Kỹ thuật thu PPG

Ban đầu, Các cảm biến PPG chủ yếu sử dụng công nghệ bán dẫn chi phí thấp với LED và thiết bị tách sóng quang làm việc trong vùng bước sóng đỏ và vùng hồng ngoại gần. Ưu điểm chính của việc sử dụng LED là nhỏ gọn và thời gian hoạt

động lên đến 105 giờ. Tuy nhiên cần phải điều chỉnh cường độ sáng của LED thích hợp để giảm nhiệt độ và các mối nguy hiểm do bức xạ. Sự lựa chọn bộ tách sóng quang phụ thuộc nhiều vào nguồn sáng [6].

Hình 2.12. Thu tín hiệu PPG sử dụng LED và PD (Photodetector)

2.5. Sự biến thiên của nhịp tim (HRV - Heart Rate Variability)

HRV thường được tính toàn bằng cách phân tích chuỗi khoảng thời gian giữa hai nhịp đập từ ECG, hoặc phân tích khoảng thời gian giữa hai nhịp đập thu được khi theo dõi áp suất động mạnh, hoặc khoảng thời gian giữa hai nhịp đập thu được từ xung sóng tín hiệu đo được từ đồ thị đo thể tích bằng quang học PPG. HRV có thể được khai triển xấp xỉ ra miền thời gian và miền tần số (time and frequency domain). HRV được xem như là một yếu tố chỉ thị của các hoạt động điều khiển tự động chức năng tuần hoàn máu và oxy bão hòa chỉ ra tỷ lệ % của hemoglobin với hình thể oxyhemoglobin (oxyhemoglobin configuratioin) trong động mạch.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng HRV phản ánh hoạt động được điều khiển bởi hệ thống thần kinh thực vật (ANSAutonomic Nervous System) trong nút xoang nhĩ.

Ở người, nhịp tim thay đổi từ 50 nhịp/ phút khi nghỉ ngơi đến 200 nhịp/ phút khi gắng sức tối đa, tương đương với khoảng thời gian giữa 300 ms và 1200 ms. Để xác định biến thiên nhịp tim, tín hiệu tương tự (analog) sẽ được ghi lại bằng cách sử dụng các điện cực đặt ở ngực.

HRV là một yếu tố kiểm tra sức khỏe quan trọng. HRV liên quan đến một loạt nguy cơ như căng thẳng, trầm cảm, tiểu đường, tim mạch, rối loạn giấc ngủ và mỡ bụng. Đối với một số người, HRV hoạt động như chất xúc tác vì là nguyên nhân của nhiều vấn đề.

Được đo bằng phần nghìn giây, HRV gần như không thể phát hiện bằng phương pháp thông thường. HRV càng đa dạng càng tốt, vì một trái tim không thể

thay đổi tốc độ nhanh chóng không phải là trái tim khỏe mạnh. Phân tích HRV là một bước quan trọng trong đánh giá mức độ stress bằng tín hiệu PPG.

2.5.1 Phân tích HRV trong miền thời gian

Phân tích tín hiệu điện tim trong miền thời gian thường được coi là quá trình đơn giản. Việc phân tích này thường chỉ dựa theo các thông số RR thu được từ bảng số liệu sau khi xử lý. Tuy nhiên, trong thực tế số tín hiệu RR thu được thường rất lớn, có thể lên đến hàng trăm ngàn mẫu nên việc đánh giá các chỉ số này là cần thiết. Các thông số thường được quan tâm sử dụng khi phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp trong miền thời gian: RR [ms] - giá trị trung bình của các đoạn RR; STD RR (SDNN) [ms] - Độ lệch tiêu chuẩn của các đoạn RR; HR [1/phút] - nhịp tim trung bình; STD HR [1/ phút] - Độ lệch tiêu chuẩn của giá trị nhịp tim; RMSSD [ms] - căn của giá trị trung bình bình phương khác nhau giữa các véc tơ RR liên tiếp; NN50 - Số lượng các cặp RR liên tiếp sai khác hơn 50 ms; pNN50 [%] - NN50 phân chia bởi tổng số các đoạn RR. Toàn bộ đồ thị của đoạn RR được chia thành chiều cao của đồ thị; TINN [ms] - chiều rộng đường gốc của đồ thị đoạn RR.

Phát hiện đỉnh và đưa ra tín hiệu HRV: Do tín hiệu PPG có sự biến đổi liên tục theo thời gian và không theo một chu kỳ cố định, nên việc phát hiện đỉnh được thực hiện bằng một thuật toán đảo ngược độ dốc cùng với việc xác định vị trí tương đối các đỉnh ở xung quanh. Thuật toán được lựa chọn là LMD (local Maxima Minnima Detection- nhận diện các đỉnh trong khu vực) với cửa sổ cho trước. Tùy thuộc vào số khung hình trong một giây của video mà lựa chọn cửa sổ để phát hiện đỉnh phù hợp. Ví dụ: kích thước cửa sổ là 11 nếu tốc độ ghi hình của video thu có tốc độ ghi hình là 15fps. Có nghĩa là có điểm cao hơn 5 điểm liền kề bên phải và bên trái thì nó được chọn là đỉnh.

Khi phân tích tín hiệu PPG cần chú ý một số vấn đề là giai đoạn không ổn định trong 3-5 giây đầu do tính năng tự động lấy nét trong camera gây ra sai lệch về độ sáng, các vấn đề về nóng tay, rung hay cử động [6].

Hình 2.13. Phát hiện đỉnh với cửa sổ là 11

Ngoài ra, số điểm xét tìm đỉnh phải lớn hơn Fs/4 và nhỏ hơn Fs/2. Theo đánh giá thực tế nên chọn 7 điểm so sánh để tìm đỉnh nếu điểm thứ 4 cao hơn 3 điểm trước và 3 điểm sau nó thì điểm này là đỉnh. Sau đó ta dịch chuyển hết chiều dài của tín hiệu. Kết quả thu được sẽ cho ra tọa độ các đỉnh. Ví dụ về đỉnh tín hiệu:

Hình 2.14. Xác định đỉnh của tín hiệu

Từ tập hợp các đỉnh thu được, ta xác định khoảng cách giữa hai đỉnh gần kề nhau bằng cách trừ hoành độ cho nhau. Từ các khoảng thời gian giữa các nhịp tim, tập hợp lại đưa ra được tín hiệu biến thiên nhịp tim (HRV).

Hình 2.15. Khoảng cách đỉnh liên tiếp và dạng tín hiệu HRV

2.5.2. Phân tích HRV trong miền tần số

Trong phương pháp miền tần số, đánh giá mật độ năng lượng phổ (PSD - Power Spectral Density) được tính toán trên chuỗi RR. Phương thức đánh giá PSD thông thường bằng việc lấy mẫu cách đều, vì vậy, chuỗi RR được chuyển đổi thành chuỗi được lấy mẫu cách đều bằng phương pháp nội suy trước khi đánh giá PSD. Trong phần mềm này phép nội suy bậc 3 được sử dụng.

Trong phân tích HRV, đánh giá PSD được thực hiện sử dụng phương pháp dựa trên FFT (Fast Fourier Transform) hay phương pháp dựa trên sự mô hình hóa tham số AR. Lợi ích của phương pháp dựa trên FFT là đơn giản trong thực hiện, trong khi lợi ích của phổ AR là cải thiện độ phân giải đặc biệt đối với các mẫu ngắn. Đặc tính khác của phổ AR là làm cho các mẫu được thấy rõ hơn trong phân tích HRV, vì thế nó có thể tìm ra các thành phần phổ riêng lẻ. Sự bất lợi của phổ AR là sự phức tạp của lựa chọn thứ tự xử lý và sự ngẫu nhiên của các thành phần không tốt trong việc tìm ra thừa số phổ.

Băng tần phổ biến trong trường hợp ghi HRV thời gian ngắn là tần số rất thấp (VLF, 0–0,04 Hz), tần số thấp (LF, 0,04–0,15 Hz), và tần số cao (HF, 0,15–0,4 Hz). Tiêu chuẩn đánh giá miền tần số được rút ra từ sự đánh giá PSD cho mỗi băng tần bao gồm năng lượng tương đối và tuyệt đối của băng tần VLF, LF, và HF, năng

lượng băng tần LF và HF trong các thành phần tiêu chuẩn hóa, tỉ lệ năng lượng LF/HF, và các tần số đỉnh đối với mỗi băng tần.

Trong trường hợp phổ FFT, giá trị năng lượng tuyệt đối đối với mỗi dải băng tần thu được bằng cách hợp nhất phổ trên các giới hạn băng tần. Trong trường hợp phổ AR, nói theo cách khác, nếu tìm ra thừa số (factorization) là cho phép phân biệt các thành phần phổ đối với mỗi băng tần với sự lựa chọn thích hợp thứ tự các mẫu và giá trị năng lượng tuyệt đối thu được trực tiếp như các năng lượng của thành phần này. Nếu không thể tìm ra thừa số, năng lượng phổ AR được tính toán như phổ FFT. Dải năng lượng trong thành phần tương đối và tiêu chuẩn hóa thu được từ các giá trị tuyệt đối. Có nhiều phương pháp xử lý tín hiệu tim loạn nhịp trong miền tần số khác nhau như biến đổi Fourier, biến đổi S, biến đổi Wigner, phân bố Cohen và phân tích Wavelet.

Công cụ và phần mềm được sử dụng để phân tích, xử lý tín hiệu loạn nhịp trong miền tần số thường là Matlab, Labview, các công cụ lập trình C, Java, .Net Visual Studio, Kubios và Micosoft Offices cũng như các ngôn ngữ phổ biến khác.

Phân tích phổ là biểu hiện toán học của sự biến thiên trong các khoảng thời gian N-N, kết quả cho ra các vùng tần số của biến thiên nhịp tim tương ứng với mức độ biểu hiện của hệ thần kinh tự chủ. Việc chuyển từ phân tích theo thời gian sang phổ tần số được thực hiện bằng phương pháp chuyển đổi toán học do nhà toán học người pháp Jean babtiste- joseph Fourier (1768-1830) [6] vẫn còn ứng dụng cho đến ngày nay.

Các biến động của HRV thường được cho là định kỳ và có xuất hiện trong nhiều khoảng thời gian. Lượng hóa những biến động trong chuỗi HRV có thể được thực hiện bằng cách tính toán mật độ phổ công suất (PSD). PSD thể hiện mật độ phổ công suất của một chuỗi thời gian như là một hàm của tần số. Ước lượng PSD có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp phổ biến nhất là phương pháp Welch. Để nắm được phương pháp này cần tìm hiểu thông qua biến đổi Fourier cho tín hiệu rời rạc (DFT). Với N điểm DFT của một biến ngẫu nhiên X(n). Tính toán các DFT sử dụng FFT cho khả năng tính toán nhanh. Các phương pháp mở rộng DFT là một phương pháp cơ bản để ước lượng mật độ phổ công suất của một chuỗi thời gian.

    1 0 2 ) ( ) ( N n fn i x f X n e DFT  (30) 2 1 0 / 2 ) ( 1 ) (     N n L fk i e n X N f P  (31)

Để giảm sai số trong quá trình tính toán có thể áp dụng với cửa sổ có trọng số w(n). Ví dụ như của sổ Hamming cho một loạt các đầu vào, các dữ liệu có trọng số giảm dần từ trung tâm của sổ cho bởi công thức:

2 1 0 2 ) ( ) ( 1 ) (     N n fn i M X n w n e MU f P  i = 0,1, …, L-1 (32)    1 0 2 ) ( 1 N i n w M U (33)

Tiếp theo, phương pháp Welch chia các chuỗi tín hiệu thành N phân đoạn chồng chéo lên nhau. PSD được tính toán bằng trung bình của tất cả các phân đoạn:

   1 0 , ( ) 1 ) ( N i i M w P f N f P (34)

Việc phân tích HRV trong miền tần số được thực hiện qua biến đổi FFT, đưa ra mật độ phổ công suất PSD theo phương pháp ước lượng Welch trong các dải tần số:

HF, ms2 – độ lớn biến thiên nhịp tim ở dãy tần số cao trong khoảng tần số 0.15- 0.4Hz, độ dài chu kỳ từ 2.5 - 6s. HF Biểu hiện hoạt động thần kinh phó giao cảm trong điều hòa hô hấp.

LF, ms2 – độ lớn biến thiên nhịp tim ở dãy tần số thấp trong khoảng tần số 0.04-0.15Hz, độ dài chu kỳ > 6s. LF Biểu hiện hoạt động thần kinh giao cảm và phó giao cảm. Tuy nhiên khi tăng LF, người ta thường thấy sự thay đổi hoạt tính giao cảm. Vùng tần số LF cũng biểu hiện kết quả tác động của phản xạ thụ thể áp lực và quá trình điều hòa huyết áp.

VLF, ms2 – độ biến thiên nhịp tim ở dãy tần số thấp trong khoảng tần số 0.003- 0.04Hz độ dài chu kỳ > 25s. Vùng này biểu hiện cơ chế điều hòa của thần kinh giao cảm và phó giao cảm lên quá trình điều hòa thân nhiệt.

Tỷ số LF/HF: đặc trưng cho trương lực hoạt động thần kinh giao cảm. Độ lớn của tỷ số có giá trị trong đánh giá cân bằng hoạt động giao cảm và phó giao cảm.

Hình 2.16. Mật độ phổ năng lượng trong miền VLF, LF và HF

Các tham số của HRV (miền thời gian và miền tần số)

Tham số

Đơn vị

Công thức (miền thời gian) Tham số

Đơn vị

Công thức (miền tần số)

mRR Ms VLF Phổ năng lượng trong dải

tần 0.003-0.04Hz

mHR bpm LF Phổ năng lượng trong dải

tần 0.04-0.15Hz

SDRR M HF Phổ năng lượng trong dải

tần 0.15-0.4Hz SDHR bpm nVLF % VLF*100/(VLF+LF+HF) CVRR nLF % LF*100/(VLF+LF+HF) RMSS D Ms nHF % HF*100/(VLF+LF+HF) pRR50 % SVI LF/HF

Thuật toán tìm đỉnh đã xác định được vị trí các đỉnh của tín hiệu nhịp và tính được khoảng cách giữa các đỉnh liên tiếp nhau, là cơ sở của tín hiệu biến thiên nhịp tim (HRV).Việc sử dụng phương pháp phân tích trong miền thời gian và tần số đã đưa ra được các thông số cần thiết cho đánh giá mức độ stress là HR (nhịp tim), MeanRR (khoảng cách trung bình của các đỉnh liền kề) và LF/HF (tỉ lệ mật độ phổ năng lượng của tín hiệu biến thiên nhịp tim trong miền tần số thấp (LF) với miền tần số cao (HF).

Trong sinh lý bình thường, nhịp tim dao động có chu kỳ – khoảng thời gian giữa các nhịp thì thay đổi do các cơ chế điều hoà tim mạch. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhịp tim là hoạt động của hệ thần kinh giao cảm và phó giao cảm, cả hai có tác động đối lập qua lại với nhau. Hệ thần kinh giao cảm phân bố ở tất cả các cấu trúc tim và tác động thông qua thụ thể giao cảm, từ đó làm tăng tính kích thích, dẫn truyền, co bóp và tính tự động của tim. Hệ thần kinh đối giao cảm phân bố ở nút xoang, nút nhĩ thất, tâm nhĩ. Khi kích thích, nó có tác dụng ngược lại so với tác dụng của hệ giao cảm. Mặt khác nó đóng vai trò quan trọng trong điều hoà chức năng tim mạch.

Hình 2.17. Cân bằng hệ thần kinh tự chủ và biến thiên nhịp tim

Trong miền tần số phổ của tín hiệu biến thiên nhịp tim tập trung chủ yếu trong vùng tần số LF và HF, việc phân tích tỷ số LF/HF (tỷ số mật độ phổ cống suất trong

miền tần số thấp và miền tần số cao) là phương pháp khá tin cậy và nhanh gọn để đánh giá hoạt động của hệ thần kinh tự chủ.

Trong miền tấn số: áp dụng biến đổi Fourier (FFT) cho HRV trong dải tần số thấp (LF) và dải tần số cao (HF) nhằm ước lượng tỷ lệ mật độ phổ công suất (LF/HF).

Các dữ liệu phân tích HRV trong miền tần số LF (thành phần tần số thấp, 0.04- 0.15Hz) và HF (thành phần tần số cao, 0.15-0.4Hz) được thể hiện bằng phổ năng lượng như hình dưới.

Hình 2.18. Hình Mật độ phổ năng lượng trong miền tần số LF và HF

2.6. Kết luận chương 2

Chương 2 đưa ra cơ sở thu nhận tín hiệu điện tim gồm các nội dung - Giới thiệu về cấu trúc và hoạt động của trái tim con người. - Quá trình điện sinh lý tim.

- Phân tích cụ thể phương pháp PPG (Đồ thị đo thể tích bằng quang học) giúp người đọc có thể hiểu sâu hơn về nguyên lí của phép đo nhịp tim.

- Phân tích sự biến thiên của nhịp trong miền thời gian và miền tần số giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về hệ thống thần kinh tim.

Chương 3. PHÂN TÍCH CƠ SỞ THIẾT KẾ MODULE ĐO VÀ GIÁM SÁT NHỊP TIM

3.1. Yêu cầu đề tài

Thiết kế một module xác định nhịp tim bằng đầu đo cảm biến gắn trên đầu ngón tay, đồng thời hiển thị các thông số đo được về nhịp tim như Beats Per Minute (BPM), Interbeat Intervals (IBI), Heart Rate Frequency (Hz), Power Spectral Density (PSD), LF vs HF (Low Frequency vs High Frequency), Phổ tần số, Phổ BPM, Phổ IBI, Beats, Hiệu năng HF, LF và dạng sóng HR lên một giao diện trực quan được xây dựng trên phần mềm Processing của máy tính.

3.2. Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng các khối:

Khối cảm biến: Khối cảm biến có nhiệm vụ đo nhịp tim từ cơ thể con người

qua ngón tay dưới dạng xung sau đó đưa dữ liệu vào khối điều khiển.

Khối điều khiển: Khối điều khiển là modul Arduino Uno R3 có nhiệm vụ thu

nhận dữ liệu cảm biến nhịp tim từ khối cảm biến sau đó xuất dữ liệu ra khối hiển thị.

Khối hiển thị: Khối hiển thị các thông số về nhịp tim đo được lên màn hình

máy tính được xây dựng bằng chương trình phần mềm trên Processing.

Khối nguồn: Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các khối trên.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến nhịp tim Pulse được gắn ở đầu ngón tay. IR