6. Cấu trúc trình bày nội dung luận văn
2.5.3. Ứng dụng IoT trong ngành dược phẩm
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), số lượng thuốc giả trên Thế giới lên tới hơn 10% doanh số bán thuốc trên tồn Thế giới. Ứng dụng IoT đĩng vai trị thiết yếu trong việc theo dõi, giám sát thuốc và điều tiết thị trường cho các sản phẩm y tế. Việc xác minh thơng tin và chống hàng giả được thực hiện khi ứng dụng IoT bởi mỗi sản phẩm được gắn một mã nhận dạng duy nhất [23]. Bên cạnh đĩ, IoT cĩ thể tự động hĩa tồn bộ chuỗi lưu trữ, sử dụng và kiểm tra để giảm thời gian làm việc và hợp lý hĩa các quy trình, đồng thời giúp ngăn ngừa tình trạng thiếu hàng cũng như hỗ trợ việc thu hồi thuốc.
2.5.4. Ứng d ụ n gIoT ch o người khuyết tật
IoT mang lại nhiều sự thoải mái và gĩp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người khuyết tật. Ví dụ như đồng hồ thơng minh đang được sử dụng cho những bệnh nhân bị rối loạn ngơn ngữ để huấn luyện chức năng nĩi trong các cài đặt từ xa [40], [41] hay một số găng tay thơng minh được phát triển cho phép người khiếm thính cĩ thể giao tiếp với những người khơng thành thạo với ngơn ngữ ký hiệu Hoa Kỳ (ASL - American Sign Language) [73], [76], [95], [112]. Các hệ thống IoT được xây dựng trong các thành phố thơng minh để cải thiện khả năng tiếp cận cho những người sử dụng xe lăn [131].
2.5.5. Ứng dụng Io T tron gy sinh cấy ghép
Bên cạnh các thiết bị đeo được, các thiết bị y sinh cấy ghép khi ứng dụng IoT sẽ trở nên đáng tin cậy và được cấy ghép vào bên trong cơ thể để phục hồi hoặc nâng cao các chức năng của con người [48]. Một số ví dụ về cấy ghép điện tử như: máy tạo nhịp kích thích cơ tim giúp điều hịa nhịp tim [33], hệ thống kích thích não sâu nhằm cung cấp các xung điện vào các vùng não sâu để tái tạo các triệu chứng cử động trong các bệnh rối loạn vận động như bệnh
Parkinson [36] và Rung động cơ [74], ... IoT được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh cấy ghép gĩp phần làm cho các thiết bị y sinh cấy ghép phù hợp hơn với ngữ cảnh, tiết kiệm điện và an tồn hơn.
2.5.6. Ứng dụng Io T trong cảnh báo sớm và ph át hiện bất thường
Với hệ thống cảnh báo sớm ứng dụng IoT cĩ chức năng thu thập các dấu hiệu sinh tồn của bệnh nhân, đội ngũ chuyên gia y tế cĩ thể phát hiện và dự báo tình trạng xấu đi của bệnh nhân [28], [51] hay cĩ thể dự đốn các biến chứng của bệnh nhân trước khoảng 24 tiếng [28]. Bên cạnh đĩ, các dấu hiệu bất thường liên quan đến đau tim hay đột quỵ được phát hiện nhanh chĩng nhờ ứng dụng IoT [93].
2.5.7. Ứng dụng Io T trong quản lý sức khỏe dân số
Dân số Thế giới ngày càng tăng, kéo theo đĩ một lượng dữ liệu y tế khổng lồ được tạo ra. Việc phân tích dữ liệu lớn cĩ thể giúp các đội ngũ chuyên gia trích xuất các thơng tin quan trọng nhằm đề ra các kế hoạch chăm sĩc, thực hiện các biện pháp can thiệp sớm, đồng thời gĩp phần làm giảm chi phí chăm sĩc sức khỏe. Trung tâm Y tế của Đại học Columbia đã áp dụng phân tích dữ liệu lớn để kiểm tra dữ liệu y tế từ những bệnh nhân bị đột quỵ chảy máu để dự báo các biến chứng chính trước 48 giờ so với các kỹ thuật truyền thống [59]. Viện chỉnh hình Rizzoli đã sử dụng phân tích dữ liệu lớn để tìm hiểu sự biến đổi lâm sàng trong các gia đình mắc bệnh xương di truyền, nhờ đĩ giúp giảm đến 30% số bệnh nhân nhập viện hàng năm [45].
2.6. Kết luận chương
Với những vai trị và lợi ích mà IoT mang lại trong lĩnh vực chăm sĩc sức khỏe, ngày càng cĩ nhiều ứng dụng ra đời giúp hỗ trợ, cải thiện sức khỏe người dân. Bên cạnh đĩ, khi triển khai IoT trong lĩnh vực này cần chú ý đến các thách thức phải đối mặt.
CHƯƠNG 3. THU THẬP DỮ LIỆU SỨC KHỎE TỪ XA
3.1. Giới thiệu chương
C h ư ơ n g n à y tậ p tr u n g n g h iê n c ứ u v à th iế t k ế h ệ th ố n g th u th ậ p d ữ liệ u sứ c
k h ỏ e t ừ x a ứ n g d ụ n g m ộ t số c ơ n g n g h ệ tiê n tiế n tr o n g Io T k ế t h ợ p v ớ i m ộ t số
c ả m b iế n y s in h th ơ n g d ụ n g . C ơ n g n g h ệ L o R a v à W iF i (g ia o th ứ c W e b s o c k e t)
là h a i c ơ n g n g h ệ c h ín h đ ư ợ c đ ề x u ấ t s ử d ụ n g tr o n g h ệ th ố n g th u th ậ p d ữ liệ u
sứ c k h ỏ e t ừ x a.
3.2. Mơ hình hệ thống thu thập dữ liệu sức khỏe từ xa
D ự a tr ê n k iế n trú c đ ư ợ c m ơ t ả tr ê n Hình 2.1 tr o n g C h ư ơ n g 2 , tá c g iả đề x u ấ t h ệ th ố n g g iá m sá t v à c ả n h b á o sứ c k h ỏ e t ừ x a ứ n g d ụ n g c ơ n g n g h ệ I o T ,
đ ặ c b iệ t là c ơ n g n g h ệ L o R a v à W iF i n h ư m in h h ọ a tr ê n Hình 3.1.
Hình 3.1. Mơ hình hệ thống giám sát và cảnh báo sức khỏe từ xa ứng dụng cơng nghệ IoT.
H ệ th ố n g th u th ậ p d ữ liệ u n h ư H R , S p O 2 v à E C G . D ữ liệ u n à y đ ư ợ c x ử lý
cho phép đưa ra cảnh báo về tình trạng sức khỏe bệnh nhân thơng qua loa, tin nhắn SMS hoặc cuộc gọi thoại. Hệ thống đề xuất cần đảm bảo các yêu cầu:
+ Thu thập và giám sát các chỉ số sinh tồn của bệnh nhân theo thời gian thực với độ tin cậy cao. Dữ liệu được hiển thị trực quan, thuận tiện cho giám sát và cảnh báo;
+ Thiết bị được thiết kế nhỏ gọn (đặc biệt thích hợp với bệnh nhân khi di chuyển) và giá thành thấp;
+ Các thiết bị trong hệ thống hoạt động ở chế độ tiêu thụ năng lượng thấp và cĩ khả năng hoạt động lâu dài.
3.2.1. Thu thập dữ liệu sức khỏe từ xa
3.2.1.1. Nguyên lý đo nhịp tim HR bằng phương pháp hấp thụ quang học
Khi tim co bĩp, máu sẽ được đẩy đi khắp cơ thể và áp suất trong động mạch tăng lên. Khi tim giãn ra máu sẽ được dồn vào tim, áp suất của máu trong động mạch giảm đi. Chính sự thay đổi áp suất máu này sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch. Khi một tia sáng được truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim (khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch cĩ cường độ lớn; ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn, ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ cĩ cường độ nhỏ hơn). Thơng qua sự thay đổi cường độ ánh sáng hấp thụ được, vi điều khiển sẽ tính tốn được nhịp tim.
Bảng 3.1. Bảng thơng số nhịp tim theo độ tuổi (nhịp/phút) [71].
r r K •
Tuơi Nhịp tim khi
thức Nhịp tim khi ngủ <3 tháng tuổi 85-200 80-160 3 tháng - 2 tuổi 100-190 75-160 2 - 10 tuổi 60-140 60-90 >10 tuổi 60-100 50-90
3.2.I.2. Nguyên lý đo nồng độ SpO2 bằng phương pháp hấp thụ quang học C ơ th ể n g ư ờ i c ầ n o x y v à o x y sẽ đ i t ừ p h ổ i sa u đ ĩ tr u y ề n đ ế n m áu . M á u v ậ n c h u y ể n o x y th ơ n g q u a c á c h u y ế t sắ c tố. H u y ế t sắ c tố c ị n đ ư ợ c g ọ i là H e m o g lo b in (H b h o ặ c H g b ). Đ â y là m ộ t p r o te in p h ứ c tạ p ( c h r o m o p r o te in ) c h ứ a sắ t, cĩ tá c d ụ n g th u th ậ p , v ậ n c h u y ể n o x y đ i n u ơ i c ơ th ể. Hình 3.2 m ơ p h ỏ n g h a i lo ạ i h u y ế t sắ c tố , m ộ t lo ạ i k h ơ n g m a n g o x y g ọ i là d e o x y H b , m ộ t lo ạ i m a n g o x y g ọ i là o x y H b . N ồ n g đ ộ o x y tr o n g m á u S p o 2 là
tỷ lệ h e m o g lo b in cĩ c h ứ a o x y so v ớ i tổ n g lư ợ n g h e m o g lo b in tro n g m áu .
Hình 3.2. Nồng độ Spo2 tương ứng: 0%, 50%, 75%, 100% [105]. M o d u le M A X 3 0 1 0 0 p h á t r a h a i b ư ớ c sĩ n g á n h sá n g đ ỏ (6 5 0 n m ) v à á n h sá n g h ồ n g n g o ạ i (9 5 0 n m ) t ừ h a i đ è n L E D đ ỏ v à h ồ n g n g o ạ i. Ở đ ầ u th u g ồ m m ộ t D io d e q u a n g h ấ p th ụ đ ể đ o lư ợ n g á n h s á n g h ấ p th ụ đ ư ợ c từ h a i đ è n L E D . K h i đ ặ t n g ĩ n ta y v à o g iữ a đ ầ u p h á t v à đ ầ u th u , tù y v à o lư ợ n g á n h s á n g h ấ p th ụ đ ư ợ c ở đ ầ u th u , v i đ iề u k h iể n sẽ tín h to á n đ ư ợ c n ồ n g đ ộ o x y tr o n g m á u . H u y ế t sắ c tố g ià u o x y (o x y H b ) h ấ p th ụ n h iề u á n h s á n g h ồ n g n g o ạ i h ơ n , h u y ế t sắ c tố k h ơ n g m a n g o x y ( d e o x y H b ) h ấ p th ụ á n h sá n g đ ỏ n h iề u h ơ n .
Bảng 3.2. Bảng tham chiếu chỉ tiêu SpO2 [24].
SpO2 (%) Ý nghĩa Cảnh báo
97 - 99 Oxy trong máu tốt
94 - 96 Oxy trong máu trung bình Cần cho thở thêm oxy
90 - 93 Oxy trong máu thấp Cần được theo dõi kịp thời
< 90 Oxy trong máu cực thấp Cấp cứu
3.2.I.3. Nguyên lý đo điện tim đồ ECG (Electrocardiogram)
Điện tâm đồ viết tắt là ECG (Electrocardiogram), là phương pháp theo dõi hoạt động, tốc độ cũng như nhịp điệu của tim. Khi tim hoạt động, tim co bĩp sẽ phát ra các biến thiên của dịng điện, lúc này điện tâm đồ là một đường cong cĩ chức năng ghi lại các biến thiên đĩ. Thơng qua điện tâm đồ, cĩ thể biết được khả năng tống máu của tim, biết được nhịp điệu và tốc độ của tim [25], đồng thời cĩ thể chẩn đốn và phát hiện được một số bệnh lý như: rối loạn nhịp tim, rối loạn dẫn truyền thần kinh trong tim, nhồi máu cơ tim, thiếu máu cơ tim, suy tim, tràn dịch màng ngồi tim, viêm màng ngồi tim cấp, rối loạn các chất điện giải trong máu, dày thành cơ tim, ...
Hình 3.4. Dạng sĩng điện tim [25].
Tim người cĩ 4 ngăn để chứa và bơm máu, 2 ngăn nhỏ ở phía trên gọi là tâm nhĩ, 2 ngăn dưới lớn hơn gọi là tâm thất. Máu theo tĩnh mạch từ các cơ
quan trong cơ thể trở về tâm nhĩ phải, máu từ phổi trở về tâm nhĩ trái. Tâm nhĩ trái bĩp sẽ bơm máu vào tâm thất trái, tâm nhĩ phải đưa máu vào tâm thất phải. Sau đĩ tâm thất phải sẽ bĩp để bơm máu theo động mạch lên phổi và tâm thất trái bĩp để bơm máu xuống cơ quan cơ thể. Trong tâm nhĩ phải cĩ nút xoang nhĩ gồm các tế bào cĩ khả năng tự tạo xung điện. Xung điện này truyền ra các cơ xung quanh làm co bĩp hai tâm nhĩ (tạo nên sĩng P trên điện tâm đồ). Sau đĩ dịng điện tiếp tục truyền theo một chuỗi tế bào đặc biệt đến nút nhĩ thất nằm gần vách liên thất, rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc vách liên thất lan vào các cơ xung quanh (tạo ra loạt sĩng QRS) làm hai tâm thất co bĩp. Sau đĩ, các xung điện giảm đi, tâm thất giãn ra (tạo nên sĩng T) [25].
3.2.2. Cơng nghệ truyền thơng
3.2.2.I. Cơng nghệ LoRa
LoRa là một chuẩn khơng dây mới trong những năm gần đây, được thiết kế đặc biệt cho các mạng diện rộng cơng suất thấp LPWAN nhằm kết nối các thiết bị với yêu cầu băng thơng và tốc độ dữ liệu thấp; tập trung vào hiệu quả về vùng phủ sĩng cũng như hiệu suất năng lượng. Cơng nghệ này hứa hẹn sẽ trở thành một chuẩn cơng nghệ truyền thơng cho các ứng dụng IoT yêu cầu vùng phủ sĩng rộng nhưng sử dụng cơng suất tiêu thụ thấp. LoRa hoạt động tại lớp vật lý trong kiến trúc phân lớp LoRaWAN của Semtech và sử dụng kỹ thuật CSS (Chirp Spread Spectrum) để điều chế và giải điều chế tín hiệu [81].
LõRaM^N LoRa SEMTECH ứng dụng LoRaWAN® MAC Lớp A Các tùy chọn MAC Lớp B Điều chế LoRa
Bãne tân ISM
EU 868 I EU 433 I US 915 Lĩp c AS430 Lớp MAC (MAC) Lớp Vật lý (PHY) '
LoRa sử dụng kỹ thuật Chirp Spread Spectrum (CSS). Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật này là chia dữ liệu thành các xung cao tần để tạo ra tín hiệu cĩ dãy tần số cao hơn tần số dữ liệu gốc (đây gọi là chipped). Sau đĩ tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hố theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin cĩ tần số thay đổi theo thời gian; cĩ 2 loại chirp signal là up-chirp cĩ tần số tăng theo thời gian và down-chirp cĩ tần số giảm theo thời gian; và việc mã hố theo nguyên tắc bit “ 1” sẽ sử dụng up-chirp, và bit “0” sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi. Nguyên lý này cho phép giảm độ phức tạp của mạch thu để giải mã và điều chế lại dữ liệu. Nhờ đĩ, các thiết bị LoRa khơng cần cơng suất phát lớn mà vẫn cĩ thể truyền và nhận tín hiệu ở khoảng cách xa ngay cả khi cường độ tín hiệu nhỏ hơn cả nhiễu mơi trường xung quanh. Bên cạnh đĩ, nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau cĩ thể hoạt động trong cùng một khu vực mà khơng gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa cĩ thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho một chirp rate) [44].
Hình 3.6. Nguyên lý up-chirp và down-chirp [130].
Cĩ ba thơng số quan trọng khi cấu hình LoRa, bao gồm: Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF), Băng thơng (Bandwidth - BW), và Tỉ lệ mã hĩa (Coding Rate - CR).
+ SF: xác định số lượng chuỗi tín hiệu Chirp khi mã hĩa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu. Giá trị của SF thay đổi từ 7 đến 12.
x u n g t ín h iệ u C h irp . SF c à n g lớ n th ì th ờ i g ia n tr u y ề n d ữ liệ u sẽ lâ u h ơ n n h ư n g
k h o ả n g c á c h tr u y ề n sẽ x a h ơ n ;
+ B W : x á c đ ịn h b iê n đ ộ tầ n số m à t ín h iệ u C h irp c ĩ th ể th a y đ ổ i. N ế u b ă n g
th ơ n g c à n g c a o th ì th ờ i g ia n m ã h ĩ a c h ip p e d sig n a l c à n g n g ắ n . V ì th ế , th ờ i g ia n
tr u y ề n d ữ liệ u c ũ n g g iả m x u ố n g n h ư n g đ ổ i lạ i k h o ả n g c á c h tr u y ề n c ũ n g n g ắ n
lại. C ĩ 3 m ứ c b ă n g th ơ n g p h ổ b iế n c h o L o R a là 1 2 5 k H z , 2 5 0 k H z v à 5 0 0 k H z ;
+ C R : là số lư ợ n g b it đ ư ợ c t ự th ê m v à o m ỗ i tả i tin tr o n g g ĩ i tin L o R a b ở i
c h ip s e t L o R a đ ể m ạ c h th u cĩ th ể s ử d ụ n g n h ằ m p h ụ c h ồ i lạ i m ộ t số b it d ữ liệ u
đ ã n h ậ n sa i v à t ừ đ ĩ , p h ụ c h ồ i đ ư ợ c n g u y ê n v ẹ n d ữ liệ u tr o n g tả i tin . D o đ ĩ , s ử
d ụ n g C R c à n g c ao th ì k h ả n ă n g n h ậ n d ữ liệ u đ ú n g c à n g tă n g ; n h ư n g c h ip L o R a
sẽ p h ả i g ử i n h iề u d ữ liệ u h ơ n . V ớ i c h ip s e t S X 1 2 7 6 , sẽ c ĩ 4 g iá tr ị c h o C R là
4 /5 , 4 /6 , 4 /7 v à 4 /8 . T ư ơ n g ứ n g m ỗ i g iá trị c ủ a C R th ì số lư ợ n g d ữ liệ u tă n g
th ê m n h ư Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giá trí CR và tỷ lê số lương dữ liêu.
Tỷ lê mã hĩa theo chu kỳ Tỷ lê dữ liêu
4 /5 1.25 4 /6 1.5 4 /7 1.75 4 /8 2 SF v à B W sẽ ả n h h ư ở n g th ờ i g ia n v à k h o ả n g c á c h tr u y ề n d ữ liệ u ; C R th ì c h ỉ ả n h h ư ở n g th ờ i g ia n tr u y ề n d ữ liệ u . T ù y v à o y ê u c ầ u c ủ a ứ n g d ụ n g c ụ th ể v ề k h o ả n g c á c h , tố c đ ộ g ử i d ữ liệ u , ... c á c g iá tr ị tr ê n c ĩ th ể đ ư ợ c lự a c h ọ n h ợ p lý đ ể tố i ư u h ĩ a q u á tr ìn h tr u y ề n n h ậ n q u a L o R a . 3.2.2.2. Giao thức WebSocket W e b S o c k e ts là m ộ t k ỹ th u ậ t lậ p tr ìn h m ạ n g c h o p h é p c á c k ê n h g ia o tiế p
Google Chrome và Safari) và mới xuất hiện trong HTML5. Trong Websocket, kết nối được mở thơng qua một TCP/IP request, kết nối được duy trì để lập trình viên cĩ thể viết code nhận gửi dữ liệu bằng JavaScript như khi đang sử dụng một TCP socket đơn thuần. Mặc dù được thiết kế để chuyên sử dụng cho các ứng dụng web, lập trình viên vẫn cĩ thể đưa chúng vào bất kỳ một loại ứng dụng nào [101]. Để cĩ thể sử dụng Websocket, ngồi trình duyệt hỗ trợ, cần phải cĩ server Websocket. Server Websocket cĩ thể được xây dựng bằng bất kỳ ngơn ngữ server-side nào. Tuy nhiên, NodeJS được sử dụng rộng rãi hơn cả vì nĩ viết bằng Javascript nên mang nhiều ưu điểm so với các ngơn ngữ server- side truyền thống khác.
Cơ chế hoạt động của Websocket:
Ban đầu client sẽ gửi yêu cầu khởi tạo kết nối Websocket đến server, server kiểm tra và gửi trả kết quả chấp nhận kết nối, sau đĩ kết nối được tạo và quá trình gửi dữ liệu cĩ thể được thực hiện, dữ liệu chính là các Websocket Message. Dữ liệu sẽ được truyền thơng qua một kết nối duy nhất được tạo ra