3.8.1. Sai sô trong đo lường
Sai số là độ chênh lệch giữa kết quả đo và giá trị thực của đại lượng đo. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị đo, phương thức đo, người đo…
Kết quả phép đo nhận được không bao giờ hoàn toàn đúng với trị số thật của tham số cần đo, sai lệch giữa hai trị số đó gọi là sai số đo lường. Dù tiến hành đo lường hết sức cẩn thận và dùng các công cụ đo lường cực kỳ tinh vi ... cũng không thể làm mất được sai số đo lường, vì trên thực tế không thể có công cụ đo lường tuyệt đối hoàn thiện, người xem đo tuyệt đối không mắc thiếu sót và điều kiện đo lường tuyệt
sai số đó trong một phạm vi cần thiết rồi dùng tính toán để đánh giá sai số mắc phải và đánh giá kết quả đo lường.
Tùy theo nguyên nhân gây sai số mà người ta chia sai số thành 3 loại sai số sau: Sai số nhầm lẫn, Sai số hệ thống, và sai số ngẫu nhiên .
a) Sai số nhầm lẫn: Những sai số do người xem đo đọc sai, ghichép sai, thao tác sai, tính sai, vô ý làm sai .... được gọi là sai số chủ quan. Sai số đó làm cho số đo được khác hẳn với các số đo khác.
b) Sai số hệ thống: Sai số hệ thống xuất hiện do cách sử dụng đồng hồ đo khônghợp lý, do bản thân đồng hồ đo có khuyết điểm, hay điều kiện đo lường biến đổi không thích hợp và đặc biệt là khi không hiểu biết kỹ lưỡng tính chất của đối tượng đo lường...
Trị số của sai số hệ thống thường cố định hoặc là biến đổi theo quy luật vì nói chung những nguyên nhân tạo nên nó cũng là những nguyên nhân cố định hoặc biến đổi theo quy luật. Nếu xếp theo nguyên nhân thì chúng ta có thể chia sai số hệ thống thành các loại sau :
- Sai số công cụ : là do thiếu sót của công cụ đo lường gây nên.
- Sai số do sử dụng đồng hồ không đúng quy định : Ví dụ : - Tiến hành đo, có ảnh hưởng của ánh sáng không được che chắn.
- Sai số do chủ quan của người xem đo. Ví dụ: Đọc số sớm hay muộn hơn thực tế, - Sai số do phương pháp : Do chọn phương pháp đo chưa hợp lý, không nắm vững phương pháp đo ...
c) Sai số ngẫu nhiên: Trong quá trình đo lường, những sai số mà không thể tránh khỏi
gây bởi sự không chính xác tất yếu do các nhân tố hoàn toàn ngẫu nhiên được gọi là sai số ngẫu nhiên. Sự xuất hiện mỗi sai số ngẫu nhiên riêng biệt không có quy luật. Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là do những biến đổi rất nhỏ thuộc rất nhiều mặt không có liên quan với nhau xảy ra trong khi đo lường, mà ta không có cách nào tính trước được. Vì vậy chỉ có thể thừa nhận sự tồn tại của sai số ngẫu nhiên và tìm cách tính toán trị số của nó chứ không thể tìm kiếm và khử các nguyên nhân gây ra nó. Loại sai số này có tính tương đối và giữa chúng không có ranh giới.
Mỗi sai số ngẫu nhiên xuất hiện không theo quy luật không thể biết trước và không thể khống chế được, nhưng khi tiến hành đo lường rất nhiều lần thì tập hợp rất nhiều sai số ngẫu nhiên của các lần đo đó sẽ tuân theo quy luật thống kê.
Giả sử khi cho đại lượng X nhiều lần lặp lại y hệt các điều kiện giống nhau , ta thu được một dãy các giá trị xi với I = 1,2,...n.
Mỗi giá trị xi gọi là một yếu tố của tập hợp, n là dung lượng của tập hợp Ký hiệu tập hợp {Xi}
- Nếu n hữu hạn dãy xi tạo thành một tập mẫu
- nếu n => vô cùng, tập hợp mẫu trở thành tập tổng quát
- Vậy một tập hợp tổng quát chứa đựng vô số yếu tố và vô số tập hợp mẫu. Mặt khác, khi có 2 tập mẫu nào đó, chúng có thể thuộc về cùng một tập hợp tổng quát hoặc thuôc về hai tập hợp tổng quát khác nhau
xét tập hợp {Xi} dung lượng n. Ở đây sự sai khác giữa các giá trị Xi mang tính ngẫu nhiên. Khi so với trị số trung bình số học Xn, mỗi giá trị Xi sẽ có một độ lệch ngẫu nhiên di
(3.1) Đại lượng ngẫu nhiên di có các tính chất sau
- Dấu (-) hay (+) thay đổi hoàn toàn ngẫu nhiên. Khi n tăng chỉ số dấu (+) càng xấp xỉ số dấu (-)
- Giá trị tuyệt đối |di| cũng thay đổi hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng giá trị càng nhỏ sẽ có tần số xuất hiện càng lớn, ngược lại giá trị càng lớn sẽ có tần số xuất hiện càng nhỏ.
Những tính chất trên cho thấy đại lượng ngẫu nhiên di là dấu hiệu tồn tại của sai số ngẫu nhiên. Tuy nhiên, một giá trị di, riêng lẻ không thể coi là đại diện của sai số ngẫu nhiên. Đại diện của sai số ngẫu nhiên phải là toàn bộ tập hợp {di} theo chứng minh
Phương sai mẫu: Dn hay đặc trưng cho độ phân tán ngoài ra, mỗi tập hợp còn tồn tại một trung tâm phân bố. Trung tâm phân bố của một tập hợp là một yếu tố nào đó của tập hợp ấy mà các yếu tố khác quy tụ xung quanh
Với ý nghĩa đó, ta thấy rằng tập hợp {xi} có trung tâm phân bố là .
Tóm lại, trị số trung bình là và phương sai mẫu Dn là những đặc trưng của tập hợ mẫu {xi}
- Người ta biến đổi Dn => Sn: Độ lệch chuẩn mẫu. (3.3)
Sn có cùng thứ nguyên với , xi
Như vậy, một đại lượng ngẫu nhiên X được đặc trưng bởi hai thông số mẫu - : biểu thị trung tâm phân bố.
- Sn: biểu thị độ phân tán, và dùng để biểu diễn sai số ngẫu nhiên của phép đo lường.
Lưu ý
- Sn là thước đo sai số ngẫu nhiên chung cho mọi giá trị xi trong tập hợp {xi} - Đối với giá trị trung bình :
(3.4) Cách tính độ lệch chuẩn mẫu Sn
(3.5) Ý nghĩa của độ lệch chuẩn:
Độ lệch chuẩn (mẫu tổng quát) là thước đo của sai số ngẫu nhiên. Nó biểu thị độ phân tán của kết quả đo cũng có nghĩa là độ lặp lại của phép đo. nó thay đổi ngẫu nhiên tùy thuộc phương pháp đo lường, điều kiện đo lường, độ lớn của đại lượng đo và vào cá nhân người đo lường. Chính vì thế mà độ lệch chuẩn là một thông số thống kê quan trọng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học.Sai số ngẫu nhiên phát sinh do hàng loạt nguyên nhân không kiểm soát được và luôn luôn có mặt trong bất cứ
phép đo lường nào. Ta không thể loại bỏ được sai số ngẫu nhiên nhưng có thể giảm thiểu tới mức tùy ý muốn bằng cách tăng lên số lần đo n một cách tương ứng.
3.8.2. Tiến hành đo kiểm thử thực tế
Nhằm loại trừ các yếu tố gây sai số hệ thống và sai số nhầm lẫn. Tiến hành đo thử nghiệm thực tế trên cơ thể người trong trường hợp lí tưởng. Đảm bảo các lần đo được thực hiện trong điều kiện như nhau. Ngoài ra, Nhằm đánh giá độ chính xác của phép đo tác giả tiến hành đo nhiều lần khi cơ thể ở các trạng thái khác nhau (trạng thái nghỉ, suy nghĩ, vận động, sau khi ngủ dậy...) tiến hành đo song song và đồng thời hai thiết bị tại cùng 1 thời điểm trên cùng một cơ thể người. 1 thiết bị là sản phẩm của luận văn và thiết bị còn lại là máy đo nhịp tim huyết áp của Omron Hem-7200. Một sản phẩm được tin dùng trên thị trường. Với độ tin cậy và chính xác cao.
3.8.2.1 Cách thực hiện
- Quấn miếng dính chặt vào ngón tay. Đảm bảo sao cho cảm biến nhịp tim XD- 58 được tiếp xúc tốt nhất với da. Không bị kênh, hở khiến ánh sáng bên ngoài lọt vào. - Quấn vòng bít của máy Omron Hem-7200 vào bắp tay còn lại. Vòng tròn bít nằm ở vị trí ngang tim. Dán miếng dính và cố định lại vòng bít
Hình 3.15: Kết quả thủ được bên phải sử dụng máy OMRON HEM7200 còn bên trái sử dụng cảm biến XD-58
3.8.2.2. Kết quả thu được
Kết quả thu được sau khi tiến hành đo trên nhiều người, ở tuổi trưởng thành. Độ tuổi từ 20 tới 50. Khi cơ thể ở trạng thái khác nhau.
Bảng 3.1: Khi cơ thể ở trạng thái nghỉ Lần đo Cảm biến XD-58 Omron Hem 7200 1 70 6.76 73 0.09 2 69 12.96 73 0.09 3 72 0.36 74 0.49 4 65 57.76 64 86.49 5 73 0.16 75 2.89 6 72 0.36 75 2.89 7 70 6.76 68 28.09 8 75 5.76 75 2.89 9 68 21.16 68 28.09 10 67 31.36 66 53.29 11 80 54.76 77 13.69 12 75 5.76 73 0.09 13 74 1.96 75 2.89
14 71 2.56 74 0.49 15 76 11.56 78 22.09 16 70 6.76 69 18.49 17 75 5.76 76 7.29 18 78 29.16 79 32.49 29 79 40.96 79 32.49 20 76 11.56 77 13.69 21 68 21.16 69 18.49 22 70 6.76 72 1.69 23 70 6.76 73 0.09 24 78 29.16 80 44.89 25 76 11.56 74 0.49 26 77 19.36 76 7.29 27 70 6.76 74 0.49 28 72 0.36 73 0.09 29 71 2.56 69 18.49 30 73 0.16 72 1.69 Giá trị trung bình 72.6 13.96 73.3 14.75
Từ bảng số liệu trên ta thấy độ sai lệch khi đo bằng cảm biến XD-58 với thiết bị Omron Hem-7200 với mỗi kết quả đo tương ứng từ 0 - 4 nhịp. Và giá trị kì vọng, tức giá trị nhịp tim trung bình các lần đo sử dụng cảm biến XD-58 là 72.6 nhịp/phút. Còn với thiết bị Omron Hem-7200 là 73.3 nhịp/phút. Dựa vào phương sai đo mức độ tin cậy của kì vọng. Ta tiến hành tính phương sai của phép đo thu được ở bảng trên.
Phương sai khi sử dụng cảm biến XD-58 là
Dn= 14.75
Kết quả thu được ta thấy giá trị phương sai của phép đo sử dụng cảm biến XD- 58 và thiết bị Omron Hem-7200 xấp xỉ bằng nhau. Và lần lượt bằng 13.96 và 14.75. Điều đó có nghĩa kì vọng của hai giá trị có độ tin cậy tương đương nhau. Trong khi kì vọng chính là giá trị trung bình của hai phép đo sử dụng Cảm biến XD-58 và thiết bị Omron Hem-7200 có giá trị lần lượt là 72.6 nhịp/phút và 73.3 nhịp/phút cũng xấp xỉ bằng nhau. Phương sai nào có giả trị nhỏ hơn thì có mức độ tin cậy hơn. Ở bảng số liệu này dễ dàng nhận thấy phương sai của phép đo sử dụng cảm biến XD-58 có độ tin cậy kì vọng cao hơn.
Tiến hành đo ngay sau khi cơ thể vận động, từ vận động nhẹ tới vận động nặng. Ta thu được bảng số liệu dưới đây
Bảng 3.2: Khi cơ thể vừa mới vận động xong
Lần đo Cảm biến XD-58 Omron Hem 7200
1 87 259 84 345.96 2 87 259 87 243.36 3 88 228 87 243.36 4 89 198.8 88 213.16 5 90 171.6 89 184.96 6 90 171.6 90 158.76 7 90 171.6 93 92.16 8 95 65.61 95 57.76 9 95 65.61 95 57.76 10 96 50.41 96 43.56 11 96 50.41 97 31.36 12 98 26 97 31.36 13 98 26 97 31.36 14 98 26 98 21.16 15 99 16.81 98 21.16 16 99 16.81 100 6.76 17 100 9.61 105 5.76
18 105 3.61 105 5.76 29 107 15.21 107 19.36 20 109 34.81 109 40.96 21 110 47.61 110 54.76 22 111 62.41 112 88.36 23 115 141.61 114 129.96 24 116 166.41 115 153.76 25 117 193.21 116 179.56 26 120 285.61 117 207.36 27 120 285.61 117 207.36 28 121 320.41 120 302.76 29 122 357.21 120 302.76 30 125 479.61 121 338.56 Giá trị trung bình 103.1 140.2 102.6 127.4
Từ bảng số liệu trên ta thu được giá trị nhịp tim trung bình của 2 giá trị đo xấp xỉ bằng nhau, giá trị nhịp tim trung bình đo bằng cảm biến XD-58 và thiết bị Omron Hem-7200 lần lượt bằng 103.1 nhịp/phút và 102.6 nhịp trên phút.
Áp dụng công thức tính phương sai
(3.2) Ta thu được phương sai khi sử dụng cảm biến XD-58 là
Dn =140.2
Và phương sai khi sử dụng thiết bị Omron Hem-7200
Dn = 127.4
thấy rõ giá kì vọng của phép đo khi sử dụng thiết bị Omron Hem-7200 đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên 2 giá trị phương sai chênh nhau ít, không nhiều.
3.8.2.3 Đánh giá sản phẩm
Sau khi tiến hành đo thử nghiệm đồng thời giữa thiết bị sử dụng cảm biến XD- 58 và thiết bị Omron Hem-7200 giá trị đo thu được khá gần nhau. Không có sự chênh lệch lớn kết quả của hai thiết bị trong cùng 1 lần đo. Độ tin cậy phép đo nhịp tim sử dụng cảm biến XD-58 tương đương với Phép đo sử dụng thiết bị Omron Hem-7200.
Các yếu tố có thế gây sai số có thể ảnh hưởng đến kết quả đo như. nhiễu ánh sáng, tiến hành phép đo chưa chính xác, nhiệt độ môi trường...Và đặc biệt là trạng thái của cơ thể như vận động, suy nghĩ...cũng dẫn tới sự thay đổi của nhịp tim, trong khoảng thời gian 1 phút giá trị của nhịp tim có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố kể trên. Sau khi thiết kế và xây dựng xong phần cứng. Từ kết quả thu được thông qua một số lần thử nghiệm hoạt động của hệ thống được đánh giá như sau:
a) Ưu điểm của hệ thống
- Hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng theo yêu cầu thiết kế
- Hệ thống đã xác định được nhịp tim bệnh nhân với sai khác nhỏ so với giá trị thực tế
- Hệ thống chạy ổn định
- Hình ảnh hiển thị trên LCD rõ ràng
- Hệ thống phần cứng cấu trúc nhỏ gọn, đẹp mắt - Chi phí thiết kế hệ thống thấp
- Hệ thống tiêu thụ ít điện năng
b) Nhược điểm của hệ thống
- Hệ thống chưa tích hợp được nhiều chức năng - Kết quả đo còn có hiện tương sai số giữa các lần đo - Chất lượng mạch chưa cao vì làm thủ công bằng tay
3.9. Kết luận chương 3
Chương 3 trình bày việc thực thi thiết kế Module đo và giám sát nhịp tim
- Xây dựng và thiết kế hệ thống phần cứng kèm hình ảnh minh họa về sản phẩn phần cứng thu được.
- Tiến hành đo kiểm thử thực tế và đánh giá kết quả của hệ thống đo nhịp tim. - Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo cũng như đưa ra ưu nhược điểm của hệ thống
3.10. Kết luận và hướng phát triển
Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và xây dựng hệ thống đo và hiển thị giá trị nhịp tim đến nay đã hoàn thành. Kết quả hệ thống đã hoạt động theo như yêu cầu của đề tài. Hệ thống đo được nhịp tim và hiển thị rõ nét giá trị lên màn hình LCD. Với độ chính xác cao. Cuốn luận văn được xây dựng một cách chi tiết và đầy đủ các nội dung về lý thuyết phần thiết kế và đã giải quyết được toàn bộ nội dung trong đề cương đăng ký luận văn cao học. Tuy nhiên hệ thống vẫn còn hạn chế, khi chỉ mới phát triển được một chức năng đo nhịp tim, cần bổ sung thêm chức năng khác nữa, như đo huyết áp, nhiệt độ... Ngoài ra chưa lưu trữ được dữ liệu trong các lần đo trước đó. Trong thời gian tới tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu để tích hợp thêm nhiều chức năng để hệ thống ngày càng hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS.TS. Hà Hoàng Kiệm, Thực hành cấp cứu và điều trị bệnh nội khoa, NXB YH 2010)
[2] Bộ môn sinh lý học, Sinh lý học, Trường Đại học y Hà Nội, 2009.