Đo lường và phân tích chỉ số đường glucose của cơ thể người dùng phương pháp không xâm lấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Đo lường phân tích số đường glucose thể người dùng phương pháp không xâm lấn ĐINH QUANG KIÊN Ngành: Kỹ thuật y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Vương Hoàng Nam Trường Điện – Điện tử Hà Nội, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Đo lường phân tích số đường glucose thể người dùng phương pháp không xâm lấn ĐINH QUANG KIÊN Ngành: Kỹ thuật y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Vương Hoàng Nam Trường: Điện – Điện tử Hà Nội, 2022 Chữ ký GVHD CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Đinh Quang Kiên Đề tài luận văn: Đo lường phân tích số đường glucose thể người dùng phương pháp không xâm lấn Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh Mã số HV: 20202557M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… … với nội dung sau: – Đã bổ sung làm rõ kết thử nghiệm nghiên cứu – Đã bổ sung vào phần đánh giá kết thực tế kết tính tốn lý thuyết – Đã rà soát chỉnh sửa lỗi tả – Đã chỉnh sửa cấu trúc tài liệu tham khảo – Đã chỉnh sửa thích số hình luận văn Ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Vương Hoàng Nam Đinh Quang Kiên CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS.TS Nguyễn Đức Thuận LỜI CẢM ƠN Đến luận văn tốt nghiệp thạc sỹ tơi hồn thành Mặc dù trình học tập làm luận văn khơng thể tránh khỏi khó khăn định cố gắng, nỗ lực thân cộng với cổ vũ động viên gia đình nên cuối tơi hồn thành khóa học hồn thành luận văn thạc sỹ Trước tiên, tơi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình – chỗ dựa tinh thần, tạo động lực lớn cho tơi q trình học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vương Hoàng Nam hướng dẫn bảo tận tình tơi q trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn tới thầy cô môn CNĐT & Kỹ thuật y sinh - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị cho kiến thức chuyên môn thuộc lĩnh vực kỹ thuật y sinh Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy phòng Lab chuyên ngành kỹ thuật y sinh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ, tạo điều kiện cho thiết kế, thử nghiệm sản phẩm Tôi xin chân thành cảm ơn tới lãnh đạo Khoa Điện tử, Trường Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi có mơi trường học tập nghiên cứu Học viên Đinh Quang Kiên TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Đến nay, nước ta nghiên cứu đo đường glucose máu sử dụng quang học không xâm lấn chưa công bố nhiều Vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu, công bố, thiết kế để đưa module, thiết bị đo đường glucose máu không xâm lấn để có độ xác cao, chấp nhận thay cho chủng loại thiết bị đo đường glucose xâm lấn Bởi tác giả lựa chọn đề tài luận văn “Đo lường phân tích số đường glucose thể người dùng phương pháp không xâm lấn” Luận văn trình bày trình nghiên cứu thiết kế thiết bị đo đường huyết không xấm lấn với mục đích tạo module đo đường huyết không xâm lấn dùng ánh sáng cận hồng ngoại thay dùng thiết bị đo đường huyết xâm lấn nhằm tiết kiệm chi phí làm xét nghiệm đo đường huyết, giúp người bệnh không bị đau không cần lấy máu ngăn nguy nhiễm trùng xảy thiết bị đo xâm lấn thương mại Nội dung luận văn bao gồm có 04 Chương: • Chương 1: Giới thiệu chung Trong chương này, tác giả trình bày lý lựa chọn đề tài, mục tiêu đạt được, số phương pháp đo đường huyết • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Ở chương tác giả trình bày sơ lược lý thuyết ánh sáng hồng ngoại gần, phương pháp đo đường huyết dùng ánh sáng hồng ngoại gần • Chương 3: Thiết kế module đo đường huyết không xâm lấn • Chương 4: Kết quả, thử nghiệm bàn luận MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Thực trạng bệnh tiểu đường 1.1.2 Mục tiêu đề tài 1.1.3 Định hướng sản phẩm nghiên cứu 1.2 Đường huyết 1.2.1 Khái niệm đường huyết 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường huyết 1.3 Các phương pháp đo đường huyết nhà 11 1.3.1 Đo đường huyết phương pháp xâm lấn 11 1.3.2 Đo đường huyết phương pháp không xâm lấn 15 1.4 Kết luận chương 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Quang phổ cận hồng ngoại 22 2.2.1 Khái niệm 22 2.2.2 Nguyên lý phương pháp quang phổ cận hồng ngoại NIR 23 2.2.3 Ứng dụng phương pháp quang phổ cận hồng ngoại NIR 24 2.2.4 Một số ưu điểm phương pháp quang phổ cận hồng ngoại NIR so với phương pháp hóa ướt truyền thống 24 2.2.5 Hấp thụ tia hồng ngoại mô da 25 2.3 Phương pháp hấp thu quang 27 2.3.1 Độ truyền qua độ hấp thụ 28 2.3.2 Mối quan hệ độ hấp thụ độ dày truyền ánh sáng 28 2.3.3 Mối quan hệ độ hấp thụ nồng độ mẫu dung dịch 29 2.3.4 Định luật Beer–Lambert 30 i 2.3.5 Đo đường huyết phương pháp hấp thụ quang sử dụng quang phổ cận hồng ngoại 31 2.3.6 Nguyên lý đo đường huyết sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại 33 2.4 Kết luận chương 36 CHƯƠNG THIẾT KẾ MODULE ĐO ĐƯỜNG HUYẾT KHÔNG XÂM LẤN 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Sơ đồ khối module đo đường huyết không xâm lấn 37 3.3 Thiết kế chi tiết khối 38 3.3.1 Khối nguồn 38 3.3.2 Khối cảm biến 40 3.3.3 Khối lọc khuếch đại tín hiệu 46 3.3.4 Khối điều khiển ADC 51 3.3.5 Khối hiển thị 54 3.3.6 Bộ đệm 56 3.4 Thiết kế chương trình 57 3.5 Thiết kế phần cứng 60 3.6 Kết luận chương 63 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 64 4.1 Thử nghiệm 64 4.1.1 Phương pháp thực nghiệm 64 4.1.2 Thử nghiệm với dung dịch glucose 65 4.1.3 Thử nghiệm người 67 4.2 Kết bàn luận 71 4.3 Hướng phát triển đề tài 74 4.4 Kết luận chương 74 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 ii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ (Tiếng Anh) Chữ viết đầy đủ (Tiếng Việt) AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều LED Light Emitting Diode Điốt phát quang IR Infrared Radiation Tia hồng ngoại LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng Integrated Development Mơi trường tích hợp dùng để viết code để IDE Environment phát triển ứng dụng TFT Thin Film Transistor Transistor màng mỏng IDF International Diabetes Federation Liên đoàn Tiểu đường Quốc tế UV-VIS Ultra Violet - Visible Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử GI Glycemic Index Chỉ số đường huyết ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số MCU Micro Controller Unit Bộ vi điều khiển NIRS Near-infrared spectroscopy Quang phổ cận hồng ngoại Photoplethysmography Kỹ thuật quang học đơn giản sử dụng để PPG phát thay đổi thể tích máu iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Số người bị bệnh tiểu đường Việt Nam gia tăng nhanh chóng với nhiều biến chứng nguy hiểm Hình 1.2 Máy đo đường huyết cách lấy máu đầu ngón tay thiết bị hỗ trợ hiệu cho bệnh nhân mắc bệnh đái tháo đường Hình 1.3 Máy đo đường huyết Accu-chek nhiều người tin dùng độ xác cao 13 Hình 1.4 Máy đo đường huyết Beurer tích hợp 1: máy đo, kim lấy máu 14 Hình 1.5 Máy đo đường huyết Omron HGM-111 15 Hình 1.6 Máy đo tiểu đường khơng cần lấy máu đáp ứng nhiều nhu cầu khác người dùng, đảm bảo mang lại hiệu có tính an toàn cao 16 Hình 1.7 Máy đo tiểu đường khơng cần lấy máu KG-01 18 Hình 1.8 Máy thử đường huyết không cần lấy máu Omelon A1 19 Hình 2.1 Cấu trúc da người [11] 25 Hình 2.2 Quang phổ hấp thụ glucose thành phần cấu tạo máu khác [13] 27 Hình 2.3 Chiếu chùm tia tới có cường độ Pₒ qua dung dịch có màu, suốt, thu chùm tia ló có cường độ P thoả mãn P < Pₒ 28 Hình 2.4 Mối quan hệ độ hấp thụ độ dày truyền sáng 29 Hình 2.5 Mối quan hệ độ hấp thụ nồng độ mẫu dung dịch 29 Hình 2.6 Cơ sở phương pháp hấp thu quang dựa theo định luật Beer-Lambert30 Hình 2.7 Sự hấp thụ, phản xạ, tán xạ truyền qua ánh sáng đến phân tử glucose 32 Hình 2.8 Vị trí đo đầu ngón tay cách bố trí nguồn phát hồng ngoại IR LED cảm biến Photodiode 35 Hình 2.9 Tín hiệu thu qua ngón tay bao gồm hai thành phần AC DC 35 Hình 3.1 Sơ đồ khối module đo đường huyết khơng xâm lấn 37 Hình 3.2 Sử dụng PIN 9V làm nguồn cấp cho mudule 39 Hình 3.3 LED phát hồng ngoại IR LED Xl503320irc bước sóng 1550nm 40 Hình 3.4 Photodiode InGaAs G-PD910-02 có đường kính bề mặt vật liệu 1mm 41 iv Hình 3.5 Sơ đồ mạch khối cảm biến .43 Hình 3.6 Vị trí IR LED, photodiode ngón tay cảm biến đo đường huyết không xâm lấn .44 Hình 3.7 Thử nghiệm đo nồng độ với dung dịch glucose buồng tối 44 Hình 3.8 Thiết kế cảm biến kẹp đầu ngón tay để thuật tiện đo 45 Hình 3.9 Thiết bị kẹp đầu ngón tay module sau thiết kế hồn thiện 45 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý khối lọc khuếch đại 47 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối lọc khuyếch đại 48 Hình 3.12 Vị trí đo đầu khối cảm biến .49 Hình 3.13 Dạng tín hiệu đo đầu khối cảm biến 49 Hình 3.14 Vị trí đo đầu khối lọc 50 Hình 3.15 Tín hiệu nhận đầu khối lọc 50 Hình 3.16 Vị trí đo đầu tầng lọc 51 Hình 3.17 Tín hiệu thu đầu tầng lọc .51 Hình 3.18 Arduino Uno R3 52 Hình 3.19 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 53 Hình 3.20 Màn hình LCD TFT ST7735 54 Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý đệm tín hiệu 57 Hình 3.22 Giao diện phần mềm Arduino IDE 58 Hình 3.23 Sơ đồ thuật tốn chương trình đo đường huyết khơng xâm lấn 59 Hình 3.24 Sơ đồ mạch đo thiết kế phần mềm Altium 60 Hình 3.25 Thiết kế mơ mạch in phần mềm Altium 61 Hình 3.26 Hình ảnh thực tế sau hoàn thành thiết kế mạch đo .61 Hình 3.27 Sơ đồ kết nối phần module đo đường huyết 62 Hình 3.28 Kết nối khối module lại với 62 Hình 3.29 Module đo đường huyết hồn thiện 63 Hình 4.1 Cân tiểu ly dùng để cân khối lượng đường glucose 66 Hình 4.2 Thử nghiệm đo độ hấp thụ với dung dịch đường glucose 66 Hình 4.3 Kết đo đường huyết phương pháp xâm lấn dùng máy đo đường huyết Accu-chek 69 Hình 4.4 Kết thử nghiệm module đo đường huyết thiết kế 70 v