(123doc) May Do Nhip Tim Su Dung Cam Bien Quang Hoc Max30100 Voi Board Mach Arduino Uno r3 [PDF]

Zitiervorschau

i

MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................iv TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG TIẾNG VIỆT .............................vi INFORMATION ON RESEARCH RESULTS .................................................. vii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................0 LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 ............................................................................................................... 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Y HỌC .................................................................................. 3 1.1. KHÁI QUÁT VỀ LỊCH SỬ ..............................................................................3 1.1.1. Người đầu tiên phát minh máy đo điện tâm đồ .........................................3 1.1.2. Chiếc máy đo điện tâm đồ đầu tiên ...........................................................3 1.2. TÌM HIỂU VỀ MẶT Y HỌC ............................................................................4 1.2.1. Các vấn đề nhịp tim ở người .....................................................................4 1.2.2. Các yếu tố tác động làm thay đổi nhịp tim ................................................5 1.2.3. Ảnh hưởng của loạn nhip tim đến cơ thể con người .................................6 CHƯƠNG 2 ............................................................................................................... 8 CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ NGUYÊN TẮC ...................................................................... 8 HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN QUANG HỌC ................................................... 8 2.1. CƠ SỞ VẬT LÝ .................................................................................................8 2.1.1. Định luật Lambert-Beer .............................................................................8 2.1.2. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ ánh sáng ....................................................9 2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ .............................................12 2.2.1. Cách đo nhịp tim bằng nhận biết sự thay đổi cường độ ánh sáng ..........12 2.2.2. Tổng quan về hoạt động của cảm biến ....................................................12 2.2.3. Xây dựng công thức xác định nhịp tim trong cảm biến MAX30100 .......13 2.3. KẾT LUẬN .......................................................................................................14

ii

CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 15 TỔNG QUAN THIẾT BỊ VÀ CÁC LINH KIỆN ................................................ 15 TẠO THÀNH MÁY ĐO NHỊP TIM ..................................................................... 15 3.1. TỔNG QUAN VỀ BOARD MẠCH ARDUINO ...........................................15 3.1.1. Khái niệm về board mạch Arduino ..........................................................15 3.1.2. Một board mạch Arduino có thể làm được những gì ..............................15 3.2. CÁC LINH KIỆN TẠO THÀNH MODULE TRONG THIẾT BỊ..............17 3.2.1. Các linh kiện chế tạo máy cảm biến quang học ......................................17 3.2.2. Khái quát về cảm biến MAX 30100 .........................................................17 3.2.2. Một số bộ phận quan trọng trên cảm biến MAX30100 ...........................18 3.2.3. Thông số các chân trên cảm biến MAX30100 .........................................20 3.2.4. Các đèn LED_thu và LED_nhận trong cảm biến MAX30100 ................21 3.2.5. Các đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của bước sóng vào nhiệt độ của cảm biến ...............................................................................................................21 3.2.6.Các đồ thị miêu tả đặc trưng Vôn-Ampe của cảm biến ............................22 3.3. KẾT NỐI MODULE VỚI BOARD MẠCH ARDUINO VÀ CHẠY THỬ CÁC CHƯƠNG TRÌNH CÓ SẴN TRONG THƯ VIỆN MAX30100 .....23 3.3.1. Kết nối module chứa cảm biến MAX30100 với Arduino .........................23 3.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................25 CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 26 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ ........................................................ 26 KẾT QUẢ ĐO NHỊP TIM ..................................................................................... 26 4.1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MỘT CHƯƠNG TRÌNH CHẠY TRÊN ARDUINO .....................................................................................................26 4.2. LẬP TRÌNH CẢM BIẾN MAX 30100 VÀ KẾT QUẢ ĐO NHỊP TIM .....26 4.3. NHẬN XÉT KẾT QUẢ ...................................................................................32 4.4. KẾT LUẬN .......................................................................................................33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................36

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT

Bảng

Trang

1

Bảng 1.1. Bảng thống kê sự phụ thuộc của nhịp tim người vào tuổi

6

2

Bảng 3.1. Bảng mô tả thứ tự, ký hiệu, loại các chân trên cảm biến MAX30100 Bảng 3.2. Bảng điều khiển chọn lọc cường độ dòng qua Red_LED và IR_LED Bảng 4.1. Số liệu nhịp tim đo đạc bằng thiết bị

20

3 4

22 31

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

STT

Hình vẽ, đồ thị

Trang

1

Hình 1.1. Bác sĩ y khoa và nhà sinh lý học Willem Einthoven

3

2

Hình 1.2. Einthoven hoàn thành một loạt các nguyên mẫu của một điện kế dây sử dụng để đo điện tim (string galvanometer)

4

3

Hình 1.3. Các tế bào có trong đơn vị thành phần máu

7

4

Hình 2.1. Mô tả định luật Lambert-Beer khi ánh sáng bị hấp thụ và truyền qua một môi trường

8

5

Hình 2.2. Hiện tượng phản xạ ánh sáng

9

6

Hình 2.3. Hiện tượng khúc xạ

11

7

Hình 2.4.Cấu tạo của da người

11

8

Hình 2.5. Mô tả đường đi của chùm sáng xuất phát từ LED phát vào mao mạch rồi phản xạ lại LED thu để đọc tín hiệu Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Hình 3.1. a) Arduino Uno R3 b) Arduino Pro Mini Hình 3.2. Cửa sổ làm việc của phần mềm ngôn ngữ lập trình Arduino Hình 3.3. Các loại Arduino thương mại đang có mặt trên thị trường Hình 3.3. Sơ Đồ Nguyên Lý Của Cảm Biến Max 30100 Hình 3.4. Sơ đồ khối mô tả một cách đơn giản hoạt động của cảm biến Hình 3.5. Hình vẽ mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của FIFO Hình 3.7. a) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_R vào nhiệt độ b) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_IR vào nhiệt độ Hình 3.8. a) Đồ thị miêu tả đặc trưng vôn-ampe của LED_R b) Đồ thị miêu tả đặc trưng Vôn-Ampe của LED-IR Hình 3.9. Hình ảnh cách kết nối cảm biến MAX30100 với Arduino để tín hiệu nhận từ cảm biến tối ưu hiệu quả nhất. Hai điện trở mắc song song nhau có giá trị khoãng 4700 Ω

13

9 10 11 12 13 14 15 16

17 18

14 15 16 16 18 19 20 21

22 23

v

19 20

21

22 23 24

Hình 3.10. Cửa sổ Arduino khi mở các ví dụ mẫu chạy trong thư viện của cảm biến MAX30100 Hình 3.11. Cửa sổ Arduino khi thử mở MAX30100, chúng ta có thể thấy nhịp tim đồng thời cùng với nồng độ oxy trong máu khi thử nghiệm cảm biến Hình 3.12. Hình ảnh về cửa sổ Arduino khi mở chức năng Serial Plotter hiển thị 2 đồ thị của nhịp tim đồng thời nồng độ Oxy trong máu Hình 4.1. Ảnh thiết bị ở giai đoạn thử nghiệm

24

Hình 4.2. Ảnh thiết bị trong giai đoạn đóng hộp chuẩn bị hoàn thiện Hình 4.3. Các hình ảnh về thiết bị khi đã hoàn thành và bước vào giai đoạn thực nghiệm

30

24

25

30

31

vi

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BẰNG TIẾNG VIỆT

1. Thông tin chung: Tên đề tài: Chế tạo thiết bị đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học. Chủ nhiệm đề tài: Đặng Công Minh Tel: (+84) 0888547116 E-mail: [email protected] Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại Học Khoa Học Huế, Đại Học Huế. Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: Phan Thị Như Quỳnh – Vật Lý K39. Thời gian thực hiện: Từ tháng 1 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018. 2. Mục tiêu: Tìm hiểu và chế tạo máy đo nhịp tim bằng cảm biến quang học. 3. Khả năng ứng dụng vào thực tế: Khả năng ứng dụng vào thực tế rất cao. Máy đo nhịp tim giúp xác định nhanh chóng và chính xác kết quả đo nhịp tim ở người. Máy được phổ biến ở những nơi như bệnh viện và phòng khám hoặc những người cần thiết bị để theo dõi sức khỏe của mình thường xuyên. 4. Kết quả nghiên cứu: Việc đo đạc về nhịp tim là nhu cầu cần thiết của mọi người trong xã hội, để theo dõi tình trạng sức khỏe của mình như thế nào. Đáp ứng nhu cầu đó đang còn rất nhiều hạn chế. Thực tế trong nước, một số doanh nghiệp đã chế tạo dụng cụ, thiết bị này. Vì vậy việc thử chế tạo thiết bị đo nhịp tim là điều rất cần thiết, nó sẽ thúc đẩy sự sáng tạo và cũng như khả năng thực hành của sinh viên, giúp sinh viên trực tiếp chế tạo và đo đạc bằng thực nghiệm để kiểm tra một cách trực quan từ đó hiểu sâu hơn về lý thuyết cũng như cách vận dụng lý thuyết vật lý đã học. 5. Sản phẩm là máy đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học. Thừa Thiên Huế, tháng 12 năm 2018 Chủ nhiệm đề tài (ký và ghi rõ họ tên)

Đặng Công Minh

vii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information: Research title: Construct heart rate monitor using optical sensor. Researchers and employment organization: Dang Cong Minh – K39 Tel: +84888547116

Email: [email protected]

Research institution: Hue University of Sciences, Hue University. Research cooperating institution(s): Phan Thi Nhu Quynh – K39. Research duration: From January 2018 to December 2018. 2. Objective(s): Construct heart rate monitor with optical sensor. 3. Posibility of practical application: Applicability in practice is very high. A optical sensor could human quickly and accurately measure the heart rate. The device is generally used in places like hospitals and clinics or those who need equipment to keep track of their health regularly. 4. Research results: Measurement of heart rate is a necessity for everyone in society to monitor their health. Meeting that need is very limited. In fact, some companies have made this device. Therefore, it is very necessary to try to make a heart rate monitor. It will promote the creativity and practice of students, helping students to directly produce and measure in an intuitive way so that a deeper understanding of the theory as well as how to use the theory physics has learned about electronics. 5. Products: The product is a heart rate monitor using an optical sensor. Thua Thien Hue, December, 2018 Researcher (Signature, name)

Dang Cong Minh

0

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy cô trong Khoa Vật Lý của trường Đại Học Khoa Học Huế đã giúp đỡ để hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này. Và đặc biệt tôi xin dành lời cảm ơn ân cần nhất đến thầy TS. Ngô Khoa Quang người đã hướng dẫn tận tình từ những bước đầu tiên của đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn trong khoa Vật Lý cũng như những bạn sinh viên Đa Khoa (ĐH Y) đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Với mong muốn được nghiên cứu khoa học và hoàn thành đề tài một cách tốt nhất với tất cả những tâm huyết của mình nhưng trong quá trình hoàn thành có thể vẫn không thể tránh khỏi sai sót và vụng về ở khâu trình bày. Mong quý thầy cô và các bạn thông cảm. Tôi xin nhận được ý kiến đóng góp ý kiến quý báu từ quý thầy cô và các bạn để tôi có thể điều chỉnh được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn!

Huế, tháng 12 năm 2018 Tác giả Đặng Công Minh

1

LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của cuộc sống, mô hình bệnh tật trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang dần thay đổi. Tỷ lệ đang mắc và tử vong do các bệnh truyền nhiễm đang thay đổi, khi đó tỷ lệ mắc và tử vong do bệnh mãn tính không lây đang dần nổi lên. Cụ thể như là: đái tháo đường, tăng huyết áp, xơ vữa động mạch … Một trong những biến chứng đối với cơ quan chính của các loại bệnh tật trên đứng đầu là tim mạch. Vì vậy việc phát hiện bệnh giai đoạn sớm nhận biết các dấu hiệu nguy hiểm đe dọa tính mạng như: ngừng tim, rối loạn nhịp tim là hết sức quan trọng. Bên cạnh đó, việc theo dõi đáp ứng điều trị, theo dõi khi bác sĩ ra y lệnh đối với một số loại thuốc ảnh hưởng đến tim mạch là rất cần thiết. Từ đó giảm được tỉ lệ tử vong nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Với việc theo dõi nhịp tim, chúng ta có thể theo dõi được những bệnh nêu ở trên. Chính vì vậy máy đo nhịp tim thật sự cần thiết với những bệnh nhân tim mạch. Với máy đo nhịp tim bạn có thể theo dõi nhịp tim hằng giờ. Như vậy chúng ta có thể tự nhận biết được các dấu hiệu như: nhịp tim đang tăng lên hay giảm xuống, nhịp có đều hay không … Đáng nói hơn là với việc đo nhịp tim rất thuận tiện cho bác sĩ theo dõi việc đáp ứng một số loại thuốc. Đồng thời với sự phát triển của công nghệ nên việc tiếp cận với các linh kiện thiết bị cảm biến hay board mạch xử lý của dễ dàng hơn. Không gì hơn với sự trợ giúp ý tưởng từ thầy cô trong khoa Vật Lý dự định chế tạo một thiết bị đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học MAX30100 trên board mạch xử lý Arduino giao tiếp với máy tính. Với máy đo nhịp tim, nó như một lời cảnh báo đến với bệnh nhân thay cho bác sĩ, nó sẽ thông báo cho chúng ta khi nhịp tim chúng ta có dấu hiệu bất thường nào đó. Dựa vào các tim ̀ hiểu đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo máy đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học” để thực hiện tại Bộ môn Quang học-Quang phổ, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Những nhiệm vụ chính đặt ra trong đề tài nghiên cứu này là:

2

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhịp tim đến sức khỏe của con người theo từng lứa tuổi và các bệnh liên quan đến tim mạch. - Tổng quan về các linh kiện điện tử sử dụng để chế tạo thiết bị trong phạm vi đề tài. - Nắm được các kiến thức về ngôn ngữ lập trình Arduino cũng như giao tiếp của nó với các linh kiện khác nhau. - Cuối cùng là chế tạo một thiết bị có thể đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học. Nội dung đề tài là tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo máy đo nhịp tim bằng cảm biến quang học. Nội dung nghiên cứu bao gồm 04 chương chính như sau: Chương I: Cơ sở lý thuyết y học Chương II: Cơ sở vật lý và nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang học Chương III: Tổng quan thiết bị và các linh kiện tạo thành máy đo nhịp tim Chương IV: Thực nghiệm chế tạo thiết bị và kết quả đo nhịp tim

3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Y HỌC 1.1. KHÁI QUÁT VỀ LỊCH SỬ 1.1.1. Người đầu tiên phát minh máy đo điện tâm đồ Willem Einthoven (21/5/1860 tại Semarang – 29/9/1927 tại Leiden) là một bác sĩ y khoa và nhà sinh lý học người Hà Lan. Ông đã phát minh điện tâm đồ (viết tắt là ECG hoặc EKG) năm 1903 và được thưởng giải Nobel Y học năm 1924 cho phát minh này. Năm 1885, Einthoven tốt nghiệp bằng bác sĩ y khoa ở Đại học Utrecht.Năm 1886, ông làm giáo sư tại Đại học Leiden [5].

Hình 1.1. Bác sĩ y khoa và nhà sinh lý học Willem Einthoven [5] 1.1.2. Chiếc máy đo điện tâm đồ đầu tiên Bắt đầu từ năm 1901, Einthoven hoàn thành một loạt các nguyên mẫu của một điện kế dây (string galvanometer). Khi dòng điện truyền qua sợi dây, thì trường điện từ sẽ làm cho sợi dây rung động. Một ánh sáng chiếu trên sợi dây sẽ hắt bóng (sợi dây) trên một cuộn giấy (chụp) ảnh chuyển động, vì thế tạo thành một đường cong liên tục, chỉ ra hoạt động của sợi dây. Thiết bị nguyên thủy này đòi phải có nước để làm nguội các nam châm điện, cần phải có năm người để vận hành và cân nặng

4

khoảng 172,400 kg (600 lb). Thiết bị này làm tăng độ nhạy của điện kế tiêu chuẩn để có thể đo được hoạt động điện của trái tim, dù có sự cách điện của thịt và xương. Mặc dù các tiến bộ kỹ thuật sau này đã làm cho các máy đo điện tâm đồ tốt hơn và dễ mang đi hơn, phần lớn các thuật ngữ vẫn dùng như mô tả máy đo điện tâm đồ nguyên thủy của Einthoven. Thuật ngữ "Einthoven's triangle" (tam giác của Einthoven) được đặt theo tên ông [5].

Hình 1.2. Einthoven hoàn thành một loạt các nguyên mẫu của một điện kế dây sử dụng để đo điện tim (string galvanometer) [5]

1.2. TÌM HIỂU VỀ MẶT Y HỌC 1.2.1. Các vấn đề nhịp tim ở người Nhịp tim là số lần tim đập trên mỗi phút. Nó phụ thuộc vào từng cá nhân,tuổi tác; trọng lượng cơ thể; trạng thái hoạt động như ngồi yên hay di chuyển; các bệnh lý mắc phải; các thuốc đang sử dụng, thậm chí nhiệt độ không khí cũng có thể ảnh hưởng tới nhịp tim. Nhưng tất cả yếu tố trên đều được dung hòa để đưa nhịp tim ổn định thì lại nhờ sự phối hợp nhịp nhàng của hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh tim, hệ mạch và các chất trung gian hóa học để làm cho cơ tim hoạt động hiệu quả [5]. Trong y học người ta chú ý đến 2 thông số quan trọng của nhịp tim đó là:

5

- Nhịp tim lúc nghỉ ngơi ( Rest Heart Rate ): Ở người bình thường, nhịp tim lúc nghỉ ngơi đo vào lúc sáng mới ngủ dậy, thông số có thể dao động trong mức 60-80 nhịp/phút, ở các vận động viên chuyên nghiệp, nhịp tim lúc nghỉ ngơi có thể xuống mức 40 nhịp/phút, theo các nghiên cứu y học, nhịp tim lúc nghỉ ngơi càng cao thì sức khỏe của người đó càng thấp. Nếu nhịp tim lúc nghỉ của bạn trong khoảng 60-80 nhịp/phút và bạn đang không tập luyện thể thao gì cả, khi các bạn tập luyện thể thao đều đặn, tim sẽ khỏe lên, cơ tim sẽ "đô" hơn, tim đập ít nhịp hơn mà vẫn đủ bơm máu đi nuôi cơ thể [4]. - Nhịp tim tối đa mà con người có thể chịu được ( Max Heart Rate ) : Đó là xác định nhịp tim lúc nghỉ ngơi, còn nhịp tim tối đa mà mỗi người có thể chịu đựng được thì có thể tính theo các công thức phổ biến sau: ➢ Nhịp tim tối đa của nam giới = 220 – “số tuổi của người đó”. Ví dụ, một người nam 30 tuổi thì nhịp tim tối đa anh ta có thể chịu được là = 220 30 = 190 nhịp/phút. ➢ Nhịp tim tối đa của nữ giới = 226 – “số tuổi của người đó”. Ví dụ như trên, người nữ 30 tuổi thì nhịp tim tối đa cô ta có thể chịu được là = 226 - 30 = 196 nhịp / phút [4]. 1.2.2. Các yếu tố tác động làm thay đổi nhịp tim - Yếu tố môi trường: Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm tăng cao, tim bơm máu nhiều hơn một chút, và gây tăng nhịp tim, nhưng thường không quá 5 đến 10 nhịp/phút. Sự thay đổi độ cao hay sức gió cũng có ảnh hưởng phần nào tới nhịp tim. - Hệ thần kinh: Nếu bạn bị căng thẳng, lo âu hay đột nhiên vui buồn, nhịp tim có thể tăng lên, đó là do yếu tố cảm xúc của não quyết định. - Nhịp thở: Khi hít vào, nếu để ý bạn có thể nhận thấy nhịp tim của mình chậm lại, sau đó ngay lập tức trở lại bình thường. - Còn ở người bệnh phổi tắc nghẽn, khi họ khó thở hoặc thở gấp, nhịp tim lại tăng cao để đáp ứng nhu cầu oxy của cơ thể. - Kích thước cơ thể: Ở những người béo phì, nhịp tim khi nghỉ có thể cao hơn bình thường, nhưng thường không quá 100 nhịp/phút.

6

- Sử dụng nhiều caffeine và chất kích thích: Có thể gây tăng nhịp tim,khó chịu, mất ngủ, kích thích, trầm cảm và mệt mỏi. - Bệnh tim mạch: Theo Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ, bệnh xơ vữa động mạch có thể dẫn đến bệnh mạch vành, suy tim hoặc rối loạn nhịp tim [2]. Bảng 1.1. Bảng thống kê sự phụ thuộc của nhịp tim người vào tuổi [5] Tuổi

Mạch bình thường (nhịp/phút)

Mới sinh

Trên 190

Năm đầu

80-160

2 tuổi

80-130

4 tuổi

80-120

6 tuổi

75-115

8-10 tuổi

70-110

12 tuổi

65-110

14 tuổi

60-100

16 tuổi

55- 95

18 tuổi trở lên

50- 90

1.2.3. Ảnh hưởng của loạn nhip tim đến cơ thể con người Chứng loạn nhịp tim có thể là nguyên phát hoặc thứ phát là khi những chứng này xảy ra do rối loạn điện sinh lý gây ra những tiến trình bệnh, chúng không liên

7

quan gì về mặt nguyên nhân với những thay đổi đáng kể về chức năng huyết động lực. Thứ phát là khi tiến trình bệnh gây ra dị thường huyết động lực khiến việc này bắt đầu, hoặc tham gia vào sự rối loạn điện. Nhịp tim nhanh thất không chịu nổi là chứng loạn nhip tim có tiềm năng gây tử vong ở tất cả các bệnh nhân, ngoại trừ những người không có bệnh tim nghiêm trọng hoặc có bệnh tim hạn chế thì có vẻ như nguy cơ bị loạn nhịp tiềm năng gây tử vong thấp. Đối với bệnh nhân bị các bệnh cơ tim hoặc bệnh động mạch vành tiến triển và tỉ lệ bơm thấp là những bệnh nhân có nguy cơ tử vong cao nhất. Nhịp tim đập chậm có thể được coi là thứ phát do những dị thường về hình thành xung động tim hoặc những dị thường về truyền dẫn AV. Mặc dù không có triệu chứng rõ ràng, song các triệu chứng truyền dịch thấp có thể xảy ra khiến cần được điều trị tức thì [2]. 1.2.4. Thành phần của máu Máu gồm 2 thành phần chính như các tế bào (phần hữu hình) và huyết tương (phần vô hình).

Hình 1.3. Các tế bào có trong đơn vị thành phần máu [5]

1.3. KẾT LUẬN Chương 1 này chúng tôi đã trình bày tổng quan về lịch sử ra đời cùng vấn đề Y học, đề tài bao gồm các phần về lịch sử ra đời, chiếc máy đo điện tim đầu tiên, các bệnh lý liên quan đến tim và thành phần của máu.

8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN QUANG HỌC 2.1. CƠ SỞ VẬT LÝ 2.1.1. Định luật Lambert-Beer Định luật Lambert-Beer là một định luật có nhiều ứng dụng trong hoá học và vật lý. Định luật này được dựa trên hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ của một dung dịch và sử dụng nhiều trong hoá phân tích hữu cơ và vật lý quang học. Định luật này được tìm ra lần đầu bởi nhà khoa học người Pháp Pierre, Bouguer, nhưng những đóng góp quan trọng lại thuộc về Johann Heinrich Lambert và August Beer [5]. Chiếu một chùm tia đơn sắc có cường độ I0 qua dung dịch có chiều dày L. Sau khi bị hấp thụ, cường độ chùm tia còn lại I.

Hình 2.1. Mô tả định luật Lambert-Beer khi ánh sáng bị hấp thụ và truyền qua một môi trường [5] Từ suy luận trên ta có phương trình : 𝐼0 𝐼

= 𝑒 𝑘𝑑

𝐼

𝐼

𝐼

𝐼0

⇒ log( 0 ) = k.d ⇒ -log( ) = k.d

9

⇒

𝐼 𝐼0

= 𝑒 −𝑘𝑑

(2.1)

Trong phương trình (2.1) : -

I0 và I là cường độ bức xạ trước và sau khi truyền qua mẫu.

-

k là hằng số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất của mẫu.

-

d là độ dài của mẫu vật khi ánh sáng truyền qua.

Cũng từ biểu thức (2.1) ở trên ta có thể suy ra được các biểu thức sau : 𝐼0

-

Độ truyền qua : T =

-

Độ hấp thụ

-

Hệ số hấp thụ : k = f (λ)

(2.2)

𝐼 𝐼

: A = -log ( ) 𝐼0

(2.3) (2.4)

2.1.2. Sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ ánh sáng Sự phản xạ ánh sáng là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới. Các ví dụ về phản xạ đã được quan sát với các sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước [1]

Hình 2.2. Hiện tượng phản xạ ánh sáng [5] Sự khúc xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng truyền xuyên qua mặt phân cách giữa 2 môi trường có chiết suất khác nhau . Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, còn được gọi là định luật Snell có dạng :

10

𝑠𝑖𝑛(𝑖) 𝑠𝑖𝑛(𝑟)

𝑛2

=

𝑛1

(2.5)

Với : • i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phân cách và pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường • r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường . • n1 là chiết suất môi trường 1. • n2 là chiết suất môi trường 2. Tỉ số

𝑛2 𝑛1

không thay đổi , phụ thuộc vào bản chất của 2 môi trường được gọi là

chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tia khúc xạ ( môi trường 2) đối với môi trường chứa tia tới (môi trường 1). Nếu tỉ số này lớn hơn 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới , ta nói môi trường 2 chiết quang hơn môi trường 1. Ngược lại nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới , ta nói môi trường 2 chiết quang kém hơn môi trường 1. Lưu ý: Trong trường hợp tỉ số

𝑛2 𝑛1

< 1, để xảy ra hiện tượng khúc xạ thì góc tới

phải nhỏ hơn góc khúc xạ giới hạn: 𝑖 < 𝑖𝑔ℎ = arcsin (

𝑛2 𝑛1

)

(2.6)

nếu nó lớn hơn góc khúc xạ giới hạn, thì sẽ không có tia khúc xạ, thay vào đó sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần [1]

11

Hình 2.3. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng [5] Trong quá trình tìm hiểu chúng tôi tin rằng sự tán xạ trong môi trường biểu bì da người gồm 3 tầng là biểu bì, trung bì và hạ bì là tán xạ Tyndall. Tán xạ Tyndall là hiện tượng tán xạ ánh sáng thường thấy trong các hệ keo, hiện tượng này dùng để phân biệt các môi trường đồng nhất vật lý các hạt hòa tan hoàn toàn vào nhau với các môi trường keo không đồng nhất về vật lý. Bởi vì tán xạ Tyndall là tán xạ dùng để phân biệt các môi trường không đồng nhất đặc biết là trong môi trường biểu bì của da người. Sự tán xạ ánh sáng diễn ra ở đây khá phức tạp vì có rất nhiều các tiểu bộ phận khác nhau của da ở đây. Và cũng không chỉ có tán xạ mà còn có phản xạ, khúc xạ … Vì mạch máu nằm ở tầng hạ bì của da nên ánh sáng đến được đó cũng đã bị tán xạ khá nhiều.

Hình 2.4.Cấu tạo của da người [5]

12

2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ 2.2.1. Cách đo nhịp tim bằng nhận biết sự thay đổi cường độ ánh sáng Nguyên tắc hoạt động ở đây là chúng tôi sử dụng một cảm biến có LED phát và LED thu. Khi cung cấp cho cảm biến một nguồn V++ để hoạt động, tại LED phát nó phát ra một bức xạ hồng ngoại có bước sóng λIR = 880 nm [8]. Với bức xạ này khi người đo đặt ngón tay vào cảm biến, LED phát sẽ khuếch tán bức xạ hồng ngoại vào sâu trong ngón tay của người cần đo . Trong quá trình khuếch tán vào sâu trong ngón tay bức xạ hồng ngoại sẽ bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ và hấp thụ bởi các mô và các lớp bì cấu tạo của da. Tuy bức xạ hồng ngoại khuếch tán vào da bị tiêu hao nhưng vẫn có một phần bị phản xạ nhiều lần quay trở lại và tại LED thu nó thu được tín hiệu này và cũng chỉ cần một thay đổi nhỏ thôi LED thu vẫn có thể phát hiện ra được. Sự thay đổi nhỏ có thể thấy ở đây chính là một lượng máu đi qua ngón tay thông qua các mạch máu. Như chúng ta đã biết mạch máu vận chuyển máu đi nuôi khắp cơ thể theo từng “đợt”, từng đợt này chính là số lần tim bơm máu. Nếu chúng ta đọc được được sự thay đổi này chúng ta sẽ đọc được nhịp tim của cơ thể người cần đo. 2.2.2. Tổng quan về hoạt động của cảm biến Có một bộ phận đọc và phân biệt được sự thay đổi của bức xạ trước và sau khi khuếch tán vào da trên cảm biến. Các tín hiệu quang này sẽ được biến thành tín hiệu điện và chuyển đến Arduino sau đó thông qua PC và code lập trình để hiển thị tín hiệu ra màn hình LCD. Bộ biến đổi ADC này được nhà sản xuất cảm biến đặt ngay trên cảm biến và nó sẽ đọc được những thay đổi của bức xạ khuếch tán vào da khi quay lại rồi sẽ chuyển tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện. Vì thế nó rất nhạy với những sự thay đổi do bức xạ do môi trường xung quanh gây ra. Cảm biến mà chúng tôi sử dụng trong hệ đo nhịp tim này là MAX 30100 kết hợp với Arduino Uno R3 sẽ được nói rõ trong phần 4 tới.

13

2.2.3. Xây dựng công thức xác định nhịp tim trong cảm biến MAX30100 Ngay sau khi tại LED thu xuất hiện tín hiệu bị suy giảm nó sẽ lưu dấu thời gian lại tại đúng thời điểm suy giảm đó sau đó đổi sang tần số chúng tôi gọi đó là tần số cắt (cut-off frequency). Khi lưu dấu thời gian chúng ta sẽ có thể so sánh được độ trễ thời gian giữa 2 thời điểm đánh dấu (thời điểm ban đầu và thời điểm bắt đầu suy giảm) theo công thức như sau : Nhịp tim / phút =

60 𝑔𝑖â𝑦 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑙ư𝑢 𝑑ấ𝑢 ℎ𝑖ệ𝑛 𝑡ạ𝑖−𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑙ư𝑢 𝑑ấ𝑢 𝑡𝑟ướ𝑐 đó

(2.7)

Tuy nhiên các biến thời gian ở công thức trên đa phần đều có sai số hoặc không nguyên nên chúng tôi sử dụng một hàm: round (pox.getHeartRate()). Hàm round (…) này có tác dụng đưa số liệu ở trong dấu ( ) về dạng số nguyên [9].

Hình 2.5. Mô tả đường đi của chùm sáng xuất phát từ LED phát vào mao mạch rồi phản xạ lại LED thu để đọc tín hiệu [5]

14

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

0 : Bộ cảm biến 1 : LED Phát 2 : LED Thu 3 : Bộ chuyển đổi tín hiệu ADC 4 : Board mạch Aruino Uno R3

5 : Máy tính cài đặt giao tiếp Arduino 6 : Màn hình LCD_I2C 7 : Nguồn cấp điện cho cảm biến ( 5v ) 8 : Ngón tay của người cần đo.

2.3. KẾT LUẬN Trong chương 2 này chúng tôi trình bày tổng quan các kiến thức vật lý đại cương cần thiết để hiểu bản chất các vấn đề cơ bản trong thiết bị, cũng như nguyên tắc hoạt động của cảm biến, cách để tính ra được nhịp tim dựa trên những tín hiệu được thu được từ cảm biến và sơ đồ nguyên lý của thiết bị.

15

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN THIẾT BỊ VÀ CÁC LINH KIỆN TẠO THÀNH MÁY ĐO NHỊP TIM 3.1. TỔNG QUAN VỀ BOARD MẠCH ARDUINO 3.1.1. Khái niệm về board mạch Arduino Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Hiện nay có 2 loại Arduino sử dụng phổ biến là Arduino Uno R3 và Arduino Pro Mini [9]

Hình 3.1. a) Arduino Uno R3 [9] b) Arduino Pro Mini [9] 3.1.2. Một board mạch Arduino có thể làm được những gì Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho chúng ta rất nhiều sự tương tác với môi trường xung quanh. Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại, khí độc,…). Các thiết bị hiển thị (màn hình

16

LCD, đèn LED,…). Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,…). Định vị GPS, nhắn tin SMS, …[5]

Hình 3.2. Cửa sổ làm việc của phần mềm ngôn ngữ lập trình Arduino Sau đây là hình 3.3 mô tả một số board mạch Arduino đang có mặt trên thị trường với nhiều tính năng khác nhau.

Hình 3.3. Các loại Arduino thương mại đang có mặt trên thị trường [5]

17

3.2. CÁC LINH KIỆN TẠO THÀNH MODULE TRONG THIẾT BỊ 3.2.1. Các linh kiện chế tạo máy cảm biến quang học Board mạch arduino là bộ não trung tâm xử lí các thao tác của thiết bị, các code được lập trình trên PC được mã hóa qua đây để giao tiếp được với các cảm biến và linh kiện khác. Tùy thuộc vào yêu cầu là gì và giao tiếp với linh kiện hay thiết bị nào mà có nhiều sự lựa chọn board mạch Arduino khác nhau. Cảm biến quang học là thành phần quan trọng của đề tài nghiên cứu nên việc chọn một cảm biến tốt là rất quan trọng. Cảm biến dùng trong việc đo đạc phải là cảm biến mà có thể xử lí và giảm bớt tín hiệu nhiễu của môi trường xung quanh như là: ánh sáng mặt trời, các rung động của môi trường xung quanh, nhiễu tín hiệu từ các chân linh kiện ghép nối ...v...v. Ở đây đầu tiên tôi sử dụng cảm biến APDS 9008 nhưng vì cảm biến quá nhạy với môi trường xung quanh cho dù có hạn chế thế nào cũng không thể tránh khỏi vì thế tôi dùng cảm biến Max 30100. Màn hình LCD để hiển thị nhịp tim. Màn hình LCD mà đề tài đang chế tạo là loại LCD 1602 tích hợp rất thuận tiện với Arduino Uno R3. Màn hình LCD kết hợp với giao tiếp I2C để giảm bớt số dây đấu nối giữa màn hình LCD và Board mạch Arduino Uno R3 ( nhằm làm gọn gàng và giảm bớt nhiễu cho thiết bị do đấu nối quá nhiều dây). Các linh kiện khác nhau tham gia vào quá trình xây dựng thiết bị gồm có các dây để đấu nối các linh kiện thông thường có 2 dây để đấu nối đó là dây đực và dây cái. Các điện trở, đèn LED, Pin (cung cấp năng lượng cho mạch) và Board mạch để chia các chân của Arduino ra làm nhiều chân để tích hợp sử dụng nhiều thiết bị giao tiếp với Arduino cùng lúc. Hộp điện dùng để làm vỏ và chứa các bộ phận của thiết bị.Và nguồn cung cấp điện cho thiết bị dùng để cấp nguồn điện hoạt động cho thiết bị [5].

3.2.2. Khái quát về cảm biến MAX 30100 MAX30100 là giải pháp cảm biến đo nhịp tim tích hợp. Nó kết hợp 2 đèn LED gồm 1 LED thu và 1 LED phát. MAX30100 có vi xử lý tín hiệu tương tự với độ nhiễu thấp, nhờ những ưu điểm như vậy nên việc phát hiện xung đo nồng độ oxy và đọc tín

18

hiệu nhịp tim một cách chính xác và ổn định. MAX30100 hoạt động từ các nguồn cấp điện 1,8V và 3,3V và có thời gian chờ không đáng kể, cho phép nguồn điện luôn được kết nối. Ứng dụng thực tế của thiết bị có thể là thiết bị trợ lý thể dục và thiết bị giám sát y tế. Những lợi ích và tính năng của cảm biến như đèn LED tích hợp gồm bộ cảm biến hình ảnh và hiệu năng tương tự cao-thấp. Kích thước nhỏ gọn thể tích 5,6mm x 2,8mm x 1,2mm các hệ thống nâng cao quang học. Với mức năng lượng hoạt động thấp làm tăng tuổi thọ hoạt động của thiết bị. Tỷ lệ mẫu có thể lập trình và dòng điện LED tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng. Dòng tải cực thấp khoãng 0,7 µA. Ngoài ra còn có các chức năng nâng cao cải thiện hiệu suất đo đạc của thiết bị như SNR cao cung cấp khả năng phục hồi chuyển động mạnh mẽ (SRN là Signal-toNoise-Ratio là một thông số đo đạc giữa tín hiệu suất ra và tín hiệu nhiễu nếu SRN càng cao thì càng tốt). Hạn chế tối đa cac xung ánh sang nhiễu xung quanh. Tỷ lệ khả năng lấy mẫu cao cùng khả năng xuất dữ liệu nhanh chóng [10].

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến MAX30100 [8]

3.2.2. Một số bộ phận quan trọng trên cảm biến MAX30100 MAX 30100 là một hệ thống cảm biến nhịp tim hoàn chỉnh và khá nhạy được thiết kế như là một bộ phận cấu thành nằm trong các thiết bị đo đạc nhịp tim. MAX 30100 cung cấp giải pháp đo nhịp tim hoàn hảo với diện tích bề mặt khá nhỏ mà

19

không làm tiêu hao hiệu suất quang học và hiệu suất tiêu thụ điện. MAX 30100 có thể cấu hình đầy đủ thông qua phần mềm và dữ liệu đầu ra kỹ thuật số được lưu trữ ở mức sâu 16 FIFO trong thiết bị. FIFO cho phép MAX 30100 được kết nối với vi điều khiển hoặc bộ khối vi xử lý [10]. Ngoài ra cảm biến còn có 2 chức năng đặc biệt khác: - Cảm biến nhiệt độ (temperature sensor) trên chip để (tùy chọn) hiệu chỉnh sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ thống phụ SpO2. Thuật toán SpO2 tương đối không nhạy cảm với bước sóng của đèn LED_IR, nhưng khá nhạy cảm với bước sóng của đèn LED_R và rất quan trọng để điều chỉnh việc giải thích, phân tích dữ liệu. - Và trình điều khiển LED của MAX30100 tích hợp các trình điều khiển LED_R và LED_IR để điều khiển dòng. Các xung LED cho phép đo SpO2 và nhịp tim. Đèn LED có thể được lập trình từ 0 mA đến 50mA với điện áp cung cấp thích hợp. Độ rộng xung LED có thể được lập trình từ 200 µs đến 1,6 ms để tối ưu hóa độ chính xác đo lường và mức tiêu thụ điện năng dựa trên về các trường hợp sử dụng [11].

Hình 3.4. Sơ đồ khối mô tả một cách đơn giản hoạt động của cảm biến [11] - FIFO (First-In-First-Out) là một khối nhớ đệm đặc biệt, rất hay ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn số, dùng làm các khối đệm trong các thiết bị lưu trữ… Như tên gọi của nó thì dữ liệu nào ghi vào trước thì được đọc ra trước. Đối với FIFO không còn khái niệm địa chỉ mà chỉ còn các cổng điểu khiển đọc và ghi dữ liệu. Khi được cho phép ghi, dữ liệu bên ngoài sẽ ghi vào bộ nhớ đệm.Khi có tín hiệu cho phép đọc, dữ liệu sẽ được đọc từ bộ nhớ đệm ra ngoài theo thứ tự đã ghi. Tùy theo yêu cầu

20

cụ thể mà FIFO có thể được thiết kế bằng các cách khác nhau. Sơ đồ đơn giản và tổng quát nhất của FIFO là sơ đồ sử dụng khối RAM đồng bộ hai cổng đọc ghi độc lập [5].

Hình 3.5. Hình vẽ mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của FIFO [5] 3.2.3. Thông số các chân trên cảm biến MAX30100 Bảng 3.2. Mô tả thứ tự, ký hiệu, loại các chân trên cảm biến MAX30100 [5]

Chân VIN là nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho cảm ứng. Chân SCL là chân clock, có tác dụng đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị, và việc tạo xung clock đó là do thiết bị chủ (master). Chân SDA là chân truyền dữ liệu (DATA).

21

Hai chân này luôn hoạt động ở chế độ mở, vì vậy để sử dụng được cần phải có trở. Tức là nối +5v - trở - I2C bởi các thiết bị trên giao tiếp i2c hoạt động ở mức thấp. Chân INT là chân ở chế độ trở kháng thấp cho phép dòng điện đi ra. Chân IRD là chân của LED hồng ngoại. Chân RD là chân của LED đỏ thường. Chân GND là chân nối đất của cảm biến. 3.2.4. Các đèn LED_thu và LED_nhận trong cảm biến MAX30100 Với xung một chu kỳ ngắn để tiết kiệm năng lượng, và các dòng xung có thể gây ra thất thoát đỉnh sóng trong nguồn điện LED. Để đảm bảo các xung này không chuyển thành tín hiệu nhiễu quang tại đầu ra LED, nguồn điện phải được thiết kế để xử lý dòng điện thất thoát tại đỉnh song của đầu ra LED. Đảm bảo rằng điện trở và điện cảm từ nguồn điện (pin, bộ chuyển đổi DC / DC hoặc LDO) các chân LED của thiết bị có giá trị nhỏ hơn so với 1Ω, và có ít nhất 1µF sai số điện dung được bỏ qua trong các dòng điện có trở kháng thấp. Ở chế độ chỉ có nhịp tim, đèn LED màu đỏ không hoạt động và chỉ có đèn LED hồng ngoại được sử dụng để thu thập dữ liệu quang và xác định nhịp tim. Chế độ này cho phép tiết kiệm năng lượng do đèn LED [9]. 3.2.5. Các đồ thị miêu tả sự phụ thuộc của bước sóng vào nhiệt độ của cảm biến

Hình 3.7. a) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_R vào nhiệt độ [11]. b) Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bước sóng LED_IR vào nhiệt độ [11]

22

3.2.6.Các đồ thị miêu tả đặc trưng Vôn-Ampe của cảm biến

Hình 3.8. a) Đồ thị miêu tả đặc trưng Vôn-Ampe của LED_R [11]. b) Đồ thị miêu tả đặc trưng Vôn-Ampe của LED-IR [11]

Bảng 3.1. Bảng điều khiển chọn lọc cường độ dòng qua RED_LED và IR_LED [11]

23

3.3. KẾT NỐI MODULE VỚI BOARD MẠCH ARDUINO VÀ CHẠY THỬ CÁC CHƯƠNG TRÌNH CÓ SẴN TRONG THƯ VIỆN MAX30100 3.3.1. Kết nối module chứa cảm biến MAX30100 với Arduino Sau khi cài đặt thành công thư viện Arduino MAX30100, Arduino IDE sẽ xuất hiện mục MAX30100lib. Với các Example được viết sẵn là: - MAX30100_Debug: Được dùng kết hợp với Processing pde "rolling_graph" (thư mục extras), để hiển thị dữ liệu với nhiều giai đoạn xử lý khác nhau. - MAX30100_Minimal: Một ví dụ đơn giản hiển thị kết quả dễ đọc qua Serial Monitor. - MAX30100_DrawData: Ví dụ lấy dữ liệu gốc từ cảm biến, chưa qua xử lý, có thể quan sát kết quả qua Serial Plotter hoặc Serial Monitor. - MAX30100_Tester: Sketch này giúp bạn tìm nguyên nhân gây ra lỗi cảm biến trong trường hợp cảm biến gặp vấn đề [6].

Hình 3.9. Hình ảnh cách kết nối cảm biến MAX30100 với Arduino để tín hiệu nhận từ cảm biến tối ưu hiệu quả nhất. Hai điện trở mắc song song nhau có giá trị khoãng 4700 𝛺 [6]

24

Hình 3.10. Cửa sổ Arduino khi mở các ví dụ mẫu chạy trong thư viện của cảm biến MAX30100 Thử với MAX30100_Minimal nếu cảm biến nhận thành công mở Serial Moniter xem kết quả :

Hình 3.11. Cửa sổ Arduino khi thử mở MAX30100 chúng ta có thể thấy nhịp tim đồng thời cùng với nồng độ oxy trong máu khi thử nghiệm cảm biến

25

Thử với MAX30100_DrawData sau khi cảm biến nhận thành công mở Serial Plotter để xem kết quả :

Hình 3.12. Hình ảnh về cửa sổ Arduino khi mở chức năng Serial Plotter hiển thị 2 đồ thị của nhịp tim đồng thời nồng độ Oxy trong máu Cảm biến được tối ưu để đo chính xác nhất ở đầu ngón tay. Đặt đầu ngón tay lên cảm biến (che 2 LED trên cảm biến) khi đo. Khi cảm biến hoạt động, sẽ có một trong 2 LED trên cảm biến sáng màu đỏ.

3.4. KẾT LUẬN Trong chương 3 này chúng tôi mô tả tổng quan về Arduino. Cách đấu nối các linh kiện với nhau để thiết bị hoạt động. Đồng thời mô tả khái quát về cảm biến Max 30100 cùng với nguyên tắc hoạt động và các thông số quan trọng của nó.

26

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO NHỊP TIM 4.1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MỘT CHƯƠNG TRÌNH CHẠY TRÊN ARDUINO Gồm có 3 phần chính đó là : Phần 1: Khai báo thư viện với hàm #include và khai báo biến với hàm #define Hàm #define có tác dụng định nghĩa, hay còn gọi là gán, tức là gán một chân, một ngõ ra nào đó với 1 cái tên. Ví dụ: #define led 13 ; Sau #define thì không có dấu “,” (dấy phẩy). Khai báo các kiểu biến khác như: int (kiểu số nguyên), float,… Phần 2: Khai báo hàm void setup () {…..}: Hàm này dung để thiết lập một chương trình Arduino. Cấu trúc của nó có dấu ngoặc nhọn ở đầu và ở cuối, nếu thiếu phần này khi kiểm tra chương trình thì chương trình sẽ báo lỗi. Phần này dùng để thiết lập các tốc độ truyền dữ liệu, kiểu chân là chân ra hay chân vào. Serial.Begin(9600) : dùng để truyền dữ liệu từ Arduino lên máy tính ở mức như thế nào tùy vào từng cổng kết nối cũng như thiết bị kết nối … pinMode(biến,kiểu vào hoặc ra); Ví dụ: pinMode(chan01,INPUT); Phần 3: Hàm Void loop () : Dùng để viết các lệnh trong chương trình để mạch Arduino thực hiện các nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn, thường bắt đầu bằng: void loop() { ……… } [5]

4.2. LẬP TRÌNH CẢM BIẾN MAX 30100 VÀ KẾT QUẢ ĐO NHỊP TIM Như chúng ta đã biết mỗi chương trình chạy trên Arduino đều có 3 phần: Phần 1. Khai báo các hàm trong thư viện: + Ở đây chúng ta sử dụng 3 hàm thư viện chính để viết chương trình cho cảm biến Max30100:

27

# include # include “LiquidCrystal_I2C.h” # include “MAX30100_PulseOximeter.h” LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);// Khai báo màn hình LCD giao tiếp I2C #define REPORTING_PERIOD_MS

1000 // Chu kỳ nhảy nhịp là 1 giây

PulseOximeter pox; // Khai báo cảm biến MAX30100 int LED = 13; byte traitim1[8]={ // Hiển thị hình vẽ ký tự đặc biệt (trái tim) ra màn hình . B00110, B01111, B01111, B01111, B01111, B00111, B00011, B00001 }; byte traitim2[8]={// Hiển thị hình vẽ ký tự đặc biệt (trái tim) ra màn hình . B01100, B11110, B11110, B11110, B11110, B11100, B11000, B10000}; Uint32_t tsLastReport = 0; // Khai báo biến u_int 32 bit void onBeatDetected() // hàm đọc giá trị tại chân tín hiệu số tại chân digital số 2 của Arduino Uno

28

{ digitalWrite(2,!digitalRead(2)); // Chân digital số 2 . } Phần 2 : Khai báo hàm void setup ( ) { lcd.begin(); // Cho phép bắt đầu sử dụng LCD lcd.backlight(); // Bật đèn nền LCD lcd.setCursor(2,0); // Bắt đầu hiển thị chữ tại cột 2 hàng 0. lcd.print(“XIN CHAO!!!”);// In ra màn hình câu XIN CHAO!!! delay(2000); // Hiển thị câu trên trong 2 giây lcd.clear(); // Xóa câu trên lcd.setCursor(0,0); lcd.print(“Vui Long Dat”); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(“Ngon Tay Vao:”); delay(2500); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); if (!pox.begin()) { lcd.print(“Khong The Xac Nhan”); while(1); } else { lcd.print(“Da Xac Nhan:”); } // Hàm if trên dùng để xác nhận có nhận được tín hiệu tử cảm biến hay không . pox.setIRLedCurrent(MAX30100_LED_CURR_14_2MA); // Thiết lập giá trị cường độ dòng của Led hồng ngoại tại giá trọ 14,2 mA pox.setOnBeatDetectedCallback(onBeatDetected); hiển thị nhịp .

// Phát hiện và

29

delay(2000); lcd.createChar(1,traitim1); // In ra màn hình ký tự đặc biệt đã tạo ở đây là hình ảnh trái tim . lcd.createChar(2,traitim2); } Phần 3 : Khai báo hàm Void loop ( ) { pox.update(); // Update số liệu của cảm biến [8] if (millis() – tsLastReport > REPORTING_PERIOD_MS) { lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print(“NHIP TIM BAN LA:”); lcd.setCursor(7,1); lcd.print(round(pox.getHeartRate()));// Làm tròn giá trị nhịp tim . lcd.setCursor(4,1); lcd.write(1); lcd.setCursor(5,1); lcd.write(2); lcd.setCursor(10,1); lcd.write(1); lcd.setCursor(11,1); lcd.write(2); tsLastReport = millis(); } }

30

Hình 4.1. Hình ảnh thiết bị ở giai đoạn thử nghiệm.

Hình 4.2. Hình ảnh thiết bị trong giai đoạn đóng hộp chuẩn bị hoàn thiện.

31

Hình 4.3. Hình ảnh về thiết bị khi đã hoàn thành và bước vào giai đoạn thực nghiệm Bảng 4.1. Số liệu nhịp tim được đo đạc bằng thiết bị Đo thủ công Đo bằng máy bằng đếm mạch lúc bình thường. lúc bình thường. (Nhịp tim/Phút) (Nhịp tim/ Phút)

Đo bằng máy lúc sau khi vận động. (Nhịp tim /Phút)

STT

Tên và thông tin của các bạn tham gia đo đạc kết quả.

1

Nguyễn Định Việt (SN :1996 ; GT: Nam )

86 ~ 87

84 ~ 88

104 ~ 106

2

Nguyễn Quỳnh Phương Thảo (SN :1997 ; GT: Nữ )

106 ~ 107

103 ~ 107

128 ~ 130

3

Nguyễn Võ Hoàng My (SN :1996 ; GT: Nữ )

62 ~ 63

60 ~ 64

78 ~ 81

4

Nguyễn Thị Như Ngọc (SN :1997 ; GT: Nữ )

105 ~ 106

105 ~ 108

113 ~ 116

5

Đặng Công Minh (SN :1997 ; GT: Nam )

72 ~ 73

71 ~ 75

103 ~ 105

32

4.3. NHẬN XÉT KẾT QUẢ Qua bảng đo đạc thực nghiệm chúng ta có thể nhận thấy rằng nhịp tim của con người là khác nhau tùy thuộc vào độ tuổi và sức khỏe của người đó. Ta có thể nhận thấy rằng hai bạn Thảo và Ngọc có nhịp tim khá cao trên 100 và cũng theo lời kể thì hai bạn đó rất ít tập thể dục, hay bị hồi hộp khi căng thẳng nên tim phải đập nhiều hơn để đưa máu đi khắp cơ thể. Và khi so sánh kết quả đo thủ công bằng tay đếm nhịp với đo bằng thiết bị lúc cơ thể bình thường thì không sai số quá lớn từ 3-4 nhịp. Khi só sánh kết quả đo nhịp tim ở cột đo lúc cơ thể bình thường và nhịp tim lúc sau khi vận động chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy có sự thay đổi rất lớn sự sai khác nhỏ nhất là tầm 8 nhịp và lớn nhất là 32 nhịp và trung bình là khoãng hơn 20 nhịp. Do điều kiện ban đầu được cung cấp không đầy đủ và những hạn chế về kiến thức chuyên sâu về thiết bị nên trong quá trình lắp ráp thiết bị sẽ tồn tại nhiều sai sót. Và có một số trường hợp số liệu của cảm biến không ổn định thì do cấu trúc da của tùy từng người mà có độ dày, mỏng khác nhau nên bức xạ của đèn LED sẽ tùy vào độ dày mỏng của da người đo mà khuếch tán vào trong nhiều hay ít mà kết quả hiển thị có rõ ràng hay không. Để khắc phục điều đó đòi hỏi phải có thiết bị linh hoạt nhưng với giới hạn là đề tài sinh viên nên việc đó gặp khó khăn. Phần lớn các linh kiện được sử dụng trong thiết bị là linh kiện nhạy cảm với độ ẩm như cảm biến nên với khí hậu đặc thù nóng ẩm ở nước ta khá khó để bảo quản thiết bị trong điều kiện tình trạng tốt nhất. Trong thiết bị còn có các linh kiện dễ hỏng do nhiệt độ cao khi thực hiện các thử nghiệm trong thời gian dài như các điện trở, các đầu nối dây của thiết bị … Và các linh kiện chủ chốt của thiết bị đều được nhập khẩu từ các thành phố lớn với quảng đường vận chuyển khá xa và nếu hư hỏng phải vận chuyển nhiều lần để sửa chữa nên các linh kiện sẽ đôi lúc không ở trong tình trạng tốt nhất. Thiết bị sử dụng board mạch Arduino nên việc nghiên cứu và phát triển đều liên quan đến ngôn ngữ lập trình khá phức tạp với việc tiếp xúc khá thụ động vì chương trình dạy học vì nhiều lý do mà không đề cập đến nên việc viết code để chạy cho thiết bị hoạt động gặp nhiều khó khăn và tồn tại những sai sót trong quá trình đo.

33

4.4. KẾT LUẬN Trong chương này chúng tôi trình bày tổng quan về ngôn ngữ lập trình dùng để viết trong phần mềm giao tiếp của board mạch Arduino. Hoàn thiện được chương trình ngôn ngữ lập trình đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học trên Arduino. Bên cạnh đó chúng tôi cũng công bố một số hình ảnh của thiết bị từ giai đoạn thử nghiệm tới giai đoạn hoàn thiện. Chúng tôi đã công bố các số liệu nhịp tim người đã đo đạc được từ các thành viên trong cùng lớp. Kết quả đo đạc thành công và sai số không quá 3-4 nhịp kể cả đối tượng thí nghiệm trong trạng thái bình thường hay trong trạng thái tim đập nhanh. Bên cạnh đó chúng tôi cũng tự nhận những sai sót trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện thiết bị và những kiến thức cùng kinh nghiệm quí giá đã học hỏi được.

34

KẾT LUẬN CHUNG

Sau một thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học với nội dung đề tài: “Chế tạo thiết bị đo nhịp tim người sử dụng cảm biến quang học”, chúng tôi đã thu được các kết quả sau: -

Tổng quan lý thuyết về nền tảng điện tử Arduino.

-

Chế tạo được thành công thiết bị đo nhịp tim sử dụng cảm biến quang học.

-

Xây dựng được thành công bộ code chạy giao tiếp giữa máy tính và thiết

bị dùng để đo đạc nhịp tim người theo thời gian thực. Thiết bị đo nhịp tim người là nhu cầu cần thiết với tất cả mọi người trong xã hội. Đồng thời nó là một thiết bị y tế có mặt trong hầu hết các bệnh viện và các cơ sở y tế công cộng vì nó có ý nghĩa thực tiễn quan trọng về mặt Y học giúp bệnh nhân cần thường xuyên theo dõi sức khỏe của mình. Một trong những dự định mà chúng tôi muốn phát triển đó là thu gọn thiết bị và cải tiến để cho nó chính xác hơn hay nói cách khác là làm cho nó nhỏ hơn và dễ dàng sử dụng hơn. Hiện nay trên thị trường không thiếu những chiếc máy để đo nhịp tim hay huyết áp một cách nhanh chóng và chính xác. Vì thế hướng phát triển đề tài cũng không ngoài sự chính xác và nhanh chóng đó. Có thể thấy rằng thời đại ngày nay việc phổ cập Internet đã ở mọi nơi, thậm chí cũng không quá nếu nói thế giới ngày nay là thế giới phẳng hay một mạng lưới bao trùm toàn cầu là Internet vạn vật (IoT) nên chiếc máy đo nhịp tim này cũng không nằm ngoài sự phát triển đó. Chúng tôi dự tính sẽ có thể chế tạo được máy đó nhịp tim sử dụng bộ Board mạch ESP để truyền dữ liệu đọc được về điện thoại máy tính hay ở bất cứ nơi nào có Internet. Về các hướng để phát triển đề tài chúng tôi nhận thấy rằng việc đo nhịp tim hiển thị qua màn hình với kết nối không dây sử dụng bluetooth vẫn chưa hiệu quả vì đôi lúc các Bác sĩ hay Y tá đo nhịp tim cho quá nhiều bệnh nhân cùng lúc dẫn đến tình trạng không thể quản lý hết nếu như phải cứ nhìn vào màn hình hiển thị trên máy của các bệnh nhân. Chính vì thế hướng giải quyết của chúng tôi khi phát triển đề tài này là hiển thị trực tiếp các thông số giữ liệu của bệnh nhân qua kính Google Glass được

35

điều khiển bằng cơ học hoặc giọng nói hay xa hơn nữa là điều khiển bằng mắt, sóng não beta… Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn và hạn chế về mặt công nghệ hiện đại nên chúng tôi khó có thể đi tìm hiểu sâu về các linh kiện cũng như các nguyên lý phức tạp của nó. Chính vì thế thiết bị tuy đã hoàn thiện nhưng vẫn khó tránh khỏi những sai sót trong quá trình đo.

36

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lương Duyên Bình (2000), Sách vật lý đại cương phần điện – quang, Nxb Giáo dục Việt Nam, Hà Nội. [2] GS. Đặng Phương Kiệt (2002). Bách khoa y học phổ thông, Nxb Lao động, Hà Nội. [3] Corinne Stockley; Chris Oxlade; Jane Wertheim (2011). Sách song ngữ - Từ điển vật lý chuyên nghành, Nxb Giáo dục Việt Nam, Hà Nội. [4] Airblade14 (2016). Những thông số quan trọng của nhịp tim, Được đăng tại: . [5] Các định nghĩa, hình ảnh và một số công thức liên quan đến kiến thức chuyên nghành

[6] Một số thông tin và cách vận hành cảm biến MAX30100 trên phần mềm ngôn ngữ lập trình Arduino (2017).

Tiếng Anh [7] Alain's Projects (2016). Arduino Data Glasses for Multimeter. Available at: [8] Roland Pelayo (2018). Coding the RCWL-0530 with Arduino, [online], Available at: [Accessed 20 Dec. 2018] [9] Raivis Strogonovs (2017). MAX30100 Datasheet, [online], Available at:

37

[10] Download and install Arduino and picture about Arduino types

[11] MAX30100 Datasheet 2 (2016).