Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện tâm đồ (ECG) là một trong những công cụ cận lâm sàng quan trọng nhất trong y học, cung cấp các thông số then chốt về hoạt động điện học của tim nhằm hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý tim mạch. Lịch sử ghi nhận các thiết bị đo điện tim ban đầu như điện kế mao dẫn hay máy điện kế dây (string galvanometer) có khối lượng lên tới 250 kg và cần tới 5 người vận hành. Cùng với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, viễn thông và kỹ thuật y sinh, các thiết bị ECG hiện đại ngày càng được thu nhỏ, tiến tới các giải pháp giám sát không dây di động phục vụ chăm sóc sức khỏe từ xa.

Trong y văn, nhiều nhóm tác giả đã phát triển các hệ thống đo ECG không dây:

  • Ebrahim Nemati và cộng sự (2012) giới thiệu hệ thống thu ECG không dây sử dụng điện cực điện dung và giao thức truyền thông ANT tiêu thụ năng lượng thấp.
  • Đặng Xuân Kiên và Vũ Đức Hải nghiên cứu hệ thống thu thập, phân tích và xử lý tín hiệu điện tim di động qua hệ điều hành Android/PC, tích hợp tính năng gửi tin nhắn cảnh báo khi tín hiệu vượt ngưỡng nguy hiểm.
  • Patil và cộng sự chế tạo hệ thống theo dõi đa chỉ số cơ thể (SpO2, nhiệt độ, nhịp thở, ECG) dựa trên vi điều khiển STM32F103R (ARM Cortex-M3) kết hợp IC chuyên dụng ADS1298 có bộ biến đổi ADC 24-bit.
  • Dilraj Nadarajan và cộng sự (2017) thiết kế hệ thống theo dõi ECG chi phí thấp cho vùng nông thôn sử dụng vi điều khiển MSP430, cảm biến ADS1292 với 3 điện cực, truyền qua Bluetooth tới điện thoại rồi đẩy lên cơ sở dữ liệu máy chủ.
  • Ayaskanta Mishra và cộng sự (2018) xây dựng hệ thống chăm sóc sức khỏe sử dụng cảm biến AD8232 kết hợp vi điều khiển ESP8266 truyền dữ liệu qua Wi-Fi lên Internet.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu ECG, hiển thị trên Smartphone và lưu dữ liệu về Server" được thực hiện bởi nhóm tác giả Trần Trung Đức và Phạm Chí Nghị (ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa.

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và thi công hoàn chỉnh thiết bị thu thập dữ liệu tín hiệu điện tim ECG từ 3 kênh điện cực gắn trên cơ thể người; hiển thị dữ liệu dạng sóng và thông số nhịp tim lên ứng dụng điện thoại chạy hệ điều hành Android; đồng thời truyền và lưu trữ dữ liệu lên Server qua mạng không dây Wi-Fi và Internet.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể (gồm 10 nội dung):

  1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của tim và điện tim.
  2. Tìm hiểu các phương pháp thu nhận dữ liệu ECG.
  3. Tìm hiểu cách thức hoạt động của các thiết bị đo ECG.
  4. Tìm hiểu các chuẩn truyền thông: SPI, Wi-Fi, Database Server.
  5. Nghiên cứu, xây dựng Web server và ứng dụng Android để điều khiển, giám sát và hiển thị.
  6. Thiết kế và thi công mô hình thiết bị đo ECG.
  7. Nghiên cứu lập trình cho vi điều khiển ESP8266 lấy dữ liệu ECG từ cảm biến điện tim và gửi dữ liệu lưu trữ trên Database server.
  8. Nạp chương trình và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện sản phẩm.
  9. Thực hiện viết báo cáo đồ án tốt nghiệp.
  10. Bảo vệ luận văn tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu điện thế hoạt động của tim thu nhận qua hệ thống 3 điện cực bề mặt cơ thể; các giải pháp phần cứng thu nhận, xử lý tín hiệu y sinh và hệ thống phần mềm truyền nhận dữ liệu qua giao thức mạng.
  • Phạm vi và giới hạn: Ứng dụng hiển thị chỉ phát triển và kiểm thử trên các thiết bị di động chạy hệ điều hành Android (không hỗ trợ iOS, Java, Symbian); thiết bị được định hướng phục vụ mục đích nghiên cứu, học tập và kiểm nghiệm kỹ thuật, không sử dụng làm thiết bị chẩn đoán y tế lâm sàng chính thức.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết y sinh và kỹ thuật

  • Sinh lý hoạt động của tim và điện tim: Tim hoạt động tuần hoàn theo chu kỳ (mỗi chu kỳ kéo dài khoảng 0,8 giây gồm các pha co tâm nhĩ, co tâm thất và giãn chung). Quá trình điện học xuất phát từ sự dịch chuyển của các dòng ion ($Na^+$, $K^+$) qua màng tế bào cơ tim tạo nên hiện tượng khử cực và tái cực. Nút xoang đóng vai trò chủ nhịp phát xung lan truyền qua tâm nhĩ (tạo nhĩ đồ) và nút nhĩ thất đến tâm thất (tạo thất đồ).
  • Đặc trưng các thành phần sóng ECG tiêu chuẩn:
    • Sóng P: Khử cực hai tâm nhĩ (biên độ $<0,25\text{ mV}$, thời gian $<0,11\text{ s}$).
    • Khoảng PR: Thời gian dẫn truyền từ nhĩ tới thất ($0,12 - 0,20\text{ s}$).
    • Phức bộ QRS: Khử cực hai tâm thất ($0,06 - 0,10\text{ s}$).
    • Đoạn ST: Giai đoạn hai tâm thất hoàn toàn bị khử cực ($0,05 - 0,15\text{ s}$).
    • Sóng T: Tái cực hai tâm thất (biên độ $0,1 - 0,5\text{ mV}$).
    • Khoảng QT: Hoạt động khử cực và tái cực tâm thất ($0,35 - 0,44\text{ s}$).
    • Sóng U: Sóng nhỏ xuất hiện sau sóng T (biên độ $<0,2\text{ mV}$).
  • Hệ thống chuyển đạo đo điện tim:
    • Chuyển đạo song cực chi (chuyển đạo mẫu $D_1, D_2, D_3$): Dựa trên tam giác đều Einthoven với 2 điện cực thăm dò đặt tại cổ tay phải, cổ tay trái, cổ chân trái và chân phải làm cực nối đất.
    • Chuyển đạo đơn cực chi tăng cường ($aVR, aVL, aVF$): Cải tiến bởi Goldberger từ cực trung tâm Wilson (CT) giúp tăng biên độ sóng lên 1,5 lần.
    • Chuyển đạo đơn cực trước tim ($V_1$ đến $V_6$): Đặt tại các vị trí liên sườn 4, 5 và các đường giải phẫu quanh vùng trước tim.
  • Xử lý tín hiệu số: Ứng dụng lý thuyết hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian (LTI), bộ lọc số FIR và IIR, các thuật toán lọc số thông thấp và lọc khử thành phần một chiều (DC offset) để loại bỏ trôi đường đẳng điện và nhiễu tần số cao (nhiễu điện lưới, nhiễu cơ).
  • Mô hình phần mềm và mạng: Kiến trúc 4 tầng của hệ điều hành Android (Linux Kernel, Libraries & Android Runtime, Application Framework, Applications); mô hình mạng Client-Server; bộ giao thức TCP/IP; hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL và ngôn ngữ kịch bản máy chủ PHP.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật về IC y sinh ADS1292R, vi điều khiển ESP8266EX, chuẩn giao tiếp SPI/I2C và cơ sở dữ liệu web.
  2. Phương pháp thiết kế và tích hợp kỹ thuật: Tính toán thông số mạch tương tự, thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in PCB và lắp ráp phần cứng; lập trình firmware cho vi điều khiển bằng C/C++; thiết kế ứng dụng Android bằng công cụ MIT App Inventor; lập trình web server và API tiếp nhận dữ liệu bằng PHP/MySQL.
  3. Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Đo đạc tín hiệu thực tế trên người ở 3 vị trí gắn điện cực (ngực, tay, chi); sử dụng máy phát xung điện tim mô phỏng để kiểm tra đáp ứng mạch; so sánh thông số nhịp tim và hình dạng sóng đo được với các thiết bị đo điện tim thương mại.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh gồm 5 khối chức năng chính: Khối cảm biến thu nhận tín hiệu, Khối xử lý trung tâm, Khối hiển thị tại chỗ, Khối truyền nhận - lưu trữ dữ liệu và Khối nguồn cung cấp.

+------------------+      SPI      +--------------------+      SPI      +-------------------+
|  Khối cảm biến   | ------------> |    Khối xử lý      | ------------> |   Khối hiển thị   |
| (ADS1292R + DRL) |               |  (NodeMCU ESP8266) |               |  (OLED SSD1306)   |
+------------------+               +--------------------+               +-------------------+
         ^                                   | Wi-Fi (TCP/IP)
         |                                   v
+------------------+               +--------------------+               +-------------------+
|    Khối nguồn    |               |    Web Server &    | <-----------> | Ứng dụng Android  |
|  (Pin + TP4056)  |               |  Database (MySQL)  |     HTTP      | (MIT App Inventor)|
+------------------+               +--------------------+               +-------------------+

1. Thiết kế phần cứng

Khối cảm biến (ADS1292R)

  • Sử dụng module tích hợp IC ADS1292R (Texas Instruments) chuyên dụng cho đo ECG và trở kháng hô hấp.
  • Tích hợp 2 kênh chuyển đổi tương tự sang số ADC Sigma-Delta với độ phân giải cao 24-bit, tốc độ lấy mẫu tùy chỉnh từ 125 SPS đến 8 kSPS.
  • Mạch khuếch đại đo (Instrumentation Amplifier) tích hợp khả năng lập trình độ lợi (PGA). Mối quan hệ điện áp vi sai ngõ ra được tính theo công thức: $$\text{V}_{out} = \left(1 + \frac{2R_2}{R_1}\right) \frac{R_5}{R_4} (V_1 - V_2)$$
  • Tích hợp mạch lọc nhiễu điện từ EMI, mạch phát hiện hở điện cực (Lead-off detection) bằng nguồn dòng DC hoặc xung AC ($F = \frac{F_{dr}}{4}$), và khối tạo điện áp tham chiếu Bandgap ổn định ($2,42\text{ V}$ tại nguồn $3\text{ V}$ hoặc $4,033\text{ V}$ tại nguồn $5\text{ V}$).
  • Sử dụng IC chuyển đổi mức logic TXB0108 (hoặc IY08) để tương thích điện áp giữa ngõ ra logic của ADS1292R ($3\text{ V}$) và vi điều khiển.

Khối xử lý trung tâm (ESP8266 NodeMCU)

  • Vi điều khiển ESP8266EX tích hợp lõi xử lý Tensilica L106 32-bit RISC, hoạt động ở tần số xung nhịp $80\text{ MHz}$ hoặc $160\text{ MHz}$, bộ nhớ RAM cho phép truy cập $<50\text{ kB}$, bộ nhớ Flash ngoài 4MB.
  • Hỗ trợ kết nối không dây Wi-Fi chuẩn 2.4 GHz $802.11\text{ b/g/n}$, tích hợp sẵn ngăn xếp TCP/IP.
  • Giao tiếp với cảm biến ADS1292R qua chuẩn SPI phần cứng (các chân SCK, MISO, MOSI, CS) kết hợp các chân điều khiển chuyên dụng: START (kích hoạt đo), DRDY (báo dữ liệu sẵn sàng), PWDN/RESET (điều khiển nguồn và reset).

Khối hiển thị tại chỗ (OLED SSD1306)

  • Màn hình OLED kích thước 0.96 inch, độ phân giải $128 \times 64$ điểm ảnh, điều khiển bởi IC SSD1306.
  • Kết nối với ESP8266 qua giao tiếp SPI đồng bộ (SCK, MOSI, CS, D/C, RES) để hiển thị trực tiếp trạng thái kết nối Wi-Fi, trạng thái cảm biến và nhịp tim đo được mà không gây trễ hệ thống.

Khối nguồn và tính toán công suất

  • Sử dụng nguồn pin sạc Li-ion kết hợp module sạc và bảo vệ pin TP4056.
  • Tổng hợp công suất tiêu thụ của các thành phần trong hệ thống:
    • Module ADS1292R: Công suất hoạt động bình thường $P_1 = 615\ \mu\text{W}$ (tại $U = 3\text{ V}, I = 205\ \mu\text{A}$), mạch khuếch đại PGA $P_2 = 15\ \mu\text{W}$, bộ dao động nội $P_3 = 30\ \mu\text{W}$, tổng công suất cực đại $P'_4 = 740\ \mu\text{W}$.
    • IC chuyển mức logic: Công suất tiêu thụ trung bình xấp xỉ $16,5\ \mu\text{W}$, cực đại $P'_5 = 33\ \mu\text{W}$.
    • Vi điều khiển ESP8266: Chế độ phát Wi-Fi cực đại (TX $802.11\text{ b}$, $170\text{ mA}$) tiêu thụ $P_6 = 510\text{ mW}$; chế độ nhận dữ liệu (RX $802.11\text{ b}$, $50\text{ mA}$); chế độ Modem-sleep ($15\text{ mA}$) tiêu thụ $P_7 = 49,5\text{ mW}$; công suất trung bình danh định $P_b = 264\text{ mW}$.
    • Màn hình OLED SSD1306: Dòng hoạt động trung bình $I_{cc} = 430\ \mu\text{A}$, cực đại $780\ \mu\text{A}$ (tại $V_{cc} = 12\text{ V}$).

2. Thiết kế phần mềm và hệ thống truyền thông

  • Firmware cho vi điều khiển: Lập trình trên môi trường Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++). Lưu đồ chương trình thực hiện tuần tự: Khởi tạo các ngoại vi SPI, OLED; kết nối vào mạng Wi-Fi chỉ định; gửi lệnh khởi động ADS1292R; đọc dữ liệu chuỗi 24-bit từ thanh ghi qua ngắt chân DRDY; thực hiện thuật toán lọc số (khử thành phần trôi DC và lọc thông thấp); tính toán chỉ số nhịp tim (BPM); đẩy dữ liệu lên màn hình OLED và gửi gói tin HTTP POST/GET đến Web Server.
  • Hệ thống Server và Cơ sở dữ liệu:
    • Triển khai trên dịch vụ máy chủ web 000webhost.
    • Sử dụng ngôn ngữ PHP (soạn thảo qua Sublime Text) để xây dựng các API nhận dữ liệu từ vi điều khiển và cung cấp dữ liệu cho ứng dụng di động.
    • Cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL được quản lý qua giao diện phpMyAdmin, bao gồm 2 bảng dữ liệu chính:
      1. Bảng Login_imfomation: Quản lý thông tin tài khoản người dùng, tên đăng nhập, mật khẩu phục vụ xác thực bảo mật.
      2. Bảng user_imfomation_v1: Lưu trữ các giá trị điện tim, nhịp tim theo mã định danh người dùng và mốc thời gian (timestamp).
  • Ứng dụng di động Android:
    • Thiết kế và lập trình giao diện, khối thuật toán trên nền tảng MIT App Inventor.
    • Cung cấp các chức năng: Đăng nhập/xác thực tài khoản; kết nối nhận dữ liệu trực tuyến từ Server qua giao thức Web API; vẽ đồ thị tín hiệu ECG thời gian thực dạng sóng liên tục; hiển thị chỉ số nhịp tim tức thời; truy vấn và xem lại lịch sử các lần đo trước đó.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Đặt vấn đề

  • Phân tích bối cảnh phát triển của các công nghệ y tế hiện đại trên thế giới và tại Việt Nam.
  • Khảo cứu lịch sử phát triển các thế hệ máy đo điện tim từ cổ điển đến hiện đại; tổng hợp các công trình nghiên cứu về hệ thống giám sát ECG không dây của Ebrahim Nemati (2012), Đặng Xuân Kiên (2014), Patil (2016), Dilraj Nadarajan (2017) và Ayaskanta Mishra (2018).
  • Xác định rõ tính cấp thiết, mục tiêu chế tạo hệ thống thu thập - hiển thị - lưu trữ ECG không dây, 10 nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật và bố cục 6 chương của đồ án.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

  • Trình bày chi tiết giải phẫu học sinh lý hoạt động của tim, cơ chế điện thế hoạt động màng tế bào, hiện tượng khử cực và tái cực.
  • Phân tích chi tiết hình dạng, biên độ, thời gian của các sóng ECG chuẩn ($P, QRS, T, U$) và các đoạn dẫn truyền ($PR, QT, ST$).
  • Hệ thống hóa các chuyển đạo đo: Chuyển đạo mẫu song cực chi ($D_1, D_2, D_3$) cùng tam giác Einthoven; chuyển đạo đơn cực chi tăng cường ($aVR, aVL, aVF$) của Goldberger; hệ thống 6 chuyển đạo trước tim ($V_1 - V_6$).
  • Tổng quan lý thuyết bộ lọc số xử lý tín hiệu (FIR, IIR, lọc thông thấp, thông cao, thông dải, chắn dải).
  • Giới thiệu nền tảng Android (4 tầng kiến trúc), giao thức mạng TCP/IP, mô hình Server, hệ quản trị CSDL MySQL, ngôn ngữ PHP.
  • Thống kê thông số kỹ thuật các linh kiện phần cứng chính: Module Wi-Fi NodeMCU ESP8266 (ESP8266EX, chip nạp CP2102), module cảm biến ADS1292R, màn hình OLED SSD1306 và các môi trường lập trình (Arduino IDE, MIT App Inventor, Sublime Text, phpMyAdmin).

Chương 3. Tính toán và thiết kế

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể của hệ thống gồm 5 khối chức năng.
  • Phân tích chi tiết nguyên lý khối cảm biến: Mạch khuếch đại đo vi sai ngõ vào, mạch phát hiện hở điện cực Lead-off (sử dụng nguồn dòng DC hoặc AC), bộ biến đổi ADC Sigma-Delta 24-bit 1-bit hồi tiếp DAC, khối tạo điện áp tham chiếu Bandgap, mạch chuyển mức logic TXB0108 và hoàn thiện sơ đồ nguyên lý module ADS1292R.
  • Thiết kế khối xử lý trung tâm ESP8266: Cấu hình xung nhịp, phân bổ các chân GPIO cho giao tiếp SPI với cảm biến và OLED, thiết kế mạch nút nhấn Reset với dòng kích hoạt $I_{led} = 1\text{ mA}$, cấu hình kết nối Wi-Fi chuẩn $802.11\text{ b/g/n}$.
  • Thiết kế khối hiển thị OLED SSD1306: Sơ đồ khối IC SSD1306, nguyên lý giải mã lệnh/dữ liệu qua chân D/C, cơ chế ghi dịch dữ liệu 8-bit vào bộ nhớ GDDRAM qua SPI, công thức tính tần số quét khung hiển thị.
  • Tính toán cân bằng công suất toàn mạch: Chi tiết dòng và áp hoạt động của ADS1292R, IC chuyển mức TXB0108, các chế độ truyền nhận Wi-Fi của ESP8266 (dòng phát đỉnh $170\text{ mA}$, Modem-sleep $15\text{ mA}$), màn hình OLED ($I_{cc} = 430\ \mu\text{A}$) và lựa chọn module quản lý nguồn TP4056.

Chương 4. Thi công hệ thống

  • Gia công chế tạo bo mạch phần cứng: Thiết kế layout mạch in, in mạch nhiệt lên phíp đồng, ăn mòn hóa chất, khoan lỗ chân linh kiện và hàn ráp hoàn thiện module ADS1292R, ESP8266, TP4056.
  • Thiết kế và chế tạo vỏ hộp đựng bảo vệ thiết bị, bố trí cổng cắm điện cực jack 3.5mm và màn hình hiển thị.
  • Lập trình hệ thống vi điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình chính, các chương trình con kết nối Wi-Fi, đọc dữ liệu SPI từ cảm biến, lọc số và truyền dữ liệu lên Server.
  • Lập trình ứng dụng di động: Thiết kế giao diện đồ họa, lập trình khối giải thuật xác thực đăng nhập, khối nhận và hiển thị dữ liệu dạng sóng real-time, khối lưu trữ và truy vấn trên MIT App Inventor.
  • Thiết lập Server và CSDL: Tạo tài khoản trên 000webhost, cấu hình các bảng dữ liệu Login_imfomation và user_imfomation_v1 trên phpMyAdmin, viết kịch bản PHP xử lý truy vấn dữ liệu.
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình thao tác chuẩn cho người dùng.

Chương 5. Kết quả, nhận xét và đánh giá

  • Trình bày hình ảnh thực tế thiết bị phần cứng sau khi hoàn thiện đóng gói và giao diện ứng dụng trên điện thoại Android.
  • Đánh giá kết quả lọc tín hiệu: Hiển thị dạng sóng ở các giai đoạn (tín hiệu thô trực tiếp từ cảm biến, tín hiệu sau khi qua bộ lọc khử thành phần DC, tín hiệu sau khi qua bộ lọc số thông thấp).
  • Đánh giá thử nghiệm thực tế:
    • Kết quả đo tín hiệu khi gắn 3 điện cực ở các vị trí khác nhau trên cơ thể: Ngực, tay và chi.
    • Kết quả đo kiểm chứng tín hiệu từ máy phát điện tim mô phỏng chuyên dụng.
    • So sánh đối chứng kết quả đo nhịp tim và hình dạng sóng điện tim của thiết bị tự chế tạo với 2 thiết bị đo thương mại khác trên cùng một đối tượng sinh viên.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

  • Tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu.
  • Đánh giá các mặt còn tồn tại của hệ thống.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển và nâng cấp thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Về phần cứng: Chế tạo thành công thiết bị đo ECG nhỏ gọn, hoàn thiện mạch in và đóng hộp bảo vệ. Thiết bị tích hợp đầy đủ module cảm biến ADS1292R (ADC 24-bit), vi điều khiển NodeMCU ESP8266, màn hình OLED SSD1306 và khối nguồn pin sạc TP4056, đáp ứng khả năng đo độc lập và hiển thị tại chỗ thông số nhịp tim cũng như trạng thái kết nối.
  • Về xử lý tín hiệu: Thực hiện lọc nhiễu thành công trên vi điều khiển qua các thuật toán lọc số, loại bỏ hiện tượng trôi đường đẳng điện (khử DC offset) và giảm thiểu nhiễu tần số cao, cho ra dạng sóng ECG rõ ràng với đầy đủ các phức bộ P, QRS, T.
  • Về phần mềm và cơ sở dữ liệu:
    • Xây dựng ứng dụng Android chạy ổn định, có chức năng đăng nhập tài khoản, hiển thị đồ thị sóng điện tim theo thời gian thực và cập nhật nhịp tim liên tục.
    • Thiết lập thành công hệ thống Web Server và CSDL MySQL trên 000webhost với 2 bảng Login_imfomation và user_imfomation_v1, cho phép lưu trữ và truy xuất lịch sử dữ liệu đo qua mạng Internet.
  • Về thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm:
    • Hệ thống ghi nhận tốt tín hiệu điện tim ở cả 3 vị trí gắn điện cực (ngực, tay, chi).
    • Tín hiệu đo từ máy phát xung điện tim mô phỏng và tín hiệu đo thực tế trên sinh viên cho kết quả ổn định, biên độ và chu kỳ sóng tương thích với lý thuyết sinh lý học.
    • Kết quả đo nhịp tim trung bình có độ chính xác cao khi đối chứng song song với 2 thiết bị đo khác.
Hạng mục thông số Đặc tính thiết kế trong đồ án
Số lượng điện cực 3 điện cực (2 điện cực đo vi sai, 1 điện cực tham chiếu DRL)
IC cảm biến y sinh ADS1292R (Texas Instruments), 2 kênh ADC Sigma-Delta 24-bit
Vi điều khiển trung tâm NodeMCU ESP8266 (Tensilica L106 32-bit, Wi-Fi 2.4 GHz)
Hiển thị tại chỗ OLED SSD1306 0.96 inch ($128 \times 64$ pixels, giao tiếp SPI)
Nền tảng ứng dụng di động Android (phát triển qua MIT App Inventor)
Hệ thống Server & CSDL Web Server 000webhost, kịch bản PHP, CSDL MySQL (phpMyAdmin)
Các bảng CSDL chính Login_imfomation, user_imfomation_v1
Khối nguồn Pin sạc Li-ion tích hợp mạch sạc và bảo vệ TP4056

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng mô hình truyền thông không dây Wi-Fi kết hợp dịch vụ máy chủ web để giải quyết bài toán theo dõi tín hiệu sinh tồn liên tục mà không cần dây nối rườm rà tới máy tính.
  • Kiến nghị người sử dụng cần cố định chắc chắn các điện cực và hạn chế cử động mạnh trong quá trình đo để tránh gây nhiễu điện cơ (EMG) làm biến dạng sóng.

3. Đóng góp của đồ án

  • Tự thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống thu nhận và truyền dữ liệu y sinh hoàn chỉnh từ phần cứng thu nhận (cảm biến, vi điều khiển, mạch lọc, mạch chuyển mức), chương trình nhúng (firmware xử lý tín hiệu) đến tầng ứng dụng người dùng cuối (ứng dụng di động Android và CSDL Web Server).
  • Cung cấp tài liệu thiết kế kỹ thuật, lưu đồ giải thuật và phương pháp tính toán công suất chi tiết cho mô hình thiết bị đo điện tim 3 điện cực chi phí thấp, có khả năng ứng dụng trong học tập, nghiên cứu và phát triển các thiết bị IoT y tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Độ ổn định trong việc truyền nhận và hiển thị dạng sóng thời gian thực phụ thuộc nhiều vào chất lượng, độ trễ và độ phủ sóng của mạng Wi-Fi tại nơi sử dụng.
  • Phần mềm giám sát mới chỉ hỗ trợ trên nền tảng Android, chưa có phiên bản chạy trên các hệ điều hành khác như iOS.
  • Thiết bị được chế tạo phục vụ mục đích nghiên cứu học thuật, chưa qua các quy trình kiểm chuẩn và cấp phép tiêu chuẩn y tế để dùng làm thiết bị chẩn đoán bệnh lâm sàng.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nâng cấp thuật toán truyền nhận dữ liệu, bổ sung cơ chế đệm dữ liệu (buffer) cục bộ để đảm bảo đồ thị hiển thị mượt mà ngay cả khi đường truyền mạng không ổn định hoặc mất kết nối tạm thời.
  • Mở rộng phát triển ứng dụng di động đa nền tảng (hỗ trợ hệ điều hành iOS) và giao diện web portal toàn diện cho bác sĩ theo dõi từ xa.
  • Nghiên cứu tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo (Machine Learning/Deep Learning) nhằm tự động nhận dạng, phân tích bất thường phức bộ QRS và cảnh báo sớm các dạng rối loạn nhịp tim nguy hiểm.
  • Tối ưu hóa layout mạch in đa lớp, thu nhỏ hơn nữa kích thước phần cứng và nâng cao khả năng chống nhiễu công nghiệp cho thiết bị.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và phạm vi sau:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, IoT: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống thu thập tín hiệu sinh lý người; phương pháp phối ghép phần cứng giữa cảm biến y sinh 24-bit (ADS1292R) với vi điều khiển không dây (ESP8266).
  • Kỹ sư và nhà phát triển thiết bị y tế IoT: Tham khảo cách thức thiết kế mạch khuếch đại đo, mạch phát hiện hở điện cực (Lead-off), tính toán công suất tiêu thụ của các khối chức năng, và quy trình xây dựng ứng dụng di động kết hợp Server lưu trữ CSDL MySQL qua kịch bản PHP.
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Chương 3: Các công thức tính toán khuếch đại vi sai, sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ADS1292R, bảng thông số tiêu thụ năng lượng và thiết kế giao tiếp SPI/I2C.
    • Chương 4: Lưu đồ giải thuật firmware vi điều khiển, phương pháp lập trình khối chức năng trên MIT App Inventor và cấu trúc cơ sở dữ liệu MySQL.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến ADS1292R trong đồ án có những đặc tính kỹ thuật nổi bật nào để thu nhận tín hiệu ECG?

IC ADS1292R (Texas Instruments) là chip chuyên dụng thu nhận tín hiệu y sinh với 2 kênh chuyển đổi A/D Sigma-Delta độ phân giải cao 24-bit, tốc độ lấy mẫu từ 125 SPS đến 8 kSPS. Chip tích hợp sẵn mạch khuếch đại đo có thể lập trình độ lợi (PGA), mạch phát hiện hở điện cực (Lead-off detection) bằng nguồn dòng DC hoặc xung AC, khối tạo điện áp tham chiếu Bandgap nội ($2,42\text{ V}$ / $4,033\text{ V}$) và hỗ trợ đo thêm trở kháng hô hấp.

2. Vi điều khiển NodeMCU ESP8266 đảm nhận những chức năng gì trong hệ thống?

Vi điều khiển ESP8266EX (lõi Tensilica L106 32-bit RISC) đóng vai trò trung tâm xử lý của thiết bị:

  • Giao tiếp với ADS1292R qua chuẩn SPI phần cứng (kết hợp các chân START, DRDY, RESET) để thu nhận luồng dữ liệu 24-bit.
  • Thực hiện thuật toán lọc số (khử thành phần DC và lọc thông thấp) và tính toán nhịp tim (BPM).
  • Giao tiếp với màn hình OLED SSD1306 qua SPI để hiển thị trực tiếp thông số tại chỗ.
  • Sử dụng ngăn xếp TCP/IP và Wi-Fi 2.4 GHz để đóng gói và gửi dữ liệu điện tim lên Web Server và Smartphone Android.

3. Hệ thống cơ sở dữ liệu trên Server được tổ chức và quản lý như thế nào?

Cơ sở dữ liệu được xây dựng trên hệ quản trị CSDL MySQL, lưu trữ trên nền tảng máy chủ web 000webhost và quản lý thông qua phpMyAdmin. Hệ thống sử dụng các kịch bản PHP viết trên Sublime Text để làm cầu nối xử lý dữ liệu với 2 bảng CSDL chính:

  • Login_imfomation: Lưu trữ và xác thực thông tin đăng nhập của người dùng.
  • user_imfomation_v1: Lưu trữ chi tiết các bản ghi dữ liệu điện tim và nhịp tim gắn liền với định danh người dùng theo mốc thời gian.

4. Tín hiệu điện tim từ cảm biến được xử lý qua các giai đoạn lọc số nào trước khi hiển thị?

Tín hiệu sau khi được số hóa bởi ADC 24-bit của ADS1292R sẽ được vi điều khiển đưa qua 2 bước lọc số chính:

  1. Bộ lọc khử thành phần DC: Loại bỏ điện áp lệch một chiều và hiện tượng trôi đường đẳng điện do tiếp xúc điện cực.
  2. Bộ lọc thông thấp: Loại bỏ các thành phần nhiễu tần số cao, nhiễu nguồn điện lưới $50\text{ Hz}$ và nhiễu cơ học, giúp dạng sóng ECG hiển thị rõ nét các đỉnh P, QRS, T và phục vụ tính toán chính xác tần số nhịp tim.

5. Thiết bị sử dụng mấy điện cực đo và đã được thử nghiệm ở những vị trí nào?

Hệ thống sử dụng dây cáp jack 3.5mm kết nối 3 điện cực dán (2 điện cực lấy hiệu điện thế vi sai và 1 điện cực nối đất/tham chiếu chân phải DRL). Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm đo thực tế tại 3 vị trí gắn điện cực trên cơ thể gồm: vùng ngực, hai tay và các chi; đồng thời kiểm tra độ ổn định bằng máy phát tín hiệu điện tim mô phỏng chuyên dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Trần Trung Đức và Phạm Chí Nghị đã thiết kế và thi công thành công thiết bị đo tín hiệu điện tim ECG 3 điện cực nhỏ gọn, ứng dụng IC cảm biến chuyên dụng ADS1292R kết hợp vi điều khiển NodeMCU ESP8266. Hệ thống thực hiện hiệu quả các thuật toán lọc số, hiển thị sóng điện tim và nhịp tim trực tiếp trên màn hình OLED cũng như truyền không dây qua Wi-Fi đến ứng dụng Android và cơ sở dữ liệu MySQL trên Web Server. Kết quả thử nghiệm thực tế và đối chứng với các thiết bị đo khác khẳng định tính đúng đắn, độ ổn định của giải pháp kỹ thuật, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển các thiết bị y tế cá nhân phục vụ theo dõi sức khỏe từ xa.