Tài liệu Nhận dạng tín hiệu điện tâm đồ bằng mạng nơron mờ tsk

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi ----------------------------------------------- NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TÂM ĐỒ BẰNG MẠNG NOWRRON MỜ TSK VƯƠNG HOÀNG NAM LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG Hµ Néi - 2005 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi ----------------------------------------------- NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TÂM ĐỒ BẰNG MẠNG NOWRRON MỜ TSK VƯƠNG HOÀNG NAM LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN TSKH.TRẦN HOÀI LINH Hµ Néi - 2005 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Më ®Çu Mét c©u hái ®Æt ra lµ t¹i sao khi ta nh×n thÊy mét ®èi t­îng nµo ®ã ta l¹i cã kh¶ n¨ng ph©n biÖt ®­îc ®èi t­îng lµ ng­êi nµo ®ã hay vËt x¸c ®Þnh? §ã chÝnh lµ v× bé n·o cña con ng­êi ®· ®­îc häc vµ ghi nhí c¸c ®Æc tr­ng cña ®èi t­îng ®ã vµ v× vËy khi gÆp l¹i nh÷ng ®èi t­îng nµy, bé n·o cã nh÷ng quyÕt ®Þnh nhËn d¹ng chÝnh x¸c. C¬ chÕ nhËn d¹ng cña n·o ng­êi ®­îc dùa trªn c¬ chÕ häc cña c¸c n¬ron thÇn kinh. HiÖn nay, c¸c nhµ khoa häc ®ang cè g¾ng, m« pháng thÓ hiÖn c¬ chÕ nhËn d¹ng nµy qua kü thuËt tÝnh to¸n th«ng minh - ®ã lµ kü thuËt nhËn d¹ng b»ng m¹ng n¬ron nh©n t¹o. øng dông m¹ng n¬ron nh©n t¹o hiÖn nay cã thÓ thÊy rÊt nhiÒu trong c¸c lÜnh vùc qu©n sù, d©n sù, y häc … nh­ nhËn d¹ng ¶nh v©n tay øng dông trong d©n sù vµ qu©n sù, nhËn d¹ng ch÷ viÕt trong c¸c hÖ thèng kiÓm tra sè s¶n phÈm, hÖ thèng tù ®éng ph©n lo¹i th­ tÝn, tù ®éng nhËn biÕt ®­êng ®i, nhËn d¹ng c¸c bé phËn c¬ thÓ con ng­êi øng dông trong gi¶i phÉu häc v.v… Mét øng dông ®· vµ ®ang ®­îc nghiªn cøu réng r·i trong lÜnh vùc y häc lµ nhËn d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn tim b»ng m¹ng n¬ron nh©n t¹o. NhËn d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn tim lµ qu¸ tr×nh ®­a ra kÕt luËn vÒ t×nh tr¹ng bÖnh lý cña bÖnh nh©n trªn c¬ së tÝn hiÖu ®iÖn tim ECG. Mét m« h×nh nhËn d¹ng trùc tuyÕn lµ m« h×nh cho phÐp nhËn d¹ng tõng nhÞp ®Ëp cña tim trong thêi gian thùc. §©y lµ vÊn ®Ò rÊt khã vÒ mÆt kü thuËt vµ vÉn ®ang trong giai ®o¹n nghiªn cøu hoµn thiÖn. Dùa trªn nh÷ng ®Þnh h­íng vµ c¸c vÊn ®Ò ®­îc TSKH. TrÇn Hoµi Linh ®­a ra, víi sù cè g¾ng cña b¶n th©n, t«i ®· hoµn thµnh ®­îc luËn v¨n víi ®Ò tµi: “ NhËn d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å b»ng m¹ng n¬ron mê TSK ”. 5 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Môc ®Ých cña ®Ò tµi Tr×nh bµy c¸c nghiªn cøu lý thuyÕt phôc vô cho môc ®Ých x©y dùng mét m« h×nh nhËn d¹ng tÝn hiÖu ECG trùc tuyÕn, ®ång thêi ®­a ra mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm vÒ nhËn d¹ng tÝn hiÖu ECG. Néi dung nghiªn cøu TÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å, c¬ së lý thuyÕt mê, lý thuyÕt vÒ m¹ng n¬ron mê TSK, ph­¬ng ph¸p t¹o ®Æc tÝnh tÝn hiÖu ECG v.v… §i s©u vµo cÊu tróc, thuËt to¸n, c¬ chÕ häc, thñ tôc häc cña m¹ng n¬ron mê TSK lµm tiÒn ®Ò cho viÖc nghiªn cøu x©y dùng mét m« h×nh nhËn d¹ng tÝn hiÖu ECG trùc tuyÕn. KÕt qu¶ §· n¾m b¾t ®­îc c¸c kiÕn thøc chñ yÕu vÒ m¹ng n¬ron vµ gi¶i thuËt häc cña m¹ng n¬ron mê TSK. X©y dùng ®­îc mét m« h×nh nhËn d¹ng t­¬ng ®èi hoµn chØnh vµ cô thÓ cã kh¶ n¨ng øng dông trong thùc tiÔn. Do thêi gian nghiªn cøu còng nh­ tr×nh ®é cßn h¹n chÕ nªn luËn v¨n kh«ng tr¸nh khái cã nh÷ng thiÕu sãt. T«i rÊt mong nhËn ®­îc nh÷ng lêi gãp ý vÒ nh÷ng thiÕu sãt cña luËn v¨n ®Ó bæ sung vµo nh÷ng nghiªn cøu tiÕp theo. 6 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Ch­¬ng I TÝn hiÖu ECG vµ nhiÖm vô nhËn d¹ng tÝn hiÖu ECG 7 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc 1.1 tæng quan vÒ TÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å (ECG) vµ ph­¬ng ph¸p ®o tÝn hiÖu ECG. TÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å (Electrocardiogram-ECG) ®­îc ®Þnh nghÜa lµ mét ®­êng cong ghi l¹i c¸c biÕn thiªn cña c¸c ®iÖn thÕ do tim ph¸t ra t¹i c¸c ®iÓm trªn c¬ thÓ ng­êi, do ¶nh h­ëng cña c¸c ho¹t ®éng co bãp cña tim. Nh­ vËy, ®iÖn t©m ®å cã thÓ coi lµ mét ®å thÞ cã hoµnh ®é lµ thêi gian vµ tung ®é lµ ®iÖn thÕ t¹i ®iÓm ®o trªn c¬ thÓ. C¸c nghiªn cøu khoa häc vÒ tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å ®· chøng minh r»ng th«ng qua viÖc ph©n tÝch h×nh d¹ng c¸c sãng trong tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å, b¸c sÜ cã thÓ chÈn ®o¸n ®­îc t×nh tr¹ng cña ng­êi bÖnh t­¬ng tù nh­ khi kh¸m b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c. H×nh 1.1.1 m« t¶ vÝ dô mét tÝn hiÖu ECG ®Æc tr­ng. TÝn hiÖu nµy trong ®iÒu kiÖn lý t­ëng sÏ ®­îc lÆp l¹i theo mét chu kú nhÞp tim. Trong mçi nhÞp tim, tÝn hiÖu bao gåm c¸c sãng P, kho¶ng PQ, phøc bé QRS, ®o¹n sãng ST, sãng T, sãng U vµ kho¶ng QT. Mçi lo¹i sãng hay kho¶ng nµy sÏ chøa ®ùng c¸c th«ng tin kh¸c nhau ®Ó gióp ng­êi chÈn ®o¸n cã thÓ chÈn ®o¸n ®­îc bÖnh lý cña bÖnh nh©n. VÝ dô ng­êi chÈn ®o¸n cã thÓ dùa vµo c¸c th«ng tin sau ®Ó kÕt luËn chÈn ®o¸n: - Sãng P: bÒ cao (biªn ®é), bÒ réng (thêi gian), h×nh d¹ng (©m, d­¬ng, hai pha, mãc…) - Kho¶ng PQ: dµi bao nhiªu ? - Phøc bé QRS: biªn ®é vµ thêi gian, h×nh d¹ng… - §o¹n S-T: cã chªnh kh«ng? - Sãng T (vµ sãng U): d¹ng (d­¬ng, ©m hay hai pha), biªn ®é… - Kho¶ng QT: dµi bao nhiªu ? 8 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc - Kho¶ng c¸ch ®Ønh - ®Ønh RR gi÷a hai nhÞp liªn tiÕp lµ kho¶ng bao nhiªu? H×nh 1.1.1 – TÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å: c¸c ®iÓm ®Æc tr­ng chÝnh. Ng­êi chÈn ®o¸n sÏ dùa trªn h×nh d¹ng c¸c sãng hay c¸c kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®iÓm ®Æc tr­ng ®Ó chän läc ra nh÷ng dÊu hiÖu vµ yÕu tè ®Æc tr­ng (®¹i diÖn cho b¶n ®iÖn t©m ®å) ®Ó tæng hîp thµnh c¸c héi chøng vµ ®­a ®Õn kÕt luËn chÈn ®o¸n ®iÖn t©m ®å. §Ó thu ®­îc ®iÖn t©m ®å, ng­êi ta ®Æt nh÷ng ®iÖn cùc cña m¸y ghi ®iÖn tim lªn c¬ thÓ. V× c¬ thÓ con ng­êi lµ mét m«i tr­êng dÉn ®iÖn nªn dßng ®iÖn do tim ph¸t ra sÏ ®­îc dÉn truyÒn ®i kh¾p c¬ thÓ, ra tíi da, biÕn c¬ thÓ thµnh mét ®iÖn tr­êng cña tim. NÕu ta ®Æt hai ®iÖn cùc lªn bÊt cø hai ®iÓm nµo ®ã cã ®iÖn thÕ kh¸c nhau cña ®iÖn tr­êng ®ã, ta sÏ thu ®­îc hiÖu thÕ gi÷a hai ®iÓm ®ã vµ gäi lµ mét chuyÓn ®¹o hay ®¹o tr×nh (tiÕng Anh chuyªn ngµnh gäi lµ lead), nã hiÖn ra trªn m¸y ghi b»ng mét ®­êng cong ®iÖn t©m ®å cã mét h×nh d¹ng nµo ®ã tuú theo ®Þa ®iÓm ®Æt c¸c ®iÖn cùc. 9 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Khi ghi c¸c chuyÓn ®¹o th«ng dông, ng­êi ta th­êng ®Æt ®iÖn cùc ë c¸c chi (cæ tay, cæ ch©n) vµ trªn lång ngùc. Cho ®Õn nay ng­êi ta cho r»ng ®¹i ®a sè c¸c tr­êng hîp nªn ®Æt ®iÖn cùc theo 12 c¸ch, thu lÊy “12 chuyÓn ®¹o th«ng dông”, bao gåm 3 chuyÓn ®¹o mÉu, 3 chuyÓn ®¹o ®¬n cùc c¸c chi vµ 6 chuyÓn ®¹o tr­íc tim. ë mçi chuyÓn ®¹o sÏ cã mét h×nh d¹ng sãng ®iÖn t©m ®å kh¸c nhau, còng nh­ h×nh ¶nh ta nh×n thÊy ®­îc khi ®øng ë 12 gãc ®é kh¸c nhau xung quanh mét vËt cã h×nh d¹ng gå ghÒ, phøc t¹p. C¸c chuyÓn ®¹o mÉu lµ nh÷ng chuyÓn ®¹o ®­îc nghiªn cøu sím nhÊt, ngay tõ thêi Einthoven. C¸c chuyÓn ®¹o nµy sö dông hai ®iÖn cùc th¨m dß (cßn ®­îc gäi lµ chuyÓn ®¹o l­ìng cùc) vµ ®­îc ®Æt nh­ sau: • §iÖn cùc ©m ë cæ tay ph¶i, ®iÖn cùc d­¬ng ë cæ tay tr¸i, gäi ®ã lµ chuyÓn ®¹o 1, viÕt t¾t lµ D1. • §iÖn cùc ©m ®Æt ë cæ tay ph¶i, ®iÖn cùc d­¬ng ®Æt ë cæ ch©n tr¸i, gäi ®ã lµ chuyÓn ®¹o 2, viÕt t¾t lµ D2. • §iÖn cùc ©m ®Æt ë tay tr¸i vµ ®iÖn cùc d­¬ng ë ch©n tr¸i, gäi ®ã lµ chuyÓn ®¹o 3, viÕt t¾t lµ D3. C¸c trôc chuyÓn ®¹o cña D1, D2, D3 lËp thµnh ba c¹nh cña mét h×nh tam gi¸c, cã thÓ ®­îc coi lµ tam gi¸c ®Òu víi mçi gãc b»ng 60 ®é, gäi lµ tam gi¸c Einhoven (h×nh vÏ 1.1.2). 10 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc H×nh vÏ 1.1.2 – Tam gi¸c Einthoven Trong c¸c chuyÓn ®¹o ®¬n cùc chØ sö dông duy nhÊt mét ®iÖn cùc th¨m dß, vµ th­êng ®­îc ®Æt ®­îc ë ba vÞ trÝ nh­ sau: • Cæ tay ph¶i: chuyÓn ®¹o VR, sÏ thu ®­îc ®iÖn thÕ ë mÐ bªn ph¶i vµ ®¸y tim. • Cæ tay tr¸i: chuyÓn ®¹o VL, thu ®­îc ®iÖn thÕ phÝa thÊt tr¸i. • Cæ ch©n tr¸i: chuyÓn ®¹o VF, lµ chuyÓn ®¹o ®éc nhÊt “nh×n” thÊy ®­îc thµnh d­íi ®¸y tim. N¨m 1947, Goldberger ®em c¶i tiÕn ba chuyÓn ®¹o nµy lµm cho c¸c sãng ®iÖn tim cña c¸c chuyÓn ®¹o t¨ng biªn ®é lªn gÊp r­ìi mµ vÉn gi÷ ®­îc h×nh d¹ng cò. Ng­êi ta gäi ®ã lµ nh÷ng chuyÓn ®¹o ®¬n cùc t¨ng c­êng aVR, aVL, aVF vµ ngµy nay ®­îc th«ng dông h¬n c¸c chuyÓn ®¹o cò. C¸c chuyÓn ®¹o tr­íc tim, ®­îc ký hiÖu b»ng ch÷ V, kÌm theo c¸c chØ sè tõ 1 ®Õn 6. §ã lµ c¸c chuyÓn ®¹o ®¬n cùc, cã mét ®iÖn cùc trung tÝnh nèi vµo cùc trung t©m vµ c¸c ®iÖn cùc th¨m dß, ®­îc ®Æt trªn 6 ®iÓm ë vïng tr­íc tim. Trong khu«n khæ bµi luËn v¨n nµy, c¬ së d÷ liÖu tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å ®­îc sö dông sÏ bao gåm c¸c tÝn hiÖu chuÈn trong c¬ së d÷ liÖu chuÈn MIT-BIH ®o ë chuyÓn ®¹o D2 vµ V5, cïng víi c¸c tÝn hiÖu ghi ë chuyÓn ®¹o D2 trªn m¸y ®o 11 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc ®iÖn tim do Trung t©m nghiªn cøu quèc tÕ MICA- Tr­êng §HBK Hµ Néi chÕ t¹o. H×nh 1.1.3 lµ c¸c tÝn hiÖu ®o ë chuyÓn ®¹o D2, h×nh (a) lµ tÝn hiÖu ®o trªn m¸y ®iÖn tim do Trung t©m nghiªn cøu quèc tÕ MICA- Tr­êng §HBK Hµ Néi chÕ t¹o, h×nh (b) lµ tÝn hiÖu trong bé c¬ së d÷ liÖu chuÈn MIT-BIH (file 106.dat). (a) ECG signal 106.dat 2.5 2 Voltage / mV 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 0 1 2 3 Time / s 4 5 (b) H×nh vÏ 1.1.3- TÝn hiÖu ECG ®­îc ®o ë chuyÓn ®¹o D2. 12 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Tuy nhiªn trong thùc tÕ kh«ng ph¶i bÊt cø tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å nµo còng cã h×nh d¹ng t­¬ng ®èi tuÇn hoµn gièng nh­ nh÷ng tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å ®· ®­îc giíi thiÖu ë trªn. TÝn hiÖu ECG lµ mét trong nh÷ng tÝn hiÖu chÞu ¶nh h­ëng cña rÊt nhiÒu lo¹i nhiÔu kh¸c nhau. §iÒu ®ã dÉn ®Õn viÖc nhËn d¹ng c¸c tÝn hiÖu nµy sÏ trë nªn khã kh¨n h¬n rÊt nhiÒu so víi nhËn d¹ng c¸c tÝn hiÖu b×nh th­êng. Mét sè tr­êng hîp tÝn hiÖu “khã nhËn d¹ng” sÏ ®­îc giíi thiÖu s¬ l­îc qua ë trong phÇn tiÕp theo. I.2 C¸c ¶nh h­ëng cña nhiÔu vµ t×nh tr¹ng bÖnh lý ®Õn tÝn hiÖu ECG ViÖc nhËn d¹ng tÝn hiÖu ECG ®· ®­îc c¸c b¸c sÜ thùc hiÖn tõ rÊt l©u, tuy nhiªn qu¸ tr×nh nµy vÉn ch­a ®­îc tù ®éng ho¸ mét c¸ch hiÖu qu¶ chÝnh v× lý do tÝn hiÖu ECG cã thÓ bÞ ¶nh h­ëng lín bëi c¸c nguån nhiÔu kh¸c nhau. Trong mét sè tr­êng hîp, tÝn hiÖu ECG sÏ bÞ nhiÔu do ¶nh h­ëng cña cö ®éng cña ng­êi bÖnh (muscle noise), do ¶nh h­ëng cña nguån ®iÖn nu«i xoay chiÒu 50 hoÆc 60 Hz hoÆc mét chiÒu (AC/ DC interference), do m«i tr­êng tiÕp xóc gi÷a ®iÖn cùc vµ da ng­êi bÖnh, hoÆc bÞ hiÖn t­îng tr«i tÝn hiÖu (baseline wander) v.v… hoÆc mét sè tr­êng hîp tÝn hiÖu cña cña ng­êi bÖnh cã h×nh d¹ng kh¸c hoµn toµn so víi c¸c tÝn hiÖu b×nh th­êng. H×nh vÏ 2.1.1 giíi thiÖu mét tÝn hiÖu ECG bÞ ¶nh h­ëng cña nhiÔu vµ hiÖn t­îng tr«i. §Ó lo¹i bá nh÷ng nhiÔu th«ng dông nµy, tr­íc khi ®­îc nhËn d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn tim sÏ ®­îc “tiÒn xö lý ” b»ng läc sè ®Ó lµm gi¶m ¶nh h­ëng cña nhiÔu vµ hiÖn t­îng tr«i. 13 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc ECG signal 101.dat -0.05 -0.1 Voltage / mV -0.15 -0.2 -0.25 -0.3 -0.35 -0.4 -0.45 0 0.5 1 1.5 2 Time / s 2.5 3 3.5 4 H×nh 1.2.1- TÝn hiÖu ECG bÞ tr«i vµ bÞ ¶nh h­ëng bëi nhiÔu Trong khu«n khæ bµi luËn v¨n nµy, ngoµi c¸c nhÞp tim b×nh th­êng cã ký hiÖu lµ N (Normal), chóng ta sÏ t×m hiÓu vµ nghiªn cøu nhËn d¹ng 6 lo¹i bÖnh gåm c¸c bÖnh lÇn l­ît cã ký hiÖu nh­ sau: L, R, A, V, I vµ E. Tuy nhiªn do d÷ liÖu trong c¬ së d÷ liÖu MIT cã h¹n nªn sè l­îng nhÞp tim mang c¸c lo¹i bÖnh nµy lµ kh«ng ®ång ®Òu nhau trong ®ã sè l­îng nhÞp mang c¸c bÖnh I vµ E lµ Ýt nhÊt. V× vËy khi x©y dùng m« h×nh ta cÇn xÐt tíi c¶ yÕu tè nµy. Sau ®©y chóng ta sÏ tr×nh bµy s¬ bé lÇn l­ît tõng lo¹i tÝn hiÖu b×nh th­êng vµ bÊt b×nh th­êng. NhÞp b×nh th­êng (Normal) H×nh 1.2.2 lµ h×nh vÏ m« t¶ mét tËp phøc bé QRS cña c¸c nhÞp tim b×nh th­êng cña mét bÖnh nh©n. TÝn hiÖu nµy ®­îc ®o ë chuyÓn ®¹o D2 (file 200.dat). Qua h×nh vÏ chóng ta cã thÓ nhËn thÊy r»ng c¸c nhÞp b×nh th­êng mÆc dï cã mét h×nh d¹ng t­¬ng ®èi æn ®Þnh vµ Ýt biÕn ®æi vÒ biªn ®é nh­ng xÐt vÒ cô thÓ th× vÉn cã c¸c sai lÖch nhiÒu gi÷a c¸c tÝn hiÖu. 14 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Benh N 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 50 60 70 80 90 100 110 120 130 H×nh vÏ 1.2.2 – TËp phøc bé QRS thuéc vÒ c¸c nhÞp b×nh th­êng trong mét tÝn hiÖu ECG (file 200.dat) Trªn h×nh 1.2.3 lµ mét tËp c¸c phøc bé QRS cña bÖnh nh©n m¾c bÖnh Left bundle branch block beat (ký hiÖu lµ bÖnh L) Benh L 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 H×nh vÏ 1.2.3 – TËp phøc bé QRS thuéc vÒ c¸c nhÞp bÖnh L cña mét tÝn hiÖu ECG (file 207.dat) 15 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc TriÖu chøng quan träng nhÊt kh«ng thÓ thiÕu ®­îc cña bÖnh lµ phøc bé QRS bÞ d·n réng (> 0,12 s). Tuy nhiªn møc ®é biÕn thiªn cña tÝn hiÖu gi÷a c¸c phøc bé víi nhau ®· lín h¬n so víi tr­êng hîp b×nh th­êng N. BÖnh R (Right bundle branch block beat) TriÖu chøng quan träng nhÊt còng vÉn lµ QRS d·n réng (> 0,11 s), cßn h×nh d¹ng thu ë chuyÓn ®¹o D2 gièng nh­ h×nh vÏ 1.2.4 Benh R 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 H×nh vÏ 1.2.4 - TËp phøc bé QRS c¸c nhÞp bÖnh R cña mét tÝn hiÖu ECG 16 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc BÖnh A (Atrial premature contraction) Benh A 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 50 60 70 80 90 100 110 120 130 H×nh 1.2.5 – TËp phøc bé QRS c¸c nhÞp bÖnh A cña mét tÝn hiÖu ECG BÖnh E (Ventricular escape beat) Benh E 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 H×nh vÏ 1.2.6-– TËp phøc bé QRS c¸c nhÞp bÖnh E cña mét tÝn hiÖu ECG 17 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc Còng gièng nh­ c¸c nhÞp tim b×nh th­êng, c¸c nhÞp mang bÖnh R, E vµ bÖnh A cã mét h×nh d¹ng æn ®Þnh vµ Ýt biÕn ®æi vÒ biªn ®é. BÖnh I ( Ventricular flutter wave – BÖnh cuång ®éng thÊt) Cuång ®éng thÊt, gäi t¾t lµ cuång thÊt lµ t×nh tr¹ng thÊt bãp rÊt nhanh vµ ®Òu d­íi sù chØ huy cña nh÷ng xung ®éng bÖnh lý. Benh I 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 50 60 70 80 90 100 110 120 130 H×nh vÏ 1.2.7- TËp phøc bé QRS thuéc vÒ c¸c nhÞp bÖnh I cña mét tÝn hiÖu ECG Qua h×nh vÏ 1.2.7, chóng ta cã thÓ thÊy mÆc dï ®©y lµ c¸c nhÞp bÖnh I ®­îc trÝch ra tõ mét tÝn hiÖu ECG nh­ng c¸c nhÞp nµy cã sù biÕn thiªn vÒ h×nh d¹ng vµ biªn ®é rÊt lín. Do ®ã trong qu¸ tr×nh nhËn d¹ng tÝn hiÖu, c¸c nhÞp mang bÖnh I chÝnh lµ c¸c tÝn hiÖu “khã nhËn d¹ng nhÊt”. 18 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc BÖnh V (Premature ventricular contraction) Benh V 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 50 60 70 80 90 100 110 120 130 H×nh vÏ 1.2.8 - TËp phøc bé QRS thuéc vÒ c¸c nhÞp bÖnh V cña mét tÝn hiÖu ECG T­¬ng tù nh­ c¸c nhÞp mang bÖnh I, c¸c nhÞp mang bÖnh V còng cã sù biÕn ®æi lín vÒ h×nh d¹ng vµ biªn ®é. Do ®ã viÖc nhËn d¹ng c¸c nhÞp tim mang bÖnh V còng sÏ khã kh¨n h¬n so víi c¸c nhÞp mang c¸c lo¹i bÖnh kh¸c. 19 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc I.3 C¬ së d÷ liÖu chuÈn MIT-BIH §Ó phôc vô cho qu¸ tr×nh nghiªn cøu, luËn v¨n ®· sö dông c¬ së d÷ liÖu chuÈn MIT-BIH DB cña ViÖn c«ng nghÖ Massachuset (MIT) liªn kÕt víi ®¹i häc BIH vµ c¸c tÝn hiÖu ®o thùc tÕ tõ m¸y ®o ®iÖn tim do Trung t©m nghiªn cøu MICA thiÕt kÕ. Bé c¬ së d÷ liÖu MIT lµ mét c¬ së d÷ liÖu chuÈn chuyªn dïng ®Ó kiÓm tra c¸c m¸y tù ®éng ph©n tÝch tÝn hiÖu ®iÖn tim ®­îc sö dông trong c¸c c¬ së nghiªn cøu quèc tÕ. C¬ së d÷ liÖu nµy bao gåm 48 b¶n ghi tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å. Mçi b¶n ghi bao gåm tÝn hiÖu ECG cña mét bÖnh nh©n ®­îc ghi l¹i, trong ®ã cã ghi chó cô thÓ vÒ vÞ trÝ cña tõng phøc bé QRS vµ t×nh tr¹ng bÖnh lý t¹i tõng kho¶ng phøc bé ®· ®­îc c¸c b¸c sÜ kiÓm nghiÖm. ChÝnh nhê vµo viÖc ghi chó cô thÓ tõng phøc bé mµ ta cã thÓ dÔ dµng truy xuÊt d÷ liÖu, ph©n lo¹i, kiÓm tra tõng lo¹i tÝn hiÖu theo bÖnh lý còng nh­ kiÓm nghiÖm chÊt l­îng ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng nhËn d¹ng tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å tù ®éng. Cô thÓ mçi b¶n ghi sÏ bao gåm 3 file cã d¹ng: *.hea,*.dat,*.atr. Trong ®ã file ®Çu ®Ò (header) *.hea lµ mét file ký tù m« t¶ c¸c th«ng tin chung vÒ b¶n ghi, file *.dat lµ file d÷ liÖu tÝn hiÖu ®iÖn t©m ®å ë d¹ng nhÞ ph©n vµ ®èi víi tõng lo¹i ®Þnh d¹ng kh¸c nhau sÏ cã c¸c kiÓu file d÷ liÖu kh¸c nhau. Trong file *.dat cã thÓ chøa ®ùng 1 hay nhiÒu b¶n ghi (th­êng lµ 2 b¶n ghi). §èi víi kiÓu ®Þnh d¹ng 212 th× th«ng th­êng mçi file *.dat sÏ chøa 2 b¶n ghi. C¸c mÉu cña c¸c b¶n ghi ®­îc xÕp xen kÏ nhau, mçi mÉu lµ 12 bÝt (t­¬ng ®­¬ng víi 3 byte/2 mÉu) trong ®ã cã 1 bÝt dÊu. File thuéc tÝnh *.atr lµ file cho biÕt c¸c chÈn ®o¸n ®èi víi tõng nhÞp tim trong file d÷ liÖu *.dat VÝ dô chóng ta xem xÐt ®Õn b¶n ghi cã ký hiÖu 100, bao gåm 3 file: 100.hea, 100.dat, 100.atr. Khi ®ã file ®Çu ®Ò 100.hea nh­ sau : 20 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc 100 2 360 650000 0:0:0 0/0/0 100.dat 212 200 11 1024 995 -22131 0 MLII 100.dat 212 200 11 1024 1011 20052 0 V5 # 69 M 1085 1629 x1 # Aldomet, Inderal ë dßng ®Çu tiªn, c¸c th«ng sè lÇn l­ît ®­îc ®äc nh­ sau: • 100 lµ tªn file (100.hea). • 2 lµ sè b¶n ghi chøa ®ùng trong file 100.dat • 360 lµ tÇn sè lÊy mÉu ë tõng b¶n ghi (360Hz). • 650000 lµ sè mÉu trong tõng b¶n ghi (t­¬ng ®­¬ng víi thêi gian ghi mçi b¶n ghi lµ kho¶ng 30 phót). • 0:0:0 0/0/0 lµ c¸c th«ng sè cho biÕt thêi gian vµ ngµy/th¸ng /n¨m ghi b¶n ghi (ë ®©y kh«ng x¸c ®Þnh thêi gian ghi b¶n ghi). ë hai dßng tiÕp theo lµ c¸c th«ng sè m« t¶ 2 b¶n ghi chøa ®ùng ë trong file 100.dat: • 212 lµ kiÓu ®Þnh d¹ng cña file (kiÓu ®Þnh d¹ng t­¬ng øng víi 12 bit/1 mÉu hay 3 byte/2 mÉu) • 200 lµ tû lÖ chuyÓn ®æi A-D (200 ®¬n vÞ ADC/1 millivon) t­¬ng øng víi ®é ph©n d¶i cña mçi bÝt lµ 5µV • 11 lµ ®é ph©n d¶i cña mçi mÉu (11 bÝt/mÉu) v..v… B¶n ghi thø nhÊt ®­îc ghi ë chuyÓn ®¹o II (MLII: Modified Lead II, h×nh vÏ 1.3.1, h×nh a- file 100.dat, h×nh b- file 207.dat), cßn b¶n ghi thø hai ®­îc ghi ë chuyÓn ®¹o V5. Hai dßng cuèi cña file 100.hea lµ c¸c th«ng tin c¸ nh©n (tuæi t¸c, giíi tÝnh…) cña ng­êi bÖnh vµ c¸c ghi chó kh¸c. 21 LuËn v¨n th¹c sü khoa häc ECG signal 100.dat 1 0.8 0.6 Voltage / mV 0.4 0.2 1 0 28 1 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 2 4 6 Time / s 8 10 (a) ECG signal 207.dat 2 1.5 Voltage / mV 1 0.5 0 28 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 -0.5 -1 -1.5 0 2 4 6 8 10 12 Time / s (b) H×nh 1.3.1 – TÝn hiÖu ECG trong c¬ së d÷ liÖu MIT-BIH Mét trong nh÷ng ­u ®iÓm lín nhÊt cña bé d÷ liÖu MIT-BIH lµ tÊt c¶ c¸c phøc bé QRS ®· ®­îc c¸c b¸c sÜ chuyªn khoa xem xÐt vµ ®¸nh gi¸ cô thÓ. V× vËy ta cã thÓ dÔ dµng x¸c ®Þnh ®­îc vÞ trÝ cña c¸c phøc bé QRS trong ®­êng tÝn hiÖu ®o ®ång thêi cïng víi th«ng tin vÒ d¹ng bÖnh lý cña phøc bé ®ã. Trong h×nh vÏ 1.3.1, ta cã mét ®­êng tÝn hiÖu ®iÖn tim víi c¸c phøc bé QRS ®· ®­îc ®¸nh dÊu m· bÖnh lý. Trong c¬ së d÷ liÖu MIT-BIH, ch÷ sè 1 lµ kÝ hiÖu t­¬ng øng víi nhÞp tim b×nh th­êng, ch÷ sè 8 t­¬ng øng víi bÖnh A- Atrial premature contraction, ch÷ sè 5 t­¬ng øng víi bÖnh V- Premature Ventricular 22