Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày các vấn đề về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện, các thông số giới hạn của thiết bị và bố cục của bài luận tốt nghiệp. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết về phương pháp phát hiện té ngã, công thức tính toán giá trị nguỡng các số liệu thu được từ các hành động sinh hoạt thường ngày và các hành động ngã, các linh kiện, module cần thiết được sử dụng trong đồ. Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này trình bày các kết quả tính toán số liệu thu thập của các hành động ngã, các hành động sinh hoạt thường ngày và kết quả của việc xây dựng sơ đồ khối của mô hình, lựa chọn các linh kiện, module cần thiết cho từng khối, thiết kế từng khối riêng biệt, vẽ mạch nguyên lý kết nối các khối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh. Chương 4: Thi công hệ thống Chương này trình bày các kết quả thực hiện của việc thiết kế từng khối, kết nối từng khối lại với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh, thiết kế vỏ của thiết bị.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Chương này trình bày kết quả đạt được khi hoàn chỉnh mô hình thiết bị và các kết quả đo đạc thực nghiệm của các hành động của người dùng. Đưa ra những nhận xét về các kết quả đó. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày những kết luận chung tổng quá về đồ án và đưa ra những hướng đi có thể phát triển thêm trong tương lai để sản phẩm được tốt hơn và thương mại hoá chúng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Chương 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN TÉ NGÃ Một trong những vấn đề người cao tuổi hay gặp phải là té ngã, và hậu quả có thể ảnh hưởng đến tính mạng nếu không được phát hiện kịp thời. Thuê y tá và người chăm sóc có thể là lựa chọn tốt nhất để liên tục theo dõi và hỗ trợ các hoạt động sinh hoạt hàng ngày của người cao tuổi, nhưng chi phí sẽ rất đắt. Hơn nữa, người chăm sóc khó có thể liên tục quan sát và giúp đỡ người cao tuổi mọi lúc. Người cao tuổi bị ngã có thể xảy ra khi người chăm sóc không xung quanh để giám sát dẫn đến vấn đề về độ tin cậy.
Do đó, một hệ thống phát hiện ngã thông minh đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí được coi như một lựa chọn để trợ giúp người cao tuổi. Các kỹ thuật hiện có được sử dụng để thiết kế hệ thống phát hiện ngã là được phân loại thành ba loại là: Phương pháp dựa trên camera, phương pháp dựa trên âm thanh và phương pháp dựa trên động học.1 cho thấy ba phương pháp thường được sử dụng cho hệ thống phát hiện ngã. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Tất cả các cách tiếp cận này giúp giảm thiểu áp lực của y tá và người chăm sóc theo dõi các hoạt động hàng ngày của người cao tuổi.1 Ba phương pháp phát hiện té ngã 2.1 Phương pháp phát hiện ngã bằng camera Phương pháp này sử dụng camera và bộ vi điều khiển hoặc máy tính cá nhân (PC) làm máy chủ chuyên dụng.
Ý tưởng chung là camera được sử dụng để quay video hoặc hình ảnh trong khi chuyển nó sang PC để phân tích và xử lý hình ảnh, phân đoạn mọi người khỏi nền và do đó là một hệ thống phát hiện ngã. Phương pháp này chỉ yêu cầu thiết lập duy nhất và có thể giám sát nhiều cá nhân. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Nhận dạng tư thế khi ngã Miao Yu và cộng sự [5] đề xuất một hệ thống phát hiện té ngã bằng phương pháp dựa trên camera bằng cách thực hiện nhận dạng tư thế như thể hiện trong Hình 2.
Để phân đoạn vùng tiền cảnh của một tư thế của con người, thuật toán loại trừ phông nền đã được sử dụng cùng với một số xử lý hậu kỳ để cải thiện kết quả trích xuất tư thế con người. Kết quả từ thử nghiệm đạt được tỷ lệ phát hiện ngã cao (97,08%) với khả năng phát hiện cảnh báo sai tối thiểu là 0,8%. Hạn chế của phương pháp này là khó phát hiện ngã khi có nhiều vật thể chuyển động và xảy ra hiện tượng chồng ảnh. Khawandi và cộng sự [10] đã sử dụng hệ thống giám sát tự động với tính năng nhận dạng khuôn mặt để phát hiện ngã ở một khu vực nhất định.
Hệ thống đã sử dụng webcam để thu thập dữ liệu chẳng hạn như vận tốc chuyển động của một người, vị trí của người đó và khoảng cách giữa người đó và máy ảnh. Dữ liệu đó được sử dụng để thực hiện xử lý hình ảnh nhằm xác định liệu người đó có đang bị ngã hay không. Phương pháp sử dụng camera ngày càng được tối ưu bằng cách sử dụng một camera đa hướng omni-camera thể chụp ảnh 360° đồng thời trong một lần chụp, điều này giúp loại bỏ vấn đề điểm mù của máy ảnh thông thường, Miaou và cộng sự [11] đã thực hiện hệ thống này. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ nhạy 78% mà không thông tin cá nhân và tăng lên đến 90% với thông tin cá nhân.
Hạn chế của hệ thống này là hệ thống yêu cầu người dùng cung cấp thông tin cá nhân như chiều cao, chỉ số BMI sẽ làm tăng chi phí thực hiện. Foroughi và cộng sự [12] đã phát triển một cách tiếp cận mới cho một hệ thống phát hiện ngã dựa trên về các biến thể hình dạng của con người. Sự kết hợp của hình elip gần đúng phù hợp nhất xung quanh cơ thể con người, biểu đồ chiếu của hình bóng được phân đoạn và những thay đổi theo thời gian của tư thế được sử dụng để thu thập BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT manh mối để phát hiện các hành vi khác nhau.
Mặc dù tỷ lệ thành công ở mức 88,08% các vấn đề về chồng ảnhvẫn xảy ra. Phân đoạn Trích đặc Xử lý ảnh Phát hiện tiền cảnh tính ngã Hình 2.3 Thuật toán cho phương pháp sử dụng camera.2 Phương pháp phát hiện ngã bằng âm thanh Cảm biến âm thanh và môi trường xung quanh được sử dụng trong phương pháp này để phát hiện té ngã cho người già. Chi phí cho phương pháp này tương đối rẻ so với phương pháp dựa trên camera do phần cứng chi phí thực hiện thấp. Các cảm biến được sử dụng là cảm biến hồng ngoại, cảm biến rung và micrô.
Các cảm biến này thu thập dữ liệu và sau đó chuyển nó tới bộ vi điều khiển hoặc PC để xử lý. Phát hiện ngã chỉ được kích hoạt khi dữ liệu được thu thập vượt quá một ngưỡng hoặc điều kiện nhất định được đặt trước. Yun Li và cộng sự [13] đã thực hiện hệ thống phát hiện ngã Acoustic-FADE bao gồm mảng micrô được sắp xếp theo hình tròn đồng nhất. Khi một âm thanh được phát hiện, acoustic-FADE định vị nguồn phát, tăng cường tín hiệu và phân loại nó là “ngã” hoặc “không ngã”.
Quy trình bao gồm xác định vị trí, định dạng chùm tín hiệu và độ cao được sử dụng để xác định nguồn âm thanh được tạo ra và tăng độ đặc hiệu cũng như chất lượng của tín hiệu nhận được. Việc phát hiện ngã được thực hiện sau quá trình trích xuất và phân loại tính năng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Cấu trúc mảng Micro âm thanh dạng tròn.4, các chấm nhỏ có nhãn từ một đến tám là các micrô đa hướng phân bố đồng đều dọc theo một vòng tròn có bán kính 0,25m.
Kết quả từ thử nghiệm kết luận rằng hệ thống không nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường âm thanh và vật liệu sàn. Một hệ thống phát hiện ngã để theo dõi độ rung của sàn do ngã được thực hiện bởi Alwan và cộng sự [7]. Hệ thống sử dụng một cảm biến áp điện được ghép nối với sàn bằng cách sắp xếp lò xo và khối lượng. Kết quả từ thử nghiệm cho thấy 100 phần trăm cảnh báo thực và không có cảnh báo sai.
Tuy nhiên, điểm hạn chế của phương pháp này là nó chỉ có thể phát hiện ngã khi người cao tuổi ngã xuống tại khu vực cụ thể đó. Hơn nữa, các rung động không thể được phát hiện trên tất cả các loại vật liệu sàn. Hệ thống phát hiện ngã dựa trên một loạt các cảm biến âm thanh. Để phân biệt tiếng ngã, người ta sử dụng độ to và độ cao của âm thanh.
Bước quan trọng nhất là loại bỏ tạp âm bằng cách gắn hai micrô trên trục z thẳng đứng, cách nhau 4 mét. Hệ thống được thực hiện bởi Popescu và cộng sự [6] có thể đạt được 70% mà không có báo động giả. Tuy nhiên, với một chút điều chỉnh, hệ thống có thể phát hiện 100% nhưng bị 5 lần báo động sai mỗi giờ. Điều này cho thấy hệ thống không đáng tin cậy trong việc phát hiện ngã.3 Phương pháp phát hiện ngã bằng động học Phương pháp này được sử dụng phổ biến và áp dụng cho thiết bị phát hiện ngã, nó được ưa chuộng hơn do chi phí phần cứng thấp và cảm biến có thể đeo để phát hiện ngã ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời.
Cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển được đặt trên một phần cơ thể của người đó để phân biệt té ngã với các hoạt động sinh hoạt hàng ngày. Dữ liệu do gia tốc kế và con quay hồi chuyển thu thập được truyền đến vi điều khiển để xử lý. Vì nó là một thiết bị đeo được, nên phạm vi hoạt động không còn là vấn đề quan trọng. Một thiết bị phát hiện ngã sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển được thực hiện bởi Qiang Li và cộng sự [14].
Chủ yếu có hai dạng hoạt động của con người là tư thế tĩnh và chuyển động. Ví dụ về các tư thế tĩnh là đứng, nằm, ngồi và uốn cong trong khi chuyển động là chuyển động giữa các tư thế tĩnh. Có hai cảm biến đo gia tốc ba trục BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT được đặt lần lượt ở ngực và đùi của người đó để nhận biết tư thế tĩnh của người đó.
Kết quả của hệ thống là độ nhạy 91% và độ đặc hiệu 92%. Tuy nhiên, điểm hạn chế của hệ thống này là nó gặp khó khăn trong việc phân biệt nhảy lên giường và ngã vào tường với vị trí ngồi.