Khóa Luận Tốt Nghiệp: Thiết Kế Hệ Thống Nhúng Đo Nồng Độ Glucose Không Xâm Lấn Dựa Trên Cảm Biến Quang

• Tác giả: Huỳnh Bá Anh Quần
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Hùng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh - Trường Đại học Công nghệ Thông tin
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết kế hệ thống nhúng đo nồng độ glucose không xâm lấn bằng cảm biến quang
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu về bệnh tiểu đường
• 1.2. Hiện trạng bệnh tiểu đường hiện nay
• 1.3. Đề tài nghiên cứu
• 1.4. Lý do chọn đề tài
• 1.5. Mục tiêu của đề tài
• 1.6. Sản phẩm cần đạt được của đề tài
• 1.7. Các sản phẩm đã có trên thị trường
• 1.8. Bố cục khóa luận
• 1.9. Các phương pháp định lượng nồng độ glucose
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Phân loại sóng điện từ dựa trên bước sóng
• 2.2. Ứng dụng của sóng điện từ ở các bước sóng khác nhau
• 2.3. Ảnh hưởng của bước sóng đến các phân tử glucose
• 2.4. Quang phổ VIS-NIR
• 2.5. Ứng dụng của quang phổ VIS-NIR
• 2.6. Phân loại quang phổ NIR
• 2.7. Lí do kết hợp quang phổ Visible và quang phổ NIR
• 2.8. Ảnh hưởng của quang phổ VIS-NIR đến việc định lượng nồng độ glucose trong cơ thể
• 2.9. Cảm biến AS7341
• 2.10. Cảm biến AS7263
• 2.11. Kết hợp cảm biến AS7341 và AS7263
• 2.12. Máy tính nhúng
• 2.13. Máy đo đường huyết xâm lấn ACCU-CHEK INSTANT
• 2.14. Màn hình OLED
• 2.15. Giới thiệu về Machine Learning
• 2.16. Association (Bài toán kết hợp)
• 2.17. Mô hình máy học thực nghiệm
• 2.18. Multiple Linear Regression
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan hệ thống
• 3.2. Thiết kế mô hình cho nguồn phát
• 3.3. Xây dựng mô hình dự đoán nồng độ glucose
• 3.4. Kịch bản lấy mẫu
• 3.5. Tiền xử lí dữ liệu
• 3.6. Mô hình máy học
• 3.7. Phương pháp đánh giá mô hình dự đoán nồng độ glucose
• 3.7.1. Đánh giá dựa trên độ chính xác phân tích
• 3.7.2. Đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng
• 3.8. Sơ đồ kết nối ở mô hình nguồn phát
• 3.9. Sơ đồ kết nối ở mô hình dự đoán nồng độ glucose
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Tập dữ liệu của mô hình máy học
• 4.2. Tiền xử lý dữ liệu
• 4.3. Thực nghiệm mô hình Multiple Linear Regression
• 4.4. Độ chính xác phân tích
• 4.5. Độ chính xác lâm sàng
• 4.6. Lưu và tải mô hình máy học
• 4.7. Kiểm thử mô hình dự đoán
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những điều đạt được
• 5.2. Những điều hạn chế
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN

I. Giới thiệu về hệ thống nhúng đo nồng độ glucose không xâm lấn

Hệ thống nhúng đo nồng độ glucose không xâm lấn là một giải pháp công nghệ tiên tiến, sử dụng cảm biến quang để định lượng glucose trong máu mà không cần trích máu. Hệ thống này được thiết kế để giảm thiểu sự đau đớn và nguy cơ nhiễm trùng cho bệnh nhân tiểu đường. Công nghệ đo glucose không xâm lấn đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là tại Việt Nam, nơi mà các nghiên cứu về lĩnh vực này còn hạn chế. Hệ thống này hướng đến mục tiêu đạt độ chính xác từ 55% đến 70%, đồng thời tối ưu hóa chi phí và thiết kế để dễ dàng tiếp cận với người dùng.

1.1. Bối cảnh và lý do nghiên cứu

Bệnh tiểu đường đang gia tăng trên toàn cầu, với hơn 415 triệu người mắc bệnh và dự kiến sẽ tăng lên 642 triệu vào năm 2040. Tại Việt Nam, số người mắc bệnh tiểu đường đang tăng nhanh và ngày càng trẻ hóa. Phương pháp đo glucose truyền thống bằng cách trích máu gây đau đớn và có nguy cơ nhiễm trùng. Do đó, việc phát triển hệ thống đo glucose không xâm lấn là cần thiết để cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.

1.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và xây dựng một hệ thống nhúng sử dụng cảm biến quang để đo nồng độ glucose không xâm lấn. Hệ thống này cần đạt độ chính xác từ 55% đến 70%, đồng thời phải nhỏ gọn, dễ sử dụng và có chi phí hợp lý.

II. Cơ sở lý thuyết và công nghệ sử dụng

Hệ thống sử dụng cảm biến quang học để đo nồng độ glucose dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng của các phân tử glucose. Công nghệ đo glucose không xâm lấn dựa trên quang phổ VIS-NIR (Visible-Near Infrared Spectroscopy) được áp dụng để phân tích các bước sóng ánh sáng phản xạ từ da. Các cảm biến sinh học như AS7341 và AS7263 được kết hợp để tăng độ chính xác của phép đo. Hệ thống y tế này cũng tích hợp máy tính nhúng Raspberry Pi để xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả.

2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào da, các phân tử glucose sẽ hấp thụ một phần ánh sáng ở các bước sóng cụ thể. Cảm biến quang học sẽ đo lượng ánh sáng phản xạ và từ đó tính toán nồng độ glucose trong máu.

2.2. Ứng dụng của quang phổ VIS NIR

Quang phổ VIS-NIR được sử dụng để phân tích các bước sóng ánh sáng từ 400nm đến 1000nm. Công nghệ đo glucose không xâm lấn dựa trên quang phổ này cho phép đo nồng độ glucose một cách chính xác mà không cần xâm lấn vào cơ thể.

III. Thiết kế và xây dựng hệ thống

Hệ thống được thiết kế gồm các thành phần chính: cảm biến quang, nguồn sáng halogen, máy tính nhúng Raspberry Pi và màn hình OLED. Thiết kế hệ thống bao gồm việc xây dựng mô hình nguồn phát ánh sáng, mô hình dự đoán nồng độ glucose và kịch bản lấy mẫu dữ liệu. Hệ thống sử dụng mô hình máy học Multiple Linear Regression để dự đoán nồng độ glucose dựa trên dữ liệu thu thập được.

3.1. Mô hình nguồn phát ánh sáng

Nguồn sáng halogen được sử dụng để phát ánh sáng với các bước sóng cụ thể. Cảm biến quang sẽ đo lượng ánh sáng phản xạ từ da và truyền dữ liệu về máy tính nhúng để xử lý.

3.2. Mô hình dự đoán nồng độ glucose

Mô hình máy học Multiple Linear Regression được sử dụng để dự đoán nồng độ glucose dựa trên dữ liệu thu thập từ cảm biến quang. Dữ liệu được tiền xử lý và phân tích để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

IV. Thực nghiệm và kết quả

Hệ thống được thử nghiệm trên 10 tình nguyện viên với các mẫu dữ liệu được thu thập trong các khoảng thời gian khác nhau. Kết quả cho thấy độ chính xác của hệ thống đạt từ 55% đến 70%, phù hợp với mục tiêu ban đầu. Hệ thống đo lường y tế này cũng được đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng và độ chính xác phân tích.

4.1. Độ chính xác phân tích

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống đo glucose không xâm lấn có độ chính xác phân tích đạt yêu cầu, với sai số trong phạm vi cho phép.

4.2. Độ chính xác lâm sàng

Hệ thống được đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng, so sánh kết quả đo với các phương pháp đo truyền thống. Kết quả cho thấy hệ thống có thể áp dụng trong thực tế với độ tin cậy cao.

V. Kết luận và hướng phát triển

Hệ thống nhúng đo nồng độ glucose không xâm lấn bằng cảm biến quang đã đạt được các mục tiêu đề ra, với độ chính xác từ 55% đến 70%. Thiết bị đo glucose này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y tế và tại nhà cho bệnh nhân tiểu đường. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm cải thiện độ chính xác, giảm chi phí và tích hợp thêm các tính năng hỗ trợ người dùng.

5.1. Những thành tựu đạt được

Hệ thống đã được thiết kế và thử nghiệm thành công, đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và tính ứng dụng trong thực tế.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của hệ thống, giảm chi phí sản xuất và tích hợp thêm các tính năng hỗ trợ người dùng, như kết nối với ứng dụng di động để theo dõi sức khỏe.