Đối với hệ thống điện tâm đồ, chất lượng tín hiệu ECG bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau như nhiễu do lưới điện, nhiễu do chuyển động của điện cực, nhiễu do tiếp xúc kém giữa các điện cực và bề mặt da, nhiễu do nhịp thở của bệnh nhân hay nhiễu do sự gắng sức của bệnh nhân trong quá trình thu thập dữ liệu đo. . . Hơn nữa, tín hiệu ECG cịn chứa các sóng khác như sóng P, sóng T hay sóng U thay vì chỉ có các phức bộ QRS. Tạm thời chúng ta sẽ chưa quan tâm tới các sóng này trong q trình nhận dạng vị trí của các phức bộ QRS có trong tín hiệu ECG. Vì vậy, việc trước tiên cần làm đó là lọc can nhiễu cũng như thực hiện một số phép biến đổi để cải thiện chất lượng tín hiệu ECG nhằm giúp xác định chính xác vị trí các phức bộ QRS. Mục tiêu của luận án là đề xuất một phương án có thể sử dụng hiệu quả cho cả tín hiệu ECG nghỉ và ECG gắng sức nên trong giai đoạn tiền xử lý, nghiên cứu có sử dụng thêm một khối lọc nhiễu đã được giới thiệu trong Chương 2 đối với tín hiệu ECG gắng sức. Theo kết quả nghiên cứu do nhóm tác giả Nitish V. Thakor và cộng sự thực hiện, mật độ công suất của phức bộ QRS nằm trong khoảng tần số từ 5 đến 20 Hz [83]. Để không làm ảnh hưởng tới phức bộ QRS, một bộ lọc thơng dải có băng thơng phù hợp đã được sử dụng để giảm ảnh hưởng của các thành phần tần số thấp (bao gồm các nhiễu tần số thấp, sóng P và T) tới kết quả nhận dạng phức bộ QRS. Tiếp theo, giá trị sai lệch giữa các mẫu tín hiệu liên tiếp sẽ được tính để cải thiện độ dốc của các phức bộ QRS theo biểu thức (3.1) [48].
d[n] =x[n+ 1]−x[n], n= 1,2,3. . . (3.1) trong đó, d[n] là kết quả nhận được sau bước tính sai lệch.
Bước tiếp theo của giai đoạn này là chuẩn hóa biên độ tín hiệu nhận được sau khi thực hiện phép tính sai lệch. Điều này sẽ giúp cải thiện độ chính xác tìm kiếm đối với các phức bộ QRS có biên độ thấp và giảm kết quả âm tính giả do những sóng T có biên độ cao gây ra. Q trình chuẩn hóa biên độ tín hiệu
được thực hiện theo cơng thức (3.2) sau đây [48], a[n] = d[n]
maxNn=1|d[n]| (3.2)
trong đó, a[n] là biên độ được chuẩn hóa và N là số lượng mẫu tín hiệu.
Sau khi chuẩn hóa, giá trị các mẫu của tín hiệu ECG sẽ nằm trong khoảng từ -1 tới 1 và đây là tín hiệu lưỡng cực. Việc xác định vị trí các phức bộ QRS trong tín hiệu ECG chính là bài tốn xác định các đỉnh cho nên chúng ta cần phải chuyển tín hiệu lưỡng cực sau khi chuẩn hóa sang tín hiệu đơn cực thơng qua một số phương pháp phổ biến như lấy bình phương giá trị, lấy entropy của phép biến đổi Shannon hay lấy năng lượng của phép biến đổi Shannon. Biểu thức tốn học mơ tả cho các phương pháp này được mơ tả thơng qua các phương trình (3.3) - (3.5) dưới đây [48],
s[n] =a[n]∗a[n] (3.3) s[n] =−|a[n]| ∗log(|a[n]|) (3.4) s[n] =−(a[n])2∗log((a[n])2) (3.5) trong đó, s[n] là đầu ra sau phép lấy năng lượng.
Đáp ứng của các phép biến đổi này được trình bày trong Hình 3.2. Quan sát hình ảnh, chúng ta có thể thấy rằng phép lấy bình phương mang lại đáp ứng theo cấp số nhân đối với các thành phần tín hiệu có biên độ cao nhưng lại phát sinh vấn đề đối với việc trích xuất các đỉnh R có biên độ nhỏ. Ngược lại, đối với phép lấy entropy của phép biến đổi Shannon thì biên độ chuẩn hóa nhỏ sẽ cho đáp ứng entropy lớn và biên độ chuẩn hóa càng tiến tới giá trị 1 thì đáp ứng entropy sẽ càng nhỏ và bằng 0 nếu biên độ bằng 1. Điều này sẽ gây khó khăn cho việc tìm kiếm các phức bộ QRS bởi đối với tín hiệu ECG thì các phức bộ QRS thường có biên độ cao hơn các sóng khác và khi được chuẩn hóa thì các phức bộ QRS này có biên độ tiến dần tới 1. Bên cạnh đó, quan sát đường cong
biểu diễn cho năng lượng Shannon chúng ta có thể thấy rằng năng lượng sẽ giảm nhanh khi biên độ chuẩn hóa tiến dần tới 1 và bằng 0 đối với các biên độ bằng 1. Điều này dẫn tới khả năng một số phức bộ QRS bị bỏ qua trong quá trình nhận dạng và làm giảm hiệu suất của thuật tốn do các đỉnh R có biên độ cao hơn các sóng khác và thậm chí là bằng 1 sau khi chuẩn hóa tín hiệu. Để giải quyết được vấn đề này, chúng ta có thể nhân các mẫu tín hiệu sau chuẩn hóa có biên độ tiến gần tới 1 với một hằng số nhỏ hơn 1 để giảm thiểu lỗi tìm kiếm đối với các đỉnh R này.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 G iá tr ị n ăn g lư ợn g [- ]
Biên độ chuẩn hóa [-]
Năng lượng Shannon Shannon entropy Giá trị bình phương
Hình 3.2: Các phép chuyển đổi năng lượng [68]
Hình 3.3 là kết quả thực hiện phép lấy bình phương tín hiệu và phép lấy năng lượng Shannon đối với tín hiệu ECG thực. Quan sát hình ảnh chúng ta có thể thấy phép lấy năng lượng Shannon cho kết quả tốt hơn khi đã làm nổi bật được các phức bộ QRS có biên độ nhỏ so với phép lấy bình phương tín hiệu. Điều này phù hợp với lý thuyết đã phân tích trước đó.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 -200 0 200 a) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.2 0.4 0.6 b ) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.05 0.1 0.15 c ) Mẫu dữ liệu [-] Bi ên độ [-]
Hình 3.3: Kết quả thực hiện phép lấy bình phương và phép lấy năng lượng Shannon đối với tín hiệu ECG thực: a) tín hiệu ECG, b) phép lấy bình phương và c) phép lấy năng lượng Shannon. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH [54]
Shannon theo biểu thức (3.5) để chuyển đổi tín hiệu lưỡng cực sau khi chuẩn hóa biên độ thành tín hiệu đơn cực do phép biến đổi năng lượng Shannon có khả năng làm nổi bật các thành phần có cường độ trung bình và triệt tiêu các cường độ khác mang lại hiệu xuất phát hiện phức bộ QRS tốt hơn [5].
Tín hiệu nhận được sau bước này chưa được làm trơn và điều đó sẽ khiến cho q trình xác định vị trí các phức bộ QRS gặp khó khăn và kết quả tìm kiếm sẽ khơng chính xác. Để giải quyết vấn đề này, tín hiệu nhận được sau khi thực hiện phép biến đổi năng lượng Shannon sẽ được đưa qua bộ lọc trung bình có
biểu diễn tốn học như phương trình (3.6) [98], y[nT] = 1
N[s(nT −(N −1)T) +s(nT −(N −2)T) +...+s(nT)] (3.6) trong đó,y[nT]là đầu ra, N là kích thước cửa sổ bộ lọc và T là chu kỳ lấy mẫu. Để thu được kết quả lọc tốt thì kích thước cửa sổ bộ lọc đóng vai trị rất quan trọng. Thơng thường, kích thước bộ lọc được lấy bằng độ rộng phức bộ QRS của một người khỏe mạnh là 120 ms [46]. Nếu cửa sổ được chọn quá lớn sẽ khiến cho kết quả lọc chứa cả sóng T và số lượng mẫu được xử lý nhiều lên dẫn đến làm giảm biên độ của đường bao năng lượng khiến cho quá trình xác định vị trí đỉnh R bị sai. Ngược lại, nếu kích thước cửa sổ quá hẹp sẽ tạo ra nhiều đỉnh gai trên đường bao năng lượng và kết quả cũng sẽ dẫn tới tìm sai vị trí đỉnh R. Vì vậy, luận án đã lựa chọn độ rộng cửa sổ bộ lọc trung bình là 125 ms để có thể phù hợp với độ rộng phức bộ QRS lớn hơn bình thường. Kết quả sau mỗi bước thực hiện của giai đoạn tiền xử lý được trình bày trong Hình 3.4.