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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH QUANG MINH NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THEO DÕI NHỊP TIM CỦA BỆNH NHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Đà Nẵng năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 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: 6048.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HUỲNH CÔNG PHÁP Đà Nẵng năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tác giả luận văn ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian hai năm học tập, nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp, em có thêm nhiều tri thức bổ ích cho cơng việc nghiệp giáo dục Để có điều này, phần lớn nhờ dạy nhiệt tình thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin – trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Em xin thành thật cảm ơn thầy PGS.TS Huỳnh Công Pháp, người thầy tận tâm hướng dẫn giáo cho em suốt nhiều tháng làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Trong trình làm luận văn, ngồi hướng dẫn nhiệt tình thầy Pháp, em cịn may mắn có giúp đỡ động viên từ gia đình, bạn bè thân thuộc Em xin gửi đến họ lời cảm ơn chân thành Luận văn tốt nghiệp hoàn thành với nỗ lực cố gắng thân em không tránh sai sót, kính mong thầy cơ, bạn bè đóng góp thêm ý kiến hữu ích để hoàn thiện luận văn tương lai gần Quảng Nam, ngày 24 tháng 10 năm 2018 Tác giả luận văn iii NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THEO DÕI NHỊP TIM CỦA BỆNH NHÂN Học viên: Nguyễn Đình Quang Minh Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: …………………………Khóa: 34, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Các ứng dụng Internet vạn vật ( Internet of things – IoT) thay đổi lối sống cách làm việc cách tiết kiệm thời gian, nguồn lực mở hội cho tăng trưởng, đổi sáng tạo tri thức Một hệ thống IoT ứng dụng y tế theo dõi sức khỏe người từ xa cách xác, với hệ thống cảnh báo sức khỏe, thông báo khẩn cấp đến người vấn đề sức khỏe họ Các thiết bị hệ thống IoT thường liên quan đến bệnh huyết áp, tim mạch Hoạt động trái tim trình quan trọng thể người.Một thông số quan trọng sức khỏe tim mạch nhịp tim Việc theo dõi nhịp tim bệnh nhân có ý nghĩa quan trọng trình khám điều trị bệnh hậu phẫu Ngày nay, bệnh nhân mắc bệnh mãn tính, khởi phát biến chứng đột ngột, khó phịng ngừa tim mạch, đột quỵ ngày gia tăng, nên việc theo dõi thông tin nhịp tim cần có tính xác thường xuyên Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng ứng dụng IoT để tự động hóa q trình thu thập, lưu trữ theo dõi nhịp tim bệnh nhân việc ghi nhận thiết bị điện tử Hệ thống giúp tối thiểu hóa nguy lỗi, đồng nghĩa với tăng hiệu quả, giảm chi phí cải thiện chất lượng Từ khóa - Internet vạn vật, theo dõi nhịp tim, cảm biến nhịp tim, tim mạch, mạng cảm biến RESEARCH AND BUILDING IOT APPLICATION TO MONITOR PATIENT’S HEART RATE Abstract – Internet of Things (IoT) applications are changing the way we are living and the way we are working owning to saving time and resources, and they are opening the door to the development, innovation as well as knowledge creation An IoT system which is applied in health can monitor exactly human health from remote places Together with it, it is health warning system which sends humanurgent messages for their health problems The devices in IoT system are normally related to blood pressure and cardiovascular diseases The activity of heart is a crucial process in human body One of the important parameters in cardiovascular health is heart rate Monitoring the heart rate of patients plays significant roles in medical examination and treatment or after surgery Nowadays, the patients who suffer from chronic diseases or illnesses which develop abrupt complications and are difficult to prevent such as cardiovascular diseases and cardiovascular accidents are increasing Therefore, monitoring heart rate requires accuracy and frequency This thesis focuses on studying and building IoT applications in order to automate the process of collecting, saving and monitoring patient’s heart rate by acknowledging electronic devices This system helps to minimize the risk of error, which increases the efficiency, cuts the cost and improves quality in health Key words – Internet of things, Heart rate monitor, Heart beat sensor, Network sensor, Heartrelated diseaes iv MỤC LỤC Trang DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH ẢNH .viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tìm hiểu nhịp tim 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Nhịp tim trung bình 1.1.3 Ý nghĩa việc theo dõi nhịp tim 1.2 Các phương pháp theo dõi nhịp tim sở khám chữa bệnh địa phương 1.2.1 Phương pháp không xâm lấn 1.2.2 Phương pháp đo nhịp tim Oscillometric 1.2.3 Điện tâm đồ (Electrocardiogram -ECG) 1.3 Tình hình ứng dụng tin học công nghệ sở khám chữa bệnh Quảng Nam 1.4 Tổng quan IoT 10 v 1.4.1 Khái niệm 10 1.4.2 Kiến trúc hệ thống IoT 10 1.4.3 Đặc điểm yêu cầu hệ thống IoT 12 1.4.5 Ứng dụng IoT 14 1.5 Các thiết bị điện tử theo dõi nhịp tim có thị trường 14 1.6 Kết luận chương 15 CHƯƠNG - GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoT ĐỂ THEO DÕI NHỊP TIM TỪ XA 16 2.1 Đặt vấn đề 16 2.2 Sử dụng công nghệ IoT để theo dõi nhịp tim 16 2.2.1 Tổng quan hệ thống 17 2.2.2 Chức module 17 2.3 Phân tích thiết kế hệ thống 17 2.3.1 Kiến trúc hệ thống 17 2.3.2 Lưu đồ hoạt động hệ thống 18 2.4 Vấn đề kỹ thuật xây dựng hệ thống IoT theo dõi nhịp tim 21 2.4.1 Giới thiệu giao thức truyền thông không dây IoT 21 2.4.2 Chuẩn giao tiếp SPI ( Serial Peripheral Bus – Chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao) 25 2.4.3 Xác định tín hiệu nhịp tim phương pháp hấp thụ quang học 27 2.5 Kết luận chương 30 CHƯƠNG - TRIỂN KHAI XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM 31 3.1 Yêu cầu đề tài 31 3.2 Xây dựng Module đo nhịp tim 31 3.2.1 Sơ đồ khối 31 3.2.2 Tìm hiểu thiết bị Raspberry Pi 31 3.2.3 Cảm biến nhịp tim dạng quang (Pulse Sensor) 34 vi 3.2.4 IC MCP3008 35 3.2.5 Cài đặt thư viện Python cần thiết cho chương trình 36 3.2.6 Thiết kế phần mềm 37 3.3 Xây dựng ứng dụng IoT theo dõi nhịp tim từ xa 38 3.3.1 Mơ hình tổng quan 38 3.3.2 Nguyên lý hoạt động 38 3.4 Kết thử nghiệm đánh giá 39 3.4.1 Kết thử nghiệm 39 3.4.2 Đánh giá kết 44 3.4.3 Hạn chế 44 3.4.4 Hướng phát triển 45 3.5 Kết luận chương 45 KẾT LUẬN 46 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VIẾT TẮT THUẬT NGỮ TIẾNG ANH DỊCH NGHĨA AIDC Automatic Identification and Data Capture Tự động nhận dạng thu thập liệu BPM Beats per minute nhịp tim/phút DP Diastolic Presure Huyết áp tâm trương ECG Electrocardiogram Điện tâm đồ IBI Interbeat interval Khoảng thời gian hai nhịp tim IoT Internet of things Internet vạn vật ITU International Telecomunication Union Tổ chức viễn thông quốc tế M2M Machine to machine Kết nối thiết bị - thiết bị MEMS Micro electro mechenical system Công nghệ vi điện tử PAN Personal area network Mạng cá nhân PPG Photoplethysmogram Phép đo quang thể tích RIFD Radio Frequency Identification Nhận dạng qua tần số vô tuyến SP Systolic Presure Huyết áp tâm thu SPI Serial Peripheral Bus Chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao WLAN Wireless local area network Mạng cục khơng dây viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phương pháp theo dõi nhịp tim thủ công Hình 1.2 Thiết bị nghe tim Hình 1.3 Thiết bị đo huyết áp nhịp tim phổ biến Hình 1.4 Nguyên tắc đo nhịp tim phương pháp Oscillometric Hình 1.5 Tín hiệu nhịp tim đo máy ghi điện tim Hình 1.6 Máy đo điện tâm đồ Hình 1.7 Các phân hệ chức VNPT-HIS Hình 1.8 Chiều thông tin [ITU 2005] 10 Hình 1.9 Mơ hình kiến trúc hệ thống IoT 11 Hình 1.10 Đồng hồ đeo tay, vịng đeo tay có chức đo nhịp tim 15 Hình 1.11 Thiết bị đo huyết áp nhịp tim 15 Hình 2.1 Tổng quan hệ thống theo dõi nhịp tim 17 Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống IoT theo dõi nhịp tim 18 Hình 2.3 Lưu đồ hoạt động hệ thống 19 Hình 2.4 Cách thức truyền thơng khơng dây IoT 21 Hình 2.5 Các kênh tần số Wifi 23 Hình 2.6 Mơ hình mạng Zigbee 23 Hình 2.7 Giao tiếp master – slave 25 Hình 2.8 Quá trình truyền nhận liệu giao tiếp SPI 26 Hình 2.9 Dạng tín hiệu nhịp đập tim 27 Hình 2.10 Tín hiệu PPG đơn giản 28 Hình 2.11 Dạng tín hiệu PPG[8] 29 Hình 2.12 Thu tín hiệu PPG sử dụng LED Photodetector 29 Hình 2.13 Thu tín hiệu phương pháp phản xạ 30 Hình 2.14 Tín hiệu nhịp tim 30 Hình 3.1 Sơ đồ khối Module đo nhịp tim 31 43 Người bệnh áp chặt cảm biến vào đầu ngón tay, nơi có mạch máu chảy Hệ thống đo nhịp tim thông qua cảm biến hiển thị thơng qua Webservice Q trình đo gửi liệu lên server giao diện Command line: 44 3.4.2 Đánh giá kết Qua nhiều lần thử nghiệm, chương trình chạy ổn định theo thiết kế hệ thống Dữ liệu đo hiển thị lên Web để theo dõi trùng khớp 100% với Tất liệu đo nhiều lần lưu trữ lại Server Tuy nhiên, mặt đo thông số nhịp tim có sai số xảy nhiều nguyên nhân: Chất lượng cảm biến: ± 2.5 % Ảnh hưởng môi trường nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu ánh sáng Trong q trình đo có cử động ngồi ý muốn ngón tay khiến kết sai khác Những hình ảnh so sánh với phần mềm đo nhịp tim smartphone hãng điện thoại: Blackberry, Samsung: 3.4.3 Hạn chế - Thiết bị đo nhịp tim demo chưa gọn, chưa thực tiện dụng để tối ưu việc đo nhịp tim xác 45 - Bởi thiết bị đo sử dụng Raspberry khơng có cổng đọc tín hiệu Analog, cần kết nối với ADC sử dụng Testboard, dây nối Điều khiến thiết bị đo cồng kềnh trình di chuyển cảm biến Pulse Sensor khơng cố định, có lúc gây sai sót trình đo 3.4.4 Hướng phát triển Hướng phát triển đề tài thu gọn lại kích thước thiết bị đo để nhỏ gọn đeo tay (sử dụng vi điều khiển nhỏ hơn) Ngoài ra, để phục vụ tốt cho việc điều trị, chẩn đốn bệnh thiết bị đo nhịp tim cần phân tích tính tốn thơng số khác liên quan đến nhịp tim như: độ biến thiên nhịp tim, phổ tần số, phổ BPM…để theo dõi thông qua Server 3.5 Kết luận chương Trong chương 3, đề tài xây dựng hoàn thiện hệ thống demo theo dõi nhịp tim bệnh nhân tiến hành thực nghiệm Kết thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động với yêu cầu đề tài đề xuất 46 KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu thực nghiệm, báo cáo sản phẩm đạt yêu cầu đề tài đặt ra, là: Tìm hiểu nhịp tim, phương pháp theo dõi đo nhịp tim bệnh nhân, tìm hiểu tổng quan cơng nghệ IoT lợi ích mà IoT mang lại đời sống, từ đề xuất phương án thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim từ xa Phân tích thiết kế module hệ thống IoT để đo theo dõi thông số nhịp tim (BPM) bệnh nhân sử dụng cảm biến Pulse Sensor gắn đầu ngón tay Thơng số nhịp tim thu thập, lưu trữ theo dõi thông qua tảng Web Ưu điểm: Hệ thống xây dựng giúp tự động hóa q trình thu thập, lưu trữ theo dõi nhịp tim, hỗ trợ cho bác sĩ trình điều trị cho bệnh nhân, giúp bệnh nhân người thân trực dõi thơng số sức khỏe với phản hồi kịp thời bác sĩ Hạn chế: Vì thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nên người làm chưa thiết kế thiết bị đo nhịp tim nhỏ gọn tiện dụng để tối ưu trình đo nhịp tim Hướng phát triển đề tài: Đề tài phát triển thêm thiết bị đo nhịp tim thu gọn nhỏ lại đeo tay Đồng thời thiết bị đo cần phân tích thơng số khác liên quan đến nhịp tim như: độ biến thiên nhịp tim, phổ BPM…hoặc thông số sinh lý khác thể bệnh nhân: nhiệt độ thể, nồng độ oxy máu…để hỗ trợ tốt q trình chẩn đốn bệnh y bác sĩ Khi hệ thống đưa vào để ứng dụng thực tế sở khám chữa bệnh cần kết nối với hệ thống quản lý có để tạo thành hệ thống thống đồng 47 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Cục thông tin khoa học công nghệ quốc gia, Internet vạn vật: tương lai [2] Đặng Xuân Kiên, Vũ Đức Hải, (2016), Thiết kế hệ thống thu thập, phân tích xử lý tín hiệu điện tim di động photoplethysmography (ppg), Journal of Transportation Science and Technology [3] Lê Mỹ Hà, Phạm Quang Huy, Lập trình IoT với Arduino, Nhà xuất Thanh Niên, 2017 [4] Đoàn Mạnh Cường (2016), Nghiên cứu thiết kế hệ thống theo dõi nhịp tim Arduino Uno Processing, luận văn thạc sỹ kĩ thuật y sinh, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [5] CRISTIAN BUDE and ANDREAS KERVEFORS BERGSTRAND, Internet of Things Exploring and Securing a Future Concept , 2015-06-15 [6] Dr Ovidiu Vermesan, Dr Peter Friess, Patrick Guillemin, Internet of Things Strategic Research Roadmap, 2009, Strategic Research Agenda, The IoT European Research Cluster - European Research Cluster on the Internet of Things (IERC) [7] Dogan Ibrahim, Kadri Buruncuk (September ,2005), Heart Rate Measurement From The Finger Using A Low-Cost Microcontrollerỵ [8] Toshiyo Tamura, Yuka Maeda, Masaki Sekine and Masaki Yoshida (2014), Wearable Photoplethysmographic Sensors-Past and Present, Journal of MBDI [9] Waltenegus Dargie and Christian Poellabauer, Fundamentals of Wireless Sensor Networks, A John Wiley and Sons, Ltd., Publication, 2010 [10] Kil-sang Yoo and Won-hyung Lee Chung-Ang University (2011), Metal stress assessment based on pulse photoplethysmogram, International Symposium on Consumer Electronics IEEE Website [11] http://www.qrt.vn/ [12] http://www.pulsesensor.com/ [13] http://www.hertaville.com/interfacing-an-spi-adc-mcp3008-chip-to-the-raspberrypi-using-c.html [14] http://www.raspberrypi.org/ [15] International Telecommunication Union (2005) ITU Internet Reports 2005 The Internet of Things [online] 48 [16] Gil Reiter (2014) Wireless connectivity for the Internet of Things [online] Texas Instruments [17] Workpermit (2006) Radio Frequency Identification (RFID) Chips in Passport and Visas [online] Workpermit.com ... thực luận văn với đề tài:”NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG IOT THEO DÕI NHỊP TIM CỦA BỆNH NHÂN ” hướng dẫn PGS-TS Huỳnh Công Pháp.Với tìm hiểu IoT, luận văn cịn xây dựng mơ hình thực nghiệm để... pháp theo dõi nhịp tim bệnh nhân sở khám chữa bệnh - Tìm hiểu phương pháp đo nhịp tim cảm biến dạng quang Pulse Sensor - Xây dựng hệ thống IoT theo dõi nhịp tim từ xa Đối tượng phạm vi nghiên cứu. .. dương Hình 1.5 Tín hiệu nhịp tim đo máy ghi điện tim Điện tâm đồ sử dụng y học để phát bệnh tim rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu tim v.v Thông tin nhịp tim bệnh nhân theo dõi liên tục thời gian