(Tóm tắt luận văn thạc sĩ) phát hiện nhịp thở bằng cảm biến radar

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG HÀ VĂN AN PHÁT HIỆN NHỊP THỞ BẰNG CẢM BIẾN RADAR CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THƠNG TIN Mã số: 8.48.01.04 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ( Theo định hướng ứng dụng) Hà Nội – 2023 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.PHẠM VĂN CƯỜNG Phản biện 1: PGS.TS Phạm Văn Đức Phản biện 2: PGS.TS Đặng Trung Tuấn Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 09 00 ngày 17 tháng 02 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trước đây, người ta đo nhịp thở phương pháp đếm thủ công nhịp thở bệnh nhận phút ghi chép lại số liệu Ngày nay, phương pháp để đo nhịp thở sử dụng cảm biến tiếp xúc Kết phương pháp có độ xác cao lại khó để sử dụng liên tục thời gian dài Các thiết bị đặt khu vực chuyên dụng như: bệnh viện, phòng khám, phải gắn trực tiếp thể đối tượng cần đo, phạm vi đo ngắn, không linh hoạt Điều gây cảm giác khó chịu, mệt mỏi cho bệnh nhân Do đó, phát triển công nghệ cảm biến không tiếp xúc giải hạn chế cảm biến tiếp xúc Đặc biệt, cảm biến Radar có chi phí thấp, nhỏ gọn, sử dụng nơi ánh sáng kém, độ xác cao, bền bỉ, thích ứng với nhiều loại địa hình, mơi trường điểm tích cực làm cho ta đánh giá cảm biến Radar có lợi vượt trội hẳn cảm biến không tiếp xúc khác.Việc sử dụng cảm biến Radar cho phương pháp đo nhịp thở đơn giản xác Tính phương pháp việc sử dụng tảng dựa phản hồi sóng radar từ cảm biến Radar đến lồng ngực bệnh nhân ngược lại Kết hợp với thuật toán xây dựng sẵn để tính tốn chuyển động tinh vi đối tượng (ví dụ nhơ lên thành ngực) từ cho kết đo nhịp thở bệnh nhân cách nhanh chóng độ tin cậy lên đến 95% so với cảm biến tiếp xúc [13] Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2.1 Các phương pháp đo nhịp thở Phương pháp đo nhịp thở cảm biến Radar siêu rộng (UWB) [16] Tác giả sử dụng đơn vị radar UWB có sẵn thị trường PulsON® 440 (P440) Mơ-đun radar tĩnh điện (MRM) để tiến hành thí nghiệm Mỗi cảm biến có phát UWB thu UWB Băng tần hoạt động máy phát máy thu nói chung 3,1 đến 4,8 GHz với tần số trung tâm 4,3 GHz Nghiên cứu diễn hai giai đoạn: Giai đoạn đầu mơi trường có kiểm sốt (phịng thí nghiệm), giai đoạn thứ hai môi trường lâm sàng (ED) Ở giai đoạn đầu, đối tượng phải nằm yên giường, trải qua ba giai đoạn nhịp thở cụ thể: 10 nhịp thở phút, 15 nhịp thở phút 20 nhịp thở phút Trong nhịp giai đoạn thở, radar chụp chuyển động ngực bụng tương ứng đối tượng Phương pháp đo nhịp thở cảm biến Radar sóng milimet (mmWave) [17] hoạt động băng tần 60 - 77 GHz Đây công nghệ cảm biến không tiếp xúc để phát đối tượng cung cấp phạm vi, vận tốc góc đối tượng Nó mang lại trải nghiệm thoải mái nhanh thể người, dần ý lĩnh vực cảm biến Radar Kết hợp với thuật toán đề xuất ngăn chặn tiếng ồn gây nhiều sóng hài hịa, độ xác thuật tốn đề xuất cho nhịp hô hấp nhịp thở đạt khoảng 93% [17] 2.2 Kết luận Các phương pháp đo nhịp thở liệt kê phần nhỏ phương pháp đo nhịp thở Được ứng dụng rộng rãi lĩnh vực y học, cơng nghiệp,qn sự… Trong đó, phương pháp đo nhịp thở cảm biến Radar công nghệ lý tưởng để phát nhịp thở Ngồi ra, cơng nghệ cảm biến Radar mạng lại lợi giám sát liên tục, không tiếp xúc trực tiếp lên thể đối tượng, thuận tiện cho người theo dõi người theo dõi Mục tiêu nghiên cứu Hiểu rõ chế, cách thức hoạt động cảm biến Radar đo số thể người Đề tài triển khai ứng dụng số tính Radar vào xây dựng hệ thống đo nhịp thở đối tượng cần theo dõi Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu lý thuyết cảm biến Radar ứng dụng liên quan đến nhịp thở cảm biến Radar Kết đề tài phát triển hệ thống đo nhịp thở triển khai thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu: Để đạt mục đích nghiên cứu, tác giả tập trung tìm hiểu, nghiên cứu nội dung theo trình tự sau : - Nghiên cứu mơ hình tổng quan hệ thống đo nhịp thở kỹ thuật liên quan - Nghiên cứu cảm biến Radar ứng dụng đo nhịp thở PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG TÔNG QUAN VỀ ĐO NHỊP THỞ 1.1 Bài toán đo nhịp thở 1.2 Các nghiên cứu trước 1.2.1 Phát nhịp thở nhịp tim thơng qua sóng Radar Doopler 24GHz thời gian thực Nebojša Malešević, Vladimir Petrović, Minja Belić, Christian Antfolk, Veljko Mihajlović, Milica Janković [12] trình bày phương pháp khơng tiếp xúc đơn giản hiệu để phát nhịp tim Phương pháp dựa radar CW Doppler kết hợp trực tiếp với tầng ANN để phát gợn sóng tín hiệu nhỏ chuyển động ngực milimet nhịp tim Phương pháp có độ trễ thấp hơn, độ phức tạp tính tốn thấp triển khai dễ dàng tảng nhúng so sánh với phương pháp truyền thống mô tả tài liệu, đạt độ xác ước tính nhịp tim tốt Hình 1.1: Mơ thí nghiệm đo máy điện tâm đồ Radar (a) Cấu trúc Radar Doppler cầu phương sử dụng cho phép đo; (b) Ảnh chụp Hệ thống WWS sử dụng để đo điện tâm đồ (ECG); (c) Thiết lập thí nghiệm 1.2.2 Phân tích thành phần nhịp thở đo Radar UWB Nghiên cứu đề xuất phép đo xác ổn định nhịp thở radar UWB dựa PCA PCA giúp nén tín hiệu xung UWB, cải thiện SNR Các tín hiệu quan trọng biến đổi phân tích khơng gian thành phần Một phép chiếu PC cung cấp thông tin quan trọng chất lượng tín hiệu, chứa hầu hết thơng tin tín hiệu quan trọng (84,47%) Cả tín hiệu hơ hấp tín hiệu nhịp thở được cải thiện thành dB-10 dB SNR cách sử dụng phương pháp PCA, so với hai cách tiếp cận thông thường: FFT trực tiếp CSD 1.2.3 Theo dõi dấu hiệu sinh tồn Radar sóng FMCW Millimeter Adeel Ahmad, June Chul Roh, Dan Wang, Aish Dubey [14] sử dụng Radar sóng FMCW Millimeter để chứng minh tính khả thi việc đo dấu hiệu sinh tồn nhiều người tần suất cảm biến sóng mm (FMCW) CMOS hoạt động từ 76-81 GHz Họ chứng minh ứng dụng hỗ trợ cách đáng tin cậy giải pháp tích hợp giúp tối ưu hóa kích thước, mức tiêu thụ điện chi phí an tồn giải pháp giám sát quan trọng 1.2.4 Ứng dụng nhà thông minh vào theo dõi nhịp thở nhịp tim 1.2.4.1 Thử nghiệm đo người Để hiểu hoạt động Vital-Radio, nhà khoa học thử nghiệm lần đo với người phịng, khoảng cách từ 1m đến 8m Hình 1.7: Thiết lập thử nghiệm (a) Hiển thị người, ngồi cách khoảng 2,5m cách xa ăng-ten Vital-Radio Người dùng đeo dây đeo ngực máy đo oxy, kết nối với Alice PDx để thu phép đo thực tế (b) Ăng ten Vital-Radio Hình 1.8: Kết đo nhịp thở thu từ Vital-Radio thiết bị đo Alice PDx Hình 1.9: Kết đo nhịp tim thu từ Vital-Radio thiết bị đo Alice PDx Từ Hình 1.8 Hình 1.9 cho thấy độ xác trung bình 99,3% cách thiết bị 1m tới 98,7% cách thiết bị 8m Nhìn biểu đồ nhận thấy độ xác 90% cho tất lần đo Hình 1.10: Độ xác trung bình Vital Radio nhịp thở nhịp tim người dùng ngồi cách thiết bị 4m quay mặt hướng khác 1.2.4.2 Thử nghiệm đo nhiều người Các nhà khoa học quan tâm đến việc đánh giá độ xác Vital-Radio cho giám sát dấu hiệu quan trọng nhiều người dùng Do đó, họ thực thử nghiệm này, họ u cầu ba người dùng ngồi lên ghế mốc 2m, 4m 6m Hình 1.11 Trong thử nghiệm, Vital-Radio xác định có người dùng, người khoảng cách tương ứng anh với thiết bị đưa dấu hiệu quan trọng thiết bị Hình 1.11: Thiết kế thử nghiệm Hình vẽ cho thấy bố cục thiết lập thử nghiệm, đánh dấu vị trí Vital-Radio màu xanh đối tượng màu đỏ giám sát ngồi vị trí khác Hình 1.12: Kết Vital-Radio đo độ xác trung bình việc theo dõi dấu hiệu quan trọng đồng thời người Ngồi cách thiết bị 2m, 4m 6m Hình cho thấy Vital-Radio's theo dõi nhịp thở nhịp tim có độ xác khoảng 98% cho ba người dùng Cũng lưu ý rằng, gia tăng khoảng cách người dùng thiết bị mà độ xác trung bình người dùng gần cao so với hai người dùng Những kết xác minh Vital-Radio theo dõi dấu hiệu quan trọng nhiều người dùng độ xác theo dõi nhiều người dùng giống người dùng 1.2.4.3 Theo dõi nhịp tim người dùng tập thể dục Hình 1.13: Kết đo nhịp tim người dùng Vital-Radio (màu đỏ) thiết bị đo AlicePDx (màu đen) 1.2.5 Theo dõi nhịp thở nhịp tim thời gian thực sóng WiFi 1.2.5.1 Thí nghiệm sơ bộ: Hình 1.14: Vùng Fresnel Vùng Fresnel định nghĩa loạt elip đồng tâm, P1 P2 vị trí anten phát anten thu tương ứng Tx Rx đại diện cho người gửi người nhận  Mơ hình thử nghiệm Hình 1.15: Mơ hình thử nghiệm hệ thống 10 Hình 1.18: Kết đo thử nghiệm  Kết luận Trong thí nghiệm này, nhà nghiên cứu họ sử dụng tín hiệu WiFi để theo dõi dấu hiệu quan trọng người (hơi thở nhịp tim) cho tư ngủ khác cặp thiết bị WiFi Đặc biệt, hệ thống họ khai thác CSI trích xuất từ Wifi để phát chuyển động nhỏ thở nhịp tim Họ thiết lập ăng-ten dựa mơ hình Fresnel nhiễu xạ lý thuyết truyền tín hiệu, giúp tăng cường khả phát chuyển động nhịp thở/nhịp tim yếu Họ triển khai hệ thống nguyên mẫu cách sử dụng thiết bị có sẵn hệ thống xử lý thời gian thực để theo dõi dấu hiệu quan trọng thời gian thực Kết thực nghiệm cho thấy độ xác nhịp thở hiệu suất phát nhịp tim bên trong tương lai, dự định thiết kế định vị chuyển động bất thường thuật toán dựa phát đặn, xác định vị phạm vi chuyển động bất thường (lật lại lấy lên, v.v.) phân loại chuyển động bất thường để cung cấp thêm thông tin giấc ngủ chi tiết 1.3 Kết luận Chương khái quát số nghiên cứu trước nhà khoa học đo nhịp thở, nhịp tim cảm biến Radar không tiếp xúc Chương đưa phân tích phương pháp sử dụng để từ làm tiền đề cho chương 11 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THEO DÕI NHỊP THỞ BẰNG CẢM BIẾN RADAR 2.1 Giới thiệu cảm biến Radar TI IWR‐1443 2.1.1 Lý chọn cảm biến Radar TI IWR‐1443 Hình 2.1: Cảm biến Radar TI IWR‐1443 Hình 2.2: Sơ đồ khối Radar TI IWR1443 12 2.1.2 Thông số cảm biến Radar TI IWR‐1443 Bảng 2.1: Thông số cảm biến Radar IWR-1443 Tần số Ăng ten thu tín hiệu(Rx) Ăng ten phát tín hiệu (Tx) Tốc độ lấy mẫu ADC (MSPS) Công suất phát (dBm) Arm CPU Co-processor(s) RAM (KB) Loại Interface Phạm vi nhiệt độ(C) Nguồn điện 76 - 81 GHz 37.5 12 ARM R4F @ 200MHz Radar Hardware Accelerator 576 CAN, CSI-2, I2C, LVDS, QSPI, SPI, UART -40 đến 105 LP87702-Q1, LP87745-Q1 2.1.3 So sánh với loại cảm biến Radar khác Bảng 2.2: So sánh Radar IWR-1443 với loại khác Loại Radar Tần số (GHz) Phạm vi tối đa (m) Phát đồng thời (Người) Mơi trường thí nghiệm 77–81 2.55 FMCW 77–81 4.3 FMCW 76–81 Trong nhà - Phòng ngủ IWR‐1443 2.1.4 Ưu nhược điểm cảm biến Radar IWR‐1443  Ưu điểm - Mạnh mẽ- Radar mmWave mạnh mẽ với điều kiện khí bụi, khói sương mù so với cảm biến hồng ngoại - Hoạt động cường độ sáng khác - Radar mmWave hoạt động ánh sáng rực rỡ, đèn chói khơng có đèn  Nhược điểm - Nó dễ bị ảnh hưởng bầu khí thơng số khí tượng khác Do khơng cung cấp đo khoảng cách xác vật thể gần Điều làm suy yếu trình xác định vật thể - Hoạt động radar sóng milimet bị ảnh hưởng nhiễu từ cột điện gần đó, tháp di động, WiFi / điểm truy cập di động, v.v 13 2.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến Radar IWR‐1443 Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động Radar 2.3 Thuật toán đo nhịp thở cảm biến Radar IWR‐1443 loại Radar phát tín hiệu hình sin khoảng thời gian định thời gian qt T Tín hiệu hình sin điều chế điều chế tần số với băng thơng B Tín hiệu cịn gọi tín hiệu chirp Một tín hiệu chirp hình sin sóng có tần số tăng tuyến tính theo thời gian [12] Tần số ban đầu fc Tín hiệu FMCW truyền s(t) biểu diễn sau: (1) 14 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ THỬ NGHIỆM 3.1 Phân tích hệ thống  Cảm biến TI mmWave đo độ dịch chuyển lồng ngực cảm biến đặt đối diện ngực người làm thí nghiệm  Các nhân xử lý tích hợp cảm biến TI-IWR 1443 mmWave sử dụng để lọc mô hình nhịp thở từ dịch chuyển lồng ngực ước tính nhịp thở  GUI hiển thị liệu dạng sóng lọc ước tính nhịp thở 3.2 Thiết kế hệ thống Hình 3.1: Thiết kế hệ thống đo nhịp thở Radar Hình 3.2: Hình ảnh đặt thiết bị thực tế 3.3 Phát triển hệ thống 3.3.1 Các công cụ phát triển hệ thống  Phần mềm: o Ti mmWave SDK phiên 15 o Vital Signs Lab CCS Project o Phần mềm UniFlash để cài đặt firmware cho Radar o XDS110 Drivers o Thư viện MATLAB runtime R2016b để hiển thị GUI Lab  Phần cứng: o AWR14xx/IWR14xx EVM o Dây cáp Micro USB o Nguồn điện 5V/5A o Máy tính dùng để trích xuất liệu 3.3.2 Phát triển giao diện Hình 3.3: Hình ảnh giao diện đo 3.4 Thử nghiệm đánh giá 3.4.1 Cài đặt hệ thống  Bước 1: Tải công cụ cần thiết mục 3.3.1 máy tính cá nhân 16 Hình 3.4: Các phầm mềm cần thiết  Bước 2: Xây dựng Project từ thuật tốn đề xuất mục 2.3 Hình 3.5: Project đo nhịp thở  Bước 3: Kết nối Radar với máy tính o Bật nguồn EVM nguồn 5V/5A o Kết nối EVM với PC bạn kiểm tra Cổng COM 17 Windows Device Manager o EVM xuất hai cổng COM ảo là: XDS110 Class Application/User UART XDS110 Class Auxiliary Data Port Hình 3.6: Kiểm tra cổng kết nối từ thiết bị đến máy tính  Bước 4: Nạp firmwave cho Radar o Đặt EVM chế độ nhấp nháy cách kết nối jumper SOP0 SOP2 thể hình ảnh Hình 3.7: Kết nối Jumper bảng mạch o Mở công cụ UniFlash o Trong phần New Configuration section, xác định vị trí chọn thiết bị thích hợp (AWR1443 IWR1443) 18 Hình 3.8: Lựa chọn thiết bị để nạp cấu hình o Ấn nút Start để nạp config cho Radar o Trong tab Program, chọn đường dẫn đến thư mục chứa SS MSS Radar Hình 3.9: Chọn đường dẫn chứa file RadarSS Mss firmware o Trong tab Settings & Utilities, điền vào hộp văn Cổng COM với số cổng COM Application/User UART COM Hình 3.10: Điền cổng COM hiển thị Bước Quay trở lại tab Program, khởi động lại thiết bị ấn vào Load Images Khi quy trình flash hoàn tất, bảng điều khiển UniFlash hiển thị: [SUCCESS] Program Load completed successfully o Tắt nguồn bo mạch loại bỏ jumper khỏi SOP2  Bước 5: Chạy Project