Can Nhiễu Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Ghi Tín Hiệu Điện Tim

Chương 1.

Đo tín hiệu điện tim và can nhiễu

Trong cơ thể con người, tim và hoạt động của tim phản ánh các thông tin quan trọng của sức khoẻ, do vậy việc theo dõi, chẩn đoán các bệnh về tim yêu cầu độ chính xác, tin cậy cao. Nhiều chẩn đoán được thực hiện dựa trên việc ghi sóng điện tim trong khi thực tế dạng sóng điện tim trong quá trình ghi luôn bị ảnh hưởng bởi nhiễu, cả nhiễu xác định lẫn nhiễu ngẫu nhiên. Việc nâng cao chất lượng ghi sóng điện tim yêu cầu những hiểu biết căn bản về bản chất của sóng điện tim và can nhiễu. Yêu cầu này là quan trọng trong quá trình nghiên cứu luận án và những kết luận căn bản sẽ được trình bày trong chương này. Phần 1 giới thiệu các đặc điểm của tín hiệu điện tim và các loại nhiễu có liên quan, làm cơ sở cho việc xây dựng các hàm mục tiêu trong các thuật toán lọc nhiễu. Những kiến thức toán học liên quan đến các kết quả nghiên cứu trình bày trong 2 chương sau của luận án sẽ được nêu tóm tắt trong hai phần còn lại của chương này. Nội dung phần 2 bao gồm thuật toán tối thiểu hoá trung bình của bình phương (Tên tiếng Anh là: Least Mean Square, viết tắt tiếng Anh là LMS) và mô hình lọc nhiễu thích nghi sử dụng thuật toán LMS. Phần 3 trình bày cơ sở toán học của phương pháp xác định điểm đột biến thông qua biến đổi sóng nhỏ. Đây là nội dung bổ trợ cho việc trình bày kết quả đạt được trong chương 3. Kết quả này dựa trên phát hiện sự tương đương giữa bài toán lọc nhiễu từ mạng điện công nghiệp bằng bộ lọc thích nghi với bài toán dò điểm đột biến đã được S. Mallat và H. W. Hwang giải quyết trong [23].

1.1. Tín hiệu điện tim

1.1.1. Sự hình thành tín hiệu điện tim.

Tim là tổ chức cơ rỗng, tại đó sự co bóp một cách có thứ tự các cơ sẽ tạo ra áp lực đẩy máu đi qua các bộ phận trên cơ thể. Mỗi nhịp tim được kích thích bởi xung điện từ các tế bào nút xoang tại tâm nhĩ. Các xung điện truyền đến các bộ phận khác của tim và làm cho tim co bóp. Việc ghi tín hiệu điện tâm đồ là việc ghi lại các tín hiệu điện này. Tín hiệu điện tâm đồ mô tả hoạt động điện của tim, và có thể được phân tích thành các thành phần đặc tính có tên là sóng: P, Q, R, S, T. Mỗi thành phần này có đặc trưng riêng, đáp ứng riêng, dấu hiệu của nhịp tim riêng nhưng có chung nguồn gốc là các hiện tượng điện sinh vật (xem [3]).

Hiện tượng điện sinh vật là quá trình hoá lý, hoá sinh phức tạp xảy ra bên trong và ngoài màng tế bào. Quá trình này được mô tả bằng công thức Nerst như sau

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 130 trang tài liệu này.

trong đó:

E  ct nF

ln [K ]o

[K ]i

 0.0615 lg [K ]o , (1.1)

[K i]

Ek : Suất điện động tương đương, được tạo ra do sự chênh lệch nồng độ

ion giữa trong và ngoài màng tế bào.

n : Hoá trị của ion K+, n  1.

K i và K o : Nồng độ của ion K+ ở trong và ngoài màng tế bào (tính

   

bằng mol/l ).

c : Hằng số khí (c 8.31jul / mol ).

t : Nhiệt độ tuyệt đối (tính theo nhiệt độ Kelvil, ở nhiệt độ 370C có

t 3 1 0 0 K ).

F : Hằng số Faraday (96500 Culong/ đương lượng);

Đương lượng = mol/hoá trị.

Tổng hợp tất cả các thành phần suất điện động từ mọi tế bào trong tim đã tạo ra một tín hiệu phản ánh hoạt động của cơ tim, người ta gọi là tín hiệu điện tim.

Tín hiệu điện tim có độ lớn thay đổi theo thời gian và khác nhau tại các điểm trên cơ thể người. Bằng cách đo một số điểm trên cơ thể và theo dõi hình dạng sóng thay đổi theo thời gian, người ta có thể giúp nhận biết được một số tình trạng bệnh lý, hoặc chấn thương.

Các nghiên cứu về tim trong [3] đã chỉ ra rằng tín hiệu điện tim có thể được coi như tổ hợp của các sóng có dải tần từ 0   . Tuy nhiên để lấy đủ thông tin cho việc chẩn đoán của bác sỹ, thông thường dải tần được chọn là 0.05Hz  80Hz . Sóng điện tim có biên độ nhỏ, đỉnh lớn nhất cũng chỉ cỡ

1.5mV  2mV .

Hình 1.1 Dạng sóng điện tim:

Việc đo tín hiệu điện tim được mô tả trong hình 1.2 dưới đây.

Hình 1.2: Mô tả việc ghi tín hiệu điện tim.

1.1.2. Can nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim

Như đã nói ở trên, sóng điện tim có biên độ nhỏ, cho nên rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Các can nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim là:

- Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu nhiên.

- Nhiễu sóng cơ do bệnh nhân mất bình tĩnh khi đo gây ra.

- Nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bệnh nhân gây ra.

- Nhiễu tần số thấp gây trôi đường nền.

- Nhiễu do tồn tại 2 nguồn tạo tín hiệu điện tim trong cùng một cơ thể như ghép tim hoặc do mang thai.

Tuy nhiên qua khảo sát các loại nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim, M. Akay đã chỉ rõ trong [3] rằng lọc nhiễu từ mạng cung cấp điện là cấp bách nhất vì tính chất phổ biến và khó kiểm soát của loại nhiễu này. Các loại can nhiễu còn lại do có dải tần ổn định nên có thể giải quyết triệt để bằng các bộ lọc cố định

1.1.3. Nhiễu tần số 50Hz hoặc 60Hz từ mạng cung cấp điện.

Như đã nói ở trên, thông tin hữu ích nằm trong dải tần thấp, 0.05Hz  100Hz , trong khi mạng cung cấp điện có tần số 50Hz hoặc 60Hz có mặt khắp mọi nơi trong bệnh viện, phòng khám, do đó lưới điện có thể tác động lên thiết bị ghi sóng điện tim

Nếu tiến hành đo điện tim ở những nơi có từ trường mạnh của mạng cung cấp điện thì nhiễu 50Hz hoặc 60Hz sẽ gây ảnh hưởng.

Ta có thể giải thích ảnh hưởng của mạng cung cấp điện như sau: Theo định luật cảm ứng điện từ

trong đó

Vmt 

d t

, (1.2)

Vm t : Điện thế sinh ra do biến thiên từ thông.

t: Hàm mô tả biến thiên từ thông qua diện tích S. Giả sử từ trường B t  vuông góc với mặt S thì:

V t   S dB t, (1.3)

trong đó diện tích bề mặt cơ thể bệnh nhân S là một đại lượng thay đổi ngẫu nhiên tuỳ thuộc vào tư thế, hình dạng và chuyển động của cơ thể.

Nếu từ trường do động cơ hoặc nguồn cung cấp điện tần số f sinh ra, có

dạng

B sin 2ft  thì

Vmt   BS 2fcos 2tf

, (1.4)

trong đó f là tần số của mạng cung cấp điện, cũng là đại lượng thay đổi ngẫu nhiên.

Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiễu từ mạng cung cấp điện

1.1.4. Nhiễu do run cơ

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 luôn nằm trong dải

20Hz 30Hz nên có thể được lọc bằng bộ lọc chắn dải cố định (xem [3]).

1.1.5. Nhiễu do tiếp xúc kém giữa điện cực và bệnh nhân

Nguyên nhân tạo ra can nhiễu loại này là do tiếp xúc kém giữa điện cực và da. Quá trình được mô tả như sau. Bề ngoài của da rất gồ ghề. Lớp biểu bì có cả những tế bào già chết, bụi ... Ngoài ra còn có những sợi lông mọc từ

dưới da. Mồ hôi luôn được bài tiết ra ngoài qua lỗ chân lông. Thành phần của mồ hôi cũng rất phức tạp với những ion chính là K+, Na+ và Cl-. Dựa vào công thức (1.1) có thể dễ dàng thấy rằng lớp tiếp xúc này tạo ra điện thế tiếp xúc. Ngoài ra độ dẫn điện của các tổ chức dưới da cũng gây ra hiện tượng quá thế khi có dòng điện chạy qua.

Lớp tiếp xúc này cũng được phân cực và xuất hiện 2 lớp điện tích trái dấu ở 2 bên tiếp xúc. Khi điện cực chuyển động tương đối với da dẫn đến các điện tích bị xáo trộn cả ở lớp tiếp xúc điện cực – dung dịch và đặc biệt là cả ở lớp tiếp xúc dung dịch – da. Từ đó điện tích sẽ có sự phân bố lại và quá trình này chỉ dừng khi có cân bằng. Thêm vào đó phải tính đến sự thay đổi điện thế nếu như đang có dòng điện chạy qua. Điện thế chênh lệch khi có sự chuyển dịch cơ học tương đối giữa da và điện cực gọi là artifact. Các điện cực được làm bằng vật liệu có điện thế bán pin càng cao thì điện thế artifact càng mạnh và điện thế này thường rất lớn so với tín hiệu điện tim

Qua các mô tả trên của các loại can nhiễu, rõ ràng việc nâng cao chất lượng ghi tín hiệu điện tim phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng lọc nhiễu từ mạng cung cấp điện (xem [3]). Luận án sẽ tập trung xây dựng cơ sở của phương pháp lọc loại nhiễu này và thiết kế các thực nghiệm để đánh giá các đề xuất mới.

1.2. Thuật toán tối thiểu hoá trung bình của bình phương độ lệch.

Các công bố trong [3] đã chỉ ra ảnh hưởng của nhiễu từ mạng điện công

nghiệp là đại lượng thay đổi ngẫu nhiên. Qua công thức 1.4 ta thấy rằng sự

thay đổi của Vm (t )

chịu ảnh hưởng bởi 2 đại lượng ngẫu nhiên là diện tích

tiếp xúc của bệnh nhân S và tần số của mạng điện f . Theo các nghiên cứu trong [3], S phụ thuộc vào hình dáng và sự chuyển động của bệnh nhân trong khi đo. Tuy nhiên sự ảnh hưởng do S thay đổi đã được giảm thiểu đến mức không đáng kể bằng các giải pháp kỹ thuật chuẩn hoá quy trình đo. Do vậy

vấn đề còn lại là loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiễu từ mạng điện công nghiệp với f thay đổi. Nhiễu từ mạng điện công nghiệp, với đặc tính dừng đã thoả mãn điều kiện sử dụng mô hình bộ lọc thích nghi để lọc nhiễu. Do vậy hướng nghiên cứu này đã thu hút được sự quan tâm của nhiều tác giả trong suốt hơn 30 năm qua. Ngay từ năm 1975, B. Widrow đã công bố giải pháp sử dụng

thuật toán tối thiểu hoá trung bình của bình phương độ lệch (Tên tiếng Anh: Least Mean Square, viết tắt là LMS) cho bộ lọc nhiễu thích nghi để giải quyết vấn đề trên. Tuy nhiên, theo như B. Widrow đã đề cập trong [44], vấn đề còn chưa giải quyết được là không thể đồng thời vừa rút ngắn thời gian thích nghi vừa giữ nguyên độ chính xác.

Các yêu cầu ngày càng tăng về chất lượng chẩn đoán y học đã là động

lực thúc đẩy việc cải tiến các mô hình lọc nhiễu thích nghi nhằm đồng thời:

- Rút ngắn thời gian thích nghi.

- Cải thiện độ chính xác và độ ổn định của mô hình.

- Có khả năng giải quyết được thêm một số bài toán lọc nhiễu tín hiệu y sinh khác.

Các mô hình lọc nhiễu sử dụng thuật toán LMS với kích thước bước thay đổi được đánh giá là hướng đi triển vọng vì có độ phức tạp tính toán ở mức thấp, đồng thời vẫn thoả mãn được các yêu cầu về thời gian hội tụ và độ chính xác. Những công bố gần đây trong [8], [10], [12], [18], [29], [33], [39],

[40] và [41] đã khẳng định điều này. Các kết quả trên đã khích lệ chúng tôi đi theo và đã thu được một số kết quả nhất định, được trình bày trong chương 2 và 3. Luận án sẽ trình bày 2 đề xuất và các thực nghiệm khẳng định các kết quả đạt được có tiến bộ hơn về rút ngắn thời gian thích nghi và tăng độ chính xác. Hơn thế nữa, các kết quả này đều có thể sử dụng cho cả bài toán lọc nhiễu tín hiệu điện tim và điện não. Để đảm bảo tính hệ thống của việc trình

bày, trong mục 1.2 này luận án sẽ tóm tắt một số điểm chính của thuật toán

LMS, có liên quan tới các kết quả của chúng tôi.

1.2.1. Tổ hợp thích nghi tuyến tính.

d(n)

x(n)



y(n)



(n)

x(n-1)

x(n-L)

Delay

Trong các hệ thống xử lý tín hiệu thích nghi, tổ hợp thich nghi tuyên tính (Hình 1.4) là phần tử cơ bản, đóng vai trò quan trọng.

Hình 1.4: Tổ hợp thích nghi tuyến tính.

Các mô hình thích nghi được ứng dụng nhiều trên thực tế như: dự đoán, sửa sóng, nhận dạng và lọc nhiễu đều sử dụng các phiên bản của tổ hợp thích nghi tuyến tính. Thuật toán LMS cũng được xây dựng để làm việc trên tổ hợp thích nghi tuyến tính. Cấu tạo chính bao gồm:

 Tín hiệu đầu vào với các phần tử x(n), x n  1,... x n  L  trong đó

n  Z

là biến thời gian rời rạc. x(n)

thường được mô tả qua hàm xung Dirac

như sau:

trong đó:

x(n)  A(n) ,