Nghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minh (tt)

Nghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minhNghiên cứu phát hiện tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ bằng vòng đeo tay thông minh

Trang 1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN TẦN SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA TRẺ TỰ

KỶ BẰNG VÒNG ĐEO TAY THÔNG MINH

Chuyên ngành : Khoa học máy tính

Mã số : 8.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2018

Trang 2

HÀ NỘI – 2017

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Văn Cường

Phản biện 1: ………

……… …………

Phản biện 2: … ………

……… …………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Trang 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẺ TỰ KỶ VÀ NHẬN DẠNG HOẠT ĐỘNG CỦA TRẺ TỰ KỶ 5

1.1 Tổng quan về trẻ tự kỷ 5

1.1.1 Bệnh tự kỷ ở trẻ em biểu hiê ̣n như thế nào? 5

1.1.2 Các hoạt động của trẻ tự kỷ 6

1.1.3 Lý do nghiên cứu tần suất vâ ̣n đô ̣ng của trẻ tự kỷ? 7

1.2.Các nghiên cứu trước đây về nhận dạng hoạt động và trợ giúp trẻ tự kỷ 7

1.2.1.Nghiên cứu về nhận dạng hoạt động của người 7

1.2.2.Nghiên cứu về trợ giúp trẻ tự kỷ 8

1.3 Phạm vi và các giả định 9

1.3.1 Một số hạn chế 10

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 10

1.4 Kết chương 10

CHƯƠNG 2:PHÁT HIỆN TẦN XUẤT VẬN ĐỘNG CỦA TRẺ TỰ KỶ 11

2.1.Thiết kế vòng đeo tay thông minh 11

2.1.1.Cấu hình cảm biến 11

2.1.2 Thiết kế vòng đeo tay thông minh 11

2.2 Phân tích và xử lý dữ liệu cảm biến 12

2.2.1 Tiền xử lý dữ liệu 12

2.2.2 Phân đoạn và trích các đặc trưng 12

2.3 Phát hiện tần xuất hoạt động 15

2.3.1 Huấn luyện mô hình học máy 15

Trang 4

2.3.2 Phát hiện và theo dõi vận động 15

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 16

3.1 Thu thập dữ liệu 17

3.2 Thực nghiệm và đánh giá 18

3.2.1.Phương pháp đánh giá 18

3.2.2.Quá trình thực nghiệm 18

3.3 Kết quả 19

KẾT LUẬN 21

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

Trang 5

MỞ ĐẦU

Khi mô ̣t đứa trẻ sinh ra đời, nó không biết và cũng không thể lựa cho ̣n cho mình mô ̣t cơ thể khỏe ma ̣nh, mô ̣t tinh thần minh mẫn hay mô ̣t cơ thể khuyết tâ ̣t, mô ̣t tinh thần còi co ̣c, vì thế bên ca ̣nh những cháu bé bình thường và phát triển tốt, còn có mô ̣t tỷ lê ̣ không nhỏ các cháu có những khiếm khuyết về thể chất hay tâm lý và những cháu bé này cần có những sự can thiê ̣p và hỗ trợ càng sớm càng tôt để giúp cho các em có được những cơ hô ̣i tốt nhất trong viê ̣c phát triển và hô ̣i nhâ ̣p xã hô ̣i Có hai tình tra ̣ng khuyết tâ ̣t của trẻ là khuyết tâ ̣t về thể chất và khuyết tâ ̣t về tâm lý Trong số những trẻ khuyết tâ ̣t về tâm lý thì trẻ có hô ̣i chứng tự kỷ là mô ̣t trong những đối tượng gă ̣p nhiều khó khăn nhất

Đồng thời, theo số liệu mới nhất từ Liên Hợp Quốc, hiện có 1% dân số thế giới, tức là khoảng 70 triệu người đang mắc bệnh tự kỷ Đặc biệt, tỷ lệ này ở trẻ em đang ngày càng tăng Bởi cứ 150 em nhỏ trên thế giới sẽ có 1 em mắc chứng bệnh này Còn tại Việt Nam, theo thống kê của Bộ Lao động-Thương binh và Xã hội, hiện nay có khoảng 200.000 trẻ em có chứng tự kỷ và con số này vẫn tiếp tục tăng nhanh trong thời gian tới[25] Đặc biệt, qua rất nhiều các nghiên cứu chứng cứ y học, tự kỷ là một khuyết tật phát triển cho đến nay vẫn chưa có một loại thuốc hoặc một phương pháp cụ thể nào được đánh giá là có thể chữa khỏi hoàn toàn Chính vì thế, Việt Nam cùng với thế giới đã giành nhiều sự quan tâm chăm só c đến những trẻ em mắc bệnh tự kỷ Và nó đã trở thành vấn đề quan tâm chung của toàn xã hô ̣i và là nỗi niềm canh cánh của nhiều người có lương tâm và trách nhiê ̣m cũng như nỗi lo âu lớn nhất của gia đình, bố me ̣ các em

Đồng hành cũng sự bùng nổ công nghê ̣ thông tin trong những năm gần đây là sự ra đời của những giải pháp công nghê ̣ áp du ̣ng vào lĩnh vực y tế xã

hô ̣i.Đă ̣c biê ̣t để đảm bảo an toàn cho trẻ tự kỷ đã có rất nhiều giải pháp công nghệ và công cụ để giám sát hoạt động của trẻ tự kỷ Trong đó, việc theo dõi

Trang 6

tần suất hoạt động của trẻ tự kỷ giúp bố mẹ có thể giám sát và đảm bảo an toàn cho trẻ mọi lúc mọi nơi Từ sự cấp thiết của việc bảo vệ và chăm sóc trẻ tự kỷ cùng với sự tìm hiểu về những phương pháp nhận dạng hoạt động con người, luận văn đã cho ̣n đề tài: : “Nghiên cứu phát hiê ̣n tần suất hoạt động của trẻ tự

kỷ bằng vòng đeo tay thông minh”

Bố cục luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và các chương nội dung được tổ chức như sau:

Chương 1: Tổng quan về trẻ tự kỷ Nội dung chính của chương này là

trình bày tổng quan về trẻ tự kỷ, các ho ̣a ̣t đô ̣ng thường gă ̣p của trẻ tự kỷ; trình bày ngắn gọn một số công trình nghiên cứu liên quan về công nghệ cảm biến trợ giúp nhâ ̣n da ̣ng và theo dõi hoa ̣t động của trẻ tự kỷ.Từ đó đưa ra bài toán cần quyết trong luâ ̣n văn

Chương 2:Nghiên cứu khảo sát tần suất vâ ̣n đô ̣ng của trẻ tự kỷ bằng

vòng đeo tay thông mình Chương này trình bày về thiết kế vòng đeo tay thông minh có gắn cảm biến gia tốc, phương pháp phân tích và tiền xử lý dữ liê ̣u cảm biến và phương pháp phát hiê ̣n tần suất hoa ̣t đô ̣ng của trẻ tự kỷ

Chương 3: Thực nghiệm và đánh giá Nội dung chương 3 bao gồm các

bước: thu thâ ̣p dữ liê ̣u về vâ ̣n đô ̣ng của trẻ tự kỷ và trẻ bình thường, đánh giá phương pháp phát hiê ̣n tần suất hoa ̣t đô ̣ng của trẻ tự kỷ So sánh tần suất hoa ̣t

đô ̣ng của trẻ tự kỷ và trẻ bình thường

Trang 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẺ TỰ KỶ VÀ NHẬN DẠNG HOẠT

ĐỘNG CỦA TRẺ TỰ KỶ 1.1 Tổng quan về trẻ tự kỷ

1.1.1 Bê ̣nh tự kỷ ở trẻ em biểu hiê ̣n như thế nào?

a.Khái niệm tự kỷ

Hiện nay, có nhiều khái niệm khác nhau về Tự kỷ, nhưng mỗi góc độ

nghiên cứu khác nhau có các quan điểm khác nhau về TRẺ TỰ KỶ Trong đề

tài này tôi chọn khái niệm của Liên hiệp quốc năm 2008 làm công cụ nghiên cứu và chọn đối tượng nghiên cứu

Năm 2008 Liên hiệp quốc đưa ra khái niệm “Tự kỷ là một dạng khuyết tật phát triển tồn tại suốt cuộc đời, thường xuất hiện trong 3 năm đầu đời Tự kỷ là

do rối loạn thần kinh, gây ảnh hưởng đến chức năng hoạt động của não bộ Tự

kỷ có thể xảy ra ở bất cứ cá nhân nào không phân biệt giới tính, chủng tộc hoặc điều kiện kinh tế - xã hội Đặc điểm của Tự kỷ là những khiếm khuyết về tương tác xã hội, giao tiếp ngôn ngữ và phi ngôn ngữ và có hành vi, sở thích, hoạt động mang tính hạn hẹp, lặp đi lặp lại”

b.Biểu hiện của bệnh tự kỷ ở trẻ em

Có rất nhiều đặc điểm để phân biệt và nhận biết trẻ mắc chứng tự kỷ Dưới đây

là một số đặc điểm tiêu biểu:

Trang 8

o Sự hạn chế trên bình diện quan hệ

o Sự hạn chế trong nghe hiểu

La hét, giận dữ Trẻ tự kỷ có những sở thích, thói quen kỳ lạ không đúng với những chuẩn mực xã hội thông thường Người lớn thấy vậy thường ngăn chặn những sở thích, thói quen bất thường Khi đó trẻ rất khó chịu và

có những hành vi nổi cáu, gây hấn

Không thích sự thay đổi Trẻ tự kỷ muốn tất cả mọi điều phải quen thuộc, gần gũi, trẻ rất ghét sự thay đổi, sáo trộn: từ những đồ dùng cá nhân,

đồ dùng học tập cho đến nơi chốn sinh hoạt hằng ngày Một số trẻ rất thất vọng khi thói quen của trẻ bị ai thay đổi

Những gắn bó bất thường Trẻ tự kỷ ở một giai đoạn nào đó có những gắn bó với đồ vật theo cách không bình thường Trẻ thường chỉ thích một vài hoạt động cụ thể như xoay tròn một vật hay sắp xếp đồ vật thành một hàng nhất định

Những hành vi bất thường khác Trẻ tự kỷ cũng có thể phát triển những triệu chứng đa dạng khác nhau, những rối loạn tinh thần xuất hiện Khoảng 20% trẻ tự kỷ có những cơn co giật bất thường Những trẻ bị mắc tự kỷ cũng

có thể có biểu hiện những hành vi phá phách Trẻ có thể tự hành hạ bản thân hay tấn công những người khác

Trang 9

1.1.3 Ly ́ do nghiên cứu tần suất vận đợng của trẻ tự kỷ?

Luận văn đã đưa ra 4 lý do chính để nghiên cứu tần suất vận động của trẻ

tự kỷ:

 Tỷ lệ trẻ được phát hiện và chẩn đốn tự kỷ tăng một cách đáng kể

 Tự kỷ là một khuyết tật phát triển cho đến nay vẫn chưa cĩ một loại thuốc hoặc một phương pháp cụ thể nào được đánh giá là cĩ thể chữa khỏi hồn tồn

 Những khĩ khăn mà các bậc làm cha làm mẹ cĩ con mắc bệnh tự kỷ

 Trong thời đại phát triển như vũ bão của khoa học cơng nghệ, các hệ thống thơng minh ra đời ngày càng nhiều Các hệ thống thơng minh liên quan đến sức khỏe con người được quan tâm hơn cả

1.2.Các nghiên cứu trước đây về nhận dạng hoạt động và trợ giúp trẻ tự kỷ

1.2.1.Nghiên cứu về nhận dạng hoạt động của người

a.Nghiên cứu của trung tâm nghiên cứu đại học Rutgers[18]

Nghiên cứu sử dụng cảm biến 3 trục duy nhất gắn ở gần xương chậu.Nghiên cứu sử dụng 1 cảm biến 3 trục CDXL04M3 được tạo bởi Crossbow Technologies Cảm biến được tích hợp trong một Hoarder Board với tần số lấy mẫu là 50Hz Dữ liệu cảm biến được truyền đến một IPAQ HP qua đường truyền khơng dây Bluetooth Sau khi thu thập được dữ liệu, hệ thống sẽ tính tốn các đặc trưng như Mean, Standard Deviation, Energy, Correlation.Nghiên cứu nhận dạng 8 hoạt động khác nhau: Standing, Walking, Running, Climbing up stairs, Climbing down stairs, Sit-ups, Vacuuming, Brushing teeth Nghiên cứu dựa trên nghiên cứu của Bao và Intille[15] (2004)

sử dụng các thuật tốn nhận dạng cơ bản như thuật tốn cây quyết định (C4.5), decision table, nạve Bayes và láng giềng gần nhất cĩ trong Weka(1999)

b.Nghiên cứu của Andreas Bulling, Ulf Blanke, Bernt Schiele[13]

Nghiên cứu sử dụng cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hồi chuyển được gắn vào cánh tay với ba vị trí khác nhau Sau khi thu được dữ liệu từ cảm biến, hệ thống tính tốn các đặc trưng như mean và variance Sau đĩ sử dụng

Trang 10

các thuật tốn phân loại như: K-NN, Discriminative Analysis (DA), Nạve Bayes (NB), Support Vector Machine (SVM), Hidden Markov Models (HMM)

c.Nghiên cứu của Pierluigi Casale, Oriol Pujol, and Petia Radeva[14]

Nghiên cứu của Pierluigi Casale, Oriol Pujol, and Petia Radeva sử dụng thuật tốn Random Forest để nhận dạng 5 hoạt động sử dụng 1 hệ thống dựa trên Beagleboard, một low-price board xây dựng trên hệ thống TI OMAP

d Nghiên cứu của Emmanuel Munguia Tapia[16]

Nghiên cứu sử dụng rất nhiều thiết bị cũng như các đánh giá khác nhau đối với từng bước, từng đặc tính trong nhận dạng hoạt động Nghiên cứu sử dụng một nền tảng cảm biến khơng dây gọi là cảm biến mơi trường MIT (MITes) và một số cảm biến sẵn cĩ như MT1 Actigraph, máy đếm bước chân HJ-112, băng đeo tay bodybugg, đo nhiệt lượng gián tiếp Cosmed K4b2 Từ dữ liệu thu được từ các thiết bị trên, nghiên cứu sẽ đưa ra những hướng nhận dạng khác nhau Từ dữ liệu thu được từ cảm biến, nghiên cứu sẽ tính tốn tập các đặc trưng như Mean, Standard Deviation, Energy, Correlation,…Sau đĩ, sẽ thực hiện thực nghiệm và so sánh kết quả để xem đặc trưng nào cho kết quả phù hợp nhất.Đặc biệt, nĩ cịn đề cập đến vấn đề chạy thời gian thực cho việc nhận dạng

e Nghiên cứu của Dean M Karantonis[17]

Bài báo trình bày việc thực hiện một hệ thống phân loại theo thời gian thực cho các kiểu hoạt động của con người kết hợp với dữ liệu thu được từ một cảm biến được gắn vào eo của đối tượng tham gia Hệ thống phân biệt giữa giai đoạn hoạt động và nghỉ ngơi, nhận định hướng tư thế của người mặc, phát hiện các sự kiện như đi bộ và rơi xuống, và cung cấp một ước tính chi phí năng lượng trao đổi chất

1.2.2.Nghiên cứu về trợ giúp trẻ tự kỷ

a.Nghiên cứu của Viện Cơng nghệ Georgia[20]

Nghiên cứu của Julie A Kientz, Gillian R Hayes, Tracy L Westeyn, Thad Starner, và Gregory D Abowd tại Viện Cơng nghệ Georgia Các nhà nghiên cứu đã phát minh thiết bị cơng nghệ hỗ trợ người tự kỷ Thiết bị bao

Trang 11

gồm Simone Says, một hệ thống sử dụng công nghệ nhận dạng giọng nói để dạy và phân tích các kỹ năng ngôn ngữ Discrete Trial Trainer (DTT) là phần mềm ứng dụng nhằm thay thế nhà trị liệu thông qua máy tính.Nghiên cứu đã đưa ra ba công nghệ hỗ trợ người chăm sóc trẻ tự kỷ

 Abaris: Hỗ trợ đưa ra quyết định

 CareLog: Lưu trữ và phân tích dữ liệu hành vi

 Cảm biến đeo: cho trẻ không nói được

b.Nghiên cứu của Fahd Albinali, Matthew S Goodwin, Providence và Stephen Intille[21]

Tự động phát hiện các hành vi rối loạn tự kỷ bằng các cảm biến không dây thu nhỏ để thúc đẩy nghiên cứu về tự kỷ và cho phép các công cụ can thiệp mới trong lớp học giúp trẻ em và người chăm sóc theo dõi, hiểu và đối phó với loại hành vi có vấn đề này Nghiên cứu nhận dạng hoạt động vỗ tay và mô phỏng thân trên cơ thể bằng cách sử dụng dữ liệu gia tốc không dây được thu thập từ sáu đứa trẻ bị rối loạn phổ tự kỷ qua nhiều lần quan sát thấy bởi các chuyên gia trong các lớp học thực tế Độ chính xác nhận diện tổng thể là 88,6% (TP: 0,85, FP: 0,08) đạt được bằng cách sử dụng ba cảm biến.Nghiên cứu sử dụng 2 cảm biến không dây đặt ở 2 cổ tay, và 1 cảm biến không dây đeo trên ngực Nghiên cứu sử dụng thuật toán cây quyết định C4.5 bởi nó có sẵn và dễ dàng tích hợp vào phần mềm mã nguồn mở Dữ liệu được chuyển về dạng vector làm đầu vào cho bộ phân lớp C4.5 trong bộ công cụ WEKA, và sử dụng chính bộ công cụ này để đánh giá hiệu suất phân lớp bằng kiểm tra chéo 10-fold

1.3 Phạm vi và các giả định

Mục đích nghiên cứu của luận văn:

 Nghiên cứu về các hoạt động của trẻ tự kỷ

 Nghiên cứu phương pháp phát hiê ̣n tần suất vâ ̣n đô ̣ng của trẻ tự kỷ

Trang 12

 Nghiên cứu thiết kế chế ta ̣o vòng đeo tay thông minh có gắn cảm biến gia tốc 3 trục để phát hiê ̣n sự vâ ̣n đô ̣ng liên quan đến phần tay của cơ thể của trẻ tự kỷ

lý nhiều luồng dữ liệu, không thân thiện với người sử dụng

 Phần lớn các hệ thống đều có độ chính xác chưa cao Các hệ thống chỉ nhận dạng hoặc theo dõi được một số hoạt động theo từng phần cơ thể phụ thuộc vào vị trí đặt cảm biến

 Các nghiên cứu trước đây đều được thực hiện trong môi trường giả lập với lượng người tham gia không nhiều

 Các nghiên cứu liên quan đến trẻ tự kỷ vướng phải một khó khăn vô cùng lớn đó là thái độ bất hợp tác của các bé

Trang 13

CHƯƠNG 2:PHÁT HIỆN TẦN XUẤT VẬN ĐỘNG CỦA TRẺ TỰ KỶ 2.1.Thiết kế vòng đeo tay thông minh

2.1.1.Cấu hình cảm biến

Cảm biến ở đây có tên là WAX3, nó là một cảm biến gia tốc 3 trục x,y,z

Nó bao gồm 1 trạng thái của cảm biến quán tính MEMS và một radio IEEE 802.15.4 sử dụng năng lượng cực thấp Các cảm biến này có một cơ chế thu thập, xử lý tiêu tốn ít thời gian phù hợp với việc thu thập dữ liệu chuyển động thời gian thực

Thiết bị này được cấu hình đầy đủ bằng cách sử dụng phần mềm OM (tỷ

lệ mẫu, độ nhạy, tốc độ truyền tải, phạm vi hoạt động) Thiết bị này có thể được đưa vào chế độ ngủ để vận chuyển an toàn Trong chế độ bình thường các thiết

bị được cấu hình để bắt đầu truyền tải bất cứ khi nào gia tốc phát hiện chuyển động

2.1.2 Thiết kế vòng đeo tay thông minh

Vòng đeo tay thông minh gồm 2 thành phần chính là dây đeo và cảm biến Cảm biến có tác dụng thu dữ liệu gia tốc theo 3 trục ở tay rồi truyền đến một cảm biến nhận (receiver sensor) thông qua hệ thống wireless Cảm biến nhận được gắn vào một máy tính, có tác dụng thu tín hiệu của cảm biến phát quanh phạm vi của nó thông qua phần mềm WAXGUI đi kèm với bộ cảm biến Cảm biến được viết bởi nhóm nghiên cứu Axivity tại 4 Southlands Road, YO23 1NP, vương quốc Anh.z

Cảm biến được tháo lắp một cách dễ dàng Đặc biệt thời gian pin của cảm biến lên đến 8 giờ Để tạo cảm giác thoải mái cũng như thuận lợi cho việc thu

dữ liệu, vòng đeo tay được đeo ở cổ tay phải của trẻ Chương trình thu tín hiệu

từ 2 cảm biến được sử dụng bộ thư viện WaxLib do Dan Jackson, Cuong Pham

et al phát triển[19]

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	654,47 KB