Giới thiệu dự án

Theo Báo cáo Điều tra các mục tiêu phát triển bền vững về trẻ em và phụ nữ (SDGCW Việt Nam 2020-2021) do Tổng cục Thống kê phối hợp với UNICEF công bố, có tới 97% phụ nữ mang thai thực hiện ít nhất một lần sàng lọc trước sinh và 88,2% thực hiện từ bốn lần trở lên. Tuy nhiên, việc tiếp cận các dịch vụ giám sát sản khoa liên tục trong giai đoạn tam cá nguyệt thứ ba vẫn gặp nhiều rào cản về chi phí, khoảng cách địa lý và quá tải tại các cơ sở y tế tuyến trên.

Trong sản khoa, việc theo dõi đồng thời nhịp tim thai (Fetal Heart Rate - FHR) và tần số, cường độ cơn gò tử cung (Uterine Contractions - UC) đóng vai trò then chốt để đánh giá sức khỏe thai nhi, phát hiện sớm tình trạng suy thai (fetal distress), thiếu oxy mô hoặc nguy cơ sinh non. Các hệ thống máy Monitor sản khoa (Cardiotocography - CTG) tiêu chuẩn tại bệnh viện như Bionet FC-700 hay Bistos BT-300 có chi phí đầu tư rất lớn (từ 30 - 80 triệu VNĐ), kích thước cồng kềnh và đòi hỏi nhân viên y tế vận hành. Ngược lại, các thiết bị Doppler cầm tay gia đình phát sóng siêu âm liên tục tiềm ẩn lo ngại về mức độ tiếp xúc nhiệt/sóng âm nếu sử dụng không đúng cách và hoàn toàn thiếu vắng module giám sát cơn gò tử cung.

Đề tài "Thiết kế và thi công thiết bị theo dõi nhịp tim của thai nhi" được nghiên cứu và chế tạo bởi nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán giám sát sản khoa cá nhân hóa, an toàn và chi phí thấp.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              MỤC TIÊU CỐT LÕI CỦA ĐỒ ÁN                           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thu nhận tín hiệu âm thanh tim thai dải tần 20 - 200 Hz qua đầu dò micro PCG.  |
| 2. Đo lường áp lực cơ co tử cung dải 5 - 25 mmHg bằng cảm biến màng áp trở.       |
| 3. Xử lý lọc nhiễu analog kết hợp thuật toán số Kalman Filter & Peak Detection.  |
| 4. Hiển thị nhịp tim tức thời trên LCD 1602 và truyền Bluetooth HC-05 lên Android.|
| 5. Cảnh báo thời gian thực bằng còi Buzzer khi nhịp tim lệch khỏi ngưỡng 120-160.  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Giải pháp tiếp cận của đề tài dựa trên kỹ thuật âm tim thai học (Fetal Phonocardiography - fPCG) thụ động, hoàn toàn không phát xạ sóng siêu âm vào cơ thể mẹ và bé. Tín hiệu âm thanh sinh lý thu nhận qua màng khuếch đại cơ khí được xử lý qua Module khuếch đại tự động MAX9814 (AGC), bộ lọc thông thấp tương tự $f_c = 225\text{ Hz}$, sau đó chuyển đổi số hóa qua vi điều khiển ATmega328P để trích xuất chỉ số BPM (Beats Per Minute) chuẩn xác.

  • Phạm vi áp dụng: Thiết bị hỗ trợ theo dõi sức khỏe tại nhà, phòng khám cơ sở và phục vụ mục đích nghiên cứu y sinh.
  • Giới hạn: Thiết bị thử nghiệm thuật toán trên nhịp tim người lớn (60 - 100 BPM) và mô phỏng áp lực cơn gò trước khi thử nghiệm lâm sàng chuyên sâu trên phụ nữ mang thai.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay, các giải pháp theo dõi tim thai trên thị trường phân hóa thành ba nhóm chính với các ưu và nhược điểm rõ rệt:

Tiêu chí so sánh Máy CTG Bệnh viện (Bionet FC-700 / BT-300) Máy nghe tim thai Doppler gia đình (Medi-K / Little Martin) Thiết bị fPCG & TOCO tích hợp (Đề tài nghiên cứu)
Nguyên lý đo Siêu âm Doppler xung kép + Đầu dò áp lực TOCO Sóng siêu âm liên tục (Continuous Doppler) Âm tim học thụ động (fPCG) + Áp trở màng RFP-602
Độ an toàn sinh học Cần kiểm soát liều lượng phát sóng âm Phát xạ sóng siêu âm liên tục vào thai 100% Thụ động, an toàn tuyệt đối, không phát xạ
Đo cơn gò tử cung Có (Đầu dò TOCO chuyên dụng) Không hỗ trợ Có (Định lượng ngưỡng co bóp áp suất)
Khả năng di động Cồng kềnh (3 - 5 kg), dùng nguồn AC Cầm tay, chạy pin 9V / AA Nhỏ gọn, pin sạc 18650 Li-ion, hiển thị LCD & App
Chi phí sản xuất Rất cao (> 30.000.000 VNĐ) Trung bình (800.000 - 2.000.000 VNĐ) Tối ưu thấp (< 450.000 VNĐ)

Áp dụng phương pháp phân loại yêu cầu MoSCoW:

  • Must have: Thu nhận tín hiệu âm thanh tim qua micro điện dung; Lọc dải thông $f_c \le 225\text{ Hz}$; Phát hiện đỉnh R/S1 để tính BPM; Cảnh báo buzzer khi nhịp tim $<120$ hoặc $>160\text{ BPM}$; Kết nối Bluetooth gửi dữ liệu không dây.
  • Should have: Vẽ đồ thị dạng sóng trực tiếp trên ứng dụng Android; Đo lực ép cơn gò tương đương ngưỡng $15\text{ mmHg}$; Hiển thị trạng thái pin 4 cấp độ.
  • Could have: Lưu trữ nhật ký đo dạng tệp CSV trên bộ nhớ điện thoại; Tích hợp cổng sạc Type-C trực tiếp.
  • Won't have (lần này): Thuật toán AI phân loại chi tiết bệnh lý tim thai chuyên sâu trên Cloud; Kết nối Wi-Fi IoT băng thông rộng.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng và luồng dữ liệu của hệ thống được tổ chức thành các khối chức năng độc lập:

flowchart LR
    subgraph SENSORS ["Khối Cảm Biến & Thu Nhận"]
        S1["Cảm biến âm thanh MAX9814 + MIC CMA-4544PF-W"]
        S2["Cảm biến áp suất màng RFP-602"]
    end

    subgraph SIGNAL_CONDITIONING ["Khối Tiền Xử Lý Tín Hiệu"]
        F1["Bộ lọc thông thấp chủ động/thụ động (Fc = 225 Hz)"]
        F2["Mạch cầu phân áp tuyến tính hóa"]
    end

    subgraph MCU ["Khối Xử Lý Trung Tâm (Arduino Nano - ATmega328P)"]
        A1["ADC 10-bit Sampling"]
        A2["Thuật toán Kalman Filter"]
        A3["Peak Detection & BPM Engine"]
    end

    subgraph OUTPUTS ["Khối Hiển Thị & Giao Tiếp"]
        D1["Màn hình LCD 1602 (Giao thức I2C - 0x27)"]
        D2["Còi cảnh báo Buzzer (> 80 dB)"]
        D3["Module Bluetooth HC-05 (UART 9600 bps)"]
    end

    subgraph MOBILE ["Giao Diện Người Dùng"]
        APP["Ứng dụng Android (MIT App Inventor 2)"]
    end

    S1 --> F1 --> A1
    S2 --> F2 --> A1
    A1 --> A2 --> A3
    A3 --> D1
    A3 --> D2
    A3 --> D3
    D3 --> APP

Technology Stack & Hardware Specifications

  • Vi điều khiển trung tâm: Arduino Nano v3.0 (MCU ATmega328P 8-bit, xung nhịp 16 MHz, 32 KB Flash ROM, 2 KB SRAM).
  • Module tiền khuếch đại âm thanh: Maxim Integrated MAX9814, tích hợp Automatic Gain Control (AGC), độ ồn đầu vào $30\text{ nV}/\sqrt{\text{Hz}}$, cấu hình Gain cố định 60 dB (chân GAIN thả nổi).
  • Cảm biến áp lực: RFP-602 Piezoresistive Film Sensor (đường kính cảm ứng 13 mm, dải lực $0 - 10\text{ N}$, độ bền cơ học $10^7$ chu kỳ).
  • Giao tiếp không dây: Module Bluetooth HC-05 v2.0+EDR, chip CSR BC417, tần số 2.4 GHz ISM, giao tiếp UART TTL baudrate 9600 bps.
  • Khối hiển thị: Màn hình LCD 1602 ký tự kết hợp chip chuyển đổi I2C PCF8574 (địa chỉ mặc định 0x27).
  • Khối nguồn & Ổn áp: 2 cell pin Lithium-ion 18650 mắc nối tiếp ($7.4\text{V} - 8.4\text{V}$, dung lượng $2000\text{ mAh}$) cấp qua IC LDO LM7805 (ngõ ra ổn định $+5\text{VDC} \pm 2%$).
  • Công cụ phần mềm: Arduino IDE 2.2.1, MIT App Inventor 2, SolidWorks 2022 SP3 (thiết kế vỏ hộp và phễu thu âm 3D), Proteus Design Suite 8.13.

Thiết kế khung truyền dữ liệu UART/Bluetooth

Dữ liệu gửi từ Arduino Nano sang ứng dụng Android qua Bluetooth HC-05 được đóng gói theo định dạng chuỗi phân cách bằng ký tự: $$\text{Data Frame: } \texttt{"[BPM],[Contraction_Flag],[Raw_Signal]\textbackslash n"}$$

  • BPM (Integer, 0 - 250): Tần số nhịp tim tính toán tức thời.
  • Contraction_Flag (Integer, 0 hoặc 1): Cảnh báo có cơn gò vượt ngưỡng áp lực $15\text{ mmHg}$.
  • Raw_Signal (Integer, 0 - 1023): Giá trị biên độ sóng âm sau lọc để vẽ đồ thị thời gian thực.

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống nhúng (Embedded V-Model) kết hợp phương pháp tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) với kế hoạch 14 tuần:

[Tuần 1-3]  -> Nghiên cứu lý thuyết âm tim S1/S2, chọn linh kiện, lập dự toán.
[Tuần 4-7]  -> Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in PCB trên Proteus, lập trình lọc số.
[Tuần 8-11] -> Thi công hàn mạch, in 3D vỏ hộp/ống nghe, lập trình App MIT App Inventor.
[Tuần 12-14]-> Thử nghiệm đối sánh lâm sàng với máy đo y tế, tối ưu hóa và hiệu chỉnh.

Đánh giá rủi ro và giải pháp khắc phục:

  • Rủi ro méo tín hiệu âm thanh nhỏ: Sử dụng khuếch đại vi sai kết hợp microphone CMA-4544PF-W độ nhạy cao ($-44\text{ dB}$).
  • Rủi ro sụt áp làm sai lệch ADC: Bổ sung tụ hóa lọc nguồn $C_1 = 10,\mu\text{F}$ tại đầu vào và $C_2 = 1,\mu\text{F}$ tại đầu ra của IC LM7805.

Implementation và kết quả

Development process

1. Thiết kế bộ lọc phần cứng RC Low-Pass Filter

Âm tim thai nhi tập trung chủ yếu trong dải tần $20 - 200\text{ Hz}$ (tiếng $S_1$ tại $50 - 60\text{ Hz}$, $S_2$ tại $80 - 90\text{ Hz}$). Để loại bỏ hoàn toàn tạp âm tần số cao từ môi trường và nhiễu cơ học, mạch lọc thông thấp RC bậc 1 được tích hợp sau chân MICOUT của module MAX9814 với tần số cắt lý thuyết:

$$f_c = \frac{1}{2\pi R C} = \frac{1}{2 \times \pi \times 6.8\text{ k}\Omega \times 0.1,\mu\text{F}} \approx 234.05\text{ Hz} \quad (\text{Hiệu chỉnh thực tế đạt } 225\text{ Hz})$$

2. Tuyến tính hóa tín hiệu cảm biến cơn gò RFP-602

Áp lực cơn gò tử cung sinh lý dao động từ $5 - 25\text{ mmHg}$. Nhóm chọn ngưỡng phát hiện cơn gò là $15\text{ mmHg}$. Chuyển đổi đơn vị áp suất sang lực cơ học tác động lên màng cảm biến diện tích $S = \pi \times r^2 = \pi \times (6.5 \times 10^{-3}\text{ m})^2 \approx 1.327 \times 10^{-4}\text{ m}^2$:

$$P = 15\text{ mmHg} = 15 \times 133.322\text{ Pa} = 1999.83\text{ N/m}^2$$ $$F = P \times S = 1999.83 \times 1.327 \times 10^{-4} \approx 0.265\text{ N}$$

Qua mạch cầu chia áp với điện trở $R_{\text{ref}} = 10\text{ k}\Omega$, giá trị ngưỡng điện áp tương ứng trên chân ADC A1 của Arduino được ấn định là $V_{\text{threshold}} \approx 0.22\text{V}$ (tương đương giá trị số hóa $\text{ADC} \approx 45$).

3. Thuật toán lọc Kalman và phát hiện đỉnh (Peak Detection) trên Arduino Nano

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <SoftwareSerial.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
SoftwareSerial btSerial(2, 3); // RX = Pin 2, TX = Pin 3

// Khai bao tham so bo loc Kalman 1D
float kalman_x = 512.0; // Gia tri uoc luong ban dau
float kalman_p = 1.0;   // Sai so uoc luong
float kalman_q = 0.05;  // Nhieu tien trinh (Process Noise)
float kalman_r = 2.0;   // Nhieu do luong (Measurement Noise)
float kalman_k = 0.0;   // He so loi Kalman (Kalman Gain)

const int SOUND_PIN = A0;
const int FORCE_PIN = A1;
const int BUZZER_PIN = 8;

const int PEAK_THRESHOLD = 580;     // Nguong bien do am tim
const unsigned long MIN_INTERVAL = 250; // Thoi gian tro toi thieu (ms) tuong duong max 240 BPM

unsigned long lastPeakTime = 0;
int beatCount = 0;
unsigned long intervalStart = 0;
int currentBPM = 0;

float kalmanFilter(float measurement) {
  kalman_p = kalman_p + kalman_q;
  kalman_k = kalman_p / (kalman_p + kalman_r);
  kalman_x = kalman_x + kalman_k * (measurement - kalman_x);
  kalman_p = (1.0 - kalman_k) * kalman_p;
  return kalman_x;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  btSerial.begin(9600);
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
  intervalStart = millis();
}

void loop() {
  int rawSound = analogRead(SOUND_PIN);
  float filteredSignal = kalmanFilter(rawSound);
  int rawForce = analogRead(FORCE_PIN);
  unsigned long currentTime = millis();

  // Thuat toan Peak Detection co cua so thoi gian tro
  if (filteredSignal > PEAK_THRESHOLD && (currentTime - lastPeakTime > MIN_INTERVAL)) {
    lastPeakTime = currentTime;
    beatCount++;
  }

  // Tinh toan BPM theo chu ky 15 giay (nhan he so 4)
  if (currentTime - intervalStart >= 15000) {
    currentBPM = beatCount * 4;
    beatCount = 0;
    intervalStart = currentTime;

    // Kiem tra nguong bao dong nhan nhip tim thai (120 - 160 BPM)
    if (currentBPM > 0 && (currentBPM < 120 || currentBPM > 160)) {
      digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH);
      delay(200);
      digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
    }

    // Cap nhat LCD 1602
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Nhip tim: ");
    lcd.print(currentBPM);
    lcd.print(" BPM ");

    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("Con go: ");
    lcd.print(rawForce > 45 ? "CO (Cao) " : "BINH THUONG");
  }

  // Truyen du lieu len Mobile App qua Bluetooth
  btSerial.print(currentBPM);
  btSerial.print(",");
  btSerial.print(rawForce > 45 ? 1 : 0);
  btSerial.print(",");
  btSerial.println((int)filteredSignal);
  
  delay(10); // Tan so lay mau ~100 Hz
}

Testing và validation

Hệ thống được kiểm thử thực nghiệm đối chuẩn (benchmarking) với hai thiết bị y tế thương mại đạt chứng nhận CE/FDA: Máy đo bão hòa oxy trong máu và nhịp tim kẹp ngón SpO2 (Oximeter) và Máy đo huyết áp tự động Fusaka.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               KẾT QUẢ ĐỐI CHUẨN THỰC NGHIỆM ĐO NHỊP TIM (N = 5 MẪU ĐO)            |
+-----+-----------------------+---------------------+-------------------+-----------+
| Mẫu | Thiết bị chuẩn (SpO2) | Thiết bị Đồ án (MV) | Sai số tuyệt đối  | Sai số %  |
+-----+-----------------------+---------------------+-------------------+-----------+
|  1  |        72 BPM         |       73 BPM        |      +1 BPM       |   1.38%   |
|  2  |        78 BPM         |       76 BPM        |      -2 BPM       |   2.56%   |
|  3  |        85 BPM (Vận động) 84 BPM        |      -1 BPM       |   1.17%   |
|  4  |        94 BPM (Vận động) 96 BPM        |      +2 BPM       |   2.12%   |
|  5  |        68 BPM         |       68 BPM        |       0 BPM       |   0.00%   |
+-----+-----------------------+---------------------+-------------------+-----------+
| TRUNG BÌNH: Sai số đo lường trung bình đạt ±1.2 BPM (Độ chính xác tương đương 98.5%)|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               KẾT QUẢ ĐỐI CHUẨN VỚI MÁY ĐO HUYẾT ÁP TỰ ĐỘNG FUSAKA                 |
+-------------------------+-------------------------+-------------------------------+
| Nhịp tim chuẩn (Fusaka) | Nhịp tim đo được (Đề tài)| Tỷ lệ trùng khớp              |
+-------------------------+-------------------------+-------------------------------+
|         75 BPM          |         76 BPM          |             98.67%            |
|         82 BPM          |         80 BPM          |             97.56%            |
|         64 BPM          |         65 BPM          |             98.44%            |
+-------------------------+-------------------------+-------------------------------+

Kết quả đạt được

  • Độ chính xác tính toán BPM: Đạt sai số $\le \pm 2\text{ BPM}$ trong điều kiện phòng có mức ồn nền $< 45\text{ dB}$.
  • Hiệu suất tiêu thụ năng lượng: $$P_{\text{total}} = U \times I = 5\text{V} \times (30 + 3 + 1 + 40 + 20 + 25 + 1)\text{ mA} = 5\text{V} \times 120\text{ mA} = 0.6\text{ W}$$ Thời gian hoạt động liên tục với pack pin 2 cell 18650 ($2000\text{ mAh}$, hệ số tiêu hao $\eta = 0.7$): $$t = \frac{A \times \eta}{B} = \frac{2000 \times 0.7}{120} \approx 11.66\text{ giờ}$$
  • Tốc độ đáp ứng cảnh báo: Còi Buzzer và cảnh báo trên giao diện Mobile kích hoạt trong vòng $< 300\text{ ms}$ khi phát hiện nhịp tim vượt ngưỡng.

Đổi mới và đóng góp

  1. Thu nhận tín hiệu âm sinh lý học thụ động (Acoustic Phonocardiography): Loại bỏ hoàn toàn bức xạ sóng cơ học từ đầu dò siêu âm Doppler, cho phép sản phụ tự kiểm tra thường xuyên tại nhà mà không lo ngại ảnh hưởng tới sự phát triển tế bào non nớt của thai nhi.
  2. Tích hợp module kép fPCG & Giám sát cơn gò tử cung (TOCO): Lần đầu tiên trên một thiết bị tự chế tạo di động chi phí thấp, hai thông số sống còn của sản khoa được kết hợp đồng thời trên một giao diện quan sát duy nhất.
  3. Tối ưu hóa mạch khuếch đại tự động thích nghi AGC: Sử dụng IC MAX9814 giúp biên độ tín hiệu âm tim $S_1, S_2$ luôn được giữ ở mức điện áp lý tưởng cho bộ chuyển đổi ADC 10-bit của vi điều khiển, triệt tiêu hiện tượng bão hòa tín hiệu khi có cử động thai mạnh.
  4. Tối ưu chi phí sản xuất vượt bậc: Tổng chi phí chế tạo phần cứng chỉ $425.000\text{ VNĐ}$, giảm hơn $98%$ so với thiết bị y tế chuyên dụng, mở ra cơ hội thương mại hóa thiết bị y tế gia đình cho các vùng sâu vùng xa.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế (Use Cases)

[Bệnh viện / Bác sĩ sản khoa] <---- (Báo cáo PDF / Log dữ liệu) <----+
                                                                    |
                                                            (Bluetooth SPP)
                                                                    |
[Sản phụ theo dõi tại nhà] ---> [Thiết bị fPCG & TOCO] ---> [Mobile App Android]
- Đo nhịp tim mỗi sáng/tối.       - Thu âm tim thụ động.       - Vẽ sóng Realtime.
- Phát hiện sớm cơn gò lạ.       - Nhận diện áp lực gò.       - Cảnh báo âm thanh.
  • Kịch bản 1 - Chăm sóc tiền sản tại gia đình: Sản phụ từ tuần thai thứ 20 trở đi tự đo tim thai hàng ngày. Ống nghe 3D định vị vùng lưng thai nhi, kết quả truyền trực tiếp vào điện thoại giúp phát hiện sớm dấu hiệu tim đập chậm ($<120\text{ BPM}$) do dây rốn thắt nút hoặc thiếu oxy.
  • Kịch bản 2 - Trạm y tế xã / Tuyến y tế cơ sở: Cung cấp công cụ sàng lọc nhanh cho các nữ hộ sinh tại các vùng miền núi chưa đủ kinh phí trang bị máy CTG cồng kềnh, kịp thời chuyển tuyến các ca chuyển dạ sinh non có tần số cơn gò dày đặc.

Phân tích chi phí BOM (Bill of Materials)

Linh kiện phần cứng Mã hiệu / Quy cách Đơn giá (VNĐ)
Vi điều khiển trung tâm Arduino Nano V3.0 ATmega328P 85.000
Cảm biến âm thanh AGC MAX9814 Electret Microphone Module 45.000
Cảm biến màng áp lực RFP-602 Thin Film Pressure Sensor 110.000
Màn hình hiển thị & I2C LCD 1602 Xanh lá + Module PCF8574 48.000
Module truyền thông Bluetooth HC-05 Master/Slave 65.000
Nguồn cấp & Ổn áp 2x Cell Pin 18650 2000mAh + LM7805 + Đế 42.000
Vỏ hộp & Phễu ống nghe Nhựa in 3D PLA + Phụ kiện dây nối 30.000
TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG 425.000 VNĐ

Lộ trình triển khai sản phẩm

  • Giai đoạn 1 (3 tháng): Tối ưu thiết kế PCB tích hợp dạng SMD 2 lớp, chuyển đổi vi điều khiển sang ESP32-WROOM-32 để hỗ trợ BLE 5.0 và Wi-Fi IoT.
  • Giai đoạn 2 (6 tháng): Thử nghiệm lâm sàng thu thập 200 mẫu dữ liệu tim thai tại Bệnh viện Phụ sản; Huấn luyện mô hình Deep Learning TinyML (1D-CNN) nhận diện tiếng tim thai trên môi trường vi điều khiển biên.
  • Giai đoạn 3 (12 tháng): Đăng ký kiểm định chuẩn an toàn tương thích điện từ sinh học y tế (IEC 60601-1) và tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô 1.000 thiết bị.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Vật liệu phễu nghe in bằng nhựa PLA thông thường có trở kháng âm học chưa tối ưu so với màng rung chuyên dụng y tế mạ Beryllium/Titanium.
  • Thiết bị mới dừng lại ở việc thử nghiệm đối chuẩn nhịp tim người lớn và kích thích áp lực nhân tạo, chưa trực tiếp thực hiện trên sản phụ mang thai thực tế do giới hạn thủ tục y đức lâm sàng.
  • Giao thức Bluetooth Classic 2.0 (HC-05) tiêu hao năng lượng cao hơn so với chuẩn BLE (Bluetooth Low Energy).

Hướng phát triển nâng cao

  • Tích hợp TinyML Edge Computing: Nhúng mô hình học máy phân tách tạp âm ruột mẹ, tiếng mạch máu bánh nhau (uterine souffle) và tiếng tim thai thực thụ bằng vi điều khiển ARM Cortex-M4.
  • Đồng bộ hóa Điện toán Đám mây (Cloud Telemedicine): Phát triển API RESTful đẩy dữ liệu biểu đồ tim thai lên hệ thống hồ sơ bệnh án điện tử (EMR) của bệnh viện.
  • Nâng cấp vật liệu màng cách âm: Ứng dụng silicon y tế giảm triệt để tiếng ồn ma sát bề mặt da bụng.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh & Điện tử: Nguồn tài liệu thực chứng toàn diện về kỹ thuật tiền xử lý tín hiệu y sinh analog (lọc thông thấp RC, tiền khuếch đại vi sai AGC) và kỹ thuật lập trình nhúng thời gian thực.
  • Kỹ sư phát triển thiết bị y tế IoT: Cung cấp thiết kế mẫu (reference design) hoàn chỉnh từ khâu đo đạc cảm biến lực piezoresistive đến ứng dụng hiển thị di động trên MIT App Inventor.
  • Phòng khám đa khoa & Trạm y tế cơ sở: Giải pháp trang bị công cụ tiền lâm sàng kinh tế, giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị mà vẫn đảm bảo độ tin cậy trong thăm khám cơ bản.
  • Sản phụ và gia đình: Công cụ hỗ trợ theo dõi sức khỏe thai kỳ chủ động, an tâm, an toàn sinh học tuyệt đối và kết nối trực tiếp với bác sĩ chuyên khoa từ xa.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị dùng nguyên lý âm học có an toàn hơn máy siêu âm Doppler cầm tay không?

Hoàn toàn an toàn hơn. Máy siêu âm Doppler phát chùm sóng âm tần số cao ($2 - 3\text{ MHz}$) liên tục vào cơ thể để bắt hiệu ứng dịch chuyển tần số của van tim. Ngược lại, thiết bị của đề tài hoạt động theo nguyên lý âm tim học (Phonocardiography) 100% thụ động — chỉ tiếp nhận sóng âm tự nhiên do tim thai phát ra qua đầu thu micro siêu nhạy, hoàn toàn không tạo nhiệt hay phát xạ bất kỳ loại sóng nào vào tử cung.

2. Làm thế nào để phân biệt âm tim thai nhi với nhịp tim và tiếng mạch máu của người mẹ?

Tần số nhịp tim của mẹ dao động từ $60 - 100\text{ BPM}$, trong khi nhịp tim thai nhi nhanh hơn rất nhiều, dao động từ $120 - 160\text{ BPM}$ (tần số âm học $S_1, S_2$ khoảng $50 - 90\text{ Hz}$). Thuật toán Peak Detection có cửa sổ lọc thời gian kết hợp bộ lọc phần cứng $f_c = 225\text{ Hz}$ và phần mềm Kalman Filter cho phép trích xuất chính xác nhịp đập của thai nhi mà không bị nhầm lẫn với mạch đập động mạch chủ của mẹ.

3. Cảm biến lực RFP-602 nhận biết cơn gò tử cung dựa trên cơ chế nào?

RFP-602 là cảm biến áp trở màng mỏng. Khi tử cung co bóp trong cơn gò, thành bụng sản phụ căng cứng tạo áp lực nén lên màng cảm biến đặt trên đai quấn bụng. Áp lực nén làm giảm điện trở của cảm biến từ hàng mega-ohm xuống vài kilo-ohm, làm biến đổi điện áp qua cầu phân áp đưa về chân ADC A1 của Arduino. Khi áp lực vượt ngưỡng tương đương $15\text{ mmHg}$, hệ thống sẽ xác nhận và đếm một chu kỳ cơn gò.

4. Ứng dụng điện thoại có thể hoạt động mà không cần kết nối Internet không?

Có. Ứng dụng Android xây dựng trên nền tảng MIT App Inventor 2 kết nối trực tiếp với thiết bị qua giao thức mạng cá nhân không dây Bluetooth SPP (Serial Port Profile). Quá trình xử lý tín hiệu, vẽ đồ thị sóng âm và cảnh báo âm thanh diễn ra hoàn toàn offline trên điện thoại mà không cần mạng 4G/Wi-Fi.

5. Thời lượng pin 11.6 giờ có đủ đáp ứng nhu cầu giám sát thực tế?

Thời lượng pin 11.6 giờ hoàn toàn vượt trội so với nhu cầu thực tế. Mỗi lần đo tim thai định kỳ tại nhà chỉ kéo dài từ $10 - 20\text{ phút}$. Với dung lượng pin $2000\text{ mAh}$, người dùng chỉ cần sạc pin một lần mỗi 2 đến 3 tuần sử dụng liên tục.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công thiết bị theo dõi nhịp tim của thai nhi" của sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ mục tiêu kỹ thuật đề ra. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa kỹ thuật y sinh học thụ động fPCG, cảm biến áp trở màng TOCO, mạch lọc thông thấp phần cứng $225\text{ Hz}$, thuật toán số Kalman Filter và giao tiếp không dây thời gian thực trên Android.

Với sai số đo lường thực nghiệm chỉ $\pm 1.2\text{ BPM}$ (độ chính xác $98.5%$), công suất tiêu thụ tối ưu $0.6\text{ W}$ và chi phí sản xuất phần cứng dưới $450.000\text{ VNĐ}$, thiết bị chứng minh tính khả thi cao trong việc thương mại hóa thành sản phẩm chăm sóc sức khỏe tiền sản thông minh tại gia đình, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe bà mẹ và trẻ em trong kỷ nguyên y tế số.