Thiết kế hệ thống đo nhịp tim

- NGUYỄN SỸ HIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN TIẾN DŨNG Hà nội - 2016 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cuốn luận văn này do chính tôi nghiên cứu.
- Giới thiệu chung về nhịp tim.
- Nhịp tim bình thường.
- Rối loạn nhịp tim.
- Phương pháp xác định nhịp tim.
- Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric.
- Đo nhịp tim áp dụng phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram) 17 1.4.
- Một số thiết bị điện tử đo nhịp tim trên thị trường.
- Thiết bị đo nhịp tim bỏ túi.
- Giới thiệu về cảm biến nhịp tim XD-58.
- 55 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM.
- Đánh giá kết quả hệ thống đo nhịp tim.
- 78 4 1DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Nhịp tim chậm.
- 10 Hinh 1.2: Máy tạo nhịp tim.
- Một thiết bị nghe nhịp tim của hãng microlife.
- 15 Hình 1.8: Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric và thiết bị đo Ocillometric.
- 16 Hình 1.9: Dạng tín hiệu nhịp đập của nhịp tim.
- 34 Hình 2.12: Hình ảnh mặt sau của cảm biến nhịp tim XD-58.
- 36 Hình 2.15: Mạch nguyên lý cảm biến xung nhịp tim.
- 57 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống của thiết bị đo nhịp tim.
- 58 Hình 3.3: Cảm biến nhịp tim.
- Trong đó giám sát nhịp tim cũng là một khả năng mà Arduino có thể đảm nhận.
- Hiện nay có rất nhiều thiết bị có thể sử dụng để đo được nhịp tim chính xác của con người đó có thể là một thiết bị trong phòng khám của bệnh viện, hay một chiếc smartphone.
- Tuy nhiên chúng ta sẽ có thể không cần mất thời gian tới gặp bác sĩ hay bỏ ra một khoản tiền lớn mua một chiếc smartphone để đo nhịp tim của mình nữa.
- Chỉ với một kit Arduino bằng lòng bàn tay và một cảm biến nhịp tim (pulse sensor) nhỏ nhắn, chúng ta đã có thể tự kiểm tra nhịp tim của mình và người thân thông qua màn hình hiển thị trên máy tính hoặc một màn hình LCD nào đó với giá thành thấp.
- Giới thiệu về kit vi điều khiển Arduino uno, cảm biến nhịp tim XD-58 và LCD 16x2 Chương 3.
- Thiết kế hệ thống đo nhịp tim 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.
- Mở đầu Nhịp tim là một trong những thông số quan trọng của cơ thể, dựa vào đó để đánh giá sức khỏe con con người, tưởng chừng rất quen thuộc nhưng không phải ai cũng nắm rõ.
- Vấn đề theo dõi sức khỏe thường xuyên của bản thân cũng trở lên cấp thiết, bằng việc theo dõi nhịp tim của mình giúp phát hiện kịp thời các tín hiệu xấu đối với sức khỏe.
- Ngoài ra việc theo dõi nhịp tim cũng góp phần hỗ trợ trong việc rèn luyện cơ thể, nâng cao sức khỏe con người.
- Giới thiệu chung về nhịp tim Nhịp tim được xác định là số lần đập của tim trong một phút có ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe của con người.
- Nói cách khác biết được nhịp tim của cơ thể sẽ cho ta biết nhiều thông tin về tình trạng sức khỏe của bản thân.
- Một vận động viên chuyên nghiệp khi ở chế độ xả hơi nhịp tim của họ chỉ khoảng 40 nhịp một phút.
- Ví dụ như tay đua xe đạp Lance Armstrong, nhịp tim bình thường của anh chỉ có 32 nhịp mỗi phút.
- Theo cơ quan y tế quốc gia vương quốc Anh, dưới đây là tiêu chuẩn nhịp tim lý tưởng của từng lứa tuổi.
- Nhịp tim của chúng ta có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, chẳng hạn như.
- Trạng thái tinh thần hoặc cảm xúc (ví như sự phấn khích, giận dữ, sợ hãi, lo lắng, và các yếu tố khác đều có thể làm tăng nhịp tim.
- Rối loạn nhịp tim 1.2.2.1.
- Nhịp tim chậm Nhịp tim chậm tiến triển âm thầm với những biểu hiện kín đáo và thường bị bỏ qua.
- 11 Hinh 1.2: Máy tạo nhịp tim Trường hợp xấu nhất khi nhịp tim quá chậm (dưới 30 lần/ phút), não bị thiếu Oxy trầm trọng dẫn tới ngất, nếu các biện pháp làm tăng nhịp tim không được thực hiện kịp thời có thể dẫn đến tử vong.
- Nhịp nhanh thất Nhanh thất là nhịp tim nhanh phát sinh ở buồng dưới của tim (tâm thất).
- Nguy cơ ngừng tim giảm xuống nếu uống thuốc làm chậm nhịp tim (như thuốc chẹn beta), phẫu thuật tim hoặc cấy máy khử rung tim dưới da.
- Phương pháp xác định nhịp tim 1.3.1.
- Nghe tim Là phương pháp xác định nhịp tim qua một ống nghe dựa vào tiếng đập của tim phát ra.
- Một thiết bị nghe nhịp tim của hãng microlife 1.3.2.
- Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric Phương pháp này sử dụng một bao khí có gắn sensor đo, quấn quanh bắp tay của người cần đo, bắp tay nơi quấn bao khí phải được đặt ngang tim.
- Chu kì thay đổi của tín hiện điện này đúng bằng chu kì của nhịp tim.
- Với phương pháp này nhịp tim được tính xác định bằng cách đếm số chu kì này trong một khoảng thời gian nhất định sau đó chia cho khoảng thời gian đếm.
- Phương pháp này tuy đơn giản nhưng độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong thời gian không đủ lớn Hình 1.8: Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric và thiết bị đo Ocillometric Hình 1.9: Dạng tín hiệu nhịp đập của nhịp tim Khi tim co bóp sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể.
- Đo nhịp tim áp dụng phương pháp đo quang thể tích (Photoplethysmogram) Có một phương pháp có thể nhận 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 dùng cảm biến quang học.
- Với những ưu điểm trên, đây sẽ là là phương pháp tác giả lựa chọn để sử dụng đo nhịp tim trong luận văn này.
- Một số thiết bị điện tử đo nhịp tim trên thị trường Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị đo nhịp tim, đa dạng về chủng loại và mẫu mã.
- Các tính năng đo nhịp tim này được tích hợp vào điện thoại thông minh và đồng hồ đeo tay.
- Đặc biệt tính năng đo nhịp tim.
- Thiết bị đo nhịp tim bỏ túi Hiện nay còn có rất nhiều chủng loại các thiết bị đo nhịp tim bỏ túi được thiết kế nhỏ gọn, tin cậy, tích hợp nhiều tính năng.
- Hình 1.13: Máy đo nồng độ oxy bão hòa trong máu và nhịp xung Acare OxiSmarter I Máy đo nhịp tim tích hợp chức năng đo nồng độ oxy trong máu OxiSmarter I.
- Cung cấp việc đo nhịp tim và SpO2 độ chính xác cao.
- Hiển thị.
- Đưa ra hai bệnh lí liên quan đến nhịp tim thường gặp.
- 20 - Giới thiệu một số phương pháp xác định nhịp tim hiện nay nhằm mục đích đề xuất phương án thiết kế Module đo và giám sát các thông số về nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị thông số đo lên màn hình.
- 21 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆT VỀ KIT VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO, CẢM BIẾN NHỊP TIM XD-58 VÀ LCD 16x2 2.1.
- Cảm biến xung XD- 58C có cơ chế hoạt động dựa trên phương pháp đo quang thể tích, được biết đến như một trong những thiết bị y tế được sử dụng để kiểm tra nhịp tim một cách không xâm lấn.
- Hình 2.12: Hình ảnh mặt sau của cảm biến nhịp tim XD-58.
- Đặc điểm thông số đo nhịp tim.
- Mạch cảm biến xung Hình 2.15: Mạch nguyên lý cảm biến xung nhịp tim.
- Đếm số xung vuông này trong 1 khoảng thời gian sẽ thu được nhịp tim cần đo 38 2.5.
- Giới thiệu module cảm biến nhịp tim XD-58, cơ chế hoạt động và cấu trúc phần cứng của module.
- Lựa chọn màn hình hiển thị sẽ được sử dụng 56 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHỊP TIM 3.1.
- Ý tưởng thiết kế Với một mong muốn thiết kế một thiết kích thước nhỏ gọn giúp xác định được nhịp tim của người sử dụng để có thể có đánh giá chung về tinh hình sức khỏe.
- Tuy nhiên vì thời gian có hạn nên tác giả chỉ thiết kế hệ thống xác định một thông số là nhịp tim của bệnh nhân, và hiển thị giá trị đo trên màn hình LCD.
- Với hệ thống này thì mọi người có thể tự theo dõi nhịp tim của mình một cách nhanh chóng chính xác, mà không cần đến các thiết bị đắt tiền có chức năng tương đương khác.
- Mục tiêu của đề tài hướng đến việc thiết kế một module xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiển thị thông số đo được về nhịp tim lên màn hình LCD.
- Với giá thành chấp nhận được, đề tài có thể là một giải pháp hữu ích cho các cá nhân, hộ gia đình, bệnh viện… trong chăm sóc và theo dõi bệnh nhân hoặc trong trường học để tìm hiểu về cơ chế hoạt động của nhịp tim, thực hành vận dụng các kiến thức đã học về điện tử y sinh trong việc thiết kế và thi công một thiết bị đo, giám sát nhịp tim đơn giản và hiệu quả [1].
- Yêu cầu hệ thống Thiết kế hệ thống đo nhịp tim bằng kit vi điều khiển Arduino Uno sử dụng cảm biến XD-58 cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau.
- Hệ thống đo được nhịp tim của bệnh nhân - Chi phí thiết kế hệ thống thấp - Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu và có khả năng mở rộng cao - Hệ thống hoạt động ổn định chính xác 57 - Điện năng tiêu thụ ít - Hệ thống dễ vận hành sử dụng 3.3.
- Từ hạn chế của phương pháp đo truyền thống và yêu cầu đặt ra của đề tài, tác giả xin đưa ra một giải pháp công nghệ: Thiết kế, xây dựng modul giám sát nhịp tim bệnh nhân sử dụng board điều khiển Arduino và cảm biến đo nhịp tim XD-58.
- Hệ thống đo và hiển thị giá trị nhịp tim gồm ba phần.
- Phần thứ nhất là thiết bị cảm biến nhịp tim dựa trên sự thay đổi của độ hấp thụ ánh sáng khi áp suất trong mạch máu thay đổi.
- Chức năng chính của nó là xử lí tín hiệu thu được từ cảm biến nhịp tim gửi về.
- Phần thứ 3 là khối hiển thị, giúp hiển thị giá trị nhịp tim mà cảm biến đo được lên màn hình LCD Các thiết bị phần cứng gồm.
- 1 module Arduino Uno - 1 module cảm biến nhịp tim module XD-58 - Cáp nối USB - 1 màn hình LCD Mô hình đề xuất cho hệ thống đo nhịp tim được mô tả trong hình dưới Hình 3.1.: Sơ đồ tổng quan hệ thống 58 3.4.
- Thiết kế hệ thống Hệ thống được thiết kế để thực hiện chức năng đo và hiển thị số nhịp tim/phút.
- Tín hiệu nhịp tim đo được dựa vào sự thay đổi cường độ ánh sáng trong mạch máu dội lại cảm biến tương ứng với nhịp đập của tim.
- Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống của thiết bị đo nhịp tim.
- Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị giá trị nhịp tim đo được.
- Cảm biến nhịp tim Cảm biến nhịp tim loại XD-58 được sử dụng trong khối này.
- Sự thay đổi là rất nhỏ, nên phần cảm nhận ánh sáng (quang trở) thường có mạch IC đề khuếch đại tín hiệu thay đổi này, đưa về các mạch lọc, tín hiệu được truyền về khối điều khiển để tính toán ra nhịp tim.
- Hình 3.3: Cảm biến nhịp tim - Nguồn: 3-5V.
- 1 thiết bị là sản phẩm của luận văn và thiết bị còn lại là máy đo nhịp tim huyết áp của Omron Hem-7200.
- Đảm bảo sao cho cảm biến nhịp tim XD-58 được tiếp xúc tốt nhất với da.
- Và giá trị kì vọng, tức giá trị nhịp tim trung bình các lần đo sử dụng cảm biến XD-58 là 72.6 nhịp/phút.
- Ta thu được bảng số liệu dưới đây Bảng 3.2: Khi cơ thể vừa mới vận động xong Lần đo Cảm biến XD-58 Omron Hem Giá trị trung bình Từ bảng số liệu trên ta thu được giá trị nhịp tim trung bình của 2 giá trị đo xấp xỉ bằng nhau, giá trị nhịp tim trung bình đo bằng cảm biến XD-58 và thiết bị Omron Hem-7200 lần lượt bằng 103.1 nhịp/phút và 102.6 nhịp trên phút.
- Áp dụng công thức tính phương sai (3.2) Ta thu được phương sai khi sử dụng cảm biến XD-58 là  Dn =140.2 Và phương sai khi sử dụng thiết bị Omron Hem-7200  Dn = 127.4 Giá trị nhịp tim trong bảng số liệu 3.2 có độ chênh lệch lớn hơn so với bảng số liệu 3.1 do cường độ vận động thay đổi từ vận động nhẹ cho tới vận động nặng dẫn tới nhịp tim cũng có giá trị thay đổi theo.
- Độ tin cậy phép đo nhịp tim sử dụng cảm biến XD-58 tương đương với Phép đo sử dụng thiết bị Omron Hem-7200.
- nhiễu ánh sáng, tiến hành phép đo chưa chính xác, nhiệt độ môi trường...Và đặc biệt là trạng thái của cơ thể như vận động, suy nghĩ...cũng dẫn tới sự thay đổi của nhịp tim, trong khoảng thời gian 1 phút giá trị của nhịp tim có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố kể trên.
- Từ kết quả thu được thông qua một số lần thử nghiệm hoạt động của hệ thống được đánh giá như sau: a) Ưu điểm của hệ thống - Hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng theo yêu cầu thiết kế - Hệ thống đã xác định được nhịp tim bệnh nhân với sai khác nhỏ so với giá trị thực tế - Hệ thống chạy ổn định - Hình ảnh hiển thị trên LCD rõ ràng - Hệ thống phần cứng cấu trúc nhỏ gọn, đẹp mắt - Chi phí thiết kế hệ thống thấp - Hệ thống tiêu thụ ít điện năng b) Nhược điểm của hệ thống - Hệ thống chưa tích hợp được nhiều chức năng - Kết quả đo còn có hiện tương sai số giữa các lần đo - Chất lượng mạch chưa cao vì làm thủ công bằng tay 3.9.
- Kết luận chương 3 Chương 3 trình bày việc thực thi thiết kế Module đo và giám sát nhịp tim - Xây dựng và thiết kế hệ thống phần cứng kèm hình ảnh minh họa về sản phẩn phần cứng thu được.
- Phân tích hoạt động của hệ thống đo nhịp tim sử dụng module XD-58 76 - Tiến hành đo kiểm thử thực tế và đánh giá kết quả của hệ thống đo nhịp tim.
- Kết luận và hướng phát triển Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và xây dựng hệ thống đo và hiển thị giá trị nhịp tim đến nay đã hoàn thành.
- Hệ thống đo được nhịp tim và hiển thị rõ nét giá trị lên màn hình LCD

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt