Thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim, năng lượng vận động, đường huyết

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết bị ứng dụng nguyên lý phản xạ ánh sáng hồng ngoại để phát hiện sự thay đổi lượng máu dưới da từ đó xác định nhịp tim; Sử dụng cảm biến gia tốc để phát hiện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG - Tp.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LƯƠNG VINH QUỐC DANH

……… Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN THANH HẢI

……… Cán bộ chấm nhận xét 2: TS MAI LINH

……… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM vào ngày 06 tháng 07 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG

2 TS LƯU THANH TRÀ

3 TS TRỊNH XUÂN DŨNG

4 TS MAI LINH

5 TS NGUYỄN THANH HẢI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1989 Nơi sinh: TP Cần Thơ

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim, năng lượng vận động, đường huyết (Design of a device for monitoring heart rate, calories burned and blood glucose

levels)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thiết bị ứng dụng nguyên lý phản xạ ánh sáng hồng ngoại để phát hiện sự thay đổi lượng máu dưới da từ đó xác định nhịp tim; Sử dụng cảm biến gia tốc để phát hiện

sự vận động để ước tính năng lượng tiêu hao của cơ thể

- Các cảm biến đo nhịp tim, năng lượng vận động được chế tạo dưới dạng kích thước nhỏ, gọn để có thể đeo trên tay Kết quả đo đạc được hiển thị trên điện thoại di động

- Độ chính xác của kết quả đo nhịp tim và năng lượng tiêu hao ở mức độ phục vụ cho các hoạt động luyện tập thể dục, thể thao, tự theo dõi sức khỏe cá nhân

- Thiết bị theo dõi đường huyết có khả năng xác định sự thay đổi lượng đường trong máu dựa trên nguyên tắc hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của lượng máu dưới da

- Kết quả đo lượng đường trong máu có sự tương quan với các kết quả đo sử dụng thiết bị đo đường huyết y tế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/08/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lương Vinh Quốc Danh

Tp HCM, ngày … tháng … năm ……

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Lương Vinh Quốc Danh, người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

đã truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa qua Xin gửi lời cảm ơn đến các Anh/ Chị học viên và những người thân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc khó khăn trong thời gian thực hiện

Do còn nhiều hạn chế về kiến thức, cũng như kinh nghiệm nghiên cứu nên luận văn thực hiện sẽ không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp xây dựng từ quý Thầy, Cô và các Anh/ Chị học viên để tôi có thể tiếp tục phát triển, hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình

Xin chân thành cảm ơn./

Người thực hiện

Lê Trọng Hiếu

TÓM TẮT

Với sự phát triển, tiến bộ của khoa học kĩ thuật ngày nay, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kĩ thuật vào đời sống nói chung và lĩnh vực y tế nói riêng ngày càng phổ biến và mang lại hiệu quả to lớn Song song với điều đó, con người ngày càng quan tâm và đặt ra yêu cầu cao hơn trong việc theo dõi, giám sát các thông số sức khỏe cá nhân hoặc người thân thông qua các thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng Từ những vấn đề trên, tôi đã lựa chọn thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim, năng lượng vận động, đường huyết” Mục tiêu của đề tài là thiết kế các thiết bị nhỏ gọn bằng cách chọn lọc những module, linh kiện tương thích hiện có trên thị trường để đo đạc, tính toán 03 thông số thiết yếu về sức khỏe (nhịp tim, năng lượng tiêu thụ khi vận động, đường huyết) và hiển thị kết quả đo đạc lên điện thoại giúp người dùng dễ dàng theo dõi các thông số sức khỏe của mình hoặc người thân Sản phẩm của đề tài có độ chính xác chấp nhận được, phù hợp cho việc theo dõi chiều hướng biến đổi sức khỏe của cá nhân, gia đình, người chơi thể thao thông thường

ABSTRACT

With the improvement in engineering science in the last few decades, the application of these achievements, both human daily life in general and health care system in particular, is more and more popular and attains great results In addition, people also raise their standards in health care devices, they want to monitor and test their health indexes by small and simple equipments For these reasons, I research the topic “Design of a device for monitoring heart rate, calories burned and blood glucose levels” The objective of this study is design the small devices, made from suitable modules and components, for monitoring, quantifying and calculating three special health indexes: heart rate, energy expenditure from physicial activity, blood glucose) The calculated results are transferred and displayed on the mobile phone screen, that help users check their health indexes easily The products from this research have reasonable accuracy and are suitable for monitoring the health indexes’ changes of individuals, families and normal athletes

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Lương Vinh Quốc Danh Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong luận văn này chưa được công bố hoặc đã nộp để lấy bằng tại bất cứ trường đại học nào, ngoại trừ các kết quả tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Người thực hiện

Lê Trọng Hiếu

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.1.1 Mục tiêu chung 1

1.1.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Phạm vi ứng dụng 2

1.4 Phương pháp thực hiện 2

1.5 Các nghiên cứu có liên quan 2

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Phương pháp đo nhịp tim 4

2.1.1 Giới thiệu chung 4

2.1.2 Phương pháp đo 6

2.1.3 Cách đặt thiết bị đo 8

2.2 Phương pháp đo năng lượng vận động 9

2.2.1 Giới thiệu chung 9

2.2.2 Phương pháp đo 11

2.2.3 Cách đặt thiết bị đo 13

2.3 Phương pháp đo đường huyết 13

2.3.1 Giới thiệu chung 13

2.3.2 Phương pháp đo 16

2.3.3 Cách đặt thiết bị đo 17

2.4 Các linh kiện sử dụng 17

2.4.1 Bo mạch Arduino Nano 17

2.4.2 Cảm biến Max30100 19

2.4.3 Cảm biến gia tốc 3 trục MMA8452Q 22

2.4.4 Mô đun Bluetooth HC05 24

2.5 Các chuẩn giao tiếp 25

2.5.1 Giao tiếp I2C 25

2.5.2 Giao tiếp UART 27

2.6 Ngôn ngữ lập trình và các phần mềm hỗ trợ 28

2.6.1 Ngôn ngữ C 28

2.6.2 App Inventor 2 30

2.6.3 Arduino IDE 31

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33

3.1 Hệ thống theo dõi nhịp tim, năng lượng vận động 33

3.1.1 Sơ đồ hệ thống 33

3.1.2 Khối đeo tay 33

3.1.3 Khối hiển thị 34

3.2 Hệ thống theo dõi đường huyết 36

3.2.1 Sơ đồ hệ thống 36

3.2.2 Khối đặt tại chỗ 36

3.2.3 Khối hiển thị 37

3.3 Giải thuật phần mềm 38

3.3.1 Giải thuật đo nhịp tim 38

3.3.2 Giải thuật tính năng lượng vận động 41

3.3.3 Giải thuật đo đường huyết 42

3.4 Hiển thị kết quả 43

3.4.1 Hiển thị kết quả hệ thống đo nhịp tim, năng lượng vận động 43

3.4.2 Hiển thị kết quả hệ thống đo đường huyết 45

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ ĐO ĐẠC, THỬ NGHIỆM 46

4.1 Đo nhịp tim, năng lượng vận động 46

4.1.1 Các bước thực hiện 46

4.1.2 Nhận xét, đánh giá kết quả 48

4.1.3 Nguyên nhân sai số 52

4.2 Đo đường huyết 52

4.2.1 Các bước thực hiện 52

4.2.2 Nhận xét, đánh giá kết quả 55

4.2.3 Nguyên nhân sai số 55

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Định hướng phát triển của đề tài 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 61

1 Code đo nhịp tim 61

2 Code năng lượng vận động 64

3 Code đo đường huyết 68

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cách bắt mạch đo nhịp tim truyền thống 5

Hình 2.2: Một số loại vòng đeo tay giám sát sức khỏe trên thị trường 6

Hình 2.3: Sơ đồ chân cảm biến Max30100 7

Hình 2.4: Vị trí đặt bộ LED phát và photodiode (cách 2-3mm) 9

Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến MMA8452Q 10

Hình 2.6: Mô tả cách đặt 3 trục x, y, z trên cơ thể người 11

Hình 2.7: Biểu diễn dạng các tín hiệu gia tốc theo trục x, y, z 11

Hình 2.8: Tín hiệu gia tốc thu được khi chưa qua bộ lọc 12

Hình 2.9: Tín hiệu gia tốc thu được xử lý bằng bộ lọc 12

Hình 2.10: Máy đo đường huyết Omron HGM-111 14

Hình 2.11: Máy đo đường huyết One Touch Ultra 14

Hình 2.12: Sơ đồ đo glucose bằng ánh sáng cận hồng ngoại 1550nm 15

Hình 2.13: Hệ thống giám sát glucose đa bước sóng 15

Hình 2.14: Đường cong biễu diển nồng độ glucose trong máu 16

Hình 2.15: Board mạch Arduino Nano 18

Hình 2.16: Cảm biến Max30100 20

Hình 2.17: Dạng tín hiệu nhịp tim 21

Hình 2.18: Dạng tín hiệu ánh sáng phản xạ 22

Hình 2.19: Cảm biến gia tốc 3 trục MMA8452Q 23

Hình 2.20: Module Bluetooth HC05 24

Hình 2.21: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 25

Hình 2.22: Hướng đi của các đường truyền I2C 25

Hình 2.23: Giản đồ tín hiệu điều kiện START và STOP 26

Hình 2.24: Tín hiệu ACK và NACK 27

Hình 2.25: Giản đồ truyền dữ liệu I2C 27

Hình 2.26: Giao diện của App Inventor 2 31

Hình 2.27: Giao diện Arduino IDE 32

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống đo nhịp tim, năng lượng vận động 33

Hình 3.2: Ảnh thực tế hệ thống đo nhịp tim, năng lượng vận động 35

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống đo đường huyết 36

Hình 3.4: Sơ đồ mạch phát tín hiệu 940nm 37

Hình 3.5: Sơ đồ mạch thu tín hiệu 940nm 37

Hình 3.6: Ảnh thực tế hệ thống đo đường huyết 38

Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật đo nhịp tim 38

Hình 3.8: Dữ liệu đo nhịp tim thu được từ cảm biến 39

Hình 3.9: Thuật toán ban đầu để xác định 1 lần tim đập 39

Hình 3.10: Thuật toán hoàn chỉnh để xác định 1 lần tim đập 40

Hình 3.11: Chu kỳ nhịp tim 40

Hình 3.12: Thuật toán đếm số bước chân vận động 41

Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật đo đường huyết 42

Hình 3.14: Mô hình tổng quát quá trình truyền dữ liệu 43

Hình 3.15: Giao diện phần mềm hiển thị nhịp tim, năng lượng vận động 44

Hình 3.16: Thiết kế phần mềm hiển thị nhịp tim, năng lượng vận động 44

Hình 4.1: Kết nối hệ thống đo nhịp tim, năng lượng vận động với máy tính 46

Hình 4.2: Mã QR của phần mềm hiển thị 47

Hình 4.3: Dùng Smart phone quét mã QR 47

Hình 4.4: Nạp code thành công vào bộ xử lý trung tâm 48

Hình 4.5: Các dung dịch glucose sau khi pha 53

Hình 4.6: Cách đặt dung dịch glucose giữa 02 LED thu – phát 53

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose – điện áp LED thu 54

Hình 4.8: Phương trình đường đặc tuyến nồng độ glucose – điện áp LED thu 55

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Chức năng các chân của cảm biến MAX30100 8 Bảng 2.2: Chức năng các chân của cảm biến MMA8452Q 10 Bảng 4.1: Kết quả đo nhịp tim trung bình của tác giả bằng Iphone và Hệ thống

tự thiết kế 48-49 Bảng 4.2: Kết quả đo nhịp tim trung bình của 20 người bằng Iphone và Hệ thống

tự thiết kế 49-50 Bảng 4.3: Kết quả đo năng lượng vận động của 20 người bằng Iphone .50-51 Bảng 4.4: Kết quả đo năng lượng vận động của 20 người bằng Hệ thống tự thiết kế 51 Bảng 4.5: Kết quả đo điện áp thu trên LED cận hồng ngoại - nồng độ glucose 54

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

IR LED: Infrared LED

NIR LED : Near infrared LED

I2C : Inter – Intergrated Circuit

UART : Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter

TTL : Transistor – Transistor Logic

SDA : Serial Data Line

SCL : Serial Clock Line

ADC : Analog Digital Convertor

ALC : Ambient Light Cancellation

SpO2 : Subsystem in Max30100 is composed of ALC, ADC, filter

GPS : Global Positioning System

QR : Quick Response

ACK : Acknowledgement

NACK : Non Acknowledgement

LSB : Least Significant Bit

MSB : Most Significant Bit

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, đời sống con người ngày càng được cải thiện thì nhu cầu chăm sóc, bảo vệ sức khỏe ngày càng được xem trọng và nâng cao Đặt biệt trong những năm gần đây, do nhiều yếu tố khách quan và chủ quan (như: ô nhiễm không khí, nguồn nước; ăn uống những thực phẩm không đảm bảo an toàn; mất cân bằng thời gian làm việc - vận động; các thói quen gây hại như hút thuốc, uống rượu bia, thức khuya…) dẫn đến tình trạng sức khỏe của con người dễ bị suy giảm, trường hợp mắc bệnh tim mạch, suy nhược cơ thể, tiểu đường ngày càng gia tăng

Nhận thấy điều này, con người trên toàn thế giới nói chung và người dân Việt Nam nói riêng đã dần ý thức và thường xuyên đến các cơ sở y tế để kiểm tra, theo dõi tình trạng sức khỏe định kỳ Việc này đã gây sức ép cho các bệnh viện, trạm y tế do chưa kịp đầu tư nguồn nhân lực, cơ sở vật chất, máy móc thiết bị đáp ứng nhu cầu người dân Hơn nữa, việc di chuyển đến các nơi khám sức khỏe định kỳ sẽ tốn kém nhiều thời gian, chi phí và người dân cũng không thể theo dõi, kiểm tra liên tục các thông số sức khỏe ngay khi có triệu chứng bất thường tại nhà

Ngoài ra, đối với các bệnh nhân cao huyết áp, tim mạch vừa mới phẫu thuật hoặc đang trong thời gian theo dõi, điều trị, thống kê cho thấy rằng những người này vào ban đêm khi đang ngủ đôi khi xảy ra tình trạng tim ngừng đập, ngừng thở đột ngột Trong trường hợp này, nếu có biện pháp thường xuyên theo dõi để phát hiện các triệu chứng bất thường thì chúng ta có thể sớm đưa ra biện pháp sơ cứu kịp thời, tránh được tình trạng đột quỵ, tai biến mạch máu não, thậm chí là tử vong

Nhận thấy sự cần thiết của việc giám sát sức khỏe thường xuyên, ngày nay các thiết bị điện tử thông minh có khả năng đo đạc các thông số sức khỏe mọi lúc mọi nơi

đã ra đời và ngày càng được nhiều người biết đến Chính vì thế, tôi đã lựa chọn thực hiện đề tài thiết kế một hệ thống tự giám sát, theo dõi thường xuyên các thông số sức khỏe (nhịp tim, năng lượng vận động, đường huyết) nhằm giúp người dân có thể tự chăm sóc sức khỏe của mình cách thuận tiện, thường xuyên, tiết kiệm chi phí và góp phần giảm tải cho các cơ sở y tế

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu chung

Đề tài này góp phần vào việc nghiên cứu, phát triển hệ thống chăm sóc sức khỏe thường trực tại các bệnh viện và cũng có thể tiết giảm, rút gọn một số tính năng, độ chính xác để giảm giá thành nhằm thương mại hóa hệ thống này đến người tiêu dùng

1.3 PHẠM VI ỨNG DỤNG

Đề tài này phục vụ mục đích nghiên cứu, ứng dụng một số thiết bị, công nghệ hiện hữu để chế tạo thử nghiệm hệ thống theo dõi, giám sát tình trạng sức khỏe để người dùng có thể kịp thời đưa ra biện pháp điều chỉnh, khắc phục hạn chế hoặc điều trị Vì vậy, sản phầm cuối của đề tài có độ chính xác ở mức chấp nhận được so với các phương pháp đo đang áp dụng hiện nay và phù hợp cho việc theo dõi chiều hướng biến đổi sức khỏe của cá nhân, gia đình, người chơi thể thao thông thường

Sản phẩm này cần được trải qua quá trình đầu tư nghiên cứu sâu hơn về mặt công nghệ để tối ưu độ chính xác nếu muốn ứng dụng vào các lĩnh vực y học, thể thao chuyên nghiệp

1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

- Lý thuyết: Dựa trên những bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan trong thời gian gần đây và tìm hiểu, cập nhật thêm các thông tin về hệ thống chăm sóc sức khỏe từ internet

- Thiết kế, thi công: Lựa chọn những module cảm biến, bộ xử lý trung tâm đã được chế tạo, gia công sẵn ở trong và ngoài nước để tiến hành lắp ráp thành một hệ thống hoàn chỉnh, đáp ứng mục tiêu cụ thể của đề tài

- Đánh giá kết quả: Tiến hành đo đạc thử nghiệm, đánh giá kết quả thu được từ

hệ thống mới chế tạo so với phương pháp đo hiện hữu để nghiên cứu giải pháp cải thiện độ chính xác

1.5 CÁC NGHIÊN CỨU KHÁC CÓ LIÊN QUAN

Một số công trình nghiên cứu hiện nay liên quan đến hệ thống giám sát sức khỏe thường trực, từ xa như:

[1] “A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation”, tác giả đã nghiên cứu về cảm biến Wearable và hệ thống giám sát sức khỏe từ xa giúp giải quyết, giám sát sinh lí có thể giúp đỡ trong việc chuẩn đoán và điều trị liên tục đối với các bệnh nhân mắc bệnh thần kinh, tim mạch và phổi như co giật, huyết áp, hen suyễn

[2] “Thiết bị giám sát sức khỏe SPHERE”, do nhóm các nhà khoa học tại Trường đại học Bristol và Southampton (Anh) chế tạo, có thể phát hiện bất kỳ những thay đổi nào trong cử động, thói quen, chế độ ăn uống, cân nặng, tâm trạng lẫn nhịp tim Không những vậy, SPHERE còn có thể phát hiện liệu người dùng có uống thuốc đúng liều lượng hay không và nhận diện được những triệu chứng của cơn đột quỵ bằng cách giám sát cử động bất thường của cơ thể hoặc nét mặt Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị có thể được lắp đặt ở nhiều nơi như trong nhà, trên quần áo, trên trang sức hay cấy ghép vào bên trong cơ thể

[3] “Hệ thống giám sát sức khỏe từ xa- Telehealth”, để sử dụng bệnh nhân cần cấy một vi mạch dưới da có nhiệm vụ gửi thông tin liên tục về tình trạng sức khỏe của

họ đến hộp Telehealth Tiếp đó, thông tin từ chiếc hộp này sẽ được chuyển đến trung tâm tư vấn sức khỏe, đó là một thiết bị nhỏ gọn hơn cả chiếc điện thoại bàn có thể giúp chủ nhân theo dõi nhịp tim, huyết áp, đường huyết, cân nặng cũng như sức khỏe tổng quát đang trở thành một hệ thống chăm sóc sức khỏe tại gia hữu ích tại Anh

[4] “Build A Wrist Heart-Rate Monitor Using An Ultra-Low-Power MCU”, tác giả muốn thay thế các phương pháp theo dõi nhịp tim như người dùng phải chạm vào chúng với ngón tay của mình (trường hợp của đồng hồ thể thao) hoặc mặc chúng trên ngực, có thể gây cảm giác khó chịu và không tự nhiên cho những người tập thể dục Những giải pháp hiện tại được dựa trên việc đọc điện tâm đồ (ECG hoặc EKGs) bằng photoplethysmographic (PPG) là kỹ thuật được sử dụng xung Oximeters Các thiết bị này có thể liên tục theo dõi nhịp tim ở bất kỳ nơi nào có mạch máu như cổ tay

Ngoài ra, hiện nay trên thế giới cũng có nhiều sản phẩm giám sát sức khỏe thương mại Tuy nhiên, các sản phẩm chưa thật sự tối ưu, chưa đáp ứng được những yêu cầu cần thiết cho người sử dụng Vì vậy, để tạo ra được sản phẩm giám sát sức khỏe thì mỗi cá nhân/ doanh nghiệp tại Việt Nam phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành rất cao Nhằm mục tiêu từng bước làm chủ công nghệ tại Việt Nam, tôi đã chọn

đề tài này để nghiên cứu thử nghiệm thiết bị theo dõi, giám sát sức khỏe một cách tối

ưu và hiệu quả

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO NHỊP TIM

2.1.1 Giới thiệu chung

Nhịp tim là một thông số sức khỏe rất quan trọng, liên quan trực tiếp đến toàn

bộ hoạt động của hệ thống tim mạch trong cơ thể, đơn vị tính là số nhịp đập/phút (bpm) Tim đập ổn định sẽ bơm một lượng máu đều đặn đến khắp nơi trên cơ thể, cung cấp đầy đủ ô xi, chất dinh dưỡng cho hoạt động của các tế bào Theo thông tin y tế trên các website và diễn đàn, chỉ số nhịp tim của người bình thường sẽ thay đổi theo từng lưới tuổi như sau:

Hiện nay, có các phương pháp đo nhịp tim đang được áp dụng như sau:

- Phương pháp thủ công: Nhịp tim là chỉ số đo lường tốc độ (nhanh hay chậm)

của quả tim đang đập Đôi khi, nhịp tim còn được gọi là mạch Nhịp tim có thể được cảm nhận rõ ràng ở 2 cổ tay, đặc biệt là phía bên ngón tay cái Thông thường, khi muốn đo mạch, người ta sẽ đặt nhẹ ngón trỏ và ngón giữa lên vùng này rồi đếm số nhịp đập trong 10 giây Từ đó, ta suy ra số nhịp đập trong 1 phút Ưu điểm của phương pháp này là ít tốn kém chi phí đầu tư thiết bị Tuy nhiên, kết quả đo phụ thuộc nhiều kinh nghiệm, tay nghề của bác sĩ, nhân viên y tế, đặc biệt không thể đo, theo dõi nhịp tim khi đang vận động

Hình 2.1: Cách bắt mạch đo nhịp tim

- Sử dụng thiết bị điện tử: Hiện nay, trên thị trường có bán một số thiết bị điện

tử có khả năng đo được nhịp tim như: vòng đeo tay Fitbit Charge 2, Withings, Sony smartband 2, Xiaomi Miband 2 Ưu điểm của các thiết bị này là cho phép người dùng

có thể theo dõi nhịp tim trong suốt quá trình vận động hàng ngày Nhà sản xuất có cung cấp phần mềm cài đặt trên smartphone kết nối với thiết bị đo để hiển thị kết quả nhưng chúng ta không thể lấy các dữ liệu đo nhịp tim từ cảm biến gửi về Để làm được việc này, chúng ta cần tốn một số tiền tương đối lớn để mua bản quyền phần mềm

a) Fitbit Charge 2 (giá 3.650.000 VND)

b) Sony Smartband 2 (giá 2.390.000 VND)

c) Xiaomi Miband 2 (giá 500.000 VND)

Hình 2.2: Một số loại vòng đeo tay giám sát sức khỏe trên thị trường

2.1.2 Phương pháp đo

Đề tài sử dụng phương pháp đo nhịp tim bằng cách chiếu ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại lên da để phát hiện sự thay đổi của ánh sáng phản xạ thu được theo các nhịp đập của tim với nguyên lý như sau:

- Khi tim co bóp, máu được đẩy đi khắp cơ thể làm tăng áp suất máu ở động mạch nên cường độ ánh sáng phản xạ trên da sẽ tăng

- Khi tim giãn ra, máu được thu ngược về tim làm giảm áp suất máu ở động mạch nên ánh sáng phản xạ trên da sẽ giảm

Chính sự tăng, giảm áp suất máu trong động mạch sẽ làm thay đổi cường độ ánh sáng phản xạ trên da với tần số thay đổi đúng bằng với nhịp đập của tim Tín hiệu thu

cần được khuếch đại trước khi đưa vào cảm biến để đếm số lần biến động này và đây chính là nhịp tim cần theo dõi

Dải bước sóng thường sử dụng để đo nhịp tim như sau: ánh sáng đỏ từ 750nm, ánh sáng hồng ngoại từ 850-1000nm

600-Đề tài lựa chọn cảm biến Max30100 để đo nhịp tim vì nó đáp ứng các tiêu chí sau đây:

- Max30100 là cảm biến quang học được tích hợp sẵn bộ LED phát 2 bước sóng 660nm, 880nm (thuộc dải bước sóng nêu trên) và bộ tách sóng quang đặt trên cùng board mạch cách nhau 2-3mm để phát hiện tín hiệu nhịp tim

- Kích thước nhỏ gọn để thiết kế đeo tay

- Mức điện áp, dòng điện hoạt động thấp (điện áp: từ 1,8-3,3V; dòng điện: từ 600-1200 µA)

- Năng lượng tiêu thụ ở chế độ chờ không đáng kể (0,7 µA) nhằm duy trì nguồn cung cấp lâu hơn và luôn sẵn sàng kết nối để hoạt động

- Cho phép người dùng điều chỉnh tỉ lệ lấy mẫu và dòng tiêu thụ của LED

- Để tăng độ chính xác khi đo nhịp tim, nguồn sáng luôn được phát với cường

độ không đổi Ngoài ra, sự thay đổi ánh sáng phản xạ là rất nhỏ nên cảm biến Max30100 đã được tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu thu, bộ triệt nhiễu và bộ ADC (14 bit) trước khi tính toán giá trị nhịp tim

Mô tả cảm biến Max30100 được sử dụng để đo nhịp tim:

Hình 2.3: Sơ đồ chân cảm biến Max30100

Bảng 2.1: Chức năng các chân của cảm biến Max30100

1, 7, 8, 14 NC No conection Connect to PCB Pad for Mechanical Stability

3 SDA I2C clock data, Bidirectional (open drain)

4 PGND Power ground of the LED driver blocks

5 IR_DRV IR LED cathode and LED driver connection point Leave

floating in circuit

6 R_DRV Red LED cathode and LED driver connection point Leave

floating in circuit

9 R_LED+ Power supply (Anode connection) for Red LED Bypass to

PGND for best performane Connected to IR_LED+ internally

10 IR_LED+ Power supply (Anode connection) for IR LED Bypass to

PGND for best performane Connected to R_LED+ internally

11 VDD Analog power supply input Bypass to GND for best

Bộ LED phát sẽ truyền ánh sáng hồng ngoại vào vùng cổ tay, một phần trong số

đó được phản xạ trở lại bởi mạch máu dưới da Photodiode sẽ thu được phần ánh sáng phản xạ này Cường độ ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào lưu lượng máu trong động mạch Chính vì vậy, mỗi khi tim đập sự thay đổi ánh sáng hồng ngoại phản xạ sẽ được phát hiện bởi các Photodiode Bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại được tích hợp sẵn trên board mạch cảm biến, những thay đổi nhỏ của biên độ ánh sáng phản xạ sẽ được khuếch đại thành một xung Từ chu kỳ của xung ta có thể tính toán được nhịp tim Giá trị nhịp tim này sẽ được kiểm tra, nếu nằm trong khoảng cho phép nêu trên thì giá trị này sẽ được lưu lại, nếu không nó sẽ bị huỷ

Việc đo chu kỳ được thực hiện lặp lại một số lần đủ tin cậy và các kết quả đo sẽ được tính trung bình sau 5 đến 10 lần đo Từ giá trị trung bình này ta tính ra được nhịp tim của người tại thời điểm đo

Hình 2.4: Vị trí đặt bộ LED phát và photodiode (cách 2-3mm)

Độ chính xác của kết quả đo còn phụ thuộc vào việc đặt cố định thiết bị đo trên

cổ tay và khả năng che chắn, khả năng chống nhiễu của cảm biến Max30100 do ánh sáng bên ngoài lọt vào Photodiode gây nhiễu tín hiệu thu được

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO NĂNG LƯỢNG VẬN ĐỘNG

2.2.1 Giới thiệu chung

Trong y học, năng lượng tiêu thụ của cơ thể thường được tính theo đơn vị cal (đọc là calo) Một cal tương đương với 4,184 J (đơn vị đo năng lượng sử dụng trong hệ

đo lường quốc tế SI) Hiện nay, đa số các loại đồ uống, thực phẩm đều có in giá trị năng lượng cung cấp (calo) trên bao bì Ví dụ: 1 lon sô-đa có cung cấp 200 cal, 1 gói khoai tây chiên cung cấp khoảng 500 cal, …

Thiết bị đo năng lượng vận động giúp chúng ta có thể tính toán lượng calo tiêu hao hàng ngày, qua đó chúng ta sẽ có giải pháp để bù đắp lại phần năng lượng tiêu tốn, giúp cơ thể không bị mệt mỏi, kiệt sức Hiện nay trên thị trường có bán các thiết bị với chức năng này như giá thành cao (ví dụ như các loại vòng đeo tay giám sát sức khỏe đã giới thiệu ở trên)

Qua tìm hiểu một số tài liệu liên quan, đề tài này sẽ lựa chọn phương pháp đo đạc, tính toán lượng calo tiêu thụ khi vận động với giá thành thấp, độ chính xác chấp nhận được và người dùng có thể dễ dàng mang theo bên mình để sử dụng Phương pháp được lựa chọn là sử dụng cảm biến gia tốc MMA8452Q đeo ở cổ tay và được tích hợp với cảm biến nhịp tim Max30100 nêu trên thành một khối đeo tay

Cảm biến này sẽ phát hiện cử động đánh tay trong quá trình di chuyển để ghi lại

số bước chân vận động tương ứng, từ đó tính ra lượng cal/kcal tiêu hao trong quá trình luyện tập thể dục hoặc vận động sinh hoạt hằng ngày Đây là phương pháp thường được sử dụng để đánh giá hoạt động thể chất, tăng cường giám sát sức khỏe trong quá trình tập luyện phục hồi chức năng hoặc quản lý bệnh nhân

Mô tả cảm biến MMA8452Q:

Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến MMA8452Q Bảng 2.2: Chức năng các chân của cảm biến MMA8452Q

1 VDDIO Internal power supply (1,62V-3,6V)

3 DNC Do not connect to anything, leave pin isolated and floating

4 SCL I2C serial clock (open drain)

7 SA0 I2C least significant bit of the device I2C address, I2C

7-bit address = 0x1C

9 INT2 Inertial interrupt 2, output pin

16 NC Internally not connected (can be GND or VDD)

Cảm biến MMA8452Q là một cảm biến gia tốc 03 trục thông minh có độ nhạy cao, công suất tiêu thụ thấp và có thể lập trình linh hoạt theo mục đích sử dụng Nguồn cung cấp từ 1,95-3,6V thông qua các chân VDD, GND, tín hiệu được giao tiếp theo chuẩn I2C thông qua 02 chân SDA, SCL

2.2.2 Phương pháp đo

Bằng cách đặt cảm biến trên các vùng cơ thể (như cánh tay, eo, hoặc chân), ta có thể đo được thông số gia tốc chuyển động theo 3 trục x, y, z Từ đó tính được được tốc chuyển động tổng hợp của cơ thể, để phân tích và đếm số bước chân vận động

Hình 2.6: Mô tả cách đặt 3 trục x, y, z trên cơ thể người

Khi chuyển động hay đi bộ thì gia tốc 3 trục x, y và z có biên độ thay đổi khác nhau được thể hiện rõ qua hình dưới đây:

Hình 2.7: Biểu diễn dạng các tín hiệu gia tốc theo trục x, y, z

Trục z

Trục Y Trục X

Hình 2.8: Tín hiệu gia tốc thu được khi chưa qua bộ lọc

Hình 2.9: Tín hiệu gia tốc thu được xử lý bằng bộ lọc

Tín hiệu gia tốc trục x, y, z sẽ được đưa qua bộ lọc, khuếch đại và bộ ADC (12 bit) tích hợp sẵn trên board mạch của cảm biến MMA8425Q Từ đó, chúng ta tính được gia tốc chuyển động của cơ thể theo công thức toán học:

Từ đồ thị biến thiên của gia tốc 03 trục x, y, z và công thức tính toán atổng hợp nêu trên, suy ra gia tốc chuyển động cũng sẽ biến thiên liên tục từ giá trị cực đại đến giá trị cực tiểu trong quá trình di chuyển Vì vậy, nếu ta lựa chọn 01 ngưỡng giá trị nằm giữa

2 mức cực đại và cực tiểu thì gia tốc chuyển động sẽ dao động qua lại mức ngưỡng này Bằng cách đếm số lần gia tốc chuyển động vượt qua cao hơn/ giảm xuống thấp hơn mức ngưỡng, ta có thể đếm được số bước chân đã thực hiện

Việc tính số kcal tiêu hao dựa trên số bước chân được thực hiện theo công thức như sau:

Năng lượng tiêu hao (calo) = Số bước chân * 0,045 (calo/bước)

atổng hợp = sqrt (ax2 + ay2 + az2)

2.2.3 Cách đặt thiết bị đo

Đối với đề tài này, tôi lựa chọn vị trí đặt cảm biến gia tốc 3 trục MMA8452Q ở

cổ tay vì các nguyên nhân sau:

- Trong lúc di chuyển, tay và chân là 2 bộ phận có biên độ cử động lên xuống lớn nhất so với phần còn lại của cơ thể người (ví dụ như vùng eo)

- Việc đặt ở cổ tay cho phép tích hợp cảm biến đếm bước chân với cảm biến đo nhịp tim ở phần trên thành một khối đeo tay, thuận tiện để mang theo bên người mọi lúc mọi nơi

2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐƯỜNG HUYẾT

2.3.1 Giới thiệu chung

Tiểu đường là bệnh mà cơ thể không sản xuất đủ lượng Insulin cần thiết để duy trì mức độ đường huyết bình thường trong cơ thể (từ 70-110 mg/dl trước khi ăn và dưới 140 mg/dL sau khi ăn 2 giờ) Insulin là hormone cho phép đường (glucose) vào tế bào để sản sinh năng lượng cho cơ thể Những người mắc bệnh tiểu đường hoặc người bắt đầu có dấu hiệu bệnh tiểu đường cần phải thường xuyên giám sát, theo dõi lượng đường trong máu để điều chỉnh chế độ ăn uống, điều trị hợp lý, kết hợp vận động, luyện tập thể dục điều độ

Ngày nay, bệnh tiểu đường là một trong những căn bệnh nguy hiểm, đe dọa cuộc sống của nhiều người trên thế giới Theo thống kê toàn cầu vào năm 2013, có 382 triệu người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới, chi phí chữa trị toàn cầu trong năm

2014 được ước tính khoảng $ 612.000.000.000 USD Riêng ở Việt Nam, số người mắc bệnh tiểu đường tăng gấp đôi trong vòng 10 năm Bệnh tiểu đường xếp vào top đầu những bệnh nguy hiểm nhất hiện nay, cũng giống như bệnh ung thư hay HIV, bênh tiểu đường cũng phát triển một cách thầm lặng, âm ỉ, chỉ đến khi bệnh có biểu hiện ra bên ngoài thì lúc đó dường như đã quá nặng nên việc điều trị sẽ gặp rất nhiều khó khăn, đặc

biệt điều đáng sợ nhất là những biến chứng cực kỳ nguy hiểm như mù lòa, tàn phế,

nhiễm trùng máu, suy thận mãn tính, bệnh tim mạch … Tuy nhiên, đối với các bệnh nhân quản lý tốt nồng độ đường huyết thì sẽ hạn chế được các biến chứng nêu trên hoặc mức độ ít nghiêm trọng hơn

Vì vậy, điều quan trọng là phải theo dõi chặt chẽ nồng độ đường huyết để đảm bảo nó là luôn nằm trong phạm vi bình thường Hiện nay, có nhiều thiết bị hoặc hướng nghiên cứu về việc đo nồng độ đường huyết Tuy nhiên, chúng ta có thể chia thành 02 nhóm phương pháp chính như sau:

 Nhóm phương pháp xâm lấn

- Sử dụng máy đo đường huyết của các hãng phổ biến trên thị trường hiện nay như: Omron, Johnson (One touch ultra), General Life Biotechnology (Meditouch); Beurer,… Mỗi khi kiểm tra chúng ta phải trích một lượng máu ở các đầu ngón tay, điều

đó gây ra đau đớn và bất tiện (đối với những người sợ khi thấy máu) Mỗi lần kiểm tra tương đương với một lần thực hiện việc xét nghiệm máu, nếu thời gian dài sẽ tốn khá nhiều thời gian và chi phí

Hình 2.10: Máy đo đường huyết Hình 2.11: Máy đo đường huyết

- Hoặc một phương pháp khác là dùng thiết bị đo đường huyết được cấy dưới

da, điều này rất dễ gây tổn thương trong quá trình cấy ghép và phải thay mới thiết bị theo định kỳ theo khuyến cáo của bác sĩ

 Nhóm phương pháp không xâm lấn

Phương pháp không xâm lấn là sự thay thế hoàn hảo cho phương pháp trích giọt máu vì loại bỏ hoàn toàn sự đau đớn cho người bệnh Ngày nay, nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh kết quả của phương pháp không xâm lấn đáng tin cậy Nhiều phương pháp đã được sử dụng chẳng hạn như: hồng ngoại, quang ảnh, siêu âm, huỳnh quang Hầu hết đều cho thấy kết quả có sự tương quan tốt so với kỹ thuật xâm lấn Các công trình nghiên cứu như sau:

 J.G.Proakis and D.G.Manolakis Digital Signal Processing, 1992: Macmillan, http://itl7.elte.hu/~zsolt/Oktatas/editable_Digital_Signal_Processing_Principles_Algorithms_and_Applications_Third_Edition.pdf [5]

Ánh sáng cận hồng ngoại bước sóng 1550nm được sử dụng để đo hàm lượng

glucose Bằng cách đặt LED phát và photodiode ở hai bên của thùy tai, chúng ta sẽ thu được quang phổ của ánh sáng truyền qua Cường độ ánh sáng cận hồng ngoại đi qua các thùy tai phụ thuộc vào lượng đường trong máu của khu vực đó Thùy tai đã được lựa chọn do không có các mô xương và độ dày tương đối nhỏ Ánh sáng cận hồng ngoại suy giảm sau khi truyền qua thùy tai được lấy mẫu và xử lý Bộ lọc RC được kết nối với đầu ra của photodiode để giảm nhiễu tần số cao

Một thông số vật lý có ảnh hưởng đến việc đo glucose là độ dày mô thùy tai Đây là một vấn đề khi tiến hành đo cho nhiều người có độ dày thùy tai khác nhau Độ dày mô xác định quãng đường ánh sáng truyền qua, do đó khi chiều dài đường truyền lớn hơn sẽ cho kết quả thu được yếu hơn Độ dày mô được đo bằng LED màu xanh lá cây Sơ đồ của phương pháp:

Hình 2.12: Sơ đồ đo glucose bằng ánh sáng cận hồng ngoại 1550nm

 Hệ thống giám sát Glucose trong máu không xâm lấn dựa trên Phân phối đa

- Cảm biến Thông tin dung hợp của Multi -Wavelength NIR

Sử dụng 03 LED phát và 03 LED thu hoạt động ở bước sóng từ 1400-1800nm

có công suất đầu ra là 5mW Tiến hành lắp đặt hệ thống đo glucose theo sơ đồ như sau:

Hình 2.13: Hệ thống giám sát glucose đa bước sóng Tín hiệu quang phổ thu được sẽ đi qua bộ khuếch đại rồi đến bộ ADC Dữ liệu

đo glucose sau khi số hóa sẽ được hiển thị trên màn hình theo dạng đồ thị xu hướng

như hình bên dưới

Hình 2.14: Đường cong biễu diển nồng độ glucose trong máu

 Jyoti Yadav, Asha Rani, Vijender Singh “Near-Infrared LED based invasive Blood Glucose Sensor” (2014) International conference on Signal Processing and Integrated Network, IEEE-2014, PP.591-594 [11]

Non-Các tác giả đã giới thiệu 1 loại cảm biến glucose hoạt động dựa trên nguyên lý

ánh sáng cận hồng ngoại bước sóng 940nm Họ đã dùng ánh sáng 940nm để phân tích

thử nghiệm trên nhiều nồng độ glucose khác nhau

 Nina Korlina Madzhil, Sarah Addyani Shamsuddin, Mohd Firadus Abdullah

“Comparative Investigation Using GaAs (950nm), GaAIAs (940nm) and InGaAsP (1450nm) Sensors for Development of Non-Invasive Optical Blood Glucose Measurement System” IEEE International Conference on Smart Instrumentation, Measurement and Aplication, November 2014, PP.1-6 [12]

Các tác giả đã tiến hành kiểm tra, so sánh đáp ứng của các bước sóng đối với

nồng độ glucose trong máu: 940nm (GaAIAs), 950nm (GaAs) và 1450nm (InGaAsP)

để phát triển hệ thống đo đường huyết không xâm lấn

Từ các công trình nghiên cứu nêu trên cho thấy mỗi bước sóng cận hồng ngoại đều có mức độ nhạy đặc trưng khác nhau trong việc đo đường huyết, tùy từng điều kiện

cụ thể ta sẽ lựa chọn bước sóng phù hợp để thiết kế

2.3.2 Phương pháp đo

Phương pháp đo đường huyết bằng ánh sáng cận hồng ngoại được lựa chọn vì tương đối dễ thực hiện và ít phức tạp so với các phương pháp khác LED cận hồng ngoại (NIR LED) có bước sóng trong khoảng từ 700nm-2500nm phù hợp cho việc phát hiện nồng độ glucose Trong phạm vi này, ánh sáng cận hồng ngoại có thể xâm nhập từ

1mm-100 mm vào các vùng mô như: ngón tay, da của cẳng tay, thùy tai, niêm mạc môi, má

Tôi lựa chọn LED phát và LED thu có bước sóng 940nm để đo nồng độ glucose

vì loại Led 940nm đã được kiểm nghiệm trong các nghiên cứu nêu trên và khá phổ biến trên thị trường Tín hiệu đầu ra của LED thu sẽ được lọc và khuếch đại trước khi đưa vào vi điều khiển Các vi điều khiển được tích hợp sẵn bộ ADC để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và đưa ra các giá trị số hoá Các giá trị số hóa sau đó được vi điều khiển tính toán để xác định nồng độ glucose trong máu tương ứng

LED phát và thu phải được cố định ở vị trí thích hợp trong toàn bộ quá trình đo

Nó được thiết kế sau cho vị trí LED thu được đặt chính xác đối diện với LED phát cận hồng ngoại để thu được tối đa cường độ ánh sáng truyền qua LED phát và LED thu được đặt càng gần càng tốt và cần phải để tiếp xúc với làn da

Khi hệ thống được cấp nguồn, ánh sáng cận hồng ngoại từ LED phát được truyền xuyên qua lớp da và đến LED thu Lúc này, người dùng không được phép di chuyển để tránh thay đổi vị trí và khoảng cách đặt cảm biến Trong quá trình truyền, ánh sáng cận hồng ngoại tương tác với các phân tử glucose hiện diện trong máu Một phần của ánh sáng cận hồng ngoại được hấp thụ tùy thuộc vào nồng độ glucose, phần còn lại được truyền xuyên qua da để đến LED thu Sau khi qua bộ khuếch đại và bộ lọc, tín hiệu thu sẽ được số hóa và xử lý bởi vi điều khiển để tính toán nồng độ glucose trong máu Giá trị nồng độ glucose được hiển thị bằng công cụ serial monitor, serial plotter được tích hợp sẵn trên phần mềm Arduino IDE và màn hình LCD

2.3.3 Cách đặt thiết bị đo

Việc lựa chọn vị trí đo lý tưởng là điều rất quan trọng vì có ảnh hưởng đến kết quả đo Bốn yếu tố cần được xét đến như sau: vị trí đo phải đặt tiếp xúc bên ngoài; hạn chế tối thiểu sự ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài, cá nhân như giới tính, độ tuổi và trạng thái vật lý (độ dày các mô); vị trí đo nên có nhiều máu lưu thông và sự can thiệp

từ các thành phần khác là thấp nhất hoặc không đáng kể; ánh sáng cận hồng ngoại có thể truyền qua vị trí đo lường một cách dễ dàng

Dựa vào các yếu tố trên, vị trí đo phù hợp nhất là thùy tai hoặc vùng da giữa ngón cái và ngón trỏ Nếu đặt vị trí đo ở thùy tai thì rất khó thực hiện do phải tìm cách treo cố định thiết bị Vì vậy, tôi lựa chọn vị trí đo ở vùng da giữa ngón cái và ngón trỏ

2.4 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG

2.4.1 Bo mạch Arduino Nano

Arduino Nano là một bo mạch vi điều khiển có kích thước nhỏ gọn, được thiết

kế và sản xuất bởi hãng Gravitech, dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Điểm nổi bật của các bo

Arduino là môi trường phát triển ứng dụng rất đơn giản, dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá khá thấp và phần mềm

hỗ trợ có thể tải miễn phí

Arduino Nano có 2 phiên bản: Arduino Nano 3.x (sử dụng Atmega 328) và Arduino Nano 2.x (sử dụng Atmega 168) Ở đề tài này, tôi sử dụng trên vi điều khiển Atmega 328 (Arduino nano 3.0)

Thông số kĩ thuật:

 Vi điều khiển: Atmega 328 (họ 8 bit)

 IC nạp và giao tiếp UART: CH340

 Điện áp hoạt động: 5VDC

 Dòng tiêu thụ: 30mA

 Dòng tối đa trên 1 chân I/O: 40mA

 Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

 Số chân Analog: 8 chân

 Serial: 0 (RX) và 1 (TX) Được sử dụng để nhận (RX) và truyền tải (TX) dữ liệu nối tiếp Các chân này được kết nối với các chân tương ứng của FTDI USB-to-TTL nối tiếp chip

 Ngắt bên ngoài (2, 3): Các chân có thể được cấu hình để kích hoạt ngắt với một giá trị thấp, một cạnh lên và xuống, hoặc một sự thay đổi về giá trị

 PWM (3, 5, 6, 9, 10, 11): Cung cấp 8-bit đầu ra PWM với chức năng Analog Write

 SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (miso), 13 (SCK) Những chân SPI hỗ trợ thông tin liên lạc, được cung cấp bởi các phần cứng cơ bản, hiện không có trong ngôn ngữ Arduino

 LED (13): Có một built-in LED kết nối với pin số 13 Khi pin ở mức giá trị cao, đèn LED sẽ được bật

 Arduino Nano có 8 ngõ vào analog, mỗi ngõ vào cung cấp độ phân giải 10 bit (tương đương với 1024 giá trị khác nhau) Theo mặc định, điện áp tương tự từ 0 đến 5V, mặc dù nó có thể thay đổi giá trị cận trên của phạm vi điện áp ngõ vào bằng cách

sử dụng chức năng Analog Reference Ngoài ra, một số chân có chức năng chuyên ngành

 I2C: 4 (SDA) và 5 (SCL) Hỗ trợ giao tiếp I2C (TWI)

 Aref: điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự Được sử dụng với chức năng Analog Reference

 Thiết lập lại: tính năng này để thiết lập lại các vi điều khiển Thường sử dụng nút reset để thực hiện chức năng này

Arduino Nano có thể giao tiếp với máy tính, Arduino khác hoặc vi điều khiển khác Các Atmega 328 cung cấp UART TTL (5V) giao tiếp theo kiểu nối tiếp, trong đó

có sẵn trên các chân số 0 (RX) và 1 (TX) Một FTDI FT232RL trên các kênh thông tin liên lạc được nối tiếp qua cổng USB và trình điều khiển FTDI (kèm với phần mềm Arduino) cung cấp một cổng COM ảo trên phần mềm máy tính Các phần mềm Arduino cho phép truyền dữ liệu đến, đi một cách đơn giản với kit Nano RX và

TX LED trên board mạch sẽ nhấp nháy khi dữ liệu đang được truyền qua FTDI chip

và USB kết nối với máy tính (nhưng không cho giao tiếp nối tiếp trên các chân 0 và 1) Một thư viện Software Serial cho phép giao tiếp nối tiếp trên bất kỳ chân kỹ thuật số của kit Nano

2.4.2 Cảm biến Max30100

Cảm biến Max30100 là kết hợp giữa bộ LED phát (660nm và 880nm), photodiode, bộ tối ưu quang học và xử lý tín hiệu analog nhiễu thấp để thực hiện chức

năng đo nồng độ oxi và nhịp tim Điện áp làm việc từ 1.8-3.3V và công suất tiêu thụ thấp cho phép duy trì nguồn cấp trong một khoảng thời gian khá dài

Có hai cách tính nhịp tim:

Cách 1: đếm số đỉnh nhịp tim trong thời gian 10 giây thì nhịp tim trong 1 phút

được tính như sau:

 Đơn giản hóa thiết kế cho tính năng đo nồng độ oxi và đo nhịp tim

 Tích hợp LED, cảm biến quang học và Analog Font-End hiệu suất cao

 Kích thước nhỏ gọn, 5,6mm x 2,8mm x 1,2mm, có 14 chân

 Điện thế hoạt động thấp giúp tăng tuổi thọ pin cho các thiết bị đeo

 Có thể lập trình cho tỉ lệ lấy mẫu và dòng LED để tiết kiệm điện năng

 Dòng điện ở trạng thái nghỉ khá thấp (0,7 µA) ít tiêu tốn điện năng

 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu khá tốt cung cấp khả năng chống rung động cơ học

 Tính năng hạn chế sự ảnh hưởng của ánh sáng môi trường

 Tốc độ lấy mẫu cao

 Dữ liệu đầu ra nhanh

để tính toán bù vào những lỗi SpO2 do thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh

Khối điều khiển LED:

MAX30100 tích hợp 01 LED đỏ và 01 LED hồng ngoại được điều khiển bởi các xung LED Các LED hiện tại có thể được lập trình từ 0mA đến 50mA với nguồn cung cấp điện áp phù hợp Độ rộng xung LED có thể được lập trình từ 200μs đến 1,6ms để tối ưu hóa độ chính xác đo lường và điện năng tiêu thụ theo từng trường hợp sử dụng

Đo nhịp tim bằng phương pháp quang học:

- Khi tim đập, máu sẽ được dồn đi khắp cơ thể qua các động mạch, tạo ra sự thay đổi về áp suất và lưu lượng máu bên trong thành động mạch Vì vậy, ta có thể đo nhịp tim bằng cách đo những sự thay đổi đó

Hình 2.17: Dạng tín hiệu nhịp tim

- Khi lượng máu trong thành động mạch thay đổi sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ/ phản xạ ánh sáng của động mạch, do đó khi ánh sáng có cường độ không đổi được chiếu đến động mạch dưới da thì cường độ ánh sáng sau khi phản xạ sẽ biến thiên đồng

Nếu ta lọc bỏ thành phần DC sẽ thu được tín hiệu AC đồng bộ với tín hiệu nhịp tim

2.4.3 Cảm biến gia tốc 3 trục MMA8452Q

MMA8452Q là một cảm biến gia tốc thông minh, tiêu thụ công suất thấp, đo đạc thông số gia tốc theo 3 trục x, y, z với độ phân giải 12 bit Cảm biến này được đóng gói có chức năng nhúng, cho phép người sử dụng có thể lập trình linh hoạt và cấu hình thông qua hai chân interrupt Ngoài ra, cảm biến còn có chế độ tiết kiệm năng lượng để kéo dài thời gian sử dụng của nguồn cung cấp

Người sử dụng có thể lựa chọn các dải hoạt động ±2g/ ±4g / ±8g với bộ lọc dữ liệu thông cao cũng như dữ liệu không được lọc có sẵn trong thời gian thực Thiết bị có thể được cấu hình để tạo tín hiệu rời rạc kết hợp với báo hiệu Chức năng nhúng cho phép cấu hình MMA8452Q để giám sát các sự kiện và tiêu thụ năng lượng thấp trong thời gian không hoạt động MMA8452Q được tích hợp sẵn 01 vi điều khiển QFN 16 chân, kích thước 3mm x 3mm x 1mm

MMA8452Q cho kết quả gia tốc 3 trục x, y, z với độ chính xác cao được ứng dụng trong các thiết bị cân bằng, xe con lắc, máy bay hay nhiều ứng dụng hấp dẫn

khác Nguồn hoạt động được cấp thông qua các chân VDD, GND, dữ liệu theo chuẩn giao tiếp I2C được gửi thông qua 2 chân SDA, SCL

Hình 2.19: Cảm biến gia tốc 3 trục MMA8452Q Đặt tính kỹ thuật:

 Điện áp cung cấp: 1,95-3,6 V

 Điện áp giao diện: 1,6 - 3,6 V

 Nhiệt độ hoạt động: - 40 độ C đến 85 độ C

 Thang làm việc có thể lựa chọn: ± 2g / ± 4g / ± 8g

 Tốc độ dữ liệu đầu ra: 1,56Hz - 800Hz

 Tín hiệu số ngõ ra: 8 bit và 12 bit

 Giao tiếp ngõ ra theo chuẩn I²C

 Tự động chuyển đổi giữa chế độ làm việc và chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng

 Bộ lọc dữ liệu thông cao làm việc theo thời gian thực

 Chế độ tự kiểm tra

 Dòng tiêu thụ: 6μA - 165μA

Các ứng dụng tiêu biểu của cảm biến MMA8452Q:

 Ứng dụng trong la bàn điện tử

 Xác định hướng (ngang/ dọc, lên/ xuống, trái/ phải, trước/ sau)

 Phát hiện trạng thái rơi tự do/ ngã té của người hoặc đồ vật

 Phân tích hoạt động theo thời gian thực (đếm bước đi, phát hiện việc rơi tự do/ ngã té, sao lưu trạng thái GPS)

 Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho các thiết bị phát hiện chuyển động (có chế

độ auto sleep, auto wake)

 Giám sát độ sốc, độ rung

 Thiết kế giao diện cho người dùng (các menu cuộn theo sự thay đổi hướng, nút nhấn thay đổi dựa trên việc phát hiện xung)

2.4.4 Mô đun Bluetooth HC05

Module Bluetooth HC05 được thiết kế chừa sẵn các chân hoàn chỉnh, thuận tiện cho việc kết nối để ứng dụng trong các thí nghiệm Điện áp hoạt động từ 3,3 – 5VDC Khi kết nối với máy tính, HC-05 sẽ được nhận như một cổng COM ảo ở chế truyền Haft Duplex, nghĩa là tại một thời điểm chỉ có thể truyền hoặc nhận tín hiệu

Giao tiếp với module HC05 bằng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ qua 02 đường RX và TX, vì vậy có thể sử dụng PC với chuẩn RS232 hoặc các dòng vi điều khiển để giao tiếp Bằng cách thay đổi trạng thái chân 34 (KEY), ta có thể cấu hình chế

độ hoạt động cho module:

 Để module làm việc ở chế độ kết nối tự động: KEY phải ở trạng thái Floating (trạng thái không kết nối)

 Để module làm việc ở chế độ đáp ứng theo lệnh: KEY = ‘0’ (kết nối xuống đất) và cấp nguồn cho module sau đó chuyển KEY = ‘1’ (kết nối lên VCC) và lúc này các bạn có thể sử dụng các lệnh AT để giao tiếp

2.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

2.5.1 Giao tiếp I 2 C

I2C là một chuẩn truyền thông nối tiếp đa chíp chủ (multi-master), cụm từ I2C là tên viết tắt của “Inter Intergrated Circuilt”, một chuẩn giao tiếp được phát minh bởi Philips’semoconductor vào năm 1980 nhằm đơn giản hóa việc trao đổi dữ liệu giữa các

IC

Hình 2.21: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi Giao tiếp I2C được thực hiện trên hai đường SDA và SCL được nối với nguồn VCC thông qua một điện trở tùy thuộc vào thiết bị ngoại vi Thông thường giá trị điện trở này nằm trong khoảng từ 1K Ohm đến 4,7K Ohm

Trên Bus I2C, thiết bị chủ (Master) nắm quyền điều khiển dữ liệu theo 2 chiều

và tạo xung clock theo một chiều để quản lý các thiết bị tớ (Slave) trong suốt quá trình giao tiếp thông qua địa chỉ của mỗi thiết bị tớ Vì vậy, sẽ không có sự nhầm lẫn khi trên bus I2C có nhiều thiết bị tớ cùng kết nối

Hình 2.22: Hướng đi của các đường truyền I2C

Việc thực hiện giao tiếp I2C cần phải tuân theo các tiêu chuẩn và điều kiện giao tiếp để quá trình giao tiếp thành công

- Điều kiện START: điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu giao tiếp

- Điều kiện STOP: báo hiệu kết thúc một giao tiếp

- Điều kiện Repeated START: tín hiệu tiếp tục giao tiếp

Hình 2.23: Giản đồ tín hiệu điều kiện START và STOP

Cả hai điều kiện START và STOP đều được thiết bị chủ tạo ra Sau tín hiệu điều kiện START, bus I2C được đua vào trạng thái làm việc (busy) Sau khi Bus I2C trở về trạng thái rảnh, sẽ sẵn sàng cho phép một giao tiếp mới khi tín hiệu điều kiện STOP được tạo ra từ thiết bị chủ

Sau khi tín hiệu START được tạo, trong quá trình giao tiếp nếu muốn không dừng lại mà vẫn tiếp tục thì thiết bị chủ thay vì đưa ra tín hiệu STOP sẽ tạo ra tín hiệu Repeated START đều có chức năng như nhau

Giao tiếp I2C hoạt động với 3 chế độ khác nhau:

- One Master-One Slave

- One Master-Multi Slave

- Multi Master- Multi Slave

Tuy nhiên dù hoạt động ở chế độ nào Giao tiếp I2C vẫn dựa trên nguyên tắc quan hệ chủ - tớ Thiết bị chủ (A) muốn giao tiếp với thiết bị tớ (B) Thiết bị A cần phải xác định địa chỉ của thiết bị B đồng thời quyết định việc đọc hay ghi dữ liệu vào

B Sau khi việc đọc hoặc ghi hoàn thành, thiết bị A sẽ kết thúc quá trình giao tiếp bằng cách đưa ra tín hiệu STOP

Để đảm bảo quá trình giao tiếp truyền nhận được diễn ra chính xác, bắt buộc phải kèm theo bit ACK sau mỗi byte truyền đi được nhận Khi không nhận được đúng địa chỉ hoặc kết thúc quá trình giao tiếp thiết bị sẽ gửi một tín hiệu NACK