TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Giới thiệu chương
Nhịp tim, cùng với huyết áp, chỉ số đường huyết và nồng độ O2 trong máu, là những chỉ số quan trọng phản ánh tình trạng sức khỏe của con người, giúp bác sĩ đánh giá sức khỏe của bệnh nhân một cách chính xác.
Trong bối cảnh xã hội hiện đại, ngành điện tử đang có những bước tiến vượt bậc, dẫn đến sự ra đời của nhiều thiết bị tiên tiến có khả năng đo lường các tín hiệu sinh học của cơ thể.
Các thiết bị đo điện tử hiện nay nổi bật với những ưu điểm như nhanh chóng, tiện lợi, hiệu quả và độ chính xác cao, vượt trội so với các thiết bị đo truyền thống.
Chương này sẽ trình bày về các phần:
Tìm hiểu về tim và nhịp tim
Các triệu chứng bệnh có liên quan tới nhịp tim
Các phương pháp đo nhịp tim
Một số thiết bị đo nhịp tim cầm tay hiện nay.
Tìm hiểu về nhịp tim và các bệnh liên quan tới nhịp tim
1.2.1 Tìm hiểu về tim và cấu tạo của tim
Tim là bộ phận thiết yếu trong hệ tuần hoàn của động vật, có chức năng bơm máu liên tục qua các động mạch để cung cấp dưỡng khí và chất dinh dưỡng cho toàn cơ thể Nó cũng nhận máu từ tĩnh mạch, sau đó bơm máu đến phổi để thực hiện quá trình trao đổi khí CO2 lấy O2.
Hình 1.1 Cấu tạo của tim người
1.2.2 Tìm hiểu về nhịp tim và các bệnh liên quan đến nhịp tim
Nhịp tim, được đo bằng số nhịp đập của tim trong một phút (BPM), phản ánh nhu cầu hấp thụ oxy và bài tiết carbon dioxide của cơ thể Nhịp tim có thể thay đổi đáng kể trong các tình huống khác nhau, chẳng hạn như khi tập thể dục hoặc khi ngủ.
Tình trạng sức khỏe thông qua nhịp tim:
Nhịp tim bình thường: Đối với người độ tuổi từ 18 trở lên, nhịp tim bình thường khi nghỉ ngơi từ 60 đến
Nhịp tim 100 BPM thường cho thấy sức khỏe không tốt, vì người khỏe mạnh thường có nhịp tim thấp hơn Ví dụ, vận động viên chuyên nghiệp khi nghỉ ngơi có nhịp tim chỉ khoảng 40 BPM, trong đó nhà vô địch đua xe đạp Lance Armstrong có nhịp tim bình thường chỉ là 32 BPM.
Theo cơ quan y tế quốc gia Vương quốc Anh, nhịp tim lý tưởng cho từng lứa tuổi được xác định như sau: đối với bé sơ sinh, nhịp tim nên nằm trong khoảng 120-160 BPM; đối với trẻ từ 1 đến 12 tháng tuổi, nhịp tim lý tưởng là từ 80 BPM trở lên.
140 BPM; Trẻ từ 1 đến 2 năm: 80-130 BPM; Trẻ từ 2 đến 6 tuổi: 75-120 BPM; Trẻ từ 7 - 12 tuổi: 75-110 BPM; Người lớn từ 18 tuổi trở lên: 60-100 BPM; Vận động viên: 40-60 BPM
Nhịp tim của chúng ta chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm mức độ hoạt động thể chất, tình trạng sức khỏe, nhiệt độ môi trường xung quanh, tư thế cơ thể (đứng, ngồi, nằm) và trạng thái tinh thần hoặc cảm xúc như phấn khích, giận dữ, sợ hãi, lo lắng Ngoài ra, một số loại thuốc cũng có thể tác động đến nhịp tim.
Bảng 1.1 Thống kê nhịp tim con người ở các độ tuổi khác nhau
Các chiệu chứng bất thường của nhịp tim
Nhịp tim dưới 60 BPM thường không phải là dấu hiệu của bệnh lý, mà có thể là tác dụng phụ của một số loại thuốc hoặc thường gặp ở những người tập luyện thể thao nhiều và có sức khỏe tốt Những người này có cơ tim khỏe mạnh, do đó nhịp tim thấp hơn là điều bình thường, vì họ không cần phải hoạt động nhiều để duy trì nhịp tim ổn định.
Nhịp tim bình thường là điều mà mọi người đều mong muốn, tuy nhiên, một số người mắc hội chứng nhịp tim chậm, với nhịp tim dưới 60 BPM, không phải là vận động viên Nếu nhịp tim chậm không gây triệu chứng, thường không cần điều trị, nhưng nếu xuất hiện triệu chứng nặng như ngất, cần phải sử dụng thuốc hoặc cấy máy tạo nhịp tim vĩnh viễn Trong trường hợp nghiêm trọng, khi nhịp tim xuống dưới 30 BPM, não có thể thiếu ôxy nghiêm trọng, dẫn đến ngất, và nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời, có thể dẫn đến tử vong.
Một số người gặp phải hội chứng nhịp tim nhanh, với nhịp tim hơn 100 BPM khi nghỉ ngơi Tình trạng này khiến tim bơm máu kém hiệu quả, dẫn đến lưu lượng máu cung cấp cho cơ thể, bao gồm cả tim, bị giảm Sự gia tăng nhịp tim cũng làm tăng nhu cầu ôxy cho cơ tim.
6 cao hơn, việc này có thể dẫn đến thiếu máu cục bộ, xấu hơn là một cơn nhồi máu cơ tim
Rối loạn nhịp tim không chỉ giới hạn ở hai dạng chính, mà còn bao gồm nhiều tình trạng như tim đập nhanh, chậm, nhịp tim non và loạn nhịp Nếu bạn gặp phải triệu chứng như khó thở, chóng mặt, hoặc đau thắt ngực kèm theo nhịp tim bất thường, hãy nhanh chóng tiến hành xét nghiệm và chẩn đoán để phòng ngừa biến chứng.
Các phương pháp đo nhịp tim
1.3.1 Đo nhịp tim bằng phương pháp Oscillometric
Thông thường nhịp tim được đo cùng với huyết áp do đó phương pháp đo nhịp tim thường gắn liền với phương pháp đo huyết áp
Hình 1.2 Đo huyết áp và đo nhịp tim
Phương pháp đo huyết áp - nhịp tim được thực hiện theo trình tự như sau:
Để đo huyết áp chính xác, cần sử dụng một bao khí có gắn sensor đo áp suất quấn quanh bắp tay của người cần đo, nơi có động mạch chạy qua Vị trí và tư thế của người đo cũng rất quan trọng; bắp tay quấn bao khí phải được đặt ngang mức tim để đảm bảo kết quả chính xác.
Khi bơm căng bao khí, áp suất trong bao sẽ cao hơn huyết áp tối đa, thường là khoảng 180 mmHg, và đối với người cao tuổi có thể lên đến 200 mmHg Khi đó, động mạch sẽ bị chèn ép bởi bao khí, khiến máu không thể lưu thông qua đoạn động mạch bị chặn.
Khi xả khí trong bao ra, áp suất trong bao cần phải cân bằng với huyết áp để máu lưu thông trong động mạch Chỉ khi áp suất này đạt được, áp suất trong bao sẽ bắt đầu thay đổi theo nhịp đập của tim Tín hiệu điện từ cảm biến áp suất cũng sẽ biến đổi đồng bộ với nhịp tim, tạo ra chu kỳ tín hiệu tương ứng với nhịp tim Phương pháp này cho phép đo nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ tín hiệu trong một khoảng thời gian nhất định và chia cho thời gian đó.
Phương pháp này đơn giản tuy nhiên độ chính xác sẽ không cao nếu đếm trong thời gian không đủ lớn
1.3.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học
Khi tim đập, máu được bơm đi khắp cơ thể qua động mạch, gây ra sự thay đổi áp suất và lưu lượng máu trong động mạch Do đó, nhịp tim có thể được đo thông qua những biến đổi này.
Khi tim giãn ra, lượng máu trong động mạch nhỏ, dẫn đến việc hấp thụ ít ánh sáng Ngược lại, khi tim co lại, lượng máu trong động mạch tăng lên, làm giảm cường độ ánh sáng sau khi truyền qua.
Khi sử dụng cảm biến ánh sáng thì tín hiệu sau khi truyền qua ngón tay gồm 2 thành phần: DC và AC
Thành phần DC đặc trưng cho cường độ ánh sáng cố định truyền qua mô, xương và tĩnh mạch
Thành phần AC phản ánh sự thay đổi cường độ ánh sáng tương ứng với sự biến đổi lượng máu qua động mạch, với tần số tín hiệu đồng bộ với nhịp tim và biên độ rất nhỏ.
=> Nếu ta lọc bỏ thành phần DC sẽ thu được tín hiệu AC đồng bộ với tín hiệu nhịp tim
Hình 1.3 Tín hiệu nhịp tim thu được từ cảm biến
Vị trí đặt cảm biến: đảm bảo các yêu cầu sau
Phải đặt nguồn phát và nguồn thu để thu được kết quả tốt nhất
Vị trí dễ dàng đặt cảm biến, khoảng cách thu phát không quá gần cũng không quá xa
Chọn ngón tay là nơi đặt cảm biến
Hình 1.4 Vị trí đặt cảm biến nhịp tim
Các thiết bị đo nhịp tim hiện có trên thị trường
1.4.1 Đồng hồ đo nhịp tim HRMM10 Đồng hồ đo nhịp tim HRM-M10 là thiết bị theo dõi nhịp tim với dây đeo ngực rất thiết thực cho những người ưa vận động, có thể được sử dụng như dụng cụ hỗ trợ tập thể thao, các công cụ khuyến khích, phân tích dữ liệu và là thiết bị an toàn Đồng hồ đo nhịp tim HRM-M10 sẽ cho bạn biết tim bạn đang làm việc trong nhịp đập mỗi phút và tỷ lệ phần trăm của nhịp tim tối đa của bạn khi tập thể thao để đảm bảo rằng bạn đang tập thể dục trong phạm vi nhịp tim cho phép
Hình 1.5: Đồng hồ đo nhịp tim HRMM10
- Đo nhịp tim, chiều dài của phiên tập luyện
- Đo lượng calories bị đốt cháy
- Đo nhịp tim tối đa và tối thiểu trong phiên tập luyện
- Tỉ lệ phần trăm của nhịp tim tối đa, nhịp tim trung bình trong buổi tập thể dục, thời gian và ngày tháng
- Với chỉ số đèn LED trên đồng hồ, đi kèm với các chức năng tiện dụng
- Có chế độ đồng hồ bấm giờ, đồng hồ báo thức
- Có bộ nhớ lưu dữ liệu cá nhân
- Có âm báo và đèn hiển thị khi nhịp tim vượt hoặc thấp hơn vùng cân đối
- Đỏ: “chậm lại” - nhịp tim vượt quá vùng mục tiêu cho phép
- Xanh: “tập luyện tốt” - bạn đang kiểm soát đúng nhịp tim của mình
- Vàng: “cố lên” - chỉ một bước nữa sẽ đến đích
1.4.2 Máy đo huyết áp cổ tay tự động Scala KP-7160
Hình 1.6: Máy đo huyết áp cổ tay tự động Scala KP-7160
Chức năng chính của máy là đo huyết áp, ngoài ra máy còn đo được nhịp tim
Độ chính xác khi đo:
Vòng bít thích hợp cho vòng tay có chu vi từ 135 đến 195mm
Nguồn điện cung cấp: 2 x LR03 (pin Ankaline) [7]
1.4.3 Máy đo nồng độ hòa oxy và nhịp xung cầm tay BCI 3301
Máy được thiết kế dựa trên nguyên lý khoa học lao động, với màn hình dễ đọc và khả năng đo SpO2 cùng nhịp xung chính xác, phù hợp cho cả trẻ sơ sinh và người lớn.
- Dải đo: 0 – 99% SPO2 (chức năng)
- Độ chính xác: ± 2%: 70 – 99%, ≤ 70% không xác định
- Trung bình: 8 nhịp trung bình
- Độ chính xác: ± 2% hoặc 2 nhịp/ phút
- Trung bình: 8 nhịp trung bình
Kết luận chương
Trong chương này, chúng ta đã khám phá cấu tạo của tim, nhịp tim và các bệnh lý ảnh hưởng đến nhịp tim ở con người Bên cạnh đó, chúng ta cũng đã tìm hiểu về các thiết bị điện tử y sinh được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày.
Các thiết bị điện tử y sinh có đặc điểm chung như sau:
Có các thiết bị đầu vào cảm biến như:
- Cảm biến hồng ngoại, đo nhiệt độ trong nhiệt kế
- Cảm biến áp suất trong đo huyết áp
- Cảm biến đo nồng độ oxi trong máy đo nồng độ oxi bão hòa
Có thiết bị lọc nhiễu và khối khuếch đại
Để đảm bảo hiệu quả trong chẩn đoán và điều trị bệnh, các thiết bị điện tử y sinh cần đạt độ chính xác cao và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Thiết bị hiển thị và báo động: hiển thị kết quả và báo cho người nhà hoặc bác sĩ nếu có tình trạng xấu xảy ra với bệnh nhân
Thiết bị giao tiếp: giúp dễ dàng hơn trong quá trình lưu trữ thông tin, kết quả cũng như tiện lợi trong việc khám chữa bệnh
Hệ thống thiết bị điện tử trong y học đóng vai trò quan trọng và thiết thực, đặc biệt là phương pháp đo nhịp tim bằng hấp thụ quang học, vì dễ thiết kế và tiện lợi khi sử dụng Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá một số linh kiện và module điện tử cần thiết cho đồ án này.
TÌM HIỂU VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Giới thiệu chương
Chương 1 đã trình bày khái quát các khái niệm về tim và nhịp tim, cho ta các chi tiết cơ bản về phương pháp đo nhịp tim nghiên cứu trong đồ án
Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số linh kiện và module điện tử quan trọng phục vụ cho nghiên cứu và thi công đồ án tốt nghiệp Tất cả các linh kiện được lựa chọn dựa trên tiêu chí chất lượng cao, chức năng phù hợp với yêu cầu và giá thành hợp lý.
Giới thiệu chung về linh kiện
Là 1 bộ khuếch đại thuật toán thông dụng trên thị trường hiện nay, gồm có 4 Opamp đơn, giá thành tương đối rẻ
Độ khuếch đại điện áp DC: 100dB
Khoảng điện áp đầu vào lớn:
Mức tiêu hao điện năng thấp:
- Dòng phân cực đầu vào thấp: 45nA
- Điện áp phân cực đầu vào thấp: 2mV
Điện áp đầu ra: 0V tới V + - 1,5V[1]
Hình 2.1 Sơ đồ chân của OPAMP LM324
Là loại vi xử lý khá phổ biến dễ tìm mua ở thị trường Vinh
Giá thành tương đối phù hợp với yêu cầu của đồ án
Giới thiệu tổng quan về vi xử lý của khối trung tâm:
5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập
2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)
Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài
2 bộ CCP (Capture / Compare/ PWM)
1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào
Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển
Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming) [6]
Hình 2.2 Sơ đồ chân của PIC 16F877A
2.2.3 Tổng quan về chuẩn giao tiếp USB và VĐK PIC18F14K50
USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối đa dụng cho máy tính, cho phép kết nối các thiết bị ngoại vi một cách dễ dàng Các đầu cắm USB được thiết kế theo chuẩn “cắm-là-chạy”, giúp người dùng kết nối và ngắt thiết bị mà không cần khởi động lại hệ thống, nhờ vào tính năng cắm nóng.
USB có những đặc trưng sau đây:
USB hỗ trợ 127 thiết bị khác nhau có thể kết nối vào cùng 1 máy tính từ máy in, máy ảnh cho đến điện thoại, mouse,keyboard, …
Tốc độ trên lý thuyết là :
Ưu điểm của chuẩn giao tiếp USB:
- Tự load driver sau khi kết nối thiết bị ngoại vi với PC mà không cần reset máy sau khi cài lại driver
- Đa số các máy tính hiện nay đều có cổng USB
- Tốc độ truyền dữ liệu cao
Nhược điểm của chuẩn giao tiếp USB:
- Giới hạn về khoảng cách giao tiếp (
