Đồ án HCMUTE: Phân loại bệnh tim từ tín hiệu điện tâm đồ sử dụng Raspberry Pi

Đồ án nghiên cứu hcmute phân loại bệnh tim từ tín hiệu điện tâm đồ sử dụng kit raspberry pi, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Lê Hoàng Thanh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Phân loại bệnh tim từ tín hiệu điện tâm đồ sử dụng kit Raspberry Pi
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nội dung nghiên cứu
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Bố cục
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cấu tạo và hoạt động của tim
• 2.1.1. Cấu tạo của tim
• 2.1.2. Hoạt động của tim
• 2.2. Tín hiệu điện tâm đồ (ECG)
• 2.2.1. Giới thiệu về tín hiệu điện tâm đồ
• 2.2.2. Các chuyển đạo tim
• 2.2.3. Ý nghĩa cơ bản của các thành phần trên điện tâm đồ
• 2.2.4. Áp dụng trong y học
• 2.3. Kit Raspberry Pi
• 2.3.1. Giới thiệu về bộ điều khiển Raspberry Pi
• 2.4. Tổng quan về ngôn ngữ Python
• 2.4.1. Khái niệm về ngôn ngữ Python
• 2.4.2. Đặc điểm ngôn ngữ Python
• 2.4.3. Cú pháp ngôn ngữ Python
• 2.5. Tổng quan về Support Vector Machines (SVM)
• 2.5.1. Khái niệm Support Vector Machines (SVM)
• 2.5.2. Phân biệt giữa hai lớp (Phân loại hai lớp)
• 2.5.3. Phân biệt giữa nhiều Lớp (Phân loại nhiều lớp)
• 2.6. Chuẩn hóa dữ liệu trong SVM
• 2.7. Các phương pháp đánh giá mô hình SVM
• 2.8. Một số ứng dụng
• 2.9. Phép biến đổi Wavelet rời rạc
• 2.10. Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn (Short-time Fourier transform)
• 2.11. Giới thiệu về dữ liệu ECG
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối
• 3.2. Tính toán và thiết kế mô hình
• 3.2.1. Thiết kế khối tiền xử lý
• 3.2.2. Thiết kế khối xử lý
• 3.2.3. Thiết kế bộ phân lớp
• 3.2.4. Lựa chọn phương thức đánh giá mô hình SVM
• 3.3. Lựa chọn phần cứng và ngôn ngữ lập trình
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH
• 4.1. Lập trình hệ thống
• 4.2. Phần mềm lập trình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Kết quả nghiên cứu
• 5.2. Kết quả thống kê
• 5.3. Nhận xét – Đánh giá
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bệnh tim và điện tâm đồ

Bệnh tim là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn cầu. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, hàng năm có khoảng 17,5 triệu người chết vì các bệnh liên quan đến tim mạch. Điện tâm đồ (ECG) là một công cụ quan trọng trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh tim. Nó ghi lại các biến thiên điện lực do tim phát ra trong quá trình co bóp. Việc phân tích tín hiệu điện tâm đồ giúp phát hiện sớm các rối loạn nhịp tim, từ đó có thể đưa ra các biện pháp điều trị kịp thời. Sự phát triển của công nghệ đã cho phép ghi lại ECG một cách chính xác và tiện lợi hơn, từ đó nâng cao khả năng chẩn đoán bệnh tim.

1.1. Tầm quan trọng của việc phân loại bệnh tim

Việc phân loại bệnh tim từ điện tâm đồ không chỉ giúp bác sĩ đưa ra chẩn đoán chính xác mà còn hỗ trợ trong việc lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp. Các rối loạn nhịp tim có thể được chia thành nhiều loại khác nhau, mỗi loại có những đặc điểm và mức độ nguy hiểm riêng. Do đó, việc phát triển các hệ thống tự động để phân loại bệnh tim từ ECG là rất cần thiết. Hệ thống này không chỉ giúp giảm tải cho bác sĩ mà còn nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán. Sự kết hợp giữa công nghệ y tế và trí tuệ nhân tạo đang mở ra những hướng đi mới trong việc phát hiện và điều trị bệnh tim.

II. Công nghệ Raspberry Pi trong y tế

Raspberry Pi là một máy tính nhỏ gọn, giá thành thấp, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả y tế. Việc sử dụng Raspberry Pi trong phân loại bệnh tim từ điện tâm đồ mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, nó cho phép thu thập và xử lý dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả. Thứ hai, với khả năng lập trình linh hoạt, Raspberry Pi có thể chạy các thuật toán phức tạp như Support Vector Machine (SVM) để phân tích tín hiệu ECG. Điều này giúp cải thiện độ chính xác trong việc chẩn đoán bệnh tim. Hơn nữa, việc sử dụng Raspberry Pi cũng giúp giảm chi phí cho các thiết bị y tế, từ đó mở rộng khả năng tiếp cận dịch vụ chăm sóc sức khỏe cho nhiều người.

2.1. Ứng dụng của Raspberry Pi trong phân tích tín hiệu

Sử dụng Raspberry Pi trong phân tích tín hiệu điện tâm đồ cho phép thực hiện các phép biến đổi phức tạp như biến đổi Fourier và Wavelet. Những phép biến đổi này giúp trích xuất các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu ECG, từ đó hỗ trợ cho quá trình phân loại bệnh. Việc áp dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích tín hiệu cũng giúp nâng cao khả năng phát hiện sớm các rối loạn nhịp tim. Hệ thống này có thể được triển khai trong các cơ sở y tế, giúp bác sĩ có thêm công cụ hỗ trợ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh tim.

III. Phân tích và đánh giá mô hình SVM

Mô hình Support Vector Machine (SVM) là một trong những phương pháp hiệu quả trong việc phân loại tín hiệu điện tâm đồ. SVM hoạt động dựa trên nguyên tắc tìm kiếm siêu phẳng tối ưu để phân tách các lớp dữ liệu. Trong nghiên cứu này, mô hình SVM được áp dụng để phân loại các loại rối loạn nhịp tim từ tín hiệu ECG. Kết quả cho thấy mô hình SVM có độ chính xác cao trong việc phân loại, nhờ vào khả năng xử lý dữ liệu lớn và trích xuất đặc trưng hiệu quả. Việc đánh giá mô hình SVM cũng được thực hiện thông qua các chỉ số như độ chính xác, độ nhạy và độ đặc hiệu, từ đó đưa ra những nhận xét và cải tiến cần thiết.

3.1. Đánh giá hiệu quả của mô hình SVM

Kết quả phân loại từ mô hình SVM cho thấy độ chính xác cao trong việc phát hiện các rối loạn nhịp tim. Các chỉ số đánh giá như độ chính xác và độ nhạy đều đạt mức tối ưu, cho thấy mô hình có khả năng phân loại tốt giữa các loại bệnh tim khác nhau. Việc sử dụng dữ liệu y tế từ nguồn physionet cũng góp phần nâng cao độ tin cậy của mô hình. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến để nâng cao hiệu quả phân loại, đặc biệt là trong các trường hợp phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Giới thiệu về các đặc trưng của điện tâm đồ, các đặc trưng của mô hình SVM, các phép toán dùng để trích xuất đặc trưng và giới thiệu ngôn ngữ lập trình  Chương 3: Tính toán và lựa chọn mô hình. Chương này trình bày sơ đồ khối hệ thống, cách tính toán các thông số kỹ thuật của các khối sử dụng, thiết kế các khối với yêu cầu đặt ra ban đầu.

 Chương 4: Xây dựng mô hình. Trình bày các mạch đã thiết kế và trình tự lắp ráp thi công mô hình, hướng dẫn cách cài đặt, sử dụng các phần mềm lập trình và trình bày các thao tác hướng dẫn sử dụng hệ thống.  Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá Chương này trình bày các kết quả đạt được và chưa đạt.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

Đưa ra đánh giá về những kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu, đề ra các phương án khắc phục và hướng phát triển của đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Cấu tạo và hoạt động của tim 2.1 Cấu tạo của tim Tim là một khối cơ rỗng gồm 4 buồng, có độ dày không đều nhau. Bao bên ngoài là một túi sợi gọi là bao tim.

Bên trong toàn bộ tim được cấu tạo bằng cơ tim có vách ngăn thành hai nửa riêng biệt gọi là tim trái và tim phải. Mỗi nửa tim lại chia ra hai buồng là tâm nhĩ và tâm thất. Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất. Giữa tâm thất trái và động mạch chủ, tâm thất phải và động mạch phổi có van bán nguyệt.

Các van này đảm bảo cho máu di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xuống tâm thất và từ tâm thất vào động mạch, do đó mới bảo đảm được sự tuần hoàn máu.1: Cấu tạo tim người [2] 2.2 Hoạt động của tim Các sợi cơ tim có cấu tạo đặc biệt liên kết với nhau làm thành cầu lan truyền xung từ sợi này sang sợi kia. Trong tim còn có một cấu trúc đặc biệt có khả năng tự phát xung gọi là hệ thống nút (hạch). Hệ thống gồm có:  Nút xoang nhĩ (SAN): nằm ở cơ tâm nhĩ chỗ tĩnh mạch chủ trên đổ vào tâm nhĩ phải. Nút xoang nhĩ phát xung với tần số vào khoảng 120 lần/phút và là nút tạo nhịp cho toàn bộ trái tim.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Nút nhĩ thất (AVN): nằm ở bên phải của vách liên nhĩ, cạnh lỗ xoang tĩnh mạch vành. Nút nhĩ thất phát xung với nhịp vào khoảng 50-60 lần/phút.  Bó His: đi từ nút nhĩ thất tới vách liên thất thì chia làm hai nhánh phải và trái chạy dưới nội mạc tới hai tâm thất, ở đó chúng phân nhánh thành mạng Purkinje chạy giữa các sợi cơ tim.

Bó His phát xung với nhịp khoảng 30-40 lần/phút.2: Vị trí các nút và bó His [2] Khi có xung động truyền đến cơ tim, tim co giãn nhịp nhàng. Tim hoạt động co bóp theo một thứ tự nhất định. Hoạt động này được lặp đi lặp lại và mỗi vòng được gọi là một chu chuyển của tim. Một chu chuyển của tim gồm 3 giai đoạn:  Tâm nhĩ thu: đầu tiên tâm nhĩ co bóp, áp suất trong tâm nhĩ tang lên, van nhĩ thất đang mở nên máu chảy từ tâm nhĩ xuống tâm thất, làm cho áp suất tâm thất tăng lên.

Thời gian tâm nhĩ thu kéo dài 0,1 giây, sau đó tâm nhĩ giãn ra suốt thời thời gian còn lại của chu kỳ tim.  Tâm thất thu: khi tâm nhĩ giãn ra thì tâm thất bắt đầu co lại. Giai đoạn tâm thất thu kéo dài 0,3 giây gồm hai thời kỳ:  Thời kỳ tăng áp suất kéo dài 0,05 giây. Tâm thất co bóp nên áp suất trong tâm thất tăng, cao hơn áp suất trong tâm nhĩ làm van tâm nhĩ đóng lại, nhưng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT chưa cao hơn áp suất ở động mạch nên van bán nguyệt chưa mở làm áp suất tâm thất tăng lên nhanh.  Thời kỳ tống máu kéo dài 0,25 giây gọi là thời kỳ tâm thất co đẳng trương. Lúc này áp suất trong tâm thất rất cao làm van bán nguyệt mở ra, máu chảy mạnh vào động mạch.  Tâm trương: tâm thất bắt đầu giãn trong khi tâm nhĩ đang giãn, áp suất trong tâm thất thấp hơn trong động mạch, van bán nguyệt đóng lại.

Áp suất tâm thất giảm nhanh và trở nên nhỏ hơn áp suất tâm nhĩ, van nhĩ thất mở ra. Máu được hút mạnh từ tâm nhĩ xuống tâm thất, đó là giai đoạn tâm trương toàn bộ, kéo dài 0,4 giây [3]. Tín hiệu điện tâm đồ (ECG) 2.1 Giới thiệu về tín hiệu điện tâm đồ Điện tâm đồ là một đường cong ghi lại các biến thiên của các điện lực do tim phát ra trong hoạt động co bóp. Điện lực đó rất nhỏ, chỉ tính bằng mV nên rất khó ghi nhận.

Cho đến năm 1903, Einthoven mới lần đầu ghi lại được điện tâm đồ bằng một điện kế có đầy đủ độ nhạy [4]. Phương pháp ghi điện tâm đồ cũng giống như cách ghi các đường cong biến thiên tuần hoàn khác: người ta cho dòng điện tim tác động lên một bút ghi làm bút này dao động đều với một tốc độ nào đó. Ngày nay, người ta đã sáng chế ra rất nhiều loại máy ghi điện tim với độ chính xác cao và tiện lợi. Các máy đó có bộ phận khuyếch đại bằng đèn điện tử hay bán dẫn và ghi điện tâm đồ trực tiếp lên giấy hay vẽ lên màn hình huỳnh quang.

Ngoài ra, chúng còn có thể có một hay nhiều dòng, ghi đồng thời được nhiều chuyển đạo cùng một lúc, ghi điện tâm đồ liên tục 24 giờ trên băng của một máy nhỏ gắn vào người (Cardiocassette Type Holter) [4].2 Các chuyển đạo tim Có hai loại chuyển đạo (đạo trình) là: Chuyển đạo trực tiếp và chuyển đạo gián tiếp.  Chuyển đạo trực tiếp: là chuyển đạo khi đặt điện cực chạm vào cơ tim. Chỉ dùng chuyển đạo trực tiếp trên những người mở lồng ngực trong phẫu thuật, hoặc trên BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT các động vật thí nghiệm.Trên người bình thường thì dùng chuyển đạo gián tiếp, ngoài lồng ngực [5].

 Chuyển đạo gián tiếp: Có 3 loại chuyển đạo gián tiếp  Chuyển đạo song cực chi (chuyển đạo mẫu): Einthoven dùng 3 điểm là tay phải, tay trái và chân trái tạo thành một tam giác để đặt chuyển đạo gián tiếp ghi điện hoạt động của tim. Trục giải phẫu của tim đi từ trên xuống dưới, từ phải sang trái. Trục điện của tim gần như trùng với trục giải phẫu, tượng trưng bằng một vectơ đi từ trên trên xuống dưới, từ phải sang trái. Khi đặt 2 trong 3 điểm ở cổ tay và cổ chân ta sẽ có 3 chuyển đạo:  D1: tay phải - tay trái  D2: tay phải - chân trái  D3: tay trái - chân trái Hình 2.3: Sơ đồ mắc chuyển đạo song cực chi [5]  Chuyển đạo đơn cực chi: Chuyển đạo này thực ra vẫn dùng 2 điện cực: một điện cực thăm dò và một điện cực trung tính.

Điện cực trung tính được tạo ra bằng cách nối 2 trong 3 điểm (tay phải, tay trái và chân trái) vào một điện trở 5000 Ω. Vì điện trở lớn như vậy nên điện thế ở cực này không đáng kể, biến đổi điện ta ghi được là biến đổi điện ở cực thăm dò. Có 3 chuyển đạo đơn cực chi:  aVR: chuyển đạo đơn cực chi tay phải  aVL: chuyển đạo đơn cực chi tay trái BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  aVF: Chuyển đạo đơn cực chi chân trái.4: Sơ đồ mắc chuyển đạo đơn cực chi [5]  Chuyển đạo đơn trước tim: Cực thăm dò đặt gần tim, trên da ngực.

Cực trung tính đặt như trên. Có 6 chuyển đạo trước tim:  V1: điện cực thăm dò đặt ở khe liên sườn IV, sát bờ phải xương ức.  V2: điện cực thăm dò đặt ở khe liên sườn IV, sát bờ trái xương ức.  V3: điện cực thăm dò đặt ở giữa V2 và V4.

 V4: điện cực thăm dò đặt ở giao điểm của khe liên sườn V với đường giữa xương đòn trái.  V5: điện cực thăm dò đặt ở giao điểm của khe liên sườn V với đường nách trước bên trái.  V6: điện cực thăm dò đặt ở giao điểm của khe liên sườn V với đường nách bên trái. Chuyển đạo V1, V2 có điện cực thăm dò đặt trúng lên vùng thành ngực ở sát ngay trên mặt thất phải và gần khối tâm nhĩ, do đó V1, V2 được gọi là các chuyển đạo trước tim phải, chúng phản ánh các biến đổi điện thế của thất phải và khối tâm nhĩ.

Chuyển đạo V5, V6 ở thành ngực sát trên thất trái, được gọi là các chuyển đạo trước tim trái. Chúng phản ánh các biến đổi điện thế của thất trái. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5: Vị trí đặt điện cực thăm dò của 6 chuyển đạo trước tim [5] 2.3 Ý nghĩa cơ bản của các thành phần trên điện tâm đồ Một chu kỳ tim biểu hiện trên điện tâm đồ là: sóng P, phức bộ QSR, sóng T, và sóng U (nếu có), hình dạng, thời gian kéo dài của sóng/phức bộ và cả thời gian giữa các thành phần với nhau đều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc chẩn đoán [4].

 Các sóng và phức bộ  Sóng P Sóng P hình thành do quá trình khử cực tâm nhĩ (cả nhĩ trái và nhĩ phải), bình thường biên độ của sóng P thường dưới 2mm (0.2mmV), và thời gian của sóng P là từ 0.1 giây, việc tăng biên độ và kéo dài thời gian của sóng gợi ý đến một tình trạng tâm nhĩ lớn (tăng biên độ gợi ý lớn nhĩ phải. Thời gian khử cực kéo dài gợi ý đến lớn nhĩ trái).  Phức bộ QRS Phức bộ QRS thể hiện quá trình khử cực của tâm thất, tùy vào chiều khử cực và vị trí đặt điện cực mà trên giấy ghi sẽ cho thấy các phức bộ khác nhau, ưu thế sóng R hay S, bình thường QRS kéo dài từ 0.