Luận văn thạc sĩ về giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim và phát hiện nhồi máu cơ tim

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích vật lý kỹ thuật xây dựng giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim phát hiện nhồi máu cơ tim, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Quang Linh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Giải Thuật Nhận Dạng Tín Hiệu Điện Tim Phát Hiện Nhồi Máu Cơ Tim
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhồi máu cơ tim và tín hiệu điện tim

Nhồi máu cơ tim là một trong những bệnh lý phổ biến và nghiêm trọng, có thể dẫn đến tử vong nếu không được phát hiện kịp thời. Tín hiệu điện tim (ECG) là công cụ quan trọng trong việc chẩn đoán bệnh này. Giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim giúp phân tích các mẫu tín hiệu để phát hiện dấu hiệu của nhồi máu cơ tim. Việc sử dụng công nghệ y tế hiện đại cho phép theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách liên tục và hiệu quả. Theo thống kê, tỷ lệ người mắc bệnh nhồi máu cơ tim ở dạng tiềm ẩn rất cao, do đó, việc phát triển các thiết bị tự chẩn đoán là cần thiết. Các giải thuật phức tạp như mạng trí tuệ nhân tạo và biến đổi Wavelet đã được áp dụng, nhưng vẫn cần những giải pháp đơn giản hơn để có thể sử dụng trên các thiết bị di động. Điều này không chỉ giúp bệnh nhân theo dõi sức khỏe mà còn giảm thiểu rủi ro từ những biến chứng nghiêm trọng.

1.1. Tín hiệu điện tim và các phương pháp phát hiện

Tín hiệu điện tim được ghi lại thông qua các điện cực đặt trên cơ thể, cho phép phát hiện các rối loạn nhịp tim và bệnh mạch vành. Phân tích tín hiệu là bước quan trọng trong việc nhận diện các dấu hiệu của nhồi máu cơ tim. Các phương pháp hiện nay bao gồm việc sử dụng công nghệ thông tin để xử lý và phân tích dữ liệu ECG. Tuy nhiên, nhiều giải thuật hiện tại yêu cầu bộ nhớ và tốc độ xử lý cao, điều này gây khó khăn trong việc áp dụng trên các thiết bị di động. Do đó, việc phát triển một giải thuật đơn giản có thể thực hiện trên smartphone là một hướng đi tiềm năng, giúp bệnh nhân có thể tự theo dõi tình trạng sức khỏe của mình một cách dễ dàng và hiệu quả.

II. Xây dựng giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim

Giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim được xây dựng dựa trên nguyên tắc so sánh các mẫu tín hiệu với nhau để phát hiện sớm bệnh lý. Công nghệ y tế hiện đại cho phép thu thập và phân tích dữ liệu ECG một cách nhanh chóng và chính xác. Việc sử dụng máy học và các thuật toán tiên tiến giúp cải thiện độ chính xác trong việc phát hiện nhồi máu cơ tim. Giải thuật này không chỉ đơn thuần là một công cụ chẩn đoán mà còn có thể được lập trình trên các thiết bị di động, giúp bệnh nhân có thể theo dõi tình trạng sức khỏe của mình mọi lúc mọi nơi. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh bệnh nhân có thể không luôn có bác sĩ bên cạnh. Việc phát triển giải thuật này không chỉ mang lại lợi ích cho cá nhân mà còn góp phần vào việc giảm thiểu gánh nặng cho hệ thống y tế.

2.1. Phân tích và thiết kế giải thuật

Quá trình phân tích tín hiệu điện tim bao gồm việc thu thập dữ liệu từ các điện cực và xử lý chúng thông qua các thuật toán. Giải thuật nhận dạng được thiết kế để nhận diện các mẫu tín hiệu đặc trưng của nhồi máu cơ tim. Việc sử dụng công nghệ thông tin trong y tế giúp tối ưu hóa quá trình này, cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác hơn. Các bước trong giải thuật bao gồm thu thập dữ liệu, xử lý tín hiệu, và phân tích kết quả. Điều này không chỉ giúp phát hiện bệnh mà còn cung cấp thông tin hữu ích cho việc điều trị và theo dõi sức khỏe của bệnh nhân. Việc áp dụng giải thuật này trên các thiết bị di động sẽ tạo ra một công cụ hữu ích cho bệnh nhân trong việc tự theo dõi tình trạng sức khỏe của mình.

III. Ứng dụng thực tiễn của giải thuật trong y tế

Giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim có thể được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong việc phát hiện sớm nhồi máu cơ tim. Công nghệ y tế hiện đại cho phép tích hợp giải thuật này vào các thiết bị di động, giúp bệnh nhân có thể tự theo dõi tình trạng sức khỏe của mình. Việc phát hiện sớm các dấu hiệu của nhồi máu cơ tim có thể cứu sống nhiều bệnh nhân, giảm thiểu rủi ro và chi phí điều trị. Hơn nữa, giải thuật này có thể được mở rộng để áp dụng cho các bệnh lý khác, từ đó nâng cao hiệu quả của việc chẩn đoán và điều trị. Sự phát triển của công nghệ thông tin trong y tế không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân mà còn góp phần vào việc nâng cao hiệu quả của hệ thống y tế nói chung.

3.1. Tác động đến bệnh nhân và hệ thống y tế

Việc áp dụng giải thuật nhận dạng tín hiệu điện tim không chỉ mang lại lợi ích cho bệnh nhân mà còn có tác động tích cực đến hệ thống y tế. Bệnh nhân có thể tự theo dõi tình trạng sức khỏe của mình, từ đó chủ động hơn trong việc chăm sóc bản thân. Điều này giúp giảm tải cho các cơ sở y tế, đồng thời nâng cao hiệu quả điều trị. Hơn nữa, việc phát hiện sớm các dấu hiệu của nhồi máu cơ tim có thể giúp giảm thiểu chi phí điều trị và tăng cường sức khỏe cộng đồng. Sự kết hợp giữa công nghệ thông tin và y tế sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Trong thời đại ngày nay, kinh tế phát triển cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật làm cho đời sống ngƣời dân ngày càng tiện nghi. Tuy nhiên mặt trái của sự phát triển đó là cuộc sống ngày càng căng thẳng, môi trƣờng sống ô nhiễm, chế độ dinh dƣỡng không phù hợp vv… làm tỉ lệ ngƣời mang các chứng bệnh tim nhƣ nhồi máu cơ tim, hở van tim, rung thất, rung nhĩ… ngày càng nhiều. Đây là các chứng bệnh rất nguy hiểm có thể gây tử vong nhanh chóng hoặc để lại các biến chứng nguy hiểm nếu không phát hiện và chữa tri kịp thời. Nhữnh bệnh này còn gây tác hại về mặt kinh tế không những cho cá nhân và gia đình ngƣời bị bệnh, mà còn gây những tổn thất thiệt hại lớn trên bình diện quốc gia, xã hội nói chung.

Mặc dù đã đƣợc phát minh và phát triển ứng dụng từ đầu thế kỷ 20 mà đỉnh cao là giải Nobel y học đƣợc trao cho W. Eithoven năm 1924 về phát minh điện tâm đồ (ECG), từ những năm 60 của thế kỷ trƣớc kỹ thuật điện tâm đồ mới thực sự trở thành một trong những phƣơng pháp chẩn đoán y học thƣờng quy với việc sử dụng các điện cực tiếp xúc và sự ra đời của các máy điện tim Holter theo dõi 24 giờ nhằm ghi lại sự thay đổi điện thế của tế bào cơ tim giúp cho việc chẩn đoán các bệnh lý về tim kịp thời. Tuy nhiên cũng nhƣ phần lớn các tín hiệu y sinh, tín hiệu điện tâm đồ thƣờng bị gây rối trong môi trƣờng nhiễu gây khó khăn cho các bác sĩ trong việc chẩn đoán. Các kỹ thuật lọc nhiễu tiên tiến kết hợp cùng các kỹ thuật phân tích kỹ thuật số có thể giúp các chuyên gia y học thu nhận đƣợc tín hiệu điện tim với các đặc trƣng hữu ích với độ tin cậy cao.

Không giống với điện tâm đồ 12 điện cực khi tín hiệu điện tim chỉ đƣợc ghi nhận trong điều kiện bệnh nhân tĩnh, việc theo dõi điện tâm đồ vận động Holter đƣợc thực hiện liên tục trong một khoảng thời gian dài tại nhà bệnh nhân hoặc nơi làm việc của họ. Do đó, bất cứ một nhịp tim hoặc tín hiệu điện tim bất thƣờng nào cũng sẽ đƣợc theo dõi và ghi nhận trong suốt 24 giờ. Xét nghiệm này rất hữu ích để phát hiện các rối loạn nhịp tim tạm thời, những rối loạn không đƣợc phát hiện với điện tim thông thƣờng. Xét nghiệm này đƣợc chỉ định cho những bệnh nhân mắc chứng tim đập nhanh, chóng mặt, mệt từng cơn.

Qua định lƣợng và phân loại bất thƣờng điện tim, máy sẽ có khả năng cung cấp thông tin định lƣợng và định tính về hiệu quả của các loại thuốc đang đƣợc sử dụng. Xét nghiệm cũng hữu ích cho các bệnh nhân mắc bệnh thiếu máu cơ tim cục bộ và không có khả năng thực hiện kiểm tra tim gắng sức. Xét nghiệm này giúp các bệnh nhân vừa tiến hành thủ thuật xong, đặc biệt là những ngƣời vừa trải qua liệu pháp điện sinh lý nhằm xác định xem thủ thuật vừa thực hiện có thành công hay không. 9 Trong những năm gần đây, xuất hiện những dạng máy lai giữa ECG thƣờng quy và máy Holter có khả năng thu nhận điện tim theo thời gian thực, tính toán, tự động chẩn đoán một số nguy cơ bệnh lí với sự trợ giúp của các kỹ thuật công nghệ thông tin.

Các máy đó có khả năng kết nối không dây với máy tính hay điện thoại di động và có thể gửi dữ liệu trực tiếp đến bác sĩ thông qua mạng internet giúp liên lạc giữa bác sĩ và bệnh nhân thƣờng trực hơn (hình M1, M2). Thiết bị và hệ thống TELE-ECG do Chessmedicare nghiên cứu thực hiện Hình M2. Máy đo điện tâm đồ kết nối điện thoại di động truyền tín hiệu bằng kết nối Wifi gần, có thể gửi dữ liệu về bệnh viện. Việc truyền tải dữ liệu thƣờng kết thúc bằng việc ghi nhận lại các tín hiệu ECG của bệnh nhân trên các thiết bị di động, còn việc xử lý đánh giá sẽ do bác sĩ thực hiện qua theo dõi hình ảnh trên màn hình.

Các chƣơng trình xử lý và nhận dạng tín hiệu tự động đƣợc thực hiện bằng các công cụ xử lý kỹ thuật số với những thuật toán tiên tiến nhƣ biến đổi Wavelet, hệ chuyên gia với mạng trí tuệ nhân tạo vv. phần lớn chỉ đƣợc cài đặt trên các máy đo điện tim tĩnh đa kênh. Lý do chính là các phần mềm đó đòi hỏi khả năng máy tính với công suất và bộ nhớ đủ lớn để có thể tính toán nhanh một cách tƣơng ứng. Do vậy, việc nghiên cứu đƣa quá trình xử lý nhận dạng một cách tự động trên các thiết bị di động thực sự cần thiết để phát huy tính năng và hiệu quả của các 10 thiết bị thu nhận điện tim di động, một mặt hỗ trợ mối liên hệ thƣờng trực giữa bệnh nhân và ngƣời điều trị, một mặt có thể giúp cho bệnh nhân chủ động theo dõi tình trạng bệnh lý của mình qua những dấu hiệu, thông tin mang tính cảnh báo và chủ động hơn trong sinh hoạt thƣờng ngày.

Với sự phát triển của các hệ điện thoại di động thông minh (smartphone) hiện nay với tốc độ vi xử lý và bộ nhớ nâng cao đáng kể, việc xây dựng các phần mềm xử lý và đánh giá tín hiệu điện tim cho các thiết bị di động hoàn toàn khả thi. Với mong muốn tiếp cận các giải pháp tối ƣu trong việc đƣa ứng dụng chẩn đoán y học lên smartphone và bƣớc đầu thử nghiệm với việc nhận dạng dấu hiệu nhồi máu cơ tim trong tín hiệu ECG, luận văn đã đề ra mục tiêu là xây dựng giải thuật đơn giản phát hiện dấu hiệu nhồi máu cơ tim để có thể lập trình cho smartphone với hệ điều hành Android với nhiệm vụ cụ thể nhƣ sau:  Khảo sát tổng quan về phát hiện nhồi máu cơ tim qua tín hiệu điện tim.  Xây dựng giải thuật đơn giản nhận dạng tín hiệu điện tim nhằm phát hiện nhồi máu cơ tim.  Thiết lập chƣơng trình nhận dạng phát hiện nhồi máu cơ tim bằng tín hiệu điện tim trên máy tính hệ điều hành Android.

11 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về sự hình thành tín hiệu điện tim 1.1 Giới thiệu chung về điện tâm đồ [1] Điện tâm đồ (ECG – Electrocardiogram) là biểu đồ ghi hoạt động điện phát ra từ tim. Các tín hiệu đƣợc phát hiện bằng cách đặt các điện cực ở chi và thành ngực, sau đó đƣợc khuếch đại và ghi bởi máy đo điện tim. Các chuyển đạo ECG thực chất hiển thị những khác biệt tức thời về điện thế giữa các điện cực.1a Lắp đặt các điện cực vào cơ thể để đo điện tâm đồ Đây là phƣơng pháp chẩn đoán đơn giản, không xâm lấn, rẻ tiền giúp phát hiện các rối loạn nhịp, rối loạn dẫn truyền và bệnh mạch vành, ngoài ra có thể phát hiện những dấu hiệu khác liên quan đến việc những rối loạn chuyển hóa (tăng kali máu) hay tăng nhạy cảm với đột tử do tim (hội chứng QT dài). Tín hiệu điện đƣợc xuất hiện từ các quá trình điện sinh lý sau:  Quá trình khử cực, tái cực: Cơ tim ví nhƣ một tế bào, lúc nghỉ: các ion dƣơng ở ngoài màng tế bào còn các ion âm bị giữ ở trong màng để cân bằng lực hút tĩnh điện; một tế bào nhƣ thế gọi là có cực.

Khi cơ tim bị kích thích sẽ xuất hiện sự khử cực trong đó các ion âm khuyếch tán ra ngoài màng, còn các ion dƣơng khuyếch tán vào trong màng. Tiếp theo các hiện tƣợng khử cực, lại đến sự tái cực cho điện dƣơng xuất hiện trở lại ngoài mặt tế bào, điện âm ở mặt trong nhƣ lúc đầu (Hình 1.1b Khử cực, tái cực ở tế bào (a) (b) (c) (d) (e) Hình 1.1c Các hiện tƣợng có cực khử cực, tái cực trong cơ tim (a) Hiện tƣợng có cực (lúc nghỉ) (b) Đang khử cực (c) Khử cực xong (d) Đang tái cực (e) Tái cực xong Hai hiện tƣợng khử cực và tái cực đều xuất hiện trong thì tâm thu, còn trong kỳ tâm trƣơng, cơ tim ở trong trạng thái có cực nhƣ đã nói trên. Nếu dùng một điện kế để thu những hiện tƣợng trên, ta có một đƣờng biểu diễn gọi là điện tâm đồ. Đƣờng này gồm: - Một đƣờng đẳng điện ứng với hiện tƣợng có cực.

- Đoạn PQ gồm thời gian khử cực nhĩ và truyền xung động từ nhĩ tới thất. - Phức bộ QS: khử cực của tâm thất. - Đoạn ST: thời kỳ khử cực hoàn toàn của thất. - Sóng T: Tái cực của tâm thất.

Để diễn tả từng giai đoạn, ta xét chi tiết về hệ thống truyền dẫn của tim ở phần tiếp theo đây.2 Hệ thống dẫn truyền của tim Nút xoang có hình lƣỡi liềm và kích thƣớc khoảng 15x5mm. Là những tế bào có khả năng tự kích thích và tạo ra nhịp tim. Nó tạo ra một điện thế hoạt độngvới tần số khoảng 70 lần một phút và truyền xung động ra nhĩ. Nút nhĩ thất nằm ở ranh giới giữa nhĩ và thất.

Tần số số phát xung động của nó khoảng 50 lần một phút. Tuy nhiên nếu nút nhĩ thất đƣợc kích hoạt với một tần số dao động cao hơn thì nó sẽ hoạt động theo tần số cao hơn này. Ở tim bình thƣờng, nút nhĩ thất chỉ cho phép xung động đi từ nhĩ xuống thất nghĩa là nút nhĩ thất chỉ bị kích thích bởi những xung động đi qua nó. Sự lan truyền xung động từ nút nhĩ thất xuống thất đƣợc do một hệ thống dẫn truyền đặc biệt đảm trách.

Hệ thống này gồm một thân chung gọi là bó His. Bó này sau đó sẽ tách thành 2 nhánh chạy dọc theo 2 bên vách liên thất là nhánh phải và nhánh trái, nhánh trái sẽ phân tiếp thành nhánh trái trƣớc và nhánh trái sau. Các nhánh này sẽ chia nhỏ hơn thành các sợi Purkinje để đi vào trong thành tâm thất. Xung động lan truyền Tĩnh mạch từ nút xoang chủ trên Van 2 lá Nút xoang Bó His Nút nhĩ thất Phân nhánh phải và trái của bó His Tĩnh mạch chủ dƣới Van 3 lá Vách liên thất Sợi Purkinje Hình 1.2 Hệ thống dẫn truyền thần kinh của tim Tốc độ dẫn truyền xung động khá cao khi ở trong tâm thất nhƣng lại khá chậm đối với các phần trên thất nhƣ nút nhĩ thất.

Trong điều kiện bình thƣờng tốc độ dẫn truyền ở các vị trí giải phẫu của cơ tim nhƣ sau: 14 Thành phần Tốc độ Tần số (m/giây) (lần/phút) Nút xoang 0.5 30 Nội tâm mạc: + Vùng vách 0.8 Thƣợng tâm mạc: + Thất trái 0.