Tải bản đầy đủ

Phát hiện cơn co giật do động kinh thông qua thiết bị di động thông minh: luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

LÊ THỊ THU

PHÁT HIỆN CƠN CO GIẬT DO ĐỘNG KINH THÔNG QUA
THIẾT BỊ DI ĐỘNG THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Đồng Nai, Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

LÊ THỊ THU

PHÁT HIỆN CƠN CO GIẬT DO ĐỘNG KINH THÔNG QUA

THIẾT BỊ DI ĐỘNG THÔNG MINH
Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
Mã số: 60480201

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH

Đồng Nai, Năm 2017


i

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô khoa Công nghệ thông tin Trường
Đại học Lạc Hồng cùng các Thầy cô tham gia giảng dạy cho lớp Cao học đã hết
lòng truyền đạt kiến thức cho chúng em trong quá trình học tập tại trường. Đặc biệt,
em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Đặng Trần Khánh, người thầy đã tận tình
hướng dẫn em thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên
tinh thần, đóng góp nhiều ý kiến để giúp cho em hoàn thành luận văn này.
Học viên

Lê Thị Thu


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các tài liệu và kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực.
Học viên

Lê Thị Thu


iii



iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................................vii
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
Giới thiệu về bệnh động kinh............................................................................................. 1
Tổng quan về thiết bị di động thông minh và ứng dụng .................................................... 5
Mục tiêu và phạm vi của luận văn ..................................................................................... 9
Giới thiệu cấu trúc luận văn ............................................................................................. 10
Chương 1

Kiến thức nền tảng ......................................................................................... 12

1.1 Các phương pháp phát hiện cơn co giật do động kinh ............................................... 12
1.2 Phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android ......................................................... 16
1.3 Xử lý tín hiệu cảm biến trong Android ...................................................................... 21
Chương 2

Phát hiện cơn co giật ...................................................................................... 27

2.1 Nguyên lý chung ........................................................................................................ 27
2.2 Giải thuật phát hiện cơn co giật ................................................................................. 29
2.2.1 Ứng dụng thu thập dữ liệu .................................................................................. 29
2.2.2 Thu thập dữ liệu thí nghiệm ................................................................................ 31
2.2.3 Trực quan hóa và phân tích ................................................................................. 32
2.2.4 Giải thuật phát hiện cơn co giật .......................................................................... 34
Chương 3

Ứng dụng phát hiện cơn co giật ..................................................................... 37

3.1 Kiến trúc ứng dụng .................................................................................................... 37
3.2 Thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến ....................................................................... 38
3.3 Hiện thực giải thuật phát hiện cơn co giật ................................................................. 40


v
Chương 4

Thử nghiệm và đánh giá ................................................................................ 42

4.1 Điều kiện thí nghiệm.................................................................................................. 42
4.2 Kết quả thí nghiệm ..................................................................................................... 44
4.3 Thảo luận kết quả thí nghiệm .................................................................................... 45
Kết luận ................................................................................................................................ 47


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các phiên bản Android theo thứ tự thời gian ....................................................... 16
Bảng 2.1 Giải thuật phát hiện cơn co giật. ........................................................................... 36
Bảng 4.1 Phân bố giá trị Tzero............................................................................................... 42
Bảng 4.2 Phân bố giá trị Tthreshold. ........................................................................................ 43
Bảng 4.3 Tỉ lệ phát hiện đúng (true positive) với những cách kết hợp khác nhau. ............. 45
Bảng 4.4 Số lần phát hiện sai (false positive) với những cách kết hợp khác nhau. ............. 45


vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 0.1 Thống kê thời gian sử dụng các loại ứng dụng trên thiết bị di động thông minh tại
Mỹ 2015. ................................................................................................................................ 5
Hình 0.2 Thị phần trên thế giới của các hệ điều hành chạy trên điện thoại di động thông
minh. ...................................................................................................................................... 7
Hình 0.3 Tỉ lệ sử dụng của các phiên bản hệ điều hành Android khác nhau. ........................ 8
Hình 1.1 Quy trình hoạt động của kỹ thuật đề xuất trong [1]. ............................................. 13
Hình 1.2 Phân bố năng lượng trong cửa sổ thời gian – tần số [5]. ...................................... 14
Hình 1.3 Tín hiệu gia tốc trong những trường hợp khác nhau [3]: (a) có co giật dạng
myoclonic đơn lẻ; (b) co giật dạng myoclonic xảy ra chung với những hoạt động khác; (c)
hoạt động diễn ra chậm; (d) không phải myoclonic nhưng cũng có đỉnh nhọn................... 15
Hình 1.4 Kiến trúc hệ điều hành Android. ........................................................................... 18
Hình 1.5 Công cụ Android Studio với các thành phần chính: (1) thanh công cụ (toolbar);
(2) thanh di chuyển (navigation bar); (3) cửa sổ soạn thảo (editor window); (4) các cửa sổ
công cụ (tool windows); và (5) thanh trạng thái (status bar). .............................................. 20
Hình 1.6 Tín hiệu tương tự có giá trị liên tục và tín hiệu số tương ứng có giá trị hữu hạn. 22
Hình 1.7 Sơ đồ hoạt động xử lý sự kiện trong Java. ............................................................ 25
Hình 1.8 Hệ trục tọa độ trên thiết bị Android. ..................................................................... 25
Hình 2.1 Một vài hình thức co giật khác nhau do động kinh. ............................................. 27
Hình 2.2 Giá trị gia tốc khi có co giật myoclonic trên bàn tay phải. ................................... 32
Hình 2.3 Giá trị gia tốc khi có co giật myoclonic trên bàn tay trái...................................... 33
Hình 2.4 Giá trị gia tốc khi bàn tay phải di chuyển bình thường. ....................................... 33
Hình 2.5 Giá trị gia tốc khi bàn tay trái di chuyển bình thường. ......................................... 34
Hình 3.1 Kiến trúc ứng dụng phát hiện cơn co giật. ............................................................ 37
Hình 3.2 Mảng xoay vòng. .................................................................................................. 39
Hình 3.3 Dùng mảng một chiều và con trỏ START, END để mô phỏng hoạt động của
mảng xoay vòng. .................................................................................................................. 40


1

PHẦN MỞ ĐẦU
Giới thiệu về bệnh động kinh
Động kinh là chứng bệnh gây ra do một số nơron trong vỏ não có hoạt động
bất thường, lặp đi lặp lại, làm xáo trộn hệ thần kinh [2]. Khi đó, tín hiệu điện trong
não sẽ bị rối loạn, dẫn đến người bệnh không thể kiểm soát được hành vi của mình.
Tuy nhiên, triệu chứng ở mỗi bệnh nhân rất khác nhau: một số người bị động kinh
chỉ đơn giản là nhìn ngây người trong vài giây trong quá trình lên cơn, trong khi
những người khác có thể xảy ra cơn co giật. Những biểu hiện thường gặp khi người
bệnh lên cơn động kinh bao gồm co giật của bắp thịt, cắn lưỡi, sùi bọt mép, mắt
trợn ngược, bất tỉnh, mất kiểm soát tiểu tiện, hoặc có cảm giác lạ trong người.
Tùy theo tình huống mà người bệnh lên cơn động kinh, hậu quả gây ra có thể
làm nguy hiểm ít hoặc nhiều đến sức khỏe và tính mạng người bệnh. Một vài hậu
quả có thể xảy ra là:
o Té ngã: khi người bệnh bị mất kiểm soát họ có thể bị té ngã. Té ngã trên
bề mặt cứng có thể dẫn đến chấn thương đầu hoặc gẫy xương. Nếu khi té
ngã người bị động kinh đang ở một độ cao nhất định (chẳng hạn trên cầu
thang) thì hậu quả sẽ càng nặng nề hơn.
o Chết đuối: nếu cơn động kinh xảy ra trong khi người bệnh đang bơi hoặc
tắm trong bồn thì có thể làm họ bị chết đuối.
o Tai nạn xe cộ: nếu người bệnh xảy ra cơn động kinh trong khi đang lái xe
thì có thể dẫn đến tai nạn cho mình và những người xung quanh. Nếu
người bệnh điều khiển xe càng to thì ảnh hưởng gây ra càng lớn.
o Tai nạn lao động: tương tự như tai nạn xe cộ, tai nạn lao động cũng dễ
dàng xảy ra khi người bệnh lên cơn động kinh trong khi vận hành máy
móc, thiết bị, đặc biệt là những máy móc có tốc độ cao và bề mặt bén
nhọn.
o Biến chứng thai sản: động kinh trong khi mang thai gây nguy hiểm cho
cả bà mẹ và em bé. Thuốc điều trị động kinh có thể làm tăng nguy cơ
khuyết tật bẩm sinh ở em bé. Tuy vậy, phụ nữ bị bệnh động kinh vẫn có


2

thể có thai và sinh em bé khỏe mạnh nếu có chế độ điều trị và chăm sóc
phù hợp.
Dựa vào số lượng khu vực não bị ảnh hường, người ta chia động kinh ra thành
2 nhóm chính là động kinh cục bộ và động kinh toàn cục. Mỗi loại động kinh này
có nguyên nhân và cách điều trị khác nhau.
o Động kinh cục bộ: khi cơn động kinh xuất hiện từ hoạt động bất thường
của một phần bộ não, chúng được gọi là động kinh cục bộ. Động kinh cục
bộ dẫn đến các cơn co giật cục bộ trên cơ thể người bệnh. Những cơn co
giật này lại có thể chia thành 2 loại: cơn co giật cục bộ đơn giản và cơn
co giật cục bộ phức tạp.
-

Cơn co giật cục bộ đơn giản: những cơn co giật thuộc nhóm này
không dẫn đến mất ý thức của người bệnh. Nhưng chúng có thể làm
thay đổi cảm xúc hoặc thay đổi cách nhìn, ngửi mùi vị hoặc âm thanh.
Chúng cũng có thể dẫn đến co giật không kiểm soát được của một
phần trong cơ thể, như cánh tay hoặc chân.

-

Cơn co giật cục bộ phức tạp: những cơn co giật thuộc nhóm này làm
thay đổi ý thức người bệnh, làm cho họ mất nhận thức trong một
khoảng thời gian. Cơn co giật cục bộ phức tạp thường gây ra hiện
tượng nhìn chằm chằm và cử động không chủ định, như bàn tay cọ
xát, co giật, nhai, nuốt hoặc đi bộ trong vòng tròn.

o Động kinh toàn cục: động kinh toàn cục liên quan đến hoạt động bất
thường của toàn thể bộ não. Người ta chia động kinh toàn cục ra thành 4
nhóm chính.
-

Động kinh không có cơn co giật (thuật ngữ tiếng Anh là Petit Mal):
những cơn động kinh thuộc nhóm này không gây ra co giật ở cơ thể
người bệnh. Chúng được đặc trưng bởi ánh mắt nhìn chằm chặp và
mất ý thức trong thời gian ngắn.

-

Động kinh co giật (thuật ngữ tiếng Anh là Myoclonic): những cơn
động kinh này gây ra co giật đột ngột hoặc co rút tay và chân. Những


3

cơn co giật gây ra bởi dạng động kinh Myoclonic là đối tượng nghiên
cứu của luận văn này.
-

Động kinh suy nhược (thuật ngữ tiếng Anh là Atonic Seizure): hay
còn được gọi là động kinh thả (Drop Seizure). Dạng động kinh này
không gây ra co giật nhưng có thể làm người bệnh mất lực căng cơ
tạm thời, dẫn đến sụp đổ bất ngờ.

-

Động kinh lớn (thuật ngữ tiếng Anh là là Grand Mal): dạng động kinh
này có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất trong tất cả các loại động kinh toàn
cục. Chúng được đặc trưng bởi mất ý thức, cơ thể cứng, run rẩy và
mất kiểm soát bàng quang.

Về nguyên nhân gây ra bệnh động kinh thì không phải lúc nào cũng có thể xác
định được một cách chính xác. Trong một nữa số trường hợp thì nguyên nhân gây
bệnh không thể xác định được rõ ràng. Trong những trường hợp còn lại, có thể có
nhiều yếu tố dẫn đến việc mắc bệnh. Những nguyên nhân thường gặp trong đó bao
gồm:
o Do di truyền: không phải toàn bộ, nhưng một số loại động kinh có khả
năng ảnh hưởng di truyền.
o Chấn thương đầu: chấn thương gây ra trên đầu (chẳng hạn như bị tai nạn
xe cộ) có thể dẫn đến động kinh.
o Rối loạn sức khỏe: những tai nạn như đột quỵ hoặc đau tim có tác động
đến hoạt động của não cũng có thể gây ra động kinh.
o Bệnh thần kinh: những bệnh liên quan đến hệ thần kinh, đặc biệt ở người
lớn tuổi, cũng có thể gây ra động kinh.
o Những bệnh khác như viêm màng não, AIDS cũng có thể gây động kinh.
o Tổn thương trước khi sinh gây ra ảnh hưởng ở não trẻ em có thể dẫn đến
bệnh động kinh ở trẻ em.
o Rối loạn phát triển: trẻ em bị rối loạn phát triển, chẳng hạn như mắc
chứng tự kỷ hoặc hội chứng Down, cũng có thể bị bệnh động kinh.


4

Về mặt điều trị bệnh động kinh, có thể dùng thuốc hoặc giải phẫu, nhưng hiện
tại việc dùng thuốc có phần phổ biến hơn. Thuốc điều trị bệnh động kinh được bác
sĩ chuyên môn kê toa tùy vào loại bệnh động kinh, lứa tuổi, giới tính, bệnh lý đi
kèm, và những yếu tố ảnh hưởng khác. Tác dụng của thuốc tùy thuộc vào người
bệnh và có kết quả rất khác nhau. Theo thống kê, khi người bệnh động kinh được
điều trị bằng thuốc, khoảng 50% người bệnh không còn lên cơn, 30% giảm số lần bị
động kinh và 20% còn lại thì không đáp ứng thuốc [6]. Trong trường hợp giải phẫu
được chọn làm phương án điều trị, thì tùy cơ địa từng bệnh nhân và mức độ tổn
thương não, bác sĩ sẽ quyết định có nên tiếp tục giữ nguyên lựa chọn giải phẫu hay
không. Nhưng nhìn chung, hiện tại điều trị thông qua uống thuốc được xem là hiệu
quả hơn để điều trị bệnh động kinh.
Từ thực trạng trên, có thể thấy rằng ngoài việc chăm sóc, điều trị bệnh nhân
động kinh tại các cơ sở y tế, thì việc chăm sóc tại gia đình là không thể thiếu. Cụ thể
hơn, những người thân trong gia đình có người mắc bệnh động kinh phải trang bị
những kiến thức và kỹ năng cần thiết để nhanh chóng phát hiện khi người bệnh lên
cơn, để từ đó kịp thời hỗ trợ đưa người bệnh đến nơi an toàn.
Vì lý do trên, để hỗ trợ cho người bệnh và người chăm sóc, luận văn này
nghiên cứu, đề xuất, hiện thực, và đánh giá một kỹ thuật hỗ trợ phát hiện và sinh ra
cảnh báo khi người bệnh lên cơn động kinh có co giật thuộc dạng Myoclonic.
Nguyên nhân co giật dạng Myoclonic được lựa chọn vì đây là một loại co giật phổ
biến, có mặt trong khoảng 74% những cơn động kinh có phát sinh co giật [3]. Thiết
bị hỗ trợ thu thập và xử lý dữ liệu, cũng như đưa ra quyết định có hay không một
cơn co giật do động kinh, là điện thoại di động thông minh. Điện thoại di động
thông minh được lựa chọn vì sự phổ biến, kích thước nhỏ gọn dễ mang trong tay, và
khả năng tính toán xử lý mạnh mẽ của chúng. Một thiết bị phù hợp hơn là đồng hồ
thông minh vì có thể đeo trực tiếp trên tay người bệnh. Tuy nhiên, luận văn này
không sử dụng đồng hồ thông minh vì hiện nay đây chưa phải là một thiết bị phổ
biến, và khả năng xử lý còn hạn chế so với điện thoại di động thông minh. Mặc dù
vậy, kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu đề xuất trong luận văn mang tính độc lập
tương đối đối với loại thiết bị sử dụng. Do đó giải pháp này cũng có thể hỗ trợ đồng
hồ thông minh trong tương lai.


5

Tổng quan về thiết bị di động thông minh và ứng dụng
Trong luận văn này, thiết bị di động thông minh là những thiết bị điện tử có
thể mang dễ dàng bên người và có khả năng xử lý dữ liệu, tính toán, lập trình được.
Thiết bị di động thông minh còn được trang bị các cảm biến để có thể thu thập dữ
liệu trong môi trường mà thiết bị hoạt động. Một đặc điểm nữa là thiết bị di động
thông minh phải có kết nối mạng dưới một hình thức nào đó, để có thể giao tiếp
được với các thiết bị thông minh khác hoặc máy tính.
Với khả năng tính toán, lưu trữ ngày càng cao và giá thành ngày càng thấp,
thiết bị di động thông minh đã trở nên ngày càng phổ biến, được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực đời sống khác nhau. Theo số liệu của công ty nghiên cứu thị trường
ComScore [9], tỉ lệ thời gian người Mỹ dành cho những nhóm ứng dụng khác nhau
trên thiết bị di động thông minh vào năm 2015 được minh họa trong Hình 0.1.

Hình 0.1 Thống kê thời gian sử dụng các loại ứng dụng trên thiết bị di động thông
minh tại Mỹ 2015.
Theo như Hình 0.1, thì những loại ứng dụng được dùng phổ biến nhất trên
thiết bị di động thông minh gồm có: mạng xã hội, vô tuyến truyền thanh, trò chơi,
và truyền thông đa phương tiện. Có thể thấy rằng, những ứng dụng với mục đích
theo dõi, hỗ trợ, chăm sóc sức khỏe cá nhân trên thiết bị di động thông minh hiện tại
còn khá hạn chế.
Đối với những ứng dụng di động hỗ trợ chăm sóc sức khỏe, có 2 nhóm người
sử dụng chính: những người làm y tế chuyên nghiệp và những người ở gia đình


6

(chẳng hạn như người bệnh và người nhà của họ). Yêu cầu của 2 nhóm người dùng
này cũng rất khác nhau. Những người làm y tế chuyên nghiệp cần đến các cơ sở dữ
liệu bệnh lý và thuốc men phong phú, và phải có kết nối đến các cơ sở y tế để thông
tin liên lạc diễn ra nhanh chóng. Mặt khác, những người ở gia đình lại quan tâm hơn
đến giao diện đơn giản, dễ sử dụng, và chỉ cần hỗ trợ cho một loại bệnh cụ thể nào
đó mà gia đình đang gặp phải.
Cụ thể hơn, dưới đây là 5 lợi ích mà thiết bị di động thông minh và ứng dụng
trên đó mang lại cho những người dùng ở gia đình với mục đích chăm sóc sức khỏe,
được đưa ra bởi công ty tư vấn Hit Consultant [10]:
o Chi phí thấp: lợi ích này liên quan trực tiếp đến chi phí sở hữu thiết bị di
động thông minh ngày càng giảm.
o Linh hoạt cao: trọng lượng và kích thước nhỏ nên có thể mang dễ dàng
bên người, thu thập thông tin liên tục.
o Màn hình lớn: Giúp cho việc đọc các chẩn đoán hoặc xét nghiệm y khoa
dễ dàng, chính xác hơn.
o Hỗ trợ vị trí: giúp tìm đường đến cơ sở y tế gần nhất trong trường hợp
khẩn cấp, hoặc trợ giúp thông tin về các dịch vụ y tế phù hợp.
o Số lượng ứng dụng đa dạng: những ứng dụng có thể bao gồm cả miễn phí
và thương mại, hỗ trợ nhiều loại bệnh khác nhau.
Với những ích lợi mà thiết bị di động và ứng dụng trên đó mang đến cho việc
chăm sóc sức khỏe người dùng tại gia đình, như đã liệt kê ở trên, thì việc tiếp tục
khai thác thế mạnh đó vào các vấn đề còn bỏ ngỏ là khá cần thiết. Bài toán phát
hiện cơn co giật do động kinh là một ví dụ cụ thể. Theo tìm hiểu, thì ít nhất là tại
Việt Nam, đến thời điểm hiện tại, chưa có một giải pháp nào phục vụ cho mục đích
phát hiện cơn co giật do động kinh được xuất bản trên các kho ứng dụng phổ biến.
Để phát triển ứng dụng trên thiết bị di động thông minh, thì trước tiên cần phải
xác định nền tảng mà ứng dụng sẽ được triển khai trên đó. Nền tảng này bao gồm
nhiều thành phần quan trọng và có quan hệ qua lại mật thiết với nhau, trong đó một
thành phần có ảnh hưởng lớn hơn cả là hệ điều hành. Hiện nay, có nhiều hệ điều
hành khác nhau chạy được trên thiết bị di động thông minh. Trong đó, những hệ


7

điều hành phổ biến nhất bao gồm: Android, iOS, và Windows Phone. Hình 0.2 biểu
diễn thị phần trên thế giới của các hệ điều hành cho điện thoại di động thông minh,
theo số liệu thống kê của tập đoàn IDC vào tháng 11/2016 [11].

Hình 0.2 Thị phần trên thế giới của các hệ điều hành chạy trên điện thoại di động
thông minh.
Có thể thấy rằng, hiện tại Android là hệ điều hành được cài đặt và sử dụng
nhiều nhất trên thế giới. Vì vậy, trong luận văn này, kỹ thuật đề xuất sẽ được phát
triển và thử nghiệm trên hệ điều hành Android. Một trong những lý do chính cho
lựa chọn này là giải pháp xây dựng trên Android sẽ có tác động đến nhiều người
dùng hơn so với chọn các hệ điều hành khác. Lý do thứ hai là có thể thử nghiệm
ứng dụng trên nhiều thiết bị từ những nhà sản xuất khác nhau (trong khi nếu dùng
iOS thì chỉ có thể thử nghiệm trên thiết bị của công ty Apple). Tuy vậy, giải pháp đề
xuất sẽ cố gắng để không quá phụ thuộc vào những đặc điểm riêng biệt của hệ điều
hành Android, để có thể dễ dàng triển khai sang những hệ điều hành khác trong
tương lai.
Ngoài việc lựa chọn hệ điều hành để phát triển ứng dụng cho thiết bị di động
thông minh, một lựa chọn liên quan kế tiếp là chọn phiên bản nào của hệ điều hành
để phát triển ứng dụng. Lý tưởng nhất là phát triển ứng dụng để có thể chạy trên
mọi phiên bản của hệ điều hành, cũ và mới. Tuy nhiên, trong thực tế, điều này rất
khó triển khai vì những lý do sau:
o Tập lệnh của hệ điều hành cũ và mới có thể rất khác nhau
o Yêu cầu về mặt phần cứng khác nhau
o Những thư viện chính hoặc thư viện hỗ trợ cũng khác nhau


8

Vì vậy, một lựa chọn phù hợp hơn là chỉ hỗ trợ những thiết bị có phiên bản hệ
điều hành tối thiểu nào đó trở lên, với điều kiện là số lượng người dùng cho những
phiên bản đó còn đáng kể. Hình 0.3 thể hiện số liệu thống kê của công ty nghiên
cứu thị trường Statista vào tháng 9/2016, cho thấy tỉ lệ được dùng của các phiên bản
Android khác nhau [12].

Hình 0.3 Tỉ lệ sử dụng của các phiên bản hệ điều hành Android khác nhau.
Từ hình 0.3, có thể thấy rằng nếu chọn phiên bản 4.4 (KitKat) làm phiên bản
tối thiểu còn hỗ trợ, thì tỉ lệ thiết bị Android tương thích với ứng dụng là trên 80%,
còn nếu chọn phiên bản 4.1 (Jelly Bean) làm phiên bản tối thiểu hỗ trợ, thì tỉ lệ thiết
bị tương thích ứng dụng là trên 97%. Do đó, có thể khá an tâm về tính tương thích
khi lựa chọn 4.1 làm phiên bản tối thiểu mà ứng dụng còn hỗ trợ.
Công cụ chính thức để phát triển ứng dụng Android là Android Studio, với
phiên bản hiện tại là 2.3 (vào tháng 3/2017). Đây là một môi trường tích hợp
(Integrated Development Environment - IDE) được dùng để thiết kế giao diện
người dùng, viết mã chương trình, biên dịch, kiểm tra lỗi, cũng như đóng gói để
xuất bản lên kho ứng dụng Google Play [15] hoặc để cài đặt trực tiếp vào thiết bị.
Google cũng cung cấp các thiết bị giả lập (Emulator) thông qua bộ công cụ phát
triển phần mềm (Software Development Kit - SDK) của mình. Với các thiết bị giả


9

lập này, có thể chạy thử ứng dụng Android trực tiếp trên máy tính mà không cần
thiết bị thật. Tuy nhiên, thiết bị giả lập có một số hạn chế nhất định, chẳng hạn về
khả năng truy xuất các cảm biến trên đó.

Mục tiêu và phạm vi của luận văn
Dựa trên thực trạng về bệnh động kinh và hậu quả mà bệnh này có thể gây ra
cho người bệnh, cùng với khả năng thu thập thông tin từ môi trường xung quanh
qua các cảm biến, khả năng lưu trữ, phân tích, xử lý của thiết bị di động thông
minh, mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu, đề xuất, hiện thực thử
nghiệm, và đánh giá một kỹ thuật phát hiện cơn co giật dạng myoclonic gây ra do
động kinh. Một trong những vấn đề chính cần phải giải quyết trong luận văn này là
phân tích dữ liệu thu thập được từ cảm biến trang bị trên thiết bị di động thông minh
để phân loại tín hiệu nào tạo ra bởi cơn co giật do động kinh và tín hiệu nào tạo ra
bởi các hoạt động thông thường. Sau khi phân biệt được nguồn gốc của tín hiệu thì
bước kế tiếp là phát sinh ra cảnh báo trong trường hợp có động kinh xảy ra. Cảnh
báo có thể được tạo ra bằng nhiều cách khác nhau. Vì đây không phải là bài toán
chính trong luận văn này, nên cảnh báo được hiện thực đơn giản bằng việc phát ra
âm thanh mặc định.
Do giới hạn về mặt thời gian và trình độ nghiên cứu, cũng như giới hạn về mặt
tiếp cận người bệnh động kinh trong thực tế, nên luận văn này chỉ giải quyết bài
toán phát hiện cơn co giật do động kinh trong phạm vi sau:
o Loại động kinh cần được phát hiện thuộc dạng myoclonic, trong đó cơn
co giật xảy ra ở chi trên bệnh nhân.
o Bệnh nhân được giả sử mang thiết bị trên tay của mình trong suốt thời
gian giải thuật hoạt động. Giả sử này sẽ mang tính thực tế hơn trong
trường hợp thiết bị sử dụng là đồng hồ thông minh. Tuy nhiên, do việc
tiếp cận thiết bị và lập trình trên đồng hồ thông minh còn một số khó
khăn, nên luận văn này sử dụng điện thoại di động thông minh.
o Thiết bị di động thông minh được sử dụng trong luận văn này chạy trên
hệ điều hành Android phiên bản 4.2 trở lên. Việc chọn phiên bản này làm
phiên bản tối thiểu mà giải pháp hỗ trợ đảm bảo có trên 90% thiết bị


10

Android tương thích với giải pháp đề xuất. Hệ điều hành Android được
lựa chọn để làm nền tảng phát triển do tính phổ biến của nó. Còn kỹ thuật
phát hiện cơn co giật do động kinh độc lập với hệ điều hành nên có thể
hiện thực trên các hệ điều hành khác trong tương lai.
o Việc tiến hành thí nghiệm và đánh giá kỹ thuật đề xuất được tiến hành
dưới dạng giả lập. Cụ thể hơn, những đoạn video được chia sẻ công cộng
trên mạng Internet về cơn co giật myoclonic sẽ được chiếu cho những
người tình nguyện xem. Sau đó những người tình nguyện sẽ mang thiết bị
trên tay và thực hiện lại những gì đã được xem để xem khả năng nhận
dạng của kỹ thuật đề xuất.
o Khi phát hiện được có hiện tượng co giật do động kinh xảy ra, ứng dụng
trên thiết bị di động sẽ đưa ra cảnh báo dưới dạng phát một file âm thanh
được cài đặt sẵn trên thiết bị.

Giới thiệu cấu trúc luận văn
Phần còn lại của luận văn sẽ bao gồm các nội dung sau:
Chương 1: Chương này sẽ trình bày những kiến thức nền tảng và những
nghiên cứu liên quan đến bài toán cần giải quyết. Cụ thể hơn, phần thứ nhất của
chương được sử dụng để nói về những kỹ thuật phát hiện cơn co giật đã được
nghiên cứu trên thế giới. Phần thứ nhì trong chương sẽ bàn về phương pháp và quy
trình phát triển ứng dụng trên thiết bị di động Android. Trong phần cuối cùng của
chương, việc xử lý tín hiệu cảm biến trong Android sẽ được giới thiệu.
Chương 2: Chương 2 được dùng để mô tả cách tiếp cận của luận văn đối với
bài toán phát hiện cơn co giật do động kinh gây ra. Trong đó, phần đầu tiên trình
bày về nguyên lý chung để phát hiện cơn co giật. Phần kế tiếp trả lời những câu hỏi
chi tiết về việc thu thập dữ liệu, xử lý và phân tích dữ liệu, cũng như giải thuật để
đưa ra kết luận có hay không xảy ra cơn co giật dạng myoclonic.
Chương 3: Chương này mô tả tổng quan về ứng dụng phát hiện cơn co giật do
động kinh dựa trên kỹ thuật đề xuất trong chương 2. Chương này có 2 phần chính.
Phần thứ nhất mô tả chung về kiến trúc ứng dụng và chức năng, nhiệm vụ của các


11

thành phần trong đó. Phần thứ hai mô tả về cách thức hoạt động của một số thành
phần quan trọng đã mô tả trong kiến trúc ứng dụng.
Chương 4: Chương 4 được dùng để mô tả về những thí nghiệm đã tiến hành,
kết quả của những thí nghiệm đó, và phân tích, thảo luận về kết quả đạt được. Phần
đầu của chương 4 trình bày cách thức thiết lập môi trường thí nghiệm, phương pháp
tiến hành thí nghiệm. Phần thứ nhì trình bày kết quả của từng thí nghiệm. Và phần
cuối chương thảo luận tương ứng về những kết quả đó.
Kết luận: Chương này trình bày tổng kết về luận văn và có 3 mục chính. Mục
thứ nhất nói về những đóng góp mà luận văn đã thực hiện. Phần thứ nhì đề cập đến
những hạn chế mà luận văn còn chưa giải quyết được. Phần cuối cùng của chương
được dùng để bàn về hướng phát triển trong tương lai của luận văn.


12

Chương 1 Kiến thức nền tảng
1.1 Các phương pháp phát hiện cơn co giật do động kinh
Vì động kinh là bệnh sinh ra do sự rối loạn hoạt động của các tín hiệu điện
não, nên một trong những phương pháp chính xác và hiệu quả nhất được sử dụng để
phát hiện cơn động kinh (có thể có co giật hoặc không có co giật) là phân tích tín
hiệu điện não thu được từ điện não đồ (Electroencephalogram - EEG). Ích lợi của
việc phân tích tín hiệu điện não là không chỉ giúp phát hiện cơn động kinh đang xảy
ra mà còn có thể dự đoán được cơn động kinh trong tương lai.
Trong nghiên cứu được thực hiện bởi Qu và Gotman [4], một kỹ thuật phân
loại đã được phát triển để phát hiện sớm khả năng xảy ra động kinh: dự đoán xem
người bệnh sẽ xảy ra động kinh hay không. Kỹ thuật phân loại được xây dựng để có
những tham số hoạt động khác nhau cho từng bệnh nhân. Để làm được điều này,
trước tiên tín hiệu điện não trong một khoảng thời gian dài của từng bệnh nhân
được thu thập. Trong khoảng thời gian đó, bệnh nhân có những lúc trải qua cơn
động kinh và những lúc bình thường. Kết quả (lên cơn hoặc bình thường) được
đánh dấu cho từng đầu ra, còn dữ liệu đầu vào chính là tín hiệu điện não. Giải thuật
học dựa trên độ đo khoảng cách “láng giềng gần nhất” (nearest-neighbour) được
chạy trên tập dữ liệu đầu vào – kết quả để có được các tham số học cho riêng từng
người bệnh. Sau đó, những tham số này được dùng trong giải thuật phân loại để xác
định khả năng sắp xảy ra động kinh của từng người bệnh khi có được tín hiệu điện
não trong thời điểm hiện tại của họ. Kết quả thí nghiệm cho thấy phương pháp này
mang lại độ chính xác khá cao: với 12 người bệnh tình nguyện tham gia thí nghiệm,
độ chính xác dự đoán cơn động kinh là 100% với thời gian dự đoán trung bình là
khoảng 10 giây trước khi cơn động kinh xảy ra. Tuy nhiên, phương pháp này đòi
hỏi người bệnh phải tham gia quá trình huấn luyện trước, nếu không thì các tham số
học được không chính xác cho riêng họ.
Trong một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Exarchos và các cộng sự [1],
tín hiệu điện não được tự động phân loại thành các sự kiện khác nhau bằng kỹ khai
phá luật kết hợp (association rule mining) và phân loại (classification). Nghiên cứu
đã nhận dạng được 4 loại sự kiện khác nhau của tín hiệu điện não, trong đó bao


13

gồm: epileptic spikes, muscle activity, eye blinking activity, và sharp alpha activity.
Việc phân loại tín hiệu điện não đồ thành các nhóm sự kiện khác nhau là một bước
quan trọng để từ đó nhận ra mối liên quan giữa từng sự kiện và cơn động kinh của
người bệnh. Hoạt động của kỹ thuật phân loại này bao gồm 4 giai đoạn: phát hiện
sự kiện; gom nhóm sự kiện và rút trích đặc trưng; rời rạc hóa và lựa chọn tập con
trong tập đặc trưng; khai phá luật kết hợp và phân loại sự kiện. Hình 1.1 là sơ đồ về
các giai đoạn hoạt động của kỹ thuật mô tả trong [1].

Hình 1.1 Quy trình hoạt động của kỹ thuật đề xuất trong [1].
Cũng sử dụng tín hiệu điện não EEG, nhưng nghiên cứu của Tzallas và các
cộng sự lại dùng kỹ thuật phân tích thời gian – tần số (time – frequency analysis)
trên các phân bố mật độ phổ năng lượng (power spectrum density – PSD) để phát
hiện cơn động kinh [5]. Nói một cách đơn giản, trong kỹ thuật này, tín hiệu điện não
được chia thành từng cửa sổ, mỗi cửa sổ là một không gian 2 chiều: thời gian và tần
số. Mỗi cửa sổ chứa thông tin về sự phân bố năng lượng trên từng điểm trong đó.


14

Sự phân bố năng lượng chính là thông tin đặc trưng cho từng cửa sổ. Mỗi cửa sổ lại
ứng với sự kiện có hoặc không có cơn động kinh. Thông qua kỹ thuật mạng thần
kinh nhân tạo (artificial neuron network), có thể học được sự liên hệ giữa đầu vào
(cửa sổ phân bố năng lượng) và đầu ra (có hay không có cơn động kinh). Hình 1.2
minh họa sự phân bố năng lượng trong cửa sổ thời gian – tần số.

Hình 1.2 Phân bố năng lượng trong cửa sổ thời gian – tần số [11].
Nhìn chung, các nghiên cứu phát hiện cơn động kinh bằng cách sử dụng tín
hiệu điện não mang lại độ chính xác cao, nhưng điểm hạn chế là không thích hợp để
sử dụng trong điều kiện gia đình. Hạn chế thứ nhì là rất khó thực hiện việc thu thập
dữ liệu liên tục mà vẫn đảm bảo sinh hoạt bình thường của người bệnh. Vì vậy, hiện
tại đang có những cách tiếp cận khác, phù hợp hơn để triển khai ở gia đình, chấp
nhận một kết quả thiếu chính xác hơn, hoặc chỉ giới hạn ở một nhóm động kinh xác
định nào đó.
Một ví dụ là nghiên cứu của Nijsen và các cộng sự [3]. Trong đó, tín hiệu gia
tốc thu thập được từ hoạt động của cơ thể của người bệnh được dùng để phát hiện
cơn động kinh có co giật dạng myoclonic. Trong nghiên cứu này, các tác giả cũng
dùng những kỹ thuật phân tích tần số thời gian – tần số để rút trích đặc trưng từ dữ
liệu gia tốc thu thập được. Kỹ thuật đề xuất này có ưu điểm là những người tham
gia huấn luyện hệ thống (15 người trong thí nghiệm đã tiến hành) và những người
tham gia thử nghiệm khả năng nhận dạng của hệ thống (21 người trong thí nghiệm
đã tiến hành) có thể khác nhau. Ưu điểm thứ nhì là dữ liệu gia tốc có thể được thu


15

thập dễ dàng với các thiết bị sẵn có hơn là dữ liệu điện não. Hình 1.3 cho thấy dạng
của tín hiệu gia tốc thu thập được trong những trường hợp khác nhau, và có thể
dùng để nhận biết co giật myoclonic.

Hình 1.3 Tín hiệu gia tốc trong những trường hợp khác nhau [3]: (a) có co giật
dạng myoclonic đơn lẻ; (b) co giật dạng myoclonic xảy ra chung với những hoạt
động khác; (c) hoạt động diễn ra chậm; (d) không phải myoclonic nhưng cũng có
đỉnh nhọn.
Cách tiếp cận của luận văn này cũng sử dụng dữ liệu gia tốc thu thập được từ
cảm biến trang bị sẵn trên thiết bị di động thông minh để phát hiện cơn co giật do
động kinh. Tuy vậy, khác với nghiên cứu [3], trong đó việc phát hiện cơn co giật
được thực hiện off-line, mục tiêu của kỹ thuật phát triển trong luận văn này là phát
hiện cơn co giật trong thời gian thực (real-time). Thiết bị sử dụng để thu thập dữ
liệu là một điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android và được giả sử là
mang trên tay người bệnh trong suốt quá trình kỹ thuật hoạt động.


16

1.2 Phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android
Phiên bản đầu tiên của hệ điều hành Android (phiên bản alpha) được ra đời
vào ngày 5/11/2007 [17]. Tuy nhiên, đến tháng 9/2008 phiên bản thương mại đầu
tiên 1.0 mới được ra đời. Sau đó, Android được tiếp tục phát triển bởi cả Google lẫn
Open Handset Alliance. Kể từ phiên bản 1.5, ngoài số phiên bản ra, mỗi phiên bản
còn có một tên mã đi kèm, và tên mã được đặt theo thứ tự tăng dần của bảng chữ
cái. Bảng 1.1 liệt kê các phiên bản Android từ phiên bản đầu tiên cho đến phiên bản
gần đây nhất được công bố vào tháng 8/2016.
Bảng 1.1 Các phiên bản Android theo thứ tự thời gian
Tên mã

Số phiên bản

Ngày phát

Mức hỗ trợ (API

hành

level)

1.0

23/9/2008

1

1.1

9/2/2009

2

Cupcake

1.5

27/4/2009

3

Donut

1.6

15/9/2009

4

Eclair

2.0 – 2.1

26/10/2009

5–7

Froyo

2.2 – 2.2.3

20/5/2010

8

Gingerbread

2.3 – 2.3.7

6/12/2010

9 – 10

Honeycomb

3.0 – 3.2.6

22/2/2011

11 – 13

Ice Cream Sandwich

4.0 – 4.0.4

18/10/2011

14 – 15

Jelly Bean

4.1 – 4.3.1

9/7/2012

16 – 18

KitKat

4.4 – 4.4.4

31/10/2013

19

Lollipop

5.0 – 5.1.1

12/11/2014

21 – 22

Marshmallow

6.0 – 6.0.1

5/10/2015

23

Nougat

7.0 – 7.1.1

22/8/2016

24 – 25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×