Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng IoT theo dõi nhịp tim của bệnh nhân

Đó cũng là lý do tôi chọn thực hiện luận văn với đề tài:”NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THEO DÕI NHỊP TIM CỦA BỆNH NHÂN ” dưới sự hướng dẫn của PGS-TS Huỳnh Công Pháp.Với những tìm

NGUYỄN ĐÌNH QUANG MINH

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THEO DÕI NHỊP TIM CỦA BỆNH NHÂN

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số: 60 48 01 01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH

Đà Nẵng, năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HUỲNH CÔNG PHÁP

Phản biện 1:

PGS.TS Ngyuyễn Tấn Khôi

Phản biện 2:

TS Nguyễn Quang Thanh

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ ngành Khoa học máy tính họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 08 tháng 12 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ Tư (I4.0) đang diễn ra sôi động trên thế giới với sự hội tụ của thế giới vật lý và thế giới ảo (kỹ thuật số), trong đó động lực cơ bản thúc đẩy cuộc cách mạng này nó

là Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) đang phát triển với tốc

độ đáng kinh ngạc Lợi ích tiềm tàng của Internet vạn vật dường như

là vô tận và các ứng dụng Internet vạn vật đang thay đổi lối sống và cách làm việc của chúng ta bằng cách tiết kiệm thời gian, nguồn lực

và mở ra các cơ hội mới cho tăng trưởng, đổi mới và sáng tạo tri thức.[1]

Hoạt động của trái tim là một quá trình phức tạp và quan trọng đối với cơ thể người Khi khám bệnh thì công việc đầu tiên của các y bác sĩ là thu thập những thông tin về tình trạng sinh lý của bệnh nhân, một trong những thông tin đó là nhịp tim Việc theo dõi nhịp tim của bệnh nhân có ý nghĩa quan trọng trong quá trình khám và điều trị bệnh hoặc là khi hậu phẫu Ngày nay, những bệnh nhân mắc những bệnh mãn tính, khởi phát biến chứng đột ngột, khó phòng ngừa như tim mạch, đột quỵ ngày càng gia tăng, nên việc theo dõi thông tin về nhịp tim cần có tính chính xác và tính liên tục cao Hiện nay, thực trạng quá tải bệnh nhân ở các cơ sở khám chữa bệnh vẫn thường xuyên xảy ra, vấn đề này dẫn đến việc thu thập thông tin về nhịp tim không thuận lợi vì thiếu số lượng thiết bị chuyên dụng và thiếu nhân viên y tế để thực thi Chính vì vậy, việc thu thập, lưu trữ và theo dõi thông tin nhịp tim ở các cơ sở khám chữa bệnh chỉ diễn ra ở một vài thời điểm xác định và không có tính liên tục, thường xuyên Đề tài đề xuất ứng dụng IoT để giải quyết thực trạng trên bằng quá trình tự động hóa ghi nhận của các thiết bị điện tử, giúp tối thiểu hóa nguy cơ lỗi, đồng nghĩa với tăng hiệu quả,

giảm chi phí và cải thiện chất lượng

Đó cũng là lý do tôi chọn thực hiện luận văn với đề

tài:”NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THEO DÕI NHỊP TIM CỦA BỆNH NHÂN ” dưới sự hướng dẫn của PGS-TS

Huỳnh Công Pháp.Với những tìm hiểu về IoT, luận văn này còn xây dựng một mô hình thực nghiệm để thu thập, lưu trữ và hiển thị dữ liệu về nhịp tim của bệnh nhân liên tục để hỗ trợ cho các quyết định của bác sĩ trong quá trình điều trị các bệnh lý liên quan đến nhịp tim

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng hệ thống IoT theo dõi nhịp tim của bệnh nhân với các chức năng: thu thập, lưu trữ, hiển thị dữ liệu nhịp tim từ xa thông qua Internet

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nêu ra những đặc điểm chính và các ứng dụng của IoT trong

đời sống xã hội, đặc biệt trong lĩnh vực y tế thông minh

- Tìm hiểu các phương pháp theo dõi nhịp tim của bệnh nhân ở các cơ sở khám chữa bệnh

- Tìm hiểu phương pháp đo nhịp tim bằng cảm biến dạng quang Pulse Sensor

- Xây dựng hệ thống IoT theo dõi nhịp tim từ xa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu các mô hình IoT trong lĩnh vực y tế

- Xây dựng mô hình thử nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến IoT

- Phương pháp thực nghiệm

+ Xây dựng mô hình phần cứng + Xây dựng lưu đồ hoạt động của hệ thống, viết chương trình ứng dụng, kiểm thử

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bằng việc áp dụng hệ thống IoT trong luận văn này, ta có thể

tự động thu thập dữ liệu về nhịp tim của bệnh nhân một cách liên tục, theo dõi dữ liệu đó từ xa thông qua Internet và hỗ trợ cho các bác sĩ cũng như người thân của bệnh nhân trong các quyết định điều trị liên

quan đến các bệnh lý về tim mạch

CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Tìm hiểu về nhịp tim

1.1.1 Giới thiệu chung

Tim của chúng ta liên tục co bóp, bơm máu lưu thông đi khắp

cơ thể Để dễ dàng chẩn đoán các vấn đề liên quan đến hoạt động chính yếu này, giới y học đặt ra một chỉ số gọi là nhịp tim (heart rate) Nhịp tim được hiểu là số lần tim co bóp trong vòng một phút Đây là thông số đặc trưng của mỗi người và sẽ biến thiên theo sự lão hóa của chúng ta Nhịp tim được đo theo đơn vị nhịp / phút

1.1.2 Nhịp tim trung bình

Nhịp tim là số lần tim đập trong một phút (BPM - Beat Per Minute) Nhịp tim của mỗi chúng ta không giống nhau và bao hàm hai khái niệm:

• Nhịp tim nghỉ ngơi

• Nhịp tim mục tiêu:

1.1.3 Ý nghĩa của việc theo dõi nhịp tim

Nhịp tim là con số tưởng chừng như quen thuộc nhưng không phải ai cũng tỏ tường, nhất là khi nó là thông số hàng đầu cần quan tâm về sức khỏe tim mạch Khi đến khám bệnh thì công việc đầu tiên của y bác sĩ là thu thập thông tin về tình trạng sinh lý của người bệnh, trong đó có tình trạng nhịp tim Nhịp tim có thể cho biết nhiều chi tiết

về tình trạng khỏe mạnh hoặc đau yếu của cơ thể người

1.2 Các phương pháp theo dõi nhịp tim trong các cơ sở khám chữa bệnh tại địa phương

1.2.1 Phương pháp không xâm lấn

a) Phương pháp thủ công

b) Nghe tiếng tim

Nhận xét: là những phương pháp phổ biến, đơn giản

1.2.2 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric

Nhận xét: bác sĩ phải thực hiện trực tiếp trên cơ thể của bệnh nhân ở những thời điểm cần thiết

1.2.3 Điện tâm đồ (Electrocardiogram -ECG)

Nhận xét: là phương pháp có độ chính xác cao, được sử dụng nhiều trong các bệnh viện, trung tâm khám sức khỏe, có thể đo được nhiều thông số trong cùng một khoảng thời gian

1.3 Tình hình ứng dụng tin học và công nghệ trong các cơ sở khám chữa bệnh ở Quảng Nam

Theo báo cáo của VNPT năm 2017, đến nay VNPT Quảng

Nam đã triển khai ứng dụng phần mềm khám chữa bệnh VNPT-HIS

tại 17/18 trung tâm y tế tuyến huyện, 209/237 trạm y tế tuyến xã, 4/7 bệnh viện và trung tâm chuyên khoa tuyến tỉnh và tại một số phòng khám đa khoa khu vực trên địa bàn tỉnh Quảng Nam

Phần mềm được xây dựng với mục tiêu hỗ trợ công tác quản lý

bệnh viện hiệu quả hơn, cải cách thủ tục hành chính, góp phần chăm sóc, phục vụ người bệnh tốt hơn 1.4 Tổng quan về IoT

1.4.1 Khái niệm

Một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều –

“Anytime” và “Anyplace” communication Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Anything”

Hình 1.9 Mô hình kiến trúc hệ thống IoT

1.4.3 Đặc điểm cơ bản và yêu cầu đối với hệ thống IoT

Tính không đồng nhất – Heterogeneity

Thay đổi linh hoạt - Dynamic changes:

Quy mô lớn - Enormous scale

Yêu cầu đối với hệ thống IoT:

Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:

– Kết nối dựa trên sự nhận diện

– Bảo vệ tính riêng tư

– Cắm và chạy - Plug and play

1.4.5 Ứng dụng của IoT

Internet of things giúp ích rất nhiều trong nền y học hiện đại:

Hệ thống IoT có thể theo dõi được sức khỏe của con người từ

xa một cách chính xác, cùng với đó là hệ thống cảnh báo sức khỏe, các thông báo khẩn cấp đến con người về vấn đề sức khỏe của họ

1.5 Các thiết bị điện tử theo dõi nhịp tim hiện có trên thị trường

- Trên Smartphone có những ứng dụng cho phép người dùng theo dõi nhịp tim qua đèn Flash

- Các thiết bị đeo tay : đồng hồ đeo tay Smartwatch, vòng đeo tay của các hãng sản xuất Samsung, Apple…

- Máy đo huyết áp và nhịp tim điện tử

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đưa ra các nội dung tổng quan của đề tài:

- Giới thiệu về nhịp tim và tầm quan trọng của việc theo dõi nhịp tim đối với cơ thể người

- Các phương pháp theo dõi nhịp tim

- Giới thiệu tổng quan về IoT, những lợi ích khi ứng dụng hệ thống IoT trong việc theo dõi sức khỏe của con người từ xa Trên cơ

sở đó đề xuất giải pháp ứng dụng IoT để theo dõi thông số nhịp tim của bệnh nhân từ xa thông qua Internet

CHƯƠNG 2 - GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoT ĐỂ

THEO DÕI NHỊP TIM TỪ XA 2.1 Đặt vấn đề

Sự tiến bộ trong công nghệ cảm biến và sự phát triển với tốc

độ đáng kinh ngạc của Internet of Things đã đem đến những thay đổi lớn trong lĩnh vực y tế Những đặc điểm của IoT như: thu thập, theo dõi, cảnh báo …rất phù hợp với việc xây dựng một hệ thống theo dõi nhịp tim có các chức năng như trên Một hệ thống IoT theo dõi nhịp tim từ xa có thể hỗ trợ các bác sĩ trong việc điều trị, chẩn đoán hoặc

có thể thông qua hệ thống để gửi những tư vấn, cảnh báo kịp thời đến với bệnh nhân mà không cần thiết phải tiếp xúc trực tiếp với bệnh nhân Hệ thống sẽ giúp tăng hiệu quả điều trị, giảm chi phí và cải thiện chất lượng Đó là mục tiêu mà đề tài này hướng đến

2.2 Sử dụng công nghệ IoT để theo dõi nhịp tim

2.2.1 Tổng quan hệ thống

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống theo dõi nhịp tim

2.2.2 Chức năng của từng module

2.3 Phân tích và thiết kế hệ thống

2.3.1 Kiến trúc hệ thống

Hình 2.2 Kiến trúc của hệ thống IoT theo dõi nhịp tim

2.3.2 Lưu đồ hoạt động của hệ thống

Hình 2.3 Lưu đồ hoạt động của hệ thống

2.4 Vấn đề kỹ thuật xây dựng hệ thống IoT theo dõi nhịp tim

2.4.1 Giới thiệu các giao thức truyền thông không dây trong IoT

a) Giới thiệu

Ý tưởng chính cho IoT vẫn là Internet Không giống như Internet, IoT không chỉ có PC và các máy chủ mà còn có các hệ thống máy tính nhúng và các cảm biến hỗ trợ được coi là thiết bị đầu cuối Ví dụ như các thiết bị giám sát môi trường, thiết bị thực tế ảo,…các thiết bị này có phần cứng kết nối với Internet và có khả năng trao đổi dữ liệu IoT có thể kết nối tất cả các loại đối tượng độc lập và hoạt động cùng nhau, để đạt được một mạng kết nối có chức năng cụ thể nào đó

b) Wifi

Wi-Fi là một công nghệ nền tảng IEEE802.11, được sử dụng trong mạng cục bộ không dây WLAN(wireless local area network) Kết nối Wi-Fi cho phép hai hoặc nhiều thiết bị di động sử dụng Internet qua kết nối không dây Kết nối này dựa trên điểm truy cập

AP (Access Point), cho phép người dùng di chuyển xung quanh trong một vùng phủ sóng nhất định Ngày nay, WiFi đã được thường được

sử dụng trong cuộc sống hàng ngày

c) Zigbee

Tên gọi Zigbee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zig-zag của ong mật, điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và nguồn nước, và mạng thông tin Zigbee được tạo thành theo cách này

ZigBee là một giao thức liên kết dữ liệu khác trong hệ thống IoT, dựa trên chuẩn IEEE802.15.4 là một giao thức sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN và hoạt động ở tần số 2.4 GHz Zigbee phù hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao nhưng cần có mức độ bảo mật và thời gian hoạt động dài

d) RFID

Nhận dạng qua tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification-RFID) là một công nghệ truyền thông không dây cho phép các tín hiệu vô tuyến xác định mục tiêu cụ thể, đọc và ghi dữ liệu liên quan mà không cần thiết lập một liên hệ cơ học hoặc quang học giữa hệ thống và một mục tiêu cụ thể Trong RFID, hai thiết bị chính là Tag (thẻ) và Reader (đầu đọc)

2.4.2 Chuẩn giao tiếp SPI ( Serial Peripheral Bus – Chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao)

Giao thức SPI do hãng Motorola phát minh và còn được biết đến với tên gọi khác là Microwire Giao thức SPI cung cấp một giao thức nối tiếp đơn giản với các vi điều khiển, IC thời gian thực…

Cách kết nối cơ bản:

Hình 2.7 Giao tiếp 1 master – 1 slave

2.4.3 Xác định tín hiệu nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ quang học

a) Phương pháp hấp thụ quang học [4]

Phương pháp hấp thụ quang học được thực hiện bằng cách sử dụng cảm biến quang học phát ra tia sáng đi tới động mạch máu Khi tim co bóp đẩy máu đi khắp cơ thể, thời điểm tim giãn ra dồn máu vào trong nó thì áp suất của máu cũng bắt đầu giảm đi, khi tim co lại

để dồn máu đi thì áp suất máu trong động mạch tăng lên Sự tăng giảm áp suất máu sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, vì vậy tia sáng từ cảm biến quang học sau khi được truyền qua

động mạch sẽ có cường độ biến thiên đồng bộ với tín hiệu nhịp đập của tim

b) Tín hiệu điện tim Photoplethysmogram -PPG

PPG là một kỹ thuật quang không xâm lấn để đo sự thay đổi thể tích máu bên trong các mạch máu Nguyên tắc đằng sau các cảm biến PPG là phát hiện quang học các thay đổi thể tích máu trong động mạch Hệ thống cảm biến bao gồm một nguồn sáng và một máy

dò, với các đi-ốt phát quang màu đỏ và hồng ngoại (IR) thường được

Hình 2.13 Thu tín hiệu bằng phương pháp phản xạ

e) Đo thông số nhịp tim (BPM) thông qua cảm biến PPG:

Nhịp tim được xác định là số lần đập của tim trong một phút Xung nhịp tim từ cảm biến PPG sau khi thu được có hình dạng:

Hình 2.14 Tín hiệu nhịp tim

Để xác định giá trị nhịp tim (BPM), chương trình sẽ đọc tín hiệu xuất ra từ cảm biến PPG theo thời gian, xác định giá trị trung bình T của 10 IBI liên tiếp, từ đó sẽ tính toán cho ra giá trị nhịp tim với công thức:

Heart rate = 60000(𝑚𝑠)𝑇 (bpm)

2.5 Kết luận chương 2

Trong chương 2, đề tài đã đặc tả ý tưởng về mô hình IoT theo dõi nhịp tim của bệnh nhân từ xa thông qua Internet để khắc phục những hạn chế trong các phương pháp theo dõi truyền thống Đồng thời chương 2 còn giới thiệu những giao thức kết nối các thiết bị trong hệ thống IoT gồm các kết nối không dây và có dây.Ngoài ra còn nghiên cứu về phương pháp để xác định tín hiệu nhịp tim thông qua cảm biến PPG Đó là cơ sở để xây dựng một mô hình IoT đúng với mục tiêu của đề tài đặt ra

CHƯƠNG 3 - TRIỂN KHAI XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THỬ

NGHIỆM 3.1 Yêu cầu của đề tài

Như đã trình bày ở các chương trước, IoT được sử dụng để xây dựng các hệ thống tự động, thông minh trong lĩnh vực y tế và nhiều lĩnh vực khác Trong chương 3 của đề tài sẽ trình bày chi tiết về các loại thiết bị được sử dụng để xây dựng một chương trình thực nghiệm theo dõi thông số nhịp tim của người bệnh từ xa, sau đó sẽ tiến hành cài đặt, thử nghiệm và đánh giá về các kết quả đạt được

3.2 Xây dựng Module đo nhịp tim

3.2.1 Sơ đồ khối

Hình 3.1 Sơ đồ khối của Module đo nhịp tim

3.2.2 Tìm hiểu thiết bị Raspberry Pi

Cấu hình Raspberry Pi B Core architecture ARM11

GPU Dual Core VideoCore IV® Multimedia

Co-Processor Hỗ trợ Open GL ES 2.0, tăng tốc phần cứng OpenVG, và bộ giải mã 1080p30 H.264

Video HDMI hỗ trợ phiên bản 1.3/1.4 và Composite

RCA (PAL and NTSC)