B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯƠ
̀
NG ĐA
̣
I HO
̣
C BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------
ĐOÀN MNH NG
NGHIÊN CU THIT K H THNG THEO DÕI NHP TIM BNG
ARDUINO UNO VÀ PROCESSING
LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SĨ KỸ THUT
K THUT Y SINH
Hà ni - 2016
B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯƠ
̀
NG ĐA
̣
I HO
̣
C BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------
ĐOÀN MẠNH CƯNG
NGHIÊN CU THIT K H THNG THEO DÕI NHP TIM BNG
ARDUINO UNO VÀ PROCESSING
Chuyên ng
nh: K thut y sinh
LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SĨ KỸ THUT
K THUT Y SINH
NG DN KHOA HC:
I
ni - 2016
1
LƠ
̀
I CAM ĐOAN
ng tôi ving không
sao ch
p, nhng kt qu c ph
ng c
trong lu

c công
b
t bt c tài lii mi hình thc. C
c thông tin s
d
ng trong lu

c
ngu
n g
c v

c tr
ch dn r
r
ng.
Tôi xin hoàn toàn chu trách nhim nu du hiu sao chép kt qu t các
tài liu khác.
2
LƠ
̀
I CA
̉
M ƠN
Trong th
i gian h
c t
p, nghiên c
u v
ho
n thi
n lu
   
nh
n

c s
gi

r
t t
n t
nh v

o c
a c
c th
y gi
o trong vi
n t
Vi
i h
c bách khoa H
N
i.

u tiên em xin g
i l
i c

c t
i TS Hi

t
n t
nh

ng dn v
gi

em ho
n th
nh lu

t nghi
p th
c s
trong su
t th
i
gian v
a qua.
Em c
ng xin c

c qu
th
y cô, c
c anh ch
v
c
c b
n t
i vi
n t
- Vi
i h
c Bách khoa Hà N
c
nh
ng g
p
kin k
p th
i v
b
ch,
gi

em trong su
t qu
tr
nh nghiên c
u lu

y.
Ngo
i ra, em c
ng xin b
y t
l
ng bi
   
 
  
nh, b
n b
,
nh


luôn
ng h
em trong su
t qu
tr
nh h
c t
p v
ho
n th

tr

o t
o Th
c s
t
i vi
n t
Vi
i h
c Bách khoa Hà ni.
M
c d

n l
c v
c
g
ng ho
n thi
n lu

ng t
t c
nhi
t t
nh v

c c
a m
nh, tuy nhiên không th
tr
nh kh
i nh
ng thi
u s
t, r
t mong nh
n

c nh
ng 
ng g
p qu
b
u c
a qu
th
y cô v
c
c b
n.
Em xin chân th
nh c

Ha
̀
Nô
̣
i, nga
̀
y 21 tha
́
ng 10 năm 2016
HC VIÊN
ĐOÀN MẠNH CƯNG
3
DANH MC CÁC T VIT TT
VIT TT
THUT NG
TING ANH
DỊCH NGHĨA
PPG
PhotoPlethysmoGram
 th  tích bng quang hc
HR
Heart Rate

BPM
Beats Per Minute
S nhp mi phút
IBI
Inter Beat Interval
Khong thi gian gia hai nhp
tim liên tip
HRV
Heart Rate Variability
S bin thiên nhp tim
PTT
Pulse Transit Time
Thi gian truyn xung
PSD
Power Spectral Density
M ph ng
PTT
Pulse Transit Time
Thi gian truyn xung
ECG
ElectroCardioGram

FFT
Fast Fourier Transform
Bii nhanh Fourier
HF
High Frequency
Tn s cao
LF
Low Frequency
Tn s thp
VLF
Very Low Frequence
Tn s rt thp
4
MC LC
L
 ....................................................................................................... 1
L
I C
 ............................................................................................................. 2
DANH MC CÁC T VIT TT ............................................................................. 3
MC LC .................................................................................................................. 4
DANH MC HÌNH NH .......................................................................................... 6
LI M U ............................................................................................................. 8
NG QUAN V  TÀI .................................................................... 10
1.1. Gii thiu chung v nhp tim ............................................................................. 10
1.2. Phân bit nhp tim vi ch s huyt áp .............................................................. 13
1.3. Nhp tim trung bình ........................................................................................... 14
1.4. Mt s nh nhp tim ............................................................. 16
1.4.1. Sóng mch, nhp mp tim th công ...................... 16
nh nhp tim m luyn tp an toàn ........................................... 17
nh nhp tim trong y t ..................................................... 19
14.3.1. Nghe tim ....................................................................................................... 19
p tim Oscillometric...................................................... 19
 (ECG). ..................................................................................... 21
p tim bng các thit b n t ............................................................. 22
nh nhp tim bp th quang hc .............................. 24
1.5. S quan trng ca nhp tim ............................................................................... 25
1.6. Kt lu ............................................................................................. 26
 THU NHN TÍN HIN TIM ......................................... 27
2.1. Cu trúc và hong ci .......................................................... 27
n sinh lý tim ................................................................................................. 30
2.3. Mô hình phân tách phc hp QRS ca Pan, Hamilton và Tompkins. .............. 36
 th  tích bng quang hc - Photoplethysmogram (PPG) .................... 42
2.4.1. Khái nim ....................................................................................................... 42
2.4.2. Dng tín hiu PPG .......................................................................................... 43
2.4.3. K thut thu PPG ............................................................................................ 43
2.5. S bin thiên ca nhp tim (HRV - Heart Rate Variability) .............................. 44
5
2.5.1 Phân tích HRV trong min thi gian ............................................................... 45
2.5.2. Phân tích HRV trong min tn s ................................................................... 47
2.6. Kt lu ............................................................................................. 52
 THIT K  .................................. 53
VÀ GIÁM SÁT NHP TIM ..................................................................................... 53
3.1. Yêu c tài .................................................................................................... 53
 khi h thng ........................................................................................... 53
3.3. La chn linh kin ............................................................................................. 58
3.3.1. Cm bin nhp tim Pulse SenSor .................................................................... 58
3.3.2. Arduino Uno R3 ............................................................................................. 59
3.4. Kt lu ............................................................................................. 64
C THI THIT K .......................................................................... 66
HP TIM ............................................................ 66
4.1. Thit k phn cng ............................................................................................ 66
4.2. Thit k phn mm ............................................................................................ 67
4.3. Kt qu nghiên cu ............................................................................................ 69
4.5. Kt lu ............................................................................................. 72
KT LUN NG PHÁT TRIN ................................................................ 74
TÀI LIU THAM KHO ......................................................................................... 75
PH LC ................................................................................................................. 75
6
DANH MC HÌNH NH
Hình 1.1. Thông s đánh giá nhịp người bình thường trng thái ngh ngơi ............ 15
Hình 1.2. Các đim đng mch áp sát b mt da ..................................................... 16
Hình 1.3. Mt thiết b nghe nhp tim ........................................................................ 19
Hình 1.5. Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương pháp Ocillometric ........................ 20
Hình 1.6. Điện tâm đồ .............................................................................................. 21
Hình 1.7. Răng cưa đin tâm đồ ............................................................................... 22
Hình 1.8. Mt loại vòng đeo tay và đồng h thông minh có chức năng đo nhịp tim 23
Hình 1.9. Đo nhp tim bng ng dng hoc cm biến nhp tim trên SmartPhone ... 23
Hình 1.10. Thiết b đo huyết áp, nhịp tim, SpO2 điện t loi qun tay và kp tay . 23
Hình 1.11. Dng tín hiu ca nhp tim ..................................................................... 24
Hình 1.12. S hp th ánh sáng của động mch khi truyn qua ngón tay ............... 25
Hình 2.1. Bung tim và van tim ................................................................................ 27
Hình 2.2. H thng dn truyn tim ........................................................................... 29
Hình 2.3. Sơ đ thu nhn tín hiệu điện tim với 3 điểm đo ........................................ 31
Hình 2.4. H thng dn truyền và điện thế hot đng tng v trí trong tim............. 32
Hình 2.5. Các đạo trình chi ca Einthoven và tam giác Einthoven ......................... 33
Hình 2.6. Các thành phần cơ bản của sóng đin tim cn phân tích ........................ 34
nh 2.7. Các đặc trưng tần s ca tín hiệu điện tim .............................................. 35
Hình 2.8. Phương pháp phân tách phc hp QRS ca Pan và Tompkin ................. 36
Hình 2.9. Mô hình thc hin phân tách phc hp QRS do Hamilton và Tompkins . 37
Hình 2.10. Mi liên h gia vic di chuyn ca s và phc hp QRS ..................... 39
Hình 2.11. Dng tín hiu PPG ................................................................................. 43
Hình 2.12. Thu tín hiu PPG s dng LED và PD (Photodetector) ........................ 44
Hình 2.13. Phát hiện đnh vi ca s là 11 ............................................................. 46
Hình 2.14. Xác định đỉnh ca tín hiu ...................................................................... 46
Hình 2.15. Khoảng cách đỉnh liên tiếp và dng tín hiu HRV ................................. 47
Hình 2.16. Mt đ ph năng lượng trong min VLF, LF và HF .............................. 50
Hình 2.17. Cân bng h thn kinh t ch và biến thiên nhp tim ............................. 51
Hình 2.18. Hình Mt đ ph năng lượng trong min tn s LF và HF .................. 52
Hình 3.1. Sơ đ khi h thng .................................................................................. 53
7
Hình 3.2. Sơ đ mch cm biến da trên cm biến xung Pulse ............................... 54
Hình 3.3. S truyền ánh sáng qua động mch ......................................................... 55
Hình 3.4. Đ th s hp th ánh sáng sau khi truyền qua động mch ..................... 57
Hình 3.5. S thay đổi cường độ sáng khi truyn qua ngón tay ................................ 57
Hình 3.6. Cm biến nhp tim (xung) Pulse Sensor ................................................... 58
Hình 3.7. Sơ đ nguyên lý ca cm biến nhp tim .................................................... 59
nh 3.8. Board mch phát trin Arduino Uno R3 .................................................. 61
Hình 3.7. Arduino Uno R3 Pinout ............................................................................ 65
Hình 4.1. Hình nh phn cng kết ni vi máy tính ................................................ 66
Hình 4.2. Lưu đ thuật toán chương trình điều khin .............................................. 67
Hình 4.3. Dng sóng ca nhp tim ............................................................................ 68
Hình 4.4. Hình nh hin th trên giao din phn mm Processing .......................... 69
Hình 4.5. Xung tín hiệu điện tim thu được ............................................................... 70
Hình 4.6. Các giá tr và dng ph năng lượng ca BPM, IBI, tn s HR ............... 71
Hình 4.7. Các giá tr ph năng lượng ca IBI Spectrum, LF, HF, Beats LF vs
HF Percentage .......................................................................................................... 71
8
LI M ĐẦU
Trái tim mt thành phn rt quan tr i. Quá trình
hong nh ca tim s  kho mnh duy trì s sng. Biu
hin ca tim th c các trng thái bnh tn ca con
i. Quá trình phân tích tín hin tim th c khá chính xác các
biu hing gp ca bnh tim t n nh n v tình trng
sc kho ca bnh nhân.
Th k c coi là k nguyên ca các bnh tim mch, và c th k 21 hin
nay, bnh tim mch, song song vi các bng, nm trong s
nhng bnh ph bin nguy him nhi. Bnh v tim mc bit
nguy him không x  c còn nguyên nhân ca nhiu bnh tim
mch không tim mch khác, cho nên cha tr ru qu  li rt
ln. Chính va bn
kinh t càng ngày càng phát tri     ng ngày càng tr lên ô
nhim... V theo dõi sc khng xuyên tr lên rt cp thit cho nên vic
giám sát nhi.
 m bin áp sut bng m
 lc tín hing b vi nhp tim mà không h ng ti s 
máu tm bin thì s    xut
p tim b
 bnh nhân, nhi có th nh nhp tim ca mình
th  tình hình sc khe ca bng thi có k hoch
khám bu tr cho phù hp.
Ni dung ca LuNghiên cu, thit k h thng theo dõi nhp tim bng
Arduino và Processingm các phn sau:
ng quan v  tài
 thu nhn tín hin tim
 thit k p tim
4. Thc thi thit k p tim
9
 th hoàn thành luc viên chân thành c
Hi và các thy, cô ti hc Bách Khoa N em
trong sut quá trình thc hin lu gng ht si gian
kin thc còn hn ch nên lui sai sót, em rt mong s b
sung, góp ý ca các thy cô!
Hà Ni, ngày 21 tháng10 năm 2016
Hc viên
ng
10
Chương 1. TỔNG QUAN V ĐỀ TÀI
1.1. Gii thiu chung v nhp tim
Cùng vi các thông s t áp, ch s ng huyt, n oxy trong
máu, thân nhip tim ci là thông s quan trng khác biu din tình
trng sc khe ci. Khi mt bn khám bnh thì công viu
tiên ca bác s ng kim tra nhp tim, huyt áp bnh nhân trong sut quá
u tr thông s c thu thp, kim tra. Công vic
ng chc t ln
u tr cho bc bit vi nhng bnh tim mch bnh nhân
hu phu.
Nhp tim - con s ng chng rt quen thu  
ng, nht khi thông s u v sc khe tim mch. Các chuyên gia y
t n nhp tim khi kim tra sc khu qu ca
viu tr nói chung, mi chúnt cn hiu nhp tim mình
 phát hin nhng tín hiu xu.
Nhng b   n khuyt tt bm sinh thì nhng yu t bt kh
kháng. Nhi b các bnh tim bm sinh càng cn thit quan tâm và bo v h
thng tim mch ca mình nhiu ng hp tr b bnh tim bm sinh các
bc cha m cn phi phát hin các triu ch bit con mình b
khuyt tt tim bm sinh gì (n cha tr và phòng ngy ra.
Nhp tim s lp trên mi phút. ph thuc vào tng nhân, tui
c bnh hay trng thái ngi yên hoc di chuyn, s
dng thuc hay không, thm chí nhi ng ti nhp tim.
Mt yu t gn lin vi chúng ta hàng ngày và có n nhp tim mt cách rõ
ràng, d nhn bit chính cm xúc: khi b kích thích hay s hãi, vui mng hay lo
lu th t c các yu t c dung hòa
 p tim nh nh s phi hp nhp nhàng ca h th
h thn kinh tim, h mch các cht trung gian hóa h  tim
hong hiu qu tr li.
11
Trái tim trung tâm ca h tuc cn mn. i
ng thành, tim th n mi ngày. Ngay c khi ngh 
c, gc rút. khi cn, tim th 
tc gp hai l i li t 5
lít mt phút, 5 lít xp x n 20 lít mt phút khi tp th
thao.
Nh  u </