Luận án Tiến sĩ Cơ kỹ thuật: Nhận dạng tự động cụm tín hiệu QRS trong hệ thống điện tâm đồ gắng sức

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được thực hiện nhằm đề xuất phương án tự động nhận dạng phức bộ QRS trong hệ thống tín hiệu ECG theo cách tiếp cận mới. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của phương án đề xuất trên cả cơ sở dữ liệu ECG gắng sức cũng như tĩnh và so sánh kết quả đạt được với một số nghiên cứu khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ kỹ thuật: Nhận dạng tự động cụm tín hiệu QRS trong hệ thống điện tâm đồ gắng sức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Văn Mạnh NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2022
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Văn Mạnh NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Phạm Mạnh Thắng Hà Nội – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong các công trình trước đây. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2022 NCS. Hoàng Văn Mạnh
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học đã có các góp ý quý báu cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong luận án. NCS. Hoàng Văn Mạnh
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5 1.1 Điện tâm đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Hoạt động điện của tim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Mô tả tín hiệu điện tâm đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Điện tâm đồ gắng sức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Một số phương pháp tự động nhận dạng QRS và trích xuất các thành phần tín hiệu ECG điển hình . . . . . . . . 11 1.3.1 Phương pháp lấy ngưỡng trong miền thời gian . . . . . . . 12 1.3.2 Phương pháp phân tích phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.3 Phân tích thành phần chính . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4 Cơ sở dữ liệu ECG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.1 Cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH . . . . . . . . . . 17 1.4.2 Cơ sở dữ liệu đa chuyển đạo CSE . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.3 Cơ sở dữ liệu PTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4.4 Cơ sở dữ liệu điện tâm đồ gắng sức GUDB . . . . . . . . . 21 1.5 Những vấn đề còn tồn tại và giải pháp công nghệ . . . . . . . . . . 23 1.6 Kết luận Chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 CHƯƠNG 2. LỌC NHIỄU TÍN HIỆU 26
iv 2.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.1 Nhiễu lưới điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.2 Nhiễu trôi đường cơ sở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.3 Nhiễu điện cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.4 Nhiễu do dịch chuyển điện cực . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2 Thuật toán lọc EDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Thuật toán lọc EDNSS sửa đổi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4 Kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.1 Các tham số đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.2 Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu mô phỏng . . . . . . . . . . . 34 2.4.3 Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu điện tâm đồ gắng sức . . . . 38 2.5 Kết luận Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH PHỨC BỘ QRS 46 3.1 Quy trình xác định vị trí phức bộ QRS . . . . . . . . . . . . 46 3.1.1 Giai đoạn tiền xử lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2 Giai đoạn xác định các đỉnh là ứng viên cho phức bộ QRS 52 3.1.3 Giai đoạn loại bỏ các đỉnh không phải là phức bộ QRS . . 57 3.2 Xử lý vấn đề liên quan tới QRS đầu và cuối . . . . . . . . . . . . . 59 3.3 Nhận dạng phức bộ QRS đối với hệ thống tín hiệu ECG đa chuyển đạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.4 Kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.4.1 Các tham số đánh giá hiệu suất của thuật toán . . . . . . 64 3.4.2 Thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu ECG nghỉ MIT-BIH . . . . 65 3.4.3 Thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu ECG gắng sức GUDB . . . 70 3.4.4 Thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu ECG đa chuyển đạo . . . . 82 3.5 Kết luận Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 CHƯƠNG 4. ĐO CÁC SÓNG THÀNH PHẦN 89 4.1 Biến đổi Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
v 4.2 Nguyên lý xác định các thành phần sóng ECG . . . . . . . 91 4.2.1 Xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc phức bộ QRS . . . 93 4.2.2 Xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc sóng P . . . . . . . 94 4.2.3 Xác định thời điểm kết thúc sóng T . . . . . . . . . . . . . 96 4.3 Đo các sóng thành phần trong hệ thống tín hiệu ECG đa chuyển đạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.4 Kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4.1 Một số ví dụ phân tích các sóng thành phần tín hiệu ECG 99 4.4.2 Đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.5 Kết luận Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 KẾT LUẬN 111 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC P1 A.1 Mã nguồn xác định vị trí phức bộ QRS . . . . . . . . . . . . . . . P1 A.2 Mã nguồn xác định các điểm quan trọng . . . . . . . . . . . . . . . P3 A.3 Mã nguồn thực hiện phép phân tích nhóm . . . . . . . . . . . . . . P9
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ECG Electrocardiogram Điện tâm đồ SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SVM Support Vector Machine Máy vectơ hỗ trợ CWT Continuous Wavelet Transform Biến đổi wavelet liên tục DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc EMD Empirical Mode Decomposition Phân tích dạng kinh nghiệm IMFs Intrinsic Mode Functions Hàm dạng HHT Hilbert-Huang Transform Biến đổi Hilbert-Huang PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần chính CSE Common Standards for Tiêu chuẩn định lượng ECG Quantitative Electrocardiography EMG Electromyography Điện cơ EDNSS Error-Data Normalized Step-Size Biến thể của bộ lọc LMS EMSEss Steady State Excess Mean Sai số bình phương trung bình Square Error vượt quá trạng thái ổn định
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Dạng sóng và thời lượng điện thế hoạt động tại các vùng khác nhau của tim và chu kỳ tim liên quan của điện tâm đồ [47] . 6 Hình 1.2 Vị trí đặt các điện cực của hệ thống ECG 12 chuyển đạo [40] 7 Hình 1.3 Dạng sóng ECG của một người khỏe mạnh [78] . . . . . . . 8 Hình 1.4 Phổ công suất của sóng P, phức bộ QRS và sóng T [78] . . . 9 Hình 1.5 Đáp ứng điện tâm đồ trong quá trình kiểm tra gắng sức: a) người khỏe mạnh; và b) người mắc chứng bệnh thiếu máu cục bộ cơ tim [78] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.6 Cấu trúc chung cho bộ dò phức bộ QRS [39] . . . . . . . . . 12 Hình 1.7 Lắp đặt thiết bị và tín hiệu ECG đo được [33] . . . . . . . . 23 Hình 2.1 Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu lưới điện 60 Hz và phổ công suất 27 Hình 2.2 a) Tín hiệu ECG bị nhiễm nhiễu trôi đường cơ sở do chuyển động cơ thể đột ngột. b) Ảnh cận cảnh theo thời gian của đoạn dữ liệu được đóng khung trong hình a) [78] . . . . . . . . . . . . . 28 Hình 2.3 Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu điện cơ . . . . . . . . . . . . . . . 29 Hình 2.4 Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu do dịch chuyển điện cực gây ra . 30 Hình 2.5 Bộ lọc nhiễu thích nghi sử dụng thuật toán EDNSS [72] . . 31 Hình 2.6 So sánh giá trị M giữa hai thuật toán . . . . . . . . . . . . . 36 Hình 2.7 So sánh giá trị EMSEss giữa hai thuật toán . . . . . . . . . . 36 Hình 2.8 Kết quả lọc của các thuật toán với nhiễu 6dB: a) ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) ECG nhiễm nhiễu, d) đầu ra EDNSS, e) đầu ra MEDNSS, f) giá trị EMSE của EDNSS và g) giá trị EMSE của MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
viii Hình 2.9 Kết quả lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc bản ghi GUDB_HB_25: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d) MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Hình 2.10 Kết quả lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc bản ghi GUDB_HB_25: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d) MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Hình 2.11 Kết quả lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc bản ghi GUDB_WK_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d) MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Hình 2.12 Kết quả lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc bản ghi GUDB_WK_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d) MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Hình 2.13 Kết quả lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc bản ghi GUDB_JG_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d) MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 2.14 Kết quả lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc bản ghi GUDB_JG_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d) MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 2.15 So sánh giá trị EMSEss giữa hai bộ lọc khi thử nghiệm với: a) tín hiệu Chest Strap và b) tín hiệu Einthoven II . . . . . . . . . 43 Hình 2.16 So sánh giá trị M giữa hai bộ lọc khi thử nghiệm với: a) tín hiệu Chest Strap và b) tín hiệu Einthoven II . . . . . . . . . . . . 44 Hình 2.17 So sánh giá trị EMSEss khi thử nghiệm bộ lọc MEDNSS trên tín hiệu Chest Strap và Einthoven II . . . . . . . . . . . . . . 45 Hình 3.1 Quy trình nhận dạng vị trí phức bộ QRS . . . . . . . . . . . 47 Hình 3.2 Các phép chuyển đổi năng lượng [68] . . . . . . . . . . . . . . 50
ix Hình 3.3 Kết quả thực hiện phép lấy bình phương và phép lấy năng lượng Shannon đối với tín hiệu ECG thực: a) tín hiệu ECG, b) phép lấy bình phương và c) phép lấy năng lượng Shannon. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Hình 3.4 Kết quả thực hiện các bước của giai đoạn tiền xử lý: a) tín hiệu ECG, b) năng lượng Shannon và c) tín hiệu sau bộ lọc trung bình. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Hình 3.5 Nguyên lý xác định các đỉnh trội . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Hình 3.6 Các bước tiến hành thuật toán xác định đỉnh trội: a) tín hiệu ECG gốc; b) xác định các cực đại địa phương; c) xác định các cực đại trội. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Hình 3.7 Kết quả quá trình tìm kiếm lại các ứng viên cho vị trí phức bộ QRS. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hình 3.8 Mối quan hệ giữa độ chính xác với các hệ số α và β : (a) MIT-BIH [54]; (b) Glasgow University Database (GUDB) [33] . . 58 Hình 3.9 Kết quả xác định phức bộ QRS: a) Tín hiệu ECG gốc; b) Tín hiệu có chứa các phức bộ QRS giả; c) Kết quả sau khi loại bỏ đỉnh giả. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 của cơ sở dữ liệu MIT-BIH [54] 59 Hình 3.10 Các phức bộ QRS chưa đầy đủ dữ liệu . . . . . . . . . . . . 60 Hình 3.11 Kết quả xử lý với phức bộ QRS đầu không đủ dữ liệu hoàn chỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Hình 3.12 Kết quả xử lý với phức bộ QRS cuối không đủ dữ liệu hoàn chỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Hình 3.13 Sơ đồ hình cây nhóm phân cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
x Hình 3.14 Xác định vị trí QRS từ các bản ghi có nhịp bất thường khác nhau trong cơ sở dữ liệu MIT-BIH: a) 106, b) 109, c) 119, d) 207, e) 232, và f) 233 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 3.15 Ví dụ phát hiện sai vị trí một số phức bộ QRS từ các bản ghi khác nhau trong cơ sở dữ liệu MIT-BIH: a) 104, b) 105, c) 203 và d) 208. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 3.16 Kết quả nhận dạng phức bộ QRS đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_ST_01: a) chuyển đạo Chest Strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Hình 3.17 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_ST_12: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 72 Hình 3.18 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_MT_20: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 73 Hình 3.19 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_MT_25: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 74 Hình 3.20 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_HB_01: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 74 Hình 3.21 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_HB_02: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 75 Hình 3.22 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_WK_02: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 76 Hình 3.23 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_WK_21: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 77 Hình 3.24 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_JG_08: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 78 Hình 3.25 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_JG_25: a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 79 Hình 3.26 So sánh giá trị Se giữa Chest Strap và Einthoven II . . . . . 81 Hình 3.27 So sánh giá trị P + giữa Chest Strap và Einthoven II . . . . . 81
xi Hình 3.28 So sánh giá trị ACC giữa Chest Strap và Einthoven II . . . 82 Hình 3.29 So sánh giá trị DER giữa Chest Strap và Einthoven II . . . 82 Hình 3.30 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS cục bộ đối với các chuyển đạo X, Y và Z của tín hiệu MO1_034_03 . . . . . . . . . . . . . . 83 Hình 3.31 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS toàn cục đối với các chuyển đạo X, Y và Z của tín hiệu MO1_034_03 . . . . . . . . . . . . . . 84 Hình 3.32 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS cục bộ đối với các chuyển đạo I, II và III của tín hiệu MO1_034_12 . . . . . . . . . . . . . . 85 Hình 3.33 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS toàn cục đối với các chuyển đạo I, II và III của tín hiệu MO1_034_12 . . . . . . . . . . . . . . 85 Hình 4.1 Biểu diễn phức của đường bao . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Hình 4.2 Sơ đồ thực hiện thuật toán phân tích tín hiệu ECG . . . . . 92 Hình 4.3 Quy tắc xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc phức bộ QRS 93 Hình 4.4 Ví dụ xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc phức bộ QRS 94 Hình 4.5 Quy tắc xác định vị trí, thời điểm bắt đầu và kết thúc sóng P 96 Hình 4.6 Ví dụ xác định vị trí, thời điểm bắt đầu và kết thúc sóng P 96 Hình 4.7 Quy tắc xác định vị trí và thời điểm kết thúc sóng T . . . . 98 Hình 4.8 Ví dụ xác định vị trí và thời điểm kết thúc sóng T . . . . . . 98 Hình 4.9 Tín hiệu GUDB_ST_25: a) Chest Strap và b) Einthoven II 100 Hình 4.10 Tín hiệu GUDB_MT_19: a) Chest Strap và b) Einthoven II 100 Hình 4.11 Tín hiệu GUDB_HB_23: a) Chest Strap và b) Einthoven II 101 Hình 4.12 Tín hiệu GUDB_WK_21: a) Chest Strap và b) Einthoven II101 Hình 4.13 Tín hiệu GUDB_JG_25: a) Chest Strap và b) Einthoven II 102 Hình 4.14 Phân tích tín hiệu MO1_009_03, đơn kênh, chuyển đạo X, Y, Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Hình 4.15 Phân tích tín hiệu MO1_009_03, đa kênh, chuyển đạo X, Y, Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Hình 4.16 Phân tích tín hiệu MO1_009_12, đơn kênh, chuyển đạo I, II, III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
xii Hình 4.17 Phân tích tín hiệu MO1_009_12, đa kênh, chuyển đạo I, II, III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Hình 4.18 Biểu đồ biểu diễn độ lệch cho các chuyển đạo trực giao . . . 107 Hình 4.19 Biểu đồ biểu diễn độ lệch cho các chuyển đạo tiêu chuẩn . . 108
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sự phân bố các nhóm dữ liệu của cơ sở dữ liệu CSE tiêu chuẩn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Bảng 1.2 Tiêu chí đo các sóng thành phần trong cơ sở dữ liệu CSE [66] 20 Bảng 1.3 Kết quả chẩn đoán cơ sở dữ liệu PTB . . . . . . . . . . . . . 21 Bảng 2.1 So sánh giá trị EMSEss và M giữa hai thuật toán lọc . . . . 35 Bảng 2.2 So sánh các giá trị EMSEss và M giữa hai thuật toán . . . 42 Bảng 3.1 Kết quả thực hiện thuật toán trên cơ sở dữ liệu MIT-BIH . 68 Bảng 3.2 So sánh hiệu suất các thuật toán trên cơ sở dữ liệu MIT-BIH 70 Bảng 3.3 Kết quả thử nghiệm thuật toán trên cơ sở GUDB [33] . . . 80 Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm thuật toán trên nhóm dữ liệu số 3 của cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn CSE [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Bảng 3.5 So sánh kết quả đạt được với một số nhóm tác giả khác . . 87 Bảng 4.1 Ngưỡng sử dụng xác định QRSonset và QRSoffset . . . . . 94 Bảng 4.2 Các ngưỡng được sử dụng để xác định vị trí sóng P . . . . . 95 Bảng 4.3 Các ngưỡng sử dụng cho thuật toán xác định vị trí sóng T . 97 Bảng 4.4 Kết quả thử nghiệm thuật toán nhận dạng các sóng thành phần trên tập dữ liệu kiểm thử thuộc nhóm dữ liệu số 3 của sơ sở dữ liệu CSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Bảng 4.5 So sánh kết quả thuật toán đề xuất với một số nghiên cứu khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Bảng 4.6 So sánh kết quả thử nghiệm thuật toán với các nghiên cứu khác sử dụng điểm tham chiếu từ các bác sĩ tim mạch . . . . . . . 110
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Điện tâm đồ (ECG) là một trong số những công cụ không xâm lấn quan trọng được sử dụng phổ biến để chẩn đoán các chứng bệnh liên quan tới tim mạch. Tuy nhiên, những bất thường tim mạch không phải lúc nào cũng có thể phát hiện được khi người bệnh ở trạng thái nghỉ. Vì vậy, nghiệm pháp gắng sức điện tâm đồ thường được sử dụng trong những trường hợp như vậy nhằm phát hiện sự bất thường và đánh giá chức năng tim. Đứng trên quan điểm lâm sàng, thông tin hữu ích thu nhận được từ tín hiệu ECG bao gồm biên độ và thời lượng của các sóng thành phần. Trong đó, phức bộ QRS là thành phần mang nhiều thông tin hữu ích nhất. Đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm tự động nhận dạng phức bộ QRS và đo các sóng thành phần của tín hiệu ECG ứng dụng cho các thiết bị theo dõi tín hiệu điện tim. Kết quả nhận được sau quá trình xác định vị trí phức bộ QRS và đo các sóng thành phần là một tập các giá trị mô tả các điểm quan trọng của tín hiệu ECG. Bộ giá trị này sau đó được sử dụng bởi các phương pháp phân tích và đánh giá ECG tự động. Độ tin cậy của các phương pháp này phụ thuộc nhiều vào chất lượng của các thuật toán đo tín hiệu ECG. Yếu tố này thường được đánh giá thông qua hai tham số bao gồm độ tin cậy và độ chính xác của kết quả xác định các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG. Để có thể đo được các sóng thành phần của tín hiệu ECG thì một bộ dò vị trí phức bộ QRS chất lượng cao đóng vai trò rất quan trọng. Độ tin cậy của bộ dò sẽ ảnh hưởng tới độ tin cậy của việc phát hiện các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG. Trong nhiều năm trở lại đây đã có nhiều thuật toán tự động nhận dạng vị trí phức bộ QRS trong hệ thống ECG tĩnh theo các phương pháp khác nhau được
2 đề xuất. Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu và thử nghiệm trên hệ thống tín hiệu ECG gắng sức thì lại rất hạn chế và thường đem lại kết quả không tốt. Điều này cho thấy đây vẫn là một lĩnh vực tương đối hấp dẫn và khả năng cải thiện hiệu suất của các thuật toán hiện có vẫn chưa được khai thác hết. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án được thực hiện nhằm đề xuất một phương án tự động nhận dạng phức bộ QRS có thể sử dụng trong cả hệ thống tín hiệu ECG tĩnh và gắng sức với các mục tiêu cụ thể bao gồm: • Áp dụng thuật toán lọc thích nghi vào giảm ảnh hưởng của nhiễu do dịch chuyển điện cực gây ra tới chất lượng tín hiệu ECG gắng sức. • Đề xuất phương án tự động nhận dạng phức bộ QRS trong hệ thống tín hiệu ECG theo cách tiếp cận mới. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của phương án đề xuất trên cả cơ sở dữ liệu ECG gắng sức cũng như tĩnh và so sánh kết quả đạt được với một số nghiên cứu khác. • Đề xuất phương pháp xác định các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG. Sửa đổi thuật toán để có thể sử dụng với hệ thống tín hiệu ECG có số lượng chuyển đạo bất kỳ nhằm tăng hiệu quả thuật toán. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là tự động nhận dạng các phức bộ QRS trong hệ thống ECG gắng sức cũng như tĩnh. Phạm vi nghiên cứu: Một số kỹ thuật tiền xử lý tín hiệu, xác định vị trí phức bộ QRS và các điểm quan trọng của tín hiệu ECG. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu đề ra, luận án đã chọn phương pháp nghiên cứu đi từ lý thuyết, đề xuất giải pháp, triển khai thử nghiệm và hiệu chỉnh các tham số
3 nhằm phân tích thống kê các kết quả đạt được làm cơ sở cho việc phân tích tín hiệu và hỗ trợ chẩn đoán bệnh liên quan tới tim mạch. Đối với nghiên cứu lý thuyết, các vấn đề như đặc điểm của tín hiệu ECG, xử lý nhiễu trong tín hiệu, một số phương pháp tự động phát hiện phức bộ QRS và các điểm quan trọng của tín hiệu ECG sẽ được nghiên cứu. Đối với phần thực nghiệm, các đề xuất sẽ được thử nghiệm, đánh giá, và so sánh với các thuật toán khác trên cơ sở dữ liệu ECG tĩnh và gắng sức tiêu chuẩn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Hiện nay, số lượng nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới vấn đề tự động nhận dạng phức bộ QRS cũng như xác định các điểm quan trọng đối với hệ thống tín hiệu ECG gắng sức còn hạn chế. Luận án này được thực hiện một cách có hệ thống từ việc áp dụng bộ lọc thích nghi vào loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu gây ra do sự chuyển dịch của các điện cực cho tới đề xuất phương án tự động nhận dạng phức bộ QRS cũng như xác định các điểm quan trọng của tín hiệu ECG theo cách tiếp cận mới. Ý nghĩa thực tiễn: Độ chính xác kết quả tự động chẩn đoán tình trạng sức khỏe của người bệnh phụ thuộc vào chất lượng và độ tin cậy của thuật toán sử dụng. Vì vậy, đề xuất một giải pháp mới nhằm nhận dạng tự động phức bộ QRS và phân tích tín hiệu ECG chất lượng cao có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn, góp phần bổ sung giải pháp hỗ trợ các bác sĩ trong quá trình khám, chẩn đoán, điều trị cho người bệnh. Bố cục của luận án Nội dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương cùng với các phần mở đầu, kết luận và định hướng nghiên cứu, các công bố khoa học cũng như tài liệu tham khảo. Nội dung chi tiết của các phần như sau: Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, ý nghĩa khoa học và thực
4 tiễn, tóm tắt nội dung nghiên cứu cũng như bố cục của luận án. Chương 1: Trình bày ngắn gọn các nội dung liên quan tới quá trình hình thành tín hiệu ECG cũng như các phương pháp nổi bật nhằm tự động nhận dạng phức bộ QRS, xác định năm điểm quan trọng của các sóng thành phần và các cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn được sử dụng trong luận án. Chương 2: Thực hiện giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu gây ra do sự dịch chuyển điện cực đo sử dụng bộ lọc thích nghi. Chương 3 và 4: Đề xuất và thực hiện phương án tự động xác định phức bộ QRS cũng như các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG. Nguyên lý hoạt động, kết quả đạt được, đánh giá và so sánh với một số phương pháp khác cũng sẽ được trình bày chi tiết. Kết luận và định hướng nghiên cứu: Kết luận cùng với những đóng góp mới cũng như định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án.
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Nội dung chương này trình bày tóm tắt một số thông tin liên quan tới quá trình hình thành và đặc điểm chính của tín hiệu ECG. Kết quả của một số công trình nghiên cứu điển hình, những vấn đề còn tồn tại và giải pháp công nghệ được sử dụng trong luận án để giải quyết vấn đề cũng được thảo luận. Ngoài ra, phần này cũng giới thiệu một số cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn được sử dụng. 1.1. Điện tâm đồ Điện tâm đồ (ECG) mô tả hoạt động điện của tim được ghi lại bởi các điện cực đặt trên bề mặt cơ thể. Sự thay đổi điện thế đo được bởi các điện cực là do thế hoạt động của các tế bào cơ tim bị kích thích gây ra do sự co thắt của các tế bào. Điều này dẫn tới hình thành các chu kỳ tín hiệu ECG với chuỗi các sóng có hình thái cũng như thời lượng chứa thông tin hữu ích được sử dụng để chẩn đoán các chứng bệnh liên quan tới tim mạch. 1.1.1. Hoạt động điện của tim Tim là một cơ quan hữu dụng có nhiệm vụ chính là bơm máu đi khắp cơ thể nhằm mang các chất dinh dưỡng và oxy cần thiết đến các mô cũng như vận chuyển các chất thải chuyển hóa và carbon dioxide ra ngoài. Tim được cấu tạo chủ yếu bởi các mô cơ, được gọi là cơ tim. Tim bao gồm 4 ngăn, 2 ngăn phía trên được gọi là tâm nhĩ phải và tâm nhĩ trái, 2 ngăn phía dưới là tâm thất phải và tâm thất trái. Thành tim được cấu tạo từ các tế bào cơ tim có nhiệm vụ phát triển lực cơ học trong quá trình co bóp của tim. Cơ tim cũng chứa các tế bào cơ đặc biệt cho phép lan truyền nhanh các xung điện khắp tim.