Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone

Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

1


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Đặng Quang Tuyến
Đề tài luận văn: Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim
sử dụng smartphone camera
Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính và truyền thông
Mã số SV: CB130052
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
25/4/2015 với các nội dung sau:
1. Cần viết rõ hơn về kiến thức khoa học liên quan
2. Biểu đồ cần đơn vị cho các tham số
3. Nêu các kỹ thuật thực hiện chương trình
Ngày 19 tháng 5 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

2

Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... 5
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 6
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... 8
SỐ LIỆU ............................................................................................................................... 8
DANH MỤC BIỂU ĐỒ SO SÁNH ĐO TRÊN 2 THIẾT BỊ ............................................... 9
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 10
1.

Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 10

2.

Mục tiêu đề tài ............................................................................................................. 10

3.

Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 10

4.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 10

5.

Kết quả ........................................................................................................................ 11

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 11

7.

Bố cục luận văn ........................................................................................................... 12

CHƯƠNG 1.

NHỊP TIM VÀ CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA HỒNG CẦU 13

1.1 Khái niệm về nhịp tim ................................................................................................. 13
1.2 Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng ....................................................... 13
1.3 Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu .......................................................................... 16
1.3.1

Sự cần thiết và sự vận chuyển của Oxy trong máu ........................................ 16

1.3.2

Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu ............................................................ 17

1.4 Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu ............................................................ 17
1.5 Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu ................................................ 18
1.6 Nguyên lý Pulse Oximetry .......................................................................................... 21
1.6.1

Khái niệm ....................................................................................................... 21

1.6.2

Lịch sử phát minh .......................................................................................... 21

1.6.3

Nguyên lý của Pulse Oximetry ...................................................................... 24

1.6.4

Tính nồng độ bão hòa của Oxi trong máu ..................................................... 26

3


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

CHƯƠNG 2.

XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ĐO NHỊP TIM TRÊN SMARTPHONE .. 28

2.1 Phương pháp thu ảnh ................................................................................................... 28
2.1.1

Cơ sở của phương pháp ................................................................................. 28

2.1.2

Vị trí đặt ngón tay .......................................................................................... 28

2.1.3

Hình ảnh camera thu được ............................................................................. 28

2.2 Phương pháp xử lý ảnh................................................................................................ 30
2.2.1

Lựa chọn khung hình để xử lý ....................................................................... 30

2.2.2

Xử lý điểm ảnh .............................................................................................. 30

2.2.3

Biểu đồ biên độ màu đỏ được sau khi đã xử lý ảnh. ...................................... 30

32
2.3 Xây dựng phần mềm ................................................................................................... 33
2.3.1

Yêu cầu về phần cứng .................................................................................... 33

2.3.2

Chức năng phần mềm .................................................................................... 33

CHƯƠNG 3.

THỬ NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 36

4.1 Thử nghiệm trên người bệnh ....................................................................................... 36
4.2 Thử nghiệm trên người có sức khỏe tốt. ..................................................................... 38
4.3 Thử nghiệm trên người sau khi vận động. .................................................................. 54
CHƯƠNG 4.

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 69

4


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em muốn gửi lời biết ơn chân thành tới TS. Lã Thế Vinh, người trực
tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện cho em về thời gian, những sự giúp đỡ tận tình về
kiến thức, sự chỉ dẫn, định hướng và tài liệu tham khảo quý báu.
Tiếp theo, em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin và Truyền
thông – Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong
suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã chia sẻ, giúp đỡ tôi trong học tập và thời
gian thực hiện nghiên cứu đề tài này.
Trong báo cáo này chắc chắn không tránh khỏi những chỗ thiếu sót, em mong
nhận được những lời góp ý, chỉ bảo từ các thầy cô để có thể hoàn thiện đề tài của
mình tốt hơn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2015
Người thực hiện

Đặng Quang Tuyến

5


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn Thạc sĩ “Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán do nhịp tim sử dụng
smartphone camera”là công trình của cá nhân tôi. Các nội dung nghiên cứu và kết quả

trình bày trong luận văn là trung thực rõ ràng. Các tài liệu tham khảo, nội dung trích
dẫn đã ghi rõ nguồn gốc.

Ngày 10 tháng 3 năm 2015
Tác giả luận văn

Đặng Quang Tuyến

6


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nhịp tim là thông số quan trọng trong việc của cơ thể trong việc khám và điều trị
bệnh.
Nhịp tim có thể được đo dựa trên cơ sở khoa học :

-

Hồng cầu trong máu hấp thu ánh sáng ở các bước sóng nhất định

-

Mỗi nhịp tim đẩy máu tới đầu ngón tay làm thay đổi lượng hồng cầu ở đầu

ngón tay.
-

Lượng hồng cầu thay đổi dẫn tới cường độ ảnh chụp sử dụng camera thay

đổi.
-

Dựa trên sự thay đổi đó có thể phát hiện được chu kỳ nhịp tim từ đó xác định

được chu kỳ nhịp tim trên 1 phút.
Hiện nay, điện thoại di động thông minh được sử dụng rất rộng rãi trong cuộc
sống. Việc sử dụng camera và đèn flash của điện thoại có thể được ứng dụng để đo
nhịp tim một cách chính xác.
Nội dung của luận văn cần giải quyết những vấn đề sau:


Tìm hiểu cơ chế hấp thu ánh sáng của hồng cầu



Tìm hiểu phương pháp thu ảnh.



Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh để làm rõ sự thay đổi biên độ gây ra bởi sự

tuần hoàn của máu để phát triển ứng dụng trên smartphone.

7


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay .......................................... 14
Hình 1-2. Sự truyền ánh sáng qua động mạch ......................................................... 14
Hình 1-3. Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến ........................................................... 16
Hình 1-4. Quang phổ hấp thụ của HbO2 và Hb ...................................................... 18
Hình 1-5. Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch ....................... 20
Hình 1-6. Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến ........................................................... 24
Hình 1-7. Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch ..................... 24
Hình 1-8. Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay. .............................. 25
Hình 2-1. Vị trí đặt ngón tay .................................................................................... 28
Hình 2-2. Hình ảnh thu từ Camera ........................................................................... 29
Hình 2-3. Khung hình xử lý ảnh .............................................................................. 30
Hình 2-4. Biểu đồ biên độ màu đỏ sau khi xử lý ảnh .............................................. 31
Hình 2-5. Sơ đồ khối thuật toán tính nhịp tim ......................................................... 32
Hình 2-6. Ảnh khi đang đo nhịp tim ........................................................................ 34
Hình 2-7. Mục cài đặt............................................................................................... 34
Hình 2-8. Thành công lực ........................................................................................ 35
Hình 4-1. Hình ảnh khi được tích hợp trên ứng dụng khác ..................................... 67

SỐ LIỆU
Số liệu 1. Số liệu đo trên người bệnh ....................................................................... 64
Số liệu 2. Số liệu trên người khỏe ............................................................................ 65
Số liệu 3. Số liệu sau khi vận động .......................................................................... 66

8


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

DANH MỤC BIỂU ĐỒ SO SÁNH ĐO TRÊN 2 THIẾT BỊ
Biểu đồ 1. So sánh kết quả đo ở người bệnh ............................................................ 38
Biểu đồ 2. Phạm Hùng Cường - 23 Tuổi ................................................................. 40
Biểu đồ 3. Nguyễn Văn Đức - 23 Tuổi .................................................................... 41
Biểu đồ 4. Đặng Quang Tuyến - 27 Tuổi ................................................................. 42
Biểu đồ 5. Trần Đình Tú - 23 Tuổi .......................................................................... 43
Biểu đồ 6. Nguyễn Văn Hiên - 25 Tuổi ................................................................... 44
Biểu đồ 7. Phạm Duy Hưng – 24 Tuổi .................................................................... 45
Biểu đồ 8. Nguyễn Phi Hiệp - 23 Tuổi .................................................................... 46
Biểu đồ 9. Nguyễn Thị Thanh – 25 Tuổi ................................................................. 47
Biểu đồ 10. Nguyễn Hồng Vân 24 Tuổi .................................................................. 48
Biểu đồ 11. Nguyễn Tuấn Thành - 23 Tuổi ............................................................. 49
Biểu đồ 12. Uông Đức Quân - 25 Tuổi .................................................................... 50
Biểu đồ 13. Nguyễn Bá Quý – 25 Tuổi.................................................................... 51
Biểu đồ 14. Nguyễn Thị Mai – 24 Tuổi ................................................................... 52
Biểu đồ 15. Dương Ngọc Điệp - 24 Tuổi ................................................................. 53
Biểu đồ 16. Đinh Văn Tiệp -23 tuổi......................................................................... 55
Biểu đồ 17. Nguyễn Đình Công -23 tuổi ................................................................. 57
Biểu đồ 18. Nguyễn Trường Giang – 23 tuổi .......................................................... 59

Biểu đồ 19. Đặng Quang Tuyến - 27 tuổi ................................................................ 61
Biểu đồ 20. Nguyễn Ngọc Trung - 23 tuổi .............................................................. 63

9


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Hiện nay, nhu cầu theo dõi sức khỏe rất phổ biến, các gia đình hầu như đều trang

bị những thiết bị theo dõi sức khỏe. Các nhà sản xuất cũng sản xuất rất nhiều thiết bị
phục vụ việc theo dõi sức khỏe như vòng đeo tay, đồng hồ thông minh,… Các thiết
bị này hầu như đều tập trung vào việc đo nhịp tim, đếm bước đi. Việc sở hữu một
chiếc smartphone có camera kèm đen flash là rất phổ biến. Do vậy nghiên cứu ứng
dụng sử dụng camera để đo nhịp tim đã ra đời để giúp mọi người có thể đo và theo
dõi nhịp tim mọi lúc mọi nơi.
2.

Mục tiêu đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu về nhịp tim và cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu

từ đó xây dựng phần mềm trên smartphone để đo nhịp tim.
Để đạt được mục tiêu trên đề tài tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:
a. Tìm hiểu về nhịp tim và cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu.
b. Tìm hiểu và xây dựng ứng dụng đo nhịp tim trên smartphone
c. Thử nghiệm thực tế sản phẩm và đưa ra kết quả đánh giá.

3.

Phạm vi nghiên cứu

a. Tìm hiểu cơ chế hấp thu ánh sáng của hồng cầu
b. Tìm hiểu phương pháp thu ảnh.
c. Tìm hiểu phương pháp xử lý ảnh để làm rõ sự thay đổi biên độ gây ra bởi sự tuần
hoàn của máu để phát triển ứng dụng trên smartphone.
4.

Phương pháp nghiên cứu

a. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
-

Tìm hiểu về khái niệm nhịp tim.

-

Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng

-

Tìm hiểu về nồng độ bão hòa của Oxy trong máu

-

Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu.

-

Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu.
10


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

-

Nguyên lý Pulse Oximetry

-

Tìm hiểu và xây dựng ứng dụng đo nhịp tim trên smartphone.

b. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Sau khi xây dựng xong phần mềm, phần mềm sẽ được kiểm nghiệm trên người
có tiền sử bệnh tim (hoặc người có bệnh khác) và người khỏe mạnh.

5.

Kết quả
Sau những kiểm nghiệm thực tế kết quả cho thấy phần mềm đo nhịp tim cho kết

quả khá chính xác so với máy đo nhịp tim chuyên dụng.
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Với phần mềm này người sử dụng smartphone có thể kiểm tra và đo nhịp tim ở

mọi lúc mọi nơi và không cần phải sử dụng thêm các thiết bị hỗ trợ bên ngoài khác.

11


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

7.

Bố cục luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương
Chương 1 : Nhịp tim và cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu.
Chương này tập chung vào khái niệm cơ bản về nhịp tim,nồng độ bão hòa của

oxy trong máu, cơ chế hấp thụ ánh sáng của hồng cầu và nguyên lý Pulse Oximetry.
Chương 2: Xây dựng ứng dụng đo nhịp tim trên smartphone.
Các vấn đề để xây dựng ứng dụng đo nhịp tim như phương pháp thu ảnh, phương
pháp xử lý ảnh được giải quyết trong chương này.
Chương 3: Thử nghiệm thực tế và đánh giá.
Chương 3 trình bày về những thử nghiệm phần mềm trên người bệnh, người khỏe
mạnh và người sau khi vận động có biểu đồ so sánh và số liệu khi thực nghiệm trên
máy chuyên dụng và phần mềm.Sau đó đưa ra nhận xét khách quan về ứng dụng.
Chương 4: Kết quả và hướng phát triển.
Những kết quả mà ứng dụng đã đạt được và hướng phát triển ứng dụng được
trình bày trong chương này.

12


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

CHƯƠNG 1.
1.1

NHỊP TIM VÀ CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA
HỒNG CẦU

Khái niệm về nhịp tim
Chức năng của tim là đưa máu có chứa oxy và chất dinh dưỡng đến tất cả các tế

bào của cơ thể. Để đảm bảo được khả năng này, tim có 2 loại tế bào căn bản: chiếm
đa số là các tế bào có khả năng co bóp khi có kích thích của xung điện (cơ vân) và ít
hơn là các tế bào có khả năng tự phát ra xung điện, dẫn truyền xung điện. Các tế bào
này có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của cơ vân [2].Ở người bình thường, xung
điện được phát ra từ nút xoang và di chuyển theo hệ thống dẫn truyền đi đến toàn bộ
tế bào cơ vân của tim.Nếu chúng ta ví mỗi tế bào cơ vân như mỗi căn nhà, thì hệ
thống dẫn truyền như hệ thống đường giao thông. Hoạt động đều đặn và nhịp nhàng
của hệ thống này tạo ra nhịp tim đều khoảng 60-100/p.
Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim
Như chúng ta biết, trên một người bình thường hoạt động tạo ra xung điện phát
xuất từ nút xoang (nằm ở nhĩ phải), sau đó xung điện di chuyển qua hệ thống dẫn
truyền đến các tế bào cơ vân của tim, kích thích các tế bào này co bóp. Như vậy chúng
ta sẽ hỏi: có phải nhịp tim hoàn toàn do tim tự điều khiển?
Điều này cũng đúng nhưng chỉ đúng một nửa. Nhịp tim còn chịu ảnh hưởng rất
lớn của các yếu tố bên ngoài tim. Các yếu tố bên ngoài tim điều hòa nhịp tim giúp
tim hoạt động phù hợp với hoạt động của cơ thể. Khi tế bào cần nhiều máu hơn (tập
thể thao, sốt, căng thẳng...) nhịp tim nhanh hơn. Khi cơ thể nghỉ ngơi (ngủ) nhịp tim
sẽ chậm lại [2].
1.2

Đo nhịp tim bằng phương pháp hấp thụ ánh sáng
Có một phương pháp có thể nhận được tín hiệu đồng bộ với xung của nhịp tim

mà không làm ảnh hưởng tới sự lưu thông của máu tại nơi cảm biến đó là dùng cảm
biến quang học [2]. Phương pháp cảm biến này như sau:
Như đã trình bày ở trên khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim giãn
ra dồn máu vào trong nó, lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi
tim co lại áp suất trong động mạch tăng lên. Chính sự thăng giảm áp suất máu này sẽ
làm thay đổi mức độ hấp thụ ánh sáng của động mạch, do đó khi một tia sáng được
13


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến
thiên đồng bộ với nhịp tim.
Khi tim giãn ra, áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền
qua động mạch có cường độ lớn, ngược lại khi tim co vào, áp suất máu lớn, ánh sáng
sau khi truyền qua được động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.

Ip

Th
Thời gian

Hình 1-1. Sự hấp thụ ánh sáng khi truyền qua ngón tay

Iin

Động mạch

Iout
Photodiode

Hình 1-2. Sự truyền ánh sáng qua
động mạch
14


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Bố trí một Photodiode để nhận ánh sáng sau khi truyền qua động mạch thì ta có
thể nhận được tín hiệu điện biến thiên đồng bộ với nhịp đập của tim.
Với cách giải thích như trên, để tăng độ chính xác của tín hiệu thì nguồn sáng phải
phát ra ánh sáng với cường độ không đổi theo thời gian.
Vị trí đặt cảm biến
Sau khi đã có ý tưởng về cảm biến quang học như trên thì có hai câu hỏi được đặt
ra là:
 Phải đặt nguồn sáng và Photodiode ở đâu để có thể thu được kết quả tốt nhất?
 Vì động mạch bên trong cơ thể nên ánh sáng không chỉ truyền qua động mạch
mà còn truyền qua nhiều thành phần khác của cơ thể, vậy có ảnh hưởng xấu gì đến
tín hiệu nhận được ?
Về nguyên tắc có thể đặt nguồn sáng và Photodiode ở bất cứ nơi nào trên cơ thể
mà có chứa động mạch. Nhiễu của ánh sáng môi trường vào Photodiode có thể coi là
không đổi nên phép đo sẽ càng tin cậy nếu như tín hiệu ánh sáng Photodiode nhận
được là lớn nhất [3].
Nếu đặt cảm biến ở khuỷu tay hay cổ tay thì sẽ có lợi là áp suất máu trong động
mạch biến động rất lớn, nhưng do ánh sáng phải truyền qua một bề dày lớn của cơ
thể nên bị hấp thụ quá nhiều bởi mô và xương, mà độ nhạy của Photodiode có giới
hạn do đó để thu được kết quả mong muốn, cường độ nguồn sáng phải khá lớn, như

vậy sẽ hao phí năng lượng và rất khó ổn định được cường độ nguồn sáng.
Nếu đặt cảm biến ở vành tai - một nơi mà ánh sáng chỉ cần đi qua một bề dày rất
nhỏ của cơ thể, sẽ có lợi là cường độ ánh sáng Photodiode nhận được khá lớn nhưng
do động mạch ở đây quá bé, mức độ biến thiên cường độ ánh sáng nhận được là quá
nhỏ so với toàn bộ ánh sáng nhận được, nên tín hiệu điện nhận được không đủ độ tin
cậy.

15


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

LED

Photodiode

Hình 1-3. Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến
Vị trí đặt nguồn sáng và Photodide hợp lý nhất: đó là đầu các ngón tay. Tuy động
mạch ở đây không lớn nhưng quãng đường ánh sáng phải truyền qua lại không nhiều
nên chỉ cần dùng một LED để làm nguồn sáng, kết quả mức độ biến thiên cường độ
sáng nhận được là khá lớn so với toàn bộ ánh sáng nhận được, tỷ số giữa biên độ tín
hiệu với nền một chiều đủ lớn để phần xử lý tín hiệu hoạt động đưa ra kết quả được
chính xác nhất.
Khi ánh sáng truyền qua đầu ngón tay, nó chỉ bị hấp một phần nhỏ bởi động mạch,
còn phần lớn bị hấp thụ bởi mô và xương nhưng một điều may mắn là hệ số hấp thụ
của mô và xương đối với ánh sáng là hầu như không đổi theo thời gian, nên cường
độ ánh sáng Photodiode nhận được sẽ biến thiên theo nhịp tim trên nền một chiều, tín
hiệu này được chỉ ra như hình 3, do đó hoàn toàn có thể tin tưởng tính đồng bộ của
tín hiệu nhận được với nhịp tim.
1.3

Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu

1.3.1 Sự cần thiết và sự vận chuyển của Oxy trong máu
Oxy trong máu là một nguyên tố rất cần cho sự sống. Đối với cơ thể người Oxy
cần cho quá trình hô hấp, cần cho các quá trình Oxy hóa xảy ra bên trong cơ thể. Một
chức năng quan trọng của Máu đối với cơ thể là chức năng vận chuyển:
Máu là con đường vận chuyển của các chất dinh dưỡng sau quá trình tiêu hóa ở
nhung mao ruột, của khí O2 từ phổi đến các mô, khí CO2 từ các mô đến phổi…
16


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Sự vận chuyển khí O2 của máu
Khí O2 được vận chuyển theo máu thông qua hai dạng hòa tan và kết hợp với
haemoglobin ( haemoglobin là một Protein được kết lại trong hồng cầu )[5].
Dạng hòa tan : Khả năng hòa tan của Oxy trong máu rất nhỏ so với lượng Oxy
vận chuyển ở dạng kết hợp cung cấp cho mô.
Dạng kết hợp : Oxy được vận chuyển trong máu ở dạng kết hợp là kết quả của
một loạt phản ứng thuận nghịch xảy ra giữa Oxy và haemoglobin (Hb) để tạo thành
Oxyhaemoglobin (HbO2). Sự kết hợp giữa O2 và Hb tỉ lệ thuận với phân áp của O2
trong máu. Khi phân áp Oxy tăng dần từ 0 – 100mmHg, tỷ lệ % hòa tan HbO2 cũng
tăng dần tới 97%. Ngược lại, khi phân áp Oxy giảm từ 100 – 0 mmHg thì tỷ lệ % bão
hòa của HbO2 cũng giảm dần theo thứ tự đó.
Từ những khái niệm này người ta có thể đưa ra vài phương pháp đo nồng độ bão
hòa của Oxy trong máu.
1.3.2 Nồng độ bão hòa của Oxy trong máu
Do khí O2 vận chuyển dưới dạng hòa tan rất nhỏ so với dạng kết hợp nên nồng độ
bão hòa của Oxy trong máu chủ yếu được xác định bởi tỷ lệ % hòa tan của HbO2. Khi

cơ thể hoạt động sẽ tiêu tốn năng lượng và cơ thể sẽ đòi hỏi thường xuyên được cung
cấp năng lượng qua sự Oxy hóa các chất dinh dưỡng, quá trình này xảy ra chủ yếu ở
mô tế bào. Nếu trong máu thiếu Oxy thì các phản ứng Oxy hóa sẽ chậm đi và không
đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cư thể, ngoài ra thiếu Oxy sẽ ảnh hưởng đến quá
trình trao đổi chất của cơ thể, cơ thể sẽ khó đào thải các chất độc ra ngoài… Do đó
đối với người bệnh và ngay cả đối với người bình thường thì việc xác định nhanh
chóng và chính xác thông số nồng độ bão hòa của Oxy trong máu là hết sức cần
thiết.[6]
1.4

Các phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu
Nói chung có nhiều phương pháp đo nồng độ Oxy trong máu, các phương pháp

phổ biến được nêu ra dưới đây [2]:
 Phương pháp dùng điện cực Oxy
17


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

 Phương pháp cộng hưởng điện tử từ tính
 Phương pháp -Phương pháp chụp tia pozitron
 Phương pháp Pulse Oximetry
Phương pháp “ Pulse Oximetry ” là phương pháp đo dựa vào xung nhịp tim,
phương pháp này có các ưu điểm sau:
 Biết kết quả ngay
 Chỉ cần một thao tác đo
 Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể
 Độ tin cậy cao
Do đó nội dung của bài luận văn sẽ đề cập đến phương pháp đo này.

1.5

Nguyên lý Oximetry về sự hấp thụ ánh sáng của máu
Vào năm 1860 người ta phát hiện ra rằng haemoglobin là chất mang màu sắc nó

có trong hồng cầu và ảnh hưởng đến màu sắc của máu, sự hấp thụ ánh sáng nhìn thấy
bởi haemoglobin sẽ thay đổi với hàm lượng Oxy trong nó[4].

Hình 1-4. Quang phổ hấp thụ của HbO2 và Hb
18


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Bởi vì hai dạng chủ yếu của haemoglobin có trong máu mà ảnh hưởng nhiều nhất
đối với ánh sáng là Oxyhaemoglobin (HbO2) và Reducedoxyhaemoglobin (Hb),
HbO2 và Hb có quang phổ hấp thụ khác nhau với các bước sóng ánh sáng khác nhau.
Về phương diện hoá học O2 kết hợp với Haemoglobin bên trong hồng cầu tạo nên
gần như tất cả Oxy trong máu ( chỉ có một phần rất nhỏ nằm trong các thành phần
khác của máu ). Mức độ bão hòa của Oxy trong máu thường được quy về SaO2 hoặc
SpO2 và được định nghĩa là tỷ số của oxyhaemoglobin và tổng số haemoglobin trong
máu (oxyhaemoglobin + Reducedoxyhaemoglobin ) :

𝑆𝑎𝑂2 =

[𝐻𝑏𝑂2 ]
[𝐻𝑏𝑂2 +𝐻𝑏]

(1)[3]

Nồng độ bão hòa của Oxy của máu trong động mạch là một thông số được đo với
Oximetry và thường được biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần trăm (%). Dưới điều kiện
sinh học bình thường máu trong động mạch có độ bão hòa khoảng 97%, trong khi đó
máu trong tĩnh mạch chỉ có độ bão hòa khoảng 75%. Nhìn Hình 1.4 ta có thể thấy
rằng với hai bước sóng: Một là tia đỏ bước sóng λ khoảng 660 nm, hai là tia hồng
ngoại bước sóng λ khoảng 940 nm thì hệ số hấp thụ của Hb và HbO2 đối với hai bước
sóng này sẽ khác nhau nhiều nhất. Hb hấp thụ nhiều tia đỏ và hấp thụ ít tia hồng
ngoại, ngược lại HbO2 hấp thụ ít tia đỏ và hấp thụ nhiều tia hồng ngoại. Do đó hệ số
hấp thụ của máu đối với hai bước sóng cũng sẽ sai khác nhau nhiều nhất và mức độ
sai khác phụ thuộc vào nồng độ bão hoà của Oxy trong máu. Như vậy khi chiếu hai
tia đỏ và hồng ngoại qua vùng cơ thể có chứa động mạch, dựa vào cường độ của các
tia nhận lại có thể xác định được nồng độ bão hoà của oxy trong máu (SaO2) [4].
Về mặt vật lý mô hình quá trình truyền sáng này như sau:

19


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Iin

I

Động mạch

L
Hình 1-5. Mô hình vật lý của quá trình truyền sáng qua động mạch
Có thể cho rằng ánh sáng truyền qua động mạch chỉ chịu sự ảnh hưởng của nồng
độ HbO2 và Hb trong máu. Theo định luật Beer – Lambert : Cường độ ánh sáng

truyền qua sẽ giảm tỷ lệ theo hàm mũ của 10 với bề dày L của động mạch
Trên hình 1 :

Động mạch có bề dày L

Tia tới có cường độ Iin
Sau khi truyền qua còn I
Với bước sóng λ1 :

[3]

Với bước sóng λ2 :
Trong đó :
C0 là độ tập trung của Oxyhaemoglobin ( HbO2 )
Cr là độ tập trung của Reducedhaemoglobin ( Hb )
αon là hệ số hấp thụ của HbO2 với bước sóng λn
αrn là hệ số hấp thụ của Hb với bước sóng λn
Nếu định nghĩa:

𝑅=

𝐼
𝑙𝑜𝑔10 (𝐼 1 )
𝑖𝑛1
𝐼
𝑙𝑜𝑔10 (𝐼 2 )
𝑖𝑛2

[3]

Thì ta có thể đơn giản đưa:

𝑆𝑎𝑂2 =

𝐶𝑜
𝐶𝑜+𝐶𝑟

=

α𝑟1 ∗𝑅−α𝑟1
(α𝑟2 −α𝑜2 )(α𝑟1 −α𝑜1 )

(3) [3]

20


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

1.6

Nguyên lý Pulse Oximetry

1.6.1 Khái niệm
Pulse oximetry là một phương pháp không xâm nhập để đo nhịp tim và độ bão
hòa oxy trong máu động mạch.
Phương pháp này có ưu điểm:
 Biết kết quả ngay
 Chỉ cần một thao tác đo
 Cách thức đo rất đơn giản và không hề xâm phạm vào cơ thể

 Độ tin cậy cao
1.6.2 Lịch sử phát minh
Nguyên lý Pulse Oximetry đã trải qua rất nhiều thời kỳ phát phát triển[4]:
Năm 1864, nhà vật lý và toán học người Ai-len George Gabriel Stokes đã phát
hiện ra chức năng hô hấp của haemoglobin.
Năm 1867, nhà vật lý người Đức Karl von Vierordt đã phát triển các kỹ thuật và
công cụ để theo dõi sự tuần hoàn của máu, sử dụng một nguồn sáng để phân biệt máu
bão hòa với máu không bão hòa.
Năm 1898, nhà sinh lý học người Anh Halden phát hiện nguyên lý hóa học cho
sự giải phóng oxy ra khỏi phức của oxy với haemoglobin. J. Barcoft sử dụng nguyên
lý này để kiểm tra thành phần khí máu.
Năm 1932, nhà sinh lý học người Đức L. Nicolai đã sử dụng phương pháp quang
học để ghi lại sự tiêu thụ oxy trong một bàn tay.
Năm 1935, thiết bị đầu tiên được phát triển bởi Carl Matthes để đo độ oxy bão
hòa trong máu không xâm lấn bằng cách cho ánh sáng màu chiếu xuyên qua cơ thể
với một đầu dò tai.

21


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Năm 1939, K. Matthews và F. Gross đã sử dụng phép đo ánh sáng trong việc kiểm
tra dái tai. Để tránh sự hấp thụ ánh sáng bởi các mô xung quanh, các nhà khoa học đã
sử dụng quang phổ kế hai bước sóng.
Trong thập kỷ 1940, nhà khoa học người Anh, Millikan đã sử dụng nguồn sáng 2
bước sóng để kiểm tra độ bão hòa oxy. Kỹ thuật này phát triển rất mạnh để phục vụ
cho mục đích quân sự trong chiến tranh thế giới lần thứ hai. Các phi công thường
phải đối mặt với tình trạng thiếu oxy trong khi bay, kỹ thuật này đã giúp theo dõi độ
oxy và cứu sống rất nhiều phi công. Millikan cũng là người đưa ra khái niệm

“oximeter”
Hệ thống này đã trải qua nhiều thay đổi trong những năm 1940 và năm 1950 và
cuối cùng được sản xuất bởi Công ty Waters. Hệ thống này được sử dụng chủ yếu
trong sinh lý học, hàng không, và nghiên cứu thực nghiệm.
Năm 1970, phương pháp đo này đã có thể sử dụng trong lâm sàng sau khi các
nhà khoa học của công ty Hewlett-Packard phát triển một thiết bị thương mại để
đo oxy ở tai. Thiết bị này được phát triển dựa trên một thiết bị của bác sĩ phẫu
thuật Robert Shaw chế tạo năm 1964. Thiết bị này có thể đo độ bão hòa trong động
mạch bằng cách làm nóng mô tới 41 oC để làm tăng lưu thông máu.
Năm 1974, Takuo Aoyagi – một kỹ sư y sinh học của công ty Nihon Kohden trong
quá trình nghiên cứu về theo dõi cung lượng tim đã phát hiện ra rằng với một mức độ
bão hòa oxy, sự hấp thụ các bước sóng sẽ thay đổi theo bước sóng. Ông đề nghị đo
độ bão hòa oxy bằng cách xác định sự hấp thụ của máu đối với ánh sáng nằm trong
dải từ đỏ đến hồng ngoại. Phát hiện này là cơ sở để phát triển các máy đo độ oxy bão
hòa hiện đại.
Đến năm 1978, William New đã phát minh ra một hình mẫu (prototype). Năm
1981, công ty Biox và năm 1983, công ty Nellcor lần lượt đưa ra đưa ra các sản phẩm
thương mại.

22


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Trong thập kỷ 1980, các máy đo ngày càng nhỏ gọn hơn, dễ sử dụng hơn và rẻ
hơn. Năm 1987, tiêu chuẩn theo dõi trong gây mê tổng quát tại Mỹ quy định bao gồm
theo dõi độ oxy mạch máu.
Trong thời gian cuối năm 1990, Pulse Oximeters ' thế hệ mới ' đã được giới thiệu
khắc phục được những hạn chế của máy đo công nghệ cũ và nâng cao hơn tính chính
xác của việc đo bão hòa oxy trong máu.

Từ năm 1990 đến nay, máy đo độ bão hòa oxy dựa vào mạch đập đã được sử dụng
rộng rãi trên toàn thế giới.
Năm 1995, máy đo dạng finger tip, thiết bị dạng nhỏ gọn có thể đặt trên đầu ngón
tay đã xuất hiện trên thị trường. Cũng trong năm này, công ty Masimo giới thiệu kỹ
thuật Signal Extraction Technology (SET), giúp đo chính xác độ bão hòa oxy khi
bệnh nhân chuyển động và máu lưu thông thấp.
Hiện nay có rất nhiều nhà sản xuất Oximeters. Tất cả cung cấp một loạt các hộp
đo oxy khác nhau với SaO2 và đo nhịp tim, màn hình dạng sóng, báo động… Trong
khi các hộp và màn hình có thể khác nhau song tất cả đều sử dụng một phương pháp
tương tự để đo độ bão hòa oxyhaemoglobin bởi hai bước sóng của ánh sáng trong
phạm vi màu đỏ và hồng ngoại.

23


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

1.6.3 Nguyên lý của Pulse Oximetry
Từ nguyên lý của Oximetry ta có thể đo SaO2 trong động mạch theo cách sau:
Red

InfraRed

Photodiode

Hình 1-6. Vị trí đặt nguồn sáng và cảm biến
Với phương pháp này 2 tia đỏ và hồng ngoại đặt sát trên đầu ngón tay người đo,
các tia sáng truyền qua đầu ngón tay được một Photodiode bên dưới thu nhận.
Với hai tín hiệu của tia đỏ và hồng ngoại nhận được ta hoàn toàn tính được nồng
độ bão hòa của Oxi trong động mạch[2].

Hình 1-7. Đồ thị sự hấp thụ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch
24


Ứng dụng các kỹ thuật xử lý ảnh trong bài toán đo nhịp tim sử dụng smartphone camera

Cường độ ánh sáng Photodiode nhận được có dạng như Hình 7. Tín hiệu này biến
thiên theo thời gian đồng bộ với nhịp tim. Có thể chia mỗi tín hiệu thành 2 phần :
 Thành phần 1 chiều DC : Idc
 Thành phần xoay chiều, biến đổi đồng bộ với nhịp tim AC : Iac
Ánh sáng truyền qua ngón tay chịu sự hấp thụ của :
A – Máu trong động mạch
V – Máu trong tĩnh mạch
T – Xương, da, mô …
Do sự hấp thụ của máu trong tĩnh mạch, xương, da và mô là không đổi, chỉ có sự
hấp thụ của máu trong động mạch là thay đổi nên ta có thể tách bỏ phần tín hiệu
không đổi, giữ lại thành phần biến đổi, thành phần này mới mang thông tin.

a)

b)
Hình 1-8. Sự thay đổi cường độ sáng khi truyền qua ngón tay.
a. Đối với tia sáng đỏ
b. Đối với tia hồng ngoại
Hình vẽ này thể khẳng định lại một lần nữa rằng sự hấp thụ của máu động mạch
với 2 tia đỏ và hồng ngoại là khác nhau.
Rõ ràng có thể cho rằng sự thay đổi mức độ hấp thụ ánh khi tim đập chỉ bởi dòng
máu chuyển động trong động mạch. Bởi vì khi tim co bóp, máu được dồn nén mạnh
với tần số đúng bằng tần số của tim, do tác động này của tim mức độ tập trung của

HbO2 và Hb cũng thay đổi theo, do đó độ hấp thụ ánh sáng của máu thay đổi và cường
độ ánh sáng sau khi truyền qua cũng thay đổi[4] .
25