Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và thi công hệ thống thu thập tín hiệu điện tim ECG có hiển thị tín hiệu qua smart phone

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống thu thập tín hiệu điện tim ECG có hiển thị tín hiệu qua smart phone" nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: 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 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 SKC 0 0 7 3 7 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
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 Chủ nhiệm đề tài: Trần Trung Đức TP Hồ Chí Minh, 07/2020 Số hiệu: HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020
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 Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 161290 , Điện-Điện tử Năm thứ:04 /Số năm đào tạo: 04 Ngành học: Kĩ thuật Y sinh Người hướng dẫn: Thạc sĩ Nguyễn Thanh Nghĩa TP Hồ Chí Minh, 07/2020 Số hiệu: HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020
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: i
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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: ii
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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: iii
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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: iv
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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: v
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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital ADC Analog to Digital Converter APP Application ART Android Runtime 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 DNS Domain Name System DVM Máy ảo java ECG Electrocardiogram FIR Finite Impulse Response FTP File Transfer Protocol HR Heart Rate HTML HyperText Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol I/O Input/Output 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 N/T Nhĩ/Thất NTC Negative Temperature Coefficient Op-Amp Operator Amplifier PHP Hypertext Preprocessor PWM Pulse-width modulation QR Quick Response RDBMS Relational Database Management System ROM Read-Only Memory 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 Số hiệu: HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: vii
VPS Virtual Private Server WIFI Wireless Fidelity WPA Wi-Fi Protected Access Số hiệu: HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: viii
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. Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 1/83
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. b. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Phân loại, phát hiện và chẩn đoán sớm được bệnh tim dựa trên tín hiệu điện tim lad vấn đề cấp thiết của các nhà khoa học và đội ngũ y bác sĩ. Tại Việt Nam, theo thống kê của bộ Y tế, hàng năm có khoảng 200.000 người tử vong vì bệnh tim mạch, chiếm 33% tổng số ca tử vong. Theo báo cáo và thống kê của viện Tim mạch năm 2015, người trưởng thành trong độ tuổi 18-65 chiếm 25% tỷ lệ tăng huyết áp. Trong đó bệnh tim mạch còn làm cho 17,3 triệu người chết mỗi năm và đến năm 2030 thì con số này lên đến 23,6 triệu người trên thế giới. Do đó, việc phân loại và chẩn đoán kịp thời các bệnh cần phải được thực hiện sớm. Để làm được điều trên thì trước hết cần phải có một hệ thống thu thập và lưu trữ dữ liệu điện tim để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên, nhà khoa học tại các cơ sở trường đại học, khoa, viện nghiên cứu… được diễn ra một cách nhanh chóng và thuận lợi nhất. 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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 2/83
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. Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét:00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 3/83
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. Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 4/83
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 (
 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 (
 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 Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 7/83
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. Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 8/83
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. Số hiệu:HD/QT-PKHCN-QHQT-NCKHSV/00 Lần soát xét: 00 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 9/83