Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu thích nghi trong tách tiếng tim và tiếng phổi

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu về âm thanh y sinh (tiếng tim và tiếng phổi). Trong đó, luận văn tập trung nghiên cứu kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm các vấn đề lý thuyết của phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi ước lượng trung bình phương tối thiểu LMS kích cỡ bước cố định để tách tiếng tim/tiếng phổi đề xuất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu phương pháp lọc nhiễu thích nghi trong tách tiếng tim và tiếng phổi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỖ NGỌC ĐIỆP NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC NHIỄU THÍCH NGHI TRONG TÁCH TIẾNG TIM VÀ TIẾNG PHỔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỖ NGỌC ĐIỆP NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC NHIỄU THÍCH NGHI TRONG TÁCH TIẾNG TIM VÀ TIẾNG PHỔI Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. PHÙNG TRUNG NGHĨA THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn PGS.TS.Phùng Trung Nghĩa, người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu, sự tận tình hướng dẫn và những lời động viên của thầy đã giúp em vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn này. Em cũng xin cám ơn quý thầy cô giảng dạy chương trình cao học "Khoa hoc máy tính” đã truyền dạy những kiến thức quý báu, những kiến thức này rất hữu ích và giúp em nhiều khi thực hiện nghiên cứu. Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ động viên giúp đỡ em trong suốt những năm học vừa qua. Em xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên Đỗ Ngọc Điệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phùng Trung Nghĩa. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Em xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên Đỗ Ngọc Điệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iii MỤCLỤC LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ii MỤC LỤC ....................................................................................................................iii DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................vi MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ÂM THANH TIẾNG TIM ........ 5 1.1. Xử lý tín hiệu y sinh ............................................................................... 5 1.2. Tín hiệu điện tim và âm thanh tiếng tim ................................................ 5 1.2.1. Cơ sở điện học tế bào ..................................................................... 6 1.2.2. Tín hiệu điện tim (ECG- Electrocardiogram) ................................. 6 1.2.2. Tín hiệu âm thanh tiếng tim .......................................................... 13 1.2.4. Phân tích âm thanh tiếng tim và ứng dụng ................................... 25 1.3. Tách tiếng tim và tiếng phổi ................................................................ 27 CHƯƠNG 2. TÁCH ÂM THANH TIẾNG TIM VÀ TIẾNG PHỔI BẰNG BỘ LỌC THÍCH NGHI ..................................................................................................29 2.1. Tổng quan............................................................................................. 29 2.2. Cơ sở xử lý số tín hiệu ......................................................................... 29 2.2.1. Biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian ........................................ 30 2.2.2. Biểu diễn tín hiệu trong miền tần số ............................................. 32 2.3. Thực thi lọc nhiễu bằng bộ lọc thích nghi sử dụng thuật toán ước lượng trung bình phương tối thiểu LMS ............................................................... 43 2.4. Tách tiếng tim tiếng phổi bằng bộ lọc thích nghi kích thước bước cố định .............................................................................................................. 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iv CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM ..............................................................................46 3.1. Lựa chọn phương pháp tách tiếng tim và tiếng phổi bằng bộ lọc thích nghi LMS thực nghiệm ............................................................................... 46 3.2. Điều kiện thực nghiệm ......................................................................... 46 3.2.1 Cơ sở dữ liệu âm thanh tiếng tim PeterjBentley ............................ 46 3.2.2. Phương pháp đánh giá ................................................................... 47 3.3. Kết quả đánh giá................................................................................... 48 3.3.1. Kết quả xác định các tham số thực nghiệm tối ưu ........................ 48 3.3.2. Kết quả so sánh các phương pháp ................................................. 49 KẾT LUẬN .................................................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
v DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Bộ tham số (K, µ) tối ưu với PSNR cực đại qua 10 mẫu thử nghiệm ......................................................................................................................... 49 Bảng 3.2. Kết quả so sánh ............................................................................... 50 Bảng 3.3. Kết quả so sánh tính nhịp tim từ các tín hiệu được triệt nhiễu ....... 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. Dạng sóng tiếng tim bình thường......................................................... 2 Hình 2. Dạng sóng tiếng tim sạch, tiếng phổi sạch và tiếng tim phổi lẫn khi ghi âm ...................................................................................................................... 2 Hình 3. Sơ đồ phương pháp lọc nhiễu dùng bộ lọc thích nghi: x(n) là đầu vào bộ lọc sử dụng một tín hiệu nhiễu (tiếng phổi) tham chiếu, y(n) là đầu ra bộ lọc với đầu vào là nhiễu tham chiếu, d (n) là tín hiệu có nhiễu (tiếng tim lẫn tiếng phổi) cần xử lý là tổng của tín hiệu sạch tiếng tim s(n) và nhiễu tiếng phổi n(n) , s (n) là tín hiệu đã được lọc nhiễu. ..................................................................... 3 Hình 1.1. Sự liên quan giữa âm thanh tiếng tim và tín hiệu điện tim ECG ...... 5 Hình 1.2. Quá trình khử cực và tái cực của tế bào ............................................ 6 Hình 1.3. Điện tâm đồ dạng sóng...................................................................... 8 Hình 1.4. Sơ đồ khối máy ghi điện tim dùng vi xử lý .................................... 10 Hình 1.5. Dạng sóng điển hình của âm thanh tiếng tim .................................. 14 Hình 1.6. Tiếng tim S1 và S2 .......................................................................... 15 Hình 1.7. Tiếng tim có thêm S3 ...................................................................... 16 Hình 1.8. Tiếng tim thứ 4 ................................................................................ 17 Hình 1.9. Ống nghe đầu tiên này thuộc về Laennec. ...................................... 18 Hình 1.10. Ống nghe ban đầu.......................................................................... 18 Hình 1.11. Một ống nghe kiểu Traube bằng ngà voi ...................................... 18 Hình 1.12 Một bác sĩ sử dụng ống nghe để nghe bụng của bệnh nhân .......... 21 Hình 1.13. Các bộ phận của ống nghe hai tai ................................................. 22 Hình 1.14. Ống nghe âm thanh, với chuông lên trên ...................................... 23 Hình 1.15. Ống nghe điện tử kết nối với điện thoại ........................................ 25 Hình 1.16. Dạng sóng tiếng tim sạch, tiếng phổi sạch và tiếng tim phổi lẫn khi ghi âm .............................................................................................................. 28 Hình 2.1. Biểu diễn tín hiệu liên tục trong miền thời gian ............................. 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vii Hình 2.2. Biểu diễn tín hiệu rời rạc trong miền thời gian ............................... 30 Hình 2.3. Biểu diễn tín hiệu trong miền tần số ............................................... 32 Hình 2.4. Đồ thị của đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông thấp lý tưởng. ..... 36 Hình 2.5. Đồ thị của đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông cao lý tưởng. ....... 37 Hình 2.6. Đồ thị của đáp ứng biên độ của bộ lọc số thông dải lý tưởng. ....... 38 Hình 2.7. Đồ thị của đáp ứng biên độ của bộ lọc số chắn dải lý tưởng. ......... 39 Hinh 2.8. Sơ đồ khối bộ lọc thích nghi ........................................................... 40 Hình 2.9: Sai số trung bình phương và hệ số bộ lọc ....................................... 41 Hình 2.10. Sơ đồ phương pháp lọc nhiễu dùng bộ lọc thích nghi: x(n) là đầu vào bộ lọc sử dụng một tín hiệu nhiễu tham chiếu, y(n) là đầu ra bộ lọc với đầu vào là nhiễu tham chiếu, d (n) là tín hiệu có nhiễu cần xử lý là tổng của tín hiệu sạch s(n) và nhiễu n(n) , s (n) là tín hiệu đã được lọc nhiễu. ..................................... 43 Hình 2.11. Dạng sóng tiếng tim nhiễu và tiếng tim đã được triệt nhiễu ......... 45 Hình 3.1. Sự biến đổi của PSNR theo µ ......................................................... 48 Hình 3.2. Sự biến đổi của PSNR theo K ......................................................... 48 Hình 3.3. Dạng sóng tiếng tim nhiễu và tiếng tim đã được triệt nhiễu ........... 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: Xử lý tín hiệu y sinh là một trong những chủ đề nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh và y học lâm sàng [1]. Có nhiều loại tín hiệu y sinh như tín hiệu điện tim (ECG), tín hiệu tiếng tim (âm thanh tiếng tim và giản đồ tiếng tim PCG), tín hiệu điện não (EEG), tín hiệu siêu âm, tín hiệu hình ảnh cộng hưởng từ,... Trong số đó, tín hiệu tiếng tim là loại tín hiệu dễ thu, có thể sử dụng các thiết bị đơn giản, rẻ tiền như ống nghe truyền thống [2]. Mặc dù vậy, tiếng tim lại mang nhiều thông tin quan trọng phục vụ chẩn đoán lâm sàng các bệnh tim mạch. Từ tiếng tim thu được, các thông số như nhịp tim, tiếng tim bình thường, tiếng tim bệnh lý, tiếng thổi,… có thể được xác định, tính toán [2]. Tuy nhiên, một vấn đề quan trọng là tiếng tim thu được từ ống nghe thường bị lẫn với tiếng phổi. Do vậy, bài toán tách tiếng tim và tiếng phổi từ âm thanh thu được từ ống nghe là rất quan trọng khi xây dựng các hệ thống hỗ trợ chẩn đoán lâm sàng với tiếng tim [3]. Có nhiều cách tiếp cận trong bài toán tách tiếng tim và tiếng phổi. Trong đó, mượn ý tưởng từ việc sử dụng bộ lọc thích nghi trong triệt nhiễu tín hiệu [4], một số nghiên cứu gần đây đã thử nghiệm sử dụng bộ lọc thích nghi ước lượng trung bình phương tối thiểu LMS trong bài toán tách tiếng tim, phổi và đã thu được nhiều kết quả quan trọng [5, 6]. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ kiểm nghiệm lại các kết quả nghiên cứu trong [6] bằng dữ liệu thực nghiệm được sử dụng từ [7, 8] là dữ liệu tin cậy, được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu về phân tích tiếng tim, phổi trong chẩn đoán lâm sàng [9, 10]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 Hình 1. Dạng sóng tiếng tim bình thường Hình 2. Dạng sóng tiếng tim sạch, tiếng phổi sạch và tiếng tim phổi lẫn khi ghi âm 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các phương pháp xử lý tín hiệu âm thanh y sinh (tiếng tim/phổi) nói chung và vấn đề tách tiếng tim và tiếng phổi nói riêng. Đây là đối tượng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong thời gian gần đây. Phạm vi của luận văn bao gồm nghiên cứu tổng quan về tín hiệu âm thanh y sinh gồm tiếng tim và tiếng phổi, một số phương pháp tách tiếng tim và tiếng phổi đặc biệt tập trung vào phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi ước lượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 trung bình phương tối thiểu LMS kích cỡ bước cố định [6], như mô tả trong hình 3. Luận văn cũng nghiên cứu đánh giá thực nghiệm các phương pháp để đưa ra các khuyến nghị. Signal and noise Denoised signal d ( n )  s( n )  n ( n ) d (n)  y (n)  ~ s (n) ADC   DAC  x ( n) y ( n) ADC Adaptive filter Noise LMS algorithm Hình 3. Sơ đồ phương pháp lọc nhiễu dùng bộ lọc thích nghi: x(n) là đầu vào bộ lọc sử dụng một tín hiệu nhiễu (tiếng phổi) tham chiếu, y(n) là đầu ra bộ lọc với đầu vào là nhiễu tham chiếu, d (n) là tín hiệu có nhiễu (tiếng tim lẫn tiếng phổi) cần xử lý là tổng của tín hiệu sạch tiếng tim s(n) và nhiễu tiếng phổi n(n) , s (n) là tín hiệu đã được lọc nhiễu. 3. Hướng nghiên cứu của luận văn: Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về âm thanh y sinh (tiếng tim và tiếng phổi). Trong đó, luận văn tập trung nghiên cứu kiểm nghiệm lại bằng thực nghiệm các vấn đề lý thuyết của phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi ước lượng trung bình phương tối thiểu LMS kích cỡ bước cố định để tách tiếng tim / tiếng phổi đề xuất trong [6]. 4. Những nội dung nghiên cứu chính: Chương 1. Tổng quan về âm thanh tiếng tim. 1.1. Tiếng tim 1.2. Phân tích tiếng tim 1.3. Tách tiếng tim khỏi tạp âm tiếng phổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 Chương 2. Tổng quan về vấn đề tách tiếng tim và tiếng phổi bằng bộ lọc thích nghi LMS ước lượng trung bình phương tối thiểu. 2.1. Cơ sở xử lý tín hiệu số 2.2. Bộ lọc thích nghi 2.3. Thuật toán ước lượng trung bình phương tối thiểu LMS 2.4. Tính toán kích thước bước của bộ lọc thích nghi Chương 3. Thực nghiệm. 3.1. Cơ sở dữ liệu thực nghiệm Peterjbentley 3.2. Tách tiếng tim và tiếng phổi bằng bộ lọc thích nghi LMS 3.3. Tham số đánh giá 3.4. Kết quả đánh giá 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có trên thế giới [1-12] để phân tích, đánh giá về phương pháp tách tiếng tim và tiếng phổi bằng bộ lọc thích nghi LMS. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, luận văn cũng sẽ nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá phương pháp tách tiếng tim / tiếng phổi này. 6. Ý nghĩa khoa học của luận văn: Như đã trình bày trong phần 1, nghiên cứu về tiếng tim có vai trò quan trọng trong các hệ thống hỗ trợ chẩn đoán bệnh. Đây không phải vấn đề nghiên cứu mới trên thế giới nhưng còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ÂM THANH TIẾNG TIM 1.1. Xử lý tín hiệu y sinh Xử lý tín hiệu y sinh là một trong những chủ đề nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh và y học lâm sàng [1]. Có nhiều loại tín hiệu y sinh như tín hiệu điện tim (ECG), tín hiệu tiếng tim (âm thanh tiếng tim và giản đồ tiếng tim PCG), tín hiệu điện não (EEG), tín hiệu siêu âm, tín hiệu hình ảnh cộng hưởng từ,... Trong số đó, tín hiệu âm thanh tiếng tim là loại tín hiệu dễ thu, có thể sử dụng các thiết bị đơn giản, rẻ tiền như ống nghe truyền thống [2]. 1.2. Tín hiệu điện tim và âm thanh tiếng tim Có hai loại tín hiệu y sinh liên quan đến hoạt động của tim liên quan mật thiết với nhau là tín hiệu điện tim và tín hiệu âm thanh tiếng tim. Cả hai đều cho phép phân tích, khảo sát các đặc điểm và hoạt động của tim. Tín hiệu điện tim cho phép phân tích với độ chính xác và tin cậy cao hơn nhưng cũng đòi hỏi chi phí cao hơn. Tín hiệu âm thanh tiếng tim phân tích với độ chính xác thấp hơn nhưng có chi phí thấp, đơn giản, dễ thu và có thể sử dụng trong các hệ thống hỗ trợ chẩn đoán lâm sàng. Cả tín hiệu điện tim và âm thanh tiếng tim đều xuất phát từ nguồn gốc là quá trình co bóp của tim và cơ sở sinh lý điện học tế bào tim. Hình 1.1. Sự liên quan giữa âm thanh tiếng tim và tín hiệu điện tim ECG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
6 1.2.1. Cơ sở điện học tế bào Mọi thực thể sống trên trái đất đều được cấu thành từ nhiều kiểu tế bào khác nhau. Ở người, tế bào có đường kính thay đổi trong khoảng từ 1m cho đến 100 m, độ dày của màng tế bào cỡ 0,01m. Ở trạng thái nghỉ, mặt trong màng tế bào tích điện âm, mặt ngoài màng tích điện dương. Sự phân bố điện tích không cân bằng này là kết quả của các phản ứng điện hoá. Điện thế giữa hai lớp điện tích này được gọi là điện thế nghỉ, người ta gọi tế bào ở trạng thái này là trạng thái phân cực, điện thế nghỉ (điện thế phân cực ) giữa hai mặt màng tế bào khoảng -90mV. Khi tế bào bị kích thích, điện thế mặt ngoài màng tế bào trở nên âm hơn so với điện thế mặt trong màng tế bào, giá trị điện áp giữa hai mặt màng tế bào lúc này vào khoảng + 20mV. Quá trình chuyển từ -90mV lên +20mV gọi là quá trình khử cực (thực chất là sự khuếch tán ion qua màng tế bào). Quá trình tái cực (quá trình phục hồi) diễn ra sau một khoảng thời gian ngắn khi quá trình khử cực kết thúc, đưa tế bào về trạng thái ban đầu (trạng thái nghỉ). Dạng sóng điện thế tế bào được biểu diễn trên hình 1.2. Quá trình khử cực sẽ lan truyền từ tế bào này sang tế bào khác cho đến khi toàn bộ các tế bào (cơ tim chẳng hạn) được khử rồi tái cực. Hình 1.2. Quá trình khử cực và tái cực của tế bào 1.2.2. Tín hiệu điện tim (ECG- Electrocardiogram) Tín hiệu điện tim là dòng điện sinh học sinh ra từ quá trình khi tim co bóp diễn ra quá trình “khử cực” và “tái cực” của các tế bào cơ tim. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
7 Điện tâm đồ (Electrocardiogram) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng 1 phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi. Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ. Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim v.v... a. Sự hình thành tín hiệu điện tim Tim là tổ chức cơ rỗng, tại đó sự cơ bóp một cách có thứ tự các sơ sẽ tạo ra áp lực đẩy máy đi qua các bộ phận trên cơ thể. Mỗi nhịp tim được kích thích bởi xung điện từ các tế bào nít xoàn tại tâm nhĩ. Các xung điện truyền đến các bộ phận khác của tim và làm cho tim co bóp. Việc ghi tín hiệu điện tâm đồ là việc ghi lại tín hiệu này. Tín hiệu điện tâm đồ mô tả hoạt động của điện của tim, và có thể được phân tích thành các thành phần đặc tính có tên là sóng: P, Q, R, S, T, U. Mỗi thành phần này có đặc trưng riêng, đáp ứng riêng, dấu hiệu của nhịp tim riêng nhưng có chung nguồn gốc là các hiện tượng điện sinh vật. Hiện tượng điện sinh vật là quá trình hoá lý, hoá sinh phức tạp xảy ra bên trong và ngoài màng tế. Tổng hợp tất cả các thành phần suất điện động từ mọi tế bào trong tim đã tạo ra một tín hiệu phản ánh hoạt động của cơ tim, người ta gọi là tín hiệu điện tim. Tín hiệu điện tim có độ lớn thay đổi theo thời gian và khác nhau tại các điểm trên cơ thể người. Bằng cách đo một số điểm trên cơ thể và theo dõi hình dạng sóng thay đổi theo thời gian, người ta có thể giúp nhận biết được một số tình trạng bệnh lý, hoặc chấn thương. Các nghiên cứu về tim đã chỉ ra rằng tín hiệu điện tim có thể được coi như tổ hợp của các sóng có dải tần từ 0 ÷∞. Tuy nhiên để lấy đủ thông tin cho việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
8 chuẩn đoán của bác sỹ, thông thường dải tần được chọn là 0.05Hz ÷ 80Hz. Sóng điện tim có biên độ nhỏ, đỉnh lớn nhất cũng chỉ cỡ 1.5mV ÷ 2mV. b. Đặc điểm của tín hiệu điện tim Tín hiệu điện tim là tín hiệu phức tạp với tần số lặp lại khoảng từ 0.05 đến 300 Hz. Hình dạng của sóng P, Q, R, S, T, U được mô tả: Hình 1.3. Điện tâm đồ dạng sóng Đỉnh P được tạo ra bởi sự co cơ của tâm nhĩ. Sóng P phản ánh quá trình khử cực tâm nhĩ. Khoảng PQ (còn gọi là khoảng PR) phản ánh thời gian dẫn truyền từ tâm nhĩ đến tâm thất. Phức hợp QRS phản ánh quá trình khử cực tâm thất. Tái cực tâm nhĩ đồng thời xảy ra với quá trình tái cực tâm thất, tâm thất nặng hơn tâm nhĩ do đó, quá trình tái cực tâm nhĩ thực chất là sự che đậy bởi sự khử cực tâm thất (QRS). Đoạn ST phản ánh các giai đoạn ổn định của tâm thất. Sóng T phản ánh quá trình tái cực tâm thất. Về mặt lý thuyết thì tín hiệu này có thể coi như là tổ hợp các hài có dải tần từ 0 đến vô cùng. Quá trình tính toán, phân tích, kể cả đến các trường hợp bệnh lý, trường hợp méo tín hiệu, người ta xác định được dải tần tiêu chuẩn, bảo đảm thể hiện trung thực tín hiệu điện tim là từ 0.05 đến 100 Hz. Ở giới hạn trên để bảo đảm phức bộ QRS không bị méo. Giới hạn dưới để đảm bảo trung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 thực sóng P và T. Xét về dải rộng của tín hiệu thì biên độ của sóng P, Q, R, S, T rất khác nhau. Biên độ các sóng ghi được trong các chuyển đạo mẫu là nhỏ nhất. Biên độ các chuyển đạo ở lồng ngực là lớn nhất. - Biên độ các sóng P, Q, S nhỏ nhất cỡ 0.2 đến 0.5 mV. - Biên độ lớn nhất là sóng R cỡ 1.5 đến 2 mV. - Quãng thời gian tồn tại của sóng là: + P - R: 0.12 đến 0.2 giây + Q - T: 0.35 đến 0.44 giây + S - T: 0.05 đến 0.15 giây + QSR: 0.09 giây c. Máy điện tim Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điện tử y tế nói chung và thiết bị điện tim nói riêng ngày càng có thêm nhiều tính năng. Việc sử dụng kỹ thuật vi xử lý và ghép nối thiết bị ghi điện tim với mạch điện toán đã nâng cao tính năng và chất lượng của thiết bị. ở mức độ bình thường chúng có thể lưu trữ số liệu, so sánh cập nhật và in các số liệu về điện tim cùng tên tuổi bệnh nhân một cách tự động. ở mức độ cao hơn nữa là chuẩn đoán bệnh (kết hợp với các khám nghiệm khác). Đồng thời tính an toàn của thiết bị cũng được nâng lên như báo động mất nguồn, dòng dò tăng, điện cực tiếp xúc xấu.Với kích thước gọn nhẹ, giá thành ngày càng hạ, chắc chắn chúng sẽ thâm nhập ngày càng sâu hơn vào các bệnh viện và phòng khám bệnh, không chỉ ở các bệnh viện, trung tâm y tế lớn mà còn ở các tuyến dưới, tương lai có thể đến tận các tuyến cơ sở. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 Hình 1.4. Sơ đồ khối máy ghi điện tim dùng vi xử lý Hình 1.4. trình bày sơ đồ khối của một thiết bị ghi điện tim sử dụng vi xử lý. Thiết bị ghi điện tim ghép nối với máy điện toán cũng có sơđồ như vậy. Trong máy điện toán cũng dùng vi xử lý. P là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh toán học, logic và chuyển dữ liệu.RAM là bộ nhớ tạm thời, ROM là bộ nhớ chỉ đọc. Vi xử lý và máy điện toán chỉ làm việc với các đại lượng số (đếm được) khác với khái niệm điện tim mà chúng ta đang xét ở trên là đại lượng liên tục (tương tự). Vì thế tín hiệu điện tim trước khi đưa vào vi xử lý hay máy điện toán phải chuyển đổi sang dạng số. Thông tin này là dữ liệu về điện tim. Cũng không thể lấy quá nhiều dữ liệu. Cứ cách một khoảng thời gian nào đó người ta mới lấy tín hiệu điện tim đưa vào bộ chuyển đổi ra dạng số. Bộ chuyển đổi này gọi là bộ chuyển đổi tương tự số (A/D). Khoảng thời gian lặp lại đó gọi là chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu bằng nghịch đảo của chu kỳ lấy mẫu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
11 Ta đã biết rằng phức bộ của sóng điện tim bao gồm sóng P, Q, R, S, T. Khoảng cách QRS là hẹp nhất khoảng 0.06 – 0.12 giây, nếu chu kỳ lấy mẫu là 0.005 giây thì trong khoảng QRS lấy được từ 12 đến 24 mẫu đủ để phản ánh nhóm sóng này. Phần trên ta đã trình bày phổ của điện tim là từ 0.05 đến 100 hz, do đó tần số lấy mẫu tối thiểu là 200 hz. Độ chính xác của dữ liệu điện tim còn phụ thuộc vào mức số hoá (mức lượng tử). Với yêu cầu cao người ta có thể chia thành 1000 mức từ 0 đến 999 và để biểu diễn có thể dùng 3 chữ số thập phân. Vi xử lý hay máy điện toán chỉ dùng hai trạng thái có điện (1) hay không có điện (0) trong các phần tử. Cách biểu diễn này là biểu diễn nhị phân. Mười chữ số có thể biểu diễn từ 0 đến 1023. Tuy nhiên trong một số thiết bị người ta chỉ cần đến 8 bit để biểu diễn tín hiệu điện tim (0 –255). Khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu là 5ms, trong khi vi xử lý thực hiện một lệnh cở s. Điều đó cho thấy giữa hai lần lấy mẫu vi xử lý có thể thực hiện được vài nghìn lệnh, số lệnh này đủ để vi xử lý thực hiện một số lệnh như lưu trữ, hiển thị, quản lý, phím bấm, báo động, nhận dạng, lọc số. Nhưng chưa đủ để phân tích phổ kể cả phân tích phổ nhanh FFT. Thiết bị hiển thị ở đây có thể là màn hình chấm điểm (Bit map) hay màn hình x,y (Vector), là các LED. Thiết bị lưu trữ như băng đĩa từ.Thiết bị ghi như máy in kim, lazer, máy in nhiệt hay bút ghi nhiệt. Trong trường hợp dùng màn hình x, y để hiển thị và bút ghi nhiệt để ghi thì phải có bộ chuyển đổi tương tự số (A/D). Việc thiết kế hệ điện tim dùng vi xử lý hay máy điện toán ngoài thiết kế phần cứng như mạch điện,còn phải thiết kế phần mềm để vi xử lý thực hiện các chức năng đề ra. Ghép nối thiết bị điện tim với máy điện toán đơn giản hơn xây dựng từ vi xử lý. Công việc phần cứng là thiết kế chế tạo phần điện tim và ghép nối. Phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn