Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MÁY ĐO ĐIỆN TÂM ĐỒ ECG

GVHD: VÕ ĐỨC DŨNG
SVTH: VÕ VĂN HÀO
MSSV: 15141144
SVTH: NGUYỄN THÀNH TÀI
MSSV: 15141272

SKL 0 0 7 3 8 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO ĐIỆN
TÂM ĐỒ ECG

GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH: Võ Văn Hào
Nguyễn Thành Tài

Tp. Hồ Chí Minh – 08/2020
1

15141144
15141272


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO ĐIỆN
TÂM ĐỒ ECG

GVHD: ThS. Võ Đức Dũng

SVTH: Võ Văn Hào
Nguyễn Thành Tài

Tp. Hồ Chí Minh – 08/2020

15141144
15141272


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Võ Văn Hào

MSSV: 15141144

Nguyễn Thành Tài

MSSV: 15141272

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện - Điện tử

Mã ngành:

01

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2015

Lớp:

15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO ĐIỆN TÂM ĐỒ ECG
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình vi xử lý ”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2014
- Nguyễn Hữu Phương, “Xử lí tín hiệu số”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2015
- Khoa Y,“ Kĩ thuật đo và phân tích điện tâm đồ bình thường”, NXB ĐH Quốc Gia

Tp.HCM, 2015.
- Nguyễn Thanh Tâm, Võ Đức Dũng, “Thiết kế mạch điện tử y sinh”, Trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM .
2. Nội dung thực hiện:
- Lên ý tưởng đồ án
- Tìm hiểu về linh kiện sử dụng
- Thiết kế và thi công khối điều khiển trung tâm, khối mạch ECG, cảm biến và khối
nguồn
- Vẽ lưu đồ giải thuật
- Thiết kế và thi công Webserver trên Esp8266
- Lắp ráp các khối vào mơ hình
- Chạy thử nghiệm hệ thống
- Cân chỉnh hệ thống
- Viết luận văn
ii


- Báo cáo đề tài tốt nghiệp
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

07/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

04/08/2020

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS. Võ Đức Dũng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày 07 tháng 03 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Võ Văn Hào
Lớp: 15141DT1C

MSSV:15141144

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Tài
Lớp: 15141DT2B

MSSV:15141272

Tên đề tài: Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG

Tuần/ngày
Tuần 1
(7/3 – 5/4)
Tuần 2
(6/4 – 12/4)
Tuần 3
(13/4 – 19/4)
Tuần 4
(20/4 - 26/4)
Tuần 5
(27/4 – 3/5)
Tuần 6
(4/5 – 10/5)
Tuần 7
(11/5 – 17/5)
Tuần 8
(18/5 – 24/5)
Tuần 9
(25/5 – 31/5)
Tuần 10
(1/6 – 7/6)
Tuần 11
(8/6 – 14/6)
Tuần 12

Nội dung
Gặp giáo viên hướng dẫn để phố biến yêu cầu
làm đồ án, tiến hành chọn đồ án
GVHD tiến hành xét duyệt đề tài
Viết đề cương chi tiết và lịch trình đồ án tốt

nghiệp
Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị thích hợp
Thiết kế sơ đồ khối và giải thích chức năng từng
khối
Tính tốn và thiết kế sơ đồ ngun lý cho hệ
thống
Thiết kế PCB và thi công phần cứng
Đo lường và cân chỉnh lại mạch ECG, lập trình
cho MCU, Esp8266
Hồn thiện phần cứng
Kiếm tra và lắp đặt mơ hình
Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình
điều khiển hệ thống
Thiết kế web server trên esp8266.
iv

Xác nhận
GVHD


(15/6 – 21/6)
Tuần 13
(22/6 – 28/6)
Tuần 14
(29/6 – 5/7)
Tuần 15
(6/7 – 12/7)
Tuần 16
(13/7 – 19/7)

Chạy thử nghiệm hệ thống hoàn chỉnh, kiểm tra
và sữa chửa lỗi
Viết báo cáo, làm slide báo cáo
Hoàn thiện và in báo cáo
Báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên Võ Văn Hào và Nguyễn Thành Tài xin cam đoan đây là đồ án
do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Võ Đức Dũng. Nhóm chỉ tham
khảo các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết quả công bố trong
khóa luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay cơng trình đã có
trước đó.

Tp.HCM, ngày 4 tháng 08 năm 2020
SV thực hiện đồ án

Võ Văn Hào

Nguyễn Thành Tài

vi


LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng
dẫn thầy Võ Đức Dũng vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án, người đã
đưa ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm
việc. Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và
cách làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy.
Nhóm em xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa
Điện - Điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều
kiện tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè ln là động
lực để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn
này cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cơ, gia đình và bạn bè.

vii


MỤC LỤC
TRANG BÌA ....................................................................................................................i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP....................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................vi
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................vii
MỤC LỤC .................................................................................................................. viii
LIỆT KÊ HÌNH ẢNH ..................................................................................................... x
LIỆT KÊ BẢNG............................................................................................................xii
TÓM TẮT ................................................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................................ 1
1.2. MỤC TIÊU ............................................................................................................. 1

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................... 1
1.4. GIỚI HẠN .............................................................................................................. 2
1.5. BỐ CỤC ................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................. 4
2.1. LÝ THUYẾT VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TIM ...................... 4
2.1.1. Khái niệm về ECG............................................................................................ 4
2.1.2. Sơ lược về hệ thống điện tim. ........................................................................... 4
2.1.3. Quá trình điện học của tim. ............................................................................... 5
2.1.4. Nguyên lý đọc tín hiệu điện tim ........................................................................ 7
2.1.5. Ý nghĩa các sóng điện tâm đồ ........................................................................... 7
2.1.6. Nồng độ oxy trong máu .................................................................................... 9
2.1.7. Đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học ............................................. 11
2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ................................................................................. 12
2.2.1. Khối cảm biến ngõ vào ................................................................................... 12
2.2.2. Khối vi xử lý trung tâm................................................................................... 13
2.2.3. Khối nhận tín hiệu .......................................................................................... 16
2.2.4. Khối hiển thị ................................................................................................... 17
2.2.5. Các chuẩn giao tiếp......................................................................................... 18
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ................................................................... 22
viii


3.1. GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 22
3.2. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG................................................................. 22
3.3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................... 23
3.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH .................................................................. 36
3.5. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ...................................... 38
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................................... 45
4.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 45
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG: ..................................................................................... 45

4.2.2.

Đóng gói và thi cơng mơ hình: ...................................................................... 48

4.2.3.

Thi cơng hộp mơ hình: .................................................................................. 49

4.3. LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ............................................................................ 49
4.4. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ......................................................... 56
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC TẾ .............................................................................. 57
5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ............................. 57
5.2. KẾT QUẢ ĐO TRÊN THIẾT BỊ CHUẨN Y KHOA ........................................... 61
5.3. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ...................................................................................... 63
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................ 65
6.1. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 65
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 66
PHỤ LỤC...................................................................................................................... 67

ix


LIỆT KÊ HÌNH ẢNH
Hình 2. 1. Dạng sóng mẫu ECG.......................................................................................4
Hình 2. 2. Quá trình điện học của tim. .............................................................................5
Hình 2. 3. Vị trí các điện cực trên cơ thể..........................................................................7
Hình 2. 4. Dạng sóng mẫu đầy đủ ECG ...........................................................................8
Hình 2. 5. Các thế tác động qua màng............................................................................10
Hình 2. 6. Đo SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học ............................................12

Hình 2. 7. Sơ đồ khối mạch ECG................................................................................... 12
Hình 2. 8. Cảm biến nhịp tim và oxy trong máu MAX30100 .........................................13
Hình 2. 9. Hình ảnh chip STM32F407VET6 kiểu đóng gói LQF1000. .......................... 16
Hình 2. 10. Sơ đồ chân ESP8266 Node MCU ................................................................ 17
Hình 2. 11. Hình ảnh LCD mặt trước.............................................................................18
Hình 2. 12. Truyền UART. ............................................................................................ 19
Hình 2. 13. Định dạng một khung truyền của giao tiếp UART. ......................................20
Hình 2. 14. Các bit dữ liệu trên SDA từ Master đến Slave(trái) và từ Slave đến Master(phải)
......................................................................................................................................21
Hình 3. 1. Sơ đồ khối tồn bộ hệ thống ..........................................................................22
Hình 3. 2. Cấu hình bên trong IC INA114. ....................................................................23
Hình 3. 3. Các mạch lọc thơng thấp, thơng cao được sử dụng. .......................................24
Hình 3. 4. Mạch lọc Notch............................................................................................. 25
Hình 3. 5. Sơ đồ nguyên lý mạch tiền xử lý ECG .......................................................... 26
Hình 3. 6. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của module trên thị trường. .................. 27
Hình 3. 7. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến MAX30100. ............................................... 28
Hình 3. 8. Sơ đồ nguyên lý của mạch VDK STM32F4VET6 .........................................29
Hình 3. 9. Mạch Reset vi điều khiển mức thấp và mạch tạo dao động............................ 30
Hình 3. 10. Sơ đồ nguyên lý module ESP8266-nodeMCU. ............................................31
Hình 3. 11. Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa ESP8266 và MCU. ........................................32
Hình 3. 12. Mạch nguồn IC LM317 ............................................................................... 33
Hình 3. 13. Sơ đồ kết nối LCD với vi điều khiển STM32F407. .....................................34
Hình 3. 14. Sơ đồ nguyên lý board xử lý trung tâm, module wifi và LCD hiển thị. ........37
Hình 3. 15. Lưu đồ của toàn bộ hệ thống .......................................................................39
x


Hình 3. 16. Lưu đồ của hàm tính giá trị nhịp tim từ tín hiệu ECG rời rạc. ...................... 40
Hình 3. 17. Giao diện chính của Keil C V5....................................................................41
Hình 3. 18. Cửa sổ chứ các thư viện cho project. ........................................................... 42

Hình 3. 19. Cửa sổ soạn thảo của chương trình .............................................................. 42
Hình 3. 20. Cơng cụ biên dịch và kết quả sau biên dịch ................................................. 43
Hình 3. 21. Cơng cụ nạp chương trình vào vi điều khiển. .............................................. 44

Hình 4. 1. PCB của board xử lý trung tâm. ....................................................................46
Hình 4. 2. Hình ảnh 3D của board trên phần mềm thiết kế Alltium. ............................... 46
Hình 4. 3. Hình ảnh thực tế board mạch mặt sau. ........................................................... 47
Hình 4. 4. Hình ảnh thực tế của board mạch mặt tước.................................................... 47
Hình 4. 5. Ảnh 3D bản vẽ đầu dò gắn cảm biến SpO2. .................................................. 48
Hình 4. 6. Ảnh thực tế của đầu dị SpO2 ........................................................................48
Hình 4. 7. Mơ hình hệ thống hồn chỉnh khi lắp tất cả linh kiện vào trong hộp. .............49
Hình 4. 8. Giao diện Aduino IDE mới khởi động. .......................................................... 49
Hình 4. 9. Giao diện trình biên dịch Aduino IDE. .......................................................... 50
Hình 4. 10. Tiến hành tổng hợp và nạp chương trình. .................................................... 50
Hình 4. 11. Giao diện khởi động chương trình STM32CubeMX. ...................................51
Hình 4. 12. Tạo 1 Project mới........................................................................................ 52
Hình 4. 13. Giao diện cấu hình vi điều khiển. ................................................................ 52
Hình 4. 14. Cấu hình xung clock cho mạch....................................................................53
Hình 4. 15. Lưu thông tin project và sinh code. ............................................................. 54
Hình 4. 16. Cấu hình cho mạch nạp. .............................................................................. 54
Hình 4. 17. Cấu hình cho mạch reset. ............................................................................55
Hình 4. 18. Tiến hành compile và nạp chương trình....................................................... 56
Hình 5. 1. Hệ thống lắp đặt hồn chỉnh. .........................................................................58
Hình 5. 2. Đầu dị cảm biến đo SpO2.............................................................................59
Hình 5. 3. Điện cực được dán lên cơ thể ở đạo trình Lead II (RA, LA, RL). .................. 59
Hình 5. 4. Kết quả đo ecg Lead II, nhị tim và SpO2 trên màn hình LCD. ...................... 60
Hình 5. 5. Kết quả đo đạt trên web server. .....................................................................61
Hình 5. 6. Dạng sóng ecg Lead II đo được từ máy chuẩn y khoa. ..................................61
Hình 5. 7. Kết quả 1 nhịp tim và nồng độ SpO2 đo được từ máy chuẩn y khoa. .............62
xi

Hình 5. 8. Kết quả 2 nhịp tim và nồng độ SpO2 đo được từ máy chuẩn y khoa. .............62
Hình 5. 9. Hình ảnh thực hiện đo trên máy đo chuẩn y khoa. .........................................63

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối chân vi điều khiển .................................................................... 30
Bảng 3.2: Dòng điện tiêu thụ của các mạch sử dụng ...................................................... 33
Bảng 4.1: Danh sách linh kiện ....................................................................................... 45
Bảng 5.1: So sánh kết quả đo với máy chuẩn ................................................................. 63

xii


TĨM TẮT
Vào thời đại cơng nghiệp hóa hiện nay, mơi trường, thực phẩm bị ô nhiễm, đời sống
con người vội vã, tấp nập, các thói quen khơng lành mạnh ngày càng ăn sâu vào tiềm thức,
nếp sống của con người hiện đại, tất cả những điều đó khiến cho sức khỏe của con người
đáng báo động hơn bao giờ hết. Đặc biêt là các bệnh về tim mạch ngày càng xuất hiện
nhiều và có xu hướng trẻ hóa, việc ngăn chặn và phòng ngừa các vấn đề về tim mạch là
hết sức cần thiết.
Với sự phát triển của khoa học cơng nghệ vào thời điểm hiện tại thì việc theo dõi sức
khỏe cá nhân hằng ngày bằng thiết bị công nghệ là điều khơng cịn xa vời với chúng ta.
IoT cũng dần được áp dụng rộng rãi vào đời sống, để theo dõi, giám sát những đối tượng
mong muốn thông qua Internet toàn cầu.
Đề tài của nhóm đã áp dụng tất cả các kiến thức đã học về điện tử cơ bản, điện tử
số, vi điều khiển, ... để hiện thực hóa một thiết bị cơng nghệ cho phép chúng ta theo dõi
sự hoạt động của tim, mạch một cách đơn giản và gần gũi nhất. Sử dụng dòng vi điều khiển
32bit STM32F4 để tính tốn xử lý tín hiệu, LCD 7inch cho phép hiển thị kết quả rõ nét và
chi tiết nhất, kết hợp với hệ thống webserver trên Esp8266 giúp việc theo dõi từ xa cực kì

đơn giản.
Tất cả những điều đó sẽ tạo nên một thiết bị cơng nghệ có tính ứng dụng thực tế trong
cuộc sống hằng ngày, giúp ích rất nhiều cho con người, nâng cao chất lượng cuộc sống
hiện đại.

xiii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, các bệnh lý, vấn đề sức khỏe liên quan đến tim mạch ngày càng nhiều
nguyên nhân đến từ thực phẩm, lối sống không lành mạnh trong xã hội hiện đại.
Nhiều trường hợp tai nạn đáng tiếc xảy ra chỉ vì khơng phát hiện và theo dõi được
tình trạng tim mạch của người bệnh. Việc áp dụng khoa học, kỹ thuật vào việc theo
dõi các bệnh lý về tim mạch là hết sức cần thiết, giảm thiếu tối đa các tai nạn xảy ra
chỉ vì khơng theo dõi kịp thời tim mạch của người bệnh.
Công nghệ, kỹ thuật khoa học hiện nay rất phát triển, đặc biệt là các ngành khoa
học về y sinh, hàng loạt các thiết bị về y sinh được ra đời nhằm phục vụ việc phát
hiện và điều trị bệnh tật cho con người, trong đó các thiết bị về đo lường tim mạch
cũng không ngoại lệ, thậm chí cịn được đặt lên hàng đầu. Một sản phẩm hướng đến
sự chính xác và kinh tế là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu.
Hiện nay lĩnh vực điện tử y sinh còn khá mới mẻ với sinh viên, hầu hết các Đồ
Án Tốt Nghiệp, công trình nghiên cứu trước đây đều hướng về việc đo nhịp tim sử
dụng phương pháp đo sự thay đổi lượng ánh sáng khi cho qua các mô, da của người.
Phương pháp này rất hạn chế và kém chính xác, khơng phải là phương án triệt để cho
việc phát hiện và theo dõi các bệnh lý về tim mạch.
Từ các yếu tố trên, cùng các kiến thức đã được trang bị, nhóm xin được thực
hiện đề tài: Thiết kế và thi cơng máy đo điện tâm đồ (ECG), sẽ có chức năng đo đạt

được dạng sóng ECG để theo dõi được tình trạng tim mạch một cách chi tiết.
1.2. MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công máy đo điện tâm đồ ECG sử dụng các kiến thức về mạch
khuếch đại thuật toán, mạch lọc thông thấp, thông cao và các kiến thức liên quan đến
lập trình cho VĐK STM32F407VET6. Thiết kế được webserver trên ESP8266 để lưu
nhận dữ liệu từ vi điều khiển và hiển thị lên web.
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công máy
đo điện tâm đồ ECG, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hồn thành được
những nội dung sau:

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- NỘI DUNG 1: Thiết kế schematic khối mạch đo lường tín hiệu ECG từ cơ thể
sinh học bằng các mạch lọc, mạch khuếch đại cần thiết.
- NỘI DUNG 2: Kiểm tra kết quả đo được bằng Oscilloscope, đánh giá và hiệu
chỉnh lại các mạch lọc, khuếch đại nếu cần thiết.
- NỘI DUNG 3: Thiết kế schematic khối mạch xử lý và hiển thị.
- NỘI DUNG 4: Nghiên cứu lập trình, xuất tín hiệu từ Vi điều khiển ra khổi hiển
thị.
- NỘI DUNG 5: Thiết kế PCB cho toàn hệ thống bao gồm khối đo lường, khối
xử lý, khối hiển thị và khối nguồn
- NỘI DUNG 6: Thi cơng phần cứng tồn hệ thống.
- NỘI DUNG 7: Nguyên cứu lập trình để hiển thị kết quả sóng ECG ra khối hiện
thị, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
- NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực hiện.

- NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn.
1.4. GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
-

Sử dụng LCD 7 inch 800x480 pixels, kích thước thiết bị 24cm x 11cm x 7cm

-

Hệ thống chỉ đo 3 điện cực.

-

Hiển thị nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, dạng sóng ECG.

-

Giao tiếp điện thoại với hệ thống qua Wifi, hiển thị kết quả đo trên web server
bao gồm nhịp tim và nồng độ oxy trong máu.

-

Chất lượng đo nồng độ oxy trong máu phụ thuộc vào chất lượng của cảm biến
MAX30100.

1.5. BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng quan.
Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài trình bày tổng quan về tình hình
nghiên cứu, thông tin liên quan đến đề tài trước đây. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi
nghiên cứu của đề tài.

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Giới thiệu về sơ lược về cấu tạo của tim, tín hiệu nhịp tim, đồ thị điện tim,,
phương pháp đo điện tim bằng phương pháp hấp thụ quang học chuẩn giao tiếp I2C
, UART, UDP… và các chuẩn giao tiếp khác trong đề tài.
• Chương 3: Tính toán và thiết kế
Trong chương này, nhóm thực hiện thiết kế sơ đồ khối cho đề tài. Thực hiện
giới thiệu chức năng, lựa chọn linh kiện, thông số kĩ thuật của linh kiện, thiết kế sơ
đồ nguyên lí và giải thích sơ đồ ngun lí cho từng khối.
• Chương 4: Thi cơng hệ thống
Tiến hành thi cơng mơ hình.
• Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi cơng,
so sánh ưu điểm có cải tiến sao với các đề tài trước và so với máy đo thực tiếp của
các sản phẩm đang có trên thị trường.
• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LÝ THUYẾT VỀ NHỊP TIM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TIM
2.1.1. Khái niệm về ECG
Điện tâm đồ (tiếng Anh: Electrocardiogram hay thường gọi tắt là ECG) là đồ thị
ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển
của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một
phần nghìn volt, nhưng có thể dị thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực
bệnh nhân và chuyển đến máy ghi. Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện
tâm đồ. Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối
loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.v...

2.1.2. Sơ lược về hệ thống điện tim.
Tim người có 4 buồng để chứa và bơm máu. Hai phần nhỏ ở phía trên gọi là tâm
nhĩ (vì trơng giống lỗ tai). Hai phần dưới lớn hơn gọi là tâm thất. Máu theo tĩnh
mạch từ cơ thể trở về tâm nhĩ phải, từ phổi trở về tâm nhĩ trái. Tâm nhĩ trái bóp bơm
máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải đưa máu vào tâm thất phải. Sau đó tâm thất phải
bóp để bơm máu theo động mạch lên phổi và tâm thất trái bóp để bơm máu xuống cơ
thể. Tim có khả năng hoạt động đều đặn và thứ tự như thế là nhờ một hệ thống các tế
bào dẫn điện đặc biệt nằm trong cơ tim.
Trong tâm nhĩ bên phải
có nút xoang nhĩ (sinoatrial
node) gồm các tế bào có khả
năng

tự

tạo xung

điện (electric

impulse).

Xung điện này truyền ra các
cơ chung quanh làm co bóp
hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P
trên Điện Tâm đồ). Sau có
dịng điện tiếp tục trùn theo 1

Hình 2. 1. Dạng sóng mẫu ECG

chuỗi tế bào đặc biệt tới nút nhĩ thất (atrioventricular node) nằm gần vách liên thất rồi
theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào các cơ chung quanh

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
(loạt sóng QRS) làm hai thất này co bóp. Sau đó xung điện giảm đi, tâm thất giãn ra
(tạo nên sóng T).
2.1.3. Q trình điện học của tim.
Tim là tổ chức cơ rỗng, tại đó sự co bóp một cách tuần tự các cơ sẽ tạo ra áp lực
đẩy máu đi qua các bộ phận khác nhau trên cơ thể. Mỗi nhịp tim được kích thích bởi
xung điện từ các tế bào nút xoang tại tâm nhĩ. Các xung điện truyền đến các bộ phận
khác của tim và làm cho tim co bóp. Việc ghi tín hiệu điện tim là ghi lại các tín hiệu
điện này (tín hiệu ECG).
Năng lượng chuyển hóa được sử dụng để tạo ra mơi trường trong giàu Kali
nhưng ít Natri so với thành phần ngoại bào Natri cao và Kali thấp. Do có sự khơng

cân bằng tồn tại điện thế tĩnh trên màng tế bào, bên trong chừng 90 mV so với bên
ngồi. Khi tế bào bị kích thích (bằng cách cho dòng điện vốn làm tăng tạm thời thế
ngang mảng), các tính chất của mảng thay đổi theo chu trình, pha thứ nhất của nó là
độ thấm mạnh đối với Natri, dòng Natri lớn (sớm) chảy vào trong do các gradient
khuếch tán và điện.

Hình 2. 2. Quá trình điện học của tim.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong khi di chuyển liên tiếp, tế bào về cơ bản có tính chất như nguồn lưỡng
điện. Dòng Natri chuyển tiếp này chịu trách nhiệm về dòng mạch điện nội tại và là
một phần của dòng điện đó. Theo cách này, hoạt động mở rộng tiếp tới các tế bào lân
cận. Khi màng hồi phục (trở về các tính chất nghỉ), điện thế tác động của tế bào kết
thúc và nó trở lại trạng thái nghỉ và có khả năng được tái kích thích. Nói một cách
ngắn gọn khi có dịng Natri, Kali chảy qua màng tim thì có điện thế được sinh ra.
Điện tâm đồ được sử dụng trong nhiều trường hợp y học sau:
- Chẩn đoán nhồi máu cơ tim khi cơ tim bị thiếu máu và dưỡng khí, bị tổn thương
hay hoại tử, khả năng dẫn truyền điện của cơ sẽ thay đổi. Sự thay đổi này có thể ghi
nhận được trên điện tâm đồ, đây là một trong những giá trị nhất của phương pháp cận
lâm sàng này.
- Chẩn đoán thiếu máu cơ tim: cơ tim bị thiếu máu sẽ cho thấy hình ảnh sóng T
trên điện tâm đồ dẹt, âm.
- Chẩn đoán và theo dõi rối loạn nhịp tim bất thường tại vị trí phát nhịp (nút xoang,
nút nhĩ nhất, cơ tim) và dẫn truyền một chiều của tim sẽ cho thấy hình ảnh nhịp tim
bất thường trên điện tâm đồ.

- Chẩn đoán và theo dõi rối loạn dẫn truyền nhịp tim đập do một hệ thống dẫn
truyền khoa học, việc tổn thương hay mất sự mạch lạc dẫn truyền cho thấy các bất
thường về các nhánh điện học của tim trên điện tâm đồ (Block AV, Block nhánh tim).
- Chẩn đoán các chứng tim lớn khi cơ tim dày hay dãn, quá trình khử cực, tái cực
của từng thành phần trong cơ tim sẽ thay đổi, qua đó trên giấy ghi sẽ cho những gợi ý
nhất định về tình trạng lớn buồng tim, tuy nhiên giá trị của ECG khơng ưu thế là trường
hợp này, vì thay đổi nhiều vào chủng tộc, nhiều yếu tố gây nhiễu và độ nhạy kém, y
học cũng có nhiều cơng cụ chẩn đốn tim to tốt hơn.
- Chẩn đoán một số thay đổi sinh hóa máu vì điện tim là do sự di chuyển của các
ion như natri, kali, canxi, v.v.... Khi có thay đổi lớn trong nồng độ các chất này, điện
tâm đồ có khả năng thay đổi.
- Chẩn đoán một số ngộ độc thuốc Digoxin làm thay đổi đoạn ST của mọi
cực. Thuốc chống trầm cảm 3 vòng làm dài đoạn QT.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.4. Nguyên lý đọc tín hiệu điện tim
Xung điện từ truyền từ các tế bào nút xoang tâm nhỉ đến các bộ phận khác của
tim chính là tín hiệu mà chúng ta cần đo đạt, hình dạng tín hiệu này thể hiện được
nhiều ý nghĩa sinh học trên nhiều phần của tim,cứ mỗi xung điện từ đến các vị trí khác
nhau trên tim sẽ cho một dạng sóng khác nhau, hình dạng đó chính là dạng sóng ECG.
Sử dụng mạch khuếch đại đo lường để khếch đại tín hiệu điện áp từ các điện cực trên
cơ thể và lọc bỏ các tín hiệu nhiễu khác ta sẽ có được tín hiệu ECG mong muốn.

Hình 2. 3. Vị trí các điện cực trên cơ thể

Như đã đề cập ở trên, có thể xác định được tín hiệu ECG thông qua hệ thống điện
cực đặt trên bề mặt cơ thể. Người ta đặt các điện cực ở những vị trí thuận lợi nhất,
phản ánh trung thực tín hiệu ECG, những vị trí đó chính là các điện cực trên cơ thể,
chúng ta có 10 điện cực:
- 4 điện cực chi: tay trái (LA), tay phải (LR), chân trái (RL), chân phải (LL)
- 6 điện cực trước ngực: V1 , V2 , V3 , V4 , V5 , V6
Đường đi của xung điện từ qua các điểm cực tương ứng gọi là chuyển đạo. Điện
tâm đồ gồm 12 chuyển đạo riêng biệt gồm:
- 6 chuyển đạo chi: DI, DII, DIII, aVR, aVF
- 6 chuyển đạo ngực: V1, V2, V3, V4, V5, V6

2.1.5. Ý nghĩa các sóng điện tâm đồ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sóng P: Bình thường sóng P ở:
- D1, D2, V3, V4, V5, V6, aVF: bao giờ cũng dương.
- D3, aVL, V1, V2: đa số dương, có thể âm nhẹ, 2 pha.
- aVR: bao giờ cũng âm.
Dù dương, âm hay 2 pha, sóng P có thể móc nhẹ hoặc chẻ đơi. Biên độ sóng P
thường cao nhất ở D2. Sóng P được hình thành do quá trình khử cực tâm nhĩ. Sóng P
bình thường có biên độ dưới 2mm (0.2 mmV), thời gian từ 0.08-1 giây. Khi sóng P
tăng biên độ hoặc kéo dài thời gian có thể bệnh nhân đang có tình trạng tâm nhĩ lớn.
Nếu tăng biên độ có thể bệnh nhân lớn nhĩ phải, nếu kéo dài thời gian khử cực có thể
bệnh nhân lớn nhĩ trái.

Hình 2. 4. Dạng sóng mẫu đầy đủ ECG

Phức bộ QRS thể hiện quá trình khử cực của tâm thất, bình thường QRS kéo dài
từ 0.06-0.1 giây. Tùy vào chiều khử cực và vị trí đặt điện cực mà trên giấy ghi sẽ cho
thấy các phức bộ khác nhau.
Sóng Q là sóng âm đầu tiên của phức bộ QRS, hình thành do quá trình khử cực
vách liên thất. Ở người bình thường, sóng Q thường nhỏ và ngắn. Nếu sóng Q biên độ
âm lớn và kéo dài có thể đang có tình trạng hoại tử cơ tim.
Sóng R là sóng dương đầu tiên của phức bộ, theo sau nó là sóng âm S. Đây là
hai sóng hình thành do khử cực thất, có bản chất giống nhau.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sóng T bình thường rộng, đỉnh tày, hai sườn không đối xứng, sườn lên thoải,
sườn xuống dốc hơn. Bao giờ cũng dương ở D1, aVF, V3, V4, V5, V6, biên độ lớn
nhất ở V3, V4 và bao giờ cũng âm ở aVR. Ở D2 đa số dương, một số nhỏ hai pha. Ở
D3, aVL đa số là dương, một số hai pha hoặc âm. Ở V1, đa số là âm, một số nhỏ dương
hay hai pha.
Sóng T là sóng theo sau phức bộ QRS, thể hiện q trình tái cực muộn của hai
tâm thất. Sóng T có vai trị quan trọng trong nhận định tình trạng thiếu máu cơ tim.
Sóng U: Bình thường trên điện tâm đồ khơng có sóng U, nếu có thì chỉ là sóng
nhỏ sau sóng T. Trong một số bệnh lý như tăng huyết áp, bệnh lý mạch vành, bệnh
van tim, bệnh lý cơ tim,... khi đo điện tâm đồ, có thể có sóng U đảo ngược hay nhô
cao nhọn.
Khoảng PQ là thời gian dẫn truyền từ nhĩ đến thất. Cách đo khoảng PQ là từ khởi
điểm sóng P đến khởi điểm sóng Q hoặc sóng R khi khơng có Q. Ở người bình thường,
khoảng PQ kéo dài từ 0.12-0.2 giây. Nếu PQ ngắn, có thể bệnh nhân có hội chứng
kích thích sớm (Wolf-Parkinson-White), nếu PQ kéo dài thể hiện quá trình chậm dẫn

truyền.
Đoạn ST là một đoạn thẳng đi từ điểm J tới khởi điểm sóng T. Đoạn ST có ý
nghĩa là giai đoạn tái cực thất sớm, bình thường đoạn ST rất ít nằm chênh lệch lên
hoặc xuống đường đẳng điện. Trong một số trường hợp bệnh lý, đoạn ST có thể chênh
lên hoặc chênh xuống, do đó đoạn ST có nhiều giá trị trong chẩn đốn các bệnh lý tim
mạch.
Đoạn QT là thời gian tâm thu điện học của tâm thất. Giá trị bình thường của QT
phụ thuộc vào tần số tim. Nếu QT kéo dài bất thường, bệnh nhân có thể có nguy cơ
loạn nhịp thất, đặc biệt là xoắn đỉnh.

2.1.6. Nồng độ oxy trong máu
Một phân tử Hemoglobin (Hb) có thể kết hợp với 4 phân tử oxy, khi đã gắn đủ 4
phân tử oxy được gọi là bão hòa oxy. Độ bão hòa oxy trong máu còn được gọi là chỉ
số SpO2, biểu thị cho tỷ lệ Hemoglobin có oxy trên tổng lượng Hemoglobin trong
máu. Nếu tất cả các phân tử Hemoglobin trong máu đều gắn với oxy thì độ bão hịa
oxy là 100%. Chỉ số SpO2 được xem là một trong những dấu hiệu sinh tồn của cơ thể,
bên cạnh các dấu hiệu như: nhiệt độ, mạch, nhịp thở và huyết áp. Khi bị thiếu oxy

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
máu, các cơ quan như tim, gan, não... sẽ chịu tác động tiêu cực rất nhanh. Vì vậy, cần
theo dõi chỉ số SpO2 thường xuyên để kịp thời can thiệp nếu xảy ra tình trạng nguy
hiểm.
Hầu hết các phân tử Hb sẽ gắn với oxy
khi chúng đi qua phổi. Một người khỏe
mạnh bình thường khi thở ở khơng khí trên

mực nước biển sẽ có độ bão hịa oxy động
mạch là 95% - 100%.
• Nếu lượng oxy trong máu hòa tan ở
khoảng 97% - 99%: oxy trong máu tốt.
• Nếu lượng oxy trong máu hịa tan ở
khoảng 94% - 96%: oxy trong máu trung

Hình 2. 5. Các thế tác động qua màng

bình – cần cho thở thêm oxy.
• Nếu lượng oxy trong máu hịa tan ở khoảng 90% - 93%: oxy trong máu thấp –
nên có y tá hoặc bác sĩ theo dõi hoặc đến bệnh viện gần nhất.
• Nếu SpO2 dưới 92% khơng thở oxy hoặc dưới 95% có thở oxy: đây là các dấu
hiệu suy hơ hấp rất nặng.
• Độ bão hịa oxy thấp hơn 90% là một cấp cứu trên lâm sàng.
Chỉ số SpO2 ở trẻ sơ sinh cũng giống như người lớn: trên 94%. Nếu chỉ số SpO2
của trẻ giảm xuống dưới mức 90% thì cần thơng báo cho y bác sĩ để được hỗ trợ can
thiệp kịp thời.
Nồng độ oxy trong máu bất thường nói lên:
- Ngộ độc CO là một khí độc, có nhiều khi đốt than. Đã có nhiều nạn nhân ngộ
độc khí CO do dùng than tổ ong để sưởi ấm để lại hậu quả nghiêm trọng. CO thay thế
oxy ở vị trí gắn vào Sắt trên phân tử Hb gây ra ngộ độc CO, làm tăng COHb (CO gắn
vào Hemoglobin) và giảm HbO2 (oxy gắn vào Hemoglobin). Hiện tượng này làm giảm
độ bão hòa của oxy trong máu.
- Thiếu máu tức là Hemoglobin trong máu giảm thấp hơn bình thường. Khi khơng
có tình trạng thiếu oxy máu, máy đo oxy dựa vào mạch đập sẽ cho kết quả chỉ số SpO2
chính xác khi nồng độ hemoglobin giảm xuống 2 - 3g/dL.
- Những bệnh nhân có chỉ số đo SpO2 dưới 93%, được đánh giá là thiếu oxy máu
cần được thở oxy hoặc thở máy (nếu bệnh nhân khơng tự thở được). Với bệnh nhân
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10