Nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG dựa trên giải pháp loại bỏ ảnh hưởng từ nhịp thở của người bệnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC THẢO

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU
ĐIỆN TIM DỰA TRÊN GIẢI PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG
TỪ NHỊP THỞ CỦA NGƯỜI BỆNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC THẢO

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU
ĐIỆN TIM DỰA TRÊN GIẢI PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG
TỪ NHỊP THỞ CỦA NGƯỜI BỆNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số

: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội - 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những hướng
dẫn của PGS.TSKH. Trần Hoài Linh và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên
cứu là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trên bất kỳ công trình nào khác.
Hà nội, ngày……tháng……năm 2016
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

NGUYỄN ĐỨC THẢO

­i­


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp ­ Viện
Điện ­ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH.Trần Hoài
Linh. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TSKH.Trần Hoài Linh đã tận
tình hướng dẫn về học thuật, kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS.Phạm Thị Ngọc Yến, PGS.TS.Nguyễn Quốc
Cường và Hội đồng Khoa học Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp ­ Viện Điện ­
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu và tạo các điều
kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình hoàn thành luận án
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công

nghiệp ­ Viện Điện ­ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các đồng nghiệp khoa Điện tử ­
Tin học ­ Trường Đại học Sao Đỏ và gia đình luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho
tác giả trong quá trình hoàn thành luận án
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ, Ban Giám
hiệu và Viện Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt
nhất về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án

Nguyễn Đức Thảo

­ ii ­


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... ii
MỤC LỤC....................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ix
MỞ ĐẦU...........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu....................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................................3
5. Tiêu chí chọn dữ liệu và phương pháp đánh giá kết quả................................................3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................4
6.1. Ý nghĩa khoa học..................................................................................................4

6.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................4
7. Những đóng góp của luận án ........................................................................................4
8. Bố cục của luận án .......................................................................................................5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ TRONG TÍN HIỆU
ECG...................................................................................................................................6
1.1. Hệ tim mạch..............................................................................................................6
1.1.1. Trái tim .............................................................................................................6
1.1.2. Hệ thống dẫn truyền của tim ..............................................................................7
1.1.3. Tín hiệu ECG ....................................................................................................8
1.1.4. Các chuyển đạo ECG.........................................................................................9
1.2. Hệ hô hấp................................................................................................................10
1.2.1. Cấu trúc của phổi..............................................................................................11
1.2.2. Các động tác của hệ hô hấp..............................................................................11
1.3. Một số ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG .................................................12
1.3.1. Rối loạn nhịp tim.............................................................................................12

­ iii ­


Mục lục

1.3.2. Điều chế biên độ tín hiệu ECG ........................................................................13
1.3.3. Trôi dạt đường cơ sở........................................................................................13
1.4. Một số phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG ................14
1.5. Định hướng của luận án...........................................................................................15
1.5.1. Kịch bản 1 (Kịch bản cơ sở để so sánh) ...........................................................18
1.5.2. Kịch bản 2 .......................................................................................................18
1.5.3. Kịch bản 3 .......................................................................................................18
1.5.4. Kịch bản 4 .......................................................................................................19
1.6. Các cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án..........................................................19

1.7. Kết luận chương 1 ...................................................................................................23
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP
THỞ VÀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG........................................................................24
2.1. Tổng quan một số phương pháp sử dụng bộ lọc thông cao ..................................24
2.2. Wavelet và ứng dụng wavelet trong phân tích tín hiệu.............................................28
2.2.1. Phép biến đổi wavelet......................................................................................28
2.2.2. Thuật toán wavelet rời rạc ..............................................................................30
2.3. Hàm Hermite và ứng dụng trong phân tích tín hiệu..................................................31
2.4. Mạng nơ­ron logic mờ TSK ....................................................................................32
2.4.1. Quy tắc suy luận TSK.....................................................................................32
2.4.2. Mô hình mạng Nơ­ron logic mờ TSK ..............................................................34
2.4.3. Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK.........................................................36
2.5. Kết luận chương 2 ...................................................................................................38
CHƯƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ
TRONG TÍN HIỆU ECG.................................................................................................39
3.1. Ứng dụng wavelets loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG ..................39
3.2. Sử dụng các đặc tính từ nhịp thở tức thời nhằm năng cao chất lượng nhận dạng tín
hiệu ECG .........................................................................................................................44
3.3. Thu thập tín hiệu nhịp thở .......................................................................................45
3.4. Kết luận chương 3 ...................................................................................................50
CHƯƠNG IV: TRÍCH CHỌN ĐẶC TRƯNG VÀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG BẰNG
MẠNG TSK ....................................................................................................................51
4.1. Cơ sở dữ liệu...........................................................................................................51

­ iv ­


Mục lục

4.2. Ứng dụng SVD để phân tích tín hiệu ECG theo các hàm Hermite............................52

4.3. Ứng dụng mô hình nhận dạng TSK trong bài toán nhận dạng tín hiệu ECG.............54
4.3.1. Xây dựng các bộ số liệu...................................................................................54
4.3.1.1. Cơ sở dữ liệu MIT­BIH......................................................................54
4.3.1.2. Cơ sở dữ liệu MGH/MF .....................................................................57
4.3.2. Xây dựng mô hình nhận dạng ..........................................................................59
4.3.3. Kết quả nhận dạng tín hiệu ECG......................................................................61
4.3.3.1. Các thử nghiệm dạng MIT/16­16 cho kịch bản 1 và kịch bản 2: .........61
4.3.3.2. Các thử nghiệm dạng MGH/20­20 cho cả 4 kịch bản nhận dạng:.......63
4.3.3.3. Các thử nghiệm dạng MGH/15­5 cho kịch bản 1 và kịch bản 2: .........68
4.3.3.4. Các thử nghiệm dạng MGH/19­1 cho kịch bản 1 và kịch bản 2: .........69
4.4. Kết luận chương 4 ...................................................................................................71
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................72
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................74
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............................84
Phụ lục A: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 khi sử dụng bộ lọc
thông cao loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở. .......................................................................85
Phụ lục B: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình khi sử
dụng bộ lọc wavelet loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở. .......................................................87

­v­


Danh mục các từ viết tắt

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

A

Premature Atrial Contractions

Ngoại tâm thu nhĩ

AV

Atrioventricular

Nút nhĩ thất

BW

Baseline Wander

Trôi dạt đường cơ sở

CORR

Cross­corelation Coeffcient

Hệ số tương quan chéo

CWT

Continuous Wavelet Transform

Biến đổi wavelet liên tục

DWT

Discrete Wavelet Transform

Biến đổi wavelet rời rạc

E

Ventricular Escape Beat

Tâm thất lỗi nhịp

ECG

Electrocardiogram

Điện tim đồ

EMD

Empirical Mode Decomposition

Phân tích thực nghiệm

FastICA

FastICA algorithm

Thuật toán ICA nhanh

FIR

Finite Impulse Response Filter

Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn

FN

False Negative

Chẩn đoán âm tính sai

FP

False Positive

Chẩn đoán dương tính sai

HD

High Pass Filter for Decomposition

Phân tích bằng bộ lọc thông cao

HR

High Pass Filter for Reconstruction

Tổng hợp bằng bộ lọc thông cao

PRD

Percent Root Mean Square Difference

Phần trăm trung bình bình phương
sai lệch

I

Ventricular Flutter Wave

Rung thất

ICA

Independent Component Analysis

Phân tích thành phần độc lập

IIR

Infinite Impulse Response Filter

Bộ lọc có đáp ứng xung vô hạn

IMFs

Intrinsic Mode Functions

Kiểu hàm nội suy

­ vi ­


Danh mục các từ viết tắt

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

IWT

Inverse Wavelet Transform

Biến đổi Wavelet ngược

kPCA

Kernel Principal Component Analysis

Thành phần chính cốt lõi

L

Left Bundle Branch Block Beat

Block nhánh trái

LD

Low Pass Filter for Decomposition

Phân tích bằng bộ lọc thông thấp

LMS

Least Mean Squares

Trung bình bình phương nhỏ nhất

LR

Low Pass Filter for Reconstruction

Tổng hợp bằng bộ lọc thông thấp

MEM

Mean­Median Filter

Bộ lọc trung bình trung tâm

MIT-BIH

MIT­BIH Arrhythmia Database

Cơ sở dữ liệu MIT­BIH

MGH/MF MGH/MF Waveform Database

Cơ sở dữ liệu MGH/MF

MLP

Multi­Layer Perceptron Network

Mạng nơron truyền thẳng nhiều
lớp

PAP

Pulmonary Arterial Pressure

Áp suất động mạch phổi

PCA

Principal Component Analysis

Phân tích theo thành phần chính

QRS

QRS Complex

Phức bộ QRS

R

Right Bundle Branch Block Beat

Block nhánh phải

RES

Respiratory Impedance

Trở kháng đường hô hấp

RSA

Respiratory Sinus Arrhythmia

Rối loạn nhịp xoang

S

Supraventricular Premature Beat

Loạn nhịp thất trên

SA

Sinoatrial

Nút xoang nhĩ

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SVD

Singular Value Decomposition

Phân tích theo các giá trị kỳ dị

TSK

Takaga – Sugeno – Kang neuro fuzzy Mạng nơ­ron logic mờ TSK
network
(Takaga – Sugeno – Kang)

V

Premature Ventricular Contraction

­ vii ­

Ngoại tâm thu thất


Danh mục các bảng biểu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các trường hợp thử nghiệm phục vụ các kịch bản nhận dạng ...........................22
Bảng 3.1: Tính toán tần số trung tâm để xác định mức phân tích phù hợp loại bỏ ảnh
hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG ở tần số lấy mẫu 360Hz ......................................40
Bảng 3.2: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình loại bỏ ảnh
hưởng của nhịp thở sử dụng thành phần A8 và A9 khi sử dụng các họ wavelet bậc 4 và bộ
lọc Butterworth_2 – Thử nghiệm 1...................................................................................41
Bảng 3.3: Kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung bình loại bỏ ảnh
hưởng của nhịp thở sử dụng thành phần A8 và A9 khi sử dụng các họ wavelet bậc 4 và bộ
lọc Butterworth_2 – Thử nghiệm 2...................................................................................41
Bảng 3.4. Kết quả đếm số nhịp thở trong 10 lần thử nghiệm.............................................50
Bảng 4.1. Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 7 loại nhịp ..................55
Bảng 4.2. Bảng phân chia số lượng mẫu của 3 loại nhịp...................................................58
Bảng 4.3. Bảng phân chia số lượng mẫu cho thử nghiệm dạng MGH/20­20 .....................59
Bảng 4.4. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 1.1 ..........62
Bảng 4.5. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 2.1 ..........62
Bảng 4.6. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 1.2 ..........64
Bảng 4.7. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 2.2 ..........65
Bảng 4.8. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 3.2 ..........65
Bảng 4.9. Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của thử nghiệm 4.2 ..........66
Bảng 4.10. Kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của hai thử nghiệm dạng MGH/15­5........68
Bảng 4.11. Kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp của hai thử nghiệm dạng MGH/19­1........70
Bảng A.1: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Butterworth_2..........................85
Bảng A.2: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Kaiser_56 ................................85
Bảng A.3: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Kaiser_255...............................86
Bảng A.4: Kết quả tính toán thông số khi sử dụng bộ lọc Rectang _100 ...........................86
Bảng B.1.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Biorthogonal – Thử nghiệm 187
Bảng B.1.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Biorthogonal – Thử nghiệm 288
Bảng B.2.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Coiflets – Thử nghiệm 1 .......89
Bảng B.2.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Coiflets – Thử nghiệm 2 .......89
Bảng B.3.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Daubechies – Thử nghiệm 1..90

Bảng B.3.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Daubechies – Thử nghiệm 2..91
Bảng B.4.1: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Symlets – Thử nghiệm 1 .......92
Bảng B.4.2: Kết quả tính toán các thông số khi sử dụng họ Symlets – Thử nghiệm 2 .......93

­ viii ­


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc giải phẫu của tim ..................................................................................6
Hình 1.2: Hệ thống dẫn truyền của tim...............................................................................7
Hình 1.3: Mẫu các dạng sóng khác nhau hình thành nên tín hiệu ECG ...............................8
Hình 1.4: Mẫu tín hiệu ECG và các điểm đặc trưng chính ..................................................8
Hình 1.5: Ba chuyển đạo I, II, III bố trí theo tam giác Eithoven.........................................9
Hình 1.6: Ba chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường (aVF, aVL, aVF) ...........................10
Hình 1.7: Sáu chuyển đạo trước tim (V1, V2, V3, V4, V5, V6)........................................10
Hình 1.8: Cấu trúc giải phẫu của phổi ............................................................................11
Hình 1.9: Các động tác của quá trình hô hấp ...................................................................12
Hình 1.10: Tín hiệu ECG có khoảng R­R thay đổi và tín hiệu nhịp thở............................13
Hình 1.11: Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và tín hiệu nhịp thở ....................................13
Hình 1.12: Tín hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở và tín hiệu nhịp thở ..............................14
Hình 1.13: Sơ đồ khối mô hình tổng quát thực hiện các giải pháp đề xuất của luận án.....16
Hình 1.14: Sơ đồ khối kịch bản 1(kịch bản cơ sở) nhận dạng tín hiệu ECG bằng mạng TSK
........................................................................................................................................18
Hình 1.15: Sơ đồ khối kịch bản 2 nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG đã lọc bằng
wavelet ............................................................................................................................18
Hình 1.16: Sơ đồ khối kịch bản 3 nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG sử dụng thêm
2 đặc tính từ nhịp thở (không lọc ECG bằng wavelet) ......................................................19
Hình 1.17: Sơ đồ khối kịch bản 4 nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG đã được lọc

bằng wavelet và sử dụng thêm 2 đặc tính từ nhịp thở .......................................................19
Hình 1.18: Một số ví dụ tín hiệu ECG bị ảnh hưởng của nhịp thở trong cơ sở dữ liệu MIT­
BIH: a) Tín hiệu ECG bị rối loại nhịp tim, b) Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và c) Tín
hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở .....................................................................................20
Hình 1.19: Một số ví dụ tín hiệu ECG bị ảnh hưởng của nhịp thở trong cơ sở dữ liệu
MGH/MF: a) Tín hiệu ECG bị rối loại nhịp tim, b) Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và c)
Tín hiệu ECG bị trôi dạt dường cơ sở...............................................................................21
Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung
bình khi sử dụng các bộ lọc thông cao –Thử nghiệm 1 ....................................................26
Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn kết quả tính toán các thông số SNR, CORR, PRD và TH1 trung
bình khi sử dụng các bộ lọc thông cao –Thử nghiệm 2 ...................................................26

­ ix ­


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 2.3: Tín hiệu ECG gốc (a), tín hiệu ECG bị ảnh hưởng của nhịp thở (b) và tín hiệu
ECG được loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở bằng các bộ lọc thông cao (c,d,e,f).................27
Hình 2.4: Cấu trúc các bước phân tích tín hiệu thành các thành phần “chi tiết” và “xấp xỉ“
........................................................................................................................................30
Hình 2.5: Đồ thị của hàm Hermite bậc N khác nhau.........................................................31
Hình 2.6: Mạng nơron mờ TSK một đầu ra ......................................................................35
Hình 3.1: Một số họ wavelet được sử dụng để phân tích tín hiệu......................................39
Hình 3.2: Tín hiệu nhịp thở (a), tín hiệu ECG bị điều chế biên độ (b), thành phần A8 (c), tín
hiệu ECG được loại bỏ nhịp thở bằng họ Coif4 (d), tín hiệu nhịp thở và thành phần A8 (e)
........................................................................................................................................42
Hình 3.3: Tín hiệu nhịp thở (a), tín hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở (b), thành phần A8
(c), tín hiệu ECG được loại bỏ nhịp thở bằng họ Coif4 (d), tín hiệu nhịp thở và thành phần
A8 (e) ...............................................................................................................................43

Hình 3.4: Xác định biên độ nhịp thở tức thời tại đỉnh R của nhịp tim đang nhận dạng .....44
Hình 3.5: Xác định đỉnh nhịp thở và tính toán chu kỳ của nhịp thở..................................45
Hình 3.6: Mẫu tín hiệu nhịp thở .....................................................................................45
Hình 3.7: Sự bất đối xứng biên độ tín hiệu giữa hít vào, thở ra .........................................45
Hình 3.8: Sơ đồ khối mạch thu thập tín hiệu nhịp thở.......................................................47
Hình 3.9: Cấu trúc của cảm biến gia tốc MMA8451Q ......................................................47
Hình 3.10: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ...............................48
Hình 3.11a: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ở trạng thái thở
thường .............................................................................................................................48
Hình 3.11b: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ở trạng thái thở
chậm................................................................................................................................48
Hình 3.11c: Tín hiệu nhịp thở thu được từ 3 trục của cảm biến gia tốc ở trạng thái thở
nhanh...............................................................................................................................49
Hình 3.12: Tín hiệu tách ra từ 3 trục của cảm biến gia tốc bằng thành phần A8 .................49
Hình 4.1: Xấp xỉ tín hiệu ECG bằng N bậc đầu tiên của hàm Hermite .............................53
Hình 4.2: Một số mẫu phức bộ QRS của các loại nhịp A, E, L, R, I và V của tín hiệu ECG
........................................................................................................................................56
Hình 4.3: Một số mẫu phức bộ QRS của các loại nhịp S và V của tín hiệu ECG..............57
Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát số luật TSK của các thử nghiệm MIT/16­16..61
Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn kết quả khảo sát số luật TSK của các thử nghiệm MGH/20­2064

­x­


Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và điện tử đã và
đang đem lại nhiều hiệu quả trong đời sống xã hội. Trong y học, công nghệ thông tin và

điện tử đã đem lại nhiều ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe con người. Mặt khác các bác sĩ
luôn cần có các thông tin càng chính xác càng tốt cho các công tác chẩn đoán, xác định
bệnh, điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh.
Tín hiệu nhịp thở và điện tim (ECG ­ ElectroCardioGraph) là hai tín hiệu y sinh cơ
bản và quan trọng được sử dụng để xác định tình trạng sức khỏe của một người [72]. Tín
hiệu ECG là nguồn thông tin quý giá để xác định các bệnh lý về tim mạch [98]. Tuy nhiên
với đặc thù tín hiệu ECG thường có biên độ nhỏ và dễ bị ảnh hưởng của nhiều thành phần
nhiễu khác nhau như: nhiễu do nguồn điện lưới, do các điện cực tiếp xúc kém với bề mặt
cơ thể của bệnh nhân, do sự thay đổi cảm xúc của bệnh nhân, do quá trình hô hấp và
chuyển động của bệnh nhân… Hiện nay phương pháp thu thập tín hiệu ECG vẫn được thực
hiện bằng cách đo sự chênh lệch điện áp của cặp điện cực gắn trên người bệnh. Vì vậy khi
ta hít thở làm thay đổi thể tích của lồng ngực dẫn đến thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa điện
cực – bề mặt cơ thể của người bệnh và véctơ trục điện tim dẫn đến làm ảnh hưởng đến chất
lượng tín hiệu ECG đưa về mạch thu thập [21, 27, 29, 31, 38, 40, 49, 56, 70, 94]. Đồng
thời lưu lượng không khí trong quá trình hít thở cũng làm thay đổi nồng độ Oxygen trong
máu, từ đó dẫn tới các thay đổi trong tín hiệu ECG [47].
Nhận dạng tín hiệu ECG là một trong những vấn đề kỹ thuật vẫn đang được tiếp tục
quan tâm, đầu tư nghiên cứu hiện nay do đây là một vấn đề khó, yêu cầu độ chính xác và
độ tin cậy ngày càng cao hơn. Một trong những nguyên nhân gây khó khăn cho nhận dạng
tín hiệu ECG là sự ảnh hưởng bởi quá trình chuyển động của người bệnh đặc biệt là các
hoạt động của quá trình hô hấp gây ra. Đã có nhiều nghiên cứu ở nước ngoài đề xuất loại
bỏ ảnh hưởng nhịp thở trong tín hiệu ECG [10, 17, 21, 49, 61, 76, 94, 96]. Tại Việt Nam
cũng đã có một số công trình như trong luận án của TS. Hoàng Mạnh Hà đề xuất các
phương pháp thích nghi trong lọc nhiễu tín hiệu ECG và luận án của TS. Vương Hoàng
Nam đề xuất phương pháp phân tích thành phần độc lập để loại bỏ nhiễu trong tín hiệu
ECG (tuy nhiên hai luận án này chưa đề cập đến ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu
ECG và giải pháp loại bỏ sự ảnh hưởng này). Trong luận án của TS. Chử Đức Hoàng đề
xuất thuật toán phân tích biến động khử khuynh hướng để phân tích chứng loại nhịp tim,
các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc phân tích có bệnh hay không có bệnh còn
trong luận án của TS. Phan Duy Hùng cũng như trong các công trình [72, 80] các tác giả đề

­1­


Mở đầu

xuất sử dụng một cảm biến gia tốc để đếm số nhịp thở đồng thời với quá trình thu thập tín
hiệu ECG để chẩn đoán chứng ngừng thở của người bệnh.
Vì vậy, đề xuất một giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG phù
hợp làm ảnh hưởng nhỏ đến đặc tính của tín hiệu ECG để nâng cao độ tin cậy và độ chính
xác kết quả nhận dạng tình trạng bệnh lý tim mạch của người bệnh hỗ trợ cho các bác sĩ
trong công tác chẩn đoán, xác định bệnh, điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh là rất cần
thiết.

2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án là tìm hiểu các ảnh hưởng của nhịp thở gây ra trong tín hiệu
ECG từ đó đề xuất và lựa chọn một giải pháp phù hợp loại bỏ các ảnh hưởng của nhịp thở
trong tín hiệu ECG. Trong trường hợp đo được tín hiệu nhịp thở đồng thời với tín hiệu
ECG luận án đề xuất sử dụng thêm các đặc tính từ thông tin nhịp thở để cải thiện chất
lượng nhận dạng tín hiệu ECG.
Tín hiệu ECG sau khi đã được loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở hoặc sử dụng thêm
các thông tin từ nhịp thở sẽ được đưa vào một số mô hình nhận dạng để kiểm chứng kết
quả so với trước khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở hoặc không sử dụng thông tin từ nhịp
thở. Luận án sẽ thử nghiệm nhận dạng với 4 kịch bản sau để so sánh:


Kịch bản 1 (là kịch bản cơ sở để so sánh): Nhận dạng tín hiệu ECG trước khi loại bỏ
ảnh hưởng của nhịp thở



Kịch bản 2: Nhận dạng tín hiệu ECG sau khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở (sử
dụng chung một bộ đặc tính và một mô hình nhận dạng với kịch bản 1)



Kịch bản 3: Nhận dạng tín hiệu ECG trước khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở
nhưng có sử dụng thêm các đặc tính từ các thông tin của nhịp thở



Kịch bản 4: Nhận dạng tín hiệu ECG sau khi loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở và có
sử dụng thêm các đặc tính từ các thông tin của nhịp thở

Các kết quả tính toán, phân tích và nhận dạng sẽ được thực hiện trên phần mềm
Matlab.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm:


Giải phẫu sinh lý học hệ tim mạch ­ hô hấp và sự ảnh hưởng của nhịp thở gây ra
trong tín hiệu ECG,



Các giải pháp được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG,

­2­

Mở đầu



Khả năng bổ sung các đặc tính từ nhịp thở để hỗ trợ nhận dạng tín hiệu ECG,

Với các đối tượng nghiên cứu đã đề xuất ở trên, luận án sẽ được thực hiện với phạm
vi nghiên cứu như sau:


Tìm hiểu và lựa chọn một số dạng ảnh hưởng của nhịp thở tới tín hiệu ECG để tìm
các giải pháp khắc phục các ảnh hưởng này,



Khảo sát và lựa chọn họ wavelet với bậc phù hợp để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở
gây ra trong tín hiệu ECG;



Khảo sát và lựa chọn một số đặc tính từ nhịp thở tức thời để bổ sung cho véc­tơ đặc
tính dùng trong nhận dạng tín hiệu ECG.



Tìm hiểu và sử dụng một mô hình nhận dạng chung và các cơ sở dữ liệu mẫu để so
sánh và kiểm chứng chất lượng khi áp dụng các giải pháp đề xuất trên,



Tìm hiểu và phát triển các giải pháp xử lý tín hiệu trong luận án trên mạch phần
cứng (để hướng tới tích hợp giải pháp trên thiết bị nhỏ gọn).

4. Phương pháp nghiên cứu


Phối hợp lý thuyết với các mô hình thử nghiệm theo chu trình kín (đề xuất lý thuyết
 triển khai các thử nghiệm để kiểm nghiệm  hiệu chỉnh lại mô hình lý thuyết
...)



Các mô hình được phát triển theo hướng khối hóa, phân tích hệ thống theo chu trình
từ tổng thể đến chi tiết.



Các giải pháp sẽ được đánh giá bằng thực nghiệm, trên cơ sở tính toán độ tin cậy và
độ cải thiện của các mô hình nhận dạng khi sử dụng các giải pháp đề xuất của luận
án so với không sử dụng đề xuất của luận án. Giải pháp được lựa chọn là giải pháp
có độ chính xác cao nhất khi kiểm tra với bộ số liệu mẫu mới, chưa được dùng khi
xây dựng mô hình.

5. Tiêu chí chọn dữ liệu và phương pháp đánh giá kết quả
Để đánh giá chất lượng của các giải pháp, luận án sẽ sử dụng các bộ số liệu mẫu đã
có sẵn, được xây dựng bởi các nhóm chuyên gia thế giới và đã được nhiều tác giả sử dụng
trong công trình nghiên cứu của họ. Cụ thể trong luận án này sẽ sử dụng 2 cơ sở dữ liệu
mẫu là cơ sở dữ liệu MIT­BIH và cơ sở dữ liệu MGH/MF được công bố tại địa chỉ
www.physionet.org. Các tín hiệu ECG trong hai cơ sở dữ liệu này đã được các bác sỹ khảo

sát và đánh dấu từng vị trí đỉnh R cho mỗi nhịp tim và phân loại từng nhịp tim trong đó.
Ngoài ra cơ sở dữ liệu MGH/MF còn có các tín hiệu nhịp thở đo đồng bộ với tín hiệu ECG
nên rất phù hợp với mục tiêu sử dụng trong luận án.

­3­


Mở đầu

Đối với mỗi mô hình nhận dạng, nghiên cứu sinh sẽ tạo một bộ mẫu đa dạng gồm
nhiều loại nhịp bệnh với số lượng phân bố tương đối đều (theo khả năng đáp ứng của cơ sở
dữ liệu) từ nhiều người bệnh khác nhau. Bộ mẫu đa dạng này sẽ giúp nâng cao khả năng
tổng quát hóa khi nhận dạng của các mô hình đã được huấn luyện.
Chất lượng của các giải pháp được đánh giá trên cơ sở so sánh trực tiếp về độ chính
xác của quá trình nhận dạng các mẫu trong các bộ số liệu đã được xây dựng với cùng một
mô hình nhận dạng và cùng một phương pháp trích chọn đối với các đặc tính dùng chung.
Luận án sẽ tạo nhiều kịch bản để so sánh kiểm chứng trên nhiều bộ số liệu khác nhau nhằm
nâng cao được độ tin cậy của các kết quả. Ngoài các so sánh sử dụng sai số tuyệt đối và sai
số tương đối giữa các trường hợp, nghiên cứu sinh còn sử dụng thêm các test thống kê cho
những trường hợp có chuỗi sai số cần đánh giá.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học


Đề xuất một giải pháp phù hợp sử dụng wavelet loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở
trong tín hiệu ECG với ảnh hưởng nhỏ hơn đến hình dạng và đặc tính tín hiệu ECG,



Đề xuất sử dụng hai đặc tính tức thời từ nhịp thở để bổ sung cho véc­tơ đặc tính của
tín hiệu ECG để cải thiện độ chính xác của quá trình nhận dạng,



Xây dựng nhiều kịch bản thử nghiệm để kiểm chứng chứng tỏ rằng khi loại bỏ ảnh
hưởng của nhịp thở hoặc khi sử dụng thêm các thông tin trực tuyến của nhịp thở thì
có thể cải thiện được chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG.

6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Bài toán nhận dạng tín hiệu ECG có ý nghĩa thực tiễn cao, chất lượng nhận dạng có
ảnh hưởng tới sức khỏe của người bệnh. Vì vậy đề xuất một giải pháp mới nhằm nâng cao
chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn, góp phần bổ
sung vào các giải pháp hỗ trợ cho quá trình chẩn đoán, xác định, điều trị và theo dõi bệnh
của bác sĩ tuyến cơ sở.

7. Những đóng góp của luận án


Đã khảo sát để đề xuất sử dụng họ wavelet phù hợp (cụ thể là wavelet họ Coiflets
bậc 4) trong phân tích thành phần xấp xỉ bậc 8 (còn gọi là thành phần A8) tương ứng
với dải tần số của nhịp thở làm cơ sở để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở khi phân
tích tín hiệu ECG.



Đã đề xuất sử dụng hai đặc tính từ nhịp thở là biên độ tức thời của nhịp thở tại đỉnh
R của nhịp tim và trung bình 10 chu kỳ cuối cùng của nhịp thở để cải thiện chất
lượng nhận dạng,
­4­

Mở đầu



Xây dựng các bộ số liệu phục vụ bài toán nhận dạng tín hiệu ECG có xét tới ảnh
hưởng của nhịp thở.



Xây dựng 4 kịch bản nhận dạng tín hiệu ECG để kiểm chứng mức độ ảnh hưởng của
thông tin từ nhịp thở tới chất lượng nhận dạng.



Kết quả kiểm chứng chất lượng nhận dạng:
 Việc loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG giúp cải thiện chất
lượng của nhận dạng tín hiệu ECG,
 Việc sử dụng thông tin trực tuyến từ nhịp thở cũng giúp cải thiện chất lượng
nhận dạng tín hiệu ECG.

8. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần Mở đầu, 4 chương chính, phần kết luận và danh mục các tài liệu
tham khảo cũng như các công trình đã công bố của luận án. Chi tiết của các phần gồm như
sau:
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu,
những đóng góp của luận án và bố cục của luận án
Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ tim mạch ­ hô hấp, một số ảnh hưởng của nhịp
thở trong tín hiệu ECG và một số giải pháp đã được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp

thở trong tín hiệu ECG. Từ đó đề xuất các định hướng nghiên cứu của luận án và mô tả
khái quát các cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án.
Chương 2: Trình bày tổng quan một số giải pháp sử dụng bộ lọc thông cao để loại bỏ
ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG, khảo sát mức độ ảnh hưởng đến hình dạng và
đặc tính tín hiệu ECG làm cơ sở đề xuất sử dụng phương pháp phân tích tín hiệu bằng biến
đổi wavelet để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Ngoài ra nội dung
chương này còn trình bày lý thuyết tổng quát về biến đổi wavelet, phân tích tín hiệu bằng
hàm Hermite và mạng nơ­ron logic mờ TSK.
Chương 3: Trình bày hai đề xuất của luận án là: 1. ứng dụng phép biến đổi wavelet
để loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở trong tín hiệu ECG như: trôi dạt đường cơ sở, điều chế biên
độ tín hiệu ECG, 2. sử dụng các đặc tính từ nhịp thở tức thời nhằm năng cao chất lượng
nhận dạng tín hiệu ECG. Đồng thời bước đầu tìm hiểu và xây dựng một giải pháp đo nhịp
thở với kích thước gọn nhẹ sử dụng cảm biến gia tốc MMA8451Q.
Chương 4: Trình bày phương pháp phân tích và trích chọn đặc tính tín hiệu ECG
bằng hàm phân tích tín hiệu chuẩn Hermite phục vụ bài toán nhận dạng tín hiệu ECG; Ứng
dụng mạng nơ­ron logic mờ TSK xây dựng mô hình nhận dạng tín hiệu ECG kiểm chứng
giải pháp đề xuất của luận án và Kết quả nhận dạng tín hiệu ECG.
Phần cuối cùng là kết luận và hướng phát triển, danh mục các tài liệu tham khảo
cũng như các công trình đã công bố của luận án.

­5­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP
THỞ TRONG TÍN HIỆU ECG
Chương này trình bày tổng quan về hệ tim mạch ­ hô hấp, một số ảnh hưởng của
nhịp thở trong tín hiệu ECG và một số giải pháp đã được sử dụng để loại bỏ ảnh hưởng của
nhịp thở trong tín hiệu ECG. Từ đó đề xuất các định hướng nghiên cứu của luận án và mô

tả khái quát các cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án.

1.1. Hệ tim mạch
1.1.1. Trái tim
Trong cơ thể con người, trái tim đóng vai trò trung tâm của hệ tim mạch. Tim nằm
trong lồng ngực giữa phổi phía sau xương ức, trên cơ hoành và hơi lệch sang trái.
Tim có cấu trúc giải phẫu như trên hình 1.1 [60, 87], tim gồm hai khối cơ rỗng, hình
tháp đáy ở trên và đỉnh ở dưới. Vách nhĩ – thất chia tim thành hai phần là: Tim trái và tim
phải.

Hình 1.1: Cấu trúc giải phẫu của tim

Tim phải chứa máu đỏ sẫm, nhiều Carbon dioxide. Tim trái chứa máu đỏ tươi, giàu
Oxygen và dưỡng chất. Mỗi bên được chia thành 2 ngăn, tâm nhĩ ở trên, tâm thất ở dưới.
Để kiểm soát dòng chảy của máu, trong tim tồn tại bốn van: Van hai lá, van ba lá, van
động mạch chủ và van động mạch phổi. Giữa tâm nhĩ trái và tâm thất trái là van hai lá,
giữa tâm nhĩ phải và tâm thất phải là van ba lá, van động mạch phổi nằm giữa tâm thất phải
và động mạch phổi, van động mạch chủ nằm trong dòng chảy của tâm nhĩ phải. Giữa các
động mạch và các tâm thất có van tổ chim ngăn không cho máu chảy ngược về tim.
­6­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

Thành tim được hình thành từ các cơ tim (cơ nhĩ, cơ thất và những sợi cơ có tính
kích thích, dẫn truyền đặc biệt), cơ tim chịu trách nhiệm về các hoạt động cơ học của tim
(quá trình bơm máu). Quá trình co bóp của tim dẫn đến hình thành các xung điện, các xung
điện này được gọi là điện thế hoạt động của tim và tạo nên các dạng sóng tín hiệu và khi
xếp chồng các dạng sóng tín hiệu này ta thu được tín hiệu ECG như hình 1.4.
1.1.2. Hệ thống dẫn truyền của tim

1.1.2.1. Quá trình điện học của tim [4, 5]
Quá trình điện học của tim là do sự biến đổi hiệu điện thế giữa mặt trong và mặt
ngoài màng tế bào cơ tim. Sự biến đổi hiệu điện thế này bắt nguồn từ sự di chuyển của các
ion K  , Na  , … từ ngoài vào trong tế bào và từ trong tế bào ra ngoài khi tế bào cơ tim
hoạt động.
Khi tế bào bắt đầu hoạt động (bị kích thích) điện thế mặt ngoài màng tế bào sẽ trở
thành âm tính tương đối (bị khử mất cực dương) so với mặt trong, được gọi đó là hiện
tượng khử cực (depolarization).
Sau đó, tế bào dần dần lập lại thế thăng bằng ion lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở lại
dương tính tương đối (tái lập cực dương), được gọi đó là hiện tượng tái cực
(repolarization).
1.1.2.2. Quá trình hình thành tín hiệu ECG
Cơ tim có cấu tạo đặc biệt gồm những thớ cơ vân đan chằng chịt với nhau và chúng
co bóp khi bị kích thích. Bên cạnh các sợi co bóp, còn có các sợi cơ đặc biệt có nhiệm vụ
tạo ra và dẫn truyền xung điện đến các sợi cơ của tim.

Hình 1.2: Hệ thống dẫn truyền của tim

Tim hoạt động được là nhờ một xung điện truyền qua hệ thống thần kinh tự trị của
tim. Xung điện được bắt đầu từ một hạch ­ gọi là nút xoang nhĩ (SA ­ sinoatrial) ­ gồm các
tế bào có khả năng tự tạo xung điện (Electric Impulse). Xung điện này truyền ra các cơ
chung quanh làm co bóp hai tâm nhĩ (tạo nên sóng P). Sau đó dòng điện tiếp tục truyền
theo 1 chuỗi tế bào đặc biệt tới một hạch khác gọi là nút nhĩ thất (AV ­ Atrioventricular)
­7­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

nằm gần khu tiếp giáp giữa các tâm thất rồi theo chuỗi tế bào sợi Purkinje chạy dọc theo
vách chia hai tâm thất lan vào các cơ chung quanh làm hai tâm thất co bóp (tạo nên phức

bộ QRS). Sau đó xung điện giảm đi, tâm thất dãn ra (tạo nên sóng T) [60]. Để thu được tín
hiệu ECG, người ta đặt các điện cực của máy ghi ECG lên cơ thể. Tùy theo vị trí đặt các
điện cực mà hình dáng của tín hiệu ECG sẽ khác nhau.

Hình 1.3: Mẫu các dạng sóng khác nhau hình thành nên tín hiệu ECG

1.1.3. Tín hiệu ECG
Tín hiệu ECG đại diện cho một số sự kiện điện trong tim, chẳng hạn như tâm nhĩ khử
cực, tâm nhĩ tái phân cực, tâm thất khử cực, tâm thất tái phân cực… Một tín hiệu ECG
bình thường gồm các điểm và đoạn đặc trưng như hình 1.4 [60, 93]. Tín hiệu ECG là thông
tin quan trọng trong chẩn đoán và theo dõi lâm sàng [10, 11, 66, 84, 86, 103].

Hình 1.4: Mẫu tín hiệu ECG và các điểm đặc trưng chính

­8­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG



Sóng P: đại diện cho làn sóng khử cực lan truyền từ nút xoang sang tâm nhĩ, độ dài
của sóng P thường từ 80ms đến 100ms.



Khoảng PR: là khoảng thời gian cần thiết để xung điện đi từ nút xoang qua nút nhĩ
thất (AV) vào các tâm thất, độ dài khoảng PR thường từ 120ms đến 200ms.



Phức bộ QRS: là quá trình khử cực tâm thất, độ dài của phức bộ QRS bình thường là
từ 80ms đến 100ms.



Sóng Q: đại diện quá trình khử cực từ trái sang phải của vách ngăn liên tâm thất.



Sóng R: đại diện quá trình khử cực sớm của tâm thất.



Sóng S: đại diện quá trình khử cực muộn của tâm thất.



Đoạn ST: là thời điểm tâm thất được khử cực hoàn toàn và đoạn này có điện thế
trùng với đường đẳng điện.



Khoảng QT: là thời gian xảy ra cả hai quá trình khử cực và tái cực tâm nhĩ, khoảng
thời gian này có thể dao động từ 200ms đến 400ms tùy thuộc vào nhịp tim.



Sóng T: đại diện tái cực thất và thời gian kéo dài hơn so với quá trình khử cực.

1.1.4. Các chuyển đạo ECG
Cơ thể con người là một chất dẫn điện tốt, do đó hoạt động điện của tim có thể thu
được bằng cách sử dụng các cặp điện cực gắn trên bề mặt cơ thể. Các điện cực ghi lại hình
chiếu véctơ tổng hợp của các xung điện trong tim. Vị trí các điện cực khác nhau sẽ thu
được hình dáng của tín hiệu ECG khác nhau. Một cặp điện cực được gọi là một chuyển
đạo, hệ thống các chuyển đạo được sử dụng phổ biến nhất là hệ thống 12 chuyển đạo tiêu
chuẩn được xác định bởi Einthoven [24, 28].
Ba chuyển đạo lưỡng cực các chi (I, II, III) như hình 1.5 là các điện cực được đặt
theo hình tam giác (cánh tay trái, cánh tay phải và chân trái) với tim ở trung tâm. Sự bố trí
này được gọi là tam giác của Eithoven.

Hình 1.5: Ba chuyển đạo I, II, III bố trí theo tam giác Eithoven

­9­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

Ba chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường (aVF, aVL, aVF) như hình 1.6 là các điện
cực cũng có cùng vị trí như trong trường hợp của các chuyển đạo I, II và III. Sự khác biệt
là cặp điện cực của các chuyển đạo là điện thế của một đỉnh tam giác và trung bình của hai
đỉnh còn lại.

Hình 1.6: Ba chuyển đạo đơn cực các chi tăng cường (aVF, aVL, aVF)

Sáu chuyển đạo đơn cực trước tim được ký hiệu từ V1 đến V6 như hình 1.7 là các
chuyển đạo được định nghĩa là sự khác biệt giữa điện thế của điện cực đặt trên ngực với
điện cực trung tâm Wilson có điện thế bằng 0.

Hình 1.7: Sáu chuyển đạo trước tim (V1, V2, V3, V4, V5, V6)

Trong luận án sử dụng các mẫu tín hiệu ECG từ các cơ sở dữ liệu chuẩn đã được các
trung tâm nghiên cứu quốc tế đo và thu thập từ các bệnh nhân thực tế. Tuy nhiên các cơ sở
dữ liệu cũng không thu thập đủ 12 đường chuyển đạo mà chỉ có từ 1 đến 3 chuyển đạo (tùy
theo lựa chọn của người đo và của từng bệnh nhân cụ thể).

1.2. Hệ hô hấp
Phổi đóng vai trò trung tâm của hệ hô hấp, phổi đảm bảo việc hấp thụ Oxygen loại
bỏ Carbon dioxide trong các tế bào máu. Oxygen được vận chuyển từ phổi đến các tế bào
trong cơ thể thông qua các mạch máu. Hệ hô hấp thực hiện điều này thông qua hơi thở. Khi

­ 10 ­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

chúng ta hít thở làm thay đổi thể tích và áp suất trong lồng ngực và trong phế nang tạo
dòng khí từ ngoài vào trong phế nang và từ phế nang ra ngoài.

1.2.1. Cấu trúc của phổi
Phổi gồm có hai buồng phổi nằm trong lồng ngực được bao bọc bởi các xương sườn,
phía dưới là cơ hoành. Giữa hai buồng phổi là khí quản (1). Khí quản phân ra hai nhánh
phế quản chính (2) và (3).

Hình 1.8: Cấu trúc giải phẫu của phổi [106]

Buồng phổi bên trái có 2 thùy (trái­trên (5a), trái­dưới (5b)), bên phải có 3 thùy
(phải­trên (4a), phải­giữa (4b) và phải­dưới (4c)). Mỗi buồng phổi có một phế quản chính,
một động mạch (8) và hai tĩnh mạch – những ống dẫn này chia như nhánh cây chi chít từ
lớn ở giữa ngực (trung thất) đến cực nhỏ phía ngoài cùng của buồng phổi – kèm theo là các

dây thần kinh và mạch bạch huyết.
Với các cấu trúc như đã trình bày ở trên, trong quá trình hô hấp (được mô tả ở phần
tiếp theo), các chuyển động của lồng ngực sẽ làm thay đổi điều kiện và môi trường đo tín
hiệu ECG dẫn tới gây ra các ảnh hưởng trong tín hiệu ECG thu thập được.
1.2.2. Các động tác của hệ hô hấp
Hệ hô hấp có hai động tác chính là động tác hít vào và động tác thở ra. Động tác hít
vào được thực hiện do các cơ hít vào co lại làm tăng kích thước của lồng ngực theo cả ba
chiều: Chiều thẳng đứng, chiều trước sau và chiều ngang. Khi kích thước lồng ngực tăng
lên, phổi được kéo giãn ra làm áp suất không khí ở phế nang thấp hơn áp suất ở khí quyển
và không khí từ ngoài tràn vào phổi. Cuối chu kỳ hít vào, các cơ hít vào giãn ra và động tác
thở ra được bắt đầu. Quá trình thở ra làm các xương sườn hạ xuống, cơ hoành lồi lên phía
lồng ngực, thể tích của lồng ngực giảm đi, phổi co lại làm áp suất trong phế nang cao hơn
áp suất khí quyển nên không khí từ phổi đi ra ngoài.

­ 11 ­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

Hình 1.9: Các động tác của quá trình hô hấp

Quá trình hít vào – thở ra đã làm thay đổi thể tích lồng ngực dẫn đến làm thay đổi trở
kháng tiếp xúc giữa điện cực với bề mặt cơ thể và thay đổi góc của vectơ tim so với vectơ
tham chiếu gây ra các ảnh hưởng trong tín hiệu ECG đưa về mạch thu thập.

1.3. Một số ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG
Phổi và tim được kết nối bởi các mạch máu để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận trong
cơ thể nhận được lượng Oxygen và dưỡng chất cần thiết. Phổi lần lượt đóng một vai trò
chủ đạo trong việc hấp thụ Oxygen và giải phóng Carbon dioxide, các cơn co thắt của tim
giúp lưu thông máu khắp cơ thể. Vì vậy dễ dàng nhận thấy rằng nhịp thở có ảnh hưởng tới

các đặc tính của tín hiệu ECG và sự ảnh hưởng này được phân tích lần đầu tiên bởi hệ
thống Einthoven [25]. Các nghiên cứu của [70, 94] cũng đã chỉ ra rằng các hoạt động hô
hấp dẫn đến sự thay đổi véctơ trục điện tim [94]. Mặt khác khi ta hít thở làm cho thể tích
của lồng ngực thay đổi dẫn đến làm thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa bề mặt da của cơ thể
với điện cực thu thập tín hiệu ECG [49] làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ECG đưa
về mạch thu thập [35, 39, 63] dẫn đến làm thay đổi các thông tin lâm sàng trong việc chẩn
đoán, xác định bệnh, điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh [39, 52]. Xét về mặt tín hiệu
thì nhịp thở có dải tần từ [0,05 ÷1]Hz tương ứng với vùng tần số thấp của tín hiệu ECG
làm thay đổi chu kỳ R­R, sóng P và sóng T trong tín hiệu ECG và gây ra ba ảnh hưởng
trong tín hiệu ECG đó là rối loạn nhịp tim, điều chế biên độ tín hiệu ECG và trôi dạt đường
cơ sở.
1.3.1. Rối loạn nhịp tim
Rối loạn nhịp tim là hiện tượng khoảng thời gian (chu kỳ) R­R của tín hiệu ECG bị
thay đổi theo nhịp thở [17, 21, 23, 29, 38, 40, 47, 56, 75], cụ thể là khoảng R­R rút ngắn
trong thời gian hít vào và kéo dài trong thời gian thở ra như trên hình 1.10.
Mặt khác đối với bài toán nhận dạng tín hiệu ECG khoảng R­R của tín hiệu ECG là
một đặc tính quan trọng [57, 68, 73, 74, 98] nên việc chu kỳ R­R thay đổi sẽ làm ảnh
hưởng tiêu cực tới chất lượng của quá trình nhận dạng tín hiệu ECG.
­ 12 ­


Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG

Hình 1.10: Tín hiệu ECG có khoảng R­R thay đổi và tín hiệu nhịp thở

1.3.2. Điều chế biên độ tín hiệu ECG
Điều chế biên độ tín hiệu ECG là một hiện tượng mà biên độ đỉnh R của tín hiệu
ECG bị điều chế theo nhịp thở [49, 70, 94] như trên hình 1.11. Trong quá trình hít vào, cơ
hoành dịch chuyển xuống dưới không khí được điền đầy vào trong phổi làm đỉnh tim được
kéo dài về phía bụng, quá trình thở ra, nhờ chuyển động lên của cơ hoành khí được đẩy hết

ra khỏi phổi nên đỉnh của tim dịch chuyển về phía ngực [20]. Vì vậy quá trình hít thở đã
làm thay đổi thể tích của lồng ngực dẫn đến sự thay đổi trở kháng của lồng ngực [49] và
thay đổi góc của vectơ tim so với vectơ tham chiếu [94].

Hình 1.11: Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và tín hiệu nhịp thở

Đối với bài toán nhận dạng tín hiệu ECG, biên độ đỉnh R cũng là một đặc tính quan
trọng của nhận dạng tín hiệu ECG [57, 68, 73, 74, 93, 98] nên việc điều chế đỉnh R của tín
hiệu ECG cũng làm ảnh hưởng xấu tới kết quả nhận dạng.
1.3.3. Trôi dạt đường cơ sở
Quá trình hít thở làm co dãn trên bề mặt cơ thể dẫn đến trở kháng tiếp xúc giữa các
điện cực và bề mặt cơ thể bị thay đổi gây ra trôi dạt đường cơ sở trong tín hiệu ECG [10,
28, 36, 58, 61, 64, 69, 97, 103] được ví dụ như trên hình 1.12. Trôi dạt đường cơ sở làm
thay đổi biên độ đỉnh R của tín hiệu ECG. Vì vậy việc điều chế này cũng làm ảnh hưởng
xấu tới kết quả nhận dạng tín hiệu ECG.
­ 13 ­