(Luận Văn Thạc Sĩ) Theo Dõi Nhịp Thở Bằng Phương Pháp Học Sâu.pdf

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

VŨ VĂN HUY

THEO DÕI NHỊP THỞ

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỌC SÂU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2019

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

VŨ VĂN HUY

THEO DÕI NHỊP THỞ

BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỌC SÂU

CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÁY TÍNH

MÃ SỐ : 8.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS. PHẠM VĂN CƯỜNG

HÀ NỘI – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là thành quả của quá trình học tập nghiên cứu của em cùng sự

giúp đỡ, khuyến khích của các quý thầy cô sau hai năm theo học chương trình đào

tạo Thạc sỹ, chuyên ngành Khoa học máy tính của trường Học viện Công nghệ Bưu

chính Viễn thông.

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng. Nội dung của luận

văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí

được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo và được trích dẫn hợp pháp.

Tác giả

(Ký và ghi rõ họ tên)

Vũ Văn Huy

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài học tập và nghiên cứu, cuối cùng em cũng đã hoàn thành

luận văn tốt nghiệp này, đây là dịp tốt nhất để em có thể bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

đến mọi người.

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phạm Văn Cường, đã tận hình hướng

dẫn, định hướng cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Thầy đã cho em những

lời khuyên quý báu giúp em hoàn thành tốt luận văn.

Em xin cảm ơn Khoa Sau Đại học, Khoa Công Nghệ Thông Tin – Học viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông, cảm ơn các thầy cô trong khoa đã tận tình giảng

dạy, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua, giúp

cho em có một nền tảng kiến thức vững chắc để thực hiện luận văn cũng như nghiên

cứu học tập sau này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, anh, chị, những người đã

giúp đỡ, khích lệ cũng như phê bình, góp ý, giúp tôi hoàn thành khóa luận một cách

tốt nhất.

Hà Nội, tháng 02 năm 2019

Vũ Văn Huy

i

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ ................................................................................ v

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 4

1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 4

1.2 Tổng quan vấn đề theo dõi sức khỏe bằng nhịp thở ......................................... 5

1.2.1 Tổng quan ................................................................................................... 5

1.2.2 Bài toán theo dõi nhịp thở dựa vào dữ liệu âm thanh ................................ 7

1.3 Một số nghiên cứu liên quan ............................................................................. 9

1.3.1 Phát hiện âm thanh hô hấp dựa trên trích chọn đặc trưng .......................... 9

1.3.2 Phân loại các giai đoạn của giấc ngủ dựa trên nhịp thở ........................... 16

1.3.3 Đánh giá ................................................................................................... 21

1.4 Kết chương ...................................................................................................... 22

Chương 2. KỸ THUẬT HỌC SÂU CHO BÀI TOÁN THEO DÕI NHỊP THỞ ..... 23

2.1 Tổng quan về Học sâu ..................................................................................... 23

2.1.1 Mối quan hệ giữa trí tuệ nhân tạo, học máy và học sâu ........................... 23

2.1.2 Sự phát triển của Học sâu ......................................................................... 26

2.1.3 Ứng dụng của Học sâu ............................................................................. 30

2.2 Long short term memory ................................................................................. 31

2.2.1 Mạng nơ-ron Hồi quy ............................................................................... 31

2.2.2 Mạng nơ-ron LSTM ................................................................................. 33

2.3 Áp dụng LSTM cho bài toán theo dõi nhịp thở .............................................. 35

2.3.1 Các bước nhận dạng nhịp thở .................................................................. 36

2.3.2 Thu thập dữ liệu nhịp thở ......................................................................... 37

2.3.3 Lọc tín hiệu nhiễu..................................................................................... 40

2.3.4 Trích chọn frame chứa dữ liệu nhịp thở ................................................... 43

ii

2.3.5 Chuẩn hóa dữ liệu .................................................................................... 44

2.3.6 Tạo LSTM Model .................................................................................... 46

2.4 Kết chương ...................................................................................................... 51

Chương 3. THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG

ĐẾM NHỊP THỞ ...................................................................................................... 52

3.1 Thử nghiệm ..................................................................................................... 52

3.1.1 Độ đo đánh giá ......................................................................................... 52

3.1.2 Bộ dữ liệu thử nghiệm .............................................................................. 55

3.1.3 Kết quả thực nghiệm ................................................................................ 56

3.2 Đánh giá .......................................................................................................... 57

3.3 Xây dựng ứng dụng đếm nhịp thở .................................................................. 58

3.3.1 Mô hình triển khai hệ thống ..................................................................... 58

3.3.2 Xây dựng ứng dụng đếm nhịp thở ........................................................... 59

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65

PHỤ LỤC .................................................................................................................. 68

iii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT Từ viết tắt Tiếng Viêt ̣ Tiếng Anh

1 DL Học sâu Deep Learning

2 ML Học máy Machine Learning

3 AI Trí tuệ nhân tạo Artificial Intelligence

4 TH1 Trường hợp 1

5 TH2 Trường hợp 2

6 TH3 Trường hợp 3

7 TH4 Trường hợp 4

8 (+) Nhãn dữ liệu là nhịp thở

9 (-) Nhãn dữ liệu không là nhịp thở

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Một mẫu dữ liệu PFT và ý nghĩa các đại lượng [6] ................................... 6

Bảng 1-2: Nhịp thở qua từng giai đoạn giấc ngủ [19] .............................................. 19

Bảng 1-3: Nhiệt độ cơ thể qua từng giai đoạn giấc ngủ [20] .................................... 19

Bảng 2-1: So sánh kết quả thử nghiệm lấy mẫu dữ liệu âm thanh ........................... 38

Bảng 2-2: Thông số kỹ thuật bộ micro không dây FM XXD-18 .............................. 39

Bảng 2-3: Các phương trình xử lý nhiễu của bộ lọc Kalman ................................... 42

Bảng 2-4: Thời gian tạo model phụ thuộc vào độ dài lấy mẫu dữ liệu ..................... 45

Bảng 3-1: Ma trận nhầm lẫn trong phân loại lớp đối tượng ..................................... 52

Bảng 3-2: Kết quả thử nghiệm .................................................................................. 56

Bảng 3-3: Cấu hình phần cứng sử dụng trong thực nghiệm ..................................... 60

Bảng 3-4: Yêu cầu phần mềm cài đặt để chạy ứng dụng .......................................... 60

Bảng 3-5: Kết quả thử nghiệm ứng dụng đếm nhịp thở.......................................... 604