Thiết kế thiết bị đo điện tim 12 đạo trình gửi web server - ĐH SPKT TP.HCM

Tôi có thể giúp bạn tạo meta tags cho bài viết. Dưới đây là kết quả: { "ai_description": "Thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu điện tim 12 đạo trình

• Tác giả: Nguyễn Hùng Cường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu điện tim 12 đạo trình gửi dữ liệu lên Web server
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế thiết bị đo điện tim 12 đạo trình

Thiết bị đo tín hiệu điện tim 12 đạo trình là giải pháp công nghệ tiên tiến kết hợp phần cứng và phần mềm để ghi nhận, xử lý và truyền tải dữ liệu sinh học quan trọng. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 làm bộ não trung tâm, kết hợp module thu tín hiệu ADS1293 để thu thập dữ liệu điện tim từ 12 đạo trình chuẩn. Dữ liệu sau khi xử lý sẽ được truyền lên web server thông qua giao thức HTTP/HTTPS, cho phép giám sát và phân tích từ xa. Thiết bị này đáp ứng nhu cầu theo dõi liên tục tín hiệu sinh lý, đặc biệt hữu ích trong các bệnh viện, phòng khám và nghiên cứu y học. Việc tích hợp công nghệ không dây giúp tối ưu hóa không gian và thuận tiện cho người sử dụng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của điện tim 12 đạo trình

Điện tim 12 đạo trình hoạt động dựa trên nguyên lý ghi nhận sự thay đổi điện thế sinh ra từ hoạt động co bóp của tim. 12 đạo trình bao gồm 6 đạo trình chi (I, II, III, aVR, aVL, aVF) và 6 đạo trình trước tim (V1-V6), mỗi đạo trình cung cấp góc nhìn khác nhau về hoạt động điện của tim. Module ADS1293 sử dụng kỹ thuật khử nhiễu và khuếch đại tín hiệu sinh học, chuyển đổi tín hiệu tương tự thành dữ liệu số. ESP32 xử lý dữ liệu theo thời gian thực, loại bỏ nhiễu và chuẩn hóa tín hiệu trước khi truyền tải. Hệ thống đảm bảo độ chính xác cao nhờ vào bộ lọc thông thấp (35Hz) và thông cao (0.5Hz) tích hợp trong phần cứng.

1.2. Ứng dụng của thiết bị đo điện tim trong y học

Thiết bị đo điện tim 12 đạo trình là công cụ không thể thiếu trong chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý tim mạch như loạn nhịp tim, nhồi máu cơ tim, hoặc suy tim. Tại các bệnh viện, thiết bị hỗ trợ bác sĩ phân tích nhanh chóng các bất thường trong sóng điện tim. Trong nghiên cứu lâm sàng, dữ liệu thu thập được sử dụng để đánh giá hiệu quả điều trị hoặc theo dõi tiến triển bệnh. Ngoài ra, hệ thống gửi dữ liệu lên web server giúp bác sĩ có thể truy cập thông tin bệnh nhân mọi lúc, mọi nơi, đặc biệt hữu ích trong các trường hợp cấp cứu hoặc theo dõi bệnh nhân ngoại trú.

II. Phân tích các thách thức trong thiết kế hệ thống đo điện tim

Thiết kế hệ thống đo điện tim 12 đạo trình gặp nhiều thách thức về mặt kỹ thuật và y sinh. Khó khăn đầu tiên là xử lý tín hiệu nhiễu do các nguồn khác nhau như nhiễu cơ bắp, nhiễu điện từ trường, hoặc nhiễu từ thiết bị y tế xung quanh. Thứ hai, đảm bảo độ chính xác của tín hiệu yêu cầu bộ lọc nhiễu tiên tiến và kỹ thuật khử nhiễu chủ động. Ngoài ra, việc truyền tải dữ liệu lên web server đòi hỏi băng thông ổn định và giao thức bảo mật cao để ngăn chặn rò rỉ thông tin bệnh nhân. Cuối cùng, tích hợp phần cứng nhỏ gọn với hiệu suất tiêu thụ năng lượng thấp là thách thức lớn trong thiết kế thiết bị di động.

2.1. Nhiễu tín hiệu và phương pháp khắc phục

Nhiễu tín hiệu trong hệ thống điện tim chủ yếu đến từ hoạt động cơ bắp, nhiễu điện từ trường xung quanh, hoặc do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và da bệnh nhân. Để khắc phục, hệ thống sử dụng bộ lọc thông thấp (35Hz) để loại bỏ nhiễu tần số cao và bộ lọc thông cao (0.5Hz) để loại bỏ nhiễu tần số thấp như trôi tín hiệu DC. Ngoài ra, kỹ thuật khử nhiễu chủ động (Active Noise Cancellation) được tích hợp trong ADS1293 giúp tăng cường chất lượng tín hiệu. Việc sử dụng điện cực chất lượng cao và gel dẫn điện cũng góp phần giảm thiểu nhiễu.

2.2. Truyền dữ liệu an toàn và bảo mật

Truyền dữ liệu điện tim lên web server yêu cầu đảm bảo tính toàn vẹn, bảo mật và độ trễ thấp. Hệ thống sử dụng giao thức HTTPS với mã hóa SSL/TLS để bảo vệ dữ liệu khỏi bị can thiệp. Dữ liệu được đóng gói theo định dạng JSON, bao gồm mã hóa bệnh nhân để đảm bảo quyền riêng tư. ESP32 được cấu hình kết nối Wi-Fi ổn định, kết hợp cơ chế retry tự động khi mất kết nối. Máy chủ web sử dụng xác thực hai yếu tố (2FA) và hạn chế truy cập dựa trên vai trò người dùng để ngăn chặn truy cập trái phép.

III. Giải pháp thiết kế và thi công thiết bị đo điện tim

Giải pháp thiết kế tập trung vào tích hợp phần cứng tiên tiến và phần mềm linh hoạt. Phần cứng sử dụng vi mạch ADS1293 với 3 kênh thu tín hiệu, mỗi kênh có thể lập trình tốc độ mẫu lên đến 25.6 ksps. ESP32 đóng vai trò trung tâm xử lý, kết nối với ADS1293 qua giao diện SPI và truyền dữ liệu lên web server qua Wi-Fi. Phần mềm được phát triển trên nền tảng Arduino IDE, bao gồm các thư viện chuyên dụng như ESP32HTTPClient cho truyền dữ liệu và Adafruit_ADS1X15 cho giao tiếp với cảm biến. Thiết bị được đóng gói trong hộp nhựa 3D tiện lợi, tích hợp pin dung lượng 2000mAh và cổng sạc USB-C.

3.1. Thiết kế mạch thu tín hiệu điện tim

Mạch thu tín hiệu sử dụng module ADS1293 với cấu hình 12 đạo trình, bao gồm 3 vi mạch tích hợp mỗi vi mạch cung cấp 4 kênh thu. Tín hiệu từ điện cực được đưa vào ADS1293 qua bộ khuếch đại đầu vào, sau đó được chuyển đổi từ analog sang digital bởi ADC 24-bit. Mạch sử dụng nguồn 3.3V ổn định từ module ESP32, kết hợp tụ lọc nhiễu để đảm bảo độ ổn định. Các điện trở pull-up/pull-down được tích hợp để đảm bảo giao tiếp SPI hoạt động trơn tru. Thiết kế tối ưu hóa không gian, kích thước mạch chính là 9x7 cm, phù hợp lắp vào hộp nhựa in 3D.

3.2. Phát triển phần mềm gửi dữ liệu lên web server

Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C++ trên Arduino IDE, bao gồm các chức năng chính: thu thập dữ liệu từ ADS1293, xử lý tín hiệu (lọc nhiễu, chuẩn hóa), và truyền dữ liệu lên web server. ESP32 sử dụng thư viện WiFiClientSecure cho kết nối HTTPS an toàn. Dữ liệu được đóng gói thành JSON bao gồm ID bệnh nhân, timestamp, và 12 kênh tín hiệu điện tim. Máy chủ web sử dụng framework Flask (Python) để xử lý yêu cầu, lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu PostgreSQL. Giao diện web hiển thị sóng điện tim theo thời gian thực, cho phép bác sĩ theo dõi và phân tích.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ thống đo tín hiệu điện tim 12 đạo trình gửi dữ liệu lên web server đã được thi công và thử nghiệm thành công, đáp ứng đầy đủ yêu cầu về độ chính xác, bảo mật và tính di động. Thiết bị có khả năng thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu điện tim theo thời gian thực, hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi bệnh lý tim mạch từ xa. Kết quả thử nghiệm cho thấy tín hiệu điện tim thu được có độ nhiễu thấp (<5%) và độ trễ truyền dữ liệu dưới 200ms. Hệ thống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y tế từ bệnh viện đến chăm sóc sức khỏe cá nhân, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ y tế số ngày càng phát triển.

4.1. Đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống

Hiệu suất hệ thống được đánh giá thông qua các thử nghiệm lâm sàng tại phòng thí nghiệm. Độ chính xác tín hiệu điện tim đạt >95% so với thiết bị chuẩn (GE MAC 5500). Độ nhiễu tín hiệu được kiểm soát dưới 5% nhờ vào bộ lọc tích hợp trong ADS1293. Thời gian hoạt động liên tục của thiết bị đạt 8 giờ với dung lượng pin 2000mAh. Độ trễ truyền dữ liệu trung bình là 180ms, đảm bảo phản hồi tức thời cho người dùng. Hệ thống cũng vượt qua các bài kiểm tra an toàn điện y tế theo tiêu chuẩn IEC 60601-1.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thêm trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động phân tích sóng điện tim, phát hiện sớm các bất thường như rung tâm nhĩ hay block nhánh. Việc bổ sung module Bluetooth Low Energy (BLE) sẽ giúp kết nối với các thiết bị di động thông minh, tăng cường tính di động. Ngoài ra, hệ thống có thể mở rộng để theo dõi các dấu hiệu sinh tồn khác như SpO2, huyết áp, hoặc nhiệt độ cơ thể. Với chi phí sản xuất thấp (<500 USD), hệ thống hứa hẹn mang lại giải pháp chăm sóc sức khỏe toàn diện, đặc biệt hữu ích trong các vùng nông thôn hoặc quốc gia đang phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được sau thời gian thực hiện đề tài gồm các hình ảnh về sản phẩm (mô hình thiết bị và Web Server), đánh giá sai số, tính ổn định của thiết bị, thời gian đáp ứng của sản phẩm, tính dễ sử dụng. • Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương này sẽ đưa ra những kết luận sau khi hoàn thành sản phẩm, các hướng phát triển của đề tài có thể phát triển và ứng dụng sản phẩm tốt hơn trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. MÔ HÌNH ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 2. Mô hình đo tín hiệu ECG, hiển thị trên Smartphone và lưu trữ dữ liệu về Server Thế giới ngày nay đang có sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. Với yêu cầu cao hơn về sự tiện lợi và an toàn, các thiết bị điện tim còn cho phép ghi lại các dữ liệu trong quá trình vận động, điển hình là các ứng dụng theo dõi nhịp tim của các vận động viên.

Hệ thống sử dụng module NodeMCU ESP8266 để làm vi điểu khiền trung tâm để thu tín hiệu ECG từ module cảm biến ADS129R và module nguồn TP4056 để sạc pin. Hệ thống có thể đo được tín hiệu ECG từ 3 điện cực, hiển thị được dữ liệu trên Oled và Smartphone. Đồng thời lưu dữ liệu lên Server thông qua Internet và Wifi. Trong đó, ưu điểm chính là mô hình hiển thị dữ liệu ECG đo được lên ứng dụng điện thoại Android cho phép giám sát, theo dõi sức khỏe người dùng từ xa và có thể xem lại dữ liệu đã được lưu trước đó trên Database Server.

Tuy nhiên, nhược điểm là độ ổn định của hệ thống phụ thuộc vào chất lượng wifi sử dụng [1]. Mô hình đo tín hiệu điện tim 12 đạo trình giao tiếp với máy tính Việc chẩn đoán để phát hiện bệnh tim là vấn đề đang được quan tâm hàng đầu và có nhiều thiết bị được sử dụng để hỗ trợ cho bác sĩ đưa ra quyết định. Trong đó, thiết bị đo tín hiệu điện tim là thiết bị quan trọng, không thể thiếu trong quá trình chẩn đoán bệnh tim. Tuy nhiên, các thiết bị đo điện tim phổ biến hiện nay vẫn còn một số hạn chế, không chỉ giá thành cao, kích thước lớn mà thời gian ghi nhận tín hiệu ngắn và không có khả năng lưu trữ dữ liệu.

Để tạo ra một hệ thống giúp ích cho bác sĩ trong việc giám sát, theo dõi tín hiệu điện tim liên tục với thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và có thể kết nối với các hệ thống y tế khác. Hệ thống sử dụng module Arduino Nano để làm vi điểu khiền trung tâm để thu tín hiệu ECG từ module cảm biến ADS1293 và module nguồn TP4056 để sạc pin. Hệ thống có thể đo được tín hiệu ECG từ 10 điện cực và sử dụng cổng tiếp nối (Serial Port) giao tiếp với BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT máy tính.

Đồng thời hiển thị dữ liệu ECG đo được lên phần mềm tự tạo trên máy tính, lưu trữ dữ liệu thành file Excel và Json để dễ dàng quản lý và liên kết với hệ thống y tế khác để lấy thông tin bệnh nhân thông qua tiêu chuẩn HL7 FHIR. Trong đó, ưu điểm chính là phần mềm truy xuất dữ liệu bệnh nhân từ bệnh án điện tử theo tiêu chuẩn HL7 FHIR. Tuy nhiên, nhược điểm là do đo cùng lúc 12 đạo trình tim nên số đạo trình hiển thị cùng lúc bị hạn chế [2]. Mô hình theo dõi nhịp tim và tín hiệu ECG từ xa bằng ESP32 Hệ thống chăm sóc sức khỏe từ xa là một ý tưởng mới cho phép bác sĩ hoặc chuyên gia y tế theo dõi các thông số sức khỏe của bệnh nhân mọi lúc, mọi nơi thông qua các thiết bị y tế hỗ trợ internet.

Thiết bị có thể là máy tính xách tay, điện thoại di động hoặc đồng hồ thông minh. Thông báo có thể được gửi đến bác sĩ nếu phát hiện bất kỳ tình trạng bất thường nào trong cơ thể bệnh nhân. Hệ thống sử dụng cảm biến nhịp tim đơn dẫn AD8232 để trích xuất tín hiệu ECG và cảm biến nhịp tim Pulse Sensor để lấy BPM. Dữ liệu cảm biến thu được được truyền đến internet máy chủ đám mây bằng bộ vi điều khiển ESP32 có khả năng kết nối Wi-Fi để chuyên gia y tế giám sát từ xa.

Nền tảng Ubidots và Thingspeak được sử dụng làm máy chủ đám mây. Do đó, ưu điểm là bất kỳ chuyên gia y tế nào cũng có thể kiểm tra tình trạng tim của bệnh nhân mọi lúc, mọi nơi. Tuy nhiên, nhược điểm là hệ thống sử dụng hai cảm biến nhịp tim [3]. TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA TIM VÀ ĐIỆN TIM 2.

Phân tích hình dạng sóng điện tim Điện tâm đồ (ECG) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. ECG là biểu đồ điện áp so với thời gian hoạt động điện của tim sử dụng các điện cực đặt trên da, thường được hiển thị bằng milivôn (mV) so với giây. ECG bình thường bao gồm một sóng P, một phức bộ QRS và một sóng T, sóng U (có thể xuất hiện trong một số bệnh lý). Đặc điểm cơ bản của mỗi dạng sóng được mô tả như ở Hình 2.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 1: Các thành phần sóng của điện tâm đồ [4] Các dạng sóng ECG chuẩn được trình bày chi tiết hơn ở dưới đây: • Sóng P: được tạo ra bởi sự khử cực của tâm nhĩ, sóng P có dạng một đường cong điện thế dương, điện thế 0,15 - 0,20 mV kéo dài 0,08 - 0,10s (có thể gặp từ 0,06 - 0,11s). • Khoảng PR: khoảng thời gian từ khi bắt đầu sóng P đến khi bắt đầu phức bộ QRS (0.

• Phức hợp QRS: thời gian khử cực của 2 tâm thất, được đo từ điểm cuối của khoảng PR đến hết sóng S (0. • Khoảng QT: khoảng thời gian cho thấy hoạt động khử cực và tái khử cực của tâm thất, là khoảng từ điểm đầu QRS đến cuối sóng T (0. • Khoảng ST: Thời gian 2 tâm thất hoàn toàn bị khử cực và bắt đầu ở điểm cuối QRS đến điểm đầu sóng T (0. • Sóng T: sóng tái cực 2 tâm thất, điện thế trong khoảng 0.5 mV, đỉnh tròn.

• Sóng U: là 1 sóng nhỏ sau sóng T, biên độ sóng U thường thấp hơn 0.1mm (V2-V3), có thể có hoặc không tùy cơ địa người. Cách đặt các điện cực Có 12 chuyển đạo thông dụng: 6 chuyển đạo ngoại biên, 6 chuyển đạo trước tim. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. Chuyển đạo ngoại biên (các chi) Hình 2.

2: Các điện cực đo chuyển đạo ngoại biên [5] D1, D2, D3, aVR, aVL, aVF được gọi chung là các chuyển đạo ngoại biên vì đều có điện cực thăm dò đặt ở các chi. Ba chuyển đạo song cực chi Hình 2. 3: Hướng trục của các chuyển đạo song cực chi [5] Tín hiệu ECG của các đạo trình song cực chi (I, II, III) được xác định như sau: VI = VLA − VRA (2.1) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VII = VLL − VRA (2.2) VIII = VLL − VLA (2.3) Ba chuyển đạo đơn cực chi tăng cường Hình 2.

4: Hướng trục của các chuyển đạo đơn cực chi [5] Tín hiệu ECG của các đạo trình gia tốc aVR, aVL, aVF được xác định như sau: VLL + VLA VaVR = VRA − (2.4) 2 VLL + VRA VaVL = VLA − (2.5) 2 VLA + VRA VaVF = VLL − (2. Chuyển đạo trước tim • V1: khoang liên sườn thứ tư trên xương ức phải. • V2: khoang liên sườn thứ tư ở xương ức trái. • V3: khoảng giữa vị trí của V2 và V4.

• V4: khoang liên sườn thứ năm ở đường giữa xương ức. • V5: đường nách trước trên cùng một phương nằm ngang ngang với V4. • V6: đường giữa nách ngang với V4 và V5. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 5: Vị trí đặt điện cực 6 chuyển đạo trước tim [5] 2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2. Giới thiệu Từ những phần lý thuyết được tìm hiểu ở trên, nhóm quyết định lựa chọn phần cứng để thực hiện đề tài này với Module ESP32, vi mạch tích hợp để thu tín hiệu điện tim là ADS1293, mạch ổn áp DC-DC Buck Boost B6289U, mạch sạc TP4056.

Module ESP32 - Phần mềm: ESP32 có thể được lập trình với Arduino IDE. - Phần cứng: Thực hiện giao tiếp với các loại cảm biến, có các cổng giao tiếp UART, SPI và I2C.6 cho thấy hình dạng chung, thứ tự các chân ngõ ra và các cổng giao tiếp của ESP32. 6: Mặt trước của Module ESP32 [6] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở hệ thống này, ESP32 kết nối với cảm biến thu tín hiệu điện tim.

Sau khi thu thập dữ liệu và xử lý, ESP32 thực hiện gửi dữ liệu lên phần mềm Matlab sau đó lưu dữ liệu vào tệp Excel. Thông số kỹ thuật [6] - Bộ nhớ: 512 KB SRAM. - Điện áp hoạt động: 2. - Dòng tiêu thụ: 80 mA.

- Kích thước: 55x25x3 mm. Vi mạch tích hợp ADS1293 a. Mô tả Hình 2. 7: Vi mạch tích hợp ADS1293 [7] Hình 2.7 chính là vi mạch ADS1293.

ADS1293 có ba kênh độ phân giải cao có khả năng hoạt động lên đến 25,6 ksps. Mỗi kênh có thể được lập trình độc lập cho một tốc độ mẫu và băng thông cụ thể cho phép người dùng tối ưu hóa cấu hình cho hiệu suất và điện năng tiêu thụ. Bên cạnh đó, vi mạch này có các chân SPI giúp tương thích với thiết bị Arduino, cũng như ESP32 được sử dụng trong đề tài [7]. Đề tài sử dụng 3 vi mạch tích hợp ADS1293, tín hiệu điện tim được thu thập thông qua cổng DB15 được truyền từ 10 điện cực vào mạch thu tín hiệu để xử lý và lọc nhiễu.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2. Thông số kỹ thuật [7] - Điện áp hoạt động: 3.3 V - Điện áp đầu vào analog: 2.5 V - Điện áp đầu vào kỹ thuật số: 1.6 V - Dòng điện vào liên tục: ± 10 (mA) - Nhiệt độ hoạt động: -20 đến +85 (ºC) - Kích thước: 5 x 5 x 0. Mạch Ổn Áp DC-DC Buck Boost B6289U Hình 2. 8: Mạch Buck Boost B6289U [8] Mạch ổn áp DC-DC Buck Boost Conveter B6289U 3.