Nghiên Cứu Ứng Dụng Quang Phổ Cận Hồng Ngoại Để Đo Đường Huyết Không Xâm Lấn

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp kỹ thuật máy tính ứng dụng quang phổ hồng ngoại gần nir để đo đường huyết không xâm lấn, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Quang Vũ
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Quốc Hùng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Ứng Dụng Quang Phổ Cận Hồng Ngoại Trong Đo Đường Huyết Không Xâm Lấn
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• GIỚI THIỆU VE DE TÀI
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tông quan đề tài
• 1.2. Nghiên cứu về các phương pháp định lượng Glucose
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2. CHƯƠNG 2: BỆNH TIỂU ĐƯỜNG
• 2.1. Các phương pháp đo đường huyết
• 2.1.1. Phương pháp đo xâm lấn
• 2.1.2. Phương pháp đo xâm lấn tối thiểu
• 2.1.3. Phương pháp đo không xâm lấn
• 2.2. Ứng dụng của quang phổ trong việc đo đường huyết
• 2.2.1. Quang phổ gần hồng ngoại
• 2.2.2. Các ưu điểm của quang phổ cận hồng ngoại
• 2.2.3. Phân loại quang phổ cận hồng ngoại
• 2.2.4. Lý do kết hợp quang phổ cận hồng ngoại nhìn thấy được và quang phổ cận hồng ngoại
• 2.2.5. Nguyên lý đo đường huyết không xâm lấn bằng NIRS
• 2.2.6. Điểm khác biệt về đặt vị trí tay so với các đề tài trước
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan hệ thống
• 3.2. Thiết kế phần cứng thiết bị
• 3.2.1. Tổng quan thiết kế mô hình phần cứng
• 3.2.2. Chi tiết phần cứng
• 3.2.2.1. Bóng đèn Halogen Philips WSW T1U
• 3.2.2.2. Cảm biến AST265X
• 3.2.2.3. Module Wifi Bluetooth Mini DI ESP32-Wroom-32
• 3.2.2.4. LCD tròn TFT 1.28-inch HD IPS GC9AOT
• 3.2.2.5. Mạch Sạc Pin TP4056 Lithium
• 3.2.2.6. Mạch tăng áp DC-DC Boost Converter MT3608
• 3.2.2.7. Máy đo đường huyết xâm lấn ACCU-CHEK INSTANT
• 3.3. Lập trình hệ thống nhúng
• 3.3.1. Visual Studio Code
• 3.3.2. Hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS
• 3.3.3. Kiến trúc phần mềm nhúng
• 3.3.4. Công nghệ Bluetooth
• 3.4. Thiết kế ứng dụng phần mềm
• 3.4.1. Android ETaI€WOTK
• 3.4.2. Tổng quan giải thuật ứng dụng với thiết bị
• 3.4.3. Giao diện ứng dụng
• 3.4.4. Lưu đồ hoạt động của hệ thống
• 3.5. Xây dựng mô hình định lượng đường huyết không xâm lấn
• 3.5.1. Quy trình xây dựng mô hình
• 3.5.2. Kịch bản lấy mẫu
• 3.5.3. Xây dựng tập dữ liệu
• 3.5.4. Mô hình Multiple Linear Regression
• 3.5.5. Mô hình Support Vector Machine
• 3.5.6. Mô hình Decision Tree
• 3.5.7. Mô hình Random Forest
• 3.5.8. Đánh giá dựa trên độ chính xác phân tích
• 3.5.9. Đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng
• 3.5.10. Xác định các đặc trưng tối ưu
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Hiện thực thiết bị phần cứng
• 4.2. Thiết kế mạch PCB
• 4.3. Thiết kế hộp sản phẩm
• 4.4. Đánh giá độ ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn AIAG
• 4.4.1. Phương pháp sử dụng
• 4.4.2. Kịch bản kiểm tra
• 4.4.3. Biểu đồ kiểm soát tính ổn định của hệ thống (X/R Chart)
• 4.5. Hiện thực mô hình đo đường huyết không xâm lấn
• 4.5.1. Tiền xử lý tập dữ liệu
• 4.5.2. Xây dựng các mô hình học máy
• 4.5.3. Đánh giá các mô hình học máy
• 4.5.3.1. Độ chính xác phân tích
• 4.5.3.2. Độ chính xác lâm sàng
• 4.5.3.3. So sánh với các công trình nghiên cứu trước
• 4.5.4. Xác định các đặc trưng tối ưu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những điểm đạt được
• 5.2. Những điểm hạn chế
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng quang phổ cận hồng ngoại trong đo đường huyết không xâm lấn

Bệnh đái tháo đường đang gia tăng nhanh chóng trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam. Việc theo dõi nồng độ glucose trong máu là rất quan trọng để quản lý bệnh. Ứng dụng quang phổ cận hồng ngoại (NIR) trong đo đường huyết không xâm lấn đang trở thành một giải pháp tiềm năng. Phương pháp này không chỉ giúp giảm đau đớn cho bệnh nhân mà còn mang lại kết quả nhanh chóng và chính xác.

1.1. Tình hình bệnh đái tháo đường tại Việt Nam

Theo báo cáo của Bộ Y tế, số người mắc bệnh tiểu đường tại Việt Nam dự kiến sẽ tăng lên 6,3 triệu vào năm 2045. Điều này cho thấy sự cần thiết phải có các phương pháp theo dõi đường huyết hiệu quả hơn.

1.2. Lợi ích của phương pháp đo không xâm lấn

Phương pháp đo đường huyết không xâm lấn bằng quang phổ cận hồng ngoại giúp giảm thiểu cảm giác đau đớn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi liên tục nồng độ glucose.

II. Vấn đề và thách thức trong việc đo đường huyết hiện nay

Các phương pháp đo đường huyết truyền thống thường yêu cầu lấy máu, gây khó khăn cho bệnh nhân. Hơn nữa, chi phí cho mỗi lần đo cũng khá cao. Những vấn đề này đã thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các giải pháp mới, trong đó có quang phổ cận hồng ngoại.

2.1. Hạn chế của phương pháp đo xâm lấn

Phương pháp đo xâm lấn không chỉ gây đau đớn mà còn có thể dẫn đến nhiễm trùng. Điều này làm giảm sự tuân thủ của bệnh nhân trong việc theo dõi đường huyết.

2.2. Chi phí và sự tiện lợi

Chi phí cao cho mỗi lần đo và sự bất tiện trong việc lấy mẫu máu đã khiến nhiều bệnh nhân ngần ngại trong việc theo dõi nồng độ glucose thường xuyên.

III. Phương pháp quang phổ cận hồng ngoại trong đo đường huyết

Quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) là một công nghệ tiên tiến cho phép đo nồng độ glucose mà không cần lấy máu. Phương pháp này dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng của các phân tử glucose trong máu.

3.1. Nguyên lý hoạt động của NIRS

NIRS sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định nồng độ glucose trong máu thông qua việc phân tích phổ hấp thụ. Phương pháp này cho phép đo liên tục và không xâm lấn.

3.2. Các ưu điểm của NIRS

NIRS có nhiều ưu điểm như không gây đau, cho kết quả nhanh chóng và có thể sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau, từ bệnh viện đến tại nhà.

IV. Ứng dụng thực tiễn của quang phổ cận hồng ngoại trong y tế

NIRS đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực y tế, từ theo dõi bệnh tiểu đường đến phân tích chức năng của các mô. Các nghiên cứu gần đây cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong việc cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe.

4.1. Nghiên cứu và kết quả ứng dụng NIRS

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng NIRS có thể cung cấp kết quả chính xác trong việc đo nồng độ glucose, giúp bác sĩ đưa ra quyết định điều trị kịp thời.

4.2. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ, NIRS có thể được cải tiến hơn nữa, mở ra nhiều cơ hội mới trong việc theo dõi sức khỏe và điều trị bệnh tiểu đường.

V. Kết luận và hướng phát triển của ứng dụng NIRS

Ứng dụng quang phổ cận hồng ngoại trong đo đường huyết không xâm lấn đang cho thấy nhiều hứa hẹn. Việc phát triển công nghệ này có thể giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân tiểu đường và giảm gánh nặng cho hệ thống y tế.

5.1. Tóm tắt những lợi ích của NIRS

NIRS không chỉ giúp theo dõi đường huyết hiệu quả mà còn giảm thiểu đau đớn cho bệnh nhân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý bệnh.

5.2. Hướng phát triển trong nghiên cứu và ứng dụng

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ NIRS để tối ưu hóa độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tiễn, từ đó nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bệnh đái tháo đường đang trở thành một trong những thách thức y tế toàn cầu nghiêm trọng nhất trong thế kỷ 21. Theo báo cáo từ Liên đoàn Đái tháo đường Quốc tế (IDF) năm 2021, toàn thế giới có khoảng 536,6 triệu người trưởng thành đang sống chung với căn bệnh này, và con số dự kiến sẽ tăng 46%, vượt mức 700 triệu người vào năm 2045. Tại Việt Nam, thống kê của Bộ Y tế chỉ ra rằng số người mắc bệnh trong độ tuổi 20-79 sẽ tăng khoảng 78,5% trong giai đoạn 2017-2045, từ 3,53 triệu người lên 6,3 triệu người. Đáng báo động hơn, kết quả điều tra quốc gia cho thấy có tới 68,9% người bị tăng đường huyết chưa được phát hiện và chỉ có 28,9% bệnh nhân đái tháo đường được quản lý, theo dõi tại các cơ sở y tế chuyên khoa.

Các phương pháp đo đường huyết truyền thống hiện nay chủ yếu là phương pháp xâm lấn, đòi hỏi lấy máu mao mạch đầu ngón tay bằng kim chích. Dù mang lại độ chính xác cao khoảng 99%, phương pháp này gây cảm giác đau đớn, tổn thương mô da, tăng nguy cơ nhiễm trùng và chi phí que thử tích lũy cao, khiến người bệnh ngần ngại kiểm tra thường xuyên. Hạn chế lớn nhất là không thể thực hiện giám sát liên tục theo thời gian thực.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề trên, nghiên cứu của nhóm tác giả Trần Quang Vũ và Châu Minh Đức dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Quốc Hùng tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin - ĐHQG TP.HCM (năm 2023) đã tập trung thiết kế và hiện thực hóa hệ thống đo đường huyết không xâm lấn ứng dụng công nghệ quang phổ cận hồng ngoại (VIS-NIR) kết hợp mô hình Internet vạn vật y tế (IoMT). Mục tiêu cụ thể là chế tạo thiết bị phần cứng nhỏ gọn, phát triển ứng dụng di động kết nối Bluetooth năng lượng thấp (BLE) và xây dựng mô hình học máy định lượng glucose đạt hệ số xác định $R^2 > 0,90$, đồng thời đạt tỷ lệ dự đoán trên 90% thuộc vùng A của lưới lỗi Clarke.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng định luật Beer-Lambert về sự suy giảm quang phổ khi ánh sáng truyền qua môi trường vật chất hấp thụ. Về mặt quang sinh học, quang phổ cận hồng ngoại (NIR) trong dải bước sóng ngắn 780-1300 nm và vùng ánh sáng nhìn thấy (VIS) 380-780 nm được lựa chọn nhờ khả năng xuyên thấu sâu vào các lớp mô da (biểu bì, trung bì và hạ bì) mà không bị hấp thụ quá mạnh bởi nước (thành phần chiếm khoảng 70% cấu trúc mô người).

Cơ sở phân tử của phương pháp dựa trên các mode dao động cộng hưởng đặc trưng của phân tử glucose. Trong phân tử glucose, dao động kéo dài của liên kết C-H tạo ra dải hấp thụ âm bội đầu tiên ở bước sóng gần 910 nm, trong khi dao động của nhóm $CH_2$ xuất hiện rõ nét ở khoảng 930 nm. Đồng thời, liên kết O-H của nước thể hiện sự hấp thụ tại 970 nm và tương tác giữa nước và chất béo được ghi nhận ở 840 nm.

Ba khái niệm cốt lõi tạo nên khung phân tích của đề tài bao gồm:

• Kiến trúc Internet vạn vật y tế (IoMT): Mô hình kết nối thiết bị cảm biến y sinh với điện thoại thông minh và điện toán đám mây để lưu trữ, xử lý và phân tích chỉ số đường huyết theo thời gian thực.
• Tiêu chuẩn phân tích hệ thống đo lường (AIAG MSA): Quy chuẩn công nghiệp sử dụng biểu đồ kiểm soát X-bar và R-chart nhằm đánh giá tính ổn định, độ lặp lại và độ tái lập của hệ thống thu nhận quang phổ.
• Lưới phân tích lỗi Clarke (EGA): Tiêu chuẩn vàng trong y khoa lâm sàng nhằm phân loại độ chính xác của các thiết bị đo đường huyết thành 5 vùng từ A đến E dựa trên mức độ an toàn đối với quyết định điều trị của bệnh nhân.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống quang phổ phản xạ đặt tại ngón tay của các tình nguyện viên. Dữ liệu đối chuẩn sử dụng thiết bị đo đường huyết xâm lấn tiêu chuẩn ACCU-CHEK Instant đạt độ chính xác 99%, tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế ISO 15197:2013 với dải đo từ 10 đến 600 mg/dL.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng trăm lượt đo quang phổ đa kênh được thu thập từ nhóm tình nguyện viên đa dạng về độ tuổi (20-70 tuổi), cân bằng về tỷ lệ giới tính và phân bổ đồng đều ở các khung thời gian sinh hoạt (trước bữa ăn, sau bữa ăn 1 giờ và sau bữa ăn 2 giờ). Phương pháp chọn mẫu có kiểm soát được áp dụng nhằm thu thập đầy đủ các trạng thái biến thiên sinh lý và nồng độ glucose trong máu thực tế.

Quy trình phân tích dữ liệu trải qua các bước: tiền xử lý tín hiệu thô, chuẩn hóa dữ liệu, phân tích hệ số tương quan Pearson giữa 18 kênh bước sóng (410-940 nm) với giá trị đường huyết thực tế, và huấn luyện các thuật toán học máy bao gồm Hồi quy tuyến tính bội (MLR), Máy vector hỗ trợ (SVM), Cây quyết định (Decision Tree), Rừng ngẫu nhiên (Random Forest) và Tăng cường độ dốc (Gradient Boosting). Các mô hình phi tuyến dạng cây được ưu tiên lựa chọn vì khả năng thích ứng cao với độ phi tuyến phức tạp của các lớp mô sinh học và tín hiệu quang học tán xạ. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai xuyên suốt năm 2023 với lộ trình 4 giai đoạn rõ ràng: thiết kế phần cứng PCB, đánh giá độ ổn định 7 ngày, thu thập dữ liệu lâm sàng và tối ưu hóa thuật toán nhúng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học và kỹ thuật quan trọng:

1. Độ ổn định của hệ thống phần cứng đạt tiêu chuẩn AIAG MSA: Qua chuỗi thử nghiệm đo lường liên tục trong 7 ngày tại bước sóng then chốt 900 nm và trên toàn bộ 18 kênh quang phổ, các biểu đồ kiểm soát X-bar và biểu đồ R đều thể hiện tính ổn định tuyệt đối. Không có điểm đo nào vượt ra ngoài giới hạn kiểm soát trên (UCL) hoặc giới hạn kiểm soát dưới (LCL), khẳng định phần cứng hoạt động ổn định và có độ lặp lại cao.
2. Xác định dải bước sóng đặc trưng tối ưu: Phân tích ma trận tương quan Pearson cho thấy các kênh bước sóng 900 nm, 910 nm, 930 nm và 940 nm có mối tương quan mạnh nhất với biến thiên nồng độ glucose trong máu. Việc trích xuất tập đặc trưng tối ưu này giúp giảm tải hơn 40% khối lượng tính toán nhưng vẫn duy trì độ chính xác của mô hình.
3. Hiệu năng vượt trội của mô hình học máy phi tuyến: So sánh giữa các thuật toán cho thấy mô hình Random Forest và Gradient Boosting đạt kết quả tối ưu nhất với hệ số xác định $R^2$ đạt xấp xỉ 0,92, sai số toàn phương trung bình (MSE) giảm hơn 35% so với mô hình hồi quy tuyến tính chuẩn MLR và SVM.
4. Độ chính xác lâm sàng đạt chuẩn an toàn y tế: Khi ánh xạ kết quả dự đoán lên lưới phân tích lỗi Clarke, 100% các điểm dữ liệu kiểm tra đều rơi vào vùng an toàn A và B. Trong đó, tỷ lệ điểm thuộc vùng A (chính xác tuyệt đối, đưa ra quyết định điều trị đúng đắn) đạt trên 92,5%, hoàn toàn không có điểm nào rơi vào các vùng nguy hiểm C, D hoặc E.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt độ chính xác cao là nhờ giải pháp thiết kế quang học sáng tạo: kết hợp nguồn phát bóng đèn Halogen Philips dải phổ liên tục (380-1300 nm) công suất 5W và cảm biến đa kênh AS7265x đặt cách ngón tay 2 cm. Cấu hình này cho phép ánh sáng VIS-NIR thâm nhập sâu qua các mao mạch máu và dịch kẽ ở lớp trung bì, nơi phản ánh chính xác sự thay đổi tức thời của phân tử glucose.

So sánh với các nghiên cứu trước đây và các sản phẩm thương mại hiện có trên thị trường thế giới như GlucoTrack (giá khoảng 46.000.000 VNĐ) hay Glucowise (giá khoảng 25.000.000 VNĐ), giải pháp trong nghiên cứu này mang lại hiệu quả tương đương về mặt sai số lâm sàng nhưng giảm giá thành phần cứng xuống dưới 1.500.000 VNĐ.

Toàn bộ kết quả dữ liệu được trình bày mạch lạc thông qua hệ thống trực quan hóa bao gồm: biểu đồ kiểm soát X-bar/R mô tả độ ổn định thiết bị, ma trận nhiệt tương quan Pearson giữa 18 bước sóng và biểu đồ phân tán lưới lỗi Clarke phân định rõ ràng 5 vùng đánh giá rủi ro y khoa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, 4 khuyến nghị hành động cụ thể được đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng giải pháp vào thực tiễn:

1. Tối ưu hóa và nhúng mô hình AI tại biên (Edge AI): Đội ngũ kỹ sư phần mềm cần nén mô hình học máy Gradient Boosting/Random Forest bằng công cụ TensorFlow Lite for Microcontrollers để nhúng trực tiếp vào bộ nhớ 520 kB SRAM của vi điều khiển ESP32. Mục tiêu là giảm độ trễ phản hồi kết quả từ 1,5 giây xuống dưới 0,3 giây, hoàn thành trong vòng 3 tháng tới.
2. Mở rộng quy mô thử nghiệm lâm sàng đa trung tâm: Nhóm nghiên cứu cần phối hợp với các bệnh viện nội tiết nhằm thu thập thêm ít nhất 1.000 mẫu dữ liệu thực tế trên bệnh nhân đái tháo đường typ 1 và typ 2 với dải đường huyết rộng từ 50 mg/dL đến 400 mg/dL trong lộ trình 6 tháng, nâng cao tính tổng quát hóa của thuật toán.
3. Cải tiến phần cứng và thiết kế công thái học: Các kỹ sư thiết kế phần cứng cần tái cấu trúc bo mạch PCB 2 lớp thành dạng tích hợp siêu nhỏ, giảm kích thước tổng thể của thiết bị xuống 40%, đồng thời bổ sung cảm biến nhiệt độ - độ ẩm môi trường để tự động bù trừ nhiễu quang học trong thời gian 4 tháng.
4. Xây dựng hệ sinh thái đám mây IoMT đạt chuẩn bảo mật y tế: Doanh nghiệp công nghệ y tế và nhà phát triển ứng dụng cần nâng cấp phần mềm di động lên nền tảng đa hệ điều hành (Android/iOS), thiết lập kết nối an toàn với máy chủ đám mây tuân thủ chuẩn HIPAA/HL7 trong vòng 6 tháng, cam kết tỷ lệ khả dụng hệ thống đạt 99,9%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư Hệ thống nhúng và Kỹ thuật máy tính: Tiếp cận quy trình thiết kế phần cứng hoàn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý mạch, layout PCB, lập trình hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS trên ESP32 đến cơ chế truyền thông không dây BLE chuẩn GATT.
• Nhà nghiên cứu Khoa học dữ liệu và Trí tuệ nhân tạo y tế: Tham khảo phương pháp tiền xử lý dữ liệu quang phổ sinh học, kỹ thuật lựa chọn đặc trưng bước sóng tối ưu và quy trình đánh giá mô hình phân tích sai số y sinh chuẩn EGA.
• Bác sĩ Chuyên khoa Nội tiết và Chuyên gia Y tế: Nắm bắt nguyên lý đo lường không xâm lấn bằng quang phổ VIS-NIR để ứng dụng trong các mô hình quản lý bệnh nhân từ xa (Telemedicine) và tối ưu hóa phác đồ điều trị tiểu đường.
• Doanh nghiệp và Start-up Công nghệ Y tế (MedTech): Khai thác tài liệu nghiên cứu làm cơ sở R&D để phát triển các dòng sản phẩm máy đo đường huyết cá nhân Make-in-Vietnam với chi phí sản xuất thấp và tính cạnh tranh cao.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ quang phổ cận hồng ngoại (NIR) đo đường huyết dựa trên nguyên lý vật lý nào?
Phương pháp dựa trên hiện tượng hấp thụ chọn lọc ánh sáng của phân tử glucose tại các bước sóng đặc trưng trong dải 780-1300 nm. Khi chùm sáng VIS-NIR truyền qua mô ngón tay, các dao động kéo dài của liên kết C-H ở 910 nm và $CH_2$ ở 930 nm sẽ làm suy giảm cường độ quang phổ thu được tại cảm biến AS7265x, từ đó thuật toán định lượng chính xác nồng độ glucose trong máu.

Độ chính xác lâm sàng của thiết bị trong luận văn được đánh giá như thế nào?
Hệ thống được kiểm chứng trực tiếp với máy đo chuẩn ACCU-CHEK Instant (đạt độ chính xác 99% theo chuẩn ISO 15197:2013). Trên lưới lỗi Clarke (EGA), hơn 92,5% kết quả rơi vào vùng A và 100% điểm đo thuộc vùng an toàn A+B, đảm bảo tuyệt đối không gây ra các quyết định điều trị sai lệch gây nguy hiểm cho bệnh nhân.

Hệ thống phần cứng cốt lõi của thiết bị bao gồm các thành phần nào?
Thiết bị tích hợp vi điều khiển trung tâm Mini D1 ESP32-Wroom-32 (SRAM 520 kB, ROM 448 KB), cụm cảm biến quang phổ 18 kênh AS7265x (dải 410-940 nm), nguồn phát sáng bóng đèn Halogen Philips 12V 5W, màn hình LCD tròn TFT 1,28 inch GC9A01, mạch sạc TP4056 và mạch tăng áp MT3608 cấp nguồn qua pin Lipo dung lượng cao.

Vì sao nghiên cứu lại kết hợp dải bước sóng nhìn thấy (VIS) và cận hồng ngoại (NIR)?
Nước trong mô cơ thể hấp thụ rất mạnh ánh sáng NIR bước sóng dài trên 1300 nm, làm suy yếu tín hiệu quang học. Việc kết hợp dải VIS-NIR (380-1300 nm) cho phép ánh sáng thâm nhập sâu vào cả dịch kẽ lẫn các mao mạch máu, giúp ghi nhận biến thiên glucose theo thời gian thực mà không bị suy hao bởi hàm lượng nước trong mô.

Chi phí chế tạo thiết bị này có ưu thế gì so với các giải pháp thương mại?
Các thiết bị đo không xâm lấn nhập khẩu hiện có trên thị trường có giá thành rất cao, dao động từ 25.000.000 đến 46.000.000 VNĐ. Thiết bị trong nghiên cứu sử dụng các module linh kiện điện tử tối ưu hóa với tổng chi phí ước tính dưới 1.500.000 VNĐ, tạo cơ hội tiếp cận thiết bị y tế công nghệ cao cho đông đảo người bệnh có thu nhập trung bình.

Kết luận

• Chế tạo thành công thiết bị đo đường huyết không xâm lấn tích hợp vi điều khiển ESP32 và cảm biến quang phổ 18 kênh AS7265x nhỏ gọn, tiện dụng.
• Chứng minh độ ổn định và độ tin cậy vượt trội của hệ thống phần cứng theo tiêu chuẩn AIAG MSA thông qua biểu đồ X-bar và R-chart trong 7 ngày liên tục.
• Xây dựng mô hình học máy Random Forest và Gradient Boosting đạt hệ số tương quan $R^2 > 0,90$, tối ưu hóa trích xuất đặc trưng tại dải 900-940 nm.
• Đạt 100% tỷ lệ dự đoán thuộc vùng an toàn A+B trên lưới lỗi Clarke, trong đó vùng A đạt trên 92,5%, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn khắt khe trong y khoa.
• Hiện thực hóa kiến trúc IoMT hoàn chỉnh kết nối không dây BLE với ứng dụng di động Android, cho phép theo dõi và lưu trữ dữ liệu thời gian thực.

Luận văn đã đóng góp một giải pháp công nghệ y sinh mang tính đột phá, mở ra triển vọng tự chủ sản xuất thiết bị theo dõi sức khỏe không xâm lấn giá rẻ tại Việt Nam trong lộ trình 6-12 tháng tới. Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ hoặc tham khảo tài liệu kỹ thuật chi tiết để tiếp tục phát triển thương mại hóa sản phẩm vì sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH TRAN QUANG VU - 19522537 CHAU MINH ĐỨC - 19521371 KHOA LUAN TOT NGHIEP UNG DUNG QUANG PHO HONG NGOAI GAN (NIR) DE DO DUONG HUYET KHONG XAM LAN APPLICATION OF NEAR-INFRARED SPECTROSCOPY (NIR) FOR NON-INVASIVE BLOOD GLUCOSE MONITORING KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH GIANG VIEN HUONG DAN Ts. Pham Quốc Hùng TP. HO CHi MINH, 2023 LỜI CẢM ƠN Lời nói đầu tiên, nhóm em muốn bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả các giảng viên, các thầy cô khoa Kỹ thuật máy tính của trường Đại học Công nghệ thông tin Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện và cơ hội cho nhóm em thực hiện luận văn tốt nghiệp này.

Tất cả các thầy cô đều luôn hỗ trợ cho nhóm em bang rất nhiều các khác nhau, qua việc truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm. Đó là những giá trị vô cùng quý báu mà nhóm chúng em vô cùng cảm kích. Đặc biệt, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân đối với thầy hướng dẫn của nhóm là thay Ts. Phạm Quốc Hùng.

Cảm ơn thay, đã dành ra những thời gian quý báu dé hướng dẫn nhóm em, chỉ bảo nhóm em tận tình trong khoảng thời gian làm luận văn và cả trong khoảng thời gian dài gần ba năm nay. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn và muốn thể hiện lòng biết ơn của nhóm em đối với gia đình và bạn bè, những người luôn khuyến khích chúng tôi đạt được mục tiêu của mình và cung cấp cho nhím em sự hỗ trợ vô điều kiện trong suốt chặng đường sinh viên qua. Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, nhóm đã học thêm được nhiều kinh nghiệm quý báu. Tuy nhiên, trong quá trình làm cũng khó tránh khỏi sai sót, rât mong các thây cô bỏ qua.

Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Trần Quang Vũ Khoa Kỹ thuật máy tính — Lớp MTCL2019.2 Sinh viên thực hiện Châu Minh Đức Khoa Kỹ thuật máy tính — Lớp MTCL2019. GIỚI THIỆU VE DE TÀI. Tổng quan đề tài. Nghiên cứu về các phương pháp định lượng Glucose.

Tình hình nghiên cứu trong TƯỚC. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Mục tiêu của để tài. Mục tiêu tổng quan.- 2-2 ¿+5£+SE+EE+EE£2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkervee 7 1.

Mục tiêu cụ thỂ. Kết quả dự kiến isc ceccccccccecsssesssessssssscssscssessnecsssssscssscsnessscssecsuecssecsecasecasecsueesecases 9 CHƯƠNG 2. Bệnh tiểu Gu01ng o. Các phương pháp đo đường huyẾt.

Phương pháp đo xâm lắn.-- 2-2 2 +E£SE£EE+EE£EE2EE2EEEerEerkerxerxee 12 2. Phương pháp đo xắm lắn tối thiểu .---- 2-2 2 2+£+Ee£ke£xerxzcsee 12 2. Phương pháp do không xâm lắn. Ứng dung của quang phổ trong việc đo đường huyết.

Quang PhO ng. Ung dung của quang phổ trong việc do đường huyết không xâm 1an. Quang phô cận hồng ngoại. Các ưu điểm điểm của quang phổ cận hồng ngoại.

Phân loại quang phổ cận hồng ngoại. Lý do kết hợp quang phổ cận hồng ngoại nhìn thấy được và quang phố cận Ong ngOại.------ + +SsSt+SE2EEE2EE9EEEE11211211171711211211211 1121. Nguyên ly đo đường huyết không xâm lan bang NIRS. Điểm khác biệt về đặt vi trí tay so với các đề tài trước.

PHAN TÍCH VA THIET KE HE THÓNG. Tổng quan hệ thong. Thiết kế phần cứng thiết bị.-- 2-2 2S +E+SE£EE£EE#EESEEEEE2E2EEEEEEEEkrrkrrkee 27 3. Tổng quan thiết kế mô hình phan cứng.

Chi tiết phần cứng. Bóng đèn Halogen Philips WSW T1U. Cảm biến AST265X. Module Wifi Bluetooth Mini DI ESP32-Wroom-32.

LCD tròn TFT 1.28-inch HD IPS GC9AOT. Mạch Sạc Pin TP4056 Lithium. Mach tăng áp DC-DC Boost Converter MT3608. Máy đo đường huyết xâm lắn ACCU-CHEK INSTANT.

Lập trình hệ thống nhúng.- 2-2: 2£ £©+£+E++2E++EE++EE++ExtzErerkesrxrrrrees 39 3. Visual Studio Code nnnoia. Hé diéu hanh thoi gian thực FreeRTOS1. Kiến trúc phần mềm nhúng.

Công nghệ Bluetooth TUE.- ---- -- + + +3 E93 9111 1n ng ng nệt 44 3. Dinh nghia oo. Thiết kế ứng dụng phần mềm. Android ETaI€WOTK.

Tông quan giải thuật ứng dụng với thiết bị. Giao diện Ứng Ụng.-- -- 1v 9 91219 HH HH ng nh ngư51 3. Luu dé hoat động của hệ thống " 57 3. Xây dựng mô hình định lượng đường huyết không xâm lắn.

Quy trình xây dựng mô Dinh oo. ccc cee eceeeeeeeeeeseeeeeeaeeees 59 3. Kịch bản lẫy mẫu. Xây dựng tập dữ liỆu.

Xây dựng mô hình.¿- s2 2 1211119111911 91 119 11 nh ng kg 63 3. Mô hình Multiple Linear RegT€SSIOI. Mô hình Support Vector Machine. Mô hình Decision Tree.

- s1 11v ng ng niện 67 3. Mô hình Random Forest .- -- 5 5S + + VESvEeeesseeseerske 68 ko ga 0n nh. Đánh giá dựa trên độ chính xác phân tích. Đánh giá dựa trên độ chính xác lâm sàng.

Xác định các đặc trưng COL ƯU. Q5 S St E1 2111211151111 cErtke 74 CHƯƠNG 4. THU NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIA. Hiện thực thiết bị phần cứng.----- 2: + ©£+£+E+EE+£E+£EE+EEtEEtEEErEkrrxerkrex 75 4.

Thiết kế mạch PCB.- - - 2t SStSE+E‡EEEE+EEEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEESEkrkrkerrrx 75 4. Thiết kế hộp sản phẩm.---:- 2£ £+2£+EE+EE+EE£2EEEEEEEEEEEEErrxrrkerreee 71 4. Đánh giá độ ôn định của hệ thống theo tiêu chuẩn AIAG. Phương pháp sử dụng.

TH HH ng ngư, 84 4. Kịch bản kiỂm tra.- 2-5 ©52S2+SE‡EEEE2EEEEEEEE 2112112212171. Biéu đồ kiểm soát tính ôn định của hệ thống (X/R Chart). Đánh giá tính 6n định của thiết bị dO.

Hiện thực mô hình đo đường huyết không xâm lắn. Tiền xử lý tập dữ QU. Tập dữ liệu thô.-- 2 2£ +c+2£+2EE£EECSEEEEEEEEEEEEE2E1EE. Tiền xử lý tập dữ liệu.

Xây dựng các mô hình học máy. Đánh giá các mô hình học MAY. Độ chính xác phân tích. Độ chính xác lâm sàn.

So sánh với các công trình nghiên cứu tTưỚc. Xác định các đặc trưng tỐI ƯU. St tt 1E E111 krrkerrrkrrveg 107 CHƯƠNG 5. KET LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẺN.

Kết quả đề tai ececeececccccccscsscssesscssessesvcstssessessessessessesssssstssessessesessneaseaeeaeess 111 5. Những điểm dat Quoc. Những điểm hạn chế .----- + ¿+ +EE+EE2EE£EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerrerkrred 112 5. Hướng phát triển của đề tài.---- ¿2+ ©5++2x2Ek2 2A2 2EEEEEerkrrrrrrree 113 TÀI LIEU THAM KHẢO.

5-56 tSE‡StEE‡EE‡EEEESEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEkrErkrrkrkerrree 114 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Xu hướng toàn cầu của bệnh tiêu đường theo Liên đoàn Dai tháo đường Quốc tế IDF [ I ]. - SE SESEEESE‡EEEEEEE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEETEEEESEEEEEEETEEEkTEErkrkrrkeg 3 Hình 1.2: Lich sử phát triển của phương pháp đo Glucose.3: Mô hình hệ thống IoMT dé theo dõi đối tượng bệnh đái tháo đường.4: Sơ đồ chân đoán và kiểm soát đường huyết trong hệ thống chăm sóc sức [9005801901581 07177 a.1: Ba mức độ nồng độ Glucose có trong máu.2: Tổng quan các phương pháp đo nồng Glucose trong MAU .3: Độ thâm sâu của các ánh sáng hồng ngoại khác nhau trong da ngwoi.4: Cấu trúc phân tử Glucose.-- 5 11v vn rg 21 Hình 2.5: Sự tương tác của ánh sáng khi đi vào cơ thê.----¿--s¿©sz©5sc++ 23 Hình 2.6: Sự so sánh giữa hai mẫu khi có ánh sáng truyền qua các phần tử Glucose.7: Vị trí đặt ngón tay lấy mẫu.--¿- ¿+ ++x++Ext2xxtrxterxsrxerrecree 25 Hình 3.1: Hệ thống tổng quan của đề tài.---- 2 2 s+Sx+2E£2EE+EE+£Eezkezresrxerxeres 27 Hình 3.2: Tổng quan sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống.3: Dai bước sóng cua bóng đèn Halogen Philips WSW TI0.4: Bóng đèn Halogen Philips WSW T1U.5: Cảm biến AS7265x.6: Khả năng đáp ứng quang phô 18 kênh AS7265x.7: Module Wifi Bluetooth Mini D1 ESP32-Wroom-32.8: LCD tròn TFT 1.28-inch HD IPS GC9AO].9: Mạch sạc pin TP4056 LiIthium.- <5 + + +*kE+veeeeeeeeerereers 35 Hình 3.10: Mạch tăng áp MT3606.- Q1 S S1 SH HH TH ng kg 36 Hình 3.11: Pin lipo polymer 3.- s5 tk 9 9g re, 37 Hình 3.12: Bộ thiết bị đo đường huyết ACCU-CHEK INSTANT.13: ESP-IDF công cụ dé biên dịch mã cho ESP32.--2- ccs+scxez 39 Hình 3.15: Các task trong hệ thống thiết bị đề tài.¿--5¿©2255z2cx2cxvzxesrsz 42 Hình 3.16: Mô hình kiến trúc phân lớp lập trình firmware.17: Sơ đồ kiến trúc phân lớp lập trình firmware.18: Quá trình gửi gói tin từ BLE peripheral tới BLE central.19: Hệ thong phân cấp dữ liệu bởi GA TTT.20: Hệ thong phân cap dữ liệu boi GATT của thiết bị dé tài.21: Quá trình giao tiếp BLE giữa ứng dụng và thiết bị.22: Kịch bản sử dụng ứng dụng với thiết bị.-----2¿©5¿©cxz+zs+zxesrsz 50 Hình 3.23: Giải thuật của ứng dụng tương tác với thiết bị.24: Giao diện màn hình chính.--- 5 <5 3333322 EEE++++seeeeeeeeszse 52 Hình 3.25: Giao diện màn hình dò tìm ghép nối thiết bi bang BLE.26: Giao diện màn hình lựa chọn lấy mau hay đo nồng độ Glucose.27: Giao diện đo lẫy mẫu.--- 2-2: +2SE£+EE+EE£EEEEEESEEEEEEEEErrkrrkrrkrrex 55 Hình 3.28: Giao diện đo nồng độ Glucose trong máu.29: Giao diện lịch sử của các lần đo nồng độ Glucose.30: Lưu đồ hoạt động của toàn hệ thống.31: Quy trình xây dựng mô hình định lượng đường huyết không xâm lắn.32: Quy trình tiền xử lý đữ liệu.-- -- - 2SE+EE+EE+EE+EZEEEerEerkerkrrkrree 63 Hình 3.33: Clarke Error Grid.---- + 22 113332223118 1EE£££3531EEEEESSEkkeeeerzze 72 Hình 4.1: Thiết kế schematic của hệ thống bằng EasyEDA.2: Thiết kế PCB layout của hệ thống bằng EasyEDA.3: Mặt sau của bo mạch thiết bị đề tài.4: Mặt trước của bo mạch thiết bị đề tài.5: Mô hình 3D phan thân trên của thiết bị.----- 2: ©5z22s+cx+zxczsz 78 Hình 4.6: Mô hình 3D phan thân dưới của thiết bị.------2-©5¿c5¿5c+cs+ccs+ 78 Hình 4.7: Mô hình 3D vỏ hộp của thiết bị.-- 2-2 22522£+£E+£Ee£EezEerxerxrex 79 Hình 4.8: Thiết bị thực tế sau khi hoàn tat đóng hộp.9: Thành phan thiết bị ở phan thân trên của thiết bị.10: Thành phan thiết bi ở phần thân dưới của thiết bị.11: Phan thân bên của thiết bị.-----2-© ¿225% 5E££E£2EE+EE+EEtzEezrszrxerxeres 82 Hình 4.12: Cách sử dung thực tế của thiết bị.13: Màn hình chính của thiết bị.14: Màn hình hiện thị kết quả đo của thiết bị.--- 2-5 ©522cs+cx+zxzsz 84 Hình 4.15: Biéu đồ X thể hiện tính ôn định của thiết bị đo ở bước sóng 900nm.16: Biểu đồ R thé hiện tính 6n định của thiết bị đo ở vùng bước sóng 900nm.17: Biểu đồ X của toàn bộ vùng bước sóng.---------¿-c+¿+c+zs+zc++ 89 Hình 4.18: Biéu đồ R của toàn bộ vùng bước SONG.------- +sz+z+cx+rxczez 90 Hình 4.19: Biểu đồ thể hiện tỉ lệ giới tính của tình nguyện viên.20: Biéu đồ thể hiện tỉ lệ khung thời gian lấy mẫu.21: Biểu đồ thé hiện tỉ lệ thời gian lay mẫu ở các bữa ăn.22: Biểu đồ histogram thể hiện độ tuôi.---- 2-2 2 2+ £Ee£Ez£xezzrssez 93 Hình 4.23: Biểu đồ histogram của giá trị Glucose.----¿--¿+©s++cx+zx+zx+ecsz 94 Hình 4.24: Biểu đồ phân tán của các đặc trưng bước sóng với Glucose.25: Giá trị dự đoán đường huyết của mô hình Random Forest trên lưới lỗi Clarke.ÔỀ “vtwhẽ cố (“cố eee 105 Hinh 4.26: Giá trị dự đoán đường huyết của mô hình Gradient Boosting trên lưới lỗi Clarke.27: Kết quả số lượng đặc trưng MSE và điểm R2 cho mô hình tốt nhất được lựa chọn. 110 DANH MỤC BANG Bảng 1.1: Các sản phẩm thiết bị do Glucose không xâm lắn đã có trên thị trường.1: So sánh ưu điểm và khuyết điểm giữa hai phương pháp đo đường huyết 13 Bảng 2.2: Ưu điểm và khuyết điểm của quang phổ Raman và quang phổ cận hồng ngoại trong ứng dụng đo đường huyết không xâm lắn.3: So sánh quang phố can hồng ngoại bước sóng dai với bước sóng ngăn.1: Kết nối các chân thiết bị trong hệ thống.2: Thông số kỹ thuật của bóng đèn Halogen Philips WSW TI0.