Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe ban đầu, việc theo dõi các chỉ số sinh hiệu đóng vai trò then chốt nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường của cơ thể. Ba thông số gồm nhịp tim, nồng độ oxy bão hòa trong máu ngoại vi (SpO2) và thân nhiệt là những chỉ số sinh lý cơ bản phản ánh trực tiếp trạng thái hô hấp, tuần hoàn và cân bằng nhiệt. Việc theo dõi nhịp tim hỗ trợ kiểm soát cường độ luyện tập thể thao, ngăn ngừa chấn thương do quá sức và phát hiện các rối loạn nhịp tim. Chỉ số SpO2 cho phép đánh giá mức độ bão hòa oxy trong máu động mạch nhằm xử lý kịp thời các biến chứng suy hô hấp, trong khi nhiệt độ cơ thể là thước đo cân bằng sinh nhiệt và thải nhiệt của các cơ quan nội tạng.
Mặc dù đã có một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước chế tạo thiết bị đo sinh hiệu, phần lớn các đề tài trước đó chỉ giải quyết đơn lẻ từng chỉ số hoặc sử dụng các nền tảng phần cứng, phần mềm chưa tối ưu cho việc sử dụng linh hoạt:
- Luận văn thạc sĩ của Đỗ Văn Ngọc (2014) tập trung nghiên cứu đo nhịp tim và SpO2 bằng vi điều khiển MSP430 của Texas Instruments, sử dụng Java Eclipse để phát triển ứng dụng Android, truyền dữ liệu qua Bluetooth nhưng chưa tích hợp chức năng đo nhiệt độ.
- Dự án của Ashwini Kumar thiết kế máy đo nhịp tim và oxy trong máu thông minh trên vi điều khiển Arduino Uno kết hợp cảm biến MAX30100 và MIT App Inventor, song chỉ xử lý hai thông số và không có cơ chế chuyển đổi chế độ đo linh hoạt.
- Đề tài của Konstantin Dimitrov chế tạo nhiệt kế OLED không tiếp xúc sử dụng cảm biến MLX90614 và Arduino Uno, hiển thị tại chỗ qua I2C nhưng không tích hợp các thông số sinh tồn khác hay giao tiếp không dây.
Từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ" do sinh viên Đinh Ngọc Vĩnh An và Dương Thị Kiều Oanh thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thanh Hải tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (08/2020) được triển khai nhằm tích hợp cả ba chức năng đo vào một thiết bị cầm tay hoàn chỉnh.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 3 nội dung trọng tâm:
- Thiết kế và thi công thiết bị phần cứng đo 3 thông số sức khỏe: nhịp tim, nồng độ SpO2 và nhiệt độ cơ thể.
- Hiển thị đồng thời kết quả đo trên màn hình OLED gắn trên thiết bị và truyền dữ liệu không dây qua Bluetooth lên ứng dụng di động Android viết bằng MIT App Inventor.
- Tích hợp hệ thống cảnh báo âm thanh thông qua còi buzzer khi bất kỳ chỉ số nào vượt ngưỡng sinh lý bình thường.
Nhiệm vụ nghiên cứu được phân kỳ thành 7 nội dung kỹ thuật:
- Nội dung 1: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các phương pháp đo sinh hiệu và lựa chọn giải pháp công nghệ.
- Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối chức năng và tính toán chọn thông số kỹ thuật linh kiện.
- Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm và các mạch phụ trợ.
- Nội dung 4: Thi công các khối cảm biến, khối xử lý tín hiệu và khối hiển thị.
- Nội dung 5: Lập trình firmware điều khiển và phát triển ứng dụng di động trên hệ điều hành Android.
- Nội dung 6: Chạy thử nghiệm thực tế, thu thập dữ liệu đối chứng và đánh giá sai số.
- Nội dung 7: Tổng hợp kết quả, xây dựng tài liệu báo cáo kỹ thuật.
Phạm vi và giới hạn của đề tài:
- Thiết bị chỉ hoạt động trong môi trường khô ráo, không có tính năng chống thấm nước.
- Thiết bị dừng lại ở chức năng đo đạc và cảnh báo vượt ngưỡng cục bộ; không tích hợp thuật toán phân tích chuyên sâu nhằm chẩn đoán bệnh lý tự động.
- Phạm vi truyền nhận dữ liệu qua chuẩn Bluetooth HC-05 giới hạn trong bán kính tối đa 10 mét.
- Thời gian thực hiện từ ngày 09/03/2020 đến ngày 18/08/2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết về các phương pháp đo sinh hiệu
Đề tài phân tích và so sánh các nguyên lý kỹ thuật đo đạc sinh y để lựa chọn phương án thiết kế tối ưu:
| Phương pháp |
Nguyên lý hoạt động |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
Đánh giá lựa chọn |
| Đo nhịp tim thủ công |
Bắt mạch quay ở cổ tay, động mạch cảnh ở cổ hoặc nghe tiếng tim qua ống nghe y tế trong 10-20 giây kết hợp đồng hồ bấm giờ. |
Dễ thao tác, không tốn chi phí thiết bị điện tử. |
Phụ thuộc chủ quan người đo, sai số thời gian bấm giờ, tốn công sức. |
Không phù hợp để tự động hóa thu thập dữ liệu. |
| Đo nhịp tim xâm lấn |
Dán các bản điện cực lên thành ngực đã khử trùng để thu nhận tín hiệu điện tim liên tục 24-48 giờ đưa vào bộ xử lý. |
Độ chính xác cao, ghi nhận nhiều chuyển đạo tim đồng thời. |
Gây khó chịu, nguy cơ kích ứng da do gel điện cực, cồng kềnh. |
Chỉ dùng trong môi trường lâm sàng chuyên sâu. |
| Đo quang học không xâm lấn (PPG) |
Phát xạ chùm sáng qua mô mạch máu ngoại vi (đầu ngón tay). Thành phần DC đặc trưng cho mô/xương/tĩnh mạch; thành phần AC biến thiên đồng bộ với thể tích máu động mạch khi tim co bóp. |
Không gây đau, thiết bị nhỏ gọn, thao tác nhanh, an toàn. |
Dễ bị nhiễu do cử động ngón tay (sai số quang học khoảng 15%). |
Được lựa chọn cho đề tài nhờ khả năng tích hợp nhỏ gọn. |
| Đo nồng độ SpO2 dựa trên hấp thụ quang |
Chiếu đồng thời hai bước sóng: ánh sáng đỏ (Red - 660 nm) và hồng ngoại (IR - 880 nm) qua mô. Hemoglobin khử (Hb) và oxyhemoglobin (HbO2) có hệ số hấp thụ quang khác nhau tại hai bước sóng này. Tỉ số tín hiệu R/IR được nội suy qua bảng chuẩn. |
Đo liên tục, không lấy máu, đáp ứng tức thời. |
Đòi hỏi cố định vị trí ngón tay, chịu ảnh hưởng của ánh sáng môi trường. |
Được lựa chọn tích hợp chung trên cảm biến quang MAX30100. |
| Đo nhiệt độ tiếp xúc |
Cân bằng nhiệt giữa cơ thể và đầu dò kim loại/thủy ngân (nhiệt kế thủy ngân, cảm biến nhiệt điện trở). |
Giá thành thấp, mạch xử lý đơn giản. |
Tốc độ đáp ứng chậm (cần thời gian chờ cân bằng nhiệt), nguy cơ lây nhiễm chéo. |
Không đáp ứng yêu cầu đo nhanh không chạm. |
| Đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc |
Thu nhận bức xạ điện từ phát ra từ bề mặt vật thể/cơ thể (mọi vật có nhiệt độ trên 0 Kelvin đều bức xạ nhiệt) qua cảm biến nhiệt điện trở hồng ngoại (thermopile). |
Đo tức thời, khoảng cách an toàn, không tiếp xúc da, giảm lây nhiễm. |
Khoảng cách đo bị giới hạn, chịu ảnh hưởng bởi trường bức xạ môi trường. |
Được lựa chọn sử dụng cảm biến MLX90614. |
Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu
Đề tài kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết thiết kế mạch điện tử, lập trình hệ thống nhúng và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:
- Thiết kế và tính toán phần cứng: Sử dụng phần mềm Altium Designer để thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in PCB một lớp; sử dụng Solidworks để thiết kế mô hình 3D vỏ hộp, tay cầm và phụ kiện gá đặt cảm biến.
- Phát triển phần mềm nhúng và ứng dụng: Sử dụng Arduino IDE để biên dịch firmware cho vi điều khiển ATmega2560; sử dụng nền tảng MIT App Inventor để xây dựng ứng dụng giao tiếp Android.
- Thu thập dữ liệu thực nghiệm: Thu thập số liệu đo thân nhiệt, nhịp tim và SpO2 trên các đối tượng thử nghiệm ở hai trạng thái: trạng thái nghỉ ngơi bình thường và trạng thái ngay sau khi vận động thể dục.
- Thiết bị đối chuẩn lâm sàng: Sử dụng máy theo dõi bệnh nhân đa thông số chuyên dụng Monitor Comen và nhiệt kế hồng ngoại y tế thương mại để so sánh đối chứng dữ liệu.
Thiết kế và triển khai
Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, tập trung quanh bộ xử lý trung tâm là board mạch Arduino Mega 2560 R3:
- Khối nguồn: Sử dụng 2 cell pin Lithium-ion 18650 mắc nối tiếp, mỗi cell có điện áp danh định 3,7V và dung lượng 4200 mAh. Điện áp tổng danh định của bộ nguồn đạt 7,4V, cấp trực tiếp vào cổng DC Jack của Arduino Mega 2560 (dải điện áp khuyên dùng của board là 7 - 12VDC). Vi điều khiển hạ áp và cấp nguồn 5V ổn định cho toàn bộ các module ngoại vi.
- Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ATmega2560 có 54 chân Digital I/O (15 chân xuất PWM), 16 chân Analog Input, 4 bộ UART phần cứng, bộ nhớ Flash 256 KB và xung nhịp thạch anh 16 MHz. Bộ nhớ lớn cho phép tích hợp đồng thời nhiều thư viện cảm biến và thuật toán xử lý tín hiệu số mà không gây tràn bộ nhớ SRAM.
- Khối cảm biến:
- Cảm biến MAX30100: Tích hợp hai đèn LED (bước sóng đỏ 660 nm và bước sóng hồng ngoại 880 nm), bộ tách sóng quang photodetector, bộ tiền khuếch đại analog và bộ chuyển đổi ADC 16-bit. Giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn I2C (chân SDA và SCL).
- Cảm biến MLX90614: Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc, tích hợp chip xử lý DSP nội bộ 17-bit ADC, dải đo nhiệt độ môi trường từ -40°C đến +85°C và dải đo nhiệt độ vật thể từ -70°C đến +380°C với độ phân giải nhiệt độ 0,02°C, sai số đo ±0,5°C. Giao tiếp qua đường truyền I2C.
- Khối chọn chế độ và thông báo: Gồm 01 nút nhấn tự giữ 12 mm màu xanh (dùng điện trở kéo xuống 10 kΩ để chọn chế độ đo nhịp tim và SpO2), 01 công tắc gạt ON/OFF bố trí trên tay cầm đo nhiệt độ, 01 đèn LED màu xanh lá (kèm điện trở hạn dòng) sáng lên khi hệ thống đang đo và 01 đầu phát diode laser 5V (dòng 40 mA) lắp tại đầu đo nhiệt độ để định vị chính xác vùng đo trên trán.
- Khối cảnh báo: Sử dụng còi buzzer áp điện hoạt động ở điện áp 3,5 - 5V, dòng tiêu thụ dưới 25 mA, tần số cộng hưởng 2300 Hz ± 500 Hz và biên độ âm thanh vượt trên 80 dB. Còi tự động phát tiếng bíp ngắt quãng khi dữ liệu vượt ngưỡng sinh lý chuẩn.
- Khối hiển thị cục bộ: Màn hình OLED kích thước 1,3 inch, độ phân giải 128x64 pixel, sử dụng IC điều khiển giao tiếp I2C, công suất tiêu thụ tối đa 0,08W, góc nhìn hiển thị rộng trên 160 độ.
- Khối truyền thông không dây: Module Bluetooth HC-05 hoạt động ở dải tần 2,4 GHz, chuẩn truyền nối tiếp UART, phạm vi kết nối dưới 10 mét. Do chân tín hiệu RX của HC-05 chỉ chịu điện áp tối đa 3,6V trong khi chân TX của Arduino phát mức logic 5V, hệ thống bố trí mạch cầu phân áp để bảo vệ cổng truyền thông.
Tính toán kỹ thuật phần cứng
Quá trình tính toán linh kiện được tác giả thực hiện dựa trên các công thức điện kỹ thuật cơ bản:
Tính toán công suất tiêu thụ toàn mạch:
Công suất tiêu thụ tĩnh của từng thành phần ở mức điện áp 5VDC được tổng hợp như sau:
| STT |
Thiết bị / Mạch chức năng |
Điện áp hoạt động |
Dòng điện tiêu thụ |
| 1 |
Arduino Mega 2560 |
5V DC |
0,5 mA |
| 2 |
Cảm biến MAX30100 |
5V DC |
1,2 mA |
| 3 |
Màn hình OLED 1,3 inch |
5V DC |
8,0 mA |
| 4 |
Cảm biến MLX90614 |
5V DC |
22,5 mA |
| 5 |
Module Bluetooth HC-05 |
5V DC |
8,0 mA |
| 6 |
Đầu phát Laser định vị |
5V DC |
40,0 mA |
| 7 |
Đèn LED xanh lá chỉ báo |
5V DC |
20,0 mA |
| 8 |
Còi Buzzer cảnh báo |
5V DC |
25,0 mA |
Áp dụng công thức tính công suất điện:
$$P = U \times I$$
Tổng công suất tiêu thụ tính toán của toàn hệ thống là:
$$P_{\text{tiêu thụ}} = 5\text{V} \times (0,5 + 1,2 + 8,0 + 22,5 + 8,0 + 40,0 + 20,0 + 25,0)\text{mA} = 5\text{V} \times 125,2\text{mA} \approx 0,626\text{W}$$
(Trong văn bản tác giả tính toán tổng công suất tiêu thụ cực đại của toàn mạch là 2,63W khi tính đến tổn hao và chế độ tải đỉnh).
Công suất cấp danh định của bộ 2 cell pin 18650 mắc nối tiếp (7,4V - 4200 mAh):
$$P_{\text{pin}} = 7,4\text{V} \times 4,2\text{A} = 31,08\text{W}$$
Do $P_{\text{pin}} = 31,08\text{W} \gg P_{\text{tiêu thụ}}$, khối nguồn pin bảo đảm cung cấp năng lượng liên tục và ổn định cho thiết bị vận hành trong thời gian dài.
Tính toán điện trở hạn dòng cho LED trạng thái:
Để đèn LED xanh lá hoạt động bền vững với dòng điện định mức $I_{\text{LED}} = 20\text{mA}$ và sụt áp trên LED là $U_{\text{LED}} = 3,2\text{V}$ từ nguồn cấp $U_0 = 5\text{V}$:
$$R = \frac{U_0 - U_{\text{LED}}}{I_{\text{LED}}} = \frac{5\text{V} - 3,2\text{V}}{0,02\text{A}} = 90,\Omega$$
Giá trị điện trở thương mại chuẩn gần nhất là $100,\Omega$, được chọn làm điện trở phân áp hạn dòng.
Tính toán cầu phân áp cho chân RX của Bluetooth HC-05:
Chân RX của HC-05 chịu điện áp tối đa 3,6V. Thiết lập mạch cầu chia áp gồm điện trở $R_4 = 1,\text{k}\Omega$ nối tiếp với $R_3 = 2,\text{k}\Omega$ xuống GND từ chân TX của Arduino (5V):
$$U_{\text{RX}} = U_0 \times \frac{R_3}{R_4 + R_3} = 5\text{V} \times \frac{2,\text{k}\Omega}{1,\text{k}\Omega + 2,\text{k}\Omega} = 3,33\text{V}$$
Điện áp $3,33\text{V} < 3,6\text{V}$, thỏa mãn điều kiện phối hợp mức logic tín hiệu an toàn.
Quy trình chế tạo cơ khí và mạch in
- Gia công bo mạch PCB: Xuất file mạch in 1 lớp từ phần mềm Altium, in laser lên giấy bóng chịu nhiệt, thực hiện ủi nhiệt chuyển mực sang phôi đồng kích thước 10x12 cm. Ăn mòn hóa học bằng dung dịch muối sắt $\text{FeCl}_3$, làm sạch bằng dung môi, phủ nhựa thông bảo vệ bề mặt chống oxy hóa, khoan lỗ chân linh kiện bằng máy khoan tay và tiến hành hàn linh kiện.
- Thi công vỏ hộp và cơ cấu gá: Vỏ hộp chính được thiết kế trên máy tính và cắt định hình từ tấm mica dày 3 mm và 5 mm (kích thước phôi 20x40 cm), liên kết bằng 4 trụ đồng M3 và 14 ốc vít M3 dài 10 mm.
- In 3D đầu dò chuyên dụng: Tay cầm đo nhiệt độ và hộp kẹp ngón tay đo MAX30100 được dựng mô hình 3D trên phần mềm Solidworks và gia công bằng máy in 3D:
- Tay cầm đo nhiệt độ tích hợp cảm biến MLX90614, đầu laser định vị và công tắc gạt ON/OFF, nối với thân máy qua cáp bus dài 30 cm.
- Hộp đựng MAX30100 gồm khoang đáy chứa board mạch cảm biến và khe rãnh định vị ngón tay ở mặt trên nhằm chống rung lắc cơ học và ngăn ánh sáng tán xạ từ môi trường.
Lập trình điều khiển và ứng dụng di động
- Firmware Arduino (C/C++): Khởi tạo cổng truyền thông nối tiếp và các bus I2C. Chương trình liên tục quét trạng thái các nút nhấn chọn chế độ. Khi chọn đo nhịp tim/SpO2, vi điều khiển kích hoạt cảm biến MAX30100 lấy mẫu tín hiệu quang, áp dụng thuật toán tính toán đỉnh xung và tỉ lệ hấp thụ để xuất ra trị số nhịp tim (nhịp/phút - BPM) và SpO2 (%). Khi bật công tắc đo nhiệt độ, vi điều khiển kích hoạt laser định vị và đọc giá trị nhiệt độ từ thanh ghi của MLX90614. Các dữ liệu được đóng gói gửi định kỳ lên màn hình OLED và cổng nối tiếp Bluetooth. Nếu nhịp tim < 60 hoặc > 100 BPM, SpO2 < 95% hoặc nhiệt độ > 37,5°C, còi buzzer được kích hoạt.
- Ứng dụng di động (MIT App Inventor): Gồm 3 màn hình giao diện. Màn hình khởi động quản lý kết nối Bluetooth (Client-Server SPP); màn hình hiển thị kết quả đo nhiệt độ; màn hình hiển thị kết quả đo nhịp tim và SpO2. Ứng dụng tích hợp khối lệnh xử lý chuỗi ký tự nhận từ Bluetooth, hiển thị dữ liệu trực quan theo thời gian thực và ghi dữ liệu lịch sử kèm nhãn thời gian (timestamp) vào tập tin văn bản
.txt trên bộ nhớ trong của điện thoại Android.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc theo dõi ba thông số nhịp tim, SpO2 và thân nhiệt trong đời sống và y học thể thao. Tác giả khảo sát các công trình liên quan của Đỗ Văn Ngọc, Ashwini Kumar và Konstantin Dimitrov, từ đó xác định mục tiêu tích hợp thiết bị đo 3 trong 1. Chương này xác định rõ 7 nội dung nghiên cứu thực hiện, 3 giới hạn kỹ thuật của hệ thống và bố cục cấu trúc 6 chương của toàn bộ khóa luận.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 phân tích chuyên sâu về cơ sở lý thuyết y sinh và kỹ thuật điện tử:
- So sánh các phương pháp đo nhịp tim (thủ công, xâm lấn, quang học), phương pháp đo SpO2 bằng hấp thụ quang ở hai bước sóng 660 nm và 880 nm, phương pháp đo nhiệt độ (trực tiếp tiếp xúc và bức xạ hồng ngoại gián tiếp).
- Giới thiệu cấu tạo và thông số kỹ thuật chi tiết của các phần cứng: Cảm biến MAX30100 (điện áp 1,3V, ADC 16-bit, giao tiếp I2C), cảm biến MLX90614 (độ phân giải 0,02°C, I2C), board vi điều khiển Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560, 54 I/O, bộ nhớ Flash 256 KB), module Bluetooth HC-05 (băng tần 2,4 GHz, chuẩn SPP) và màn hình hiển thị OLED 1,3 inch.
- Tổng quan môi trường phát triển phần mềm: Nền tảng lập trình khối lệnh MIT App Inventor trên hệ điều hành Android và môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 3 thiết lập sơ đồ khối chức năng và tính toán chi tiết từng khối mạch:
- Xác định chức năng của 7 khối: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối chọn chế độ và thông báo, khối hiển thị OLED, khối hiển thị di động và khối cảnh báo.
- Thiết kế khối nguồn sử dụng 2 pin Cell 18650 3,7V 4200 mAh mắc nối tiếp cho điện áp 7,4V; tính toán cân bằng công suất giữa nguồn cung cấp (31,08W) và phụ tải tiêu thụ (2,63W).
- Tính toán giá trị điện trở hạn dòng cho LED trạng thái ($R = 100,\Omega$) và tính toán mạch cầu chia áp cho chân tín hiệu RX của module Bluetooth HC-05 ($R_3 = 2,\text{k}\Omega, R_4 = 1,\text{k}\Omega$) để hạ áp logic từ 5V xuống 3,33V.
- Xuất bản vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch kết nối đồng bộ các bus truyền thông I2C và UART.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa thiết bị từ bản vẽ thiết kế:
- Lập danh mục dụng cụ thi công (board đồng 10x12 cm, bàn ủi, muối ăn mòn $\text{FeCl}_3$, máy khoan tay, que hàn, bùi nhùi thép) và bảng thống kê 16 loại linh kiện điện tử.
- Trình bày quy trình 6 bước gia công mạch in PCB 1 lớp, hàn linh kiện và nạp code kiểm tra mạch.
- Quy trình gia công vỏ hộp mica cắt laser, bắt vít cố định trụ đồng M3, thi công tay cầm đo nhiệt độ in 3D tích hợp laser và công tắc gạt, thi công hộp kẹp ngón tay in 3D bảo vệ cảm biến MAX30100.
- Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình firmware chính, lưu đồ đo nhịp tim/SpO2, lưu đồ đo nhiệt độ và lưu đồ thuật toán nhận/lưu dữ liệu trên ứng dụng MIT App Inventor.
- Xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành và quy trình 3 bước thao tác đo cho người dùng cuối.
Chương 5: Kiểm tra đánh giá kết quả đo được
Chương 5 công bố kết quả chạy thực nghiệm và đo kiểm đối chứng:
- Đánh giá khả năng hoạt động đồng bộ của phần cứng, mô hình đóng gói hoàn thiện và giao diện hiển thị trên ứng dụng Android.
- Bố trí các bảng thực nghiệm đối chứng:
- So sánh giá trị nhiệt độ đo bằng thiết bị với nhiệt kế hồng ngoại y tế thương mại.
- So sánh giá trị nhịp tim và SpO2 đo bằng thiết bị với máy theo dõi bệnh nhân chuyên dụng Monitor Comen trên người ở trạng thái nghỉ ngơi bình thường.
- So sánh giá trị nhịp tim và SpO2 trên máy Monitor Comen và thiết bị trên người ngay sau khi tập thể dục.
- Đưa ra các nhận xét định lượng về độ ổn định, sai số đo và tốc độ phản hồi của hệ thống.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, nêu rõ các hạn chế tồn tại về mặt cơ khí và truyền thông của mô hình thử nghiệm, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cấp thiết bị trong giai đoạn tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Về phần cứng và cơ khí:
- Chế tạo thành công thiết bị đo cầm tay tích hợp hoàn chỉnh trong vỏ hộp mica kích thước nhỏ gọn, bố trí ngăn chứa pin, board điều khiển và các nút thao tác hợp lý.
- Chế tạo thành công tay cầm đo nhiệt độ in 3D kết nối qua dây cáp bus 30 cm, tích hợp cảm biến MLX90614, công tắc bật đo và tia laser định vị vùng trán.
- Thiết kế khoang đo nhịp tim và SpO2 in 3D vừa vặn ngón tay, giảm rung lắc và triệt tiêu ánh sáng tán xạ từ môi trường ngoài vào mắt đo quang học.
- Về phần mềm và truyền thông:
- Firmware trên vi điều khiển ATmega2560 vận hành ổn định, đọc và xử lý tín hiệu từ 2 cảm biến qua chuẩn I2C, hiển thị rõ nét trên màn hình OLED 1,3 inch.
- Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng di động trên nền tảng Android bằng MIT App Inventor, kết nối Bluetooth ổn định trong bán kính 10 mét, hiển thị giao diện tách biệt cho từng chế độ đo và tự động lưu trữ kết quả đo vào tệp văn bản (
.txt) kèm thời gian thực.
- Hệ thống cảnh báo bằng âm thanh qua còi buzzer kích hoạt chính xác khi các thông số sinh lý vượt ngưỡng quy định.
- Kết quả đo đạc thực nghiệm đối chứng:
- Thiết bị được thử nghiệm lâm sàng đối chứng trực tiếp với hai thiết bị y tế chuẩn: Nhiệt kế hồng ngoại thương mại và máy theo dõi Monitor Comen.
- Dữ liệu ghi nhận ở cả hai trạng thái sinh lý (nghỉ ngơi tĩnh và sau vận động thể lực) cho thấy kết quả đo nhiệt độ, nhịp tim và SpO2 của thiết bị bám sát chỉ số của thiết bị y tế chuẩn, sai số nằm trong giới hạn cho phép của phương pháp đo quang học và bức xạ hồng ngoại.
Đóng góp của đề tài
So với các công trình nghiên cứu trước đó được nhóm khảo sát:
- Tích hợp thành công 3 thông số sinh hiệu quan trọng (nhịp tim, SpO2, thân nhiệt) trên cùng một khối thiết bị duy nhất thay vì chỉ đo 1 hoặc 2 thông số rời rạc như công trình của Đỗ Văn Ngọc, Ashwini Kumar hay Konstantin Dimitrov.
- Đưa ra giải pháp thiết kế cơ khí chuyên biệt (tay cầm tích hợp laser định vị khoảng cách đo nhiệt độ và hộp gá ngón tay chống rung cho cảm biến MAX30100) giúp cải thiện độ ổn định tín hiệu quang học so với các mô hình thử nghiệm dạng module rời.
- Xây dựng hệ thống hiển thị và cảnh báo kép (vừa hiển thị tại chỗ qua màn hình OLED kèm còi buzzer, vừa truyền không dây lưu trữ dữ liệu trên smartphone), tạo sự thuận tiện cho việc theo dõi sức khỏe tại chỗ hoặc gửi báo cáo cho nhân viên y tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
Theo công bố của tác giả trong phần giới hạn và kết luận của khóa luận:
- Thiết bị chưa có khả năng chống thấm nước, chỉ hoạt động an toàn trong môi trường khô ráo.
- Hệ thống chưa có thuật toán phân tích chuyên sâu các dữ liệu thu thập được để đưa ra các chẩn đoán hoặc dự báo bệnh lý tự động cho người dùng.
- Chuẩn giao tiếp Bluetooth HC-05 giới hạn khoảng cách truyền nhận dữ liệu trong phạm vi bán kính 10 mét và tín hiệu có thể suy giảm khi gặp vật cản.
- Do bản chất của phương pháp đo quang học, nếu người đo cử động ngón tay mạnh trong quá trình đo, tín hiệu thu nhận từ cảm biến MAX30100 có thể bị nhiễu.
Hướng phát triển
Nhóm tác giả đề xuất các giải pháp nâng cấp trong giai đoạn tiếp theo:
- Tích hợp thêm các cảm biến sinh y khác như cảm biến đo huyết áp, cảm biến đo điện tâm đồ (ECG) để hoàn thiện bộ chỉ số theo dõi sức khỏe toàn diện.
- Nâng cấp module truyền thông không dây sang chuẩn Wi-Fi hoặc mạng di động (GSM/4G) kết hợp giao thức IoT (như MQTT/HTTP) nhằm đồng bộ dữ liệu trực tiếp lên máy chủ đám mây (Cloud Server) hoặc nền tảng y tế số.
- Thu nhỏ kích thước thiết bị bằng cách thiết kế lại mạch in PCB hai lớp hoặc đa lớp sử dụng linh kiện dán (SMD), tích hợp mạch sạc pin Lithium trực tiếp qua cổng USB.
- Bổ sung thuật toán lọc nhiễu thích nghi (adaptive filtering) để khử nhiễu chuyển động cơ học cho cảm biến MAX30100 và phát triển ứng dụng di động chuyên nghiệp hơn trên các nền tảng đa hệ điều hành (Flutter/React Native).
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện – Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Máy tính: Là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình hoàn thiện một sản phẩm thiết bị y tế cầm tay từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng, gia công mạch in PCB, thiết kế in 3D cơ khí cho đến lập trình hệ thống nhúng và ứng dụng di động.
- Người nghiên cứu các hệ thống giám sát sức khỏe cá nhân (Personal Healthcare Devices): Cung cấp phương pháp thực tế để xử lý tín hiệu từ hai cảm biến sinh y phổ biến là MAX30100 và MLX90614, giải quyết vấn đề chia sẻ bus I2C giữa nhiều module ngoại vi.
- Tham khảo thiết kế kỹ thuật chuyên biệt: Phần tính toán cân bằng công suất nguồn pin, mạch cầu phân áp phối hợp mức logic giữa vi điều khiển 5V và module truyền thông 3,3V (HC-05), cũng như lưu đồ giải thuật phân luồng chương trình đo là các giải pháp mẫu có thể ứng dụng trực tiếp cho các dự án phần cứng tương tự.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao chân RX của module Bluetooth HC-05 phải mắc qua mạch cầu phân áp điện trở 1 kΩ và 2 kΩ?
Chân tín hiệu RX của module Bluetooth HC-05 chỉ chịu được mức điện áp logic tối đa là 3,6V, trong khi chân TX của vi điều khiển Arduino Mega 2560 xuất ra mức logic cao 5V. Để bảo vệ module Bluetooth không bị quá áp làm hỏng cổng truyền thông, tác giả sử dụng mạch cầu chia áp gồm điện trở $R_4 = 1,\text{k}\Omega$ và $R_3 = 2,\text{k}\Omega$. Điện áp sau khi phân áp đưa vào chân RX được tính toán chính xác là:
$$U_{\text{RX}} = 5\text{V} \times \frac{2,\text{k}\Omega}{1,\text{k}\Omega + 2,\text{k}\Omega} = 3,33\text{V}$$
Mức điện áp 3,33V hoàn toàn nằm trong ngưỡng cho phép ($< 3,6\text{V}$) của module.
2. Cảm biến MAX30100 sử dụng các bước sóng ánh sáng nào và hoạt động theo nguyên lý gì để đo SpO2?
Cảm biến MAX30100 phát xạ đồng thời hai chùm sáng với bước sóng xác định: ánh sáng đỏ ở bước sóng 660 nm và ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng 880 nm. Cảm biến hoạt động dựa trên cơ sở độ hấp thụ ánh sáng khác nhau của Hemoglobin không gắn oxy (Hb) và Oxyhemoglobin có gắn oxy ($\text{HbO}_2$). Khi ánh sáng truyền xuyên qua mao mạch ở đầu ngón tay, bộ cảm biến quang (photodetector) thu nhận cường độ ánh sáng còn lại, tách thành phần xoay chiều (AC) và một chiều (DC) để tính toán tỉ số hấp thụ $R/\text{IR}$, từ đó tra bảng chuẩn để xuất ra giá trị phần trăm SpO2 và tần số mạch đập (nhịp tim).
3. Khối nguồn của thiết bị được tính toán và lựa chọn như thế nào?
Khối nguồn sử dụng 2 cell pin Lithium-ion 18650 mắc nối tiếp, mỗi cell có thông số 3,7V - 4200 mAh, cung cấp điện áp tổng 7,4V cho Arduino Mega 2560 qua cổng jack DC. Tổng công suất tiêu thụ tính toán của toàn bộ phụ tải điện trong mạch (bao gồm vi điều khiển, màn hình OLED, cảm biến MLX90614, cảm biến MAX30100, module Bluetooth, đèn LED, còi buzzer và diode laser) ở mức cực đại là 2,63W. Trong khi đó, bộ pin cung cấp công suất tối đa lên tới 31,08W ($7,4\text{V} \times 4,2\text{A}$), bảo đảm cung cấp năng lượng ổn định, liên tục và đáp ứng yêu cầu di động của thiết bị cầm tay.
4. Thiết kế cơ khí của tay cầm đo nhiệt độ có những đặc điểm kỹ thuật gì?
Tay cầm đo nhiệt độ được dựng hình 3D trên phần mềm Solidworks và gia công bằng công nghệ in 3D. Bộ phận này được nối với thân máy chính bằng dây bus dài 30 cm nhằm tạo sự linh hoạt khi thao tác trên trán đối tượng đo. Trên thân tay cầm được thiết kế sẵn 2 lỗ tròn đồng trục để gá đặt cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614 và đầu phát tia laser 5V (dùng để định vị chính xác vị trí đo từ xa), đồng thời tích hợp trực tiếp 1 công tắc gạt ON/OFF cho phép kích hoạt chế độ đo nhiệt độ tức thời.
5. Thiết bị được đối chứng thực nghiệm với những thiết bị y tế tiêu chuẩn nào?
Để đánh giá độ chính xác và tin cậy, hệ thống được thử nghiệm đối chứng trực tiếp trên người với hai thiết bị y tế tiêu chuẩn: máy theo dõi bệnh nhân đa thông số chuyên dụng Monitor Comen (dùng để đối chứng giá trị nhịp tim và SpO2 ở hai trạng thái: trạng thái nghỉ ngơi bình thường và ngay sau khi vận động thể thao) và nhiệt kế hồng ngoại y tế thương mại (dùng để đối chứng chỉ số thân nhiệt).
Kết luận
Đồ án "Thiết kế và thi công thiết bị đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu và nhiệt độ" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đề ra, chế tạo thành công một thiết bị y tế cá nhân cầm tay tích hợp 3 trong 1 hoạt động ổn định trên nền tảng vi điều khiển ATmega2560. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí in 3D chuyên dụng, mạch in điện tử tối ưu công suất và phần mềm ứng dụng di động hiển thị, lưu trữ dữ liệu qua kết nối Bluetooth. Các kết quả thử nghiệm thực tế đối chứng với máy Monitor Comen và nhiệt kế chuẩn khẳng định tính khả thi, độ tin cậy và tiềm năng ứng dụng thực tế của mô hình trong công tác theo dõi sức khỏe ban đầu.
