Như cỏc mục trờn đó xột, để xỏc định cỏc đỉnh đặc trưng trong tớn hiệu ECG, ta dựng phương phỏp xỏc định cỏc điểm cực trị. Nhiễu là một trở ngại lớn trong việc xỏc định cỏc
đỉnh này bởi nú cũng tạo ra cỏc đỉnh tớn hiệu. Trong quỏ trỡnh phõn tớch tớn hiệu ECG việc loại bỏ nhiễu là một cụng việc khụng thể bỏ qua.
Bộ phỏt hiện nhiễu (ND – Noise Detector) cú thể đơn giản chỉ là một bộ đếm cỏc điểm 0 trong một khoảng thời gian. Tớn hiệu vào trong bộ phỏt hiện nhiễu từ WF1, cỏc điểm 0 được phỏt hiện bởi một cổng XOR và được tớch lũy bởi bộ đếm ZF. Trong khoảng thời gian được xỏc định bởi RST, khi số điểm 0 vượt quỏ mức nhiễu, tớn hiệu ra của ND là “11” nghĩa là cả hai nhỏnh WF3 và WF4 đó hoạt động (chế độ khẩn cấp), ngược lại tớn hiệu ra của ND là “00” thỡ WF3 và WF4 ngừng hoạt động (chế độ thụng thường). Cỏc tham số: thời gian reset, mức nhiễu cú thể lập trỡnh được nếu làm tăng độ phức tạp của hệ thống. Cấu trỳc của bộ phỏt hiện nhiễu được biểu diễn trong hỡnh 3.9
CHƢƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN PHÂN TÍCH
TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ĐỒ
4.1. Tổng quan
Trong y học, cỏc thiết bị về điện tim đồ cú một nhiệm vụ quan trọng đú là phõn tớch tớn hiệu ECG mà cụ thể là phỏt hiện phức bộ QRS, xỏc định tần số tim, độ lệch ST…
Cú nhiều kỹ thuật dựng trong việc xỏc định phức bộ QRS. Những kỹ thuật này cú 2 vấn đề cần giải quyết là:
- Đối với cỏc bệnh nhõn khỏc nhau, đụi khi cú thể là cựng một bệnh nhõn nhưng tại cỏc thời điểm khỏc nhau thỡ tớn hiệu QRS thu được cú thể nằm trong cỏc dải tần số khỏc nhau
- Băng tần của QRS và băng tần của nhiễu cú thể giao thoa với nhau.
- Súng P cú biờn độ nhỏ rất khú cho việc xỏc định. Trong điều kiện rối loạn nhịp tim súng P bị tỏch hẳn ra khỏi phức bộ QRS làm cho việc xỏc định chỳng càng trở nờn khú khăn.
Với mục đớch phõn tớch và phỏt hiện một cỏch chớnh xỏc những thay đổi nhỏ của mỗi nhịp tim, sử dụng biến đổi Wavelet trong cả hai miền thời gian và tần số cho phộp xỏc định cỏc điểm đặc biệt trong tớn hiệu ECG đồng thời tỏch được súng ECG ra khỏi ảnh hưởng của nhiễu và hiện tượng trụi đường đẳng trị.
Phần chương 3 đó đưa ra phương phỏp phõn tớch tớn hiệu này bằng cỏch sử dụng phộp biến đổi Wavelet. Đầu tiờn tớn hiệu được đưa qua một bộ lọc thụng dải để loại bỏ súng T, súng P và nhiễu. Tớn hiệu ra từ bộ lọc thụng dải được thực hiện qua bộ biến đổi phi tuyến (tớn hiệu được lấy tớch phõn hoặc qua một hàm bậc hai) để làm nổi bật phức bộ QRS. Và quy tắc cuối cựng để xỏc định phức bộ QRS cú được biểu diễn trong tớn hiệu hay khụng là xỏc định cỏc điểm cực và điểm khụng trong biến đổi wavelet của tớn hiệu.
Biến đổi Wavelet được hỡnh thành từ hai bộ lọc thụng thấp và thụng cao H và G dựa trờn thuật toỏn Mallat cú sơ đồ khối như hỡnh 4.1
Thuật toỏn Mallat được sử dụng để tớnh toỏn cho phộp biến đổi Wavelet rời rạc của một tớn hiệu rời rạc S1df(t) = d(k). Tại mỗi tỷ lệ 2j từ S j f
2 cú thể xỏc định S2j1f như sau: j =1 while (j J) j = j + 1 end of while. Trong đú j S 2 là toỏn tử làm bằng và S j f n
2 là giỏ trị xấp xỉ tớn hiệu tại tỷ lệ 2
j
. Từ biểu thức 3.2 và 3.6 đỏp ứng tần số của bộ lọc thụng thấp và bộ lọc thụng cao H() và G() được mụ tả như sau:
H1 S f 1 2 H2 f S1 S 2 f 2 H3 S23f H4 f S 4 2 G1 G2 G3 G4 G5 f W 1 2 W22 f W23 f W24 f W25 f
Để giải thớch một cỏch đơn giản hơn, ta sử dụng sơ đồ bộ lọc như hỡnh 4.2. Khi đú tại độ phõn giải J thuật toỏn Mallat được viết như sau:
j = 1 while (j J) j = j + 1 end of while Với S1f(t) = d(k) 4.2. Phƣơng phỏp xỏc định
Bộ lọc trong hỡnh 4.2 cú đỏp ứng xung biểu diễn bởi biểu thức 3.8.
Tần số trung tõm của bộ lọc Qj() này phụ thuộc vào tần số lấy mẫu của tớn hiệu cần xử lý. Tựy thuộc vào phổ cụng suất của tớn hiệu ECG và phức bộ QRS cũng như súng T và súng P mà xỏc định tần số lấy mẫu cho tớn hiệu. Như đó biết, cỏc tỷ lệ nhỏ làm nổi bất cỏc thành phần tần số cao, cũn cỏc tỷ lệ lớn làm nổi bật cỏc thành phần tần số nhỏ của tớn hiệu. Để cú sự phự hợp giữa phổ cụng suất của tớn hiệu ECG, nhiễu và bộ lọc Qj(), cần phải chỳ ý rằng phức bộ QRS cú năng lượng lớn nhất ở tỷ lệ 23 hoặc 24 (chủ yếu là ở tỷ lệ 23) cũn súng T và súng P thỡ năng lượng thu được là lớn nhất ở tỷ lệ 24 hoặc 25. Hỡnh 4.3 biểu diễn phổ cụng suất của tớn hiệu ECG.
Tớn hiệu ra của bộ lọc Qj() khi tớn hiệu vào là mộ tớn hiệu điện tim đồ được biểu diễn trong hỡnh 4.4
4.2.1. Thuật toỏn xỏc định phức bộ QRS
Từ tớn hiệu ECG cần phõn tớch, xỏc định tất cả cỏc điểm tk tương ứng với đỉnh của cỏc súng R. Vị trớ của phức bộ QRS thu được từ sự xuất hiện cỏc cặp đỉnh trong phộp biến đổi wavelet ở cỏc tỷ lệ đặc trưng 2j (j = 1, 2, 3, 4, 5). Độ trễ (độ dịch) của biến đối Wavelet được tạo ra bởi cỏc dàn lọc. Mỗi xung dương được tạo ra tương ứng với một đỉnh của súng R. Sơ đồ khối của thuật toỏn được biểu diễn trong hỡnh 4.5
Hỡnh 4.3: Phổ cụng suất của tớn hiệu ECG
Input
j = 1 k = 0
Tớnh cỏc giỏ trị WT tại độ phõn giải j cho mỗi điểm tk (Đầu ra của bộ lọc Qj khi cú độ trễ = Tj)
Cỏc xung được tạo ra tại cỏc điểm 0 trong cỏc cặp cực trị cú biờn độ > giỏ trị ngưỡng.
Đồng bộ cỏc xung với tớn hiệu cần phõn tớch bằng cỏch trễ tớn hiệu khoảng Tj đến T5. j < 5 j = j +1 Tồn tại đồng thời 5 xung Đỳng Đỳng Mỗi xung tương ứng một
đỉnh của súng R Tiếp tục end k = k +1 Sai Sai Đỳng
4.2.2. Thuật toỏn xỏc định súng T
Như phần trước đó xột, súng T được biểu diễn bởi sự xuất hiện cỏc cặp cực trị trong biến đổi Wavelet tại tỷ lệ 24 và 25, nhưng phức bộ QRS cũng cú cỏc cặp cực trị tại cỏc tỷ lệ này và đụi khi chỳng cú giỏ trị biờn độ tương đối quan trọng. Vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để phõn biệt được đõu là cực trị của QRS và đõu là cực trị của súng T? Đỏp ỏn của cõu hỏi này là thuật toỏn được biểu diễn trong hỡnh 4.6. Nú bao gồm việc phỏt hiện sự cú mặt đồng thời của hai cặp cực trị tại tỷ lệ 24 và 25 với biờn độ tương ứng phải lớn hơn một ngưỡng và khụng thuộc phức bộ QRS. Mỗi một cực trị của súng T sẽ tạo ra một xung dương tương ứng.
4.2.3. Thuật toỏn phỏt hiện súng P
Cũng giống như cỏc phần trước, súng P được xỏc định bởi cỏc cặp cực trị tại tỷ lệ 24 cú biờn độ lớn hơn một ngưỡng xỏc định và khụng trựng với cỏc cực trị của súng QRS và súng T. Sơ đồ thuật toỏn xỏc định súng P được biểu diễn trong hỡnh 4.7.
Cả bai thuật toỏn trờn được thực hiện song song trong sơ đồ hỡnh 4.8. Tại mỗi đầu ra của bộ lọc Qj, với mỗi điểm tk là điểm khụng của một cặp cực trị cú biờn độ lớn hơn biờn độ ngưỡng sẽ hỡnh thành một xung dương. Để nhận dạng một cỏch dễ dạng cỏc súng, cỏc xung dương được tạo ra tương ứng ở 5 đầu ra của bộ lọc phải đồng bộ. Điều này được thực hiện bởi cỏc bộ trễ. Như vậy, nếu xuất hiện 5 xung đồng thời ở 5 lối ra chỳng sẽ được đưa qua một cổng AND để phỏt hiện xung tương ứng của súng R. Cũng bằng cỏch này, cỏc xung ra tại đầu ra 4 và 5 của bộ lọc được đưa qua một cổng AND cựng với phần đảo của xung biểu diễn QRS, lối ra của cổng AND là cỏc điểm thuộc súng T. Đầu ra 4 của bộ lọc Q4 cựng với phần đảo của xung biểu diễn QRS và phần đảo của xung biểu diễn súng T được đi qua cổng AND và kết quả thu được là điểm biểu diễn cho súng P.
Input
j = 4 k = 0
Tớnh cỏc giỏ trị WT tại độ phõn giải j cho mỗi điểm tk (Đầu ra của bộ lọc Qj khi cú độ trễ = Tj)
Cỏc xung được tạo ra tại cỏc điểm 0 trong cỏc cặp cực trị cú biờn độ > giỏ trị ngưỡng.
Đồng bộ cỏc xung với tớn hiệu cần phõn tớch bằng cỏch trễ tớn hiệu khoảng T4 đến T5. j < 5 j = j +1 Tồn tại 2 xung khụng phải QRS Đỳng Đỳng Mỗi xung tương ứng một
đỉnh của súng T Tiếp tục end k = k +1 Sai Sai Đỳng
Input
j = 4 k = 0
Tớnh cỏc giỏ trị WT tại độ phõn giải j cho mỗi điểm tk (Đầu ra của bộ lọc Q4 khi cú độ trễ = T4)
Cỏc xung được tạo ra tại cỏc điểm 0 trong cỏc cặp cực trị cú biờn độ > giỏ trị ngưỡng.
Đồng bộ cỏc xung với tớn hiệu cần phõn tớch bằng cỏch trễ tớn hiệu khoảng T5 đến T4.
Tồn tại xung khụng trựng với xung của QRS hay T
Đỳng Mỗi xung tương ứng một
đỉnh của súng P Tiếp tục end k = k +1 Sai Đỳng