Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực dành cho ghế thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Mã số: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Hậu

PGS.TS Huỳnh Quang Linh Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Thế Thường

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Mai Hữu Xuân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM ngày 09 tháng 7 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch Hội đồng: TS Lý Anh Tú

2 Thư ký: TS Nguyễn Xuân Thanh Trâm 3 Phản biện 1: TS Nguyễn Thế Thường 4 Phản biện 2: TS Mai Hữu Xuân 5 Ủy viên: TS Lưu Gia Thiện

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

TS Lý Anh Tú PGS TS Trương Tích Thiện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày tháng năm sinh: 14/06/1996 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Mã số: 8520401 I TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NHẬN DẠNG TƯ THẾ NGỒI VÀ NHỊP TIM THEO THỜI GIAN THỰC DÀNH CHO GHẾ THÔNG MINH

DESIGN OF A SMART DEVICE FOR POSTURE RECOGNITION AND PHYSIOLOGICAL SIGNAL MONITORING Ò HUMAN BODY IN SMART CHAIR APPLICATION

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan về tư thế ngồi và nhịp tim Cơ sở sinh học

Mối liên quan giữa tư thế ngồi với các triệu chứng đau và những ảnh hưởng đến sức khỏe Đo nhịp tim bằng phương pháp quang học

2 Thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và đo nhịp tim theo thời gian thực

3 Đánh giá tính chính xác, hiệu quả của thiết bị thông qua việc so sánh kết quả nhận diện tư thế ngồi và tư thế thực tế, so sánh kết quả nhịp tim với thiết bị khác có sẵn trên thị trường 4 Đưa ra các kết luận quan trong từ kết quả đạt được và mở ra các hướng đi tiếp theo III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 TS Nguyễn Trung Hậu – Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh – Khoa Khoa học Ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG

2 PGS.TS Huỳnh Quang Linh - Bộ môn Vật lý Kỹ thuật Y sinh – Khoa Khoa học Ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG

Tp HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2023 CÁN BỘ

HƯỚNG DẪN 01

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 02

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Nguyễn Trung Hậu PGS TS Huỳnh Quang Linh PGS TS Huỳnh Quang Linh TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

PGS TS Trương Tích Thiện

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khoá cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ hướng dẫn về chuyên môn cũng như sự hỗ trợ về mọi mặt của các thầy cô, các anh chị đồng nghiệp, bạn bè và đặc biệt là từ phía gia đình Từ đáy lòng mình, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng sâu sắc và lời cám ơn chân thành đối với:

 TS Nguyễn Trung Hậu, PGS TS Huỳnh Quang Linh người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và cố vấn về các vấn đề chuyên môn cũng như hoàn thiện nội dung, hình thức của luận văn này

 Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Y sinh và thầy Lê Cao Đăng đã hỗ trợ cơ sở vật chất trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và tiến hành thí nghiệm

 Nhà trường và quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khoá học

 Tập thể các anh chị em học viên cao học Vật lý Kỹ thuật khóa 2020, 2021, 2022 đã cùng chia sẻ những khó khăn và nhiệt tình giúp đỡ, động viên trong thời gian qua

 Cha mẹ, anh chị em và bạn bè đã giúp đỡ và là nguồn động viên tinh thần rất lớn đối với tôi trong suốt thời gian qua

Một lần nữa, tôi xin gửi đến tất cả lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023 Học viên

Võ Quốc Bảo

ABSTRACT

DESIGN OF A SMART DEVICE FOR POSTURE RECOGNITION AND PHYSIOLOGICAL SIGNAL MONITORING OF HUMAN BODY

IN SMART CHAIR APPLICATION

The relationship between sitting and low back pain as well as spinal diseases has been researched and proven by many authors Be aware of the importance of correct sitting posture and the harmful effects of poor sitting posture, as well as monitor changes in basic survival parameters during sitting We have designed a smart chair device that recognizes and monitors your sitting posture and heart rate in real time The device uses a suitably arranged pressure sensor to record the distribution on the surface of the seat when sitting Combined with microcontrollers and machine learning models, the device can recognize the sitting posture with 99% accuracy, simultaneously display the heart rate at that time, and send the results to the phone via Bluetooth This device is expected to help users become more aware of their posture and sitting habits, heart rate changes during sitting, thereby self-adjusting to ensure long-term health

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Trung Hậu và PGS.TS Huỳnh Quang Linh Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chính xác và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác Những dữ liệu trong các bảng biểu và hình ảnh sử dụng phục vụ cho việc giải thích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 05 năm 2023 TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Võ Quốc Bảo

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

2.3 Thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực 14

2.3.1 Tổng quan thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực 14

2.3.2 Phần cứng của thiết bị 16

2.4 Thiết bị đo nhịp tim theo thời gian thực 24

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1 Lý thuyết thống kê, dữ liệu và các phương pháp học máy 26

3.1.1 Tổng quan về thống kê, dữ liệu và đại lượng đo lường độ tập trung và phân tán của dữ liệu 26

3.1.2 Các phương pháp học máy 30

3.2 Thiết kế thí nghiệm 45

3.3 Thiết kế mô hình thiết bị 45

3.3.1 Vị trí đặt cảm biến 45

3.3.2 Thiết kế mạch in 47

3.4 Phương pháp thu dữ liệu 49

3.4.1 Viết chương trình thu và lưu dữ liệu 50

3.4.2 Thu dữ liệu của đối tượng 51

3.5 Phương pháp phân tích dữ liệu và mô hình học máy 55

3.5.1 Huấn luyện mô hình 56

3.5.2 Đánh giá mô hình 57

3.5.3 Nhúng mô hình vào vi điều khiển 57

3.5.4 Thiết kế mô hình thiết bị nhận diện nhịp tim theo thời gian thực 57

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61

4.1 Kết quả 61

4.1.1 Trực quan hóa dữ liệu 61

4.1.2 Kết quả huấn luyện mô hình 62

4.1.3 Thiết bị đo nhịp tim theo thời gian thực 66

4.1.4 Thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực 68

4.2 Bàn luận 72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Minh họa mặt cắt ngang của cột sống [21] 3

Hình 2.2 Mô hình cơ xương toàn thân AnyBody ở tư thế đứng (A) và chế độ xem dọc mô tả trục đứng dọc (SVA) (B), kiểu thắt lưng Roussouly (RT) (C), độ dốc xương cùng (SS) và tỷ lệ vùng chậu (PI) ( D) [35] 7

Hình 2.3 Các tư thế ngồi được khảo sát trong nghiên cứu của Casas [31] 8

Hình 2.4 Kết quả hệ thống bản đồ áp suất [30] 10

Hình 2.5 Sơ đồ minh họa của photoplethysmography Đèn LED chiếu sáng da và ánh sáng không hấp thụ sẽ được phát hiện bởi đi-ốt quang (a) Đối với phương pháp phản xạ (b) Đối với phương pháp truyền qua [51] 13

Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát của thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực 14

Hình 2.7 Cảm biến lực dạng phim FSR-402 17

Hình 2.8 Tương quan giữa lực và trở kháng của cảm biến lực FSR [54] 18

Hình 2.9 Mô hình mạch chia áp và giá trị điện trở phù hợp 19

Hình 2.10 Sơ đồ chân IC LM324 20

Hình 2.11 Sơ đồ chân của vi điều khiển WeMos Lolin32 21

Hình 2.12 Tiến bộ công nghệ ứng dụng học máy theo thời gian [55] 23

Hình 2.13 Sơ đồ của mạch đọc tín hiệu PPG [56] 25

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn trực quan hình dáng phân phối của dữ liệu 28

Hình 3.2 Minh họa độ lệch chuẩn của dữ liệu 29

Hình 3.3 Minh họa mô hình phân loại gắn nhãn hình ảnh ảnh [58] 31

Hình 3.4 Ví dụ về dưới khớp và quá khớp dữ liệu [58] 36

Hình 3.5 SVM phân loại biên lớn [59] 37

Hình 3.6 Sự nhạy cảm của biên cứng với các điểm ngoại lai [59] 38

Hình 3.7 Vai trò của siêu tham số [59] 38

Hình 3.8 Phương pháp thêm đặc trưng để tập dữ liệu trở nên tuyến tính 39

Hình 3.9 Mô hình cây quyết định phân loại hoa Diên vĩ 41

Hình 3.10 Minh họa mô hình Rừng ngẫu nhiên trong bài toán phân loại hoa Diên vĩ 43

Hình 3.11 Tổng quát hóa hoạt động của một node [58] 44

Hình 3.12 Lưu đồ mô tả quy trình làm thí nghiệm 45

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí cảm biến 46

Hình 3.14 Bố trí cảm biến trên đệm 47

Hình 3.15 Lưu đồ biểu diễn đường đi của tín hiệu thu từ cảm biến lực 47

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch in 48

Hình 3.17 Thiết kế mạch in 49

Hình 3.18 Các bước thu và lưu dữ liệu 50

Hình 3.19 Quy trình thu dữ liệu 52

Hình 3.20 Ngồi thẳng lưng: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 52

Hình 3.21 Ngồi cong lưng: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 53

Hình 3.22 Ngồi nghiêng trái: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 53

Hình 3.23 Ngồi nghiêng phải: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 54

Hình 3.24 Ngồi chéo chân trái: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 54

Hình 3.25 Ngồi chéo chân phải: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 55

Hình 3.26 Ngồi ngả lưng ra sau: minh họa và dữ liệu phân bố áp lực tương ứng 55

Hình 3.27 Lưu đồ huấn luyện một mô hình phân loại 56

Hình 3.28 Thiết bị thu và xử lý tín hiệu PPG 57

Hình 3.29 Tín hiệu thô sau khi chuyển dòng thành áp 58

Hình 3.30 Tín hiệu sau khi đã loại bỏ thành phần DC và khuếch đại lần 1 58

Hình 3.31 Tín hiệu PPG sau khi đi qua mạch lọc thông dải 59

Hình 3.32 Tín hiệu trước khi đưa vào vi điều khiển 59

Hình 4.1 Trực quan hóa dữ liệu bằng PCA 2D 61

Hình 4.2 Trực quan hóa dữ liệu bằng PCA 3D 61

Hình 4.3 Trực quan hóa dữ liệu bằng t-SNE 2D 61

Hình 4.4 Trực quan hóa dữ liệu bằng t-SNE 3D 62

Hình 4.5 Ma trận nhầm lẫn của mô hình ANN 63

Hình 4.6 Ma trận nhầm lẫn của mô hình SVM 64

Hình 4.7 Ma trận nhầm lẫn của mô hình Cây quyết định 65

Hình 4.8 Ma trận nhầm lẫn của mô hình Rừng ngẫu nhiên 65

Hình 4.9 So sánh hiệu suất của mô hình học sâu và các mô hình học máy truyền thống 66Hình 4.10 Thiết bị đo nhịp tim của chúng tôi và thiết bị so sánh 67

Hình 4.11 So sánh nhịp tim thu đươc từ mạch PPG và cảm biến DFRobot 67

Hình 4.12 Biểu đồ Bland-Altman của tín hiệu nhịp tim 68

Hình 4.13 Kết quả nhận diện tư thế ngồi và nhịp tim được gửi về điện thoại 69

Hình 4.14 Hình ảnh thực tế khi đối tượng ngồi thẳng lưng và cong lưng 69

Hình 4.15 Hình ảnh thực tế của đối tượng khi ngồi nghiêng trái và nghiêng phải 70

Hình 4.16 Thống kê các tư thế ngồi của đối tượng trong thòi gian khảo sát 70

Hình 4.17 Biểu đồ nhịp tim của đối tượng trong thời gian khảo sát 71

Hình 4.18 Biểu đồ nhịp tim tương ứng với mỗi tư thế ngồi 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tổng hợp các tư thế ngồi xấu được phân loại trong luận văn và ảnh hưởng của

chúng 12

Bảng 2.2 Tổng hợp các bài viết liên quan về “ghế thông minh” [53] 15

Bảng 2.3 Thông số của cảm biến FSR-402 18

Bảng 2.4 Thông số của IC LM324 20

Bảng 2.5 Thông số vi điều khiển Wemos Lolin32 21

Bảng 3.1 Ma trận nhầm lẫn nhận diện số 5 trong tập tin MNIST [59] 34

Bảng 3.2 Tóm tắt một số kernel thông dụng 40

Bảng 3.3 Các tư thế ngồi cần nhận diện 51

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

5 OLED Organic Light Emitting Diode

9 Op-Amp Operational Amplifier

13 I2C Inter-Integrated Circuit

22 t-SNE t – Distributed Stochastic Neighbor Embedding

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Mối liên hệ giữa tư thế ngồi và cơn đau ngày càng trở thành một chủ đề được quan tâm khi lối sống ít vận động ở con người hiện đại ngày càng tăng Sự phát triển của các công cụ tiện ích, các thiết bị điện tử phục vụ cho mục đính giải trí như điện thoại di động, tivi, máy tính,… cũng làm giảm các hoạt động thể chất ở con người, và khi sử dụng các thiết bị này cũng kéo dài thời gian ngồi hằng ngày của con người Trong nhiều năm, tư thế ngồi đã được xác định là một trong những yếu tố rủi ro chính phát triển bệnh đau thắt lưng (LBP) [1, 2] Tỷ lệ phổ biến của bệnh đau thắt lưng đã và đang ảnh hưởng đến nền kinh tế của các nước công nghiệp hóa theo nhiều cách [3, 4] Tỷ lệ phổ biến của LBP được báo cáo trong những nghề đòi hỏi người lao động phải ngồi trong phần lớn thời gian trong ngày làm việc cao hơn đáng kể so với tỷ lệ phổ biến của dân số nói chung [5, 6] Cần lưu ý rằng tư thế không đúng, đặc biệt là khi ngồi và ngồi lâu, được coi là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến sự xuất hiện và duy trì LBP, cũng như căng cơ ở cổ [7, 8] Bên cạnh đó, việc giữ những tư thế ngồi không đúng kết hợp với cuộc sống ít vận động trong thời gian dài có thể làm tăng nguy cơ chấn thương do gập cơ [9], và có thể gây ra các rối loạn cơ xương như đau lưng với chức năng phổi suy giảm [10], đau thắt lưng hoặc chấn thương [11], đau cơ và mô liên kết của gân [12], tăng tải trọng cột sống [13], thay đổi vị trí cột sống cổ [14] Bên cạnh đó còn loét do tỳ đè ở một số bệnh nhân [15] Bản thân việc ngồi với tư thế duy trì lưng thẳng với ít sự thay đổi tư thế hoặc vị trí không cho thấy mối liên hệ gia tăng với sự hiện diện của bệnh đau thắt lưng [16] Từ đây có thể thấy việc mất cân bằng trong tư thế ngồi cũng như việc duy trì tư thế xấu sẽ gây nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của các cá nhân và gây ra các bệnh khác nhau

Các nhà nghiên cứu đã suy đoán rằng mọi người chỉ thỉnh thoảng xem xét tư thế của chính họ [17] Bằng chứng học thuật cho thấy rằng tư thế ngồi theo thói quen thường nghiêng về tư thế cong lưng hơn so với các tư thế thẳng đứng khác [18, 19] Mặc dù các phương pháp thay đổi tư thế ngồi bao gồm ghế có thể điều chỉnh và thay đổi tư thế chủ động của người ngồi, nhưng không phải tất cả các ghế đều được trang bị thiết bị điều chỉnh Các nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng ngay cả khi có cơ chế điều chỉnh thì nó cũng hiếm khi được sử dụng và người dùng có xu hướng điều chỉnh ghế ngay lần đầu sử

dụng [20] Điều này có thể là do người ngồi cảm thấy không cần phải điều chỉnh lại ghế một khi họ thấy rằng nó đã thoải mái Có thể thấy tư thế mà người ngồi cho là thoải mái nhất là do cảm nhận chủ quan của chính họ, chưa có công cụ giúp người ngồi nhận ra tư thế ngồi hiện tại và điều chỉnh cho phù hợp

Mục tiêu đề tài: tìm ra giải pháp cải thiện sự mất cân bằng trong tư thế ngồi, giúp người dùng nhận ra và hạn chế các tư thế ngồi xấu, cũng như nhắc nhở người dùng vận động sau một khoảng thời gian ngồi liên tục Đồng thời theo dõi sự thay đổi các thông số sinh tồn của cơ thể trong thời gian ngồi Từ đó tránh những ảnh hưởng xấu phát sinh từ việc ngồi đến sức khỏe mỗi cá nhân Chúng tôi đã thực hiện đề tài: Thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực dành cho ghế thông minh

Nhiệm vụ: để thực hiện mục tiêu trên, đề tài đưa ra những nhiệm vụ sau:

 Nghiên cứu về tư thế ngồi: tổng quan, thực trạng, đưa ra tư thế ngồi đúng và tư thế ngồi xấu, cùng với những hưởng đến sức khỏe

 Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở và nguyên lý của thiết bị

 Thiết kế chế tạo thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực

 Tìm hiểu về các phương pháp học máy, học sâu được sử dụng để phân loại tư thế ngồi, các tiêu chí lựa chọn phương pháp phù hợp với đề tài

 Huấn luyện mô hình phân loại bằng các dữ liệu thu được từ cảm biến  Đánh giá kết quả, hiệu suất của mô hình từ đó lựa chọn mô hình phù hợp  Nhúng mô hình phân loại vào vi điều khiển, thực hiện dự đoán kết quả nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim trên chính vi điều khiển và gửi kết quả về điện thoại thông qua Bluetooth

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về tư thế ngồi

Lưng là một cấu trúc phức tạp gồm xương, cơ và các mô khác tạo thành lưng hoặc phần sau của thân người, từ cổ đến xương chậu Ở trung tâm là cột sống, không chỉ nâng đỡ trọng lượng của phần trên cơ thể mà còn chứa đựng và bảo vệ tủy sống – cấu trúc hệ thống thần kinh mỏng manh mang tín hiệu điều khiển chuyển động của cơ thể và truyền đạt cảm giác Xếp chồng lên nhau là khoảng 30 xương - đốt sống - tạo thành cột sống, còn được gọi là xương sống Mỗi xương này chứa một lỗ hình tròn, khi xếp chồng lên nhau thẳng hàng với tất cả các xương khác, sẽ tạo ra một kênh bao quanh tủy sống Tủy sống đi xuống từ đáy não và kéo dài (ở người lớn) đến ngay bên dưới khung xương sườn

Hình 2.1 Minh họa mặt cắt ngang của cột sống [21]

Đốt sống là xương tạo thành cột sống Các dây thần kinh nhỏ (“rễ”) đi vào và đi ra từ tủy sống qua các khoảng trống giữa các đốt sống này Bởi vì xương cột sống tiếp tục phát triển lâu dài sau khi tủy sống phát triển hết chiều dài trong thời thơ ấu, nên các rễ

thần kinh ở lưng dưới và chân kéo dài nhiều inch xuống cột sống trước khi thoát ra ngoài Bó rễ thần kinh lớn này được gọi là Cauda Equina (đuôi ngựa) Khoảng cách giữa các đốt sống được duy trì bởi các miếng sụn tròn, xốp gọi là đĩa đệm Chúng tạo sự linh hoạt ở lưng dưới và hoạt động như bộ giảm xóc xuyên suốt cột sống để đệm xương khi cơ thể di chuyển Các dây chằng và gân giữ cố định các đốt sống và gắn các cơ vào cột sống

Bắt đầu từ đỉnh, cột sống có bốn vùng đốt sống:

 Bảy đốt sống cổ hoặc cổ (được dán nhãn C1-C7)

 Mười hai đốt sống ngực hoặc lưng trên (được dán nhãn T1-T12)  Năm đốt sống thắt lưng (được dán nhãn L1-L5), được gọi là lưng dưới  Xương cùng và xương cụt, một nhóm xương hợp nhất với nhau ở đáy cột sống

Trong phạm vi của luận văn này việc phân định tư thế ngồi chủ yếu dựa vào hình dạng của lưng đối tượng khi ngồi Các tác động của tư thế ngồi đến các thành phần của lưng cũng sẽ được xem xét Từ đó đưa ra nhận định về tư thế ngồi đúng và tư thế ngồi xấu, xác định dữ liệu đầu ra của bài toán phân loại

2.1.1 Tư thế ngồi đúng

Tư thế cơ thể không chỉ được coi là sự sắp xếp không gian của các bộ phận cơ thể riêng lẻ và dáng người, mà còn là cách duy trì tư thế đứng thẳng Thuật ngữ tâm khối là điểm mà khối lượng của cơ thể được phân bố đều nhau, cũng là điểm cân bằng của cơ thể [22] Mặc dù trọng tâm tổng thể của cơ thể khi đứng được đặt khá cao (nằm ngay dưới đốt sống cùng S2, khoảng 55% chiều cao của cơ thể), nhưng tư thế thẳng đứng vẫn được duy trì tự động, ngay cả trong các tình huống thay đổi liên quan đến các hoạt động hàng ngày khác nhau

Tư thế thẳng đứng của cơ thể là một đặc điểm không chỉ riêng của loài người mà còn giữa các cá thể với nhau Do đó, tư thế của những người khác nhau là tương tự nhau, nhưng không đồng nhất Hơn nữa, tư thế của một cá nhân không cố định Tư thế cơ thể đúng có thể được định nghĩa là tư thế thuận tiện cho hoạt động vận động bình thường, đồng thời không làm rối loạn hoạt động của các cơ quan nội tạng Bất chấp sự khác biệt

giữa các cá nhân, tư thế của nhiều người đáp ứng các tiêu chí trên và không gây ra bất kỳ bệnh tật nào

Sự sắp xếp không gian của các đoạn cơ thể phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc bình thường của bộ phận hỗ trợ hệ thống xương khớp và sự điều chỉnh hiệu quả của tư thế cơ thể Trong điều kiện bình thường, hai yếu tố này đảm bảo sự đối xứng trong mặt phẳng phía trước giữa lực nén và lực kéo tác động lên cả hai bên của trục cơ thể, điều này rất quan trọng đối với việc điều chỉnh tư thế cơ thể Trong mặt phẳng đứng dọc (sagittal plane – mặt phẳng cắt theo đường giữa của cơ thể, chia cơ thể thành bên trái và bên phải), điều quan trọng là mối quan hệ giữa các hình chiếu của trọng tâm của các phần cơ thể phía trên và các khớp bên dưới các phần cơ thể Chúng thường rất gần với các trục quay của các khớp, do đó các mô-men xoắn liên quan đến trọng lực là tương đối nhỏ Kết quả là, việc duy trì tư thế thẳng đứng của cơ thể không đòi hỏi các cơ phản trọng lực phải căng quá mức [23]

Một tư thế ngồi tốt phải có đường cong cột sống thắt lưng cong tương tự như tư thế đứng [24, 25], các chuyên gia về công thái học ủng hộ tư thế ngồi thẳng [26, 27] Tư thế ngồi thẳng lưng được mô tả là đầu và thân thẳng đứng, hai chân dưới cong một góc khoảng 90° ở hông và đầu gối, đồng thời bàn chân đặt chắc chắn trên sàn [28] Tư thế này cũng được áp dụng trong các nghiên cứu của Castanharo và cộng sự trong việc định lượng tải trọng tác động lên cột sống thắt lưng của các đối tượng khi được yêu cầu điều chỉnh từ tư thế ngồi cong lưng sang tư thế ngồi thẳng lưng [29] Tương tự với nghiên cứu chứng minh tầm quan trọng của tư thế ngồi bằng cách đo áp lực ngồi của Lee và các cộng sự [30] Ngoài ra tiêu chí cho tư thế ngồi thẳng lưng trên còn được áp dụng trong các khảo sát và đánh giá [31, 32, 33]

Để làm rõ hơn về vấn đề tại sao tư thế ngồi thẳng lưng lại tốt hơn các tư thế ngồi khác có thể dựa vào phương pháp phân tích các thành phần ngoại lực và nội lực Ngoại lực là những lực tác động của môi trường bên ngoài hay của những vật thể khác tác động lên vật thể đang xét, gồm tải trọng tác động và phản lực liên kết Vật thể chịu tác động của tải trọng sẽ truyền tác động sang các chi tiết tiếp xúc với chúng Ngược lại các chi tiết sẽ tác động lên vật thể đang xét những phản lực Vật thể chịu liên kết làm cho chuyển động bị ngăn cản Khi đó sẽ xuất hiện các phản lực, chúng có phương ứng với phương

của chuyển động bị ngăn cản Trong khi đó nội lực là các lực tương tác giữa các phần tử vật chất của vật thể xuất hiện khi vật rắn bị biến dạng dưới tác động của ngoại lực [34] Các thành phần của nội lực bao gồm: nén, kéo, uốn, xoắn, cắt Cụ thể hơn khi xem xét cột sống trong tư thế ngồi, thành phần ngoại lực tác động là tải trọng của cơ thể Tải trọng từ phần đầu sẽ truyền xuống cột sống cổ, qua cột sống ngực đến cột sống thắt lưng… và tiếp tục truyền xuống ghế Tải trọng trên mỗi đốt sống sẽ tăng dần theo chiều từ trên xuống dưới Hai đốt sống thắt lưng L4 và L5 vốn có nhiệm vụ hỗ trợ phần trên cơ thể để trong việc thực hiện các động tác xoay, gập hoặc vặn người Ngoài ra, chính hai đốt này cũng duy trì đường cong tự nhiên của cột sống để tạo tư thế đứng thẳng cho cơ thể Do nằm ở vị trí thấp nhất của thắt lưng nên L4, L5 phải chịu nhiều áp lực từ phần thân trên của cơ thể và đây chính là lý do khiến cho nó dễ bị thoái hóa, bị tổn thương Khi so sánh tải trọng trên các đốt sống lưng trong trường hợp ngồi thẳng lưng và các tư thế ngồi cong lưng, dễ dàng nhận thấy khi đốt sống bị lệch so với tư thế thẳng thì áp lực mà đĩa đệm và đốt sống đó phải chịu sẽ lớn hơn so với ngồi thẳng lưng Việc thay đổi áp lực và sự phân bố của nó có thể khiến cho đĩa đệm giữa các đốt sống phình ra và chèn vào không gian chứa tủy sống hoặc rễ thần kinh và gây đau Hai đốt sống này còn liên kết với nhiều bộ phận trong cơ thể nên nếu khi xảy ra tình trạng thoái hóa sẽ dễ gây nên các bệnh lý khác ở cột sống Bên cạnh đó việc khi ở tư thế cong lưng sẽ kích hoạt các cơ vùng lưng nhiều hơn, cơ thể cần tiêu hao nhiều năng lượng hơn để tăng cường hoạt động của các nhóm cơ lưng, và nếu giữ tư thế đó kéo dài sẽ gây căng và mỏi cơ

Bằng cách sử dụng mô hình cơ xương toàn thân AnyBody [35], Bassani và các cộng sự đã chứng minh tư thế thẳng lưng tạo ra ít lực nén lên vùng thắt lưng hơn các tư thế cong lưng về phía trước hoặc phía sau

Hình 2.2 Mô hình cơ xương toàn thân AnyBody ở tư thế đứng (A) và chế độ xem dọc mô tả trục đứng dọc (SVA) (B), kiểu thắt lưng Roussouly (RT) (C), độ dốc xương cùng (SS) và tỷ lệ vùng chậu (PI) ( D) [35]

Sự gia tăng lực nén ở đoạn cuối đốt sống lưng L4L5 và vị trí của đốt sống lưng và xương cùng L5S1 ở tư thế cong lưng về phía trước được ghi nhận, lực cắt trước tại L4L5 cũng lớn hơn trong tư thế này Tư thế cong lưng về phía trước thường dẫn đến tăng lực cơ nhiều đầu - cơ nằm giữa của các cơ thân sau, làm vững thân chính khi thân di chuyển từ gập sang duỗi Các cơ dựng sống (cơ chạy song song với cột sống và nối với các mỏm gai, mỏm ngang và xương sườn) và cơ thẳng bụng chủ yếu được kích hoạt ở tư thế cong lưng về phía trước và phía sau Thật vậy, việc huy động cơ dựng sống là cần thiết để chống lại sự dịch chuyển của trọng lượng cơ thể trong các tư thế cong lưng về phía trước và cả trong tư thế thẳng lưng, mặc dù với lực thấp hơn Ngược lại, cơ thẳng bụng (nằm phía trước ở vùng thắt lưng) được kích hoạt để chống lại các tư thế cong lưng về phía sau Đặc biệt, khi ở tư thế thẳng lưng hoặc cong lưng về phía trước cơ thẳng bụng không được kích hoạt Tóm lại nghiên cứu chứng minh rằng, tư thế cong lưng về phía trước là tư thế có khả năng tăng tải trọng nhất lên cột sống thắt lưng [35] Tải trọng dọc trục có

liên quan đến nguy cơ phồng và thoát vị đĩa đệm [36] và nguy cơ gãy đốt sống ở bệnh nhân loãng xương và giảm mật độ khoáng của xương [37]

2.1.2 Các tư thế ngồi sai và ảnh hưởng đến cơ thể

Mặc dù tư thế ngồi thẳng thích hợp liên quan đến việc nghiêng xương chậu ra trước, thắt lưng cong và thư giãn lồng ngực, giúp giảm áp lực lên các đĩa đệm, nhưng hầu hết mọi người có xu hướng ngồi ở tư thế cong lưng trong thời gian dài, điều này thường đi kèm với tư thế biến dạng cột sống và xương chậu Khi tư thế được duy trì với cổ hoặc lưng cong về phía trước, các cơ dọc sống lưng được kích hoạt quá mức và tải trọng liên tục lên các cơ này có thể làm tăng nguy cơ đau cổ và lưng [38, 39] Trong các nghiên cứu trước đây so sánh tư thế ngồi của bệnh nhân LBP và những người khỏe mạnh, tư thế của bệnh nhân bị đau thắt lưng cho thấy góc uốn của thắt lưng tăng lên [40] và giảm độ bền của cơ thân [41]so với tư thế ngồi thẳng lưng

Trong nghiên nghiên cứu của Casas và các cộng sự [31], tác giả đã tiến hành khảo sát các tư thế ngồi và sự ảnh hưởng đến các triệu chứng đau lưng và cổ như sau:

Hình 2.3 Các tư thế ngồi được khảo sát trong nghiên cứu của Casas [31] Với các tư thế ngồi thông thường của sinh viên đại học như: (A) Lưng cong lên với bàn chân đặt trên sàn; (B) Lưng cong về phía trước và bàn chân được đặt trên sàn;

(C) Ngồi thẳng lưng, với bàn chân đặt trên sàn; (D) Ngồi ngả lưng ra sau với bàn chân được đặt trên sàn (E) Lưng cong và bàn chân được đặt trên một chiếc ghế khác; (F) Cong lưng kết hợp với bắt chéo chân; (G) Lưng thẳng kết hợp với bắt chéo chân; (H) Ngả lưng ra sau và bàn chân được gác trên một chiếc ghế khác Trong nghiên cứu này tư thế (C) tham chiếu để phân tích, vì tư thế này giúp duy trì các đường cong sinh lý, ổn định hệ cơ và phân bổ trọng tâm đối xứng, có thể coi là tư thế tối ưu Các tư thế ngồi còn lại được coi là tư thế rủi ro có thể gây đau lưng Trải nghiệm đau được đo lường bằng bảng câu hỏi mô tả trải nghiệm đau ở các vùng giải phẫu (cổ, lưng và lưng dưới), thời gian nhớ lại (12 tháng, 4 tuần và ngày khảo sát), thời gian tiến triển (Cấp tính < 4 tuần, phụ cấp tính 4 - 12 tuần và mãn tính > 12 tuần), cường độ (thang điểm tương tự trực quan), hạn chế hoặc không có khả năng thực hiện các hoạt động học tập và phương pháp điều trị đau đã thực hiện Theo đó, kết quả về trải nghiệm đau cho thấy tần suất tăng khi thời gian nhớ lại tăng, tỷ lệ đau cổ cao hơn (79,8%) Trải nghiệm đau cho thấy cường độ tương tự đối với ba vùng giải phẫu; đau mãn tính nhiều hơn ở vùng lưng dưới (45%) Hạn chế hoạt động học tập do đau chiếm tỷ lệ từ 22,7 đến 29,8% Tự dùng thuốc là cách kiểm soát cơn đau phổ biến nhất

Các yếu tố liên quan đến đau cổ và lưng vào ngày khảo sát bao gồm: thời gian ngồi trước máy tính ≥ 21 giờ/tuần, tư thế ngồi cong lưng kết hợp với bắt chéo chân (F) Tư thế ngồi này cũng được ghi nhận có mối liên hệ tích cực với đau cổ cũng như đau lưng cấp tính và mãn tính Mối liên quan tích cực của tư thế ngồi cong lưng kết hợp với bắt chéo chân (F) với các triệu chứng đau có thể được giải thích là do khi ngồi ở tư thế này hoạt động của cơ cổ và cơ dựng sống tăng lên, cũng như làm tăng áp lực lên cột sống cổ Ngoài ra tư thế này cũng làm giảm tình trạng ưỡn sống cổ, tăng căng các rễ thần kinh và áp lực đĩa đệm, góp phần gây đau cổ [42] Snijders và các cộng sự báo cáo rằng nhiều người áp dụng tư thế bắt chéo chân khi ngồi trong thời gian dài tại nơi làm việc và trong nhiều môi trường [43] Tư thế ngồi bắt chéo chân đã được báo cáo là làm tăng độ nghiêng của xương chậu so với tư thế ngồi thẳng [44]

Tư thế (D) Ngồi ngả lưng ra sau với bàn chân được đặt trên sàn cũng được tìm thấy mối tương quan với đau lưng mãn tính Ngồi ở tư thế D có thể gây ra các cơn đau ngắt quãng liên quan đến tư thế ngồi kéo dài và ít vận động [42, 45]

Lee và các cộng sự [30] đã nghiên cứu chứng minh tầm quan trọng của tư thế ngồi đúng bằng cách đo áp lực ngồi Một hệ thống lập bản đồ áp suất được sử dụng để đo áp suất khi ngồi ở các tư thế ngồi thẳng lưng (tư thế đúng), ngồi nghiêng bên trái Trong thí nghiệm này chỗ ngồi của ghế được chia thành 4 phần với các hướng (A: trước, P: sau, L: trái, R: phải), áp lực ngồi được đo ở tư thế viết Các đối tượng đã viết một cái gì đó trong khi các phép đo được thực hiện Các thành phần áp suất trung bình trong mỗi vùng của ghế tương ứng với 𝑋 , 𝑋 , 𝑋 , 𝑋 Để so sánh ngồi nghiêng một bên với tư thế ngồi thẳng, chỉ số phân bổ trọng lượng (Weight Distribution Index - WDI) được vận dụng để phân tích áp lực trung bình trong mỗi tư thế

Hình 2.4 Kết quả hệ thống bản đồ áp suất [30]

Sự cân bằng và tính đối xứng trong hệ thống bản đồ áp suất ghi nhận được là biểu hiện cho một tư thế ngồi tốt, áp lực của phần thân trên khi ngồi được truyền xuống xương chậu kết hợp với trọng lượng sẵn có nên ghi nhận được giá trị áp lực cao hơn những vùng khác Cột sống và xương chậu được nối với nhau bằng phức hợp cột sống-chậu Vì vậy, vị trí của xương chậu trong tư thế ngồi có ảnh hưởng rất lớn đến cột sống [46] Ví dụ, vẹo cột sống gây ra bởi sự nghiêng về phía trước của xương chậu, làm tăng góc trước của cột sống thắt lưng và góc sau của đốt sống ngực do hoạt động bù trừ của cơ thể để duy trì sự ổn định của thân [47] Ngược lại, xương chậu bị nghiêng về phía sau dẫn đến gù lưng -

tức là tư thế cúi xuống Chỉ số phân bố trọng lượng thấp hơn ở các tư thế ngồi nghiêng so với ở tư thế ngồi đúng cho thấy rằng ở tư thế không đúng, áp lực được chuyển đến khu vực phía trước, có thể gây nghiêng xương chậu ra sau Giá trị thấp hơn của chỉ số phân bố trọng lượng trái/ phải ở tư thế ngồi nghiêng một bên so với tư thế ngồi đúng cho thấy áp lực ngồi bên trái tăng lên, có thể gây nghiêng khung chậu trái Kết quả đo phân bố trọng lượng đối với áp lực ngồi trước, sau, trái và phải cho thấy tư thế ngồi nghiêng một bên có thể gây nghiêng xương chậu ra sau cũng như nghiêng xương chậu trái Vì vậy, nó dễ gây mất cân bằng khung xương chậu hơn so với các tư thế còn lại Nghiêng khung chậu sau và nghiêng khung chậu bên có thể gây ra chứng gù lưng và vẹo cột sống tương ứng Góc nghiêng tăng cũng có thể kích hoạt các cơ đối diện với hướng nghiêng [48] , do đó tư thế ngồi nghiêng có thể gây ra các triệu chứng bệnh lý như bất đối xứng vùng chậu Sự bất đối xứng vùng chậu và chứng vẹo cột sống vô căn có thể dẫn đến tình trạng bất đối xứng về tư thế, phân bổ trọng lượng không đều và mất cân bằng cơ bắp [49] , hoặc thậm chí gây ra sự mất cân bằng thể chất nghiêm trọng hơn Do đó, điều quan trọng là duy trì tư thế ngồi đúng để đảm bảo cột sống và xương chậu khỏe mạnh

2.1.3 Các tư thế ngồi cần nhận dạng

Như đã trình bày ở trên: Tư thế ngồi thẳng lưng là tư thế ngồi đúng với thắt lưng thẳng đứng, cột sống ở trạng thái đứng, các góc của khớp hông, khớp gối và khớp mắt cá chân là 90° và bàn chân chạm sàn Đây là một trong những tư thế mà chúng tôi thực hiện trong bài toán phân loại tư thế ngồi ở các chương sau, và cũng là tư thế được khuyến khích ngồi nhiều nhất Các tư thế xấu phổ biến khác và tác hại điển hình của nó được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1 Tổng hợp các tư thế ngồi xấu được phân loại trong luận văn và ảnh hưởng của chúng

Ngồi cong lưng Tăng tải trọng lên cột sống

Ngồi nghiêng trái Nghiêng và mất cân bằng khung xương chậu Ngồi nghiêng phải Nghiêng và mất cân bằng khung xương chậu Ngồi chéo chân (chân trái trên

chân phải) kết hợp cong lưng

Đau lưng và đau cổ

Ngồi chéo chân (chân phải trên chân trái) kết hợp cong lưng

Đau lưng và đau cổ

Ngồi ngả lưng ra sau (chân chạm sàn)

Đau lưng mãn tính

Nghiên cứu của Jia và Nussbaum [50] cho thấy ở người trưởng thành khỏe mạnh, việc duy trì tư thế ngồi trong ít nhất 30 phút có thể gây mỏi cơ Do đó chúng tôi bổ sung thêm nhận dạng trạng thái ghế trống khi không có người ngồi lên Việc nhận dạng ghế trống sẽ giúp xác định người ngồi có đứng dậy vận động sau mỗi 30 phút ngồi liên tục mà thiết bị ghế thông minh của chúng tôi đã khuyến nghị hay không

2.2 Tổng quan về tín hiệu PPG

2.2.1 Kỹ thuật Photoplethysmography (PPG)

Thời gian kể từ khi bắt đầu và kết thúc của một nhịp tim được gọi là chu kỳ tim Chu kỳ tim bao gồm hai giai đoạn: tâm trương và tâm thu Trong giai đoạn tâm trương hay còn gọi là giai đoạn thư giãn, máu chảy đến các tâm trương, làm giảm áp lực trong các mạch máu Ngược lại, trong giai đoạn tâm thu hay còn gọi là giai đoạn co bóp, máu được bơm ra khỏi tâm thất và phân phối khắp cơ thể, làm tăng áp lực trong mạch máu Có một số phương pháp và thiết bị thực hiện đo nhịp tim và theo dõi chu kì tim, điển hình là phương pháp Photoplethysmography (PPG) được sử dụng để đo chỉ số biến thiên nhịp tim (HRV - Heart Rate Variability)

Photoplethysmography (PPG) là một kỹ thuật không xâm lấn, giám sát sinh quang học được sử dụng để đo những thay đổi về lưu lượng máu trong mô vi mạch dưới da

bằng các tia sáng PPG có thể đo nhịp tim, tức là sự thay đổi của dòng máu, phát hiện những thay đổi trong thể tích máu Vì sự thay đổi thể tích máu kết nối các phản ứng sinh lý với các sự kiện tuần hoàn trong các mạch máu ngoại vi, do đó, dạng sóng của nó mang các đặc điểm hình thái đều đặn

2.2.2 Nguyên lý đo PPG

Nguyên lý hoạt động của cảm biến PPG dựa trên sự phát ra tia hồng ngoại của đèn LED chiếu xuyên qua da và mạch máu Cảm biến PPG sẽ đo lượng ánh sáng hồng ngoại được hấp thụ hoặc phản xạ bởi máu Sự thay đổi thể tích máu đo được là do sự thay đổi áp suất trong các mạch máu, xảy ra trong suốt chu kỳ tim Cảm biến PPG hoạt động ở trên 2 chế độ khác nhau: truyền và phản xạ ánh sáng đi qua da và mạch máu

Hình 2.5 Sơ đồ minh họa của photoplethysmography Đèn LED chiếu sáng da và ánh sáng không hấp thụ sẽ được phát hiện bởi đi-ốt quang (a) Đối với phương pháp phản

xạ (b) Đối với phương pháp truyền qua [51]

Một đi-ốt phát quang (LED) thường được sử dụng để tạo ra ánh sáng hồng ngoại cường độ thấp trên da và một phần của ánh sáng sẽ được hấp thụ chủ yếu bởi cả máu động mạch và tĩnh mạch Đối với PPG phản xạ, ánh sáng không bị hấp thụ sẽ được phản xạ và phát hiện bởi một đi-ốt quang Đèn LED và đi-ốt ảnh được đặt ở cùng một phía, như trong Hình 1a Đối với PPG truyền, ánh sáng không bị hấp thụ sẽ được truyền và phát hiện bởi một đi-ốt quang Đèn LED và đi-ốt quang được đặt ở phía đối diện, như trong Hình 1b Trong phương thức phản xạ hoặc truyền qua, tín hiệu PPG thể hiện sự

thay đổi về lượng máu (Hình 1.5), mặc dù nó không thể được sử dụng để định lượng lượng máu

2.3 Thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực 2.3.1 Tổng quan thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực

Hình 2.6 Sơ đồ tổng quát của thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực Từ ảnh hưởng của việc ngồi lâu và sai tư thế gây ra như đã liệt kê ở trên, việc nhận diện tư thế ngồi đã trở thành một chủ đề hấp dẫn để nghiên cứu và phát triển Các cảm biến áp lực hoặc áp suất đã được đề xuất để nhận biết tư thế ngồi Ban đầu các cảm biến có thể được đặt dưới chân ghế, kết hợp với mô hình học máy giúp nhận diện các tư thế ngồi [52] Các phiên bản tiếp theo đã có nhiều cải tiến trong việc thay đổi vị trí đặt các cảm biến để có thể ghi nhận phân bố lực của người dùng khi ngồi, tạo nên một đồ thị phân bố, làm cơ sở để nhận diện Bên cạnh đó cũng có những nghiên cứu khác sử dụng cảm biến gia tốc, biến dạng, điện dung,… để ghi nhận sự thay đổi tín hiệu đầu vào với các tư thế ngồi khác nhau [53] Với sự phát triển của vi điều khiển (MCU) như Arduino, ESP32, Raspberry Pi,… đã giúp thiết bị nhỏ gọn hơn, thu được dữ liệu có độ phân giải cao hơn Bên cạnh đó truyền dữ liệu không dây đã giúp ghế thông minh có thể trở thành thiết bị di động, không bị giới hạn bởi kết nối với máy tính để truyền dữ liệu Giao diện của ứng dụng cũng đa dạng hơn, có thể hiển thị kết quả trên máy tính hoặc ứng dụng trên

các thiết bị di động Không chỉ nhận diện tư thế ngồi, tính toán và theo dõi nhịp tim cũng là đề tài được quan tâm và kết hợp với ghế thông minh

Có thể tóm lược một số nghiên cứu về ghế thông minh tiêu biểu trong bảng dưới đây:

Bảng 2.2 Tổng hợp các bài viết liên quan về “ghế thông minh” [53] Ghế (Các) loại cảm

biến, số lượng, (vị trí)

Thu thập và xử lý dữ liệu

Các phương pháp phân

loại

Giao diện người dùng/ứng

dụng

Độ chính

xác

Tác giả

Ghế văn phòng

Cảm biến FSR: 4 (trên ghế), 2 (trên tựa lưng)

A/D converter MCP 3008, Raspberry Pi

RF; ERT; SVM

2019

Ghế văn phòng

cảm biến lực: 6 (tại ghế ngồi), 4 (tại tựa lưng)

vi điều khiển ESPino32, Arduino, cơ sở dữ liệu đa nền tảng MongoDB

SVM; Bernoulli; Gaussian; MLP Classifier và Logistic Regression

thiết bị di động

(Bluetooth)

96.2 % Prueksanusak 2019

Ghế thường

Cảm biến FSR: 4 (trên tựa lưng)

RFduino ERT thiết bị di động hoặc thiết bị RFduino (Bluetooth)

86 % Kumar 2016

Đệm Cảm biến FSR: 30 trên mặt ghế (trong đệm), 30 trên tựa lưng (trong đệm)

Arduino áp lực của cơ thể

thiết bị di động

(Bluetooth)

n/a Kim and Lim, 2019

Ghế văn phòng

Cảm biến FSR: L-0055-253-ST: 3 (trên ghế), 1 (trên tựa lưng), 2 (trên tay vịn)

FS-Arduino board, ADC board

ANN layer; SVM

-97,8 % 88.4 %

Hu, 2020

Đệm ngồi (trên ghế văn phòng)

cảm biến áp suất tùy chỉnh: 6 (trên ghế) Cảm biến độ nghiêng tương tự 4 cấp: 2 (dưới ghế)

Arduino Pro mini;

DAC; Module giao tiếp Bluetooth: HM-10

thông minh iOS hoặc cổng

(Bluetooth 4.0, iBeacon)

n/a Park, 2016

Sau khi tham khảo những nghiên cứu về ghế thông minh của các tác giả đi trước, chúng tôi đã thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi theo thời gian thực dựa trên sự phân bố áp lực khi ngồi và các mô hình học máy Thiết bị của chúng tôi bao gồm 10 cảm biến áp lực được bố trí dưới đệm, việc sử dụng thêm đệm lót thay vì dán trực tiếp lên ghế như nhiều ngóm nghiên cứu khác sẽ giúp tăng sự thoải mái của người ngồi, đáp ứng thời gian ngồi làm việc lâu dài của người sử dụng Mục đích của chúng tôi là phân loại được 7 tư thế ngồi “thẳng lưng”, “cong lưng’, “nghiêng trái”, “nghiêng phải”, “chéo chân trái”, “chéo chân phải”, “ngả lưng ra sau” và trạng thái “ghế trống” Dữ liệu phân bố áp lực sẽ được ghi nhận bởi vi điều khiển, sau đó đưa vào máy tính để tiến hành huấn luyện thông qua các kỹ thuật học máy và học sâu Mô hình phân loại sẽ được nhúng vào vi điều khiển, lúc này vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu thô từ các cảm biến và dự đoán tư thế ngồi của người dùng theo thời gian thực Kết quả dự đoán sẽ được gửi qua điện thoại thông qua Bluetooth và hiển thị trên màn hình OLED (Organic Light Emitting Diodes)

2.3.2 Phần cứng của thiết bị 2.3.2.1 Cảm biến lực

Hình 2.7 Cảm biến lực dạng phim FSR-402

Cảm biến là thiết bị biến đổi các tín hiệu vật lý đầu vào thành các tín hiệu điện đầu ra Trong một vài trường hợp, tín hiệu điện ngõ ra không được truyền trực tiếp mà đi qua một số bộ phận khuếch đại tín hiệu Với thiết bị ghế thông minh nhận dạng tư thế ngồi, cần đo sự thay đổi giá trị phân bố áp lực khi ngồi nên chúng tôi sử dụng cảm biến lực cảm ứng điện trở hoặc có tên gọi khác là điện trở cảm ứng lực (Force Sensing Resistor - FSR)

 Nguyên lý hoạt động

Điện trở cảm ứng lực bao gồm một polyme dẫn điện, làm thay đổi điện trở theo cách có thể dự đoán được sau khi tác dụng lực lên bề mặt của nó Chúng thường được cung cấp dưới dạng tấm polyme hoặc mực có thể được áp dụng bằng cách in lụa Màng cảm biến bao gồm cả các hạt dẫn điện và không dẫn điện lơ lửng trong ma trận Các hạt có kích thước dưới micromet và được điều chế để giảm sự ảnh hưởng bởi nhiệt độ, cải thiện tính chất cơ học và tăng độ bền bề mặt Tác dụng một lực lên bề mặt của màng cảm biến làm cho các hạt chạm vào các điện cực dẫn điện, làm thay đổi điện trở của màng Như với tất cả các cảm biến dựa trên điện trở, các điện trở cảm biến lực yêu cầu một giao diện tương đối đơn giản và có thể hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt vừa phải So với các cảm biến lực khác, ưu điểm của FSR là kích thước nhỏ (độ dày thường nhỏ hơn 0,5 mm), giá thành rẻ và khả năng chống sốc tốt

Đầu ra của cảm biến lực FSR là giá trị trở kháng có đơn vị là Ohm (), và tương quan với giá trị lực tác dụng Ở trạng thái không có lực tác động, trở kháng của cảm biến

rất lớn (cỡ Megaohms - M) Dưới tác dụng của lực trở kháng của cảm biến sẽ giảm dần, tùy vào mức độ của lực tác động Mối liên hệ này được minh họa trong Hình 2.3

Hình 2.8 Tương quan giữa lực và trở kháng của cảm biến lực FSR [54]  Các thông số của cảm biến

Mục tiêu của thiết bị là nhận diện tư thế ngồi của các đối tượng có cân nặng tối đa 100kg Xét khối lượng của đối tượng, giới hạn cũng như khả năng đáp ứng của cảm biến Chúng tôi lựa chọn thiết kế ghế thông minh với 10 cảm biến FSR-402 với các thông số như sau:

Bảng 2.3 Thông số của cảm biến FSR-402

Nhiệt độ hoạt động -30 - +70 C

Với trở kháng lúc không tải lớn sẽ tạo ra sự hở mạch thu tín hiệu khi chưa ngồi lên ghế, thiết bị sẽ không tiêu hao năng lượng lãng phí Kích thước cảm biến nhỏ gọn, dễ dàng bố trí dưới đệm lót cùng với diện tích cảm ứng nhỏ giúp bố trí được nhiều cảm biến,

giúp hình dung được sự phân bố áp suất trên bề mặt ghế khi ngồi, tăng độ chính xác của mô hình phân loại

2.3.2.2 Mạch cầu chia áp

Để chuyển đổi lực thành điện áp, cảm biến sẽ được gắn với điện trở tạo thành mạch chia điện áp Đầu ra của mạch chia áp sẽ nhỏ hơn ra trị điện áp nguồn cấp vào mạch Công thức tính toán giá trị điện áp ngõ ra của mạch:

Sơ đồ nguyên lý mạch chia áp và giá trị điện trở 𝑅 thích hợp được mô tả theo Hình 2.4

Hình 2.9 Mô hình mạch chia áp và giá trị điện trở phù hợp

Với nguồn cấp là 3.3 V và yêu cầu độ phân giải điện áp ngõ ra tốt thì giá trị điện trở phù hợp để kết hợp cảm biến lực FSR là 10 k Ở trạng thái không có lực tác dụng, cảm biến FSR có trở kháng là 10 M, lớn hơn rất nhiều so với điện trở 𝑅 nên giá trị điện áp ngõ ra sẽ bằng 0 Cũng theo mạch nguyên lý này điện áp ngõ ra sẽ tăng theo giá trị lực, nếu đảo ngược vị trí của cảm biến FSR và 𝑅 thì giá trị điện áp ngõ ra sẽ tỉ lệ nghịch với lực tác dụng Điện áp ngõ ra của mạch chia áp được đưa qua mạch đệm, mạch đệm sẽ giúp tăng độ chính xác và độ ổn định của tín hiệu Hệ số khuếch đại của mạch đệm bằng một và giá trị điện áp 𝑉 từ mạch đệm không bị đảo pha so với điện áp từ mạch chia áp Với nhu cầu đó cần có vi mạch hay mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC) để tạo thành mạch đệm, linh kiện được sử dụng cho mạch đệm là IC LM324 với các thông số sau:

Bảng 2.4 Thông số của IC LM324

Số lượng Op-Amp Tích hợp 4 Op-Amp trong 1 IC

Dòng điện hoạt động Từ 700 µA đến 800 µA

2.3.2.3 Vi điều khiển

ESP32 là một chip đơn kết hợp Wi-Fi và Bluetooth hoạt động ở 2.4 GHz được thiết kế với công suất cực thấp với công nghệ 40 nm Nó được thiết kế và tối ưu hóa để có hiệu suất điện năng tốt nhất, tính mạnh mẽ, tính linh hoạt, các tính năng và độ tin cậy, cho nhiều ứng dụng và cấu hình nguồn khác nhau Với các đặc điểm trên, ESP32 được thiết kế cho điện thoại, các thiết bị điện tử có thể đeo được và được ứng dụng trong các sản phẩm ứng dụng IoT (Internet kết nối vạn vật) WeMos Lolin32 ESP-WROOM-32

(sau đây sẽ gọi tắt là Lolin32) là nền tảng phát triển ứng dụng với bộ phát Bluetooth / WiFi trên bộ điều khiển giao tiếp không dây ESP32

 Sơ đồ chân và thông số vi điều khiển

Hình 2.11 Sơ đồ chân của vi điều khiển WeMos Lolin32

Việc tiếp nhận và truyền dữ liệu kỹ thuật số giữa bộ điều khiển và các thiết bị ngoại vi được kết nối với các chân general-purpose pins (GPIO) dựa trên logic 3.3V Điện áp đầu vào/ra kỹ thuật số trong phạm vi +2,64V đến +3,6V thường được gọi là tín hiệu cấp cao hoặc logic 1 Điện áp trong phạm vi -0.3V đến +0.33V được gọi là tín hiệu cấp thấp hoặc logic 0

Bảng 2.5 Thông số vi điều khiển Wemos Lolin32

Chân In/Out kỹ thuật số 32 chân

Chân đầu vào tín hiệu tương tự 18 chân 12-bits ADC Chân đầu ra tín hiệu tương tự 2 chân 8-bits DAC

Bộ xử lý trung tâm Bộ vi xử lý LX6 32-bit, xung nhịp tối đa 240 MHz

Bộ nhớ 520 KiB SRAM

Một số chân kết nối khác 3 UART, 3 SPI, 2 I2S, 2 I2C Dòng tiêu thụ ở chế độ chờ 5 µA

Với điểm mạnh về kích thước nhỏ gọn, nhiều chân có chức năng chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số với độ phân giải cao, bộ vi xử lý mạnh mẽ, dung lượng bộ nhớ cao hơn nhiều vi xử lý khác Ngoài ra Lolin32 có sẵn cổng cắm cho loại pin Lipo và dòng tiêu thụ thấp giúp cho Lolin32 tiện lợi hơn trong quá trình sử dụng khi không cần phải kết nối với bộ sạc liên tục Vì những lý do trên chúng tôi lựa chọn WeMos Lolin32 ESP-WROOM-32 thay cho những vi điều khiển khác để thực hiện đề tài luận văn này

 Vai trò của vi điều khiển

Các chân truyền được sử dụng để lấy dữ liệu từ cảm biến FSR bao gồm GPIO 36, GPIO 39, GPIO 32, GPIO 33, GPIO 34, GPIO 35, GPIO 32, GPIO 13, GPIO 02 và GPIO 15 Với độ phân giải 12-bits, thì tín hiệu tương tự đầu vào từ 0 – 3.3 V sẽ được mã hóa sang tín hiệu số với giá trị mã hóa là 0 – 4095 Độ phân giải cao sẽ giúp phát hiện được những thay đổi nhỏ của giá trị cảm biến lực trong những tư thế ngồi khác nhau Tổng hợp của các giá trị cảm biến trên ghế sẽ giúp chúng ta hình dung phân bố áp lực khi ngồi, và cũng là dữ liệu đầu vào của mô hình học máy Từ đó huấn luện mô hình học máy tự động nhận diện tư thế ngồi

Sự phát triển về khả năng tính toán đã đẩy nhanh việc nghiên cứu và phát triển mạng lưới thần kinh sâu [55], mạng lưới này đã phát triển về độ phức tạp và nhu cầu tài nguyên theo thời gian Điện toán đám mây hiện xử lý các mô hình AI (artificial intelligence) phức tạp nhất với hàng triệu thuộc tính yêu cầu hàng terabyte bộ nhớ và khả năng tính toán nhanh như chớp Bởi vì chúng có tài nguyên máy tính và bộ nhớ vô hạn, các mô hình mạng thần kinh khổng lồ này chủ yếu quan tâm đến độ chính xác và tốc độ

Điện toán di động phát sinh cùng với sự xuất hiện của các thiết bị di động như máy tính bảng, điện thoại thông minh và máy tính xách tay Điện toán di động chủ yếu liên quan đến truyền thông không dây cho các thiết bị di động, được hưởng lợi từ những tiến bộ công nghệ như Bộ xử lý trung tâm công suất thấp, bộ nhớ nhỏ và công nghệ hiển thị công suất thấp Ngay sau đó, các hệ thống điện toán di động bắt đầu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như rô-bốt, xe tự lái và thực tế tăng cường, đòi hỏi khả năng thực hiện các tác vụ thời gian thực trong thời gian rất ngắn mà không cần dựa vào điện toán đám mây Quá trình chuyển đổi sang nền tảng di động này đã châm ngòi cho việc tạo ra một loại mạng thần kinh mới có kích thước nhỏ hơn và ưu tiên hiệu quả của mô hình hơn độ chính xác Hình 2.7 mô tả sự tiến bộ của các công nghệ như vậy (Cloud ML, Mobile ML và TinyML) theo thời gian từ 2006 đến 2019

Hình 2.12 Tiến bộ công nghệ ứng dụng học máy theo thời gian [55]

Với sự phát triển của các mô hình học máy và sự cải tiến của các thế hệ vi điều khiển đã cho phép nhúng mô hình học máy vào trong thiết bị vi điều khiển Giờ đây vi điều khiển có thể vừa đọc tín hiệu cảm biến đầu vào, vừa chạy chương trình học máy, dự đoán và hiển thị kết quả tại chỗ Đề tài chúng tôi sử dụng giá trị của 10 cảm biến lực để làm dữ liệu đầu vào, việc tối ưu hóa dữ liệu đầu vào giúp chúng tôi có thể sử dụng trực tiếp vi điều khiển WeMos Lolin32 ESP-WROOM-32 để đưa ra kết quả dự đoán tư thế ngồi tại chỗ mà không cần phải chạy mô hình học máy trên máy tính hoặc đám mây (Cloud)

Vi điều khiển WeMos Lolin32 ESP-WROOM-32 còn hỗ trợ giao tiếp I2C ( Inter – Integrated Circuit) là một giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ được phát triển bởi Philips

Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: vớiSCL - Serial Clock Line - Tạo xung nhịp đồng hồ do thiết bị chủ phát đi, vàSDA - Serial Data Line - Đường truyền nhận dữ liệu Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ và thiết bị lệ thuộc Cụ thể hơn trong đề tài này vi điều khiển Lolin32 sẽ đóng vai trò là thiết bị chủ, truyền kết quả nhận dạng tư thế ngồi cho thiết bị lệ thuộc là màn hình OLED

Ngoài hiển thị tại chỗ trên màn hình OLED, chúng tôi còn tích hợp thêm chương trình truyền dữ liệu thông qua kết nối Bluetooth giữa vi điều khiển và điện thoại di động Vi điều khiển đóng vai trò là máy chủ, truyền kết quả nhận dạng tư thế ngồi sang điện thoại di động và hiển thị trên ứng dụng kết nối hai thiết bị

2.4 Thiết bị đo nhịp tim theo thời gian thực

Ngón trỏ được đặt trong một kẹp bao gồm đèn LED hồng ngoại gần và một đi-ốt quang Khi ánh sáng xuyên qua mô ngón tay, đi-ốt quang sẽ tạo ra dòng điện tỷ lệ thuận với sự dao động của cường độ ánh sáng Độ sáng của đèn LED được giữ cố định sao cho sự thay đổi cường độ ánh sáng chỉ do lưu lượng máu trong ngón tay Dòng đi-ốt quang được đưa đến bộ khuếch đại trở kháng xuyên (TIA) để chuyển đổi dòng điện đầu vào thành điện áp và sau đó tín hiệu điện áp đầu ra được chuyển đến mạch loại bỏ dòng điện một chiều (DCR) DCR loại bỏ phần bù DC gây ra bởi sự biến dạng tín hiệu hô hấp và ánh sáng xung quanh Tín hiệu sau đó được khuếch đại và lọc Bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình (PGA) được sử dụng để khuếch đại thêm và bổ sung bù [56]

Đèn LED hồng ngoại gần (TSAL6200) với bước sóng đỉnh λ= 940nm được sử dụng với vai trò nguồn sáng Điốt quang BPW34 được sử dụng để phát hiện ánh sáng truyền qua vì nó có phản ứng quang phổ phù hợp từ λ = 430 nm -1100 nm Điốt quang thường có độ nhạy bức xạ khoảng 50 µA Sơ đồ mạch đọc tín hiệu PPG được thể hiện như Hình 2.8:

Hình 2.13 Sơ đồ của mạch đọc tín hiệu PPG [56]

Theo sơ đồ trên dòng đi-ốt quang được chuyển đổi thành điện áp bằng cách sử dụng mạch TIA với mức tăng 1 MΩ được hình thành bởi điện trở hồi tiếp mạch lọc tần số cao thụ động có ngưỡng 0,04 Hz được sử dụng để loại bỏ thành phần DC Sau khi loại bỏ offset, tín hiệu được khuếch đại với mức tăng 20dB Quá trình khuếch đại tiếp theo được thực hiện trong giai đoạn tiếp theo sau khi truyền tín hiệu qua bộ lọc thông dải hoạt động (BPF) (0,07-5 Hz) Đầu ra của BPF cũng được khuếch đại bằng cách sử dụng bộ khuếch đại có mức tăng 40dB Tín hiệu PPG được lọc thêm thông qua mạch lọc tần số thấp với tần số cắt 15 Hz để loại bỏ nhiễu tần số cao Giai đoạn cuối cùng là khuếch đại điều chỉnh (20-40dB) bổ sung độ lệch mong muốn và khuếch đại tín hiệu PPG trước khi chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) Chúng tôi sử dụng IC LM324 cho các mạch lọc và khuếch đại Tín hiệu được đưa vào vi điều khiển Lolin32 để đọc và đưa ra giá trị nhịp tim theo thời gian thực

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Lý thuyết thống kê, dữ liệu và các phương pháp học máy

3.1.1 Tổng quan về thống kê, dữ liệu và đại lượng đo lường độ tập trung và phân tán của dữ liệu

3.1.1.1 Khái niệm thống kê

Thống kê là một nhánh của toán học liên quan đến việc thu thập dữ liệu, phân tích, diễn giải hay trình bày, giải thích các dữ liệu Thống kê được vận dụng trong nhiều lĩnh vực học thuật khác nhau từ vật lý, đến các ngành khoa học xã hội [57]

Thống kê bao gồm thống kê mô tả, thống kê suy diễn và thống kê ứng dụng Cụ thể:

 Thống kê mô tả là phương pháp sử dụng để tóm tắt, mô tả một tập hợp dữ liệu dưới dạng số hoặc đồ thị Các công cụ mô tả thường dùng nhất là trung bình cộng và độ lệch chuẩn

 Thống kê suy diễn được dùng để mô hình hóa các kiểu biến thiên trong dữ liệu, giải thích những biến thiên có vẻ ngẫu nhiên và rút ra kết luận về tổng thể nghiên cứu mà mà chúng ta thông thường không thể khảo sát hết

 Thống kê mô tả và thống kê suy diễn tạo thành thống kê ứng dụng

 Thống kê cùng với toán giải tích và toán ma trận là tiền đề cho các thuật toán máy học sau này

3.1.1.2 Dữ liệu

Trong một quá trình nghiên cứu cần phải có nhiều dữ liệu Việc thu thập dữ liệu đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và chi phí Dữ liệu có hai dạng bao gồm dữ liệu định lượng và dữ liệu định tính

Đối với các dữ liệu thu thập từ các nguồn có sẵn, thường là dữ liệu đã qua gộp, xử lý, gọi là dữ liệu thứ cấp Dữ liệu thứ cấp có ưu điểm là thu thập nhanh, ít tốn kém chi phí nhưng đôi khi ít chi tiết và không đáp ứng được nhu cầu của nghiên cứu

Đối với các dữ liệu không có sẵn, chúng ta bắt buộc phải đi nghiên cứu, thu thập với một quy trình bài bản tùy theo loại nghiên cứu thống kê là nghiên cứu thử nghiệm hay nghiên cứu quan sát, đến từ nội bộ hoặc từ bên ngoài được gọi là dữ liệu sơ cấp