Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone

Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Đặng Quang Tuyến Đề tài luận văn: Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính truyền thông Mã số SV: CB130052 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 25/4/2015 với nội dung sau: Cần viết rõ kiến thức khoa học liên quan Biểu đồ cần đơn vị cho tham số Nêu kỹ thuật thực chương trình Ngày 19 tháng năm 2015 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC HÌNH VẼ SỐ LIỆU DANH MỤC BIỂU ĐỒ SO SÁNH ĐO TRÊN THIẾT BỊ MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Mục tiêu đề tài 10 Phạm vi nghiên cứu 10 Phương pháp nghiên cứu 10 Kết 11 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 11 Bố cục luận văn 12 CHƯƠNG NHỊP TIM VÀ CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA HỒNG CẦU 13 1.1 Khái niệm nhịp tim 13 1.2 Đo nhịp tim phương pháp hấp thụ ánh sáng 13 1.3 Nồng độ bão hòa Oxy máu 16 1.3.1 Sự cần thiết vận chuyển Oxy máu 16 1.3.2 Nồng độ bão hòa Oxy máu 17 1.4 Các phương pháp đo nồng độ Oxy máu 17 1.5 Nguyên lý Oximetry hấp thụ ánh sáng máu 18 1.6 Nguyên lý Pulse Oximetry 21 1.6.1 Khái niệm 21 1.6.2 Lịch sử phát minh 21 1.6.3 Nguyên lý Pulse Oximetry 24 1.6.4 Tính nồng độ bão hòa Oxi máu 26 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera CHƯƠNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ĐO NHỊP TIM TRÊN SMARTPHONE 28 2.1 Phương pháp thu ảnh 28 2.1.1 Cơ sở phương pháp 28 2.1.2 Vị trí đặt ngón tay 28 2.1.3 Hình ảnh camera thu 28 2.2 Phương pháp xử lý ảnh 30 2.2.1 Lựa chọn khung hình để xử lý 30 2.2.2 Xử lý điểm ảnh 30 2.2.3 Biểu đồ biên độ màu đỏ sau xử lý ảnh 30 32 2.3 Xây dựng phần mềm 33 2.3.1 Yêu cầu phần cứng 33 2.3.2 Chức phần mềm 33 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ 36 4.1 Thử nghiệm người bệnh 36 4.2 Thử nghiệm người có sức khỏe tốt 38 4.3 Thử nghiệm người sau vận động 54 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em muốn gửi lời biết ơn chân thành tới TS Lã Thế Vinh, người trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện cho em thời gian, giúp đỡ tận tình kiến thức, chỉ dẫn, định hướng tài liệu tham khảo quý báu Tiếp theo, em xin cảm ơn thầy cô Viện Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Bách khoa Hà Nội giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em suốt thời gian qua Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè chia sẻ, giúp đỡ học tập thời gian thực nghiên cứu đề tài Trong báo cáo chắc chắn không tránh khỏi chỗ thiếu sót, em mong nhận lời góp ý, chỉ bảo từ thầy cô để hoàn thiện đề tài tốt Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2015 Người thực hiện Đặng Quang Tuyến Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera LỜI CAM ĐOAN Luận văn Thạc sĩ “Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán nhịp tim sử dụng smartphone camera”là công trình cá nhân Các nội dung nghiên cứu kết trình bày luận văn trung thực rõ ràng Các tài liệu tham khảo, nội dung trích dẫn ghi rõ nguồn gốc Ngày 10 tháng năm 2015 Tác giả luận văn Đặng Quang Tuyến Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhịp tim thông số quan trọng việc thể việc khám điều trị bệnh Nhịp tim đo dựa sở khoa học : - Hồng cầu máu hấp thu ánh sáng bước sóng định - Mỗi nhịp tim đẩy máu tới đầu ngón tay làm thay đổi lượng hồng cầu đầu ngón tay - Lượng hồng cầu thay đổi dẫn tới cường độ ảnh chụp sử dụng camera thay đổi - Dựa thay đổi phát chu kỳ nhịp tim từ xác định chu kỳ nhịp tim phút Hiện nay, điện thoại di động thông minh sử dụng rộng rãi sống Việc sử dụng camera đèn flash điện thoại ứng dụng để đo nhịp tim cách xác Nội dung luận văn cần giải vấn đề sau:  Tìm hiểu chế hấp thu ánh sáng hồng cầu  Tìm hiểu phương pháp thu ảnh  Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh để làm rõ thay đổi biên độ gây tuần hoàn máu để phát triển ứng dụng smartphone Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sự hấp thụ ánh sáng truyền qua ngón tay 14 Hình 1-2 Sự truyền ánh sáng qua động mạch 14 Hình 1-3 Vị trí đặt nguồn sáng cảm biến 16 Hình 1-4 Quang phổ hấp thụ HbO2 Hb 18 Hình 1-5 Mô hình vật lý trình truyền sáng qua động mạch 20 Hình 1-6 Vị trí đặt nguồn sáng cảm biến 24 Hình 1-7 Đồ thị hấp thụ ánh sáng sau truyền qua động mạch 24 Hình 1-8 Sự thay đổi cường độ sáng truyền qua ngón tay 25 Hình 2-1 Vị trí đặt ngón tay 28 Hình 2-2 Hình ảnh thu từ Camera 29 Hình 2-3 Khung hình xử lý ảnh 30 Hình 2-4 Biểu đồ biên độ màu đỏ sau xử lý ảnh 31 Hình 2-5 Sơ đồ khối thuật toán tính nhịp tim 32 Hình 2-6 Ảnh đo nhịp tim 34 Hình 2-7 Mục cài đặt 34 Hình 2-8 Thành công lực 35 Hình 4-1 Hình ảnh tích hợp ứng dụng khác 67 SỐ LIỆU Số liệu Số liệu đo người bệnh 64 Số liệu Số liệu người khỏe 65 Số liệu Số liệu sau vận động 66 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera DANH MỤC BIỂU ĐỒ SO SÁNH ĐO TRÊN THIẾT BỊ Biểu đồ So sánh kết đo người bệnh 38 Biểu đồ Phạm Hùng Cường - 23 Tuổi 40 Biểu đồ Nguyễn Văn Đức - 23 Tuổi 41 Biểu đồ Đặng Quang Tuyến - 27 Tuổi 42 Biểu đồ Trần Đình Tú - 23 Tuổi 43 Biểu đồ Nguyễn Văn Hiên - 25 Tuổi 44 Biểu đồ Phạm Duy Hưng – 24 Tuổi 45 Biểu đồ Nguyễn Phi Hiệp - 23 Tuổi 46 Biểu đồ Nguyễn Thị Thanh – 25 Tuổi 47 Biểu đồ 10 Nguyễn Hồng Vân 24 Tuổi 48 Biểu đồ 11 Nguyễn Tuấn Thành - 23 Tuổi 49 Biểu đồ 12 Uông Đức Quân - 25 Tuổi 50 Biểu đồ 13 Nguyễn Bá Quý – 25 Tuổi 51 Biểu đồ 14 Nguyễn Thị Mai – 24 Tuổi 52 Biểu đồ 15 Dương Ngọc Điệp - 24 Tuổi 53 Biểu đồ 16 Đinh Văn Tiệp -23 tuổi 55 Biểu đồ 17 Nguyễn Đình Công -23 tuổi 57 Biểu đồ 18 Nguyễn Trường Giang – 23 tuổi 59 Biểu đồ 19 Đặng Quang Tuyến - 27 tuổi 61 Biểu đồ 20 Nguyễn Ngọc Trung - 23 tuổi 63 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, nhu cầu theo dõi sức khỏe phổ biến, gia đình trang bị thiết bị theo dõi sức khỏe Các nhà sản xuất cũng sản xuất nhiều thiết bị phục vụ việc theo dõi sức khỏe vòng đeo tay, đồng hồ thông minh,… Các thiết bị tập trung vào việc đo nhịp tim, đếm bước Việc sở hữu smartphone có camera kèm đen flash phổ biến Do nghiên cứu ứng dụng sử dụng camera để đo nhịp tim đời để giúp người đo theo dõi nhịp tim lúc nơi Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu nhịp tim chế hấp thụ ánh sáng hồng cầu từ xây dựng phần mềm smartphone để đo nhịp tim Để đạt mục tiêu đề tài tập trung vào nhiệm vụ cụ thể sau: a Tìm hiểu nhịp tim chế hấp thụ ánh sáng hồng cầu b Tìm hiểu xây dựng ứng dụng đo nhịp tim smartphone c Thử nghiệm thực tế sản phẩm đưa kết đánh giá Phạm vi nghiên cứu a Tìm hiểu chế hấp thu ánh sáng hồng cầu b Tìm hiểu phương pháp thu ảnh c Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh để làm rõ thay đổi biên độ gây tuần hoàn máu để phát triển ứng dụng smartphone Phương pháp nghiên cứu a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Tìm hiểu khái niệm nhịp tim - Đo nhịp tim phương pháp hấp thụ ánh sáng - Tìm hiểu nồng độ bão hòa Oxy máu - Các phương pháp đo nồng độ Oxy máu - Nguyên lý Oximetry hấp thụ ánh sáng máu 10 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera BIỂU ĐỒ ĐO TRƯỚC VÀ SAU VẬN ĐỘNG Trước vận động 90 75 78 87 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 70 95 Sau vận động LẦN ĐO Biểu đồ 16 Đinh Văn Tiệp -23 tuổi 55 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Họ tên Nguyễn Đình Công Tuổi 23 Giới tính Nam Kết đo: Lần Trước Sau vận Trước Sau vận Trước Sau vận vận động động vận động động vận động động Máy đo 68 85 70 91 73 93 Phần mềm 66 85 70 90 71 92 BIỂU ĐỒ SO SÁNH 92 93 71 70 73 90 91 Phần mềm 85 70 66 68 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 85 Máy đo LẦN ĐO 56 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera BIỂU ĐỒ ĐO TRƯỚC VÀ SAU VẬN ĐỘNG Trước vận động 90 70 71 85 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 66 92 Sau vận động LẦN ĐO Biểu đồ 17 Nguyễn Đình Công -23 tuổi 57 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Họ tên Nguyễn Trường Giang Tuổi 23 Giới tính Nam Kết đo: Lần Trước Sau vận Trước Sau vận Trước Sau vận vận động động vận động động vận động động Máy đo 93 108 87 97 88 92 Phần mềm 90 110 85 92 85 95 BIỂU ĐỒ SO SÁNH Phần mềm 95 92 85 88 85 97 92 110 87 90 93 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 108 Máy đo LẦN ĐO 58 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera BIỂU ĐỒ ĐO TRƯỚC VÀ SAU VẬN ĐỘNG Trước vận động 95 85 92 85 90 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 110 Sau vận động LẦN ĐO Biểu đồ 18 Nguyễn Trường Giang – 23 tuổi 59 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Họ tên Đặng Quang Tuyến Tuổi 27 Giới tính Nam Kết đo: Lần Trước Sau vận Trước Sau vận Trước Sau vận vận động động vận động động vận động động Máy đo 84 91 85 108 89 95 Phần mềm 85 98 87 110 88 95 BIỂU ĐỒ SO SÁNH 95 95 88 89 87 85 98 91 85 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 84 110 Phần mềm 108 Máy đo LẦN ĐO 60 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera BIỂU ĐỒ ĐO TRƯỚC VÀ SAU VẬN ĐỘNG Trước vận động 95 88 87 85 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 98 110 Sau vận động LẦN ĐO Biểu đồ 19 Đặng Quang Tuyến - 27 tuổi 61 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Họ tên Nguyễn Ngọc Trung Tuổi 23 Giới tính Nam Kết đo: Lần Trước Sau vận Trước Sau vận Trước Sau vận vận động động vận động động vận động động Máy đo 93 104 92 110 92 105 Phần mềm 95 107 90 112 96 106 BIỂU ĐỒ SO SÁNH 106 96 90 92 105 112 110 Phần mềm 107 92 95 93 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 104 Máy đo LẦN ĐO 62 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera BIỂU ĐỒ ĐO TRƯỚC VÀ SAU VẬN ĐỘNG Trước vận động 106 96 90 95 NHỊP TIM (NHỊP/PHÚT) 107 112 Sau vận động LẦN ĐO Biểu đồ 20 Nguyễn Ngọc Trung - 23 tuổi 63 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Kết luận: Sau thực nghiệm người bệnh người khỏe mạnh ta thấy phần mềm cho kết tương đồng với sản phẩm đo nhịp tim chuyên dụng Tuy nhiên, số trường hợp vị trí đặt tay sai nên cho kết chưa đúng người sử dụng phần mềm cần đo nhiều lần để đạt kết tốt Số liệu thực tế Số liệu đo người bệnh Số liệu Số liệu đo người bệnh 64 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Số liệu người khỏe mạnh Số liệu Số liệu người khỏe 65 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Số liệu đo sau vận động Số liệu Số liệu sau vận động 66 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết Ứng dụng đo nhịp tim dược tích hợp phần mềm StayHealthy StayHealthy phần mềm y tế chạy hệ điều hành windows phone Phần mềm có tính a Cung cấp thông tin sức khỏe b Theo dõi vận động c Tra cứu thuốc tây d Đo nhịp tim Hình ảnh ứng dụng đo nhịp tim phần mềm StayHealthy Hình 4-1 Hình ảnh tích hợp ứng dụng khác Phần mềm tham gia thi viết ứng dụng mobile y tế sức khỏe Viettel tổ chức đoạt giải khuyến khích 67 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Hướng phát triển Ứng dụng phát triển nhiều tảng hệ điều hành khác để người dùng smartphone đểu có đo nhịp tim lúc cần thiết 68 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Saif Ahmad, Miodrag Bolic, Hilmi Dajani, Voicu Groza, Izmail Batkin, and Sreeraman Rajan - Measurement of Heart Rate Variability Using an Oscillometric Blood Pressure Monitor - IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL 59, NO 10, OCTOBER 2010 [2] Phan Văn Minh - Nghiên cứu khả đo nồng độ Oxy máu nhịp tim phương pháp hấp thụ ánh sáng - Báo cáo nghiên cứu khoa học tổng hợp [3] Dr Neil Townsend - Medical Electronics - Michaelmas Term 2001 [4] Dr Vijaylakshmi Kamat - PULSE OXIMETRY - Indian J Anaesth 2002 [5] Y.J Salorinne P Haapalahti - Oxygen and Carbon Dioxide Transport PHYSIOLOGY AND MAINTENANCE – Vol III [6] A Hasan - Handbook of Blood Gas/Acid-Base Interpretation - 51 DOI 10.1007/978-1-4471-4315-4_2, © Springer-Verlag London 2013 69 ... hiện Đặng Quang Tuyến Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera LỜI CAM ĐOAN Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán nhịp tim sử dụng smartphone camera”là... ảnh ngón tay liên tục để xử lý 2.1.3 Hình ảnh camera thu 28 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera Hình 2-2 Hình ảnh thu từ Camera 29 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh. .. 26 Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera nhỏ, với S