Hệ thống thiết bị đeo hỗ trợ theo dõi sức khỏe dựa trên cảm biến gia tốc, cảm biến quang học và học máy

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Hệ thống thiết bị đeo hỗ trợ theo dõi sức khỏe dựa trên cảm biến gia tốc, cảm biến quang học và học máy" trình bày việc ứng dụng Internet of Things và công nghệ thiết bị đeo mang lại tiềm năng lớn. Do đó, một thiết bị đeo có khả năng theo dõi nồng độ oxy trong máu, nhịp tim dựa trên cảm biến quang học MAX30100 và nhận dạng hành động dựa trên cảm biến gia tốc ADXL345 trong các hoạt động khác nhau, bao gồm đứng, nằm, ngồi, đi bộ được nhóm nghiên cứu đề xuất nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và sức khỏe của người cao tuổi bị suy giảm chức năng vận động hoặc trong quá trình phục hồi chức năng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống thiết bị đeo hỗ trợ theo dõi sức khỏe dựa trên cảm biến gia tốc, cảm biến quang học và học máy

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) Hệ Thống Thiết Bị Đeo Hỗ Trợ Theo Dõi Sức Khỏe Dựa Trên Cảm Biến Gia Tốc, Cảm Biến Quang Học Và Học Máy 1 Viet-Hoan Bui, 1, 2, * To-Hieu Dao, 1 Quang-Trung Hoang, 1 Hoang-Dieu Vu, 3 Duc-Nghia Tran và 1 Duc-Tan Tran Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa, Hà Nội 1 2 Học Viện Khoa học và Công nghệ, VAST, Hà Nội 3 Viện Công nghệ Thông tin, VAST, Hà Nội Email: viethoan185@gmail.com, hieu.daoto@phenikaa-uni.edu.vn, trung.hoangquang@phenikaa-uni.edu.vn, dieu.vuhoang@phenikaa-uni.edu.vn, nghiatd@ioit.ac.vn, tan.tranduc@phenikaa-uni.edu.vn Tóm tắt— Hệ thống y tế bao gồm ba lĩnh vực chính là dự trong việc cảnh báo sớm về dấu hiệu nguy hiểm và phòng, điều trị và phục hồi chức năng. Trong đó, phục bệnh tật tiềm ẩn. Phương pháp theo dõi không xâm lấn hồi chức năng phải luôn là trọng tâm của mọi hoạt động bằng phép đo quang thể tích (PPG) là một phương chăm sóc sức khỏe, đặc biệt là đối với người cao tuổi. pháp đơn giản và chi phí thấp cung cấp thông tin về cả Hiện nay, tốc độ già hóa dân số tăng nhanh, gây áp lực lớn lên hệ thống chăm sóc sức khỏe trên toàn cầu về chi hai tham số này. Phương pháp đo PPG có thể được phí hoạt động và nguồn lực. Để giảm thiểu áp lực này và phân thành hai hướng là theo dõi tiếp xúc và không tiếp cung cấp các dịch vụ chăm sóc sức khỏe hiệu quả, việc xúc, tuy nhiên, chúng đều được dùng để đo lường sự ứng dụng Internet of Things và công nghệ thiết bị đeo thay đổi về thể tích máu. Phương pháp theo dõi tiếp mang lại tiềm năng lớn. Do đó, một thiết bị đeo có khả xúc dựa trên cảm biến và vật liệu có thể được thiết kế năng theo dõi nồng độ oxy trong máu, nhịp tim dựa trên dưới nhiều hình thức khác nhau. Cảm biến PPG điển cảm biến quang học MAX30100 và nhận dạng hành động hình bao gồm một nguồn sáng và một bộ tách sóng dựa trên cảm biến gia tốc ADXL345 trong các hoạt động quang [1]. Một phương pháp tiếp cận khác là sử dụng khác nhau, bao gồm đứng, nằm, ngồi, đi bộ được nhóm sợi quang được thêu vào vật liệu dệt [2]. Mặt khác, nghiên cứu đề xuất nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống và sức khỏe của người cao tuổi bị suy giảm chức năng phương pháp theo dõi không tiếp xúc dựa trên máy ảnh vận động hoặc trong quá trình phục hồi chức năng. Kết để đo lường những sự thay đổi nhỏ về thể tích máu trên quả cho thấy rằng thiết bị nhóm nghiên cứu phát triển có da [3]–[5]. Tuy nhiên, cho đến nay, phương pháp theo độ chính xác đạt 99%. dõi không tiếp xúc chỉ mang lại kết quả đáng tin cậy khi nghiên cứu trong môi trường được kiểm soát tốt. Từ khóa- Chăm sóc sức khỏe, Cảm biến gia tốc, Cảm Hiệu suất giảm đáng kể nếu (i) độ sáng thay đổi; (ii) biến quang học, Phép đo quang thể tích, Nhận dạng hành chủ thể có tông màu da tối; (iii) chủ thể đang chuyển động, Thiết bị đeo, Học máy. động; (iv) khoảng cách giữa máy ảnh và chủ thể quá lớn. Do đó, nghiên cứu này cung cấp thông tin chi tiết I. GIỚI THIỆU về việc sử dụng phương pháp đo PPG để ước tính Sự tăng trưởng nhanh của dân số già đã dẫn đến SpO2 và HR dựa trên bốn hoạt động cơ bản, bao gồm nhu cầu lớn về các dịch vụ chăm sóc sức khỏe. Đối với đứng, nằm, ngồi, đi bộ thông qua sự kết hợp giữa cảm những người cao tuổi không thể tự chăm sóc bản thân, biến quang học MAX30100 và cảm biến gia tốc y tá hoặc thành viên gia đình phải quan tâm nhiều hơn ADXL345 trên thiết bị đeo. Kết quả theo dõi các chỉ số đến họ trong quá trình chăm sóc hàng ngày. Thông sức khỏe hàng ngày của người dùng sẽ cung cấp thông thường, chi phí chăm sóc người già tại bệnh viện, viện tin hữu ích cho các chuyên gia y tế, qua đó giúp giảm dưỡng lão hoặc thuê y tá là rất cao. Điều này mang lại gánh nặng cho hệ thống chăm sóc sức khỏe bằng cách áp lực tài chính cho những gia đình có người già và tác hỗ trợ trong việc xác định, đánh giá và quản lý kịp thời động tiêu cực đến nền kinh tế. Trong bối cảnh này, các vấn đề về sức khỏe. thiết bị đeo tích hợp thông minh các cảm biến là một II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT giải pháp đầy hứa hẹn cung cấp khả năng theo dõi sức khỏe liên tục tại nhà và chi phí thấp. A. Phép đo quang thể tích Nồng độ oxy trong máu (SpO2) và nhịp tim (HR) là Hệ thống cảm biến PPG bao gồm một nguồn sáng hai chỉ số chính để theo dõi tình trạng sức khỏe tổng (LED) là cặp diode phát sáng màu đỏ và hồng ngoại, thể của một người. Chúng đóng vai trò quan trọng cùng với một bộ tách sóng quang (PD) có chức năng ISBN 978-604-80-8932-0 229
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) chuyển đổi photon của nguồn sáng thành tín hiệu điện. oxy hóa (HbO2) so với tổng lượng hemoglobin (Hb) Ánh sáng truyền qua mô bị hấp thụ bởi các sắc tố có trong máu (Phương trình 1). trong da, xương, cơ, gân, động mạch và tĩnh mạch. cHbO2 Trong đó, những thay đổi về lưu lượng máu xảy ra ở SpO2 =  100% (1) động mạch. Cảm biến PPG phát hiện những biến đổi về cHbO2 + cHb thể tích của lưu lượng máu, nghĩa là sự thay đổi về Chỉ số SpO2 được tính toán dựa trên định luật cường độ ánh sáng được ghi nhận trong lớp mô thông Beer-Lambert. Theo định luật này, nồng độ của chất qua phản xạ từ mô hoặc truyền qua mô (Hình 1a). Mối tan trong dung môi được xác định bằng phương pháp tương tác giữa trái tim và hệ thống mạch máu đóng vai quang học dựa trên khả năng hấp thụ ánh sáng khác trò trong cơ chế tạo ra tín hiệu PPG. Dạng sóng PPG nhau của chúng (Phương trình 2). Mỗi loại huyết sắc tố bao gồm hai thành phần: thành phần AC và thành phần trong máu có đặc tính hấp thụ ánh sáng khác nhau. DC (Hình 1b). Thành phần AC phản ánh sự biến đổi về Cảm biến PPG đo độ hấp thụ ánh sáng của huyết sắc tố thể tích máu do nhịp tim tạo ra trong khoảng thời gian trong máu bằng cách phát ra ánh sáng đỏ (RED) ở từ tâm trương đến tâm thu trong chu kỳ tim, trong khi bước sóng RED = 660 ( nm) để phát hiện thành phần DC đại diện cho sự suy giảm ánh sáng liên quan đến việc gia tăng thể tích máu với mỗi nhịp tim oxyhemoglobin và tia hồng ngoại (IR) ở bước sóng và phân tán trong các mô. Trong thực tế, tín hiệu PPG IR = 880 ( nm) để phát hiện deoxyhemoglobin. bị đảo ngược [6]. I = I 0  e −  c  d (2) trong đó, I là cường độ ánh sáng phản xạ, I 0 là cường độ ánh sáng đơn sắc chiếu tới,  là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng  , c là nồng độ chất của huyết sắc tố trong máu và d là chiều dài tia sáng đi qua mạch máu. Khi trái tim bơm máu đi khắp cơ thể, động mạch mở rộng và chiều dài tia sáng đi qua mạch máu tăng thêm một lượng d , dẫn đến sự thay đổi về cường độ ánh sáng trong thành phần AC: −  HbO2 cHbO2 d I DC = I 0  e− 0 c0 d0  e  e− Hb cHb d (3) −  HbO2 cHbO2 d I AC = I DC − I 0 = I 0  e−0 c0 d0  e  e− Hb cHb d (4) trong đó, I AC và I DC lần lượt là cường độ ánh sáng của thành phần AC và DC. Hình 1: (a) Cảm biến PPG ở chế độ phản xạ và chế độ truyền; (b) Thành phần tín hiệu PPG Khi sự chênh lệch giữa thành phần AC và thành phần DC là rất nhỏ, ta thu được phương trình sau: Cảm biến PPG được đặt ở các vị trí cung cấp chỉ I AC số tưới máu cao như ngón tay, ngón chân, cổ tay, trán = −( HbO2  cHbO2 +  Hb  cHb )  d (5) I DC và tai. Mặc dù dạng sóng có thể có một số khác biệt tùy theo vị trí đặt nhưng chúng đều có điểm chung là RED I AC I IR đỉnh Pmax và đáy Vmin . Điểm Vmin biểu thị sự thay Đặt hệ số tỷ lệ RRED = RED và Rir = AC , IR I DC I DC đổi tối thiểu về thể tích máu, tương ứng với sự bắt đầu ta có: của quá trình co bóp tâm thất và đẩy máu, trong khi RRED I AC / I DC RED RED  HbO2  cHbO2 +  Hb  cHb RED RED điểm Pmax mô tả sự thay đổi tối đa về thể tích máu, = IR IR = IR (6) tức là cuối quá trình đẩy máu. RIR I AC / I DC  HbO2  cHbO2 +  Hb  cHb IR Từ (1) và (6), ta thu được mô hình tính toán nồng B. Nồng độ oxy trong máu độ oxy (%) trong máu: Cơ thể con người cần duy trì sự cân bằng oxy trong SpO2 = A − B  R (7) máu, và mức oxy trong máu từ 95% đến 100% ở người được coi là bình thường [7]. Khi mức này giảm xuống trong đó, hệ số A = 110 , B = 25 [8] và R thu được dưới 90%, đây được coi là mức thấp, gây ra tình trạng ACRED / DCRED thiếu oxy trong máu và là nguyên nhân chính dẫn đến từ công thức R = . tử vong ở con người. Máu người chứa hai loại huyết ACIR / DCIR sắc tố là oxyhemoglobin và deoxyhemoglobin. Nồng độ oxy trong máu được định nghĩa là tỷ lệ hemoglobin ISBN 978-604-80-8932-0 230
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) C. Nhịp tim da không quá dày để ánh sáng có thể dễ dàng xuyên Nhịp tim là thông số sức khỏe quan trọng nhất qua mô. Trong nghiên cứu này, cảm biến quang học trong cơ thể con người và được định nghĩa là số lần tim được đặt ở dái tai, nơi có thể cảm nhận rõ sự thay đổi co bóp trong một phút (đơn vị: BPM). Tâm thất phải về thể tích của lưu lượng máu. Bên cạnh đó, tại vị trí bơm máu đến phổi thông qua động mạch phổi. Tại đây, này, tín hiệu thu được từ cảm biến ít bị ảnh hưởng bởi máu giải phóng carbon dioxide và lấy oxy thông qua sự nhiễu do chuyển động của cơ thể. trao đổi khí trong phế nang của phổi. Máu giàu oxy lưu Thiết bị thu thập dữ liệu ở tần số 100 Hz ( f S ), thông vào tâm nhĩ trái qua tĩnh mạch phổi và vào tâm tương ứng với các hành động cơ bản hàng ngày như thất trái. Sau đó, máu được đẩy đến động mạch chủ. nằm, ngồi, đứng và đi bộ. Bản ghi dữ liệu tuân theo cấu Cuối cùng, máu nghèo oxy quay trở lại và chảy vào trúc sau: “Giá trị gia tốc trục X, Y, Z ( g ), giá trị dữ tâm nhĩ phải qua tĩnh mạch. Sự co bóp của tâm thất liệu thô IR, RED ( ADC )”. Dữ liệu được thu thập từ 10 khiến máu được đẩy đi gọi là tâm thu, trong khi giai đoạn thư giãn khi máu trở lại tim gọi là tâm trương. tình nguyện viên có trạng thái sức khỏe tốt trong độ Mỗi chu kỳ trên tương ứng với một nhịp tim. tuổi từ 19 đến 25, bao gồm 7 nam và 3 nữ. Các tình Ở người trưởng thành và khỏe mạnh, nhịp tim khi nguyện viên đồng ý tham gia vào nghiên cứu và được nghỉ ngơi dao động trong khoảng 60 đến 100 nhịp mỗi đảm bảo quyền riêng tư và bảo mật dữ liệu. phút [7]. Dấu hiệu quan trọng này có thể dễ dàng được B. Phương pháp phân tích dữ liệu trích xuất từ phép đo quang học do thành phần AC của Chuẩn hóa dữ liệu tín hiệu PPG đồng bộ với nhịp tim. Nồng độ oxy trong máu và nhịp tim thay đổi về III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU biên độ, giá trị trung bình, độ lệch chuẩn theo thời gian và phụ thuộc vào tư thế của con người. Bên cạnh đó, có A. Thiết bị đề xuất một số yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu PPG, bao gồm vị Trong nghiên cứu này, một thiết bị đeo chứa cảm trí đo, lực tiếp xúc, chuyển động của cơ thể và ánh sáng biến gia tốc ADXL345 tích hợp cảm biến quang học từ môi trường xung quanh. Khi một tình nguyện viên MAX30100 và bộ xử lý trung tâm ESP8266 (Wemos thay đổi tư thế của họ, biên độ của tín hiệu thu được từ D1 Mini) được nhóm nghiên cứu phát triển. Thiết bị cảm biến cũng thay đổi, ví dụ như chuyển từ tư thế được đeo trên vùng bẹn và kết nối với dây đeo trên tai nằm sang ngồi hoặc từ ngồi sang đứng (Hình 3). sử dụng cảm biến quang học (Hình 2). Để đánh giá tính chính xác và độ tin cậy của thiết bị, việc đọc chỉ số SpO2 và HR được thực hiện đồng thời bằng thiết bị nhóm nghiên cứu phát triển và thiết bị tham chiếu là Apple Watch Series 6 – một sản phẩm thương mại được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu. Hình 3: Dữ liệu PPG tương ứng với các hoạt động: (a) Dữ liệu gia tốc; (b) Dữ liệu thô PPG; (c) Dữ liệu thô PPG được chuẩn hóa và áp dụng bộ lọc Do đó, để tính toán SpO2 và HR theo thời gian thực, chuỗi dữ liệu PPG được chuẩn hóa bằng phép biến đổi Z-score (Phương trình 8). Điều này giúp so Hình 2: Thiết bị chứa cảm biến gia tốc (màu xám) tích hợp sánh các giá trị dữ liệu với giá trị trung bình và mức độ cảm biến quang học (tai) và thiết bị tham chiếu (cổ tay) biến đổi của dữ liệu. xi −  Cảm biến quang học có thể được đặt ở nhiều vị trí, zi = (8) chẳng hạn như ngón tay, cổ tay hoặc bất kỳ nơi nào mà  ISBN 978-604-80-8932-0 231
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) 1 n trọng của nhịp tim, f highcut = 0.4 ( Hz ) và =   xi (9) n i =1 flowcut = 0.8 ( Hz ) được nhóm nghiên cứu lựa chọn. 1 n Áp dụng bộ lọc cho chuỗi tín hiệu thời gian đầu vào  =   ( xi −  ) 2 (10) z[ n ] bằng bộ lọc Butterworth, ta thu được chuỗi tín n i =1 hiệu thời gian đầu ra y[ n ] : trong đó, z i là giá trị chuẩn hóa sử dụng phép biến đổi 2 2 Z-score của xi với x[i ] = { x1 , x2 , , xn } với y[n] =  b[i ] z[n − i ] −  a[ j ]  y[n − j ] (12) i =0 j =0 i = 1, 2, , n ;  là giá trị trung bình và  độ lệch Thuật toán xác định nồng độ oxy trong máu và chuẩn của chuỗi dữ liệu tương ứng. nhịp tim Bộ lọc Butterworth Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm nghiên cứu Phân tích tần số của dạng sóng PPG rất quan trọng đề xuất một thuật toán tìm đỉnh và tìm đáy ứng dụng bởi hầu hết các phương pháp lọc dựa trên đặc tính tần trên các thiết bị đeo sử dụng cảm biến gia tốc phù hợp số của tín hiệu. Bộ lọc Butterworth là một công cụ với dữ liệu thời gian thực [9]. Thuật toán này tạo ra hai quan trọng trong xử lý tín hiệu và điều khiển, giúp loại mảng dữ liệu với các phần tử “0” nằm ở hai bên của tín bỏ nhiễu và các thành phần tần số không mong muốn hiệu PPG được chuẩn hóa và tiến hành tìm các đỉnh từ tín hiệu một cách hiệu quả. Điều này trở nên đặc biệt đúng và sai trong luồng dữ liệu (Hình 4). Do đó, mỗi quan trọng trong các ứng dụng tiêu thụ công suất thấp, đỉnh thật tương ứng với một chu kỳ tim. nơi tính chính xác và độ tin cậy đóng một vai trò quan trọng. Bên cạnh đó, bộ lọc Butterworth giảm thiểu sự dao động và mất ổn định trong quá trình điều khiển, điều này rất lý tưởng cho các ứng dụng tiêu thụ công suất thấp, trong đó tính ổn định rất quan trọng. Bộ lọc Butterworth cho phép điều chỉnh tần số cắt cụ thể và bậc, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho các ứng dụng khác nhau. Nó duy trì biên độ ở các tần số quan trọng trong khi loại bỏ các thành phần không mong muốn. Bộ lọc thông thấp Butterworth có phương trình biến đổi z như sau: Bz b0 + b1  z −1 + b2  z −2 H ( z) = = (11) Az 1 + a1  z −1 + a2  z −2 trong đó, H ( z ) là hàm truyền của bộ lọc trong miền Hình 4: Thuật toán cập nhật dữ liệu liên quan đến nhịp tim biến đổi z , B z là hàm truyền của hệ điều khiển bù Trong nghiên cứu này, một thuật toán phát hiện nhiễu có các hệ số b0 , b1 , b2 tương ứng với bậc của bộ đỉnh và hiệu chuẩn Z-score thích ứng với các hoạt động khác nhau kết hợp bộ lọc Butterworth được nhóm lọc và Az là hàm truyền của hệ phản hồi với các hệ số nghiên cứu phát triển. Điều này giúp thu hẹp phạm vi a1 , a2 tương ứng với hệ số của bộ lọc phản hồi. giá trị và loại bỏ các thành phần tần số gây nhiễu khỏi Trong bộ lọc Butterworth, tần số chuẩn hóa  được tín hiệu. Khác với đếm bước, chu kỳ tim có xu hướng thay đổi từ 0,5 đến 1,2 giây, tùy thuộc vào hoạt động và xác định là thương số của của tần số cắt flowcut và tần tình trạng sức khỏe. Vì vậy, thuật toán xác định nhịp số nyquist ( Hz ) . Tần số chuẩn hóa cho bộ lọc thông tim liên tục thu thập và xử lý dữ liệu trong khoảng thời gian từ 0,5 đến 2 giây. f highcut Dựa trên thuật toán tìm đỉnh và tìm đáy, giá trị cao là high = và cho bộ lọc thông thấp là nyquist AC RED , IR và DC RED , IR của tín hiệu PPG được xác flowcut định bằng phương pháp sau. Đầu tiên, với mỗi phân low = , trong đó, nyquist = 0.5  f S . đoạn, giá trị đỉnh của tín hiệu PPG được xác định. Dựa nyquist trên giá trị này, một phạm vi chứa 50 dữ liệu được tạo Thành phần tần số chính của PPG nằm trong ra, trong đó giá trị đỉnh là giá trị nằm chính giữa của khoảng 0.5-4 Hz, dựa trên tốc độ trung bình của nhịp phạm vi đó. Phạm vi này được xác định dựa trên sự tim khoảng 1 Hz, và các tần số khác được thêm vào để biến đổi liên tục của tín hiệu PPG. Sau đó, giá trị tạo thành dạng sóng PPG [7]. Thành phần tần số thấp (0.2-0.4 Hz) phản ánh sự hô hấp và nhiễu do chuyển AC RED , IR và DC RED , IR được tính toán dựa trên phạm động (khoảng 0.1 Hz). Do đó, để giữ lại thông tin quan vi đó (Phương trình 13–14). ISBN 978-604-80-8932-0 232
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) ACRED , IR = Vmin RED , IR − Pmax RED , IR (13) và ổn định hơn so với khi họ đang chuyển động. Trong khi đó, tín hiệu PPG trong trạng thái đi bộ có xu hướng 1 n dài hơn và mất ổn định hơn. Điều này hoàn toàn hợp lý DCRED, IR =  =   xi (14) bởi khi di chuyển, nhịp tim tăng để đáp ứng nhu cầu n i =0 trao đổi chất gia tăng của cơ bắp. Mô hình nhận dạng hành động của con người Sử dụng học máy trên vi điều khiển có bộ nhớ hạn chế giúp tăng cường độ chính xác trong việc nhận diện các hành động của con người [10]. Ban đầu, một mô hình cây quyết định (DT) được sử dụng để nhận diện sáu hành động cơ bản [11]. Sau đó, mô hình này đã được phát triển thành một mô hình rừng ngẫu nhiên, cho phép nhận dạng tới 13 hành động, bao gồm các hoạt động chuyển trạng thái [12]. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá chỉ số SpO2 và HR trong các hoạt động cơ bản hàng ngày, bao gồm đứng, nằm, ngồi và đi bộ. Hình 6: Tín hiệu PPG trong thái tĩnh (trái) và trong trạng thái Vì vậy, trong nghiên cứu này, mô hình cây quyết di chuyển (phải) định được nhóm nghiên cứu tiếp tục sử dụng với hai đặc điểm, đó là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn Kết quả SpO2 và HR theo thời gian thực đạt độ (Phương trình 9–10). Khía cạnh mới của nghiên cứu chính xác cao ở cả trạng thái tĩnh và trạng thái chuyển này liên quan đến việc kết hợp việc nhận dạng các hành động so với thiết bị tham chiếu (Bảng 1-2). Bảng 1: Kết quả SpO2 trong các hoạt động cơ bản động với việc theo dõi các dấu hiệu sinh tồn nhằm nâng SpO2 (%) 95 96 97 98 99 cao chất lượng cuộc sống và sức khỏe của người cao Hoạt động tuổi bị suy giảm chức năng vận động hoặc trong quá Nằm 95 96 97 98 - trình phục hồi chức năng. Ngồi 95 96 97 98 - IV. KẾT QUẢ Đứng 95 96 97 98 - Đi bộ 96 95 98 99 - Hình 5 thể hiện kết quả thống kê về việc nhận diện Chuỗi hành động - - - - 100 các hành động, cho thấy rằng hệ thống đạt được mức Bảng 2: Kết quả HR trong các hoạt động cơ bản độ chính xác cao, với các hành động ở trạng thái tĩnh HR (BPM) 65 70 75 80 112 như ngồi, nằm và đứng được nhận dạng với độ chính Hoạt động xác là 99%. Mặc dù có một chút nhần lẫn nhỏ khi Nằm 65 70 75 80 - chuyển đổi giữa đứng và đi bộ, nhưng chúng không Ngồi 65 70 75 80 - đáng kể. Điều này giúp đánh giá tính chính xác của Đứng 65 70 75 80 - trạng thái tín hiệu PPG. Đi bộ 65 71 74 81 - Chuỗi hành động - - - - 114 Kết quả thống kê cho thấy tỷ lệ phát hiện SpO2 và HR là 100% trong trạng thái tĩnh. Tỷ lệ này giảm nhẹ khi tình nguyện viên đang chuyển động với sai số dao động từ 1-2 đơn vị. Sự khác biệt này là không đáng kể khi con người đang chuyển động và sự sai khác như vậy hoàn toàn có thể chấp nhận được. Hình 5: (a) Ma trận nhầm lẫn kết quả nhận dạng hành động: V. THẢO LUẬN VÀ KẾT LUẬN (b) Ma trận nhầm lẫn kết quả nhận dạng hành động sau khi chuẩn hóa Trong nghiên cứu này, một thiết bị đeo tích hợp cảm biến quang học và cảm biến gia tốc được nhóm Trong trạng thái tĩnh, tín hiệu PPG phân bố đều nghiên cứu phát triển. Chỉ số SpO2 và HR của con theo thời gian. Tuy nhiên, trong trạng thái di chuyển, người được đo được đo thông qua cảm biến quang học tín hiệu biến đổi nhanh chóng theo bước chân và tốc đeo trên tai. Với bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải độ, dẫn đến tín hiệu bị nhiễu. Mặc dù vậy, do vị trí cảm 16 bit, những thay đổi nhỏ về thể tích của lưu lượng biến quang học được đặt ở tai nên tín hiệu bị ảnh máu được ghi lại và phân tích cho bốn hành động cơ hưởng bởi nhiễu là không đáng kể. Sau khi áp dụng bộ bản của con người. Sử dụng các thuật toán được phát lọc Butterworth, tín hiệu PPG trở nên mượt mà và rõ triển từ nghiên cứu trước đó [9], [11] và kết hợp bộ lọc ràng hơn. Hình 6 cho thấy rằng tín hiệu PPG của người Butterworth, một hệ thống theo dõi SpO2 và HR được bình thường trong trạng thái tĩnh có xu hướng ngắn hơn nhóm nghiên cứu xây dựng với độ chính xác hơn 99%. ISBN 978-604-80-8932-0 233
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) So sánh kết quả nhóm nghiên cứu đạt được với Photoplethysmography: A Review,” IEEE Sens J, vol. 19, no. 16, pp. 6560–6570, 2019. nghiên cứu tương tự khi đo HR trong trạng thái đứng [2] M. Krehel, M. Wolf, L. F. Boesel, R. M. Rossi, G.-L. Bona, và đi bộ, nghiên cứu [13] đề xuất một tai nghe không and L. J. Scherer, “Development of a luminous textile for dây nhỏ gọn tích hợp cảm biến PPG và cảm biến gia reflective pulse oximetry measurements,” Biomed. Opt. tốc nhằm cung cấp dữ liệu tham chiếu về chuyển động. Express, vol. 5, no. 8, pp. 2537–2547, Aug. 2014. Với việc áp dụng thuật toán khử nhiễu thích ứng [3] E. Magdalena Nowara, T. K. Marks, H. Mansour, and A. (ANC), nghiên cứu này đạt được độ chính xác trong Veeraraghavan, “SparsePPG: Towards driver monitoring using camera-based vital signs estimation in near-infrared,” in trạng thái đứng và đi bộ lần lượt là 97% và 82%. Hiệu Proceedings of the IEEE conference on computer vision and quả của thuật toán ANC có thể được cải thiện bằng pattern recognition workshops, 2018, pp. 1272–1281. cách tăng bậc của bộ lọc, tuy nhiên, điều này đồng [4] M. E. Wieler, T. G. Murphy, M. Blecherman, H. Mehta, and nghĩa với việc tăng thời gian tính toán và không phù G. J. Bender, “Infant heart-rate measurement and oxygen desaturation detection with a digital video camera using hợp với việc ước tính tham số thời gian thực. Trong imaging photoplethysmography,” Journal of Perinatology, vol. một phương pháp tiếp cận khác khi đo SpO2 trong 41, no. 7, pp. 1725–1731, 2021. trạng thái tĩnh và chuyển động, nghiên cứu [14] đề xuất [5] Z. Sun, Q. He, Y. Li, W. Wang, and R. K. Wang, “Robust non- một thiết bị đeo chứa cảm biến PPG được kẹp trên đầu contact peripheral oxygenation saturation measurement using ngón tay. Bộ lọc thông dải với tần số cắt từ 0,48 Hz smartphone-enabled imaging photoplethysmography,” Biomed. Opt. Express, vol. 12, no. 3, pp. 1746–1760, Mar. đến 4,82 Hz được áp dụng, mang lại độ chính xác là 2021. 97,67% khi ngón tay không chuyển động và 91,63% [6] J. Allen, “Photoplethysmography and its application in clinical khi ngón tay trong trạng thái chuyển động. Kết quả trên physiological measurement,” Physiol Meas, vol. 28, no. 3, p. cho thấy rằng việc đo SpO2 trong trạng thái chuyển R1, Feb. 2007. động ở ngón tay mang lại độ chính xác thấp. Bên cạnh [7] Z. Wang, Z. Yang, and T. Dong, “A Review of Wearable đó, việc đeo thiết bị kẹp ở đầu ngón tay sẽ hạn chế các Technologies for Elderly Care that Can Accurately Track Indoor Position, Recognize Physical Activities and Monitor hoạt động hàng ngày và không phù hợp cho việc theo Vital Signs in Real Time,” Sensors, vol. 17, no. 2, 2017. dõi liên tục. [8] S.-S. Oak and P. Aroul, “How to design peripheral oxygen Việc sử dụng các thiết bị đeo để đo SpO2 và HR ở saturation (SpO2) and optical heart rate monitoring (OHRM) các trạng thái khác nhau thường gặp phải các vấn đề về systems using the AFE4403,” Texas Instruments, 2015. nhiễu do các chuyển động của cơ thể. Do đó, nghiên [9] T.-H. Dao, D.-N. Tran, Q.-T. Hoang, H.-D. Vu, D. T. Huy, and D.-T. Tran, “Developing Real-time Automatic Step Detection cứu này đã phát triển một hệ thống tích hợp cảm biến On A Low-Cost, Performance-Constrained Microcontroller,” quang học và cảm biến gia tốc có khả năng theo dõi in 2023 IEEE Statistical Signal Processing Workshop (SSP), SpO2 và HR với dữ liệu thời gian thực để giải quyết 2023, pp. 150–154. vấn đề trên. Bên cạnh đó, việc đặt cảm biến quang học [10] N. Tran Thi Hong, G. L. Nguyen, N. Quang Huy, D. Viet ở tai được lựa chọn giúp tín hiệu thu được ít bị ảnh Manh, D.-N. Tran, and D.-T. Tran, “A low-cost real-time IoT human activity recognition system based on wearable sensor hưởng bởi nhiễu ngay cả khi cơ thể đang chuyển động. and the supervised learning algorithms,” Measurement, vol. Qua đây, người cao tuổi bị suy giảm chức năng vận 218, p. 113231, 2023. động hoặc trong quá trình phục hồi chức năng có thể [11] N. T. Thu, T.-H. Dao, B. B. Quoc, D.-N. Tran, P. Van Thanh, theo dõi các chỉ số sức khỏe liên tục và tiện lợi tại nhà. and D.-T. Tran, “Real-time wearable-device based activity recognition using machine learning methods,” International Điều này giúp giảm thiểu gánh nặng lên hệ thống y tế Journal of Computing and Digital Systems, vol. 12, no. 1, pp. và nâng cao chất lượng cuộc sống của bệnh nhân. 321–333, 2022. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ đánh giá về tình [12] T.-H. Dao, H.-Y. Hoang, V.-N. Hoang, D.-T. Tran, and D.-N. trạng sống sót của các cá nhân và những thay đổi bất Tran, “Human activity recognition system for moderate thường của tín hiệu PPG về thông số SpO2 và HR performance microcontroller using accelerometer data and random forest algorithm,” EAI Endorsed Transactions on nhằm phát triển một hệ thống theo dõi sức khỏe theo Industrial Networks and Intelligent Systems, vol. 9, no. 4, pp. thời gian thực, chi phí thấp và ổn định. 1–18, 2022. [13] M.-Z. Poh, N. C. Swenson, and R. W. Picard, “Motion-tolerant LỜI CẢM ƠN magnetic earring sensor and wireless earpiece for wearable photoplethysmography,” IEEE Transactions on Information Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 3, pp. 786–794, 2010. Phenikaa, mã đề tài PU2023-1-A-07. [14] P. P. Banik, S. Hossain, T.-H. Kwon, H. Kim, and K.-D. Kim, “Development of a Wearable Reflection-Type Pulse Oximeter TÀI LIỆU THAM KHẢO System to Acquire Clean PPG Signals and Measure Pulse Rate [1] D. Biswas, N. Simões-Capela, C. Van Hoof, and N. Van and SpO2 with and without Finger Motion,” Electronics Helleputte, “Heart Rate Estimation From Wrist-Worn (Basel), vol. 9, no. 11, 2020. ISBN ............ 978-604-80-8932-0 234