Luận văn Ứng dụng Smartphone cho điện tâm đồ không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH PHÚC ỨNG DỤNG SMARTPHONE CHO ĐIỆN TÂM ĐỒ KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH PHÚC ỨNG DỤNG SMARTPHONE CHO ĐIỆN TÂM ĐỒ KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN Hà Nội – 2014 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan bản luận văn Thạc sĩ Công nghệ Điện tử - Viễn thông “Ứng dụng smartphone cho điện tâm đồ không dây” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả, số liệu trình bày trong luận văn là trung thực. Các trích dẫn và tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn và tác giả. Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014 Người cam đoan NGUYỄN THANH PHÚC Lời cảm ơn Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Khoa Điện tử - Viễn thông và các thầy cô giảng dạy chương trình Thạc sĩ Công nghệ Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội với tri thức và tâm huyết của mình đã giúp chúng tôi trang bị kiến thức và hoàn thành chương trình đào tạo. Tôi xin gửi tới PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn, chủ nhiệm Bộ môn Hệ thống viễn thông, khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội lời cảm ơn trân trọng nhất vì đã khuyến khích, tạo điều kiện và hướng dẫn, chỉ bảo tận tình tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới người thân trong gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. 1 Mục lục Lời cam đoan .......................................................................................................... 3 Lời cảm ơn .............................................................................................................. 4 Bảng các ký hiệu, chữ viết tắt ................................................................................. 3 Danh mục các bảng ................................................................................................. 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................. 5 MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 6 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 6 2. Nội dung và đối tượng nghiên cứu ................................................................. 6 Chương 1. ĐIỆN TÂM ĐỒ .................................................................................... 8 1.1. Nguyên lý ..................................................................................................... 8 1.1.1. Tim ........................................................................................................ 8 1.1.2. Định nghĩa điện tâm đồ ......................................................................... 8 1.1.3. Sự hình thành ........................................................................................ 8 1.2. Cách mắc điện cực ....................................................................................... 8 1.2.1. Điện trường tim ..................................................................................... 8 1.2.2. Cách mắc ............................................................................................... 8 1.3. Ý nghĩa dạng sóng ....................................................................................... 9 1.4. Hệ đo, thông số tín hiệu điện tim ................................................................. 9 1.5. Cơ sở dữ liệu mẫu ...................................................................................... 10 1.5.1. PhysioBank ......................................................................................... 10 1.5.2. Physio Toolkit ..................................................................................... 10 Chương 2. ANDROID .......................................................................................... 11 2.1. Kiến trúc .................................................................................................... 11 2.1.1. Các thành phần .................................................................................... 11 2.1.2. Applications ........................................................................................ 12 2.2. Môi trường phát triển ................................................................................. 16 2.2.1. Android SDK ...................................................................................... 16 2.2.2. Eclipse ................................................................................................. 17 2 2.2.3. Emulator .............................................................................................. 18 Chương 3. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................... 20 3.1. Phân tích yêu cầu ....................................................................................... 20 3.1.1. Mô tả ................................................................................................... 20 3.1.2. Bảng phân tích xác định chức năng, tác nhân, hồ sơ .......................... 21 3.1.3. Biểu đồ ngữ cảnh ................................................................................ 22 3.1.4. Phân rã chức năng ............................................................................... 22 3.1.5. Ma trận thực thể - chức năng .............................................................. 24 3.2. Mô hình khái niệm/logic ............................................................................ 25 3.2.1. Biểu đồ luồng dữ liệu mức 0 .............................................................. 25 3.2.2. Biểu đồ luồng dữ liệu mức 1 .............................................................. 25 3.2.3. Mô hình thực thể mối quan hệ ............................................................ 27 3.2.4. Biểu đồ quan hệ .................................................................................. 27 3.3. Thiết kế cơ sở dữ liệu ................................................................................ 28 3.4. Thiết kế lớp ................................................................................................ 29 3.5. Thiết kế giao diện ...................................................................................... 29 3.5.1. Giao diện ứng dụng ............................................................................. 29 3.5.2. Giao diện web ..................................................................................... 34 Chương 4: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM ........................................................... 38 4.1. Cài đặt ứng dụng ........................................................................................ 38 4.1.1. Cài đặt bộ công cụ phát triển .............................................................. 38 4.1.2. Project ................................................................................................. 39 4.2. Cài đặt Server ............................................................................................. 40 4.3. Thử nghiệm ................................................................................................ 42 4.3.1. Ứng dụng ............................................................................................ 42 4.3.2. Server .................................................................................................. 42 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 45 3 Bảng các ký hiệu, chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa ADT Android Development Tools: các công cụ phát triển Android cài thêm trên Eclipse App Application: ứng dụng Android ECG Electrocardiography: Điện tâm đồ ERM Entity-Relationship Model: Mô hình thực thể mối quan hệ JDK Java Development Kit: Công cụ phát triển ngôn ngữ lập trình Java IDE Integrated Development Environment: môi trường phát triển hợp nhất SDK Software Development Kit: bộ công cụ phát triển phần mềm 4 Danh mục các bảng Bảng 3.1. Phân tích xác định chức năng, tác nhân ............................................... 21 Bảng 3.2. Nhóm các chức năng ............................................................................ 22 Bảng 3.3. Các hồ sơ sử dụng ................................................................................ 24 Bảng 3.4. Ma trận thực thể - chức năng ................................................................ 24 Bảng 3.5. Bệnh nhân ............................................................................................. 28 Bảng 3.6. Bác sĩ .................................................................................................... 28 Bảng 3.7. Bệnh án ................................................................................................. 28 Bảng 3.8. Phản hồi ................................................................................................ 28 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Dạng sóng Điện tâm đồ ................................................................................... 9 Hình 2.1. Kiến trúc của hệ điều hành Android ..................................................... 11 Hình 2.2. Vòng đời của activity ............................................................................ 13 Hình 2.3. Layout ................................................................................................... 16 Hình 2.4. Quy trình phát triển một ứng dụng Android ......................................... 18 Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống ...................................................................................... 20 Hình 3.2. Biểu đồ ngữ cảnh .................................................................................. 22 Hình 3.3. Biểu đồ phân rã chức năng ................................................................... 23 Hình 3.4. Biểu đồ luồng dữ liệu mức 0................................................................. 25 Hình 3.5. Biểu đồ luồng dữ liệu mức 1 quản lý thông tin bệnh nhân ................... 26 Hình 3.6. Biểu đồ luồng dữ liệu mức 1 quản lý bệnh án ...................................... 26 Hình 3.7. Mô hình thực thể mối quan hệ .............................................................. 27 Hình 3.8. Biểu đồ quan hệ .................................................................................... 27 Hình 3.9. Màn hình menu của ứng dụng: ............................................................. 30 Hình 3.10. Bluetooth: ............................................................................................ 31 Hình 3.11. Đồ thị dạng sóng điện tim ................................................................... 32 Hình 3.12. Gửi thông tin: ...................................................................................... 33 Hình 3.13. Màn hình help ..................................................................................... 34 Hình 3.14. Trang đăng ký ..................................................................................... 35 Hình 3.15. Trang đăng nhập ................................................................................. 35 Hình 3.16. Danh sách bệnh nhân .......................................................................... 36 Hình 3.17. Danh sách bác sĩ ................................................................................. 36 Hình 3.18. Trang bệnh án: .................................................................................... 37 Hình 4.1. Màn hình Eclipse .................................................................................. 39 Hình 4.2. Cơ sở dữ liệu ......................................................................................... 41 Hình 4.3. Truyền dữ liệu tới server ....................................................................... 42 6 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Bệnh tim là một trong những vấn đề sức khỏe hiện được quan tâm trên thế giới. Đây là gánh nặng cho xã hội với tỷ lệ tử vong và tàn phế cao hàng đầu. Bên cạnh đó, chi phí điều trị và chăm sóc điều trị bệnh nhân cũng là một gánh nặng. Cùng với sự phát triển của kinh tế, số lượng người béo phì, hút thuốc lá, rượu bia và đái tháo đường gia tăng cùng lối sống ít vận động gây nên những bệnh lý về tim mạch như cao huyết áp, xơ vữa mạch vành và đột quỵ. Theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới WHO, bệnh liên quan đến tim mạch là nguyên nhân gây tử vong cho 17.3 triệu người hàng năm, chiếm 30% tổng số ca tử vong trên toàn thế giới. Trong đó 80% đến từ các nước thu nhập thấp và trung bình. Dự đoán năm 2030 sẽ có hơn 23.3 triệu người chết vì bệnh tim mỗi năm. [1] Ở nước ta hiện nay, hệ thống y tế vẫn còn những khó khăn và thách thức lớn. Nhu cầu khám chữa bệnh, chăm sóc sức khỏe đòi hỏi cao, trong khi nguồn lực còn hạn hẹp. Theo thống kê, tỷ lệ bác sĩ trên 1000 bệnh nhân là 1.22 bác sĩ/1000 dân, tỷ lệ giường bệnh là 2.2 giường bệnh /1000 dân [2]. Điều đó đặt ra áp lực rất lớn lên ngành y tế, các thủ tục hành chính, qui trình khám chữa bệnh đã được cải cách, cùng với việc áp dụng công nghệ thông tin vào bệnh viện. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ thông tin trong y tế vẫn còn hạn chế và thiếu đồng bộ. Điều đó đặt ra thách thức, đồng thời cũng tạo ra những cơ hội. Theo thống kê, ở Việt Nam hiện có 136 triệu thuê bao di động, 36 triệu người sử dụng Internet. Sự bùng nổ của các thiết bị di động, đặc biệt là smartphone đã khẳng định tầm quan trọng của nó trong đời sống xã hội. Các sản phẩm mới có cấu hình và thời lượng sử dụng pin ngày càng được cải thiện. Bên cạnh đó, các smartphone tích hợp cảm biến và ứng dụng về chăm sóc sức khỏe đang là một xu hướng phát triển mạnh mẽ. Các nghiên cứu ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, nhất là những ứng dụng dựa trên nền tảng Android đang thu hút được sự chú ý trong những năm gần đây như nghiên cứu giải thuật tăng cường ảnh và truyền kết quả bằng công nghệ điện toán đám mấy của nhóm tác giả từ đại học Tennessee, Knoxville, Hoa Kỳ. Nghiên cứu của nhóm tác giả từ đại học Erlangen-Nuremberg, Đức dựa trên giải thuật Pan-Tompkins để phát hiện phức bộ QRS và đếm nhịp tim. Sản phẩm của nhóm tác giả từ đại học kỹ thuật Lahore, Pakistan về máy đo điện tim giá rẻ dựa trên vi điều khiển MSP430 và điện thoại Android [3-6]. 2. Nội dung và đối tượng nghiên cứu Từ những lý do trên, nội dung của luận văn là giải quyết bài toán phát triển ứng dụng smartphone cho y tế. Đối tượng là phát triển ứng dụng smartphone chạy trên hệ 7 điều hành Android, truyền dữ liệu điện tim từ thiết bị đầu cuối tới trung tâm. Nội dung và phương pháp nghiên cứu được trình bày trong các chương: Chương 1: Điện tâm đồ. Trình bày những khái niệm cơ bản về tín hiệu điện tim, nguyên lý hình thành, đặc điểm tín hiệu và phương pháp ghi điện tâm đồ, ý nghĩa dạng sóng. Phần cuối cùng của chương trình bày về cơ sở dữ liệu được sử dụng trong đề tài. Đây là nguồn dữ liệu sinh lý học tin cậy phục vụ cho nghiên cứu được đo của bệnh nhân tim và được số hóa và cung cấp miễn phí trên trang web Chương 2: Android. Trình bày kiến thức về hệ điều hành Android, kiến trúc, bộ công cụ phát triển Android SDK, bộ công cụ phát triển hợp nhất Eclipse cũng như các chương trình mô phỏng Emulator. Chương 3: Phân tích thiết kế hệ thống. Khảo sát hệ thống, xây dựng biểu đồ phân rã chức năng, mô hình khái niệm, thiết kế logic và thiết kế vật lý. Chương 4: Cài đặt và thử nghiệm. Trình bày nội dung ứng dụng và server bao gồm cài đặt và thử nghiệm. Ứng dụng được xây dựng để đọc và xử lý dữ liệu. Các thành phần chính của ứng dụng bao gồm: nhận dữ liệu qua Bluetooth, hiển thị dạng sóng lên màn hình, truyền dữ liệu về server. Server gồm cơ sở dữ liệu MySQL, các trang webpage PHP đăng nhập và tra cứu hồ sơ bệnh nhân. Kết luận. Những mặt đạt được và hạn chế, hướng phát triển tiếp theo. 8 Chương 1. ĐIỆN TÂM ĐỒ 1.1. Nguyên lý 1.1.1. Tim Quả tim là cơ quan chịu trách nhiệm bơm máu cho hệ tuần hoàn. Tim được cấu tạo bởi một loại cơ đặc biệt và tự đập mà không qua sự điều khiển của não bộ. Cấu tạo của tim gồm 4 buồng: 2 tâm nhĩ và 2 tâm thất. Nhĩ trái nhận máu giàu O2 từ tĩnh mạch, đẩy xuống thất trái, thất trái đẩy máu với áp lực mạnh vào động mạch và được đưa đi tới các bộ phận khác của cơ thể. Máu quay trở lại qua nhĩ phải chứa nhiều CO2 và được bơm vào phổi để trao đổi CO2 lấy O2 và quay trở lại nhĩ trái để lặp lại vòng tuần hoàn. Mỗi phút tim của một người trưởng thành đập khoảng 70 – 90 nhịp. 1.1.2. Định nghĩa điện tâm đồ Điện tâm đồ là đồ thị tuần hoàn ghi lại biến thiên của dòng điện do tim phát ra trong quá trình hoạt động co bóp. Điện tâm đồ được ghi lại lần đầu tiên bởi Einthoven năm 1903 bằng một điện kế nhạy cỡ mili volt. 1.1.3. Sự hình thành Do sự thay đổi nồng độ ion Na+, Ca++ và K+ ở trong và ngoài tế bào trong quá trình co bóp. Lúc nghỉ các ion dương ở ngoài màng tế bào còn các ion âm bị giữ ở trong màng tế bào để cân bằng lực hút tĩnh điện. Khi cơ tim bị kích thích sẽ xuất hiện sự khử cực trong đó các ion âm khuếch tán ra ngoài màng còn các ion dương khuếch tán vào trong màng. Tiếp theo sự khử cực là tái cực khi các ion dương ở ngoài màng tế bào và các ion âm ở trong màng. 1.2. Cách mắc điện cực 1.2.1. Điện trường tim Do cơ thể con người là môi trường dẫn điện nên dòng điện do tim co bóp gây ra được lan truyền khắp cơ thể và ra tới da. Vì vậy cơ thể là một điện trường của tim. Nếu ta đặt hai điện cực bất kỳ trên da có điện thế khác nhau ta sẽ thu được một dòng điện là hiệu điện thế giữa hai điểm đó và gọi là một chuyển đạo (lead), nó hiện ra trên máy bằng một đường cong điện tâm đồ có hình dạng tùy thuộc vào vị trí đặt điện cực. Đường thẳng nối hai điểm đặt điện cực gọi là trục chuyển đạo. 1.2.2. Cách mắc Có 12 cách đặt chuyển đạo bao gồm 3 chuyển đạo mẫu (standard), 3 chuyển đạo đơn cực các chi và 6 chuyển đạo trước tim. Mỗi cách mắc cho một dạng sóng điện tâm đồ khác nhau. 9 Qui ước mắc điện cực: đặt điện cực dương ở bên trái quả tim và điện cực âm ở bên phải của quả tim. 1.3. Ý nghĩa dạng sóng Hình 1.1. Dạng sóng Điện tâm đồ Điện tâm đồ gồm 6 sóng nối tiếp nhau P, Q, R, S, T, U Sóng P thể hiện quá trình khử cực của tâm nhĩ. Khử cực tâm thất bao gồm 3 sóng cao nhọn Q, R, S biến thiên trong thời gian rất nhanh khoảng 0.07s và phức tạp nên được gọi là phức bộ QRS. Tiếp theo khử cực là một thời kỳ tái cực chậm không thể hiện trên điện tâm đồ bằng sóng nào mà chỉ là một đoạn thẳng, sau đó là thời kỳ tái cực nhanh thể hiện bằng sóng T. [7] 1.4. Hệ đo, thông số tín hiệu điện tim Dòng điện do tim sinh ra trong quá trình co bóp là một tín hiệu rất yếu cỡ 0.5mV – 5mV. Vì dòng điện tim có điện thế rất nhỏ, nên trong khi ghi điện tâm đồ rất dễ bị ảnh hưởng bởi các nhiễu như: nhiễu tần số 50Hz do mạng điện sinh hoạt, thắp đèn, chạy quạt, chạy máy X quang có dây dẫn đi qua gần đó hoặc các dòng điện phát sinh từ cơ và da của bệnh nhân. Hệ đo: vì tín hiệu điện tim rất yếu nên phải được khuếch đại. Thông tin có ý nghĩa trong chẩn đoán nằm trong dải tần 0.5Hz – 80Hz nên có thể loại bỏ hết các tín hiệu tần số cao. Do đó tín hiệu thu được từ điện cực được đi qua bộ lọc thông thấp với 10 tần số cắt fc=100Hz và bộ lọc triệt tần fc=50Hz để loại bỏ nhiễu do mạng điện sinh hoạt. Cuối cùng tín hiệu tư