Thiết kế và thi công hệ thống phân tích mỡ dựa trên tín hiệu điện sinh học của cơ thể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG PHÂN TÍCH MỠ DỰA TRÊN TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC CỦA CƠ THỂ Ngành Kỹ thuật Y Sinh Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Hải Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Vũ Thị Châu Hảo 1711730061 17DYSA1 Bùi Vũ Thắng 1711730021 17DYSA1 TP Hồ Chí Minh, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG PHÂN TÍCH MỠ DỰA TRÊN TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG PHÂN TÍCH

MỠ DỰA TRÊN TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC CỦA CƠ THỂ

Ngành: Kỹ thuật Y Sinh

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trọng Hải

Vũ Thị Châu Hảo 1711730061 17DYSA1

TP Hồ Chí Minh, 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG PHÂN TÍCH

MỠ DỰA TRÊN TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC CỦA CƠ THỂ

Ngành: Kỹ thuật Y Sinh

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Trọng Hải

Vũ Thị Châu Hảo 1711730061 17DYSA1

TP Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2021

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên đăng ký đề tài (sĩ số trong nhóm…2…):

2 Tên đề tài đăng ký: thiết kế và thi công hệ thống phân tích mỡ dựa trên tín hiệu điện

sinh học của cơ thể

Sinh viên đã hiểu rõ yêu cầu của đề tài và cam kết thực hiện đề tài theo tiến độ và

MÃ ĐỀ TÀI: 79

Viện Kỹ thuật Hutech

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Mỗi sinh viên một phiếu, GVHD ghi rõ tên đề tài và nhiệm vụ của từng sinh viên

GVHD chuyển cho SV để nộp về VP Viện.)

1 Sinh viên thực hiện đề tài

2 Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống phân tích mỡ dựa trên tín hiệu điện sinh

học của cơ thể

3 Nhiệm vụ thực hiện đề tài:

• Tìm hiểu và nắm bắt cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và điều khiển của hệ thống phân tích mỡ cơ thể

• Thiết kế và thi công phần cứng và phần mềm của hệ thống

• Thiết kế và thi công mô hình sản phẩm hoàn thiện

• Thử nghiệm và thống kê kết quả có được từ hệ thống

Sinh viên thực hiện

MÃ ĐỀ TÀI: 79

Viện Kỹ thuật Hutech

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Mỗi sinh viên một phiếu, GVHD ghi rõ tên đề tài và nhiệm vụ của từng sinh viên

GVHD chuyển cho SV để nộp về VP Viện.)

1 Sinh viên thực hiện đề tài

2 Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống phân tích mỡ dựa trên tín hiệu điện sinh

học của cơ thể

3 Nhiệm vụ thực hiện đề tài:

• Tìm hiểu và nắm bắt cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và điều khiển của hệ thống phân tích mỡ cơ thể

• Thiết kế và thi công phần cứng và phần mềm của hệ thống

• Thiết kế và thi công mô hình sản phẩm hoàn thiện

• Thử nghiệm và thống kê kết quả có được từ hệ thống

Sinh viên thực hiện

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan, toàn bộ báo cáo và thực nghiệm dưới đây là do chính hai thành viên trong nhóm nghiên cứu và hoàn thành, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Hải và không sao chép của bất kỳ ai Ngoài ra, trong báo cáo có sử dụng một số tài liệu tham khảo đã được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng Các số liệu và kết quả trình bày đều hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Chúng tôi xin chịu hoàn toán trách nhiệm, kỷ luật của hội đồng nhà trường nếu có bất cứ vấn đề xảy ra

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 09 năm 2021

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ra ở đây là không bao giờ đủ so với những gì lời khuyên vô cùng hữu ích của thầy Dẫu vậy, chúng tôi vẫn muốn dành lời cảm ơn sâu sắc và chân thành, gửi đến thầy – người lái đò luôn tận tâm trong hành trình chèo lái từng lớp trẻ đến bến bờ tri thức

Trong suốt khoảng thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tốt nghiệp của mình, xin chân thành cảm ơn các anh kỹ thuật tại Công ty TNHH TM DV KT Healthcare TV, những người đã luôn giúp đỡ, giải đáp thắc mắc, cũng như truyền đạt những kinh nghiệm thực tế, để chúng tôi có thể hoàn thành luận án của mình với chất lượng tốt nhất Xin chân thành cảm ơn các anh

Nhìn lại khoảng thời gian cùng nhau nghiên cứu và phát triển luận án tốt nghiệp, lời cảm ơn cuối cùng chúng tôi xin dành cho bản thân và người cộng sự của mình Mỗi cá nhân trong chúng tôi đều đã nỗ lực hết mình, cùng nhau động viên và giúp đỡ lẫn nhau vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất Cảm ơn

Châu Hảo – Vũ Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG xi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 5

1.1 Biểu đồ lượng mỡ lý tưởng trong cơ thể 6

1.2 Nhiệm vụ của đề tài 9

1.3 Phạm vi giới hạn của đề tài 10

CHƯƠNG 2 11

2.1 Lên ý tưởng 11

2.2 Các câu hỏi phân tích vấn đề trong ý tưởng 11

2.3 Các kỹ thuật thường được sử dụng để đo lường và phân tích chất béo cơ thể 12

2.4 Lựa chọn kỹ thuật thực hiện 20

2.5 Cơ sở lý thuyết của phân tích trở kháng điện sinh học 22

2.5.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật phân tích trở kháng điện sinh học 22

2.5.2 Nguyên lý của kỹ thuật phân tích trở kháng điện sinh học 23

2.5.3 Bản chất của tế bào 26

2.5.4 Trở kháng điện sinh học của mô sinh học 27

2.5.5 Kỹ thuật phân tích lượng mỡ trong cơ thể thông qua trở kháng điện sinh học 28

CHƯƠNG 3 31

3.1 Phân tích trở kháng điện sinh học và các vấn đề liên quan 31

3.2 Quá trình xây dựng đồ án 36

3.3 Tổng quan về phần cứng và linh kiện 41

3.3.1 ATMEGA 1284P-PU 41

3.3.2 LINEAR OPTOCOUPLER IL-300 44

3.3.3 IC LF-353P 46

3.3.4 Bàn phím ma trận mềm 4x4 47

3.3.5 LCD 16x2 49

3.4 Tổng quan về phần mềm và các phần liên quan 51

3.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C 51

3.4.2 Giới thiệu CodevisionAVR - Soạn thảo và biên dịch chương trình cho chip họ AVR 53

3.4.3 Cổng kết nối USBasp 56

CHƯƠNG 4 58

4.1 Giới thiệu 58

4.2 Sơ đồ hệ thống 59

4.3 Hệ thống thu nhận tín hiệu điện trở kháng từ cơ thể 63

4.3.1 Mạch cách ly tín hiệu từ MCU - vi điều khiển 63

4.3.2 Mạch trở kháng của con người - nhận điện áp trên hai điện cực 64

4.3.3 Mạch cách ly quang với bộ lọc thông thấp: Cách ly tín hiệu trở lại MCU 65

4.4 Hệ thống phân tích và xử lý tín hiệu điện trở kháng của cơ thể 66

4.4.1 Tổng quan hệ thống 66

4.4.2 Tạo sóng vuông 50kH từ vi điều khiển 67

4.4.3 Tính toán giá trị lượng mỡ trong cơ thể 68

4.4.4 Lập trình giao tiếp LCD và Keypad 71

CHƯƠNG 5 74

5.1 Lắp ráp và mô phỏng trên board mạch 74

5.2 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm proteus 76

5.2.1 Tạo sóng vuông 76

5.2.2 Đọc tín hiệu từ ngõ vào ADC 77

5.2.3 Nhập dữ liệu từ, hiển thị và tính toán 78

CHƯƠNG 6 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu Chữ viết đầy đủ theo Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt của ký hiệu

lượng kép

học

Analysis

Sự phân tích vector trở kháng điện sinh học

điện áp đầu cực máy phát điện

20 UART Universal Asynchronous Receiver Bộ truyền nhận nối tiếp bất

đồng bộ

sáng

cổng nối

29 LCD Liquid Crystal Display Thiết bị hiển thị

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu đồ phần trăm lượng mỡ theo ACE 7

Hình 1.2 Biểu đồ phần trăm lượng mỡ theo Jackson & Pollock 9

Hình 2.1 Đo lường chất béo cơ thể thông qua phương pháp Cân thủy tĩnh (Hydrostatic Weighing) 13

Hình 2.2 Đo lường các thành phần cơ thể thông qua phương pháp Chụp cắt lớp vi điểm chuyển dịch khí toàn thân (Whole-body air displacement plethysmography) 14

Hình 2.3 Thước đo lượng mỡ cơ thể 19

Hình 2.4 Nguyên lý của BIA từ tính chất vật lý đến thành phần cơ thể Hình trụ tượng trưng cho mối quan hệ giữa trở kháng và hình học 24

Hình 2.5 Cơ thể con người bao gồm điện trở và điện dung được kết nối song song hoặc nối tiếp 25

Hình 2.6 Dòng chảy của dòng điện xoay chiều tại các mức tần số khác nhau trong mô của cơ thể 27

Hình 2.7 Màng plasma của tế bào và mạch điện tương ứng của nó 28

Hình 2.8 Các phân đoạn và ngăn chính của cơ thể 29

Hình 2.9 Vị trí tiêu chuẩn của các điện cực trên bàn tay và cổ tay và bàn chân và mắt cá chân đối đối với đo trở kháng bằng tần số 30

Hình 3.1 Cấu trúc logic của hệ thống 40

Hình 3.2 ATMEGA 1284P-PU 42

Hình 3.3 Sơ đồ chân ATMEGA 1284P-PU 44

Hình 3.4 Linear optocoupler IL-300 45

Hình 3.5 Sơ đồ chân của IC LF 353P 47

Hình 3.6 Bàn phím ma trận mềm 4x4 48

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý chân của bàn phím ma trận mềm 4x4 48

Hình 3.8 Sơ đồ chân của bàn phím ma trận mềm 4x4 49

Hình 3.9 LCD 16x2 xanh dương 5V 50

Hình 3.10 Môi trường phát triển của CodevisionAVR 55

Hình 3.11 Mạch nạp AVR cổng USBasp 56

Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống đo lường lượng mỡ cơ thể dựa trên tín hiệu trở kháng người 62

Hình 4.2 Mạch cách ly tín hiệu từ MCU - vi điều khiển 63

Hình 4.3 Mạch trở kháng của con người 64

Hình 4.4 Mạch cách ly quang với bộ lọc thông thấp 65

Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 67

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật hienthi() 72

Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật quet_phim() 73

Hình 5.1 Mô hình gồm LCD, bàn phím và USBasp 75

Hình 5.2 Phần cứng hệ thống cách ly và thu nhận trở kháng (1) Mạch cách ly tín hiệu xung vuông từ vi điều khiển (2) Mạch cách ly tín hiệu trở kháng trở về vi điều khiển (3) Mạch thu nhận tín hiệu trở kháng người (4) Mạch tạo nguồn +-4,5V 75

Hình 5 3 Thu tín hiệu trở kháng thông qua điện cực (a) Kết nối kẹp với mạch thu trở kháng (b) Điện cực tính Ag/AgCl (c) Điện cực nối cổ tay (d) Điện cực nối cổ chân 76 Hình 5.4 Mô phỏng tạo xung vuông 50kHz 77

Hình 5.5 Tín hiệu từ ADC hiển thị lên mỗi 0.5s 77

Hình 5 6 Chức năng nhập thông tin và tính toán (a) Nhập thông số tuổi (b) Nhập thông

số cân nặng (c) Nhập thông số giới tính (d) Tính toán lượng chất béo dựa trên thông số

đã nhập 79 Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống (trái), Sơ đồ sau khi nạp chương trình (phải) 80 Hình 5 8 Nạp chương trình vào mô phỏng thực tế 80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số của ATMEGA 1284P-PU 43

Bảng 3 2 Đặc trưng và ứng dụng của LINEAR OPTOCOUPLER IL-300 45

Bảng 3 3 Thông số của LINEAR OPTOCOUPLER IL-300 46

Bảng 3.4 IC LF 353P 46

Bảng 3.5 Đặc trưng và Ứng dụng của IC LF 353P 47

Bảng 5.1 Bảng danh sách linh kiện 74

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thế giới hiện đại, khi những tiến bộ của khoa học kỹ thuật dần được áp dụng vào nông nghiệp, khiến năng suất và chất lượng thực phẩm tăng, và những vấn đề về lương thực dần không còn là đáng lo ngại, thì một vấn đề tương đương lại xuất hiện Tình trạng thừa cân béo phì trên thế giới đang tăng cao và chưa hề có dấu hiệu giảm xuống, nhất là ở những người bận rộn, thường xuyên sử dụng các loại thức ăn nhanh và đặc biệt là trẻ em

Tỷ lệ mắc béo phì đang gia tăng ở mức báo động tại nhiều nơi trên thế giới Khoảng

2 tỷ người thừa cân và một phần ba trong số họ bị béo phì Dựa vào các dữ liệu có sẵn

về tỷ lệ hiện mắc và xu hướng bệnh lý, cũng như bằng chứng dịch tễ học về mối liên quan giữa bệnh béo phì và một loạt các điều kiện sức khỏe tâm lý xã hội và thể chất thì, thật hợp lý khi mô tả béo phì như một cuộc khủng hoảng sức khỏe cộng đồng, làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng cuộc sống của người dân, gây hại đáng kể ngân sách y tế quốc gia Những hành động liên ngành để quản lý và phòng ngừa béo phì là cấp bách để đảo ngược xu hướng hiện nay (pdf, gánh nặng toàn cầu của béo phì) Nghiên cứu gánh nặng toàn cầu của béo phì và WHO gần đây đã ghi nhận rằng, béo phì góp phần chủ yếu đối với sức khỏe – bệnh tật, tàn phế và tử vong tại nhiều khu vực trên thế giới (15,16)

Do tác động lớn của béo phì lên sức khỏe dân số trên toàn thế giới, một chiến lược hiệu quả để phòng ngừa và quản lý dịch bệnh là rất cần thiết Với tình hình thực tiễn được đưa ra phía trên, nhiều nghiên cứu xã hội đã chỉ ra rằng, việc nâng cao ý thức mỗi người trong việc đẩy lùi bệnh béo phì là vô cùng quan trọng Vì lẽ đó, các thiết bị quản

lý và theo dõi tình trạng chất béo của cá nhân được ra đời và được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng hiện nay

Khi mỗi người dân đều có ý thức trong việc sử dụng thực phẩm, theo dõi cân nặng và lượng chất béo trong cơ thể ở mỗi thời điểm nhất định, việc làm này có thể sẽ giảm tỷ lệ các ca mặc béo phì trong xã hội Theo dõi chất béo còn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tầm quan trọng của việc chăm sóc sức khỏe bản thân, dẫn đến một cộng đồng khỏe mạnh, giảm các chi phí y tế và phúc lợi xã hội để bù đắp qua các khoản chi cấp bách khác

Luận án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công hệ thống phân tích mỡ dựa trên tín hiệu điện sinh học của cơ thể” được đưa ra, nhằm góp một phần nhỏ công sức trong việc giải quyết các vấn đề của cộng đồng nói chung và vấn đề của từng cá nhân nói riêng

2 Tình hình nghiên cứu (tóm tắt về đề tài, công trình nghiên cứu đã công bố có liên quan đến đề tài)

Với thực trạng trên, luận án tốt nghiệp này hướng đến việc đưa ra một giải pháp trong việc tính toán lượng chất béo của cơ thể, thông qua tín hiệu sinh học đang tồn tại trong chính chúng ta Hệ thống sử dụng điện cực tiếp xúc da để đo tín hiệu trở kháng sinh học,

từ đó tính toán và cuối cùng là cung cấp con số ước tính cho phần trăm lượng chất béo, phụ thuộc vào các thông số của từng người về: giới tính, độ tuổi, cân nặng

Khi vấn đề về quá cân và béo phì trở thành một trong những vấn đề nhức nhối đối với toàn xã hội, việc đo tỷ lệ mỡ trong cơ thể bỗng chốc trở nên khá phổ biến và chiếm nhiều

ưu thế Vậy nên, đã có nhiều phương pháp đo tỷ lệ mở trong cơ thể khác nhau được nghiên cứu và đưa ra công chúng, như: sử dụng thước dây đo chu vi vòng eo, sử dụng thước kẹp, cân đo lượng mỡ cơ thể, trọng lượng thủy tĩnh, phép đo chuyển vị không khí, thực hiện cộng hưởng từ (MRI) hoặc chụp cắt lớp vi tính (CT),…

 Có rất nhiều cách khác nhau để đo chính xác tỷ lệ mỡ trong cơ thể Bên cạnh một

số phương pháp đơn giản, chi phí thấp, còn có những phương pháp khá phức tạp

và tốn kém Tuy nhiên, một người bình thường vẫn có thể ước tính phần trăm chất béo trong cơ thể của họ tại nhà bằng phương pháp tiện dụng hơn

3 Mục đích nghiên cứu

Như đã đề cập đến, luận án tốt nghiệp này hướng đến việc đưa ra một giải pháp trong việc tính toán lượng chất béo của cơ thể Việc cá nhân hóa phương pháp quản lý chất béo của cơ thể có thể giúp con người chủ động hơn trong việc theo dõi và bảo vệ sức khỏe của chính mình, cũng như là các thành viên khác trong gia đình ngay tại nhà, tiết kiệm thời gian và chi phí di chuyển đến nơi khác Bên cạnh đó, những số liệu liên quan đến chất béo đang hiện có trong cơ thể cũng giúp từng cá nhân kịp thời phát hiện, phòng ngừa và ngăn chặn những rủi ro liên quan đến các bệnh về thừa cân, béo phì, hoặc thậm chí là bệnh nan y khó chữa

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Với mục tiêu nghiên cứu hệ thống phân tích và đưa ra ước tính lượng mỡ trong cơ thể nhờ vào tín hiệu trở kháng sinh học, đề tài sẽ thực hiện những nghiên cứu liên quan đến nguồn gốc tín hiệu trở kháng sinh học, cách thu nhận và xử lý trở kháng của cơ thể, đưa

ra phương pháp ước tính lượng mỡ thông qua trở kháng và mô hình hóa thành sản phẩm thực tế Cụ thể nhiệm vụ nghiên cứu như sau:

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu bằng việc vận dụng lý thuyết đã học và cơ sở dữ liệu thực tiễn, những nghiên cứu đã được hoàn thành, kết hợp với các phương pháp như sau:

6 Các kết quả đạt được của đề tài

Sau khi đề tài được tiến hành nghiên cứu, mô phỏng nhiều lần, đề tài đã đạt được kết quả như sau:

- Tạo ra được sóng vuông 50kHz từ vi điều khiển và dòng điện xoay chiều 10uA

- Đọc được giá trị điện trở ADC

- Tính toán phần trăm lượng chất béo theo các thông số có sẵn và điện trở kháng

- Hoàn thành lập trình phần mềm thu nhận dữ liệu, chuyển đổi chức năng và hiện thị dữ liệu tương ứng

7 Kết cấu của luận án tốt nghiệp

Luận án tốt nghiệp được trình bày thành chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan giải pháp

Chương 3: Phương pháp giải quyết

Chương 4: Mô hình hệ thống phân tích mỡ dựa trên tín hiệu trở kháng người Chương 5: Thi công hệ thống

Chương 6: Đánh giá kết quả và kết luận

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

Từ cuối năm 2019 đến đầu năm 2020, thế giới bắt đầu xuất hiện một đại dịch mới – bệnh viêm phổi do vi rút SAR-COVID 2 gây ra, dịch bệnh này đã khiến cho cục diện về kinh tế, chính trị, y tế, giáo dục… thay đổi hoàn toàn Khi số ca nhiễm bệnh cũng như các ca tử vong trên thế giới ngày càng tăng lên, nhiều quốc gia và thành phố trên thế giới

đã áp dụng biện pháp cách ly phong tỏa, và trong số đó có Việt Nam Dịch bệnh khiến cho các công ty và nhà máy rơi vào tình trạng ngừng hoạt động, và đa số người dân hiện nay đều bắt buộc hạn chế ra khỏi nhà nếu không có việc cần thiết Gần như tất cả công việc đều được giải quyết từ nhà, và mọi người đều làm việc tại nhà để đảm bảo sức khỏe một cách tối ưu nhất

Tuy nhiên, việc ở nhà quá thường xuyên, trong một không gian nhỏ, chật hẹp khiến cho sức khỏe của người dân xấu đi theo một chiều hướng khác Có thể thấy một cách rõ ràng rằng, vì không phải đi ra khỏi nhà nên mọi người gần như trở nên ù lì, “làm bạn với giường” và lười vận động Cũng vì những lý do đó, lượng calo không thể tiêu hao hết được cơ thể tích tụ lại ngay trong chính cơ thể mỗi người và được chuyển hóa thành một dạng khác, gọi là mỡ

Chất béo hay lượng mỡ trong cơ thể người là một thông số khá phổ biến, tuy nhiên, nhiều người vẫn còn bỏ qua nhiều sự phản ánh liên quan đến tình hình sức khỏe do thông

số này mang lại Nhìn thấy được hiện trạng đó, nhóm đã lên ý tưởng thiết kế một hệ thống nhỏ, giúp đo được lượng mỡ trong cơ thể người một cách đơn giản, nhưng hiệu quả và tiện lợi cho tất cả mọi người Thiết bị này có thể giúp chúng ta tính toán phần trăm lượng mỡ đang tồn tại trong chính cơ thể của mình Từ thông tin đó, ta có thể biết thêm được một phần tình trạng cơ thể hiện tại ngay tại nhà và thay đổi lại chế độ sinh

hoạt cho phù hợp hơn để mỡ thừa không tiếp tục tích tụ, và gây ra những tình trạng đáng tiếc

Tỷ lệ phần trăm chất béo trong cơ thể (Body Fat Percentage) của một người hoặc một sinh vật là tổng khối lượng chất béo chia cho tổng khối lượng cơ thể, nhân với 100; chất béo cơ thể bao gồm chất béo cơ thể thiết yếu và chất béo cơ thể lưu trữ Chất béo cần thiết là cần thiết để duy trì sự sống và các chức năng khác Tỷ lệ chất béo cơ thể cần thiết của phụ nữ lớn hơn năm giới, do nhu cầu sinh sản và các chức năng nội tiết tố khác Lưu trữ chất béo trong cơ thể bao gồm sự tích tụ chất béo trong mô mỡ, một phần trong đó bảo vệ các cơ quan nội tạng ở ngực và bụng Theo nhiều nghiên cứu, chất béo trong cơ thể cao có thể làm tăng nguy cơ mắc các bệnh như tiểu đường và tim mạch, tuy nhiên, việc có quá ít chất béo trong cơ thể cũng có thể có hại, có khả năng ảnh hưởng đến khả năng sinh sản, khả năng miễn dịch và sức khỏe tim mạch Một số phương pháp có sẵn

để xác định tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể, chẳng hạn như đo bằng thước cặp hoặc thông qua việc sử dụng phân tích trở kháng điện sinh học

Tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể là thước đo mức độ thể chất, vì nó là phép đo cơ thể duy nhất trực tiếp tính toán thành phần cơ thể tương đối của một người mà không liên quan đến chiều cao hay cân nặng Chỉ số khối cơ thể (BMI) được sử dụng rộng rãi cung cấp một thước đo cho phép so sánh độ béo của các cá nhân có chiều cao và cân nặng khác nhau Trong khi BMI phần lớn tăng khi độ mỡ tăng lên, do sự khác biệt về thành phần cơ thể, các chỉ số khác về chất béo trong cơ thể cho kết quả chính xác hơn Ví dụ, những người có khối lượng cơ lớn hơn hoặc xương lớn hơn sẽ có chỉ số BMI cao hơn Như vậy, BMI là một chỉ số hữu ích về thể lực tổng thể cho một nhóm lớn người, nhưng lại là một công cụ kém để xác định sức khỏe của một cá nhân

1.1 Biểu đồ lượng mỡ lý tưởng trong cơ thể

Về mặt dịch tễ học, tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể của một cá nhân thay đổi tùy theo giới tính và tuổi tác.[1] Các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau tồn tại về mối quan

hệ giữa tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể, sức khỏe, năng lực thể thao, v.v Do đó, các cơ quan chức năng khác nhau đã phát triển các khuyến nghị khác nhau về tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể lý tưởng Phần dưới đây sẽ trình bày hai biểu đồ tỷ lệ phần trăm chất béo

cơ thể khác nhau từ hai nghiên cứu khác nhau

1.1.1 The American Council on Exercise (ACE) [2]

Biểu đồ dưới đây của Hội đồng Thể thao Hoa Kỳ (ACE) là một trong những biểu đồ

về chất béo cơ thể được sử dụng phổ biến nhất Có thể thấy được rằng, phụ nữ có tỷ lệ

mỡ cơ thể cao hơn so với nam giới ở một mức nhất định Phụ nữ béo hơn do sự khác biệt

về sinh lý như nội tiết tố, ngực và cơ quan sinh dục Ngoài ra, phụ nữ cần một lượng chất béo cơ thể cao hơn để rụng trứng

Hình 1.1 Biểu đồ phần trăm lượng mỡ theo ACE

“Chất béo thiết yếu” là lượng chất béo tối thiểu cần thiết cho sức khỏe thể chất và sinh

lý cơ bản Có rất nhiều tranh cãi về lượng chất béo trong cơ thể là tối ưu cho sức khỏe tổng thể Một bài báo nghiên cứu của Gallagher et al trên Tạp chí Dinh dưỡng Lâm sàng Hoa Kỳ (2000) đã đưa ra kết luận rằng một số lượng chất béo cơ thể thấp nhất định

là “thiếu chất béo”, có nghĩa là “không lành mạnh” Theo tài liệu nghiên cứu này, nam

giới từ 20-40 tuổi có lượng mỡ cơ thể dưới 8% được coi là “thiếu chất béo”, trong khi phạm vi “khỏe mạnh” được mô tả là từ 8-19% Đối với phụ nữ trong cùng độ tuổi này, bất kỳ mức độ nào dưới 21% là “thiếu chất béo” và 21-33% được coi là “khỏe mạnh” Theo Marc Perry – người sáng lập BuiltLean, ông đã nói trong một bài báo rằng “theo quan điểm của tôi, tôi nghĩ chất béo cơ thể là một trong những thước đo sức khỏe quan trọng, nhưng nói rằng một mức độ chất béo cơ thể nhất định là "không tốt cho sức khỏe" không đưa ra toàn bộ câu chuyện Trên thực tế, một số người thừa cân tập thể dục có thể khỏe mạnh hơn những người gầy hơn không tập thể dục.3 Ngược lại, ngụ ý rằng bất kỳ

ai có cơ thể sáu múi (dưới 8% lượng mỡ cơ thể đối với nam giới), rất khỏe mạnh và ăn uống tốt là " thiếu chất béo ”, hoặc“ không lành mạnh ”là một vết rạn da Tất cả chúng

ta đều có hình dạng, kích thước và cấu hình phân bổ chất béo khác nhau, nhưng tôi nghĩ biểu đồ trên là một điểm khởi đầu tốt.”

Hạn chế của biểu đồ ACE là trong khi tính đến sự khác biệt về giới tính, nhưng lại không tính đến độ tuổi của mỗi người

1.1.2 Biểu đồ Jackson & Pollock

Để đọc được biểu đồ này, chỉ cần tìm tuổi trên cột bên trái, sau đó xem tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể tương ứng ở bên phải Vì vậy, nếu người đọc là một người đàn ông 30 tuổi, tỷ lệ mỡ trong cơ thể khoảng 12,7% được coi là lý tưởng

Có thể nhận thấy rằng, khi tuổi tăng lên, lượng mỡ cơ thể chấp nhận được trong phạm

vi này cũng tăng theo Tóm lại, các biểu đồ này dựa trên các giả định thống kê Những người lớn tuổi có xu hướng có mật độ cơ thể thấp hơn đối với các số đo nếp gấp da giống nhau, điều này được cho là biểu thị tỷ lệ phần trăm mỡ trong cơ thể cao hơn Tuy nhiên, những người lớn tuổi, thể thao có thể không phù hợp với giả định này vì mật độ cơ thể của họ có thể bị đánh giá thấp

Hình 1.2 Biểu đồ phần trăm lượng mỡ theo Jackson & Pollock

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 hoàn chỉnh có thể đo lường được phần trăm lượng mỡ trong cơ thể, thông 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

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 tôi sẽ thực hiện mô phỏng trên máy tính thông 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

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 quá 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 dò 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 dò tìm hay không? 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 toán 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

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)

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 phòng 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 không có chất béo", một mô 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 hoàn toàn 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 không khí trong phổi và các khí khác trong các khoang

cơ thể Nếu không có bất kỳ sai số nào trong việc đo mật độ cơ thể, thì độ không 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 không khí ra khỏi phổi trong quá trình kiểm tra trước đó Bài kiểm tra này mất khoảng 20 – 30 phút, chi phí

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 toàn thân (Whole-body air displacement plethysmography)

Chụp cắt lớp vi tính dịch chuyển không khí toàn 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 không khí thay vì ngâm trong nước Chụp cắt lớp vi tính dịch chuyển trong không 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, không xâm lấn và an toàn,

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 toán) và phóng đại ở mức độ lớn hơn nhiều so với tỷ lệ phần trăm lượng mỡ cơ thể ở những đối tượng

rất gầy (trung bình là 6,8%, với mức phóng đại lên đến 13% so với tỷ lệ cơ thể được báo

Hình 2 2 Đo lường các thành phần cơ thể thông qua phương pháp Chụp cắt lớp vi

điểm chuyển dịch khí toàn 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 toàn, không 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 còn 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 toàn bộ hình ảnh cho phép tính toán thành phần cơ thể tổng thể

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 mô 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 công thức để chuyển đổi tỷ lệ đó thành tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể

Vì mô 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 quá 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 không 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

Công thức Siri là: BF = (4,95 / ρ - 4,50) × 100

2.3.6 Phân tích trở kháng điện sinh học (Bioelectrical Impedance Analysis)

Phương pháp phân tích trở kháng điện sinh học (BIA) là một phương pháp có chi phí

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 không 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 đoán được xây dựng để ước tính khối lượng không 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.) Ngoài ra, mỗi tay có thể cầm một điện cực; tính toán 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 không nhất quán, 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 soát 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 công thức có tính đến những điều này; Ví dụ, đàn ông

và phụ nữ lưu trữ chất béo khác nhau xung quanh vùng bụng và vùng đùi

Các máy phân tích BIA khác nhau có thể khác nhau Các phương trình cụ thể về dân

số có sẵn cho một số công 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 không phù hợp với các cá thể không 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 mô 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 mô 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

Hải quân Hoa Kỳ, thực sự ước tính mật độ cơ thể, không 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 toán từ các nếp gấp trên da hoặc các phương pháp nhân trắc học khác mang sai số tích lũy từ việc áp dụng hai mô 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

Vấn đề chính của tất cả các công 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 không 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 công 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, còn được gọi là plicometer, tại một số điểm tiêu chuẩn trên cơ thể để xác định độ dày lớp mỡ dưới da Các phép đo này được chuyển đổi thành tỷ lệ phần trăm chất béo cơ thể ước tính bằng một phương trình Một số công thức yêu cầu ít nhất là ba phép đo, những công thức khác có thể lên đến bảy Độ chính xác của những ước tính này phụ thuộc nhiều hơn vào sự phân bố chất béo cơ thể duy nhất của một người hơn là vào số lượng vị trí được

đo Ngoài ra, điều quan trọng nhất là kiểm tra ở một vị trí chính xác với áp suất cố định Mặc dù nó có thể không cho kết quả chính xác về tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể thực, nhưng đây là một thước đo đáng tin cậy về sự thay đổi thành phần cơ thể trong một khoảng thời gian, miễn là xét nghiệm được thực hiện bởi cùng một người với cùng một kỹ thuật Việc ước tính lượng mỡ cơ thể dựa trên nếp gấp da nhạy cảm với loại thước cặp và

kỹ thuật được sử dụng Phương pháp này cũng chỉ đo một loại mỡ: mô mỡ dưới da (mỡ dưới da) Hai cá nhân có thể có số đo gần giống nhau ở tất cả các vị trí nếp gấp da, nhưng khác nhau rất nhiều về mức độ chất béo trong cơ thể của họ do sự khác biệt về các chất béo khác trong cơ thể, chẳng hạn như mô mỡ nội tạng: chất béo trong khoang bụng Một

số mô hình giải quyết một phần vấn đề này bằng cách bao gồm tuổi làm một biến trong thống kê và công thức kết quả Những người lớn tuổi được phát hiện có mật độ cơ thể thấp hơn đối với các phép đo nếp gấp da giống nhau, điều này được cho là có nghĩa là tỷ

lệ mỡ cơ thể cao hơn Tuy nhiên, những người lớn tuổi, thể thao cao có thể không phù hợp với giả định này, khiến công thức đánh giá thấp mật độ cơ thể của họ

Hình 2 3 Thước đo lượng mỡ cơ thể

2.3.7.2 Siêu âm (Ultrasound)

Siêu âm được sử dụng rộng rãi để đo cấu trúc mô và đã được chứng minh là một kỹ thuật chính xác để đo độ dày lớp mỡ dưới da Hệ thống siêu âm chế độ A và chế độ B hiện được sử dụng và cả hai đều dựa vào việc sử dụng các giá trị được lập bảng của tốc

độ âm thanh mô và phân tích tín hiệu tự động để xác định độ dày của mỡ Bằng cách thực hiện các phép đo độ dày ở nhiều vị trí trên cơ thể, bạn có thể tính toán tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể ước tính Kỹ thuật siêu âm cũng có thể được sử dụng để đo trực tiếp độ dày của cơ và định lượng mỡ tiêm bắp Thiết bị siêu âm đắt tiền và không hiệu quả về

chi phí chỉ để đo lượng mỡ trong cơ thể, nhưng ở những nơi có thiết bị, chẳng hạn như

ở bệnh viện, chi phí bổ sung cho khả năng đo lượng mỡ cơ thể là tối thiểu

2.3.7.3 Chỉ số khối cơ thể (Body mass index – BMI)

Chất béo cơ thể có thể được ước tính từ chỉ số khối cơ thể (BMI), khối lượng của một người tính bằng kg chia cho bình phương chiều cao tính bằng mét; nếu cân nặng được

đo bằng pound và chiều cao bằng inch, kết quả có thể được chuyển đổi thành BMI bằng cách nhân với 703 Có một số công thức được đề xuất liên quan chất béo cơ thể với chỉ

số BMI Các công thức này dựa trên công trình của các nhà nghiên cứu được công bố trên các tạp chí được bình duyệt, nhưng mối tương quan của chúng với chất béo trong

cơ thể chỉ là ước tính; chất béo cơ thể không thể được suy luận chính xác từ chỉ số BMI Chất béo trong cơ thể có thể được ước tính từ chỉ số khối cơ thể bằng các công thức

do Deurenberg và các đồng nghiệp đưa ra Khi tính toán, mối quan hệ giữa tỷ lệ phần trăm mỡ cơ thể (BF%) được xác định bằng mật độ và BMI phải tính đến tuổi và giới tính Việc xác nhận chéo bên trong và bên ngoài của các công thức dự đoán cho thấy rằng chúng đã đưa ra các ước tính hợp lệ về lượng mỡ cơ thể ở nam và nữ ở mọi lứa tuổi Tuy nhiên, ở các đối tượng béo phì, các công thức dự đoán đã đánh giá quá cao% BF Sai số dự đoán có thể so sánh với sai số dự đoán thu được với các phương pháp ước tính BF% khác, chẳng hạn như phép đo độ dày nếp gấp và trở kháng điện sinh học Công thức cho trẻ em là khác nhau; Mối quan hệ giữa BMI và% BF ở trẻ em khác với ở người lớn do sự gia tăng liên quan đến chiều cao của BMI ở trẻ em từ 15 tuổi trở xuống

2.4 Lựa chọn kỹ thuật thực hiện

Thông qua các câu hỏi đã tự đặt ra ở trên và phân tích từng phương pháp đo lường phần trăm chất béo trong cơ thể được đề cập đến phía trên, nhóm quyết định sẽ lựa chọn

kỹ thuật phân tích chất béo thông qua tín hiệu trở kháng điện sinh học Đây là một phương pháp đã được khám phá từ rất lâu và được ứng dụng vô cùng rộng rãi vào thực

tế, bên cạnh đó, đây cũng là một khía cạnh khá mới mẻ đối với nhóm và cũng là vấn đề

chưa từng được đề cập đến trong suốt quá trình học tập tại trường Thông qua các tài liệu tham khảo về phương pháp phân tích trở kháng điện sinh học, nhóm nhận ra đây cũng là một phương pháp có thể thực hiện được trong khả năng của một sinh viên năm 4 Do đó, nhóm quyết định thực hiện các nghiên cứu dựa trên các tài liệu khoa học có sẵn, khám phá, và tạo ra một mô hình có thể đo lường phần trăm chất béo trong cơ thể thông qua phân tích điện trở kháng sinh học

Sự dẫn dòng điện xoay chiều trong cơ thể là thông qua hàm lượng nước của nó hay nói đúng hơn là dung dịch các chất điện giải trong cơ thể (Hoffer và cộng sự, 1969; Kushner và Schoeller, 1986) Dòng điện xoay chiều được sử dụng để phân tích trở kháng điện sinh học vì nó xuyên qua cơ thể ở mức điện áp và cường độ dòng điện thấp Trong một cấu trúc điện phức tạp như cơ thể người, phần thể tích chất lỏng hoặc total body water (TBW) được đo bằng trở kháng điện sinh học cũng là một hàm của tần số dòng điện Ở tần số thấp dưới 5 kHz, dòng điện sinh học di chuyển chủ yếu qua chất lỏng ngoại bào, nhưng khi tần số tăng lên, dòng điện bắt đầu thâm nhập vào các mô cơ thể, tạo ra điện trở và số đo của dòng điện này bắt đầu đại diện cho nhiều thước đo hơn của TBW Ở tần số cao (trên 100 kHz), dòng điện được cho là xuyên qua tất cả các mô của

cơ thể dẫn điện hoặc toàn bộ tổng lượng nước trong vật dẫn và được cho là vượt qua các đặc tính điện dung của cơ thể, làm giảm điện trở về không Cũng đã có một sơ đồ mạch điện được sử dụng để mô tả hoặc mô hình hóa các đặc tính điện của các mối quan hệ trở kháng-cơ thể trong nước-ngoại bào (Nyboer, 1959; Schwan và Kay, 1956), sẽ được mô

tả trong các chương sau.[8]

Tóm lại, kỹ thuật được áp dụng trong việc phân tích lượng mỡ cơ thể là phân tích điện trở kháng trong cơ thể Đây là một kỹ thuật được phát hiện trong những năm của thế kỷ 20, tuy nhiên, nó lại mang đến những giá trị ước tính chính xác về lượng mỡ cơ thể Bên cạnh đó, việc sử dụng công thức tính toán giá trị lượng mỡ thông qua giá trị tín

hiệu điện trở kháng cũng ảnh hưởng đến mức độ chính xác của kết quả cuối cùng Công thức sẽ được trình bày ở những chương sau

2.5 Cơ sở lý thuyết của phân tích trở kháng điện sinh học

Tổng quát: Phân tích trở kháng điện sinh học là một phương pháp không xâm lấn, chi phí thấp và là một giải pháp được sử dụng rộng rãi cho những đo lường các bộ phận

cơ thể và sự đánh giá điều kiện lâm sàng Đã có nhiều phương pháp đa dạng được nghiên cứu và phát triển để làm rõ những dữ liệu về trở kháng sinh học thu được từ cơ thể Bên cạnh đó, việc phân tích trở kháng sinh học luôn được ứng dụng rộng rãi trong y tế nhằm đánh giá và ước lượng các trạng thái lâm sàng từ nhiều bộ phận khác nhau của cơ thể Trong phần cơ sở lý thuyết này, các khái niệm và những nguyên lý cơ bản liên quan đến phân tích trở kháng điện sinh học sẽ được đưa ra, đồng thời cũng nhấn mạnh về kỹ thuật phân tích lượng mỡ trong cơ thể như đã đề ra

2.5.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật phân tích trở kháng điện sinh học

Các nghiên cứu ban đầu về trở kháng điện sinh học tập trung vào ý nghĩa của các phép đo trở kháng, liên quan đến hàm lượng nước và chất điện giải trong cơ thể và các biến số sinh lý như chức năng tuyến giáp, tỷ lệ trao đổi chất cơ bản, hoạt động estrogen

và lưu lượng máu trong mô người hay động vật (Barnett, 1937; Lukaski 1987; Spence

và cộng sự, 1979) Từ đó, trở kháng điện sinh học đã được phát triển và ứng dụng vào việc ước tính thành phần cơ thể trong nhiều lĩnh vực khác nhau

này đã được mô tả rộng hơn trong một khoảng rộng của nhiều tần số trên vùng rộng hơn của các mô, bao gồm những mô bị hỏng hoặc trải qua sự thay đổi sau khi chết Thomasset

đã phát hiện ra những nghiên cứu nguyên thủy về việc sử dụng sự đo lường trở kháng điện như một thước đo cho lượng nước tổng của cơ thể, việc sử dụng hai kim tiêm dưới

da Hoffer và cộng sự và Nyboer đã giới thiệu lần đầu tiên về kỹ thuật bốn bề mặt điện cực BIA Một nhược điểm của những điện cực bề mặt là phải có một dòng điện cao

(800μA) và một hiệu điện thế cao được sử dụng để giảm tính không ổn định của dòng

1970, nền móng cho BIA đã được hình thành, bao gồm những nền tảng làm cơ sở cho các mối quan hệ giữa trở kháng và hàm lượng nước trong cơ thể Sau đó, nhiều loại máy phân tích BIA với tần số đơn đã được bán trên thị trường, và đến những năm 1990, thị trường đã bao gồm một số máy phân tích đa tần số Việc sử dụng BIA như một phương pháp tại giường đã tăng lên do thiết bị di động và an toàn, thủ thuật đơn giản và không xâm lấn, và kết quả có thể được tái tạo và thu được nhanh chóng Và cuối cùng, BIA phân đoạn đã được phát triển để khác phục sự mâu thuẫn giữa lực cản (R) và khối lượng

cơ thể

2.5.2 Nguyên lý của kỹ thuật phân tích trở kháng điện sinh học

Trong kỹ thuật điện, trở kháng (Z) là đại lượng đặc trưng cho sự cả trở dòng điện xoay chiều, và do đó, nó phụ thuộc vào tần số của dòng điện đặt vào, được xác định theo

độ lớn trở kháng (|Z|) và góc pha () như trong phương trình (1) – (3) Trở kháng sinh học

là một đại lượng phức tạp, bao gồm điện trở (R) do tổng lượng nước trong cơ thể và điện kháng (Xc) gây ra bởi điện dung của tế bào:

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋𝐶 (1)

|𝑍| = √𝑅2+ 𝑋𝐶2 (2)

𝜙 = 𝑡𝑎𝑛−1(𝑥𝑐

𝑅) (3) Nguyên lý của trở kháng điện sinh học của cơ thể được mô tả dựa trên độ dẫn điện

và thông qua một mô hình cụ thể có dạng hình trụ, sử dụng vật liệu dẫn điện đồng nhất,

và có điện trở suất được tính theo phương pháp thông thường, có liên quan đến các thông

số điện trở R, chiều dài L, chiều cao h, chiều rộng w và tiết diện cắt ngang S/m.[10]

Điện trở R của một đối tượng có vật liệu dẫn điện đồng nhất, sẽ tỷ lệ thuận với chiều dài L và tỷ lệ nghịch với tiết diện A (Hình 2.4), được xác định bởi điện trở suất 𝜌, như

phương trình (4).[8] Điện kháng 𝑋𝐶 của đối tượng đó được đưa ra trong phương trình (5), được xem như là khả năng kháng lại sự thay đổi điện áp đi qua đối tượng và tỷ lệ nghịch với tần số tín hiệu f và điện dung C Trong hệ thống sinh học, điện trở được tạo ra do tổng lượng nước chảy qua cơ thể và điện kháng xuất hiện nhờ vào điện dung của màng

Hình 2.4 Nguyên lý của BIA từ tính chất vật lý đến thành phần cơ thể Hình trụ

tượng trưng cho mối quan hệ giữa trở kháng và hình học

Điện trở của chiều dài của vật liệu dẫn điện đồng nhất có diện tích mặt cắt ngang đồng nhất là tỷ lệ thuận với chiều dài (L) và tỷ lệ nghịch với tiết diện cắt ngang (A) Vì vậy, điện trở R = 𝜌𝐿

𝐴 =𝜌𝐿2

𝑉 ;và thể tích 𝑉 = 𝜌𝐿2

𝑅 , với 𝜌 là điện trở suất của vật liệu dẫn điện và 𝑉 = 𝐴𝐿