Phát triển ứng dụng đo stress trên android

Phát triển ứng dụng đo stress trên android

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1 Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấnđề và các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù

hợp) cũng như phạm vi ứng dụng của đồ án

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trongnước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyếtvấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràngkết quả đạt được 1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu vàphương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý

thuyết một cách có hệ thống

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tấtcả kết quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng. 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu

có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra

đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải

quyết có thể thực hiện trong tương lai

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các

chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng,

có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được giải thích hay

đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu

chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn

đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phongkhoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng

phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/

đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các

giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở

lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị

sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải

từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi

quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành như TI

contest

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của thầy/cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh

thần làm việc của sinh viên)

Ngày….tháng….năm 2016

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn

đề và các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù

hợp) cũng như phạm vi ứng dụng của đồ án 1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyếtvấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràngkết quả đạt được 1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu vàphương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tấtcả kết quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng. 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu

có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra

đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải

quyết có thể thực hiện trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các

chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng,

có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được giải thích hay

đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu

chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn

đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phongkhoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng

phù hợp v.v.)

1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10

a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/

đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các

giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở

lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế

5

10

b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị

sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ

giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi

quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành như TI

contest

2

10

c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của thầy/cô

…

Ngày….tháng….năm 2016 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian trước đây, việc kiểm tra sức khỏe như đo huyết áp, nhịp tim, nồng độoxy trong máu… phải được tiến hành trong các trung tâm y tế với các trang thiết bịhiện đại Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đo đạc và kiểm tra sứckhỏe trở nên dễ dàng hơn với các thiết bị cầm tay nhỏ gọn và độ chính xác cao Đặcbiệt, sự phát triển của hệ điều hành Android đã đem đến môi trường phát triển thuậnlợi cho các ứng dụng sức khỏe

Cuộc sống hiện đại, con người luôn phải chịu áp lực trong công việc, học tập,sinh hoạt hàng ngày và có ít thời gian lo cho sức khỏe nên dễ dẫn đến các căn bệnh

về thần kinh, đặc biệt là stress Do đó, việc tích hợp những ứng dụng giúp quản lý,kiểm tra stress sẽ đem lại rất nhiều tiện ích cho người dùng Xuất phát từ nhu cầutrên, đồ án đã xây dựng ứng dụng đánh giá stress trên điện thoại Android Nội dung

đồ án trình bày những kiến thức cơ bản về stress, đưa ra một hệ thống đánh giástress dựa vào kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) và cuối cùng là phát triển ứngdụng mẫu thử trên Android

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy côtrong bộ môn Điện tử máy tính, Viện điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, đặc biệt là TS Võ Lê Cường đã nhiệt tình chỉ dẫn các bước, hướng nghiêncứu, thực hiện cũng như yêu cầu cần có của đề tài Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòngcảm ơn chân thành đến các anh, chị thành viên trong lab AICS-618 cũng như bạn

bè và người thân đã hết lòng ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần cho tôi trong suốtkhoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện đề tài, với những kết quả đạt được bước đầu, dù đã rất

cố gắng tuy nhiên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định Vìvậy, tôi rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô để đề tài được tối ưu

và hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT NỘI DUNG

Đồ án phát triển ứng dụng đo stress trên Android dựa trên cơ sở lý thuyết của kỹthuật Photoplethysmogram (PPG) Đầu tiên, đồ án giới thiệu về stress và phươngpháp đánh giá stress hiện có, trên cơ sở đó xác định phương pháp phù hợp với yêucầu phát triển Phương pháp được xác định là dựa trên PPG Tiếp theo, hệ thốngđược thiết kế với các thuật toán xử lý và phân tích: lọc nhiễu, làm mịn, phát hiệnđỉnh, tính toán biến thiên nhịp tim (HRV) và biến đổi FFT, ước lượng PSD để đưa

ra các tham số cần thiết cho việc đánh giá stress như: HR, meanRR, LF/HF v.v Tất

cả các thuật toán đã được thử nghiệm trên Matlab và sau đó thực hiện trên Android.Sau cùng, ứng dụng được thực nghiệm và đánh giá Đầu tiên là thử nghiệm đánh giástress trong các khoảng thời gian 0.5, 1 và 2 phút Mặc dù còn có sai số tuy nhiêntrong thời gian 2 phút đưa ra các kết quả tốt hơn so với thời gian 1 phút và 0.5 phút.Kết qủa đánh giá stress trên nhóm người từ 20 - 29 tuổi bao gồm sinh viên và ngườilàm văn phòng đạt độ chính xác 53.17% so với kết quả bảng trắc nghiệm tâm lý và63.49% so với kết quả đánh giá bằng Stress check – Azumio Sai số 10% trong kếtqủa đo Ứng dụng đang được tiếp tục hoàn thiện và phát triển trong tương lai

ABSTRACT

In the thesis I have built applications on Android stress measurement based onthe technical theory Photoplethysmogram (PPG) First, the thesis introduced stressassessment methods available and determine the appropriate method for developingrequirements The method is based on PPG's determination Next, the system wasdesigned with the processing algorithms and analysis: noise filtering and smoothing,peak detection, calculate heart rate variability (HRV) and transform FFT to providethe parameters necessary for assessing stress as: HR, meanRR, LF / HF etc Allalgorithms were tested in Matlab and then executed on Android Finally, theexperimental application and evaluation Applications assess stress during 2minutes Although there is uncertainty, however, within 2 minutes still give betterresults than time 1 minute and 0.5 minutes Evaluation results on 126 students ofHanoi University of Science and Technology, Android applications evaluated with

an uncertainty of about 10% was 53.17% (67/126 samples) compared to the resultstable psychological test and 63.49% (80 / 126 samples) compared to the resultsmeasured by Stress check - Azumio The results compare quite accurate compared

to the stress level of the person being assessed The assessment of stress levels byage group were conducted to guide development in the future

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT NỘI DUNG 2

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP 10

1.1 Đặt vấn đề 10

1.2 Mục tiêu đồ án 10

1.3 Định hướng giải pháp 11

1.4 Phạm vi nghiên cứu 12

1.5 Nhiệm vụ đề ra 12

1.6 Kết luận 13

CHƯƠNG 2 STRESS VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 14

2.1 Tổng quan về stress 14

2.1.1 Khái niệm stress 14

2.1.2 Biểu hiện stress 14

2.1.3 Ảnh hưởng của stress với con người 15

2.2 Các phương pháp đánh giá stress truyền thống 16

2.2.1 Trắc nghiệm tâm lý 16

2.2.2 Phương pháp sinh lý 17

2.3 Đánh giá stress dựa trên tín hiệu PPG 19

2.3.1 Tổng quan về PPG (Photoplethysmogram) 19

2.3.1.1 Khái niệm 19

2.3.1.2 Dạng tín hiệu PPG 19

2.3.1.3 Kỹ thuật thu PPG 20

2.3.2 Quan hệ giữa stress và PPG 21

2.3.2.1 Sự biến thiên nhịp tim 21

2.3.2.2 Mối quan hệ biến thiên nhịp tim và stress 21

2.3.3 Các nghiên cứu về đánh giá stress dựa vào PPG 22

2.4 Kết luận 24

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ STRESS 26

4.1 Giới thiệu tổng quan 26

4.2 Thu dữ liệu từ camera điện thoại 27

4.3 Lọc nhiễu và làm mịn 30

4.4 Phát hiện đỉnh và đưa ra tín hiệu HRV 32

4.5 Phân tích HRV 34

4.6 Đánh giá mức độ stress 37

4.7 Kết luận 39

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ANDROID 40

5.1 Phân tích yêu cầu 40

5.2 Biểu đồ tương tác người dùng và ứng dụng 41

5.2.1 Biểu đồ sử dụng chung của ứng dụng 41

5.2.2 Chức năng đo stress và xem kết quả đo 42

5.2.3 Chức năng thông tin ứng dụng 45

5.3 Hệ thống trên Android 46

5.2.4 Lớp Imageprocessing 46

5.2.5 Lớp FFT và Complex 47

5.2.6 Lớp Calculator 48

5.2.7 Lớp ViewController 49

5.4 Triển khai ứng dụng 49

5.5 Kết luận 50

CHƯƠNG 6 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51

6.1 Đối tượng và khách thể đánh giá 51

6.2 Phương pháp trắc nghiệm tâm lý 52

6.3 Stress check - Azumio 53

6.4 Đánh giá kết quả 54

6.4.1 Khảo sát thời gian đánh giá stress 54

6.4.2 Đánh giá mức độ stress trên 126 sinh viên 58

6.4.3 Đánh giá stress trên người làm văn phòng 62

6.5 Kết luận 63

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 68

DANH SÁCH HÌNH V

Hình 3.1 Dạng tín hiệu PPG 22

Hình 3.2 Thu tín hiệu PPG sử dụng LED và PD (Photodetector) 22

Hình 3.3 Thu tín hiệu PPG từ camera điện thoại 23

Hình 3.4 Cân bằng hệ thần kinh tự chủ và biến thiên nhịp tim [6] 24

Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống đánh giá stress [3] 25

Hình 3.6 Hình Mật độ phổng năng lượng trong miền tần số LF và HF 26

Hình 3.7 STAI (a) và LF/HF (b) trong các điều kiện [3] 26

Hình 3.8 Tín hiệu PPG với các dữ liệu về chu kỳ tâm thất sớm (PVC), huyết áp (BP) và các tín hiệu điện tâm đồ (EKG) [4] 27

Y Hình 1.1 Quy trình đánh giá stress 36

Hình 1.2 Khung hình ảnh RGB 37

Hình 1.3 Độ sáng các kênh Red, Green và Blue khi có đèn flash 37

Hình 1.4 Độ sáng các kênh Red, Green và Blue khi không có đèn flash 38

Hình 1.5 Ví dụ về bộ lọc MAF có kích thước cửa sổ là 7 39

Hình 1.6 So sánh tín hiệu trước (a) và sau (b) khi lọc nhiễu, làm mịn 40

Hình 1.7 Ví dụ cho cửa sổ trung bình có bề rộng cửa sổ là 7 40

Hình 1.8 Phát hiện đỉnh với cửa sổ là 11 41

Hình 1.9 Xác định đỉnh của tín hiệu 41

Hình 1.10 Khoảng cách đỉnh liên tiếp và dạng tín hiệu HRV 42

Hình 1.11 Mật độ phổ năng lượng trong miền VLF, LF và HF 43

Hình 1.12 Xử lý tín hiệu PPG trên matlab 45

Hình 2.1 Biểu đồ sử dụng chung của ứng dụng (usecase) 47

Hình 2.2 Biểu đồ usecase chức năng đo stress và kết quả đo 48

Hình 2.3 Biểu đồ hoạt động chức năng đo stress và hiển thị kết quả 49

Hình 2.4 Biểu đồ chức năng thông tin ứng dụng 51

Hình 2.5 Biểu đồ hoạt động chức năng thông tin ứng dụng 51

Hình 2.6 Biểu đồ lớp chức năng của ứng dụng 52

Hình 2.7 Phân phối các thành phần màu trong ảnh YUV420SP 53

Hình 2.8 Giao diện ứng dụng đánh giá stress trên Android 56

Hình 3.1 Ứng dụng Stress check trên GooglePlay 59

Hình 3.2 Biểu đồ biến đổi LF/HF với điều kiện bình thường 60

Hình 3.3 Biểu đồ biến đổi LF/HF điều kiện stress nhẹ 61

Hình 3.4 Biểu đồ biến đổi LF/HF với điều kiện stress vừa 62

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂ

Bảng 1.1 Đánh giá mức độ stress [3] 45

Bảng 1.2 Phân chia mức độ stress [3] 46

Bảng 3.1 Cách tính điểm với bẳng trắc nghiệm DASS 21 59

Bảng 3.2 Kết quả so sánh trong điều kiện bình thường 62

Bảng 3.3 Kết quả so sánh trong điều kiện stress nhẹ 63

Bảng 3.4 Kết quả so sánh trong điều kiện stress vừa 64

Bảng 3.5 Mức độ stress đánh giá bằng phương pháp trắc nghiệm 65

Bảng 3.6 Mức độ stress đánh giá bằng Stress check – Azumio 66

Bảng 3.7 Mức độ stress đánh giá bằng ứng dụng trong đồ án 66

Bảng 3.8 So sánh kết quả đánh giá mức độ stress của các phương pháp 67

Bảng 3.9 So sánh kết quả trên người làm văn phòng 68

Bảng 3.10 Khoảng giá trị trung bình phổ tần số theo nhóm tuổi 69

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT Thuật ngữ

viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

liên tiếp

5 ANS Autonomic nervous system Hệ thần kinh tự trị

6 STAI State trait anxiety inventory

8 MAF Moving Average Filter Bộ lọc di chuyển trung

MỞ ĐẦU

Phân tích tín hiệu Photoplethysmogram (PPG) là một phương pháp được nghiêncứu và sử dụng nhằm xác định thể tích máu trong động mạch chảy dưới da bằngviệc sử dụng ánh sáng [1] Phân tích tín hiệu PPG đã và đang được ứng dụng rộngrãi trong lĩnh vực đánh giá các chỉ số sức khỏe của cơ thể như nồng độ oxy trongmáu (SPO2), huyết áp, nhịp tim, mức độ stress [2] v.v Đồ án xây dựng ứng dụngđánh giá stress trên Android, dựa vào lý thuyết về PPG

Trước khi đi vào chi tiết phương pháp đánh giá stress dựa trên tín hiệu PPG, haiphương pháp đánh giá mức độ stress truyền thống được xem xét là trắc nghiệm tâm

lý và biện pháp sinh lý Phương pháp trắc nghiệm tâm lý đánh giá stress dựa trên sựpháp triển trong lĩnh vực tâm lý học Để thực hiện, nhà tâm lý học đã phát triển hệthống câu hỏi bao gồm các triệu chứng tâm lý gây ra do tác động của stress Trongkhi đó, biện pháp sinh lý giải thích về tình trạng stress dựa trên việc phân tích cácchỉ số sinh lý trong cơ thể như thể như huyết áp, vagal tone, tuyến nước bọt [2] v.v.Hai phương pháp trên còn nhiều hạn chế về thời gian và chi phí Vì vậy, vấn đề đặt

ra là xây dựng một ứng dụng có thể giúp người dùng đo, quản lý, đánh giá mức độstress của mình một cách đơn giản và không tốn kém Người sử dụng có thể theodõi sức khỏe tinh thần hằng ngày và đến các chuyên gia tâm lý khi cần thiết Việctích hợp ứng dụng đánh giá stress trên hệ điều hành Android giúp người dùng kiểmtra stress một cách thuận tiện nhất

Tiếp theo, đồ án trình bày tổng quan về phương pháp phân tích và xử lý tín hiệuPPG, các thuật toán được thử nghiệm trên Matlab và sau đó thực hiện trên Android.Tiêu chí của đồ án là xây dựng ứng dụng đánh giá stress trên cơ sở phân tích và xử

lý PPG với các kỹ thuật: lọc nhiễu, làm mịn, phát hiện đỉnh, tính toán biến thiênnhịp tim (HRV) và biến đổi FFT, ước lượng PSD để đưa ra các tham số cần thiếtcho việc đánh giá stress (HR, meanRR, LF/HF…)

Cấu trúc của đồ án bao gồm 5 chương:

Chương 1 – Đặt vấn đề và định hướng giải pháp: đưa ra hạn chế của việc

đánh giá stress bằng các phương pháp truyền thống và đưa ra giải pháp thuận tiện hơn bằng việc xây dựng ứng dụng trên Android Từ đó, xác định mục tiêu và định hướng giải pháp Đồng thời, giới hạn phạm vi nghiên cứu và các nhiệm vụ đề ra.

Chương 2 – Stress và phương pháp đánh giá: trình bày lý thuyết cơ bản về

stress và ảnh hưởng đến đời sống con người Hai phương pháp đánh giá mức độ stress truyền thống được xem xét là phương pháp sinh lý và trắc nghiệm tâm lý Tiếp theo, phương pháp đánh giá stress dựa trên PPG được trình bày làm cơ sở phát triển ứng dụng Android.

Chương 1 – Thiết kế hệ thống đánh giá stress: hệ thống được thiết kế với

các thuật toán xử lý và phân tích: lọc nhiễu và làm mịn, phát hiện đỉnh, tính toán

biến thiên nhịp tim (HRV) và biến đổi FFT để đưa ra các tham số cần thiết cho việc đánh giá stress như: HR, meanRR, LF/HF

Chương 4 – Xây dựng ứng dụng Android: phân tích và thiết kế hệ thống

trên Android Các yêu cầu của đề tài và các biểu đồ của hệ thống bao gồm: Biểu đồ chức năng, biểu đồ người sử dụng và kết quả đạt được với Android.

Chương 5 – Thực nghiệm và đánh giá kết quả: đưa ra quy trình thực

nghiệm hệ thống và tiến hành đánh giá mức độ stress của các đối tượng khác nhau, đồng thời cũng tiến hành đánh giá mức độ stress của những đối tượng đó bằng phương pháp trắc nghiệm tâm lý và so sánh với các ứng dụng hiện có trên khách thể khảo sát Từ đó, đánh giá độ tin cậy kết quả đánh giá stress của phương pháp

sử dụng trong đồ án.

Kết luận chung: kết luận chung cho đồ án, tổng kết lại những kết quả đã đạt

được, những thiếu sót và định hướng phát triển trong tương lai.

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP

Nội dung được trình bày trong chương này là vấn đề đánh giá stress trong cuộcsống và xác định giải pháp thuận tiện hơn cho người sử dụng bằng việc xây dựngứng dụng trên Android Từ đó, đề ra mục tiêu và định hướng giải pháp, giới hạnphạm vi nghiên cứu và giải quyết các nhiệm vụ đề ra

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, những tác động không tốt từ cuộc sống, xã hội và gia đình, đặc biệtnhững rắc rối, chuyện không vui chưa có cách giải quyết, dẫn đến tình trạng bế tắc.Con người dễ mắc nhiều căn bệnh nguy hiểm, đặc biệt là stress và các nguy cơ vềtim mạch [3] Chính vì vậy, việc chăm sóc và kiểm tra sức khoẻ là việc làm cầnthiết cho tất cả mọi người

Thông thường, người ta thường đến các cơ sở y tế để kiểm tra mức độ stress dựutrên kết quả đánh giá về thần kinh và tim mạch [2] Trong khi đó, phương phápphỏng vấn và trắc nghiệm tâm lý để xác định chính xác stress đòi hỏi phải có sựtham gia của các bác sỹ và chuyên gia tâm lý Do đó, ứng dụng đánh giá stress trêncác thiết bị di động nhỏ gọn, hoạt động đơn giản và không tốn kém sẽ đem lại nhiềutiện ích cho người dùng

Thời gian vừa qua, hàng loạt sản phẩm đồng hồ thông minh, vòng đeo tay theodõi sức khoẻ được ra đời với cảm biến nhịp tim, nhịp thở, nồng độ oxy [4]… đượctích hợp Tuy nhiên, giá thành các thiết bị này khá cao so với người dùng phổ thông.Nếu như có một ứng dụng được tích hợp sẵn ngay trên chiếc điện thoại Androidgiúp người dùng theo dõi stress một cách tương đối thì sẽ rất tiện lợi Vấn đề đặt ra

là xây dựng một ứng dụng trên điện thoại Android có thể giúp người dùng đo vàquản lý mức độ stress của mình mà không cần sử dụng đến một thiết bị đi kèm

1.2 Mục tiêu đồ án

Mục tiêu của đồ án là xây dựng ứng dụng đánh giá mức độ stress trên điện thoạiAndroid có cài đặt hệ điều hành từ 4.0 trở lên Bên cạnh đó, giao diện ứng dụngcũng cần được thiết kế sao cho vừa đơn giản, dễ sử dụng và tiện lợi nhất

Đề tài tập trung vào bốn mục chính:

1 Tìm hiểu về các phương pháp đánh giá stress: trắc nghiệm tâm lý, phỏng vấn

và sinh lý Từ nhu cầu xây dựng ứng dụng đánh giá stress đơn giản, chính xác trênđiện thoại Android, phương pháp sử dụng kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) làmột phương pháp khả quan

2 Áp dụng kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) vào xây dựng hệ thống đánh giástress: thu video từ điện thoại, các bước lọc nhiễu, làm mượt và xử lý tín hiệu trongmiền thời gian và tần số Từ đó, hệ thống dựa trên các tham số cơ bản để đánh giá

về mức độ stress

3 Triển khai, xây dựng ứng dụng trên Android với các yêu cầu:

Yêu cầu chức năng:

- Xây dựng hoàn thiện đánh giá mức độ stress từ tín hiệu thu bằngcamera điện thoại trên Android

- Camera có tốc độ ghi hình là 15 hình trên giây, độ phân giải 320x240.Yêu cầu phi chức năng:

- Phần mềm hoạt động nhanh và ổn định

- Cách đo dễ dàng, giao diện thân thiện

- Kết quả đánh giá stress có độ tin cậy cao

4 Kiểm thực và đánh giá kết quả: đánh giá mức độ stress trên các đối tượng khácnhau, đồng thời cũng tiến hành đánh giá mức độ stress của những đối tượng đóbằng phương pháp trắc nghiệm tâm lý, khảo sát trực tiếp và so sánh với các ứngdụng hiện có trên khách thể khảo sát Từ đó, tôi có được những đánh giá về độ tincậy của kết quả đánh giá stress từ ứng dụng

1.3 Định hướng giải pháp

Kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) có thể phát hiện những thay đổi về thể tíchcủa máu trong mao mạch, bằng việc chiếu sáng da và đo lại những thay đổi trongviệc hấp thụ ánh sáng Đây là phương pháp phổ biến trong việc đo lại các thay đổisinh lý như nhịp tim và độ bão hoà oxy Hầu hết các điện thoại Android ngày nay

đều trang bị một camera với đèn flash đi kèm Ta có thể lợi dụng đèn flash để chiếusáng da và dùng camera ghi lại sự thay đổi trong việc hấp thụ ánh sáng trên da.Phương pháp đánh giá stress dựa trên PPG dựa trên hoạt động của hệ thần kinh

tự chủ Theo nghiên cứu của Kil-sang Yoo và Lee Won-hyung, Chung-AngUniversity, Hàn Quốc [5] stress đi kèm với những thay đổi trong trong hoạt độngcủa hệ thần kinh Phương pháp được đề cập đến là phân tích HRV từ tín hiệu PPGtrong miền thời gian và tần số để đánh giá stress Kỹ thuật PPG đã được xem xét tạihội thảo quốc tế về điện tử 2011 IEEE 15th là đáng tin cậy trong việc giám sát nồng

độ oxy trong máu, nhịp tim, huyết áp cũng như các thông tin về tim mạch và hôhấp Trong khi đó, các thuật toán được sử dụng để phân tích HRV dựa theo cáckhuyến cáo của Hội Tim mạch châu Âu (ESC) và Hội điện sinh học Bắc Mỹ(NASPE) [6] Năm 2013 các nhà nghiên cứu Đài Loan đã đưa ra mô hình hệ thốngđánh giá stress dựa trên PPG và HRV [7] Hệ thống đánh giá stress bao gồm phầncứng và phần mềm Phần cứng bao gồm các cảm biến PPG gồm hai photodiode vàmột bộ tách sóng quang, trong khi các thuật toán phát hiện đỉnh, tính khoảng cáchđỉnh, biến đổi Fourier (FFT) và phân tích HRV được thực hiện trên Labview(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) Các nghiên cứu đã xemxét mức độ stress trên cả miền thời gian và miền tần số Kết quả thực nghiệm chothấy các chỉ số như: MRR (giá trị trung bình khoảng cách các đỉnh), MHR (giá trịnhịp tim trung bình), LF/HF (tỷ số mật độ phổ cống suất trong miền tần số thấp vàmiền tần số cao)… có tiềm năng cao để sử dụng để đánh giá stress Tuy nhiên,chúng ta vẫn cần phải có các nghiên cứu chuyên sâu để đánh giá độ tin cậy của kếtquả Trên cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu, đồ án chỉ áp dụng công nghệ này trongviệc đánh giá mức độ stress của người sử dụng thông qua camera của điện thoạiAndroid

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đồ án bao gồm việc tìm hiểu kỹ thuật PPG, ứng dụng kỹthuật PPG vào việc đánh giá mức độ stress trên Android

1.5 Nhiệm vụ đề ra

Sau khi phân tích đề tài, công việc cụ thể cần làm như sau:

 Tìm hiểu về stress và các phương pháp đánh giá truyền thống, lý thuyết cơbản về kỹ thuật PPG và các kiến thức liên quan về Matlab và Android

 Áp dụng kỹ thuật PPG vào xây dựng hệ thống đánh giá stress như: thu video

từ camera điện thoại, xử lý ảnh, lọc nhiễu và làm mượt, phân tích tín hiệutrong miền thời gian và tần số

 Xây dựng ứng dụng trên Android: xây dựng giao diện người dùng và các lớp chức năng

 Thực nghiệm và đánh giá kết quả từ ứng dụng: xác định các đối tượng, thờigian, điều kiện, các phương pháp đánh giá Từ đó, tính chính xác của kết quả

đo và khả năng áp dụng thực tế được đánh giá

1.6 Kết luận

Chương này đã trình bày khái quát về stress với cuộc sống con người Cácphương pháp đánh giá truyển thống còn nhiều hạn chế về thời gian, chi phí cũngnhư trang thiết bị Trong khi đó, PPG tỏ ra ưu thế hơn về mặt kỹ thuật và khả năng

áp dụng trên thiết bị di động Vì vậy, đồ án sẽ áp dụng kỹ thuật PPG vào phát triểnứng dụng trên Android Phương pháp và công việc cụ thể được định hướng rõ ràngtạo cơ sở cho quá trình phát triển ứng dụng

CHƯƠNG 2 STRESS VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

Trước khi xây dựng hệ thống đánh giá stress, lý thuyết cơ bản về stress và ảnhhưởng của nó với đời sống con người sẽ được xem xét Tiếp theo, 2 phương phápđánh giá stress truyền thống được đề cập đến là phương pháp sinh lý và trắc nghiệmtâm lý Trên cơ sở đó, mọi người sẽ có được cái nhìn cơ bản về stress

2.1 Tổng quan về stress

2.1.1 Khái niệm stress

Thuật ngữ “stress” bắt nguồn từ chữ La-Tinh “stringi” có nghĩa là “bị kéo căngra” Ban đầu, thuật ngữ stress được sử dụng trong vật lý học, để chỉ sức nén mà mộtloại vật liệu phải chịu đựng [8] Trong tâm lý học, có nhiều định nghĩa khác nhau vềstress như:

 Stress là một sự kiện môi trường: stress được dùng để chỉ một nguyên nhân,một tác nhân công kích làm cho cơ thể khó chịu, gây ra trạng thái bất ổn chocon người

 Stress là một đáp ứng sinh lý: stress được dùng để chỉ hậu quả khi cơ thểchịu ảnh hưởng của sự thay đổi sinh lý

 Stress là một tiến trình nhận thức – hành vi: nhấn mạnh đến cơ chế và vai tròtâm lý của stress

Thực tế, stress là vấn đề gắn liền với các nền văn minh hiện đại, chi phối bởi sựcạnh tranh và các mối nguy hại khác Stress tương ứng với mối liên quan giữa conngười với môi trường xung quanh Stress vừa chỉ tác nhân công kích, vừa chỉ phảnứng của cơ thể trước tác nhân đó Với những đánh giá trên, stress có thể được địnhnghĩa như sau: stress là phản ứng của cơ thể trước bất cứ một yêu cầu, áp lực haymột yếu tố tác động nào đó ảnh hưởng đến cuộc sống của con người cả về thể chấtlẫn tinh thần

2.1.2 Biểu hiện stress

Những biểu hiện của stress rất đa dạng và có sự khác nhau với mỗi cá nhân Dấuhiệu nhận biết cơ bản bao gồm: biểu hiện về mặt cảm xúc và biểu hiện về mặt hànhvi

Biểu hiện về mặt cảm xúc dễ dành nhận thấy như cảm thấy khó chịu, lo lắnghoặc căng thẳng, buồn bã, chán nản thờ ơ, đánh mất giá trị bản thân… Biểu hiện vềmặt hành vi thể hiện qua sự nổi cáu bực bội hoặc nóng tính, sử dụng các chất kíchthích rượu hoặc thuốc lá, xáo trộn các sinh hoạt hằng ngày như ăn uống ngủ nghỉ,

bỏ qua các hành vi thông thường mất tập trung, trở nên vô lý trong các quyết địnhcủa mình, hay quên hoặc trở nên vụng về, luôn vội vàng hấp tấp, đau đầu, …

2.1.3 Ảnh hưởng của stress với con người

Stress được chia thành stress tích cực và stress tiêu cực tùy theo ảnh hưởng đếncon người Stress tích cực thúc đẩy sự hoạt động tăng cường của các dự trữ chứcnăng cơ thể, giúp con người thích ứng với các tác nhân, hoàn cảnh và điều kiệnsống Ngược lại, stress tiêu cực làm suy kiệt hệ thống dự trữ chức năng cơ thể, giảmkhả năng miễn dịch, giảm hứng thú hoạt động, kém thích ứng

Vì stress là một phần của cuộc sống hằng ngày nên bạn luôn chịu một lượng áplực stress nhất định Nhưng stress chỉ trở nên là vấn đề khi nó ở mức độ cao trongthời gian dài hoặc khi bạn phải gặp rất nhiều vấn đề căng thẳng trong một thời gianngắn

Khi các triệu trứng của stress tăng lên, cơ thể của bạn phải làm việc vất vả hơn đểđối phó với chúng Năng lượng bị tiêu tốn để duy trì huyết áp bình thường, giảm lo

âu Bên cạnh đó, những hoàn cảnh thực tế lại yêu cầu bạn phải tập trung sức lực vàtân trí để ứng phó Nếu tình huống đó kéo dài, cơ thể bạn sẽ kiết sức nhanh chóng.Chính vì vậy, bạn cần phải học cách thư giãn và ứng phó hợp lý để giữ cơ thể ởtrạng thái cân bằng Có thể nói, stress là căn bệnh của thời đại mà xuất phát chủ yếucủa nó từ môi trường, từ điều kiện cách thức sinh hoạt tổ chức lao động, cuộc sốngcon người

Stress là một trong những nguyên nhân cơ bản gây ra các bệnh về nội tiết,chuyển hóa của cơ thể Đặc biệt nữa, stress có thể gây ra những trấn thương về tâm

lý Thoạt đầu, stress làm rối loạn giấc ngủ, tiếp theo không làm chủ được tư duy, dễtrầm cảm, rối loạn trí nhớ, hay cáu giận vô cớ và mắc nhiều sai lầm hơn, rồi khảnăng miễn dịch suy giảm Khi hệ thống miễn dịch yếu đi, các tế bào không bìnhthường phát triển tự do, không có gì kiềm chế Nhiều nhà khoa học cho rằng một sốthể ung thư phát triển trong quá trình này Ngoài ra, stress còn gây ra sự mất cânbằng trong cơ thể dẫn đến các căn bệnh như tim mạch, tiểu đường …

2.2 Các phương pháp đánh giá stress truyền thống

2.2.1 Trắc nghiệm tâm lý

2.2.1.1 Trắc nghiệm tâm lý là gì?

Trắc nghiệm là thuật ngữ được dịch từ chữ TEST trong tiếng Anh Trắc nghiệmtâm lý được hiểu là phép thử hoặc là phép đo các hiện tượng tâm lý ở người [9].Theo định nghĩa của từ điển y khoa Mỹ thì trắc nghiệm tâm lý là một hành độngđánh giá tâm lý, được định nghĩa là “việc sử dụng các chỉ số để đánh giá quá trình

và các chức năng trí tuệ, nhận thức hoặc hành vi, khả năng hoặc chức năng của trítuệ hoặc là nhận định cảm xúc, hứng thú, tính cách, nhân cách…” [9] Cũng có mộtcách định nghĩa khác nữa về trắc nghiệm tâm lý là đo lường cấu trúc tâm lý gồm:thứ nhất là cố gắng định hướng các nét nhân cách và hành vi, thứ hai là trình bàynhững đặc điểm cá nhân của một người theo cấu trúc, thứ ba là sự khác biệt trongđiểm số cần thể hiện sự khác biệt trong cấu trúc tâm lý của mỗi cá nhân với nhau

2.2.1.2 Đo lường stress dựa trên trắc nghiệm tâm lý

Các lĩnh vực tâm lý tập trung vào việc xác định các khái niệm trừu tượng nhưngôn ngữ, nhận thức, tính cách, cảm xúc Stress cũng là một trong những khái niệmtâm lý cũng có thể do lường được Nhờ sự phát triển trong lĩnh vực tâm lý, các bảngtrắc nghiệm tâm lý được phát triển nhằm đánh giá mức độ stress Bảng câu hỏi đượccác nhà tâm lý học đưa ra dựa trên một loạt các triệu chứng tâm lý biểu hiển của cơthể khi có stress

Có rất nhiều bảng trắc nghiệm tâm lý đã được phát triển để đánh giá các yếu tốtâm lý liên quan đến stress như: thang đánh giá lo âu - trầm cảm - stress (DASS21,DASS42), thang đánh giá lo âu Zung (SAS), thang đánh giá trầm cảm Beck (BDI),thang đánh giá trầm cảm Hamilton (HAMD)…

2.2.1.3 Một số yêu cầu cơ bản

Điều đầu tiên để sử dụng được bảng trắc tâm lý thì người trắc nghiệm nhất thiếtphải được sự huấn luyện về kỹ thuật và hiểu được những điểm cơ bản trong lýthuyết tâm lý học Một điều kiện không thể thiếu được trong việc trắc nghiệm tâm

lý nữa đó là các trắc nghiệm phải có tính phù hợp Ta không thể dùng bảng trắcnghiệm ở đối tượng này cho đối tượng khác mà cần phải có sửa đổi cho phù hợp.Ngoài ra để trắc nghiệm đem đến những nhận định khách quan và có độ tin cậycao thì sự trung thực, thẳng thắn, thành thật với chính mình ở những người đượctrắc nghiệm là hết sức quan trọng Để làm được điều này nên tránh việc lặp đi lặplại trắc nghiệm quá nhiều lần trên một đối tượng, để tránh xảy ra hiện tượng trùnglặp kết quả

2.2.2 Phương pháp sinh lý

Các nhà khoa học coi stress là bản năng tự vệ và ứng phó diễn ra bên trong cơ thểtrước những sức ép nội tâm và bên ngoài Stress tác động đến hoạt động của hệ thầnkinh (vùng dưới đồi), hệ nội tiết (tuyến yên và tuyến thượng thận), hệ tim mạch vàcác phản ứng tiết hóc-môn (cortisol, adrenalin) Chính vì vậy, stress có thể đượcđánh giá qua việc phân tích các yếu tố sinh lý như huyết áp, vagal tone, tuyến nướcbọt [2]…

Các phương pháp cơ bản thường được áp dụng gồm có:

- Huyết áp

Huyết áp là thước đo áp lực của máu lên các thành mạch Kết quả đo huyết áp thểhiện bởi 2 con số, ví dụ 120/80 mmHg Số đầu tiên 120 đại diện cho huyết áp tâm

đang nghỉ ngơi Stress ảnh hưởng đến hoạt động của tuyến yên giải phóng hóc-môncortisol và adrenalin làm tăng huyết áp Bằng việc theo dõi sự thay đổi của huyết áp

có thể đưa ra đánh giá cơ bản về mức độ stress

- Vagal tone

Vagal tone đại diện cho sự tác động của hệ thần kinh đối giao cảm trong việcđiều hòa nhịp tim Để đánh giá stress dựa trên vagal tone đòi hỏi phải sử dụng nhiềucác thiết bị điện tử tiên tiến với chi phí cao

- Anpha-amylase

Anpha-amylase trong nước bọt (SAA) đã được mô tả là một chỉ số tiềm năngtrong việc đánh giá stress Mức độ SAA tăng khi có ở trạng thái stress với các kíchthích của hệ thần kinh phó giao cảm SAA là một dấu hiệu sinh học đánh giá hoạtđộng của hệ thần kinh giao cảm

- Costisol

Khi đáp ứng với stress, nồng độ hóc-môn costisol tăng lên là xuất hiện nguy cơcao huyết áp, béo phì và tiểu đường Costisol đo được trong máu và nước tiểu Tuynhiên, costisol có thể xác định được trong nước bọt với yêu cầu kỹ thuật không quáphức tạp Vì vậy, xét nghiệm costisol trong nước bọt trở nên phổ biến trong nghiêncứu về stress

Năm 2010, Tiến sỹ Gideon Koren và tiến sỹ Stan Van Uum thuộc Đại họcWestern, Ontario, Canada đã phát triển một phương pháp khác, sử dụng mẫu tóc đểxác định stress và nguy cơ đau tim dựa trên nồng độ hoóc-môn cortisol [10] Nghiêncứu cho thấy mẫu tóc của nhóm bệnh nhân trong tình trạng stress tiết ra lượngcostisol cao hơn so với nhóm mắc các bệnh khác Tiến sĩ Koren cho biết: “Bằngtrực giác, chúng ta hiểu stress không tốt cho sức khỏe nhưng nó không dễ dàng đểxác định bằng các phương pháp khoa học Chúng tôi biết rằng trung bình tóc phát

triển với tốc độ 1cm/tháng và vì thế nếu chúng ta lấy mẫu tóc dài 6cm, chúng ta cóthể đánh giá mức độ stress thông qua hàm lượng cortisol của bệnh nhân trong sáutháng” [10].

2.3 Đánh giá stress dựa trên tín hiệu PPG

PPG là một kỹ thuật quang không xâm lấn, không tốn kém và đơn giản, mà cóthể được sử dụng để phát hiện các thay đổi thể tích máu trong mạch máu Hai yêucầu cơ bản của PPG là: một nguồn sáng để soi sáng các mô ở da và một máy dò ảnh

để đo lường sự thay đổi trong cường độ ánh sáng gắn với sự thay đổi của máu PPGthường hoạt động ở bước sóng đỏ hoặc vùng hồng ngoại gần Các xung PPG có sựtương đồng với nhịp đập của tim Về cơ bản, PPG xác định dòng máu chảy dưới dabằng việc sử dụng ánh sáng hồng ngoại Tuy nhiên ta cũng có thể dùng ánh sáng vớicường độ lớn để thay thế Nó có thể xác định được nồng độ máu, huyết áp, nhịp tim

và đánh giá các chức năng tự trị Đây là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để sàng lọc vàchẩn đoán ban đầu các dấu hiệu của một số loại bệnh lý Mặc dù đơn giản, tuy nhiêncác thành phần của PPG vẫn đang được nghiên cứu

2.3.1.2 Dạng tín hiệu PPG

Tín hiệu PPG gồm 2 thành phần AC và DC Các thành phần nhịp của tín hiệuPPG thường được gọi là thành phần AC và thường có tần số cơ bản khoảng 1Hz tùy

các mô và lưu lượng máu trung bình Thành phần DC này thay đổi từ từ do hô hấp,hoạt động vận mạch, co mạch và một số yếu tố khác Sự tương quan của ánh sángthu được từ tín hiệu PPG bao gồm các quá trình tán xạ, hấp thụ, phản xạ ánh sáng.Những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lượng ánh sáng thu nhận được từ bộ táchsóng quang là lưu lượng máu và áp lực thành mạch.

Hình 2.1 Dạng tín hiệu PPG

2.3.1.3 Kỹ thuật thu PPG

Ban đầu, Các cảm biến PPG chủ yếu sử dụng công nghệ bán dẫn chi phí thấp vớiLED và thiết bị tách sóng quang làm việc trong vùng bước sóng đỏ và vùng hồngngoại gần Ưu điểm chính của việc sử dụng LED là nhỏ gọn và thời gian hoạt độnglên đến 105 giờ Tuy nhiên cần phải điều chỉnh cường độ sáng của LED thích hợp

để giảm nhiệt độ và các mối nguy hiểm do bức xạ Sự lựa chọn bộ tách sóng quangphụ thuộc nhiều vào nguồn sáng

Hình 2.2 Thu tín hiệu PPG sử dụng LED và PD (Photodetector)

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ, một hướng phát triển mới là thu PPGbằng camera trên điện thoại thông minh

Hình 2.3 Thu tín hiệu PPG từ camera điện thoại

2.3.2 Quan hệ giữa stress và PPG

2.3.2

2.3.2.1 Sự biến thiên nhịp tim

Ở người, nhịp tim thay đổi từ 50 nhịp/ phút khi nghỉ ngơi đến 200 nhịp/ phút khigắng sức tối đa, tương đương với khoảng thời gian giữa 300 ms và 1200 ms Để xácđịnh biến thiên nhịp tim, tín hiệu tương tự (analog) sẽ được ghi lại bằng cách sửdụng các điện cực đặt ở ngực

Sự biến thiên nhịp tim hay gọi tắt là HRV (Heart Rate Variability), là một yếu tốkiểm tra sức khỏe quan trọng HRV liên quan đến một loạt nguy cơ như căng thẳng,trầm cảm, tiểu đường, tim mạch, rối loạn giấc ngủ và mỡ bụng [11] Đối với một sốngười, HRV hoạt động như chất xúc tác vì là nguyên nhân của nhiều vấn đề

Được đo bằng phần nghìn giây, HRV gần như không thể phát hiện bằng phươngpháp thông thường HRV càng đa dạng càng tốt, vì một trái tim không thể thay đổitốc độ nhanh chóng không phải là trái tim khỏe mạnh Phân tích HRV là một bướcquan trọng trong đánh giá mức độ stress bằng tín hiệu PPG

2.3.2.2 Mối quan hệ biến thiên nhịp tim và stress

Trong sinh lý bình thường, nhịp tim dao động có chu kỳ – khoảng thời gian giữacác nhịp thì thay đổi do các cơ chế điều hoà tim mạch Các yếu tố ảnh hưởng đếnnhịp tim là hoạt động của hệ thần kinh giao cảm và phó giao cảm, cả hai có tácđộng đối lập qua lại với nhau Hệ thần kinh giao cảm phân bố ở tất cả các cấu trúctim và tác động thông qua thụ thể giao cảm, từ đó làm tăng tính kích thích, dẫntruyền, co bóp và tính tự động của tim Hệ thần kinh đối giao cảm phân bố ở nútxoang, nút nhĩ thất, tâm nhĩ Khi kích thích, nó có tác dụng ngược lại so với tácdụng của hệ giao cảm Mặt khác nó đóng vai trò quan trọng trong điều hoà chứcnăng tim mạch

Hình 2.4 Cân bằng hệ thần kinh tự chủ và biến thiên nhịp tim [11]

Trong miền tần số phổ của tín hiệu biến thiên nhịp tim tập trung chủ yếu trongvùng tần số LF và HF, việc phân tích tỷ số LF/HF (tỷ số mật độ phổ cống suất trongmiền tần số thấp và miền tần số cao) là phương pháp khá tin cậy và nhanh gọn đểđánh giá hoạt động của hệ thần kinh tự chủ và là cơ sở để đánh giá mức độ stresscủa con người [11]

2.3.3 Các nghiên cứu về đánh giá stress dựa vào PPG

Phương pháp đánh giá stress dựa trên Photoplethysmogram (PPG) dựa trên sựthay đổi trong hoạt động của hệ thần kinh thông qua HRV Theo nghiên cứu củaKil-sang Yoo và Lee Won-hyung, Chung-Ang University, Hàn Quốc [5], stress đikèm với những thay đổi trong trong hoạt động của hệ thần kinh Tác giả đã tiếnhành các phân tích tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số Các thông số ướclượng được đề cập đến gồm:

 Trong miền thời gian: khoảng thời gian trung bình biến thiên nhịp tim (RR),

độ lệch chuẩn các khoảng RR (SDRR), bình phương độ lệch chuẩn(RMSSD), tổng số các khoảng RR lớn hơn 50 ms (pRR50)

 Trong miền tấn số: áp dụng biến đổi Fourier (FFT) cho HRV trong dải tần sốthấp (LF) và dải tần số cao (HF) nhằm ước lượng tỷ lệ mật độ phổ công suất(LF/HF)

Nghiên cứu đưa ra cách tiếp cận mới để đánh giá stress bằng cách giải thích cácthông số của hệ thần kinh tự trị Mặc dù stress không thể đo được trực tiếp tuy nhiêncác thông số sinh lý có thể được đưa ra để đánh giá stress Một số thông số sinh lýnhư: huyết áp, nhịp tim, biến thiên nhịp tim… đã được xác định là có sự thay đổitheo mức độ stress Phân tích tỷ lệ LF/HF có thể được sử dụng để đánh giá stress.Cách tiếp cận này đưa ra giải pháp tốt cho các mô hình đánh giá stress sau này.Năm 2013, các nhà nghiên cứu Đài Loan dựa trên mối quan hệ của hệ thần kinh

tự trị (ANS) với tín hiệu HRV thông qua PPG đưa ra mô hình hệ thống đánh giámức độ stress [7] Nghiên cứu đã chỉ ra hoạt động của ANS đóng vai trò quan trọngtrong việc xác định stress Hoạt động của ANS có thể được đánh giá thông quahuyết áp, nhịp thở, nhịp tim … Hệ thống đánh giá stress bao gồm phần cứng vàphần mềm Hệ thống được thể hiện trong Hình 3.5 Phần cứng bao gồm các cảmbiến PPG gồm hai photodiode và một bộ tách sóng quang Phát hiện đỉnh, tínhkhoảng cách đỉnh, biến đổi Fourier (FFT) và phân tích HRV được thực hiện trênLabview (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống đánh giá stress [7]

Các dữ liệu phân tích HRV trong miền tần số LF (thành phần tần số thấp, 0.15Hz) và HF (thành phần tần số cao, 0.15-0.4Hz) được thể hiện bằng phổ nănglượng như trong Hình 3.6

0.04-Hình 2.6 0.04-Hình Mật độ phổng năng lượng trong miền tần số LF và HF

Nghiên cứu có đưa ra sự so sánh với hệ thống đánh giá căng thẳng thần kinhSTAI (State Trait Anxiety Inventory) Các kết quả LF/HF và STAI trong các điềukiện thử nghiệm được minh họa trong Hình 3.7

Hình 2.7 STAI (a) và LF/HF (b) trong các điều kiện [7]

Điểm STAI trong điều kiện thư giãn giảm so với trong điều kiện bình thường.Trong môi trường thư giãn, hoạt động của thần kinh giao cảm làm LF/HF giảm.Ngược lại, trong điều kiện có căng thẳng, sự tăng cường hoạt động thần kinh giaocảm làm chỉ số LF/HF tăng Những kết quả trên là cơ sở hữu ích để cải thiện nhữngđánh giá stress sau này

2.4 Kết luận

Chương 2 đã nêu ra khái niệm về stress, những thay đổi tâm sinh lý trong cơ thểcon người khi ở trạng thái stress Từ đó, khẳng định tầm quan trọng của việc theo

hiện nay, đã được sử dụng trong nước cũng như trên thế giới Trong số các phươngpháp đo stress, phương pháp sử dụng tín hiệu PPG mang lại ưu điểm vượt trội vềtính tiện dụng và chi phí thấp.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ STRESS

Từ những lý thuyết trong Phần I, đồ án xây dựng hệ thống đánh giá stress Hệthống được thiết kế với các thuật toán xử lý và phân tích từ quá trình lấy mẫu tínhiệu từ camera, lọc nhiễu và làm mịn, phát hiện đỉnh, tính toán biến thiên nhịp tim(HRV) đến biến đổi FFT để đưa ra các tham số cần thiết cho việc đánh giá stressnhư: HR, meanRR, LF/HF v.v Các bước xử lý trên sẽ được lặp lại với nhiều mẫutrong thực tế để kiểm tra độ chính xác của thuật toán Các quá trình xử lý tín hiệuđược thực hiện trên Matlab phát triển bởi tập đoàn MathWorks

1.

3.1 Giới thiệu tổng quan

Từ kết quả tìm hiểu công nghệ PPG cùng với kế thừa Luận văn tốt nghiệp đạihọc, Phùng Văn Thành - CNĐTVT 02-K55, Đại học Bách Khoa Hà Nội [16], đènflash được dùng làm nguồn sáng chiếu vào da ngón tay và sử dụng camera phía sauđiện thoại để ghi lại thông tin tín hiệu nhận được, từ đó tính toán để cho ra kết quảđánh giá stress của người dùng Đồ án có những thay đổi trong quá trình xử lý tínhiệu HRV: trong miền thời gian (thông số đánh giá: HR, mRR) và trong miền tần số(phương pháp ước lượng PSD: Welch, Burg và Lomb-Scargle) Dựa trên nghiêncứu mối quan hệ của hệ thần kinh tự trị (ANS) với tín hiệu HRV thông qua PPG[7], đồ án áp dụng quy trình đánh giá stress gồm các bước cụ thể được thể hiệntrong Hình 3.1

Hình 3.1 Quy trình đánh giá stress 3.2 Thu dữ liệu từ camera điện thoại

Phương pháp đưa ra là đặt ngón tay che lên đèn flash và camera, sau một khoảngthời gian (càng lâu càng chính xác) sẽ đưa ra đánh giá về mức độ stress Căn cứ củaphương pháp là sự thay đổi sắc độ máu trong một chu trình tuần hoàn, cụ thể [12]:

1 Máu giàu oxi đỏ tươi từ tâm thất trái

2 Máu qua động mạch

3 Máu vào các mao mạch: ở đây diễn ra sự trao đổi chất với tế bào, O2 trongmáu được thay thế bằng CO2 (lúc này máu chuyển sang màu đỏ sẫm)

4 Máu tới tĩnh mạch.

5 Máu trở về tâm nhĩ phải

Cách thức đo là dùng đèn flash với ánh sáng mạnh sẽ chiếu xuyên qua da tới cácmao mạch Camera sẽ theo dõi sự biến đổi này bằng cách đánh giá mức độ phản xạ,khúc xạ, hấp thụ khi ánh sáng đi qua máu giàu oxy và nghèo oxy Vì kỹ thuật nàytính toán dựa trên ánh sáng phản xạ lại từ lớp da nên cần tránh di chuyển ngón taytrong quá trình đo vì sẽ khiến dữ liệu bị thay đổi và kết quả đo không còn đượcchính xác nữa Hệ thống sẽ tính toán được nhịp biến đổi sắc độ của máu, tính toánđưa ra giá trị trung bình Mức độ chính xác phụ thuộc vào nguồn LED và cảm biếncủa camera Với các thiết bị không hỗ trợ LED chỉ cần cung cấp một nguồn sángvừa đủ chiếu trực tiếp vào ngón tay

Máy ảnh của các điện thoại Android được cài đặt để có được video với tốc độ 15khung hình trên giây (15 fps) Video thu được các giá trị RGB từ các khung hìnhcủa camera, lấy giá trị trung bình các điểm ảnh đỏ trên từng khung hình và cuốicùng đưa ra dạng đồ thị PPG Mỗi khung hình gồm có ba kênh Red, Green và Blueđược xắp xếp thành ba ma trận điểm ảnh riêng biệt Mỗi khung hình là một ma trậnđiểm ảnh với kích thước như trong Hình 3.2, ma trận tương ứng có giá trị phần tử

có giá trị trong khoảng 0 - 255 thể hiện độ sáng của điểm ảnh

Hình 3.2 Khung hình ảnh RGB

Đối với mỗi khung hình, độ sáng trung bình của tất cả các điểm ảnh của khungđược tính như sau:

Hình 3.3 Độ sáng các kênh Red, Green và Blue khi có đèn flash

Trong trường hợp không có đèn flash chỉ có kênh Red có đặc điểm tương tự dạngsóng PPG

Hình 3.4 Độ sáng các kênh Red, Green và Blue khi không có đèn flash