ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

Hồng Văn Mạnh

NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2022


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

Hồng Văn Mạnh

NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG CỤM TÍN HIỆU QRS
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÂM ĐỒ GẮNG SỨC

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 9520101.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội – 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là cơng trình nghiên
cứu của tơi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả
trình bày trong luận án hồn tồn trung thực và chưa được cơng bố trong các
cơng trình trước đây. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.
Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2022

NCS. Hoàng Văn Mạnh


ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn đã tận
tình giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học đã
có các góp ý quý báu cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình,
bạn bè đã ln động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ nghiên cứu sinh vượt qua
khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong luận án.

NCS. Hoàng Văn Mạnh


iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1
5

Điện tâm đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.1.1

Hoạt động điện của tim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5


1.1.2

Mô tả tín hiệu điện tâm đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.2

Điện tâm đồ gắng sức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3

Một số phương pháp tự động nhận dạng QRS và trích

1.1

xuất các thành phần tín hiệu ECG điển hình . . . . . . . . 11

1.4

1.3.1

Phương pháp lấy ngưỡng trong miền thời gian . . . . . . . 12

1.3.2

Phương pháp phân tích phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15


1.3.3

Phân tích thành phần chính . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Cơ sở dữ liệu ECG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1

Cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp tim MIT-BIH . . . . . . . . . . 17

1.4.2

Cơ sở dữ liệu đa chuyển đạo CSE . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.3

Cơ sở dữ liệu PTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.4.4

Cơ sở dữ liệu điện tâm đồ gắng sức GUDB . . . . . . . . . 21

1.5

Những vấn đề cịn tồn tại và giải pháp cơng nghệ . . . . . . . . . . 23

1.6

Kết luận Chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25


CHƯƠNG 2. LỌC NHIỄU TÍN HIỆU

26


iv
2.1

Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1

Nhiễu lưới điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.2

Nhiễu trôi đường cơ sở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.3

Nhiễu điện cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1.4

Nhiễu do dịch chuyển điện cực . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2

Thuật toán lọc EDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3


Thuật toán lọc EDNSS sửa đổi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4

Kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5

2.4.1

Các tham số đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.2

Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu mô phỏng . . . . . . . . . . . 34

2.4.3

Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu điện tâm đồ gắng sức . . . . 38

Kết luận Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH PHỨC BỘ QRS
3.1

46

Quy trình xác định vị trí phức bộ QRS . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1


Giai đoạn tiền xử lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.1.2

Giai đoạn xác định các đỉnh là ứng viên cho phức bộ QRS

3.1.3

Giai đoạn loại bỏ các đỉnh không phải là phức bộ QRS . . 57

52

3.2

Xử lý vấn đề liên quan tới QRS đầu và cuối . . . . . . . . . . . . . 59

3.3

Nhận dạng phức bộ QRS đối với hệ thống tín hiệu ECG
đa chuyển đạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.4

3.5

Kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.1

Các tham số đánh giá hiệu suất của thuật toán . . . . . . 64


3.4.2

Thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu ECG nghỉ MIT-BIH . . . . 65

3.4.3

Thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu ECG gắng sức GUDB . . . 70

3.4.4

Thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu ECG đa chuyển đạo . . . . 82

Kết luận Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

CHƯƠNG 4. ĐO CÁC SÓNG THÀNH PHẦN
4.1

89

Biến đổi Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89


v
4.2

4.3

Nguyên lý xác định các thành phần sóng ECG . . . . . . . 91
4.2.1


Xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc phức bộ QRS . . . 93

4.2.2

Xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc sóng P . . . . . . . 94

4.2.3

Xác định thời điểm kết thúc sóng T . . . . . . . . . . . . . 96

Đo các sóng thành phần trong hệ thống tín hiệu ECG đa
chuyển đạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.4

4.5

Kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.1

Một số ví dụ phân tích các sóng thành phần tín hiệu ECG 99

4.4.2

Đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Kết luận Chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

KẾT LUẬN


111

CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

113

TÀI LIỆU THAM KHẢO

114

PHỤ LỤC

P1

A.1 Mã nguồn xác định vị trí phức bộ QRS . . . . . . . . . . . . . . . P1
A.2 Mã nguồn xác định các điểm quan trọng . . . . . . . . . . . . . . . P3
A.3 Mã nguồn thực hiện phép phân tích nhóm . . . . . . . . . . . . . . P9


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ECG

Electrocardiogram

Điện tâm đồ


SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SVM

Support Vector Machine

Máy vectơ hỗ trợ

CWT

Continuous Wavelet Transform

Biến đổi wavelet liên tục

DWT

Discrete Wavelet Transform

Biến đổi wavelet rời rạc

EMD

Empirical Mode Decomposition

Phân tích dạng kinh nghiệm


IMFs

Intrinsic Mode Functions

Hàm dạng

HHT

Hilbert-Huang Transform

Biến đổi Hilbert-Huang

PCA

Principal Component Analysis

Phân tích thành phần chính

CSE

Common Standards for

Tiêu chuẩn định lượng ECG

Quantitative Electrocardiography
EMG

Electromyography

Điện cơ


EDNSS

Error-Data Normalized Step-Size

Biến thể của bộ lọc LMS

EMSEss Steady State Excess Mean
Square Error

Sai số bình phương trung bình
vượt quá trạng thái ổn định


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Dạng sóng và thời lượng điện thế hoạt động tại các vùng

khác nhau của tim và chu kỳ tim liên quan của điện tâm đồ [47] .

6

Hình 1.2

Vị trí đặt các điện cực của hệ thống ECG 12 chuyển đạo [40]


7

Hình 1.3

Dạng sóng ECG của một người khỏe mạnh [78] . . . . . . .

8

Hình 1.4

Phổ cơng suất của sóng P, phức bộ QRS và sóng T [78] . . .

9

Hình 1.5

Đáp ứng điện tâm đồ trong quá trình kiểm tra gắng sức: a)

người khỏe mạnh; và b) người mắc chứng bệnh thiếu máu cục bộ
cơ tim [78] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Hình 1.6

Cấu trúc chung cho bộ dò phức bộ QRS [39] . . . . . . . . . 12

Hình 1.7

Lắp đặt thiết bị và tín hiệu ECG đo được [33] . . . . . . . . 23

Hình 2.1


Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu lưới điện 60 Hz và phổ công suất 27

Hình 2.2

a) Tín hiệu ECG bị nhiễm nhiễu trơi đường cơ sở do chuyển

động cơ thể đột ngột. b) Ảnh cận cảnh theo thời gian của đoạn
dữ liệu được đóng khung trong hình a) [78] . . . . . . . . . . . . . 28
Hình 2.3

Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu điện cơ . . . . . . . . . . . . . . . 29

Hình 2.4

Tín hiệu ECG nhiễm nhiễu do dịch chuyển điện cực gây ra . 30

Hình 2.5

Bộ lọc nhiễu thích nghi sử dụng thuật tốn EDNSS [72] . . 31

Hình 2.6

So sánh giá trị M giữa hai thuật tốn . . . . . . . . . . . . . 36

Hình 2.7

So sánh giá trị EMSEss giữa hai thuật toán . . . . . . . . . . 36

Hình 2.8


Kết quả lọc của các thuật toán với nhiễu 6dB: a) ECG gốc,

b) nhiễu tham chiếu, c) ECG nhiễm nhiễu, d) đầu ra EDNSS, e)
đầu ra MEDNSS, f) giá trị EMSE của EDNSS và g) giá trị EMSE
của MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38


viii
Hình 2.9

Kết quả lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc bản ghi GUDB_HB_25:

a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d)
MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Hình 2.10 Kết quả lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc bản ghi GUDB_HB_25:
a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d)
MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Hình 2.11 Kết quả lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc bản ghi GUDB_WK_23:
a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d)
MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Hình 2.12 Kết quả lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc bản ghi GUDB_WK_23:
a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d)
MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Hình 2.13 Kết quả lọc với tín hiệu Chest Strap thuộc bản ghi GUDB_JG_23:
a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d)
MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Hình 2.14 Kết quả lọc với tín hiệu Eithoven II thuộc bản ghi GUDB_JG_23:
a) tín hiệu ECG gốc, b) nhiễu tham chiếu, c) EDNSS, và d)
MEDNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Hình 2.15 So sánh giá trị EMSEss giữa hai bộ lọc khi thử nghiệm với:

a) tín hiệu Chest Strap và b) tín hiệu Einthoven II . . . . . . . . . 43
Hình 2.16 So sánh giá trị M giữa hai bộ lọc khi thử nghiệm với: a) tín
hiệu Chest Strap và b) tín hiệu Einthoven II . . . . . . . . . . . . 44
Hình 2.17 So sánh giá trị EMSEss khi thử nghiệm bộ lọc MEDNSS
trên tín hiệu Chest Strap và Einthoven II . . . . . . . . . . . . . . 45
Hình 3.1

Quy trình nhận dạng vị trí phức bộ QRS . . . . . . . . . . . 47

Hình 3.2

Các phép chuyển đổi năng lượng [68] . . . . . . . . . . . . . . 50


ix
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] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Hình 3.4

Kết quả thực hiện các bước của giai đoạn tiền xử lý: a) tín

hiệu ECG, b) năng lượng Shannon và c) tín hiệu sau bộ lọc trung
bình. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn nhịp
tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Hình 3.5

Nguyên lý xác định các đỉnh trội . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Hình 3.6

Các bước tiến hành thuật tốn xác định đỉnh trội: a) tín

hiệu ECG gốc; b) xác định các cực đại địa phương; c) xác định
các cực đại trội. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu
rối loạn nhịp tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Hình 3.7

Kết quả quá trình tìm kiếm lại các ứng viên cho vị trí phức

bộ QRS. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 trong cơ sở dữ liệu rối loạn
nhịp tim MIT-BIH [54] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Hình 3.8

Mối quan hệ giữa độ chính xác với các hệ số α và β : (a)

MIT-BIH [54]; (b) Glasgow University Database (GUDB) [33] . . 58
Hình 3.9

Kết quả xác định phức bộ QRS: a) Tín hiệu ECG gốc; b)

Tín hiệu có chứa các phức bộ QRS giả; c) Kết quả sau khi loại bỏ
đỉnh giả. Dữ liệu lấy từ tín hiệu 105 của cơ sở dữ liệu MIT-BIH [54] 59
Hình 3.10 Các phức bộ QRS chưa đầy đủ dữ liệu . . . . . . . . . . . . 60
Hình 3.11 Kết quả xử lý với phức bộ QRS đầu khơng đủ dữ liệu hồn

chỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Hình 3.12 Kết quả xử lý với phức bộ QRS cuối khơng đủ dữ liệu hồn
chỉnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Hình 3.13 Sơ đồ hình cây nhóm phân cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . 63


x
Hình 3.14 Xác định vị trí QRS từ các bản ghi có nhịp bất thường khác
nhau trong cơ sở dữ liệu MIT-BIH: a) 106, b) 109, c) 119, d) 207,
e) 232, và f) 233 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Hình 3.15 Ví dụ phát hiện sai vị trí một số phức bộ QRS từ các bản
ghi khác nhau trong cơ sở dữ liệu MIT-BIH: a) 104, b) 105, c)
203 và d) 208. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Hình 3.16 Kết quả nhận dạng phức bộ QRS đối với một đoạn trong
tín hiệu GUDB_ST_01: a) chuyển đạo Chest Strap, b) chuyển
đạo Einthoven II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Hình 3.17 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_ST_12:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 72
Hình 3.18 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_MT_20:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 73
Hình 3.19 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_MT_25:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 74
Hình 3.20 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_HB_01:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 74
Hình 3.21 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_HB_02:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 75
Hình 3.22 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_WK_02:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 76
Hình 3.23 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_WK_21:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 77

Hình 3.24 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_JG_08:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 78
Hình 3.25 Kết quả tìm kiếm đối với một đoạn trong tín hiệu GUDB_JG_25:
a) chuyển đạo chest strap, b) chuyển đạo Einthoven II . . . . . . . 79
Hình 3.26 So sánh giá trị Se giữa Chest Strap và Einthoven II . . . . . 81
Hình 3.27 So sánh giá trị P + giữa Chest Strap và Einthoven II . . . . . 81


xi
Hình 3.28 So sánh giá trị ACC giữa Chest Strap và Einthoven II . . . 82
Hình 3.29 So sánh giá trị DER giữa Chest Strap và Einthoven II . . . 82
Hình 3.30 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS cục bộ đối với các chuyển
đạo X, Y và Z của tín hiệu MO1_034_03 . . . . . . . . . . . . . . 83
Hình 3.31 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS tồn cục đối với các chuyển
đạo X, Y và Z của tín hiệu MO1_034_03 . . . . . . . . . . . . . . 84
Hình 3.32 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS cục bộ đối với các chuyển
đạo I, II và III của tín hiệu MO1_034_12 . . . . . . . . . . . . . . 85
Hình 3.33 Kết quả tìm kiếm phức bộ QRS toàn cục đối với các chuyển
đạo I, II và III của tín hiệu MO1_034_12 . . . . . . . . . . . . . . 85
Hình 4.1

Biểu diễn phức của đường bao . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Hình 4.2

Sơ đồ thực hiện thuật tốn phân tích tín hiệu ECG . . . . . 92

Hình 4.3

Quy tắc xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc phức bộ QRS 93


Hình 4.4

Ví dụ xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc phức bộ QRS

Hình 4.5

Quy tắc xác định vị trí, thời điểm bắt đầu và kết thúc sóng P 96

Hình 4.6

Ví dụ xác định vị trí, thời điểm bắt đầu và kết thúc sóng P

Hình 4.7

Quy tắc xác định vị trí và thời điểm kết thúc sóng T . . . . 98

Hình 4.8

Ví dụ xác định vị trí và thời điểm kết thúc sóng T . . . . . . 98

Hình 4.9

Tín hiệu GUDB_ST_25: a) Chest Strap và b) Einthoven II 100

94

96

Hình 4.10 Tín hiệu GUDB_MT_19: a) Chest Strap và b) Einthoven II 100

Hình 4.11 Tín hiệu GUDB_HB_23: a) Chest Strap và b) Einthoven II 101
Hình 4.12 Tín hiệu GUDB_WK_21: a) Chest Strap và b) Einthoven II101
Hình 4.13 Tín hiệu GUDB_JG_25: a) Chest Strap và b) Einthoven II 102
Hình 4.14 Phân tích tín hiệu MO1_009_03, đơn kênh, chuyển đạo X,
Y, Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Hình 4.15 Phân tích tín hiệu MO1_009_03, đa kênh, chuyển đạo X,
Y, Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Hình 4.16 Phân tích tín hiệu MO1_009_12, đơn kênh, chuyển đạo I,
II, III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104


xii
Hình 4.17 Phân tích tín hiệu MO1_009_12, đa kênh, chuyển đạo I,
II, III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Hình 4.18 Biểu đồ biểu diễn độ lệch cho các chuyển đạo trực giao . . . 107
Hình 4.19 Biểu đồ biểu diễn độ lệch cho các chuyển đạo tiêu chuẩn . . 108


xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1

Sự phân bố các nhóm dữ liệu của cơ sở dữ liệu CSE tiêu

chuẩn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Bảng 1.2

Tiêu chí đo các sóng thành phần trong cơ sở dữ liệu CSE [66] 20


Bảng 1.3

Kết quả chẩn đoán cơ sở dữ liệu PTB . . . . . . . . . . . . . 21

Bảng 2.1

So sánh giá trị EMSEss và M giữa hai thuật toán lọc . . . . 35

Bảng 2.2

So sánh các giá trị EMSEss và M giữa hai thuật toán . . . 42

Bảng 3.1

Kết quả thực hiện thuật toán trên cơ sở dữ liệu MIT-BIH . 68

Bảng 3.2

So sánh hiệu suất các thuật toán trên cơ sở dữ liệu MIT-BIH 70

Bảng 3.3

Kết quả thử nghiệm thuật toán trên cơ sở GUDB [33] . . . 80

Bảng 3.4

Kết quả thử nghiệm thuật tốn trên nhóm dữ liệu số 3 của

cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn CSE [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Bảng 3.5

So sánh kết quả đạt được với một số nhóm tác giả khác . . 87

Bảng 4.1

Ngưỡng sử dụng xác định QRSonset và QRSoffset

Bảng 4.2

Các ngưỡng được sử dụng để xác định vị trí sóng P . . . . . 95

Bảng 4.3

Các ngưỡng sử dụng cho thuật toán xác định vị trí sóng T . 97

Bảng 4.4

Kết quả thử nghiệm thuật tốn nhận dạng các sóng thành

. . . . . 94

phần trên tập dữ liệu kiểm thử thuộc nhóm dữ liệu số 3 của sơ
sở dữ liệu CSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Bảng 4.5

So sánh kết quả thuật toán đề xuất với một số nghiên cứu

khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Bảng 4.6


So sánh kết quả thử nghiệm thuật toán với các nghiên cứu

khác sử dụng điểm tham chiếu từ các bác sĩ tim mạch . . . . . . . 110


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Điện tâm đồ (ECG) là một trong số những công cụ không xâm lấn quan trọng
được sử dụng phổ biến để chẩn đoán các chứng bệnh liên quan tới tim mạch.
Tuy nhiên, những bất thường tim mạch khơng phải lúc nào cũng có thể phát
hiện được khi người bệnh ở trạng thái nghỉ. Vì vậy, nghiệm pháp gắng sức điện
tâm đồ thường được sử dụng trong những trường hợp như vậy nhằm phát hiện
sự bất thường và đánh giá chức năng tim. Đứng trên quan điểm lâm sàng, thơng
tin hữu ích thu nhận được từ tín hiệu ECG bao gồm biên độ và thời lượng của
các sóng thành phần. Trong đó, phức bộ QRS là thành phần mang nhiều thơng
tin hữu ích nhất. Đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm tự động nhận
dạng phức bộ QRS và đo các sóng thành phần của tín hiệu ECG ứng dụng cho
các thiết bị theo dõi tín hiệu điện tim.
Kết quả nhận được sau quá trình xác định vị trí phức bộ QRS và đo các sóng
thành phần là một tập các giá trị mơ tả các điểm quan trọng của tín hiệu ECG.
Bộ giá trị này sau đó được sử dụng bởi các phương pháp phân tích và đánh giá
ECG tự động. Độ tin cậy của các phương pháp này phụ thuộc nhiều vào chất
lượng của các thuật tốn đo tín hiệu ECG. Yếu tố này thường được đánh giá
thông qua hai tham số bao gồm độ tin cậy và độ chính xác của kết quả xác định
các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG. Để có thể đo được các sóng thành
phần của tín hiệu ECG thì một bộ dị vị trí phức bộ QRS chất lượng cao đóng
vai trị rất quan trọng. Độ tin cậy của bộ dò sẽ ảnh hưởng tới độ tin cậy của

việc phát hiện các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG.
Trong nhiều năm trở lại đây đã có nhiều thuật tốn tự động nhận dạng vị trí
phức bộ QRS trong hệ thống ECG tĩnh theo các phương pháp khác nhau được


2
đề xuất. Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu và thử nghiệm trên hệ thống tín hiệu
ECG gắng sức thì lại rất hạn chế và thường đem lại kết quả không tốt. Điều
này cho thấy đây vẫn là một lĩnh vực tương đối hấp dẫn và khả năng cải thiện
hiệu suất của các thuật tốn hiện có vẫn chưa được khai thác hết.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Luận án được thực hiện nhằm đề xuất một phương án tự động nhận dạng
phức bộ QRS có thể sử dụng trong cả hệ thống tín hiệu ECG tĩnh và gắng sức
với các mục tiêu cụ thể bao gồm:
• Áp dụng thuật tốn lọc thích nghi vào giảm ảnh hưởng của nhiễu do dịch

chuyển điện cực gây ra tới chất lượng tín hiệu ECG gắng sức.
• Đề xuất phương án tự động nhận dạng phức bộ QRS trong hệ thống tín

hiệu ECG theo cách tiếp cận mới. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu
suất của phương án đề xuất trên cả cơ sở dữ liệu ECG gắng sức cũng như
tĩnh và so sánh kết quả đạt được với một số nghiên cứu khác.
• Đề xuất phương pháp xác định các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG.

Sửa đổi thuật tốn để có thể sử dụng với hệ thống tín hiệu ECG có số lượng
chuyển đạo bất kỳ nhằm tăng hiệu quả thuật toán.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là tự động nhận
dạng các phức bộ QRS trong hệ thống ECG gắng sức cũng như tĩnh.

Phạm vi nghiên cứu: Một số kỹ thuật tiền xử lý tín hiệu, xác định vị trí phức
bộ QRS và các điểm quan trọng của tín hiệu ECG.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện mục tiêu đề ra, luận án đã chọn phương pháp nghiên cứu đi từ
lý thuyết, đề xuất giải pháp, triển khai thử nghiệm và hiệu chỉnh các tham số


3
nhằm phân tích thống kê các kết quả đạt được làm cơ sở cho việc phân tích tín
hiệu và hỗ trợ chẩn đoán bệnh liên quan tới tim mạch. Đối với nghiên cứu lý
thuyết, các vấn đề như đặc điểm của tín hiệu ECG, xử lý nhiễu trong tín hiệu,
một số phương pháp tự động phát hiện phức bộ QRS và các điểm quan trọng
của tín hiệu ECG sẽ được nghiên cứu. Đối với phần thực nghiệm, các đề xuất
sẽ được thử nghiệm, đánh giá, và so sánh với các thuật toán khác trên cơ sở dữ
liệu ECG tĩnh và gắng sức tiêu chuẩn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Hiện nay, số lượng nghiên cứu trong và ngoài nước liên
quan tới vấn đề tự động nhận dạng phức bộ QRS cũng như xác định các điểm
quan trọng đối với hệ thống tín hiệu ECG gắng sức còn hạn chế. Luận án này
được thực hiện một cách có hệ thống từ việc áp dụng bộ lọc thích nghi vào loại
bỏ ảnh hưởng của nhiễu gây ra do sự chuyển dịch của các điện cực cho tới đề
xuất phương án tự động nhận dạng phức bộ QRS cũng như xác định các điểm
quan trọng của tín hiệu ECG theo cách tiếp cận mới.
Ý nghĩa thực tiễn: Độ chính xác kết quả tự động chẩn đốn tình trạng sức
khỏe của người bệnh phụ thuộc vào chất lượng và độ tin cậy của thuật tốn
sử dụng. Vì vậy, đề xuất một giải pháp mới nhằm nhận dạng tự động phức bộ
QRS và phân tích tín hiệu ECG chất lượng cao có ý nghĩa quan trọng trong
thực tiễn, góp phần bổ sung giải pháp hỗ trợ các bác sĩ trong q trình khám,
chẩn đốn, điều trị cho người bệnh.
Bố cục của luận án

Nội dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương cùng với các
phần mở đầu, kết luận và định hướng nghiên cứu, các công bố khoa học cũng
như tài liệu tham khảo. Nội dung chi tiết của các phần như sau:
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, ý nghĩa khoa học và thực


4
tiễn, tóm tắt nội dung nghiên cứu cũng như bố cục của luận án.
Chương 1: Trình bày ngắn gọn các nội dung liên quan tới q trình hình
thành tín hiệu ECG cũng như các phương pháp nổi bật nhằm tự động nhận
dạng phức bộ QRS, xác định năm điểm quan trọng của các sóng thành phần và
các cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn được sử dụng trong luận án.
Chương 2: Thực hiện giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu gây ra do sự
dịch chuyển điện cực đo sử dụng bộ lọc thích nghi.
Chương 3 và 4: Đề xuất và thực hiện phương án tự động xác định phức
bộ QRS cũng như các điểm quan trọng có trong tín hiệu ECG. Nguyên lý hoạt
động, kết quả đạt được, đánh giá và so sánh với một số phương pháp khác cũng
sẽ được trình bày chi tiết.
Kết luận và định hướng nghiên cứu: Kết luận cùng với những đóng góp
mới cũng như định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án.


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Nội dung chương này trình bày tóm tắt một số thơng tin liên quan tới q
trình hình thành và đặc điểm chính của tín hiệu ECG. Kết quả của một số cơng
trình nghiên cứu điển hình, những vấn đề cịn tồn tại và giải pháp công nghệ
được sử dụng trong luận án để giải quyết vấn đề cũng được thảo luận. Ngoài ra,

phần này cũng giới thiệu một số cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn được sử dụng.

1.1. Điện tâm đồ
Điện tâm đồ (ECG) mô tả hoạt động điện của tim được ghi lại bởi các điện
cực đặt trên bề mặt cơ thể. Sự thay đổi điện thế đo được bởi các điện cực là do
thế hoạt động của các tế bào cơ tim bị kích thích gây ra do sự co thắt của các
tế bào. Điều này dẫn tới hình thành các chu kỳ tín hiệu ECG với chuỗi các sóng
có hình thái cũng như thời lượng chứa thơng tin hữu ích được sử dụng để chẩn
đoán các chứng bệnh liên quan tới tim mạch.

1.1.1. Hoạt động điện của tim
Tim là một cơ quan hữu dụng có nhiệm vụ chính là bơm máu đi khắp cơ
thể nhằm mang các chất dinh dưỡng và oxy cần thiết đến các mô cũng như vận
chuyển các chất thải chuyển hóa và carbon dioxide ra ngồi. Tim được cấu tạo
chủ yếu bởi các mô cơ, được gọi là cơ tim. Tim bao gồm 4 ngăn, 2 ngăn phía
trên được gọi là tâm nhĩ phải và tâm nhĩ trái, 2 ngăn phía dưới là tâm thất
phải và tâm thất trái. Thành tim được cấu tạo từ các tế bào cơ tim có nhiệm
vụ phát triển lực cơ học trong q trình co bóp của tim. Cơ tim cũng chứa các
tế bào cơ đặc biệt cho phép lan truyền nhanh các xung điện khắp tim.


6
Mỗi chu kỳ tim bao gồm 2 giai đoạn có thể mô tả theo thuật ngữ điện học
(khử cực và tái cực) hoặc thuật ngữ cơ học (co và giãn). Quá trình khử cực được
thể hiện qua sự thay đổi nhanh điện thế màng tế bào (−90 mV đến 20 mV trong
1 ms) và hình thành giai đoạn đầu điện thế hoạt động của tim [78]. Sự thay đổi
điện thế nhanh chóng này dẫn tới q trình khử cực của các tế bào xung quanh
và kết quả là xung điện sẽ được lan truyền từ tế bào này sang tế bào khác của
cơ tim. Tiếp sau quá trình khử cực là quá trình tái cực khi điện thế màng tế
bào dần trở lại giá trị nghỉ của nó. Hình 1.1 biểu diễn dạng sóng cũng như thời

lượng điện thế hoạt động tại các vùng khác nhau của tim.

Hình 1.1: Dạng sóng và thời lượng điện thế hoạt động tại các vùng khác nhau
của tim và chu kỳ tim liên quan của điện tâm đồ [47]
Khởi đầu cho mỗi chu chuyển tim bắt đầu từ một nhóm tế bào có khả năng
tự phát xung điện (nút xoang nhĩ). Quá trình khử cực sẽ lan truyền dọc theo
các sợi cơ nhĩ và chậm lại khi đi qua nút nhĩ thất. Sóng khử cực sẽ lan nhanh
theo mơ dẫn truyền biệt hóa (bó His), tách thành nhánh phải và nhánh trái


7
trong vách liên thất. Trong khối cơ tâm thất, sự dẫn truyền chậm hơn, dọc theo
mơ biệt hóa gọi là ‘những sợi Purkinje’.

1.1.2. Mơ tả tín hiệu điện tâm đồ
Hoạt động điện của tim được đo bởi các điện cực đặt trên bề mặt cơ thể. Hiệu
điện thế giữa mỗi cặp điện cực được gọi là chuyển đạo. Phụ thuộc vào số lượng
và vị trí đặt các điện cực đo mà có các hệ thống ECG khác nhau. Hệ thống
được sử dụng phổ biến nhất là hệ thống 12 chuyển đạo tiêu chuẩn bao gồm 3
chuyển đạo chi (I, II, III), 3 chuyển đạo chi tăng cường (aVL, aVR, aVF) và 6
chuyển đạo trước ngực (V1-6). Ngoài ra, hệ thống các chuyển đạo trực giao với
3 chuyển đạo vng góc X, Y và Z cũng được sử dụng rộng rãi.

Hình 1.2: Vị trí đặt các điện cực của hệ thống ECG 12 chuyển đạo [40]
Hiện tượng điện xảy ra bên trong trái tim được đo trên bề mặt cơ thể biểu
hiện các dao động khác nhau và tạo thành dạng sóng ECG như Hình 1.3. Chu
kỳ tim bắt đầu với sóng P đại diện cho q trình khử cực tâm nhĩ. Quá trình
khử cực tâm thất thường biểu hiện một loạt 3 dao động nhanh Q, R, S và được
gọi chung là phức bộ QRS. Tiếp theo là sóng T, đại diện cho quá trình tái cực.
Tái cực tâm nhĩ thường khơng thể hiện rõ trên tín hiệu ECG bởi diễn ra cùng



8
lúc với phức bộ QRS. Kích thước của các sóng được đo so với đường đẳng điện
(một đoạn ngắn không có hoạt động điện ngay trước phức bộ QRS).

Hình 1.3: Dạng sóng ECG của một người khỏe mạnh [78]
Sóng P là biểu hiện của quá trình khử cực dần dần tâm nhĩ. Kích thước
sóng đơn pha mịn này thường khơng cao hơn 300 µV và thời lượng khơng q
120 ms [78]. Sóng P là sóng có phổ tần số thấp 10−15 Hz [78] (Hình 1.4).
Phức bộ QRS phản ánh quá trình khử cực của tâm thất và thời lượng
thường vào khoảng 70−110 ms [78]. Thành phần lệch âm đầu tiên của phức bộ
QRS được gọi là sóng Q và dao động dương đầu tiên được gọi là sóng R. Thành
phần lệch âm theo sau sóng R được gọi là sóng S (Hình 1.3). Tuy nhiên, hình
thái của phức bộ QRS có thể thay đổi phụ thuộc vào nguồn gốc của nhịp tim.
Phức bộ QRS là thành phần nổi bật nhất của tín hiệu ECG và kích thước biên
độ vào khoảng 2−3 mV [78]. Biên độ của phức bộ QRS là cao và có các cạnh
dốc hơn so với các thành phần khác của tín hiệu ECG. Tần số của phức bộ QRS
tập trung trong khoảng 10−50 Hz [78, 83] (Hình 1.4).
Sóng T được hình thành trong giai đoạn tái cực trở lại điện thế nghỉ của cơ
tâm thất và kéo dài khoảng 300 ms sau phức bộ QRS [78]. Vị trí của sóng T


9
phụ thuộc nhiều vào nhịp tim. Ở tần số cao, vị trí sóng T gần phức bộ QRS và
thời lượng của nó ngắn hơn. Dạng thơng thường của sóng T trong hầu hết các
chuyển đạo là tròn và lệch dương. Sóng T là thành phần tín hiệu thay đổi chậm
có tần số thấp trong khoảng 0,5−3 Hz [15].

complex


Hình 1.4: Phổ cơng suất của sóng P, phức bộ QRS và sóng T [78]

1.2. Điện tâm đồ gắng sức
Nghiệm pháp gắng sức điện tâm đồ được sử dụng với mục đích “ép buộc” hệ
thống tim mạch hoạt động ở cường độ cao để kích thích các triệu chứng hay
thay đổi dạng tín hiệu ECG nhằm cung cấp thơng tin chẩn đốn và tiên lượng
mà chỉ có thể nhận được khi gắng sức. Khi cơ thể làm việc nhiều hơn, lưu lượng
máu mạch vành tăng lên để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất cao hơn của cơ tim
và bất kỳ yếu tố nào hạn chế lưu lượng máu mạch vành có thể dẫn đến những
thay đổi điện tâm đồ. Với bài kiểm tra gắng sức, có thể đánh giá liệu lượng máu
cung cấp cho các động mạch tim có đủ hay khơng. Khả năng gắng sức (khả
năng chịu đựng của tim phổi) là một trong những yếu tố dự báo tốt nhất về
tình trạng của tim mạch. Ý nghĩa lâm sàng của nghiệm pháp gắng sức mang


10
lại rất lớn và có thể sử dụng trong nhiều trường hợp như chẩn đốn cho những
bệnh nhân có cơn đau thắt ngực, những người có thể đã bị các đợt thiếu máu
cục bộ thầm lặng nhưng chưa được chẩn đốn.
Q trình gắng sức thường được thực hiện với xe đạp hoặc máy chạy bộ, bắt
đầu với cường độ thấp và sẽ tăng dần theo từng mức độ. Trong khi gắng sức, tín
hiệu ECG sẽ được ghi lại và xử lý theo thời gian thực để cung cấp các thông tin
đáng tin cậy cho bác sĩ. Tín hiệu đã xử lý có thể được theo dõi trên màn hình
cùng với các xu hướng mô tả diễn biến theo thời gian của các phép đo ECG
khác nhau, đặc biệt là những thay đổi trong đoạn ST. Nghiệm pháp gắng sức
kết thúc khi bệnh nhân cảm thấy mệt mỏi hay khi xuất hiện các triệu chứng
như đau ngực và khó thở hoặc khi xuất hiện những thay đổi bất thường trong
tín hiệu ECG. Đáp ứng tổng thể đối với quá trình gắng sức được đánh giá theo
khả năng gắng sức tối đa, nhịp tim tối đa, các thay đổi trong tín hiệu ECG,

huyết áp và nhịp hơ hấp. Ngồi ra, thời gian phục hồi sau khi gắng sức cũng
được đánh giá để xác định liệu điện tâm đồ có trở lại trạng thái ban đầu trước
khi gắng sức hay khơng. Hình 1.5 minh họa đáp ứng của tín hiệu ECG ở một
đối tượng khỏe mạnh và một bệnh nhân mắc chứng thiếu máu cục bộ cơ tim.
Đối với trường hợp tín hiệu ECG bình thường, đoạn ST bị lõm xuất hiện trong
quá trình gắng sức gần như đã biến mất sau 4 phút hồi phục. Trong khi đối với
trường hợp bệnh nhân thiếu máu cục bộ, đoạn ST chênh xuống vẫn tồn tại và
hơi dốc xuống sau 4 phút hồi phục.
Không phụ thuộc vào yếu tố nguy cơ truyền thống, khả năng gắng sức là một
trong những yếu tố dự báo tốt nhất về nguy cơ xảy ra các biến cố bất lợi trong
tương lai ở hầu hết các quần thể bệnh nhân, bao gồm cả những người có vẻ khỏe
mạnh. Tuy nhiên, tín hiệu ECG nhận được khi gắng sức ngồi các thơng tin
quan trọng thì cịn chứa một lượng nhiễu lớn gây ra bởi các nguồn nhiễu khác
nhau như nhiễu trôi đường cơ sở, nhiễu điện cơ hay nhiễu do sự dịch chuyển của
các điện cực gây ra. Vì vậy, đề xuất một phương án tự động nhận dạng phức bộ
QRS và các đặc trưng cơ bản có độ chính xác cao có ý nghĩa thiết thực.