CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU PPG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ STRESS
3.3.4 Phân tích HRV và biến đổi FFT.
Sau khi tính khoảng cách các nhịp tim liền kề nhau sẽ trích xuất ra tín hiệu biến thiên nhịp tim. Phân tích biến thiên nhịp tim là bước quan trọng hàng đầu để tính ra các chỉ sô cần thiết để đánh giá mức độ stress.
Phân tích trên miền thời gian (Time-Domain Analysis)
Phân tích HRV trên miền thời gian thường được phân loại là phương pháp thống kê hình học. Đi tính độ lệch chuẩn của các khoảng NN (SDNN). Sự khác nhau của các NN (RMSSD).
− Độ lệch chuẩn của mỗi phân khúc SDNN. Tách các RR thành các phân đoạn không chồng chéo lên nhau. Thường lấy độ dài đoạn là 5 phút.
( )1 1 1 M i SDNNi SDNN i M = = ∑
− SDANN giá trị trung bình của đọ lệch chuẩn của khoảng NN trong khoảng thời gian 24 giờ hoăc trong khoảng thời gian ngắn (3 đến 5 phút)
− pNN50 (percent NN intervals > 50 ms) - Là tỷ lệ phần trăm các khoảng NN > 50 ms khác nhau từ khoảng trước.
− Tính giá trị trung bình khoảng cách các đỉnh: MeanRR(ms) Từ những số liệu tính toán đem so sánh với bảng đánh giá mức độ stress.
Phân tích trên miền tần số (Frequency-Domain Analysis)
Phân tích phổ là biểu hiện toán học cơ chế sinh lý tạo ra sự biến thiên các thời khoảng R-R, kết quả cho ra các vùng tần số của biến thiên nhịp tim tương ứng với các mức độ biểu hiện hoạt động của thần kinh tự chủ. Việc chuyển từ phân tích theo thời gian sang phân tích theo phổ tần số được thực hiện bằng phép chuyển toán học, do nhà toán học người Pháp Jean-Babtiste-Joseph Fourier (1768-1830) đề sướng, cho đến nay vẫn còn được ứng dụng.
Tác giả Sayers là người đầu tiên thực hiện phân tích phổ tần số nhịp tim. Phân tích phổ là phương tiện không xâm lấn, định lượng, nhạy trong đánh giá tính toàn vẹn của các hệ thống kiểm soát tim mạch. Bằng cách nhận định và đo diện tích của những đỉnh khác nhau trên toàn bộ phổ, từ đó có thể so sánh giữa các cá nhân và nhóm. Trong thời gian ghi từ 2 – 5 phút, phân tích phổ có 3 đỉnh chính và được chuyển thành các dãy sau: tần số rất thấp (VLF), tần số thấp (LF) và tần số cao
(HF). Khi ghi 24 giờ, tần số rất thấp được chia thành 2 tần số nữa là tần số rất thấp (VLF) và tần số cực thấp (ULF). Akselrod và cộng sự [4] đầu tiên đã cho thấy có sự góp phần của hệ thần kinh giao cảm, thần kinh phó giao cảm và hệ Reninangiotensin đối với sự thay đổi đặc biệt về phổ tần sốố́. Gần đây, Stauss đã đưa ra bằng chứng là ULF phản ánh các thay đổi thứ phát nhịp ngày đêm, VLF bị ảnh hưởng bởi hệ thống thể dịch và điều hoà nhiệt độ, LF nhạy với hoạt tính thần kinh giao cảm, thần kinh phó giao cảm tim, HF thì đồng vận với nhịp hô hấp.
Được tính toán bằng mật độ phổ công suất (PSD). Các PSD trình bày mật độ phổ công suât của một chuỗi thời gian như là một hàm của tần số. Nên PSD có thể cung cấp thông tin tổng số năng lượng, trong đó tần số nhất định đóng góp cho một chuỗi thời gian. (Trong xử lí tín hiệu thống kê và vật lí, mật độ phổ, mật độ phổ công suất (PSD), hoặc mật độ phổ năng lượng (ESD), là một hàm thực và dương theo biến tần số gắn với các quá trình ngẫu nhiên dừng, hoặc hàm xác định theo thời gian, có thứ nguyên là công suất trên Hz, hoặc năng lượng trên Hz. Nó thường được gọi đơn giản là phổ của tín hiệu. Qua trực giác, mật độ phổ giữ lại phổ tần suất của quá trình ngẫu nhiên và giúp nhận dạng tính tuần hoàn. Giải thích trong vật lí, tín hiệu thường là sóng, chẳng hạn như sóng điện từ, dao động ngẫu nhiên, hoặc sóng âm. Mật độ phổ của sóng, khi được nhân với một hệ số thích hợp, sẽ bằng công suất được mang bởi sóng, trên một đơn vị tần số, được gọi là mật độ công suất (PSD) của tín hiệu.
Nói chung phân tích HRV trong miền tần số liên quan bốn khoảng tần số: ULF được xác định từ <0.003Hz, VLF (0.003- 0.04Hz), LF (0.04 - 0.15Hz), HF (0.15 - 0.4Hz). các ULF và VLF thường được bỏ qua.
− HF (ms2) độ lớn biến thiên nhịp tim ở dãy tần số cao, nằm trong khoảng 0.15-0.4 Hz, độ dài chu kỳ 2.5-6 giây. Biểu hiện hoạt động thần kinh phó giao cảm trong điều hoà hô hấp.
− LF (ms2) độ lớn biến thiên nhịp tim ở dãy tần số thấp, nằm trong khoảng 0.04- 0.15 Hz, độ dài chu kỳ > 6 giây. Biểu hiện hoạt động thần kinh giao cảm và thần kinh phó giao cảm. Tuy vậy, khi tăng LF, người ta thường thấy
sự thay đổi hoạt tínhgiao cảm. Vùng này cũng biểu hiện kết quả tác động của phản xạ thụ thể áp lực vàquá trình điều hoà huyết áp.
− VLF (ms2) độ lớn biến thiên nhịp tim ở dãy tần số rất thấp, nằm trong khoảng 0.003 – 0.04 Hz, độ dài chu kỳ > 25 giây. Vùng này biểu hiện cơ chế điều hoà của thần kinh giao cảm và thần kinh phó giao cảm lên quá trình điều hoà thân nhiệt, hệ renin – angiotensin và các yếu tố thể dịch khác.
− ULF (ms2) độ lớn biến thiên nhịp tim ở dãy tần số cực thấp, nằm trong khoảng 0 - 0.003 Hz, độ dài chu kỳ > 5 giờ. Vùng này có lẽ biểu hiện đến mức tiêu thụ oxy trong hoạt động thể lực.
Tỷ số LF / HF - Thường được gọi là sự cân bằng "phế vị giao cảm". Tuy nhiên, thuật ngữ này là một thuật ngữ chỉ từ biến động tần số thấp hơn có thể liên quan đến hoạt động cả hai giao cảm và phó giao cảm. Ngoài ra, trong thời gian gắng sức, toàn bộ biến thiên nhịp tim giảm xuống (bao gồm cả LF). Tỷ số LF / HF có thể hữu ích nhất trong kiểm tra thử tư thế đứng và nghiêng, hoặc lúc nghỉ trong quá trình thở máy.
Phân tích tỷ lệ % LF/FH (PLF, PHF) là chỉ số để đánh giá mức độ stress trên miền tần số.
Ước tính PSD thường được dựa trên phương pháp FFT và tự hồi quy (AR) mô hình phổ biến nhất trong phân tích quang phổ của HRV [7].
Biến đổi Fourier cho tín hiệu rời rạc (DFT). Giới thiệu sơ lược về một số ứng dụng của DFT trong thực tế phân tích phổ tín hiệu. Ta đã biết được ý nghĩa của phổ trong việc phân tích tín hiệu, từ phổ của tín hiệu ta biết được một số thông tin cần thiết. Để tìm phổ của tín hiệu (cả liên tục và rời rạc), ta cần phải biết giá trị của tín hiệu tại tất cả các thời điểm. Tuy nhiên trong thực tế, do ta chỉ quan sát được tín hiệu trong một khoảng thời gian hữu hạn nên phổ tính được chỉ là xấp xỉ của phổ chính xác. DFT được ứng dụng rất hiệu quả trong việc tính toán phổ xấp xỉ này. Trong thực tế, nếu tín hiệu cần phân tích là tín hiệu liên tục, trước hết ta cho tín hiệu đó đi qua một bộ lọc chống chồng phổ rồi lấy mẫu với tần số B2Fs ≥ với B là băng
thông của tín hiệu sau khi lọc. Như vậy, tần số cao nhất chứa trong tín hiệu rời rạc là Fs/2. Sau đó, ta phải giới hạn chiều dài của tín hiệu trong khoảng thời gian T0 = LT, với L là số mẫu và T là khoảng cách giữa hai mẫu. Cuối cùng, ta tính DFT của tín hiệu rời rạc L mẫu. Như đã trình bày trên, muốn tăng độ phân giải của phổ rời rạc, ta tăng chiều dài của DFT bằng cách bù thêm số 0 vào cuối tín hiệu rời rạc trước khi tính DFT: ( ) 1 0 2 ( ) N x n i fn DFT f − X n e π = − =∑
- FFT tăng tốc độ biến đổi Foourier: là phương pháp cơ bản để ước lượng mật độ phổ công suất của một chuỗi thời gian:
( ) 1 ( ) 0 2 1 2 / k=0,1,...,L-1. N n i fk L X n e N P f − π = − = ∑
Để giảm sự rò rỉ quang phổ cuối cùng PSD trung bình được tính toán bằng cách sử dụng tất cả các phân khúc. Mật độ phổ công suất đươc tính bởi:
( ) 1 , ( ) 0 1 N W M i i P f P f N − = = ∑
Hình 3.13 – Mật đô phô năng lượng trên miền LF và HF
Trong phạm vi đồ án em sẽ đánh giá Stress theo phương pháp miền tần số và một vài chỉ số trong miền thời gian.
Phân tích thời gian – tần số
HRV phân tích theo phương pháp miền tần số chỉ cho biết thông tin về cách tín hiệu được phân bố ở miền tần số mà không có cái nhìn sâu sắc về sự biến đổi theo thời gian của quang phổ. Các phương pháp được sử dụng để cho phép xem đồng thời của cả thời gian và thông tin tần số thường được gọi là phân tích thời gian - tần số. Giống như phân tích miền tần số, phân tích thời gian - tần số HRV định lượng VLF, LF, HF và các thông số liên quan. Hai loại chính của phân tích thời gian-tần số được sử dụng là các cửa sổ biến đổi Fourier (còn gọi là ngắn thời gian biến đổi Fourier, STFT) và wavelet liên tục biến đổi. Bao gồm các phương pháp ước lượng quang phổ khác với biến đổi Fourier, các cửa sổ thống kê sẽ được sử dụng ở vị trí của cửa sổ biến đổi Fourier.