Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone

- Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng - Tìm hiểu về nồng độ bão hòa của Oxy trong máu - Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu.. Chương này tập chung vào khái niệm cơ bản về

1

2

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Đặng Quang Tuyến

Đề tài luận văn: Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim

1 Cần viết rõ hơn về kiến thức khoa học liên quan

2 Biểu đồ cần đơn vị cho các tham số

3 Nêu các kỹ thuật thực hiện chương trình

Ngày 19 tháng 5 năm 2015

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI CAM ĐOAN 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

SỐ LIỆU 8

DANH MỤC BIỂU ĐỒ SO SÁNH ĐO TRÊN 2 THIẾT BỊ 9

MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục tiêu đề tài 10

3 Phạm vi nghiên cứu 10

4 Phương pháp nghiên cứu 10

5 Kết quả 11

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 11

7 Bố cục luận văn 12

CHƯƠNG 1 NHỊP TIM VÀ CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA HỒNG CẦU 13 1.1 Khái niệm về nhịp tim 13

1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng 13

1.3 Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu 16

1.3.1 Sự cần thiết và sự vận chuyển của Oxy trong máu 16

1.3.2 Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu 17

1.4 Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu 17

1.5 Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu 18

1.6 Nguyên lý Pulse Oximetry 21

1.6.1 Khái niệm 21

1.6.2 Lịch sử phát minh 21

1.6.3 Nguyên lý của Pulse Oximetry 24

1.6.4 Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu 26

4

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ĐO NHỊP TIM TRÊN SMARTPHONE 28

2.1 Phương pháp thu ảnh 28

2.1.1 Cơ sở của phương pháp 28

2.1.2 Vị trí đặt ngón tay 28

2.1.3 Hình ảnh camera thu được 28

2.2 Phương pháp xử lý ảnh 30

2.2.1 Lựa chọn khung hình để xử lý 30

2.2.2 Xử lý điểm ảnh 30

2.2.3 Biểu đồ biên độ màu đỏ được sau khi đã xử lý ảnh 30

32 2.3 Xây dựng phần mềm 33

2.3.1 Yêu cầu về phần cứng 33

2.3.2 Chức năng phần mềm 33

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ 36

4.1 Thử nghiệm trên người bệnh 36

4.2 Thử nghiệm trên người có sức khỏe tốt 38

4.3 Thử nghiệm trên người sau khi vận động 54

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

5

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em muốn gửi lời biết ơn chân thành tới TS Lã Thế Vinh, người trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện cho em về thời gian, những sự giúp đỡ tận tình về kiến thức, sự chỉ dẫn, định hướng và tài liệu tham khảo quý báu

Tiếp theo, em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian qua

Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã chia sẻ, giúp đỡ tôi trong học tập và thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài này

Trong báo cáo này chắc chắn không tránh khỏi những chỗ thiếu sót, em mong nhận được những lời góp ý, chỉ bảo từ các thầy cô để có thể hoàn thiện đề tài của mình tốt hơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2015

Người thực hiện

Đặng Quang Tuyến

6

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn Thạc sĩ “Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán do nhịp tim sử dụng smartphone camera”là công trình của cá nhân tôi Các nội dung nghiên cứu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực rõ ràng Các tài liệu tham khảo, nội dung trích dẫn đã ghi rõ nguồn gốc

Ngày 10 tháng 3 năm 2015

Tác giả luận văn

Đặng Quang Tuyến

7

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nhịp tim là thông số quan trọng trong việc của cơ thể trong việc khám và điều trị bệnh

Nhịp tim có thể được đo dựa trên cơ sở khoa học :

- Hồng cầu trong máu hấp thu ánh sáng ở các bước sóng nhất định

- Mỗi nhịp tim đẩy máu tới đầu ngón tay làm thay đổi lượng hồng cầu ở đầu ngón tay

- Lượng hồng cầu thay đổi dẫn tới cường độ ảnh chụp sử dụng camera thay đổi

- Dựa trên sự thay đổi đó có thể phát hiện được chu kỳ nhịp tim từ đó xác định được chu kỳ nhịp tim trên 1 phút

Hiện nay, điện thoại di động thông minh được sử dụng rất rộng rãi trong cuộc sống Việc sử dụng camera và đèn flash của điện thoại có thể được ứng dụng để đo nhịp tim một cách chính xác

Nội dung của luận văn cần giải quyết những vấn đề sau:

 Tìm hiểu cơ chế hấp thu ánh sáng của hồng cầu

 Tìm hiểu phương pháp thu ảnh

 Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh để làm rõ sự thay đổi biên độ gây ra bởi sự tuần hoàn của máu để phát triển ứng dụng trên smartphone

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay 14

Hình 1-2 Sự truyền ánh sáng qua động mạch 14

Hình 1-3 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến 16

Hình 1-4 Quang phổ hấp thụ của HbO2 và Hb 18

Hình 1-5 Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch 20

Hình 1-6 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến 24

Hình 1-7 Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch 24

Hình 1-8 Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay 25

Hình 2-1 Vị trí đặt ngón tay 28

Hình 2-2 Hình ảnh thu từ Camera 29

Hình 2-3 Khung hình xử lý ảnh 30

Hình 2-4 Biểu đồ biên độ màu đỏ sau khi xử lý ảnh 31

Hình 2-5 Sơ đồ khối thuật toán tính nhịp tim 32

Hình 2-6 Ảnh khi đang đo nhịp tim 34

Hình 2-7 Mục cài đặt 34

Hình 2-8 Thành công lực 35

Hình 4-1 Hình ảnh khi được tích hợp trên ứng dụng khác 67

SỐ LIỆU Số liệu 1 Số liệu đo trên người bệnh 64

Số liệu 2 Số liệu trên người khỏe 65

Số liệu 3 Số liệu sau khi vận động 66

9

DANH MỤC BIỂU ĐỒ SO SÁNH ĐO TRÊN 2 THIẾT BỊ

Biểu đồ 1 So sánh kết quả đo ở người bệnh 38

Biểu đồ 2 Phạm Hùng Cường - 23 Tuổi 40

Biểu đồ 3 Nguyễn Văn Đức - 23 Tuổi 41

Biểu đồ 4 Đặng Quang Tuyến - 27 Tuổi 42

Biểu đồ 5 Trần Đình Tú - 23 Tuổi 43

Biểu đồ 6 Nguyễn Văn Hiên - 25 Tuổi 44

Biểu đồ 7 Phạm Duy Hưng – 24 Tuổi 45

Biểu đồ 8 Nguyễn Phi Hiệp - 23 Tuổi 46

Biểu đồ 9 Nguyễn Thị Thanh – 25 Tuổi 47

Biểu đồ 10 Nguyễn Hồng Vân 24 Tuổi 48

Biểu đồ 11 Nguyễn Tuấn Thành - 23 Tuổi 49

Biểu đồ 12 Uông Đức Quân - 25 Tuổi 50

Biểu đồ 13 Nguyễn Bá Quý – 25 Tuổi 51

Biểu đồ 14 Nguyễn Thị Mai – 24 Tuổi 52

Biểu đồ 15 Dương Ngọc Điệp - 24 Tuổi 53

Biểu đồ 16 Đinh Văn Tiệp -23 tuổi 55

Biểu đồ 17 Nguyễn Đình Công -23 tuổi 57

Biểu đồ 18 Nguyễn Trường Giang – 23 tuổi 59

Biểu đồ 19 Đặng Quang Tuyến - 27 tuổi 61

Biểu đồ 20 Nguyễn Ngọc Trung - 23 tuổi 63

10

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, nhu cầu theo dõi sức khỏe rất phổ biến, các gia đình hầu như đều trang

bị những thiết bị theo dõi sức khỏe Các nhà sản xuất cũng sản xuất rất nhiều thiết bị phục vụ việc theo dõi sức khỏe như vòng đeo tay, đồng hồ thông minh,… Các thiết

bị này hầu như đều tập trung vào việc đo nhịp tim, đếm bước đi Việc sở hữu một chiếc smartphone có camera kèm đen flash là rất phổ biến Do vậy nghiên cứu ứng dụng sử dụng camera để đo nhịp tim đã ra đời để giúp mọi người có thể đo và theo dõi nhịp tim mọi lúc mọi nơi

2 Mục tiêu đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu về nhịp tim và cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu từ đó xây dựng phần mềm trên smartphone để đo nhịp tim

Để đạt được mục tiêu trên đề tài tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:

a Tìm hiểu về nhịp tim và cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu

b Tìm hiểu và xây dựng ứng dụng đo nhịp tim trên smartphone

c Thử nghiệm thực tế sản phẩm và đưa ra kết quả đánh giá

3 Phạm vi nghiên cứu

a Tìm hiểu cơ chế hấp thu ánh sáng của hồng cầu

b Tìm hiểu phương pháp thu ảnh

c Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh để làm rõ sự thay đổi biên độ gây ra bởi sự tuần hoàn của máu để phát triển ứng dụng trên smartphone

4 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu về khái niệm nhịp tim

- Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng

- Tìm hiểu về nồng độ bão hòa của Oxy trong máu

- Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu

- Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu

11

- Nguyên lý Pulse Oximetry

- Tìm hiểu và xây dựng ứng dụng đo nhịp tim trên smartphone

b Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Sau khi xây dựng xong phần mềm, phần mềm sẽ được kiểm nghiệm trên người

có tiền sử bệnh tim (hoặc người có bệnh khác) và người khỏe mạnh

5 Kết quả

Sau những kiểm nghiệm thực tế kết quả cho thấy phần mềm đo nhịp tim cho kết quả khá chính xác so với máy đo nhịp tim chuyên dụng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Với phần mềm này người sử dụng smartphone có thể kiểm tra và đo nhịp tim ở mọi lúc mọi nơi và không cần phải sử dụng thêm các thiết bị hỗ trợ bên ngoài khác

12

7 Bố cục luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương

Chương 1 : Nhịp tim và cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu

Chương này tập chung vào khái niệm cơ bản về nhịp tim,nồng độ bão hòa của oxy trong máu, cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu và nguyên lý Pulse Oximetry

Chương 2: Xây dựng ứng dụng đo nhịp tim trên smartphone

Các vấn đề để xây dựng ứng dụng đo nhịp tim như phương pháp thu ảnh, phương pháp xử lý ảnh được giải quyết trong chương này

Chương 3: Thử nghiệm thực tế và đánh giá

Chương 3 trình bày về những thử nghiệm phần mềm trên người bệnh, người khỏe mạnh và người sau khi vận động có biểu đồ so sánh và số liệu khi thực nghiệm trên máy chuyên dụng và phần mềm.Sau đó đưa ra nhận xét khách quan về ứng dụng

Chương 4: Kết quả và hướng phát triển

Những kết quả mà ứng dụng đã đạt được và hướng phát triển ứng dụng được trình bày trong chương này

13

CHƯƠNG 1 NHỊP TIM VÀ CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA

HỒNG CẦU

1.1 Khái niệm về nhịp tim

Chức năng của tim là đưa máu có chứa oxy và chất dinh dưỡng đến tất cả các tế bào của cơ thể Để đảm bảo được khả năng này, tim có 2 loại tế bào căn bản: chiếm

đa số là các tế bào có khả năng co bóp khi có kích thích của xung điện (cơ vân) và ít hơn là các tế bào có khả năng tự phát ra xung điện, dẫn truyền xung điện Các tế bào này có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của cơ vân [2].Ở người bình thường, xung điện được phát ra từ nút xoang và di chuyển theo hệ thống dẫn truyền đi đến toàn bộ

tế bào cơ vân của tim.Nếu chúng ta ví mỗi tế bào cơ vân như mỗi căn nhà, thì hệ thống dẫn truyền như hệ thống đường giao thông Hoạt động đều đặn và nhịp nhàng của hệ thống này tạo ra nhịp tim đều khoảng 60-100/p

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim

Như chúng ta biết, trên một người bình thường hoạt động tạo ra xung điện phát xuất từ nút xoang (nằm ở nhĩ phải), sau đó xung điện di chuyển qua hệ thống dẫn truyền đến các tế bào cơ vân của tim, kích thích các tế bào này co bóp Như vậy chúng

ta sẽ hỏi: có phải nhịp tim hoàn toàn do tim tự điều khiển?

Điều này cũng đúng nhưng chỉ đúng một nửa Nhịp tim còn chịu ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố bên ngoài tim Các yếu tố bên ngoài tim điều hòa nhịp tim giúp tim hoạt động phù hợp với hoạt động của cơ thể Khi tế bào cần nhiều máu hơn (tập thể thao, sốt, căng thẳng ) nhịp tim nhanh hơn Khi cơ thể nghỉ ngơi (ngủ) nhịp tim

sẽ chậm lại [2]

1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng

Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim

mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm biến quang học [2] Phương pháp cảm biến này như sau:

Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn

ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong động mạch tăng lên Chính sự thăng giảm áp suất máu này sẽ làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được

Hình 1-1 Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay

 Phải đặt nguồn sáng và Photodiode ở đâu để có thể thu được kết quả tốt nhất?

 Vì động mạch bên trong cơ thể nên ánh sáng không chỉ truyền qua động mạch

mà còn truyền qua nhiều thành phần khác của cơ thể, vậy có ảnh hưởng xấu gì đến tín hiệu nhận được ?

Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cơ thể

mà có chứa động mạch Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận được là lớn nhất [3]

Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong động mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của cơ thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng

Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn nhưng

do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ tin cậy

16

Hình 1-3 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến

Vị trí đặt nguồn sáng và Photodide hợp lý nhất: đó là đầu các ngón tay Tuy động mạch ở đây không lớn nhưng quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không nhiều nên chỉ cần dùng một LED để làm nguồn sáng, kết quả mức độ biến thiên cường độ sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỷ số giữa biên độ tín hiệu với nền một chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả được chính xác nhất

Khi ánh sáng truyền qua đầu ngón tay, nó chỉ bị hấp một phần nhỏ bởi động mạch, còn phần lớn bị hấp thụ bởi mô và xương nhưng một điều may mắn là hệ số hấp thụ của mô và xương đối với ánh sáng là hầu như không đổi theo thời gian, nên cường

độ ánh sáng Photodiode nhận được sẽ biến thiên theo nhịp tim trên nền một chiều, tín hiệu này được chỉ ra như hình 3, do đó hoàn toàn có thể tin tưởng tính đồng bộ của tín hiệu nhận được với nhịp tim

1.3 Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu

1.3.1 Sự cần thiết và sự vận chuyển của Oxy trong máu

Oxy trong máu là một nguyên tố rất cần cho sự sống Đối với cơ thể người Oxy cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình Oxy hóa xảy ra bên trong cơ thể Một chức năng quan trọng của Máu đối với cơ thể là chức năng vận chuyển:

Máu là con đường vận chuyển của các chất dinh dưỡng sau quá trình tiêu hóa ở nhung mao ruột, của khí O2 từ phổi đến các mô, khí CO2 từ các mô đến phổi…

Photodiode LED

17

Sự vận chuyển khí O2 của máu

Khí O2 được vận chuyển theo máu thông qua hai dạng hòa tan và kết hợp với haemoglobin ( haemoglobin là một Protein được kết lại trong hồng cầu )[5]

Dạng hòa tan : Khả năng hòa tan của Oxy trong máu rất nhỏ so với lượng Oxy

vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô

Dạng kết hợp : Oxy được vận chuyển trong máu ở dạng kết hợp là kết quả của

một loạt phản ứng thuận nghịch xảy ra giữa Oxy và haemoglobin (Hb) để tạo thành Oxyhaemoglobin (HbO2) Sự kết hợp giữa O2 và Hb tỉ lệ thuận với phân áp của O2

trong máu Khi phân áp Oxy tăng dần từ 0 – 100mmHg, tỷ lệ % hòa tan HbO2 cũng tăng dần tới 97% Ngược lại, khi phân áp Oxy giảm từ 100 – 0 mmHg thì tỷ lệ % bão hòa của HbO2 cũng giảm dần theo thứ tự đó

Từ những khái niệm này người ta có thể đưa ra vài phương pháp đo nồng độ bão hòa của Oxy trong máu

1.3.2 Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu

Do khí O2 vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng kết hợp nên nồng độ bão hòa của Oxy trong máu chủ yếu được xác định bởi tỷ lệ % hòa tan của HbO2 Khi

cơ thể hoạt động sẽ tiêu tốn năng lượng và cơ thể sẽ đòi hỏi thường xuyên được cung cấp năng lượng qua sự Oxy hóa các chất dinh dưỡng, quá trình này xảy ra chủ yếu ở

mô tế bào Nếu trong máu thiếu Oxy thì các phản ứng Oxy hóa sẽ chậm đi và không

đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cư thể, ngoài ra thiếu Oxy sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của cơ thể, cơ thể sẽ khó đào thải các chất độc ra ngoài… Do đó đối với người bệnh và ngay cả đối với người bình thường thì việc xác định nhanh chóng và chính xác thông số nồng độ bão hòa của Oxy trong máu là hết sức cần thiết.[6]

1.4 Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu

Nói chung có nhiều phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu, các phương pháp phổ biến được nêu ra dưới đây [2]:

 Phương pháp dùng điện cực Oxy

18

 Phương pháp cộng hưởng điện tử từ tính

 Phương pháp -Phương pháp chụp tia pozitron

 Phương pháp Pulse Oximetry

Phương pháp “ Pulse Oximetry ” là phương pháp đo dựa vào xung nhịp tim, phương pháp này có các ưu điểm sau:

 Biết kết quả ngay

 Chỉ cần một thao tác đo

 Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể

 Độ tin cậy cao

Do đó nội dung của bài luận văn sẽ đề cập đến phương pháp đo này

1.5 Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu

Vào năm 1860 người ta phát hiện ra rằng haemoglobin là chất mang màu sắc nó

có trong hồng cầu và ảnh hưởng đến màu sắc của máu, sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy bởi haemoglobin sẽ thay đổi với hàm lượng Oxy trong nó[4]

Hình 1-4 Quang phổ hấp thụ của HbO 2 và Hb

19

Bởi vì hai dạng chủ yếu của haemoglobin có trong máu mà ảnh hưởng nhiều nhất đối với ánh sáng là Oxyhaemoglobin (HbO2) và Reducedoxyhaemoglobin (Hb), HbO2 và Hb có quang phổ hấp thụ khác nhau với các bước sóng ánh sáng khác nhau

Về phương diện hoá học O2 kết hợp với Haemoglobin bên trong hồng cầu tạo nên gần như tất cả Oxy trong máu ( chỉ có một phần rất nhỏ nằm trong các thành phần khác của máu ) Mức độ bão hòa của Oxy trong máu thường được quy về SaO2 hoặc SpO2 và được định nghĩa là tỷ số của oxyhaemoglobin và tổng số haemoglobin trong máu (oxyhaemoglobin + Reducedoxyhaemoglobin ) :

[𝐻𝑏𝑂2+𝐻𝑏] (1)[3]

Nồng độ bão hòa của Oxy của máu trong động mạch là một thông số được đo với Oximetry và thường được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%) Dưới điều kiện sinh học bình thường máu trong động mạch có độ bão hòa khoảng 97%, trong khi đó máu trong tĩnh mạch chỉ có độ bão hòa khoảng 75% Nhìn Hình 1.4 ta có thể thấy rằng với hai bước sóng: Một là tia đỏ bước sóng λ khoảng 660 nm, hai là tia hồng ngoại bước sóng λ khoảng 940 nm thì hệ số hấp thụ của Hb và HbO2 đối với hai bước sóng này sẽ khác nhau nhiều nhất Hb hấp thụ nhiều tia đỏ và hấp thụ ít tia hồng ngoại, ngược lại HbO2 hấp thụ ít tia đỏ và hấp thụ nhiều tia hồng ngoại Do đó hệ số hấp thụ của máu đối với hai bước sóng cũng sẽ sai khác nhau nhiều nhất và mức độ sai khác phụ thuộc vào nồng độ bão hoà của Oxy trong máu Như vậy khi chiếu hai tia đỏ và hồng ngoại qua vùng cơ thể có chứa động mạch, dựa vào cường độ của các tia nhận lại có thể xác định được nồng độ bão hoà của oxy trong máu (SaO2) [4]

Về mặt vật lý mô hình quá trình truyền sáng này như sau:

20

Hình 1-5 Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch

Có thể cho rằng ánh sáng truyền qua động mạch chỉ chịu sự ảnh hưởng của nồng

độ HbO2 và Hb trong máu Theo định luật Beer – Lambert : Cường độ ánh sáng truyền qua sẽ giảm tỷ lệ theo hàm mũ của 10 với bề dày L của động mạch

Trên hình 1 : Động mạch có bề dày L

Tia tới có cường độ Iin

Sau khi truyền qua còn I

Với bước sóng λ1 :

Với bước sóng λ2 :

Trong đó :

C0 là độ tập trung của Oxyhaemoglobin ( HbO2 )

Cr là độ tập trung của Reducedhaemoglobin ( Hb )

αon là hệ số hấp thụ của HbO2 với bước sóng λn

αrn là hệ số hấp thụ của Hb với bước sóng λn

Phương pháp này có ưu điểm:

 Biết kết quả ngay

 Chỉ cần một thao tác đo

 Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể

 Độ tin cậy cao

1.6.2 Lịch sử phát minh

Nguyên lý Pulse Oximetry đã trải qua rất nhiều thời kỳ phát phát triển[4]:

Năm 1864, nhà vật lý và toán học người Ai-len George Gabriel Stokes đã phát hiện ra chức năng hô hấp của haemoglobin

Năm 1867, nhà vật lý người Đức Karl von Vierordt đã phát triển các kỹ thuật và công cụ để theo dõi sự tuần hoàn của máu, sử dụng một nguồn sáng để phân biệt máu bão hòa với máu không bão hòa

Năm 1898, nhà sinh lý học người Anh Halden phát hiện nguyên lý hóa học cho

sự giải phóng oxy ra khỏi phức của oxy với haemoglobin J Barcoft sử dụng nguyên

lý này để kiểm tra thành phần khí máu

Năm 1932, nhà sinh lý học người Đức L Nicolai đã sử dụng phương pháp quang học để ghi lại sự tiêu thụ oxy trong một bàn tay

Năm 1935, thiết bị đầu tiên được phát triển bởi Carl Matthes để đo độ oxy bão hòa trong máu không xâm lấn bằng cách cho ánh sáng màu chiếu xuyên qua cơ thể với một đầu dò tai

22

Năm 1939, K Matthews và F Gross đã sử dụng phép đo ánh sáng trong việc kiểm tra dái tai Để tránh sự hấp thụ ánh sáng bởi các mô xung quanh, các nhà khoa học đã

sử dụng quang phổ kế hai bước sóng

Trong thập kỷ 1940, nhà khoa học người Anh, Millikan đã sử dụng nguồn sáng 2 bước sóng để kiểm tra độ bão hòa oxy Kỹ thuật này phát triển rất mạnh để phục vụ cho mục đích quân sự trong chiến tranh thế giới lần thứ hai Các phi công thường phải đối mặt với tình trạng thiếu oxy trong khi bay, kỹ thuật này đã giúp theo dõi độ oxy và cứu sống rất nhiều phi công Millikan cũng là người đưa ra khái niệm

“oximeter”

Hệ thống này đã trải qua nhiều thay đổi trong những năm 1940 và năm 1950 và cuối cùng được sản xuất bởi Công ty Waters Hệ thống này được sử dụng chủ yếu trong sinh lý học, hàng không, và nghiên cứu thực nghiệm

Năm 1970, phương pháp đo này đã có thể sử dụng trong lâm sàng sau khi các nhà khoa học của công ty Hewlett-Packard phát triển một thiết bị thương mại để

đo oxy ở tai Thiết bị này được phát triển dựa trên một thiết bị của bác sĩ phẫu thuật Robert Shaw chế tạo năm 1964 Thiết bị này có thể đo độ bão hòa trong động mạch bằng cách làm nóng mô tới 41oC để làm tăng lưu thông máu

Năm 1974, Takuo Aoyagi – một kỹ sư y sinh học của công ty Nihon Kohden trong quá trình nghiên cứu về theo dõi cung lượng tim đã phát hiện ra rằng với một mức độ bão hòa oxy, sự hấp thụ các bước sóng sẽ thay đổi theo bước sóng Ông đề nghị đo

độ bão hòa oxy bằng cách xác định sự hấp thụ của máu đối với ánh sáng nằm trong dải từ đỏ đến hồng ngoại Phát hiện này là cơ sở để phát triển các máy đo độ oxy bão hòa hiện đại

Đến năm 1978, William New đã phát minh ra một hình mẫu (prototype) Năm

1981, công ty Biox và năm 1983, công ty Nellcor lần lượt đưa ra đưa ra các sản phẩm thương mại

23

Trong thập kỷ 1980, các máy đo ngày càng nhỏ gọn hơn, dễ sử dụng hơn và rẻ hơn Năm 1987, tiêu chuẩn theo dõi trong gây mê tổng quát tại Mỹ quy định bao gồm theo dõi độ oxy mạch máu

Trong thời gian cuối năm 1990, Pulse Oximeters ' thế hệ mới ' đã được giới thiệu khắc phục được những hạn chế của máy đo công nghệ cũ và nâng cao hơn tính chính xác của việc đo bão hòa oxy trong máu

Từ năm 1990 đến nay, máy đo độ bão hòa oxy dựa vào mạch đập đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới

Năm 1995, máy đo dạng finger tip, thiết bị dạng nhỏ gọn có thể đặt trên đầu ngón tay đã xuất hiện trên thị trường Cũng trong năm này, công ty Masimo giới thiệu kỹ thuật Signal Extraction Technology (SET), giúp đo chính xác độ bão hòa oxy khi bệnh nhân chuyển động và máu lưu thông thấp

Hiện nay có rất nhiều nhà sản xuất Oximeters Tất cả cung cấp một loạt các hộp

đo oxy khác nhau với SaO2 và đo nhịp tim, màn hình dạng sóng, báo động… Trong khi các hộp và màn hình có thể khác nhau song tất cả đều sử dụng một phương pháp tương tự để đo độ bão hòa oxyhaemoglobin bởi hai bước sóng của ánh sáng trong phạm vi màu đỏ và hồng ngoại

24

1.6.3 Nguyên lý của Pulse Oximetry

Từ nguyên lý của Oximetry ta có thể đo SaO2 trong động mạch theo cách sau:

Hình 1-6 Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến

Với phương pháp này 2 tia đỏ và hồng ngoại đặt sát trên đầu ngón tay người đo, các tia sáng truyền qua đầu ngón tay được một Photodiode bên dưới thu nhận Với hai tín hiệu của tia đỏ và hồng ngoại nhận được ta hoàn toàn tính được nồng

độ bão hòa của Oxi trong động mạch[2]

Hình 1-7 Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch

Photodiode

25

Cường độ ánh sáng Photodiode nhận được có dạng như Hình 7 Tín hiệu này biến thiên theo thời gian đồng bộ với nhịp tim Có thể chia mỗi tín hiệu thành 2 phần :

 Thành phần 1 chiều DC : Idc

 Thành phần xoay chiều, biến đổi đồng bộ với nhịp tim AC : Iac

Ánh sáng truyền qua ngón tay chịu sự hấp thụ của :

A – Máu trong động mạch

V – Máu trong tĩnh mạch

T – Xương, da, mô …

Do sự hấp thụ của máu trong tĩnh mạch, xương, da và mô là không đổi, chỉ có sự hấp thụ của máu trong động mạch là thay đổi nên ta có thể tách bỏ phần tín hiệu không đổi, giữ lại thành phần biến đổi, thành phần này mới mang thông tin

a)

b)

Hình 1-8 Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay

a Đối với tia sáng đỏ

b Đối với tia hồng ngoại

Hình vẽ này thể khẳng định lại một lần nữa rằng sự hấp thụ của máu động mạch với 2 tia đỏ và hồng ngoại là khác nhau

Rõ ràng có thể cho rằng sự thay đổi mức độ hấp thụ ánh khi tim đập chỉ bởi dòng máu chuyển động trong động mạch Bởi vì khi tim co bóp, máu được dồn nén mạnh với tần số đúng bằng tần số của tim, do tác động này của tim mức độ tập trung của HbO2 và Hb cũng thay đổi theo, do đó độ hấp thụ ánh sáng của máu thay đổi và cường

độ ánh sáng sau khi truyền qua cũng thay đổi[4]

Hình 4a và 4b đưa ra các tín hiệu xoay chiều đồng bộ với nhịp tim khi tia sáng đỏ

và hồng ngoại chiếu qua ngón tay hay một phần nào khác của cơ thể có chứa động mạch Ở hình 4b ta thấy có thêm một cực đại phụ trong mỗi nhịp tim, hiện tượng này khá phổ biến và là vấn đề cần phải giải quyết trong khâu xử lý tín hiệu

1.6.4 Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu

Trên thực tế, người ta không tính R theo phương trình (4) rồi thay vào phương trình (3) để tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu (SaO2), nhiều thí nghiệm trên thế giới đã chứng tỏ phương pháp trên không còn chính xác khi SaO2 < 85% Thực nghiệm đã tìm ra được cách tính SaO2 như sau: Cho 2 nguồn phát với cùng cường độ sáng: Iin1 = Iin2, Tính R một cách đơn giản theo công thức[2] :

ra từ thực nghiệm và đã được nhiều hãng chế tạo Oximeter sử dụng

Hình 5 so sánh các kết quả tính R và S theo hai cách tính nêu trên: Sự khác biệt giữa đường lý thuyết Beer – Lambert và đường thực nghiệm khi S>85% là

27

nhỏ, nhưng với S<85% thì sự sai khác này đáng kể do đó xác định S theo công thức (3) không còn chính xác

28

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ĐO NHỊP TIM TRÊN

SMARTPHONE

2.1 Phương pháp thu ảnh

2.1.1 Cơ sở của phương pháp

Phần lý thuyết đã đề cập, để đo được nhịp tim thì chúng ta cần một nguồn sáng

ổn định, một photodiode để thu ảnh Như vậy, trên smartphone chúng ta sẽ sử dụng đèn flash để làm nguồn sáng và camera làm photodiode, cho nên việc đặt ngón tay ở phía sau camera có đèn flash là một vị trí hoàn toàn lý tưởng để đo nhịp tim

2.1.2 Vị trí đặt ngón tay

Hình 2-1 Vị trí đặt ngón tay

Ngón tay được đăt ngay sau camera và ngay cạnh đèn flash

Camera sẽ quay hình ảnh ngón tay liên tục để xử lý

2.1.3 Hình ảnh camera thu được

Đèn flash

Camera

29

Hình 2-2 Hình ảnh thu từ Camera

Hình ảnh thu được từ camera có độ phân giải lớn cho nên khi xử lý ảnh phần mềm

sẽ lựa chọn xử lý một phần ở giữa của hình ảnh thu được

Khung hình được lựa chọn có kích thước 1280x720

Kênh màu xanh lá cây có mặt nạ 0x00ff****

Kênh màu xanh nước biển có mặt nạ là 0x0000ff**

Khi lượng màu đỏ đã đủ để đo thì phần mềm sẽ dựa vào cường độ màu đỏ của hình ảnh để tính toán được máu được đẩy qua mạch máu sau mỗi lần tim co bóp

2.2.3 Biểu đồ biên độ màu đỏ được sau khi đã xử lý ảnh

32

Dựa vào biên độ màu đỏ theo thời gian thu được, phần mềm sẽ đếm các đỉnh của biên

độ để tính ra nhịp tim Trong quá trình đểm đỉnh của biên độ màu đỏ nếu 2 tần số nhịp tim không hợp lý, phần mềm sẽ đo lại từ đầu

Hình 2-5 Sơ đồ khối thuật toán tính nhịp tim

T

a Chức năng đo nhịp tim

Để bắt đầu đo nhịp tim đặt nhẹ một ngón tay phía sau camera sau đó bấm nút start

để bắt đầu đo Trong khi đã phát hiện được tín hiệu đo thì ngón tay không di chuyển

để tính toán chính xác

Ta có thể lựa chọn các chế độ đo như đo nhanh, trung bình và chính xác Thời gian đo nhịp tim càng lâu thì nhịp tim càng chính xác

34

Hình 2-6 Ảnh khi đang đo nhịp tim Hình 2-7 Mục cài đặt