Đồ án Khảo sát kit Medical Application Kinetis K50 và ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Khảo sát kit Medical Application Kinetis K50 và ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG KHẢO SÁT KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 VÀ ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU VÀ NHỊP TIM GVHD: ThS. PHẠM TỶ PHÚ SVTH: NGUYỄN MINH QUÂN MSSV: 12141184 SVTH: LÊ THẾ NHẬT MSSV: 12141158 S K L 0 0 4 5 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 VÀ ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU VÀ NHỊP TIM GVHD: ThS. Phạm Tỷ Phú SVTH: Nguyễn Minh Quân MSSV: 12141184 Lê Thế Nhật MSSV: 12141158 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2016
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 VÀ ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU VÀ NHỊP TIM GVHD: ThS. Phạm Tỷ Phú SVTH: Nguyễn Minh Quân MSSV: 12141184 Lê Thế Nhật MSSV: 12141158 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2016
4. CAM ĐOAN Chúng tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chúng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong đồ án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Quân Lê Thế Nhật BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iii
5. LỜI CẢM ƠN Chúng tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã trang bị cho em kiến thức và giúp đỡ em giải quyết những khó khăn trong quá trình làm đồ án. Đặc biệt chúng tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn, Th.S Phạm Tỷ Phú đã tận tình giúp đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ chúng tôi trong quá trình thực hiện. Cuối cùng chúng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã khích lệ, giúp đỡ và ủng hộ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Sinh viên Nguyễn Minh Quân Lê Thế Nhật BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iv
6. MỤC LỤC Nội dung Trang Nhiệm vụ đồ án i Lịch trình ii Cam đoan iii Lời cảm ơn iv Mục lục v Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ xiv Tóm tắt xv CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 2 1.3. Nội dung đề tài 2 1.4. Giới hạn 2 1.5. Bố cục 3 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Giới thiệu kit Medical Application Kinetis K50 4 2.2 Định nghĩa về nhịp tim và nồng độ oxy trong máu 7 2.3 Nguyên lý của Pulse Oximetry 7 2.4 Mối tương quan giữa chỉ số SPO2 và nhịp tim với cơ thể 11 2.4.1 Nồng độ oxy trong máu 11 2.4.2 Nhịp tim 11 CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT 12 3.1 Tổng quan module TWR-K53N512 12 3.1.1 Tính năng chính của module TWR-K53N512 12 3.1.2 Sơ đồ khối của module TWR-K53N512 14 3.1.3 Vi điều khiển K53N512 15 3.1.4 Xung hệ thống 15 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP v
7. 3.1.5 Nguồn hệ thống 16 3.1.6 Giao tiếp gỡ lỗi 16 3.1.7 Cổng giao tiếp hồng ngoại 19 3.1.8 Cảm biến gia tốc 20 3.1.8.1 Tổng quan cảm biến gia tốc MMA7660FC 20 3.1.8.2 Mạch giao tiếp IC MMA7600FC với vi điều khiển K53N512 21 3.1.8.3 Các thông số xác định hướng của cảm biến MMA7660FC 21 3.1.9 Giao tiếp với biến trở, nút nhấn và led 23 3.1.10 Cổng kết nối đa dụng (General Purpose Tower plug-in - twrpi) 25 3.1.11 Giao tiếp cảm ứng chạm (touch interface) và giao tiếp với segment lcd 26 3.1.12 Ethernet 28 3.1.13 Cổng kết nối y tế 28 3.1.14 Thiết lập các jumper 29 3.2 Tổng quan các module trong vi điều khiển K53N512 33 3.2.1 Module cấu hình và điều khiển PORT 33 3.2.1.1 Tổng quan 33 3.2.1.2 Tính năng 33 3.2.1.3 Các thanh ghi cấu hình PORT 34 3.2.1.4 Thanh ghi truy xuất dữ liệu 35 3.2.2 Module DAC 37 3.2.2.1 Giới thiệu 37 3.2.2.2 Tính năng 37 3.2.2.3 Các thanh ghi của DAC 37 3.2.3 Module ADC 38 3.2.3.1 Giới thiệu 38 3.2.3.2 Tính năng 38 3.2.3.3 Các thanh ghi của ADC 39 3.2.4 Operational Amplifier Module (OPAMP) 45 3.2.4.1 Tính năng 45 3.2.4.2 Các thanh ghi của OPAMP 45 3.2.5 Transimpedance Amplifier Module (TRIAMP) 46 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vi
8. 3.2.5.1 Tính năng 46 3.2.5.2 Các thanh ghi của TRIAMP 46 3.2.6 Flex Timer 46 3.2.6.1 Giới thiệu 46 3.2.6.2 Tính năng 46 3.2.7 Secured digital host controller Module ( SDHC) 48 3.2.7.1 Tổng quan 48 3.2.7.2 Tính năng 48 3.2.8 Touch sense input module (TSI) 50 3.2.9 Các chuẩn giao tiếp 50 3.2.9.1 Inter-Integrated Circuit (I2C) 50 3.2.9.2 Universal Asynchronous Receiver/Trasmitter (UART) 51 3.2.9.3 Chuẩn truyền thông SPI 52 3.2.9.4 Universal Serial Bus (USB) 53 3.3 Tổng quan module kết nối TWR-ELEV 54 3.4 Tổng quan module giao tiếp TWR-SER 55 3.5 Khảo sát các ứng dụng y sinh trên kit Medical Application Kinetis K50 58 3.5.1 Khảo sát ứng dụng đo chức năng hô hấp của phổi 62 3.5.2 Khảo sát ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu 67 3.5.3 Khảo sát ứng dụng đo đường huyết 69 3.5.4 Khảo sát ứng dụng đo huyết áp 72 3.5.5 Khảo sát ứng dụng đo điện tim 75 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG 79 4.1 Phần mềm lập trình 79 4.2 Ứng dụng cảm biến gia tốc MMA7660 và điều khiển led qua máy tính 80 4.2.1 Lưu đồ giải thuật xử lí trên kit 80 4.2.2 Giao diện trên máy tính 83 4.3 Ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim 83 4.3.1 Module MED-SPO2 84 4.3.1.1 Sơ đồ khối của module MED-SPO2 84 4.3.1.2 Mạch điều khiển led cơ bản 85 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vii
9. 4.3.1.3 Bộ chuyển đổi dòng sang áp 86 4.3.1.4 Bộ lọc và khuếch đại 86 4.3.1.5 Bộ tạo điện áp tham chiếu 89 4.3.2 Cảm biến SPO2 89 4.3.3 Thiết kế giao diện 90 4.3.4 Quy trình phần mềm thực hiện đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim 92 4.3.5 Các bước thực hiện đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim 94 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 96 5.1 Ứng dụng cảm biến gia tốc MMA7660FC để xác định trạng thái của kit 96 5.1.1 Kết quả 96 5.1.2 Nhận xét kết quả 98 5.2 Ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim 99 5.2.1 Kết quả thống kê 99 5.2.1.1 Kết quả của bạn Trần Hữu Trực (22 tuổi) 99 5.2.1.2 Kết quả của bạn Nguyễn Đăng Khoa (22 tuổi) 101 5.2.1.3 Kết quả của bạn Đào Ngọc Ánh (22 tuổi) 103 5.2.1.4 Kết quả của bạn Lê Thế Nhật (22 tuổi) 106 5.2.1.5 Kết quả của bạn Nguyễn Minh Quân (22 tuổi) 108 5.2.2 Nhận xét kết quả 110 5.2.3 Đánh giá kết quả 110 CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 111 6.1 Kết luận 111 6.2 Hướng phát triển 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 113 PHỤ LỤC . . 114 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP viii
10. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Module điều khiển TWR-K53N512 5 Hình 2.2: Module giao tiếp TWR-SER 5 Hình 2.3: Module kết nối TWR-ELEV Secondary 6 Hình 2.4: Module kết nối TWR-ELEV Primary 6 Hình 2.5: Kit Medical Application Kinetis K50 7 Hình 2.6: Sự hấp thụ ánh sáng qua mô sống 8 Hình 2.7: Pulse Oximetry truyền xuyên qua và phản xạ 10 Hình 3.1: Mặt trên của module TWR-K53N512 13 Hình 3.2: Mặt dưới của module TWR-K53N512 13 Hình 3.3: Sơ đồ khối của module TWR-K53N512 14 Hình 3.4: Sơ đồ chân của MC9S08JM60CLD loại 44 chân 19 Hình 3.5: Mạch giao tiếp hồng ngoại 20 Hình 3.6: Mạch giao tiếp IC MMA7600FC với vi điều khiển PK53N512 21 Hình 3.7: Hai nút nhấn kết nối GPIO/interrupt 24 Hình 3.8: Nút nhấn Reset 24 Hình 3.9: Mạch kết nối 2 led và 2 bản cực cảm biến điện dung 25 Hình 3.10: Mạch kết nối biến trở 25 Hình 3.11: Thanh ghi điều khiển PIN thứ n (PORTx_PCRn) 34 Hình 3.12: Thanh ghi điều khiển chân thấp toàn cục (PORTx_GPCLR) 34 Hình 3.13: Thanh ghi điều khiển chân cao toàn cục (PORTx_GPCHR) 34 Hình 3.14: Thanh ghi cờ báo ngắt (PORx_ISFR) 34 Hình 3.15: Thanh ghi xung clock cho bộ lọc số (PORTx_DFCR) 35 Hình 3.16: Thanh ghi cấu hình độ rộng của bộ lọc số (PORTx_DFWR) 35 Hình 3.17: Thanh ghi xuất dữ liệu ra PORT (GPIOx_PDOR) 35 Hình 3.18: Thanh ghi xuất mức 1 ra PORT (PORTx_PSOR) 35 Hình 3.19: Thanh ghi xuất mức 0 ra PORT (PORTX_PCOR) 36 Hình 3.20: Thanh ghi đảo trạng thái ngõ ra PORT (PORTx_PTOR ) 36 Hình 3.21: Thanh ghi đọc dữ liệu từ PORT (PORTx_PDIR) 36 Hình 3.22: Thanh ghi định hướng dữ liệu PORT (PORTx_PDDR) 36 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ix
11. Hình 3.23: Thanh ghi dữ liệu mức thấp 37 Hình 3.24: Thanh ghi dữ liệu mức cao (ADCx_DATH) 37 Hình 3.25: Thanh ghi trạng thái (DACx_SR) 37 Hình 3.26: Thanh ghi điều khiển 0 (DACx_C0) 38 Hình 3.27: Thanh ghi điều khiển 1 (DACx_C1) 38 Hình 3.28: Thanh ghi điều khiển 2 (DACx_C2) 38 Hình 3.29: Thanh ghi trạng thái và điều khiển 1 (ADCx_SC1n) 39 Hình 3.30: Thanh ghi cấu hình cho ADC 1 (ADCx_CFG1) 40 Hình 3.31: Thanh ghi cấu hình cho ADC 2 (ADCx_CFG2) 40 Hình 3.32: Thanh ghi chứa kết quả dữ liệu của ADC (ADCx_Rn) 40 Hình 3.33: Thanh ghi so sánh giá trị (ADCx_CVn) 41 Hình 3.34: Thanh ghi trạng thái và điều khiển 2 (ADCx_SC2n) 41 Hình 3.35: Thanh ghi trạng thái và điều khiển 3 (ADCx_SC3n) 41 Hình 3.36: Thanh ghi cân chỉnh offset (ADCx_OFS) 42 Hình 3.37: Thanh ghi tăng độ lợi (ADCx_PG) 42 Hình 3.38: Thanh ghi giảm độ lợi (ADCx_MG) 42 Hình 3.39: Thanh ghi chứa giá trị tăng độ lợi hiệu chỉnh (ADCx_CLPD) 42 Hình 3.40: Thanh ghi ADCx_CLPS 42 Hình 3.41: Thanh ghi ADCx_CLP4 43 Hình 3.42: Thanh ghi ADCx_CLP3 43 Hình 3.43: Thanh ghi ADCx_CLP2 43 Hình 3.44: Thanh ghi ADCx_CLP1 43 Hình 3.45: Thanh ghi ADCx_CLP0 43 Hình 3.46: Thanh ghi PGA của ADC (ADCx_PGA) 44 Hình 3.47: Thanh ghi chứa giá trị giảm độ lợi hiệu chỉnh (ADCx_CLMD) 44 Hình 3.48: Thanh ghi ADCx_CLMS 44 Hình 3.49: Thanh ghi ADCx_CLM4 44 Hình 3.50: Thanh ghi ADCx_CLM3 45 Hình 3.51: Thanh ghi ADCx_CLM2 45 Hình 3.52: Thanh ghi điều khiển thứ 0 (OPAMPx_C0) 45 Hình 3.53: Thanh ghi điều khiển thứ 1 (OPAMPx_C1) 45 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP x
12. Hình 3.54: Thanh ghi điều khiển thứ 2 (OPAMPx_C2) 46 Hình 3.55: Thanh ghi điều khiển thứ 0 (TRIAMPx_C0) 46 Hình 3.56: Kết nối hệ thống của SDHC 48 Hình 3.57: Ví dụ về USB OTG 53 Hình 3.58: Mặt trong của module TWR-ELEV Primary 54 Hình 3.59: Mặt ngoài của module TWR-ELEV Primary 54 Hình 3.60: Module giao tiếp TWR-SER 55 Hình 3.61: Các chân được đánh dấu là Primary 58 Hình 3.62: Các chân được đánh dấu là Secondary 59 Hình 3.63: Kit Medical Application Kinetis K50 sao khi được lắp ráp hoàn chỉnh 59 Hình 3.64: Chọn Environment Variables trong System Properties 60 Hình 3.65: Tạo mới một biến hệ thống 61 Hình 3.66: Nhận diện kết nối với module TWR-SER khi kết nối với máy tính 61 Hình 3.67: Module MED-SPI 62 Hình 3.68: Chọn trình gỡ lỗi cho Kit trong IAR EW 63 Hình 3.69: Chọn cổng kết nối khi mở GUI 64 Hình 3.70: Giao diện ban đầu khi mở Medical GUI bản 32 bit 64 Hình 3.71: Giao diện đo y tế của hãng Freescale 65 Hình 3.72: Cách gắn ống thở với cảm biến áp suất 65 Hình 3.73: Ví dụ về kết quả đo chức năng hô hấp 66 Hình 3.74: Module MED-SPO2 67 Hình 3.75: Kết nối cảm biến đo SPO2 với module MED-SPO2 68 Hình 3.76: Đặt ngón trỏ vào cái kẹp của cảm biến đo SPO2 68 Hình 3.77: Ví dụ về kết quả SPO2 69 Hình 3.78: Module MED-GLU 69 Hình 3.79: Gắn que thử vào đầu gắn que của module MED-GLU 71 Hình 3.80: Bơm dung dịch mẫu thử trên que thử 71 Hình 3.81: Ví dụ về kết quả đo đường huyết 71 Hình 3.82: Module MED-BPM 72 Hình 3.83: Hộp xám 73 Hình 3.84: Bên trong hộp xám 73 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xi
13. Hình 3.85: Hệ thống đo huyết áp sau khi kết nối hoàn chỉnh 74 Hình 3.86: Quấn băng tay vào tay trái 74 Hình 3.87: Ví dụ về kết quả đo huyết áp 75 Hình 3.88: Module MED-EKG 75 Hình 3.89: Kết nối các điện cực mở rộng vào module MED-EKG 77 Hình 3.90: Vị trí kết nối các điện cực trên người 77 Hình 3.91: Đặt ngón tay lên điện cực trên module MED-EKG 77 Hình 3.92: Ví dụ về kết quả đo điện tim 78 Hình 4.1: Lưu đồ xử lý trên kit 82 Hình 4.2: Giao diện demo hiển thị vị trí đặt kit và điều khiển led 83 Hình 4.3: Module MED-SPO2 mặt trên 84 Hình 4.4: Module MED-SPO2 mặt dưới 84 Hình 4.5: Sơ đồ khối module MED-SPO2 84 Hình 4.6: Mạch điều khiển led cơ bản 85 Hình 4.7: Mạch chuyển đổi dòng sang áp 86 Hình 4.8: Mạch lọc và khuếch đại 87 Hình 4.9: Bộ lọc thông thấp tần số cắt 6 Hz 87 Hình 4.10: Mạch lọc Notch 60Hz 87 Hình 4.11: Mạch lộc thông cao 0.8Hz 88 Hình 4.12: Mạch lọc thông thấp tích cực 88 Hình 4.13: Mạch tạo điện áp tham chiếu 89 Hình 4.14: Cảm biến SPO2 89 Hình 4.15: Đầu kết nối với module MED-SPO2 90 Hình 4.16: Giao diện chọn cổng COM 90 Hình 4.17: Giao diện thực hiện đo oxy trong máu và nhịp tim 91 Hình 4.18: Giao diện hiển thị cổng com để chọn 94 Hình 4.19: Giao diện hiển thị kết quả đo 95 Hình 5.1: Kit ở vị trí 1 96 Hình 5.2: Kit ở vị trí 2 96 Hình 5.3: Kit ở vị trí 3 97 Hình 5.4: Kit ở vị trí 4 97 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xii
14. Hình 5.5: Kit ở vị trí 5 97 Hình 5.6: Kit ở vị trí 6 97 Hình 5.7: Đặt kit ở vị trí 1 97 Hình 5.8: Đặt kit ở vị trí 2 97 Hình 5.9: Đặt kit ở vị trí 3 98 Hình 5.10: Đặt kit ở vị trí 4 98 Hình 5.11: Đặt kit ở vị trí 5 98 Hình 5.12: Đặt kit ở vị trí 6 98 Hình 5.13: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Trần Hữu Trực (22 tuổi) ở trạng thái không vận động 101 Hình 5.14: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Trần Hữu Trực (22 tuổi) ở trạng thái vận động 101 Hình 5.15: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Nguyễn Đăng Khoa (22 tuổi) ở trạng thái không vận động 103 Hình 5.16: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Nguyễn Đăng Khoa (22 tuổi) ở trạng thái vận động 103 Hình 5.17: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Đào Ngọc Ánh (22 tuổi) ở trạng thái không vận động 105 Hình 5.18: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Đào Ngọc Ánh (22 tuổi) ở trạng thái không động 105 Hình 5.19: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Lê Thế Nhật (22 tuổi) ở trạng thái không vận động 107 Hình 5.20: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Lê Thế Nhật (22 tuổi) ở trạng thái không động 107 Hình 5.21: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Nguyễn Minh Quân (22 tuổi) ở trạng thái không vận động 109 Hình 5.22: Nhịp tim (HR) và nồng độ oxy trong máu (SPO2) của bạn Nguyễn Minh Quân (22 tuổi) ở trạng thái vận động 109 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xiii
15. LIỆT KÊ BẢNG VẼ Bảng Trang Bảng 2.1: Sự khác nhau của tín hiệu trong chu kỳ tâm trương và tâm thu. 9 Bảng 3.1: Các chân kết nối Cortex Debug ET 17 Bảng 3.2: Mô tả chức năng chân của IC MMA7600FC 21 Bảng 3.3: Thanh ghi IC MMA7600FC 22 Bảng 3.4: Xác định hướng 23 Bảng 3.5: Cổng kết nối đa dụng ( TWRPI) 26 Bảng 3.6: Ổ cắm giao tiếp cảm ửng chạm ( Touch TWRPI) 27 Bảng 3.7: Thiết lập Jumper cấu hình Ethernet 28 Bảng 3.8: Cổng kết nối y tế 28 Bảng 3.9: Thiết lập Jumper kit TWR-K55N512 29 Bảng 3.10: Thiết lập các Jumper module TWR-SER 55 Bảng 5.1: Kết quả đo của bạn Trần Hữu Trực 99 Bảng 5.1: Kết quả đo của bạn Nguyễn Đăng Khoa 101 Bảng 5.1: Kết quả đo của bạn Đào Ngọc Ánh 103 Bảng 5.1: Kết quả đo của bạn Lê Thế Nhật 106 Bảng 5.1: Kết quả đo của bạn Nguyễn Minh Quân 108 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xiv
16. TÓM TẮT Thiết bị điện tử y sinh thường được chế tạo bằng một hay nhiều vi điều khiển kết hợp với các linh kiện điện tử, cảm biến khác để tạo thành một thiết bị hoàn chỉnh. Việc khảo sát một trong số các thiết bị điện tử y sinh giúp hiểu thêm kiến thức và biết thêm được ứng dụng về y học rất hay và hữu ích của vi điều khiển. Kit Medical Application Kinetis K50 là một kit thí nghiệm chuyên dùng cho các ứng dụng y sinh và sử dụng vi điều khiển trung tâm có nền tảng của ARM. Tiến hành khảo sát các phần của kit là module điều khiển TWR-K53N512, module kết nối tháp TWR-ELEV và module giao tiếp TWR-SER, sau đó nhóm thực hiện đề tài sẽ thực hiện ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim bằng cách sử dụng module MED-SPO2. Số liệu của nhịp tim và nồng độ oxy trong máu đo được từ kit Medical Application Kinetis K50 sẽ được hiển thị lên máy tính thông qua giao diện nhóm viết bằng phần mềm matlab. Ngoài ra thì giao diện còn có thể yêu cầu kit gửi dữ liệu lên máy tính hoặc ngừng gửi. Nhóm thực hiện đề tài sẽ đo thí nghiệm với 5 người khác nhau ở 2 trạng thái vận động và không vận động để kiểm tra sự thay đổi của nhịp tim và nồng độ oxy trong máu của mỗi trạng thái. Ngoài ứng dụng đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu thì nhóm thực hiện đề tài còn thực hiện một ứng dụng về cảm biến gia tốc MMA7600FC để xác định vị trí của kit Medical Application Kinetis K50 khi thay đổi vị trí của kit và hình ảnh đại diện của kit trên giao diện matlab sẽ thay đổi tương ứng với vị trí của kit, hai led trên module TWR-K53N512 có thể được tắt hoặc mở trực tiếp bằng hai nút nhấn trên module này hoặc bằng giao diện matlab khi thực hiện ứng dụng này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xv
17. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu thế thời đại mới, Kỹ Thuật Y Sinh hiện đang là một lĩnh vực nổi bật thu hút sự quan tâm của thế giới. Đây là một lĩnh vực đa ngành, những phát minh vật lý và những kỹ thuật tiên tiến nhất được ứng dụng vào việc tạo ra các phương pháp nghiên cứu và thiết bị phục vụ cho sức khỏe cũng như giúp hiểu biết sâu hơn về các tiến trình sinh học của con người. Những sản phẩm của ngành này rất phong phú, bao gồm máy CT- scanner, X-quang, điện tâm đồ, nội soi, bộ phận nhân tạo trong cơ thể người, vật liệu sinh học và những sản phẩm đó được gọi là thiết bị điện tử y sinh. Thiết bị điện tử y sinh thường được chế tạo bằng một hay nhiều vi điều khiển kết hợp với các linh kiện điện tử, cảm biến khác để tạo thành 1 thiết bị hoàn chỉnh. Việc khảo sát một trong số các thiết bị điện tử y sinh giúp hiểu thêm kiến thức và biết thêm được ứng dụng về y học rất hay và hữu ích của vi điều khiển. Cùng với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật thì các thiết bị điện tử y sinh ngày càng hiện đại, phổ biến, có độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn và dùng để chuẩn đoán các bệnh về tim mạch, hô hấp, đường ruột Với mục đích khảo sát về thiết bị điện tử y sinh, nhóm thực hiện đề tài dựa trên bộ kit thực hành y sinh của hãng bán dẫn Freescale là kit "Medical Application Kinetis K50". Kit “Medical Application Kinetis K50” là một kit chuyên dùng cho các ứng dụng về y sinh. Kit có thể dùng để đo được nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đường huyết Mục đích chính của nhà sản xuất là giứp sinh viên tiếp cận với điện tử y sinh, vì vậy kit thí nghiệm có giá hợp lý và sử dụng vi điều khiển trung tâm có nền tảng của ARM. Kit đã được một nhóm sinh viên gồm Phạm Minh Thuận và Nguyễn Viết Minh khóa 2011 do thầy Phạm Tỷ Phú hướng dẫn tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh thực hiện để đo nồng độ oxy trong máu nhưng chỉ tập trung vào việc dùng kit để đo được nồng độ oxy trong máu và nhịp tim rồi hiển thị lên số liệu lên giao diện của nhà sản xuất cung cấp cho người sử dụng mà chưa đi khảo sát hết các phần cơ bản của kit. Nhóm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 1
18. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN thực hiện đề tài mong muốn được tiếp cận với lĩnh vực điện tử y sinh và ban đầu khảo sát các phần cơ bản của kit , thêm vào đó là ứng dụng module đo oxy trong máu và nhịp tim để giao tiếp máy tính. Với ý tưởng trên, nhóm thực hiện đề tài quyết định thực hiện đề tài: “KHẢO SÁT KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 VÀ ỨNG DỤNG ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU VÀ NHỊP TIM”. 1.2. MỤC TIÊU Khảo sát kit Medical Application Kinetis K50 và sử dụng kit để thực thi một số ứng dụng trong đó bao gồm ứng dụng đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim. 1.3. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Đề tài gồm những nội dung chính sau đây:  NỘI DUNG 1: Khảo sát tổng quan phần cứng của kit “Medical Application Kinetics K50”.  NỘI DUNG 2: Khảo sát các chương trình ứng dụng y sinh mà kit có thể làm được như đo điện tim, huyết áp, đường huyết  NỘI DUNG 3: Lập trình cho kit dựa trên các chương trình mẫu.  NỘI DUNG 4: Viết giao diện để giao tiếp và hiển thị và vẽ đồ thị số liệu của nhịp tim và nồng độ oxy trong máu qua cổng USB giữa kit với máy tính.  NỘI DUNG 5: Thực hiện đo thí nghiệm với 5 người để kiểm tra sự thay đổi của nhịp tim.  NỘI DUNG 6: Nhận xét và đánh giá kết quả thực hiện. 1.4. GIỚI HẠN  Khảo sát phần cứng của kit Medical Application Kinetis K50 gồm 3 phần là: module điều khiển chính TWR-K53N512, module kết nối tháp TWR-ELEV (Primary Elevator và Secondary Elevator) và module giao tiếp TWR-SER.  Khảo sát các chương trình ứng dụng y sinh của kit gồm: đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đường huyết, điện tim, chức năng hô hấp của phổi và huyết áp.  Hệ thống để đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu gồm kit Medical Application Kinetis K50, module MED-SPO2 và cảm biến đo nồng độ oxy trong máu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 2
19. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN  Giao diện để hiển thị và vẽ đồ thị số liệu nhịp tim và nồng độ oxy trong máu từ kit lên máy tính được viết bằng phần mềm Matlab.  Thực hiện đo thí nghiệm với 5 người chỉ ở 2 trạng thái là vận động và không vận động để kiểm tra sự thay đổi của nhịp tim. 1.5. BỐ CỤC Đồ án được xây dựng bao gồm các chương sau:  Chƣơng 1: Tổng Quan. Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này giới thiệu về kit Medical Application Kinetis K50 để khảo sát và làm ứng dụng cho đề tài và một số lý thuyết về nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.  Chƣơng 3: Khảo sát. Chương này khảo sát từng phần của kit Medical Application Kinetis K50 và những ứng dụng y sinh sử dụng kit Medical Application Kinetis K50 do nhà sản xuất cung cấp.  Chƣơng 4: Ứng dụng. Chương này tập trung vào việc sử dụng cảm biến gia tốc MMA7660 trên module TWR_K53N512 để hiển thị vị trí đặt kit Medical Application Kinetis K50 lên trên giao diện máy tính và điều khiển led từ máy tính. Sử dụng module MED-SPO2 để đo và hiển thị các thông số nhịp tim, nồng độ oxy trong máu lên máy tính.  Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Chương này trình bày các kết quả thu được từ 2 ứng dụng của chương 4 và tiến hành nhận xét và đánh giá kết quả đó.  Chƣơng 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này đưa ra các kết luận mà nhóm thực hiện đề tài đã nghiên cứu. Đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 3
20. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU KIT MEDICAL APPLICATION KINETIS K50 Kit Medical Application Kinetis K50 là một kit phát triển cho các dòng K53 của vi điều khiển Kinetis. Các vi điều khiển Kinetis được xây dựng từ công nghệ mới 90nm Thin Film Storage (TFS) của NXP với FlexMemory độc nhất. Dòng vi điều khiển Kinetis kết hợp với các sáng kiến về điện áp thấp và hiệu suất cao mới nhất, khả năng trộn tín hiệu có độ chính xác cao với 1 phạm vi kết nối rộng, giao diện người-máy, an toàn và an ninh. Tất cả các dòng vi điều khiển Kinetis bao gồm một mảng mạnh về analog, truyền thông, timing và điều khiển thiết bị ngoại vi với mức độ các tính năng được tích hợp ngày càng tăng cùng với kích thước bộ nhớ flash và số lượng đầu vào / đầu ra [1]. Dòng vi điều khiển K50 có các chân, ngoại vi và phần mềm tương thích với các vi điều khiển Kinetis khác và cung cấp cho người thiết kế một công cụ đo lường analog gồm có các hoạt động đã được tích hợp, các bộ khuyếch đại và module ADC, DAC có độ phân giải cao. Ngoài ra còn có các tính năng là IEEE 1588 Ethernet, mã hóa phần cứng và full-speed USB 2.0 On-The-Go. Dòng vi điều khiển K50 khởi đầu bằng 128 KB flash trong gói 64 QFN lên tới 512 KB flash trong gói 144 MAPBGA [1]. Kit Medical Application Kinetis K50 có thể kết hợp với các module y sinh của Freescale để tạo thành 1 hệ thống ứng dụng y sinh để đo nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, đường huyết, điện tim, chức năng hô hấp của phổi và huyết áp. Các module y sinh bao gồm:  Module MED-SPI: dùng để đo chức năng hô hấp của phổi.  Module MED-SPO2: dùng để đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim.  Module MED-EKG: dùng để đo điện tim và nhịp tim.  Module MED-BPM: dùng để đo huyết áp và nhịp tim.  Module MED-GLU: dùng để đo đường huyết. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 4
21. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Kit Medical Application Kinetis K50 bao gồm 3 phần chính đó là:  Module điều khiển TWR-K53N512: Module điều khiển TWR-K53N512 có thể hoạt động như một công cụ gỡ lỗi độc lập và có thể được mua riêng từ kit [3]. Tích hợp giao diện gở lỗi (debug) cho việc lập trình trở nên dễ dàng hơn và chạy điều khiển thông qua chuẩn USB [3]. Hình 2.1. Module điều khiển TWR-K53N512  Module giao tiếp TWR-SER. Hình 2.2. Module giao tiếp TWR-SER BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Trang 5