(Luận văn thạc sĩ) 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




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




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




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




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




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




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




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




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




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




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




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

d ( n )  s( n )  n ( n )

ADC

x ( n)
ADC

y ( n)

Denoised signal

d (n)  y (n)  ~

s (n)

 


DAC

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




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




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

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




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




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




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




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




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




12

ghép nối bao gồm mạch vào/ra, mạch chuyển đổi A/D, D/A (nếu cần). Phần
mềm có thể được viết phần lớn bằng ngôn ngữ bậc cao, phần còn lại được viết
bằng ngôn ngữ máy.
Dòng điện hoạt động của tim là tín hiệu một chiều rất nhỏ biến thiên chậm nên
rất dễ bị ảnh hưởng của các nguyên nhân tác động của bên ngoài như điện lưới
công cộng, các thiết bị điện khác đặt bên cạnh hoặc các nguồn cảm ứng bên
ngoài...Mặt khác nó cũng dễ bị tác động của các dòng điện phát sinh từ các cơ
quan khác như cơ và da bệnh nhân. Nếu việc gắn điện cực lên bệnh nhân không
tiếp xúc tốt thì tín hiệu cũng dễ bị sai lệch.
Khi có các nguồn nhiễu ở bên ngoài tác động lên các điện cực và sẽ được qua
mạch khuyếch đại lên cùng với tín hiệu điện tim. Các tín hiệu nhiễu này như là
các tín hiệu đồng pha, vì vậy máy điện tim cần có khả năng chống nhiễu tốt,
đặc biệt là nhiễu đồng pha.
Vì tín hiệu điện tim là tín hiệu một chiều biến thiên chậm, nên việc ghép giữa
nguồn tín hiệu đầu vào và mạch khuyếch đại, giữa các tầng khuyếch đại sẽ
không thể ghép điện dung và ghép điện cảm mà phải dùng ghép trực tiếp.
Nhưng khi ghép trực tiếp, do không có thành phần cách ly một chiều nên khi

có sự thay đổi nào đó như thay đổi về chế độ một chiều, sự thay đổi của nhiệt
độ sẽ làm cho tham số của linh kiện thay đổi... sự thay đổi này cũng sẽ được
đưa đến đầu ra của máy.
Sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của tín hiệu khi tín hiệu vào không thay đổi
gọi là hiện tượng trôi, hiện tượng trôi do nhiều nguyên nhân gây ra như nhiệt
độ nguồn bức xạ bên ngoài tác động vào các linh kiện...
Từ các đặc điểm trên máy điện tim phải có các khả năng sau:
- Vì tín hiệu nhỏ nên máy phải có hệ số khuyếch đại lớn.
- Trở kháng vào lớn để việc phối hợp trở kháng giữa đầu vào mạch
khuyếch đại với nguồn tín hiệu để lấy ra điện áp đủ lớn cấp cho bộ khuyếch đại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




13

làm việcvà thu tín hiệu mà không bị ảnh hưởng của sự thay đổi bên ngoài như
do các bệnh nhân khác nhau, do tiếp xúc của các điện cực.
- Độ méo của các thiết bị phải nhỏ, để tín hiệu thu được chính xác phục
vụ cho việc chuẩn đoán bệnh.
- Khả năng chống nhiễu tốt ,đặc biệt là nhiễu đồng pha.
- Có độ ổn định cao và lọc nhiễu tốt để phản ánh trung thực tín hiệu điện
tim.
- Có độ cách điện tốt để đẩm bảo an toàn điện cho cả người và máy.
d. Ứng dụng của điện tâm đồ
Điện tâm đồ được sử dụng trong nhiều trường hợp y học:
- Chẩn đoán nhồi máu cơ tim khi cơ tim bị thiếu máu và dưỡng khí, khả
năng chuyển điện của cơ sẽ thay đổi. Sự thay đổi này có thể ghi nhận được trên
điện tâm đồ.

- Chẩn đoán và theo dõi rối loạn nhịp tim nhịp tim đập do một hệ thống
điện rất tinh vi điều khiển. Khi có rối loạn trong các đường dẫn điện, hệ thống
thay đổi làm loạn nhịp.
- Chẩn đoán các chứng tim lớn khi tim lớn vì cơ tim dày lên hay mỏng
đi và dòng điện đi qua sẽ thay đổi theo.
- Chẩn đoán một số thay đổi sinh hóa máu vì điện tim là do sự di chuyển
của các ion như natri, kali, calcium... Khi có thay đổi lớn trong nồng độ các
chất này, điện tâm đồ có khả năng thay đổi.
- Chẩn đoán một số ngộ độc thuốc digoxin làm thay đổi đoạn ST của
mọi cực. Thuốc chống trầm cảm 3 vòng làm dài đoạn QT.
1.2.3. Tín hiệu âm thanh tiếng tim
Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức
vụ bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch và đem dưỡng khí và các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




14

chất dinh dưỡng đến toàn bộ cơ thể, hút máu từ tĩnh mạch về tim sau đó đẩy
máu đến phổi để trao đổi khí CO2 lấy khí O2.
Hoạt động của tim gồm nhiều giai đoạn lặp đi lặp lại một cách đều đặn,
nhịp nhàng, theo một trình tự nhất định, tạo nên chu kỳ hoạt động của tim, hay
còn gọi là chu chuyển tim. Mỗi chu chuyển tim dài khoảng 0.8 giây, gồm 3 giai
đoạn chính là tâm nhĩ thu, tâm thất thu và tâm trương toàn bộ.
Âm thanh tiếng tim là tiếng ồn tạo ra bởi nhịp đập của trái tim và dòng
kết quả của máu thông qua nó. Cụ thể, những âm thanh phản ánh những biến
động tạo ra khi các van tim đóng mở. Các rung động của cơ tim cũng góp phần

vào âm thanh trái tim đến một mức độ lớn.
Ở người lớn khỏe mạnh, có hai tiếng tim bình thường xảy ra liên tục với
mỗi nhịp đập của tim. Đó là những âm thanh đầu tiên (S1) và âm thanh thứ hai
(S2), được tạo ra bởi sự đóng của van nhĩ thất và van tổ chim. Ngoài những âm
thanh bình thường, một loạt các âm thanh khác có thể có mặt trong đó như tiếng
tim thứ 3 (S3) và tiếng tim thứ 4 (S4).

Hình 1.5. Dạng sóng điển hình của âm thanh tiếng tim
Âm thanh tim bình thường được kết hợp với van tim đóng cửa, gây ra
những thay đổi trong lưu lượng máu. Bình thường trong một chu chuyển tim ta
nghe rõ 2 tiếng, tiếng thứ nhất trầm dài, tiếng thứ 2 thanh gọn. Hết tiếng thứ
nhất đến tiếng thứ 2 có 1 khoảng nghỉ ngắn và tiếng thứ 2 tới tiếng thứ nhất của
chu chuyển tiếp theo có 1 khoảng nghỉ dài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




15

Tiếng S1và S2 được tạo rado sự đóng các lá van (van nhĩ thất và van bán
nguyệt) và sự rung động của các thành phần của cấu trúc buồng tim cụ thể là
các thành phần có tính chất chất đàn hồi, phân căng của các lá van ngay sau khi
đóng, cùng với sự rung các thành cơ tim lân cận và các mạch máu lớn xung
quanh.

Hình 1.6. Tiếng tim S1 và S2
Tiếng S1 là tiếng tim đầu tiên, âm thanh nghe trầm và dài. Khi tâm thất bắt
đầu co bóp thì nó sẽ gây ra một áp lực vào tâm máu. Quá trình này sẽ đẩy vào các
lá van nhĩ thất và làm đóng chúng. Nó sẽ đẩy lồi các bề mặt van vào buồng tâm

nhĩ. Tuy nhiên sự đẩy lồi này không thể diễn ra quá giới hạn do chức năng hoạt
động của các cơ nhú. Cơ nhú đóng vai trò giữ các lá van ổn định và tới một giới
hạn dòng máu sẽ bị dội ngược lại. Và trong quá trình dội đó sẽ làm rung các thành
phần có khả năng đàn hồi và các thành phần của các van của buồng cơ tâm thất.
Các âm thanh này truyền qua lồng ngực tới tai nghe.
Tiếng S2 được tạo ra do sự đột ngột đảo chiều dòng chảy của máu do
đóng các van bán nguyệt (van động mạch chủ và van động mạch phổi) vào cuối
kì tâm thu và đầu kì tâm trương. Khi tâm thất giãn, áp lực của nó giảm xuống
dưới áp lực trong động mạch chủ. Lưu lượng máu động mạch chủ đảo ngược
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




16

một cách nhanh chóng trở lại về phía tâm thất trái và bị chặn lại bởi van động
mạch chủ đóng. Tương tự như vậy, khi áp lực trong tâm thất phải giảm xuống
dưới áp suất trong động mạch phổi, van động mạch phổi đóng. Khi máu dội
ngược lại vào thành của các lá van và thành của mạch máu gây ra sự rung động.
Âm thanh S2 vang trong máu liên quan với khối đột ngột của dòng chảy đảo
chiều. Do sức đàn hồi của các lá van này tốt hơn nên tiếng S2 nghe được thanh
hơn.
Tiếng S3 được sinh ra do sự rung động buồng tâm thất do đóng máu ở
cuối thì đẩy thất thanh. Tiếng S3 có thể là một âm thanh bình thường xảy ra ở
trẻ em hoặc thiếu niên. Ở đây, S3 đại diện cho sự hiện diện của một tâm thất
dẻo dai, có khả năng mở rộng nhanh chóng bình thường. Ở người lớn tuổi, tiếng
S3 thường chỉ ra khối lượng quá tải gây ra suy tim sung huyết hoặc bệnh van
tim.

Hình 1.7. Tiếng tim có thêm S3
Tiếng S4 do sự rung động của buồng tâm thất gây ra bởi sự tống máu
xuất hiện khi tâm nhĩ co. Nó có thể được nghe thấy vào cuối tâm trương. Nói
cách khác, âm thanh này là sản phẩm của tâm nhĩ mạnh kết hợp đồng thời với

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN