Tài liệu Luận án tiến sĩ nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim dựa trên giải pháp loại bỏ ảnh hưởng từ nhịp thở của người bệnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC THẢO NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM DỰA TRÊN GIẢI PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG TỪ NHỊP THỞ CỦA NGƯỜI BỆNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC THẢO NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM DỰA TRÊN GIẢI PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG TỪ NHỊP THỞ CỦA NGƯỜI BỆNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những hướng dẫn của PGS.TSKH. Trần Hoài Linh và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày……tháng……năm 2016 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH NGUYỄN ĐỨC THẢO ­i­ LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp ­ Viện Điện ­ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH.Trần Hoài Linh. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TSKH.Trần Hoài Linh đã tận tình hướng dẫn về học thuật, kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS.Phạm Thị Ngọc Yến, PGS.TS.Nguyễn Quốc Cường và Hội đồng Khoa học Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp ­ Viện Điện ­ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp ­ Viện Điện ­ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các đồng nghiệp khoa Điện tử ­ Tin học ­ Trường Đại học Sao Đỏ và gia đình luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ, Ban Giám hiệu và Viện Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Đức Thảo ­ ii ­ Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... ii MỤC LỤC....................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ix MỞ ĐẦU...........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu....................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................................3 5. Tiêu chí chọn dữ liệu và phương pháp đánh giá kết quả................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................4 6.1. Ý nghĩa khoa học..................................................................................................4 6.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................4 7. Những đóng góp của luận án ........................................................................................4 8. Bố cục của luận án .......................................................................................................5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ TRONG TÍN HIỆU ECG...................................................................................................................................6 1.1. Hệ tim mạch..............................................................................................................6 1.1.1. Trái tim .............................................................................................................6 1.1.2. Hệ thống dẫn truyền của tim ..............................................................................7 1.1.3. Tín hiệu ECG ....................................................................................................8 1.1.4. Các chuyển đạo ECG.........................................................................................9 1.2. Hệ hô hấp................................................................................................................10 1.2.1. Cấu trúc của phổi..............................................................................................11 1.2.2. Các động tác của hệ hô hấp..............................................................................11 1.3. Một số ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG .................................................12 1.3.1. Rối loạn nhịp tim.............................................................................................12 ­ iii ­ Mục lục 1.3.2. Điều chế biên độ tín hiệu ECG ........................................................................13 1.3.3. Trôi dạt đường cơ sở........................................................................................13 1.4. Một số phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG ................14 1.5. Định hướng của luận án...........................................................................................15 1.5.1. Kịch bản 1 (Kịch bản cơ sở để so sánh) ...........................................................18 1.5.2. Kịch bản 2 .......................................................................................................18 1.5.3. Kịch bản 3 .......................................................................................................18 1.5.4. Kịch bản 4 .......................................................................................................19 1.6. Các cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án..........................................................19 1.7. Kết luận chương 1 ...................................................................................................23 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ VÀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG........................................................................24 2.1. Tổng quan một số phương pháp sử dụng bộ lọc thông cao ..................................24 2.2. Wavelet và ứng dụng wavelet trong phân tích tín hiệu.............................................28 2.2.1. Phép biến đổi wavelet......................................................................................28 2.2.2. Thuật toán wavelet rời rạc ..............................................................................30 2.3. Hàm Hermite và ứng dụng trong phân tích tín hiệu..................................................31 2.4. Mạng nơ­ron logic mờ TSK ....................................................................................32 2.4.1. Quy tắc suy luận TSK.....................................................................................32 2.4.2. Mô hình mạng Nơ­ron logic mờ TSK ..............................................................34 2.4.3. Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK.........................................................36 2.5. Kết luận chương 2 ...................................................................................................38 CHƯƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ TRONG TÍN HIỆU ECG.................................................................................................39 3.1. Ứng dụng wavelets loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG ..................39 3.2. Sử dụng các đặc tính từ nhịp thở tức thời nhằm năng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG .........................................................................................................................44 3.3. Thu thập tín hiệu nhịp thở .......................................................................................45 3.4. Kết luận chương 3 ...................................................................................................50 CHƯƠNG IV: TRÍCH CHỌN ĐẶC TRƯNG VÀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG BẰNG MẠNG TSK ....................................................................................................................51 4.1. Cơ sở dữ liệu...........................................................................................................51 ­ iv ­ Mục lục 4.2. Ứng dụng SVD để phân tích tín hiệu ECG theo các hàm Hermite............................52 4.3. Ứng dụng mô hình nhận dạng TSK trong bài toán nhận dạng tín hiệu ECG.............54 4.3.1. Xây dựng các bộ số liệu...................................................................................54 4.3.1.1. Cơ sở dữ liệu MIT­BIH......................................................................54 4.3.1.2. Cơ sở dữ liệu MGH/MF .....................................................................57 4.3.2. Xây dựng mô hình nhận dạng ..........................................................................59 4.3.3. Kết quả nhận dạng tín hiệu ECG......................................................................61 4.3.3.1. Các thử nghiệm dạng MIT/16­16 cho kịch bản 1 và kịch bản 2: .........61 4.3.3.2. Các thử nghiệm dạng MGH/20­20 cho cả 4 kịch bản nhận dạng:.......63 4.3.3.3. Các thử nghiệm dạng MGH/15­5 cho kịch bản 1 và kịch bản 2: .........68 4.3.3.4. Các thử nghiệm dạng MGH/19­1 cho kịch bản 1 và kịch bản 2: .........69 4.4. Kết luận chương 4 ...................................................................................................71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................72 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................74 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............................84 Phụ lục A: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 khi sử dụng bộ lọc thông cao loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở. .......................................................................85 Phụ lục B: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình khi sử dụng bộ lọc wavelet loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở. .......................................................87 ­v­ Danh mục các từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A Premature Atrial Contractions Ngoại tâm thu nhĩ AV Atrioventricular Nút nhĩ thất BW Baseline Wander Trôi dạt đường cơ sở CORR Cross­corelation Coeffcient Hệ số tương quan chéo CWT Continuous Wavelet Transform Biến đổi wavelet liên tục DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc E Ventricular Escape Beat Tâm thất lỗi nhịp ECG Electrocardiogram Điện tim đồ EMD Empirical Mode Decomposition Phân tích thực nghiệm FastICA FastICA algorithm Thuật toán ICA nhanh FIR Finite Impulse Response Filter Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn FN False Negative Chẩn đoán âm tính sai FP False Positive Chẩn đoán dương tính sai HD High Pass Filter for Decomposition Phân tích bằng bộ lọc thông cao HR High Pass Filter for Reconstruction Tổng hợp bằng bộ lọc thông cao PRD Percent Root Mean Square Difference Phần trăm trung bình bình phương sai lệch I Ventricular Flutter Wave Rung thất ICA Independent Component Analysis Phân tích thành phần độc lập IIR Infinite Impulse Response Filter Bộ lọc có đáp ứng xung vô hạn IMFs Intrinsic Mode Functions Kiểu hàm nội suy ­ vi ­ Danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt IWT Inverse Wavelet Transform Biến đổi Wavelet ngược kPCA Kernel Principal Component Analysis Thành phần chính cốt lõi L Left Bundle Branch Block Beat Block nhánh trái LD Low Pass Filter for Decomposition Phân tích bằng bộ lọc thông thấp LMS Least Mean Squares Trung bình bình phương nhỏ nhất LR Low Pass Filter for Reconstruction Tổng hợp bằng bộ lọc thông thấp MEM Mean­Median Filter Bộ lọc trung bình trung tâm MIT-BIH MIT­BIH Arrhythmia Database Cơ sở dữ liệu MIT­BIH MGH/MF MGH/MF Waveform Database Cơ sở dữ liệu MGH/MF MLP Multi­Layer Perceptron Network Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp PAP Pulmonary Arterial Pressure Áp suất động mạch phổi PCA Principal Component Analysis Phân tích theo thành phần chính QRS QRS Complex Phức bộ QRS R Right Bundle Branch Block Beat Block nhánh phải RES Respiratory Impedance Trở kháng đường hô hấp RSA Respiratory Sinus Arrhythmia Rối loạn nhịp xoang S Supraventricular Premature Beat Loạn nhịp thất trên SA Sinoatrial Nút xoang nhĩ SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SVD Singular Value Decomposition Phân tích theo các giá trị kỳ dị TSK Takaga – Sugeno – Kang neuro fuzzy Mạng nơ­ron logic mờ TSK network (Takaga – Sugeno – Kang) V Premature Ventricular Contraction ­ vii ­ Ngoại tâm thu thất Danh mục các bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các trường hợp thử nghiệm phục vụ các kịch bản nhận dạng ...........................22 Bảng 3.1: Tính toán tần số trung tâm để xác định mức phân tích phù hợp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG ở tần số lấy mẫu 360Hz ......................................40 Bảng 3.2: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở sử dụng thành phần A8 và A9 khi sử dụng các họ wavelet bậc 4 và bộ lọc Butterworth_2 – Thử nghiệm 1...................................................................................41 Bảng 3.3: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở sử dụng thành phần A8 và A9 khi sử dụng các họ wavelet bậc 4 và bộ lọc Butterworth_2 – Thử nghiệm 2...................................................................................41 Bảng 3.4. Kết quả đếm số nhịp thở trong 10 lần thử nghiệm.............................................50 Bảng 4.1. Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 7 loại nhịp ..................55 Bảng 4.2. Bảng phân chia số lượng mẫu của 3 loại nhịp...................................................58 Bảng 4.3. Bảng phân chia số lượng mẫu cho thử nghiệm dạng MGH/20­20 .....................59 Bảng 4.4. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 1.1 ..........62 Bảng 4.5. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 2.1 ..........62 Bảng 4.6. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 1.2 ..........64 Bảng 4.7. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 2.2 ..........65 Bảng 4.8. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 3.2 ..........65 Bảng 4.9. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 4.2 ..........66 Bảng 4.10. Kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của hai thử nghiệm dạng MGH/15­5........68 Bảng 4.11. Kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của hai thử nghiệm dạng MGH/19­1........70 Bảng A.1: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Butterworth_2..........................85 Bảng A.2: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Kaiser_56 ................................85 Bảng A.3: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Kaiser_255...............................86 Bảng A.4: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Rectang _100 ...........................86 Bảng B.1.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Biorthogonal – Thử nghiệm 187 Bảng B.1.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Biorthogonal – Thử nghiệm 288 Bảng B.2.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Coiflets – Thử nghiệm 1 .......89 Bảng B.2.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Coiflets – Thử nghiệm 2 .......89 Bảng B.3.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Daubechies – Thử nghiệm 1..90 Bảng B.3.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Daubechies – Thử nghiệm 2..91 Bảng B.4.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Symlets – Thử nghiệm 1 .......92 Bảng B.4.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Symlets – Thử nghiệm 2 .......93 ­ viii ­ Danh mục các hình vẽ, đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc giải phẫu của tim ..................................................................................6 Hình 1.2: Hệ thống dẫn truyền của tim...............................................................................7 Hình 1.3: Mẫu các dạng sóng khác nhau hình thành nên tín hiệu ECG ...............................8 Hình 1.4: Mẫu tín hiệu ECG và các điểm đặc trưng chính ..................................................8 Hình 1.5: Ba chuyển đạo I, II, III bố trí theo tam giác Eithoven.........................................9 Hình 1.6: Ba chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường (aVF, aVL, aVF) ...........................10 Hình 1.7: Sáu chuyển đạo trước tim (V1, V2, V3, V4, V5, V6)........................................10 Hình 1.8: Cấu trúc giải phẫu của phổi ............................................................................11 Hình 1.9: Các động tác của quá trình hô hấp ...................................................................12 Hình 1.10: Tín hiệu ECG có khoảng R­R thay đổi và tín hiệu nhịp thở............................13 Hình 1.11: Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và tín hiệu nhịp thở ....................................13 Hình 1.12: Tín hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở và tín hiệu nhịp thở ..............................14 Hình 1.13: Sơ đồ khối mô hình tổng quát thực hiện các giải pháp đề xuất của luận án.....16 Hình 1.14: Sơ đồ khối kịch bản 1(kịch bản cơ sở) nhận dạng tín hiệu ECG bằng mạng TSK ........................................................................................................................................18 Hình 1.15: Sơ đồ khối kịch bản 2 nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG đã lọc bằng wavelet ............................................................................................................................18 Hình 1.16: Sơ đồ khối kịch bản 3 nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG sử dụng thêm 2 đặc tính từ nhịp thở (không lọc ECG bằng wavelet) ......................................................19 Hình 1.17: Sơ đồ khối kịch bản 4 nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG đã được lọc bằng wavelet và sử dụng thêm 2 đặc tính từ nhịp thở .......................................................19 Hình 1.18: Một số ví dụ tín hiệu ECG bị ảnh hưởng của nhịp thở trong cơ sở dữ liệu MIT­ BIH: a) Tín hiệu ECG bị rối loại nhịp tim, b) Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và c) Tín hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở .....................................................................................20 Hình 1.19: Một số ví dụ tín hiệu ECG bị ảnh hưởng của nhịp thở trong cơ sở dữ liệu MGH/MF: a) Tín hiệu ECG bị rối loại nhịp tim, b) Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và c) Tín hiệu ECG bị trôi dạt dường cơ sở...............................................................................21 Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình khi sử dụng các bộ lọc thông cao –Thử nghiệm 1 ....................................................26 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình khi sử dụng các bộ lọc thông cao –Thử nghiệm 2 ...................................................26 ­ ix ­ Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 2.3: Tín hiệu ECG gốc (a), tín hiệu ECG bị ảnh hưởng của nhịp thở (b) và tín hiệu ECG được loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở bằng các bộ lọc thông cao (c,d,e,f).................27 Hình 2.4: Cấu trúc các bước phân tích tín hiệu thành các thành phần “chi tiết” và “xấp xỉ“ ........................................................................................................................................30 Hình 2.5: Đồ thị của hàm Hermite bậc N khác nhau.........................................................31 Hình 2.6: Mạng nơron mờ TSK một đầu ra ......................................................................35 Hình 3.1: Một số họ wavelet được sử dụng để phân tích tín hiệu......................................39 Hình 3.2: Tín hiệu nhịp thở (a), tín hiệu ECG bị điều chế biên độ (b), thành phần A8 (c), tín hiệu ECG được loại bỏ nhịp thở bằng họ Coif4 (d), tín hiệu nhịp thở và thành phần A8 (e) ........................................................................................................................................42 Hình 3.3: Tín hiệu nhịp thở (a), tín hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở (b), thành phần A8 (c), tín hiệu ECG được loại bỏ nhịp thở bằng họ Coif4 (d), tín hiệu nhịp thở và thành phần A8 (e) ...............................................................................................................................43 Hình 3.4: Xác định biên độ nhịp thở tức thời tại đỉnh R của nhịp tim đang nhận dạng .....44 Hình 3.5: Xác định đỉnh nhịp thở và tính toán chu kỳ của nhịp thở..................................45 Hình 3.6: Mẫu tín hiệu nhịp thở .....................................................................................45 Hình 3.7: Sự bất đối xứng biên độ tín hiệu giữa hít vào, thở ra .........................................45 Hình 3.8: Sơ đồ khối mạch thu thập tín hiệu nhịp thở.......................................................47 Hình 3.9: Cấu trúc của cảm biến gia tốc MMA8451Q ......................................................47 Hình 3.10: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ...............................48 Hình 3.11a: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ở trạng thái thở thường .............................................................................................................................48 Hình 3.11b: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ở trạng thái thở chậm................................................................................................................................48 Hình 3.11c: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ở trạng thái thở nhanh...............................................................................................................................49 Hình 3.12: Tín hiệu tách ra từ 3 trục của cảm biến gia tốc bằng thành phần A8 .................49 Hình 4.1: Xấp xỉ tín hiệu ECG bằng N bậc đầu tiên của hàm Hermite .............................53 Hình 4.2: Một số mẫu phức bộ QRS của các loại nhịp A, E, L, R, I và V của tín hiệu ECG ........................................................................................................................................56 Hình 4.3: Một số mẫu phức bộ QRS của các loại nhịp S và V của tín hiệu ECG..............57 Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát số luật TSK của các thử nghiệm MIT/16­16..61 Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát số luật TSK của các thử nghiệm MGH/20­2064 ­x­ Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và điện tử đã và đang đem lại nhiều hiệu quả trong đời sống xã hội. Trong y học, công nghệ thông tin và điện tử đã đem lại nhiều ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe con người. Mặt khác các bác sĩ luôn cần có các thông tin càng chính xác càng tốt cho các công tác chẩn đoán, xác định bệnh, điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh. Tín hiệu nhịp thở và điện tim (ECG ­ ElectroCardioGraph) là hai tín hiệu y sinh cơ bản và quan trọng được sử dụng để xác định tình trạng sức khỏe của một người [72]. Tín hiệu ECG là nguồn thông tin quý giá để xác định các bệnh lý về tim mạch [98]. Tuy nhiên với đặc thù tín hiệu ECG thường có biên độ nhỏ và dễ bị ảnh hưởng của nhiều thành phần nhiễu khác nhau như: nhiễu do nguồn điện lưới, do các điện cực tiếp xúc kém với bề mặt cơ thể của bệnh nhân, do sự thay đổi cảm xúc của bệnh nhân, do quá trình hô hấp và chuyển động của bệnh nhân… Hiện nay phương pháp thu thập tín hiệu ECG vẫn được thực hiện bằng cách đo sự chênh lệch điện áp của cặp điện cực gắn trên người bệnh. Vì vậy khi ta hít thở làm thay đổi thể tích của lồng ngực dẫn đến thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa điện cực – bề mặt cơ thể của người bệnh và véctơ trục điện tim dẫn đến làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ECG đưa về mạch thu thập [21, 27, 29, 31, 38, 40, 49, 56, 70, 94]. Đồng thời lưu lượng không khí trong quá trình hít thở cũng làm thay đổi nồng độ Oxygen trong máu, từ đó dẫn tới các thay đổi trong tín hiệu ECG [47]. Nhận dạng tín hiệu ECG là một trong những vấn đề kỹ thuật vẫn đang được tiếp tục quan tâm, đầu tư nghiên cứu hiện nay do đây là một vấn đề khó, yêu cầu độ chính xác và độ tin cậy ngày càng cao hơn. Một trong những nguyên nhân gây khó khăn cho nhận dạng tín hiệu ECG là sự ảnh hưởng bởi quá trình chuyển động của người bệnh đặc biệt là các hoạt động của quá trình hô hấp gây ra. Đã có nhiều nghiên cứu ở nước ngoài đề xuất loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở trong tín hiệu ECG [10, 17, 21, 49, 61, 76, 94, 96]. Tại Việt Nam cũng đã có một số công trình như trong luận án của TS. Hoàng Mạnh Hà đề xuất các phương pháp thích nghi trong lọc nhiễu tín hiệu ECG và luận án của TS. Vương Hoàng Nam đề xuất phương pháp phân tích thành phần độc lập để loại bỏ nhiễu trong tín hiệu ECG (tuy nhiên hai luận án này chưa đề cập đến ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG và giải pháp loại bỏ sự ảnh hưởng này). Trong luận án của TS. Chử Đức Hoàng đề xuất thuật toán phân tích biến động khử khuynh hướng để phân tích chứng loại nhịp tim, các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc phân tích có bệnh hay không có bệnh còn trong luận án của TS. Phan Duy Hùng cũng như trong các công trình [72, 80] các tác giả đề ­1­ Mở đầu xuất sử dụng một cảm biến gia tốc để đếm số nhịp thở đồng thời với quá trình thu thập tín hiệu ECG để chẩn đoán chứng ngừng thở của người bệnh. Vì vậy, đề xuất một giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG phù hợp làm ảnh hưởng nhỏ đến đặc tính của tín hiệu ECG để nâng cao độ tin cậy và độ chính xác kết quả nhận dạng tình trạng bệnh lý tim mạch của người bệnh hỗ trợ cho các bác sĩ trong công tác chẩn đoán, xác định bệnh, điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh là rất cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là tìm hiểu các ảnh hưởng của nhịp thở gây ra trong tín hiệu ECG từ đó đề xuất và lựa chọn một giải pháp phù hợp loại bỏ các ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Trong trường hợp đo được tín hiệu nhịp thở đồng thời với tín hiệu ECG luận án đề xuất sử dụng thêm các đặc tính từ thông tin nhịp thở để cải thiện chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG. Tín hiệu ECG sau khi đã được loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở hoặc sử dụng thêm các thông tin từ nhịp thở sẽ được đưa vào một số mô hình nhận dạng để kiểm chứng kết quả so với trước khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở hoặc không sử dụng thông tin từ nhịp thở. Luận án sẽ thử nghiệm nhận dạng với 4 kịch bản sau để so sánh:  Kịch bản 1 (là kịch bản cơ sở để so sánh): Nhận dạng tín hiệu ECG trước khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở  Kịch bản 2: Nhận dạng tín hiệu ECG sau khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở (sử dụng chung một bộ đặc tính và một mô hình nhận dạng với kịch bản 1)  Kịch bản 3: Nhận dạng tín hiệu ECG trước khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở nhưng có sử dụng thêm các đặc tính từ các thông tin của nhịp thở  Kịch bản 4: Nhận dạng tín hiệu ECG sau khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở và có sử dụng thêm các đặc tính từ các thông tin của nhịp thở Các kết quả tính toán, phân tích và nhận dạng sẽ được thực hiện trên phần mềm Matlab. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm:  Giải phẫu sinh lý học hệ tim mạch ­ hô hấp và sự ảnh hưởng của nhịp thở gây ra trong tín hiệu ECG,  Các giải pháp được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG, ­2­ Mở đầu  Khả năng bổ sung các đặc tính từ nhịp thở để hỗ trợ nhận dạng tín hiệu ECG, Với các đối tượng nghiên cứu đã đề xuất ở trên, luận án sẽ được thực hiện với phạm vi nghiên cứu như sau:  Tìm hiểu và lựa chọn một số dạng ảnh hưởng của nhịp thở tới tín hiệu ECG để tìm các giải pháp khắc phục các ảnh hưởng này,  Khảo sát và lựa chọn họ wavelet với bậc phù hợp để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở gây ra trong tín hiệu ECG;  Khảo sát và lựa chọn một số đặc tính từ nhịp thở tức thời để bổ sung cho véc­tơ đặc tính dùng trong nhận dạng tín hiệu ECG.  Tìm hiểu và sử dụng một mô hình nhận dạng chung và các cơ sở dữ liệu mẫu để so sánh và kiểm chứng chất lượng khi áp dụng các giải pháp đề xuất trên,  Tìm hiểu và phát triển các giải pháp xử lý tín hiệu trong luận án trên mạch phần cứng (để hướng tới tích hợp giải pháp trên thiết bị nhỏ gọn). 4. Phương pháp nghiên cứu  Phối hợp lý thuyết với các mô hình thử nghiệm theo chu trình kín (đề xuất lý thuyết  triển khai các thử nghiệm để kiểm nghiệm  hiệu chỉnh lại mô hình lý thuyết ...)  Các mô hình được phát triển theo hướng khối hóa, phân tích hệ thống theo chu trình từ tổng thể đến chi tiết.  Các giải pháp sẽ được đánh giá bằng thực nghiệm, trên cơ sở tính toán độ tin cậy và độ cải thiện của các mô hình nhận dạng khi sử dụng các giải pháp đề xuất của luận án so với không sử dụng đề xuất của luận án. Giải pháp được lựa chọn là giải pháp có độ chính xác cao nhất khi kiểm tra với bộ số liệu mẫu mới, chưa được dùng khi xây dựng mô hình. 5. Tiêu chí chọn dữ liệu và phương pháp đánh giá kết quả Để đánh giá chất lượng của các giải pháp, luận án sẽ sử dụng các bộ số liệu mẫu đã có sẵn, được xây dựng bởi các nhóm chuyên gia thế giới và đã được nhiều tác giả sử dụng trong công trình nghiên cứu của họ. Cụ thể trong luận án này sẽ sử dụng 2 cơ sở dữ liệu mẫu là cơ sở dữ liệu MIT­BIH và cơ sở dữ liệu MGH/MF được công bố tại địa chỉ www.physionet.org. Các tín hiệu ECG trong hai cơ sở dữ liệu này đã được các bác sỹ khảo sát và đánh dấu từng vị trí đỉnh R cho mỗi nhịp tim và phân loại từng nhịp tim trong đó. Ngoài ra cơ sở dữ liệu MGH/MF còn có các tín hiệu nhịp thở đo đồng bộ với tín hiệu ECG nên rất phù hợp với mục tiêu sử dụng trong luận án. ­3­ Mở đầu Đối với mỗi mô hình nhận dạng, nghiên cứu sinh sẽ tạo một bộ mẫu đa dạng gồm nhiều loại nhịp bệnh với số lượng phân bố tương đối đều (theo khả năng đáp ứng của cơ sở dữ liệu) từ nhiều người bệnh khác nhau. Bộ mẫu đa dạng này sẽ giúp nâng cao khả năng tổng quát hóa khi nhận dạng của các mô hình đã được huấn luyện. Chất lượng của các giải pháp được đánh giá trên cơ sở so sánh trực tiếp về độ chính xác của quá trình nhận dạng các mẫu trong các bộ số liệu đã được xây dựng với cùng một mô hình nhận dạng và cùng một phương pháp trích chọn đối với các đặc tính dùng chung. Luận án sẽ tạo nhiều kịch bản để so sánh kiểm chứng trên nhiều bộ số liệu khác nhau nhằm nâng cao được độ tin cậy của các kết quả. Ngoài các so sánh sử dụng sai số tuyệt đối và sai số tương đối giữa các trường hợp, nghiên cứu sinh còn sử dụng thêm các test thống kê cho những trường hợp có chuỗi sai số cần đánh giá. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học  Đề xuất một giải pháp phù hợp sử dụng wavelet loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG với ảnh hưởng nhỏ hơn đến hình dạng và đặc tính tín hiệu ECG,  Đề xuất sử dụng hai đặc tính tức thời từ nhịp thở để bổ sung cho véc­tơ đặc tính của tín hiệu ECG để cải thiện độ chính xác của quá trình nhận dạng,  Xây dựng nhiều kịch bản thử nghiệm để kiểm chứng chứng tỏ rằng khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở hoặc khi sử dụng thêm các thông tin trực tuyến của nhịp thở thì có thể cải thiện được chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Bài toán nhận dạng tín hiệu ECG có ý nghĩa thực tiễn cao, chất lượng nhận dạng có ảnh hưởng tới sức khỏe của người bệnh. Vì vậy đề xuất một giải pháp mới nhằm nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn, góp phần bổ sung vào các giải pháp hỗ trợ cho quá trình chẩn đoán, xác định, điều trị và theo dõi bệnh của bác sĩ tuyến cơ sở. 7. Những đóng góp của luận án  Đã khảo sát để đề xuất sử dụng họ wavelet phù hợp (cụ thể là wavelet họ Coiflets bậc 4) trong phân tích thành phần xấp xỉ bậc 8 (còn gọi là thành phần A8) tương ứng với dải tần số của nhịp thở làm cơ sở để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở khi phân tích tín hiệu ECG.  Đã đề xuất sử dụng hai đặc tính từ nhịp thở là biên độ tức thời của nhịp thở tại đỉnh R của nhịp tim và trung bình 10 chu kỳ cuối cùng của nhịp thở để cải thiện chất lượng nhận dạng, ­4­ Mở đầu  Xây dựng các bộ số liệu phục vụ bài toán nhận dạng tín hiệu ECG có xét tới ảnh hưởng của nhịp thở.  Xây dựng 4 kịch bản nhận dạng tín hiệu ECG để kiểm chứng mức độ ảnh hưởng của thông tin từ nhịp thở tới chất lượng nhận dạng.  Kết quả kiểm chứng chất lượng nhận dạng:  Việc loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG giúp cải thiện chất lượng của nhận dạng tín hiệu ECG,  Việc sử dụng thông tin trực tuyến từ nhịp thở cũng giúp cải thiện chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG. 8. Bố cục của luận án Luận án gồm phần Mở đầu, 4 chương chính, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo cũng như các công trình đã công bố của luận án. Chi tiết của các phần gồm như sau: Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và bố cục của luận án Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ tim mạch ­ hô hấp, một số ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG và một số giải pháp đã được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Từ đó đề xuất các định hướng nghiên cứu của luận án và mô tả khái quát các cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án. Chương 2: Trình bày tổng quan một số giải pháp sử dụng bộ lọc thông cao để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG, khảo sát mức độ ảnh hưởng đến hình dạng và đặc tính tín hiệu ECG làm cơ sở đề xuất sử dụng phương pháp phân tích tín hiệu bằng biến đổi wavelet để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Ngoài ra nội dung chương này còn trình bày lý thuyết tổng quát về biến đổi wavelet, phân tích tín hiệu bằng hàm Hermite và mạng nơ­ron logic mờ TSK. Chương 3: Trình bày hai đề xuất của luận án là: 1. ứng dụng phép biến đổi wavelet để loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở trong tín hiệu ECG như: trôi dạt đường cơ sở, điều chế biên độ tín hiệu ECG, 2. sử dụng các đặc tính từ nhịp thở tức thời nhằm năng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG. Đồng thời bước đầu tìm hiểu và xây dựng một giải pháp đo nhịp thở với kích thước gọn nhẹ sử dụng cảm biến gia tốc MMA8451Q. Chương 4: Trình bày phương pháp phân tích và trích chọn đặc tính tín hiệu ECG bằng hàm phân tích tín hiệu chuẩn Hermite phục vụ bài toán nhận dạng tín hiệu ECG; Ứng dụng mạng nơ­ron logic mờ TSK xây dựng mô hình nhận dạng tín hiệu ECG kiểm chứng giải pháp đề xuất của luận án và Kết quả nhận dạng tín hiệu ECG. Phần cuối cùng là kết luận và hướng phát triển, danh mục các tài liệu tham khảo cũng như các công trình đã công bố của luận án. ­5­ Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ TRONG TÍN HIỆU ECG Chương này trình bày tổng quan về hệ tim mạch ­ hô hấp, một số ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG và một số giải pháp đã được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Từ đó đề xuất các định hướng nghiên cứu của luận án và mô tả khái quát các cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án. 1.1. Hệ tim mạch 1.1.1. Trái tim Trong cơ thể con người, trái tim đóng vai trò trung tâm của hệ tim mạch. Tim nằm trong lồng ngực giữa phổi phía sau xương ức, trên cơ hoành và hơi lệch sang trái. Tim có cấu trúc giải phẫu như trên hình 1.1 [60, 87], tim gồm hai khối cơ rỗng, hình tháp đáy ở trên và đỉnh ở dưới. Vách nhĩ – thất chia tim thành hai phần là: Tim trái và tim phải. Hình 1.1: Cấu trúc giải phẫu của tim Tim phải chứa máu đỏ sẫm, nhiều Carbon dioxide. Tim trái chứa máu đỏ tươi, giàu Oxygen và dưỡng chất. Mỗi bên được chia thành 2 ngăn, tâm nhĩ ở trên, tâm thất ở dưới. Để kiểm soát dòng chảy của máu, trong tim tồn tại bốn van: Van hai lá, van ba lá, van động mạch chủ và van động mạch phổi. Giữa tâm nhĩ trái và tâm thất trái là van hai lá, giữa tâm nhĩ phải và tâm thất phải là van ba lá, van động mạch phổi nằm giữa tâm thất phải và động mạch phổi, van động mạch chủ nằm trong dòng chảy của tâm nhĩ phải. Giữa các động mạch và các tâm thất có van tổ chim ngăn không cho máu chảy ngược về tim. ­6­ Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG Thành tim được hình thành từ các cơ tim (cơ nhĩ, cơ thất và những sợi cơ có tính kích thích, dẫn truyền đặc biệt), cơ tim chịu trách nhiệm về các hoạt động cơ học của tim (quá trình bơm máu). Quá trình co bóp của tim dẫn đến hình thành các xung điện, các xung điện này được gọi là điện thế hoạt động của tim và tạo nên các dạng sóng tín hiệu và khi xếp chồng các dạng sóng tín hiệu này ta thu được tín hiệu ECG như hình 1.4. 1.1.2. Hệ thống dẫn truyền của tim 1.1.2.1. Quá trình điện học của tim [4, 5] Quá trình điện học của tim là do sự biến đổi hiệu điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài màng tế bào cơ tim. Sự biến đổi hiệu điện thế này bắt nguồn từ sự di chuyển của các ion K  , Na  , … từ ngoài vào trong tế bào và từ trong tế bào ra ngoài khi tế bào cơ tim hoạt động. Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích) điện thế mặt ngoài màng tế bào sẽ trở thành âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong, được gọi đó là hiện tượng khử cực (depolarization). Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại dương tính tương đối (tái lập cực dương), được gọi đó là hiện tượng tái cực (repolarization). 1.1.2.2. Quá trình hình thành tín hiệu ECG Cơ tim có cấu tạo đặc biệt gồm những thớ cơ vân đan chằng chịt với nhau và chúng co bóp khi bị kích thích. Bên cạnh các sợi co bóp, còn có các sợi cơ đặc biệt có nhiệm vụ tạo ra và dẫn truyền xung điện đến các sợi cơ của tim. Hình 1.2: Hệ thống dẫn truyền của tim Tim hoạt động được là nhờ một xung điện truyền qua hệ thống thần kinh tự trị của tim. Xung điện được bắt đầu từ một hạch ­ gọi là nút xoang nhĩ (SA ­ sinoatrial) ­ gồm các tế bào có khả năng tự tạo xung điện (Electric Impulse). Xung điện này truyền ra các cơ chung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P). Sau đó dòng điện tiếp tục truyền theo 1 chuỗi tế bào đặc biệt tới một hạch khác gọi là nút nhĩ thất (AV ­ Atrioventricular) ­7­ Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG nằm gần khu tiếp giáp giữa các tâm thất rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc theo vách chia hai tâm thất lan vào các cơ chung quanh làm hai tâm thất co bóp (tạo nên phức bộ QRS). Sau đó xung điện giảm đi, tâm thất dãn ra (tạo nên sóng T) [60]. Để thu được tín hiệu ECG, người ta đặt các điện cực của máy ghi ECG lên cơ thể. Tùy theo vị trí đặt các điện cực mà hình dáng của tín hiệu ECG sẽ khác nhau. Hình 1.3: Mẫu các dạng sóng khác nhau hình thành nên tín hiệu ECG 1.1.3. Tín hiệu ECG Tín hiệu ECG đại diện cho một số sự kiện điện trong tim, chẳng hạn như tâm nhĩ khử cực, tâm nhĩ tái phân cực, tâm thất khử cực, tâm thất tái phân cực… Một tín hiệu ECG bình thường gồm các điểm và đoạn đặc trưng như hình 1.4 [60, 93]. Tín hiệu ECG là thông tin quan trọng trong chẩn đoán và theo dõi lâm sàng [10, 11, 66, 84, 86, 103]. Hình 1.4: Mẫu tín hiệu ECG và các điểm đặc trưng chính ­8­