Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Các bệnh lý về thoái hóa cột sống cổ, đau mỏi vai gáy và căng cơ đang ngày càng gia tăng, đặc biệt ở nhóm đối tượng lao động văn phòng và những người làm việc ở tư thế cố định trong thời gian dài. Theo thống kê được trình bày trong đề tài:

  • Tỷ lệ mắc các bệnh lý liên quan đến cột sống cổ ở nhóm tuổi 20–40 đạt khoảng 59,1%, và con số này tăng lên hơn 80% ở nhóm người trên 60 tuổi.
  • Khảo sát thực tế ghi nhận khoảng 60% người mắc bệnh đã làm việc văn phòng trên 10 năm với tư thế cúi đầu liên tục từ 45° đến 60° trong hơn 3 giờ mỗi ngày (phổ biến ở nhân viên văn phòng, chuyên viên đồ họa).
  • Tại Việt Nam, khoảng 33% dân số trên 30 tuổi có nguy cơ thoái hóa đốt sống cổ; trong đó dân văn phòng chiếm 55% và có tới 60% nhân viên văn phòng xuất hiện các triệu chứng đau mỏi vai gáy.
  • Bên cạnh đó, những người lao động đứng lâu (nhân viên bán hàng, công nhân vận hành dây chuyền sản xuất) thường xuyên gặp phải tình trạng ứ trệ tuần hoàn máu ngoại vi, gây phù nề cẳng chân và đau nhức bàn chân; các vận động viên thể thao hoặc người lao động nặng cũng thường xuyên bị quá tải cơ bắp.

Nhằm hỗ trợ giảm đau cơ xương khớp, việc sử dụng các thiết bị massage xung điện sinh học (TENS) tại nhà giúp người dùng chủ động trị liệu, giảm căng thẳng cơ bắp và tiết kiệm chi phí điều trị tại các trung tâm y tế. Tuy nhiên, các dòng máy massage xung điện thương mại trên thị trường có giá thành tương đối cao. Nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài "Thiết kế và thi công máy massage xung điện" nhằm xây dựng một thiết bị kích thích điện sinh học cá nhân nhỏ gọn, giá thành hợp lý, giao diện màn hình cảm ứng trực quan nhưng vẫn đảm bảo các thông số an toàn kỹ thuật và hiệu quả giảm đau.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh thiết bị massage xung điện tần số thấp sử dụng vi điều khiển ESP32, tích hợp 4 chế độ massage giảm đau thủ công và 6 chương trình tự động dành riêng cho 6 vùng cơ thể (vai, gối, cánh tay, cẳng chân, lòng bàn chân, eo), có khả năng tùy chỉnh cường độ dòng điện an toàn và thời gian hoạt động trực tiếp qua màn hình cảm ứng điện trở TFT 3.2 inch.

Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài thực hiện 8 nhiệm vụ nghiên cứu và kỹ thuật theo tiến trình:

  1. Tìm hiểu cách thức hoạt động của xung điện và cơ chế tác động sinh lý của dòng điện xung lên cơ thể người.
  2. Phân tích chức năng, thông số kỹ thuật của các dòng máy massage xung điện hiện có trên thị trường.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch và tính toán các khối chức năng (khối nguồn, khối điều khiển, khối khuếch đại, khối đóng ngắt, khối điều chỉnh dòng điện an toàn).
  4. Nghiên cứu lập trình nhúng cài đặt các chế độ phát xung và giao diện điều khiển.
  5. Thiết kế mô hình 3D vỏ hộp và bố trí cơ khí của hệ thống.
  6. Thi công phần cứng (mạch in PCB), lắp ráp hoàn thiện, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết bị.
  7. Viết báo cáo tổng kết toàn diện đề tài khóa luận.
  8. Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Dòng điện xung trị liệu qua da (TENS), các dạng sóng xung kích thích thần kinh cơ, mạch điện tử công suất nhỏ điều khiển xung và vi điều khiển ESP32 kết hợp màn hình TFT cảm ứng.
  • Phạm vi chức năng: Thiết bị tạo xung đơn pha hỗ trợ massage thư giãn và giảm đau mỏi cơ, không có chức năng chẩn đoán hay điều trị thay thế các liệu pháp y khoa chuyên sâu.
  • Phạm vi hiển thị: Giao diện đồ họa hiển thị ký tự số, hình ảnh minh họa vị trí dán điện cực và chữ tiếng Việt không dấu.
  • Phạm vi vật lý: Kích thước thiết bị được giới hạn trong phạm vi nhỏ gọn 120 × 75 × 28 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sinh lý học

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý điện sinh học và vật lý trị liệu bằng dòng điện xung:

  • Đặc trưng xung điện: Nghiên cứu chu kỳ xung ($T$), thời gian xung ($t_x = t_a + t_i + t_b$), thời gian nghỉ ($t_p$), biên độ xung ($I$) và tần số ($f$). Dòng điện tần số thấp ($f < 1.000\text{ Hz}$) tác động kích thích nông trên thụ thể da do dung kháng của da $R_c = \frac{1}{2\pi f C}$ lớn ở tần số thấp, trong khi dòng tần số trung bình ($f \approx 1.000 - 10.000\text{ Hz}$) có dung kháng nhỏ giúp dòng điện thâm nhập sâu hơn vào tổ chức cơ và khớp mà không gây rát da.
  • Các dạng sóng xung kinh điển: Dòng Faradic (xung nhọn gai nhọn, $t_x = 1 - 1,5\text{ ms}$, $f = 100\text{ Hz}$), dòng Leduc (xung vuông, $t_x = 0,01 - 1\text{ ms}$, $f = 100 - 1.000\text{ Hz}$), dòng Lapique (xung hình lưỡi cày dốc thoải), dòng Bernard/Diadynamic (dòng sin một chiều gồm MF 50Hz, DF 100Hz, CP xen kẽ chu kỳ ngắn, LP xen kẽ chu kỳ dài), và dòng giao thoa Nemec (IF).
  • Các chế độ dòng TENS trong giảm đau:
Dòng TENS Tần số ($f$) Độ rộng xung ($t_x$) Thời gian điều trị Cơ chế và tác dụng chính
Trabert (Dòng 2–5) $143\text{ Hz}$ $2\text{ ms}$ ($t_p = 5\text{ ms}$) 15–30 phút Kích thích chọn lọc, giảm đau nhanh chóng tại 4 vị trí điện cực chuẩn (EL I đến EL IV).
Low TENS (Châm cứu) $2 - 10\text{ Hz}$ $200 - 300\text{ }\mu\text{s}$ 20–30 phút Kích thích co cơ nhịp nhàng, tăng cường phóng thích Endorphin nội sinh trị đau mãn tính.
High TENS (Quy ước) $60 - 100\text{ Hz}$ ($100-150\text{Hz}$) $60 - 600\text{ }\mu\text{s}$ 10 phút Ức chế tiền synap theo thuyết cổng kiểm soát, giảm đau cấp tính nhanh nhưng tạm thời.
Burst TENS $50 - 500\text{ Hz}$ (Bó xung $1 - 5\text{ Hz}$) Biến điệu theo chuỗi 15–30 phút Tác động giảm đau sâu cho các trường hợp đau cơ mạn tính.
Modulated TENS $1 - 150\text{ Hz}$ $50 - 300\text{ }\mu\text{s}$ 10–30 phút Tự động thay đổi tần số, biên độ và độ rộng xung nhằm chống hiện tượng thích nghi dòng điện.
  • Cơ chế giảm đau sinh lý:
    1. Thuyết cổng kiểm soát (Gate Control Theory - Melzack & Wall, 1965): Dòng xung kích thích các sợi thần kinh cảm giác bản thể có bao myelin đường kính lớn ($A\alpha$, $A\beta$), kích hoạt tế bào trung gian ở sừng sau tủy sống gây ức chế tiền synap lên các sợi dẫn truyền cảm giác đau sợi nhỏ không myelin ($A\delta$, $C$), đóng cổng dẫn truyền tín hiệu đau lên đồi thị não.
    2. Thuyết phóng thích Endorphin (Sjolund & Eriksson): Kích thích tần số thấp ($f < 50\text{ Hz}$) cường độ cao gây hưng phấn hệ thần kinh trung ương giải phóng các opioid nội sinh (endorphin, enkephalin), tạo hiệu ứng giảm đau kéo dài.
    3. Thuyết ức chế sau kích thích (Sato & Schmidt): Kích thích chọn lọc sợi nhóm II và III gây ức chế trung ương.
  • Quy luật ngưỡng và an toàn điện sinh học: Đáp ứng cơ thể trải qua 3 ngưỡng: Ngưỡng cảm giác $\rightarrow$ Ngưỡng co cơ $\rightarrow$ Ngưỡng đau. Dòng điện an toàn một chiều cho cơ thể người $I_{at} \le 50\text{ mA}$. Đề tài thiết kế dải dòng làm việc giới hạn ở mức 5–20 mA nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập thông số từ các công trình nghiên cứu tiền nhiệm và datasheet linh kiện bán dẫn.
  • Phương pháp tính toán và mô phỏng mạch: Tính toán giải tích thông số điện trở phân cực, mạch Darlington khuếch đại dòng, thiết kế layout mạch in bằng phần mềm Autodesk Eagle.
  • Phương pháp thiết kế mô hình 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng vỏ hộp, bố trí màn hình, biến trở và jack cắm điện cực.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Chế tạo mạch in 2 lớp, hàn linh kiện, nạp code nhúng trên nền tảng Arduino IDE và kiểm chuẩn dạng sóng xung bằng máy hiện sóng Oscilloscope.

Nguồn dữ liệu

  • Cơ sở kế thừa: Đề tài tốt nghiệp năm 2020 của Trương Trần Trân Nhi và Phạm Tấn Thành (ĐH SPKT TP.HCM) về máy massage xung điện dùng vi điều khiển PIC16F887.
  • Dữ liệu đối sánh từ 4 thiết bị thương mại: AST-2012A, Omron HV-F127, Y-1018 và SYK-308B.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng hệ thống

Hệ thống phần cứng máy massage xung điện được cấu thành từ 5 khối chức năng chính:

  • Khối nguồn: Sử dụng 2 cell pin sạc LiPo 3.7V mắc nối tiếp ($7,4\text{V}$ danh định, $8,4\text{V}$ khi nạp đầy) kết hợp mạch sạc cân bằng $8,4\text{V} - 2\text{A}$. Nguồn pin được đưa qua module hạ áp Mini-360 để giữ áp ổn định $7,2\text{V}$ cấp cho module tăng áp và qua IC ổn áp LM7805 cấp nguồn $5\text{V}$ cho khối xử lý và màn hình.
  • Khối điều khiển trung tâm: Module ESP32-WROOM-32D (CPU Xtensa Dual-Core 32-bit LX6, xung nhịp 240 MHz, 520 KB SRAM, 4 MB Flash) đảm nhận nhiệm vụ quét cảm ứng, xuất dữ liệu đồ họa SPI lên màn hình và tạo chuỗi xung điều khiển chính xác.
  • Khối hiển thị và giao tiếp: Màn hình cảm ứng điện trở TFT 3.2 inch (driver điều khiển ILI9341, giao tiếp SPI tốc độ cao) hiển thị menu đồ họa chọn chế độ, vị trí dán điện cực và thời gian đếm ngược.
  • Khối khuếch đại điện áp: Module Boost DC-DC 250W chuyển đổi điện áp $7,2\text{V}$ từ pin lên $55\text{V DC}$ tạo nguồn xung điện áp cao cho trị liệu.
  • Khối đóng ngắt (Switching): Sử dụng Transistor NPN 2N5551 ($V_{CBO} = 160\text{V}$, $V_{CEO} = 180\text{V}$, tần số chuyển mạch $100\text{ MHz}$) đóng cắt nguồn $55\text{V}$ theo tín hiệu kích tần số từ ESP32 qua điện trở cực gốc $R_B = 10\text{ k}\Omega$ (đảm bảo dòng kích $I_B \approx 0,25\text{ mA}$, đưa transistor về trạng thái bão hòa).
  • Khối điều chỉnh dòng điện: Sử dụng cặp transistor PNP 2SA1013 ($V_{CE} = 160\text{V}$, $I_C = 1\text{A}$) mắc theo cấu hình Darlington (tổng hệ số khuếch đại $h_{fe} = 10.000$) kết hợp với biến trở chiết áp bánh xe $RV_3$ ($10\text{ k}\Omega$) và điện trở $R_6 = 100\text{ }\Omega$.

Bảng lựa chọn linh kiện và so sánh thông số

Hạng mục linh kiện Phương án lựa chọn Phương án đối chứng Lý do lựa chọn
Vi điều khiển ESP32-WROOM-32D (240MHz, 520KB SRAM, 4MB Flash) Arduino Uno, Nano (ATmega328P 16MHz, 2KB SRAM), ESP8266 Tốc độ xử lý cao, đủ bộ nhớ để load giao diện đồ họa màu TFT và xử lý ngắt cảm ứng mượt mà.
Màn hình hiển thị TFT 3.2 inch ILI9341 (Độ phân giải $240 \times 320$, tích hợp cảm ứng) LCD 16x2, OLED 128x64 Hỗ trợ hiển thị màu sắc trực quan, hiển thị sơ đồ vị trí dán điện cực và tích hợp cảm ứng trực tiếp.
Transistor công tắc 2N5551 (NPN, chịu áp 160–180V, $f_T = 100\text{MHz}$) Transistor tín hiệu nhỏ thông thường Khả năng chịu điện áp đánh thủng cao hơn điện áp khối tăng áp ($55\text{V}$).
Điều chỉnh dòng 2SA1013 (Cặp Darlington PNP, chịu áp 160V) Chiết áp trực tiếp đơn thuần Đảm bảo tuyến tính dòng ngõ ra trong dải 5–20 mA, bảo vệ cơ thể chống quá dòng.

Tính toán lý thuyết dòng điện ngõ ra

Dòng điện qua mạch điều chỉnh được tính toán theo hai mốc giới hạn của biến trở $RV_3$:

  • Khi biến trở ở mức cực tiểu ($RV_3 = 0\text{ }\Omega$): $$I_{out(\max)} \approx I_C \approx 21,38\text{ mA}$$
  • Khi biến trở ở mức cực đại ($RV_3 = 10\text{ k}\Omega$): $$I_{out(\min)} \approx I_C \approx 5,51\text{ mA}$$ Dải dòng điện thực tế $5,51 - 21,38\text{ mA}$ nằm hoàn toàn trong vùng hiệu lực điều trị an toàn của cơ thể người ($< 50\text{ mA}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng đau mỏi vai gáy và cột sống cổ ở giới văn phòng và người lao động đứng lâu. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo máy massage xung điện giá rẻ dùng ESP32, đặt ra 8 nội dung công việc và các giới hạn kỹ thuật: thiết bị dùng xung đơn pha, kích thước $120 \times 75 \times 28\text{ mm}$, hiển thị tiếng Việt không dấu, đóng vai trò giảm đau hỗ trợ chứ không thay thế thiết bị điều trị y tế chuyên sâu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này hệ thống hóa toàn diện lý thuyết điện xung trị liệu:

  • Phân loại các dạng sóng xung (Faradic, Leduc, Lapique, Diadynamic, Nemec).
  • Khảo sát các dòng xung TENS (Trabert, Low TENS, High TENS, Burst TENS, Modulated TENS).
  • Giải thích 3 thuyết sinh lý học về cơ chế giảm đau (Cổng kiểm soát, Endorphin, Ức chế trung ương).
  • Xác định quy tắc ngưỡng kích thích (cảm giác $\rightarrow$ co cơ $\rightarrow$ đau) và các giải pháp chống hiện tượng quen dòng (điều biến tần số, biên độ và giới hạn phiên trị liệu dưới 15 phút).
  • Phân tích chi tiết thông số kỹ thuật, ưu nhược điểm và giá thành của 4 mẫu máy massage trên thị trường:
Tên máy massage Số chế độ Cường độ / Cấp độ Điện áp / Tần số Nguồn cấp Giá thành khảo sát
AST-2012A 25 chế độ 50 mức $0 - 52\text{V}$ / $0 - 1.000\text{ Hz}$ $5\text{V DC}$ 1.150.000 đ
Omron HV-F127 9 chương trình tự động, 4 chế độ đặc biệt Nhiều cấp độ $1 - 1.200\text{ Hz}$ Pin AAA 1.000.000 đ
Y-1018 8 chế độ 15 cấp độ Tần số thấp Pin AAA 490.000 đ
SYK-308B 6 chế độ vùng 20 cấp độ $40 - 180\text{V}$ / $150\text{ Hz}$ 4 pin AAA / Adapter 12V 799.000 đ

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống, nguyên lý hoạt động của từng khối, các bảng so sánh lựa chọn linh kiện và công thức tính toán giải tích:

  • Thiết kế mạch hạ áp và khuếch đại điện áp lên $55\text{V}$.
  • Thiết kế mạch đóng ngắt sử dụng transistor 2N5551 với trở phân cực $R_B = 10\text{ k}\Omega$.
  • Thiết kế mạch chỉnh dòng Darlington 2SA1013 kiểm soát dòng điện ngõ ra từ $5,51\text{ mA}$ đến $21,38\text{ mA}$.
  • Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình hiện thực hóa sản phẩm:

  • Thiết kế mạch in 2 lớp trên phần mềm Autodesk Eagle, thực hiện gia công và hàn gắn linh kiện.
  • Thiết kế mô hình vỏ hộp 3D trên SolidWorks với kích thước $120 \times 75 \times 28\text{ mm}$, tích hợp khe chứa pin, cổng sạc Type-C, bánh xe điều chỉnh dòng điện và jack cắm miếng dán điện cực.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển trung tâm trên Arduino IDE: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ chọn chế độ, lưu đồ thay đổi thời gian đếm lùi và lưu đồ kiểm tra trạng thái hoạt động.

Chương 5: Kết quả thực hiện – Nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả đo đạc thực nghiệm:

  • Thiết bị vận hành ổn định, hiển thị trực quan các menu và hướng dẫn vị trí dán điện cực trên màn hình màu cảm ứng TFT 3.2 inch.
  • Kiểm chuẩn dạng sóng xung thực tế bằng máy hiện sóng Oscilloscope cho 4 chế độ thủ công (TAP, KNEAD, PUSH, RUB) và 6 chế độ tự động theo vùng (SHOULDER, JOINT, ARM, LEG, SOLE, WAIST), ghi nhận các đặc tính chuỗi xung xung đơn pha đúng với tính toán lý thuyết.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu, tổng kết các ưu điểm về giá thành, kích thước và tính tương tác; đồng thời chỉ rõ các điểm hạn chế kỹ thuật cần khắc phục trong các phiên bản cải tiến tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện phần cứng và cơ khí: Chế tạo thành công thiết bị massage xung điện hoàn chỉnh có kích thước nhỏ gọn ($120 \times 75 \times 28\text{ mm}$), sử dụng nguồn pin sạc LiPo $7,4\text{V} - 8,4\text{V}$, tích hợp mạch sạc và mạch nâng áp công suất nhỏ lên $55\text{V}$.
  2. Chức năng phát xung trị liệu: Thiết lập thành công 4 chế độ massage cơ bản và 6 chương trình phát xung tự động tối ưu hóa cho từng vùng cơ thể:
    • 4 chế độ massage: Đấm bóp (TAP), Xoa bóp/Nhào (KNEAD), Ấn/Đẩy (PUSH), Xoa vuốt (RUB).
    • 6 chế độ tự động theo vùng: Vai gáy (SHOULDER), Khớp gối (JOINT), Cánh tay (ARM), Cẳng chân (LEG), Lòng bàn chân (SOLE), Thắt lưng/Eo (WAIST).
  3. Kiểm soát an toàn dòng điện: Mạch điều chỉnh dòng Darlington duy trì dòng xung đầu ra ổn định từ $5,51\text{ mA}$ đến $21,38\text{ mA}$ qua biến trở cơ học bánh xe, triệt tiêu nguy cơ giật điện hoặc tổn thương mô.
  4. Kiểm tra dạng sóng bằng Oscilloscope: Toàn bộ 10 chương trình phát xung đều được đo kiểm trực tiếp trên máy hiện sóng, khẳng định tín hiệu xung vuông đơn pha được kích mở chính xác theo tần số cài đặt.

So sánh và đóng góp kỹ thuật so với nghiên cứu trước

Tiêu chí kỹ thuật Nghiên cứu tiền nhiệm (Trương Trần Trân Nhi & Phạm Tấn Thành, 2020) Đồ án hiện tại (Đoàn Chánh Tính & Đặng Thanh Tuấn, 2024)
Vi điều khiển PIC16F887 (8-bit, 20MHz, bộ nhớ hạn chế) ESP32-WROOM-32D (32-bit lõi kép 240MHz, 4MB Flash)
Hiển thị & Giao tiếp Màn hình LCD 1602 ký tự, điều khiển bằng 2 nút bấm cơ Màn hình màu TFT 3.2 inch cảm ứng điện trở (ILI9341)
Chế độ phát xung 3 chế độ tần số cố định ($15\text{ Hz}$, $40\text{ Hz}$, $50\text{ Hz}$) 4 chế độ thủ công + 6 chương trình tự động theo vùng
Hỗ trợ người dùng Không có hình ảnh minh họa Hiển thị sơ đồ hình ảnh vị trí dán điện cực trên màn hình
Kích thước thiết bị $120 \times 85 \times 50\text{ mm}$ $120 \times 75 \times 28\text{ mm}$ (Mỏng hơn 44%)
Kiểm soát an toàn Điều chỉnh xung cơ bản Tích hợp mạch điều dòng Darlington $5,51 - 21,38\text{ mA}$

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Thiết bị mới chỉ tạo được dạng xung điện đơn pha (một chiều), chưa hỗ trợ dạng xung điện hai pha đối xứng hoặc xoay chiều để giảm thiểu triệt để hiện tượng điện phân dưới bề mặt da.
  • Giao diện phần mềm trên màn hình TFT hiển thị chữ tiếng Việt không dấu do hạn chế về thư viện font chữ nhúng trên hệ thống đồ họa.
  • Thiết bị chỉ có tác dụng hỗ trợ thư giãn, kích thích cơ và giảm đau tạm thời, chưa tích hợp các thuật toán chẩn đoán điện cơ sinh học (EMG) chuyên sâu.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Cải tiến phần cứng cầu H để phát xung hai pha đối xứng và không đối xứng nhằm tăng hiệu quả kích thích phục hồi chức năng cơ bắp.
  • Tích hợp thêm cảm biến phản hồi tiếp xúc điện cực để tự động ngắt điện khi miếng dán bị tuột khỏi da người dùng.
  • Tận dụng khả năng kết nối Wi-Fi/Bluetooth có sẵn trên chip ESP32 để đồng bộ dữ liệu thời gian trị liệu với ứng dụng di động (smartphone app).
  • Nâng cấp giao diện đồ họa hiển thị font tiếng Việt có dấu hoàn chỉnh và cải tiến thuật toán điều biến xung chống quen dòng thích ứng tự động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu:

  • Đối tượng hưởng lợi: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Hệ thống nhúng và Cơ điện tử.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Cung cấp cơ sở lý thuyết y sinh hoàn chỉnh về các dòng xung TENS và cơ chế sinh lý học thần kinh (thuyết cổng kiểm soát, giải phóng endorphin).
    • Bản thiết kế chi tiết mạch tăng áp công suất nhỏ kết hợp mạch điều dòng Darlington an toàn ($< 25\text{ mA}$).
    • Mã nguồn và giải thuật điều khiển hiển thị màn hình TFT cảm ứng giao tiếp SPI trên vi điều khiển ESP32 sử dụng Arduino IDE.
    • Bộ số liệu đo kiểm thực tế dạng sóng xung qua máy hiện sóng Oscilloscope đối với từng chế độ massage.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn vi điều khiển ESP32 thay vì Arduino Uno hoặc vi điều khiển PIC?

Module ESP32-WROOM-32D sở hữu bộ xử lý lõi kép 32-bit với xung nhịp lên tới 240 MHz, bộ nhớ SRAM 520 KB và Flash 4 MB, vượt trội hoàn toàn so với các vi điều khiển 8-bit (như ATmega328P 16 MHz / 2 KB SRAM hay PIC16F887). Cấu hình này đáp ứng yêu cầu bộ nhớ đệm đồ họa để load giao diện màu, xử lý quét ngắt cảm ứng trên màn hình TFT 3.2 inch (driver ILI9341) một cách mượt mà và duy trì khả năng xuất xung PWM chính xác.

2. Dòng điện kích thích của thiết bị được khống chế trong phạm vi nào để đảm bảo an toàn sinh học?

Dòng điện ngõ ra của thiết bị được khống chế nghiêm ngặt trong dải từ $5,51\text{ mA}$ (khi chiết áp ở mức tối đa $10\text{ k}\Omega$) đến $21,38\text{ mA}$ (khi chiết áp ở mức tối thiểu $0\text{ }\Omega$) nhờ mạch điều chỉnh dòng sử dụng cặp transistor PNP 2SA1013 mắc Darlington. Mức dòng cực đại $21,38\text{ mA}$ nằm hoàn toàn dưới ngưỡng giới hạn an toàn dòng điện một chiều đối với cơ thể người ($I_{at} \le 50\text{ mA}$).

3. Tác dụng giảm đau của máy massage xung điện TENS trong đề tài hoạt động dựa trên cơ chế nào?

Tác dụng giảm đau của TENS dựa trên 3 cơ chế sinh lý học chính:

  1. Thuyết cổng kiểm soát: Dòng xung tần số cao ($80 - 200\text{ Hz}$) kích thích sợi thần kinh cảm giác lớn ($A\alpha$, $A\beta$), gây ức chế trước synap tại sừng sau tủy sống để đóng cổng, ngăn xung động đau từ sợi nhỏ ($A\delta$, $C$) truyền lên vỏ não.
  2. Thuyết phóng thích Endorphin: Dòng xung tần số thấp ($< 50\text{ Hz}$) kích thích hệ thần kinh trung ương giải phóng chất giảm đau nội sinh.
  3. Thuyết ức chế sau kích thích: Ức chế trung ương khi kích thích chọn lọc sợi thần kinh nhóm II và III.

4. Thiết bị cung cấp những chương trình massage và chế độ trị liệu cụ thể nào?

Thiết bị tích hợp 4 chế độ massage thủ công gồm: Đấm bóp (TAP), Nhào xoa (KNEAD), Ấn đẩy (PUSH), Xoa vuốt (RUB); cùng với 6 chương trình phát xung tự động được tối ưu hóa cho từng vị trí cơ thể: Vai (SHOULDER), Khớp gối (JOINT), Cánh tay (ARM), Cẳng chân (LEG), Lòng bàn chân (SOLE) và Eo/Thắt lưng (WAIST).

5. Thiết bị giải quyết vấn đề thích nghi (quen dòng điện) của cơ thể như thế nào?

Để chống hiện tượng thích nghi dòng điện làm giảm hiệu quả trị liệu, đề tài áp dụng các nguyên lý: cho phép người dùng chủ động điều chỉnh tăng giảm cường độ dòng thông qua bánh xe chiết áp, cài đặt các chế độ điều biến xung tự động ngắt quãng theo chu kỳ, và thiết lập giới hạn thời gian cho mỗi phiên massage không vượt quá 15 phút.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy massage xung điện" của sinh viên Đoàn Chánh Tính và Đặng Thanh Tuấn (ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2024) đã giải quyết thành công bài toán thiết kế thiết bị vật lý trị liệu TENS cầm tay giá rẻ với kích thước nhỏ gọn $120 \times 75 \times 28\text{ mm}$. Hệ thống tích hợp vi điều khiển ESP32, màn hình cảm ứng màu TFT 3.2 inch, 4 chế độ massage thủ công và 6 chương trình tự động theo vùng cơ thể, được kiểm chứng dạng sóng chính xác qua máy hiện sóng Oscilloscope. Với mạch điều dòng Darlington an toàn ($5,51 - 21,38\text{ mA}$), đề tài là tài liệu tham khảo kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị điện tử y sinh phục hồi chức năng.