Phát triển ứng dụng đo stress trên android

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG ĐO STRESS
TRÊN ANDROID

Giảng viên hướng dẫn:

Lớp ĐTVT 03– K55
TS VÕ LÊ CƯỜNG

Hà nội, 1 – 2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG ĐO STRESS
TRÊN ANDROID

Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:

Lớp ĐTVT03 – K55
TS VÕ LÊ CƯỜNG

Hà nội, 1 – 2016


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:…………………
Tên đồ án: ................................... ................................... ...................................
…………………………………………………………………………………..
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

1

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn
đề và các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù 1 2
hợp) cũng như phạm vi ứng dụng của đồ án

3

4

5

2

Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong
nước/quốc tế)

1

2

3

4

5

3

Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết
vấn đề

1

2

3

4

5

4

Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng
kết quả đạt được

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5
6

7

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và
phương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý
thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất
cả kết quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu
có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra
đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải
quyết có thể thực hiện trong tương lai.
Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các
chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng,
có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được giải thích hay
đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu
chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận
chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn
đúng quy định


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong
khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng
phù hợp v.v.)

1

2

3

4

5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận
đăng/đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở
lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ
giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế

5

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị
sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải
10b từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi
quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành như TI
contest.

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

10a

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của thầy/cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh
thần làm việc của sinh viên)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
........................................................................................
Ngày….tháng….năm 2016
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp

(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:…………………….
Tên đồ án: ................................... ................................... ...................................
…………………………………………………………………………………..
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn
đề và các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù 1
hợp) cũng như phạm vi ứng dụng của đồ án

2

3

4

5

2

Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong
1
nước/quốc tế)

2

3

4

5

3

Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết
1
vấn đề

2

3

4

5

4

Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng
1
kết quả đạt được

2

3

4

5

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và
phương pháp thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý 1
thuyết một cách có hệ thống

2

3

4

5

6

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất
1
cả kết quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

2

3

4

5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu
có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra
1
đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải
quyết có thể thực hiện trong tương lai.

2

3

4

5

2

3

4

5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các
chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng,
có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được giải thích hay
đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu 1
chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận
chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn
đúng quy định


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong
khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng 1
phù hợp v.v.)

2

3

4

5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
10
a

10
b
10
c

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận
đăng/đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở
lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ
giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế

5

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị
sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ
giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi
quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành như TI
contest.

2

Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3. Nhận xét thêm của thầy/cô
…...................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
..............................................................
Ngày….tháng….năm 2016
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU
Thời gian trước đây, việc kiểm tra sức khỏe như đo huyết áp, nhịp tim, nồng độ
oxy trong máu… phải được tiến hành trong các trung tâm y tế với các trang thiết bị
hiện đại. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đo đạc và kiểm tra sức
khỏe trở nên dễ dàng hơn với các thiết bị cầm tay nhỏ gọn và độ chính xác cao. Đặc
biệt, sự phát triển của hệ điều hành Android đã đem đến môi trường phát triển thuận
lợi cho các ứng dụng sức khỏe.
Cuộc sống hiện đại, con người luôn phải chịu áp lực trong công việc, học tập,
sinh hoạt hàng ngày và có ít thời gian lo cho sức khỏe nên dễ dẫn đến các căn bệnh
về thần kinh, đặc biệt là stress. Do đó, việc tích hợp những ứng dụng giúp quản lý,
kiểm tra stress sẽ đem lại rất nhiều tiện ích cho người dùng. Xuất phát từ nhu cầu
trên, đồ án đã xây dựng ứng dụng đánh giá stress trên điện thoại Android. Nội dung

đồ án trình bày những kiến thức cơ bản về stress, đưa ra một hệ thống đánh giá
stress dựa vào kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) và cuối cùng là phát triển ứng
dụng mẫu thử trên Android.
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô
trong bộ môn Điện tử máy tính, Viện điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, đặc biệt là TS Võ Lê Cường đã nhiệt tình chỉ dẫn các bước, hướng nghiên
cứu, thực hiện cũng như yêu cầu cần có của đề tài. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng
cảm ơn chân thành đến các anh, chị thành viên trong lab AICS-618 cũng như bạn
bè và người thân đã hết lòng ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần cho tôi trong suốt
khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp.
Trong quá trình thực hiện đề tài, với những kết quả đạt được bước đầu, dù đã rất
cố gắng tuy nhiên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định. Vì
vậy, tôi rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô để đề tài được tối ưu
và hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT NỘI DUNG
Đồ án phát triển ứng dụng đo stress trên Android dựa trên cơ sở lý thuyết của kỹ
thuật Photoplethysmogram (PPG). Đầu tiên, đồ án giới thiệu về stress và phương
pháp đánh giá stress hiện có, trên cơ sở đó xác định phương pháp phù hợp với yêu
cầu phát triển. Phương pháp được xác định là dựa trên PPG. Tiếp theo, hệ thống
được thiết kế với các thuật toán xử lý và phân tích: lọc nhiễu, làm mịn, phát hiện
đỉnh, tính toán biến thiên nhịp tim (HRV) và biến đổi FFT, ước lượng PSD để đưa
ra các tham số cần thiết cho việc đánh giá stress như: HR, meanRR, LF/HF v.v. Tất
cả các thuật toán đã được thử nghiệm trên Matlab và sau đó thực hiện trên Android.

Sau cùng, ứng dụng được thực nghiệm và đánh giá. Đầu tiên là thử nghiệm đánh giá
stress trong các khoảng thời gian 0.5, 1 và 2 phút. Mặc dù còn có sai số tuy nhiên
trong thời gian 2 phút đưa ra các kết quả tốt hơn so với thời gian 1 phút và 0.5 phút.
Kết qủa đánh giá stress trên nhóm người từ 20 - 29 tuổi bao gồm sinh viên và người
làm văn phòng đạt độ chính xác 53.17% so với kết quả bảng trắc nghiệm tâm lý và
63.49% so với kết quả đánh giá bằng Stress check – Azumio. Sai số 10% trong kết
qủa đo. Ứng dụng đang được tiếp tục hoàn thiện và phát triển trong tương lai.

ABSTRACT
In the thesis I have built applications on Android stress measurement based on
the technical theory Photoplethysmogram (PPG). First, the thesis introduced stress
assessment methods available and determine the appropriate method for developing
requirements. The method is based on PPG's determination. Next, the system was
designed with the processing algorithms and analysis: noise filtering and
smoothing, peak detection, calculate heart rate variability (HRV) and transform FFT
to provide the parameters necessary for assessing stress as: HR, meanRR, LF / HF
etc. All algorithms were tested in Matlab and then executed on Android. Finally, the
experimental application and evaluation. Applications assess stress during 2
minutes. Although there is uncertainty, however, within 2 minutes still give better
results than time 1 minute and 0.5 minutes. Evaluation results on 126 students of
Hanoi University of Science and Technology, Android applications evaluated with
an uncertainty of about 10% was 53.17% (67/126 samples) compared to the results
table psychological test and 63.49% (80 / 126 samples) compared to the results
measured by Stress check - Azumio. The results compare quite accurate compared
to the stress level of the person being assessed. The assessment of stress levels by
age group were conducted to guide development in the future.
8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT

Thuật ngữ
viết tắt

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

1

PPG

Photoplethysmogram

2

HR

Heart Rate

Nhịp tim

3

HRV

Heart Rate Variability

Biến thiên nhịp tim

4

RR

Beat-to-Beat interval

Khoảng cách 2 nhịp tim
liên tiếp

5

ANS

Autonomic nervous system

Hệ thần kinh tự trị

6

STAI

State trait anxiety inventory

7

RGB

Red, Green and Blue

Hệ màu RGB

8

MAF

Moving Average Filter

Bộ lọc di chuyển trung
bình có trọng số

9

LMD

local Maxima Minnima Detection

nhận diện các đỉnh
trong khu vực

10

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỞ ĐẦU
Phân tích tín hiệu Photoplethysmogram (PPG) là một phương pháp được nghiên
cứu và sử dụng nhằm xác định thể tích máu trong động mạch chảy dưới da bằng
việc sử dụng ánh sáng [1]. Phân tích tín hiệu PPG đã và đang được ứng dụng rộng
rãi trong lĩnh vực đánh giá các chỉ số sức khỏe của cơ thể như nồng độ oxy trong
máu (SPO2), huyết áp, nhịp tim, mức độ stress [2] v.v. Đồ án xây dựng ứng dụng
đánh giá stress trên Android, dựa vào lý thuyết về PPG.
Trước khi đi vào chi tiết phương pháp đánh giá stress dựa trên tín hiệu PPG, hai

phương pháp đánh giá mức độ stress truyền thống được xem xét là trắc nghiệm tâm
lý và biện pháp sinh lý. Phương pháp trắc nghiệm tâm lý đánh giá stress dựa trên sự
pháp triển trong lĩnh vực tâm lý học. Để thực hiện, nhà tâm lý học đã phát triển hệ
thống câu hỏi bao gồm các triệu chứng tâm lý gây ra do tác động của stress. Trong
khi đó, biện pháp sinh lý giải thích về tình trạng stress dựa trên việc phân tích các
chỉ số sinh lý trong cơ thể như thể như huyết áp, vagal tone, tuyến nước bọt [2] v.v.
Hai phương pháp trên còn nhiều hạn chế về thời gian và chi phí. Vì vậy, vấn đề đặt
ra là xây dựng một ứng dụng có thể giúp người dùng đo, quản lý, đánh giá mức độ
stress của mình một cách đơn giản và không tốn kém. Người sử dụng có thể theo
dõi sức khỏe tinh thần hằng ngày và đến các chuyên gia tâm lý khi cần thiết. Việc
tích hợp ứng dụng đánh giá stress trên hệ điều hành Android giúp người dùng kiểm
tra stress một cách thuận tiện nhất.
Tiếp theo, đồ án trình bày tổng quan về phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu
PPG, các thuật toán được thử nghiệm trên Matlab và sau đó thực hiện trên Android.
Tiêu chí của đồ án là xây dựng ứng dụng đánh giá stress trên cơ sở phân tích và xử
lý PPG với các kỹ thuật: lọc nhiễu, làm mịn, phát hiện đỉnh, tính toán biến thiên
nhịp tim (HRV) và biến đổi FFT, ước lượng PSD để đưa ra các tham số cần thiết
cho việc đánh giá stress (HR, meanRR, LF/HF…).
Cấu trúc của đồ án bao gồm 5 chương:
Chương 1 – Đặt vấn đề và định hướng giải pháp: đưa ra hạn chế của việc
đánh giá stress bằng các phương pháp truyền thống và đưa ra giải pháp thuận tiện
hơn bằng việc xây dựng ứng dụng trên Android. Từ đó, xác định mục tiêu và định
hướng giải pháp. Đồng thời, giới hạn phạm vi nghiên cứu và các nhiệm vụ đề ra.
Chương 2 – Stress và phương pháp đánh giá: trình bày lý thuyết cơ bản về
stress và ảnh hưởng đến đời sống con người. Hai phương pháp đánh giá mức độ
stress truyền thống được xem xét là phương pháp sinh lý và trắc nghiệm tâm lý.
Tiếp theo, phương pháp đánh giá stress dựa trên PPG được trình bày làm cơ sở
phát triển ứng dụng Android.
Chương 1 – Thiết kế hệ thống đánh giá stress: hệ thống được thiết kế với
các thuật toán xử lý và phân tích: lọc nhiễu và làm mịn, phát hiện đỉnh, tính toán

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

biến thiên nhịp tim (HRV) và biến đổi FFT để đưa ra các tham số cần thiết cho việc
đánh giá stress như: HR, meanRR, LF/HF.
Chương 4 – Xây dựng ứng dụng Android: phân tích và thiết kế hệ thống
trên Android. Các yêu cầu của đề tài và các biểu đồ của hệ thống bao gồm: Biểu đồ
chức năng, biểu đồ người sử dụng và kết quả đạt được với Android.
Chương 5 – Thực nghiệm và đánh giá kết quả: đưa ra quy trình thực
nghiệm hệ thống và tiến hành đánh giá mức độ stress của các đối tượng khác nhau,
đồng thời cũng tiến hành đánh giá mức độ stress của những đối tượng đó bằng
phương pháp trắc nghiệm tâm lý và so sánh với các ứng dụng hiện có trên khách
thể khảo sát. Từ đó, đánh giá độ tin cậy kết quả đánh giá stress của phương pháp
sử dụng trong đồ án.
Kết luận chung: kết luận chung cho đồ án, tổng kết lại những kết quả đã đạt
được, những thiếu sót và định hướng phát triển trong tương lai.

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP
Nội dung được trình bày trong chương này là vấn đề đánh giá stress trong cuộc
sống và xác định giải pháp thuận tiện hơn cho người sử dụng bằng việc xây dựng
ứng dụng trên Android. Từ đó, đề ra mục tiêu và định hướng giải pháp, giới hạn
phạm vi nghiên cứu và giải quyết các nhiệm vụ đề ra.

Đặt vấn đề

1.1

Ngày nay, những tác động không tốt từ cuộc sống, xã hội và gia đình, đặc biệt
những rắc rối, chuyện không vui chưa có cách giải quyết, dẫn đến tình trạng bế tắc.
Con người dễ mắc nhiều căn bệnh nguy hiểm, đặc biệt là stress và các nguy cơ về
tim mạch [3]. Chính vì vậy, việc chăm sóc và kiểm tra sức khoẻ là việc làm cần
thiết cho tất cả mọi người.
Thông thường, người ta thường đến các cơ sở y tế để kiểm tra mức độ stress dựu
trên kết quả đánh giá về thần kinh và tim mạch [2]. Trong khi đó, phương pháp
phỏng vấn và trắc nghiệm tâm lý để xác định chính xác stress đòi hỏi phải có sự
tham gia của các bác sỹ và chuyên gia tâm lý. Do đó, ứng dụng đánh giá stress trên
các thiết bị di động nhỏ gọn, hoạt động đơn giản và không tốn kém sẽ đem lại nhiều
tiện ích cho người dùng.
Thời gian vừa qua, hàng loạt sản phẩm đồng hồ thông minh, vòng đeo tay theo
dõi sức khoẻ được ra đời với cảm biến nhịp tim, nhịp thở, nồng độ oxy [4]… được
tích hợp. Tuy nhiên, giá thành các thiết bị này khá cao so với người dùng phổ
thông. Nếu như có một ứng dụng được tích hợp sẵn ngay trên chiếc điện thoại
Android giúp người dùng theo dõi stress một cách tương đối thì sẽ rất tiện lợi. Vấn
đề đặt ra là xây dựng một ứng dụng trên điện thoại Android có thể giúp người dùng
đo và quản lý mức độ stress của mình mà không cần sử dụng đến một thiết bị đi
kèm.
1.2

Mục tiêu đồ án

14

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Mục tiêu của đồ án là xây dựng ứng dụng đánh giá mức độ stress trên điện thoại
Android có cài đặt hệ điều hành từ 4.0 trở lên. Bên cạnh đó, giao diện ứng dụng
cũng cần được thiết kế sao cho vừa đơn giản, dễ sử dụng và tiện lợi nhất.
Đề tài tập trung vào bốn mục chính:
1. Tìm hiểu về các phương pháp đánh giá stress: trắc nghiệm tâm lý, phỏng vấn
và sinh lý. Từ nhu cầu xây dựng ứng dụng đánh giá stress đơn giản, chính xác trên
điện thoại Android, phương pháp sử dụng kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) là
một phương pháp khả quan.
2. Áp dụng kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) vào xây dựng hệ thống đánh giá
stress: thu video từ điện thoại, các bước lọc nhiễu, làm mượt và xử lý tín hiệu trong
miền thời gian và tần số. Từ đó, hệ thống dựa trên các tham số cơ bản để đánh giá
về mức độ stress.
3. Triển khai, xây dựng ứng dụng trên Android với các yêu cầu:
Yêu cầu chức năng:
-

Xây dựng hoàn thiện đánh giá mức độ stress từ tín hiệu thu bằng

-

camera điện thoại trên Android.
Camera có tốc độ ghi hình là 15 hình trên giây, độ phân giải 320x240.

Yêu cầu phi chức năng:
Phần mềm hoạt động nhanh và ổn định.
Cách đo dễ dàng, giao diện thân thiện.
Kết quả đánh giá stress có độ tin cậy cao.
4. Kiểm thực và đánh giá kết quả: đánh giá mức độ stress trên các đối tượng khác

-

nhau, đồng thời cũng tiến hành đánh giá mức độ stress của những đối tượng đó
bằng phương pháp trắc nghiệm tâm lý, khảo sát trực tiếp và so sánh với các ứng
dụng hiện có trên khách thể khảo sát. Từ đó, tôi có được những đánh giá về độ tin
cậy của kết quả đánh giá stress từ ứng dụng.
1.3 Định hướng giải pháp
Kỹ thuật Photoplethysmogram (PPG) có thể phát hiện những thay đổi về thể tích
của máu trong mao mạch, bằng việc chiếu sáng da và đo lại những thay đổi trong
việc hấp thụ ánh sáng. Đây là phương pháp phổ biến trong việc đo lại các thay đổi

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

sinh lý như nhịp tim và độ bão hoà oxy. Hầu hết các điện thoại Android ngày nay
đều trang bị một camera với đèn flash đi kèm. Ta có thể lợi dụng đèn flash để chiếu
sáng da và dùng camera ghi lại sự thay đổi trong việc hấp thụ ánh sáng trên da.
Phương pháp đánh giá stress dựa trên PPG dựa trên hoạt động của hệ thần kinh
tự chủ. Theo nghiên cứu của Kil-sang Yoo và Lee Won-hyung, Chung-Ang
University, Hàn Quốc [5] stress đi kèm với những thay đổi trong trong hoạt động
của hệ thần kinh. Phương pháp được đề cập đến là phân tích HRV từ tín hiệu PPG
trong miền thời gian và tần số để đánh giá stress. Kỹ thuật PPG đã được xem xét tại
hội thảo quốc tế về điện tử 2011 IEEE 15 th là đáng tin cậy trong việc giám sát nồng
độ oxy trong máu, nhịp tim, huyết áp cũng như các thông tin về tim mạch và hô
hấp. Trong khi đó, các thuật toán được sử dụng để phân tích HRV dựa theo các
khuyến cáo của Hội Tim mạch châu Âu (ESC) và Hội điện sinh học Bắc Mỹ
(NASPE) [6]. Năm 2013 các nhà nghiên cứu Đài Loan đã đưa ra mô hình hệ thống
đánh giá stress dựa trên PPG và HRV [7]. Hệ thống đánh giá stress bao gồm phần

cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các cảm biến PPG gồm hai photodiode và
một bộ tách sóng quang, trong khi các thuật toán phát hiện đỉnh, tính khoảng cách
đỉnh, biến đổi Fourier (FFT) và phân tích HRV được thực hiện trên Labview
(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). Các nghiên cứu đã xem
xét mức độ stress trên cả miền thời gian và miền tần số. Kết quả thực nghiệm cho
thấy các chỉ số như: MRR (giá trị trung bình khoảng cách các đỉnh), MHR (giá trị
nhịp tim trung bình), LF/HF (tỷ số mật độ phổ cống suất trong miền tần số thấp và
miền tần số cao)… có tiềm năng cao để sử dụng để đánh giá stress. Tuy nhiên,
chúng ta vẫn cần phải có các nghiên cứu chuyên sâu để đánh giá độ tin cậy của kết
quả. Trên cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu, đồ án chỉ áp dụng công nghệ này trong
việc đánh giá mức độ stress của người sử dụng thông qua camera của điện thoại
Android.
1.4

Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đồ án bao gồm việc tìm hiểu kỹ thuật PPG, ứng dụng kỹ

thuật PPG vào việc đánh giá mức độ stress trên Android.

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nhiệm vụ đề ra

1.5

Sau khi phân tích đề tài, công việc cụ thể cần làm như sau:
•

Tìm hiểu về stress và các phương pháp đánh giá truyền thống, lý thuyết cơ

bản về kỹ thuật PPG và các kiến thức liên quan về Matlab và Android.
• Áp dụng kỹ thuật PPG vào xây dựng hệ thống đánh giá stress như: thu video
từ camera điện thoại, xử lý ảnh, lọc nhiễu và làm mượt, phân tích tín hiệu
trong miền thời gian và tần số.
• Xây dựng ứng dụng trên Android: xây dựng giao diện người dùng và các lớp
•

chức năng.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả từ ứng dụng: xác định các đối tượng, thời
gian, điều kiện, các phương pháp đánh giá. Từ đó, tính chính xác của kết quả

1.6

đo và khả năng áp dụng thực tế được đánh giá.
Kết luận
Chương này đã trình bày khái quát về stress với cuộc sống con người. Các

phương pháp đánh giá truyển thống còn nhiều hạn chế về thời gian, chi phí cũng
như trang thiết bị. Trong khi đó, PPG tỏ ra ưu thế hơn về mặt kỹ thuật và khả năng
áp dụng trên thiết bị di động. Vì vậy, đồ án sẽ áp dụng kỹ thuật PPG vào phát triển
ứng dụng trên Android. Phương pháp và công việc cụ thể được định hướng rõ ràng
tạo cơ sở cho quá trình phát triển ứng dụng.

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2 STRESS VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
Trước khi xây dựng hệ thống đánh giá stress, lý thuyết cơ bản về stress và ảnh
hưởng của nó với đời sống con người sẽ được xem xét. Tiếp theo, 2 phương pháp
đánh giá stress truyền thống được đề cập đến là phương pháp sinh lý và trắc nghiệm
tâm lý. Trên cơ sở đó, mọi người sẽ có được cái nhìn cơ bản về stress.
Tổng quan về stress

2.1

2.1.1 Khái niệm stress

Thuật ngữ “stress” bắt nguồn từ chữ La-Tinh “stringi” có nghĩa là “bị kéo căng
ra”. Ban đầu, thuật ngữ stress được sử dụng trong vật lý học, để chỉ sức nén mà một
loại vật liệu phải chịu đựng [8]. Trong tâm lý học, có nhiều định nghĩa khác nhau về
stress như:
•

Stress là một sự kiện môi trường: stress được dùng để chỉ một nguyên nhân,
một tác nhân công kích làm cho cơ thể khó chịu, gây ra trạng thái bất ổn cho

con người.
• Stress là một đáp ứng sinh lý: stress được dùng để chỉ hậu quả khi cơ thể
chịu ảnh hưởng của sự thay đổi sinh lý.
• Stress là một tiến trình nhận thức – hành vi: nhấn mạnh đến cơ chế và vai trò
tâm lý của stress.
Thực tế, stress là vấn đề gắn liền với các nền văn minh hiện đại, chi phối bởi sự
cạnh tranh và các mối nguy hại khác. Stress tương ứng với mối liên quan giữa con
người với môi trường xung quanh. Stress vừa chỉ tác nhân công kích, vừa chỉ phản
ứng của cơ thể trước tác nhân đó. Với những đánh giá trên, stress có thể được định

nghĩa như sau: stress là phản ứng của cơ thể trước bất cứ một yêu cầu, áp lực hay
một yếu tố tác động nào đó ảnh hưởng đến cuộc sống của con người cả về thể chất
lẫn tinh thần.
2.1.2 Biểu hiện stress

Những biểu hiện của stress rất đa dạng và có sự khác nhau với mỗi cá nhân. Dấu
hiệu nhận biết cơ bản bao gồm: biểu hiện về mặt cảm xúc và biểu hiện về mặt hành
vi.
18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Biểu hiện về mặt cảm xúc dễ dành nhận thấy như cảm thấy khó chịu, lo lắng
hoặc căng thẳng, buồn bã, chán nản thờ ơ, đánh mất giá trị bản thân… Biểu hiện về
mặt hành vi thể hiện qua sự nổi cáu bực bội hoặc nóng tính, sử dụng các chất kích
thích rượu hoặc thuốc lá, xáo trộn các sinh hoạt hằng ngày như ăn uống ngủ nghỉ,
bỏ qua các hành vi thông thường mất tập trung, trở nên vô lý trong các quyết định
của mình, hay quên hoặc trở nên vụng về, luôn vội vàng hấp tấp, đau đầu, …
2.1.3 Ảnh hưởng của stress với con người

Stress được chia thành stress tích cực và stress tiêu cực tùy theo ảnh hưởng đến
con người. Stress tích cực thúc đẩy sự hoạt động tăng cường của các dự trữ chức
năng cơ thể, giúp con người thích ứng với các tác nhân, hoàn cảnh và điều kiện
sống. Ngược lại, stress tiêu cực làm suy kiệt hệ thống dự trữ chức năng cơ thể, giảm
khả năng miễn dịch, giảm hứng thú hoạt động, kém thích ứng.
Vì stress là một phần của cuộc sống hằng ngày nên bạn luôn chịu một lượng áp
lực stress nhất định. Nhưng stress chỉ trở nên là vấn đề khi nó ở mức độ cao trong
thời gian dài hoặc khi bạn phải gặp rất nhiều vấn đề căng thẳng trong một thời gian
ngắn.

Khi các triệu trứng của stress tăng lên, cơ thể của bạn phải làm việc vất vả hơn để
đối phó với chúng. Năng lượng bị tiêu tốn để duy trì huyết áp bình thường, giảm lo
âu. Bên cạnh đó, những hoàn cảnh thực tế lại yêu cầu bạn phải tập trung sức lực và
tân trí để ứng phó. Nếu tình huống đó kéo dài, cơ thể bạn sẽ kiết sức nhanh chóng.
Chính vì vậy, bạn cần phải học cách thư giãn và ứng phó hợp lý để giữ cơ thể ở
trạng thái cân bằng. Có thể nói, stress là căn bệnh của thời đại mà xuất phát chủ yếu
của nó từ môi trường, từ điều kiện cách thức sinh hoạt tổ chức lao động, cuộc sống
con người.
Stress là một trong những nguyên nhân cơ bản gây ra các bệnh về nội tiết,
chuyển hóa của cơ thể. Đặc biệt nữa, stress có thể gây ra những trấn thương về tâm
lý. Thoạt đầu, stress làm rối loạn giấc ngủ, tiếp theo không làm chủ được tư duy, dễ
trầm cảm, rối loạn trí nhớ, hay cáu giận vô cớ và mắc nhiều sai lầm hơn, rồi khả
năng miễn dịch suy giảm. Khi hệ thống miễn dịch yếu đi, các tế bào không bình
19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

thường phát triển tự do, không có gì kiềm chế. Nhiều nhà khoa học cho rằng một số
thể ung thư phát triển trong quá trình này. Ngoài ra, stress còn gây ra sự mất cân
bằng trong cơ thể dẫn đến các căn bệnh như tim mạch, tiểu đường …
2.2

Các phương pháp đánh giá stress truyền thống
2.2.1 Trắc nghiệm tâm lý
2.2.1.1. Trắc nghiệm tâm lý là gì?

Trắc nghiệm là thuật ngữ được dịch từ chữ TEST trong tiếng Anh. Trắc nghiệm
tâm lý được hiểu là phép thử hoặc là phép đo các hiện tượng tâm lý ở người [9].
Theo định nghĩa của từ điển y khoa Mỹ thì trắc nghiệm tâm lý là một hành động

đánh giá tâm lý, được định nghĩa là “việc sử dụng các chỉ số để đánh giá quá trình
và các chức năng trí tuệ, nhận thức hoặc hành vi, khả năng hoặc chức năng của trí
tuệ hoặc là nhận định cảm xúc, hứng thú, tính cách, nhân cách…” [9]. Cũng có một
cách định nghĩa khác nữa về trắc nghiệm tâm lý là đo lường cấu trúc tâm lý gồm:
thứ nhất là cố gắng định hướng các nét nhân cách và hành vi, thứ hai là trình bày
những đặc điểm cá nhân của một người theo cấu trúc, thứ ba là sự khác biệt trong
điểm số cần thể hiện sự khác biệt trong cấu trúc tâm lý của mỗi cá nhân với nhau.
2.2.1.2

Đo lường stress dựa trên trắc nghiệm tâm lý

Các lĩnh vực tâm lý tập trung vào việc xác định các khái niệm trừu tượng như
ngôn ngữ, nhận thức, tính cách, cảm xúc. Stress cũng là một trong những khái niệm
tâm lý cũng có thể do lường được. Nhờ sự phát triển trong lĩnh vực tâm lý, các bảng
trắc nghiệm tâm lý được phát triển nhằm đánh giá mức độ stress. Bảng câu hỏi được
các nhà tâm lý học đưa ra dựa trên một loạt các triệu chứng tâm lý biểu hiển của cơ
thể khi có stress.
Có rất nhiều bảng trắc nghiệm tâm lý đã được phát triển để đánh giá các yếu tố
tâm lý liên quan đến stress như: thang đánh giá lo âu - trầm cảm - stress (DASS21,
DASS42), thang đánh giá lo âu Zung (SAS), thang đánh giá trầm cảm Beck (BDI),
thang đánh giá trầm cảm Hamilton (HAMD)…

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.1.3 Một số yêu cầu cơ bản

Điều đầu tiên để sử dụng được bảng trắc tâm lý thì người trắc nghiệm nhất thiết
phải được sự huấn luyện về kỹ thuật và hiểu được những điểm cơ bản trong lý

thuyết tâm lý học. Một điều kiện không thể thiếu được trong việc trắc nghiệm tâm
lý nữa đó là các trắc nghiệm phải có tính phù hợp. Ta không thể dùng bảng trắc
nghiệm ở đối tượng này cho đối tượng khác mà cần phải có sửa đổi cho phù hợp.
Ngoài ra để trắc nghiệm đem đến những nhận định khách quan và có độ tin cậy
cao thì sự trung thực, thẳng thắn, thành thật với chính mình ở những người được
trắc nghiệm là hết sức quan trọng. Để làm được điều này nên tránh việc lặp đi lặp
lại trắc nghiệm quá nhiều lần trên một đối tượng, để tránh xảy ra hiện tượng trùng
lặp kết quả.
2.2.2 Phương pháp sinh lý

Các nhà khoa học coi stress là bản năng tự vệ và ứng phó diễn ra bên trong cơ thể
trước những sức ép nội tâm và bên ngoài. Stress tác động đến hoạt động của hệ thần
kinh (vùng dưới đồi), hệ nội tiết (tuyến yên và tuyến thượng thận), hệ tim mạch và
các phản ứng tiết hóc-môn (cortisol, adrenalin). Chính vì vậy, stress có thể được
đánh giá qua việc phân tích các yếu tố sinh lý như huyết áp, vagal tone, tuyến nước
bọt [2]…
Các phương pháp cơ bản thường được áp dụng gồm có:
-

Huyết áp

Huyết áp là thước đo áp lực của máu lên các thành mạch. Kết quả đo huyết áp thể
hiện bởi 2 con số, ví dụ 120/80 mmHg. Số đầu tiên 120 đại diện cho huyết áp tâm
thu khi đẩy máu ra khỏi động mạch, 80 đại diện cho huyết áp tâm trương khi tim
đang nghỉ ngơi. Stress ảnh hưởng đến hoạt động của tuyến yên giải phóng hóc-môn
cortisol và adrenalin làm tăng huyết áp. Bằng việc theo dõi sự thay đổi của huyết áp
có thể đưa ra đánh giá cơ bản về mức độ stress.

21

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

Vagal tone

Vagal tone đại diện cho sự tác động của hệ thần kinh đối giao cảm trong việc
điều hòa nhịp tim. Để đánh giá stress dựa trên vagal tone đòi hỏi phải sử dụng nhiều
các thiết bị điện tử tiên tiến với chi phí cao.
-

Anpha-amylase

Anpha-amylase trong nước bọt (SAA) đã được mô tả là một chỉ số tiềm năng
trong việc đánh giá stress. Mức độ SAA tăng khi có ở trạng thái stress với các kích
thích của hệ thần kinh phó giao cảm. SAA là một dấu hiệu sinh học đánh giá hoạt
động của hệ thần kinh giao cảm.
-

Costisol

Khi đáp ứng với stress, nồng độ hóc-môn costisol tăng lên là xuất hiện nguy cơ
cao huyết áp, béo phì và tiểu đường. Costisol đo được trong máu và nước tiểu. Tuy
nhiên, costisol có thể xác định được trong nước bọt với yêu cầu kỹ thuật không quá
phức tạp. Vì vậy, xét nghiệm costisol trong nước bọt trở nên phổ biến trong nghiên
cứu về stress.
Năm 2010, Tiến sỹ Gideon Koren và tiến sỹ Stan Van Uum thuộc Đại học
Western, Ontario, Canada đã phát triển một phương pháp khác, sử dụng mẫu tóc để
xác định stress và nguy cơ đau tim dựa trên nồng độ hoóc-môn cortisol [10]. Nghiên
cứu cho thấy mẫu tóc của nhóm bệnh nhân trong tình trạng stress tiết ra lượng

costisol cao hơn so với nhóm mắc các bệnh khác. Tiến sĩ Koren cho biết: “Bằng
trực giác, chúng ta hiểu stress không tốt cho sức khỏe nhưng nó không dễ dàng để
xác định bằng các phương pháp khoa học. Chúng tôi biết rằng trung bình tóc phát
triển với tốc độ 1cm/tháng và vì thế nếu chúng ta lấy mẫu tóc dài 6cm, chúng ta có
thể đánh giá mức độ stress thông qua hàm lượng cortisol của bệnh nhân trong sáu
tháng” [10].

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.3

Đánh giá stress dựa trên tín hiệu PPG
2.3.1 Tổng quan về PPG (Photoplethysmogram)
2.3.1.1 Khái niệm

Theo định nghĩa của trang NCBI (National Center for Biotechnology
Information), Photoplethysmogram (PPG) là một kỹ thuật quang học đơn giản và
chi phí thấp dùng để phát hiện sự thay đổi của máu trong mao mạch. Nó thường
được dùng để thực hiện các phép đo trên bề mặt da [1].
PPG là một kỹ thuật quang không xâm lấn, không tốn kém và đơn giản, mà có
thể được sử dụng để phát hiện các thay đổi thể tích máu trong mạch máu. Hai yêu
cầu cơ bản của PPG là: một nguồn sáng để soi sáng các mô ở da và một máy dò ảnh
để đo lường sự thay đổi trong cường độ ánh sáng gắn với sự thay đổi của máu. PPG
thường hoạt động ở bước sóng đỏ hoặc vùng hồng ngoại gần. Các xung PPG có sự
tương đồng với nhịp đập của tim. Về cơ bản, PPG xác định dòng máu chảy dưới da
bằng việc sử dụng ánh sáng hồng ngoại. Tuy nhiên ta cũng có thể dùng ánh sáng
với cường độ lớn để thay thế. Nó có thể xác định được nồng độ máu, huyết áp, nhịp

tim và đánh giá các chức năng tự trị. Đây là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để sàng lọc
và chẩn đoán ban đầu các dấu hiệu của một số loại bệnh lý. Mặc dù đơn giản, tuy
nhiên các thành phần của PPG vẫn đang được nghiên cứu.
2.3.1.2 Dạng tín hiệu PPG

Tín hiệu PPG gồm 2 thành phần AC và DC. Các thành phần nhịp của tín hiệu
PPG thường được gọi là thành phần AC và thường có tần số cơ bản khoảng 1Hz tùy
thuộc vào nhịp tim. Thành phần AC được chồng lên thành phần DC – liên quan tới
các mô và lưu lượng máu trung bình. Thành phần DC này thay đổi từ từ do hô hấp,
hoạt động vận mạch, co mạch và một số yếu tố khác. Sự tương quan của ánh sáng
thu được từ tín hiệu PPG bao gồm các quá trình tán xạ, hấp thụ, phản xạ ánh sáng.
Những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lượng ánh sáng thu nhận được từ bộ tách
sóng quang là lưu lượng máu và áp lực thành mạch.

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.1 Dạng tín hiệu PPG
2.3.1.3 Kỹ thuật thu PPG

Ban đầu, Các cảm biến PPG chủ yếu sử dụng công nghệ bán dẫn chi phí thấp với
LED và thiết bị tách sóng quang làm việc trong vùng bước sóng đỏ và vùng hồng
ngoại gần. Ưu điểm chính của việc sử dụng LED là nhỏ gọn và thời gian hoạt động
lên đến 105 giờ. Tuy nhiên cần phải điều chỉnh cường độ sáng của LED thích hợp
để giảm nhiệt độ và các mối nguy hiểm do bức xạ. Sự lựa chọn bộ tách sóng quang
phụ thuộc nhiều vào nguồn sáng.

Hình 2.2 Thu tín hiệu PPG sử dụng LED và PD (Photodetector)

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ, một hướng phát triển mới là thu PPG
bằng camera trên điện thoại thông minh.

Hình 2.3 Thu tín hiệu PPG từ camera điện thoại
24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.3.2

Quan hệ giữa stress và PPG
2.3.2.1 Sự biến thiên nhịp tim

Ở người, nhịp tim thay đổi từ 50 nhịp/ phút khi nghỉ ngơi đến 200 nhịp/ phút khi
gắng sức tối đa, tương đương với khoảng thời gian giữa 300 ms và 1200 ms. Để xác
định biến thiên nhịp tim, tín hiệu tương tự (analog) sẽ được ghi lại bằng cách sử
dụng các điện cực đặt ở ngực.
Sự biến thiên nhịp tim hay gọi tắt là HRV (Heart Rate Variability), là một yếu tố
kiểm tra sức khỏe quan trọng. HRV liên quan đến một loạt nguy cơ như căng thẳng,
trầm cảm, tiểu đường, tim mạch, rối loạn giấc ngủ và mỡ bụng [11]. Đối với một số
người, HRV hoạt động như chất xúc tác vì là nguyên nhân của nhiều vấn đề.
Được đo bằng phần nghìn giây, HRV gần như không thể phát hiện bằng phương
pháp thông thường. HRV càng đa dạng càng tốt, vì một trái tim không thể thay đổi
tốc độ nhanh chóng không phải là trái tim khỏe mạnh. Phân tích HRV là một bước
quan trọng trong đánh giá mức độ stress bằng tín hiệu PPG.
2.3.2.2 Mối quan hệ biến thiên nhịp tim và stress

Trong sinh lý bình thường, nhịp tim dao động có chu kỳ – khoảng thời gian giữa
các nhịp thì thay đổi do các cơ chế điều hoà tim mạch. Các yếu tố ảnh hưởng đến
nhịp tim là hoạt động của hệ thần kinh giao cảm và phó giao cảm, cả hai có tác

động đối lập qua lại với nhau. Hệ thần kinh giao cảm phân bố ở tất cả các cấu trúc
tim và tác động thông qua thụ thể giao cảm, từ đó làm tăng tính kích thích, dẫn
truyền, co bóp và tính tự động của tim. Hệ thần kinh đối giao cảm phân bố ở nút
xoang, nút nhĩ thất, tâm nhĩ. Khi kích thích, nó có tác dụng ngược lại so với tác
dụng của hệ giao cảm. Mặt khác nó đóng vai trò quan trọng trong điều hoà chức
năng tim mạch.

25