Đào sâu hơn một chút, có 3 loại mỡ: dưới da (dưới da), nội tạng (xung quanh các cơ quan) và tiêm bắp (ở giữa cơ, giống như một miếng bít tết bằng đá cẩm thạch). Lượng mỡ dưới da của cơ thể có thể giữ nguyên, nhưng mỡ nội tạng và mỡ trong cơ có thể tăng lên khi chúng ta già đi.
1.2. Nhiệm vụ của đề tài
Đề tài tiến hành thực hiện và nghiên cứu kỹ thuật liên quan đến phân tích lượng mỡ trong cơ thể, từ đó, phát triển thành một hệ thống hồn chỉnh có thể đo lường được phần trăm lượng mỡ trong cơ thể, thơng qua tín hiệu điện sinh học vốn có sẵn trong cơ thể.
Hệ thống được tiến hành thực hiện với mong muốn tạo ra một thiết bị có tính di động, tối giản, dễ dàng sử dụng, mang đến những trải nghiệm mới cho người sử dụng với độ
10
chính xác cao. Khi có thể dễ dàng xác định được phần trăm lượng mỡ trong cơ thể và so với bản đo tiêu chuẩn, chúng ta có thể phần nào hiểu được cơ thể và sức khỏe của mình một cách tốt nhất. Tuy chỉ đơn giản là một thông số, nhưng phần trăm lượng chất béo trong cơ thể phản ánh khá tốt tình trạng sức khỏe của mỗi người và mọi người có thể chủ động hơn trong việc bảo vệ sức khỏe ngay tại nhà.
1.3. Phạm vi giới hạn của đề tài
Đề tài thực hiện nghiên cứu và mô phỏng hệ thống ở phạm vi đo lường lượng chất béo có trong cơ thể. Chất béo được đo lường có đơn vị là % so với tổng khối lượng của cơ thể. Báo cáo sẽ trình bày về quy trình lên ý tưởng, lựa chọn linh kiện, thiết kế phần cứng, xây dựng phần mềm liên quan đến đo lường chất béo. Sau đó, chúng tơi sẽ thực hiện mơ phỏng trên máy tính thơng qua phần mềm Proteus và mô phỏng trong thực tế. Do vấn đề dịch Covid-19 đang diễn ra phức tạp tại thời điểm thực hiện đồ án này, nên đề tài không thể tiến hành đo thông số trên nhiều đối tượng.
11
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.1. Lên ý tưởng
Việc xác định lượng mỡ trong cơ thể có thể nghe như dễ dàng nhưng lại không hề đơn giản. Mặc dù chỉ là một hệ thống khá nhỏ, nhưng hệ thống này lại bao gồm đa số các phần cấu thành cơ bản như phần cứng, phần mềm, và bộ phận giao tiếp với người dùng, cũng như màn hình hiển thị. Trước khi có thể thực hiện ý tưởng một cách cụ thể và chính xác, những câu hỏi liên quan và xoanh quanh đề tài đã được đặt ra nhằm có một cái nhìn tổng quan và chi tiết nhất trong q trình hiện thực hóa.
2.2. Các câu hỏi phân tích vấn đề trong ý tưởng
- Phân tích mỡ thực chất là phân tích cái gì? Là việc dị tìm tổng lượng mỡ một
cách trực tiếp? Hay thông qua một thông số khác?
- Đã có những phương pháp hay kỹ thuật để xác định lượng mỡ trong cơ thể? Ưu
nhược điểm của những kỹ thuật đó?
- Phân tích này có cần sử dụng cảm biến dị tìm hay khơng? Nếu có thì đó là gì?
Tín hiệu thu được ở dạng gì? Có đặc trưng gì?
- Làm sao để thu được tín hiệu một cách hiệu quả nhất? Và xử lý tín hiệu sau khi
thu được thực hiện như thế nào?
- Cách mà người sử dụng sẽ giao tiếp với thiết bị?
- Cách loại bỏ các sai số và các vấn đề ảnh hưởng xung quanh?
Phân tích mỡ là thực hiện các kỹ thuật nhằm đo lường, tính tốn lượng chất béo trong cơ thể, thường dưới dạng phần trăm (%). Việc đo lường chất béo cơ thể có thể được thực hiện bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, với những thông số liên quan khác nhau, hay những cảm biến thu nhận các loại tín hiệu khác nhau, tùy thuộc vào kỹ thuật mà người muốn
12
đo chọn. Các kỹ thuật hay phương pháp đo lường chất béo có độ chính xác khác nhau cũng như chi phí khác nhau, ưu nhược điểm khác nhau, tùy vào nhu cầu và kinh tế của người muốn thực hiện phân tích.
2.3. Các kỹ thuật thường được sử dụng để đo lường và phân tích chất béo cơ thể 2.3.1 Cân thủy tĩnh (Hydrostatic Weighing) 2.3.1 Cân thủy tĩnh (Hydrostatic Weighing)
Bất kể vị trí mà chúng được thu nhận, các tế bào mỡ ở người được cấu tạo gần như hoàn toàn từ chất béo trung tính tinh khiết với mật độ trung bình khoảng 0,9 kg / lít. Hầu hết các phịng thí nghiệm thành phần cơ thể hiện đại ngày nay sử dụng giá trị 1,1 kg mỗi lít cho mật độ của "khối lượng khơng có chất béo", một mơ lý thuyết bao gồm 72% nước (tỷ trọng = 0,993), 21% protein (tỷ trọng = 1,340) và 7%. khoáng chất (tỷ trọng = 3.000) theo trọng lượng.
Với một hệ thống cân được thiết kế tốt, mật độ cơ thể có thể được xác định với độ chính xác cao bằng cách nhấn chìm hồn tồn một người trong nước và tính thể tích của phần nước bị dịch chuyển từ trọng lượng của phần nước bị dịch chuyển. Sự điều chỉnh được thực hiện đối với sức nổi của khơng khí trong phổi và các khí khác trong các khoang cơ thể. Nếu khơng có bất kỳ sai số nào trong việc đo mật độ cơ thể, thì độ khơng đảm bảo trong ước tính chất béo sẽ là khoảng ± 3,8% trọng lượng cơ thể, chủ yếu là do sự thay đổi bình thường của các thành phần cơ thể.
Độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc vào việc thổi tất cả khơng khí ra khỏi phổi trong quá trình kiểm tra trước đó. Bài kiểm tra này mất khoảng 20 – 30 phút, chi phí
13
Hình 2.1. Đo lường chất béo cơ thể thông qua phương pháp Cân thủy tĩnh (Hydrostatic Weighing)
2.3.2. Chụp cắt lớp vi điểm chuyển dịch khí tồn thân (Whole-body air displacement plethysmography)
Chụp cắt lớp vi tính dịch chuyển khơng khí tồn cơ thể (ADP) là một phương pháp đo mật độ được công nhận và xác nhận về mặt khoa học để đo tỷ lệ phần trăm mỡ trong cơ thể con người. ADP sử dụng các nguyên tắc tương tự như phương pháp tiêu chuẩn vàng để cân dưới nước, nhưng đại diện cho phương pháp đo tỷ trọng dựa trên sự dịch chuyển của khơng khí thay vì ngâm trong nước. Chụp cắt lớp vi tính dịch chuyển trong khơng khí cung cấp một số ưu điểm so với các phương pháp tham khảo đã được thiết lập, bao gồm quy trình đo nhanh chóng, thoải mái, tự động, khơng xâm lấn và an tồn, và chỗ ở của nhiều loại đối tượng khác nhau (ví dụ: trẻ em, người béo phì, người già và người khuyết tật). Tuy nhiên, độ chính xác của nó giảm ở mức cực đoan của tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể, có xu hướng giảm nhẹ tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể ở những người thừa cân và béo phì (1,68–2,94% tùy thuộc vào phương pháp tính tốn) và phóng đại ở mức độ lớn hơn nhiều so với tỷ lệ phần trăm lượng mỡ cơ thể ở những đối tượng
14
rất gầy (trung bình là 6,8%, với mức phóng đại lên đến 13% so với tỷ lệ cơ thể được báo
cáo của một cá nhân - tức là 2% mỡ cơ thể theo DXA nhưng 15% theo ADP).[4]
Hình 2. 2. Đo lường các thành phần cơ thể thông qua phương pháp Chụp cắt lớp vi điểm chuyển dịch khí tồn thân (Whole-body air displacement plethysmography)
2.3.3. Tương tác hồng ngoại gần (Near-infrared interactance)
Chùm tia hồng ngoại truyền vào bắp tay. Ánh sáng được phản chiếu từ cơ bên dưới và được chất béo hấp thụ. Phương pháp này an tồn, khơng xâm lấn, nhanh chóng và dễ sử dụng.[5]
2.3.4 Phép đo hấp thụ tia X năng lượng kép (Dual energy X-ray absorptiometry)
Phương pháp đo hấp thụ tia X năng lượng kép, hay DXA (trước đây là DEXA), là một phương pháp mới hơn để ước tính tỷ lệ phần trăm chất béo trong cơ thể và xác định thành phần cơ thể và mật độ khoáng của xương.
Tia X có hai năng lượng khác nhau được sử dụng để quét cơ thể, một tia bị chất béo hấp thụ mạnh hơn tia cịn lại. Một máy tính có thể trừ một hình ảnh khỏi hình ảnh kia và sự khác biệt cho biết lượng chất béo so với các mô khác tại mỗi điểm. Tổng trên tồn bộ hình ảnh cho phép tính tốn thành phần cơ thể tổng thể.
15
Bên cạnh đó, có một số thủ tục phức tạp hơn để xác định chính xác hơn tỷ lệ mỡ trong cơ thể. Một số, được gọi là mơ hình nhiều ngăn, có thể bao gồm phép đo DXA của xương, cộng với các phép đo độc lập về nước trong cơ thể (sử dụng nguyên tắc pha loãng với nước được đánh dấu đồng vị) và thể tích cơ thể (bằng cách dịch chuyển nước hoặc chụp cắt lớp vi tính). Nhiều thành phần khác có thể được đo độc lập, chẳng hạn như tổng lượng kali trong cơ thể.
Kích hoạt neutron in-vivo có thể định lượng tất cả các yếu tố của cơ thể và sử dụng các mối quan hệ toán học giữa các yếu tố đo được trong các thành phần khác nhau của cơ thể (chất béo, nước, protein, v.v.) để phát triển các phương trình đồng thời để ước tính tổng thành phần cơ thể, bao gồm cả cơ thể chất béo.
2.3.5 Đo mật độ trung bình của cơ thể (Body average density measurement)
Trước khi áp dụng DXA, phương pháp ước tính tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể chính xác nhất là đo mật độ trung bình của người đó (tổng khối lượng chia cho tổng thể tích) và áp dụng cơng thức để chuyển đổi tỷ lệ đó thành tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể.
Vì mơ mỡ có mật độ thấp hơn cơ và xương, nên có thể ước tính hàm lượng chất béo. Ước tính này bị sai lệch bởi thực tế là cơ và xương có mật độ khác nhau: đối với một người có lượng xương lớn hơn mức trung bình, ước tính sẽ q thấp. Tuy nhiên, phương pháp này cho kết quả có độ tái lập cao đối với từng người (± 1%), không giống như các phương pháp được thảo luận dưới đây, có thể có độ khơng đảm bảo đo 10% hoặc hơn. Tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể thường được tính từ một trong hai công thức (ρ đại diện cho mật độ bằng g/cm3):
Công thức Brozek: BF = (4,57 / ρ - 4,142) × 100 Cơng thức Siri là: BF = (4,95 / ρ - 4,50) × 100
16
Phương pháp phân tích trở kháng điện sinh học (BIA) là một phương pháp có chi phí
thấp hơn (từ dưới một đến vài trăm đô la Mỹ vào năm 2006)[6] nhưng kém chính xác hơn
để ước tính tỷ lệ phần trăm mỡ trong cơ thể. Nguyên tắc chung đằng sau BIA: hai hoặc nhiều dây dẫn được gắn vào cơ thể của một người và một dòng điện nhỏ được gửi qua cơ thể. Điện trở giữa các dây dẫn sẽ cung cấp một thước đo lượng mỡ trong cơ thể giữa một cặp điện cực, vì khả năng kháng điện thay đổi giữa mô mỡ, cơ và xương. Khối lượng khơng có chất béo (cơ) là một chất dẫn điện tốt vì nó chứa một lượng lớn nước (khoảng 73%) và chất điện giải, trong khi chất béo ở dạng khan và dẫn điện kém. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và độ chính xác của phương pháp này bao gồm thiết bị đo, các yếu tố đối tượng, kỹ năng của kỹ thuật viên và phương trình dự đốn được xây dựng để ước tính khối lượng khơng có chất béo.
Mỗi chân (trần) có thể được đặt trên một điện cực, với dòng điện được truyền lên một chân, qua bụng và xuống chân còn lại. (Để thuận tiện, một dụng cụ phải được dẫm lên cũng sẽ đo được trọng lượng.) Ngồi ra, mỗi tay có thể cầm một điện cực; tính tốn tỷ lệ phần trăm chất béo sử dụng trọng lượng, do đó phải được đo bằng cân và được nhập bởi người dùng. Hai phương pháp có thể đưa ra các tỷ lệ phần trăm khác nhau, nhưng khơng nhất qn, vì chúng đo chất béo ở các bộ phận khác nhau của cơ thể. Các dụng cụ phức tạp hơn để sử dụng trong gia đình có sẵn với các điện cực cho cả bàn chân và bàn tay.
Có rất ít phạm vi cho lỗi kỹ thuật viên như vậy, nhưng các yếu tố như ăn, uống và tập thể dục phải được kiểm sốt vì mức độ hydrat hóa là một nguồn sai số quan trọng trong việc xác định lưu lượng của dòng điện để ước tính lượng mỡ trong cơ thể. Các hướng dẫn sử dụng dụng cụ thường khuyến cáo không nên đo ngay sau khi uống hoặc ăn hoặc tập thể dục, hoặc khi bị mất nước. Các công cụ yêu cầu nhập các chi tiết như giới tính và tuổi, và sử dụng các cơng thức có tính đến những điều này; Ví dụ, đàn ơng và phụ nữ lưu trữ chất béo khác nhau xung quanh vùng bụng và vùng đùi.
17
Các máy phân tích BIA khác nhau có thể khác nhau. Các phương trình cụ thể về dân số có sẵn cho một số cơng cụ, chỉ đáng tin cậy đối với các nhóm dân tộc, dân số và điều kiện cụ thể. Các phương trình cụ thể về quần thể có thể khơng phù hợp với các cá thể khơng thuộc các nhóm cụ thể.
2.3.7 Phương pháp nhân trắc học (Anthropometric methods)
Có nhiều phương pháp nhân trắc học khác nhau để ước tính lượng mỡ trong cơ thể. Thuật ngữ nhân trắc học đề cập đến các phép đo được thực hiện từ các thông số khác nhau của cơ thể con người, chẳng hạn như chu vi của các bộ phận cơ thể khác nhau hoặc độ dày của da. Hầu hết các phương pháp này đều dựa trên một mơ hình thống kê. Một số phép đo được chọn và được áp dụng cho một mẫu dân số. Đối với mỗi cá thể trong mẫu, các phép đo của phương pháp được ghi lại và mật độ cơ thể của cá thể đó cũng được ghi lại, ví dụ, được xác định bằng cách cân dưới nước, kết hợp với mơ hình mật độ cơ thể nhiều ngăn. Từ dữ liệu này, một công thức liên hệ giữa các số đo cơ thể với mật độ được phát triển.
Bởi vì hầu hết các công thức nhân trắc học như phương pháp nếp gấp da Durnin-
Womersley,[7] phương pháp nếp gấp da Jackson-Pollock và phương pháp đo chu vi của
Hải quân Hoa Kỳ, thực sự ước tính mật độ cơ thể, khơng phải tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể, tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể thu được bằng cách áp dụng công thức thứ hai, chẳng hạn như như Siri hoặc Brozek được mô tả trong phần trên về mật độ. Do đó, tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể được tính tốn từ các nếp gấp trên da hoặc các phương pháp nhân trắc học khác mang sai số tích lũy từ việc áp dụng hai mơ hình thống kê riêng biệt. Do đó, các phương pháp này kém hơn so với phép đo trực tiếp mật độ cơ thể và chỉ áp dụng một công thức để ước tính tỷ lệ phần trăm mỡ trong cơ thể. Một cách để liên quan đến các phương pháp này là chúng đánh đổi độ chính xác để thuận tiện, vì việc thực hiện một vài phép đo cơ thể sẽ thuận tiện hơn nhiều so với việc ngâm các cá thể trong nước.
18
Vấn đề chính của tất cả các cơng thức có nguồn gốc thống kê là để có thể áp dụng rộng rãi, chúng phải dựa trên nhiều mẫu cá nhân. Tuy nhiên, bề rộng đó khiến chúng vốn dĩ khơng chính xác. Phương pháp ước tính thống kê lý tưởng cho một cá nhân là dựa trên một mẫu gồm các cá nhân tương tự. Ví dụ, một cơng thức mật độ cơ thể dựa trên nếp gấp da được phát triển từ một mẫu vận động viên chèo thuyền nam của trường đại học có thể chính xác hơn nhiều để ước tính mật độ cơ thể của vận động viên chèo thuyền nam đại học hơn là một phương pháp được phát triển bằng cách sử dụng một mẫu dân số chung, vì mẫu là thu hẹp theo độ tuổi, giới tính, trình độ thể dục, thể thao và các yếu tố lối sống. Mặt khác, công thức như vậy không phù hợp để sử dụng chung.
2.3.7.1 Phương pháp gấp da (Skinfold methods)
Các phương pháp ước lượng nếp da dựa trên một bài kiểm tra nếp da, còn được gọi là bài kiểm tra độ nhúm, theo đó độ nhúm da được đo chính xác bằng thước cặp, cịn