ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP MỚI VỀ THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ SỨC KHỎE TỪ XA SỬ DỤNG CÁC BỘ THƯ VIỆN VẼ BIỂU ĐỒ MÃ NGUỒN MỞ
52 Lại Phước Sơn, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Thế Nghĩa ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP MỚI VỀ THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ SỨC KHỎE TỪ XA SỬ DỤNG CÁC BỘ THƯ VIỆN VẼ BIỂU ĐỒ MÃ NGUỒN MỞ A NOVEL SOLUTION TO REMOTE HEALTH-PARAMETER MONITORING VIA OPEN-SOURCE CHART LIBRARY PACKAGES Lại Phước Sơn1, Nguyễn Trung Kiên2, Nguyễn Thị Anh Thư2, Nguyễn Thế Nghĩa2 Học viên CH ngành Kỹ thuật Điện tử, khóa 28 Đại học Đà Nẵng; lpson.tth@gmail.com Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; {ntkien2, ntathu3, ntnghia4}@dut.udn.vn Tóm tắt - Các giải pháp theo dõi giám sát thông số sức khỏe từ xa dựa tín hiệu thu từ thiết bị đeo thể tồn nhiều bất cập Bài báo đề xuất giải pháp thông qua việc giới thiệu hệ thống hoàn chỉnh nhằm theo dõi thông số sức khỏe nhiệt độ, nhịp tim, nồng độ oxy bão hòa máu… dạng đồng hồ đeo tay thông minh hệ thống website theo dõi, giám sát sức khỏe từ xa với giao diện web trực quan Với dịch vụ website người dùng tương tác với bác sĩ, lên lịch hẹn hay lịch nhắc nhở uống thuốc… Bài báo đề xuất số thư viện jQuery mã nguồn mở hỗ trợ đắc lực việc tạo nên trang web với biểu đồ có tính tương tác cao với người dùng Một hệ tạo tín hiệu điện tim giả lập thiết lập nhằm đánh giá nhanh chóng thiết kế mức cao thuật toán xử lý, website hiển thị Abstract - There still remain many limitations of current solutions to remote health-parameter monitoring based on signals received from wearable devices This paper presents a novel solution via the introduction of a fully - constituted system aimed at monitoring such parameters as temperature, heart rate, arterial saturated oxygen level,… in the form of a smart wristwatch and a remote heath monitoring system with a visual Web interface Thanks to this website service, users can interact with their doctors to make scheduled appointments or reminders for medicine intake,… In addition, this paper introduces some open-source chart library packages using jQuery to provide effective support for the establishment of websites with many highly interactive diagrams Also, a virtual heart signal generator is set up to quickly evaluate high-level designs like processing algorithms and display websites Từ khóa - thơng số sức khỏe; máy đo nồng độ oxy máu; SpO2; hệ thống theo dõi giám sát từ xa; GUI; Javascript; jQuery; Web service; Key words - health parameters; pulse oximeter; SpO2; remote monitoring system; GUI; Javascript; jQuery; Web service Đặt vấn đề Vấn đề sức khỏe người ngày quan tâm Nhờ tiến khoa học kỹ thuật, vật dụng hàng ngày dần trang bị thêm chức theo dõi sức khỏe Chẳng hạn, áo quần với cảm biến tích hợp bên lớp vải nhằm đo thông số nhiệt độ nhịp tim [4]; đồng hồ đeo tay có chức đo nhịp đập, nhiệt độ phát té ngã [5]; kính mắt áp trịng tích hợp chức phóng to lên 2.8 lần [6], v.v Nhiều sản phẩm thương mại chí cịn hỗ trợ truyền liệu không dây đến điện thoại thông minh đến sở liệu internet để người dùng theo dõi tình hình sức khỏe dễ dàng nhanh chóng khỏe người dùng tình trạng nguy kịch, hệ thống khơng thể giúp “lạnh lùng” hiển thị số sức khỏe lên “màn hình”, tính mạng người dùng nguy hiểm mà khơng hay biết Liệu có nên có giải pháp thông minh cho vấn đề theo dõi giám sát sức khỏe từ xa hay khơng? Vấn đề thứ hai cần nói đến việc hiển thị thông tin sức khỏe lên giao diện website dịch vụ Rõ ràng, để hấp dẫn người dùng, việc hiển thị cần bắt mắt có tính tương tác tốt Thiết kế giao diện thật khó khăn tiêu tốn nhiều thời gian Nghiên cứu đề xuất sử dụng thư viện mã nguồn mở, để thiết kế nhanh chóng giao diện website cho hệ thống theo dõi giám sát thông số sức khỏe từ xa Hai vấn đề nêu nhóm tác giả nghiên cứu trình bày báo Hình Vịng đeo tay theo dõi sức khỏe hãng Withings với giao diện website theo dõi thơng số sức khỏe có tính thẩm mỹ cao Có hai vấn đề đặt Đầu tiên, dịch vụ theo dõi sức khỏe thiết bị dừng lại việc hiển thị chiều thông tin sức khoẻ người dùng qua kết nối “người dùng-hệ thống” Người dùng theo dõi số liệu sức khỏe đo từ thiết bị, tự nhận định tình trạng sức khoẻ Trong trường hợp sức Đề xuất giải pháp Một giải pháp cho vấn đề theo dõi chăm sóc sức khỏe từ xa đưa Không dừng lại kết nối chiều “người dùng - hệ thống” truyền thống, báo đề xuất thêm hai kết nối mới, “người dùng - hệ thống - bác sĩ” “bác sĩ - hệ thống - người dùng” Với giải pháp truyền thống, số sức khỏe hệ thống đo đạc thông báo dạng số, biểu đồ giao diện điện thoại website, giúp người dùng người thân theo dõi Với giải pháp này, thông số sức khỏe bệnh nhân theo dõi bác sĩ Cùng lúc bác sĩ theo dõi nhiều bệnh nhân khác Thông qua số sức khỏe quan sát được, bác sĩ đưa lời tư vấn bổ ích Bác sĩ kê toa thuốc cần tạo lịch nhắc nhỡ uống thuốc đến bệnh nhân người nhà, lập lịch ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 53 hẹn tái khám qua hệ thống Trong trường hợp người dùng có cố đột xuất sức khỏe gây nguy hiểm đến tính mạng, hệ thống gửi thơng báo gọi đến người nhà bác sĩ, nhờ họ cứu chữa kịp thời khác biệt khả hấp thụ ánh sáng HbO2 Hb tương đối rõ rệt, mơ tả Hình Hình So sánh giải pháp truyền thống giải pháp Và nghiên cứu này, để phù hợp với vị trí đo cổ tay, mà đầu đo xuyên thấu trước đây, khơng thể đo kích thước cổ tay lớn so với đầu ngón tay, làm ánh sáng phát khó xuyên qua để đến đầu thu, sử dụng đầu đo SpO2 theo phương thức phản xạ ánh sáng, cho phép đo dễ dàng trường hợp Hình Quang phổ hấp thụ Hb HbO2 [14] Chúng tiến hành thiết kế bo mạch thiết bị điện tử có khả đo số thơng số cần theo dõi sức khoẻ, nhiệt độ, nhịp tim, mức bão hòa oxy máu Bo mạch thiết bị thiết kế cho vừa kích cỡ đồng hồ đeo tay thơng minh, người dùng việc đeo tay số sức khỏe tự động thu thập Tiếp đến, nhóm tác giả xây dựng website dịch vụ, có sử dụng thư viện vẽ biểu đồ đồ thị mã nguồn mở Website dịch vụ này, việc theo dõi số sức khỏe, hỗ trợ tương tác qua lại người dùng với bác sĩ, tạo lịch hẹn, lịch nhắc nhở uống thuốc, thông báo cấp cứu khẩn cấp, v.v Hình Đầu đo xuyên thấu “transmission Pulse Oximeter” bên trái phản xạ “reflectance Pulse Oximeter” bên phải [8] Ý tưởng sử dụng ánh sáng phản xạ thay cho ánh sáng xuyên thấu đưa Brinkman Zijlstra vào năm 1949 Theo mô tả Hình (bên phải) phương thức đo độ phản xạ, ánh sáng phát từ LED (Light Emitting Diode) truyền qua lớp mô, động mạch, tĩnh mạch, v.v thể Lượng ánh sáng ngang qua môi trường vật chất bị hấp thụ bị cản trở, gây tán xạ Sau tán xạ, ánh sáng tiếp đến đầu bị bẻ cong theo hiệu ứng “quả chuối”, quay lại môi trường ban đầu mô tả Hình Hình Đề xuất giải pháp theo dõi giám sát sức khỏe từ xa (Hệ thống bao gồm thiết bị điện tử đeo người, có khả đo thông số sức khỏe hệ thống website dịch vụ) 2.1 Thiết kế mô đun đo SpO2 dạng đồng hồ đeo tay thơng minh Nhóm tác giả tiến hành xây dựng mô đun thiết bị theo dõi nhiệt độ, nhịp tim mức bão hòa oxy máu động mạch (SpO2) dạng đồng hồ đeo tay thơng minh Đồng thời, để đảm bảo tính thẩm mỹ cho thiết bị thuận tiện cho người đeo, cảm biến tích hợp thiết bị đeo tay thông minh Dữ liệu đo truyền đến máy chủ thông qua mô đun WiFi Cơ sở lý thuyết vấn đề đo giá trị SpO2 cơng bố cơng trình trước vào năm 2013 nhóm tác giả [1] Chúng tơi sử dụng hai bước sóng ánh sáng 660nm (màu đỏ) 940nm (hồng ngoại) để đo lượng oxy hòa tan máu động mạch dựa việc xác định mức độ hấp thụ hemoglobin có liên kết oxy (Oxyhemoglobin - HbO2) hemoglobin không liên kết oxy (Reduced Hemoglobin - Hb) theo nhịp mạch [7], [8], lẽ hai bước sóng này, Hình Hiệu ứng “quả chuối” chùm sáng tán xạ [3] Hình minh họa ví dụ cụ thể mơ tế bào chiếu nguồn sáng Có đến 93-97% số photon ánh sáng bị hấp thụ (a) bị tán xạ (b), 3-7% số photon lại bị phản xạ di chuyển tế bào máu đỏ (c,d) cuối đến đầu thu Hình Khuynh hướng lan truyền tia sáng bên lớp da [2] 54 Lại Phước Sơn, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Thế Nghĩa Hình mơ tả sơ đồ khối chức mơ đun đo SpO2 Vì việc đo SpO2 dựa thu nhận tín hiệu ánh sáng hai bước sóng 660nm (màu đỏ) 940nm (hồng ngoại), nên hai LED đỏ hồng ngoại sử dụng Hai LED dẫn cách luân phiên nhờ vào khối điều khiển “LED Driver Circuit” Khối dựa vào tín hiệu thăm dị mức DC cảm biến “Photodiode” hồi tiếp để tăng giảm cường độ dẫn LED, cho mức DC thu xấp xỉ Cảm biến photodiode có chức nhận hạt photon phản xạ từ hai LED sản sinh hạt điện tử tự để tạo nên dòng điện ngõ Dòng điện khối “I/V converter” chuyển thành điện áp để khối ADC (Analog Digital Converter) vi điều khiển đọc Tuy nhiên tín hiệu điện áp ngõ “I/V convert” nhỏ bị tác động nhiễu, chưa thể đưa trực tiếp đến MCU để lấy mẫu, mà cần phải qua lọc khuếch đại trước đến MCU Các khối lọc thông thấp (LPF) thông cao (HPF) làm nhiệm vụ lọc tín hiệu ngõ khối “I/V convert” dải thông từ 0,5Hz đến 5Hz, tương ứng với dải nhịp tim rộng từ 30 đến 300 nhịp/ phút Lúc tín hiệu loại bỏ phần lớn nhiễu lấy mẫu MCU nhờ vào hai chuyển đổi tương tự sang số ADC0 ADC1 Các giá trị lấy mẫu thu sử dụng cho mục đích điều chỉnh cân DC hai LED phát hai bước sóng để tính giá trị SpO2 Kết việc tính tốn thể đầy đủ hình hiển thị “Display” Lý thuyết tính tốn khối mạch chức giới thiệu nghiên cứu trước [1] Hình Sơ đồ khối chức mơ đun đo SpO2 Hình 10 Layout 3D mơ đun đo SpO2 mạch thực tế 2.2 Xây dựng giao diện website ứng dụng thư viện mã nguồn mở Việc giám sát từ xa thông qua website u cầu phải thể xác thơng số sức khỏe thân thiện với người dùng thông qua việc sử dụng hiệu biểu đồ, đồ thị thống kê trực quan Bài báo trình bày số thư viện mã nguồn mở đáp ứng yêu cầu trên, giúp tạo trang web với biểu đồ, đồ thị bắt mắt có tính tương tác cao với người dùng, làm cho việc giám sát trở nên đơn giản Hầu hết thư viện viết ngôn ngữ jQuery, thư viện kiểu Javascript, giúp đơn giản hóa cách viết Javascript tăng tốc độ xử lý kiện trang web kỹ thuật AJAX, giúp tiết kiệm thời gian xử lý liệu so với phương pháp truyền thống Kết hợp jQuery CSS, người lập trình nhanh chóng tạo nên website với giao diện bắt mắt hơn, tiện lợi Bên cạnh đó, jQuery tương thích với hầu hết trình duyệt phổ biến nay, mà người lập trình khơng cần phải viết lại đoạn lệnh Javascript cho riêng trình duyệt Vì dựa Javascript nên phần mở rộng thư viện viết jQuery có định dạng *.js Một số thư viện phổ biến cho việc tạo nhanh biểu đồ, đồ thị kể Google Chart, Morris, ChartKit, Flot, NVD3, Rickshaw, Xcharts, Elycharts, v.v Hình Sơ đồ thiết kế mạch cụ thể cho khối chức Để phù hợp với kích thước đồng hồ đeo tay nhỏ gọn, bo mạch mơ đun cần phải có nhiều cải tiến đáng kể phần cứng Bo mạch thiết kế với kích thước 55mm x 35mm nhờ vào việc lựa chọn linh kiện điện trở, tụ điện với kích thước siêu nhỏ 10x05 mm (04x02 Inch) sử dụng công nghệ thi cơng lớp Hình 11 Một số mẫu biểu đồ sử dụng thư viện ChartKit, Morris, Rickshaw, NVD3 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN Góp phần quan trọng việc xây dựng nên thư viện tập tin jQuery như: jquery.min.js, prettify.min.js, raphael-min.js, v.v Các tập tin chứa mã lệnh tạo tiết đồ thị loại đồ thị cột hay đoạn thẳng, thuộc tính màu sắc, trục biểu diễn, hình dạng ký hiệu điểm kiện đồ thị, v.v Và tất tập tin mã nguồn mở Trong báo tác giả sử dụng thư viện Morris để biểu diễn liệu dạng đồ thị 55 10ms/mẫu lấy mẫu tín hiệu, sau lưu vào bảng liệu để phục vụ cho việc tính tốn vẽ đồ thị Với thiết bị có nối mạng Internet, hệ thống cho phép người dùng truy cập theo dõi liệu sức khỏe Quá trình thực nghiệm thể Hình 15 Một website đơn giản thể giá trị nhịp tim, nhiệt độ, dạng sóng tạo dựng lại qua trình thu thập liệu lấy mẫu Hình 12 Đoạn mã biểu diễn cách sử dụng thư viện mã nguồn mở Morris lập trình giao diện người dùng Thực nghiệm kết Sử dụng bo mạch thiết bị cảm biến phản xạ đo SpO2 đo cổ tay, nhóm tác giả tiến hành khảo sát đo đạc tín hiệu thu ngõ chuyển đổi I/V ngõ sau qua lọc khuếch đại Tại ngõ chuyển đổi I/V, tín hiệu điện áp thu bé với biên độ điện áp AC 10mV chứa nhiều nhiễu khó để xác định Tuy nhiên, tín hiệu thu ngõ cuối loại bỏ gần nhiễu tín hiệu nhìn thấy rõ thể Hình 13 Tại đây, biên độ điện áp AC đạt xấp xỉ vài trăm mV, đủ để ADC12 bit với sai số lượng tử (2,5/4096)/2 = 0,3mV MCU đọc xác Hình 13 Thực nghiệm đo đạc thiết bị với tín hiệu thu trước (trái) sau (phải) qua lọc nhiễu khuếch đại Song song với thiết kế kiểm nghiệm phần cứng, chúng tơi thực tạo dựng tín hiệu nhịp tim phần mềm ArbExpress hãng Tektronix để đánh giá khả đồ họa thư viện mã nguồn mở Dữ liệu tín hiệu nạp vào thiết bị tạo sóng Function Generator (FG) thơng qua cổng USB Như minh họa Hình 14, tín hiệu nhịp tim tạo dựng tương đương với tín hiệu sau qua hai lọc thông thấp 5Hz lọc thơng cao 0,5Hz Điện đỉnh tín hiệu 1Vpp, chu kỳ tín hiệu 2,7s/3 = 0,9s Từ suy giá trị nhịp tim 66,7 nhịp/1 phút Hình 15 Kết thực nghiệm với thư viện đồ thị mã nguồn mở áp dụng theo dõi sức khỏe từ xa Hình 16 thể phiên website hoàn thiện hơn, cho phép hiển thị trang thông tin sức khỏe bệnh nhân với đầy đủ thông tin sức khỏe nhịp tim, mức độ bão hòa oxy máu, huyết áp tâm thu, huyết áp tâm trương, nhiệt độ thể, nồng độ đường máu Một biểu đồ nhịp tim thể trực quan cho biết độ sâu đặn nhịp thở, v.v Hình 16 Sử dụng thư viện mã nguồn mở tạo nên website giám sát sức khỏe từ xa với giao diện đẹp mắt tính tương tác người dùng cao Dữ liệu thu thập thống kê theo giai đoạn, từ hỗ trợ đánh giá chiều hướng tốt xấu thơng số sức khỏe, dự đốn sớm bệnh tật, đưa phương pháp điều trị hiệu Hình 17 thể biểu đồ hình cột mơ tả kết thống kê trung bình giá trị sức khỏe theo ngày chia thành bốn nhóm: nhịp tim, SpO2, huyết áp trên, huyết áp Sẽ bất thường có nhóm cột có xu hướng tăng dần giảm dần Đó sở để bác sĩ quan tâm đến Hình 14 Tạo tín hiệu nhịp tim giả lập xuất tín hiệu thực Function Generator Tín hiệu ngõ tạo dựng máy FG đưa đến MCU Tại đây, ADC12 bit với tốc độ lấy mẫu Hình 17 Biểu đồ hình cột sử dụng thư viện Morris 56 Lại Phước Sơn, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Thị Anh Thư, Nguyễn Thế Nghĩa Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành khảo sát tất thư viện đồ thị đưa bảng đánh giá riêng cho loại (Bảng 1), dựa tiêu chí chi phí, yêu cầu kết nối Internet, tính đơn giản, tính phong phú, v.v Từ đề xuất lựa chọn loại thư viện cần dùng phù hợp với trường hợp riêng biệt Bảng So sánh đánh giá thư viện Tên Google Chart Morris Chartkit Flot NVD3 Rickshaw Xcharts Elycharts Miễn phí Internet Sử dụng Sự đa dạng có cần dễ có có có có có có khơng cần khơng khơng khơng khơng khơng dễ dễ dễ bình thường bình thường bình thường bình thường trung bình nhiều trung bình nhiều trung bình ít “-“ : miễn phí mục đích phi thương mại Kết luận Bài báo đề xuất giải pháp cho vấn đề theo dõi giám sát sức khỏe từ xa thông qua thiết bị đeo cá nhân hệ thống dịch vụ website, cho phép người dùng thiết bị người thân theo dõi tình hình sức khỏe giải pháp truyền thống, mà cịn cho phép bác sĩ tham gia vào dịch vụ Hơn nữa, dịch vụ webiste cho phép thiết lập lịch hẹn với bác sĩ hay lịch nhắc nhở uống thuốc cách dễ dàng Ngoài ra, báo giới thiệu số thư viện, vẽ biểu đồ đồ thị mã nguồn mở có tính thẩm mỹ tương tác cao, làm tăng hiệu truyền đạt thông tin đến người dùng Với khả vượt trội hiệu truyền đạt thông tin, đặc biệt dễ dàng sử dụng, thư viện cơng cụ hữu ích cho người lập trình web khơng chun, giúp họ nhanh chóng triển khai ý tưởng lên web cách dễ dàng Nhiệm vụ thiết kế phần mềm nhúng lên board mạch đo thiết kế, cho phép truyền liệu sức khỏe điện thoại di động thông qua kết nối Bluetooth Đồng thời, phát triển phần mềm điện thoại để truyền liệu đến website giám sát thiết kế Cuối cùng, việc đo đạc đánh giá tối ưu độ xác, lượng tiêu thụ thiết bị, tốc độ truyền liệu thực trước thi cơng phiên cuối hồn thiện Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thành viên Trung tâm Xuất sắc, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng dẫn tận tình hỗ trợ tối đa trang thiết bị, sở vật chất, phịng thí nghiệm để nhóm thực nghiên cứu này! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H.T Tùng, N.V Ngọc, L.P Sơn, N.T Kiên, P.V Tuấn, “Thiết bị đo nồng độ oxy máu có kết nối với smartphone – Bước cải tiến chăm sóc sức khỏe”, Tạp chí KHCN, ĐH Đà Nẵng, trang 6871, no 6, 2014 [2] A Lima, J.Bakker, “Noninvasive monitoring of peripheral perfusion”, DOI 10.1007/s00134-005-2790-2, 2005 [3] Sijung Hu, “Development of effective photoplethysmographic measurement techniques: From contact to non-contact and from point to imaging”, DOI 10.1109/IEMBS.2009.5334505, ISSN 1557170X,ieee, Minnesota, USA, 2009 [4] Rita Paradiso, Giannicola Loriga, and Nicola Taccini, “A Wearable Health Care System Based on Knitted Integrated Sensors”, IEEE transactions on information technology in biomedicine, vol 9, no 3, september 2005,DOI 10.1109/TITB.2005.854512 ISSN:10897771/$20.00 © 2005 IEEE [5] Texas Instruments technical document, SLYT318A: “eZ430 Chronos development kit”,2009 [6] “The future of Health and the future of wearable tech” PSFK, p 2225, 2014 [7] Michael W.Wukitch, “Pulse Oximetry: Anaylysis of theory, technology, and practice, Journal of Clinical Monitoring, DOI 10.1007/BF01617328, ISSN 1573-2614,vol 4, no 4, Oct 1988 [8] J.G.Webster, “Design of pulse oximeters”, ISBN 0750304677, August 1997 (BBT nhận bài: 22/10/2015, phản biện xong: 05/11/2015) ... vụ, có sử dụng thư viện vẽ biểu đồ đồ thị mã nguồn mở Website dịch vụ này, việc theo dõi số sức khỏe, hỗ trợ tương tác qua lại người dùng với bác sĩ, tạo lịch hẹn, lịch nhắc nhở uống thuốc, thông. .. cong theo hiệu ứng “quả chuối”, quay lại môi trường ban đầu mô tả Hình Hình Đề xuất giải pháp theo dõi giám sát sức khỏe từ xa (Hệ thống bao gồm thiết bị điện tử đeo người, có khả đo thông số sức. .. thơng số sức khỏe thân thiện với người dùng thông qua việc sử dụng hiệu biểu đồ, đồ thị thống kê trực quan Bài báo trình bày số thư viện mã nguồn mở đáp ứng yêu cầu trên, giúp tạo trang web với biểu