Phát hiện cơn co giật do động kinh thông qua thiết bị di động thông minh: luận văn thạc sĩ

http:123link.proV8C5Đề tài bao gồm các nội dung: Nghiên cứu và đề xuất một kỹ thuật sử dụng thiết bị di động thông minh để phát hiện cơ co giật sinh ra do động kinh. Hiện thực kỹ thuật đề xuất dưới dạng một ứng dụng chạy được trên hệ điều hành Android. Tiến hành thí nghiệm để đánh giá kỹ thuật phát hiện cơn co giật đã đề xuất.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

LÊ THỊ THU

PHÁT HIỆN CƠN CO GIẬT DO ĐỘNG KINH THÔNG QUA

THIẾT BỊ DI ĐỘNG THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Đồng Nai, Năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

LÊ THỊ THU

PHÁT HIỆN CƠN CO GIẬT DO ĐỘNG KINH THÔNG QUA

THIẾT BỊ DI ĐỘNG THÔNG MINH

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin

Mã số: 60480201

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG TRẦN KHÁNH

Đồng Nai, Năm 2017

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô khoa Công nghệ thông tin Trường Đại học Lạc Hồng cùng các Thầy cô tham gia giảng dạy cho lớp Cao học đã hết lòng truyền đạt kiến thức cho chúng em trong quá trình học tập tại trường Đặc biệt,

em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Đặng Trần Khánh, người thầy đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tinh thần, đóng góp nhiều ý kiến để giúp cho em hoàn thành luận văn này

Học viên

Lê Thị Thu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các tài liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực

Học viên

Lê Thị Thu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Giới thiệu về bệnh động kinh 1

Tổng quan về thiết bị di động thông minh và ứng dụng 5

Mục tiêu và phạm vi của luận văn 9

Giới thiệu cấu trúc luận văn 10

Chương 1 Kiến thức nền tảng 12

1.1 Các phương pháp phát hiện cơn co giật do động kinh 12

1.2 Phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android 16

1.3 Xử lý tín hiệu cảm biến trong Android 21

Chương 2 Phát hiện cơn co giật 27

2.1 Nguyên lý chung 27

2.2 Giải thuật phát hiện cơn co giật 29

2.2.1 Ứng dụng thu thập dữ liệu 29

2.2.2 Thu thập dữ liệu thí nghiệm 31

2.2.3 Trực quan hóa và phân tích 32

2.2.4 Giải thuật phát hiện cơn co giật 34

Chương 3 Ứng dụng phát hiện cơn co giật 37

3.1 Kiến trúc ứng dụng 37

3.2 Thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến 38

3.3 Hiện thực giải thuật phát hiện cơn co giật 40

Chương 4 Thử nghiệm và đánh giá 42

4.1 Điều kiện thí nghiệm 42

4.2 Kết quả thí nghiệm 44

4.3 Thảo luận kết quả thí nghiệm 45

Kết luận 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các phiên bản Android theo thứ tự thời gian 16

Bảng 2.1 Giải thuật phát hiện cơn co giật 36

Bảng 4.1 Phân bố giá trị Tzero 42

Bảng 4.2 Phân bố giá trị Tthreshold 43

Bảng 4.3 Tỉ lệ phát hiện đúng (true positive) với những cách kết hợp khác nhau 45

Bảng 4.4 Số lần phát hiện sai (false positive) với những cách kết hợp khác nhau 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 0.1 Thống kê thời gian sử dụng các loại ứng dụng trên thiết bị di động thông minh tại

Mỹ 2015 5

Hình 0.2 Thị phần trên thế giới của các hệ điều hành chạy trên điện thoại di động thông minh 7

Hình 0.3 Tỉ lệ sử dụng của các phiên bản hệ điều hành Android khác nhau 8

Hình 1.1 Quy trình hoạt động của kỹ thuật đề xuất trong [1] 13

Hình 1.2 Phân bố năng lượng trong cửa sổ thời gian – tần số [5] 14

Hình 1.3 Tín hiệu gia tốc trong những trường hợp khác nhau [3]: (a) có co giật dạng myoclonic đơn lẻ; (b) co giật dạng myoclonic xảy ra chung với những hoạt động khác; (c) hoạt động diễn ra chậm; (d) không phải myoclonic nhưng cũng có đỉnh nhọn 15

Hình 1.4 Kiến trúc hệ điều hành Android 18

Hình 1.5 Công cụ Android Studio với các thành phần chính: (1) thanh công cụ (toolbar); (2) thanh di chuyển (navigation bar); (3) cửa sổ soạn thảo (editor window); (4) các cửa sổ công cụ (tool windows); và (5) thanh trạng thái (status bar) 20

Hình 1.6 Tín hiệu tương tự có giá trị liên tục và tín hiệu số tương ứng có giá trị hữu hạn 22 Hình 1.7 Sơ đồ hoạt động xử lý sự kiện trong Java 25

Hình 1.8 Hệ trục tọa độ trên thiết bị Android 25

Hình 2.1 Một vài hình thức co giật khác nhau do động kinh 27

Hình 2.2 Giá trị gia tốc khi có co giật myoclonic trên bàn tay phải 32

Hình 2.3 Giá trị gia tốc khi có co giật myoclonic trên bàn tay trái 33

Hình 2.4 Giá trị gia tốc khi bàn tay phải di chuyển bình thường 33

Hình 2.5 Giá trị gia tốc khi bàn tay trái di chuyển bình thường 34

Hình 3.1 Kiến trúc ứng dụng phát hiện cơn co giật 37

Hình 3.2 Mảng xoay vòng 39

Hình 3.3 Dùng mảng một chiều và con trỏ START, END để mô phỏng hoạt động của mảng xoay vòng 40

PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu về bệnh động kinh

Động kinh là chứng bệnh gây ra do một số nơron trong vỏ não có hoạt động bất thường, lặp đi lặp lại, làm xáo trộn hệ thần kinh [2] Khi đó, tín hiệu điện trong não sẽ bị rối loạn, dẫn đến người bệnh không thể kiểm soát được hành vi của mình Tuy nhiên, triệu chứng ở mỗi bệnh nhân rất khác nhau: một số người bị động kinh chỉ đơn giản là nhìn ngây người trong vài giây trong quá trình lên cơn, trong khi những người khác có thể xảy ra cơn co giật Những biểu hiện thường gặp khi người bệnh lên cơn động kinh bao gồm co giật của bắp thịt, cắn lưỡi, sùi bọt mép, mắt trợn ngược, bất tỉnh, mất kiểm soát tiểu tiện, hoặc có cảm giác lạ trong người

Tùy theo tình huống mà người bệnh lên cơn động kinh, hậu quả gây ra có thể làm nguy hiểm ít hoặc nhiều đến sức khỏe và tính mạng người bệnh Một vài hậu quả có thể xảy ra là:

o Té ngã: khi người bệnh bị mất kiểm soát họ có thể bị té ngã Té ngã trên

bề mặt cứng có thể dẫn đến chấn thương đầu hoặc gẫy xương Nếu khi té ngã người bị động kinh đang ở một độ cao nhất định (chẳng hạn trên cầu thang) thì hậu quả sẽ càng nặng nề hơn

o Chết đuối: nếu cơn động kinh xảy ra trong khi người bệnh đang bơi hoặc tắm trong bồn thì có thể làm họ bị chết đuối

o Tai nạn xe cộ: nếu người bệnh xảy ra cơn động kinh trong khi đang lái xe thì có thể dẫn đến tai nạn cho mình và những người xung quanh Nếu người bệnh điều khiển xe càng to thì ảnh hưởng gây ra càng lớn

o Tai nạn lao động: tương tự như tai nạn xe cộ, tai nạn lao động cũng dễ dàng xảy ra khi người bệnh lên cơn động kinh trong khi vận hành máy móc, thiết bị, đặc biệt là những máy móc có tốc độ cao và bề mặt bén nhọn

o Biến chứng thai sản: động kinh trong khi mang thai gây nguy hiểm cho

cả bà mẹ và em bé Thuốc điều trị động kinh có thể làm tăng nguy cơ khuyết tật bẩm sinh ở em bé Tuy vậy, phụ nữ bị bệnh động kinh vẫn có

thể có thai và sinh em bé khỏe mạnh nếu có chế độ điều trị và chăm sóc phù hợp

Dựa vào số lượng khu vực não bị ảnh hường, người ta chia động kinh ra thành

2 nhóm chính là động kinh cục bộ và động kinh toàn cục Mỗi loại động kinh này

có nguyên nhân và cách điều trị khác nhau

o Động kinh cục bộ: khi cơn động kinh xuất hiện từ hoạt động bất thường của một phần bộ não, chúng được gọi là động kinh cục bộ Động kinh cục

bộ dẫn đến các cơn co giật cục bộ trên cơ thể người bệnh Những cơn co giật này lại có thể chia thành 2 loại: cơn co giật cục bộ đơn giản và cơn

co giật cục bộ phức tạp

- Cơn co giật cục bộ đơn giản: những cơn co giật thuộc nhóm này không dẫn đến mất ý thức của người bệnh Nhưng chúng có thể làm thay đổi cảm xúc hoặc thay đổi cách nhìn, ngửi mùi vị hoặc âm thanh Chúng cũng có thể dẫn đến co giật không kiểm soát được của một phần trong cơ thể, như cánh tay hoặc chân

- Cơn co giật cục bộ phức tạp: những cơn co giật thuộc nhóm này làm thay đổi ý thức người bệnh, làm cho họ mất nhận thức trong một khoảng thời gian Cơn co giật cục bộ phức tạp thường gây ra hiện tượng nhìn chằm chằm và cử động không chủ định, như bàn tay cọ xát, co giật, nhai, nuốt hoặc đi bộ trong vòng tròn

o Động kinh toàn cục: động kinh toàn cục liên quan đến hoạt động bất thường của toàn thể bộ não Người ta chia động kinh toàn cục ra thành 4 nhóm chính

- Động kinh không có cơn co giật (thuật ngữ tiếng Anh là Petit Mal): những cơn động kinh thuộc nhóm này không gây ra co giật ở cơ thể người bệnh Chúng được đặc trưng bởi ánh mắt nhìn chằm chặp và mất ý thức trong thời gian ngắn

- Động kinh co giật (thuật ngữ tiếng Anh là Myoclonic): những cơn động kinh này gây ra co giật đột ngột hoặc co rút tay và chân Những

cơn co giật gây ra bởi dạng động kinh Myoclonic là đối tượng nghiên cứu của luận văn này

- Động kinh suy nhược (thuật ngữ tiếng Anh là Atonic Seizure): hay còn được gọi là động kinh thả (Drop Seizure) Dạng động kinh này không gây ra co giật nhưng có thể làm người bệnh mất lực căng cơ tạm thời, dẫn đến sụp đổ bất ngờ

- Động kinh lớn (thuật ngữ tiếng Anh là là Grand Mal): dạng động kinh này có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất trong tất cả các loại động kinh toàn cục Chúng được đặc trưng bởi mất ý thức, cơ thể cứng, run rẩy và mất kiểm soát bàng quang

Về nguyên nhân gây ra bệnh động kinh thì không phải lúc nào cũng có thể xác định được một cách chính xác Trong một nữa số trường hợp thì nguyên nhân gây bệnh không thể xác định được rõ ràng Trong những trường hợp còn lại, có thể có nhiều yếu tố dẫn đến việc mắc bệnh Những nguyên nhân thường gặp trong đó bao gồm:

o Do di truyền: không phải toàn bộ, nhưng một số loại động kinh có khả năng ảnh hưởng di truyền

o Chấn thương đầu: chấn thương gây ra trên đầu (chẳng hạn như bị tai nạn

o Những bệnh khác như viêm màng não, AIDS cũng có thể gây động kinh

o Tổn thương trước khi sinh gây ra ảnh hưởng ở não trẻ em có thể dẫn đến bệnh động kinh ở trẻ em

o Rối loạn phát triển: trẻ em bị rối loạn phát triển, chẳng hạn như mắc chứng tự kỷ hoặc hội chứng Down, cũng có thể bị bệnh động kinh

Về mặt điều trị bệnh động kinh, có thể dùng thuốc hoặc giải phẫu, nhưng hiện tại việc dùng thuốc có phần phổ biến hơn Thuốc điều trị bệnh động kinh được bác

sĩ chuyên môn kê toa tùy vào loại bệnh động kinh, lứa tuổi, giới tính, bệnh lý đi kèm, và những yếu tố ảnh hưởng khác Tác dụng của thuốc tùy thuộc vào người bệnh và có kết quả rất khác nhau Theo thống kê, khi người bệnh động kinh được điều trị bằng thuốc, khoảng 50% người bệnh không còn lên cơn, 30% giảm số lần bị động kinh và 20% còn lại thì không đáp ứng thuốc [6] Trong trường hợp giải phẫu được chọn làm phương án điều trị, thì tùy cơ địa từng bệnh nhân và mức độ tổn thương não, bác sĩ sẽ quyết định có nên tiếp tục giữ nguyên lựa chọn giải phẫu hay không Nhưng nhìn chung, hiện tại điều trị thông qua uống thuốc được xem là hiệu quả hơn để điều trị bệnh động kinh

Từ thực trạng trên, có thể thấy rằng ngoài việc chăm sóc, điều trị bệnh nhân động kinh tại các cơ sở y tế, thì việc chăm sóc tại gia đình là không thể thiếu Cụ thể hơn, những người thân trong gia đình có người mắc bệnh động kinh phải trang bị những kiến thức và kỹ năng cần thiết để nhanh chóng phát hiện khi người bệnh lên cơn, để từ đó kịp thời hỗ trợ đưa người bệnh đến nơi an toàn

Vì lý do trên, để hỗ trợ cho người bệnh và người chăm sóc, luận văn này nghiên cứu, đề xuất, hiện thực, và đánh giá một kỹ thuật hỗ trợ phát hiện và sinh ra cảnh báo khi người bệnh lên cơn động kinh có co giật thuộc dạng Myoclonic Nguyên nhân co giật dạng Myoclonic được lựa chọn vì đây là một loại co giật phổ biến, có mặt trong khoảng 74% những cơn động kinh có phát sinh co giật [3] Thiết

bị hỗ trợ thu thập và xử lý dữ liệu, cũng như đưa ra quyết định có hay không một cơn co giật do động kinh, là điện thoại di động thông minh Điện thoại di động thông minh được lựa chọn vì sự phổ biến, kích thước nhỏ gọn dễ mang trong tay, và khả năng tính toán xử lý mạnh mẽ của chúng Một thiết bị phù hợp hơn là đồng hồ thông minh vì có thể đeo trực tiếp trên tay người bệnh Tuy nhiên, luận văn này không sử dụng đồng hồ thông minh vì hiện nay đây chưa phải là một thiết bị phổ biến, và khả năng xử lý còn hạn chế so với điện thoại di động thông minh Mặc dù vậy, kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu đề xuất trong luận văn mang tính độc lập tương đối đối với loại thiết bị sử dụng Do đó giải pháp này cũng có thể hỗ trợ đồng

hồ thông minh trong tương lai

Tổng quan về thiết bị di động thông minh và ứng dụng

Trong luận văn này, thiết bị di động thông minh là những thiết bị điện tử có thể mang dễ dàng bên người và có khả năng xử lý dữ liệu, tính toán, lập trình được Thiết bị di động thông minh còn được trang bị các cảm biến để có thể thu thập dữ liệu trong môi trường mà thiết bị hoạt động Một đặc điểm nữa là thiết bị di động thông minh phải có kết nối mạng dưới một hình thức nào đó, để có thể giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác hoặc máy tính

Với khả năng tính toán, lưu trữ ngày càng cao và giá thành ngày càng thấp, thiết bị di động thông minh đã trở nên ngày càng phổ biến, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống khác nhau Theo số liệu của công ty nghiên cứu thị trường ComScore [9], tỉ lệ thời gian người Mỹ dành cho những nhóm ứng dụng khác nhau trên thiết bị di động thông minh vào năm 2015 được minh họa trong Hình 0.1

Hình 0.1 Thống kê thời gian sử dụng các loại ứng dụng trên thiết bị di động thông

Đối với những ứng dụng di động hỗ trợ chăm sóc sức khỏe, có 2 nhóm người

sử dụng chính: những người làm y tế chuyên nghiệp và những người ở gia đình

(chẳng hạn như người bệnh và người nhà của họ) Yêu cầu của 2 nhóm người dùng này cũng rất khác nhau Những người làm y tế chuyên nghiệp cần đến các cơ sở dữ liệu bệnh lý và thuốc men phong phú, và phải có kết nối đến các cơ sở y tế để thông tin liên lạc diễn ra nhanh chóng Mặt khác, những người ở gia đình lại quan tâm hơn đến giao diện đơn giản, dễ sử dụng, và chỉ cần hỗ trợ cho một loại bệnh cụ thể nào

đó mà gia đình đang gặp phải

Cụ thể hơn, dưới đây là 5 lợi ích mà thiết bị di động thông minh và ứng dụng trên đó mang lại cho những người dùng ở gia đình với mục đích chăm sóc sức khỏe, được đưa ra bởi công ty tư vấn Hit Consultant [10]:

o Chi phí thấp: lợi ích này liên quan trực tiếp đến chi phí sở hữu thiết bị di động thông minh ngày càng giảm

o Linh hoạt cao: trọng lượng và kích thước nhỏ nên có thể mang dễ dàng bên người, thu thập thông tin liên tục

o Màn hình lớn: Giúp cho việc đọc các chẩn đoán hoặc xét nghiệm y khoa

dễ dàng, chính xác hơn

o Hỗ trợ vị trí: giúp tìm đường đến cơ sở y tế gần nhất trong trường hợp khẩn cấp, hoặc trợ giúp thông tin về các dịch vụ y tế phù hợp

o Số lượng ứng dụng đa dạng: những ứng dụng có thể bao gồm cả miễn phí

và thương mại, hỗ trợ nhiều loại bệnh khác nhau

Với những ích lợi mà thiết bị di động và ứng dụng trên đó mang đến cho việc chăm sóc sức khỏe người dùng tại gia đình, như đã liệt kê ở trên, thì việc tiếp tục khai thác thế mạnh đó vào các vấn đề còn bỏ ngỏ là khá cần thiết Bài toán phát hiện cơn co giật do động kinh là một ví dụ cụ thể Theo tìm hiểu, thì ít nhất là tại Việt Nam, đến thời điểm hiện tại, chưa có một giải pháp nào phục vụ cho mục đích phát hiện cơn co giật do động kinh được xuất bản trên các kho ứng dụng phổ biến

Để phát triển ứng dụng trên thiết bị di động thông minh, thì trước tiên cần phải xác định nền tảng mà ứng dụng sẽ được triển khai trên đó Nền tảng này bao gồm nhiều thành phần quan trọng và có quan hệ qua lại mật thiết với nhau, trong đó một thành phần có ảnh hưởng lớn hơn cả là hệ điều hành Hiện nay, có nhiều hệ điều hành khác nhau chạy được trên thiết bị di động thông minh Trong đó, những hệ

điều hành phổ biến nhất bao gồm: Android, iOS, và Windows Phone Hình 0.2 biểu diễn thị phần trên thế giới của các hệ điều hành cho điện thoại di động thông minh, theo số liệu thống kê của tập đoàn IDC vào tháng 11/2016 [11]

Hình 0.2 Thị phần trên thế giới của các hệ điều hành chạy trên điện thoại di động

thông minh

Có thể thấy rằng, hiện tại Android là hệ điều hành được cài đặt và sử dụng nhiều nhất trên thế giới Vì vậy, trong luận văn này, kỹ thuật đề xuất sẽ được phát triển và thử nghiệm trên hệ điều hành Android Một trong những lý do chính cho lựa chọn này là giải pháp xây dựng trên Android sẽ có tác động đến nhiều người dùng hơn so với chọn các hệ điều hành khác Lý do thứ hai là có thể thử nghiệm ứng dụng trên nhiều thiết bị từ những nhà sản xuất khác nhau (trong khi nếu dùng iOS thì chỉ có thể thử nghiệm trên thiết bị của công ty Apple) Tuy vậy, giải pháp đề xuất sẽ cố gắng để không quá phụ thuộc vào những đặc điểm riêng biệt của hệ điều hành Android, để có thể dễ dàng triển khai sang những hệ điều hành khác trong tương lai

Ngoài việc lựa chọn hệ điều hành để phát triển ứng dụng cho thiết bị di động thông minh, một lựa chọn liên quan kế tiếp là chọn phiên bản nào của hệ điều hành

để phát triển ứng dụng Lý tưởng nhất là phát triển ứng dụng để có thể chạy trên mọi phiên bản của hệ điều hành, cũ và mới Tuy nhiên, trong thực tế, điều này rất khó triển khai vì những lý do sau:

o Tập lệnh của hệ điều hành cũ và mới có thể rất khác nhau

o Yêu cầu về mặt phần cứng khác nhau

o Những thư viện chính hoặc thư viện hỗ trợ cũng khác nhau

Vì vậy, một lựa chọn phù hợp hơn là chỉ hỗ trợ những thiết bị có phiên bản hệ điều hành tối thiểu nào đó trở lên, với điều kiện là số lượng người dùng cho những phiên bản đó còn đáng kể Hình 0.3 thể hiện số liệu thống kê của công ty nghiên cứu thị trường Statista vào tháng 9/2016, cho thấy tỉ lệ được dùng của các phiên bản Android khác nhau [12]

Hình 0.3 Tỉ lệ sử dụng của các phiên bản hệ điều hành Android khác nhau

Từ hình 0.3, có thể thấy rằng nếu chọn phiên bản 4.4 (KitKat) làm phiên bản tối thiểu còn hỗ trợ, thì tỉ lệ thiết bị Android tương thích với ứng dụng là trên 80%, còn nếu chọn phiên bản 4.1 (Jelly Bean) làm phiên bản tối thiểu hỗ trợ, thì tỉ lệ thiết

bị tương thích ứng dụng là trên 97% Do đó, có thể khá an tâm về tính tương thích khi lựa chọn 4.1 làm phiên bản tối thiểu mà ứng dụng còn hỗ trợ

Công cụ chính thức để phát triển ứng dụng Android là Android Studio, với phiên bản hiện tại là 2.3 (vào tháng 3/2017) Đây là một môi trường tích hợp (Integrated Development Environment - IDE) được dùng để thiết kế giao diện người dùng, viết mã chương trình, biên dịch, kiểm tra lỗi, cũng như đóng gói để xuất bản lên kho ứng dụng Google Play [15] hoặc để cài đặt trực tiếp vào thiết bị Google cũng cung cấp các thiết bị giả lập (Emulator) thông qua bộ công cụ phát triển phần mềm (Software Development Kit - SDK) của mình Với các thiết bị giả

lập này, có thể chạy thử ứng dụng Android trực tiếp trên máy tính mà không cần thiết bị thật Tuy nhiên, thiết bị giả lập có một số hạn chế nhất định, chẳng hạn về khả năng truy xuất các cảm biến trên đó

Mục tiêu và phạm vi của luận văn

Dựa trên thực trạng về bệnh động kinh và hậu quả mà bệnh này có thể gây ra cho người bệnh, cùng với khả năng thu thập thông tin từ môi trường xung quanh qua các cảm biến, khả năng lưu trữ, phân tích, xử lý của thiết bị di động thông minh, mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu, đề xuất, hiện thực thử nghiệm, và đánh giá một kỹ thuật phát hiện cơn co giật dạng myoclonic gây ra do động kinh Một trong những vấn đề chính cần phải giải quyết trong luận văn này là phân tích dữ liệu thu thập được từ cảm biến trang bị trên thiết bị di động thông minh

để phân loại tín hiệu nào tạo ra bởi cơn co giật do động kinh và tín hiệu nào tạo ra bởi các hoạt động thông thường Sau khi phân biệt được nguồn gốc của tín hiệu thì bước kế tiếp là phát sinh ra cảnh báo trong trường hợp có động kinh xảy ra Cảnh báo có thể được tạo ra bằng nhiều cách khác nhau Vì đây không phải là bài toán chính trong luận văn này, nên cảnh báo được hiện thực đơn giản bằng việc phát ra

âm thanh mặc định

Do giới hạn về mặt thời gian và trình độ nghiên cứu, cũng như giới hạn về mặt tiếp cận người bệnh động kinh trong thực tế, nên luận văn này chỉ giải quyết bài toán phát hiện cơn co giật do động kinh trong phạm vi sau:

o Loại động kinh cần được phát hiện thuộc dạng myoclonic, trong đó cơn

co giật xảy ra ở chi trên bệnh nhân

o Bệnh nhân được giả sử mang thiết bị trên tay của mình trong suốt thời gian giải thuật hoạt động Giả sử này sẽ mang tính thực tế hơn trong trường hợp thiết bị sử dụng là đồng hồ thông minh Tuy nhiên, do việc tiếp cận thiết bị và lập trình trên đồng hồ thông minh còn một số khó khăn, nên luận văn này sử dụng điện thoại di động thông minh

o Thiết bị di động thông minh được sử dụng trong luận văn này chạy trên

hệ điều hành Android phiên bản 4.2 trở lên Việc chọn phiên bản này làm phiên bản tối thiểu mà giải pháp hỗ trợ đảm bảo có trên 90% thiết bị

Android tương thích với giải pháp đề xuất Hệ điều hành Android được lựa chọn để làm nền tảng phát triển do tính phổ biến của nó Còn kỹ thuật phát hiện cơn co giật do động kinh độc lập với hệ điều hành nên có thể hiện thực trên các hệ điều hành khác trong tương lai

o Việc tiến hành thí nghiệm và đánh giá kỹ thuật đề xuất được tiến hành dưới dạng giả lập Cụ thể hơn, những đoạn video được chia sẻ công cộng trên mạng Internet về cơn co giật myoclonic sẽ được chiếu cho những người tình nguyện xem Sau đó những người tình nguyện sẽ mang thiết bị trên tay và thực hiện lại những gì đã được xem để xem khả năng nhận dạng của kỹ thuật đề xuất

o Khi phát hiện được có hiện tượng co giật do động kinh xảy ra, ứng dụng trên thiết bị di động sẽ đưa ra cảnh báo dưới dạng phát một file âm thanh được cài đặt sẵn trên thiết bị

Giới thiệu cấu trúc luận văn

Phần còn lại của luận văn sẽ bao gồm các nội dung sau:

Chương 1: Chương này sẽ trình bày những kiến thức nền tảng và những nghiên cứu liên quan đến bài toán cần giải quyết Cụ thể hơn, phần thứ nhất của chương được sử dụng để nói về những kỹ thuật phát hiện cơn co giật đã được nghiên cứu trên thế giới Phần thứ nhì trong chương sẽ bàn về phương pháp và quy trình phát triển ứng dụng trên thiết bị di động Android Trong phần cuối cùng của chương, việc xử lý tín hiệu cảm biến trong Android sẽ được giới thiệu

Chương 2: Chương 2 được dùng để mô tả cách tiếp cận của luận văn đối với bài toán phát hiện cơn co giật do động kinh gây ra Trong đó, phần đầu tiên trình bày về nguyên lý chung để phát hiện cơn co giật Phần kế tiếp trả lời những câu hỏi chi tiết về việc thu thập dữ liệu, xử lý và phân tích dữ liệu, cũng như giải thuật để đưa ra kết luận có hay không xảy ra cơn co giật dạng myoclonic

Chương 3: Chương này mô tả tổng quan về ứng dụng phát hiện cơn co giật do động kinh dựa trên kỹ thuật đề xuất trong chương 2 Chương này có 2 phần chính Phần thứ nhất mô tả chung về kiến trúc ứng dụng và chức năng, nhiệm vụ của các

thành phần trong đó Phần thứ hai mô tả về cách thức hoạt động của một số thành phần quan trọng đã mô tả trong kiến trúc ứng dụng

Chương 4: Chương 4 được dùng để mô tả về những thí nghiệm đã tiến hành, kết quả của những thí nghiệm đó, và phân tích, thảo luận về kết quả đạt được Phần đầu của chương 4 trình bày cách thức thiết lập môi trường thí nghiệm, phương pháp tiến hành thí nghiệm Phần thứ nhì trình bày kết quả của từng thí nghiệm Và phần cuối chương thảo luận tương ứng về những kết quả đó

Kết luận: Chương này trình bày tổng kết về luận văn và có 3 mục chính Mục thứ nhất nói về những đóng góp mà luận văn đã thực hiện Phần thứ nhì đề cập đến những hạn chế mà luận văn còn chưa giải quyết được Phần cuối cùng của chương được dùng để bàn về hướng phát triển trong tương lai của luận văn

Chương 1 Kiến thức nền tảng 1.1 Các phương pháp phát hiện cơn co giật do động kinh

Vì động kinh là bệnh sinh ra do sự rối loạn hoạt động của các tín hiệu điện não, nên một trong những phương pháp chính xác và hiệu quả nhất được sử dụng để phát hiện cơn động kinh (có thể có co giật hoặc không có co giật) là phân tích tín hiệu điện não thu được từ điện não đồ (Electroencephalogram - EEG) Ích lợi của việc phân tích tín hiệu điện não là không chỉ giúp phát hiện cơn động kinh đang xảy

ra mà còn có thể dự đoán được cơn động kinh trong tương lai

Trong nghiên cứu được thực hiện bởi Qu và Gotman [4], một kỹ thuật phân loại đã được phát triển để phát hiện sớm khả năng xảy ra động kinh: dự đoán xem người bệnh sẽ xảy ra động kinh hay không Kỹ thuật phân loại được xây dựng để có những tham số hoạt động khác nhau cho từng bệnh nhân Để làm được điều này, trước tiên tín hiệu điện não trong một khoảng thời gian dài của từng bệnh nhân được thu thập Trong khoảng thời gian đó, bệnh nhân có những lúc trải qua cơn động kinh và những lúc bình thường Kết quả (lên cơn hoặc bình thường) được đánh dấu cho từng đầu ra, còn dữ liệu đầu vào chính là tín hiệu điện não Giải thuật học dựa trên độ đo khoảng cách “láng giềng gần nhất” (nearest-neighbour) được chạy trên tập dữ liệu đầu vào – kết quả để có được các tham số học cho riêng từng người bệnh Sau đó, những tham số này được dùng trong giải thuật phân loại để xác định khả năng sắp xảy ra động kinh của từng người bệnh khi có được tín hiệu điện não trong thời điểm hiện tại của họ Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp này mang lại độ chính xác khá cao: với 12 người bệnh tình nguyện tham gia thí nghiệm,

độ chính xác dự đoán cơn động kinh là 100% với thời gian dự đoán trung bình là khoảng 10 giây trước khi cơn động kinh xảy ra Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi người bệnh phải tham gia quá trình huấn luyện trước, nếu không thì các tham số học được không chính xác cho riêng họ

Trong một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Exarchos và các cộng sự [1], tín hiệu điện não được tự động phân loại thành các sự kiện khác nhau bằng kỹ khai phá luật kết hợp (association rule mining) và phân loại (classification) Nghiên cứu

đã nhận dạng được 4 loại sự kiện khác nhau của tín hiệu điện não, trong đó bao

gồm: epileptic spikes, muscle activity, eye blinking activity, và sharp alpha activity Việc phân loại tín hiệu điện não đồ thành các nhóm sự kiện khác nhau là một bước quan trọng để từ đó nhận ra mối liên quan giữa từng sự kiện và cơn động kinh của người bệnh Hoạt động của kỹ thuật phân loại này bao gồm 4 giai đoạn: phát hiện

sự kiện; gom nhóm sự kiện và rút trích đặc trưng; rời rạc hóa và lựa chọn tập con trong tập đặc trưng; khai phá luật kết hợp và phân loại sự kiện Hình 1.1 là sơ đồ về các giai đoạn hoạt động của kỹ thuật mô tả trong [1]

Hình 1.1 Quy trình hoạt động của kỹ thuật đề xuất trong [1]

Cũng sử dụng tín hiệu điện não EEG, nhưng nghiên cứu của Tzallas và các cộng sự lại dùng kỹ thuật phân tích thời gian – tần số (time – frequency analysis) trên các phân bố mật độ phổ năng lượng (power spectrum density – PSD) để phát hiện cơn động kinh [5] Nói một cách đơn giản, trong kỹ thuật này, tín hiệu điện não được chia thành từng cửa sổ, mỗi cửa sổ là một không gian 2 chiều: thời gian và tần

số Mỗi cửa sổ chứa thông tin về sự phân bố năng lượng trên từng điểm trong đó

Sự phân bố năng lượng chính là thông tin đặc trưng cho từng cửa sổ Mỗi cửa sổ lại ứng với sự kiện có hoặc không có cơn động kinh Thông qua kỹ thuật mạng thần kinh nhân tạo (artificial neuron network), có thể học được sự liên hệ giữa đầu vào (cửa sổ phân bố năng lượng) và đầu ra (có hay không có cơn động kinh) Hình 1.2 minh họa sự phân bố năng lượng trong cửa sổ thời gian – tần số

Hình 1.2 Phân bố năng lượng trong cửa sổ thời gian – tần số [11]

Nhìn chung, các nghiên cứu phát hiện cơn động kinh bằng cách sử dụng tín hiệu điện não mang lại độ chính xác cao, nhưng điểm hạn chế là không thích hợp để

sử dụng trong điều kiện gia đình Hạn chế thứ nhì là rất khó thực hiện việc thu thập

dữ liệu liên tục mà vẫn đảm bảo sinh hoạt bình thường của người bệnh Vì vậy, hiện tại đang có những cách tiếp cận khác, phù hợp hơn để triển khai ở gia đình, chấp nhận một kết quả thiếu chính xác hơn, hoặc chỉ giới hạn ở một nhóm động kinh xác định nào đó

Một ví dụ là nghiên cứu của Nijsen và các cộng sự [3] Trong đó, tín hiệu gia tốc thu thập được từ hoạt động của cơ thể của người bệnh được dùng để phát hiện cơn động kinh có co giật dạng myoclonic Trong nghiên cứu này, các tác giả cũng dùng những kỹ thuật phân tích tần số thời gian – tần số để rút trích đặc trưng từ dữ liệu gia tốc thu thập được Kỹ thuật đề xuất này có ưu điểm là những người tham gia huấn luyện hệ thống (15 người trong thí nghiệm đã tiến hành) và những người tham gia thử nghiệm khả năng nhận dạng của hệ thống (21 người trong thí nghiệm

đã tiến hành) có thể khác nhau Ưu điểm thứ nhì là dữ liệu gia tốc có thể được thu

thập dễ dàng với các thiết bị sẵn có hơn là dữ liệu điện não Hình 1.3 cho thấy dạng của tín hiệu gia tốc thu thập được trong những trường hợp khác nhau, và có thể dùng để nhận biết co giật myoclonic

Hình 1.3 Tín hiệu gia tốc trong những trường hợp khác nhau [3]: (a) có co giật dạng myoclonic đơn lẻ; (b) co giật dạng myoclonic xảy ra chung với những hoạt động khác; (c) hoạt động diễn ra chậm; (d) không phải myoclonic nhưng cũng có

đỉnh nhọn

Cách tiếp cận của luận văn này cũng sử dụng dữ liệu gia tốc thu thập được từ cảm biến trang bị sẵn trên thiết bị di động thông minh để phát hiện cơn co giật do động kinh Tuy vậy, khác với nghiên cứu [3], trong đó việc phát hiện cơn co giật được thực hiện off-line, mục tiêu của kỹ thuật phát triển trong luận văn này là phát hiện cơn co giật trong thời gian thực (real-time) Thiết bị sử dụng để thu thập dữ liệu là một điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android và được giả sử là mang trên tay người bệnh trong suốt quá trình kỹ thuật hoạt động

1.2 Phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android

Phiên bản đầu tiên của hệ điều hành Android (phiên bản alpha) được ra đời vào ngày 5/11/2007 [17] Tuy nhiên, đến tháng 9/2008 phiên bản thương mại đầu tiên 1.0 mới được ra đời Sau đó, Android được tiếp tục phát triển bởi cả Google lẫn Open Handset Alliance Kể từ phiên bản 1.5, ngoài số phiên bản ra, mỗi phiên bản còn có một tên mã đi kèm, và tên mã được đặt theo thứ tự tăng dần của bảng chữ cái Bảng 1.1 liệt kê các phiên bản Android từ phiên bản đầu tiên cho đến phiên bản gần đây nhất được công bố vào tháng 8/2016

Bảng 1.1 Các phiên bản Android theo thứ tự thời gian

Tên mã Số phiên bản Ngày phát

hành

Mức hỗ trợ (API level)

Như mô tả trong Bảng 1.1, mỗi phiên bản Android khi ra đời sẽ có kèm theo một mức hỗ trợ (API level) Mức hỗ trợ này bao gồm những chức năng, thư viện, ứng dụng sẵn có để nhà phát triển ứng dụng trên Android có thể sử dụng và tương tác Nếu nhà phát triển sử dụng một chức năng nào đó trong ứng dụng của mình, thì chỉ khi thiết bị có cài đặt phiên bản Android hỗ trợ chức năng đó, ứng dụng mới có thể chạy được đầy đủ

Mặc dù hệ điều hành Android khá phức tạp với nhiều thành phần khác nhau, nhìn chung, có các thành phần chính sau [16]:

o Các ứng dụng (Applications): bao gồm những ứng dụng có sẵn như trình duyệt, trình quản lý danh sách liên lạc, v.v… và những ứng dụng bên ngoài được cài đặt thêm vào, chẳng hạn như ứng dụng phát hiện cơn co giật do động kinh

o Khung ứng dụng (Application Framework): bao gồm các dịch vụ, thư viện, tiện ích có thể gọi trực tiếp từ ứng dụng Android qua ngôn ngữ lập trình Java Nhà phát triển ứng dụng Android chủ yếu sử dụng các chức năng được cung cấp bởi thành phần này

o Các thư viện (Libraries): những thư viện lập trình ở đây được viết bằng ngôn ngữ C, do đó không thể được gọi trực tiếp từ chương trình Android

mà phải thông qua một thành phần trung gian (chẳng hạn như qua Application Framework)

o Môi trường thực thi (Android Runtime): chứa những thư viện thiết yếu cho ứng dụng cũng như máy ảo để chạy chương trình Android

o Nhân Linux (Linux Kernel): phần nhân của hệ điều hành Android, là một phiên bản của hệ điều hành Linux

Hình 1.4 là kiến trúc tổng quát của hệ điều hành Android với các thành phần vừa kể bên trên

Hình 1.4 Kiến trúc hệ điều hành Android

Trong các thành phần vừa liệt kê của hệ điều hành Android, đối với nhà phát triển ứng dụng thì khung ứng dụng đóng vai trò quan trọng nhất Vì đây là nơi mà nhà phát triển ứng dụng Android chủ yếu tìm hiểu và làm việc trên đó Nói một cách khác, toàn bộ những chức năng mà hệ điều hành Android có thể cung cấp cho ứng dụng đều có thể được truy xuất tại đây Trong khung ứng dụng, thì các thành phần con sau đây được sử dụng thường xuyên nhất:

o View System: dùng để xây dựng giao diện tương tác với người dùng Trong đó bao gồm các đối tượng như lưới, danh sách, hộp văn bản, v.v… View System còn cung cấp chức năng gom nhóm và định vị các đối tượng giao diện người dùng, chẳng hạn như định vị các đối tượng giao diện theo chiều ngang, theo chiều dọc, hoặc theo dạng lưới

o Resource Manager: dùng để quản lý các tài nguyên mà chương trình ứng dụng sử dụng như hình ảnh, bố cục cửa sổ chương trình, chuỗi văn bản, v.v… Sử dụng tài nguyên cho phép chương trình dễ dàng thay đổi để phù

hợp với các thiết bị hoặc ngôn ngữ khác nhau mà không cần phải sửa lại

mã nguồn

o Notification Manager: dùng để hiển thị các cảnh báo hoặc nhắc nhở trên thanh trạng thái thiết bị Chức năng này cho phép ứng dụng có thể tương tác với người dùng ngay cả khi người dùng đang chạy ứng dụng khác và màn hình ứng dụng đó che mất ứng dụng đang xét

o Activity Manager: dùng để quản lý các giai đoạn khác nhau trong chu trình sống (lifecycle) của ứng dụng như bắt đầu, tạm dừng, kết thúc, v.v… Nhà phát triển có thể thông qua các sự kiện phát sinh trong mỗi gian đoạn của chu trình sống ứng dụng mà hiện thực chức năng cần thiết nào đó Ví dụ khi bắt đầu chạy ứng dụng có thể tải các tài nguyên vào bộ nhớ Còn khi tạm dừng ứng dụng, hoặc khi kết thúc ứng dụng thì có thể lưu kết quả hiện có xuống đĩa để sử dụng cho lần sau

o Content Providers: dùng để truy xuất dữ liệu từ những ứng dụng khác có sẵn trên thiết bị, hoặc chia sẻ dữ liệu từ ứng dụng đang xét đến những ứng dụng khác Một tiện ích khác của thành phần con này là cho phép các ứng dụng khác nhau cùng chia sẻ dữ liệu dùng chung với nhau Chẳng hạn ngoài ứng dụng có sẵn để hiển thị thông tin vị trí lên bản đồ, các ứng dụng khác cũng có thể đọc thông tin vị trí và xử lý theo cách của chúng

Để phát triển ứng dụng Android, thì trước tiên cần phải cài đặt bộ phát triển phần mềm Android (Android Software Development Kit) Hiện tại, bộ phát triển phần mềm Android được tải chung với môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment – IDE) Android Studio [7] Công cụ này cho phép nhà phát triển có thể soạn thảo mã nguồn, chỉnh sửa tài nguyên, xây dựng bố cục chương trình trên cùng một cửa sổ Ngoài ra, công cụ còn bao gồm những tiện ích khác như biên dịch chương trình, hỗ trợ kiểm tra và sửa lỗi, thực thi chương trình trên thiết bị thật hoặc trên chương trình giả lập thiết bị Hình 1.5 thể hiện cửa sổ chính của công cụ Android Studio cùng với các khu vực chi tiết đi kèm

Hình 1.5 Công cụ Android Studio với các thành phần chính: (1) thanh công cụ (toolbar); (2) thanh di chuyển (navigation bar); (3) cửa sổ soạn thảo (editor window); (4) các cửa sổ công cụ (tool windows); và (5) thanh trạng thái (status

bar)

Trong Android Studio, mỗi chương trình ứng dụng tương ứng với một project,

vì vậy việc tạo mới ứng dụng được thực hiện thông qua lệnh tạo mới project Những thông tin tối thiểu cần phải thiết lập cho project bao gồm: tên ứng dụng, tên gói (package) để tạo ra và quản lý mã nguồn, phiên bản Android thấp nhất mà ứng dụng còn hỗ trợ, và phiên bản Android sẽ dùng để biên dịch Sau khi những giá trị trên được thiết lập, Android Studio sẽ tự động sinh ra các file liên quan đến project Những loại file sau được làm việc thường xuyên nhất:

o File Java: chứa mã nguồn ứng dụng Ứng dụng thường có nhiều file Java, mỗi file thực hiện chức năng riêng Những loại công việc có thể được thực hiện trên file Java rất đa dạng: xử lý các sự kiện phát sinh trong ứng dụng, đọc và ghi dữ liệu xuống đĩa, đọc giá trị từ cảm biến, kết nối đến một địa chỉ mạng để truyền và nhận dữ liệu, thực thi các ứng dụng có sẵn trong hệ thống, v.v…

o File tài nguyên: chứa các tài nguyên độc lập với mã nguồn, chẳng hạn như bố cục (layout) của ứng dụng, hình ảnh được sử dụng trong ứng dụng, các chuỗi văn bản để hiển thị thông báo, v.v… File tài nguyên khá hữu ích để ứng dụng có thể chạy được trên nhiều thiết bị Android có cấu hình khác nhau (chẳng hạn về ngôn ngữ sử dụng, kích thước màn hình,

độ phân giải của màn hình, v.v…) Khi đó, chỉ cần tạo ra file tài nguyên tương ứng cho thiết bị cần hỗ trợ Còn mã nguồn của chương trình thì vẫn giữa nguyên, không thay đổi

o File manifest: chứa những khai báo chung về ứng dụng, ví dụ như tên ứng dụng, các thành phần trong ứng dụng, các quyền hạn (permission)

mà ứng dụng yêu cầu từ hệ điều hành, v.v… Ví dụ, nếu ứng dụng muốn truy cập vào hộp tin tức SMS, thì trong file manifest phải khai báo điều này Khi ứng dụng được cài đặt vào thiết bị, Android sẽ đưa ra thông báo tương ứng về quyền đọc tin SMS mà ứng dụng yêu cầu, để người dùng quyết định có nên tiếp tục việc cài đặt hay không

Sau khi ứng dụng được viết xong và không có lỗi trong mã nguồn, Android Studio sẽ biên dịch ứng dụng để chạy được trên thiết bị thật hoặc trình giả lập trên máy tính Ưu điểm của trình giả lập là cho phép nhà phát triển thử nghiệm ứng dụng trên nhiều thiết bị với cấu hình khác nhau Tuy nhiên, trình giả lập lại có khuyết điểm là thời gian chờ để chạy rất lâu Hơn nữa, nếu ứng dụng có sử dụng cảm biến,

ví dụ cảm biến gia tốc hay hướng xoay màn hình, thì trình giả lập có thể không cung cấp được dữ liệu cần thiết để thử nghiệm

1.3 Xử lý tín hiệu cảm biến trong Android

Định nghĩa một cách đơn giản, bất kỳ đối tượng nào chứa dữ liệu thì đều được xem là tín hiệu Những tín hiệu thường gặp là các đại lượng vật lý thay đổi theo thời gian, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, độ lớn và hướng của gia tốc, v.v…

Tín hiệu có thể ở dạng tương tự (analog) hoặc dạng số (digital) Tín hiệu ở dạng tương tự có thể chứa bất kỳ giá trị nào tại bất kỳ thời điểm nào đo được Trong khi đó, tín hiệu số chỉ có một tập hợp giá trị hữu hạn, rời rạc được đo tại những thời điểm xác định Tín hiệu số được biểu diễn dưới dạng chuỗi bit 0, 1, và có thể được