Thiết kế thử nghiệm hệ thống đo và giám sát nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên ngón tay

Đoàn Mạnh Cường và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 165 - 170 
165 
THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT NHỊP TIM BẰNG 
ĐẦU ĐO CẢM BIẾN GẮN TRÊN NGÓN TAY 
Đoàn Mạnh Cường*, Hoàng Văn Thực, Đỗ Văn Quyền 
Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông - ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Để đo nhịp tim, thay cho phương pháp cảm biến áp suất bằng một phương pháp để lấy được tín 
hiệu đồng bộ với nhịp tim mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông máu tại nơi đặt cảm biến thì 
sẽ nâng cao độ chính xác cho phép đo. Nghiên cứu này đề xuất phương pháp đo nhịp tim bằng 
phương pháp không xâm lấn, có nghĩa là không tác động đến cơ thể bệnh nhân. 
Bài báo giới thiệu một module xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, 
đồng thời hiển thị các thông số đo được về nhịp tim lên một giao diện trực quan được xây dựng 
trên phần mềm Processing. Phương pháp đo này sẽ không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu 
tại nơi đặt cảm biến. Đầu đo được thiết kế sao cho bệnh nhân không cảm thấy khó chịu khi gắn 
thiết bị để tiến hành đo liên tục trong một khoảng thời gian dài với giá thành chấp nhận được. Bài 
báo có thể là một giải pháp hữu ích cho các cá nhân, hộ gia đình, bệnh viện trong việc chăm sóc 
và theo dõi bệnh nhân hoặc ứng dụng trong trường học để tìm hiểu về cơ chế hoạt động của nhịp 
tim, thực hành vận dụng các kiến thức đã học về điện tử y sinh trong việc thiết kế và thi công một 
thiết bị đo, giám sát nhịp tim đơn giản và hiệu quả. 
Từ khóa: Hệ thống đo nhịp tim, Giám sát nhịp tim, Mạch giám sát nhịp tim, module đo nhịp tim, 
đo nhịp tim qua bước đi 
GIỚI THIỆU* 
Bài báo sẽ giới thiệu các phương pháp đo 
nhịp tim phổ biến hiện nay như: sử dụng thiết 
bị nghe tim, phương pháp đo nhịp tim 
Oscillometric [1] nhằm mục đích đề xuất 
phương án thiết kế Module đo và giám sát các 
thông số về nhịp tim bằng đầu đo cảm biến 
gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiển thị các 
thông số đo được lên một giao diện trực quan 
được xây dựng trên phần mềm Processing. 
Ưu điểm của module này so với các phương 
pháp đo nhịp tim truyền thống là không làm 
ảnh hưởng tới việc lưu thông máu,bệnh nhân 
không cảm thấy khó chịu khi gắn thiết bị. Đặc 
biệt là chỉ số nhịp tim đo và khảo sát trên 
nhiều người khá chính xác. Đồng thời hiển thị 
các thông số đo được về nhịp tim như Beats 
Per Minute (BPM), Interbeat Intervals (IBI), 
Heart Rate Frequency (Hz), Power Spectral 
Density (PSD), LF vs HF (Low Frequency vs 
High Frequency), Phổ tần số, Phổ BPM, Phổ 
IBI, Beats, Hiệu năng HF, LF và dạng sóng 
HR lên một giao diện trực quan được xây 
dựng trên phần mềm Processing của máy tính. 
*
 Tel: 0987 972375, Email: dmcuong@ictu.edu.vn 
PHƯƠNG PHÁP ĐO NHỊP TIM 
OSCILLOMETRIC (PHỔ BIẾN HIỆN NAY) [1] 
Quá trình đo được thực hiện theo trình tự: 
dùng một bao khí có gắn sensor đo, quấn 
quanh bắp tay của người cần đo (nơi có động 
mạch chạy qua), bắp tay nơi quấn bao khí 
phải được đặt ngang tim. Trước tiên bao khí 
được bơm căng lên để áp suất trong bao cao 
(thông thường bơm lên cỡ 180mmHg là đủ, 
đặc biệt những người già có thể phải bơm lên 
cỡ 200mmHg). Lúc này động mạch được bao 
khí chẹn lại, máu không chảy được trong 
động mạch ở chỗ bị quấn bao khí. Tiếp theo 
người ta xả từ từ khí trong bao ra, lúc này áp 
suất trong bao khí mới bắt đầu thay đổi theo 
nhịp đập của tim, do đó tín hiệu điện mà 
sensor áp suất đưa ra cũng thay đổi đồng bộ 
với nhịp tim. 
Chu kỳ thay đổi của tín hiệu điện này đúng 
bằng chu kỳ của tim [1] Phương pháp đo 
nhịp tim bằng cách đếm số chu kỳ này trong 
một khoảng thời gian nhất định. Phương 
pháp này tuy đơn giản nhưng độ chính xác 
sẽ không cao nếu đếm trong khoảng thời 
gian không đủ lớn. 
Đoàn Mạnh Cường và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 165 - 170 
166 
Hình 1. Thiết bị đo huyết áp và nhịp tim phổ biến 
Hình 2. Nguyên tắc đo nhịp tim bằng phương 
pháp Ocillometric 
Hạn chế của phương pháp đo nhịp tim 
Ocillometric: Bao khí chặn nghẽn dòng máu 
trong động mạch nơi khuỷu tay lại nên mạch 
đập của tim nhận được sẽ bị sai khác so với 
bình thường. Sai khác này tuy nhỏ nhưng ít 
nhiều vẫn ảnh hưởng tới độ chính xác của kết 
quả đo nhịp tim. 
Ngoài phương pháp đo nhịp tim thủ công này, 
hiện nay còn rất nhiều phương pháp đo và 
kiểm tra nhịp tim như: Điện tâm đồ, đo nhịp 
tim bằng các thiết bị điện tử, hấp thụ quang 
học. Bài báo sẽ đề cập đến một phương pháp 
đo nhịp tim bằng phương pháp không xâm 
lấn, có nghĩa là không tác động đến cơ thể 
bệnh nhân. Thiết kế một module xác định 
nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu 
ngón tay, đồng thời hiện thị các thông số đo 
được về nhịp tim lên một giao diện trực quan 
được xây dựng trên phần mềm Processing của 
máy tính. Phương pháp đo này sẽ không làm 
ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi 
đặt cảm biến. Đầu đo này được thiết kế sao 
cho bệnh nhận không cảm thấy khó chịu khi 
gắn để tiến hành đo liên tục trong một khoảng 
thời gian dài.[2] 
SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM 
SÁT NHỊP TIM 
Hệ thống xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm 
biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị 
các thông số đo được về nhịp tim như Beats 
Per Minute (BPM), Interbeat Intervals (IBI), 
Heart Rate Frequency (Hz), Power Spectral 
Density (PSD), LF vs HF (Low Frequency vs 
High Frequency), Phổ tần số, Phổ BPM, Phổ 
IBI, Beats, Hiệu năng HF, LF và dạng sóng 
HR lên một giao diện trực quan được xây 
dựng trên phần mềm Processing của máy tính. 
Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống 
Cảm biến nhịp tim Pulse được gắn ở đầu 
ngón tay. IR LED được sử dụng để chiếu sáng 
vào ngón tay của người sử dụng bằng ánh 
sáng hồng ngoại. Khi đó cường độ ánh sáng 
hồng ngoại phản xạ lại Photo Transistor sẽ 
thay đổi theo huyết áp trong các đầu ngón tay. 
Mỗi nhịp tim, máu sẽ đẩy ra các mao mạch ở 
ngón tay làm thay đổi cường độ phản xạ hồng 
ngoại, khiến điện áp đầu ra phía trên Photo 
Transistor thay đổi. Điện áp thay đổi sẽ được 
đưa qua một mạch lọc thông cao để lọc thành 
phần một chiều vào mạch với tần số cắt cao: 
 (1.1) 
Sau khi được lọc thông cao, tín hiệu (theo 
nhịp tim) sẽ được khuếch đại lên với hệ số 
khuếch đại tối đa lần 
Đoàn Mạnh Cường và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 165 - 170 
167 
(C), sau đó được lọc thông thấp với mục đích 
loại bỏ tạp nhiễu ở tần số cao (do ánh sáng, 
rung) với tần số cắt thấp: 
 (1.2) 
Tín hiệu cuối cùng được đưa vào so sánh với 
điện áp chuẩn qua mạch so sánh để chuyển 
đổi từ dạng điện áp tương tự sang dạng điện 
áp số để đưa về xử lý trong khối điều khiển. 
Tín hiệu cuối cùng tại đầu ra là tín hiệu mức 0 
và 1, tương ứng với khi có nhịp đập thì đầu ra 
mức 1. Xung nhịp tim được đưa về tạo ngắt 
trên Arduino Uno R3, mỗi khi có ngắt, 
Arduino sẽ đếm thời gian giữa hai lần xung 
nhịp đưa về để tính số nhịp tim mỗi phút [4]. 
Hình 4. Cảm biến nhịp tim Pulse Sensor APDS-9008 
 Hình 5. Hình ảnh thực tế Kit Arduino uno 
Để xác định số lần tim đập trong một phút ta 
đo chu kỳ của tín hiệu mạch đập. Việc đo chu 
kỳ của tín hiệu được thực hiện hoàn toàn bằng 
phần mềm. Để nâng cao độ chính xác của 
phép đo, phần mềm thực hiện đo chu kỳ trung 
bình bằng cách tính khoảng thời gian giữa hai 
xung của một số cặp xung rồi chia trung bình. 
Ở vi điều khiển cũng có thể coi là có một bộ 
lọc bằng phần mềm. Bằng cách phân tích tín 
hiệu nhịp tim ta thấy rằng nhịp tim thông 
thường không nhỏ hơn 50 và không quá 200 
nhịp một phút. Trên cơ sở đó, bằng phần mềm 
có thể loại ngay những chu kỳ đo được gây ra 
bởi nhiễu. Việc kết hợp lọc cả bằng phần 
cứng lẫn phần mềm làm tăng thêm độ chính 
xác của phép đo [3]. 
Hình 6. Sơ đồ mạch cảm biến dựa trên cảm biến 
sung Pulse 
CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 
Trên cơ sở khảo sát lý thuyết, một giải thuật 
phần mềm đã được xây dựng nhằm giải quyết 
việc đo nhịp tim bằng phương pháp không 
xâm lấn, tức là đo nhịp tim bằng đầu đo cảm 
biến gắn trên đầu ngón tay. 
Hình 7. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển 
Đoàn Mạnh Cường và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 165 - 170 
168 
Các tín hiệu xung của nhịp tim ở đầu ra PPG 
là sự biến đổi của điện áp (analog) có dạng 
sóng như hình 8: 
Hình 8. Dạng sóng của nhịp tim 
Xung từ cảm biến thay đổi tương đối trong 
cường độ ánh sáng. Nếu lượng ánh sáng thu 
được từ cảm biến vẫn không đổi, tín hiệu sẽ 
vẫn ở (hoặc gần) giá trị 512 (điểm giữa của 
dải ADC). Nếu ánh sáng nhiều hơn thì tín 
hiệu đi lên và ngược lại đối với ánh sáng ít. 
Ánh sáng từ đèn LED màu xanh lá cây được 
phản xạ trở lại với thay đổi trong mỗi xung. 
Mục tiêu là đo khoảng thời gian giữa hai nhịp 
tim kế tiếp (khoảng thời gian giữa hai xung 
đỉnh), được gọi là Inter Beat Interval (IBI) 
dựa theo hình dạng và mô hình sóng PPG. Đề 
tài sẽ thực hiện đo IBI giữa các tín hiệu có 
biên độ sóng tăng lên vượt 50% tính từ thời 
điểm có sự thay đổi về độ lớn của xung. 
Hình 9. Xung tín hiệu điện tim thu được 
Điều quan trọng để tính chính xác BPM là 
nghiên cứu về sự thay đổi của nhịp tim HRV 
và đo thời gian truyền xung PTT (Pulse 
Transit Time). BPM được xác định bằng cách 
tính trung bình của 10 giá trị IBI. Mỗi khi có 1 
xung (nhịp tim) thì đèn Led nối vào chân 13 của 
Arduino Uno R3 sẽ chớp sáng tắt tương ứng. 
Hình 10. Các giá trị và dạng phổ năng lượng của 
BPM, IBI, tần số HR 
Các giá trị đo được của nhịp tim là BPM, IBI, 
Heart Rate Frequency (Hz), Power Spectral 
Density (PSD), LF vs HF (Low Frequency vs 
High Frequency), Phổ tần số, Phổ BPM, Phổ 
IBI, Beats, Hiệu năng HF, LF và dạng sóng 
HR sẽ được vi điều khiển Arduino Uno R3 thu 
nhận từ cảm biến Pulse, tính toán và gửi dữ 
liệu ra cổng nối tiếp Serial. Chương trình trên 
Processing có nhiệm vụ đọc các giá trị này và 
hiện thị lên giao diện đồ họa trên máy tính. 
Hình 11. Các giá trị và phổ năng lượng của IBI 
Spectrum, LF, HF, Beats và LF vs HF Percentage 
THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 
Dựa trên sơ đồ khối, lưu đồ giải thuật chương 
trình điều khiển thiết kế hệ thống đo và giám 
sát nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên 
ngón tay, phần mềm phụ trợ Processing IDE, 
Hệ thống được thực hiện. 
Hình 12. Hệ thống đo và giám sát nhịp tim bằng đầu 
đo cảm biến gắn trên ngón tay đã được thiết kế 
Đoàn Mạnh Cường và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 165 - 170 
169 
Hình 13. Kết quả đo của hệ thống 
Hình 14. Kết quả đo được trên ứng dụng của điện thoại 
KẾT LUẬN 
Bài báo nghiên cứu mô phỏng về hệ thống đo 
và giám sát nhịp tim bằng phương pháp sử 
dụng đầu đo cảm biến gắn trên ngón tay, 
những kỹ thuật chế tạo tiên tiến đã được áp 
dụng giải quyết được nhiều hạn chế của các 
phương pháp đo nhịp tim hiện nay, mở ra 
nhiều ứng dụng mới trong y học. Về cơ bản 
nghiên cứu cũng đạt được một số yêu cầu 
như:. Giới thiệu các phương pháp đo nhịp tim 
phổ biến hiện nay và đề xuất phương án thiết 
kế. Tìm hiểu về các thông số của nhịp tim, cơ 
sở thu nhận tín hiệu điện tim. Phân tích cơ sở 
thiết kế và thực thi Module đo và giám sát các 
thông số về nhịp tim. Thiết kế một module 
xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn 
trên đầu ngón tay, đồng thời hiện thị các 
thông số đo được về nhịp tim như Beats Per 
Minute (BPM), Interbeat Intervals (IBI), 
Heart Rate Frequency (Hz), Power Spectral 
Density (PSD), LF vs HF (Low Frequency vs 
High Frequency), Phổ tần số, Phổ BPM, Phổ 
IBI, Beats, Hiệu năng HF, LF và dạng sóng 
HR lên một giao diện trực quan được xây 
dựng trên phần mềm Processing của máy tính. 
Hệ thống đo được thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, 
giá thành thấp, dễ dàng lắp ráp cũng như tháo 
dỡ. Độ ổn định cao, độ chính xác tin cậy so 
với phương pháp đo nhịp tim truyền thống 
Oscillometric, giao diện trực quan, và có thể 
dễ dàng mở rộng tùy biến các ứng dụng khác 
dễ dàng hơn 
Kết quả thực nghiệm và khảo sát trên nhiều 
người tương đối phù hợp với kết quả mô 
phỏng. Các sai số xảy ra có thể từ nhiều 
nguyên nhân khác nhau. 
Sai số giữa phương pháp đo truyền thống 
Ocillometric. với hệ thống là do quá trình đo 
thiết bị bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khách 
quan như tay cử động, tâm trạng thay đổi nên 
ảnh hưởng đến kết quả đo. 
Nghiên cứu có thể được phát triển thêm khi 
có thể thu gọn lại kích thước sản phẩm (sử 
dụng vi điều khiển nhỏ hơn), các thông số về 
nhịp tim hiện thị trên màn hình LCD và đeo 
được hoặc có thể giám sát trên màn hình máy 
tính thông qua các Module không dây như 
Zigbee, giám sát từ xa qua ứng dụng trên điện 
thoại hay trên Websever. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Yu-Hao Lee, Vincent Shieh Chih-Lung Lin and 
Yung-Jong Shiah, National Cheng Kung 
University - National Kaohsiung Normal 
University, (2013), “A stress evulation and 
personal relaxation system based on mesurment of 
photoplethysmography,” Second International 
Conference on Robot, Vision and Signal 
Processing. 
2. Xu xu (2014), “Analysis on Mental 
Stress/Workload Using Heart Rate Variability and 
Galvanic Skin Response during Design Process,” 
A Thesis in the Concordia Institute for 
Information Systems Engineering, Concordia 
University Montreal, Quebec, Canada, April 2014. 
3. David Pereg, Rachel Gow, Morris Mosseri, 
Michael Lishner, Michael Rieder, Stan Van Uum, 
Gideon Koren (2016) “Hair cortisol and the risk 
for acute myocardial infarction in adult men”, 
Đoàn Mạnh Cường và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 181(05): 165 - 170 
170 
Stress The International Journal on the Biology of 
Stress. 
4. Kil-sang Yoo and Won-hyung Lee Chung-Ang 
University, (2011), “Metal stress assessment 
based on pulse photoplethysmogram,” 
International Symposium on Consumer 
Electronics IEEE 15
th
. 
5. “Heart rate variability Standards of 
measurement,” physiological interpretation, and 
clinical use Task Force of The European Society 
of Cardiology and The North American Society of 
Pacing and Electrophysiology (Membership of the 
Task Force listed in the Appendix), 1996. 
6. John T. Ramshur, University of Memphis, 
Department of Biomedical Engineering, Memphis, 
TN, HRVAS, (2010), Heart Rate Variability 
Analysis Software. 
ABSTRACT 
DESIGN TESTING MEASUREMENT SYSTEMS AND SURVEILLANCE TESTS 
WITH TUBERCULOSIS SURGICAL INFLAMMATION 
Doan Manh Cuong*, Hoang Van Thuc, Do Van Quyen 
University of Information And Communication Technology - TNU 
To measure the heart rate, instead of the pressure sensor method, a method of obtaining a sync 
signal with the heart rate without affecting the blood flow at the sensor location will increase the 
accuracy. allow measurement. Research suggests a method of measuring heart rate by non-
invasive method, meaning that it does not affect the patient's body, so that people can determine 
their heart rate to be able to assess the overall health status. We also have a plan for medical 
examination and treatment as appropriate. 
The article aims to design a heart-rate sensor module with a fingertip sensor that simultaneously 
displays the heart rate readings on an intuitive interface built into the processing software. This 
measurement will not affect the blood flow at the sensor location. The sensor is designed so that 
the patient does not feel uncomfortable when attaching the device for continuous measurement 
over a long period of time. With affordable prices, the article can be a useful solution for 
individuals, households, hospitals ... in patient care or follow-up or in school to learn about the 
mechanism of action. heart rate, practice using the knowledge learned in biomedical electronics in 
the design and construction of a simple and effective heart rate monitor. 
Key words: Heart rate monitor, heart rate monitor, heart rate monitor, heart rate monitor 
module, measure heart rate through the step 
Ngày nhận bài: 19/4/2018; Ngày phản biện: 11/5/2018; Ngày duyệt đăng: 31/5/2018 
*
 Tel: 0987 972375, Email: dmcuong@ictu.edu.vn