Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo ngực theo dõi qua điện thoại

Thiết kế thiết bị đo nhịp tim điện tim đeo quanh ngực giúp theo dõi sức khỏe tim mạch qua điện thoại thông minh. Giải pháp tiên tiến dành cho người bệnh tim

• Tác giả: Trương Minh Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế thiết bị đo nhịp tim, điện tim đeo quanh ngực theo dõi sức khỏe qua điện thoại thông minh cho người mắc bệnh tim mạch
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết bị đo nhịp tim điện tim đeo ngực

Thiết bị đo nhịp tim điện tim đeo quanh ngực sử dụng công nghệ cảm biến sinh học tiên tiến nhằm theo dõi liên tục hoạt động tim mạch thông qua điện thoại thông minh. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý ghi nhận tín hiệu điện sinh học từ tim, xử lý tín hiệu bằng vi điều khiển ESP32-C3 và truyền dữ liệu không dây qua Bluetooth Low Energy (BLE) tới ứng dụng di động. Người dùng có thể theo dõi nhịp tim, điện tâm đồ tức thời và nhận cảnh báo bất thường. Thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ sạc pin USB-C, phù hợp cho bệnh nhân tim mạch cần giám sát liên tục. Công nghệ này nâng cao hiệu quả chẩn đoán và quản lý điều trị từ xa.

1.1. Nguyên lý hoạt động của thiết bị

Thiết bị sử dụng cảm biến MAX30003 để ghi nhận tín hiệu điện sinh học từ tim. Tín hiệu được khuếch đại, lọc nhiễu và chuyển đổi tương tự-số bởi vi điều khiển ESP32-C3. Dữ liệu sau xử lý được truyền không dây qua giao thức BLE tới smartphone. Ứng dụng di động hiển thị nhịp tim, điện tâm đồ và phân tích xu hướng theo thời gian. Hệ thống có khả năng lưu trữ dữ liệu trên cloud để bác sĩ theo dõi từ xa. Cơ chế hoạt động dựa trên sự biến đổi điện thế sinh học khi tim co bóp, cho phép phát hiện sớm các bất thường nhịp tim.

1.2. Ứng dụng trong y tế hiện đại

Thiết bị hỗ trợ chẩn đoán và quản lý bệnh tim mạch bằng cách cung cấp dữ liệu thời gian thực cho bác sĩ và bệnh nhân. Nó được sử dụng để theo dõi bệnh nhân sau phẫu thuật tim, điều trị rối loạn nhịp tim, hoặc quản lý bệnh nhân tăng huyết áp. Dữ liệu thu thập giúp phát hiện sớm các dấu hiệu cảnh báo như rung nhĩ, nhồi máu cơ tim. Thiết bị còn hỗ trợ nghiên cứu lâm sàng nhờ khả năng thu thập dữ liệu liên tục và chính xác. Công nghệ này góp phần giảm tải cho hệ thống y tế bằng cách theo dõi từ xa.

II. Phân tích vấn đề sức khỏe tim mạch ở bệnh nhân

Bệnh tim mạch là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong toàn cầu, với các biến chứng nguy hiểm như đột quỵ, nhồi máu cơ tim. Việc theo dõi sức khỏe tim mạch chủ yếu dựa vào thăm khám định kỳ hoặc nhập viện cấp cứu, gây bất tiện cho bệnh nhân. Nhiều trường hợp bất thường nhịp tim xảy ra đột ngột nhưng không được phát hiện kịp thời. Thiếu thiết bị theo dõi liên tục dẫn đến chậm trễ trong điều trị. Điện tâm đồ truyền thống yêu cầu thiết bị cồng kềnh và nhân viên y tế chuyên môn. Bệnh nhân cao tuổi hoặc ở vùng sâu vùng xa gặp khó khăn trong tiếp cận dịch vụ y tế chất lượng. Giải pháp công nghệ đeo ngực kết nối smartphone là xu hướng tất yếu để giải quyết các hạn chế này.

2.1. Những hạn chế của phương pháp theo dõi truyền thống

Phương pháp theo dõi truyền thống phụ thuộc vào thăm khám định kỳ hoặc nhập viện, không cung cấp dữ liệu liên tục. Thiết bị điện tâm đồ cồng kềnh yêu cầu kỹ thuật viên vận hành. Dữ liệu thu thập chỉ đại diện cho thời điểm đo, bỏ sót các biến cố xảy ra giữa các lần thăm khám. Bệnh nhân khó ghi nhớ triệu chứng xảy ra giữa các lần khám. Chi phí thăm khám định kỳ cao, đặc biệt với bệnh nhân mãn tính. Hệ thống y tế quá tải không đáp ứng nhu cầu theo dõi liên tục.

2.2. Nguy cơ tiềm ẩn từ bệnh tim mạch không được giám sát

Bệnh tim mạch có thể tiến triển âm thầm mà không biểu hiện triệu chứng rõ ràng. Các biến cố nguy hiểm như rung nhĩ, nhồi máu cơ tim có thể xảy ra đột ngột. Thiếu giám sát liên tục khiến bệnh nhân chủ quan trong quản lý bệnh. Biến chứng tim mạch không được phát hiện kịp thời dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Nhóm bệnh nhân có nguy cơ cao (người cao tuổi, tiểu đường, tăng huyết áp) cần theo dõi sát sao hơn. Thiếu dữ liệu theo dõi liên tục cản trở quá trình điều trị hiệu quả.

III. Giải pháp thiết kế thiết bị đo nhịp tim điện tim

Thiết bị đo nhịp tim điện tim đeo quanh ngực sử dụng cảm biến sinh học MAX30003 kết nối vi điều khiển ESP32-C3. Thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, phù hợp đeo quanh ngực. Vi điều khiển xử lý tín hiệu điện sinh học, truyền dữ liệu không dây qua BLE tới smartphone. Ứng dụng di động hiển thị nhịp tim, điện tâm đồ, cảnh báo bất thường. Hệ thống hỗ trợ lưu trữ dữ liệu trên cloud, chia sẻ với bác sĩ. Thiết bị sử dụng pin dung lượng cao, sạc qua USB-C, hoạt động 2-3 ngày liên tục. Giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng cho mọi đối tượng.

3.1. Lựa chọn cảm biến sinh học phù hợp

Cảm biến MAX30003 được lựa chọn do khả năng ghi nhận tín hiệu điện sinh học chất lượng cao. Nó tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu, bộ lọc nhiễu, bộ chuyển đổi ADC. MAX30003 hỗ trợ đo nhịp tim, điện tâm đồ 12 chuyển đạo. Cảm biến hoạt động ổn định trong môi trường sinh học, chống nhiễu tốt. Tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp thiết bị di động. Khả năng giao tiếp SPI giúp truyền dữ liệu nhanh chóng tới vi điều khiển. MAX30003 là giải pháp tối ưu cho ứng dụng theo dõi sức khỏe tim mạch.

3.2. Tích hợp công nghệ truyền dữ liệu không dây

Vi điều khiển ESP32-C3 hỗ trợ giao thức BLE, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định tới smartphone. BLE tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp thiết bị di động. Dữ liệu được truyền tức thời, cho phép theo dõi thời gian thực. ESP32-C3 có khả năng xử lý tín hiệu, điều khiển cảm biến hiệu quả. Hỗ trợ kết nối đa thiết bị, cho phép chia sẻ dữ liệu với người thân hoặc bác sĩ. Công nghệ BLE đảm bảo an toàn dữ liệu, tuân thủ quy định bảo mật y tế.

IV. Ứng dụng và triển vọng công nghệ y tế

Thiết bị đo nhịp tim điện tim đeo quanh ngực mang lại giải pháp theo dõi sức khỏe tim mạch tiện lợi, hiệu quả. Nó hỗ trợ bệnh nhân quản lý bệnh tốt hơn thông qua dữ liệu thời gian thực. Bác sĩ sử dụng dữ liệu để chẩn đoán chính xác, điều chỉnh phác đồ điều trị. Thiết bị giúp giảm chi phí y tế bằng cách theo dõi từ xa, giảm thăm khám không cần thiết. Công nghệ này hứa hẹn mở rộng ứng dụng cho các bệnh lý khác. Nó góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống bệnh nhân tim mạch. Triển vọng tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu thông minh.

4.1. Lợi ích cho bệnh nhân và nhân viên y tế

Bệnh nhân được theo dõi sức khỏe tim mạch liên tục, phát hiện sớm bất thường. Dữ liệu thời gian thực giúp bệnh nhân chủ động trong quản lý bệnh. Nhân viên y tế nhận được thông tin chi tiết, hỗ trợ chẩn đoán chính xác. Thiết bị giảm tải công việc hành chính, tập trung vào chăm sóc bệnh nhân. Hệ thống hỗ trợ quản lý hồ sơ bệnh án điện tử, dễ dàng truy cập dữ liệu. Công nghệ này cải thiện hiệu quả điều trị, giảm biến chứng tim mạch.

4.2. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Công nghệ có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu thông minh. Phát triển ứng dụng đa nền tảng, hỗ trợ cả iOS và Android. Mở rộng chức năng theo dõi các chỉ số sức khỏe khác (huyết áp, SpO2). Hợp tác với nhà sản xuất thiết bị y tế để thương mại hóa sản phẩm. Nghiên cứu ứng dụng trong y học dự phòng, phòng ngừa biến cố tim mạch. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm dựa trên dữ liệu theo dõi. Tiềm năng toàn cầu hóa sản phẩm, hỗ trợ bệnh nhân toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay có nhiều phương pháp đo điện tâm đồ trong y tế để chẩn đoán bệnh lý tim mạch. Trong y tế, để thể hiện đầy đủ tình trạng hoạt động của tim, người bệnh được gắn 12 núm điện cực đính lên da và đo bất động ở tư thế ngồi hoặc nằm. Nhược điểm của phương pháp đo này là sử dụng thiết bị đo cố định, cồng kềnh và chi phí cao, chỉ được trang bị ở bệnh viện, khó theo dõi tình trạng người bệnh lâu dài. Máy đo di động Holter truyền thống khắc phục điểm yếu về tính di động và cho phép theo dõi lâu dài, dành cho người bệnh có nhu cầu theo dõi điện tim và nhịp tim thường xuyên mà không làm gián đoạn sinh hoạt thường ngày, tuy nhiên máy vẫn cần trang bị các núm điện cực và dây đo cồng kềnh nên còn gây trở ngại với người bệnh.

Nắm bắt được vấn đề đó, em mong muốn thiết kế thiết bị đo điện tim và nhịp tim sử dụng 2 điện cực khô được thiết kế kết nối với vòng đeo điện cực co dãn quanh ngực giúp người bệnh dễ sử dụng, tăng tính di động, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng theo dõi trên điện thoại thông minh khi di chuyển [12]. Mục tiêu đề tài Nghiên cứu, thiết kế thành công một thiết bị nhỏ gọn và đeo được trên người, có khả năng đo nhịp tim và điện tim theo thời gian thực, sau đó gửi dữ liệu nhịp tim, mức pin của thiết bị đo được đến điện thoại thông minh sử dụng công nghệ Bluetooth Low Enegy, hiển thị được đồ thị điện tâm đồ theo thời gian thực. Phạm vi nghiên cứu Đề tài cơ bản sẽ nghiên cứu giải quyết các vấn đề như sau:  Thiết kế và thi công board mạch phần cứng.  Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển ESP32-C3 giao tiếp với cảm biến điện tim, nhịp tim MAX30003 lấy dữ liệu nhịp tim và điện tâm đồ.

 Xây dựng một ứng dụng Android sử dụng MIT App Inventor để nhận dữ liệu do thiết bị gửi lên, hiển thị đồ thị nhịp tim và giá trị mức pin.  Thiết kế giao thức BLE trên thiết bị giao tiếp với app. -1- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới hạn Do thời gian có hạn nên đề tài của em còn những giới hạn như sau:  App Android hiển thị các thông số cơ bản như giá trị, biểu đồ nhịp tim và giá trị mức pin.

 Hiển thị dữ liệu thô đồ thị điện tâm đồ sử dụng Serial Plotter của Arduino IDE.  Thiết bị có thời gian sử dụng khoảng 5-6 giờ.  Truyền nhận BLE chưa có lớp bảo mật thông tin. Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu các thiết kế sản phẩm mẫu về vòng đeo nhịp tim trên thị trường.

 Tham khảo các bài báo khoa học, tài liệu, datasheet có liên quan đến cảm biến đang nghiên cứu. Nghiên cứu cách thức giao tiếp, cách đọc và ghi dữ liệu vào thanh ghi, các thành phần chức năng được tích hợp, sơ đồ nguyên lý mẫu của cảm biến.  Nghiên cứu cơ bản nguyên lý đo điện tâm đồ, tìm hiểu các phương pháp đo điện tâm đồ sử dụng phổ biến trong y tế.  Nghiên cứu tổng quan cấu trúc, các thành phần của BLE, tham khảo các tài liệu có liên quan đến công nghệ BLE.

 Nghiên cứu các tài liệu có liên quan hệ điều hành RTOS, thử nghiệm thực tế hoạt động của hệ điều hành trên kit ESP32-C3 mẫu.  Nghiên cứu và thiết kế phần cứng mẫu, tham khảo tài liệu mẫu về cách thức sử dụng chuẩn giao tiếp SPI, hoạt động của hệ điều hành RTOS và cách sử dụng module BLE trên ESP32-C3 do nhà sản xuất cung cấp.  Thử nghiệm giao tiếp SPI giữa MCU và cảm biến MAX30003, viết thư viện giao tiếp với cảm biến, cài đặt các cấu hình, thanh ghi cơ bản để cảm biến hoạt động. Thử nghiệm chức năng BLE của ESP32-C3 với app Android mẫu, nghiên cứu, thiết kế lại cấu trúc dữ liệu BLE phù hợp với mục tiêu đề tài từ chương trình mẫu do nhà sản xuất cung cấp.

-2- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Hiển thị nhịp tim và mức pin lên app, hiển thị đồ thị điện tâm đồ sử dụng chức năng Serial Plotter của Arduino IDE, thực nghiệm đo dòng tiêu thụ toàn bộ hệ thống.  Thiết kế, thi công app Android sử dụng MIT App Inventor.  Hiệu chỉnh, sửa lỗi, tối ưu phần cứng và phần mềm. Bố cục báo cáo Chương 1: Tổng quan.

Giới thiệu, dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu và những giới hạn trong phạm vi nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Giới thiệu các phần mềm sử dụng trong đề tài. Giới thiệu các kiến thức, chức năng về khối xử lý trung tâm là vi điều khiển ESP32-C3.

Giới thiệu tổng quan, trình bày các ưu nhược điểm, các chức năng quan trọng và tổ chức thanh ghi của cảm biến nhịp tim MAX30003, lý thuyết và các thành phần thuộc giao thức BLE, lý thuyết về điện tâm đồ và nhịp tim, tổng quan về hệ điều hành thời gian thực RTOS. Giới thiệu chuẩn giao tiếp SPI. Chương 3: Thiết kế, thi công hệ thống. Trình bày cụ thể thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng, thi công phần mềm, trình bày và giải thích lưu đồ phần mềm, trình bày kết quả thi công app Android.

Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được của đề tài, sau đó nêu lên nhận xét và đánh giá. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Chương này sẽ trình bày kết luận của nhóm về kết quả nghiên cứu và hướng phát triển nghiên cứu dành cho đề tài do nhóm đề ra.

-3- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. Điện tâm đồ ECG (Electrocardiogram) và hoạt động của tim Khái niệm điện tâm đồ Điện tâm đồ (tiếng Anh: Electrocardiogram hay thường gọi tắt là ECG) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi.

Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ [3]. Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v. 1 Điện tâm đồ của một chu chuyển bình thường Điện tâm đồ được ứng dụng trong chẩn đoán các trường hợp sau:  Rối loạn nhịp tim.  Thiếu máu cục bộ cơ tim.

 Phát hiện bất thường như cơ tim dày lên. Ngoài ra, điện tâm đồ còn được chỉ định trong nhiều trường hợp không đặc hiệu: người cao tuổi (người nguy cơ mắc bệnh lý tim mạch cao), bệnh nhân tăng huyết áp, bệnh nhân rối loạn chuyển hóa lipid máu (mỡ máu), đái tháo đường, hút thuốc lá, đau thắt ngực, -4- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT hồi hộp trống ngực, khó thở, tiền sử có ngất hoặc nhập viện cấp cứu vì bất kể nguyên nhân gì. thường được chỉ định thực hiện đo điện tim. Cơ chế hoạt động tim Tim người có 4 buồng để chứa và bơm máu, 2 phần nhỏ ở phía trên gọi là tâm nhĩ, 2 phần dưới lớn hơn gọi là tâm thất [2].

Máu theo tĩnh mạch từ các cơ quan trong cơ thể trở về tâm nhĩ phải, máu từ phổi trở về tâm nhĩ trái. Tâm nhĩ trái co bóp đưa bơm máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải co bóp đưa máu vào tâm thất phải. Sau đó tâm thất phải sẽ bóp để bơm máu theo động mạch lên phổi và tâm thất trái bóp để bơm máu xuống cơ quan cơ thể. Tim có khả năng hoạt động đều đặn và thứ tự như thế là nhờ vào hệ thống các tế bào dẫn điện đặc biệt nằm trong cơ tim.

Trong tâm nhĩ phải có nút xoang gồm các tế bào có khả năng phát ra xung điện. Xung điện này truyền ra các cơ xung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P trên điện tâm đồ). Sau có dòng điện tiếp tục truyền theo một chuỗi tế bào đặc biệt đến nút nhĩ thất nằm gần vách liên thất, rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào các cơ xung quanh (tạo ra loạt sóng QRS) làm hai tâm thất co bóp. Sau đó, các xung điện giảm đi, tâm thất giãn ra (tạo nên sóng T).

Chu kỳ hoạt động của tim Chu chuyển tim là một chuỗi những sự kiện xảy ra tại tim trong một nhịp đập hoàn chỉnh của nó. Mỗi một chu chuyển tim chiếm khoảng 0,8s và bao gồm hai thời kỳ. Thời kỳ tâm trương, thường gọi là giai đoạn đổ đầy thất, tâm nhĩ co đẩy máu xuống và tâm thất dãn ra để hút máu về. Trong thời kỳ tâm thu, hai tâm thất co bóp tống máu từ tâm thất vào động mạch phổi (tại tâm thất phải) và động mạch chủ (tại tâm thất trái) [1].

-5- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 2 Chu kỳ hoạt động của tim Trên điện tâm đồ các giai đoạn cũng thể hiện tương tự. Hình dạng điện tâm đồ bình thường bao gồm các thành phần tương ứng với các hoạt động điện trong một nhịp tim. Các dạng sóng được đặt tên P, Q, R, S, T và U.

Sóng P: là sóng đầu tiên và thường dương (trên đường đẳng điện). Nó đại diện cho sự khử cực tâm nhĩ. Phức bộ QRS: sau sóng P. Nó thường bắt đầu với một đường đi xuống (âm) đó là sóng Q.

Tiếp đó đường điện tim hướng cao lên trên, đó là sóng R. Sau sóng R là âm đi xuống gọi là sóng S. QRS đại diện cho sự khử cực tâm thất và co bóp thất. Như vậy trong phức bộ QRS thì: Sóng Q: Sóng âm khởi đầu phức bộ.

Sóng R: Các sóng dương. -6- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sóng S: Các sóng âm còn lại. Sóng T: Thường thấp hơn và đi sau phức bộ QRS, đại diện cho quá trình tái cực tâm thất. Sóng U: Chỉ ra sự phục hồi của các sợi dẫn Purkinje.

Phần sóng này có thể không quan sát. Nhịp tim Nhịp tim là tốc độ nhịp tim đo bằng số lần co thắt (nhịp đập) của tim mỗi phút (bpm - beat per minute). Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu thể chất của cơ thể, bao gồm cả nhu cầu hấp thu oxy và bài tiết carbon dioxide. Nó thường bằng hoặc gần với xung được đo tại bất kỳ điểm ngoại vi nào.

Các hoạt động có thể tạo ra thay đổi bao gồm tập thể dục, ngủ, lo lắng, căng thẳng, bệnh tật và khi uống thuốc.