Nhận dạng tự động cụm tín hiệu QRS trong hệ thống điện tâm đồ gắng sức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Văn Mạnh NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Hồng Văn Mạnh NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Mạnh Thắng Hà Nội – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2022 NCS Hoàng Văn Mạnh ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn tận tình giúp đỡ trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn thầy cô giáo, nhà khoa học có góp ý quý báu cho nghiên cứu sinh trình thực luận án Cuối cùng, nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn tới đồng nghiệp, gia đình, bạn bè động viên, chia sẻ, ủng hộ giúp đỡ nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt kết nghiên cứu luận án NCS Hoàng Văn Mạnh iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Điện tâm đồ 1.1.1 Hoạt động điện tim 1.1.2 Mơ tả tín hiệu điện tâm đồ 1.2 Điện tâm đồ gắng sức 1.3 Một số phương pháp tự động nhận dạng QRS trích 1.1 xuất thành phần tín hiệu ECG điển hình 11 1.4 1.3.1 Phương pháp lấy ngưỡng miền thời gian 12 1.3.2 Phương pháp phân tích phổ 15 1.3.3 Phân tích thành phần 16 Cơ sở liệu ECG 17 1.4.1 Cơ sở liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH 17 1.4.2 Cơ sở liệu đa chuyển đạo CSE 19 1.4.3 Cơ sở liệu PTB 20 1.4.4 Cơ sở liệu điện tâm đồ gắng sức GUDB 21 1.5 Những vấn đề cịn tồn giải pháp cơng nghệ 23 1.6 Kết luận Chương 25 CHƯƠNG LỌC NHIỄU TÍN HIỆU 26 iv 2.1 Giới thiệu 26 2.1.1 Nhiễu lưới điện 26 2.1.2 Nhiễu trôi đường sở 27 2.1.3 Nhiễu điện 28 2.1.4 Nhiễu dịch chuyển điện cực 29 2.2 Thuật toán lọc EDNSS 30 2.3 Thuật toán lọc EDNSS sửa đổi 32 2.4 Kết thảo luận 33 2.5 2.4.1 Các tham số đánh giá kết 33 2.4.2 Thử nghiệm với sở liệu mô 34 2.4.3 Thử nghiệm với sở liệu điện tâm đồ gắng sức 38 Kết luận Chương 45 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH PHỨC BỘ QRS 3.1 46 Quy trình xác định vị trí phức QRS 46 3.1.1 Giai đoạn tiền xử lý 48 3.1.2 Giai đoạn xác định đỉnh ứng viên cho phức QRS 3.1.3 Giai đoạn loại bỏ đỉnh phức QRS 57 52 3.2 Xử lý vấn đề liên quan tới QRS đầu cuối 59 3.3 Nhận dạng phức QRS hệ thống tín hiệu ECG đa chuyển đạo 62 3.4 3.5 Kết thảo luận 64 3.4.1 Các tham số đánh giá hiệu suất thuật toán 64 3.4.2 Thử nghiệm sở liệu ECG nghỉ MIT-BIH 65 3.4.3 Thử nghiệm sở liệu ECG gắng sức GUDB 70 3.4.4 Thử nghiệm sở liệu ECG đa chuyển đạo 82 Kết luận Chương 87 CHƯƠNG ĐO CÁC SÓNG THÀNH PHẦN 4.1 89 Biến đổi Hilbert 89 v 4.2 4.3 Nguyên lý xác định thành phần sóng ECG 91 4.2.1 Xác định thời điểm bắt đầu kết thúc phức QRS 93 4.2.2 Xác định thời điểm bắt đầu kết thúc sóng P 94 4.2.3 Xác định thời điểm kết thúc sóng T 96 Đo sóng thành phần hệ thống tín hiệu ECG đa chuyển đạo 98 4.4 4.5 Kết thảo luận 99 4.4.1 Một số ví dụ phân tích sóng thành phần tín hiệu ECG 99 4.4.2 Đánh giá kết 105 Kết luận Chương 110 KẾT LUẬN 111 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC P1 A.1 Mã nguồn xác định vị trí phức QRS P1 A.2 Mã nguồn xác định điểm quan trọng P3 A.3 Mã nguồn thực phép phân tích nhóm P9 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ECG Electrocardiogram Điện tâm đồ SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu SVM Support Vector Machine Máy vectơ hỗ trợ CWT Continuous Wavelet Transform Biến đổi wavelet liên tục DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc EMD Empirical Mode Decomposition Phân tích dạng kinh nghiệm IMFs Intrinsic Mode Functions Hàm dạng HHT Hilbert-Huang Transform Biến đổi Hilbert-Huang PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần CSE Common Standards for Tiêu chuẩn định lượng ECG Quantitative Electrocardiography EMG Electromyography Điện EDNSS Error-Data Normalized Step-Size Biến thể lọc LMS EMSEss Steady State Excess Mean Square Error Sai số bình phương trung bình vượt trạng thái ổn định vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Dạng sóng thời lượng điện hoạt động vùng khác tim chu kỳ tim liên quan điện tâm đồ [47] Hình 1.2 Vị trí đặt điện cực hệ thống ECG 12 chuyển đạo [40] Hình 1.3 Dạng sóng ECG người khỏe mạnh [78] Hình 1.4 Phổ cơng suất sóng P, phức QRS sóng T [78] Hình 1.5 Đáp ứng điện tâm đồ trình kiểm tra gắng sức: a) người khỏe mạnh; b) người mắc chứng bệnh thiếu máu cục tim [78] 11 Hình 1.6 Cấu trúc chung cho dị phức QRS [39] 12 Hình 1.7 Lắp đặt thiết bị tín hiệu ECG đo [33] 23 Hình 2.1 Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu lưới điện 60 Hz phổ công suất 27 Hình 2.2 a) Tín hiệu ECG bị nhiễm nhiễu trôi đường sở chuyển động thể đột ngột b) Ảnh cận cảnh theo thời gian đoạn liệu đóng khung hình a) [78] 28 Hình 2.3 Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu điện 29 Hình 2.4 Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu dịch chuyển điện cực gây 30 Hình 2.5 Bộ lọc nhiễu thích nghi sử dụng thuật tốn EDNSS [72] 31 Hình 2.6 So sánh giá trị M hai thuật toán 36 Hình 2.7 So sánh giá trị EMSEss hai thuật toán 36 Hình 2.8 Kết lọc thuật toán với nhiễu 6dB: a) ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) ECG nhiễm nhiễu, d) đầu EDNSS, e) đầu MEDNSS, f) giá trị EMSE EDNSS g) giá trị EMSE MEDNSS 38 viii Hình 2.9 Kết lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc ghi GUDB_HB_25: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, d) MEDNSS 39 Hình 2.10 Kết lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc ghi GUDB_HB_25: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, d) MEDNSS 39 Hình 2.11 Kết lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc ghi GUDB_WK_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, d) MEDNSS 40 Hình 2.12 Kết lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc ghi GUDB_WK_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, d) MEDNSS 40 Hình 2.13 Kết lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc ghi GUDB_JG_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, d) MEDNSS 41 Hình 2.14 Kết lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc ghi GUDB_JG_23: a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, d) MEDNSS 41 Hình 2.15 So sánh giá trị EMSEss hai lọc thử nghiệm với: a) tín hiệu Chest Strap b) tín hiệu Einthoven II 43 Hình 2.16 So sánh giá trị M hai lọc thử nghiệm với: a) tín hiệu Chest Strap b) tín hiệu Einthoven II 44 Hình 2.17 So sánh giá trị EMSEss thử nghiệm lọc MEDNSS tín hiệu Chest Strap Einthoven II 45 Hình 3.1 Quy trình nhận dạng vị trí phức QRS 47 Hình 3.2 Các phép chuyển đổi lượng [68] 50 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Văn Mạnh NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101.01 LUẬN ÁN... lượng tín hiệu ECG gắng sức • Đề xuất phương án tự động nhận dạng phức QRS hệ thống tín hiệu ECG theo cách tiếp cận Tiến hành thử nghiệm đánh giá hiệu suất phương án đề xuất sở liệu ECG gắng sức. .. QRS sóng T [78] 1.2 Điện tâm đồ gắng sức Nghiệm pháp gắng sức điện tâm đồ sử dụng với mục đích “ép buộc” hệ thống tim mạch hoạt động cường độ cao để kích thích triệu chứng hay thay đổi dạng tín