Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG lên, phổi được kéo giãn ra làm áp suất không khí ở phế nang thấp hơn áp suất ở khí quyển và không khí từ ngoài tràn vào phổi. Cuối chu kỳ hít vào, các cơ hít vào giãn ra và động tác thở ra được bắt đầu. Quá trình thở ra làm các xương sườn hạ xuống, cơ hoành lồi lên phía lồng ngực, thể tích của lồng ngực giảm đi, phổi co lại làm áp suất trong phế nang cao hơn áp suất khí quyển nên không khí từ phổi đi ra ngoài.9: Các động tác của quá trình hô hấp Quá trình hít vào – thở ra đã làm thay đổi thể tích lồng ngực dẫn đến làm thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa điện cực với bề mặt cơ thể và thay đổi góc của vectơ tim so với vectơ tham chiếu gây ra các ảnh hưởng trong tín hiệu ECG đưa về mạch thu thập. Một số ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG Phổi và tim được kết nối bởi các mạch máu để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận trong cơ thể nhận được lượng Oxygen và dưỡng chất cần thiết.
Phổi lần lượt đóng một vai trò chủ đạo trong việc hấp thụ Oxygen và giải phóng Carbon dioxide, các cơn co thắt của tim giúp lưu thông máu khắp cơ thể. Vì vậy dễ dàng nhận thấy rằng nhịp thở có ảnh hưởng tới các đặc tính của tín hiệu ECG và sự ảnh hưởng này được phân tích lần đầu tiên bởi hệ thống Einthoven [25]. Các nghiên cứu của [70, 94] cũng đã chỉ ra rằng các hoạt động hô hấp dẫn đến sự thay đổi véctơ trục điện tim [94]. Mặt khác khi ta hít thở làm cho thể tích của lồng ngực thay đổi dẫn đến làm thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa bề mặt da của cơ thể với điện cực thu thập tín hiệu ECG [49] làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ECG đưa về mạch thu thập [35, 39, 63] dẫn đến làm thay đổi các thông tin lâm sàng trong việc chẩn đoán, xác định bệnh, điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh [39, 52].
Xét về mặt tín hiệu thì nhịp thở có dải tần từ [0,05 ÷1]Hz tương ứng với vùng tần số thấp của tín hiệu ECG làm thay đổi chu kỳ RR, sóng P và sóng T trong tín hiệu ECG và gây ra ba ảnh hưởng trong tín hiệu ECG đó là rối loạn nhịp tim, điều chế biên độ tín hiệu ECG và trôi dạt đường cơ sở. 12 Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG 1. Rối loạn nhịp tim Rối loạn nhịp tim là hiện tượng khoảng thời gian (chu kỳ) RR của tín hiệu ECG bị thay đổi theo nhịp thở [17, 21, 23, 29, 38, 40, 47, 56, 75], cụ thể là khoảng RR rút ngắn trong thời gian hít vào và kéo dài trong thời gian thở ra như trên hình 1. Mặt khác đối với bài toán nhận dạng tín hiệu ECG khoảng RR của tín hiệu ECG là một đặc tính quan trọng [57, 68, 73, 74, 98] nên việc chu kỳ RR thay đổi sẽ làm ảnh hưởng tiêu cực tới chất lượng của quá trình nhận dạng tín hiệu ECG.10: Tín hiệu ECG có khoảng RR thay đổi và tín hiệu nhịp thở 1.
Điều chế biên độ tín hiệu ECG Điều chế biên độ tín hiệu ECG là một hiện tượng mà biên độ đỉnh R của tín hiệu ECG bị điều chế theo nhịp thở [49, 70, 94] như trên hình 1. Trong quá trình hít vào, cơ hoành dịch chuyển xuống dưới không khí được điền đầy vào trong phổi làm đỉnh tim được kéo dài về phía bụng, quá trình thở ra, nhờ chuyển động lên của cơ hoành khí được đẩy hết ra khỏi phổi nên đỉnh của tim dịch chuyển về phía ngực [20]. Vì vậy quá trình hít thở đã làm thay đổi thể tích của lồng ngực dẫn đến sự thay đổi trở kháng của lồng ngực [49] và thay đổi góc của vectơ tim so với vectơ tham chiếu [94].11: Tín hiệu ECG bị điều chế biên độ và tín hiệu nhịp thở Đối với bài toán nhận dạng tín hiệu ECG, biên độ đỉnh R cũng là một đặc tính quan trọng của nhận dạng tín hiệu ECG [57, 68, 73, 74, 93, 98] nên việc điều chế đỉnh R của tín hiệu ECG cũng làm ảnh hưởng xấu tới kết quả nhận dạng. 13 Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG 1.
Trôi dạt đường cơ sở Quá trình hít thở làm co dãn trên bề mặt cơ thể dẫn đến trở kháng tiếp xúc giữa các điện cực và bề mặt cơ thể bị thay đổi gây ra trôi dạt đường cơ sở trong tín hiệu ECG [10, 28, 36, 58, 61, 64, 69, 97, 103] được ví dụ như trên hình 1. Trôi dạt đường cơ sở làm thay đổi biên độ đỉnh R của tín hiệu ECG. Vì vậy việc điều chế này cũng làm ảnh hưởng xấu tới kết quả nhận dạng tín hiệu ECG.12: Tín hiệu ECG bị trôi dạt đường cơ sở và tín hiệu nhịp thở 1. Một số phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG Như đã trình bày ở mục 1.3 các hoạt động của quá trình hô hấp đã làm biến đổi hình dạng và đặc tính của tín hiệu ECG, do đó ảnh hưởng đến công tác chẩn đoán, xác định bệnh, điều trị bệnh và theo dõi diễn biến bệnh của bác sĩ.
Vì vậy đã có một số công trình nghiên cứu đề xuất giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Trong số các phương pháp được sử dụng phổ biến để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG có thể kể tới các phương pháp sử dụng bộ lọc thông cao tĩnh hoặc các phương pháp sử dụng các bộ lọc thông cao thích nghi. Các tác giả trong [45, 48, 76, 84, 95] đề xuất sử dụng bộ lọc thông cao FIR (Finite Impulse Response) để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Trong [48] đề xuất sử dụng bộ lọc FIR bậc 56 và 100 tần số cắt 3,5Hz; trong [45, 84] đề xuất sử dụng bộ lọc FIR bậc 100, tần số cắt 3Hz; trong [76] đề xuất sử dụng bộ lọc IIR (Infinite Impulse Response) tần số cắt 0,5Hz và trong [95] đề xuất sử dụng bộ lọc FIR bậc 255 tần số cắt 0,8Hz để loại bỏ ảnh hưởng nhịp thở trong tín hiệu ECG.
Phương pháp sử dụng bộ lọc thông cao có nhược điểm là tần số cắt của bộ lọc cố định trong khi đó ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG là phi tuyến [17, 21, 49, 94] và phụ thuộc nhiều vào trạng thái của người bệnh. Vì vậy, nếu chọn tần số cắt của bộ lọc quá cao sẽ loại bỏ một số thông tin lâm sàng trong vùng tần số thấp của tín hiệu ECG còn 14 Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG nếu chọn tần số cắt quá thấp sẽ không loại bỏ được ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG. Để khắc phục một số hạn chế này, các tác giả trong các công trình [17, 64, 69, 92, 96, 103] đề xuất sử dụng bộ lọc thích nghi. Các tác giả trong [69, 92] đề xuất sử dụng thuật toán lọc thích nghi LMS (Least Mean Squares); trong [64] đề xuất sử dụng bộ lọc thích nghi Kalman; trong [17, 96] đề xuất sử dụng bộ lọc số có đáp ứng xung hữu hạn FIR (Finite Impulse Response) kết hợp với thuật toán lọc thích nghi LMS để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG.
Các kết quả thực nghiệm trên cơ sở dữ liệu MITBIH đã khắc phục được hạn chế của phương pháp lọc sử dụng bộ lọc thông cao. Tuy nhiên phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi có nhược điểm là yêu cầu tín hiệu nhịp thở thực để tham chiếu và cập nhật hệ số của bộ lọc dẫn đến thời gian tính toán lớn. Phương pháp phân tích thành phần độc lập có nhược điểm là tín hiệu ECG và thành phần do nhịp thở gây ra phải độc lập tuyến tính và phi Gauss; phương pháp PCA đặc biệt là kPCA có nhược điểm là thời gian tính toán lớn. Các tác giả trong [56, 65, 104] sử dụng phương pháp EMD (Empirical Mode Decomposition); trong [108] đề xuất sử dụng phương pháp EMD kết hợp bộ lọc thích nghi LMS; trong [36] đề xuất sử dụng bộ lọc trung bình trung tâm MEM (MeanMedian Filter) để loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG.
Các kết quả thực nghiệm trên bộ cơ sở dữ liệu MITBIH cho thấy phương pháp đã loại bỏ được ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG nhưng làm ảnh hưởng đến đặc tính của tín hiệu ECG như sóng P, T và phân đoạn ST. Định hướng của luận án Từ các phân tích ở trên cho thấy ảnh hưởng của nhịp thở đến tín hiệu ECG là gián tiếp, về mặt tín hiệu thì ảnh hưởng này là phi tuyến [17, 21, 49, 94] và gây ra rối loạn nhịp tim, điều chế biên độ và trôi dạt đường cơ sở trong tín hiệu ECG làm ảnh hưởng đến chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG. Một trong những khó khăn trong việc loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG nhằm nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG đó là: Các ảnh hưởng của nhịp thở gây ra trong tín hiệu ECG là gián tiếp và phi tuyến; trong các trường hợp bệnh lý tín hiệu ECG thường biến thiên mạnh cả về biên độ và hình dạng; quá trình thu thập tín hiệu ECG và nhịp thở trên các bênh nhân thực tế gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là các bệnh nhân tim mạch. 15 Chương I: Tổng quan về ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG Các giải pháp đề xuất loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG như phương pháp sử dụng bộ lọc thông cao [45, 48, 76, 84, 95] làm ảnh hưởng mạnh đến hình dạng và đặc tính của tín hiệu ECG, phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi [17, 64, 69, 92, 96] yêu cầu tín hiệu nhịp thở thực để tham chiếu và cập nhật hệ số của bộ lọc dẫn đến thời gian tính toán lớn, phương pháp phân tích thành phần độc lập (ICA) [78] yêu cầu các tín hiệu và nhiễu phải độc lập tuyến tính, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) [49] và phân tích thành phần chính cốt lõi (kPCA) [21] yêu cầu thời gian tính toán lớn,… Vì vậy trong luận án này sẽ đề xuất giải pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhịp thở trong tín hiệu ECG mà làm ảnh hưởng nhỏ đến đặc tính của tín hiệu ECG nhằm nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu ECG.