Thiết kế và thi công hệ thống thu thập tín hiệu điện tim ECG có hiển thị tín hiệu qua smart phone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ECG CÓ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ECG CÓ HIỂN THỊ

TÍN HIỆU QUA SMART PHONE

MÃ SỐ: SV2020-16

S K C 0 0 7 3 7 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Chủ nhiệm đề tài: Trần Trung Đức

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

ECG CÓ HIỂN THỊ TÍN HIỆU QUA SMART PHONE

SV2020 - 16

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THU THẬP TÍN HIỆU ĐIỆN TIM

ECG CÓ HIỂN THỊ TÍN HIỆU QUA SMART PHONE

SV2020 - 16

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kĩ thuật

SV thực hiện: Trần Trung Đức Nam, Nữ: Nam

Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: i

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh mục bảng iii

Danh mục hình ảnh iv

Danh mục từ viết tắt vii

Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài ix

MỞ ĐẦU 1

a TỔNG QUAN 1

b LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

c MỤC TIÊU 3

d PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

e ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

f PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 GIỚI THIỆU 4

1.2 TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA TIM VÀ ĐIỆN TIM 4

1.2.1 Mô tả sơ lược nguyên lý hoạt động của tim 4

1.2.2 Sơ lược về điện tim 5

1.2.3 Phương pháp ghi điện tim 6

1.3 LÝ THUYẾT VỀ BỘ LỌC SỐ 10

1.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ANDROID 11

1.4.1 Khái niệm Android 11

1.4.2 Kiến trúc Android 11

1.5 GIỚI THIỆU VỀ TCP/IP 12

1.6 GIỚI THIỆU VỀ SERVER 12

1.7 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 13

1.8 GIỚI THIỆU VỀ WEB 13

1.8.1 Giới thiệu 13

1.9 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 14

1.9.1 Giới thiệu 14

1.9.2 LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu WIFI Module 14

1.9.3 ADS1292R ECG Module Sensor 15

1.9.4 Monochrome 7-pin SSD1306 0.96” OLED display 16

1.10 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 17

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 18

2.1 GIỚI THIỆU 18

2.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18

2.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 18

2.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 19

2.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 40

Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: ii

Chương 3 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

3.1 GIỚI THIỆU 42

3.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

3.2.1 Thi công bo mạch 42

3.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 43

3.3 ĐÓNG GÓI BỘ ĐIỀU KHIỂN 46

3.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 49

3.4.1 Lưu đồ giải thuật 49

3.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 52

3.5 LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG 54

3.5.1 Lưu đồ giải thuật 54

3.6 LẬP TRÌNH SERVER 59

3.6.1 Lưu đồ giải thuật 60

3.6.2 Phần mềm lập trình cho Database 61

3.6.3 Phần mềm lập trình cho Server 62

3.6.4 Kết nối database, server, smartphone 63

3.7 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 65

3.7.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 65

3.7.2 Quy trình thao tác 66

Chương 4 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 67

4.1 KIẾN THỨC ĐẠT ĐƯỢC 67

4.2 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG 68

4.2.1 Thi công phần cứng 68

4.2.2 LẬP TRÌNH CHO PHẦN CỨNG 69

4.3 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 71

4.3.1 PHẦN MỀM ANDROID 71

4.3.2 SERVER 72

4.4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 74

4.4.1 KẾT QUẢ ĐO NHIỀU VỊ TRÍ 74

4.4.2 SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI THIẾT BỊ KHÁC 76

4.4.3 GIẢI THÍCH 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

a KẾT LUẬN 81

b KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các chân chức năng sử dụng giao tiếp SPI 27

Bảng 2.2: Các chân chức năng của Oled SSD1306 28

Bảng 2.3: Dòng tiêu thụ ở mỗi chế độ truyền nhận dữ liệu 32

Bảng 2.4: Đặc tính điện của SSD1306 33

Bảng 2.5: Bảng liên hệ dòng sạc và điện trở 36

Bảng 3.1: Danh sách các linh kiện 43

Bảng 4.1: Thông số điện tim ở 3 vị trí đo khác nhau 76

Bảng 4.2: So sánh tính chính xác tính toán nhịp tim với các thiết bị khác 77

Bảng 4.4: Thông số điện tim so sánh ở các máy 78

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Chu kỳ hoạt động của tim 4

Hình 1.2: Điện thế hoạt động – Các quá trình điện học của tim 5

Hình 1.3: Các thành phần sóng của điện tâm đồ 6

Hình 1.4: Sơ đồ mắc các chuyển đạo mẫu 7

Hình 1.5: Tam giác Einthoven 7

Hình 1.6: Cách đấu cực trung tâm và mắc một chuyển đạo đơn cực chi 9

Hình 1.7: Sơ đồ mắc các chuyển đạo đơn cực các chi sau cải tiến 9

Hình 1.8: Vị trí đặt điện cực thăm dò của 6 chuyển đạo trước tim 10

Hình 1.9: Mặt phẳng nằm ngang với các trục chuyển đạo 10

Hình 1.10: Kiến trúc hệ điều hành Android 11

Hình 1.11: Module Wifi LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu 14

Hình 1.12: Sơ đồ chân Module Wifi LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu 14

Hình 1.13: Mô-đun cảm biến ADS1292R 15

Hình 1.14: Màn hình Oled 16

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 18

Hình 2.2: Sơ đồ khối ADS1292R 19

Hình 2.3: Sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai 20

Hình 2.4: Sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai trong ADS1292R 21

Hình 2.5: ADC Sigma-delta 21

Hình 2.6: Sơ đồ mô hình toán ADC sigma-delta 22

Hình 2.7: Sơ đồ khối tham chiếu 23

Hình 2.8: IC chuyển đổi mức logic 23

Hình 2.9: Sơ đồ mạch tín hiệu ECG 24

Hình 2.10: Module điện tim ADS1292R 25

Hình 2.11: Vi điều khiển ESP8266EX 25

Hình 2.12: Sơ đồ khối ESP8266EX 26

Hình 2.13: Sơ đồ mạch chân reset ESP8266 27

Hình 2.14: Sơ đồ khối SSD1306 29

Hình 2.15: Sơ đồ ghi dữ liệu vào SSD1306 31

Hình 2.16: IC TP4056 35

Hình 2.17: Mạch ứng dụng TP4056 35

Hình 2.18: Module nguồn có báo vệ Pin 36

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 41

Hình 3.1: Sơ đồ mạch in 42

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí linh kiện 43

Hình 3.3: Mạch in trên giấy 44

Hình 3.4: Tác dụng nhiệt lên boar đồng và giấy in 44

Hình 3.5: Board đã ăn mòn và khoan lỗ chân linh kiện 45

Hình 3.6: Lắp ráp ADS1292R và TP4056 45

Hình 3.7: Mặt trên và dưới board mạch 46

Hình 3.8: Thiết kế hộp đựng 47

Hình 3.9: Hoàn thiện thiết kế hộp đựng (ảnh mô hình) 48

Hình 3.10: Thi công lắp các phần vào hộp đựng 49

Hình 3.11: Lưu đồ khối chính của hệ thống 49

Hình 3.12: Lưu đồ chương trình con kết nối wifi 50

Hình 3.13: Chương trình con lấy dữ liệu 51

Hình 3.14: Lưu đồ chương trình con Gửi và Hiển thị dữ liệu 51

Hình 3.15: Giao diện IDE 52

Hình 3.16: Thêm đường dẫn cho Board 53

Hình 3.17: Thêm Board để lập trình 53

Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật chính của ứng dụng điện thoại 54

Hình 3.19: Lưu đồ giải thuật của khối Login 55

Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật chương trình con Information and load data 56

Hình 3.21: Lưu đồ giải thuật chương trình con Get and save data 57

Hình 3.22: Các bước tạo project mới 58

Hình 3.23: Giao diện thiết kế giao diện cho ứng dụng 58

Hình 3.24: Giao diện lập trình chức năng cho ứng dụng 59

Hình 3.25: Các bước để xuất File APK 59

Hình 3.25: Lưu đồ giải thuật xác thực đăng nhập vào ứng dụng 60

Hình 3.26: Lưu đồ giải thuật giao tiếp dữ liệu giữa ứng dụng và Database 61

Hình 3.27: Giao diện đăng nhập phpMyAdmin 61

Hình 3.28: Tạo cơ sở dữ liệu 62

Hình 3.29: Kết quả sau khi hoàn thành tạo bảng CSDL 62

Hình 3.30: Giao diện làm việc phần mềm Subline Text 63

Hình 3.31: Các bước tạo Website miễn phí trên 000webhost 64

Hình 3.32: Kết quả sau khi tạo Website 64

Hình 3.33: Giao diện Quản lý “Database” và “Quản lý File” 65

Hình 3.34: Quay trình thao tác sử dụng của hệ thống đo ECG 66

Hình 4.1: Tổng thể bên ngoài sản phẩm 68

Hình 4.2: Bên trong sản phẩm 68

Hình 4.3: Màn hình trạng thái hệ thống 69

Hình 4.4: Tín hiệu thô từ cảm biến 69

Hình 4.5: Tín hiệu qua bộ lọc thành phần DC 70

Hình 4.6: Tín hiệu qua bộ lọc thông thấp 70

Hình 4.7: Kết quả tính toán nhịp tim 71

Hình 4.8: Giao diện ứng dụng điện thoại 72

Hình 4.9: Các bảng cơ sở dữ liệu đã được tạo 73

Hình 4.10: Các dữ liệu của bảng CSDL Login_imfomation 73

Hình 4.11: Các dữ liệu được lưu lên bảng CSDL user_imfomation_v1 73

Hình 4.12: Kết quả gắn điện cực ở ngực 74

Hình 4.13: Kết quả gắn điện cực ở tay 75

Hình 4.14: Kết quả gắn điện cực ở chi 75

Hình 4.15: Kết quả đo từ máy phát điện tim mô phỏng 76

Hình 4.16: Kết quả tín hiệu ECG đo 3 thiết bị từ 1 sinh viên 77

Hình 4.17: Biểu đồ so sánh nhịp tim trung bình 79

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital

ADC Analog to Digital Converter

BLE Bluetooth Low Energy

BSS Basic Service Set

CIC Cascaded Integrator–Comb

CPU Central Processor Unit

DAC Digital to Analog Converter

DBMS Database Management System

DCF Distributed Control Function

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

ECG Electrocardiogram

FIR Finite Impulse Response

FTP File Transfer Protocol

HTML HyperText Markup Language

HTTP HyperText Transfer Protocol

I2C Inter-Intergrated Circuit

IC Integrated Circuit

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers,

IIR Infinite Impulse Response

IOS Internetwork Operating System

IoT Internet of Things

IP Internet Protocol

NTC Negative Temperature Coefficient

Op-Amp Operator Amplifier

PHP Hypertext Preprocessor

PWM Pulse-width modulation

RDBMS Relational Database Management System

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SPI Serial Peripheral Interface

SQL Structured Query Language

TCP Transmission Control Protocol

UDP User Datagram Protocol

URL Uniform Resource Locator

USB Universal Serial Bus

VOM Volt-Ohm-Milliammeter

VPS Virtual Private Server

WIFI Wireless Fidelity

WPA Wi-Fi Protected Access

MỞ ĐẦU

a TỔNG QUAN

Dương Trọng Lượng và nhóm nghiên cứu đã trình bày đề tài: Thiết kế hệ thống thu nhận tín hiệu điện tâm đồ trong thời gian thực dựa trên giao tiếp âm thanh- soundcard tích hợp trong máy tính [1] Bài báo này đã trình bày nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu nhận tín hiệu điện tâm đồ (ECG) trong thời gian thực dựa vào soundcard có sẵn trong máy tính Nghiên cứu này đã phát triển được công cụ giúp thu thập, xử lý, phân tích tín hiệu ECG được thuận tiện hơn nhờ soundcard và phần mềm Matlab có trên máy tính

Đồ án tốt nghiệp của Nguyễn Văn Hải và Nguyễn Minh Quân với đề tài: Giám sát nhịp tim qua điện thoại Android đã tập trung gửi dữ liệu nhịp tim lên điện thoại android [2] Dữ liệu nhịp tim được lấy từ cảm biến không xâm lấn được đặt ở đầu ngón tay Dữ liệu này được đưa vào và xử lý trong arduino Sau khi được xử lý, dữ liệu được gửi lên điện thoại qua serial và giao tiếp qua bluetooth Trên điện thoại có phần mềm được tạo

từ môi trường Mit App Inventer để hiển thị và giám sát

Theo dõi dữ liệu điện tim là một nhu cầu cần thiết của mọi người Bin Yu, Lisheng

Xu và Yongxu Li [3] đã đưa được tín hiệu đó lên điện thoại Sử dụng bluetooth nămg lượng thấp (BLE) để gửi dữ liệu lên Trên nền tảng di động IOS của Iphone 4s được nhúng bluetooth 4.0, dữ liệu được nhận từ cảm biến và hiển thị Cảm biến thu nhận tín hiệu là loại 2 cực Nghiên cứu không những cho thấy tính hiệu quả trong việc loại bỏ hạn chế bởi dây dẫn vật lý mà còn giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng khi giám sát điện tim dài hạn

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì khoa học máy tính và mạng máy tính phát triển Wei Lin giám sát tín hiệu điện tim theo thời gian thực thông qua kết nối IEEE802.15.4 [4] Các bác sĩ có thể nắm được sự bất thường của tín hiệu điện tim

mà không bị ràng buộc với thiết bị ECG Mục tiêu của nghiên cứu là tạo nên nền tảng mạng chăm sóc sức khỏe không dây dựa trên tiêu chuẩn IEEE 8002.15.4 có khả năng truyền dữ liệu ECG đa kênh trong thời gian thực Sử dụng module ZB XBEE Pro cho hai thiết bị máy tính để bàn; một để lấy dữ liệu, xử lý và truyền, thiết bị còn lại tiếp nhận

và hiển thị trong thời gian thực Phần mềm kiểm tra kết nối giữa phần cứng khác và XBEE đã được viết trên Labview Kết quả thử nghiệm cho thấy tốc độ truyền dữ liệu hiệu quả là trên 3,2 Kb/s nếu dữ liệu trên 60 byte, tốc độ này cho phép truyền phát tin cậy một kênh tín hiệu ECG chất lượng cao mà không bị tràn bộ đệm

Việc số hóa điện tim có thể thúc đẩy được phát hiện các loại bệnh về tim và liên quan Guo Ying [7] và nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống phát hiện và phân tích ECG trên nền tảng Labview thông qua module chuyển đổi Các tín hiệu này được số hóa và

xử lý lọc đơn giản từ module Sau đó hiển thị lưu trữ và phát lại dữ liệu dựa trên nền tảng của Labview và một số xử lý dựa trên nền tảng của Matlab Hiệu suất của hệ thống

là đáng tin cậy, module gần gũi hơn với thực tế và dễ vận hành

Labview dần cho thấy lợi thế của mình trong lĩnh vực điện tử bởi khả năng tương thích phần cứng của nó Stanley Glenn E Brucal và nhóm nghiên [5] cứu đã phát triển thuật toán xử lý tín hiệu ECG 12 đạo trình bằng NI Labview và NI Elvis Nghiên cứu này thực hiện thuật toán loại bỏ một lượng nhiễu nhất định trong tín hiệu ECG Tính thân thiện của nó được khảo sát thông qua các bác sĩ tim mạch Khảo sát này cho thấy ECG-NI loại bỏ tốt được nhiễu, chính xác và thân thiện với người dùng

Công nghệ phát triển, nhu cầu khám chữa bệnh từ xa cũng tăng theo Một hệ thống

đo tín hiệu sinh học từ xa trong thời gian thực đã được phát triển bởi Jay A Raval [6] Nghiên cứu này cho phép theo dõi bệnh nhân liên tục; thu nhận, phân tích và xử lý các thông tin như nhịp tim và ECG Thu tín hiệu thô sử dụng bởi cảm biến EKG được tiền

xử lý trên nền tảng NI ELVIS Tín hiệu được xử lý tiếp ở phần mềm Labview để phân tích Qua đó có thể theo dõi tín hiệu ở một vị trí từ xa trong thời gian thực bằng công cụ web

Tín hiệu điện tim có đặc điểm là biên độ nhỏ và dễ bị nhiễu Ở các độ tuổi khác nhau thì việc lấy điện tim và gặp trở ngại khác nhau và số điện cực sẽ quyết định số đạo

trình cần lấy Vì vậy, trong quá trình thu thập tín hiệu điện tim cần tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc trong việc lấy tín hiệu điện tim cho tốt nhất Không những thế cần phải

có thiết bị lấy tín hiệu điện tim đáng tin cậy để có thể thu thập các dữ liệu điện tim chính xác

Trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay, IoT được áp dụng vào mọi lĩnh vực trong cuộc sống Trong lĩnh vực y tế thì IoT đóng vai trò vô cùng quan trọng khi nó giúp việc khám chữa bệnh trở nên nhanh hơn, thuận tiện hơn khi “vạn vật” được kết nối với nhau Đối với việc thu thập và hệ thống hóa số tín hiệu điện tim sẽ giúp cho việc phân loại và chẩn đoán bện được diễn ra nhanh chóng hơn đồng thời hưởng ứng chính sách hồ sơ y

tế của Bộ Y tế Việt Nam ban hành vào ngày 01/03/2019 Đây là lý do thôi thúc nhóm

thực hiện đề tài Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu điện tim ECG có hiển

thị tín hiệu qua smart phone

c MỤC TIÊU

Xây dựng được mô hình thu thập tín hiệu điện tim và gửi dữ liệu lên server Đồng thời, tín hiệu cũng được hiển thị lên smart phone thông qua phần mềm ứng dụng được lập trình

d PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp tham khảo tài liệu: Tham khảo các tài liệu về thu thập tín hiệu ECG

và cách sử dụng phần mềm Labview

Phương pháp thực nghiệm khoa học: Trực tiếp thu thập dữ liệu và đưa dữ liệu lên web, app điện thoại

e ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là tín hiệu điện tim, cách thức truyền dữ liệu điện tim và lưu dữ liệu điện tim

f PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phạm vi nghiên cứu là tập trung vào xây dựng một hệ thống phần mềm dùng để truyền dữ liệu ECG từ lúc thu được đến lúc hiển thị lên thiết bị đầu cuối cho người dùng

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU

Sau khi lựa chọn được đề tài, để hiểu rõ hơn về tính thực thi và một số lý thuyết liên quan đến đề tài, nhóm chúng em xin được trình bày một số nội dung chính sau: Tổng quan về hoạt động của tim và điện tim, Lý thuyết về bộ lọc số, Giới thiệu sơ lược về Android, Server, Wifi, Mysql, PHP cũng như phần cứng và phần mềm được sử dụng để thực hiện đề tài này

1.2 TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA TIM VÀ ĐIỆN TIM

1.2.1 Mô tả sơ lược nguyên lý hoạt động của tim

Tim là một trong những bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của người và động vật [12] Tim hoạt động như cái bơm với chức năng bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch cùng dưỡng khí và các chất dinh dưỡng đến các tế bào trong toàn bộ cơ thể [13-14] Đồng thời tim hút máu từ các tĩnh mạch về hai tâm thất của tim, sau đó đẩy máu đến phổi để trao đổi khí CO2 và lấy khí O2 [15]

Chu kì hoạt động của tim

Tim hoạt động theo chu kỳ với mỗi chu kỳ tim được bắt đầu từ pha co tâm nhĩ,

tiếp đến là pha co tâm thất và cuối cùng là pha giãn chung như mô tả ở hình 1.1

Hình 1.1: Chu kỳ hoạt động của tim

Mỗi một chu kỳ tim thường kéo dài 0,8 giây gồm 3 pha, trong đó:

 Pha nhĩ co 0.1s và 0.7s còn lại là thời gian nghỉ của cơ tâm nhĩ

 Pha thất co 0.3s và 0.5s còn lại là thời gian nghỉ của cơ tâm thất

 Thời gian của pha dãn chung là 0.4s, còn lại 0.4s là thời gian nghỉ

Nhờ vào các yếu tố như hoạt động theo chu kỳ đều đặn, phân bổ đều thời gian nghỉ cùng cấu tạo đặc biệt và bền bỉ của tim cũng như lượng máu cung cấp để nuôi dưỡng dồi dào nên cơ tim có thể hoạt động liên tục [17]

1.2.2 Sơ lược về điện tim

a Các quá trình điện học của tim

Hình 1.2: Điện thế hoạt động – Các quá trình điện học của tim

Hình 1.2 chính là quá trình điện học của tim, xảy ra do sự biến đổi hiệu điện thế

giữa hai mặt trong và ngoài màng tế bào cơ tim Sự thay đổi hiệu điện thế này xuất hiện khi có sự di chuyển của các ion (K+, Na+ ) giữa mặt trong và ngoài tế bào

Khi tế bào bắt đầu hoạt động thì điện thế mặt ngoài màng tế bào trở thành âm tính tương đối so với mặt trong của màng tế bào và đó chính là hiện tượng khử cực Sau đó

tế bào dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, khi đó điện thế mặt ngoài tế bào trở lại trạng thái dương tương đối so với mặt trong màng tế bào và quá trình đó gọi là hiện tượng tái cực [18]

b Sự hình thành điện tâm đồ

Nút xoang giữ vai trò chủ nhịp, tức là xung động từ nút xoang lan ra cơ nhĩ → nhĩ khử cực, tâm nhĩ bóp đẩy máu xuống tâm thất Sau đó xung động đi qua nút N/T → Khử cực thất, tâm thất đẩy máu vào các động mạch

Hiện tượng tâm nhĩ và tâm thất khử cực lần lượt trước sau là để duy trì quá trình hoạt động bình thường của hệ tuần hoàn Do đó, nó cũng làm cho điện tâm đồ hình thành

2 phần là nhĩ đồ và thất đồ [18]

c Phân tích hành dạng các sóng điện tim

Điện tim bao gồm các dạng sóng như P, phức bộ QRS, sóng T, sóng U Đặc điểm

cơ bản của mỗi dạng sóng được mô tả như ở hình 1.3

Các dạng sóng ECG chuẩn được trình bày chi tiết hơn ở dưới đây:

 Sóng P: Sóng khử cực 2 nhĩ (<0.25mV, 0.05-0.11s, V1)

 Khoảng PR: khoảng thời gian dẫn truyền từ nhĩ tới thất, khoảng thời gian

này được đo từ đầu sóng P đến điểm đầu QRS (0.12-0.2s)

 Phức hợp QRS: Thời gian khử cực 2 thất, được đo từ điểm cuối của khoảng

PR đến hết sóng S (0.05-0.09s)

 Khoảng QT: khoảng thời gian cho thấy hoạt động khử cực và tái khử cực

của tâm thất, là khoảng từ điểm đầu QRS đến cuối sóng T (0.35-0.44s)

 Đoạn ST: Thời gian 2 tâm thất hoàn toàn bị khử cực và bắt đầu ở điểm cuối

QRS đến điểm đầu sóng T (0.05-0.15s)

 Sóng T: Sóng tái cực 2 tâm thất (0.1-0.5mV, đỉnh tròn)

 Sóng U: là 1 sóng nhỏ sau sóng T (<0.1mV, V2-V3)

Hình 1.3: Các thành phần sóng của điện tâm đồ

1.2.3 Phương pháp ghi điện tim

Phương pháp ghi điện tâm đồ cũng tương tự như cách ghi các đường cong biến thiên tuần hoàn khác Khi cho dòng điện tim tác động lên một bút ghi làm bút này dao động đều và liên tục qua lại theo một vận tốc nào đó và vẽ lên mặt một băng giấy thông qua một động cơ mà ta được một đường cong tuần hoàn gồm nhiều làn sóng biến thiên theo thời gian, đó là điện tâm đồ Tùy vào điện thế này cao hay thấp mà bút ghi sẽ vạch lên giấy một làn sóng có biên độ cao hay thấp

a Các chuyển đạo thông dụng

Có hai loại chuyển đạo: chuyển đạo trực tiếp và chuyển đạo gián tiếp

 Chuyển đạo trực tiếp là chuyển đạo khi đặt điện cực chạm vào cơ tim Chỉ

dùng chuyển đạo này trên những người mở lồng ngực trong phẫu thuật hay trên các động vật thí nghiệm

 Chuyển đạo gián tiếp thường được dùng trên người bình thường, vị trí là

ngoài lồng ngực với 3 loại chuyển đạo gián tiếp: chuyển đạo song cực chi (chuyển đạo mẫu), chuyển đạo đơn cực chi và chuyển đạo trước tim

b Cách đặt các chuyển đạo

Ngày nay, ở đại đa số các trường hợp nên đặt điện cực theo 12 cách và thu lấy 12 chuyển đạo thông dụng bao gồm 3 chuyển đạo mẫu, 3 chuyển đạo đơn cực chi và 6 chuyển đạo trước tim Ở mỗi chuyển đạo sẽ có một hình dạng sóng ECG khác nhau.Và trong phần này chỉ nói chi tiết về 3 chuyển đạo gián tiếp vì nó thường được dùng trong thực hành y học lâm sàng

Chuyển đạo song cực chi (chuyển đạo mẫu):

Các chuyển đạo mẫu (Standard) là những chuyển đạo được nghiên cứu ngay từ thời Einthoven, chúng còn được gọi là các chuyển đạo lưỡng cực các chi (bipolar limb leads) hay các chuyển đạo lưỡng cực ngoại biên (bipolar peripheral leads) vì cả hai điện cực của chúng đều là những điện cực thăm dò

Hình 1.4: Sơ đồ mắc các chuyển đạo mẫu

Điện cực âm ở cổ tay phải, điện cực dương ở cổ tay trái, gọi đó là chuyển đạo I,

viết tắt là D1 như ở hình 1.4 với điện cực đặt ở chân phải là dây nối đất để chống ảnh

hưởng tạp

Hình 1.5: Tam giác Einthoven

Như cách mắc ở hình 1.5, khi điện cực tay trái dương tính tương đối thì máy điện

tâm đồ sẽ ghi một làn sóng dương, còn khi điện cực tay phải dương tính tương đối thì máy sẽ ghi một làn sóng âm Do đó, ta gọi chiều dương của trục chuyển đạo là chiều từ vai phải sang vai trái

 Điện cực âm đặt ở cổ tay phải, điện cực dương đặt ở cổ chân trái, đó gọi là chuyển đạo 2, viết tắt là D2 Khi đó, trục chuyển đạo sẽ là một đường thẳng

đi từ vai phải (R) xuống gốc chân trái (F) và chiều dương chính là chiều từ

R đến F

 Điện cực âm đặt ở tay trái và điện cực dương ở chân trái gọi đó là chuyển đạo 3, viết tắt là D3 Do đó, trục chuyển đạo sẽ là đường thẳng LF từ vai trái (L) đến gốc chân trái (F) và chiều dương chính là chiều từ L đến F Các trục chuyển đạo RL, RF, và LF của D1, D2, D3 lập thành 3 cạnh của một hình tam giác đều với mỗi góc bằng 60 độ gọi là “tam giác Einthoven”

Các chuyển đạo đơn cực các chi:

Chuyển đạo này vẫn dùng 2 điện cực: một điện cực thăm dò và một điện cực trung tính (tay phải, tay trái và chân trái)

Các chuyển đạo mẫu đều có hai điện cực thăm dò để ghi hiệu thế giữa 2 điểm của điện trường tim Nhưng khi muốn điện thế riêng biệt của mỗi điểm thì phải biến một điện cực thành ra trung tính Do đó, cần nối điện cực âm ra một cực trung tâm gọi tắt là

CT (central terminal) có điện thế bằng 0 (trung tính) vì nó là tâm của một mạch điện hình sao mắc vào 3 đỉnh của tam giác Einthoven (Wilson) Còn điện cực dương thì đem đặt lên vùng cần thăm dò và gọi đó là một chuyển đạo đơn cực

Khi điện cực thăm dò này được đặt ở một chi thì gọi là một chuyển đạo đơn cực

chi và thường được đăt ở 3 vị trí cổ tay phải, cổ tay trái, cổ chân trái như hình 1.6 và

chi tiết được trình bày dưới đây:

 Cổ tay phải: chuyển đạo VR (V: voltage; R: right) thu điện thế ở mé bên

phải và đáy tim Khi đó trục chuyển đạo là đường thẳng nối tâm điểm (O)

ra vai phải

 Cổ tay trái: chuyển đạo VL có nhiệm vụ lấy điện thế đáy thất trái và trục

chuyển đạo ở đây là đường thẳng OL

 Cổ chân trái: chuyển đạo VF, đó là chuyển đạo có thể thu được tín hiệu

từ thành sau dưới của tim Trục chuyển đạo là đường thẳng OF

Hình 1.6: Cách đấu cực trung tâm và mắc một chuyển đạo đơn cực chi

Ba chuyển đạo ở hình 1.6 được Goldberger cải tiến (1947) bằng cách cắt bỏ cánh

sao nối với chi có đặt điện cực thăm dò, làm cho các sóng điện tim của các chuyển đạo

đó tăng biên độ lên gấp rưỡi nhưng vẫn giữ được hình dạng như cũ gọi là những chuyển

đạo đơn cực các chi tăng cường (kí hiệu là aVR, aVL, aVF) như hình 1.7 và thông dụng

hơn các chuyển đạo VR, VL, VF

Hình 1.7: Sơ đồ mắc các chuyển đạo đơn cực các chi sau cải tiến

Các trục chuyển đạo (OR, OL, OF) của các chuyển đạo đơn cực các chi chính là

ba đường phân giác trong của tam giác Einthoven Và 6 chuyển đạo: D1, D2, D3, aVR, aVL, aVF được gọi chung là các chuyển đạo ngoại biên vì đều có điện cực thăm dò đặt

ở các chi Chúng hỗ trợ cho nhau dò xét các thay đổi của dòng điện tim thể hiện ở bốn phía xung quanh quả tim trên mặt phẳng chắn (frontal plane)

Các chuyển đạo đơn cực trước tim:

Thông thường khi đo điện tim người ta thường gắn cho bệnh nhân 6 chuyển đạo trước tim là phổ biến nhất, kí hiệu bằng chữ V (voltage) kèm theo các chỉ số từ 1 đến 6

Đó là những chuyển đạo đơn cực, có một điện cực trung tính nối vào cực trung tâm (CT)

và một điện cực thăm dò, được đặt lần lượt trên 6 điểm ở vùng trước tim như ở hình 1.8

dưới đây

Hình 1.8: Vị trí đặt điện cực thăm dò của 6 chuyển đạo trước tim

Và chi tiết vị trí các điện cực gắn lên cơ thể bệnh nhân được trình bày dưới đây:

 V1: khoảng liên sườn 4 bên phải sát bờ xương ức

 V2: khoảng liên sườn 4 bên trái, sát bờ xương ức

 V3: điểm giữa đường thẳng nối V2 với V4

 V4: giao điểm của đường dọc đi qua điểm giữa xương đòn trái với đường

ngang đi qua mỏm tim (hay nếu không xác định được vị trí mỏm tim thì lấy khoảng liên sườn 5 trái)

 V5: giao điểm của đường nách trước với đường ngang đi qua V4

 V6: giao điểm đường nách giữa với đường ngang đi qua V4, V5

Hình 1.9: Mặt phẳng nằm ngang với các trục chuyển đạo

Như vậy, trục chuyển đạo của chúng sẽ là những đường thẳng hướng từ tâm điểm

điện của tim (điểm O) tới các vị trí của điện cực tương ứng như hình 1.9 và các trục đó

nằm trên những mặt phẳng nằm ngang hay gần ngang [19]

1.3 LÝ THUYẾT VỀ BỘ LỌC SỐ

Trong quá trình thu tín hiệu trong thực tế thường sẽ không tránh khỏi việc bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường Vì vậy, quá trình lọc nhiễu tín hiệu là rất cần thiết cho việc phân bố lại các thành phần tần số của tín hiệu Quá trình này được thực hiện thông qua các bộ lọc với hai mục đích chính sau:

 Phân tích tính hiệu được áp dụng khi tín hiệu mong muốn bị giao thoa với các tín hiệu khác (nhiễu)

 Phục hồi tín hiệu khi tín hiệu bị sai lệch bởi các tác động không mong muốn

từ môi trường xung quanh làm cho nó bị biến dạng

Gồm 2 bộ lọc chính: bộ lọc tương tự và bộ lọc số Và trong đề tài này nhóm chỉ sử dụng bộ lọc số để lọc nhiễu tín hiệu ECG

Bộ lọc số là hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian Đặc trưng bởi một đáp ứng xung và một đáp ứng tần số Mỗi đáp ứng đều chứa đầy đủ thông tin về bộ lọc nhưng ở dạng khác nhau Nếu có được một trong hai đáp ứng thì có thể tính toán trực tiếp để suy ra đáp ứng còn lại Đáp ứng xung là đầu ra của hệ thống khi đầu vào là xung đơn vị Đáp ứng tần số là kết quả từ phép biến đồi Fourier của đáp ứng xung

Bộ lọc số có hai chức năng chính là phân tích và phục hồi tín hiệu Nếu xét về đáp ứng xung chia các bộ lọc số thành 2 loại chính là bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn FIR và bộ lọc có đáp ứng xung vô hạn IIR Xét về đáp ứng tần số biên độ chia các bộ lọc thành 4 loại cơ bản: lọc thông thấp, thông cao, thông dải và chắn dải

1.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ ANDROID

1.4.1 Khái niệm Android

Android là một hệ điều hành mở dựa trên nền tảng Linux, được thiết kế và chạy trên các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh, máy tính bảng và cả đồng hồ thông minh [22]

1.4.2 Kiến trúc Android

Hình 1.10: Kiến trúc hệ điều hành Android

Kiến trúc hệ điều hành Android gồm 4 tầng chính là Linux Kernel (hạt nhân), Android Runtime (ART) và Libraries, Application Framework và tầng Applications

[24] Và chi tiết về tầng trong cấu trúc Android (hình 1.10) được trình bày dưới đây:

Tầng này sẽ chứa các thư viện của của chương trình viết bằng ngôn ngữ Java gồm

2 bộ phận là các thư viện lõi (core library) và một máy ảo Java (DVM)

1.5 GIỚI THIỆU VỀ TCP/IP

TCP/IP là một bộ các giao thức truyền thông mà internet và hầu hết các mạng máy tính đang chạy Bộ giao thức này gồm hai giao thức chính là TCP và IP TCP giúp tạo kết nối giữa các ứng dụng trên các máy chủ được nối mạng để trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự IP có chức năng hướng dữ liệu được sử dụng bởi các máy chủ ngồn và đích để truyền dữ liệu trong một liên mạng chuyển mạch gói

Bộ giao thức TCP/IP là một tập hợp các tầng gồm Tầng ứng dụng (Application Layer), Tầng giao vận (Transport Layer), Tầng mạng (Internet Layer), Tầng liên kết (Link Layer)

1.6 GIỚI THIỆU VỀ SERVER

Server là một hệ thống đáp ứng yêu cầu trên một mạng máy tính để cung cấp hoặc

hỗ trợ cung cấp một dịch vụ mạng Các server có thể chạy trên một "máy chủ" hoặc nhiều máy tính nối mạng có khả năng máy chủ lưu trữ

Các máy chủ thường hoạt động trong một mô hình client-server với server là các chương trình máy tính đang chạy để phục vụ yêu cầu của các chương trình khác để thực

hiện một số nhiệm vụ thay mặt cho khách hàng (client) Các client thường kết nối với server thông qua mạng nhưng có thể chạy trên cùng một máy tính Trong hệ thống hạ tầng của mạng Internet Protocol (IP), một server là một chương trình hoạt động như một socket listener (giao thức nghe) [25]

Nếu dựa theo phương pháp xây dựng hệ thống, máy chủ - Server gồm 3 loai: Máy chủ riêng (Dedicated), Máy chủ ảo (VPS), Máy chủ đám mây (Cloud Server) Còn phân loại theo chức năng thì máy chủ - server được chia thành các loại phổ biến như: Web Server, Mail Server, FTP Server, Database Server, DNS Server, DHCP Server, Print Server, Application Server, Indentity Server, Game Server, [26]

1.7 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU

Cơ sở dữ liệu (Database) là một tập hợp các dữ liệu có tổ chức và được lưu trữ và truy cập từ hệ thống máy tính Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) là phần mềm thu thập

và phân tích dữ liệu với 4 nhóm chức năng chính là Định nghĩa, Cập nhật, Truy suất và Quản trị dữ liệu

SQL là một loại ngôn ngữ máy tính phổ biến để tạo, sửa và lấy dữ liệu từ một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) MySQL là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu với mã nguồn mở hoạt động theo mô hình client-server MySQL quản lý dữ liệu thông qua các Database với mỗi Database có thể có nhiều bảng quan hệ chứa dữ liệu [29]

1.8 GIỚI THIỆU VỀ WEB

1.8.1 Giới thiệu

Web là từ gọi tắt của “World Wide Web”, là một mạng lưới toàn cầu giúp mọi người có thể truy cập và tải xuống thông tin qua các thiết bị kết nối với mạng internet Các trang Web được định dạng bằng HTML cho phép các link nhúng có chứa URL và cho phép điều hướng đến các tài nguyên web khác Trang web được lưu trữ trong các máy tính đang chạy chương trình được gọi là “máy chủ web”, xử lý các yêu cầu (request)

từ các client thông qua giao thưc HTML và một số giao thưc liên quan khác

Có nhiều ngôn ngữ để xây dựng các trang web như Javascript, Python, C#, … nhưng để kết nối App điện thoại và DBMS thì PHP được sử dụng phổ biến nhất Đây là ngôn ngữ lập trình mã nguồn mở và mã PHP có thể thực thi trên server để tạo ra mã HTML và xuất ra trình duyệt web theo yêu cầu của người sử dụng PHP cho phép xây dựng ứng dụng web trên mạng internet tương tác với mọi cơ sở dữ liệu như: MySQL, Oracle, …

Bên cạnh đó, PHP được tối ưu hóa cho các ứng dụng web, tốc độ nhanh, nhỏ gọn,

cú pháp giống C và Java, dễ học và thời gian xây dựng sản phẩm tương đối ngắn hơn so với các ngôn ngữ khác nên PHP đã nhanh chóng trở thành một ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất thế giới [31]

1.9 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

1.9.1 Giới thiệu

Từ những phần lý thuyết được tìm hiểu ở trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn phần cứng để thực hiện đề tài này với phần Vi điều khiển là LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu WIFI Module, phần cảm biến để thu tín hiệu là ADS1292R ECG Module và một màn hình SSD1306 OLED để hiển thị

1.9.2 LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu WIFI Module

a Mô tả

Hình 1.11: Module Wifi LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu

Hình 1.11 chính là Module Wifi ESP8266, đây là một mạch vi điều khiển có thể

giúp ta điều khiển các thiết bị điện tử Thêm vào đó nó được tích hợp wi-fi 2.4GHz có thể dùng cho lập trình [32] Kít ESP8266 được tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên board và một lõi vi xử lý nên có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi xử lý nào nữa [33]

Hình 1.12: Sơ đồ chân Module Wifi LUA ESP8266 CP2102 Nodemcu

Ở hệ thống này, ESP8266 kết nối với một module cảm biến thu điện tim dưới dạng

tín hiệu analog Các chân Module này sẽ được mô tả ở hình 1.12 Nhờ có 1 chân analog

duy nhất mà ESP8266 có thể nhận được dữ liệu Sau khi thu thập dữ liệu và xử lý, ESP8266 thực hiện 2 nhiệm vụ độc lập với nhau là: gửi dữ liệu lên web server để lưu trữ và gửi dữ liệu lên điện thoại để hiển thị trực tiếp tín hiệu đo được

b Thông số kỹ thuật

 WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

 Điện áp hoạt động: 3.3V

 Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB

 Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/ PWM/ I2C/

 Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython…

1.9.3 ADS1292R ECG Module Sensor

a Mô tả

Hình 1.13: Mô-đun cảm biến ADS1292R

Hình 1.13 chính là Mô-đun ADS1292 là một mô-đun cảm biến với 2 kênh chuyển

đổi A/D 24 bit có chức năng là hỗ trợ đo các tín hiệu ECG và hô hấp Bên cạnh đó, đun này được bổ sung chân SPI mới giúp tương thích với các thiết bị Arduino mới hơn

mô-và bao gồm đầu nối Arduino Yun mô-và Due

Tín hiệu ECG được thu thập thông qua một dây cáp kết nối đi kèm với một đầu là jack 3.5mm tròn và đầu bên kia là các nút để kết nối các điện cực ECG Nó cũng chấp nhận 2 điện cực ECG và một điện cực DRL để giảm nhiễu chế độ chung

Ngoài ra, mô-đun này cũng có thể đo hoạt động hô hấp bằng cách sử dụng 2 điện cực giống nhau dựa trên phương pháp chụp phổi trở kháng để đo hô hấp thông qua các thay đổi về trở kháng của ngực gây ra trong quá trình hô hấp [34]

b Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động:

 Dòng điện vào (trừ chân cung cấp): ± 10 (mA)

 Dòng điện vào tạm thời: ± 100 (mA)

 Dòng điện vào liên tục: ± 10 (mA)

Hình 1.14 chính là màn hình Oled nhóm sử dụng cho đề tài này Loại màn hình

này có thể hoạt động trên ở chế độ SPI (chế độ mặc định) và I2C Bên cạnh đó, module hiển thị này có các đặc điểm như: độ sáng cao, tự phát xạ, tỷ lệ tương phản cao, đường viền mỏng, góc nhìn và phạm vi hoạt động nhiệt độ rộng, tiêu thụ điện năng thấp

Hình 1.14: Màn hình Oled

b Thông số kỹ thuật

 Kích thước đường chéo: 0.96 inch

 Kích thước hiển thị: 21.7 x 10.8mm

 IC: SH1106

 Độ phân giải: 128 x 64pixels

 Giao tiếp: SPI và I2C

 Cung cấp điện áp: 3V-5V

 Nhiệt độ hoạt động: -30 đến +70 ºC

1.10 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH

Sau khi tìm hiểu và lựa chọn phần cứng, đối với Vi điều khiển thì phần mềm hỗ

trợ nhóm chọn là “Aruino IDE” Còn về phần mềm để lập trình ứng dụng Android thì

có khá nhiều phần mềm hỗ trợ, và nhóm quyết định lựa chọn “Mit App Inventor” vì nó

khá dễ tìm hiểu cũng như sử dụng đối với người mới Ngoài ra còn có một số phần mềm

hỗ trợ khác như: phần mềm hỗ trợ lập trình cho Server “Subline Text”, phần mềm lập trình và tạo Database “PhpMyAdmin” Và chi tiết về các phần mềm lập trình này sẽ

được giới thiệu chi tiết hơn ở các chương sau

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

2.1 GIỚI THIỆU

Hệ thống thu thập và hiển thị tín hiệu ECG lên điện thoại có thể đo được dữ liệu điện tim từ 3 điện cực trên cơ thể Dữ liệu thu được gửi lên server để hiển thị trên điện thoại Hơn nữa dữ liệu được lưu trên Database server để khi cần có thể xem lại Những yêu cầu đặt ra cho hệ thống cần được tính toán và thiết kế, từ đó xây dựng phần mềm để

hệ thống được hoạt động

2.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Để đáp ứng được những yêu cầu trên đặt ra cho hệ thống, phần tính toán và thiết kế phần cứng là điều quan trọng Một hệ thống muốn hoạt động ổn định thì phần cứng phải được tính toán chặt chẽ Dưới đây là phần tính toán thiết kế phần cứng của hệ thống được thể hiện qua các phần: Thiết kế sơ đồ khối, tính toán và thiết kế các khối, thiết kế

sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống

2.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Một hệ thống đáp ứng được yêu cầu của đề tài có các khối như trên sơ đồ hình 2.1

Sơ đồ bao gồm các khối như: khối cảm biến, khối xử lý, khối hiển thị, khối truyền dữ liệu trực tuyến và lưu trữ, khối nguồn Khối cảm biến lấy tín hiệu từ cơ thể con người chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu điện này được chuyển đồi tương sự sang số để dễ dàng thực hiện xử lý Khối xử lý nhận tín hiệu số từ khối cảm biến, xử lý chúng và gửi các tín hiệu đó lên khối hiển thị và khối lưu trữ Tín hiệu được lưu trữ tại khối lưu trữ,

khi cần chúng sẽ được truy xuất ra khối hiển thị Cuối cùng là khối nguồn, khối này cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động Kết hợp các khối này để được một phần cứng hệ thống hoàn chỉnh

2.2.2 Tính toán và thiết kế mạch

Để đạt được một hệ thống hoàn chỉnh, trước tiên hết là tính toán và thiết kế phần cứng Phần cứng tốt là nền tảng để phần mềm hoạt động tốt Các khối được thiết kế phải phù hợp và tương thích với nhau thì hệ thống mới hoạt động ổn định Dưới đây là thiết

kế và tính toán các thông số của các khối hệ thống này

a Thiết kế khối cảm biến

Như đã được giới thiệu ở phần tổng quan và sơ sở lý thuyết Điện tim là một loại xung điện do tim tự phát Xung điện này giúp tim co bóp và nó cũng lan truyền khắp cơ thể Tuỳ vào mỗi vị trí và đặc điểm khác nhau của mỗi phần cơ thể mà tại đó ta thu được những tín hiệu điện tim khác nhau Tín hiệu sau khi đo phải giảm nhiễu, khuyếch đại,

chuyển đổi tương tự sang số, và chuyển sang bộ xử lý Hình 2.2 là sơ đồ khối của cảm

biến điện tim ADS1292R IC cảm biến này tích hợp đủ các yêu cầu phần cứng để thu

về tín hiệu điện tim của hệ thống

Hình 2.2: Sơ đồ khối ADS1292R

 Mạch thu tín hiệu

Tín hiệu được thu vào là sự sai lệch điện áp khi tim hoạt động được đo tại các điểm cực đặt trên cơ thể Hệ thống này đo đạt tín hiệu điện tim bằng ba điện cực Trong đó có 2 điện cực để lấy hiệu điện thế và một điện cực để làm điện thế tham chiếu

Hình 2.3: Sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai

Để tính toán được hiệu điện thế giữa hai cực, hệ thống dùng mạch khuyếch đại đo

(Instrumentation Amplifier) như hình 2.3 Điện áp đầu ra Vout chính là tín hiệu điện tim cần tìm Để dễ dàng tính toán, mạch trên hình 2.3 sẽ được chia thành hai phần, phần

I sẽ là hai op-amp đệm ở ngõ vào, phần II sẽ là op-amp với vai trò mạch vi sai Vout ở

phần II sẽ được tính theo công thức (2.1)

 1 2

4

5

o o

trở R1, R2, R3 Từ đó ta sẽ tính được (Vo1-Vo2) theo công thức (2.2) (2.3) dưới đây

3 2 1

2 1 1

2 1

R R R

V V R

v v

1 1

3 2 1 2 1

2

R

R V

V R

R R R V

Từ công thức (2.1) và (2.3) ta có thể tính được điện áp ngõ ra Vout như công thức (2.4)

và hệ số khuyếch đại tín hiệu A được tính như công thức (2.5)

 1 24

5 1

22

R

R R

221

R

R R

Hình 2.4: Sơ đồ mạch khuyếch đại vi sai trong ADS1292R

Hiện nay có rất nhiều IC có chức năng khuyếch đại đo, tuy nhiên để phù hợp với tín hiệu điện tim hệ thống sẽ sử dụng IC ADS1292R Mạch khuyếch đại đo của IC này như

hình 2.4 có thể thay đổi được thông số khuyếch đại bằng cách lập trình

 Chuyển đổi tương tự sang số

Hình 2.5: ADC Sigma-delta

Tín hiệu ngõ ra Vout là tín hiệu điện tim thuộc tín hiệu tương tự Để dễ dàng xử

lý, tín hiệu này sẽ được chuyển về tín hiệu số Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

(ADC) này trong ADS1292R thuộc loại Sigma-delta có độ phân giải 24bit Trên hình

2.5 là bộ ADC Sigma-delta 1 bit Thành phần chung của ADC kiểu này là các bộ phận

như: vi sai, tích phân, so sánh, DAC hồi tiếp tương ứng

Hình 2.6: Sơ đồ mô hình toán ADC sigma-delta

Lưu đồ của ADC này được thể hiện ở hình 2.6 Đầu tiên tín hiệu đưa vào được

qua bộ vi sai Bộ này trừ tín hiệu vào và tín hiệu hồi tiếp từ ngõ ra đã được chuyển đổi DAC Tín hiệu tiếp tục đi qua bộ tích phân, tại đây tín hiệu được cộng với kết quả tín hiệu bộ tích phân trước đó Sau đó sẽ đi qua bộ so sánh, từ đây sẽ cho ra kết quả của ADC Tín hiệu ngõ ra sẽ được qua bộ DAC để hồi tiếp ADC kiểu này sẽ cần thời gian thời gian để tính toán chuyển đổi Độ phân giải càng cao thì độ trễ càng lớn

 Tín hiệu tham chiếu

Để tính được hiệu điện thế của hai cực, cần có một cực làm điện thế tham chiếu

Hình 2.7 là sơ đồi khối tham chiếu trong ADS1292R ADS1292R sử dụng một mạch

bandgap Mạch này tạo điện áp không đổi bất kể sự thay đổi của nguồn điện, nhiệt độ

và tải mạch Điện áp này được khuyến nghị là 2.42V cho điện áp hoạt động là 3V và 4.033V cho điện áp hoạt động là 5V Điện áp này được đưa vào bộ đệm tham chiếu để tạo điện áp ngõ ra thích hợp Điện áp ngõ ra được đưa tới ngõ vào của khối ADC nhằm

số hoá tín hiệu

Hình 2.7: Sơ đồ khối tham chiếu

 Giao tiếp dữ liệu số

Dữ liệu sau khi được chuyển đổi sang số sẽ thông qua giao thức truyền thông chuyển đến bộ vi điều khiển Mỗi loại Vi điều khiển đều có điện áp mức logic khác nhau, điện áp mức logic truyền dữ liệu của ADS1292R phải được chuyển đổi phù hợp với bộ vi điều khiển Để thực hiện được điều đó, hệ thống sử dụng IC IY08 của Texas

Instrument như hình 2.8

Hình 2.8: IC chuyển đổi mức logic

Điện áp hoạt động của IC ADS1292R là từ 2.7-5.25V và thông thường là 3.3V Điện áp mức logic của vi điều khiển sẽ được mắc vào VCCB của IC Từ đó điện áp mức logic sẽ được chuyển đổi phù hợp từ Port A sang Port B của IC

 Sơ đồ mạch thu tín hiệu hoàn thiện

Mạch lấy tín hiệu điện tim sẽ được xây dựng dựa trên IC ADS1292R Hình 2.9

là sơ đồ toàn mạch cảm biến Trong đó các chân tín hiệu PWDN/RESET, START, DRDY và các chân giao tiếp SPI (3) được kết hợp với port A của IC chuyển đổi điện áp mức logic TXB0108 Điện cực được gắn ở kênh 2 là các chân IN2N và IN2P (1) Tụ

điện 47nF được sử dụng để ổn định tín hiệu cho PGA hai kênh Điện áp tham chiếu được nối tới chân RLDREF (2) thông qua hai điện trở bảo vệ 100 kOhm Các tụ điện 100nF, 10nF, 1uF được sử dụng để ổn định nguồn, ổn định các chân tham chiếu được thiết kế theo khuyến cáo của nhà sản xuất

Hình 2.9: Sơ đồ mạch tín hiệu ECG

Để dễ dàng thực hiện kết nối và vẽ mạch in Mạch thu tín hiệu ECG được gom

thành một module Trên hình 2.10 là module ADS1292R Trên module này, IC cảm

biến điện tim (1) là thành phần chính quan trọng nhất, nó chính là IC ADS1292R đã nói

ở trên (2) là IC chuyển đổi điện áp mức logic Nó chuyển đổi điện áp từ IC ADS1292R sang các chân giao tiếp (3) sao cho phù hợp với vi điều khiển (4) là các jack kết nối 3.5mm để kết nối các điện cực gắn từ cơ thể người vào hệ thống

Hình 2.10: Module điện tim ADS1292R

b Khối xử lý

Khối xử lý nhận tín hiệu từ khối cảm biến để tiến hành xử lý tín hiệu Mục đích của

hệ thống là thu thập tín hiệu điện tim và gửi qua điện thoại thông qua Wireless Cấu tạo gọn nhẹ và đáp ứng đủ nhu cầu về tốc độ xử lý, ESP8266 EX là một lựa chọn phù hợp

Trên hình 2.11 là vi điều khiển ESP8266EX và kit phát triển của nó có tên là Node

MCU esp8266

Hình 2.11: Vi điều khiển ESP8266EX

Trong hệ thống này, Node MCU được sử dụng các chức năng như SPI giao tiếp với ADS1292R để lấy chuỗi dữ liệu số tín hiệu điện tim Giao tiếp I2C được sử dụng với chức năng hiển thị trên màn hình OLED các thông số cần thiết Và quan trọng nhất chính là sử dụng server để gửi dữ liệu lên điện thoại android

 Các chức năng cơ bản: Clock, GPIO, memory, registor

Hình 2.12: Sơ đồ khối ESP8266EX

ESP8266 có cấu trúc cơ bản như mọi vi xử lý khác Vi điều khiển này tích hợp

bộ vi xử lý Tensilica L106 kiến trúc RISC 32bit Vi điều khiển này có thể chạy với năng lượng thấp với tốc độ có thể lên đến 160Mhz Hệ điều hành RTOS và ngăn xếp wifi cho

phép 80% khả năng xử lý có sẵn để lập trình ứng dụng Hình 2.12 là biểu thị cho sơ đồ

chức năng của ESP8266 Trong sơ đồ này có thể thấy vi điều khiển một phần xử lý wireless riêng biệt song song với bộ xử lý chính Điều này giúp cho tốc độ xử lý dữ liệu không bị ảnh hưởng bởi tốc độ truyền tải dữ liệu

ESP8266EX Wi-Fi SoC tích hợp bộ điều khiển bộ nhớ và các đơn vị bộ nhớ gồm

có SRAM (bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh) và ROM MCU có thể truy cập các bộ nhớ này thông qua bộ “trọng tài” để quyết định cái nào trước cái nào sau Bộ nhớ Ram truy cập cho phép là <50 kB Tuy nhiên không có ROM programable trong SoC, do đó chương trình phải được lưu trên bộ nhớ flash ngoài thông qua SPI Bộ nhớ hỗ trợ tối đa

có thể lên đến 16MB, và vùng nhớ OTA (over-the-air) cho phép phải lớn hơn 1MB NODE MCU được thiết kế để sử dụng tần số cao Có thể lựa chọn tần số là 80Mhz hoặc tốc độ cao 160 Mhz

ESP8266 có 17 chân GPIO Các chân này có thể được gán các chức năng khác nhau dựa trên lập trình các thanh ghi tương ứng phù hợp Mỗi GPIO PAD có thể cấu hình điện trở trong pull-up hoặc pull-down hoặc được cài đặt ở chế độ trở kháng Z cao Khi được cấu hình làm đầu vào, dữ liệu được lưu trữ trong các thanh ghi phần mềm; đầu vào cũng có thể được đặt thành ngắt CPU kích hoạt cạnh hoặc kích hoạt mức Các chân này được đặt là hai chiều, không đảo và 3 trạng thái Các chân này có thể ghép với chức năng khác như SPI, I2C, UART, PWM

Hình 2.13: Sơ đồ mạch chân reset ESP8266

Mỗi lần nạp dữ liệu, khởi động lại hoặc wake-up ta cần có chân Reset Trong

hình 2.13 là chân Reset của mạch được gắn vào GPIO 16 Bình thường chân này sẽ

được kéo lên mức cao do hở mạch, khi có nút nhấn sẽ được kéo xuống mức thấp Lúc này dòng trong mạch sẽ là Iled được tính như công thức (2.6)

R

V V

i  cc  led

Trong đó Vcc =3.3V, Vled = 2 V, R = 470+470 Ohm Giá trị Iled = 1 mA

 SPI giao tiếp với ADS1292R và Oled SSD1306

ESP8266EX có hai SPI

o Một Slave / Master SPI chung

o Một Slave HSPI chung

Chức năng của tất cả các chân này có thể được thực hiện thông qua phần cứng

Hệ thống sẽ sử dụng chân D0, D3, D4 và các chân SCK, MISO, MOSI, CS để hoạt động với chức năng SPI giao tiếp với ADS1292R Các chân GPIO tương ứng với START, DRDY, PWDN/RESET có chức năng hỗ trợ trong việc lấy dữ liệu từ cảm biến Chức

năng của các chân được mô tả của bảng 2.1 dưới đây

Bảng 2.1: Các chân chức năng sử dụng giao tiếp SPI

SCK Truyền xung clock để giao tiếp

MISO Đường dữ liệu truyền từ Slave đến Master

MOSI Đường dữ liệu truyền từ Master đến Slaver

CS Chip Select

START Nhận tín hiệu bắt đầu từ ADS1292R

PWDN/RESET Điều khiển Power down/ reset ADS1292R

DRDY Nhận tín hiệu sẵn sàng từ ADS1292R

Tín hiệu clock chính là cơ sở cho truyền dữ liệu số Clock sử dụng có tần số f = 2.048 MHz Chân CS được sử dụng khi có nhiều cảm biến kết nối Chân START nhận tín hiệu khai báo từ cảm biến Nếu có sự kiện trao đổi dữ liệu chân DRDY sẽ thay đổi trạng thái và dữ liệu được truyền qua chân MISO, MOSI

 SPI giao tiếp với OLED

Oled trong hệ thống này sử dụng IC điều khiển là SSD1306 IC này hoạt động giao tiếp với vi điều khiển ở nhiều chế độ như: Parallel 6800,Parallel 8080, SPI, I2C

Đối với Oled, chức năng sử dụng chủ yếu là nhận dữ liệu về và hiển thị Để việc

xử lý không bị trì hoãn, giao tiếp với Oled sẽ sử dụng giao thức SPI SPI giao tiếp với SSD1306 sẽ chỉ sử dụng SCK và MOSI Các chân chức năng hỗ trợ là D1,D2 nối với D/C và CS của SSD1306 Các chân này hỗ trợ chọn chip và giao tiếp với Oled và thể

hiện ở bảng 2.2 dưới đây

Bảng 2.2: Các chân chức năng của Oled SSD1306

SCK Truyền xung clock để giao tiếp

MOSI Đường dữ liệu truyền từ Master đến Slaver

CS

Chip Select, chọn khi có nhiều thiết bị chung 1 giao thức SPI

D/C Điều khiển ghi dữ liệu/lệnh vào bộ nhớ của oled

RES Dùng để reset lại oled

 Wireless giao tiếp với điện thoại

ESP8266 thực hiện TCP/IP với giao thức WLAN MAC b/g/n đầy đủ Nó hỗ trợ hoạt động STA và SorfAP cài đặt dịch vụ cơ bản BSS (Basic service set) trong chức năng điều khiển phân tán DCF (Distributed Control Function) ESP8266 hỗ trợ tần số

và băng tầng cơ sở như sau:

o 802.11 b và 802.11 g

o MCS0-7 802.11 n trong băng thông 20 MHz

o Khoảng bảo vệ 802.11 n là 0.4μs

o Tốc độ dữ liệu lên tới 72,2 Mb / giây

o Nhận STBC 2 x 1

o Công suất truyền lên tới 20,5 dBm

o Công suất truyền có thể điều chỉnh

c Khối hiển thị

Mục đích của tất cả các hệ thống là cung cấp thông tin cho người sử dụng Người dùng sẽ nhận thông tin đó thông qua khối hiển thị của hệ thống Trong hệ thống này, khối hiển thị sẽ là một màng hình oled 0.96 inch và điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành android Điện thoại thông minh sẽ được cài đặt ứng dụng được xây dựng trên MIT app inventor

Hình 2.14: Sơ đồ khối SSD1306

Trái tim của oled 0.91 inch 128x64 này là ic SSD1306 Hình 2.14 là sơ đồ khối

của IC này Các khối chức năng là: Khối giao tiếp MCU, khối GDDRAM, khối Display controller, khối Command Decoder, khối Oscillator, khối Control Power và cuối cùng

là khối Driver

Khối Oscillator là khối cấp xung cho toàn IC hoạt động với mạch RC công suất thấp Có thể lựa chọn bộ dao động bên trong hoặc dao động bên ngoài thông qua chân CLS Khi CLS được kéo lên mức High, bộ dao động bên trong được chọn, lúc này chân

CL mở và không kết nối Khi CLS kéo xuống mức Low, bộ dao động ngoài được kích