TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Thế giới hiện nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong ngành y tế và chăm sóc sức khỏe Những đột phá lớn như in 3D các cơ quan, điều khiển bộ phận giả và công nghệ chẩn đoán hình ảnh đã mang lại nhiều tiến bộ Việt Nam cũng không kém cạnh với kỹ thuật mổ nội soi và thành công trong ghép phổi năm 2018 Điện tim đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh, giúp bác sĩ thu thập thông tin cần thiết Qua thời gian, việc lấy tín hiệu điện tim đã trở nên dễ dàng hơn, từ thiết bị nặng nề như "string galvanometer" đến các thiết bị cầm tay nhẹ chỉ cần một người vận hành Hiện nay, các thiết bị điện tim không chỉ ghi dữ liệu trong điều kiện tĩnh mà còn cho phép theo dõi khi vận động, như các áo theo dõi tín hiệu dành cho vận động viên.
Vào năm 2012, Ebrahim Nemati và nhóm nghiên cứu đã công bố một bài báo trên tạp chí IEEE về ứng dụng thu ECG không dây, sử dụng điện cực điện dung an toàn và nhẹ, cùng với giao thức truyền không dây ANT giúp tiết kiệm năng lượng Đồng thời, hệ thống PHOTOPLETHYSMOGRAPHY của Đặng Xuân Kiên và Vũ Đức Hải cho phép thu thập, phân tích và xử lý tín hiệu điện tim trên nền tảng Android hoặc PC, với khả năng lưu trữ dữ liệu và cảnh báo qua điện thoại khi tín hiệu vượt ngưỡng nguy hiểm.
Năm 2015, Sagar R Patil và nhóm của ông phát triển hệ thống theo dõi bệnh nhân không dây từ xa, cho phép giám sát các chỉ số cơ thể như SPO2, nhiệt độ, nhịp thở và điện tâm đồ Hệ thống này có khả năng hiển thị thông tin qua màn hình máy tính và điện thoại di động thông qua kết nối serial, Bluetooth và web server Sản phẩm sử dụng vi điều khiển STM32F103R cùng bộ vi xử lý ARM để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong việc theo dõi sức khỏe.
Cortex-M3 có khả năng xử lý nhanh và đáp ứng tốt các yêu cầu giao tiếp ngoại vi Hệ thống sử dụng IC ADS1298 với ADC 24-bit, cho phép đo đồng thời ECG và nhịp thở, mang lại sự nhỏ gọn và độ chính xác cao cho hệ thống.
Hệ thống theo dõi điện tim từ xa chi phí thấp cho vùng nông thôn được phát triển bởi nhóm nghiên cứu Dilraj Nadarajan vào năm 2017, sử dụng IC ADS1292 với 3 điện cực gắn trên cơ thể để thu tín hiệu điện tim Tín hiệu này được truyền qua Bluetooth tới điện thoại, sau đó gửi về server cơ sở dữ liệu, cho phép bác sĩ theo dõi dữ liệu bệnh nhân qua trình duyệt web hoặc ứng dụng di động Năm 2018, nhóm nghiên cứu Ayaskanta Mishra đã phát triển hệ thống chăm sóc sức khỏe thông minh, thu thập và gửi dữ liệu điện tim lên internet để lưu trữ và xem lại, sử dụng cảm biến AD8232 và vi điều khiển ESP8266 qua kết nối WIFI.
Nhóm đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu ECG, hiển thị trên Smartphone và lưu dữ liệu về Server” Đề tài này sử dụng ESP8266 node MCU để thu nhận tín hiệu điện tim từ cảm biến và lưu dữ liệu lên Server Đồng thời, nhóm cũng sử dụng điện thoại chạy hệ điều hành Android để hiển thị tín hiệu điện tim đã thu thập.
MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công thiết bị thu thập dữ liệu ECG từ ba kênh điện cực gắn lên cơ thể, cho phép hiển thị dữ liệu ECG trên ứng dụng điện thoại Android Thiết bị cũng lưu trữ dữ liệu lên Server thông qua kết nối Internet và Wifi.
NỘi DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp về “Thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu ECG, hiển thị trên Smartphone và lưu dữ liệu về Server”, nhóm chúng em đã tập trung vào việc phát triển công nghệ đo ECG, tối ưu hóa khả năng hiển thị trên thiết bị di động và đảm bảo việc lưu trữ dữ liệu an toàn trên Server.
• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của tim và điện tim
• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu các phương pháp thu nhận dữ liệu ECG
• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu cách thức hoạt động của các thiết bị đo ECG
• NỘI DUNG 4: Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như SPI, Wifi, Database Server
• NỘI DUNG 5: Nghiên cứu và xây dựng Web server và ứng dụng Android để điều khiển, giám sát và hiển thị
• NỘI DUNG 6: Thiết kế và thi công mô hình thiết bị đo ECG
• NỘI DUNG 7: Nghiên cứu lập trình cho ESP8266 lấy dữ liệu ECG từ cảm biến điện tim và gửi dữ liệu lưu trữ trên Database server
• NỘI DUNG 8: Nạp chương trình và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện sản phẩm
• NỘI DUNG 9: Thực hiện viết báo cáo
• NỘI DUNG 10: Bảo vệ luộn văn.
GIỚI HẠN
• Chỉ hiển thị dữ liệu ECG lên Smartphone sử dụng hệ điều hành Android, không dùng được cho các hệ điều hành khác như ios, java, symbian
• Sử dụng cho nghiên cứu, không sử dụng để khám và chuẩn đoán trong y tế.
BỐ CỤC
Đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị đo tín hiệu ECG, hiển thị trên Smartphone và lưu dữ liệu về Server” được trình bày với cấu trúc rõ ràng, bao gồm các phần chính để đảm bảo tính mạch lạc và dễ hiểu.
Chương này giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời nêu rõ giới hạn các thông số và cấu trúc của đồ án.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tổng quan về nguyên lý hoạt động của tim và điện tâm đồ, đồng thời giới thiệu về máy chủ cơ sở dữ liệu và các thông số quan trọng Bên cạnh đó, bài viết cũng phân tích ý nghĩa của các linh kiện chính trong thiết kế bộ điều khiển, bao gồm module Wifi ESP 8266 Node MCU và module cảm biến ECG ADS.
1292), kiến thức cơ bản về hệ điều hành Android hỗ trợ cho lập trình phần mềm điều khiển trên điện thoại ở chương sau
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này sẽ giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống đo tín hiệu ECG và đề xuất các phương án thực hiện, từ đó lựa chọn phương án tối ưu nhất Bên cạnh đó, chương cũng nêu rõ các yêu cầu cần thiết cho phần mềm điều khiển trên điện thoại, tạo nền tảng cho việc phát triển ứng dụng Cuối cùng, chương sẽ trình bày yêu cầu đối với phần mềm điều khiển của vi điều khiển và lưu đồ hoạt động của chương trình.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này gồm có cấc nội dung sau: Thi công App trên điện thoại, thi công mô hình, lưu đồ giải thuật phần mềm và quy trình thao tác
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được từ đề tài, bao gồm hình ảnh sản phẩm, mô hình thiết bị và ứng dụng trên điện thoại Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ đánh giá sai số, tính ổn định của thiết bị, thời gian đáp ứng của sản phẩm và tính dễ sử dụng.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này sẽ tóm tắt những kết luận sau khi sản phẩm được hoàn thiện, đồng thời đề xuất các hướng phát triển nhằm tối ưu hóa việc ứng dụng sản phẩm trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU
Sau khi chọn đề tài, nhóm chúng em sẽ trình bày các nội dung chính để làm rõ tính thực thi và lý thuyết liên quan, bao gồm tổng quan về hoạt động của tim và điện tim, lý thuyết về bộ lọc số, cùng với giới thiệu về Android, Server, Wifi, Mysql, PHP, cũng như phần cứng và phần mềm sử dụng cho đề tài này.
TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA TIM VÀ ĐIỆN TIM
2.2.1 Mô tả sơ lược nguyên lý hoạt động của tim
Tim là bộ phận thiết yếu trong hệ tuần hoàn của con người và động vật, hoạt động như một cái bơm để bơm máu đều đặn qua các động mạch, cung cấp dưỡng khí và chất dinh dưỡng cho tế bào trong cơ thể Đồng thời, tim nhận máu từ các tĩnh mạch về hai tâm thất, sau đó đẩy máu đến phổi để thực hiện quá trình trao đổi khí CO2 và lấy O2.
Chu kì hoạt động của tim
Hình 2.1: Chu kỳ hoạt động của tim
Tim hoạt động theo chu kỳ, bắt đầu từ pha co tâm nhĩ, tiếp theo là pha co tâm thất và kết thúc bằng pha giãn chung Mỗi chu kỳ tim kéo dài khoảng 0,8 giây và bao gồm ba pha chính.
• 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
Pha dãn chung của cơ tim kéo dài 0.4 giây, tiếp theo là 0.4 giây thời gian nghỉ Nhờ vào các yếu tố như chu kỳ hoạt động đều đặn, thời gian nghỉ được phân bổ hợp lý, cùng với cấu tạo đặc biệt và bền bỉ của tim, cũng như lượng máu dồi dào cung cấp cho cơ tim, giúp nó có khả năng hoạt động liên tục.
2.2.2 Sơ lược về điện tim a Các quá trình điện học của tim
Hình 2.2: Điện thế hoạt động – Các quá trình điện học của tim
Quá trình điện học của tim diễn ra do sự biến đổi hiệu điện thế giữa hai mặt trong và ngoài màng tế bào cơ tim, liên quan đến sự di chuyển của các ion như K+ và Na+ Khi tế bào bắt đầu hoạt động, điện thế mặt ngoài màng tế bào trở thành âm tính tương đối so với mặt trong, hiện tượng này được gọi là khử cực Sau đó, tế bào phục hồi lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, khiến điện thế mặt ngoài tế bào trở lại trạng thái dương tương đối so với mặt trong, quá trình này được gọi là tái cực.
Nút xoang đóng vai trò chủ đạo trong nhịp tim, nơi xung động phát sinh và lan tỏa đến cơ nhĩ, dẫn đến quá trình khử cực của nhĩ Khi tâm nhĩ co lại, máu được đẩy xuống tâm thất Tiếp theo, xung động tiếp tục di chuyển qua nút N/T.
→ Khử cực thất, tâm thất đẩy máu vào các động mạch
Hiện tượng khử cực của tâm nhĩ và tâm thất diễn ra lần lượt để duy trì hoạt động bình thường của hệ tuần hoàn, tạo ra hai phần trong điện tâm đồ là nhĩ đồ và thất đồ Điện tim bao gồm các dạng sóng P, phức bộ QRS, sóng T và sóng U, mỗi dạng sóng có những đặc điểm cơ bản riêng biệt được mô tả trong hình 2.3.
Hình 2.3: Các thành phần sóng của điện tâm đồ
Các dạng sóng ECG chuẩn được trình bày chi tiết hơn ở dưới đây:
• Sóng P: Sóng khử cực 2 nhĩ (
