Tieuluan Cảm biến mang theo body worn sensor

Ý nghĩa của đề tài Công nghệ mang theo có những tiến bộ đáng kể trong thập kỉ qua, các thiết bị mang theo được điều khiển thích hợp để nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu của người dùng về mộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BODY WORN SENSOR

TIỂU LUẬN MÔN CẢM BIẾN TRONG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VÀ Y SINH

TPHCM 6/2016

GVHD: TS Đinh Sơn Thạch HVTH: Lê Thị Kim Nhung

MỤC LỤC

PHẦN NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU VÀ TỔNG QUAN 3

1.1 Ý nghĩa của đề tài 3

1.2 Mục tiêu của đề tài 4

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO 9

2.1 Cở lý thuyết nền 9

2.2 Phân loại 9

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG VÀ ỨNG DỤNG: THEO DÕI BỆNH NHÂN PARKINSON SỬ DỤNG BODY WORN SENSOR 13

3.1 Khái quát về bệnh Parkinson 13

3.1 Ứng dụng body worn sensor 14

3.3 Nhận xét và đánh giá 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU VÀ TỔNG QUAN

1.1 Ý nghĩa của đề tài

Công nghệ mang theo có những tiến bộ đáng kể trong thập kỉ qua, các thiết bị mang theo được điều khiển thích hợp để nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu của người dùng về một lĩnh vực nào đó như chăm sóc sức khỏe, theo dõi nhân viên.[3] Nhẫn Abacus là thiết bị đầu tiên của công nghệ mang theo, ra đời vào năm 1644 Theo dòng lịch sử, công nghệ mang theo ngày càng có những thiết bị hiện đại, phục vụ nhiều mục đích khác nhau của con người Đến năm 2000, tai nghe Bluetooth ra đời Theo đà phát triển đó đến năm 2013, kính thông minh ra đời

Hình 1: Lịch sử phát triển của công nghệ mang theo

Hình 2: Công nghệ mang theo ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hiện nay, công nghệ mang theo được phát triển rộng khắp Đây là một lĩnh vực đầu tư thu được khá nhiều lợi nhuận

Hình 3: Công nghệ mang theo đa dạng ngành nghề 1.2 Mục tiêu của đề tài

Hơn một thập kỉ trước, việc thu thập dữ liệu lâm sàng chính xác trong môi trường thực tế sử dụng công nghệ mang theo rất được quan tâm Công nghệ mang theo không chỉ ứng dụng trong phòng bệnh mà còn ứng dụng để phục hồi chức năng, theo dõi tình trạng sức khỏe của cá nhân, gia đình Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mang theo vào y sinh đang gia tăng theo cấp số nhân Cảm biến không dây

chẩn đoán chức năng là lĩnh vực nghiên cứu nhanh chóng nổi lên, hứa hẹn cải thiện cuộc sống cho nhiều bệnh nhân đồng thời giảm chi phí chăm sóc Hơn thế nữa body worn sensor có thể mang theo, tích hợp trong cơ thể người như một phần của cơ thể.[4]

Body worn sensor là một ứng dụng của công nghệ mang theo Nó có khả năng chẩn đoán tốt với các ứng dụng giám sát khác như cảm biến sinh lý, sinh hóa, cảm biến chuyển động Thật khó để cho thấy tầm quan trọng của cảm biến này trong việc giải quyết các vấn đề trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh thần kinh, tim mạch, phổi co giật, tăng huyết áp Hệ thống giám sát từ xa có thể làm giảm áp lực lên bác sĩ Gần 20% dân số Mỹ sống ở vùng nông thôn nhưng chỉ có 9% các bác

sĩ làm việc tại đây Tình trạng thiếu hụt này sẽ trầm trọng theo thời gian khi nhiều

tổ chức dự báo sẽ có sự cải cách trong bảo hiểm y tế cho hàng triệu bệnh nhân mới

Có một sự chênh lêch lớn giữa lượng bác sĩ ở khu vực thành thị và nông thôn So với khu vực thành thị, những người sống ở nông thôn phải đi hai đến ba lần mới được gặp bác sĩ, chuyên gia y tế cũng ít hơn, đặc biệt nguy cơ về bệnh tiểu đường, đau tim gia tăng Body worn sensor kết hợp hệ thống giám sát từ xa giúp mở rộng phạm vi hoạt động của các chuyên gia y tế và xóa bỏ bất bình đẳng giữa thành thị

và nông thôn

Hình 4: Dự báo về sự phát triển của công nghệ mang theo

Một ví dụ cụ thể được minh họa như hình 5 Cảm biến mang theo được sử dụng để thu thập dữ liệu sinh lý và di chuyển nó, do đó cho phép theo dõi tình trạng bệnh nhân Bộ cảm biến được triển khai theo các ứng dụng lâm sàng được quan tâm, theo dõi các dấu hiệu sống (nhịp tim, nhịp thở) Ngoài ra, nó còn theo dõi bệnh nhân suy tim sung huyết hoặc bệnh nhân bị bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính Cảm biến cung cấp

dữ liệu sẽ được triển khai ví dụ như trong việc giám sát quá trình phục hồi chức năng của bệnh nhân đột quỵ tại gia hoặc sử dụng như thiết bị trợ giúp đối với người lớn tuổi Ngoài ra nó còn có thể trợ giúp thông qua kết hợp máy tính và mạng không dây để truyền dữ liệu đến trung tâm trợ giúp y tế từ xa để hỗ trợ trực tiếp cho bệnh nhân Các thành viên trong gia đình hoặc người chăm sóc sẽ được bác sĩ hỗ trợ từ

xa về việc lấy thuốc, nhân viên y tế từ xa theo dõi bệnh nhân từ đó đưa ra lời khuyên và có những chẩn đoán lâm sàng cụ thể cho bệnh nhân. [2]

Hình 5: Hệ thống chẩn đoán sức khỏe từ xa dựa trên cảm biến mang theo

Hệ thống giám sát bệnh nhân từ xa bao gồm ba khối: [2]

1 Khối cảm biển và thu thập dữ liệu phần cứng về sinh lý và chuyển động

2 Các phần cứng giao tiếp và phần mềm để chuyển dữ liệu đến trung tâm trợ giúp y

và cho phép một để thu thập dữ liệu về sinh lý cũng như truyền tải dữ liệu không dây bằng cách sử dụng sóng vô tuyến điện năng thấp Đặc biệt công nghệ này được ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi chức năng, dùng những tiến bộ trong công nghệ

để sản xuất các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) Công nghệ MEMS đã kích hoạt sự phát triển của cảm biến quán tính thu nhỏ, công nghệ này đã được sử dụng trong các hoạt động cơ và hệ thống giám sát tình trạng sức khỏe khác Bằng cách sử dụng kỹ thuật chế tạo hàng loạt đồng thời giảm đáng kể kích thước nên chi phí chế tạo cảm biến cũng rẻ hơn Vi điện tử cũng đã được tích hợp các thành phần khác chẳng hạn như bộ vi xử lý, mạch tích hợp duy nhất [2]

Hình 6: Cảm biến ECG không dây linh hoạt

Những tiến bộ trong khoa học vật liệu đã làm tăng thêm sự phát triển của các hệ thống theo dõi bệnh nhân này Đây là hệ thống tích hợp cảm biến vào sản phẩm may mặc Ví dụ thể hiện trong hình 7 thể hiện cách cảm biến có thể được gắn vào trong một chiếc áo thông minh để thu thập dữ liệu lâm sàng từ bệnh nhân.[2]

Hình 7: Ứng dụng body worn sensor trong phục hồi chức năng

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO

có gắn cảm biến như màn hình, điện thoại Từ dữ liệu cảm biến ghi nhận được, nó

sẽ được truyền tới máy chủ và đưa ra các thông tin hữu ích cho người dùng

2.2 Phân loại

Body worn sensor chủ yếu hoạt động dựa trên cảm biến gia tốc và được chế tạo nhiều nhất theo công nghệ vi cơ MEMs Sự phát triển không ngừng của công nghệ MEMs đã góp phần rất lớn trong sự phát triển của các loại cảm biến có kích thước nhỏ Trong những năm gần đây, MEMs là một đề tài nóng bỏng, được các nhà khoa học rất quan tâm bởi xu hướng phát triển của các sản phẩm công nghệ Năm

2010, nghiên cứu của Shih Jui Chen và cộng sự nghiên cứu chế tạo đầu dò siêu

âm MEMs có tần số xen kẽ Erman Timurdogan và cộng sự ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên MEMs để phát hiện virus gây bệnh viêm gan A và C (Hepatitis

A và C) trong huyết thanh vào năm 2011 Đây là những nghiên cứu đầu tiên phát hiện kháng nguyên viêm gan bằng bộ cộng hưởng thanh dầm được tiếp xúc với huyết thanh không pha loãng Chỉ với dải động lớn hơn 1000 và với một

giới hạn nồng độ phát hiện tối thiểu là 0.1 ng/ml là đạt được kết quả với cả Hepatitis A và C Kết quả có thể so sánh được với phương pháp phát hiện đánh dấu như ELISA Kế đó là công trình nghiên cứu của Xinyu Liu và cộng sự về cảm biến MEMs áp trở nền giấy, ứng dụng tính chất cơ học của vật liệu mềm và

đã phát triển tính cân đối của nền giấy với một dãy đo 15g và một độ phân giải 0.39g Nghiên cứu như mở ra một cánh cửa về vật liệu mới để chế tạo cảm biến MEMs Năm 2012 có nghiên cứu của Xinxin Li và Dong – Weon Lee với các vi thanh dầm được tích hợp vào trong các cảm biến và đầu dò có độ phân giải cao Nghiên cứu không chỉ giải quyết được vấn đề chất lượng hình ảnh cao mà còn có dung lượng lưu trữ nhỏ với kích thước nano, cho các thiết bị hình ảnh như kính hiển vi lực quét (SFM) Nghiên cứu của R.Xu và cộng sự về thiết bị MEMs thanh dầm màn in PZT/màng dày tinh thể kép PZT trong thu nhận năng lượng rung chuyển Kết quả cho biết nếu sử dụng áp suất cao trước khi PZT nung kết sẽ làm màng trở nên đậm đặc hơn, hiệu quả gặt đập tăng lên đáng kể Đây là những đóng góp quan trọng trong chế tạo MEMs Năm 2014, Dumitru I Caruntu và cộng sự nghiên cứu làm giảm bậc mẫu (ROM) của các thông số cộng hưởng tĩnh điện bằng sự kích hoạt bởi bộ cộng hưởng MEMs thanh dầm Cùng năm này, Necmettin Kilinc và cộng sự nghiên cứu chế tạo các cấu trúc nano ZnO 1D dựa trên MEMs thanh dầm cho các ứng dụng của cảm biến VOC như một bước khẳng định sự phát triển của MEMs thanh dầm Không dừng lại ở đó, năm 2015 Jaouad Marzouk và cộng sự nghiên cứu để tối ưu hoá MEMs nhằm tiếp cận với đầu dò vi sóng RF thu nhỏ dựa trên vi thanh dầm Ming C Wu và cộng sự ứng dụng cổng đếm MEMs cho bộ chuyển đổi quang Nghiên cứu của nhóm Nallathambi A về

sử dụng MEMs thanh dầm để phát hiện khí nhà kính Mới đây nhất, năm 2016 có

sự đóng góp của Jingjing Wang và cộng sự trong nghiên cứu phát triển cảm biến thanh dầm dựa trên MEMs để phát hiện ung thư gan Điều này đóng vai trò rất lớn việc cải tiến các thiết bị ứng dụng trong chẩn đoán lâm sàng y khoa Sandeep Arya

và cộng sự thiết kế chế tạo thành công MEMs thanh dầm tĩnh điện như một bộ phát tín hiệu siêu âm và còn rất nhiều những nghiên cứu đóng góp rất lớn vào quá

trình hoàn thiện, phát triển cảm biến vi cơ điện tử nói chung và cảm biến vi cơ điện

tử thanh dầm nói riêng Loại cảm biến này đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển công nghệ và xu hướng thiết bị nhỏ gọn, có độ chính xác cao nhất trong tất cả các lĩnh vực: y tế, hàng không vũ trụ, cơ khí, chế tạo, xây dựng, môi trường, công nghệ thực phẩm, hoá học,… Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ gồm hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Cảm biến kiểu

áp trở có ưu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biển kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng Chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Cảm biển gia tốc vi cơ

đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biển gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng Một vài ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc vi cơ là:

 Cảm biến Roll – Pitch

 Định hướng 3D không gian

 Phát hiện va chạm: những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp phân biệt sự va chạm và không va chạm

 Đo và điều khiển mức rung

 Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc

 Đo một số thông số sinh học trong cơ thể người

Gia tốc là sự thay đổi vận tốc theo thời gian Vận tốc đến lượt nó lại đo độ dịch chuyển theo thời gian Trọng lực là nguyên nhân gây ra gia tốc rơi tự do g = 9.8 m/s2 Có hai nguyên tắc đo gia tốc thường dùng

 Nguyên tắc 1: Đo gia tốc thông qua lực gây ra nó Theo định luật II Newton

F ma Vậy các thiết bị đo gia tốc dựa trên nguyên tắc này thì phải xác định được lực tác dụng lên khối vật thể đã biết trước

 Nguyên tắc 2: Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG VÀ ỨNG DỤNG: THEO DÕI BỆNH NHÂN PARKINSON SỬ DỤNG BODY WORN

SENSOR

3.1 Khái quát về bệnh Parkinson

Bệnh Parkinson hay liệt rung, là một bệnh thần kinh xảy ra do thoái hóa một nhóm tế bào ở não, dẫn đến làm giảm tiết chất dẫn truyền thần kinh có tên dopamin Bệnh tiến triển từ từ, ở giai đoạn đầu có thể không có biểu hiện đặc trưng, sau đó có thể xuất hiện tình trạng run tay, tăng trương lực cơ, co cứng, cử động chậm chạp, khiến người bệnh khó khăn trong vận động và sinh hoạt Bệnh do một bác sĩ người Anh, tên là James Parkinson mô tả lần đầu tiên vào năm 1817 Từ đó trở đi, người

ta gọi bệnh này theo tên của ông Hiện nay trên thế giới có khoảng 6,3 triệu người mắc bệnh này Bệnh thường bắt đầu ở người trên 60 tuổi, tuy nhiên có khoảng 1/10

số bệnh nhân bị khởi bệnh trước 50 tuổi và rất hiếm khi có người khởi phát ở tuổi

30 Parkinson không phải là một bệnh nguy hiểm đến tính mạng ngay lập tức, nhưng nó gây trở ngại lớn trong sinh hoạt và công việc hằng ngày của người bệnh Đồng thời, bệnh có thể tiến triển nặng dần trong vài năm cho đến vài chục năm và

đa số người bệnh ở giai đoạn cuối cùng đều bị mất khả năng vận động, sau đó tử vong do suy kiệt. [7]

Hình 8: Người bệnh Parkinson gặp khó khăn khi đi lại (ảnh minh họa)

Những triệu chứng cơ bản của bệnh Parkinson là: run, cứng đờ, cử động chậm chạp

và rối loạn thăng bằng. [7]

 Run: Là triệu chứng rất hay gặp, run có thể cả ở tay lẫn chân Thường run sẽ

rõ hơn khi nghỉ ngơi Ví dụ: Khi người bệnh để 2 tay nghỉ trên đùi của mình,

và nói sang chuyện khác một lúc thì run các ngón tay sẽ rõ hơn và nhiều hơn Khi họ giơ tay cầm nắm một vật gì đó thì run lại giảm đi Vì vậy, người ta nói run của bệnh Parkinson là run khi nghỉ Nó trái ngược với chứng run vô căn hoặc run do bệnh tiểu não Tuy vậy vẫn có gần 15% người bệnh Parkinson trong suốt quá trình điều trị không bao giờ có biểu hiện run. [7]

 Cứng đờ các cơ bắp: Khó quay cổ, xoay người, khó trở mình khi nằm trên

giường và làm những cử động khéo léo của các ngón tay Nét mặt đờ đẫn, ít biểu lộ cảm xúc như người bình thường [7]

 Chậm vận động: Người bị Parkinson rất khó bắt đầu các cử động của mình,

mọi việc đều làm rất chậm chạp ví dụ như: cài, mở khuy áo, xỏ giầy dép, cắt gọt trái cây Chữ viết nhỏ dần và viết chậm. [7]

 Rối loạn giữ thăng bằng: Người bệnh khó khăn khi ngồi xuống hoặc đứng

dậy khỏi ghế, xoay trở dễ bị té, khi đi dễ bị ngã Dáng người đi hơi còng xuống hoặc đầu hướng về phía trước. [7]

 Các triệu chứng khác: Giọng nói nhỏ và khó nghe, ít biểu lộ cảm xúc, rối

loạn giấc ngủ, trầm cảm và lo âu, đau, mệt mỏi Về sau có khó nuốt và rối loạn trí nhớ.[7]

3.1 Ứng dụng body worn sensor

Các triệu chứng vận động của bệnh nhân Parkinson là run, cứng, chậm vận động Với liệu pháp sử dụng thuốc Levodopa kéo dài, các biến chứng do vận động

có thể phát triển Sự biến động có thể nhìn thấy trong bệnh Parkinson là rất khó đánh giá Phương pháp đánh giá hiện nay là đánh giá lâm sàng và triệu chứng bệnh nhân cung cấp Cả hai cách đánh giá này đều mang tính chủ quan Cảm biến gia tốc mang theo (body-worn accelerometers) như một giải pháp tuyệt vời để phát hiện các triệu chứng của bệnh này Cảm biến này có thể phát hiện chính xác các dấu hiệu

run, chậm hoặc rối loạn vận động Trước đây, loại cảm biến này đã được dùng để theo dõi bệnh nhân từ xa Việc giám sát từ xa giúp cho việc theo dõi triệu chứng bệnh nhân kĩ càng hơn trong việc xác định bệnh Parkinson [1]

Trong hệ thống theo dõi này, loại cảm biến được dùng phải đảm bảo các điều kiện sau:

1 Có thể cảm biến được dao động

2 Nhỏ gọn có thể mang được trên người mà không ảnh hưởng đến công việc hằng ngày

2 Giá thành không quá mắc

3 Có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không cần sạc pin nhiều lần

Loại cảm biến mang theo được sử dụng là AX3 của hãng Axivitylà một cảm biến gia tốc không thấm nước trong đó gắn một Velcro điều chỉnh

Hình 9: Cảm biến AX3