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

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: Nh

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 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113839101000000 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 tự động hóa Mã số : 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH TRẦN HỒI LINH Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi dựa hướng dẫn PGS.TSKH Trần Hồi Linh tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực chưa khác cơng bố cơng trình khác Hà nội, ngày Người hướng dẫn khoa học tháng năm 2016 Nghiên cứu sinh PGS.TSKH Trần Hoài Linh Nguyễn Đức Thảo i LỜI CẢM ƠN Luận án hồn thành Bộ mơn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp  Viện Điện  Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn PGS.TSKH.Trần Hồi Linh Tác giả xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TSKH.Trần Hoài Linh tận tình hướng dẫn học thuật, kiến thức kinh nghiệm trình thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS.Phạm Thị Ngọc Yến, PGS.TS.Nguyễn Quốc Cường Hội đồng Khoa học Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp  Viện Điện  Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có ý kiến đóng góp quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp  Viện Điện  Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồng nghiệp khoa Điện tử  Tin học  Trường Đại học Sao Đỏ gia đình ln động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả q trình hồn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ, Ban Giám hiệu Viện Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt mặt để tác giả hoàn thành luận án 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 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Tiêu chí chọn liệu phương pháp đánh giá kết Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những đóng góp luận án Bố cục luận án .5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ TRONG TÍN HIỆU ECG 1.1 Hệ tim mạch 1.2 Hệ hô hấp 11 1.3 Một số ảnh hưởng nhịp thở tín hiệu ECG .12 1.3.1 Rối loạn nhịp tim 13 1.3.2 Điều chế biên độ tín hiệu ECG 13 1.3.3 Trôi dạt đường sở 14 1.4 Một số phương pháp loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở tín hiệu ECG 14 1.5 Định hướng luận án 15 1.5.1 Kịch (Kịch sở để so sánh) 18 1.5.2 Kịch .18 1.5.3 Kịch .19 1.5.4 Kịch .19  iii  Mục lục 1.6 Các sở liệu sử dụng luận án 19 1.7 Kết luận chương 22 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỊP THỞ VÀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG 24 2.1 Tổng quan số phương pháp sử dụng lọc số 24 2.2 Wavelet ứng dụng wavelet phân tích tín hiệu 28 2.3 Hàm Hermite ứng dụng phân tích tín hiệu 31 2.4 Mạng nơron logic mờ TSK 32 2.5 Kết luận chương 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 nhịp thở tín hiệu ECG 39 3.2 Sử dụng đặc tính từ nhịp thở tức thời nhằm cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG .43 3.3 Thu thập tín hiệu nhịp thở .44 3.4 Kết luận chương 50 CHƯƠNG IV: TRÍCH CHỌN ĐẶC TRƯNG VÀ NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG BẰNG MẠNG TSK 51 4.1 Cơ sở liệu 51 4.2 Ứng dụng SVD để phân tích tín hiệu ECG theo hàm Hermite 52 4.3 Ứng dụng mô hình nhận dạng TSK tốn nhận dạng tín hiệu ECG 54 4.3.1 Xây dựng số liệu 54 4.3.2 Xây dựng mơ hình nhận dạng 59 4.3.3 Kết nhận dạng tín hiệu ECG 61 4.4 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 85 Phụ lục A: Kết tính tốn thơng số SNR, CORR, PRD TH1 sử dụng lọc số 86 Phụ lục B: Kết tính tốn thơng số SNR, CORR, PRD TH1 trung bình sử dụng lọc wavelet 87  iv  Danh mục 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 sở CORR Crosscorelation 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 đốn âm tính sai FP False Positive Chẩn đốn dương tính sai HD High Pass Filter for Decomposition Phân tích lọc thông cao HR High Pass Filter for Reconstruction Tổng hợp 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 vơ hạn IMFs Intrinsic Mode Functions Kiểu hàm nội suy v Danh mục 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 cốt lõi L Left Bundle Branch Block Beat Block nhánh trái LD Low Pass Filter for Decomposition Phân tích lọc thơng thấp LMS Least Mean Squares Trung bình bình phương nhỏ LR Low Pass Filter for Reconstruction Tổng hợp lọc thông thấp MEM MeanMedian Filter Bộ lọc trung bình trung tâm MIT-BIH MITBIH Arrhythmia Database Cơ sở liệu MITBIH MGH/MF MGH/MF Waveform Database Cơ sở liệu MGH/MF MLP MultiLayer 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 QRS QRS Complex Phức 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 SA Sinoatrial Nút xoang nhĩ SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm SVD Singular Value Decomposition Phân tích theo giá trị kỳ dị TSK Takaga – Sugeno – Kang neuro fuzzy Mạng nơron logic mờ TSK network (Takaga – Sugeno – Kang) V Premature Ventricular Contraction  vi  Ngoại tâm thu thất Danh mục bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các trường hợp thử nghiệm phục vụ kịch nhận dạng 21 Bảng 2.1: Kết tính tốn thơng số SNR, CORR, PRD TH1 trung bình loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở sử dụng lọc số 26 Bảng 3.1: Tính tốn tần số trung tâm để xác định mức phân tích phù hợp loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở tín hiệu ECG tần số lấy mẫu 360Hz 40 Bảng 3.2: Kết tính tốn thơng số SNR, CORR, PRD TH1 trung bình loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở sử dụng thành phần A8 A9 sử dụng họ wavelet bậc lọc Butterworth_2 41 Bảng 3.3 Kết đếm số nhịp thở 10 lần thử nghiệm 49 Bảng 4.1 Bảng phân chia số lượng mẫu học mẫu kiểm tra loại nhịp 55 Bảng 4.2 Bảng phân chia số lượng mẫu loại nhịp 58 Bảng 4.3 Bảng phân chia số lượng mẫu cho thử nghiệm dạng MGH/2020 .58 Bảng 4.4 Ma trận phân bố kết nhận dạng loại mẫu nhịp thử nghiệm 1.1 62 Bảng 4.5 Ma trận phân bố kết nhận dạng loại mẫu nhịp thử nghiệm 2.1 63 Bảng 4.6 Ma trận phân bố kết nhận dạng loại mẫu nhịp thử nghiệm 1.2 65 Bảng 4.7 Ma trận phân bố kết nhận dạng loại mẫu nhịp thử nghiệm 2.2 66 Bảng 4.8 Ma trận phân bố kết nhận dạng loại mẫu nhịp thử nghiệm 3.2 66 Bảng 4.9 Ma trận phân bố kết nhận dạng loại mẫu nhịp thử nghiệm 4.2 67 Bảng 4.10 Kết nhận dạng loại mẫu nhịp hai thử nghiệm dạng MGH/155 69 Bảng 4.11 Kết nhận dạng loại mẫu nhịp hai thử nghiệm dạng MGH/191 71 Bảng A.1: Kết tính tốn thơng số SNR, CORR, PRD TH1 sử dụng lọc Butterworth_2 Rectang_100 86 Bảng A.2: Kết tính tốn thơng số SNR, CORR, PRD TH1 sử dụng lọc Kaiser_56 Kaiser_255 86 Bảng B.1: Kết tính tốn thơng số sử dụng họ wavelet Biorthogonal .87 Bảng B.2: Kết tính tốn thơng số sử dụng họ wavelet Coiflets .87 Bảng B.3: Kết tính tốn thơng số sử dụng họ wavelet Daubechies 88 Bảng B.4: Kết tính tốn thơng số sử dụng họ wavelet Symlets .89  vii  Danh mục hình vẽ, đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc giải phẫu tim Hình 1.2: Hệ thống dẫn truyền tim .7 Hình 1.3: Mẫu dạng sóng khác hình thành nên tín hiệu ECG .8 Hình 1.4: Mẫu tín hiệu ECG điểm đặc trưng Hình 1.5: Ba chuyển đạo I, II, III bố trí theo tam giác Eithoven .9 Hình 1.6: Ba chuyển đạo đơn cực 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 phổi .11 Hình 1.9: Các động tác q trình hơ hấp 12 Hình 1.10: Tín hiệu ECG có khoảng RR thay đổi tín hiệu nhịp thở 13 Hình 1.12: Tín hiệu ECG bị trơi dạt đường sở tín hiệu nhịp thở 14 Hình 1.13: Sơ đồ khối mơ hình tổng qt thực giải pháp đề xuất luận án 16 Hình 1.14: Sơ đồ khối kịch 1(kịch sở) nhận dạng tín hiệu ECG mạng TS 18 Hình 1.15: Sơ đồ khối kịch nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG lọc wavelet 18 Hình 1.16: Sơ đồ khối kịch nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG sử dụng thêm đặc tính từ nhịp thở (khơng lọc ECG wavelet) 19 Hình 1.17: Sơ đồ khối kịch nhận dạng (bằng mạng TSK) tín hiệu ECG lọc wavelet sử dụng thêm đặc tính từ nhịp thở .19 Hình 2.1: Tín hiệu ECG gốc (a), tín hiệu ECG bị ảnh hưởng nhịp thở (b) tín hiệu ECG loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở lọc số (c,d,e,f) .27 Hình 2.2: Cấu trúc bước phân tích tín hiệu thành thành phần “chi tiết” “xấp xỉ“ 29 Hình 2.3: Đồ thị hàm Hermite bậc N khác .31 Hình 2.4: Mạng nơron mờ TSK đầu 35 Hình 3.1: Một số họ wavelet sử dụng để phân tích tín hiệu 39  viii 