Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Loại trừ nhiễu và nén tín hiệu điện tim để ứng dụng trong môi trường truyền dẫn vô tuyến

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng một gói giải pháp liên hoàn cho việc truyền tín hiệu ECG bằng công nghệ không dây bao gồm: Nâng cao chất lượng lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở, nhiễu nguồn xoay chiều có trong tín hiệu ECG (là loại nhiễu ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng thu nhận tín hiệu ECG).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Loại trừ nhiễu và nén tín hiệu điện tim để ứng dụng trong môi trường truyền dẫn vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Trọng Lượng LOẠI TRỪ NHIỄU VÀ NÉN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2016 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Trọng Lượng LOẠI TRỪ NHIỄU VÀ NÉN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. NGUYỄN ĐỨC THUẬN 2. TS. HOÀNG VĂN VÕ Hà Nội - 2016 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả đạt được ở trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Dương Trọng Lượng iii
LỜI CÁM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới các thầy hướng dẫn khoa học đó là GS.TS. Nguyễn Đức Thuận và TS. Hoàng Văn Võ. Các thầy đã định hướng cho tôi triển khai những ý tưởng khoa học, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu. Đặc biệt, thầy GS.TS. Nguyễn Đức Thuận rất quan tâm, luôn tận tình hướng dẫn, đưa ra những gợi ý và định hướng cho tôi để tôi triển khai, thực hiện ý tưởng khoa học. Tôi xin trân trọng cám ơn Lãnh đạo bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và góp ý định hướng nghiên cứu trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu và hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh, chị, và các bạn đồng nghiệp thuộc bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Viện Đào tạo Sau đại học và viện Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cám ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu tại phòng Lab kỹ thuật y sinh thuộc bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh đã hỗ trợ và tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu ECG. Cuối cùng, tôi dành những lời cám ơn và yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và đặc biệt là vợ và các con. Sự động viên, giúp đỡ và kiên nhẫn của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận án Dương Trọng Lượng iv
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................... ix MỞ ĐẦU…………………………………….……………….…………………...1 Mục đích nghiên cứu ............................................................................. 1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án. ........................................................................ 4 Các vấn đề cần giải quyết của luận án ................................................................. 4 Phạm vi nghiên cứu của luận án ............................................................... 4 Phương pháp nghiên cứu của luận án......................................................... 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................. 5 Cấu trúc của luận án .............................................................................. 6 Các đóng góp chính của luận án ............................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THU NHẬN, XỬ LÝ VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM TRONG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH NHÂN TIM MẠCH………………………………………………………………....8 1.1. Tín hiệu điện tim và đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện tim ...................... 8 1.1.1. Tín hiệu điện tim ....................................................................................... 8 1.1.2. Đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện tim…………………………………...8 1.2. Ứng dụng của tín hiệu điện tim trong theo dõi, chẩn đoán và nghiên cứu các bệnh tim mạch. ..................................................................................... 9 1.3. Các loại nhiễu chính ảnh hưởng tới tín hiệu điện tim .............................11 1.4. Hệ thống chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân tim mạch .............................12 1.4.1. Hệ thống chẩn đoán................................................................................. 12 1.4.2. Hệ thống theo dõi bệnh nhân tim mạch .................................................. 13 1.5. Tóm lược một số công nghệ vô tuyến được ứng dụng trong hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch. ..................................................................... 17 1.5.1. Zigbee ..................................................................................................... 17 1.5.1.1. Giới thiệu về Zigbee..................................................................... 17 1.5.1.2. Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng Zigbee để truyền tín hiệu điện tim ................................................................................................... 18 v
1.5.2. Bluetooth .................................................................................................. 19 1.5.2.1. Sơ lược về Bluetooth .................................................................... 19 1.5.2.2. Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng Bluetooth để truyền tín hiệu điện tim ................................................................................................... 20 1.5.3. WiFi ......................................................................................................... 21 1.5.3.1. Giới thiệu sơ lược về công nghệ WiFi ........................................... 21 1.5.3.2. Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng WiFi để truyền tín hiệu điện tim........................................................................................................... 22 1.5.4. Công nghệ GPRS/3G ............................................................................... 23 1.5.4.1. Giới thiệu sơ lược về công nghệ GPRS/3G.................................... 23 1.5.4.2. Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng công nghệ GPRS/3G để truyền tín hiệu điện tim............................................................................. 24 1.6. Định hướng các nội dung nghiên cứu của luận án ......................................... 25 1.7. Kết luận chương ............................................................................................. 25 CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ LỌC NHIỄU TRONG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ............................................................................... 27 2.1. Lọc nhiễu nguồn xoay chiều .......................................................................... 27 2.1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................ 27 2.1.2. Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả lọc nhiễu nguồn xoay chiều dùng bộ lọc triệt tần thích nghi dựa trên biến đổi Fourier nhanh và nhiều vòng lặp. ..... 28 2.1.2.1. Phương pháp thực hiện ................................................................. 28 2.1.2.2. Kết quả thử nghiệm ...................................................................... 32 2.2. Lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở ...................................................................... 38 2.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................ 38 2.2.2. Đề xuất phương pháp lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở trong miền thời gian dựa trên các điểm đẳng thế ................................................................................ 40 2.2.2.1. Phương pháp thực hiện ................................................................. 40 2.2.2.2. Kết quả thực hiện ......................................................................... 45 2.3. Kết luận chương ............................................................................................. 49 vi
CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NÉN DỮ LIỆU ĐIỆN TIM (ECG) ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ CHẨN ĐOÁN BỆNH TIM MẠCH TỪ XA……. ................................................................................................ 50 3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 50 3.2. Thuật toán nén hai trạng thái.......................................................................... 58 3.2.1. Tổng quan về thuật toán nén hai trạng thái ............................................. 58 3.2.2 Phân loại trạng thái của tín hiệu ECG ...................................................... 61 3.2.3. Nén các mẫu chênh lệch dựa trên trạng thái ............................................ 62 3.2.4. Đánh dấu sự thay đổi trạng thái ............................................................... 63 3.2.5. Biểu diễn các mẫu chênh lệch ................................................................. 64 3.2.6. Phân loại lại trạng thái dữ liệu ................................................................. 64 3.2.7. Khôi phục các mẫu chênh lệch ................................................................ 65 3.3. Thử nghiệm và kết quả ................................................................................... 66 3.3.1. Các tiêu chí đánh giá thuật toán nén ........................................................ 66 3.3.2. Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu MIT-BIH ................................................. 67 3.3.3. Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu nhịp nhanh tâm thất CU ventricular tachyarrhythmia ................................................................................................. 70 3.4. Nhận xét ......................................................................................................... 72 3.4.1. Ảnh hưởng của việc chọn tỷ lệ nén tới hiệu quả thuật toán .................... 72 3.4.2. Tính linh hoạt của thuật toán. .................................................................. 73 3.4.3. So sánh hiệu quả của thuật toán với một số phương pháp khác .............. 74 3.5 Kết luận ........................................................................................................... 76 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THUẬT TOÁN NÉN HAI TRẠNG THÁI TÍN HIỆU ECG TRONG MÔI TRƯỜNG WIFI .......... 77 4.1. Lựa chọn điều kiện thử nghiệm ..................................................................... 77 4.2. Thử nghiệm hệ thống truyền–nhận với tín hiệu ECG, ứng dụng công nghệ WiFi và thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu ECG. ............................................. 78 4.2.1. Xây dựng mô hình hệ thống thử nghiệm ................................................. 78 vii
4.2.2 Quy trình thử nghiệm và các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thử nghiệm ............................................................................................................... 81 4.2.2.1. Lựa chọn số lượng mẫu nén và tỉ lệ nén dữ liệu ECG .................... 81 4.2.2.2. Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thử nghiệm .................. 81 4.2.3. Điều kiện thử nghiệm hệ thống ............................................................... 85 4.2.4. Kết quả thử nghiệm.................................................................................. 86 4.2.4.1. Thử nghiệm hệ thống trong điều kiện có vật cản ............................ 86 4.2.4.2.Thử nghiệm hệ thống trong điều kiện không có vật cản (tầm nhìn thẳng) ...................................................................................................... 91 4.3. Kết luận chương ............................................................................................. 92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................... 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .......................... 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 97 viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển đổi tương tự - số BER Bit Error Ratio Lỗi bit CR Compression ratio Hệ số nén DTD Direct-time domain compression Nén trực tiếp miền thời gian DLMS Difference Least Mean Squares Bình phương trung bình nhỏ nhất sai phân ECG Electrocardiography Điện tâm đồ GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung HR Heart Rate Nhịp tim hCR Higher Compression Ratio Tỉ số nén cao hơn IEEE Institude of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronics Engineers LMS Least Mean Squares Bình phương trung bình nhỏ nhất lCR Lower Compression Ratio Tỉ số nén thấp hơn MB Model based compression methods Nén bằng cách mô hình hóa tín hiệu MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình NLMS Normalized Least Mean Squares Bình phương trung bình nhỏ nhất chuẩn hóa oCR Overall compression ratio Hệ số nén toàn bộ PC Personal Computer Máy tính cá nhân PDA Personal Digital Assistant Thiết bị số trợ giúp cá nhân PER Packet Error Ratio Lỗi gói dữ liệu PRD Percentage RMS difference Sai lệch căn bậc hai phương sai PRDN Percentage RMS Difference Sai lệch căn bậc hai phương sai chuẩn hóa Normalized RLS Recursive Least Squares Bình phương nhỏ nhất đệ quy RMS Root mean square Căn bậc hai bình phương trung bình sai số SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển đường truyền TD Transform domain compression Nén bằng cách chuyển đổi miền tín hiệu UDP User Datagram Protocol Giao thức khuôn dạng dữ liệu người sử dụng VQ Vector Quantization Lượng tử hóa véc tơ WBAN Wireless Body Area Network Mạng cục bộ cơ thể không dây WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây ix
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Biên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu điện tim (nguồn: [23])..... 9 Bảng 1.2 Khoảng thời gian của các sóng thành phần trong tín hiệu điện tim (nguồn: [23]) ............................................................................................................................ 9 Bảng 1.3. Tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee ứng với các dải tần khác nhau (nguồn: [69]) .......................................................................................................................... 18 Bảng 1.4 So sánh giữa Zigbee với Bluetooth và WiFi (IEEE 802.11b/g) (nguồn: [69]) .......................................................................................................................... 18 Bảng 1.5. Một số chuẩn IEEE cơ bản dùng cho WiFi (nguồn: [30]) ....................... 22 Bảng 2.1. Khảo sát giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 50Hz sau khi lọc sử dụng trong phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều đề xuất. .................................................. 33 Bảng 2.2. Khảo sát giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 60Hz sau khi lọc sử dụng trong phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều đề xuất. .................................................. 35 Bảng 2.3. Bảng so sánh giá trị SNR của 3 thuật toán lọc nhiễu nguồn 60Hz của tác giả Syed A.Rehman với giá trị SNR của phương pháp đề xuất. .............................. 36 Bảng 2.4. So sánh kết quả lọc nhiễu 50Hz giữa thuật toán đề xuất với nghiên cứu số [2]. ........................................................................................................................ 37 Bảng 2.5. Giá trị của MSE ứng với một số mức của nhiễu trắng khi xác định các đỉnh P, Q, R, S và T. ................................................................................................. 46 Bảng 2.6. Giá trị của MSE ứng với một số mức của nhiễu trắng khi xác định các điểm Isoelectric......................................................................................................... 46 Bảng 2. . Bảng so sánh hệ số tương quan trung bình của phương pháp đề xuất và phương pháp Na Pan .............................................................................................. 499 Bảng 3.1. Bảng thống kê các phương pháp tiêu biểu cùng các ưu điểm, nhược điểm. ................................................................................................................................ 544 Bảng 3.2. Giá trị của các tiêu chí CR, PRD, PRDN, RMS và SNR của 48 bản ghi cơ sở dữ liệu ECG loạn nhịp sau khi nén với hCR-lCR = 25-5 .................................... 67 Bảng 3.3. Toàn bộ 5 tiêu chí CR, PRD, PRDN, RMS và SNR của các bản ghi cơ sở dữ liệu nhịp nhanh tâm thất được tái tạo. Kết quả của các trường hợp có cùng lCR được nhóm lại thành một nhóm được biểu diễn bởi giá trị trung bình (Average - Avr) và độ lệch chuẩn (Standard) ............................................................................. 71 Bảng 3.4. Bảng so sánh hiệu quả của các phương pháp nén dữ liệu ECG có mất thông tin, thử nghiệm với một số bản ghi ECG loạn nhịp MIT-BIH. Với mỗi bản x
ghi, hệ số CR gần giống nhau được tạo ra bởi các phương pháp nén khác nhau sẽ được nhóm lại thành 1 nhóm. ................................................................................... 74 Bảng 4.1. ết quả thử nghiệm truyền 90 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày làm việc. ................. 877 Bảng 4.2. ết quả thử nghiệm truyền 180 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày làm việc .................... 88 Bảng 4.3. ết quả thử nghiệm truyền 90 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày nghỉ .......................... 90 Bảng 4.4. ết quả thử nghiệm truyền 180 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày nghỉ ........................ 900 Bảng 4.5. ết quả thử nghiệm truyền 90 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi trong tầm nhìn thẳng (không có vật cản), trong ngày làm việc ............................................................................................................ 91 Bảng 4.6. ết quả thử nghiệm truyền 180 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi trong tầm nhìn thẳng (không có vật cản), trong ngày làm việc. ......................................................................................................... 911 xi
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Dạng tín hiệu điện tim bình thường đo theo đạo trình chi (nguồn: [61]) .... 8 Hình 1.2. Minh họa tín hiệu điện tim bình thường và một số tín hiệu điện tim thể hiện bệnh lý thường gặp về tim mạch (nguồn: [1],[3]) ............................................ 10 Hình 1.3. Tín hiệu điện tim bị ảnh hưởng bởi nhiễu nguồn xoay chiều (được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm LabView) .............................................................. 11 Hình 1.4. Tín hiệu điện tim bị ảnh hưởng bởi nhiễu trôi dạt đường cơ sở có tần số 0.8Hz (được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm LabView) ................................. 12 Hình 1.5. Dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với HR = 106bpm (nhịp nhanh), độ rộng phức bộ QRS = 0.088s, đoạn PR = 0.206s, .............................................................. 13 Hình 1.6. Dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với HR = 77bpm (nhịp bình thường), độ rộng phức bộ QRS = 0.084s, đoạn PR = 0.126s, ...................................................... 13 Hình 1. . Sơ đồ khối của hệ thống theo dõi bệnh nhân có dây ................................ 14 Hình 1.8. Sơ đồ kết nối của hệ thống monitor trung tâm vô tuyến. ......................... 15 Hình 1. . Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch sử dụng công nghệ vô tuyến ........................................................................... 16 Hình 1.10. Sơ đồ khối của module thu thập, xử lý tín hiệu ECG và phát vô tuyến 16 Hình 1.11. a) PDA kết nối với các điện cực đo tín hiệu ECG trong trường hợp không có dây (WBN) (nguồn:[11], [84]); b) PDA kết nối với các điện cực đo tín hiệu ECG trong trường hợp có dây (nguồn: [24]) .................................................... 17 Hình 1.12. Sơ đồ khối truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng Zigbee ........................ 19 Hình 1.13. Khái niệm về master-slave đối với việc thiết lập đường truyền bluetooth (nguồn: [52]) ............................................................................................................. 20 Hình 1.14. Hệ thống y tế từ xa di động sử dụng bluetooth ...................................... 21 Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ Wi- Fi ............................................................................................................................... 23 Hình 1.16. Tính di động, tốc độ truyền dữ liệu của GPRS/3G so với một số mạng vô tuyến khác (nguồn: [27]) .......................................................................................... 24 Hình 1.1 . Sơ đồ khối của hệ thống truyền-nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ GPRS/3G ......................................................................................................... 24 Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ vô tuyến thể hiện những mục đích chính mà luận án tập trung nghiên cứu .................. 25 xii
Hình 2.1 Mô hình lọc nhiễu xoay chiều (nguồn:[2]) ................................................ 28 Hình 2.2. Mô hình lọc nhiễu đề xuất ........................................................................ 29 Hình 2.3a) Dạng tín hiệu N(n) – tín hiệu nhiễu 50Hz; b) Phổ biên độ - tần số của N(n) ........................................................................................................................... 30 Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán xác định tần số và thiết lập ngưỡng độ lớn của nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz sau khi lọc. ......................................................................... 31 Hình 2.5. Lưu đồ thuật toán xác định tần số và thiết lập ngưỡng độ lớn của nhiễu nguồn xoay chiều 60Hz sau khi lọc .......................................................................... 31 Hình 2.6. Sự thay đổi SNR theo giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 50Hz sau lọc...... 33 Hình 2. . a) tín hiệu ECG của bản ghi 103 ban đầu; b) Phổ biên độ - tần số của tín hiệu này; c) tín hiệu ECG của bản ghi 103 có nhiễu 50Hz; d) Phổ biên độ tần số của bản ghi 103 có nhiễu 50Hz; e) Dạng tín hiệu ECG của bản ghi 103 sau khi lọc nhiễu 50Hz;............................................................................................................... 34 Hình 2.8. Sự thay đổi SNR theo giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 60Hz sau lọc...... 35 Hình 2. . a) Tín hiệu ECG (bản ghi 220mitdb) ban đầu chưa có nhiễu 50Hz; b) Tín hiệu ECG có nhiễu 50Hz; c) Tín hiệu ECG sau khi lọc dùng thuật toán trong nghiên cứu [2];...................................................................................................................... 38 Hình 2.10. a) Tín hiệu điện tim sạch; b) vị trí các điểm đẳng thế. ........................... 40 Hình 2.11. Vị trí các điểm vượt 0 từ (-) lên (+) và từ (+) xuống (-)khi có nhiễu trắng .................................................................................................................................. 42 Hình 2.12. a) Tín hiệu điện tim có nhiễu trắng; b) Tín hiệu điện tim có nhiễu trắng và nhiễu trôi dạt đường cơ sở tuần hoàn dạng hàm sin với độ lớn thay đổi từ 0.01 đến 0.5mV và có tần số trùng với tần số của tín hiệu điện tim; c) tín hiệu điện tim có nhiễu trắng và nhiễu trôi dạt ................................................................................... 422 Hình 2.13. Lưu đồ thuật toán xác định các điểm đẳng thế ....................................... 45 Hình 2.14. a) Tín hiệu điện tim mô phỏng có nhiễu trôi dạt đường cơ sở; b) Quá trình xác định các điểm isoelectric của tín hiệu S(t); c) nhiễu trôi dạt đường cơ sở ngẫu nhiên B(t); d) tín hiệu B’(t) được nội suy bởi phép Cubic Spline và e)tín hiệu điện tim sau khi lọc................................................................................................... 48 Hình 3.1. Dạng tín hiệu ECG của bản ghi 103 của cơ sở dữ liệu ECG loạn nhịp (trên) và dạng đạo hàm bậc nhất của nó (dưới). Các khoảng phức tạp và đơn giản được phân biệt bởi hai ngưỡng Thr1 và Thr2 .......................................................... 59 Hình 3.2. Sơ đồ khối của thuật toán nén hai trạng thái đề xuất................................ 60 xiii
Hình 3.3. Sơ đồ khối phân loại trạng thái tín hiệu ECG .......................................... 61 Hình 3.4. Cấu trúc của mỗi khoảng trạng thái nén tín hiệu và điều kiện tương ứng 62 Hình 3.5. Ví dụ về việc phân loại ECG mẫu (hCR = 8, Thr1 = 10) với một số bản ghi 102, 107, 119 và 123; các khoảng màu xám thể hiện các khoảng trạng thái thấp. .................................................................................................................................. 62 Hình 3.6. Cấu trúc các gói dữ liệu được nén. ........................................................... 63 Hình 3. . Cấu trúc các mẫu chênh lệch .................................................................... 64 Hình 3.8. Lưu đồ thuật toán giải nén hai trạng thái tín hiệu ECG ......................... 655 Hình 3. . Hiệu quả của thuật toán đề xuất trong việc nén 48 bản ghi ECG loạn nhịp được đánh giá thông qua các tiêu chí CR, PRD, PRDN, RMS, SNR ...................... 68 Hình 3.10. Giá trị PRD của 480 sóng P, 480 phức bộ QRS và 480 sóng T của toàn bộ 48 bản ghi cơ sở dữ liệu ECG loạn nhịp ........................................................... 688 Hình 3.11. Tái tạo bản ghi 113 với 4 tỉ lệ nén khác nhau. (a) Dữ liệu ban đầu; (b) hCR/lCR = 10-2, CR = 10.72, PRD = 0.179%; (c) hCR/lCR = 15-3, CR = 13.73, PRD = 0.264%; (d) hCR/lCR = 20-4, CR = 15.86, PRD = 0.453%;(e) hCR/lCR = 25-5, CR = 17.29, PRD = 0.718%............................................................................ 69 Hình 3.12. Tái tạo bản ghi 117 với 4 tỉ lệ nén khác nhau. (a) Dữ liệu ban đầu; ...... 69 Hình 3.13. Tái tạo bản ghi 119 với 4 tỉ lệ nén khác nhau. (a) Dữ liệu ban đầu; ...... 69 Hình 3.14. Tái tạo bản ghi 112 với 4 tỉ lệ nén khác nhau. (a) Dữ liệu ban đầu; ..... 70 Hình 3.15. Tái tạo bản ghi CU04 (PRD tốt nhất) với các tỉ lệ nén khác nhau. ........ 72 Hình 3.16. Tái tạo bản ghi CU12 (PRD kém nhất) với các tỉ lệ nén khác nhau. ..... 72 Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống thử nghiệm truyền – nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ WiFi ........................................................................................................ 78 Hình 4.2. Sơ đồ khối quá trình truyền dữ liệu từ phía bên phát tới bên thu ............. 79 Hình 4.3. Sơ đồ khối quá trình thu nhận dữ liệu ở phía server ................................ 80 Hình 4.4. Giao diện chương trình phần mềm thu nhận dữ liệu ECG (phía server), trong đó thể hiện tham số PER, tỉ lệ nén hCR-lCR .................................................. 84 Hình 4.5. Giao diện chương trình phần mềm phía phát dữ liệu ECG (Client) ...... 844 Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán quá trình truyền dữ liệu ECG ứng với kích thước trước khi nén là 90 mẫu và 180 mẫu .................................................................................. 85 Hình 4. . Sơ đồ thử nghiệm của hệ thống trong trường hợp có vật cản. ................. 86 Hình 4.8. Các mạng Wifi xung quanh hệ thống thử nghiệm.................................. 866 xiv
Hình 4. . Dạng tín hiệu ECG ở phía thu trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày làm việc, kích thước gói trước khi nén là 90 mẫu, tỷ lệ nén hCR-lCR là 15-3, PER= 1%, cường độ tín hiệu -80dBm ...................................................................... 88 Hình 4.10. Dạng tín hiệu ECG ở phía thu trong môi trường WiFi, gia tăng vật cản. ................................................................................................................................ 889 xv
MỞ ĐẦU Mục đích nghiên cứu Trong những năm trở lại đây, bệnh nhân bị bệnh tim mạch đang gia tăng đến mức báo động. Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), bệnh tim mạch đang là nguyên nhân tử vong hàng đầu trên toàn thế giới và chiếm nhiều nhất ở các nước đang phát triển. Mỗi năm trên thế giới có hàng chục triệu người mắc các bệnh về tim mạch [43]. Bên cạnh đó, nhiều bệnh nhân đang trong tình trạng nguy kịch do bị nhồi máu cơ tim và đột quỵ vì chẩn đoán và điều trị bệnh tim mạch muộn. Ở Việt Nam, cứ 3 người trưởng thành có 1 người có nguy cơ mắc bệnh tim mạch. Theo dự báo của hội tim mạch học Việt Nam, đến năm 201 , Việt Nam sẽ có tới 1/5 dân số mắc các bệnh tim mạch và tăng huyết áp. Các chứng bệnh về tim mạch trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã và đang có xu hướng tăng lên nhanh chóng, diễn biến phức tạp hơn với nhiều loại biến chứng khác nhau và độ tuổi trung bình của bệnh nhân tim mạch cũng đang giảm dần, chuyển dịch về phía những người trong độ tuổi lao động. Tình trạng này đã dẫn đến sự quá tải cho các bệnh viện tuyến trung ương tại Việt Nam với số lượng bệnh nhân ngày càng đông, trong khi đó sự phát triển cơ sở vật chất và nguồn nhân lực bác sỹ chuyên ngành và y tá không thể theo kịp để đáp ứng. Bên cạnh đó, khám bệnh tim mạch dựa trên tín hiệu điện tim (ECG) là một thủ tục cơ bản để tìm ra những bệnh nhân bị các bệnh về tim mạch không thường xuyên như thiếu máu cục bộ, loạn nhịp, v.v. Do vậy, việc cung ứng các dịch vụ y tế từ xa (telemedicine) chẳng hạn như dịch vụ hỗ trợ theo dõi, chăm sóc sức khỏe đang là xu hướng của thế giới. Từ đó, các bệnh nhân sẽ nhận được các dịch vụ y tế từ xa thông qua điện thoại, laptop hay các thiết bị hỗ trợ theo dõi và chăm sóc sức khỏe tại nhà mà không cần phải đến bệnh viện trừ những trường hợp cấp bách. Việc theo dõi này cũng giúp bác sỹ cập nhật tình hình bệnh nhân thường xuyên hơn và đưa ra những tư vấn tốt hơn. Ngoài ra, với dịch vụ y tế từ xa như vậy cũng giúp tình trạng tắc nghẽn giao thông giảm đi, giảm chi phí đi lại cho bệnh nhân, giảm bớt sự quá tải đối với các bệnh viện và áp lực công việc của các bác sỹ và y tá cũng được giảm. Ở nước ta, hiện chưa có một nghiên cứu tổng thể và toàn diện nào về việc hỗ trợ theo dõi và chăm sóc bệnh nhân tim mạch tại các bệnh viện có chuyên khoa tim mạch từ tuyến Trung ương đến tuyến Tỉnh, thành phố sử dụng công nghệ vô tuyến. Gần đây, ở trên thế giới có nhiều nghiên cứu về các hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch sử dụng công nghệ vô tuyến như Zigbee, WiFi, GPRS/3G và bluetooth áp dụng cho bệnh nhân di động, trong phạm vi hẹp ở trong một khoa, phòng khám và điều trị trong bệnh viện, bệnh nhân từ xa (tại nhà hoặc bên ngoài 1
hoặc ở cơ quan nơi làm việc) cho đến những bệnh nhân trong trường hợp cấp cứu [12], [15], [52], [77], [81]. Bên cạnh đó còn có các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) hay mạng cục bộ cơ thể không dây (Wireless Body Area Network) [11], [12], [69], [85]. Trên cơ sở phân tích các nghiên cứu này, tác giả luận án chia những hệ thống ở trong những nghiên cứu này thành hai loại đó là:  Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch tại chỗ (phạm vi gần) sử dụng công nghệ vô tuyến: Hệ thống này thường áp dụng cho những bệnh nhân ở trong một khoa, phòng khám và điều trị trong bệnh viện. Những bệnh nhân này thường được gắn (đeo) trên người một module nhỏ gọn để thu thập, xử lý và phát tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến như WIFI, Bluetooth, Zigbee đến máy chủ trung tâm hoặc thiết bị đầu cuối của bác sỹ như máy tính cá nhân (PC), laptop, smartphone, máy tính bảng để theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh  Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch từ xa sử dụng công nghệ vô tuyến kết hợp với mạng Internet: Hệ thống này cũng áp dụng cho các bệnh nhân ở trong một khoa, phòng khám và điều trị trong bệnh viện; bệnh nhân ở xa, tại nhà, ở cơ quan hoặc ở bên ngoài (outside) và đặc biệt cần cho cả các bệnh nhân đang cần cấp cứu. Những bệnh nhân này cũng được gắn (đeo) trên người một module nhỏ gọn để thu thập, xử lý và phát tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến đến trung tâm để theo dõi và xử lý. Hệ thống này thường phức tạp bao gồm nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau như WIFI, GPRS/3G kết hợp với mạng Internet để truyền tín hiệu tới trung tâm chính, trung tâm cấp cứu, trạm theo dõi của bác sĩ…. Có thể thấy rằng cả hai loại hệ thống này đều có Module thu thập, xử lý tín hiệu ECG và phát vô tuyến. Module này còn gọi là thiết bị số trợ giúp cá nhân (Personal Digital Assistant - PDA), nó đóng vai trò khá quan trọng trong hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch tại chỗ và từ xa. Công nghệ PDA đã được phát triển trong một số năm gần đây và đang tiếp tục được nghiên cứu để nâng cao tính năng cũng như chất lượng xử lý dữ liệu, giảm năng lượng phát để tiết kiệm pin, nâng cao thời gian sử dụng liên tục của PDA. Tùy theo thiết kế của PDA mà nó có thể giao tiếp với các thiết bị khác theo chuẩn vô tuyến nào trong số các chuẩn như Zigbee, WiFi, GPRS/3G và bluetooth. Trong các chuẩn này, Bluetooth có băng thông là 3Mbps (đối với Bluetooth version 2.0) [30], chủ yếu được ứng dụng để truyền tiếng nói hoặc ảnh rời rạc; Zigbee có băng thông lớn nhất là 250Kbp; WiFi có băng thông từ 5.5Mbps đến 11Mbps (theo chuẩn IEEE 802.11b, tần số 2.4GHz) [30] và GPRS (171Kbps); 3G (384Kbps, thậm chí lên tới 2Mbps) [52]. 2
Dữ liệu điện tim ghi đo được từ cơ thể người sẽ có kích thước nhất định. Theo tài liệu [24], kích thước này phụ thuộc vào một số yếu tố như việc sử dụng thiết bị ghi đo tín hiệu ECG 3 leads (3 đạo trình ) hay 5 đạo trình hay 12 đạo trình; tần số lấy mẫu; độ phân dải của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) và độ dài thời gian ghi đo.Ví dụ: nếu sử dụng thiết bị ghi đo tín hiệu ECG 12 leads; tần số lấy mẫu là 360Hz; độ phân dải của bộ (ADC) là 11bit, thời gian ghi là 10 giây, thì kích cỡ của tín hiệu ECG này sẽ là 86.400bytes (= 12leads*360Hz*2byte(11bits)*10 giây); tốc độ dữ liệu của tín hiệu này khoảng 69kbps (86.400*8bits/ 10giây) [24]. Với kích thước gói tin này là không lớn, có thể truyền dễ dàng qua các mạng vô tuyến như WiFi, Internet, Bluetooth và 3G. Tuy nhiên, việc truyền cả gói tin với toàn bộ kích thước với thời gian thực trong môi trường vô tuyến sẽ gặp phải một số vấn đề sau: - Khi gói tin càng lớn thì lỗi mất gói càng dễ xảy ra [67]. Các gói tin cần giảm thiểu trước khi truyền bằng cách nén tín hiệu ECG [7] - Khi sử dụng mạng GPRS hoặc 3G đối với các bệnh nhân đang trong tình trạng cấp cứu hoặc ở bên ngoài trên đường thì giá thành sẽ phụ thuộc vào kích cỡ gói tin và khá đắt - Trong trường hợp khi sử dụng mạng có băng thông hẹp như GSM, GPRS với nhiều gói tin trên cùng đường truyền sẽ dễ gây trễ, mất gói dữ liệu [81] - Khối thu nhận và xử lý dữ liệu PDA thường dùng để theo dõi liên tục bệnh nhân, được mang theo trên người và dùng pin. Người ta đang tập trung nghiên cứu để tăng thời gian làm việc liên tục của pin [29], [41], [84]. Vì vậy, khi gói tin càng lớn việc phát tín hiệu vô tuyến từ PDA sẽ càng tốn năng lượng của nguồn pin [7], [43]. Vì vậy, xu hướng nghiên cứu hiện nay là giảm nhỏ gói tin khi truyền. - Đối với nhiều bệnh nhân cần theo dõi và lưu trữ dữ liệu ECG trong thời gian dài (từ 1 năm đến nhiều năm). Ví dụ tín hiệu ECG 12 đạo trình của bệnh nhân với tần số lấy mẫu là 360Hz, độ phân dải 11bit, thì dữ liệu ECG 1 ngày là 746MB (12 leads*360Hz*2bytes*24giờ*3600giây  746MB) và nếu với tần số lấy mẫu là 1000Hz, độ phân dải 11bit, dữ liệu này lên tới 2072MB/1 ngày [4], [24], [44], Nếu cần lưu trữ dữ liệu này trong nhiều năm thì rất tốn kém tài nguyên bộ nhớ. Đặc biệt là với số lượng nhiều bệnh nhân thì con số dữ liệu cần lưu trữ sẽ là khổng lồ. Vì vậy, người ta cần dùng các kỹ thuật nén để giảm dung lượng dữ liệu khi lưu trữ [7], [29], [43], [85]. Với các phân tích tổng thể ở trên, sẽ nổi lên hai vấn đề cần được quan tâm giải quyết. Đó là: - Cần có giải pháp lọc nhiễu nguồn và nhiễu đường biên (nhiễu trôi dạt đường cơ sở) tốt hơn đối với tín hiệu ECG trong PDA trước khi truyền đi. 3
- Giảm nhỏ kích thước gói tin tín hiệu ECG bằng giải pháp nén tín hiệu một cách hiệu quả, đảm bảo được độ trung thực của tín hiệu khi giải nén. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng một gói giải pháp liên hoàn cho việc truyền tín hiệu ECG bằng công nghệ không dây bao gồm:  Nâng cao chất lượng lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở, nhiễu nguồn xoay chiều có trong tín hiệu ECG (là loại nhiễu ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng thu nhận tín hiệu ECG).  Đề xuất phương pháp nén tín hiệu điện tim nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng truyền tín hiệu giúp việc theo dõi và chẩn đoán bệnh tim mạch được chính xác và hiệu quả.  Đánh giá hiệu quả của thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu điện tim dựa trên hệ thống truyền - nhận trong môi trường thực ứng dụng công nghệ WiFi. Các vấn đề cần giải quyết của luận án Nhằm phát triển được các giải pháp và công cụ hỗ trợ các bác sỹ trong việc theo dõi và chăm sóc bệnh nhân tim mạch từ xa dựa trên hệ thống không dây và tín hiệu điện tim thu được từ cơ thể người một cách hiệu quả và chính xác, luận án này cần thực hiện giải quyết một số vấn đề chính sau đây:  Nghiên cứu phương pháp lọc một cách hiệu quả nhiễu nguồn xoay chiều và nhiễu trôi dạt đường cơ sở có trong tín hiệu điện tim  Nghiên cứu phương pháp nén dữ liệu điện tim trước khi truyền và giải nén sau khi thu nhận nhằm giảm lỗi mất gói trên đường truyền và giảm năng lượng phát của PDA, để sao cho bên nhận nhận được đầy đủ, chính xác dữ liệu điện tim.  Xây dựng và thử nghiệm mô hình hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ WiFi khi truyền tín hiệu ECG được nén và giải nén bằng thuật toán đề xuất. Đánh giá thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu ECG trong môi trường truyền- nhận sử dụng công nghệ WiFi trong thời gian thực và môi trường thực tế. Phạm vi nghiên cứu của luận án Truyền tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến có thể bao gồm việc thu nhận tín hiệu điện tim từ cơ thể người, tiền xử lý nhiễu dùng mạch tương tự, xử lý nhiễu dùng lọc số, nén dữ liệu điện tim trước khi truyền và ứng dụng một công nghệ vô 4
tuyến để truyền tín hiệu điện tim. Phạm vi nghiên cứu của luận án này, tác giả tập trung vào một số vấn đề sau:  Xử lý một cách hiệu quả nhiễu nguồn xoay chiều và nhiễu trôi dạt đường cơ sở có trong tín hiệu điện tim trước khi đưa lên đường truyền mạng không dây.  Nghiên cứu phương pháp nén- giải nén tín hiệu điện tim sử dụng cơ sở dữ liệu điện tim ECG Database MIT-BIH để hạn chế lỗi mất gói dữ liệu, giảm thời gian trễ, giảm băng thông và giảm sai số tín hiệu trong quá trình truyền - nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến để hỗ trợ các bác sỹ theo dõi và chẩn đoán bệnh tim mạch hiệu quả và chính xác hơn.  Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu điện tim dựa trên cơ sở hạ tầng mạng WiFi, là mạng sẵn có và phổ biến ở Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu của luận án Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận án này là nghiên cứu lý thuyết, khảo sát thực tế, thử nghiệm, tổng hợp và phân tích thống kê những kết quả thu được làm cơ sở cho việc theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch. Đối với nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế, tác giả đã nghiên cứu lý thuyết về điện tim đồ, xử lý nhiễu trong tín hiệu điện tim đồ, một số công nghệ mạng vô tuyến như Zigbee, WiFi và công nghệ 3G; kết hợp với việc khảo sát thực tế tại một số cơ sở y tế trong nước để có sự hiểu biết rõ hơn về tình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ vô tuyến để truyền tín hiệu ECG trong việc hỗ trợ theo dõi và chăm sóc bệnh nhân tim mạch ở trong nước. Tác giả đề xuất phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz, phương pháp lọc nhiễu đường cơ sở có trong tín hiệu điện tim, đề xuất phương pháp nén dữ liệu điện tim. Trên cơ sở đó, tác giả luận án tiến hành xây dựng mô hình hệ thống thử nghiệm dựa trên mạng WiFi, Internet và bộ cơ sở dữ liệu điện tim ECG MIT-BIH, phân tích và đánh giá các kết quả thu được để ứng dụng vào thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Về ý nghĩa khoa học: Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu tổng thể và toàn diện nào về truyền - nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ WiFi để theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch nhằm hướng tới việc triển khai ứng dụng tại các Bệnh viện và các cơ sở y tế. Lần đầu tiên tại Việt Nam, các nghiên cứu trong luận án đã đưa ra những giải pháp mới trong việc giải quyết tổng thể bài toán từ xử lý nhiễu đến việc nén - giải nén tín hiệu ECG theo phương pháp mới một cách hiệu quả trong việc truyền - nhận tín hiệu ECG trong thời gian thực, giúp cải thiện chất lượng 5