Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng mô hình nhận dạng kết hợp nhằm nâng cao độ chính xác phân loại tín hiệu điện tim loạn nhịp

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là đề xuất giải pháp phù hợp cho phép thực hiện thuật toán khai triển trên hệ vi xử lý thông dụng (công suất tính toán nhỏ), để tiến tới phát triển và hoàn thiện một thiết bị đo cầm tay có chức nhận dạng tự động tín hiệu điện tim có độ chính xác cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng mô hình nhận dạng kết hợp nhằm nâng cao độ chính xác phân loại tín hiệu điện tim loạn nhịp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN NAM XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHẬN DẠNG KẾT HỢP NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN NAM XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHẬN DẠNG KẾT HỢP NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH 2. PGS. TS. NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Hà Nội - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những hướng dẫn của PGS.TSKH. Trần Hoài Linh, PGS.TS. Nguyễn Thị Lan Hương và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 15 tháng 08 năm 2018 Tập thể Hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TSKH. Trần Hoài Linh Phạm Văn Nam PGS.TS. Nguyễn Thị Lan Hương i
LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH. Trần Hoài Linh và PGS.TS. Nguyễn Thị Lan Hương. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TSKH. Trần Hoài Linh, PGS.TS. Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn về học thuật, kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm PGS. TS. Nguyễn Quốc Cường và các Thầy giáo, Cô giáo của Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án. Tác giả luận án Phạm Văn Nam ii
Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ x MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................................... 4 5. Những đóng góp của luận án ...................................................................................... 4 6. Bố cục của luận án...................................................................................................... 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG ...................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về tín hiệu điện tim ECG ........................................................................... 6 1.1.1 . Giới thiệu chung về các thông số và hình dạng của các sóng ECG ................... 6 1.1.2 . Một số yếu tố ảnh hướng đến tín hiệu điện tim ................................................ 7 1.2. Tình hình nghiên cứu và phương pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim ECG ..................................................................................................................... 8 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ......................................................................................... 8 1.2.2. Một số giải pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim .................. 12 1.3. Định hướng nghiên cứu của luận án .......................................................................... 15 1.4. Cơ sở dữ liệu sử dụng trong luận án.......................................................................... 18 1.4.1. Cơ sở dữ liệu MIT-BIH................................................................................... 18 1.4.2 Cơ sở dữ liệu MGH/MF ................................................................................... 18 1.5. Kết luận chương I ..................................................................................................... 19 iii
Mục lục CHƯƠNG II: THU THẬP, TIỀN XỬ LÝ VÀ TRÍCH CHỌN ĐẶC TÍNH TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ECG ............................................................................................................ 20 2.1. Thu thập và tiền xử lý tín hiệu điện tim ..................................................................... 20 2.1.1. Lựa chọn bộ lọc thông thấp ............................................................................. 21 2.1.2. Lựa chọn bộ lọc thông cao .............................................................................. 21 2.1.3. Lựa chọn bộ Notch 50Hz ................................................................................ 21 2.2. Trích chọn đặc tính ................................................................................................... 23 2.2.1. Phát hiện đỉnh R.............................................................................................. 24 2.2.2. Phân tích phức bộ QRS theo các hàm Hermite cơ sở ....................................... 28 2.3. Kết luận chương II .................................................................................................... 34 CHƯƠNG III. GIẢI PHÁP KẾT HỢP CÁC MÔ HÌNH NHẬN DẠNG ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ................................................................................................ 35 3.1. Kết hợp kết quả bằng mô hình cây quyết định ........................................................... 35 3.1.1. Đề xuất mô hình kết hợp ................................................................................. 35 3.1.2. Quy trình xây dựng cây quyết định DT cho khối tổng hợp kết quả .................. 38 3.1.3. Cây quyết định ................................................................................................ 39 3.2. Các mô hình nhận dạng đơn...................................................................................... 46 3.2.1. Mạng MLP .................................................................................................... 47 3.2.1.1. Cấu trúc mạng ......................................................................................... 47 3.2.1.2. Thuật toán học theo bước giảm cực đại cho mạng MLP........................... 49 3.2.2. Mạng nơ-rôn mờ TSK ..................................................................................... 51 3.2.2.1. Cấu trúc mạng ......................................................................................... 51 3.2.2.2. Thuật toán học cho mạng TSK ................................................................ 53 3.2.3. Máy véc-tơ hỗ trợ SVM .................................................................................. 59 3.2.4. Rừng ngẫu nhiên RF ....................................................................................... 62 3.3. Đề xuất mô hình thiết bị có tích hợp chức năng nhận dạng........................................ 63 3.4. Kết luận chương III .................................................................................................. 64 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ......................................... 65 4.1. Xây dựng các bộ số liệu mẫu .................................................................................... 65 4.1.1. Cơ sở dữ liệu MIT-BIH................................................................................... 65 iv
Mục lục 4.1.2. Cơ sở dữ liệu MGH/MF .................................................................................. 68 4.2. Cách đánh giá chất lượng mô hình nhận dạng tín hiệu điện tim ................................. 70 4.3. Xây dựng mô hình nhận dạng đơn và kết quả............................................................ 71 4.3.1. Quy trình xây dựng các mô hình đơn .............................................................. 71 4.3.2. Kết quả của các mô hình nhận dạng đơn ......................................................... 74 4.3.2.1. Trên bộ cơ sở dữ liệu MIT-BIH ............................................................... 74 4.3.2.2. Trên bộ cơ sở dữ liệu MGH/MF .............................................................. 77 4.4. Kết quả thử nghiệm với các mô hình kết hợp bằng cây quyết định....................................... 79 4.4.1. Thử nghiệm kết hợp giữa ba mạng cơ sở MLP, TSK và SVM ......................... 79 4.4.2. Các thử nghiệm kết hợp khác .......................................................................... 82 4.5. Kết quả thử nghiệm trên thiết bị ................................................................................ 85 4.4 Kết luận chương IV ................................................................................................... 91 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................... 92 1. Các đóng góp của luận án ......................................................................................... 92 2. Hướng phát triển của luận án .................................................................................... 93 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .......................... .105 PHỤ LỤC..................................................................................................................... 106 Phân tích và thiết kế phần cứng ..................................................................................... 106 v
Danh mục các từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A Premature Atrial Contractions Ngoại tâm thu nhĩ ADC Analog/Digital Converter Chuyển đổi tương tự /số ARM Advanced RISC Machine Một loại cấu trúc vi xử lý ART Adapvive Resonant Theory Mạng nơ-rôn ART AV AtrioVentricular Nút nhĩ thất CAM Configurable Analog Module Khối tương tự cấu hình được DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DT Decision Tree Cây quyết định BDT Binary Decision Tree Cây quyết định nhị phân E Ventricular Escape Beat Tâm thất lỗi nhịp ECG ElectroCardioGram Điện tâm đồ FN False Negative Chẩn đoán âm tính sai FP False Positive Chẩn đoán dương tính sai Mạng lưới các khối tương tự có FPAA Field Programable Analog Arrays thể lập trình được HDT Hybrid Decision Tree Hệ DT lai I Ventricular Flutter Wave Rung thất IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp ICA Independent Component Analysis Phân tích thành phần độc lập L Left Bundle Branch Block Beat Block nhánh trái LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LVQ Learning Vector Quantization Mạng nơ-rôn LVQ MIT-BIH MIT-BIH Arrhythmia Database Cơ sở dữ liệu MIT-BIH MGH/MF MGH/MF Waveform Database Cơ sở dữ liệu MGH/MF MLP Multi-Layer Perceptron Network Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp PC Personal Computer Máy tính cá nhân vii
Danh mục các từ viết tắt PCA Principal Component Analysis Phân tích theo thành phần chính QRS QRS Complex Phức bộ QRS R Right Bundle Branch Block Beat Block nhánh phải RF Random Forest Rừng ngẫu nhiên S Supraventricular Premature Beat Loạn nhịp thất trên SD Secure Digital Thẻ nhớ SD SVD Singular Value Decomposition Phân tích theo các giá trị kỳ dị SVM Support Vector Machines Máy véc-tơ hỗ trợ TSK Takaga - Sugeno - Kang Mạng nơ-rôn logic mờ TSK V Premature Ventricular Contraction Ngoại tâm thu thất` viii
Danh mục các bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 3 loại nhịp .................. 42 Bảng 3.2: Ví dụ số liệu cụ thể của sáu mẫu học (từ 1÷6) và ba mẫu kiểm tra (từ 7÷9)...... 42 Bảng 3.3: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng ba loại mẫu nhịp bằng cây quyết định ....... 43 Bảng 3.4: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 3 loại nhịp .................. 44 Bảng 3.5: Bảng số liệu học và kiểm tra cho Ví dụ 2 ......................................................... 44 Bảng 3.6: Kết quả nhận dạng của Ví dụ 2 ........................................................................ 46 Bảng 4.1: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 7 loại rối loạn nhịp tim từ CSDL MIT-BIH .......................................................................................................... 66 Bảng 4.2: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 2 loại nhịp .................. 66 Bảng 4.3: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 3 loại nhịp .................. 69 Bảng 4.4: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 2 loại nhịp .................. 69 Bảng 4.5: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mạng MLP .............. 75 Bảng 4.6: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mạng TSK .............. 75 Bảng 4.7: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mạng SVM ............. 76 Bảng 4.8: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng RF .......................... 76 Bảng 4.9: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng 7 loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MIT-BIH ................................. 76 Bảng 4.10: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 2 loại mẫu nhịp: Normal và abnormal..... 77 Bảng 4.11: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng hai loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MIT-BIH .............................. 77 Bảng 4.12: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng MLP ............ 77 Bảng 4.13: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng TSK ............ 78 Bảng 4.14: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng SVM ........... 78 Bảng 4.15: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng RF ............... 78 Bảng 4.16: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng ba loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MGH/MF............................... 78 ix
Danh mục các bảng biểu Bảng 4.17: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng hai loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MGH/MF ............................. 79 Bảng 4.18: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mô hình kết hợp MLP, TSK, SVM ............................................................................................................ 79 Bảng 4.19: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và mô hình kết hợp MLP-TSK-SVM khi nhận dạng 7 loại nhịp ........................................... 79 Bảng 4.20: Bảng kết quả của các mô hình kết hợp kết quả của ba mô hình nhận dạng đơn MLP-TSK-SVM .............................................................................................................. 81 Bảng 4.21: Kết quả nhận dạng 7 loại nhịp (CSDL MIT-BIH) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .............................................................................................................. 82 Bảng 4.22: Kết quả nhận dạng 2 loại nhịp (CSDL MIT-BIH) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .............................................................................................................. 83 Bảng 4.23: Kết quả nhận dạng 3 loại nhịp (CSDL MGH/MF) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .............................................................................................................. 83 Bảng 4.24: Kết quả nhận dạng 2 loại nhịp (CSDL MGH/MF) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .............................................................................................................. 84 x
Danh mục các hình vẽ, đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hình dáng và thành phần chính của tín hiệu điện tim ECG ................................. 7 Hình 1.2: Một số ví dụ tín hiệu ECG: (a) Bị ảnh hưởng của cử động của bệnh nhân, (b) bị trôi dạt đường cơ sở do hệ hô hấp, (c) bị ảnh hưởng của điện lưới 50Hz. ........................... 8 Hình 1.3: Mô hình chung của hệ thống nhận dạng tín hiệu điện tim ECG .......................... 9 Hình 1.4: Sơ đồ chung của mô hình kết hợp .................................................................... 14 Hình 1.5: Hệ thống nhận dạng tín hiệu ECG đề xuất của luận án ..................................... 15 Hình 2.1: Sơ đồ khối quá trình lọc nhiễu tín hiệu điện tim ECG....................................... 20 Hình 2.2: Đáp ứng tần số-biên độ của bộ lọc thông thấp (a), bộ lọc Notch 50Hz (b), bộ lọc thông cao (c) ................................................................................................................... 22 Hình 2.3: Tín hiệu điện tim sau các tầng lọc và phân bố phổ năng lượng: (a-1,a-2) tín hiệu nhiễu, (b-1,b2) tín hiệu sau bộ lọc thông thấp, (c-1,c-2) tín hiệu sau bộ lọc Notch 50Hz, (d- 1,d-2) tín hiệu sau bộ lọc thông cao. ................................................................................ 23 Hình 2.4: Sơ đồ quy trình xây dựng véc tơ đặc tính cho tín hiệu điện tim......................... 24 Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động của thuật toán phát hiện đỉnh R .............................................. 25 Hình 2.6: Phân bố phổ năng lượng của tín hiệu ECG [90]................................................ 25 Hình 2.7: Phân bố phổ năng lượng của tín hiệu ECG gốc (a), kết quả sau khi lọc (b) ....... 26 Hình 2.8: Mối quan hệ giữa QRS (a) và tín hiệu lấy trung bình tín hiệu theo thời gian (b) .. 27 Hình 2.9: Ví dụ các bước phát hiện đỉnh R: (a) tín hiệu ECG gốc, (b) kết quả sau lọc, (c) kết quả sau lấy đạo hàm, (d) kết quả sau lấy trị tuyệt đối, (e) kết quả sau khi lấy trung bình, (f) kết quả phát hiện đỉnh R. ............................................................................................ 28 Hình 2.10: Đồ thị của hàm Hermite bậc n: a) n=0, b) n=1, c) n=3, d) n=10. ..................... 29 Hình 2.11: Xấp xỉ tín hiệu ECG bằng N hàm Hermite cơ sở đầu tiên: a) N=5; b) N=10; c) N=12; d) N=16. ............................................................................................................... 32 Hình 2.12: Đồ thị khảo sát sai số xấp xỉ theo số lượng các hàm Hermite cơ sở ................ 32 Hình 2.13: Hình ảnh khai triển các loại nhịp tím khác theo 16 hàm Hermite đầu tiên ....... 33 Hình 3.1: Sơ đồ chung của mô hình kết hợp sử dụng nhiều mô hình nhận dạng đơn ........ 36 Hình 3.2: Sơ đồ khối chung của hệ thống kết hợp song song nhiều mô hình đơn ............. 37 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý quá trình tạo cây quyết định ................................................... 39 x
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 3.4: Mô hình cây quyết định dạng nhị phân ............................................................. 40 Hình 3.5: Chuyển một nút bậc cao (a) thành một nút nhị phân (b) ................................... 41 Hình 3.6: Cây quyết định xây dựng từ bộ số liệu có 90 mẫu (ví dụ 1) .............................. 43 Hình 3.7: Cấu trúc cây quyết định tạo ra từ bộ số liệu trong bảng 3.4............................... 45 Hình 3.8: Mạng MLP với một lớp ẩn ............................................................................... 47 Hình 3.9: Mạng nơ–rôn mờ TSK ..................................................................................... 52 Hình 4.1: Hình dáng mẫu phức bộ QRS của các loại nhịp A, E, L, R, I và V ................... 68 Hình 4.2: Hình dáng mẫu phức bộ QRS của các loại nhịp V, S, N ................................... 69 Hình 4.3: Quá trình xây dựng các SVM nhị phân............................................................. 73 Hình 4.4: Quá trình kiểm tra của mô hình SVM ............................................................... 73 Hình 4.5: Quá trình xây dựng các cây quyết định thành phần........................................... 74 Hình 4.6: Quá trình kiểm tra của mô hình rừng ngẫu nhiên RF ........................................ 74 Hình 4.8: So sánh số mẫu nhận dạng sai, chẩn đoán âm tính sai FN, chẩn đoán dương tính sai FP của ba mô hình nhận dạng cơ sở và mô hình kết hợp ............................................. 80 Hình 4.9: Hình ảnh tín hiệu ECG, thu thập trước các bộ lọc (a), sau bộ lọc thông thấp và thông cao (b), sau bộ lọc Notch 50Hz (c) ......................................................................... 85 Hình 4.10: Sơ đồ khối cấu hình bên trong IC AN221F04 ................................................. 86 Hình 4.11: Hình ảnh của thiết bị đo kích thước (11,5cm x 10,5cm x 5cm) ....................... 87 xi
Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong cơ thể con người, các thông số hoạt động của hệ tim mạch là một trong những thông tin rất quan trọng. Các bệnh lý liên quan đến tim mạch được phản ánh chủ yếu trên tín hiệu điện tim ECG (ElectroCardioGram). Do đó, kiểm tra và phân tích tín hiệu điện tim ECG là một trong những bước chẩn đoán căn bản để xác định các bệnh lý về tim mạch, từ những loại bệnh tim thông dụng dễ phát hiện (như loạn nhịp tim, thiếu máu cục bộ, tắc động mạch vành…), để chẩn đoán có thể dựa vào độ lớn biên độ và hình dạng phức bộ QRS, sóng P, Q, R, S, T, hay số nhịp tim/phút, cho đến những loại bệnh tim khó phát hiện hơn, trường hợp này các bác sĩ phải theo dõi tín hiệu điện tim ECG của bệnh nhân trong một khoảng thời gian dài, ở nhiều chuyển đạo hơn, kết hợp với các xét nghiệm phụ trợ để đưa ra chẩn đoán cuối cùng. Do đó, việc nghiên cứu tín hiệu điện tim ECG là rất quan trọng đối với sức khỏe con người nói chung và chẩn đoán chính xác các bệnh tim mạch nói riêng [1, 6]. Việc nghiên cứu điện tim ECG vẫn đang được quan tâm phát triển trong nước và quốc tế vì một số lý do chính sau:  Việc nghiên cứu tín hiệu điện tim ECG dùng cho việc chẩn đoán sớm và chính xác các bệnh lý về tim mạch, có ảnh hướng lớn đến sức khỏe con người;  Bài toán nhận dạng tín hiệu điện tim vẫn chưa được giải quyết triệt để do tín hiệu điện tim ECG có độ biến đổi rất mạnh về hình dáng và biên độ ở các trường hợp bị bệnh lý, quá trình thu thập và theo dõi tín hiệu điện tim dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài, nên bài toán nhận dạng tín hiệu điện tim ECG có yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy cao là một trong những bài toán khó. Do đó, hiện nay vẫn có nhiều nhóm nghiên cứu ở trong nước và quốc tế quan tâm, đầu tư phát triển các giải pháp mới để nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim ECG; Hiện nay, xã hội đang có nhu cầu cao về các thiết bị y tế hiện đại để theo dõi các thông số về sức khỏe, trong đó có hệ tim mạch, cụ thể: - 1 -
Mở đầu  Nhu cầu về các giải pháp nhận dạng tín hiệu điện tim có độ chính xác và tin cậy cao, phân biệt được nhiều loại bệnh để áp dụng cho nhiều đối tượng bệnh nhân, hỗ trợ các bác sĩ trong chuẩn đoán nhanh và chính xác các bệnh về tim mạch;  Nhu cầu về thiết bị đo điện tim thông minh, cầm tay, có chức năng nhận dạng tự động tín hiệu điện tim ECG. Thiết bị này cần thiết đối với những người có nguy cơ mắc bệnh cao (như người béo phì, người cao tuổi, người nghiện hút thuốc…) giúp phát hiện sớm các bệnh lý về tim mạch. Ngoài ra, đối với người đang điều trị cần có thiết bị đo gọn nhẹ để mang theo người để theo dõi và lưu trữ liên tục tín hiệu điện tim. Thiết bị cần có phần mềm tiện ích để hỗ trợ kết nối dễ dàng với bác sĩ, bệnh viện từ xa (ví dụ qua internet) để thuận tiện trong quá trình theo dõi và chẩn đoán nhanh; 2. Mục đích nghiên cứu Xuất phát từ các nhu cầu thực tế ở trên luận án sẽ tập trung nghiên cứu và phát triển một giải pháp mới để nâng cao độ chính xác và tin cậy của kết quả nhận dạng tín hiệu điện tim, sau đó triển khai tích hợp trên thiết bị đo điện tim, có khả năng phát triển thành sản phẩm hoàn chỉnh để phục vụ các nhu cầu cấp thiết của đời sống xã hội, các mục tiêu nghiên của luận án cứu như sau:  Đề xuất xây dựng giải pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim (giảm số mẫu nhận dạng sai, giảm số trường hợp chẩn đoán âm tính sai FN);  Đề xuất giải pháp phù hợp cho phép thực hiện thuật toán khai triển trên hệ vi xử lý thông dụng (công suất tính toán nhỏ), để tiến tới phát triển và hoàn thiện một thiết bị đo cầm tay có chức nhận dạng tự động tín hiệu điện tim có độ chính xác cao. - 2 -
Mở đầu 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án:  Tín hiệu điện tim ECG, những yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu điện tim;  Các mô hình nhận dạng tín hiệu điện tim, các giải pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim;  Nghiên cứu các phương pháp đo và thu thập tín hiệu điện tim. Phạm vi nghiên cứu của luận án:  Nhiễu trong tín hiệu điện tim và các phương pháp lọc nhiễu: Nghiên cứu tổng quan về các dạng nhiễu thường gặp và phương pháp loại bỏ nhiễu;  Các thành phần đặc trưng của tín hiệu điện tim: Nghiên cứu về hình dạng và các thông số của loại nhịp tín hiệu điện tim, tập trung vào phức bộ QRS, các phương pháp trích chọn đặc tính;  Các mô hình nhận dạng sử dụng trí tuệ nhân tạo và phương pháp xây dựng của các mô hình này: Tập trung nghiên cứu các mô hình kinh điển như mạng nơ-rôn MLP (Multi Layer Perceptron), logic mờ TSK (Takaga-Sugeno- Kang), máy véc-tơ hỗ trợ SVM (Support Vector Machines) và rừng ngẫu nhiên RF (Random Forest);  Nghiên cứu mô hình cây quyết định DT (Decision Tree), khả năng ứng dụng để kết hợp kết quả từ các mô hình đơn, đánh giá kết quả của giải pháp;  Thiết bị đo và tiền xử lý tín hiệu điện tim: Tìm hiểu tổng quan về các mô hình thiết bị đo đã được triển khai và ứng dụng trong thực tế, đánh giá ưu nhược điểm, đề xuất giải pháp cho luận án. Đối với khối tiền xử lý, lựa chọn và áp dụng các phương pháp lọc nhiễu phù hợp với thiết bị đo (nhỏ gọn, xách tay, sử dụng các vi xử lý thông dụng). Nghiên cứu về khả năng triển khai mô phỏng các mô hình trí tuệ nhân tạo và mô hình kết hợp được đề xuất trong luận án trên thiết bị đo.  Nghiên cứu các mô hình phối hợp từ nhiều mô hình nhận dạng đơn để nâng cao chất lượng so với các mô hình đơn. - 3 -
Mở đầu 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất được giải pháp nâng cao chất lượng (độ chính xác) nhận dạng tín hiệu điện tim dựa trên việc sử dụng cây quyết định để kết hợp song song nhiều mô hình nhận dạng đơn. Các đề xuất đã được kiểm nghiệm trên hai bộ dữ liệu, bốn mô hình nhận dạng đơn và 20 phương án kết hợp.  Ý nghĩa thực tiễn: Mục tiêu nâng cao chất lượng nhận dạng điện tim vẫn đang là vấn đề được quan tâm do các nhu cầu cấp thiết trong thực tế phục vụ người bệnh. Các thuật toán đã được triển khai thử nghiệm trên các bộ mẫu số liệu kinh điển của quốc tế để kiểm tra chất lượng, bước đầu đã thử nghiệm trên các thiết bị tự xây dựng để kiểm tra tính đáp ứng thời gian thực, khả năng áp dụng được vào các thiết bị thông minh nhỏ gọn phục vụ người bệnh trong thực tế của các giải pháp là cao. 5. Những đóng góp của luận án  Xây dựng một giải pháp nhận dạng tín hiệu điện tim mới: Kết hợp nhiều mô hình nhận dạng đơn để cải thiện độ thêm chính xác của kết quả nhận dạng. Các kết quả tính toán mô phỏng đã được kiểm chứng trên các tập số liệu mẫu chuẩn của bộ cơ sở dữ liệu MIT-BIH và MGH/MF, đây là các bộ cơ sở dữ liệu được nhiều nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế dùng để tham chiếu;  Đề xuất giải pháp phù hợp cho phép thực hiện thuật toán khai triển tín hiệu ECG theo các hàm Hermite để trích chọn được đặc tính của tín hiệu ngay trên các hệ vi xử lý có công suất tính toán nhỏ. 6. Bố cục của luận án Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những đóng góp và bố cục của luận án. Chương I: Trình bày tổng quan về tín hiệu điện tim ECG, một số yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu ECG, tham khảo các công trình nghiên cứu và các phương pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim ECG, chương này còn đề xuất định - 4 -
Mở đầu hướng nghiên cứu và trình bày khái quát các bộ cơ sở dữ liệu được sử dụng trong luận án. Chương II: Chương này sẽ trình bày chi tiết về các khối: Thu thập và tiền xử lý, phương pháp trích chọn đặc tính. Chương III: Đây là nội dung nghiên cứu chính của luận án, phần đầu trình bày về giải pháp sử dụng cây quyết định (Decision Tree) để kết hợp kết quả của các hệ thống nhận dạng đơn. Tiếp theo, trình bày về các mô hình nhận dạng đơn đó là mạng nơ-rôn truyền thẳng nhiều lớp MLP (Multi-Layer Perceptron), mạng nơ-rôn logic mờ TSK (Takagi–Sugeno–Kang), máy véc-tơ hỗ trợ SVM (Support Vector Machines) và rừng ngẫu nhiên RF (Random Forest). Cuối cùng, đề xuất phương án thiết kế phần cứng cho thiết bị đo tín hiệu điện tim. Chương IV: Chương này trình bày về phương pháp tạo bộ dữ liệu học và kiểm tra từ bộ hai cơ sở dữ liệu MIT-BIH và MGH/MF. Kết quả xây dựng mô hình nhận dạng tín hiệu ECG, các kết quả thử nghiệm, đánh giải pháp đề xuất của luận án. Phần cuối cùng, là kết luận và hướng phát triển, danh mục các tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố của luận án. - 5 -
Chương I: Tổng quan về các phương pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG Chương này giới thiệu tổng quan về tín hiệu điện tim ECG, tầm quan trọng và nhu cầu thực tiễn của việc nghiên cứu tín hiệu điện tim. Trình bày tổng quan về các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này trong nước và quốc tế, phân tích và đánh giá từ đó đề xuất ra định hướng nghiên cứu của luận án. 1.1. Tổng quan về tín hiệu điện tim ECG 1.1.1 . Giới thiệu chung về các thông số và hình dạng của các sóng ECG Tín hiệu điện tim ECG (ElectroCardioGram) chứa thông tin chủ yếu để xác định các bệnh lý về tim mạch. Như trên hình 1.1 tín hiệu điện tim là một đường cong ghi lại sự biến thiên của điện áp do tim sinh ra khi hoạt động, hình dáng chính của tín hiệu điện tim ECG là tổng hợp của các sóng P, phức bộ QRS và sóng T. Trong đó, phức bộ QRS chứa nhiều thông tin quan trọng nhất, cụ thể [4, 57]:  Có 12 chuyển đạo được xây dựng dựa trên vị trí đặt các điện cực, trong đó chuyển đạo tay trái – tay phải là chuyển đạo được quan tâm nhiều nhất vì nó biểu hiện rõ nét nhất các pha co dãn của tim;  Sóng P đại diện cho làn sóng khử cực lan truyền từ nút xoang sang tâm nhĩ. Khoảng PR là khoảng thời gian cần thiết để xung điện đi từ nút xoang qua nút nhĩ thất (AV) vào các tâm thất. Phức bộ QRS là quá trình khử cực tâm thất. Sóng Q đại diện quá trình khử cực từ trái sang phải của vách ngăn liên tâm thất. Sóng R đại diện quá trình khử cực sớm của tâm thất. Sóng S đại diện quá trình khử cực muộn của tâm thất. Đoạn ST là thời điểm tâm thất được khử cực hoàn toàn và đoạn này có điện thế trùng với đường đẳng điện. Khoảng QT là thời gian xảy ra cả hai quá trình khử cực và tái cực tâm nhĩ. Sóng T đại diện tái cực thất và thời gian kéo dài hơn so với quá trình khử cực;  Một tín hiệu ECG bình thường có các thông số cơ bản như sau: - 6 -
Chương I: Tổng quan về các phương pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG - Số nhịp tim trung bình của một người bình thường là từ 50÷100 nhịp/phút; - Biên độ (mV): Phức bộ QRS < 1,5; sóng P < 0,25; sóng Q bằng khoảng 25 % so với sóng R kế đó, cuối cùng sóng T có giá trị trong khoảng 0,1÷0,5; - Thời gian tồn tại (ms): Phức bộ QRS là 50 ÷ 100, P-R là 120 ÷ 200, Q- T là 350÷440, S-T là 50÷150, sóng P < 120. Hình 1.1: Hình dáng và thành phần chính của tín hiệu điện tim ECG 1.1.2 . Một số yếu tố ảnh hướng đến tín hiệu điện tim Tín hiệu điện tim thường có lẫn nhiều loại nhiễu khác nhau. Một số nguyên nhân chính gây nhiễu trong quá trình thu thập tín hiệu điện tim ECG [48]:  Ảnh hưởng do hệ hô hấp và cử động của người bệnh: Khi vận động bề mặt da thường bị co dãn, do đó sẽ sinh ra một sự biến đổi trên bề mặt tiếp xúc với điện cực đo điện tim nhất là khi điện cực được gắn trước ngực. Sự thay đổi này làm cho điện trở tương đương và giá trị điện dung ký sinh trên điện cực biến thiên, những ảnh hưởng này gây ra trôi dạt đường cơ sở, làm thay đổi biên độ và hình dáng của tín hiệu điện tim;  Ảnh hưởng do tâm lý: Khi bệnh nhân bị căng thẳng, lo sợ hoặc mất bình tĩnh sẽ gây run cơ, tạo nhiễu sóng cơ. Dải tần của loại nhiễu này thường nằm trong dải 20÷30Hz; - 7 -