Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện, các thông số giới hạn của thiết bị và bố cục của khóa luận tốt nghiệp. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày lý thuyết về phương pháp đo nhịp tim, phát hiện té ngã, các linh kiện, module cần thiết được sử dụng trong đề tài Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này trình bày về sơ đồ khối, tính toán số liệu ngưỡng ngã, thiết kế từng khối, lựa chọn linh kiện phù hợp, vẽ mạch nguyên lý kết nối các khối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh. Chương 4: Thi công hệ thống Chương này trình bày các bước thi công phần cứng cho từng khối. Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Chương này trình bày kết quả đạt được khi hoàn chỉnh mô hình thiết bị và các kết quả số liệu đo đạc thực nghiệm và những nhận xét về các kết quả đó.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày những kết luận chung của đề tài và những hướng đi có thể phát triển thêm trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG 2.1 Sự tương tác giữa ánh sáng và các phân tử vật chất Nguyên lý đo quang: Dựa trên nguyên lý của hiện tượng quang phổ hấp thụ. Quang phổ hấp thụ thực chất là quá trình tương tác giữa hạt photon của ánh sáng với các phần vật chất.
Khi ta chiếu một chùm tia sáng gồm các photon có các mức năng lượng khác nhau đi qua một dung dịch chất hấp thụ. Dung dịch chỉ hấp thụ chọn lọc những photon nào có mức năng lượng phù hợp với các mức năng lượng điện tử, năng lưượng dao động và năng lượng quay của phân tử chất đó. Như vậy các phân tử vật chất có cấu trúc khác nhau sẽ cho những phổ hấp thụ với các đỉnh và bước sóng đặc trưng khác nhau.2 Các định luật về sự hấp thụ ánh sáng Định luật Bouger - Lamber: cường độ của một chùm tia sáng đơn sắc khi đi qua một dung dịch chất hấp thụ tỷ lệ nghịch với chiều dày của lớp dung dịch mà nó đi qua. Định luật Beer: sự giảm cường độ ánh sáng khi đi qua một dung dịch chất hấp thụ phụ thuộc vào số lượng các tiểu phân tử vật chất hấp thụ mà ánh sáng gặp phải trên đưường đi, nghĩa là phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch chất hấp thụ.
Theo định luật Bouguer – Lamber - Beer chỉ đúng với trường hợp chất cần xác định nồng độ là dung dịch loãng: Độ hấp thụ quang (mật độ quang học) tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch: OD = A = εLC (2.1) Trong đó: OD hay E, A : Mật độ quang học của dung dịch C : Nồng độ dung dịch ε: Hệ số tắt của dụng dịch L : Chiều dày lớp dung dịch mà chùm tia sáng đi qua. Trong các tham số trên, hệ số tắt của dung dịch không đổi, chiều dày lớp dung dịch mà chùm tia sáng đi qua không đổi. Bản chất dung dịch và bước sóng không đổi, nên mật độ quang OD chỉ còn phụ thuộc vào nồng độ C của dung dịch. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 Chương 3.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Nếu nồng độ dung dịch cần định lượng vượt quá giới hạn cho phép thì mật độ quang học không còn tuyến tính với nồng độ dung dịch nữa. Khi đó nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử là đáng kể, sẽ sai khác đi, hệ số hấp thụ không phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ nữa, khi ấy phải pha loãng dung dịch, kết quả thu được phải nhân với tỉ lệ pha loãng. Quá trình dẫn truyền ánh sáng qua dung dịch được biểu diễn như sau: It = I0.3) Dựa vào định luật Bouguer - Lamber - Beer ta tính được nồng độ dung dịch cần đo: CT = (AT/AM).4) Trong đó CM là nồng độ dung dịch mẫu đã biết trước. ODM (AM) mẫu là mật độ quang của dung dịch mẫu đo được.
Như vậy hệ số K được coi là hệ số chuẩn trong quá trình làm xét nghiệm tìm nồng độ chất thử: CT = Hệ số K × ODT = Hệ số K × AT (2.5) Trong đó CT : nồng độ mẫu thử. ODT hay AT : mật độ quang của mẫu thử.3 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm biên quang học. Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong động mạch tăng lên. Chính sự thăng giáng áp suất máu này sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biên thiên đồng bộ với nhịp tim.
Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn ánh sáng sau khi truyền qua được động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.1 a) Sự truyền ánh sáng qua động mạch, b) Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay 2.2 PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN TÉ NGÃ Phương pháp phát hiện té ngã bằng cách sử dụng cảm biến gia tốc được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Có rất nhiều nghiên cứu đã được được thực hiện trước đây, đầu tiên là phân tích khả năng tăng tốc để phát hiện sự té ngã. Mathie đã sử dụng một gia tốc kế ba trục, gắn ở thắt lưng, để phát hiện các cú ngã.
Lindemann đã tích hợp một gia tốc kế ba trục vào vỏ máy trợ thính và sử dụng các ngưỡng gia tốc và vận tốc để quyết định xem có xảy ra té ngã hay không. Bourke đặt hai gia tốc kế ba trục ở thân và đùi, đồng thời loại bỏ bốn ngưỡng, ngưỡng trên và ngưỡng dưới cho cả thân và đùi. Loại giải pháp thứ hai sử dụng cả thông tin về gia tốc và hướng cơ thể để phát hiện ngã. Noury đã phát triển một thiết bị phát hiện ngã bao gồm ba cảm biến: cảm biến độ nghiêng để theo dõi hướng của cơ thể, máy đo gia tốc áp điện để theo dõi cú sốc gia tốc thẳng đứng và cảm biến rung để theo dõi chuyển động của cơ thể.
Noury đã phát triển một cảm biến với hai gia tốc kế định hướng trực giao và sử dụng cảm biến này để theo dõi độ nghiêng và tốc độ nghiêng nhằm phát hiện ngã. Chen đã xem xét sự thay đổi trong định hướng cơ thể trong một va chạm để theo dõi tình trạng té ngã. Định hướng cơ thể có thể giúp cải thiện độ chính xác của việc phát hiện ngã, nhưng sử dụng một thiết bị BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ duy nhất chỉ có thể theo dõi hướng của thân, không thể thu thập thêm thông tin tư thế khi sử dụng loại phương pháp này.
Bên cạnh hai loại giải pháp phát hiện ngã chính được nêu ở trên, các kỹ thuật suy luận phức hợp cũng được sử dụng để cải thiện độ chính xác của hoạt động nhận dạng. Raghu và cộng sự gắn năm gia tốc kế vào áo khoác và thực hiện nhận dạng hoạt động bằng cách sử dụng các mô hình Markov ẩn để phân tích dữ liệu gia tốc. Phương pháp của họ cần các mẫu hoạt động và tính toán quan trọng, vì vậy nó không thích hợp để phát hiện ngã. Các phương pháp này nó được áp dụng và nghiên cứu rất nhiều do chi phí thi công thiết bị thấp và có thể đeo trên người do đó nó có phạm vi hoạt động rất rộng, dùng để phát hiện ngã ở môi trường cả trong nhà hoặc ngoài trời.
Thuật toán phát hện té ngã dựa vào tín hiệu từ gia tốc kế hoặc con quay hồi chuyển và sử dụng phương pháp dựa trên ngưỡng để phát hiện cú ngã của con người. Dữ liệu do gia tốc kế và con quay hồi chuyển thu thập được truyền đến vi điều khiển để xử lý.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Trong đề tài này nhóm đã sử dụng các cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu MAX30102, cảm biến gia tốc và góc quay MPU 6050 để thu thập dữ liệu đo các thông số và phát hiện té ngã, kết nối với vi điều khiển Arduino Nano, định vị nơi té ngã bằng Module GPS và gửi tin nhắn qua điện thoại thông báo vị trí cũng như gọi điện thoại đến người thân.1 Cảm biến MAX30102 MAX30102 là cảm biến nhịp tim và đo nồng độ oxy trong máu sử dụng phương pháp đo quang phổ biến hiện nay với thiết kế và chất liệu mắt đo chuyên biệt từ chính hãng Maxim cho độ chính xác và độ bền cao, cảm biến sử dụng giao tiếp I2C với bộ thư viện sẵn có trên Arduino rất dễ sử dụng. Đây là một mô-đun đo nhịp tim và oxy trong máy tích hợp. Nó bao gồm đèn LED bên trong, bộ tách sóng quang, các bộ phận quang học và các thiết bị điện tử có tiếng ồn thấp với khả năng loại bỏ ánh sáng xung quanh.
Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30102 hoạt động trên một nguồn cung cấp điện 1.8V và một nguồn cấp điện 5.0V riêng biệt cho các đèn LED bên trong. Giao tiếp thông qua giao diện tương thích I2C tiêu chuẩn và có thể được tắt thông qua phần BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ mềm với chế độ chờ bằng không. Nó cho phép các thanh ray nguồn vẫn được cấp nguồn ở mọi thời điểm.2 Cảm biến nhịp tim MAX30102 a.
Thông số kỹ thuật Đo được nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu Điện áp sử dụng: 1.8~5VDC Giao tiếp: I2C, mức tín hiệu TTL b. Mô tả sơ đồ chân Bảng 2.1 Chức năng các chân của cảm biến MAX30102 STT Tên Chức năng 1 RD Không có kết nối 2 SCL Đầu vào xung clock I2C 3 SDA Dữ liệu I2C 4 IRD Không có kết nối 5 VIN Điện áp đầu vào 6, 7 GND Nối đất 8 INT Ngắt hoạt động ở mức thấp. Sơ đồ chức năng của MAX30102 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 Chương 3.