Đồ án thiết kế hệ thống đô nhịp tim và nồng độ oxy có tích hợp IoT

Thiết kế hệ thống giám sát đo nhịp tim và nồng độ Oxy. Dấu hiệu sinh tồn của sự sống bao gồm 4 dấu hiệu: mạch, nhiệt độ, huyết áp, nhịp thở. Trong các ca cấp cứu khẩn cấp người ta luôn luôn phải đo 4 thông số này để theo dõi bệnh nhân. Ngày nay, khi khoa học ngày càng phát triển người ta đưa thêm vào dấu hiệu sinh tồn thứ 5 đó là nồng độ bão hòa Oxy trong máu. Trong những trường hợp đặc biệt như khi bệnh nhân bị ngộ độc khí thở thì máy đo nồng độ Oxy trong máu cực kỳ quan trọng. Máy theo dõi bệnh nhân nếu lượng Oxy trong người thấp hơn tiêu chuẩn cho phép thì phải cho bệnh nhân thở bằng máy thở. Qua dẫn chứng trên chúng ta có thể thấy được tầm quan trọng của máy đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu. Đồ án này nhằm nghiên cứu về phương pháp đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học, từ đó xây dựng mô hình máy đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu và nhịp tim. Sau một thời gian học tập, tìm tòi và học hỏi. Được sự chỉ bảo và hướng dẫn của thầy và sự giúp đỡ của các bạn. Đến nay nhiệm vụ được giao thực hiện đồ án môn Đồ án môn học của chúng em đã hoàn thành. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên chắc rằng đồ án của chúng em sẽ còn nhiều thiếu xót. Rất mong được sự giúp đỡ của thầy cô và bạn bè. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ chúng em làm đồ án này.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA: CƠ KHÍ

─────── * ───────

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

Thiết kế hệ thống giám sát đo nhịp tim và nồng độ oxy.

Đổng Văn Tiến Nguyễn Thành Trung

Hà Nội - 2022

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: Cơ Điện Tử Khóa: K15

2 Tên nhóm: Nhóm 3

Họ và tên thành viên: Lưu Tuấn Vũ MSV:

Nguyễn Thành Trung MSV:

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống giám sát đo nhịp tim và nồng độ Oxy.

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (L2.1)

- Nội dung 4: Viết báo cáo

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch

III Nhiệm vụ học tập

1 Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/09/2022 đếnngày 02/12/2022)

2 Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếucó): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng

TS Nguyễn Anh Tú Th.S Trần Quốc Bảo

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Các vấn đề đặt ra 3

1.2.1 Tìm hiểu các phương pháp đo hiện nay 3

1.2.2 Tim hiểu phần cứng 6

1.2.3 Tìm hiểu phần mềm 6

1.2.4 Cơ cấu chấp hành 6

1.3 Phương pháp thực hiện 7

1.4 Giới hạn nghiên cứu và phạm vi sử dụng 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Lý thuyết về nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu 9

2.1.1 Khái niệm nhịp tim 9

2.1.2 Khái niệm nồng độ Oxy trong máu 10

2.2 Cảm biến 11

2.2.1 Khái niệm cảm biến 11

2.2.2 Cảm biến đo nhịp tim và nồng độ Oxy 12

2.3 Xử lý tín hiệu và hệ thống đo 15

2.4 Vi xử lý, Vi điều khiển 16

2.4.1. Khái niệm vi xử lý và vi điều khiển 16

2.4.2 Một số vi xử lý phổ biến 17

2.5 Hệ thống điều khiển 18

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ 20

3.1 Tính toán lựa chọn thiết bị 20

3.1.1 Cảm biến MAX30100 20

3.1.2 Bộ vi điều khiển ESP8266 NodeMCU 22

3.1.3 Bộ hiển thi màn hình LED 26

3.2 Thiết kế mạch đo và khối điều khiển 28

3.2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống 28

3.2.2 Thiết kế mạch đo và điều khiển 29

3.2.3 Mô phỏng giao tiếp không giây 30

3.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán và viết trương trình 33

3.3.1 Lưu đồ thuật toán 33

3.3.2. Code chương trình 35

3.4 Hoàn thiện và đánh giá sản phẩm 37

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39

Kết luận 39

Hướng phát triển 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các bệnh liên quan đến tim mạch 3

Hình 1.2: Đo nhịp tim bằng ngón trỏ và ngón giữa 4

Hình 1.3: Đo nhịp tim bằng ống nghe 4

Hình 1.4: Đo nhịp tim bằng điện cực 5

Hình 1.5: Đo không xâm lấn 5

Hình 2.1: Các thế tác động qua màng 10

Hình 2.2: Cảm biến Max30100 12

Hình 2.3: Cảm biến max30102 13

Hình 2.4: Cảm biến Pluse 14

Hình 2.5: Cảm biến OSRAM SFH 7060 BIOFY 14

Hình 2.6: Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học 16

Hình 2.7: Bộ xử lý Arduino Mega 2560 17

Hình 2.8: Bộ xử lý ESP8266 Node MCU 17

Hình 2.9: Bộ xử lý ESP 32 18

Hình 2.10: Sơ đồ khối cơ bản 19

Hình 3.1: LED và LRD dùng trong cảm biến 20

Hình 3.2: Sơ đồ chân cảm biến MAX30100 21

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý cảm biến MAX30100 22

Hình 3.4: Sơ đồ chân bộ xử lý ESP8266 25

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý màn hình Oled 27

Hình 3.6: Điện áp và dòng diện tiêu thụ của các module 28

Hình 3.7: Sơ đồ kết nối các module 29

Hình 3.8: Giao diện website Blynk 31

Hình 3.9: Giao diện thiết lập Template 31

Hình 3.10: Giao diện device 32

Hình 3.11: Giao diện blynk app 33

Hình 3.12: Sản phẩm sau khi hoàn thiện 38

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Nhịp tim bình thường theo lứu tuổi 9

Bảng 3.1: So sánh các bộ vi xử lý 24

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật cảm biến Max30100 27

Bảng 3.3: Các chân kết nối của ESP8266 với màn hình 29

Bảng 3.4: Các chân kết nối của ESP8266 với cảm biến 29

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát sản phẩm của người bình thường đo bằng sản phẩm nhóm thiết kế 37

Bảng 3.6: Kết quả khảo sát của người người bình thường đo bằng thiết bị đã thương mại hóa 37

LỜI NÓI ĐẦU

Dấu hiệu sinh tồn của sự sống bao gồm 4 dấu hiệu: mạch, nhiệt độ, huyết áp,nhịp thở Trong các ca cấp cứu khẩn cấp người ta luôn luôn phải đo 4 thông số này đểtheo dõi bệnh nhân Ngày nay, khi khoa học ngày càng phát triển người ta đưa thêmvào dấu hiệu sinh tồn thứ 5 đó là nồng độ bão hòa Oxy trong máu Trong nhữngtrường hợp đặc biệt như khi bệnh nhân bị ngộ độc khí thở thì máy đo nồng độ Oxytrong máu cực kỳ quan trọng Máy theo dõi bệnh nhân nếu lượng Oxy trong ngườithấp hơn tiêu chuẩn cho phép thì phải cho bệnh nhân thở bằng máy thở Qua dẫnchứng trên chúng ta có thể thấy được tầm quan trọng của máy đo nồng độ bão hòa Oxytrong máu

Đồ án này nhằm nghiên cứu về phương pháp đo nồng độ bão hòa Oxy trong máu

và nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học, từ đó xây dựng mô hình máy đo

nồng độ bão hòa Oxy trong máu và nhịp tim.

Sau một thời gian học tập, tìm tòi và học hỏi Được sự chỉ bảo và hướng dẫn củathầy và sự giúp đỡ của các bạn Đến nay nhiệm vụ được giao thực hiện đồ án môn Đồ

án môn học của chúng em đã hoàn thành Tuy nhiên do thời gian có hạn nên chắc rằng

đồ án của chúng em sẽ còn nhiều thiếu xót Rất mong được sự giúp đỡ của thầy cô vàbạn bè Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ chúng em làm đồ án này

Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm

2022

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung

Trong nền công nghiệp hiện đại, thuật ngữ “đo lường và điều khiển” đãtrở nên quá quen thuộc, sẽ không phải mô tả nhiều để có thể hình dung được mục đích,tác dụng và tầm quan trọng của nó Hiện tại các hệ thống thiết bị đo lường và điềukhiển tự động đều mang một tỷ trọng rất lớn các phần tử với đặc điểm của kỹ thuật vitính Có thể tìm thấy các phần tử đó ở mọi lớp của cấu trúc hệ thống Từ lớp kế cậnhay trực tiếp với quá trình công nghệ, cho tới các lớp cấp trên Kỹ thuật vi tính đã gópphần làm thay đổi bộ mặt của các trung tâm điều khiển, nơi theo dõi - xử lý các tínhiệu - dữ liệu thu thập được, thực hiện các nhiệm vụ điều khiển và tối ưu hoá, vậnhành và phân tích quá trình công nghệ Khi xây dựng các hệ thống đo lường và điềukhiển dựa trên máy tính có sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng thường yêu cầu

có tốc độ giao tiếp cao Nhu cầu về đo lường - điều khiển ngày càng phức tạp và nhucầu làm việc liên tục của các quá trình sản xuất đòi hỏi độ tin cậy của các thiết bị đolường - điều khiển ngày càng cao

Các thiết bị đo lường và điều khiển có ứng dụng quan trọng trong thực tế, có rấtnhiều đề tài tiêu biểu có tính thiết thực trong xã hội: Thiết bị đo lường và điều khiểntrong hệ thống xử lí nước thải, hệ thống tưới nước thông minh dùng trong nôngnghiệp…

Trong lĩnh vực y tế: Thiết bị đo, giám sát nhịp tim và nồng độ oxy trongmáu(SpO2) có vai trò quan trọng trong việc chuẩn đoán lâm sàng vấn đề tim mạch…Lịch sử phát triển:

- Năm 1935: Thiết bị đo SpO2 đầu tiên, không xâm lấn, bằng cách cho ánh sángmàu chiếu xuyên qua cơ thể với một đầu dò tai

- Năm 1972: Aoyagi của tập đoàn Nihon Kohden đã chính thức cho ra đời máy

đo oxy dựa vào mạch đập (Pulse oximetry)

- Năm 1987: Máy đo SpO2 dựa vào mạch đập đã được sử dụng rộng rãi ở cácphòng gây mê của Mỹ

- Từ năm 1990 – đến nay: Máy đo SpO2 được sử dụng phổ biến khắp thế giới

1.2 Các vấn đề đặt ra

1.2.1 Tìm hiểu các phương pháp đo hiện nay

Ngày nay với sự phát triển của ngành điện tử và ứng dụng điện tử đã giúp sựsáng tạo của con người trở thành hiện thực Ngành điện tử và ứng dụng điện tử vàolĩnh vực y sinh đã tạo chỗ đứng và khẳng định được tầm quan trọng của mình đối vớinhu cầu của con người Những sự cố ảnh hưởng đến sức khỏe có thể xảy ra bất cứ lúcnào với chúng ta nếu như chúng ta quan tâm chưa đúng về vấn đề tim mạch trong đờisống thường ngày Mặc dù trình độ khoa học kỹ thuật trong nước về lĩnh vực y tế đang

có những bước tiến lớn, tuy nhiên do là một nước đang phát triển, việc chăm lo đảmbảo cho sức khỏe người dân cũng có nhiều hạn chế và chưa được thật sự chú trọng.Vấn đề đột quỵ ở những người cao tuổi đang là tình trạng khá phổ biến hiện nay.Nguyên nhân của vấn đề này đó chính là biến chứng của huyết áp cao, tim sẽ phải làmviệc nhiều hơn để bơm máu, dẫn đến hiện tượng căng tim và hỏng mạch máu, từ đólàm tăng nguy cơ đau tim, đột quỵ Chính vì vậy việc theo dõi nhịp tim thường xuyênđối với những người cao tuổi là khá quan trọng

Các phương pháp đo nhịp tim: Có rất nhiều phương pháp để đo và xác định nhịptim khác nhau hiện nay trong và ngoài nước Nhìn chung các phương pháp đo là giốngnhau chỉ khác nhau ở hình thức đo và được chia làm ba phương pháp là: thủ công, xâmlấn, không xâm lấn

Hình 1.1 Các bệnh liên quan đến tim mạch

Phương pháp 1: Phương pháp thủ công

Đo nhịp tim bằng nhấn ngón tay: Sử dụng mặt trong của 2 ngón tay áp sát vàomặt trong của cổ tay bên kia, bấm nhẹ vào đó cho đến khi cảm thấy có nhịp đập Sau

đó dùng đồng hồ để xác định số nhịp đập

Đo nhịp tim bằng dùng ống nghe: đeo tai nghe và kiểm tra ống nghe, đặt ống nghe lêncác vị trí nghe tim, mỗi lần đặt ống nghe 10-20 giây Sau đó dùng đồng hồ để xác định

số nhịp tim

Nhận xét:

kể Kết quả đo có độ chính xác phụ thuộc vào người đo, có sự sai sót do chênh lệchthời gian đếm của người đo và đồng hồ đếm thời gian Tốn nhiều thời gian, công sức

để đo

Phương pháp 2: Phương pháp xâm lấn:

Hình 1.2 Đo nhịp tim bằng ngón trỏ và ngón giữa

Hình 1.3 Đo nhịp tim bằng ống nghe

Hình 1.5 Đo không xâm lấn

Sử dụng các điện cực để đo nhịp tim trong một khoảng thời gian, dòng điện từnguồn sẽ đi qua các điện cực vào cơ thể rồi phản hồi lại các thông tin nhịp tim Cácđiện cực sẽ được gắn lên vùng ngực đã được cồn khử trùng, dụng cụ sẽ được khởiđộng và đo liên tục từ 24-48 tiếng, dữ liệu sẽ được lưu trữ vào một bộ nhớ

Hình 1.4 Đo nhịp tim bằng điện cực

Nhận xét:

cố định, gây cảm giác khó chịu

Phương pháp 3: Phương pháp không xâm lấn

Trước khi đo nên xoa ấm bàn tay trước để có được kết quả chính, sau đó mở kẹp

và đặt ngón tay vào khe kẹp Nhấn nút nguồn để khởi động máy Lưu ý không dichuyển tay trong khi đo Máy sẽ hiển thị kết quả trên màn hình sau vài giây

Nhận xét:

 Qua việc tìm hiểu một số phương pháp đo nhịp tim và nồng độ SpO2 thì

nhóm chúng em đã thống nhất thiết kế máy đo với phương pháp không xâm lấn

và có thể theo dõi các chỉ số trên smartphone Tuy nhiên các vấn đề đặt ra ở đây

là lựa chọn tính toán phần cứng, phần mềm và các yêu cầu về cơ cấu chấp hành sao cho tối ưu và có độ chính xác cao.

1.2.2 Tìm hiểu phần cứng

Lựa chọn cảm biến sao cho vừa có chức năng đo nhịp tim, vừa có chức năng đoSpO2 và có kích thước nhỏ gọn, thuận tiện cho việc sử dụng thường xuyên Một sốloại cảm biến mà nhóm đã tìm hiểu qua như: Max30100, Max30102, Pulse Sensor,OSRAM SFH 7060 BIOFY, ROHM BH1792GLC

Bộ vi xử lý là một trong những bộ phận rất quan trọng của máy đo, cần phải lựachọn một bộ vi xử lý có thể tính toán nhanh, chính xác các dữ liệu nhận từ cảm biến.Một số bộ vi xử lý: ESP8266 Node MCU, Arduino UNO R3,…

Cần lựa chọn màn hình với kích thước đủ rộng và độ tương phản rõ nét vào banngày cũng như khả năng tiết kiệm năng lượng tối đa để hiển thị các thông số cơ bảncủa máy đo Một số loại màn hình phổ biến như: Oled Trắng 0.96 inch, LCD 1602,LCD 12864,…

Sau khi tìm hiểu và lựa chọn xong linh kiện cần phải thiết kế sản phẩm hoànchỉnh thành mô hình máy đo dạng hộp nhỏ

1.2.4 Cơ cấu chấp hành

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến: phát ra 2 ánh sáng với 2 bước sóngkhác nhau, tia hồng ngoại với bước sóng 950nm để đo SpO2 và ánh sáng đỏ với bướcsóng 650nm để đo nhịp tim

Tìm hiểu các chân giao tiếp của cảm biến với vi xử lý

Xây dựng sơ đồ khối và thuật toán xử lý tín hiệu nhận từ cảm biến cho máy đo

1.3 Phương pháp thực hiện

Đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát đo nhịp tim và nồng độ Oxy” được nhóm thựchiện bằng các bước: Tìm hiểu lý thuyết, mô phỏng trên phần mềm và tiến hành thựcnghiệm

Tìm hiểu lý thuyết:

Tìm hiểu về nhu cầu, sự cấp thiết trong thực tế, sau đó khảo sát các giải pháp đã

có hiện nay, so sánh, đánh giá các giải pháp và đưa ra nhận xét cho mỗi giải pháp vàlựa chọn giải pháp tối ưu nhất

Tìm hiểu, nghiên cứu các chỉ số về nhịp tim, nồng độ oxy đối với người khỏemạnh và người ốm yếu từ đó đưa ra được các mức cảnh báo khi đo

Thu thập tài liệu, tìm hiểu nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim và nống độ oxybằng phương pháp không xâm lấn Xử lý dữ liệu đưa về từ cảm biến, truyền dữ liệuqua giao tiếp không dây và xây dựng phần mềm trên hệ điều hành Android

Mô phỏng trên phần mềm:

Nghiên cứu phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển và chương trình điềukhiển Tìm hiểu các phần mềm lập trình để hỗ trợ như: Proteus, Arduino IDE , cácthông số chính của tín hiệu nhịp tim, từ đó xây dựng được giải thuật phù hợp nhằmgiảm thiểu sai số đo đạc

Mô hình hóa hoạt động của hệ thống trên phần mềm, từ đó rút ra được phươngpháp tối ưu khi thiết kế hệ thống thực tế

Tiến hành thực nghiệm:

Sau quá trình nghiên cứu bằng phương pháp lí thuyết cũng như phương pháp môphỏng nhóm tiến hành lựa chọn: Cảm biến, màn hình oled, mạch điều khiển cho hệthống

Tiến hành chế tạo, lắp ráp thành hệ thống hoàn chỉnh

Sau khi chế tạo hoàn thiện mô hình ta kiểm tra tính chính xác của máy đo bằng

cách đối chiếu kết quả của máy đo so với các thiết bị đang được sử dụng trên thịtrường.

Theo dõi, đánh giá và nhận xét quá trình thử nghiệm để chỉnh sửa mô hình hoạtđộng ổn định nhất

1.4 Giới hạn nghiên cứu và phạm vi sử dụng

Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu phương pháp đo nhịp tim và nồng độoxy trong máu không xâm lấn sử dụng kỹ thuật truyền xuyên qua Nội dung của đồ ántập trung thiết kế bộ tiền xử lý tín hiệu và mạch xử lý trung tâm Đồng thời nghiên cứuxây dựng phần mềm trên hệ điều hành Android Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giớihạn ở mô hình máy đo các thông số nhịp tim, SpO2 dùng vi điều khiển tiêu thụ côngsuất thấp

Đối tượng nghiên cứu về phần mềm là các giải thuật để đo được nhịp tim, nồng

độ oxi trong máu từ cảm biến MAX30100 chính xác, tức thời, đảm bảo hệ thống hoạtđộng đúng chức năng và thông tin tới người dùng qua mạng wifi, mạng di động Cáchthức lập trình ESP8266 Node MCU Giao tiếp giữa board ESP8266 Node MCU vàARM

Giới hạn nghiên cứu trong khuôn khổ mô hình nhỏ áp dụng ở hộ gia đình, phòngkhám nhỏ,… yêu cầu cần phải có 1 modem wifi để hoạt động Tìm hiểu các thông sốchính của tín hiệu nhịp tim, từ đó xây dựng được giải thuật phù hợp nhằm giảm thiểusai số đo đạc Kiểm tra tính chính xác của phép đo bằng các thiết bị đang được sử dụngtrên thị trường Kết quả đo được phụ thuộc vào chất lượng của cảm biến MAX30100

và cách đặt ngón tay lên cảm biến nên yêu cầu phải đặt ngón tay chính xác Cảm biếnMAX30100 được sử dụng trong đề tài này đo kết quả chính xác nhất là ở đầu ngón taytrỏ

Phạm vi sử dụng đề tài nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế hiện nay là một thiết bị diđộng đo nhịp tim, SpO2 của bệnh nhân mọi lúc, mọi nơi và có thể theo dõi bệnh nhânliên tục Với giá thành có thể chấp nhận được, đề tài có thể là một giải pháp hữu íchcho các hộ gia đình, bệnh viện, trường học trong việc chăm sóc và theo dõi bệnh nhân

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết về nhịp tim và nồng độ Oxy trong máu

2.1.1 Khái niệm nhịp tim

Nhịp tim là tốc độ nhịp tim đo bằng số lần co thắt (nhịp đập) của tim mỗi phút(BPM - beat per minute) Nhịp tim có thể thay đổi theo nhu cầu thể chất của cơ thể,bao gồm cả nhu cầu hấp thu oxy và bài tiết carbon dioxit Các hoạt động có thể tạo rathay đổi bao gồm tập thể dục, ngủ, lo lắng, căng thẳng, bệnh tật và khi uống thuốc Chỉ

số nhịp tim bình thường là khác nhau giữa các cá thể, phụ thuộc vào giới tính, độ tuổi,tình trạng sức khỏe, … Sự thay đổi của chỉ số nhịp tim có thể là dấu hiệu cho thấymột sự thay đổi của trạng thái tim, qua đó có thể phản ánh tình trạng sức khỏe cơ thể.Trong khi nhịp tim được điều hòa hoàn toàn bởi nút xoang nhĩ trong điều kiệnbình thường, nhịp tim được điều chỉnh bởi đầu vào giao cảm và giao cảm với nútxoang nhĩ Các dây thần kinh gia tốc cung cấp đầu vào thông cảm cho tim bằng cáchgiải phóng norepinephrine lên các tế bào của nút xoang nhĩ (nút SA), và dây thần kinhphế vị cung cấp đầu vào giao cảm với tim bằng cách giải phóng acetylcholine vào các

tế bào nút xoang nhĩ Do đó, kích thích thần kinh gia tốc tăng nhịp tim, trong khi kíchthích dây thần kinh phế vị làm giảm nhịp tim Nhịp tim được đo theo đơn vị nhịp/phút

Bảng 2.1 Nhịp tim bình thường theo lứa tuổi [2]

Thời điểm tốt nhất để bạn xác định nhịp tim nghỉ ngơi là buổi sáng, sau khi thứcdậy Bạn có thể đặt ngón trỏ và ngón giữa lên cổ tay hoặc một bên cổ để đếm nhịp timtrong vòng 60 giây Như đã trình bày ở trên, nhịp tim thông thường ở người trưởngthành là 60-100 nhịp/phút Tuy nhiên, nhịp tim nghỉ ngơi thấp hơn mức này không cónghĩa là bạn đang mắc bệnh tim mạch Ngược lại, nó cho thấy tim bạn hoạt động hiệuquả hơn mức thông thường và trên thực tế, các vận động viên chuyên nghiệp đều có

nhịp tim nghỉ ngơi quanh ngưỡng 40 nhịp/phút.

Ngoài ra nhịp tim còn chịu tác động từ 4 yếu tố:

- Nhiệt độ không khí: nhiệt độ tăng cao thường sẽ khiến tim bơm máu mạnhhơn và nhịp tim của bạn tăng 5-10 nhịp/phút

- Tư thế khi đo: yếu tố này chỉ ảnh hưởng đáng kể trong 15-20 giây đầu tiên.Vậy nên, bạn hãy luôn đợi một vài phút trước khi tiến hành đo nhịp tim

- Cân nặng: những người bị bệnh béo phì, thừa cân thường có nhịp tim cao hơnmức thông thường

- Sử dụng thuốc: các loại thuốc có chứa chất ức chế beta sẽ khiến nhịp tim củabạn chậm lại, trong khi thuốc chữa trị tuyến giáp lại khiến nhịp tim tăng lên.[6]

2.1.2 Khái niệm nồng độ Oxy trong máu

Một phân tử Hemoglobin (Hb) có thể kết hợp với 4 phân tử oxy, khi đã gắn đủ 4phân tử oxy được gọi là bão hòa oxy Độ bão hòa oxy trong máu còn được gọi là chỉ

số SpO2, biểu thị cho tỷ lệ Hemoglobin có oxy trên tổng lượng Hemoglobin trongmáu Nếu tất cả các phân tử Hemoglobin trong máu đều gắn với oxy thì độ bão hòaoxy là 100% Chỉ số SpO2 được xem là một trong những dấu hiệu sinh tồn của cơ thể,bên cạnh các dấu hiệu như: nhiệt độ, mạch, nhịp thở và huyết áp Khi bị thiếu oxymáu, các cơ quan như tim, gan, não sẽ chịu tác động tiêu cực rất nhanh Vì vậy, cầntheo dõi chỉ số SpO2 thường xuyên để kịp thời can thiệp nếu xảy ra tình trạng nguy

hiểm

Hình 2.6 Các thế tác động qua màng

Hầu hết các phân tử Hb sẽ gắn với oxy khi chúng đi qua phổi Một người khỏemạnh bình thường khi thở ở không khí trên mực nước biển sẽ có độ bão hòa oxy độngmạch là 95% - 100%

- Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 97% - 99%: oxy trong máu tốt

- Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 94% - 96%: oxy trong máu trung bìnhcần cho thở thêm oxy

- Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở khoảng 90% - 93%: oxy trong máu thấp nên

có y tá hoặc bác sĩ theo dõi hoặc đến bệnh viện gần nhất

- Nếu SpO2 dưới 92% không thở oxy hoặc dưới 95% có thở oxy: đây là các dấuhiệu suy hô hấp rất nặng

Độ bão hòa oxy thấp hơn 90% là một cấp cứu trên lâm sàng

Chỉ số SpO2 ở trẻ sơ sinh cũng giống như người lớn: trên 94% Nếu chỉ số SpO2của trẻ giảm xuống dưới mức 90% thì cần thông báo cho y bác sĩ để được hỗ trợ canthiệp kịp thời [4]

Nồng độ oxy trong máu bất thường nói lên:

Ngộ độc CO là một khí độc, có nhiều khi đốt than Đã có nhiều nạn nhân ngộ độckhí CO do dùng than tổ ong để sưởi ấm để lại hậu quả nghiêm trọng CO thay thế oxy

ở vị trí gắn vào Sắt trên phân tử Hb gây ra ngộ độc CO, làm tăng COHb (CO gắn vàoHemoglobin) và giảm HbO2 (oxy gắn vào Hemoglobin) Hiện tượng này làm giảm độbão hòa của oxy trong máu

Thiếu máu tức là Hemoglobin trong máu giảm thấp hơn bình thường Khi không

có tình trạng thiếu oxy máu, máy đo oxy dựa vào mạch đập sẽ cho kết quả chỉ số SpO2chính xác khi nồng độ hemoglobin giảm xuống 2 - 3g/dL

Những bệnh nhân có chỉ số đo SpO2 dưới 93%, được đánh giá là thiếu oxy máucần được thở oxy hoặc thở máy (nếu bệnh nhân không tự thở được) Với bệnh nhânlàm trong môi trường bí khí, thiếu oxy như nhà máy, lò đốt, mỏ quặng khi đi ra môitrường thoáng nhiều, oxy sẽ được bổ sung khi thở, bác sĩ sẽ điều chỉnh lượng oxy chobệnh nhân thở cho tới khi chỉ số SpO2 ở mức ổn định là 97 - 100% Mức oxy được sửdụng cho bệnh nhân tiếp tục được giữ cho tới khi họ thở ổn định trở lại [3]

2.2 Cảm biến

2.2.1 Khái niệm cảm biến

Cảm biến hay còn gọi là sensor Đây là một thiết bị điện tử có thể nhận biết cácyếu tố vật lý hoặc hoá học từ môi trường như: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,chuyển động, Sau đó, cảm biến sẽ chuyển các thông tin nhận được thành các dạngtin mã hoá và xuất về màn hình hoặc máy tính Nhờ vậy, cảm biến sẽ hỗ trợ hiệu quảviệc nghiên cứu khoa học, đo đạc hay điều khiển thiết bị từ xa,  

2.2.2 Cảm biến đo nhịp tim và nồng độ Oxy

Thông thường, cảm biến đo nhịp tim và nồng độ SPO2 sẽ có dạng một thiết bị kẹplên ngón tay, ngón chân hay phần mô mềm phía dưới tai Nó sử dụng các loại cảmbiến ánh sáng đỏ và hồng ngoại, phát các tia sáng đi qua ngón tay để phát hiện mứcoxy và sự thay đổi hàm lượng oxy trong máu, sau đó phân tích và đưa dữ liệu đến mànhình của thiết bị giúp thể hiện tỷ lệ oxy trong máu hiện tại của bạn và cập nhật theotừng giây. Tỷ lệ bão hòa oxy lớn hơn 95% được xem là chỉ số bình thường Tuy nhiênnếu hàm lượng ở mức 92% trở xuống, thì đã đến lúc phải quan tâm hơn đến sức khỏe

và tìm hiểu xem liệu cơ thể có đang mắc phải bệnh gì hay không

Có 5 loại cảm biến đo nhịp tim phổ biến: Cảm biến Max30100, max30102, cảmbiến Pulse, cảm biến OSRAM SFH 7060 BIOF, cảm biến ROHM BH1792GLC

- Chức năng đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.

- Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý MCU, Arduino vàRaspberry Pi

- Cảm biến Max30100 sử chíp Atmega 16 có bộ nhớ chương trình 16KB ISPflash có thể ghi xóa hàng nghìn lần

- Là module đo cảm biến nhịp tim và nồng độ oxy trong máu, nó tích hợp đènled màu đỏ và led hồng ngoại

- Cảm biến sử dụng giao tiếp I2C với bộ thư viện sẵn có trên Arduino rất dễ sửdụng

- Siêu tiết kiệm năng lượng, giúp tăng tuổi thọ pin cho máy đo

Nhược điểm:

- Góc và phạm vi quét cảm biến hồng ngoại hạn chế

- Độ nhạy không cao gây ra sai số tại mỗi lần đo

- Sử dụng 2 nguồn điện áp độc lập 1.8V và 5V làm tiêu tốn pin

Cảm biến Pulse Sensor

Ưu điểm:

- Thiết kế và cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, tiêu thụ ít điện năng

- Pulse Sensor là cảm biến nhịp tim dạng cắm-là-chạy cho Arduino, với nhữngdòng code đơn giản là đã có thể hoạt động

Nhược điểm:

- Giao tiếp Analog khiến cho việc truyền tín hiệu ở khoảng cách xa gây ranhiễu

- Giới hạn chức năng duy nhất là đo nhịp tim

- Tuổi thọ của cảm biến không cao, nhanh hỏng

Cảm biến OSRAM SFH 7060 BIOFY

Hình 2.9 Cảm biến Pluse

Hình 2.10 Cảm biến OSRAM SFH 7060 BIOFY

Ưu điểm:

- Tích hợp thấu kính có thể loại bỏ hiệu quả nhiễu ánh sáng bên ngoài

- Điốt quang của cảm biến có độ nhạy cao với diện tích bề mặt lớn tối đa hóaviệc đo dữ liệu

- Ứng dụng nhiều trong các thiết bị theo dõi sức khỏe, tiêu hao ít điện năngNhược điểm:

- Cảm biến có cấu tạo phức tạp, giá thành cao

- Khó tìm bộ xử lý cho cảm biến

Kết luận: Từ ưu nhược điểm của các loại cảm biến trên, có thể thấy cảm biến Max30100 là lựa chọn tối ưu nhất và phù hợp nhất cho đồ án.

2.3 Xử lý tín hiệu và hệ thống đo

Khi tim đập, máu sẽ được đẩy đi khắp cơ thể qua động mạch, tạo ra sự thay đổi

về áp suất trên thành động mạch và lượng máu chảy qua động mạch Vì vậy, ta có thề

đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó Khi hàm lượng máu trong thành độngmạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi mộttia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua sẽ biếnthiên đồng bộ với nhịp tim Khi tim giãn ra, lượng máu qua động mạch nhỏ nên hấpthụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khitim co vào, lượng máu qua động mạch lớn hơn, ánh sáng sau khi truyền qua độngmạch sẽ có cường độ nhỏ hơn

Ánh sáng khi truyền qua ngón tay gồm 2 thành phần AC và DC:

- Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô xương vàtĩnh mạch

- Thành phần AC đặc trưng cho cường độ ánh sáng thay đổi khi lượng máu thay đổitruyền qua động mạch, tần số của tín hiệu này đồng bộ với tần số nhịp tim

Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cơ thể cóchứa động mạch Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể xem là khôngđổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận được là lớnnhất Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì có ưu điểm là áp suất máu trongđộng mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng từ LED phải truyền qua một bề dàylớn của cơ thể, dẫn đến việc bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương Mà độ nhạy củaPhotodiode là giới hạn nên ta sẽ cần một nguồn sáng với cường độ rất lớn, dẫn đến haophí năng lượng và khó ổn định được cường độ của nguồn sáng từ LED Nếu đặt cảmbiến ở vành tai, ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất nhỏ, nhưng động mạch ở vị trínày quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá nhỏ so với toàn bộánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện không đủ độ tin cậy

2.4 Vi xử lý, Vi điều khiển

2.4.1 Khái niệm vi xử lý và vi điều khiển

Vi xử lí là mạch bán dẫn tích hợp trên một chip (IC) có nhiệm vụ thực hiện cáccông việc xử lí tín hiệu hoặc điều khiển các thành phần trong hệ thống Vi xử lí thựchiện công việc của nó theo chương trình, thuật toán do người dùng đặt ra

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thường được sửdụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống baogồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đanăng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module

Hình 2.11 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học