Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Ứng dụng quang phổ hồng ngoại gần (NIR) để đo đường huyết không xâm lấn

DANH MỤC BANGBảng 1.1: Các sản phẩm thiết bị do Glucose không xâm lắn đã có trên thị trường....6Bang 2.1: So sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa hai phương pháp đo đường huyết 13Bảng 2.2: Ư

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

TRAN QUANG VU - 19522537

CHAU MINH ĐỨC - 19521371

KHOA LUAN TOT NGHIEP

UNG DUNG QUANG PHO HONG NGOAI GAN (NIR)

DE DO DUONG HUYET KHONG XAM LAN

APPLICATION OF NEAR-INFRARED SPECTROSCOPY (NIR)

FOR NON-INVASIVE BLOOD GLUCOSE MONITORING

KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN

Ts Pham Quốc Hùng

TP HO CHi MINH, 2023

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên, nhóm em muốn bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả cácgiảng viên, các thầy cô khoa Kỹ thuật máy tính của trường Đại học Công nghệthông tin Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện và cơ hội chonhóm em thực hiện luận văn tốt nghiệp này Tất cả các thầy cô đều luôn hỗ trợ chonhóm em bang rất nhiều các khác nhau, qua việc truyền đạt kiến thức và kinh

nghiệm Đó là những giá trị vô cùng quý báu mà nhóm chúng em vô cùng cảm kích.

Đặc biệt, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân đối với thầyhướng dẫn của nhóm là thay Ts Phạm Quốc Hùng Cảm ơn thay, đã dành ra nhữngthời gian quý báu dé hướng dẫn nhóm em, chỉ bảo nhóm em tận tình trong khoảngthời gian làm luận văn và cả trong khoảng thời gian dài gần ba năm nay

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn và muốn thể hiện lòng biết ơn củanhóm em đối với gia đình và bạn bè, những người luôn khuyến khích chúng tôi đạtđược mục tiêu của mình và cung cấp cho nhím em sự hỗ trợ vô điều kiện trong suốt

chặng đường sinh viên qua.

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, nhóm đã học thêm được nhiều

kinh nghiệm quý báu Tuy nhiên, trong quá trình làm cũng khó tránh khỏi sai sót, rât mong các thây cô bỏ qua.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Quang Vũ

Khoa Kỹ thuật máy tính — Lớp MTCL2019.2

Sinh viên thực hiện

Châu Minh Đức

Khoa Kỹ thuật máy tính — Lớp MTCL2019.1

90v v904:0.000 9010157 — l

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VE DE TÀI - -¿52++2cv+tecrvvrerrrerrrrrrerrrk 2

1.1 Tổng quan đề tài ¿c5 52+ <2EESEEEEE1211571571121121121111711211 11111 1x1 xe 2

1.2 Nghiên cứu về các phương pháp định lượng Glucose - 5-5: 3

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong TƯỚC «+ + * ke re 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 2-2 2 2+£+E££x+£s+£+z£szxszsez 51.3 Mục tiêu của để tài - cv He 7

1.3.1 Mục tiêu tổng quan - 2-2 ¿+5£+SE+EE+EE£2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkervee 7

1.3.2 Mục tiêu cụ thỂ c+c+2211122211 t2 tt 81.4 Kết quả dự kiến isc ceccccccccecsssesssessssssscssscssessnecsssssscssscsnessscssecsuecssecsecasecasecsueesecases 9CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÉT 2¿-225+tc2+eteEEkerttrkkrrrrrkrrrrrkrree 10

2.1 Bệnh tiểu Gu01ng o eeecccecsssesssesssesseessscsseessssssssssssussssscsecssecssecssscsecssecssecsseseeasecs 102.2 Các phương pháp đo đường huyẾt -2:5¿©2+2++2x2zxezx+erxesrxesrxees 11

2.2.1 Phương pháp đo xâm lắn 2-2 2 +E£SE£EE+EE£EE2EE2EEEerEerkerxerxee 122.2.2 Phương pháp đo xắm lắn tối thiểu 2-2 2 2+£+Ee£ke£xerxzcsee 12

2.2.3 Phương pháp do không xâm lắn - 2-2-2 2 x£E££E£+E£+Eerxerszee 132.3 Ứng dung của quang phổ trong việc đo đường huyết 2-5-5: 15

2.3.1 Quang PhO ng 15

2.3.2 Ung dung của quang phổ trong việc do đường huyết không xâm 1an 16

2.4 Quang phô cận hồng ngoại - 2-2 2S +ESEeEEEEEEEEEEEEE1212217121 112 Eee, 17

2.4.1 Các ưu điểm điểm của quang phổ cận hồng ngoại - - 182.4.2 Phân loại quang phổ cận hồng ngoại -2- 2 ¿+52 +s£x+zs+zsse2 18

2.4.3 Lý do kết hợp quang phổ cận hồng ngoại nhìn thấy được và quang phố

cận Ong ngOại - + +SsSt+SE2EEE2EE9EEEE11211211171711211211211 1121.111111 xe 20

2.5 Nguyên ly đo đường huyết không xâm lan bang NIRS - 212.6 Điểm khác biệt về đặt vi trí tay so với các đề tài trước -.: ‹:-: 24

CHUONG 3 PHAN TÍCH VA THIET KE HE THÓNG : -:-: 26

3.1 Tổng quan hệ thong eececccccsscsscsscesessessessessesscsesecsessessessessessesssesstesessesseseeaees 263.2 Thiết kế phần cứng thiết bị 2-2 2S +E+SE£EE£EE#EESEEEEE2E2EEEEEEEEkrrkrrkee 27

3.2.1 Tổng quan thiết kế mô hình phan cứng -2- 2 22s £++z++£s+s+2 273.2.2 Chi tiết phần cứng -:- + 5++S++EE+E£+EEEEEEEEEEEEEE12112112121 21212 xe 29

3.2.2.2 Cảm biến AST265X 2-2-5: 22EE 2E EEEEEEEEEEEEErrrerrerrrrei 31

3.2.2.3 Module Wifi Bluetooth Mini DI ESP32-Wroom-32 - 32 3.2.2.4 LCD tròn TFT 1.28-inch HD IPS GC9AOT - 5+ << <<++ 33

KÝ Y0: 9090) 0/1 5 37

3.2.3 Máy đo đường huyết xâm lắn ACCU-CHEK INSTANT - 37

3.3 Lập trình hệ thống nhúng - 2-2: 2£ £©+£+E++2E++EE++EE++ExtzErerkesrxrrrrees 39

3.3.1 0 39

3.3.2 Visual Studio Code nnnoia 39

3.3.3 Hé diéu hanh thoi gian thực FreeRTOS 1.0 eeceesseceteeeeeeeseeeeneeeeaeeees 403.3.4 Kiến trúc phần mềm nhúng - 2 ¿+ E2 £E+E£+E£2E£+E££Ee£xerxerszsez 43

3.4.1 Dinh nghia oo 44

3.4.2 MTU (Maximum Transmission nIt) - s5 55+ ++<+++ssx+seexsesss 46

3.4.3 GATT (Generic Attribute Profile) <5 52+ 2< ‡+++evvxssseeeeesexe 46

3.5 Thiết kế ứng dụng phần mềm ¿22 2£ +£E£+E£+E++EE£E+Eezrxrrxerxeee 49

3.5.1 Android ETaI€WOTK - -G- <1 HH HH 49

3.5.2 9900 50

3.5.3 Tông quan giải thuật ứng dụng với thiết bị 2-2-5255 s+cs+£ss+2 50

3.6 Luu dé hoat động của hệ thống " 57

3.7 Xây dựng mô hình định lượng đường huyết không xâm lắn 59

3.7.1 Quy trình xây dựng mô Dinh oo ccc cee eceeeeeeeeeeseeeeeeaeeees 59

3.7.2 Kịch bản lẫy mẫu - + 5252522 +E2EEEEEEEEEEEEEEEE121E2121 21 1E re 60

3.7.2 Xây dựng mô hình ¿- s2 2 1211119111911 91 119 11 nh ng kg 63

3.7.2.1 Mô hình Multiple Linear RegT€SSIOI 5 «5< £+s£+s£+sssx 64

3.7.2.2 Mô hình Support Vector Machine « «+55 «+ xe+ssx++ 65

ko ga 0n nh 69

3.7.3.1 Đánh giá dựa trên độ chính xác phân tích - -«<+<<«++ 69

3.7.3.2 Đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng -<+-s++ 72

3.7.4 Xác định các đặc trưng COL ƯU Q5 S St E1 2111211151111 cErtke 74

CHƯƠNG 4 THU NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIA -cc¿-cccccccccvcrerrvvree 75

4.1 Hiện thực thiết bị phần cứng - 2: + ©£+£+E+EE+£E+£EE+EEtEEtEEErEkrrxerkrex 75

4.1.1 Thiết kế mạch PCB - - - 2t SStSE+E‡EEEE+EEEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEESEkrkrkerrrx 75

4.1.2 Thiết kế hộp sản phẩm -:- 2£ £+2£+EE+EE+EE£2EEEEEEEEEEEEErrxrrkerreee 714.2 Đánh giá độ ôn định của hệ thống theo tiêu chuẩn AIAG 84

4.2.2 Kịch bản kiỂm tra - 2-5 ©52S2+SE‡EEEE2EEEEEEEE 2112112212171 E1, 844.2.3 Biéu đồ kiểm soát tính ôn định của hệ thống (X/R Chart) 854.2.4 Đánh giá tính 6n định của thiết bị dO eeceesceceesessesseessesseeseeseessesseesees 864.3 Hiện thực mô hình đo đường huyết không xâm lắn : 5: 91

4.3.1 Tiền xử lý tập dữ QU ccecceccccccccscsssessesseessessesssessessecsssssecssecssecseeseeasess 91

4.3.1.1 Tập dữ liệu thô 2 2£ +c+2£+2EE£EECSEEEEEEEEEEEEE2E1EE.E1.EEcrrreeg 9]

4.3.1.2 Tiền xử lý tập dữ liệu -¿2¿- 2 <5 E+2EEvEeExerkerrerrxrrxerree 94

4.3.2 Xây dựng các mô hình học máy - «+ s + + k*++Essekseeeeseeeresee 98

4.3.3 Đánh giá các mô hình học MAY - -:- ¿+5 +++s*++£++v+eexeesxeerseers 100

4.3.3.1 Độ chính xác phân tích -¿-¿©+++++zx++zxezxeerxesrxezred 100

4.3.3.2 Độ chính xác lâm sàn - - ¿+2 +22 E‡+++2vvvEeeessesese 102

4.3.3.3 So sánh với các công trình nghiên cứu tTưỚc - ‹ «+++ 107

4.3.4 Xác định các đặc trưng tỐI ƯU St tt 1E E111 krrkerrrkrrveg 107CHƯƠNG 5 KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẺN -¿- 5z s2 111

5.1 Kết quả đề tai ececeececccccccscsscssesscssessesvcstssessessessessessesssssstssessessesessneaseaeeaeess 1115.2 Những điểm dat Quoc ccecccccscsccsscsssssessessecsessessesssssessssssessessessessssussnsaessecseess 1125.3 Những điểm hạn chế - + ¿+ +EE+EE2EE£EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerrerkrred 112

5.4 Hướng phát triển của đề tài ¿2+ ©5++2x2Ek2 2A2 2EEEEEerkrrrrrrree 113

TÀI LIEU THAM KHẢO 5-56 tSE‡StEE‡EE‡EEEESEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEkrErkrrkrkerrree 114

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Xu hướng toàn cầu của bệnh tiêu đường theo Liên đoàn Dai tháo đườngQuốc tế IDF [ I ] - SE SESEEESE‡EEEEEEE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEETEEEESEEEEEEETEEEkTEErkrkrrkeg 3Hình 1.2: Lich sử phát triển của phương pháp đo Glucose .: - 5Hình 1.3: Mô hình hệ thống IoMT dé theo dõi đối tượng bệnh đái tháo đường [11]7Hình 1.4: Sơ đồ chân đoán và kiểm soát đường huyết trong hệ thống chăm sóc sức

[9005801901581 07177 a 8

Hình 2.1: Ba mức độ nồng độ Glucose có trong máu 2-2 ¿+ s2 s+zs2 +2 10Hình 2.2: Tổng quan các phương pháp đo nồng Glucose trong MAU 11Hình 2.3: Độ thâm sâu của các ánh sáng hồng ngoại khác nhau trong da ngwoi.[8]20

Hình 2.4: Cấu trúc phân tử Glucose [ Í⁄4] 5 11v vn rg 21

Hình 2.5: Sự tương tác của ánh sáng khi đi vào cơ thê ¿ s¿©sz©5sc++ 23Hình 2.6: Sự so sánh giữa hai mẫu khi có ánh sáng truyền qua các phần tử Glucose

— /đ/ “Y6 hố hố 23

Hình 2.7: Vị trí đặt ngón tay lấy mẫu ¿- ¿+ ++x++Ext2xxtrxterxsrxerrecree 25Hình 3.1: Hệ thống tổng quan của đề tài 2 2 s+Sx+2E£2EE+EE+£Eezkezresrxerxeres 27Hình 3.2: Tổng quan sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống - 28

Hình 3.3: Dai bước sóng cua bóng đèn Halogen Philips WSW TI0 30

Hình 3.4: Bóng đèn Halogen Philips WSW T1U - SSssSseeieesre 30

Hình 3.5: Cảm biến AS7265x -2- 5222221 2E2E2212212171121122171 21121111 re 31Hình 3.6: Khả năng đáp ứng quang phô 18 kênh AS7265x .- - - 32

Hình 3.8: LCD tròn TFT 1.28-inch HD IPS GC9AO] c5 S«c+<+sssesses 34

Hình 3.12: Bộ thiết bị đo đường huyết ACCU-CHEK INSTANT 38Hình 3.13: ESP-IDF công cụ dé biên dịch mã cho ESP32 .-. 2- ccs+scxez 39

Hình 3.14: Các trạng thái (states) của các tác vụ (task) - che, 41

Hình 3.15: Các task trong hệ thống thiết bị đề tài .¿ 5¿©2255z2cx2cxvzxesrsz 42Hình 3.16: Mô hình kiến trúc phân lớp lập trình firmware -¿- ¿5+ 43Hình 3.17: Sơ đồ kiến trúc phân lớp lập trình firmware ¿ ¿- ¿+52 44

Hình 3.18: Quá trình gửi gói tin từ BLE peripheral tới BLE central 45

Hình 3.19: Hệ thong phân cấp dữ liệu bởi GA TTT - 2 ¿+52 s£x+£x+zzzszse2 47Hình 3.20: Hệ thong phân cap dữ liệu boi GATT của thiết bị dé tài - 48Hình 3.21: Quá trình giao tiếp BLE giữa ứng dụng và thiết bị 49Hình 3.22: Kịch bản sử dụng ứng dụng với thiết bị -2¿©5¿©cxz+zs+zxesrsz 50Hình 3.23: Giải thuật của ứng dụng tương tác với thiết bị . -5cs552 51

Hình 3.24: Giao diện màn hình chính . - 5 <5 3333322 EEE++++seeeeeeeeszse 52

Hình 3.25: Giao diện màn hình dò tìm ghép nối thiết bi bang BLE - 53Hình 3.26: Giao diện màn hình lựa chọn lấy mau hay đo nồng độ Glucose 54Hình 3.27: Giao diện đo lẫy mẫu - 2-2: +2SE£+EE+EE£EEEEEESEEEEEEEEErrkrrkrrkrrex 55Hình 3.28: Giao diện đo nồng độ Glucose trong máu . -: ¿-s¿=s+ 56Hình 3.29: Giao diện lịch sử của các lần đo nồng độ Glucose - 57Hình 3.30: Lưu đồ hoạt động của toàn hệ thống - 2 2 2+ 2+++x+£x+zszzszse2 58Hình 3.31: Quy trình xây dựng mô hình định lượng đường huyết không xâm lắn .60Hình 3.32: Quy trình tiền xử lý đữ liệu - 2SE+EE+EE+EE+EZEEEerEerkerkrrkrree 63

Hình 3.33: Clarke Error Grid + 22 113332223118 1EE£££3531EEEEESSEkkeeeerzze 72

Hình 4.1: Thiết kế schematic của hệ thống bằng EasyEDA - 75Hình 4.2: Thiết kế PCB layout của hệ thống bằng EasyEDA . . - 76Hình 4.3: Mặt sau của bo mạch thiết bị đề tài -2- 5 ©5¿25++zxvzxezxzreerxerxrree 76Hình 4.4: Mặt trước của bo mạch thiết bị đề tài 2 + cxcccczevzxerxcres 71Hình 4.5: Mô hình 3D phan thân trên của thiết bị - 2: ©5z22s+cx+zxczsz 78Hình 4.6: Mô hình 3D phan thân dưới của thiết bị -2-©5¿c5¿5c+cs+ccs+ 78Hình 4.7: Mô hình 3D vỏ hộp của thiết bị 2-2 22522£+£E+£Ee£EezEerxerxrex 79Hình 4.8: Thiết bị thực tế sau khi hoàn tat đóng hộp - 2: ¿©¿z2 s+zxzsz 80Hình 4.9: Thành phan thiết bị ở phan thân trên của thiết bị - 80Hình 4.10: Thành phan thiết bi ở phần thân dưới của thiết bị . - 5: 81

Hình 4.11: Phan thân bên của thiết bị -2-© ¿225% 5E££E£2EE+EE+EEtzEezrszrxerxeres 82Hình 4.12: Cách sử dung thực tế của thiết bị - 2-2 2©52+£+£x+£EezEezrxsrxerxerex 82Hình 4.13: Màn hình chính của thiết bị - 2-2 2£2££+£E+£EtzEzEzrxerxezez 83Hình 4.14: Màn hình hiện thị kết quả đo của thiết bị - 2-5 ©522cs+cx+zxzsz 84Hình 4.15: Biéu đồ X thể hiện tính ôn định của thiết bị đo ở bước sóng 900nm 87Hình 4.16: Biểu đồ R thé hiện tính 6n định của thiết bị đo ở vùng bước sóng 900nm.

¬ 88

Hình 4.17: Biểu đồ X của toàn bộ vùng bước sóng -¿-c+¿+c+zs+zc++ 89Hình 4.18: Biéu đồ R của toàn bộ vùng bước SONG . - +sz+z+cx+rxczez 90Hình 4.19: Biểu đồ thể hiện tỉ lệ giới tính của tình nguyện viên 93Hình 4.20: Biéu đồ thể hiện tỉ lệ khung thời gian lấy mẫu - 2-52 93Hình 4.21: Biểu đồ thé hiện tỉ lệ thời gian lay mẫu ở các bữa ăn 93Hình 4.22: Biểu đồ histogram thể hiện độ tuôi 2-2 2 2+ £Ee£Ez£xezzrssez 93Hình 4.23: Biểu đồ histogram của giá trị Glucose ¿ ¿+©s++cx+zx+zx+ecsz 94Hình 4.24: Biểu đồ phân tán của các đặc trưng bước sóng với Glucose 96

DANH MỤC BANG

Bảng 1.1: Các sản phẩm thiết bị do Glucose không xâm lắn đã có trên thị trường 6Bang 2.1: So sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa hai phương pháp đo đường huyết 13Bảng 2.2: Ưu điểm và khuyết điểm của quang phổ Raman và quang phổ cận hồngngoại trong ứng dụng đo đường huyết không xâm lắn -2- 2 5¿+sz5s+ 17

Bang 2.3: So sánh quang phố can hồng ngoại bước sóng dai với bước sóng ngăn .19

Bảng 3.1: Kết nối các chân thiết bị trong hệ thống - 2-2 5© 2+£z+£x+zxzzsz 29Bang 3.2: Thông số kỹ thuật của bóng đèn Halogen Philips WSW TI0 30Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật cảm biến AS7265x -:-22-55222cc2cxccceccee 31Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật Module Wifi Bluetooth Mini DI ESP32-Wroom-32 33Bang 3.5: Thông số kỹ thuật LCD tròn TFT 1.28-inch HD IPS GC9AOI 34Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của mạch sạc Pin TP4056 Lithium - 35Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của mạch tăng áp MT3608 -:-5:5+ 36Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật của Pin lipo polymer 3.7v 1000mAh - 37Bang 3.9: Thông số kỹ thuật của thiết bi đo đường huyết ACCU-CHEK INSTANT

" / \' “`! 38

Bang 3.10: Bảng mô tả cấu trúc của tập đữ liệu thô -2¿©5¿©2+cx>sz>s+ 61Bang 3.11: Vùng và đặc điểm của lưới lỗi Clarke - 2 2 2 s2 +x+zx+zs+zszse2 73Bang 4.1: Số liệu đo lay mẫu ở bước sóng 900nm trong 7 ngày - 87Bang 4.2: Thông số biểu đồ Xbar và biểu đỗ R - 2-2 2+s+xezxezxerxerszsez 87

Bang 4.3: Tap dữ liệu thô đã thu thap 0 eee eeeseeseeseesececseesesseseesessseeseeaeeas 91

Bang 4.4: Mô tả chi tiết tập dữ liệu tho c.ceccccsccsesseessessesseessessesseessesseesesseesseeseeseess 92

Bảng 4.6: Hệ số tương quan Pearson giữa giá trị Glucose và giá trị các bước sóng

Bảng 4.7: Tập dữ liệu sau khi chuẩn hóa tiền xử lý .: -: 2 5¿52«>s+ec++ 98Bảng 4.8: Kết quả dự đoán của các mô hình học máy trên tập test (đơn vị mg/dL)

Bang 4.9: Kết quả so sánh giữa các mô hình học máy . -¿2- 2 s+¿ 101

Bang 4.10: Mô tả tập dữ liệu đánh giá lâm sản - 5 55 5+ + s+sereereres 103

Bảng 4.12: So sánh kết quả dự đoán lâm sàn (đơn vi mg/dL) -: 104Bảng 4.13: Tỉ lệ mật độ các điểm theo từng vùng trên lưới lỗi Clarke 106

Bảng 4.14: Bảng so sánh kêt quả của mô hình đê xuât với các nghiên cứu trước đó.

DANH MỤC TỪ VIET TAT

Internet of Medical Things

Multiple Linear Regression

Support Vector Machine

Near Infrared Reflectance

Bluetooth Low Energy

Inter-IC Serial Peripheral Interface

General-purpose input/output Healthcare Cyber-Physical System Visible-Near InfraRed

Measurement System Analysis Error Grid Analysis

Continuous Glucose Monitoring

Photoplethysmography Internet of Things

Printed Circuit Board

TOM TAT KHÓA LUẬN

Ngày nay, bệnh đái tháo đường (bệnh tiểu đường) là một căn bệnh mãn tính,nghiêm trọng, nêu không phát hiện và điều trị kịp thời sẽ dẫn đến những hậu quaảnh hưởng đến sức khỏe thậm chí có thể dẫn đến tử vong Theo báo cáo từ Liênđoàn Đái tháo đường Quốc tế, sỐ trường hợp mặc bệnh và tỉ lệ mắc bệnh tiểu đường

đang có xu hướng tăng đều đặn và đối tượng mắc bệnh càng ngày càng trẻ hóa ỞViệt Nam, theo ước tính của Bộ Y tế, đối với người tudi từ 20-79, bệnh đái tháo

đường sẽ tăng khoảng 78,5% trong giai đoạn 2017 - 2045 (từ 3,53 triệu người macđái tháo đường năm 2017 tăng lên 6,3 triệu người mắc đái tháo đường năm 2045).Đây là con số đáng báo động

Hiện tại khi nhắc đến xét nghiệm, và phát hiện chỉ số tạm thời lượng đường

trong máu có hai phương pháp pho biến là phương pháp đo xâm lắn bằng cách tríchmáu trực tiếp từ bệnh nhân và sử dung các phương pháp hóa học dé xác định thành

phan Glucose trong mẫu máu trích được Và phương pháp đo không xấm lấn làphương pháp sử dụng Chat dịch kẽ (chất lỏng được hình thành bang cách trao đổimao mạch trong quá trình lưu thông máu) thu thập từ mồ hôi, nước bọt, nước mắt,

bề mặt da và xác định nồng độ Glucose trong máu

Đề tài tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế và phát triển hệ thống theo dõinồng độ Glucose trong máu liên tục theo hướng tiếp cận không xâm lắn bằng quangphô hồng ngoại gần theo mô hình hệ thống IoMT (Internet of Medical Things) giúpđối tượng bệnh đái tháo đường va bác sĩ theo dõi được tinh trang của người bệnhtheo thời gian thực qua đó đưa ra những phương pháp điều trị thích hợp, đồng thời

giảm áp lực cho các cơ sở y tê.

CHUONG 1 GIỚI THIỆU VE ĐÈ TÀI

1.1 Tông quan đề tài

Bệnh đái tháo đường (còn được biết với tên gọi khác là bệnh tiêu đường) là

một căn bệnh mãn tính nghiêm trọng, xảy ra khi tuyến tụy không sản xuất đủinsulin (một loại hormone điều chỉnh lượng đường Glucose trong máu), hoặc khi cơthé không thé sử dung insulin một cách hiệu quả dẫn đến lượng đường trong máucao gây ton thương nghiêm trong cho tim, mạch máu, mắt, thận và hệ thần kinh Daitháo đường là một trong bốn bệnh không lây nhiễm được ưu tiên NCDs bao gồmtim mạch, ung thư, hô hấp mãn tính và đái tháo đường Đái tháo đường là một vấn

đề sức khỏe cộng đồng quan trọng vì nó sẽ tạo ra gánh nặng bệnh tật cho xã hội

Cả số trường hợp mắc bệnh và tỷ lệ mắc bệnh tiểu đường đều có xu hướngtang đều đặn và đối tượng mắc bệnh càng ngày càng trẻ hoá trong vài thập kỷ qua.Liên đoàn Dai tháo đường Quốc tế IDF ước tính có khoảng 536.6 triệu người đang

sông chung với bệnh đái tháo đường (số liệu bao gồm các trường hợp đã được chan

đoán hoặc chưa được chân đoán) vào năm 2021 và con số này dự kiến sẽ tăng 46%,

đạt hơn 700 triệu người vào năm 2045 [1] Cũng theo báo cáo năm 2020 [2], Việt

Nam có hơn 3,5 triệu người sông chung với bệnh đái tháo đường Theo ước tính của

Bộ Y tế, đối với người tuổi từ 20-79, bệnh đái tháo đường sẽ tăng khoảng 78,5%trong giai đoạn 2017 - 2045 (từ 3,53 triệu người mắc đái tháo đường năm 2017 tăng

lên 6,3 triệu người mắc đái tháo đường năm 2045) Đây là con số đáng báo động

Ty lệ người mắc tiểu đường tăng nhanh và ngày càng trẻ hóa Dự kiến số người mắc

tiêu đường tại Việt Nam sẽ tăng lên gần 6.1 triệu vào năm 2030

Theo kết quả điều tra năm 2015 của Bộ Y tế, 68,9% người tăng đường huyếtchưa được phát hiện Chỉ có 28,9% người bệnh tiểu đường được theo dõi tai cơ Sở y

tế Đây thực sự là thiếu sót lớn về sự chênh lệch giữa nhu cầu theo dõi đường huyết

và việc cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe ở các cơ sở y tế Hình 1.1 bên đưới mô

tả xu hướng toàn câu của bệnh tiêu đường theo Liên đoàn Dai thao Đường Quoc tê

IDF, qua đó cho chúng ta thay tầm nghiêm trong và cấp bách của căn bệnh thé kỷ

này.

——————

Chronological Year

Hình 1.1: Xu hướng toàn cầu của bệnh tiểu đường theo Liên đoàn Dai tháo đường

Quoc tê IDF [1].

1.2 Nghiên cứu về các phương pháp định lượng Glucose

Đa số các phương pháp đo nồng độ Glucose đều dựa vào phan ứng hoá học débiến phân tử Glucose thành phân tử có màu sắc hoặc có khả năng dẫn điện Ngày

nay, việc kiểm tra và chan đoán bệnh đái tháo đường thường dựa vào giá trịđường huyết (nồng độ Glucose trong máu) dé chan đoán (định lượng Glucose),

công việc đó thường được thực hiện ở các phòng thí nghiệm trong các bệnh viện,

ngoài ra trên thị trường cũng cung cấp các thiết bị tự đo đường huyết trong máu tạinhà Tuy nhiên, các hình thức trên đa số đều sử dụng phương pháp định lượngGlucose hướng tiếp cận xâm lấn Đó là lấy máu mao mạch của bệnh nhân

(thường là đầu ngón tay và sử dụng kim chích) sau đó đưa vào máy đo, thiết bị đoGlucose dé phân tích Hướng tiếp cận nay cho kết quả đo có độ chính xác cao, tin

cậy, tuy nhiên các phương pháp theo hướng tiếp cận xâm lấn thường mang lạinhiều van đề bất cập Các phương pháp này thường có chi phí cao cho mỗi lần do,

thường gây cảm giác đau đớn, không thoải mái cho người được đo, và đặc biệt là

không thé theo déi nồng độ Glucose trong máu liên tục theo hướng tiếp cận này Do

đó các phương pháp đo đường huyết theo hướng tiếp cận không xâm lan ra

doi.

Từ đầu những năm 90 của thé ky XX, đã có nhiều nghiên cứu trong việc do

đường huyết không xâm lấn băng nhiều phương pháp khác nhau: cảm biến nam

châm điện (sensing electromagnet), công nghệ siêu âm (ultrasound technology),

quang phổ hồng ngoại (infrared spectroscopy), v.v Phương pháp không xâm lấn

được sử dụng trong dé tài là quang phố cận hồng ngoại (Near-infrared

Spectroscopy - NIRS) Phương pháp này được chọn bởi vì phổ hấp thụ Glucosenăm trong khoảng đủ tốt so với phố hấp thụ của nước [3] Việc xem xét khả nănghap thụ của nước là rất quan trọng boi vì 70% thành phan mô của cơ thé người lànước Ngoài ra, việc lựa chọn các linh kiện, cảm biến ở các bước sóng này tươngđối rẻ va dé tìm so với các phương pháp khác

Quang phô cận hồng ngoại được ứng dụng trong nhiêu lĩnh vực khác nhau như

kiểm soát và dam bảo chất lượng thực phâm, rượu, bia, sản phâm nông nghiệp, v.v

Các báo cáo gần đây đã chỉ ra tiềm năng của quang phô cận hồng ngoại trong cácứng dụng y tế khác nhau, bao gồm phân tích chức năng của não và các mô khác,cũng như một công cụ phân tích dé chan đoán bệnh Hình 1.2 thể hiện lich sử sựphát triển của phương pháp định lượng nồng độ Glucose trong máu

2000 Sản ph4m do glucose không xâm lấn đầu tiên

1971 Máy đo đường huyết phản xạ Ames

của Anton Hubert

1962 Cam biến sinh học glucose đầu tiên

bởi Clarke và Lyons.

Hình 1.2: Lịch sử phát triển của phương pháp đo Glucose

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về quang phé cận hồng ngoại còn khá nhiều hạn

chế cũng như số lượng khá khiêm tốn Trong đó có đề tài của nhóm tác giả NguyễnHoàng Dũng về ứng dụng của phương pháp cận hồng ngoại xây dựng ảnh não bachiều [4] Ngoài ra còn có đề tài của nhóm tác giả Đoàn Thị Huyền về ứng dụng

quang phô NIR kết hợp với bình phương tối thiểu từng phần dé định lượng đồngthời cefotaxime và ceftriaxone trong thuốc bột pha tiêm [5]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giớiTrên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng của quang phô cận hồng

ngoại, trong đó có các dé tài của nhóm tác giả Alishahi sử dụng quang phổ NIR dé

nhận dạng thực phẩm chuyền gen [6], đề tài của nhóm tác giả Shiroma ứng dụngquang phổ NIR va MIR (quang phổ hồng ngoại giữa — Mid-infrared spectroscopy)trong kiểm tra chat lượng khoai tây chiên, dé tài ứng dụng quang phố NIR dé đánh

gia độ cứng của quả dao của nhóm tác giả Alinovi [7], v.v Ngoài ra các ứng dụng

của quang phổ NIR trong việc chân đoán nồng độ Glucose trong máu cũng đã được

nghiên cứu bởi các nhóm tác gia Prateek Jain [8], nhóm tác giả Amit M Joshi [9],

nhóm tác gia Jyoti Yadav [10].

Trên thế giới đã xuất hiện nhiều thiết bi do đường huyết không xâm lan sửdụng nhiều công nghệ khác nhau, tuy nhiên giá thành của chúng vẫn tương đối cao,

khiên việc tiêp cận trở nên khó khăn đôi với người dùng thông thường Điêu này

nhân mạnh tâm quan trọng của việc phát triên một thiệt bị đo không xâm lân với giá

cả phù hợp đề đáp ứng nhu cầu của đa thị trường bệnh nhân Bảng 1.1 bên dưới thể

hiện một số sản phẩm thiết bị đo Glucose không xâm lan đã có trên thị trường

Bảng 1.1: Các sản phẩm thiết bị đo Glucose không xam 1an đã có trên thị trường

Tên thiết bị Mô tả Vị trí đo Giá thành

Cảm biến đo nồng độ

FreeStyle Libre | Glucose trong dịch kẽ giữa | Đặt cảm biến của

, 10.200.000

của Abbott | các tê bào ngay dưới da | máy sau cánh tay và VND

(Hoa Ky) Không có kết nối với điện | dùng máy dé đo

thoại.

Kẹp thiết bị đo vào

GlucoTrack của | Dựa vào siêu âm, điện từ và a.

dai tai, thiệt bi do sẽ

Integrity nhiệt Theo dõi liên tục và " _ | 46.000.000

, as có dây nôi cùng với Application có kêt nôi bluetooth với điện vo c ; VND

; may do dé hién thi

(Israel) thoai ,

kêt quả.

C8 Medisensor | Dựa vào quang phố Raman

Glucose Màu sắc được tạo ra từ

; ` 92.000.000

Detector của C8 | quang phô Raman giúp xác | Da dau ngón tay VND

Medisensors định chính xác cấu trúc hóa

(Hoa Kỳ) học của phân tử Glucose.

Glucowise của | Dựa vào quang phô sóng vô | Đốt thứ 2 của ngón | 25.600.000MediWiseLtd | tuyến tay trỏ VNĐ

(Anh)

1.3 Mục tiêu của đề tài

1.3.1 Mục tiêu tong quan

Nhóm đặt mục tiêu thiết kế một hệ thống theo dõi đường huyết liên tục dựatrên mô hình IoMT (Internet of Medical Things) Đây là khái niệm sử dụng các thiết

bị y tế thông minh kết nối với internet dé thu thập và chia sẻ dữ liệu y tế trong hệ

thống y tế Mục tiêu chính của IoMT là nâng cao chất lượng quản lý và chăm sócsức khỏe bằng cách cung cấp dữ liệu y tế chính xác và liên tục Điều này sẽ hỗ trợ

bác sĩ và nhà cung cấp dịch vụ y tế trong việc có cái nhìn toàn diện về sức khỏe của

bệnh nhân, từ đó giúp đưa ra quyết định chan đoán và điều trị hiệu quả hơn Hình1.3 mô tả mô hình hệ thống IoMT để theo dõi đối tượng bệnh nhân đái tháo đường,

Don thuốc và biện ` Đo đường huyết từ

pháp phòng ngừa để địa thiết bị không xâm lấn

điều trị tức thì Gia trị Glucose (mg/1)

-Kết nối

internet

()

Bác sĩ điều trị Bệnh viện điều trị

Nhờ IoMT, việc kết nối bệnh nhân với bác sĩ từ xa dé điều tri trở nên nhanhchóng và thuận tiện hơn, giúp đem lại điều trị nhanh chóng và hỗ trợ đặc biệt thôngqua dịch vụ chăm sóc sức khỏe thông minh Điều đáng chú ý là việc giám sát liêntục các thông số quan trọng, cho phép bệnh nhân nhận thức rõ hơn về kế hoạch ăn

uống và quan lý hoạt động hàng ngày Các cảm biến thông minh được sử dụng dé

liên tục thu thập dữ liệu từ bệnh nhân, và những dữ liệu này được lưu trữ an toàn

trong trung tâm dữ liệu đám mây Việc này giúp tạo điều kiện thuận lợi cho việc

phân tích dữ liệu và trao đổi thông tin dé dang thông qua các ứng dụng di động,cung cấp lợi ích lớn cho cả bác sĩ và bệnh nhân trong quá trình chăm sóc sức khỏe

Mục tiêu của nhóm là hướng đến tương lai, với hy vọng triển khai và đạtthành công Nhóm mong muốn áp dụng kiến thức đã học ở trường vào cuộc sốngthực tế, dé nam vững những kỹ năng và hiểu biết cần thiết Hình 1.4 đưới đây sẽ mô

ta sơ đồ chan đoán và kiểm soát đường huyết trong hệ thống chăm sóc sức khỏe

thông minh là mục tiêu của nhóm đê suât đưa ra thực hiện.

Chăm sóc Điện toán

sức khỏe dam mây lưu thông minh trữ

Thông báo

khẩn cap

Phan tích dữ

liệu Glucose

Hình 1.4: Sơ đồ chân đoán và kiêm soát đường huyết trong hệ thống chăm sóc sức

khỏe thông minh.

1.3.2 Mục tiêu cụ thé

e Tìm hiểu lý thuyết về phố bước sóng cận hồng ngoại và ứng dụng của quang

phô cận hồng ngoại trong việc định lượng Glucose

e Nghiên cứu và thiết kế thiết bi phần cứng định lượng Glucose sử dụng phổ

bước sóng cận hông ngoại.

Nghiên cứu và xây dựng mô hình học máy định lượng Glucose sử dụng phốbước sóng cận hồng ngoại.

Nghiên cứu và thiết kế ứng dụng phần mềm điều khiển

1.4 Kết quả dự kiến

Thiết bị phần cứng được thiết kế nhỏ gọn và hoạt động ồn định

Ứng dụng phần mềm với giao điện đơn giản và có các chức năng chính là đo

và xem lịch xử kết quả đo.

Mô hình học máy với điểm R? > 0.9

Kết quả đo lâm san trên lưới phân tích lỗi Clarke với tỉ lệ vùng A > 90%

CHƯƠNG 2 CO SỞ LÝ THUYET

2.1 Bệnh tiểu đường

Bệnh tiểu đường, còn được gọi là đái tháo đường, là một loại bệnh liên quan đến

sự không cân bằng của đường huyết trong cơ thé Khi chúng ta tiêu hóa thức ăn, cơ

thê chuyên đổi các loại thức ăn thành Glucose, một loại đường trong máu, dé cungcấp năng lượng cho các tế bào trong cơ thê

Nếu vượt quá hoặc thấp hơn quá mức so với lượng đường huyết khuyến cáo thìngười bệnh sẽ đối mặt với nhiều nguy cơ sức khỏe vô cùng nguy hiểm Do đó, cầnthực hiện một chế độ ăn hợp lý để giữ mức bình thường của lượng đường huyết mà

vẫn đủ năng lượng cung cấp cho cơ thể Hình 2.1 bên dưới sẽ mô tả 3 mức độ nồng

độ Glucose có trong máu.

Phân tử Glucose

Hình 2.1: Ba mức độ nồng độ Glucose có trong máu

Dé dua Glucose từ máu vào bên trong tế bào, cơ thé cần hormone insulin.Insulin giúp mở các cửa của tế bào để Glucose có thể nhập vào và cung cấp nănglượng Tuy nhiên, trong trường hợp bệnh tiêu đường, quá trình này bi mat cân bằng

Có hai loại chính của bệnh tiêu đường:

e_ Tiểu đường loại 1: Day là trường hợp khi cơ thé không sản xuất insulin hoặc

chỉ sản xuât rat it insulin Điêu này thường xảy ra khi hệ thông miễn dịch của

10

cơ thé tan công và phá hủy tế bào sản xuất insulin trong tử cung Tiểu đường

loại 1 thường bắt đầu ở tuổi trẻ và cần phải tiêm insulin để duy trì lượng

đường huyết trong giới hạn bình thường

e Tiểu đường loại 2: Đây là trường hợp khi cơ thé vẫn sản xuất insulin, nhưng

tế bào không sử dung insulin một cách hiệu quả Tiểu đường loại 1 thường

xuất hiện ở người trưởng thành, nhưng ngày nay, nó cũng ngày càng phổ

biến ở trẻ em và thanh thiếu niên do tăng trưởng của béo phì và lối sống

không lành mạnh.

2.2 Các phương pháp đo đường huyết

Trong quá khứ, đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu dé đo đường huyết với nhiều

phương pháp khác nhau, được chia thành ba loại: xâm lan, không xâm lấn và xâm

lấn tối thiểu Trong số đó, phương pháp không xâm lấn đã nhận được nhiều sự quantâm và phát triển Các nhà nghiên cứu đã ứng dụng kỹ thuật không xâm lắn dựa trên

các phương pháp quang học và phi quang học Trong nhóm phương pháp quang

học, một số kỹ thuật tiêu biéu là phương pháp Quang phô Raman, quang phô NIR

và phương pháp PPG.

Hình 2.2 cung cấp một sơ đồ phân loại các phương pháp khác nhau, giúphiểu rõ hơn về các kỹ thuật phô biến dang được sử dụng dé đo lường Glucose mànhóm đã tìm hiểu

Hệ Thống Giám Sát

Đường Huyết

Xâm lấn tối thiểu Không xâm lấn

Hình 2.2: Tổng quan các phương pháp đo nồng Glucose trong máu

II

2.2.1 Phương pháp đo xâm lắnPhương pháp đo đường huyết xâm lấn là phương pháp đo lường nồng độ

đường huyết bằng cách lay mẫu máu từ ngón tay hoặc vùng da khác dé đo lường

lượng đường huyết có trong máu Thông thường, việc đo đường huyết xâm lấnthường được thực hiện băng cách sử dụng thiết bị gọi là máy đo đường huyết hoặc

máy đo đường huyết tự động

Quá trình đo đường huyết xâm lấn thông thường bao gồm việc châm máu từ

ngón tay bằng lưỡi kim nhỏ hoặc các loại kim mỏng khác Một lượng nhỏ máu sẽđược thu thập và đưa vào bản đo đường huyết trên thiết bị Thiết bị sau đó sẽ đolường nông độ đường huyết dựa trên mẫu máu này, thông qua một cảm biến hoặcvùng kiểm tra

Phương pháp đo đường huyết xâm lấn thường được sử dụng để kiểm tra

đường huyết hàng ngày của những người bị tiểu đường hoặc những người cần giámsát đường huyết định kỳ để theo dõi sự điều chỉnh của liều insulin, chế độ ăn uống

và tác động của hoạt động thê chất lên đường huyết

2.2.2 Phương pháp đo xâm lắn tối thiểuPhương pháp xâm lấn tối thiêu là một phương pháp đo đường huyết mà vẫnyêu cầu lay mẫu máu từ cơ thé, nhưng nó được thực hiện một cách nhẹ nhàng va itđau đớn hơn so với phương pháp xâm lắn truyền thống Phương pháp này thường sửdụng để giảm bớt sự không thoải mái và cảm giác đau đớn khi kiểm tra đườnghuyết thường xuyên Nó cũng giúp người dùng theo đối đường huyết một cách liêntục và tiện lợi hơn trong việc quản lý bệnh tiểu đường Tuy nhiên, đối với một sốứng dụng cụ thé, đo đường huyết xâm lấn tối thiểu có thé không hoàn toàn thay théđược phương pháp xâm lấn truyền thống, vì việc lay mẫu máu trực tiếp vẫn cungcấp thông tin chính xác và chỉ tiết hơn

Một trong những phương pháp xâm lấn tối thiểu phố biến là cảm biến

Glucose liên tục (CGM) CGM sử dụng một cảm biến nhỏ được đặt đưới da, thông

qua một châm nhỏ gan trên da Cảm biến này liên tục đo lường mức đường huyếttrong nước mô và gửi dit liệu về máy đo đường huyết hoặc thiết bi di động Người

12

dùng không cân châm máu từ ngón tay môi lân kiêm tra đường huyết, mà chỉ cân

thay cảm biến sau một thời gian sử dụng

2.2.3 Phương pháp do không xâm lắn

Phương pháp đo đường huyết không xâm lắn là một kỹ thuật đo lường nồng

độ đường huyết mà không đòi hỏi việc châm máu từ ngón tay hoặc vùng da khác để

thu thập mẫu máu Thay vào đó, phương pháp này sử dụng các cảm biến, thiết bịhoặc công nghệ không tiếp xúc với da dé đo lường lượng đường huyết có trong máu

một cách thuận tiện và không gây đau đớn Một số công nghệ đo đường huyết

không xâm lắn phổ biến bao gồm:

e Cảm biến Glucose không tiếp xúc: Đây là các thiết bị không tiếp xúc với da

mà có thé đo lường đường huyết thông qua da bang cách sử dụng sóng siêu

âm, sóng hồng ngoại, sóng ánh sáng, v.v

e Cảm biến Glucose trong nước bọt: Các cảm biến này đo lường nồng độ

đường huyết thông qua nước bọt, thường là bằng cách đo lường chất lượng

ánh sáng phản xạ qua nước bọt.

Phương pháp đo đường huyết không xâm lắn giúp giảm thiêu cảm giác đau

đớn và sự không thoải mái do việc châm máu thường xuyên Nó cũng cung cấp khảnăng theo dõi đường huyết liên tục và thuận tiện hơn trong việc quản lý bệnh tiểu

đường Tuy nhiên, đối với một số ứng dụng cụ thể, phương pháp xâm lấn truyềnthống vẫn có thé được sử dụng khi cần thông tin chính xác và chi tiết hơn từ mẫumáu trực tiếp

Dé thấy được sự ưu điểm và khuyết điểm giữa phương pháp đo xâm lan và

phương pháp đo không xâm lắn, nhóm đã thé hiện rõ qua bảng 2.1

Bảng 2.1: So sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa hai phương pháp đo đường huyếtPhương pháp Ưu điểm Khuyết điểm

- Chính xác và đáng tin cậy | - Gây đau và không thoải mái.

Xâm lấn - Dễ thực hiện và phô biến | - Gây tổn thương da, cứng tay

- Giá thành thấp - Doi hỏi lay mẫu máu thường

13

- Thuận tiện và thoải mái - Không phù hợp với bệnh nhận hạ

- Ít ton thương da đường huyết

Ngoài các ưu điêm và khuyên điêm đã nêu ở trên, còn một sô đặc điêm khác

của phương pháp đo đường huyết xâm lan và không xâm lấn:

Đặc điểm của phương pháp đo đường huyết xâm lấn:

e Yêu cầu kỹ năng: Dé thực hiện đo đường huyết xâm lắn chính xác, người

dùng cần phải học và áp dụng kỹ năng châm máu một cách đúng cách.Việc này đòi hỏi thời gian và sự làm quen, đặc biệt đối với những ngườimới bắt đầu

Thời gian đo lường: Phương pháp xâm lấn có thé mat một chút thời gian

để thực hiện đo đường huyết, đặc biệt khi người dùng gặp khó khăn trong

việc lay mau máu hoặc xử lý thiết bi đo

Đặc điểm của phương pháp đo đường huyết không xâm lan:

e Khả năng theo dõi liên tục: Một số phương pháp không xâm lấn, như cảm

biến Glucose liên tục (CGM), cung cấp khả năng theo dõi đường huyết

liên tục trong suốt ngày và đêm Điều này giúp người dùng có cái nhìn

toàn diện hơn về biến động đường huyết trong một khoảng thời gian dài

Độ chính xác có thé thay đổi: Các phương pháp không xâm lan có thé bi

ảnh hưởng bởi các yếu tố như tình trạng da, điều kiện thời tiết, và tương

tác với các chất khác Điều này có thê làm giảm độ chính xác của kết quả

so với phương pháp xâm lấn truyền thống

Giới hạn ứng dụng: Một số phương pháp không xâm lắn có giới hạn về

độ sâu đo và vị trí đo trên cơ thể Điều này có thê ảnh hưởng đến việc thu

thập dữ liệu đường huyết trong những tình huống cụ thể

14

Những đặc điểm này cần được xem xét khi người dùng lựa chọn phương pháp

đo đường huyết phù hợp với nhu cầu và điều kiện của người dùng

2.3 Ứng dụng của quang phố trong việc đo đường huyết

2.3.1 Quang phoQuang phô là sự phân tích va phân loại anh sáng thành các bước sóng (hoặcmức năng lượng) khác nhau Ánh sáng có thể được phân tích thành các bước sóng

riêng lẻ hoặc nhóm các bước sóng, tùy thuộc vào tính chất của nguồn ánh sáng và

phương pháp phân tích.

Ánh sáng là một dạng sóng điện từ, nó có thể lan truyền qua không gian hoặccác chất liệu khác nhau và có thể chứa nhiều bước sóng có các bước sóng khácnhau Khi ánh sáng tiếp xúc với các vật chất, nó tương tác và tạo ra các hiện tượngnhư hấp thụ, phản xạ, phát xạ, chuyên đổi năng lượng, hay phản chiếu tùy thuộc vào

tính chất của chat liệu đó

Ứng dụng của quang phổ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa

học và công nghệ, bao gôm:

e Quang hóa học: Sử dụng dé xác định thành phần của các chất hóa học dựa

trên phản ứng phô hấp thụ và phát xạ của chúng với ánh sáng

e Quang phố cận hồng ngoại (NIR): Được sử dụng dé phân tích thành phan

của các mau, bao gồm cả việc đo đường huyết không xâm lấn

e Quang phố hấp thụ nguyên tử (AAS): Dùng để xác định nồng độ của các

nguyên tố hóa học trong mẫu

e Quang phố Raman: Được sử dụng dé xác định thành phan phân tử và cấu

trúc phân tử của các vật chất

e_ Quang phố điện từ: Sử dung dé nghiên cứu và xác định các vật chat trong vũ

trụ.

15

Các phân tích quang phô cung cấp thông tin về cấu trúc, tính chat và thành phan

của các chất và chúng là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ

2.3.2 Ung dung của quang phé trong việc đo đường huyết không xâm

lanQuang phổ Raman và quang pho cận hồng ngoại là hai công nghệ nổi bậttrong việc đo đường huyết không xâm lắn Được đánh giá là tiềm năng và phô biến,chúng đem lại hiệu quả và độ chính xác cao trong ứng dụng đo đường huyết

Đặc điểm của quang phô Raman:

e_ Quang phố Raman là một dải sóng của quang phổ điện từ được sử dụng

để nghiên cứu các sự thay đổi trong năng lượng của các phân tử trong

mẫu.

e Trong việc đo đường huyết không xâm lan, quang phổ Raman được sử

dụng đề phân tích thành phần của mẫu máu và đo lường nồng độ đường

huyết

e_ Công nghệ quang phô Raman có tiềm năng cho việc phát triển các thiết

bị đo đường huyết không xâm lan mới với độ chính xác cao

Đặc điểm của quang phô cận hồng ngoại:

© Quang phô cận hồng ngoại là một dải sóng của quang phố điện từ nằm

gần phía cận đỏ của quang phố có bước sóng từ 700nm đến 2500nm

e_ Đối với đo đường huyết không xâm lấn, quang phổ NIR được sử dụng

dé đo lường nồng độ đường trong mẫu máu bang cách đo sự hấp thụ ánhsáng cận hồng ngoại bởi các phân tử đường trong máu

e Các cảm biến Glucose không xâm lấn sử dụng quang phổ NIR để do

đường huyết trên da của người dùng và cung cấp thông tin đường huyết

một cách thuận tiện và không đau đớn.

Dưới đây là bang 2.2 so sánh ưu điểm và khuyết điểm của quang phổ Raman

quang phổ cận hồng ngoại trong ứng dụng đo đường huyết không xâm lấn:

16

Bảng 2.2: Ưu điểm và khuyết điểm của quang phổ, Raman và quang phô cận hồng

ngoại trong ứng dụng đo đường huyết không xâm Jan.

Ưu điểm Quang pho cận hồng ngoại Quang phố Raman

Đo đường huyết

không thoải mái

Ít gây không thoải mái và cảm

giác đau đớn cho người dùng

như ánh sáng môi trường và

biến đổi da, làm giảm độ chínhxác của kết quả đo đườnghuyết

Chi phí đầu tư ban dau cao,đòi hỏi sự phát triển và sảnxuất thiết bị chất lượng cao

Doi hỏi hiệu

chuẩn định kỳ

Cần sử dụng đèn laser mạnh,điều này có thể làm tăng

cường độc tác động lên da,

cần chú ý đến vấn đề an toàn

và đảm bảo thiết bị không gây

hại cho người dùng

Cả quang phô Raman và quang phô cận hồng ngoại đều là các công nghệkhông xâm lan tiềm năng trong việc đo đường huyết và cung cấp thông tin liên tục

và thuận tiện cho người dùng.

2.4 Quang phố cận hồng ngoại

Quang phổ cận hồng ngoại là một phương pháp quang phổ sử dụng cả haivùng của phổ điện từ, nó kết hợp vùng cận hồng ngoại (từ 780nm đến 2500nm) và

17

vùng ánh sáng nhìn thấy (VIS) (từ 380nm đến 780nm) Sự kết hợp giữa hai vùngphổ này cải thiện độ chính xác và độ phân giải của phương pháp trong các ứng dụng

cụ thé Phổ quang cận hồng ngoại VIS-NIR có khả năng xác định các đặc tính của

mẫu trong cả vùng ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại, mở rộng khả năng ứngdụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, công nghiệp thực phẩm và môi

trường.

2.4.1 Các ưu điểm điểm của quang phố cận hồng ngoạiPhương pháp phổ cận hồng ngoại NIR không cần sử dụng dung môi hoặcthuốc thử độc hại, điều này giúp nó trở thành một kỹ thuật thân thiện với môitrường và tiết kiệm tài nguyên Bên cạnh đó, thiết bị phô NIR có thể được sử dụngbởi những người không có chuyên môn và kiến thức sâu về hóa học và phân tích,nhờ đó thời gian đào tạo nhân viên là rất ngắn

Một điểm đáng chú ý nữa là phương pháp NIR không làm tốn hai cấu trúccủa mẫu, không cần tiến hành phá hủy mẫu bằng nhiệt độ và hóa chat trong quátrình phân tích, và mẫu có thê tái sử dụng Sự không phá hủy này giúp bảo tồn mẫu

và giảm chi phí thử nghiệm.

Ngoài ra, phương pháp phô NIR thực hiện phân tích nhanh chóng va đem lạikết quả chính xác chỉ trong ít phút Điều này tăng tính hiệu quả và giúp quy trìnhkiểm tra và kiểm soát chất lượng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn

Cuối cùng, phương pháp phổ NIR có khả năng phân tích nhiều thông số khácnhau chỉ bằng một lần đo duy nhất, điều này làm tiết kiệm thời gian và tăng tínhlinh hoạt trong việc thu thập thông tin chỉ tiết về mẫu

2.4.2 Phân loại quang pho cận hồng ngoạiCác quang phổ cận hồng ngoại được phân loại dựa theo bước sóng, gồm hailoại chính: quang phổ bước sóng dai (Long-wave NIR Spectroscopy) với khoảngbước sóng từ 1300nm đến 2500nm và quang pho bước sóng ngắn (Short-wave NIRSpectroscopy) với khoảng bước sóng từ 780nm đến 1300nm Bảng 2.2 sẽ cung cấp

các đặc diém cũng như ưu diém của từng loại.

18

Việc sử dụng bước sóng dài có hạn chế là khó có khả năng phát hiện các phân

tử đường bên dưới da do có độ thâm nhập nông, đồng thời chi phí của các cảm biến

ở vùng bước sóng này tương đối cao Điều này làm cho vùng bước sóng ngắn trở

nên lựa chọn phù hợp hơn cho đề tài Với khoảng bước sóng ngắn hơn, phươngpháp này sẽ có khả năng thâm thấu sâu hơn vào da và từ đó tiếp cận và phân tích

các phân tử đường một cách hiệu quả hơn.

Bảng 2.3: So sánh quang phổ cân hồng ngoại bước sóng dài với bước sóng ngắn.

Quang phô cận hồng ngoại bước sóng | Quang phố cận hồng ngoại bước sóng

dài ngắn

Giup tao ra sự cộng hưởng giữa O-H và , ,

` Độ hâp thụ và độ phản xạ ánh sáng sắc

C-H cho âm bội đâu tiên Thu được sự ,

, nét hon va mạnh hơn ở âm bội thứ nhat

cộng hưởng giữa liên kết O-H và C-H

, so với âm bội thứ hai và thứ ba (âm bội

cho âm bội thứ nhât cao hơn so với bước

„ cao hơn).

sóng ngăn.

, Su rung động của phân tử C-H đã được

Hạn chê vé khả năng thâm nhập nông

so với bước sóng dai.

Một sô bước sóng cụ thể chăng hạn như

Hiệu suất cao hơn khi thực thi trong ống | 940 nm đã được xem xét để phát hiện

nghiệm Glucose Phù hợp cho việc đo lượng

đường liên tục.

Trong một sỐ nghiên cứu khác, sự hap thu Glucose đã được xác nhận trong

phạm vi 1300 đến 1350nm và sự kéo dài của Glucose đã được xác định trong vùng

quang phổ cận hồng ngoại (NIR) Sự có mặt của thành phần Glucose đã được đo ở

bước sóng 1300 nm trong nghiên cứu [12]

19

2.4.3 Lý do kết hợp quang phé cận hồng ngoại nhìn thấy được và quang

pho cận hồng ngoạiKhả năng hap thụ đáng ké ánh sáng vùng cận hồng ngoại (NIR) của nước làmgiảm cường độ ánh sáng có thé đi vào Sự hap thụ đáng ké ánh sáng vùng cận hồngngoại của nước làm giảm cường độ ánh sáng có thé thấm qua các mẫu máu và mô,

do đó, cường độ ánh sáng mà các máy dò thu được Điều này chỉ ra rằng ánh sángvùng cận hồng ngoại chỉ có thể đi vào dịch kẽ của mô, nhưng ánh sáng VIS-NIR có

thé thâm nhập sâu hơn và tương tác với các phân tử Glucose trong cả dịch kẽ vàmạch máu Bởi vì Glucose cần có thời gian dé khuếch tán từ máu động mạch vàodịch kẽ, nên có sự khác biệt về nồng độ Glucose giữa máu và dịch kẽ tại bat ky thờiđiểm nào [12]

Ánh sáng VIS-NIR có thể tương tác với các phân tử Glucose trong máu theo

thời gian thực, làm tăng độ nhạy của thiết bị cảm biến để phát hiện những thay đổi

về nồng độ Glucose trong thời gian thực Do đó, nghiên cứu này vào nguồn sáng

cận hồng ngoại nhìn thấy được và nguồn sáng cận hong ngoại sẽ cho ra một daibước sóng trải dài từ 380nm — 1300nm Hình 2.3 dưới đây sẽ thể hiện độ sâu thâmnhập của các ánh sáng hồng ngoại khác nhau trong da ngudi.[8]

Quang phổ cận hồng ngoại nhìn thấy được Bước sóng ngắn Bước sóng dai

(VIS-NIR)

Hình 2.3: Độ thâm sâu của các ánh sáng hồng ngoại khác nhau trong da người.[8]

20

2.5 Nguyên lý đo đường huyết không xâm lắn bang NIRS

Ánh sáng quang phổ cận hồng ngoại có thé thâm nhập sâu hơn vào mô va

tương tác với các phân tử Glucose trong cả dịch kẽ và mạch máu Cần có thời gian

dé các phân tử Glucose khuếch tán từ mạch máu vào dịch kẽ do đó có sự khác biệtgiữa nồng độ Glucose trong máu và dịch kẽ tại bất kỳ thời điểm nào

Mỗi phân tử Glucose có khả năng hấp thụ một bước sóng ánh sáng nhất định,

và sự tương tác này gây ra các rung động tương ứng trong phân tử Glucose Những

rung động này xuất hiện trong quang phổ Glucose và có thé được quan sát Nghiêncứu đã chỉ ra rằng các liên kết kéo dài và dao động của phân tử Glucose xảy ra ởcác tần số cộng hưởng khác nhau Sự hấp thụ ánh sáng cũng phụ thuộc vào nồng độ

phân tử trong môi trường [8].

Phổ quang cận hồng ngoại có khả năng thâm nhập sâu vào mô và tương tác

với các phân tử Glucose cả trong dịch kẽ và mạch máu Tuy Glucose cần thời gian

để khuếch tán từ mạch máu vào dịch kẽ, sự khác biệt về nồng độ Glucose giữa hai

nơi này luôn tồn tại Dé xác định thông tin chi tiết về phân tử Glucose dé phát hiện,việc chứng minh các bước sóng cộng hưởng của các liên kết nguyên tử trong phân

tử Glucose trong máu là cần thiết Câu trúc của phân tử Glucose được minh hoa

trong hình 2.4.

Hình 2.4: Cấu trúc phân tử Glucose [13]

21

Trong vùng NIR sóng dài, các dao động giữa OH và CH được thể hiện có thê

được gọi là âm bội đầu tiên Do các quan sát về dao động phân tử trong vùng quangphổ cận hồng ngoại (NIR) bước sóng ngắn, người ta đã phân tích rằng độ hấp thụ vàphản xạ sắc nét hơn và mạnh hơn ở âm bội đầu tiên so với âm bội thứ hai và thứ ba(âm bội cao hơn) Theo [13] cũng đã đưa ra những chứng minh rằng:

e Trong quá trình hấp thụ ánh sáng với sự có mặt của phân tử Glucose, độ rung

của liên kết C-H được kiểm tra ở gần 910 nm Rung động cua CH2 được timthấy ở gần 930 nm

e Sự hấp thụ hiệu quả và sắc nét hơn đã được xây dựng trong âm bội thứ hai

của dao động liên nguyên tử liên kết O-H ở bước sóng 970 nm Điều này théhiện sự hiện diện của phân tử nước Ở bước sóng 840 nm, liên kết O-H của

nước liên kêt với liên kêt C—H của chat béo.

Trong phân tử Glucose, theo như hình 2.4 dao động giữa OH và CH được biểu

diễn có thể được gọi là âm bội đầu tiên, liên kết CH2 là âm bội thứ 2 Sự chuyền

động của các liên kết dẫn đến việc chuyên động của phân tử Glucose, từ đó phản xạlại ánh sáng chiếu vào từ quang phổ bước sóng giúp nhận biết nồng độ Glucose

trong mau.

Khi ánh sáng đi vào cơ thể, nó tương tác với các nguyên tử trong mô và đượchấp thụ, truyền đi hoặc tán xạ, như minh họa trong Hình 2.5 Loại tương tác phụthuộc vào: bước sóng của ánh sáng tới, cấu trúc mô và các đặc tính quang học của

mô (chăng hạn như chỉ số khúc xạ tương đối, hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ)

Khi ánh sáng được vật liệu hấp thụ, năng lượng liên quan đến ánh sáng hoặcphoton được sử dụng hết do sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu Tuỳ theo năng

lượng của phôtôn mà trong phân tử có thé xảy ra các dạng chuyên hoá năng lượng

khác nhau, bao gồm chuyền hoá năng lượng giữa các trạng thái đao động, trạng thái

quay, trạng thái điện tử, v.v.[14]

22

Hình 2.5: Sự tương tác của ánh sáng khi đi vào cơ thé.

Nong độ Glucose trong mẫu mô ty lệ thuận với sự hấp thụ ánh sáng của nó vì

vậy có nghĩa là một chùm ánh sáng trở nên yếu hơn khi nó đi qua mẫu mô Sựsuy giảm ánh sáng xảy ra do khoảng cách xuyên qua mẫu mô hoặc sự gia tăngnồng độ Glucose Hình 2.6 bên đưới là sự so sánh giữa hai mẫu khi có ánh sángtruyền qua các phần tử Glucose

23

Những tín hiệu quang học này được gửi qua đầu ngón tay và tín hiệu được

phát hiện bởi bộ thu đặt bên cạnh nguồn phát Nong độ Glucose trong máu được xác

định bằng cách phân tích sự thay đôi cường độ của tín hiệu nhận được sau khi hấp

thụ.

2.6 Điểm khác biệt về đặt vi trí tay so với các đề tài trước

Mô da chứa các tiểu động mạch, tiêu tĩnh mạch, mao mạch và dịch kẽ, và

dịch kẽ chiếm thé tích nhiều hơn đáng kể so với huyết tương Mô da các lớp baogồm lớp sừng (10-20 pm), biểu bì (30—100 pm), hạ bì (900—1500 pm) và mô dưới

da (1000-5000 um).[15] Lớp biểu bì bao gồm khoảng 15-35% dịch kẽ và không cómạch máu Lớp trung bì chứa các tiểu động mạch, tiểu tĩnh mạch và mao mạch và

khoảng 40% dịch kẽ Các mô đưới da bao gồm lưu trữ chất béo, một số dịch kẽ (ithơn ở lớp trung bì) và các mạch máu nối trung bì với máu lưu thông trong cơ thể.Mỗi lớp da có quang học và điện môi riêng đặc điểm, có thể khác nhau giữa các cánhân do sự khác biệt về hình thái và độ dày của các lớp da, nồng độ của các thànhphan mô/máu (chăng hạn như Glucose), máu dưới da tưới máu, v.v Các tế bào cónhiều nhất trong máu là các tế bào hồng cầu (RBCs) với đĩa đệm hai mặt hình dạng

và có anh hưởng đáng kê đến tính chất điện môi của mô Hồng cầu thay đổi hình

dạng do sắp xếp lại khung tế bào của chúng trong quá trình thay đổi nồng độGlucose Cấu tạo này sự biến đổi gây ra sự thay đôi tính chất điện môi của hồng cầuphép đo trong cơ thể sống đã chứng minh sự gia tăng độ thấm điện môi của hồngcầu do giảm Glucose nồng độ trong nghiên cứu [16] Sự khác biệt về kích thước,hình thái và phân bố hồng cầu giữa các cá nhân dẫn đến sự khác biệt về tính chất

điện môi của mô bắt ké nồng độ Glucose, và do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của

việc đọc Glucose bằng kỹ thuật đo Glucose dựa trên điện môi Từ đó nhóm đã cốgắng thiết kế hệ thống ánh sáng bao phủ xuyên thấy ngón tay cách nguồn sáng 2cm,

và cách cảm biến đo 2 em Hình 2.7 sẽ thể hiện vị trí đặt ngón tay dé lay mau

24

25

CHUONG 3 PHAN TÍCH VA THIẾT KE HE THONG

3.1 Tổng quan hệ thống

Hệ thống tổng quan của đề tài được mô tả như sau: Thiết bị nghiên cứu sẽ

kết nối với điện thoại di động Android thông qua ứng dụng do nhóm phát triển, sửdung giao thức không dây Bluetooth Low Energy đề thực hiện điều khiến và giaotiếp với thiết bị Trong quá trình hoạt động, thiết bị sẽ thực hiện việc đo lấy dữ liệu

từ các cảm biến, sau đó gửi dit liệu này lên ứng dụng trên điện thoại thông minh

Các dữ liệu thu thập được từ thiết bị sẽ được lưu trữ trong cơ sở đữ liệu để

phục vụ cho quá trình huấn luyện mô hình Sau khi mô hình hoàn tat quá trình huấn

luyện, nó sẽ được tích hợp vào ứng dụng trên điện thoại di động, từ đó cho phép mô

hình thực hiện các dự đoán về kết quả đo đường huyết Hình 3.1 bên dưới sẽ mô tả

hệ thống tổng quan của đề tài

26

Thiết bị nghiên cứu

Hình 3.1: Hệ thống tổng quan của đề tài

3.2 Thiết kế phần cứng thiết bị

3.2.1 Tổng quan thiết kế mô hình phần cứng

Phần cứng của hệ thống bao gồm các thành phần chính sau đây:

e Bộ vi xử lý điều khiến trung tâm: Module Wifi Bluetooth Mini DI

ESP32-Wroom-32, đóng vai trò là trung tâm điều khiến của hệ thống, hỗ trợ kết nối

Wifi và Bluetooth.

e Cảm biến quang: AS7265x, đây là cảm biến quang phô được sử dụng dé thu

thập thông tin quang pho

e Màn hình hiền thị: LCD GC9A01, dùng dé hiển thị thông tin

e Nguồn phát sáng: Bóng đèn Halogen

27

e Module mạch quản lý nguồn: Bao gồm các thành phần như sau:

o_ Mạch sạc TP4056: Dùng để sạc lại pin lipo có điện áp 3.7V, giúp duy

trì nguồn điện cho hệ thống

o_ Mạch tăng áp MT3605: Được sử dụng dé tăng áp đầu ra lên mức 12V,

phục vụ nhu cầu cung cấp điện cho bóng đèn Halogen

o Pin lipo 3.7V: Nguồn năng lượng có dung lượng 3.7V, cung cấp điện

cho hoạt động của hệ thống.

Hình 3.2 bên dưới sẽ mô ta tổng quan sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống đề tài

Phần quản lý nguồn thiết bị Thu đọc dữ liệu

Pin lipo 2000mAH Mach tăng áp

nguôn Halogen MT3608

Xuât giá trị

Khâu chấp hành

Hình 3.2: Tổng quan sơ đồ kết nói phần cứng của hệ thống

Module ESP32 sẽ đảm nhận hai chức năng chính Thứ nhất, nó cung cấp

nguồn cho cảm biến quang phố AS7265x và thiết lập giao tiếp với cảm biến thông

qua giao thức I2C Ngoài ra, Module cũng chịu trách nhiệm cung cấp điện áp 3.3Vcho cả cảm biến và màn hình LCD GC9A0I Việc giao tiếp với màn hình LCDđược thực hiện thông qua giao thức chuẩn SPI

Dé cung cấp nguồn cho Module ESP32, sử dụng Pin lipo có dung lượng1000mAH Trong khi đó, nguồn sáng từ bóng đèn Halogen sẽ lấy từ Pin lipo2000mAH Cả hai nguồn Pin này được kết nối chung với mạch sạc TP4056

28