Xây dựng hệ thống giám sát thông số bệnh nhân qua môi trường không dây

LỜI CAM ĐOAN
Nội dung của luận văn này được thiết kế dựa trên tính cấp thiết của tình
trạng quá tải tại các bệnh viện hiện nay. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của PGS.TS.
Nguyễn Văn Khang, tôi đã nghiên cứu đề tài: "Xây dựng hệ thống giám sát thông
số bệnh nhân qua môi trường không dây" nhằm nâng cao hiệu quả, hỗ trợ quá
trình điều của bác sỹ cho các bệnh nhân, bên cạnh đó góp phần giải quyết nhu cầu
rất lớn của xã hội hiện nay. Tôi xin cam đoan những nội dung của luận văn này là
hoàn toàn trung thực, chính xác và chưa được ai công bố trong các công trình
khoa học nào khác.
Hà Nội, ngày ….tháng …năm 2016
Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Thao


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn cùng sản phẩm này, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả
các thầy cô giáo, các đồng nghiệp tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và
Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đồ án
tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Nguyễn Văn Khang, thầy
đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này với sự nhiệt tình và ân cần
chỉ bảo, đồng thời cung cấp cho em những kiến thức chuyên môn để em có thể
hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người
thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 7
1.1. Giới thiệu công nghệ mạng không dây ............................................................ 7
1.1.1. Phân loại mạng không dây........................................................................ 7
1.1.2. Các mô hình mạng không dây .................................................................. 8
1.1.3. Một số chuẩn cơ bản ............................................................................... 10
1.1.4. Ưu, nhược điểm của công nghệ mạng không dây ................................. 14
1.2. Tổng quan về các cảm biến trong y tế ........................................................... 15
1.2.1. Cơ sở về đo thân nhiệt và cảm biến hồng ngoại.................................... 15
1.2.2. Cơ sở về đo nhịp tim và cảm biến nhịp tim ............................................ 28
1.2.3. Cơ sở về đo huyết áp và cảm biến huyết áp ........................................... 46
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ BỆNH NHÂN
QUA MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ................................................... 60
2.1. Giới thiệu bài toán ......................................................................................... 60
2.1.1. Sơ đồ ngữ cảnh của hệ thống .................................................................. 60
2.1.2. Tính năng hệ thống ................................................................................. 61
2.2. Phương án thiết kế xây dựng hệ thống .......................................................... 62
2.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất .................................................................... 62
2.2.2. Phương án thiết kế thứ hai ...................................................................... 62
2.2.3. Lựa chọn phương án thiết kế .................................................................. 63
2.3. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo modul đo thân nhiệt ........................................ 63
2.3.1. Xây dựng và ghép nối phần cứng ........................................................... 63


2.3.2. Lưu đồ thuật toán .................................................................................... 64

2.4. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo modul đo nhịp tim........................................... 65
2.4.1. Thiết kế phần cứng.................................................................................. 65
2.4.2. Phân tích hoạt động của hệ thống giám sát nhịp tim .............................. 66
2.4.3. Lưu đồ thuật toán .................................................................................... 69
2.5. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo modul đo huyết áp .......................................... 71
2.5.1. Thiết kế phần cứng.................................................................................. 71
2.5.2. Xây dựng phần mềm ............................................................................... 72
2.5.3. Ghép nối sản phẩm ................................................................................. 74
2.6. Nghiên cứu, thiết kế, và chế tạo modul truyền thông từ các nút cảm biến tới
bộ điều khiển trung tâm ........................................................................................ 75
2.6.1. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ 75
2.6.2. Thiết kế hệ thống .................................................................................... 76
2.6.3. Thiết kế phần mềm android .................................................................... 78
2.6.4. Hoạt động của hệ thống .......................................................................... 79
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA HỆ THỐNG .............................. 80
3.1. Tính năng của hệ thống.................................................................................. 80
3.2. Kết quả thực nghiệm của hệ thống ................................................................ 80
3.2.1 Hình ảnh thực tế của hệ thống ................................................................. 80
3.2.2 Hình ảnh thực nghiệm của hệ thống ........................................................ 81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 86


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân loại mạng vô tuyến .............................................................................7
Hình 1.2. Mô hình vật lý mạng AD-HOC...................................................................8
Hình 1.3. Mô hình vật lý mạng INFRASTRUCTURE ...............................................9
Hình 1.4. Quá trình sinh nhiệt và thải nhiệt ..............................................................16
Hình 1.5. Nhiệt kế- dụng cụ đo nhiệt độ phổ biến nhất ............................................17
Hình 1.6. Sự thay đổi nhiệt độ trong ngày tại các vị trí trên cơ thể ..........................21

Hình 1.7. Nhiệt kế hồng ngoại ..................................................................................27
Hình 1.8. Cảm biến nhiệt độ TMP006 ......................................................................27
Hình 1.9. Sơ đồ chân TMP006 ..................................................................................28
Hình 1.10. Hình ảnh cấu tạo trái tim .........................................................................29
Hình 1.11. Hình ảnh tim và nhịp tim ........................................................................29
Hình 1.12. Dạng tín hiệu của nhịp tim ......................................................................32
Hình 1.13. Phương pháp bắt mạch ............................................................................32
Hình 1.14. Hình ảnh ống nghe nhịp tim ....................................................................33
Hình 1.15. Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp quấn bao khí ......................35
Hình 1.16. Máy đo nhịp tim, huyết áp Omron HEM-6131.......................................36
Hình 1.17. Giới thiệu về kit cảm biến xung XD- 58C .............................................37
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý XD-58C ........................................................................38
Hình 1.19. ChipLed RevMntLED .............................................................................39
Hình 1.20. Sự thay đổi cường độ bức xạ theo bước sóng .........................................39
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý và sản phẩm thực tế APDS -9008 ................................40
Hình 1.22. Sự phụ thuộc của cường độ sáng vào dòng và vào nhiệt độ ...................41
Hình 1.23. Hình ảnh MCP6001 thực tế.....................................................................42
Hình 1.24. Sơ đồ mạch khuếch đại dùng MCP6001 .................................................42
Hình 1.25. Mặt trước và mặt sau của cảm biến xungXD- 58C .................................44
Hình 1.26. Gắn vinyl stickers ngăn tiếp xúc trực tiếp với ngón tay .........................44
Hình 1.27. Cách gắn cảm biến vào ngón tay ............................................................45


Hình 1.28. Cách gắn cảm biến xung vào ngón tay ...................................................46
Hình 1.29. Phương pháp đo huyết áp xâm lấn ..........................................................49
Hình 1.30. Nguyên lý phương pháp nghe phổi .........................................................49
Hình 1.31. Các phương pháp nghe phổi tự động ......................................................50
Hình 1.32. Trợ giúp đọc nghe phổi ...........................................................................51
Hình 1.33. Phương pháp ước lượng huyết áp lưu động ............................................51
Hình 1.34. Applanation tonometry dùng đo huyết áp ...............................................52

Hình 1.35. Phương pháp Volume cramp đo huyết áp ...............................................53
Hình 1.36. Phương pháp siêu âm Doppler ................................................................54
Hình 1.37. Phương pháp dựa trên thời gian quá cảnh xung ......................................54
Hình 1.38. Phương pháp đo huyết áp lưu động .......................................................56
Hình 2.1. Sơ đồ ngữ cảnh của hệ thống ....................................................................60
Hình 2.2. Sơ đồ phương án thiết kế thứ nhất ............................................................62
Hình 2.3. Sơ đồ phương án thiết kế thứ hai ..............................................................62
Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................63
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý bo mạch ..........................................................................64
Hình 2.6. Lưu đồ thuật toán ......................................................................................64
Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ thống. .................................................................................65
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý bo mạch. .........................................................................65
Hình 2.9. Sơ đồ mạch in bo mạch .............................................................................66
Hình 2.10. Sơ đồ mạch đo nhịp tim dựa trên Sp02 ...................................................67
Hình 2.11. Sơ đồ mạch dò tim ..................................................................................68
Hình 2.12. Lưu đồ chương trình xử lý ngắt đếm nhịp tim ........................................69
Hình 2.13. Lưu đồ chương trình chính ......................................................................70
Hình 2.14. Sơ đồ thiết kế 1........................................................................................71
Hình 2.15. Sơ đồ thiết kế 2........................................................................................71
Hình 2.16. Giải thuật chương trình ...........................................................................73
Hình 2.17. Sơ đồ ghép nối của sản phẩm ..................................................................74
Hình 2.18. Cảm biến xung được gắn vào ngón tay ...................................................74


Hình 2.19. Cảm biến xung được gắn vào cổ tay .......................................................74
Hình 2.20. Hình ảnh thiết bị đo huyết áp trên cơ thể người......................................75
Hình 2.21. Sơ đồ hệ thống truyền dữ liệu thu từ cảm biến sử dụng Bluetooth ........75
Hình 2.22. Sơ đồ khối hệ thống thu – phát Bluetooth 2 chiều .................................76
Hình 2.23. Lưu đồ thuật toán truyền dữ liệu thông qua Bluetooth ...........................76
Hình 2.24. Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu tại điện thoại Android qua Bluetooth ...77

Hình 2.25. Mạch mô phỏng trên Proteus ..................................................................78
Hình 3.1. Hình ảnh thực tế của toàn bộ hệ thống......................................................80
Hình 3.2. Hình ảnh thực tế Module cảm biến đo nhịp tim .......................................81
Hình 3.3. Hình ảnh thực tế quá trình kiểm tra thực nghiệm của hệ thống ................81


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh các nhóm mạng ...........................................................................13
Bảng 1.2. So sánh hệ thống Mạng không dây và Mạng có dây ................................15
Bảng 1.3. Nhiệt độ bình thường tại các vị trí cơ thể ................................................19
Bảng 1.4. Các linh kiện sử dụng các mạch XD-58 ...................................................38
Bảng 1.5. Sự phát triển của các phương pháp đo huyết áp .......................................48
Bảng 1.6. Ưu nhược điểm của các phương pháp đo huyết áp ..................................55
Bảng 1.7. So sánh các phương pháp đo huyết áp lưu động ......................................56
Bảng 1.8. Phát triển các phương pháp hiệu chuẩn cho mối quan hệ BP-PTT ..........58


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Wi-Fi

Wireless Fidelity

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

WPAN

Wireless Personal Area Network

WLAN

Wireless Local Area Network

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

WWAN

Wireless Wide Area Networks

SEA

Spokesman Election Algorithm

UWB

Ultra Wide Band

PTT

Pulse Transit Time

AD-HOC

Wireless ad-hoc network

SEA

Spokesman Election Algorithm

AP

Access Point

LEO

Low Orbit Satellites

GEO

Geostationnary Satellites

PPG

Photo lethysmography

ECG

Electrocardiogram


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, những ứng dụng
về công nghệ thông tin và công nghệ điện tử đã được đưa vào rất nhiều lĩnh vực khác
nhau của cuộc sống, đặc biệt là những ứng dụng được thiết kế nhằm mục đích chăm
sóc sức khoẻ cho con người. Đối với nhiều nước, khái niệm “TeleMedicine - Y tế
từ xa” không còn thuộc lĩnh vực khoa học viễn tưởng nữa mà đã trở nên quen thuộc

và trong tương lai gần, Y tế từ xa sẽ phổ biến khắp thế giới.
Hiện nay, Y tế từ xa đã được áp dụng ở các nước phát triển như Anh, Mỹ,
Pháp, Đức... và bắt đầu có mặt ở các nước đang phát triển. Một số nước, lãnh thổ ở
khu vực châu Á - Thái Bình Dương đã triển khai TeleMedicine như Nhật Bản,
Malaysia, Đài Loan... Và sắp tới đây, tại Việt Nam, hình ảnh một bác sĩ tại Houston
(Mỹ) ngồi trước màn hình vi tính, chẩn đoán rồi đưa ra phương pháp điều trị cho
một bệnh nhân Việt Nam; một chuyên gia y tế đầu ngành ở Hà Nội, TP. Hồ Chí
Minh chẩn đoán và hướng dẫn điều trị cho một bệnh nhân ở vùng sâu Cao Bằng hay
Cà Mau... hoàn toàn có thể xảy ra.
Theo thống kê, nước ta có khoảng 30 bệnh viện tuyến trung ương và 300
bệnh viện đa khoa, chuyên khoa tuyến tỉnh, ước tính mỗi năm có tới hơn 150 triệu
lượt khám bệnh dẫn đến tình trạng hệ thống bệnh viện nước ta luôn trong tình trạng
bị quá tải, gây bức xúc cho người dân. Vấn đề chăm sóc sức khỏe là một trong
những vấn đề được quan tâm hàng đầu, đặc biệt trong xu thế hội nhập và toàn cầu
hóa như hiện nay. Khi xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu cung cấp dịch vụ chăm
sóc sức khỏe hoàn hảo ngày càng gia tăng. Tình trạng quá tải tại bệnh viện gây ảnh
hưởng tới chất lượng dịch vụ và an toàn của bệnh nhân, điều này dẫn tới nguy cơ
không đảm bảo chất lượng khám chữa bệnh cho bệnh nhân.
Qua nghiên cứu các tài liệu liên quan, tôi nhận thấy Việt Nam có đến hàng
ngàn bệnh viện, trung tâm y tế phân bổ đều từ thành thị đến nông thôn. Đó là một ưu
thế trong việc chăm lo sức khỏe cộng đồng. Bên cạnh đó, ngành công nghệ thông tin
của Việt Nam phát triển nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho việc ứng dụng Y tế từ xa,

1


tạo điều kiện đưa các thành tựu khoa học y tế đến tận những người dân vùng sâu
vùng xa.
Xuất phát từ những nhu cầu nêu trên, tôi đã nghiên cứu và đưa ra ý tưởng về
đề tài "Xây dựng hệ thống giám sát thông số bệnh nhân qua môi trường không dây".

Đây là một thiết bị có thiết kế nhỏ gọn, có khả năng theo dõi thông số nhiệt độ, nhịp
tim, huyết áp của bệnh nhân một cách liên tục. Qua đó, bác sỹ có thể giám sát được
tình hình bệnh nhân qua điện thoại di động và đưa ra chẩn đoán và hướng dẫn điều trị
cho bệnh nhân, đặc biệt là bệnh nhân ở vùng sâu, vùng xa hay những vùng kinh tế
khó khăn mà không có điều kiện trực tiếp đi khám bệnh.
Tại Việt Nam, hiện chưa có đơn vị nào trong nước nghiên cứu, thiết kế thiết
bị hoạt động như đã nêu trên. Các thiết bị tương đương hiện có đều phải nhập khẩu từ
nước ngoài với giá thành cao, trong khi đó nhu cầu điều trị của bệnh nhân là rất lớn.
Việc thiết kế thành công thiết bị này sẽ mang lại những lợi ích to lớn về mặt khoa học
và kinh tế.
Đề tài nhằm nâng cao hiệu quả, hỗ trợ quá trình điều của bác sỹ cho các bệnh
nhân, bên cạnh đó góp phần giải quyết nhu cầu rất lớn của xã hội hiện nay. Thiết bị
sau khi được chế tạo và ứng dụng thành công sẽ làm giảm suất đầu tư thiết bị của các
bệnh viện (do giá thành thấp hơn nhập ngoại), giảm nhập siêu góp phần thực hiện
chính sách Quốc gia về trang thiết bị y tế của chính phủ. Phục vụ tốt hơn nhu cầu
khám, chữa bệnh ở mọi vùng miền, đặc biệt là vùng kinh tế khó khăn, vùng sâu, vùng
xa. Đồng thời nhiệm vụ cũng sẽ góp phần thúc đẩy đào tạo nguồn nhân lực có trình
độ cao cho ngành thiết bị y tế.
2. Lịch sử nghiên cứu
Trang thiết bị y tế là một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu
quả, chất lượng của công tác y tế, hỗ trợ cho người thầy thuốc chẩn đoán và điều trị
bệnh nhân được chính xác, nhanh, an toàn và hiệu quả. Thời gian qua, hệ thống y tế
trong cả nước đã được đầu tư nâng cấp, trong đó trang thiết bị y tế chiếm tỷ trọng
lớn cả về số lượng và giá trị với nhiều nguồn vốn đầu tư khác nhau.

2


Trước đây khi công nghệ điện tử và bán dẫn chưa phát triển thì các mạch đo
chủ yếu dựa trên kỹ thuật tương tự, phương pháp xử lý chủ yếu dựa vào phần cứng

cho nên giá trị đó có sai số lớn, thiết bị cồng kềnh, lắp đặt không thuận tiện.
Đến đầu những năm 80 và nhất là những năm cuối thế kỷ 20, khi công nghệ
bán dẫn và vi mạch phát triển mạnh, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật
đặc biệt là kỹ thuật số đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành đo lường điều
khiển làm thay đổi phương pháp xử lý tín hiệu đo. Trước đây xử lý tín hiệu đo chủ
yếu là đo bằng phần cứng thì ngày nay việc xử lý được mềm hoá cùng với sự ra đời
của những sensor thông minh đã làm cho các thiết bị đo ngày càng thông minh và
độ chính xác cao hơn.
Việc theo dõi và chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân thường xuyên và liên tục
là một vấn đề rất quan trọng trong việc điều trị bệnh. Giải pháp ứng dụng công nghệ
truyền tin không dây, công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử là một hướng nghiên
cứu được sự quan tâm sâu sắc hiện nay. Nhằm nâng cao hiệu quả, hỗ trợ quá trình
điều của bác sỹ cho các bệnh nhân, góp phần giải quyết nhu cầu của xã hội hiện
nay, tôi đã nghiên cứu và đưa ra ý tưởng về đề tài "Xây dựng hệ thống giám sát
thông số bệnh nhân qua môi trường không dây".
Sản phẩm dự kiến của đề tài gồm có những tính năng sau:
- Giám sát thông số nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp của bệnh nhân qua môi
trường không dây và gửi kết quả về thiết bị của bác sỹ điều trị.
- Cho phép đánh giá quá trình trị liệu của bệnh nhân.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
3.1. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là làm chủ được công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị có
khả năng giám sát thông số nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp của bệnh nhân qua môi
trường không dây. Thông qua sản phẩm của đề tài, các thông số sức khỏe trên của
bệnh nhân sẽ được theo dõi và tự động chuyển kết quả đến thiết bị giám sát của bác
sỹ. Nhờ vậy bác sỹ có thể đưa ra chẩn đoán và hướng dẫn điều trị cho bệnh nhân mà
không cần phải thăm khám trực tiếp. Đồng thời, quá trình điều trị cũng linh hoạt và

3

mềm dẻo hơn do sản phẩm là những thiết bị nhỏ gọn, không ảnh hưởng tới quá trình
vận động của bệnh nhân. Thiết bị khi được đưa vào ứng dụng giúp bác sỹ trị liệu,
theo dõi nhiều bệnh nhân cùng một lúc nên sẽ giảm tải cho các bác sỹ.
3.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các vấn đề liên quan đến việc thu thập các
thông số sức khỏe của bệnh nhân được theo dõi và tự động chuyển kết quả đến thiết
bị giám sát của bác sỹ. Trong đó chủ yếu là hai vấn đề:
- Các giải pháp điện tử viễn thông, kỹ thuật y sinh để đảm bảo việc thu thập
dữ liệu là tin cậy, thiết bị chế tạo là nhỏ gọn, tiện lợi cho bệnh nhân.
- Các giải pháp công nghệ thông tin và truyền thông để đảm bảo việc thu
thập thông số sức khỏe bệnh nhân nhanh chóng, chính xác, tiện lợi cho cả bác sỹ
và bệnh nhân.
Do vậy có thể coi đối tượng nghiên cứu của đề tài là vấn đề liên ngành, đa
ngành, tích hợp các kiến thức khoa học công nghệ về điện tử, công nghệ thông tin
và truyền thông để chế tạo, sản xuất ra các hệ thống tích hợp phục vụ mục đích
chăm sóc sức khỏe và y tế nói chung.
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu về thu thập các thông số sức khỏe tự động và giám sát thông
số nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp của bệnh nhân và truyền dữ liệu về điện thoại di
động. Việc thu thập giới hạn ở phạm vi các thông số thiết yếu nhất với sức khỏe con
người là nhiệt độ, nhịp tim và huyết áp.
4. Tóm tắt đề tài
Trong vài năm gần đây, khái niệm “TeleMedicine - Y tế từ xa” đã dần trở
nên khá phổ biến trên toàn thế giới. Y tế từ xa cung cấp các dịch vụ chăm sóc sức
khỏe từ xa của hệ thống y tế bằng cách sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông
để trao đổi thông tin trong điều trị, chẩn đoán, phòng ngừa bệnh tật và thương tích,
phục vụ cho công tác nghiên cứu, đánh giá và giáo dục thường xuyên của các nhà
cung cấp dịch vụ y tế.

4


Các giải pháp hệ thống thông tin bệnh viện và giải pháp truyền, lưu trữ và xử
lý hình ảnh trong chẩn đoán y tế được ứng dụng rộng rãi và phù hợp với cơ sở phần
cứng ngày càng hiện đại, giá thành ngày càng hạ (máy tính, laptop, smarphone…);
phần mềm quản lý phổ dụng, tính mở cao, dễ dàng cho phát triển các ứng dụng
(MS, IOS…mã nguồn mở như android…); hạ tầng viễn thông và Internet tốt, mạng
băng rộng, 3G… phủ kín cả nước phù hợp với điều kiện của vùng sâu, vùng xa
(không yêu cầu các đường truyền dành riêng); và hơn nữa là việc phổ biến các
chuẩn nén video mới cộng với việc sử dụng laptop, máy tính bảng, smartphone…
làm tăng khả năng kết nối với các thiết bị y tế giá rẻ.
Tại Việt Nam, với tốc độ dân số tăng nhanh, theo thống kê của Bộ Y tế, nước
ta hiện nay có khoảng 90 triệu công dân (tính tới tháng 11/2013), đã dẫn tới tình
trạng quá tải tại rất nhiều bệnh viện trên cả nước. Tình trạng quá tải, chen lấn ở các
bệnh viện từ lâu đã trở thành nỗi trăn trở của ngành Y tế nói riêng và của toàn xã
hội nói chung. Việc ứng dụng công nghệ nói chung và công nghệ mạng không dây
nói riêng sẽ là những giải pháp hiệu quả cho vấn đề này.
Xuất phát từ những thực tế trên, tôi đã chọn đề tài "Xây dựng hệ thống giám
sát thông số bệnh nhân qua môi trường không dây" để làm đề tài cho luận văn tốt
nghiệp của mình. Luận văn phát triển thành sản phẩm góp phần chăm sóc sức khỏe
cho bệnh nhân một cách hiệu quả, đồng thời sẽ hỗ trợ tích cực cho quá trình điều trị
cho bệnh nhân của bác sỹ.
Để làm rõ hơn về nội dung thực hiện của đề tài này, luận văn được chia
thành 3 chương bao gồm những nội dung như sau:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Thiết kế hệ thống giám sát bệnh nhân qua môi trường không dây
Chương 3: Kết quả thực nghiệm của hệ thống
5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
5.1. Nội dung

Các nội dung khoa học công nghệ chủ yếu cần giải quyết bao gồm:
- Tìm hiểu về các thông số hoạt động của nhịp tim, nhiệt độ và huyết áp trên
cơ thể bệnh nhân.
- Tìm hiểu về môi trường truyền thông không dây.

5


- Thiết kế module phần cứng gồm:
+ Module tích hợp cảm biến nhịp tim, nhiệt độ và huyết áp.
+ Module điều khiển trung tâm có kết nối với điện thoại.
- Thiết kế chương trình phần mềm gồm:
+ Thiết kế phần mềm theo dõi thông số cơ thể của bệnh nhân
- Lắp ráp, đo lường và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của thiết bị.
- Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của thiết bị.
5.2. Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và
đánh giá nội dung liên quan đến đề tài. Nghiên cứu khảo sát từ các báo cáo điều tra
đã có và số liệu tự điều tra.

- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội
dung nghiên cứu trong quá trình chế tạo các module của đề tài. Đề xuất phương án
xây dựng, chế tạo các module phù hợp.

6


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu công nghệ mạng không dây

Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả
năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây. Nói
một cách đơn giản mạng không dây là mạng sử dụng công nghệ mà cho phép hai
hay nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn, nhưng
không cần kết nối vật lý hay chính xác là không cần sử dụng dây mạng (cable).
Vì đây là mạng dựa trên công nghệ 802.11 nên đôi khi còn được gọi là
802.11 mạng Ethernet, để nhấn mạnh rằng mạng này có gốc từ mạng Ethernet 802.3
truyền thống. Và hiện tại còn được gọi là mạng Wireless Ethernet hoặc Wi-Fi
(Wireless Fidelity).
1.1.1. Phân loại mạng không dây
Có nhiều cách phân loại:
a. Dựa trên vùng phủ sóng, mạng không dây được chia thành 5 nhóm:

Hình 1.1. Phân loại mạng vô tuyến
+ Mạng WPAN: mạng vô tuyến cá nhân
+ Mạng WLAN: mạng vô tuyến cục bộ
+ Mạng WMAN (công nghệ WiMAX): mạng vô tuyến đô thị
+ Mạng WWAN: mạng vô tuyến diện rộng.
+ Mạng WRAN: mạng vô tuyến khu vực.

7


b. Dựa trên các công nghệ mạng, mạng không dây được chia thành 3 loại:
+ Kết nối sử dụng tia hồng ngoại.
+ Sử dụng công nghệ Bluetooth.
+ Kết nối bằng chuẩn Wi-fi.
1.1.2. Các mô hình mạng không dây
a. Mô hình mạng AD-HOC
 Khái niệm

o Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây.
o Tương tự mô hình peer to peer trong mạng có dây.
o Các máy tính có vai trò ngang nhau.
o Khoảng cách liên lạc 30-100m.
o Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm(SEA).
 Mô hình vật lý

Hình 1.2. Mô hình vật lý mạng AD-HOC
 Cách thiết lập
o Thiết bị: Card không dây.
o Driver.
o Tiện ích.
 Cấu hình
o Các Staion phải cùng BSSID.
o Các Staion phải cùng kênh.
o Các Station phải cùng tốc độ truyền.

8


b. Mô hình mạng INFRASTRUCTURE
 Khái niệm
Là mạng gồm một hay nhiều AP(Access Point) để mở rộng phạm vi hoạt
động của các Station có thể kết nối với nhau với một phạm vi gấp đôi.
AP đóng vai trò là điểm truy cập cho các trạm khách trao đổi dữ liệuvới nhau
và ruy xuất tài nguyên của máy chủ.
Mỗi AP có thể làm điểm truy cập cho 10-15 máy khách (tùy sản phẩm và
hãng sản xuất) đồng thời tại một thời điểm.
 Mô hình vật lý

Hình 1.3. Mô hình vật lý mạng INFRASTRUCTURE
 Cách thiết lập
o Thiết bị
o Card mạng không dây.
o Access Point.
o Driver.
o Tiện ích.
 Cấu hình
o Các Station phải cùng BSSID với AP.
o Các Station phải cùng kênh với AP.
o Các Ap phải cùng một ESID nếu muốn hổ trợ roaming.

9


1.1.3. Một số chuẩn cơ bản
a. WPAN (Mạng vô tuyến cá nhân):
Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét
đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị
ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng hồ,...với điện
thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth,
Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean,... Đa phần các công nghệ này
được chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể là nhóm làm việc (Working Group) 802.15. Do
vậy các chuẩn còn được biết đến với tên như IEEE 802.15.4 hay IEEE 802.15.3 ...
 Bluetooth:
Chuẩn này là IEEE 802.15.1, phiên bản cuối 2.0+EDR cho phép truyền dữ
liệu lên đến 3Mbit/s trong phạm vi 100m. Dải tần số sử dụng 2.4GHz ISM.
Bluetooth hiện nay chỉ có khả năng truyền với tốc độ 1Mbit/s-2Mbit/s trong một
phạm vi khoảng 10m với một công suất ở đầu ra khoảng 100mW.
 UWB (Ultra Wide Band):

Công nghệ xuất sắc hiện nay cho các mạng vùng cá nhân là UWB, còn được
biết đến với cái tên là 802.15.3a (một chuẩn IEEE khác). Trong những khoảng cách
rất ngắn, UWB có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1Gbit/s với một nguồn
công suất thấp (khoảng 1mW).
 Zigbee:
Là mạng chủ yếu truyền các lệnh chứ không phải luồng dữ liệu, cho thực
hiện mạng WPAN với chi phí thấp. Hai chuẩn của nó là IEEE 802.12.4(tốc độ
250Kbit/s trong phạm vi 10m, tối đa 255 thiết bị, băng tần 2,4 GHz); IEEE
802.15.4a (tốc độ giới hạn 20Kbit/s cho phép phạm vi tối đa 75m với 6500 thiết bị,
băng tần 900KHz).
 RFID
Mặc dù chip RF chỉ có một phần rất nhỏ nhưng có ưu điểm là giá cả thấp
nhất. RFID không có bất kì nhóm IP nào. RFID cho phép trong phạm vi 3m không

10


yêu cầu bộ khuếch đại. RFID là chuẩn đầu tiên của EPC 1.0 vào tháng 9/2003
(Electronic Product Codes).
b. WLAN (Mạng vô tuyến cục bộ)
Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vài trăm mét. WLAN sử
dụng sóng điện từ (thường là sóng radio hay tia hồng ngoại) để liên lạc giữa các
thiết bị trong phạm vi trung bình. So với Bluetooth, WLAN có khả năng kết nối
phạm vi rộng hơn với nhiều vùng phủ sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có
tự do di chuyển giữa các vùng với nhau. Phạm vi hoạt động từ 100m – 500m với tốc
độ truyền dữ liệu trong khoảng 1Mbps – 54Mbps (100Mbps). Trong mạng WLAN,
chỉ có mạng Hiperlan II mới đáp ứng được yêu cầu này.
Mạng này sử dụng chuẩn Wi – Fi. Điểm nổi bật của công nghệ Wifi với
nhiều chuẩn mở rộng khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/... Công nghệ Wifi
đã gặt hái được những thành công to lớn trong những năm qua. Bên cạnh WiFi thì

còn một cái tên ít nghe đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của
Wifi được chuẩn hóa bởi ETSI.
c. WMAN (mạng vô tuyến đô thị - công nghệ Wimax)
Công nghệ Wimax, hay còn gọi là chuẩn 802.12 là công nghệ không dây
băng thông rộng đang phát triển rất nhanh với khả năng triển khai trên phạm vi rộng
và được coi là có tiềm năng to lớn để trở thành giải pháp “dặm cuối” lý tưởng nhằm
mạng lại khả năng kết nối Internet tốc độ cao tới các gia đình và công sở.
Trong khi công nghệ quên thuộc Wi- Fi(802.11a/b/g) mang lại khả năng kết
nối tới các khu vực nhỏ như trong văn phòng hay các điểm truy cập công cộng
hotspot, công nghệ Wimax có khả năng phủ sóng rộng hơn, bao phủ cả một khu vực
thành phố hay một khu vực nông thôn nhất định. Công nghệ này có thể cung cấp dữ
liệu truyền đến 750Mbps tại mỗi trạm phát sóng với tầm phủ sóng từ 2-10km.
* Mô hình ứng dụng Wimax:
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 đề xuất 2 mô hình ứng dụng:
- Mô hình ứng dụng cố định.
- Mô hình ứng dụng di động.

11


 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMax)
Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo chuẩn IEEE 802.16-2004. Tiêu
chuẩn này gọi là “không cố định” vì thiết bị thông tin liên lạc làm việc với các anter
đặt cố định tại nhà các thuê bao.
Băng tần công tác (theo quy định) trong băng 2,5GHz hoặc 3,5 GHz. Độ
rộng băng tần là 3,5 GHz. Trong mạng cố định, Wimax thực hiện các tiếp cận nối
không dây đến các modem cáp, đến các đôi dây thuê bao của mạch xDSL hoặc
mạch Tx/Ex (truyền phát/ chuyển mạch) và mạch OC-x (truyền tải qua sóng quang).
 Mô hình ứng dụng Wimax di động
Mô hình Wimax di động sử dụng các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE

802.16e. Tiêu chuẩn 802.16e bổ sung cho tiêu chuẩn 802.16-2004 hướng tới các
user cá nhân di động, làm việc trong băng tần thấp hơn 60 GHz. Mạng lưới này phối
hợp cùng WLAN, mạng di động cellular 3G có thể tạo thành mạng di động có vùng
phủ sóng rộng.
Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là WiMAX. Ngoài ra còn có công
nghệ băng rộng BWMA 802.20. Vùng phủ sóng của nó sẽ tầm vài km (tầm 4-5km
tối đa).
d. WWAN ( mạng vô tuyến diện rộng)
Thông qua vệ tinh có thể hình thành một vài mạng như:
- Mạng sử dụng vệ tinh vệ tĩnh Geostationnary Satellites (GEO), độ cao
35.800km so với mặt đất và nằm tại vị trí giống nhau trên bầu trời. Hiện nay đang
phục vụ cho việc truy nhập sử dụng chuẩn DVB-S cho đường xuống và DVB-RCS
cho đường lên.
- Mạng vệ tinh quỹ đạo thấp Low Orbit Satellites (LEO), phục vụ các ứng
dụng như điện thoại.
- Mạng vệ tinh quỹ đạo trung bình Satellites in average orbit (MEO) khi
cần giảm vệ tinh mặt đất. Nhóm này bao gồm các công nghệ mạng thông tin di
động như UMTS/GSM/CDMA2000... Vùng phủ của nó cũng tầm vài km đến tầm
chục km.

12


e. WRAN ( Mạng vô tuyến khu vực)
Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22 đang được nghiên cứu và phát triển
bởi IEEE. Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40-100km. Mục đích là mang công nghệ
truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh, khó triển khai các công nghệ khác.
Bảng 1.1. So sánh các nhóm mạng
Công nghệ

Vùng phủ

Mạng

Chuẩn

Tốc độ

WPAN

802.15.3a

110-480 Mbps

Trên 30 feet

7.5 GHz

Bluetooth

WPAN

802.15.1

Trên 720 Kbps

Trên 30 feet

2.4 GHz

Wi-Fi

WLAN

802.11a

Trên 54 Mbps

Wi- Fi

WLAN

802.11b

Trên 11 Mbps

WWAN

2.5 G

Trên 384 Kbps

4-5 dặm

3G

Trên 2.4 Mbps

1-5 dặm

UWB

(Ultra

wideband)

sóng

Trên
feet
Trên
feet

Edge/GPRS
(TDMAGMS)
CDMA
2000/1x

EV- WWAN

DO
WCDMA/
UMTS

300
300

Băng tần

5 GHz

2.4 GHz

1900
MHz

400-2100
MHz
1800-

WWAN

3G

Trên 2 Mbps

1-5 dặm

2100
MHz

Tất cả các công nghệ này đều giống nhau ở chỗ chúng nhận và chuyển tin bằng
cách sử dụng sóng điện từ (EM).

13


1.1.4. Ưu, nhược điểm của công nghệ mạng không dây
a. Ưu điểm
Mạng máy tính không dây đang nhanh chóng trở thành một mạng cốt lõi

trong các mạng máy tính và đang phát triển vượt trội. Với công nghệ này, những
người sử dụng có thể truy cập thông tin dùng chung mà không phải tìm kiếm chỗ để
nối dây mạng, chúng ta có thể mở rộng phạm vi mạng mà không cần lắp đặt hoặc di
chuyển dây. Các mạng máy tính không dây có ưu điểm về hiệu suất, sự thuận lợi, cụ
thể như sau:
- Tính di động : những người sử dụng mạng máy tính không dây có thể truy
nhập nguồn thông tin ở bất kỳ nơi nào. Tính di động này sẽ tăng năng suất và tính
kịp thời thỏa mãn nhu cầu về thông tin mà các mạng hữu tuyến không thể có được.
- Tính đơn giản: lắp đặt, thiết lập, kết nối một mạng máy tính không dây là
dễ dàng, đơn giản và có thể tránh được việc kéo cáp qua các bức tường và trần nhà.
- Tính linh hoạt : có thể triển khai ở những nơi mà mạng hữu tuyến không
thể triển khai được.
- Tiết kiệm chi phí lâu dài : Trong khi đầu tư cần thiết ban đầu đối với phần
cứng của một mạng máy tính không dây có thể cao hơn chi phí phần cứng của một
mạng hữu tuyến nhưng toàn bộ phí tổn lắp đặt và các chi phí về thời gian tồn tại có
thể thấp hơn đáng kể. Chi phí dài hạn có lợi nhất trong các môi trường động cần
phải di chuyển và thay đổi thường xuyên.
- Khả năng vô hướng : các mạng máy tính không dây có thể được cấu hình
theo các topo khác nhau để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng và lắp đặt cụ thể. Các
cấu hình dễ dàng thay đổi từ các mạng ngang hàng thích hợp cho một số lượng nhỏ
người sử dụng đến các mạng có cơ sở hạ tầng đầy đủ dành cho hàng nghìn người sử
dụng mà có khả năng di chuyển trên một vùng rộng.
b. Nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm của mạng Wireless như là tính linh động, tiện lợi,
thoải mái…thì mạng Wireless vẫn không thể thay thế được mạng có dây truyền

14


thống. Thuận lợi chính của sự linh động đó là người dùng có thể di chuyển. Các

Server và máy chủ cơ sở dữ liệu phải truy xuất dữ liệu, về vị trí vật lý thì không phù
hợp (vì máy chủ không di chuyển thường xuyên được).
- Tốc độ mạng Wireless bị phụ thuộc vào băng thông. Tốc độ của mạng
Wireless thấp hơn mạng cố định, vì mạng Wireless chuẩn phải xác nhận cẩn thận
những frame đã nhận để tránh tình trạng mất dữ liệu.
- Trong mạng cố định truyền thống thì tín hiệu truyền trong dây dẫn nên có
thể được bảo mật an toàn hơn. Còn trên mạng Wireless thì việc “đánh hơi” rất dễ
dàng bởi vì mạng Wireless sử dụng sóng Radio thì có thể bị bắt và xử lí được bởi
bất kỳ thiết bị nhận nào nằm trong phạm vi cho phép, ngoài ra mạng Wireless thì có
ranh giới không rõ ràng cho nên rất khó quản lý.
Bảng 1.2. So sánh hệ thống Mạng không dây và Mạng có dây
Hệ thống

Mạng không dây

Mạng có dây

Tốc độ

11/54/108Mbps

Bảo mật

Bảo mật không đảm bảo Bảo mật đảm bảo chỉ bị lộ thông
bằng có dây do phát sóng tin nếu can thiệp thẳng vào vị trí
thông tin ra mọi phía
dây dẫn

10/100/1000Mbps

Thi công và Thi công triển khai nhanh Thi công phức tạp do phải thiết kế
triển khai và dễ dàng
đi dây cho toàn bộ hệ thống
Khả năng
mở rộng
Tính mềm
dẻo

Đòi hỏi chi phí cao khi muốn mở
Khả năng mở rộng khoảng
rộng hệ thống mạng đặc biệt là mở
cách tốt với chi phí hợp lý
rộng bằng cáp quang
Các vị trí kết nối mạng có Các vị trí thiết kế không cơ động
thể thay đổi mà không cần phải thiết kế lại nếu thay đổi các vị
phải thiết kế lại
trí kết nối mạng

1.2. Tổng quan về các cảm biến trong y tế
1.2.1. Cơ sở về đo thân nhiệt và cảm biến hồng ngoại
a) Thân nhiệt
Một trong những đặc tính của động vật có vú là khả năng giữ nhiệt độ cơ thể
ổn định, mặc dù có thay đổi trong môi trường sinh sống.

15


Có nhiều nhận định khác nhau về nhiệt độ trung bình của cơ thể. Với một số tác
giả, 37°C (98.6°F) là bình thường, nhưng nghiên cứu mới đây cho hay thân nhiệt trung
bình là 98.0°F hoặc thấp hơn. Mỗi người có nhiệt độ trung bình khác nhau. Nhiệt độ ở trẻ

em hơi cao hơn người lớn, nam giới thấp hơn nữ giới một chút.
Thân nhiệt thay đổi tùy theo thời gian trong ngày, thấp nhất vào sáng sớm
khi đang ngủ và cao nhất vào nửa buổi chiều. Vì vậy, thân nhiệt trung bình có thể
du di giữa 36.°C- 37.4°C (97°- 99.4°F). Thân nhiệt tăng khi ăn uống tiêu hóa thực
phẩm, vận động cơ thể, cơ bắp co căng, có kinh nguyệt, có thai, khí hậu nóng ấm,
mặc nhiều quần áo, cảm xúc mạnh, run lạnh.
Nhiệt độ hơi giảm khi thời tiết giá lạnh. Sự tăng giảm này đều có tính cách
tạm thời, ngắn hạn. Thân nhiệt được Cấu-tạo-dưới-đồi (hypothalamus) trong não bộ
điều hòa, duy trì ở mức trung bình.
Hệ thần kinh luôn luôn chuyển tới cấu tạo này tình trạng nóng lạnh ở các
vùng khác nhau của cơ thể. Cơ quan sẽ kích thích các phản ứng để tăng hoặc giảm
nhiệt độ cơ thể. Chẳng hạn tăng hoặc giảm máu ấm từ trung tâm cơ thể ra ngoại vi
mát lạnh; tăng hoặc giảm sự chuyển hóa thực phẩm ra năng lượng; tăng bốc hơi qua
đổ mồ hôi…

Hình 1.4. Quá trình sinh nhiệt và thải nhiệt
Khi thân nhiệt xuống thấp, bộ phận này sẽ ra lệnh cho cơ thể làm một động
tác nào đó, như co giật, run run các bắp thịt để tạo ra nhiệt. Ngược lại khi thân nhiệt
cao, các tuyến mồ hôi được não kích thích để ra nhiều mồ hôi và hạ nhiệt độ. Đôi
khi hypothalamus “tái phối trí” (reset) thân nhiệt cao hơn để đáp ứng với bệnh tật,

16