3.3.5 Xử lý và chuẩn hóa dữ liệu
Dữ liệu thu sau khi số hóa hai dạng tín hiệu là tín hiệu điện tâm đồ ECG và tín hiệu trở kháng vùng ngực TEB được mạch đo truyền lên máy tính thơng qua cổng USB vật lý trên máy tính và được nhận diện dưới dạng cổng COM ảo. Bản tin truyền lên theo quy ước ở phần mềm trên mạch đo có cấu trúc dạng: “AAAAA,BBBB↵” gồm hai trường dữ liệu. Trong đó A là các kí tự kiểu char đại diện cho các số từ 0 đến 9, kênh tín hiệu TEB được biểu diễn bởi 5 ký tự kiểu char, trong khi kênh tín hiệu ECG được biểu diễn bởi 4 ký tự kiểu char. Hai trường dữ liệu trong bản tin được phân cách nhau bởi dấu phẩy “,” bản tin được đánh dấu kết thúc bởi kí tự xuống hàng “↵”. Dựa theo quy định phần kí tự nằm trước dấu phẩy sẽ được đánh dấu là tín hiệu TEB trong khi phần kí tự sau dấu phẩy sẽ được đánh dấu là tín hiệu ECG.
Dựa trên quy ước như trên về cấu trúc bản tin gửi lên, phần mềm tiến hành đọc dữ liệu được đẩy vào bộ đệm của cổng COM, sau đó tiến hành phân tách bản tin thành hai trường dữ liệu riêng biệt dưới dạng hai chuỗi kí tự. Hai chuỗi kí tự này sau đó sẽ được chuyển đổi sang kiểu số nguyên để phục vụ các bước xử lý tiếp theo. Hai dạng tín hiệu sau đó sẽ được chuẩn hóa lại về mặt biên độ theo đúng đơn vị đo (Ω cho tín hiệu TEB và mV cho tín hiệu ECG) và thời gian (đơn vị đo là miligiây).
Sau khi thực hiện thành công bước giải mã dữ liệu nhận được, phần mềm sẽ tiến hành thực hiện lọc hai loại tín hiệu trên bằng hai bộ lọc thơng thấp IIR đã được khởi tạo trước đó. Nhằm đảm bảo về độ gợn dải thơng nhỏ và đáp ứng pha có độ tuyến tính tốt, tác giả sử dụng bộ lọc Butterworth để xây dựng bộ lọc số IIR cho dạng tín hiệu trên. Với tần số lấy mẫu fs = 200 mẫu/giây, bộ lọc IIR dành cho tín hiệu TEB có các tham số được thiết lập là fpass = 20 Hz, fstop = 40 Hz, Apass = 1 dB, Astop = 40 dB trong khi bộ lọc IIR dành cho tín hiệu ECG có các tham số là fpass = 40 Hz, fstop = 80 Hz, Apass = 1 dB, Astop = 40 dB. Giá trị thời gian, hai dạng tín hiệu sau lọc là TEB và ECG sẽ được lưu trữ thành ba cột riêng biệt trong file .csv lưu trữ. Dạng file này hồn tồn có thể mở và chỉnh sửa bằng phần mềm Microsoft Excel.
3.3.6 Mô tả và lưu trữ dữ liệu
Bộ cơ sở dữ liệu chứa toàn bộ dữ liệu của 26 tình nguyện viên đã thu thập được bao gồm hai phần: phần dữ liệu chứa tín hiệu trở kháng vùng ngực TEB và tín hiệu điện tâm đồ ECG tham chiếu đi kèm và phần dữ liệu chứa thành phần nhiễu thở sau khi đã trích xuất từ tín hiệu TEB. Dữ liệu được lưu dưới định dạng file Excel .xlsx giúp trích xuất thơng tin phục vụ cho nghiên cứu và xử lý dữ liệu một cách dễ dàng. Tên các file được đánh số theo ngun tắc tình nguyện viên (TNV), ví dụ
TNV001.xlsx. File dữ liệu Excel sẽ bao gồm 5 sheet bao gồm: sheet chứa thông tin của phép đo và TNV bao gồm tần số lấy mẫu, độ phân giải của bộ ADC, tuổi và giới tính của TNV; sheet chứa dữ liệu TEB và ECG bao gồm 5 cột trong đó có 1 cột thời gian, 2 cột cho dữ liệu TEB và ECG thô và 2 cột cho dữ liệu TEB và ECG sau xử lý; 3 sheet chứa dữ liệu nhiễu thở trước và sau khi xử lý của ba trạng thái thở bao gồm thở bình thường, thở gắng sức và thở nhanh. Chi tiết về thuật toán tách và xử lý dữ liệu thở được trình bày trong Mục 3.4
Tồn bộ dữ liệu sẽ được lưu trữ trên hệ thống chia sẻ dữ liệu nghiên cứu figshare.com với định danh số https://doi.org/10.6084/m9.figshare.16552737.v1. Dữ liệu được chia sẻ cơng khai với quyền truy nhập có thể xem và tải về.
3.4 Thuật toán tách và xác định đặc trưng nhiễu thở3.4.1 Tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB 3.4.1 Tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB
Đề xuất thuật tốn
Về cơ bản, phương pháp đề xuất có ngun lý hoạt động tương tự như phương pháp mà Schuessler giới thiệu [72]. Tuy nhiên, thay vì sử dụng chính tín hiệu có thở để tạo ra tín hiệu đại diện của phần biến đổi do tim, tác giả sử dụng thêm tín hiệu TEB của đối tượng đo khi ở trạng thái ngừng thở để tạo ra mẫu tín hiệu đại diện. Điều này có thể được thực hiện bằng phương pháp trung bình tồn bộ theo các chu kì tim được đánh dấu bằng đỉnh R trong tín hiệu ECG tham chiếu được đo thêm một cách đồng thời. Mẫu tín hiệu đại diện cho thành phần biến đổi do tim sau đó cũng được đảo pha (đổi dấu) và cộng vào tín hiệu ở trạng thái có thở. Tín hiệu sau đó được đưa qua một bộ lọc thông thấp số để loại bỏ tất cả các thành phần nhiễu tần số cao cịn sót lại cũng như các đoạn chuyển tiếp khi thực hiện phép trừ. Sơ đồ khối thực của thuật toán được miêu tả trong Hình 3.12.
Thuật tốn được phát triển trong nghiên cứu này khơng nhằm mục đích tích hợp vào thiết bị hay xử lý thời gian thực tín hiệu ICG. Dựa trên thuật tốn đề xuất, một cơng cụ phần mềm hữu ích có thể được phát triển để trích xuất nhiễu thở từ dữ liệu TEB thu thập được. Điều này sẽ được dự kiến sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển cơ sở dữ liệu, phân tích phân bố cơng suất, dải tần số của nhiễu thở đặc biệt trong phép đo ICG. Nó nhằm mục đích hỗ trợ các nghiên cứu về các kỹ thuật lọc nhiễu thở cũng như đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật lọc nhiễu này.
Một số tham số chính của các phần xử lý khi triển khai thực tế thuật toán xử lý tín hiệu ECG được mơ tả như sau:
Thiết bị đo Máy tính
Tín hiệu ECG
I+ V+ V-
I- Tín hiệu TEB
Trung bìnhPhân đoạn và chuẩn hóa độ dàiTín hiệu ngừng thở
Mẫu TEB đại diện
Vị trí đỉnh R
Lọc thơng thấp Trừ Phân đoạn và chuẩn hóa độ dàiTín hiệu có thở
Phát hiện đỉnh R
Phân loại tín hiệu
Bộ lọc thơng dải: sử dụng bộ lọc IIR bậc 6 với dải tần 0,2 Hz – 40 Hz.
Vi phân số: sử dụng công thức vi phân 5 điểm.
Tích phân cửa sổ dịch chuyển: sử dụng cửa sổ có động rộng 64 điểm.
Số mẫu đồng bộ lại tín hiệu: 40 mẫu, tương đương 200 ms.
Nhiễu thở thu được