Tài liệu Phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHỬ ĐỨC HOÀNG H N T CH T N HI U TI ẠN NH LUẬN ÁN TIẾN S K THUẬT ĐIỆN T Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHỬ ĐỨC HOÀNG H N T CH T N HI U TI ẠN NH Chuy n ng nh: K thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN S K THUẬT ĐIỆN T NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội - 2014 ỜI CA Đ AN Tôi xin cam đoan đây l công trình nghi n cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực v chƣa từng đƣợc ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 24 tháng 10 năm 2014 Giáo vi n hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS. Nguyễn Đức Thuận Chử Đức Hoàng I LỜI CẢ ƠN Luận án n y đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Công nghệ điện tử và K thuật y sinh, Viện Điện tử viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của tập thể hƣớng dẫn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể hƣớng dẫn đã tạo điều kiện hƣớng dẫn về học thuật, kiến thức, kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Phyllis K Stein, Giám đốc Washington University School of Medicine Heart Rate Variability Laboratory, Division of Cardiology đã tạo điều kiện làm việc, nghiên cứu và trao đổi về học thuật với tác giả trong suốt thời gian tác giả tham gia nghiên cứu tại phòng lab cũng nhƣ tại Bệnh viện St Louis Children‟s Hospital (SLCH),One Children's Place, St. Louis, MO, 63110. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Trần Thống, giáo sƣ đại học OGI School of Science and Engineering, Oregon Health and Science University, Beaverton, OR 97006, USA đã tƣ vấn v định hƣớng cho tôi thực hiện các nghiên cứu ban đầu về xử lý tín hiệu loạn nhịp tim. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, thông qua các bài giảng, hội nghị và xêmina, tác giả luôn nhận đƣợc sự quan tâm giúp đỡ và những ý kiến đóng góp quý báu của tập thể cán bộ thuộc Viện Điện tử viễn thông, Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn các ban ng nh thuộc Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tác giả trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Tim Mạch Bệnh Viện Bạch Mai, Bệnh ViệnTim Hà Nội, Bệnh Viện Đông Đô cùng đội ngũ k thuật, thạc sĩ, bác s , k thuật vi n đã quan tâm v giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian cộng tác thu nhận dữ liệu trên hệ thống thăm dò điện sinh lý và Holter tại Viện. Xin đƣợc cảm ơn anh chị em học viên cao học, nghiên cứu sinh và bạn bè đồng nghiệp gần xa đã trao đổi, động viên và khích lệ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận án. Tác giả xin kính tặng những ngƣời thân y u trong gia đình của mình niềm vinh hạnh to lớn này. Hà nội, ngày 24 tháng 10 năm 2014 Tác giả II Chử Đức Hoàng ỤC ỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i MỤC LỤC ....................................................................................................................... iii MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vii MỤC LỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... ix MỤC LỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. xi 1. Giới thiệu ................................................................................................................ 1 2. Lý do chọn đề tài luận án .............................................................................................. 3 3 Đối tƣợng v phƣơng pháp nghi n cứu ........................................................................ 3 Đối tƣợng nghiên cứu: .................................................................................................. 3 Phƣơng pháp nghi n cứu:.............................................................................................. 4 4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới ........................................................ 4 Trong nƣớc: ................................................................................................................... 4 Trên thế giới: ................................................................................................................. 5 5. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án ................................................................................ 6 Mục tiêu: ....................................................................................................................... 7 Nhiệm vụ: ...................................................................................................................... 7 6. Cấu trúc luận án .......................................................................................................... 10 7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................................. 12 8. Các kết quả mới dự kiến sẽ đạt đƣợc ......................................................................... 13 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH VÀ X LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP ........................................................................................................................ 15 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 15 1.1 Khái niệm về điện sinh lý tim ............................................................................... 15 1.2 Phân loại tín hiệu điện tim loạn nhịp .................................................................... 21 1.2.1.Khái niệm loạn nhịp tim: ................................................................................ 21 1.2.2. Phân loại cơ chế hình thành rối loạn nhịp tim. .............................................. 22 1 3 Đặc điểm chung của các rối loạn nhịp tim ........................................................ 27 1.4 Mô hình phân tách phức hợp QRS đề xuất bởi Pan, Hamilton và Tompkins. ..... 27 1 5 Véc tơ dữ liệu RR của tín hiệu điện tim ................................................................ 34 III 1.6 Phân tích và chẩn đoán tín hiệu điện tim loạn nhịp .............................................. 35 1.6.1 Phân tích trong miền thời gian ....................................................................... 36 1 6 2 Các phƣơng pháp xử lý trong miền tần số ...................................................... 36 1 6 3 Các phƣơng pháp xử lý trong miền phi tuyến ................................................ 38 1 6 4 Đánh giá các phƣơng pháp phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp .................. 45 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................... 46 CHƢƠNG 2: THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ........................................................ 47 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 47 2.1 Các hệ thống thu nhận v lƣu trữ tín hiệu điện tim loạn nhịp ........................... 47 2.1.1 Thu nhận tín hiệu điện tim từ thiết bị Holter chuyên dụng ............................ 48 2.1.2 Thu nhận tín hiệu điện tim từ hệ thống theo dõi trung tâm ............................ 51 2.1.3 Dữ liệu điện tim loạn nhịp CAST theo tiêu chuẩn tại Viện nghiên cứu quốc gia về Máu, Tim, Phổi của M ..................................................................................... 53 2.2 Dữ liệu điện tim loạn nhịp của các bệnh nhân ...................................................... 56 2.2.1 Dữ liệu điện tim loạn nhịp từ hệ thống Holter ............................................... 56 2.2.2 Dữ liệu điện tim loạn nhịp từ hệ thống theo dõi trung tâm BedmasterEX ..... 57 2.2.3 Dữ liệu điện tim loạn nhịp CAST từ Physionet và dữ liệu từ HRV Lab ....... 60 2 3 Đánh giá Dữ liệu điện tim thu nhận đƣợc từ các hệ thống Holter, BedmasterEx, HRVlab và CAST ............................................................................................................ 63 2 3 1 Ƣu điểm: ......................................................................................................... 63 2.3.2 Hạn chế: .......................................................................................................... 64 2.4 Bộ cơ sở dữ liệu điện tim dƣới dạng véc tơ RR .................................................... 65 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................... 69 CHƢƠNG 3: PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT PHÂN TÁCH PHỨC HỢP QRS VÀ KH KHUYNH HƢỚNG ĐỘNG TÍN HIỆU ĐỘNG ĐA TRỊ................................................... 71 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 71 3.1 Phát triển module tự động phân tích và chuẩn hoá các véc tơ RR từ giải thuật của Pan, Hamilton và Tompkins. ........................................................................................... 72 3.1.1 Mô hình cải tiến phƣơng pháp tự động phân tích và chuẩn hoá các véc tơ RR từ giải thuật của Pan, Hamilton và Tompkins. ........................................................... 73 3 2 Đề xuất xây dựng giải thuật phân tích khử khuynh hƣớng động tín hiệu động đa trị (Multi Detrended Fluctuation Analysis - MDFA)....................................................... 80 3.2.1 Hạn chế của phƣơng pháp DFA do Peng CK đề xuất và các phép biến đổi DFA hiện tại ................................................................................................................. 80 3.2.2 Mô hình thực hiện giải thuật MDFA .............................................................. 80 IV 3.3.3 Quy trình thực hiện MDFA ............................................................................ 85 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ............................................................................................... 87 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ BIẾN ĐỔI VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP BẰNG CẢI THIỆN PHÂN TÁCH PHỨC HỢP QRS VÀ BIẾN ĐỔI MDFA ....... 89 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 89 4.1 Dữ liệu mẫu phân tích ........................................................................................... 90 4.2 Kết quả phân tách phức hợp QRS. ........................................................................ 90 4.3 Các kết quả đề xuất cải thiện phƣơng pháp phân tích khử khuynh hƣớng động tín hiệu động (MDFA) ..................................................................................................... 95 4.3.1 Các thông số phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến.............. 95 4.3.2 Kết quả phân tích biến đổi MDFA theo các khoảng thời gian 20 phút .......... 96 4.3.3 Phân tích biến đổi MDFA theo các nhóm 1000 nhịp RR ............................. 101 4.3.4 Phân tích biến đổi MDFA theo các nhóm 1000 nhịp RR cho nhóm bệnh nhân loạn nhịp tim điển hình trong bộ cơ sở dữ liệu HRVLab ........................................... 104 4 4 Ƣu nhƣợc của phƣơng pháp MDFA ................................................................... 109 4 4 1 Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp MDFA so với phƣơng pháp DFA của Peng CK .............................................................................................................................. 109 4 4 2 Ƣu điểm của biến đổi MDFA theo thời gian 20 phút và theo 1000 nhịp RR .................................................................................................................................... 110 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ............................................................................................. 111 CHƢƠNG 5: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THU NHẬN VÀ CHUẨN HÓA VÉC TƠ DỮ LIỆU RR CỦA CÁC BỆNH NHÂN TẠI VIỆT NAM ............................................. 113 5 1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 113 5.2 Mô hình thu nhận, xử lý v lƣu trữ thông tin điện tim phổ biến tại Việt Nam hiện nay .................................................................................................................................. 114 5.2.1 Dữ liệu điện tim ghi nhanh trong thời gian từ 5 đến 15 phút sau đó in trực tiếp lên giấy in nhiệt. ......................................................................................................... 114 5.2.2 Dữ liệu điện tim ghi nhanh trong vòng 10 đến 15 phút sau đó đƣợc đẩy vào máy tính để xử lý bằng phần mềm. ............................................................................ 115 5.2.3 Dữ liệu điện tim Holter theo dõi bệnh nhân trong thời gian dài khoảng 24h. .................................................................................................................................... 115 5.2.4 Dữ liệu điện tim thu nhận từ hệ thống theo dõi trung tâm hoặc tín hiệu điện sinh lý. ........................................................................................................................ 115 5.2.5 Các vấn đề còn tồn tại .................................................................................. 116 5.3 Mô hình thu nhận, xử lý v lƣu trữ thông tin điện tim phổ biến trên thế giới hiện nay .................................................................................................................................. 117 V 5.3.1 Thu nhận dữ liệu điện tim từ hệ thống Holter .............................................. 117 5 3 2 Phƣơng pháp tổng hợp trong số hóa, lƣu trữ và quảng bá............................ 117 5.3.3 Các vấn đề còn tồn tại .................................................................................. 118 5.4 Xây dựng mô hình thu nhận, chuẩn hoá, phân tích v lƣu trữ dữ liệu điện tim loạn nhịp dạng véc tơ RR tại Việt Nam. ................................................................................ 119 5.4.1 Hệ thống đầu vào .......................................................................................... 121 5.4.2 Thu nhận và tổng hợp dữ liệu điện tim ........................................................ 122 5.4.3 Module xử lý MDFA trung tâm ................................................................... 123 5.4.4 Các hệ thống quản lý thông tin bệnh viện (HIS/PACS/RIS/LIS...) cùng với Hệ thống thiết bị và thông tin bệnh viện .......................................................................... 127 5.5 Triển khai v đánh giá thực tế mô hình thu nhận, chuẩn hoá, phân tích v lƣu trữ dữ liệu điện tim loạn nhịp dạng véc tơ RR tại Việt Nam............................................... 128 5 5 1 Đánh giá hiệu quả của mô hình MDFA của tác giả xây dựng so với các phần mềm xử lý tín hiệu điện tim Holter. ........................................................................... 129 5.5.2 Một số tuỳ chỉnh của mô hình đề xuất ......................................................... 131 KẾT LUẬN CHƢƠNG 5 ............................................................................................. 133 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 140 VI ỘT SỐ KÝ HI U VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT 1 Thuật ngữ ANS Dịch nghĩa Diễn giải Autonomic Nervous System Hệ thống thần thực vật 2 APC Atrial Premature Contraction Các cơn co thắt sớm tại tâm nhĩ 3 ApEn Approximate entropy Xấp xỉ Entropy 4 AR Autoregressive Tự hồi qui CAST CardiacArrhythmia Suppression Trial Thử nghiệm ngăn chặn tim loạn nhịp DFA Detrended Fluctuation Analysis Phân tích khử khuynh hƣớng động tín hiệu động 7 ECG Electro-cardiogram Điện tim đồ 8 FFT Fast Fourier transform Biến đổi Fourier nhanh 9 HF High Frequency Tần số cao 10 HRV Heart Rate Variability Loạn nhịp tim 11 LF Low Frequency Tần số thấp 12 NHLBI National Heart, Lung, and Blood Institute Viện nghiên cứu quốc gia M về Máu, Tim, Phổi 13 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ năng lƣợng 14 REC Recurrence Rate Tốc độ phát sinh lại 5 6 15 RMSD Root Mean Square Deviation Độ lệch phƣơng sai trung bình 16 SA Sionatrial node Nút xoang nhĩ 17 SampEn Sample Entropy Entropy mẫu Standard Deviation NN Độ lệch tiêu chuẩn của RR Standard deviation in RR intervals Độ lệch tiêu chuẩn của giá trị nhịp tim 18 19 20 SDNN STD RR TINN Triangular interpolation of NN Chiều rộng đƣờng gốc của intervals đồ thị đoạn RR VII 21 22 23 24 25 26 VLF Very Low Frequence Tần số rất thấp VPC Ventricular Premature Contractions Các cơn co thắt sớm tại tâm thất QRS Phức hợp QRS RR Khoảng thời gian giữa 2 đỉnh R liên tiếp SS Khoảng thời gian giữa 2 đỉnh S liên tiếp QQ Khoảng thời gian giữa 2 đỉnh RQ liên tiếp QRS RR SS QQ VIII MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo tại tay trái, tay phải và chân trái của bệnh nhân. ..................................................................................................................... 16 Hình 1. 2: Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim ...................... 17 Hình 1. 3: Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven. Tam giác Einthoven là 1 sự mô tả gần đúng các véc tơ đạo trình được kết hợp với các đạo trình chi. Đạo trình I được thể hiện là CI như trên hình ....................................................................................... 18 Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của sóng điện tim cần phân tích với 5 thành phần chính là P,Q,R,S,T trong đó phức hợp QRS đóng vai trò quan trọng nhất................................... 19 Hình 1.5: Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim gồm các thành phần phức hợp QRS, Sóng P-T, Nhiễu cơ… .......................................................................................................... 20 Hình 1.6: Nguyên lý chung của phương pháp phân tách phức hợp QRS đề xuất bởi Pan và Tompkins.............................................................................................................................. 28 Hình 1.7: Mô hình thực hiện phân tách phức hợp QRS do Hamilton và Tompkins............ 28 Hình 1.8: Đồ thị biên độ - tần số và pha - tần số của phép tính đạo hàm .......................... 30 Hình 1.9: Mối liên hệ giữa việc di chuyển cửa sổ và phức hợp QRS. Hình phía trên là tính hiệu điện tim. Hình phía dưới là kết quả phân tích của phức hợp QRS với các đoạn QS,QRS và W ....................................................................................................................... 31 Hình 1.10: Phân tích vẽ đồ thị Poincaré với chức năng điều chỉnh ellipse. ....................... 39 Hình 1.11: Sự xấp xỉ kích thước tương quan Entropy từ đồ thị (log r, log Cm(r)) ............. 42 Hình 1.12: Đồ thị biến đổi và (DFA1 và DFA2) ...................................................... 45 Hình 2.1: Dữ liệu điện tim theo dạng sóng trong 23h50p của một bệnh nhi 15 tháng tuổi được ghi tại Bệnh Viện Tim Hà Nội thông qua thiết bị Holter RZ153 ............................... 51 Hình 2.2: Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân tiêu chuẩn với hệ thống cảm biến dây dẫn, hệ thống xử lý trung tâm, hệ thống kết nối điều khiển và lưu trữ........................................ 52 Hình 2.3: Giao diện theo dõi và chẩn đoán của hệ thống theo dõi bệnh nhân trung tâm BedmasterEX hiện đang được sử dụng tại bệnh viện One Children's Place, St. Louis, MO, 63110 ................................................................................................................................... 53 Hình 2.4: Các cơn co thắt sớm tại tâm thất ........................................................................ 55 Hình 2.5: Các cơn co thắt sớm tại tâm nhĩ.......................................................................... 55 Hình 2.6: Phân bố bệnh nhân theo độ tuổi, với tỉ trọng bệnh nhân nhi tuổi <1 và tỉ trọng bệnh nhân trong độ tuổi 20 đến 50 chiếm tối đa ................................................................. 57 IX Hình 2.7: Mô hình thu nhận dữ liệu điện tim từ hệ thống BedmasterEX tại bệnh viện One Children's Place, St. Louis, MO, 63110. ............................................................................ 58 Hình 2.8 Các chỉ số sống của cơ thể bệnh nhân hiển thị qua phần mềm theo dõi trung tâm BedmasterEX ....................................................................................................................... 59 Hình 2.9: Cấu trúc của khung dữ liệu của hệ thống BedmasterEX bao gồm các thông tin về bệnh nhân và dữ liệu các kênh theo thời gian thực ............................................................. 60 Hình 2.10: Lựa chọn tín hiệu điện tim CAST ...................................................................... 61 Hình 2.11: Dữ liệu sóng điện tim trích xuất được từ bộ nhớ của thiết bị ghi điện tim Holter tại các bệnh viện ở Việt Nam ............................................................................................... 66 Hình 2.12: Dữ liệu sóng điện tim trích xuất được từ bộ nhớ của hệ thống BedmasterEX tại bệnh viện One Children's Place, St. Louis, MO, 63110 và tại Phòng nghiên cứu Washington University School of Medicine Heart Rate Variability Laboratory. ............... 67 Hình 2.13: Đề xuất phân tích biến đổi và đồng nhất dữ liệu điện tim loạn nhịp của cả ba hệ thống Holter , BedmasterEX và bộ cơ sở dữ liệu CAST. ................................................ 68 Hình 2.14: Cấu trúc không gian lưu trữ dữ liệu trên PhysioNet......................................... 69 Hình 3.1 : Đề cải thiện quy trình phân tách phức hợp QRS bằng cách tích hợp thêm chức năng và chuẩn hoá véc tơ RR đầu ra................................................................................... 74 Hình 3.2: Hình dạng các đỉnh tín hiệu Q,R,S của phức hợp QRS sau khi đã được lọc và bình phương tín hiệu............................................................................................................ 75 Hình 3.3: Lựa chọn phương pháp xác định ngưỡng tín hiệu các đỉnh Q,R,S trong phức hợp QRS theo tỉ lệ % của các đỉnh ............................................................................................. 77 Hình 3.4: Mô tả quá trình tính toán và .................................................................... 82 Hình 3.5: Bảng giá trị biến đổi của véc tơ theo thời gian của một bệnh nhân loạn nhịp tim với ba vùng đánh giá mức độ loạn nhịp là 0< <0,5, 0,5< <1,0 và 1 < ......... 83 Hình 3.6: Bảng giá trị biến đổi của véc tơ theo thời gian của một bệnh nhân loạn nhịp tim với ba vùng đánh giá mức độ loạn nhịp là 0< <0,5; 0,5< <1,0 và 1 < ......... 84 Hình 3.7: Mức độ tương quan giữa 2 giá trị và của một bệnh nhân loạn nhịp. ...... 85 Hình 3.8: Quy trình phân tích lựa chọn mẫu tín hiệu ......................................................... 86 Hình 4.1: Sơ đồ phân tách và lựa chọn khoảng thời gian giữa các lần xuất hiện sóng, tương ứng với giá trị trong các véc tơ R,S,T,P,Q,U ............................................................ 91 Hình 4.2: Phát hiện tín hiệu R qua phương pháp phân tách phức hợp QRS. Giá trị nhận được là các điểm đã được đánh dấu.................................................................................... 92 X Hình 4.3: So sánh hiệu quả của quá trình cải tiến phân tách phức hợp QRS thông qua hiệu số của số đỉnh R phát hiện được của phương pháp cải tiến so với phương pháp của Hamilton – Tompkins .......................................................................................................... 94 Hình 4.4: Đồ thị giá trị và theo thời gian trong ngày theo các khoảng thời gian 20 phút ...................................................................................................................................... 99 Hình 4.5 :Tương quan và Hình 4.6: Đồ thị của bệnh nhân e001a-1000beats............................................. 103 và Hình 4.7: Tương quan giữa của bệnh nhân mã e001a-20min ................................... 101 và e001a-1000beats .................................................. 104 Hình 4.8: Quy trình phân tích MDFA theo các nhóm 1000 nhịp RR cho nhóm bệnh nhân loạn nhịp tim điển hình trong bộ cơ sở dữ liệu HRVLab. ................................................. 105 Hình 4.9: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng ổn định .............................. 107 Hình 4.10: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng ổn định ............................ 107 Hình 4.11: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng loạn nhịp cao .................. 108 Hình 4.12: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng loạn nhịp cao .................. 108 Hình 5.1: Mô hình ghi dữ liệu điện tim thông qua hệ thống theo dõi trung tâm với các máy con và máy chủ trung tâm tại các trung tâm tim mạch và phục hồi chức năng ................ 116 Hình 5.2: Mô hình kết hợp các đầu vào trong quá trình thu nhận, số hóa, lưu trữ và quảng bá tín hiện điện tim ............................................................................................................ 118 Hình 5.3: Mô hình thu nhận, số hóa, chuẩn hóa và phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp tại Việt Nam phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế về véc tơ RR..................................................... 120 Hình 5.4: Quy trình thực hiện phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp do tác giả đề xuất cho Việt Nam ............................................................................................................................ 123 Hình 5.5: Quy trình tính toán MDFA ................................................................................ 125 Hình 5.6: Giao diện phần mềm MDFA dùng Matlab gui.................................................. 126 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Cấu trúc véc tơ RR sau khi phân tác phức hợp QRS có cải tiến phương pháp của Hamilton – Tompkins trong khoảng 24h theo dõi. .............................................................. 35 Bảng 2.1 Thông số cấu hình của máy đo Holter hiện đang được dùng phổ biến tại các bệnh viện lớn tại Việt nam ................................................................................................... 49 Bảng 2.2: Bảng dữ liệu tim Holter trong 23h50p của một bệnh nhi 15 tháng tuổi được ghi tại Bệnh Viện Tim Hà Nội thông qua thiết bị Holter RZ153 của Mỹ ................................. 50 XI Bảng 2.3: Phân bố các mẫu tín hiệu điện tim loạn nhịp từ các hệ thống Holter , BedmasterEX, Cast và HRV lab tại Việt Nam và Mỹ .......................................................... 56 Bảng 2.4: Phân bố bệnh nhân theo giới tính ở quá trình đo tín hiệu điện tim bằng thiết bị điện tim Holter ..................................................................................................................... 57 Bảng 2.5: Thời gian phát hiện bệnh của các bệnh nhân căn cứ theo tiếu sử bệnh nhân và các xét nghiệm lâm sàng ...................................................................................................... 57 Bảng 2.6: Phân bố tỷ lệ các bệnh nhân theo độ tuổi tại Bệnh viện St. Louis Children’s Hospital (SLCH), hầu hết trong số đó là các bệnh nhân nhi. ............................................. 59 Bảng 2.7 Cấu trúc dữ liệu điện tim CAST RR được trích xuất từ hệ thống cơ sở dữ liệu chuẩn PhysioNet .................................................................................................................. 62 Bảng 2.8: Trích mẫu dữ liệu véc tơ điện tim RR từ hệ thống tiêu chuẩn CAST .................. 63 Bảng 2.9: Mô tả trích mẫu dữ liệu CAST RR ...................................................................... 63 Bảng 3.1: Thông số thời gian của các đỉnh và khoảng tín hiệu P,PR,PQ, QRS ................. 76 Bảng 3.2: Các ngưỡng dưới, trên của khoảng RR trong phức hợp QRS do tác giả đề xuất ............................................................................................................................................. 77 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của alpha đối với việc phân tích đánh giá tín hiệu tim loạn nhịp.... 83 Bảng 3.4: Các vùng đánh giá mức độ loạn nhịp điện tim theo véc tơ và ................. 84 Bảng 4.1: Kết quả phân tách phức hợp QRS bằng phương pháp của Pan, Hamilton và Tompkins.............................................................................................................................. 93 Bảng 4.2: Kết quả phân tích dữ liệu theo miền phi tuyến của một bệnh nhân với cặp giá trị và lần lượt là 0,65235 và 0,59586. ........................................................................ 96 Bảng 4.3: Bảng tổng hợp các giá trị và của bệnh nhân mã e001a-20min .............. 98 Bảng 4.4: Bảng dữ liệu DFA của e001a-1000beat ........................................................... 102 Bảng 4.5: Phân bố các giá trị và theo giải giá trị xuất hiện của các ngưỡng loạn nhịp α <0,5, 0,5 ≤ α ≤ 1,0, α > 1,0 và nhóm giá trị nhiễu................................................ 106 Bảng 5. 1 Giá trị DFA tính toán được của mẫu 151 véc tơ RR các bệnh nhân tại ba bệnh viện: Viện Tim Mạch Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Tim Đông Đô và Bệnh viện Tim Hà Nội. .................................................................................................................................... 129 Bảng 5. 2 Phân tích và đánh giá Số bệnh nhân có tỉ lệ MDFA loạn nhịp cao lớn hơn 15% ........................................................................................................................................... 130 Bảng 5. 3 Đánh giá số lượng bệnh nhân có triệu chứng loạn nhịp tim theo kết luận của bác sĩ ........................................................................................................................................ 131 XII 1. Giới thiệu Tim là một thành phần rất quan trọng trong cơ thể con ngƣời. Quá trình hoạt động ổn định của tim sẽ giúp cho cơ thể khoẻ mạnh và duy trì sự sống. Biểu hiện của tim có thể cho phép xác định đƣợc các trạng thái bệnh tật cơ bản của con ngƣời. Quá trình phân tích tín hiệu điện tim có thể xác định đƣợc chính xác khoảng 90% các biểu hiện thƣờng gặp của bệnh tim từ đó đƣa ra các nhận đinh cơ bản về tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân. Luận án tiến sĩ n y sẽ tập trung nghiên cứu phân tích tín hiệu điện tim của các bệnh nhân v đặc biệt là các bệnh nhi bằng các thuật toán phân tích khử khuynh hƣớng động tín hiệu động (DFA – Detrended Fluctuation Analysis) [1, 2] các công cụ toán học Matlab, Ahrv, Kubios v phƣơng pháp luận khoa học để từ đó đƣa ra phƣơng pháp, giải thuật xác định trạng thái bệnh tật phổ biến của bệnh nhân của Việt Nam cũng nhƣ tr n thế giới. Trong khoảng 40 năm qua, các kết quả nghiên cứu về phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp (HRV - Heart Rate Variability) của các nhà khoa học trên toàn thế giới đã làm sáng tỏ thêm về cơ sở sinh lý học của tim và các quan hệ mật thiết của tín hiệu điện tim loạn nhịp với các bệnh lý khác nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng HRV phản ánh hoạt động đƣợc điều khiển bởi hệ thống thần kinh thực vật (ANSAutonomic Nervous System) trong nút xoang nhĩ [1, 2]. HRV là một trong các triệu chứng phổ biến nhất của bệnh tim, vì vậy đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về việc phát hiện, chẩn đoán HRV gồm cả phần cứng và phần mềm để phục vụ trong công tác nghiên cứu [3, 4] chẩn đoán điều trị [5]. Tín hiệu tim nói chung và tín hiệu tim loạn nhịp nói ri ng đƣợc phân tích bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau, đƣợc phân chia thành ba xu hƣớng chính nhƣ sau: Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền thời gian, dùng để tính toán các thông số cơ bản của tín hiệu nhƣ nhịp tim trung bình [6], phân bố véc tơ RR(khoảng thời gian giữa hai đỉnh tín hiệu điện tim cao nhất và liên tiếp của sóng điện tim) và các đặc trƣng khác Phƣơng pháp n y chủ yếu dựa trên các thống k đơn giản về các đặc trƣng của tín hiệu điện tim. Ưu điểm: Tính toán đơn giản, cho kết quả nhanh. Nhược điểm: Chỉ thể hiện các thông số đơn giản về số nhịp, nhịp trung bình, không hiệu quả khi thời gian theo dõi lớn. 1 Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền tần số cho phép phân tích phổ tần số của tín hiệu nên có nhiều lựa chọn v phƣơng pháp đánh giá về tần số [7, 8] hoặc về công suất, phổ của tín hiệu. Phƣơng pháp n y dựa trên hàm số v phƣơng pháp toán học để tính toán v đánh giá dữ liệu điện tim, tác động chủ yếu tới cấu trúc và phổ tín hiệu điện tim. Ưu điểm: Có thêm nhiều kết quả tính toán khi phân tích véc tơ nhịp RR trong miền tần số nhƣ phân tích phổ, phân tích các khoảng tần số, hiệu quả khi phân tích tín hiệu điện tim trong thời gian ngắn. Nhược điểm: Thời gian tính toán lâu hơn so với tính toán trong miền thời gian, các kết quả không phản ánh trực tiếp trạng thái của bệnh nhân, một số phép biến đổi còn phức tạp và cần kết hợp thêm nhiều phƣơng pháp khác để có kết luận chính xác. Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến, đây l xu hƣớng đang đƣợc thực hiện phổ biến nhất hiện nay đặc biệt l đối với các trƣờng hợp theo dõi tín hiệu điện tim trong thời gian dài với các đặc trƣng về loạn nhịp tim. Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhƣ DFA, đồ thị Poincare, SD1, SD2, đồ thị Recurrence, Lmean, ShanEn [9, 10, 11, 12]. Phƣơng pháp n y tính toán v phân tích thống k dựa theo luật số lớn với dữ liệu mẫu điện tim lớn. Ưu điểm: Kết quả tính toán đa dạng, có thể tính toán đồng thời theo thời gian ngắn v thời gian d i, các phép tính toán đƣợc minh chứng v kết hợp cụ thể với các luật số lớn v các h m toán học, hiệu quả khi tính toán để hỗ trợ chẩn đoán sớm các triệu chứng loạn nhịp tim Nhược điểm: Thời gian tính toán lâu hơn hai phƣơng pháp tính toán trong miền thời gian v miền tần số Kết quả tính toán l một thông số cụ thể v cần kết hợp với các phƣơng pháp khác để có kết quả phân tích chính xác Trong các các hƣớng phân tích đó, phƣơng pháp DFA đƣợc phát triển lần đầu ti n v o năm 1995 bởi Peng C-K [13], từ đó đến nay có nhiều ứng dụng, nghiên cứu và phát triển dựa theo đề xuất của Peng C-K. Tính đến những năm gần đây vẫn có rất nhiều các nghiên cứu khoa học về tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến [14, 15, 16, 17]. Các nghiên cứu đó đều dựa trên quá trình phân tích tín hiệu điện tim của nhiều ngƣời, căn cứ vào những triệu chứng mắc phải và ảnh hƣởng trƣc tiếp tới tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân [18, 19]. Thực tế n y đòi hỏi có một phƣơng pháp phân tích xử lý các tín hiệu điện tim đo đƣợc bằng các phƣơng pháp khoa học cụ thể, để từ đó có thể chẩn đoán đƣợc sớm nhất các tín hiệu loạn nhịp tim [20, 21]. 2 2. Lý do chọn đề tài luận án Từ những phân tích ở trên cho thấy quá trình thu nhận, phân tích, xử lý tín hiệu điện tim tại các nƣớc phát triển đã đạt đƣợc những phƣơng pháp v kết quả quan trọng. Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu chẩn đoán sớm các triệu chứng bệnh tật của bệnh nhân nhờ quá trình theo dõi tín hiệu điện tim và các thông số sinh học trong thời gian d i Các phƣơng pháp thu nhận, phân tích, xử lý dữ liệu tùy thuộc v o đặc điểm và tình trạng của bệnh nhân v đặc thù tại các cơ sở y tế. Tại Việt Nam cũng nhƣ các nƣớc đang phát triển khác, mặc dù đã có những hệ thống và thiết bị thu nhận, phân tích tín hiệu điện tim của các hãng nổi tiếng trên thế giới nhƣng mới dừng lại ở mức độ thu nhận, hiển thị và phân tích các triệu chứng điển hình khi bệnh nhân đã có biểu hiện bệnh tật rõ ràng. Hạn chế của phƣơng pháp DFA do Peng C-K đề xuất là chỉ có duy nhất một cặp giá trị kết quả dùng để đánh giá mức độ loạn nhịp tín hiệu điện tim trong suốt thời gian theo dõi. Khoảng thời gian theo dõi có thể d i đến 72 giờ hoặc hơn nữa sẽ khiến cho chỉ số DFA tính toán đƣợc ít hiệu quả. Tác giả đề xuất thực hiện luận án này với mục đích phát triển giải thuật DFA thành giải thuật toán Phân tích khử khuynh hƣớng động tín hiệu động đa trị (MDFA – Multi Detrended Fluctuation Analysis) để khắc phục các nhƣợc điểm của phƣơng pháp DFA do Peng C-K đề xuất với khả năng đánh giá chi tiết hơn các khoảng loạn nhịp tim và thời điểm xuất hiện loạn nhịp tim. Bên cạnh đó, tác giả đề xuất xây dựng mô hình, quy trình xử lý, đánh giá chất lƣợng dữ liệu điện tim loạn nhịp sau khi thu nhận và các yếu tố liên quan tới khả năng ứng dụng vào thực tiễn đáp ứng các điều kiện và yêu cầu của Việt Nam cũng nhƣ tr n thế giới, đặc biệt l các nƣớc đang phát triển. 3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Trong quá trình nghiên cứu, tác giả tập trung phát triển các thuật toán để tính toán đối với tín hiệu điện tim thu nhận đƣợc trong thời gian dài l n đến 72 giờ của số lƣợng lớn bệnh nhân tại Việt Nam, M và trên thế giới. Dữ liệu thống kê bao gồm cả tín hiệu điện tim dƣới dạng sóng, dạng véc tơ nhịp RR, dạng tổng hợp loạn nhịp tim và tiểu sử bệnh nhân. Quá trình phân tích tín hiệu điện tim chuẩn hoá chúng về dạng véc tơ RR để thực hiện phân tích xử lý bằng các giải thuật và phƣơng pháp xử lý tín hiệu số nhằm tìm ra đặc điểm đặc trƣng của dạng tín hiệu và loại bệnh có trong tiểu sử. 3 Phƣơng pháp nghiên cứu: Phƣơng pháp nhi n cứu đƣợc lựa chọn để thực hiện luận án là tổng hợp của các phƣơng pháp thống kê, phân tích, xây dựng giải thuật phân tích biến đổi tín hiệu, đo lƣờng thực nghiệm v đánh giá kết quả. Tác giả thực hiện nghiên cứu theo phƣơng pháp khoa học tại Bộ Môn Công Nghệ Điện Tử và K Thuật Y Sinh, Viện Điện Tử Viễn Thông, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội từ tháng 10 năm 2010, đây cũng chính l nơi công tác của tác giả. Tại Việt Nam, dữ liệu điện tim Holter đƣợc tác giả trực tiếp thu thập từ ba bệnh viện chuyên ngành về tim tại Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 01/2012 đến tháng 09/2012. Các bệnh viện đó l : Viện Tim Mạch, Bệnh viện Bạch Mai; Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Tim Đông Đô. Tại M , dữ liệu từ máy điện tim Holter và từ hệ thống monitor trung tâm tại M đƣợc thu thập từ bệnh viện và phòng nghiên cứu tại bang Missouri, M trong khoảng thời gian từ tháng 02/2013 đến tháng 08/2013 khi tác giả tham gia thực hiện các nghiên cứu tại Bệnh viện St. Louis Children‟s Hospital và Phòng nghiên cứu Washington University School of Medicine Heart Rate Variability Laboratory. Quá trình thu nhận dữ liệu đƣợc thực hiện trên hệ thống theo dõi tín hiệu bệnh nhân trung tâm BedmasterEX v đƣợc xử lý theo quy trình tiêu chuẩn của M . Dữ liệu điện tim theo tiêu chuẩn của Viện nghiên cứu quốc gia M về Máu, Tim, Phổi (NHLBI - National Heart, Lung, and Blood Institute) [27] đƣợc thu thập, xử lý v phân tích lƣu trữ và trích xuất theo tiêu chuẩn của hệ thống CAST (Cardiac Arrhythmia Suppression Trial). Hệ thống này trực thuộc một nghiên cứu bắt đầu từ năm 1986 do NHLBI tài trợ Cơ sở dữ liệu n y đƣợc tác giả nghiên cứu, phân tích và sử dụng trong suốt thời gian thực hiện đề tài từ 10/2010 đến 12/2013. 4. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới Trong nƣớc: Tại Việt nam, nghiên cứu về tim v đặc biệt là nghiên cứu về phân tích xử lý tín hiệu tim mới chỉ dừng lại ở việc thu nhận tín hiệu tim thông thƣờng, hiển thị các tín hiệu này một cách đơn lẻ thông qua các thiết bị đƣợc thiết kế tại một số cơ sở nhƣ Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Đại Học Quốc Gia Hồ Chí Minh và một số đề tài nghiên cứu do các đơn vị bên ngoài chủ trì. Các công trình nghiên cứu n y ít đƣợc sử dụng trong thực tế và hiệu quả không cao cho mục đích khám chữa bệnh. Về mặt thực hành, quá trình nghiên cứu điện tim và các bệnh 4 li n quan đến tim cũng chỉ dừng lại ở mức cơ bản và cận lâm sàng. Với đội ngũ các bác sĩ, đa phần các nghiên cứu dừng lại ở mức độ nhận xét lâm sàng và quan sát biểu hiện bệnh nhân thông qua luật số lớn v li n quan đến y học nhiều hơn l xử lý tín hiệu Điển hình một số loại nghiên cứu về tim nhƣ sau:  Đề tài nghiên cứu cấp nh nƣớc KHCN11-15(1999 - 2000): "Nghiên cứu chọn lọc một số thành tựu khoa học công nghệ của thế giới về chăm sóc Y tế ứng dụng thích hợp vào Việt Nam (chẩn đoán, điều trị các bệnh tim mạch)".  Đề tài nghiên cứu cấp nh nƣớc KC 10- 04(2001- 2004): "Nghiên cứu ứng dụng k thuật tiên tiến trong chẩn đoán v điều trị bệnh tim mạch".  Đề tài nghiên cứu cấp Nh nƣớc KC10-29(2005-2007): "Ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ trong chẩn đoán chính xác v điều trị một số bệnh tim bẩm sinh thƣờng gặp".  Đề tài nghiên cứu cấp nh nƣớc KC10-06(2007-2010): "Nghiên cứu tình trạng tắc lại, tái hẹp động mạch vành sau can thiệp và các biện pháp để hạn chế".  Đề tài hợp tác song phƣơng dự án hợp tác phát triển đại học VLIR-HUT AP04\PJ03\Nr06(2004): “Wavelet theory – based high resolution signal analysis, application to biomedical and communications.” Ngoài ra, Tại Việt Nam cũng đã có một số thiết kế và phân tích tín hiệu điện tim cơ bản nhằm cố gắng thu nhận đƣợc tín hiệu điện tim cũng nhƣ chế tạo đƣợc các thiết bị đo đƣợc tín hiệu điện tim Tuy nhi n, khi đọc và xử lý tín hiệu điện tim ghi đƣợc trên bệnh nhân, phần lớn các tín hiệu ghi đƣợc là các tín hiệu biểu thị nhịp tim bình thƣờng, các tín hiệu này không phục vụ cho việc chẩn đoán bệnh, chỉ có một vài chu kỳ biểu thị nhịp tim không bình thƣờng kèm theo sự thay đổi hình dạng của điện tim Nhƣ vậy dùng các phƣơng pháp truyền thống để thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim tốn rất nhiều bộ nhớ để ghi các tín hiệu không phục vụ cho chẩn đoán bệnh trong khi đó bộ nhớ của máy ghi không đủ để có thể ghi lại các chu kỳ bệnh lý d i hơn Tóm lại, ở Việt nam quá trình nghiên cứu và phân tích tín hiệu điện tim loại nhịp vẫn còn rất hạn chế v thƣờng chỉ gắn liền với các triệu chứng lâm s ng cũng nhƣ gắn liền với bác sĩ Chƣa có những nghiên cứu sâu và cụ thể về tín hiệu điện tim loạn nhịp dựa trên cơ sở tính toán khoa học và xử lý tín hiệu số. Trên thế giới: Nghiên cứu về tim đã đƣợc tiến hành từ lâu trên thế giới, tuy các nhà khoa học đã đạt đƣợc nhiều kết quả quan trọng nhƣng vẫn còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu 5 k hơn, đặc biệt là các vấn đề li n quan đến chẩn đoán sớm các bệnh về tim. Lịch sử phát triển của máy ghi điện tim trên thế giới đƣợc ghi nhận bởi bác s William Heberden để chẩn đoán chứng nhồi máu cơ tim William Heberden có viết về chứng "đau ngực" nhƣng chẳng mấy ai hiểu về căn bản nguyên nhân cùa loại bệnh tim mạch này. Các nghiên cứu đã đƣợc công bố [16, 17] đã chỉ ra các phƣơng pháp, kết quả và mối tƣơng quan mật thiết giữa trạng thái và thông số của tín hiệu điện tim loạn nhịp so với tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân. Về lý thuyết, hiện nay các nghiên cứu về tín hiệu điện tim trên thế giới đã đạt đến trình độ cao, cho phép có thể thu nhận chính xác dữ liệu điện tim của bệnh nhân trong thời gian dài và có thể xử lý theo thời gian thực thông qua hệ thống phần mềm và thiết bị tiên tiến Cơ sở lý thuyết về loạn nhịp tim đã có quá trình nghi n cứu khoảng 40 năm dựa trên những tiến bộ về thu nhận, phân tích và xử lý tín hiệu với khá nhiều phƣơng pháp toán học khác nhau nhƣ các phƣơng pháp sai phân [41], lọc số [42], mạng nhân tạo [43], băng lọc [43, 44], mô hình của Markov, thiết kế tối ƣu phi tuyến, ƣớc lƣợng tối đa, phƣơng pháp Balda, các giải thuật đề xuất bởi Tompkins [43, 48] v phƣơng pháp biến đổi wavelet [30]. Về mặt thực hành, quá trình nghiên cứu lâm sàng, chẩn đoán, điều trị đã đƣợc tiến hành từ khá lâu v đạt đƣợc nhiều thành tựu cụ thể Các bác sĩ đã có thể thực hiện tác động tới các cơ tim, khoang tim v van tim để điều chỉnh chế độ hoạt động của tim. Bên cạnh đó cũng có các thiết bị tạo nhịp đƣợc sử dụng tạm thời hoặc gắn trực tiếp v o cơ thể bệnh nhân để ổn định quá trình hoạt động của tim thông qua các kích thích điện vào các thời điểm thích hợp ở các buồng tim. Nhiều trung tâm nghiên cứu về tim trên thế giới vẫn thƣờng xuyên thực hiện các nghiên cứu nhằm tìm ra phƣơng pháp v quy trình ổn định nhất cho phép xác định và can thiệp sớm vào bệnh nhân về các triệu chứng của tim. 5. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Quá trình thu nhận, xử lý, phân tích, chẩn đoán tín hiệu điện tim trong khoảng thời gian dài là một trong những quy trình phức tạp trên thế giới và hiện tại vẫn đang trong quá trình thay đổi, phát triển. Tác giả đã tiến hành thực hiện luận án tại các 03 cơ sở bệnh viện ở Việt Nam, 02 cơ sở y tế và trung tâm nghiên cứu tại M , đồng thời có đối chiếu, so sánh với dữ liệu trong bộ cơ sở dữ liệu CAST. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án đƣợc thể hiện nhƣ sau: 6