAX30100): Tích hợp 2 đèn LED (đỏ bước sóng 660 nm, hồng ngoại bước sóng 880 - 900 nm), bộ tách sóng quang photodiode, bộ xử lý tín hiệu analog công suất thấp và bộ chuyển đổi ADC. Cảm biến giao tiếp với vi điều khiển qua bus I2C, lưu trữ mẫu dữ liệu trong bộ đệm FIFO 16-bit, hoạt động tại dải điện áp 1,8V - 3,3V cùng chế độ nghỉ phần mềm tiết kiệm điện.

2. Khối xử lý trung tâm

Tác giả đã lập bảng so sánh các nền tảng vi điều khiển nhằm lựa chọn phần cứng phù hợp nhất với tiêu chí nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện năng và chi phí thấp:

Tiêu chí kỹ thuật Microchip PIC16F887 ARM TM4C123GXL Raspberry Pi B+ Arduino Nano (ATmega328)
Kiến trúc / Vi xử lý 8-bit PIC 32-bit ARM Cortex-M4F ARM1176JZF-S (BCM2835) 8-bit AVR RISC
Tần số hoạt động 20 MHz 80 MHz 700 MHz 16 MHz
Bộ nhớ Flash / ROM 8 KB 256 KB Thẻ nhớ ngoài 32 KB (2 KB bootloader)
Bộ nhớ SRAM 368 Bytes 32 KB 512 MB 2 KB
Bộ nhớ EEPROM 256 Bytes 2 KB Không 1 KB
Kênh ADC tích hợp 14 kênh (10-bit) 12 kênh (12-bit) Không tích hợp ADC 8 kênh (10-bit)
Giao tiếp ngoại vi UART, SPI, I2C UART, SPI, I2C, CAN UART, SPI, I2C, USB UART, I2C, SPI
Điện áp hoạt động 2,0V - 5,5V 3,3V 5V 5V
Khả năng nạp chip Cần mạch nạp rời Tích hợp mạch nạp Nạp hệ điều hành thẻ Nạp trực tiếp qua cổng USB

Vi điều khiển ATmega328 trên board mạch Arduino Nano được lựa chọn nhờ kích thước nhỏ gọn (khoảng 1,8 cm x 4,5 cm), tích hợp sẵn bộ chuyển đổi USB-UART và bộ chuyển đổi ADC 10-bit 8 kênh, dòng tiêu thụ chỉ 30 mA, dễ dàng cấp nguồn trực tiếp qua cổng micro USB.

3. Khối thiết bị Android và phần mềm di động

Thiết bị thử nghiệm là điện thoại thông minh Sony Xperia C C2305 chạy hệ điều hành Android 4.2.2 Jelly Bean, vi xử lý lõi tứ 1,2 GHz, bộ nhớ trong 4 GB, RAM 1 GB, màn hình 5 inch, hỗ trợ chuẩn USB OTG cấp nguồn dòng 5V cho mạch phần cứng.

Ứng dụng trên Android được tổ chức gồm:

  • Giao diện đăng nhập (Login): Xác thực người dùng, bảo mật tài khoản cá nhân thông qua cơ sở dữ liệu SQLite cục bộ.
  • Tab NEW TESTS: Lựa chọn chế độ kiểm tra độc lập gồm đo điện tim (ECG), đo điện cơ (EMG) và đo nồng độ oxy trong máu (SpO2). Ứng dụng tiếp nhận luồng dữ liệu truyền nối tiếp, giải mã và vẽ đồ thị thời gian thực cho dạng sóng ECG và EMG, đồng thời tính toán hiển thị phần trăm SpO2.
  • Tab UTILITIES và HISTORY: Cho phép đổi mật khẩu, xem lại danh bạ ghi chú y tế, truy xuất lược sử các lần đo trước đó từ cơ sở dữ liệu nội bộ.
  • Cơ chế lưu trữ và cảnh báo SAVE: Cho phép lưu kết quả vào bộ nhớ máy, đính kèm thông tin bệnh nhân và tùy chọn tải lên đám mây.

4. Khối lưu trữ và truyền thông đám mây

Hệ thống sử dụng dịch vụ đám mây Google Drive (cung cấp 15 GB miễn phí) để lưu trữ tệp tin bảng tính kết quả đo. Ứng dụng Android kết nối với Google Drive API thông qua nền tảng trung gian Temboo (gói dịch vụ mức phí $7/tháng hỗ trợ 25.000 lượt thực thi, truyền tải dung lượng dữ liệu tối đa 4 GB). Khi người dùng kích hoạt tính năng "Also save on Google Drive", dữ liệu đo được tự động đồng bộ lên trang tính, hỗ trợ người dùng và nhân viên y tế theo dõi biểu đồ trực quan từ xa qua trình duyệt web.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phát triển của mạng Internet và thiết bị thông minh phục vụ chăm sóc sức khỏe gia đình. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống đo 3 thông số sinh học (ECG, EMG, SpO2), hiển thị trên Android và truyền lên Google Drive; nêu 5 nội dung nghiên cứu kỹ thuật cụ thể; xác định phạm vi giới hạn nghiên cứu (dùng các mạch đo có sẵn, gửi dữ liệu vào tài khoản Google Drive cấu hình sẵn) và phác thảo cấu trúc tài liệu đồ án qua 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nguyên lý khoa học của đề tài:

  • Phân tích chi tiết cơ chế hoạt động điện tim, giải thích ý nghĩa sinh lý của quãng PR, phức bộ QRS và quãng QT; nguyên lý phân bố điện trường cơ thể và cách mắc 3 chuyển đạo chuẩn (D1, D2, D3).
  • Định nghĩa điện cơ đồ, phân biệt hai kỹ thuật đo điện cơ trong cơ (dùng kim) và đo bề mặt da.
  • Cơ chế vận chuyển khí oxy trong máu của Hemoglobin, nguyên lý hấp thụ quang phổ của phân tử Hb và HbO2 tại dải bước sóng 700 nm và 900 nm theo định luật Beer-Lambert ứng dụng trong phương pháp Pulse Oximetry.
  • Tổng quan hệ điều hành Android, lịch sử phát triển, vai trò của máy ảo Dalvik trong tối ưu hóa bộ nhớ thiết bị nhúng qua tệp .dex, kiến trúc ngăn xếp 5 tầng và chu trình sống của Activity.
  • Các chuẩn truyền thông nối tiếp: giao thức UART (tốc độ baud, start bit, stop bit, parity bit), giao thức bus I2C (điều kiện Start/Stop, địa chỉ 7-bit/10-bit, cơ chế phản hồi ACK) và chuẩn kết nối ngoại vi USB OTG.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào thiết kế hệ thống phần cứng và lựa chọn linh kiện:

  • Xây dựng sơ đồ khối chức năng tổng quát phân định rõ luồng tín hiệu và luồng năng lượng giữa 4 khối: Cảm biến, Xử lý, Thiết bị Android, Lưu trữ Internet.
  • Phân tích chi tiết kiến trúc bên trong và chức năng từng chân của IC AD8232 (bộ lọc thông cao, thông thấp, khôi phục nhanh FR, dò ngắt điện cực LOD) và IC khuếch đại đo lường AD8221 trong mô-đun Muscle Sensor v3.
  • Trình bày thông số và cấu hình thanh ghi nội bộ, bộ đệm FIFO 16-bit của cảm biến MAX30100 qua giao tiếp I2C.
  • Lập bảng so sánh đối chuẩn 4 họ vi điều khiển (PIC, ARM, BCM2835, AVR) để đưa ra quyết định chọn vi điều khiển ATmega328 trên board Arduino Nano.
  • Khảo sát thông số điện thoại Sony Xperia C C2305 và giải pháp đồng bộ dữ liệu đám mây qua nền tảng Temboo lên Google Drive; xuất sơ đồ nguyên lý toàn mạch kết nối hệ thống.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm:

  • Thiết kế mô hình 3D, thi công bo mạch in, bố trí vị trí các mô-đun và giắc cắm trên hộp bảo vệ kín nhằm đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền cơ học.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển nhúng trên Arduino Nano: chương trình chính thực hiện quét tín hiệu ADC định kỳ, hàm con đọc dữ liệu từ cảm biến MAX30100 (readSpO2, startupSpO2) và cấu trúc khung truyền UART gửi lên điện thoại.
  • Xây dựng các lưu đồ giải thuật cho ứng dụng Android: quy trình xác thực đăng nhập, thuật toán quản lý cơ sở dữ liệu SQLite (Kiểm tra Database Login, Kiểm tra Database Phone, Kiểm tra Database Note), giao diện hiển thị vẽ đồ thị sóng điện tim/điện cơ, lưu đồ hàm con truyền nhận dữ liệu với Temboo để tải tệp lên Google Drive.
  • Soạn thảo tài liệu hướng dẫn lắp đặt môi trường Arduino IDE, cài đặt driver nạp chip, quy trình cài đặt tệp ứng dụng (APK) lên điện thoại và quy trình chuẩn bị tiếp xúc điện cực khi thao tác trên người dùng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thực nghiệm của hệ thống:

  • Trình bày hình ảnh sản phẩm thực tế sau khi đóng hộp hoàn chỉnh với các cổng cắm điện cực và cáp nối OTG.
  • Minh họa các ảnh chụp màn hình ứng dụng Android khi hiển thị dạng sóng ECG thực tế với các đỉnh sóng R rõ ràng, dạng sóng EMG tương ứng với các trạng thái co cơ và chỉ số phần trăm SpO2 đo từ đầu ngón tay.
  • Kiểm tra tính năng đồng bộ hóa: ứng dụng xuất dữ liệu bảng tính thành công lên Google Drive và tự động vẽ đồ thị phân tích trên công cụ trực tuyến.
  • Đánh giá đối chứng thực tế: so sánh dạng sóng điện tim ghi nhận được với máy khử rung tim kèm đo điện tim chuyên dụng PRIMEDIC DEFIMONITOR EVO™, đồng thời so sánh kết quả đo điện cơ với máy đo điện cơ y tế của hãng Allengers để khẳng định dạng sóng đo được từ hệ thống tương thích tốt với dạng sóng chuẩn y khoa.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống hoạt động ổn định, đo đạc và truyền tải chính xác 3 chỉ số sinh thái cơ bản. Chương này đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và vạch rõ lộ trình nâng cấp thiết bị trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công thiết bị giám sát sức khỏe cá nhân nhỏ gọn, đóng hộp hoàn chỉnh, tích hợp 3 chức năng đo lường sinh học (ECG, EMG, SpO2) trên một nền tảng phần cứng duy nhất.
  • Ứng dụng thành công chuẩn USB OTG để cấp nguồn 5V ổn định trực tiếp từ pin điện thoại cho toàn bộ hệ thống mạch đo và vi điều khiển, giúp loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng pin phụ cồng kềnh hoặc nguồn điện lưới 220V gây nguy hiểm cho người đo.
  • Ứng dụng di động trên nền tảng Android vận hành chính xác: vẽ dạng sóng điện tim và điện cơ theo thời gian thực với tốc độ đáp ứng tốt, đọc và cập nhật chỉ số SpO2 từ bộ đệm FIFO qua I2C.
  • Lưu trữ cục bộ dữ liệu bệnh nhân thông qua hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQLite trên điện thoại và tải dữ liệu lên Google Drive thông qua API của Temboo với lưu lượng xử lý trong gói định ngạch 25.000 lượt và 4 GB truyền dẫn.
  • Đối chứng lâm sàng thực tế với máy y tế chuyên dụng PRIMEDIC DEFIMONITOR EVO™ và máy đo điện cơ Allengers cho thấy thiết bị tự thiết kế bắt được chính xác các sóng đặc trưng trong chu kỳ co bóp tim (P, QRS, T) và phản ánh trung thực mức độ co giãn cơ bắp.

2. Đóng góp của đề tài

Theo tự đánh giá của tác giả trong đồ án, nghiên cứu đóng góp một mô hình thiết bị đo y sinh cá nhân giá thành thấp, tận dụng tối đa năng lực xử lý, hiển thị và kết nối Internet của điện thoại thông minh Android sẵn có trên thị trường. Điểm mới của đề tài so với các dự án sinh viên cùng thời kỳ là việc tích hợp thành công cả 3 loại cảm biến sinh học khác nhau vào một thiết bị cầm tay, giải quyết bài toán cấp nguồn và truyền nhận dữ liệu hai chiều thông qua duy nhất một sợi cáp USB OTG, đồng thời xây dựng hoàn chỉnh chu trình dữ liệu từ khâu cảm biến ngoại vi đến ứng dụng di động và lưu trữ đám mây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

Văn bản đồ án ghi nhận các hạn chế kỹ thuật:

  • Phần cứng vẫn sử dụng các bo mạch mô-đun rời ghép nối với vi điều khiển Arduino Nano, chưa được thiết kế tích hợp nguyên khối trên một bảng mạch in (PCB) duy nhất nên kích thước tổng thể hộp thiết bị còn lớn.
  • Kết nối giữa khối xử lý với điện thoại thông minh vẫn sử dụng dây cáp USB OTG vật lý, gây bất tiện nhất định khi người dùng di chuyển hoặc vận động trong lúc đo.
  • Việc đồng bộ hóa dữ liệu lên Google Drive phụ thuộc vào dịch vụ trung gian Temboo có tính phí ($7/tháng) và giới hạn lượt gọi API (25.000 lần/tháng), chưa tự chủ được máy chủ dữ liệu độc lập.
  • Thiết bị mới dừng lại ở việc hiển thị dạng sóng và thông số thô, chưa tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo hoặc thuật toán xử lý tín hiệu số (DSP) nâng cao để tự động cảnh báo các dạng rối loạn nhịp tim hoặc tổn thương cơ bắp.

2. Hướng phát triển đề tài

Từ các hạn chế trên, tác giả đề xuất các hướng phát triển:

  • Nghiên cứu thiết kế một bo mạch in tích hợp toàn bộ các linh kiện của IC AD8232, AD8221, MAX30100 và vi điều khiển lên cùng một PCB chuẩn công nghiệp để tối ưu hóa kích thước và khử nhiễu đường truyền.
  • Nâng cấp phương thức truyền thông từ cáp USB OTG có dây sang chuẩn không dây tầm ngắn tiết kiệm năng lượng Bluetooth Low Energy (BLE) hoặc Wi-Fi nhằm tăng tính tiện lợi cho người sử dụng.
  • Xây dựng hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu riêng (Web Server / Database Server chuyên dụng) thay thế cho dịch vụ trung gian Temboo và Google Drive nhằm giảm chi phí vận hành, chủ động mở rộng lưu lượng và nâng cao tính bảo mật dữ liệu y tế.
  • Tích hợp thêm các thuật toán lọc số thông minh khử trôi đường đẳng điện và tự động nhận diện các bất thường sinh lý trên ứng dụng di động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn giá trị cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering), Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Công nghệ Thông tin đang thực hiện các đề tài về Internet vạn vật trong y tế (IoMT - Internet of Medical Things) hoặc thiết bị y tế cá nhân.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Phương pháp phối ghép và lọc can nhiễu phần cứng cho vi mạch đo điện tim AD8232 và vi mạch khuếch đại đo lường sinh học AD8221.
  • Kỹ thuật lập trình giao tiếp phần cứng giữa vi điều khiển ATmega328 với hệ điều hành Android qua giao diện USB OTG sử dụng thư viện truyền thông nối tiếp.
  • Cấu trúc xây dựng ứng dụng Android kết hợp cơ sở dữ liệu SQLite nội bộ, cơ chế vẽ đồ thị sóng y sinh theo thời gian thực và phương thức đồng bộ hóa tệp dữ liệu lên dịch vụ đám mây thông qua nền tảng Temboo.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống lấy nguồn điện từ đâu để nuôi các mô-đun cảm biến và vi điều khiển hoạt động?
Toàn bộ hệ thống phần cứng (vi điều khiển Arduino Nano, mô-đun AD8232, Muscle Sensor v3 và cảm biến MAX30100) được cấp nguồn trực tiếp 5V từ pin của điện thoại thông minh Android thông qua cáp kết nối USB OTG. Thiết kế này giúp thiết bị không cần sử dụng khối pin sạc hay bộ chuyển đổi nguồn rời bên ngoài.

2. Mô-đun đo điện tim AD8232 sử dụng các bộ lọc tín hiệu nào để khử can nhiễu sinh học?
Tín hiệu điện tim thu nhận từ điện cực dán được lọc thông qua bộ lọc thông cao bậc 2 có tần số cắt 0,5 Hz (loại bỏ hiện tượng trôi đường đẳng điện do thở và cử động) và bộ lọc thông thấp bậc 2 có tần số cắt 40 Hz (loại bỏ nhiễu tần số cao và nhiễu lưới điện công nghiệp 50/60 Hz), kết hợp với bộ khuếch đại lái chân phải (Right Leg Drive - RLD) triệt tiêu nhiễu mode chung.

3. Cảm biến MAX30100 đo nồng độ bão hòa oxy trong máu (SpO2) dựa trên các bước sóng ánh sáng nào?
MAX30100 tích hợp hai nguồn sáng LED: một đèn LED phát tia đỏ có bước sóng 660 nm và một đèn LED phát tia hồng ngoại có bước sóng khoảng 880 - 900 nm. Cảm biến dựa trên sự chênh lệch hệ số hấp thụ ánh sáng của Oxyhemoglobin (HbO2) và Hemoglobin khử (Hb) tại hai bước sóng này để tính toán tỷ lệ phần trăm SpO2.

4. Ứng dụng Android kết nối và tải dữ liệu lên dịch vụ lưu trữ đám mây Google Drive bằng phương thức nào?
Ứng dụng Android kết nối với Google Drive thông qua nền tảng trung gian của Temboo (gói dịch vụ cho phép thực thi 25.000 lượt với dung lượng 4 GB). Dữ liệu được định dạng và gửi trực tiếp từ ứng dụng di động lên bảng tính lưu trữ trên Google Drive để phục vụ giám sát và vẽ biểu đồ trực tuyến.

5. Đồ án đã so sánh dạng sóng đo được từ hệ thống tự thiết kế với những thiết bị y tế chuẩn nào?
Tác giả đã tiến hành đối chứng thực nghiệm dạng sóng điện tim ghi nhận được với máy khử rung tim kèm màn hình theo dõi điện tim PRIMEDIC DEFIMONITOR EVO™, đồng thời so sánh dạng sóng và mức co cơ ghi nhận được với máy đo điện cơ chuyên dụng của hãng Allengers.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lâm Nhựt Tân và Hồ Quốc Hiếu đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị đo 3 thông số sinh học (ECG, EMG, SpO2) có kích thước nhỏ gọn và an toàn. Hệ thống khai thác hiệu quả kết nối USB OTG trên điện thoại Android để giải quyết đồng thời bài toán cấp nguồn và truyền nhận dữ liệu thời gian thực. Mặc dù còn phụ thuộc vào dịch vụ trung gian Temboo và cần phát triển thêm kết nối không dây, công trình đã xây dựng thành công một mô hình thiết bị giám sát sức khỏe cá nhân từ xa hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng và tham khảo cao trong lĩnh vực điện tử y sinh.