Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế hệ thống nhúng định lượng không xâm lấn nồng độ glucose dựa trên cảm biến quang

Mục tiêu của đề tài e Tập trung nghiên cứu, tìm hiểu, thiết kế và thực thi hệ thống định lượng không xâm lấn nồng độ glucose sử dụng cảm biến quang, cụ thé ở đây là NIR.. Bang 1-1 Các sa

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

HUỲNH BÁ ANH QUẦN

NGÔ HOÀNG HUY

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

THIET KE HỆ THONG NHÚNG ĐỊNH LƯỢNG

KHÔNG XÂM LÁN NÒNG ĐỘ GLUCOSE DỰA TRÊN

CAM BIEN QUANG

DESIGN EMBEDDED SYSTEM OF NONINVASIVE GLUCOSE

MONITORING BASED ON OPTICAL SENSOR

KY SU NGANH KY THUAT MAY TÍNH

TP HO CHi MINH, 2022

ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

HUỲNH BÁ ANH QUẦN - 18520136

NGÔ HOÀNG HUY - 18520838

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

THIET KE HỆ THONG NHÚNG ĐỊNH LƯỢNG

KHÔNG XÂM LAN NONG ĐỘ GLUCOSE DỰA TREN

CAM BIEN QUANG

DESIGN EMBEDDED SYSTEM OF NONINVASIVE GLUCOSE

MONITORING BASED ON OPTICAL SENSOR

KY SU NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS PHAM QUOC HUNG

TP HO CHi MINH, 2022

THÔNG TIN HỘI ĐÒNG CHÁM KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 526/QD-DHCNTT

ngày 19 tháng 07 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện khoá luận tốt nghiệp là khoảng thời gian quan trọng và đángnhớ nhất trong quãng đời mỗi sinh viên Khóa luận tốt nghiệp là tiền đề nhằmtrang bị cho chúng em những kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu

trước khi bước ra môi trường làm việc mới day thách thức

Em xin trân trọng cảm ơn thầy Phạm Quốc Hùng đã tận tình giúp đỡ em trong quátrình thực hiện khoá luận Nhận được những lời góp ý, lời khuyên của thầy là nguồn

động lực dé em tiếp tục cố gang phát triển, cải thiện dé tài theo hướng tốt nhất Đó

không chỉ là những lời góp ý trong quá trình thực hiện khoá luận, mà còn là hành

trang tiếp bước cho em trong quá trình học tập và làm việc sau này

Và cuối cùng, em xin gửi tới quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Máy Tính của trường Đạihọc Công Nghệ Thông Tin lời chúc sức khỏe và cảm ơn sâu sắc Với sự quan tâm,

dạy dỗ, chỉ bao tận tình của quý thầy cô, em đã được trang bị nền tảng kiến thức dé

có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Chương 1 TONG QUAN -:-©22¿222+22++t2E+EtEEESEEErsrkrrrrrrrrree 2

1.1 Giới thiệu về để tài -222cc2222cc2ECEEeEEEErrEEEErrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrerrrree 2 1.1.1 Giới thiệu về bệnh tiểu đường -2-£+2+z+£++z+cxzczrxeez 2 1.1.2 Hiện trạng bệnh tiểu đường hiện nay - «5 sccsxs+csecsxesee 3

1.2 Đề tài nghiên cứu.

1.2.1 Lý do chọn để tài 2¿-222+222+S2EECE2EEEEEEEEEEEEEEcerrrrrrrvee 4 1.2.2 Mục tiêu của dé tài

1.2.3 Sản phẩm cần đạt được của đề tài -s-©2ccccscccrxeerrecersree 5 1.2.4 _ Các sản phẩm đã có trên thị trường.

1.2.5 _ Bố cục khoá luận ccccstcrrrterrrtrrkrrrrrrrrrrrree 6

Chuong2 CƠ SỞ LÍ THUYET

2.1 Các phương pháp định lượng nồng độ glucose: - -: + 7 2.2 Hướng tiếp cận với phương pháp đo không xâm lần - 8 2.3 Quang PhO cccccccccscscssessssessssecsssecsssssssecsssecssessssecsssecssuecssesessecsssecsseeessecesees 10

2.3.1 Định nghĩa cong, 10

2.3.2 Ứng dụng của quang phổ -¿-©+¿222++22++t2zxevzrxesrrecsrk 10

2.3.3 Phân loại quang phổ -::+52+++2v+ecvrrerxrrrrrrerrrrsrs 10

2.4 Bước sóng điện từ S1 TH HH HH HH HH Hy 11

2.4.1 Định nghia esc ce cseneeeeececseesesecsesesseeesseesseneeeneeee 11

2.4.2 Phân loại sóng điện từ dựa trên bước sóng - - eee 11

2.4.3 Ứng dung của sóng điện từ ở các bước sóng khác nhau 12

2.4.4 Ảnh hưởng của bước sóng đến các phân tử glucose - 13

2.5 Quang phổ VIS-NIR 2¿-5222222122221222112221127112711 221.2211221 xe 13

2.5.I Định ngiĩa Ăn HH TH ri 13

2.5.2 Ứng dụng của quang phô VIS-NIR 14 2.5.3 Phân loại quang phổ NIR -22++22++stcvreesrrrrrsrrrree 14 2.5.4 Lí do kết hợp quang phổ Visible và quang phổ NIR

2.5.5 Ảnh hưởng của quang phổ VIS-NIR đến việc định lượng nồng độ

glucose trong cơ thỂ -: 222+22222+2222222221112221112211112211112211112.11 e1 15 2.6 Nguồn sáng

2.7 Cảm biến ss-25c 221 2221222112221227112711211127112711 211.2112111 xe 18 2.7.1 Cam biến AS7341

2.7.2 Cảm biến AS7263 cescccssescssessssessssecsssecsssecsseccssecestecssecsseesssecesnecsseees 19

2.7.3 Kết hợp cảm biến AS7341 và AS7263

2.8 Máy tính nhúng - E522 S321 1E 2 E22 11111211111 21

2.9 Máy đo đường huyết xâm lan ACCU-CHEK INSTANT.

2.10 Màn hình OLEÌD óc 11191 SH ng ng ng nến 23

2.11 Machine Learning - 6 (Sky 24 2.11.1 _ Giới thiệu về Machine Learning -2c52sz+22szeczscczx 24

2.11.2 Supervised Learning - - 6-5 Set 25

2.11.3 Classification (Bài toán phân loại) - ¿5s -<5+<<<<c+c+xcee 25

2.11.4, Regression (Bài toán hồi quy) -¿-¿+2+ecvxvecxrerrxrsrrresrs 25

2.11.5 Unsupervised Learning -¿- «+ xxx ni 25

2.11.6 Clustering (Bài toán phân nhóm) -¿- «+ £+x++xe+ceeeexe+ 25

2.11.7 Association (Bài toán kết IUU PC 26

2.12 Mô hình máy học thực nghiệm - -¿- + «+ +vEsxvsreeerexee 26

2.12.1 - Linear Regression ¿tk Hiên 26

2.12.2 Multiple Linear ÑegTesSiOn - s55 sseserrrerreree 27

Chương 3 | PHAN TÍCH VÀ THIET KE HE THONG

3.1 Tổng quan hệ thống :-222¿222+++22EEEEt2EEEE22221E222111 22111 ce 29 3.2 Thiết kế mô hình cho nguồn phát.

3.3 Xây dựng mô hình dự đoán nồng độ glucose -:++c cc+¿ 35

3.3.1 Kịch bản lấy mẫu

3.3.2 Tiền xử lí dữ liệu ii

3.3.3 Mô hình máy học

3.4 Phương pháp đánh giá mô hình dự đoán nồng độ glucose - 39

3.4.1 Đánh giá dựa trên độ chính xác phân tích - - «+ 39

3.4.2 Đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng - «+ 40

3.5 Sơ đồ kết nối cc như e 42 3.5.1 So đồ kết nói ở mô hình nguồn phát -¿-:z+c5z>+ 42 3.5.2 Sơ đồ kết nói ở mô hình dự đoán nồng độ glucose - 4 Chuong 4 THỰC NGHIỆM VA KET QUA -: :5c5s+5++ 44

4.1 Tap dữ liệu của mô hình máy hỌc ¿- ¿+ + + £+*++++£+£+xzxze£zrzesx 44

4.2 Tiền xử lý dữ liệu 22+-2222++222EEEt2EEEEEEEEErEEErrrrrrrrrrrrrrrrrer 48

4.3 Thực nghiệm mô hình Multiple Linear Regression ‹ «+ 57

4.3.1 Độ chính xác phân tíCh -¿- - ckSk nghệ 58

4.3.2 Độ chính xác lâm sàng -¿- «+ khiến 59

4.4 Lưu và tai mô hình máy hỌC ¿+ + +2 S*+k+E‡E*E£k£EeEeEekekrkrreree 60

4.5 Kiểm thử mô hình dự đoán -ccccccccceertEtrttirrrrrrrrrrrrrriie 61

"‹ h 63 Chương 5 KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN -: + 66

5.1 Kếtluận

5.1.1 Những điều đạt được5.12 Những điều hạn chế.5.2 Hướng phát triển của dé tài

DANH MỤC HÌNH

Hình 2-1 Thị phan của các các loại thiết bị đo đường huyết năm 2018 8

Hình 2-2 Minh hoa bước SÓng - - - - - - 5 1119210119911 9 ng kg khu 11 Hình 2-3 Các loại sóng điện từ dựa trên bước sóng -‹ + x++ssseesss 11

Hình 2-4 Cấu trúc phân tử GlucOse - 2- 2+2 +E+E£+E£EE2E£EEzEeEEzEerkzrersrree 13

Hình 2-5 So sánh sự truyền ánh sáng qua 2 mô mẫu chứa nồng độ glucose l6Hình 2-6 Gian đồ minh họa quang pho hấp thụ truyền qua 16Hình 2-7 Dai bước sóng của nguồn sáng halogen - - 2 2 +ce£z+x+£ezzzs+z 17

Hình 2-9 Cảm biến AS7734/1 2-5252 2x22E22121121121212121121121121 211121 1 xe 18Hình 2-10 Cảm biến AS7263 -¿- ¿5c St‡SE2E12EE2E12E2152122121121121 2122122121 xe 19

Hình 2-11 Máy tính nhúng Raspberry Pi 3+ - se vee 22

Hình 2-12 Máy đo đường huyết ACCU-CHEK-INSTANT 5 2-5¿ 23

0010020169) /P10801ì):09)0)5900015 24

Hình 2-14 Hình vẽ biểu diễn hàm tuyên tính với đơn biến - 27Hình 3-1 Hình ảnh hệ thống và các thành phần 2 2s s+s£++s+zx5+2 29

Hình 3-2 Tổng quan hệ thống ¿- 5-2 + S2 SE+E£E£EEEE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrerrrkee 30

Hình 3-3 Lưu đồ hoạt động của hệ thống ¿2 2+ 2+E+E£+E+EE+E+£EzEerxzEerxcee 31

Hình 3-4 Hình anh hệ thống khi chưa đặt tay vào ¿- - - 2 5++s+cz£zzx+£ezzzsez 32Hình 3-5 Hình ảnh hệ thống khi đặt tay vào - - + 2+ ++x+EeEe£zxzrersrsee 32Hình 3-6 Lưu đồ hoạt động ở mô hình nguồn phát - - 2 22s =+s2 5+2 33Hình 3-7 Hình ảnh hệ thống khi đặt tay chưa đúng vị trí - + 25-52 34

Hình 3-8 Quy trình định lượng glucose thông qua máy học «+ «+ 35

Hình 3-9 Hình vẽ thé hiện lưới Clarke đơn giản nhất - ‹-¿-c55cc5cc+¿ 4I

Hình 4-1 Tập dữ liệu - - G1111 TH TH TH TH HH HH 44

Hình 4-2 Chia tập dữ liệu thành tập huấn luyện và tập kiểm định - 46Hình 4-3 Biéu đồ thể hiện độ tuổi của tình nguyện viên -. 5-52- 25522 46Hình 4-4 Biéu đồ thé hiện khoảng thời gian lấy mẫu trong ngày - 47Hình 4-5 Biéu đồ thé hiện số lượng mẫu của từng tình nguyện viên 47

Hình 4-6 Dataset trước khi xử lý - Ă 1 S121 vn ng re 48 Hình 4-7 Dataset sau khi Xử lý c LH ng ng ng kh 48

Hình 4-8 Kiểm tra giá trị trung bình và độ lệch chuẩn -. -2- 2 +52 48

Hình 4-9 Dữ liệu trước và sau khi xử lí ở cột bước sóng 4l5nm - 51

Hình 4-10 Dữ liệu trước và sau khi xử lí ở cột bước sóng 445nm 51

Hình 4-11 Dữ liệu trước và sau khi xử lí ở cột bước sóng 480nm - 52

Hình 4-12 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 5l5nm 52

Hình 4-13 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 555nm 53

Hình 4-14 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 590nm 53

Hình 4-15 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 630nm - 54

Hình 4-16 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 680nm 54

Hình 4-17 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 730nm 55

Hình 4-18 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 760nm - 55

Hình 4-19 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 8lÔnm - 56

Hình 4-20 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 860nm .- 56

Hình 4-21 Dữ liệu trước va sau khi xử lí ở cột bước sóng 910nm 57

Hình 4-22 Tỉ lệ dự đoán mô hình MLR của tập dữ liệu - - + <+++++s+ 58 Hình 4-23 Đánh giá những bước sóng ảnh hưởng nhất tới mô hình 58

Hình 4-24 Vị trí giữa điểm kiểm thử va điểm dự đoán ở bước sóng 810nm 59

Hình 4-25 Kết quả dự đoán mô hình thé hiện trên lưới Clarke . 59

Hình 4-27 Kết quả dự đoán với một giá trị input kiểm thử 25-2 62 Hình 4-28 Hình ảnh thực tế của hệ thống ở trạng thái chờ - 25 +¿ 65 Hình 4-29 Hình ảnh thực tế của hệ thống khi đo - 2-5 2 5s+£+£szzczxzse2 65

DANH MỤC BANG

Bang 1-1 Các sản phẩm đo đường huyết không xâm lấn trên thị trường 5Bảng 2-1 So sánh 2 phương pháp phô biến dé đo nồng độ glucose trong máu 7Bảng 2-2 Các kỹ thuật quang phô dé định lượng nồng độ glucose - 9

Bảng 2-4 So sánh quang phổ NIR bước sóng ngắn và dài - ¿s- 14Bảng 2-5 So sánh nguồn sáng LED và Halogen - 2-5 2 +cs+xczszzczxcsez 17Bang 2-6 Các bước sóng đỉnh của cảm biến AS73141 ¿2-5 2 s+s+£zccs+2 19Bang 2-7 Các bước sóng đỉnh của cảm biến AS7263 - ¿2-5 2 2+s+£s£zcs+2 20

Bảng 2-8 Các bước sóng đỉnh sau khi kết hợp hai cảm biến -. - 21

Bảng 3-1 So đồ kết nối ở mô hình nguồn phát - 2-2 ¿52s >++z++z+zx+zse2 43Bang 3-2 Sơ đồ kết nối ở mô hình nguồn thu - - 2 2 2 +£2+£+E+E£££zE+£e£zzxz2 43

Bang 4-1 Bang thé hiện các thuộc tinh của tập dữ liệu -<cs+<<<<scss2 45

Bảng 4-2 Tỉ lệ các điểm theo từng vùng - ¿5 ++2++2++E+2Ezxerxerxerrzrerree 60Bảng 4-3 Input mới dé kiểm thử -2- 25225222 £E££EEEEEEEEEE2EEEerxerxerrrrrrkee 61Bang 4-4 So sánh kết qua của hệ thống và mẫu chuẩn của 10 tình nguyện viên 62

DANH MỤC TỪ VIET TAT

NIR: Near Infrared Spectroscopy

VIS: Visible Spectroscopy

SVM: Support Vector Machine

SVR: Support Vector Regression

MLR: Multiple Linear Regression

KNN: K-Nearest Neighbors

ỨC: Inter-Integrated Circuit

GPIO : General Purpose Inssput-Output

ATP: Adenosine Triphosphate

IDF: The International Diabetes Federation

ESS: Residual Sum of Squares

TSS: Total Sum of Squares

EGA: The Clarke Error Grid Analysis

TOM TAT KHÓA LUẬN

Hiện nay các bệnh lý về tiểu đường đang ngày càng gia tăng ở cả trong nước vàquốc tế Các bệnh này thường để lại di chứng và biến chứng vô cùng nghiêm trọngthậm chí dẫn tới tử vong Do đó, ở các bệnh nhân tiểu đường, kiểm soát nồng độ

glucose trong máu rat quan trọng

Trích máu trực tiếp từ bệnh nhân dé đo nồng độ đường huyết được xem như mộtphương pháp truyền thống để tiến hành theo dõi chữa trị cho bệnh nhân Tuy nhiên,phương pháp này gây tổn thương đến bệnh nhân, nghiêm trọng có thé dẫn đếnnhiễm trùng máu và hoại tử vết thương Do đó, công nghệ đo đường huyết khôngxâm lan được phát triển dé hạn chế những điều này

Tuy nhiên ở Việt Nam hiện tại vẫn chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể cũng như thànhcông trong lĩnh vực nay Vi vậy, nhóm quyết định sẽ tiến hành thiết kế và xây dung

một hệ thống đo không xâm lấn sử dụng cảm biến quang dé giúp bệnh nhân không

cần phải trích máu và dé dang đo đường huyết tại bat cứ thời điểm nào trong ngày

Nhóm sẽ tiễn hành nghiên cứu về những sản phẩm trên thị trường, ưu nhược điểmcũng như những cơ sở lý thuyết liên quan, khảo sát những thiết bị phần cứng phù

hợp dé đặt ra mục tiêu xây dựng được hệ thống với dự đoán có độ chính xác trongkhoảng từ 55% đến 70% dễ dàng đo và tiếp cận tới người dùng

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Giới thiệu về đề tài

1.1.1 Giới thiệu về bệnh tiểu đường

Glucose rất quan trọng đối với sức khỏe vì đây là nguồn năng lượng cần thiếtgiúp cho các tế bào tạo nên cơ, mô và đặc biệt là não bộ Có 2 tác nhân tác độngchính đến glucose, chúng tác động hài hoà với nhau giúp cân bằng lượng đườnghuyết, giúp đảm bảo các chức năng của cơ thé [1] Hormon insulin là một loại

protein từ các tế bào đảo tụy ở tuyến tụy tiết ra, có tác dụng chuyền hoá các chất

cacbonhydrate, chuyên hoá các mô mỡ và gan thành năng lượng ATP cho cơ thé.Đặc biệt, insulin là tác nhân duy nhất có thé làm giảm nồng độ glucose trongmáu Đối trọng với insulin là hormon glucagon, cũng là một loại protein từ các tế

bao đảo tuy ở tuyến tuy tiết ra giúp lượng đường trong máu không xuống quá

thấp Khi chúng ta ăn các thực phẩm có chứa tinh bột thì lượng tinh bột lớn sẽ di

vào cơ thể, khi đó kích thích việc tiết insulin Khi cơ thể sản xuất insulin,glucagon sẽ bị ức chế Insulin kích thích các tế bào khắp cơ thé hap thu glucose từmáu Để cung cấp năng lượng cho cơ thé giữa các bữa ăn, glucose dư thừa sẽđược lưu trữ trong các tế bào gan và cơ dưới dang glycogen Khi glucose đượcchuyên đổi thành năng lượng hoặc được lưu trữ trong gan và cơ, nồng độ glucose

trong máu sẽ giảm di Sau một khoảng thời gian sau khi ăn, lượng đường trong

máu sẽ giảm dần Điều này kích hoạt sự sản suất glucagon trong tuyến tuy Khi

tuyến tuy tiết glucagon, cơ thé sẽ ức chế sản xuất insulin Glucagon kích thích các

tế bào ở gan và cơ phân giải glycogen thành glucose đồng thời giải phóng glucosetrở lại vào máu Điều này sẽ giúp lượng đường trong máu của cơ thê không xuống

quá thấp

Bệnh tiểu đường hay đái tháo đường (Diabetes mellitus) là một tình trạngbệnh lý xảy ra khi cơ thể không sản xuất đủ hoặc đề kháng với insulin từ đó

không thé tự điều chỉnh được lượng đường trong máu Bệnh này nếu như không

phát hiện và chữa tri kip thời sé khiến hệ thống mạch máu và thần kinh trên khắp

cơ thể bị tốn thương Dan dan, người bệnh có thé gặp các biến chứng trên mắt,tim, thận, thần kinh, bàn chân gây mù lòa, suy thận, đoạn chi, đột quy, thậm chídẫn đến tử vong Có ba loại bệnh tiểu đường: loại 1, loại 2 và tiéu đường thai kỳ.

e Bệnh tiêu đường loại 1 là một tình trạng khi cơ thé không thé sản xuất bat

kỳ insulin nào dé điều chỉnh lượng đường trong máu

e Bệnh tiêu đường loại 2 xảy ra khi cơ thể không sản xuất đủ insulin hoặc

đang tạo ra insulin nhưng bị cơ thể đây lùi Điều này thường xảy ra ở

những người trên 40 tuổi Số ca mắc bệnh tiêu đường loại 2 đang tăng

nhanh trên toàn thế giới nhanh hơn loại 1

e Tiểu đường thai kỳ được xem là tiểu đường xuất hiện sau tuần thứ 24 của

thai kỳ Nguyên nhân thường do tình trạng kháng insulin xảy ra trong thai

kỳ Bệnh có thé được phát hiện sớm va có phương pháp điều trị cụ thénếu thai phụ thường xuyên đi khám thai định kỳ Bệnh tiêu đường thai kỳkhiến thai nhi có thé bị dị tật, thai to, dé say thai và khó sinh

e Ngoài ra, còn có một bệnh khá pho biến liên quan đến glucose trong cơ

thể là bệnh hạ đường huyết Hạ đường huyết là tình trạng lượng đườngtrong máu quá thấp dẫn đến mệt mỏi, chóng mặt,

1.1.2 Hiện trạng bệnh tiểu đường hiện nay

Tiểu đường đang trở thành một căn bệnh nguy hiểm va đáng báo động Có

415 triệu người trưởng thành mắc bệnh tiêu đường và con số này dự kiến sẽ tăng

lên 642 triệu vào năm 2040 [2].

Ở Việt Nam, khoảng hơn 3.5 triệu người Việt đang mắc bệnh tiểu đườngtheo báo cáo của Hiệp hội tiêu đường thé giới IDF Diabetes Atlas Tỷ lệ người

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

đường tại Việt Nam sẽ tăng lên gần 6.1 triệu vào năm 2030 Theo kết quả điều tranăm 2015 của Bộ Y tế, 68.9% người tăng đường huyết chưa được phát hiện Chi

có 28.9% người bệnh tiểu đường được theo dõi tại cơ sở y tế [3] Đây thực sự là

thiếu sót lớn về sự chênh lệch giữa nhu cầu theo dõi đường huyết và việc cungcấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe ở các cơ sở y tế.

Hạ đường huyết chiếm tỷ lệ khá cao trong số những người bệnh đái tháođường loại 2 Hạ đường huyết tự ghi nhận (được định nghĩa có nhiều hơn 4 trên 7triệu chứng nghi ngờ hạ đường huyết mà không kèm theo thử đường huyết maomạch) chiếm tỷ lệ 57.7% Đây là tỷ lệ cao có thể cho thấy tầm mức quan trọngcủa vấn đề sức khỏe trong điều trị đái tháo đường [4]

1.2 Đề tài nghiên cứu

1.2.1 Ly do chọn đề tài

Phương pháp theo dõi đường huyết phô biến ở hiện tại là phương pháp tríchmáu gây đau đớn, tốn chi phí cho những lần theo dõi vì lượng đường huyết thayđổi liên tục vào các khoảng thời gian trong ngày Bên cạnh đó, vết thương hở đốivới người bệnh tiéu đường rất khó lành, nếu như không cần thận có thế dẫn đếntrường hợp nhiễm trùng máu và hoại tử vết thương Những lí do này gây khókhăn trong việc theo dõi đường huyết thường xuyên

Đề giải quyết van đề trên, nhóm chọn dé tài dé hướng đến việc nghiên cứuthiết kế và hiện thực một thiết bị do glucose không xâm lấn phục vụ trong y tế

cũng như tại nhà cho các bệnh nhân tiểu đường.

1.2.2 Mục tiêu của đề tài

e Tập trung nghiên cứu, tìm hiểu, thiết kế và thực thi hệ thống định lượng

không xâm lấn nồng độ glucose sử dụng cảm biến quang, cụ thé ở đây là

NIR.

e Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dé xây dựng hệ thống phần cứng phù hợp

e Xây dựng tập dữ liệu dựa trên kịch ban lay mẫu Xử lí dữ liệu va xây dựng

mô hình định lượng nồng độ glucose

1.2.3 Sản phẩm cần dat được của đề tài

e Thiết kế thiết bị nhỏ gọn, độ chính xác tương đối, thuận lợi trong việc do,

kiểm soát lượng đường glucose và hién thị các thông số đo được lên màn

hình.

e Tỉ lệ chính xác của hệ thống trong khoảng từ 55% đến 70%

e Tối ưu về chi phí thiết kế hệ thống nhúng

1.2.4 Các sản phẩm đã có trên thị trường

Các sản phẩm trên thị trường ở mảng thiết bị đo đường huyết không xâm lấn

được thể hiện ở bang 1-1

Bang 1-1 Các san phâm do đường huyết không xâm lấn trên thi trường [5]

Thiết bị Đặc điểm Vị trí đoFreeStyle Libre của Cảm biên đo nồng độ Đặt cảm biến của máy

Abbott (Hoa Ky) glucose trong dich ké sau cánh tay và dùng máy

giữa các tế bào ngay dưới | dé đo

da.

GlucoTrack của Integrity | Dựa vào siêu âm, điện từ | Kẹp thiết bị đo vào dái

Application (Israel) và nhiệt tai, thiết bị đo sẽ có dây

nôi cùng với máy đo đê hiên thị kêt qua.

C8 Medisensor glucose Dua vao quang phé Da dau ngon tay

Detector của C8 Raman Màu sắc được

Medisensors (Hoa Kỳ) tạo ra từ quang phổ

Raman giúp xác định chính xác câu trúc hóa

học của phân tử glucose.

Glucowise cua Dựa vào quang phô sóng | Da ngón trỏ/dái tai

MediWiseLtd (Anh) vô tuyến và sóng điện từ

của các tần số cụ thé déphát hiện đường huyết,

sử dụng một lớp siêu vật liệu mỏng giúp tăng khả

năng thâm nhập đề đo

lượng đường chính xác

thống từ tổng quan hệ thống đến các thành phan bên trong Thực nghiệm và kết

quả của dé tài được trình bày thông qua chương 4, thé hiện thực nghiệm qua cácthông số mà nhóm thu thập được cùng với kết quả đạt được trong quá trình thực

hiện dé tài Tổng kết lại phần kết luận về đề tài cùng với hướng phát triển kế tiếp

được trình bày ở chương 5.

Chương 2 CƠ SỞ LÍ THUYET

2.1 Các phương pháp định lượng nồng độ glucose:

Hai phương pháp phổ biến đề phát hiện và điều trị bệnh tiêu đường là

e Phương pháp đo xâm lấn (hoặc bán xâm lắn) là trích máu trực tiếp từ bệnh

nhân va sử dụng các phương pháp hóa học dé xác định thành phan glucose

trong mẫu máu trích được.

e Phương pháp đo không xâm lấn là phương pháp sử dụng chat dịch kẽ (chat

lỏng được hình thành bằng cách trao đổi mao mach trong quá trình lưu thông

máu) thu thập từ mo hôi, nước bọt, nước mặt và bê mặt da nhăm xác định

nông độ glucose trong mâu.

Ưu và nhược điểm của hai phương pháp sẽ được thé hiện ở bảng 2-1

Bang 2-1 So sánh 2 phương pháp phô biến dé đo nồng độ glucose trong máu

Phương Ưu điểm Nhược điểm

pháp

Invasive Là phương pháp thông thường đề | Quá trình đo khó chịu với bệnh

measurement | do glucose nhân (lây máu trực tiêp).

(Xâm lắn) Chi phí thấp cho mỗi lần kiểm | Không phù hợp với việc theo dõi

Trang thiét bi phu hop cho qua

trình theo dõi liên tục.

Chưa đạt độ chính xác mong muôn.

Không phù hợp với bệnh nhân bị

hạ đường huyết.

Trang thiết bị tương đối đắt tiền

và không có săn đê sử dụng.

Hiện nay, các thiết bi đo đường huyết xâm lấn van rất phố biến trên thị trường

Theo hình 2-1, báo cáo thị phần của các thiết bi do đường huyết năm 2018 thé hiện

rằng các các thiết bị đo đường huyết xâm lấn và bán xâm 14n chiếm gần 3⁄4 thị phầncủa các thiết bị đo đường huyết Tuy nhiên, các thiết bị này có nhược điểm là phảitrích máu gây đau đớn cho bệnh nhân, đây là nhược điểm quan trọng để dẫn đếnviệc phat triên các thiết bi đo đường huyết không xâm lấn.

Kỹ thuật đo đường huyết không xâm lấn khắc phục được hạn chế quan trọng

nhất của kỹ thuật đo xâm lân và bán xâm lan Mặc dù vậy, sẽ có sự đánh đồi dé phát

triên các sản phâm theo hướng này.

Thị phần của các các loại thiết bị đo đường huyết năm 2018

m Thiết bị đo không xâm lấn = Thiết do đo xâm lấn và bán xâm lấn

Hình 2-1 Thị phần của các các loại thiết bi đo đường huyết năm 2018 [6]

2.2 Hướng tiếp cận với phương pháp đo không xâm lan

Phương pháp không xâm lấn đang trở thành xu hướng để phát triển các sản

phẩm định lượng nông độ glucose của cơ thé Rất nhiều kĩ thuật đã được giới thiệu

cho việc định lượng glucose nham gia tăng độ tin cậy và chính xác cũng như sự

thuận tiện khi đo.

Hai hướng tiếp cận phổ biến để đo đường huyết không xâm lấn là thông qua

nước bọt và các phương pháp quang học.

e Thông qua nước bot: đây là phương pháp dựa trên phản ứng của que thử với

mẫu Việc thu thập nước bọt ở que thử được thực hiện bởi các tuyến riêng lẻ

như tuyên nước bọt mang tai, tuyên hàm dưới, tuyên dưới lưỡi và tuyên nước

bọt nhỏ [5] Từ đó có thể xây dựng mô hình dự đoán nồng độ glucose trong

cơ thé Tuy nhiên phương pháp này không dem lại sự thuận tiện cho người

dùng mỗi lần đo đường huyết.

e Thông qua các phương pháp quang học: các kỹ thuật này dựa trên quang phô

khác nhau và sẽ tương tác với người dùng thông qua một số bộ phận trên cơ

thể như đầu ngón tay, dái tai và da ở cánh tay Sự trợ giúp của các phươngpháp quang hoc mang đến độ tin cậy và chính xác hơn trong các tai liệu [5]

Đồng thời phương pháp cũng mang lại sự thuận tiện cho người dùng khi đo.

Ưu nhược điểm của một số kỹ thuật quang phô khác nhau dé định lượng nồng

độ glucose sẽ được thé hiện ở bảng 2-2

Bang 2-2 Các kỹ thuật quang phố dé định lượng nồng độ glucose

Kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm

Quang phổ hồng ngoại Cường độ tín hiệu của Mức độ tán xạ cao.

gân Near Infra-Red (NIR) | quang phô tỷ lệ thuận với

sô lượng phân tử glucose.

|

Quang phô hông ngoại Mức độ tán xạ thấp Ánh sáng có giới hạn

trung bình Mid Infra-Red xuyên qua mô.

(MIR)

Bị ảnh hưởng bởi nhiễu

do nước và các chât

chuyên hoá khác.

Quang phổ Raman Ít nhạy cảm hơn với nhiệt | Bước sóng laser cho

độ và nước phương pháp không ôn

định.

Công nghệ siêu âm Công nghệ được thiết l4p | Độ chính xác hạn ché chỉ

tôt không gây hại nhiêu với siêu âm, nên cân kêt

cho mô tê bảo hợp thêm với các phương

Thâm nhập lâu bên dưới | Pháp khác.

da hoặc mô Tôn kém về chi phí.

Huỳnh quang Độ nhạy cao dé phát hiện | Rất nhạy cảm với pH và

phân tử glucose do miễn | nồng độ oxi.

dịch đôi với sự tán xạ ánh

sáng

Trong các phương pháp này, phương pháp Quang phổ hồng ngoại gần NearInfra-Red (NIR) được nhóm chọn là phương pháp phù hợp đề thực hiện đề tài do cóđặc điểm phù hợp như cường độ tín hiệu của quang phổ tỷ lệ thuận với số lượng

Trong các nghiên cứu quang phổ, năng lượng bức xa được máy quang phố

ghi lại sau khi nó tương tác với hoặc được phát ra bởi vật liệu được nghiên cứu.

Máy quang phô xuất ra thông tin đưới dang phổ, cho biết cường độ bức xạdưới dang ham của năng lượng, tan số hoặc bước sóng Các quang phổ nay sau đó

được sử dụng dé thu được thông tin về các đặc tính quan trọng của vật liệu, bao

gồm cấu trúc vật lý hoặc hóa học, thành phần và nồng độ

Quang phố có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học bao gồm

khoa học vật liệu, y sinh, vật lý thiên văn và phân tích môi trường.

2.3.3 Phân loại quang phố

Các kỹ thuật quang phô thường được phân loại theo vùng bước sóng được sửdụng, bản chất của tương tác liên quan hoặc loại vật liệu được nghiên cứu Phổ

biến nhất vẫn là theo vùng bước sóng được sử dụng (sẽ được trình bày chỉ tiết ở

mục 2.4.2).

10

Hình 2-2 Minh hoa bước sóng

2.4.2 Phân loại sóng điện từ dựa trên bước sóng

Như hình 2-3, dé thấy nhất, trong vùng quang phổ con người có thé nhìn thấyđược bang mắt thường các ánh sáng có bước sóng từ 380nm - 700nm trải dài từ

màu tím sang đỏ như hình 2-3.

Ngoài ra, có một sô bước sóng phô biên trong dải sóng điện từ Các tia có

bước sóng càng thâp có độ xuyên thâu càng cao.

Bảng 2-3 Các loại sóng điện từ dựa trên bước sóng

Tên Bước sóng Tia gamma < 0.01nm

Tia X 0.01nm - 10nm

Tia tu ngoai 10nm - 380nm

Anh sang nhin thay 380nm -700nm

Tia hong ngoai 700nm - 1000nm

Viba Imm - Im

Radio >1m

2.4.3 Ứng dung của sóng điện từ ở các bước sóng khác nhau

Sóng điện từ với những bước sóng khác nhau sẽ được ứng dụng trong nhiều

lĩnh vực khác nhau trong cuộc sông.

e Tia gamma được sử dụng trong y học như phẫu thuật hoặc thiên văn học.

e Tia X được sử dụng nhiều trong y học dé chụp X quang, tìm kiếm các

đoạn xương bị ton thương hoặc các dị vật trong cơ thé

e Tia tử ngoại được ứng dung trong điều trị bệnh ung thư, các ngành tiệt

trùng và diệt khuẩn

e Tia hồng ngoại giúp chan đoán bệnh từ các mô, tế bào và chế tạo các hệ

thống tự động như chuông, đèn tự động

e Sóng viba được sử dụng ở các thiết bị lò vi song

e Song radio được ứng dung trong lĩnh vực truyền thông, truyén tin hiệu

12

2.4.4 Ảnh hướng của bước sóng đến các phân tử glucose

Lý thuyết về sự chuyên động của các phân tử glucose:

e Sự phản xạ và hấp thụ ánh sáng sử dụng bước sóng cụ thé gây ra rung

động phân tử glucose tương ứng có thể được quan sát thấy trong quang

phổ glucose

e Theo kết quả phân tích thì nhiều liên kết kéo dài và dao động ở các tần số

cộng hưởng khác nhau Ngoài ra, cũng có nghiên cứu cho răng sự hấp thụánh sáng sẽ phụ thuộc vào nồng độ phân tử của môi trường [7]

Hình 2-4 Cấu trúc phan tử Glucose [7]

e Trong phân tử glucose, theo như hình 2-4, dao động giữa OH và CH được

biểu diễn có thê được gọi là âm bội đầu tiên, liên kết CH: là âm bội thứ 2

Sự chuyển động của các liên kết dẫn đến việc chuyển động của phân tửglucose, từ đó phan xạ lại ánh sáng chiếu vào từ quang phổ bước sónggiúp nhận biết nồng độ glucose trong máu

2.5 Quang pho VIS-NIR

2.5.1 Dinh nghĩa

Quang phổ VIS-NIR (Visible-Near InfraRed) là một phương pháp quang phô

sử dụng vùng cận hồng ngoại của phô điện từ (khoảng từ 780nm đến 2500nm) và

đồng thời sử dụng vùng quang phổ ánh sáng nhìn thấy (khoảng 380nm đến780nm) dé làm các bước sóng nền cho các ứng dụng cụ thé

13

2.5.2 Ứng dụng của quang phố VIS-NIR

Quang phô VIS-NIR được sử dụng nhiều trong lĩnh vực phân tích hoá học do

có thé cung cấp thông tin cấu trúc phức tạp về hành vi dao động của các tô hợpliên kết như O-H, C-H, C-O, N-H, để ứng dụng vào việc đánh giá chất lượngthực phẩm như sữa, trứng, hoặc ứng dụng vào y khoa dé chuẩn đoán nồng độ

các chỉ số quan trọng của cơ thể

2.5.3 Phân loại quang pho NIR

Quang phổ NIR được phân loại dựa theo bước sóng Có 2 loại quang phổNIR là quang phổ NIR bước sóng dài với bước sóng khoảng 1300nm — 2500nm

và quang phổ NIR bước sóng ngắn với bước sóng khoảng 780nm — 1300nm.Bảng 2-4 sẽ thể hiện một số đặc điểm cũng như ưu điểm của từng loại, phép đođường bằng phát hiện quang học sử dụng sóng dài khó có khả năng phát hiện cácphân tử đường bên dưới da vì nó có độ thâm nhập nông [8], từ đó nhận thấyquang phổ NIR bước sóng ngắn sẽ phù hợp với dé tài hơn

Bảng 2-4 So sánh quang pho NIR bước sóng ngắn và dài

Long-wave NIR Spectroscopy

(Quang phố NIR bước sóng

dài)

Short-wave NIR Spectroscopy (Quang phô NIR bước sóng ngăn)

» Thu được sự cộng hưởng giữa

liên kết O-H và C-H cho âm bội

thứ nhất cao hơn so với bước

sóng ngắn

- Độ hấp thụ và phản xạ ánh

sáng tương đôi kém.

* Hiệu suất cao hơn khi thực thi

trong ông nghiệm.

«Do hap thu và độ phan xa anh sáng

sac nét hon và mạnh hon ở âm bộithứ nhất so với âm bội thứ hai và thứ

ba (âm bội cao hơn).

* Sự cộng hưởng của liên kết CHa

(âm bội cao thứ hai) cao hơn và rõ

ràng hơn so với bước sóng dai.

» Phù hợp cho việc đo lượng đường liên tục.

14

2.5.4 Lí do kết hợp quang pho Visible và quang pho NIR

Nếu nồng độ glucose trong máu ở mức thấp sẽ khiến việc phát hiện glucose

trong cơ thé bằng các phương pháp không xâm lấn trở nên khó khăn Ngoài ra,các tín hiệu liên quan đến thành phần mô khác có thé ảnh hưởng đến tín hiệu vốn

đã thấp từ các phân tử glucose Ví dụ về các thành phần gây nhiễu ưu thế baogồm hàm lượng nước trong máu, protein (albumin và hemoglobin) và mô mỡ Sự

khác nhau về đặc điểm của các thành phần này giữa các cá thể khiến việc phát

hiện và đo sự dao động của nông độ glucose trở nên khó khăn [9]

Một giải pháp khả thi để khắc phục tình trạng này là sử dụng cảm biếnglucose với nhiều nguồn bước sóng Hệ số suy giảm ánh sáng là duy nhất cho mỗithành phần và phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng đến việc tương tác với mỗiphân tử Nên việc kết hợp đải bước sóng khả kiến (Visible) và cận hồng ngoạibước sóng ngắn (Near InfraRed) sẽ cho ra một dải bước sóng trải dài từ 380nm—

1300nm Sau đó lựa chọn các bước sóng tương tác tốt với phân tử glucose

2.5.5 Ảnh hưởng của quang phố VIS-NIR đến việc định lượng nồng độ

glucose trong cơ thé

Ánh sáng VIS-NIR có thể thâm nhập sâu hơn vào mô và tương tác với các

phân tử glucose trong cả dịch kẽ và mạch máu [10].

Cần có thời gian dé glucose khuếch tán từ mạch máu vào dịch kẽ do đó có sự

khác biệt giữa nồng độ glucose trong máu và dịch kẽ tại bat kỳ thời điểm nào Sựtruyền ánh sáng qua 2 mẫu mô sẽ được thé hiện ở hình 2-5

15

Hình 2-5 So sánh sự truyền ánh sáng qua 2 mô mẫu chứa nông độ glucose [11]

Nồng độ glucose trong mau mô tỷ lệ thuận với sự hap thụ ánh sáng của nó

Vì vậy có nghĩa là một chùm ánh sáng trở nên yếu hơn khi nó đi qua mẫu mô Sự

suy giảm ánh sáng xảy ra do khoảng cách xuyên qua mẫu mô hoặc sự gia tăng

Hình 2-6 Giản đồ minh họa quang phô hap thu truyền qua [11]

Những tín hiệu quang học này được gửi qua đầu ngón tay và tín hiệu đượcphát hiện bởi bộ thu đặt bên cạnh nguồn phát, được minh hoạ ở hình 2-6 Nồng

độ glucose trong máu được xác định bằng cách phân tích sự thay đổi cường độ

của tín hiệu nhận được sau khi hấp thụ Khái niệm quang phô hấp thụ có thể đượchiểu dựa trên định luật hấp thụ Beer - Lambert [12]

Bảng 2-5 So sánh nguồn sáng LED và Halogen

Led Halogen

Vùng chiếu sáng rộng Vùng chiếu sáng hẹp hơn

Nhiệt năng toa ra thap Nhiệt năng toả ra cao

Chỉ phat ra ánh sáng với 1 bước sóng cô | Phát ra ánh sáng với dai bước sóng trải

định đải từ 350-1000nm

Dựa vào bảng 2-5, nguồn sáng halogen sẽ phù hợp với đề tài hơn bằng việc cóthé phát ra tín hiệu quang học trải dai từ bước sóng nhìn thấy đến cận hồng ngoại(VIS-NIR) giúp dễ dàng phối hợp với cảm biến thu để đạt được những bước sóngảnh hưởng đến nồng độ glucose trong cơ thể

Hình 2-7 Dải bước sóng của nguồn sáng halogen

Đèn halogen Philips W5W T10 được chọn làm nguồn sáng cho đề tài.

Các bước sóng được cảm biến AS7341 hỗ trợ:

Bảng 2-6 Các bước sóng đỉnh của cảm biến AS73141

Bước sóng Channel

415nm Fl 445nm F2

480nm F3

515nm F4

555nm F5

590nm F6 630nm F7 680nm F8

910nm NIR

Dua theo các bước sóng cảm biến hỗ trợ ở bảng 2-6 Chi có một bước sóng ởphổ NIR Điều này dẫn đến việc kết hợp thêm một cảm biến có thé hỗ trợ riêng

cho dai bước sóng NIR trở nên cần thiết cho đề tài

2.7.2 Cam biến AS7263

Tương tự như cảm biến AS7341, cảm biến AS7263 cũng là một quang phô

kế đa kênh và có thể phát hiện lượng ánh sáng trong các bước sóng khác nhautrong cùng một thời điểm

BLK

AS726x ® Spectrals

Các bước sóng được cảm biến AS7263 hỗ trợ:

Bảng 2-7 Các bước sóng đỉnh của cảm biến AS7263

Bước sóng Channel

610nm R 680nm

730nm

760nm

860nm

2.7.3 Kết hợp cảm biến AS7341 va AS7263

Việc kết hợp hai cảm biến sẽ cho ra một dải bước sóng trải dai từ 415nm đến910nm (được thé hiện ở bảng 2-8) và phân bố đều các đỉnh bước sóng dé dé dàng

lựa chọn các bước sóng tiêm năng cho việc tương tác với phân tử glucose.

20

Bảng 2-8 Các bước sóng đỉnh sau khi kết hợp hai cảm biến

680nm F8

730nm T 760nm U

810nm Vv

860nm W

910nm NIR

2.8 May tính nhúng

Raspberry Pi 3 model B+ được chọn làm trung tâm của hệ thống Nơi xử lí các

tín hiệu nhận vào từ cảm biến, xuất tín hiệu kích hoạt nguồn sáng cũng như xử lí dữ

liệu thu về dé dự đoán nồng độ glucose

Raspberry Pi được sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman va được phânphối chính bởi Element14, RS Components và Egoman

Đặc tính của Raspberry PI xây dựng quanh bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835

bao gồm CPU, GPU, bộ xử lý âm thanh/video, và các tính năng khác Tất cả đượctích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

21

e Quad Core 1.2GHz Broadcom BCM2837 64bit CPU

e Đầu ra âm thanh và công video

e Full size HDMI

e Cổng máy anh CSI dé kết nối máy anh Raspberry Pi

° Công DSI dé kết nối man hình cảm ứng

e Micro SD dé tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu

e Nguồn điện qua công Micro USB lên đến 2.5A

2.9 Máy đo đường huyết xâm lan ACCU-CHEK INSTANT

Máy đo đường huyết ACCU-CHEK INSTANT mang lại độ chính xác 99% vàđáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn ISO 15197:2013, phù hợp cho lĩnh vực y tế với các

sản phâm cân mang độ chính xác ở mức tuyệt đôi.

22

Đề tài sử dụng sản phẩm ACCU-CHEK INSTANT làm mẫu chuẩn, xác thựccho giá trị thu được từ cảm biến.

Hình 2-12 Máy đo đường huyết ACCU-CHEK-INSTANTThông số kỹ thuật:

e_ Độ chính xác lên đến 99%

e Nhiét độ hoạt động: -40°C -85°C

e Màn hình hiển thi : LCD

e Thời gian do: khoảng 4 giây

e Nguôn điện sử dung: 2 viên pin 3V

23

2.11.1 Giới thiệu về Machine Learning

Machine Learning (Máy học) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu của

Trí Tuệ Nhân Tao (AD giúp tạo ra những hệ thong máy tính có khả nang hoc tập

và giải quyết van dé mà không cần phải lập trình một cách cụ thê hay rõ ràng Các

mô hình máy học yêu cầu dữ liệu tương đối lớn để huấn luyện và cải thiện độ

chính xác của mô hình.

Hiện tại có 2 loại thuật toán máy học chính là học có giám sát (supervised learning) và học không có giám sát (unsupervised learning).

24

2.11.2 Supervised Learning

Học có giám sát (Supervised learning) là nhóm các thuật toán sử dụng những

cặp dữ liệu cũ đã được dán nhãn đê tiên hành tìm ra một hàm thê hiện môi quan

hệ giữa dau vào và đâu ra từ đó có thê dự đoán đâu ra ứng với một đâu vào dữ liệu mới.

Có 2 nhóm bài toán co ban trong Supervised learning là Phân loại

(Classification) và Hồi quy (Regression)

2.11.3 Classification (Bài toán phân loại)

Một bài toán được gọi là Classification khi các biên đâu vào của bài toán được phân chia thành từng lớp dựa trên các tham sô khác nhau và nhiệm vụ của

bài toán là tiên hành tìm ra hàm sô đê dự đoán các đâu vào ứng với các đâu ra rời

rạc.

2.11.4 Regression (Bài toán hồi quy)

Ngược lại so với Classification, khi đầu vào của bai toán không được phân

chia theo từng lớp và dữ liệu có tính liên tục thì đây là bài toán Regression.

Nhiệm vụ của bài toán này là tiễn hành tìm ra hàm số để dự đoán các đầu ra ứngvới các đầu vào liên tục

2.11.5 Unsupervised Learning

Học không giám sat (Unsupervised learning) là thuật toán mà các dữ liệu đầu

vào không được dán nhãn và sẽ chỉ sử dụng cấu trúc hay các đặc tính về thông tintir dir liệu dé đưa ra kết quả mong muốn

Học không giám sát được chia thành 2 loại: clustering (phân nhóm) va

association (két hop)

2.11.6 Clustering (Bai toán phan nhóm)

Bài toán phan nhóm (Clustering) giúp phân chia bộ dữ liệu thành các nhóm

dữ liệu khác nhau và moi điêm dữ liệu trong từng nhóm có điêm giông tương tự

25

với các điêm dữ liệu còn lại và khác so với các điêm dữ liệu của nhóm khác.

Clustering có điêm chung so với classification tuy nhiên đôi với bài toán phân

loại có đầu ra cụ thể còn bài toán phân nhóm thì không có đầu ra

2.11.7 Association (Bài toán kết hợp)

Bài toán ket hợp (Association) là bài toán mà người dùng muôn có đâu ra

một cách mới hoàn toàn và tim ra một quy luật mới dựa trên bộ dữ liệu có san.

2.12 Mô hình máy học thực nghiệm

Cơ sở lí thuyết của dé tài dựa vào việc tiếp nhận luồng ánh sáng của cảm biến

dé thu được các tín hiệu nhằm dự đoán nồng độ glucose, các tín hiệu này sẽ được

dán nhãn theo từng bước sóng ở bảng 2-8 Sau đó sẽ tim ra hàm thé hiện mối

quan hệ giữa đầu vào là các tín hiệu của cảm biến và đầu ra là giá trị tham chiếu

từ máy đo đường huyết ACCU-CHEK Từ đó có thé dự đoán đầu ra ứng với mộtđầu vào dữ liệu mới mà cảm biến thu được Điều này phù hợp với nhóm thuật

toán học có giám sát.

Dựa vào các đặc tính của phân tử glucose trong cơ thé, nồng độ glucose có théthay đổi liên tục tại mỗi thời điểm bắt kỳ nên việc tìm một hàm số đề dự đoán đầu

ra Ứng với các đầu vào liên tục của cảm biến trở nên phù hợp với đề tài Các đặc

tính trên phù hợp với bài toán hồi quy

2.12.1 Linear Regression

Linear Regression (Hồi quy tuyến tính) là một trong những thuật toán cơ bảnnhất của Máy học va sử dung phố biến nhất của Supervised learning (Học có

giám sát), được sử dụng cho trường hợp dự đoán đầu ra liên tục

Mô hình sử dụng việc thống kê để hồi quy dữ liệu từ đó dự đoán các giá trịđầu ra phụ thuộc dựa trên các giá tri đầu vào có giá trị liên tục

Mô hình hồi quy tuyến tính thường được biểu diễn dưới dạng một phươngtrình tuyến tính bao gồm tập các giá trị đầu vào và nghiệm là đầu ra dự đoán cho

tập giá trị đầu vào đó

26

Môi quan hệ giữa dau vào và đâu ra được gọi là môi quan hệ tuyên tinh.

Có 2 loại hồi quy tuyến tính là Hồi quy đơn biến và Hồi quy đa biến

Khi mô hình chỉ có một biến đầu vào duy nhất đó là bài toán về hồi quy đơn

biến Từ đó ta có dau ra của bài toán là phương trình có dang

A hệ sô môi quan hệ giữa x và y

Mục tiêu của hồi quy tuyến tính là tìm một đường thắng có thể tạo được sự

phân bô gân nhât với hâu hêt các điêm dữ liệu Do đó làm giảm khoảng cách (sai

số) của các điểm dữ liệu cho đến đường đó Hình 2-14 thé hiện đồ thị hàm số củahàm tuyến tính đơn biến

Hình 2-14 Hình vẽ biểu diễn hàm tuyến tính với đơn biến [13]

2.12.2 Multiple Linear Regression

Multiple Linear Regression (Hồi quy đa biến) là mô hình dùng dé phân tích

và ước tính mỗi quan hệ giữa hai hay nhiêu biên độc lập và một biên phụ thuộc.

27

Mô hình sẽ thể hiện mối quan hệ chặt chẽ giữa biến phụ thuộc và các biến độclập, ngoài ra có thé tinh và xác định được giá tri của biến phụ thuộc tại một giá tri

© Bi, Bo, B3s - By lần lượt là các hệ số của mô hình,

quyết định độ nghiêng của đường thăng

o Bo là hằng số quyết định sự dịch chuyển của đường

thắng SO VỚI sốc toạ độCác hệ số / sẽ được tính toán trong quá trình huấn luyện, sau đó có thé dùng

bộ sô nay đê xử lí các dau vào mới liên tục dé tính toán các giá tri dau ra.

Mục đích của phân tích hồi quy là ước lượng các giá trị hệ số hồi quy dựa

trên dữ liệu mẫu.

Dựa vào các tín hiệu thu được từ cảm biến ở 13 bước sóng ở bảng 2-8 Lúcnày bài toán cần được xử lí với nhiều biến độc lập nên mô hình Multiple Linear

Regression được lựa chọn dé sử dụng nhằm đạt được mục tiêu là dự đoán nồng độ

glucose.

28