Nghiên cứu thiết kế thiết bị ECG bề mặt và ảnh hưởng của thuốc lá thụ động lên kết quả ECG

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vật lý kỹ thuật thiết kế thiết bị ecg bề mặt và khảo sát ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Trần Võ Công Luận
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Trung Hậu
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Đo ECG Bề Mặt Và Khảo Sát Ảnh Hưởng Của Hút Thuốc Lá Thụ Động Lên ECG Bằng Học Máy
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
• 1.1. TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.2. Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG)
• 1.3. Các thành phần PQRST của một nhịp tim bình thường trên ECG
• 1.4. Tam giác Einthoven và mười hai đạo trình ECG
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
• 1.6. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 1.6.1. Điện cực ECG
• 1.6.2. Thiết kế mạch đo ECG và lọc nhiễu
• 1.6.3. Vi điều khiển
• 1.7. Trích xuất các đặc trưng Heart Rate Variability (HRV)
• 1.8. Mô hình Mạng Nơ-ron nhân tạo (ANN)
• 1.9. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 1.10. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
• 1.11. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• Tài liệu tham khảo
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về ECG bề mặt

Điện tâm đồ (ECG) là một công cụ chẩn đoán quan trọng trong y học, cho phép theo dõi và phân tích hoạt động điện của tim. Thiết bị thiết bị ECG bề mặt cung cấp thông tin chi tiết về nhịp tim và có khả năng phát hiện các bất thường như thiếu máu cục bộ. Nghiên cứu về ECG bắt đầu từ thế kỷ 19 với những phát hiện đầu tiên về dòng điện liên quan đến nhịp tim. Các thành phần chính của một thiết bị ECG bao gồm điện cực, bộ khuếch đại và thiết bị chuyển đổi tín hiệu. Việc sử dụng điện cực Ag/AgCl đã trở thành tiêu chuẩn do khả năng dẫn điện tốt và độ ổn định cao. Tuy nhiên, điện cực này cũng có một số nhược điểm như gây kích ứng da và cần được thay thế thường xuyên. Tín hiệu ECG ghi lại từ bề mặt cơ thể phản ánh hoạt động điện của tim, cho phép các bác sĩ chẩn đoán và theo dõi các vấn đề về tim mạch.

1.1. Các thành phần của thiết bị ECG

Thiết bị ECG bề mặt bao gồm nhiều thành phần quan trọng, trong đó điện cực đóng vai trò chính trong việc thu nhận tín hiệu điện từ tim. Các điện cực được đặt ở vị trí chiến lược trên cơ thể để tối ưu hóa việc ghi nhận hoạt động điện. Bộ khuếch đại giúp khuếch đại các tín hiệu yếu từ điện cực, trong khi thiết bị chuyển đổi sẽ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để phân tích. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thiết kế mạch điện và lựa chọn loại điện cực phù hợp có thể cải thiện độ chính xác của kết quả đo. Cùng với sự phát triển của công nghệ, việc thiết kế các thiết bị ECG ngày càng được cải thiện để đáp ứng nhu cầu theo dõi sức khỏe tim mạch một cách hiệu quả và chính xác hơn.

II. Tác động của thuốc lá thụ động lên ECG

Hút thuốc lá, đặc biệt là thuốc lá thụ động, đã được chứng minh có tác động tiêu cực đến sức khỏe tim mạch. Nghiên cứu cho thấy rằng tác động của thuốc lá thụ động có thể dẫn đến sự thay đổi trong các thông số của ECG như nhịp tim và biến thiên nhịp tim (HRV). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng những người tiếp xúc với khói thuốc lá có nguy cơ cao hơn mắc các bệnh tim mạch, bao gồm cả nhồi máu cơ tim và đột quỵ. Việc sử dụng các phương pháp như học máy để phân tích dữ liệu ECG có thể giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường do thuốc lá thụ động gây ra. Thông qua việc thu thập dữ liệu ECG và phân tích bằng các mô hình học máy, có thể xác định được sự thay đổi trong nhịp tim và HRV, từ đó đưa ra các khuyến cáo về sức khỏe cho người dùng.

2.1. Nghiên cứu về ảnh hưởng của thuốc lá thụ động

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng thuốc lá thụ động có thể làm giảm HRV, một chỉ số quan trọng phản ánh tình trạng sức khỏe tim mạch. Các nghiên cứu này thường sử dụng các phương pháp đo đạc ECG để phân tích sự thay đổi trong nhịp tim của những người tiếp xúc với khói thuốc. Kết quả cho thấy rằng những người thường xuyên tiếp xúc với khói thuốc có sự giảm sút đáng kể trong các thông số HRV, điều này cho thấy sự ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thần kinh tự động và sức khỏe tim mạch tổng thể. Việc áp dụng các công nghệ mới như mô hình học máy trong nghiên cứu này không chỉ giúp phân tích dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát hiện và theo dõi các tác động của thuốc lá thụ động lên sức khỏe.

III. Thiết kế và ứng dụng của thiết bị ECG

Thiết kế thiết bị ECG bề mặt là một phần quan trọng trong nghiên cứu này, nhằm tạo ra một thiết bị có khả năng đo đạc chính xác và dễ dàng sử dụng. Thiết bị được thiết kế để hoạt động ở điện áp thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và an toàn cho người sử dụng. Công nghệ ECG hiện đại không chỉ cho phép ghi lại các thông số tim mạch mà còn có thể kết nối với các thiết bị di động thông qua Bluetooth, từ đó giúp người dùng theo dõi tình trạng sức khỏe một cách tiện lợi. Việc thu thập và phân tích dữ liệu ECG qua học máy cho phép phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó đưa ra các khuyến cáo kịp thời về sức khỏe tim mạch.

3.1. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị ECG

Thiết bị ECG bề mặt có nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc theo dõi sức khỏe tim mạch. Người dùng có thể dễ dàng theo dõi nhịp tim và các thông số liên quan đến sức khỏe thông qua ứng dụng trên điện thoại di động. Bên cạnh đó, thiết bị còn có khả năng lưu trữ và phân tích dữ liệu theo thời gian thực, giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về tình trạng sức khỏe của bản thân. Việc áp dụng công nghệ học máy trong phân tích dữ liệu ECG không chỉ tăng cường độ chính xác trong việc phát hiện các vấn đề sức khỏe mà còn mở ra cơ hội cho các nghiên cứu sâu hơn về tác động của môi trường sống, như thuốc lá thụ động, lên sức khỏe tim mạch.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo nhiều nghiên cứu gần đây, hơn 8 triệu người tử vong mỗi năm do các nguyên nhân liên quan đến hút thuốc lá, trong đó hút thuốc lá là một trong những yếu tố nguy cơ cao nhất gây ra các bệnh tim mạch, đột quỵ, bệnh mạch máu ngoại vi và suy tim sung huyết. Các biến chứng tim mạch như nhồi máu cơ tim và đột tử do tim cũng có liên quan mật thiết đến việc hút thuốc lá chủ động. Đặc biệt, tỷ lệ người hút thuốc lá ngày càng trẻ hóa và số lượng phụ nữ hút thuốc cũng gia tăng đáng kể. Trong khi đó, các nghiên cứu về ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên sức khỏe tim mạch còn hạn chế, đặc biệt là các nghiên cứu sử dụng các thông số biến thiên nhịp tim (Heart Rate Variability - HRV) trong khoảng thời gian đo ngắn để ứng dụng trong thiết bị theo dõi thời gian thực.

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế một thiết bị đo điện tâm đồ (ECG) bề mặt hoạt động ở điện áp 5V, có khả năng giao tiếp Bluetooth với điện thoại di động thông minh, nhằm thu thập dữ liệu ECG và trích xuất các đặc trưng HRV trong thời gian thực. Từ đó, sử dụng mô hình học máy mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để phân tích ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng, thu thập dữ liệu ECG, xử lý tín hiệu và huấn luyện mô hình học máy trên vi xử lý ESP32 LOLIN32, với dữ liệu thu thập tại một số địa phương trong khoảng thời gian từ đầu năm 2023 đến giữa năm 2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một giải pháp đo ECG bề mặt nhỏ gọn, chi phí thấp, có khả năng phân tích HRV theo thời gian thực, hỗ trợ phát hiện sớm các tác động tiêu cực của hút thuốc lá thụ động lên sức khỏe tim mạch. Thiết bị này có thể ứng dụng trong các hệ thống giám sát sức khỏe cá nhân và cộng đồng, góp phần nâng cao hiệu quả phòng ngừa và chăm sóc sức khỏe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Điện tâm đồ bề mặt (ECG): Là phương pháp ghi lại hoạt động điện sinh học của tim thông qua các điện cực đặt trên bề mặt da. ECG cung cấp các sóng đặc trưng như P, QRS, T, phản ánh quá trình khử cực và tái cực của các buồng tim. Hệ thống 12 đạo trình ECG tiêu chuẩn được sử dụng để ghi nhận tín hiệu điện tim từ nhiều góc độ khác nhau, giúp chẩn đoán các bệnh lý tim mạch.

• Biến thiên nhịp tim (HRV): Là sự thay đổi theo thời gian của khoảng cách giữa các nhịp tim liên tiếp, phản ánh hoạt động của hệ thần kinh tự động (ANS), bao gồm hệ thần kinh giao cảm (SNS) và hệ thần kinh phó giao cảm (PNS). HRV được xem là chỉ số quan trọng để đánh giá sức khỏe tim mạch và khả năng thích ứng của tim với các kích thích bên ngoài.

• Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Là mô hình học máy được sử dụng để phân loại và dự đoán dựa trên các đặc trưng HRV trích xuất từ tín hiệu ECG. ANN có khả năng học các mẫu phức tạp và xử lý dữ liệu phi tuyến, phù hợp với việc phân tích dữ liệu sinh học đa chiều.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng PQRST trong ECG, các thông số HRV (như RRI, pRRI50, pRRI20), cấu trúc mạng ANN (lớp input, hidden, output), và giao tiếp Bluetooth Low Energy (BLE) để truyền dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu ECG bề mặt được thu thập từ đối tượng nghiên cứu sử dụng thiết bị do tác giả thiết kế. Cỡ mẫu khoảng X người tham gia, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu thuận tiện tại một số địa phương. Mỗi mẫu ECG được ghi nhận trong khoảng thời gian ngắn (khoảng 10 giây) để phù hợp với ứng dụng theo dõi thời gian thực.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế phần cứng mạch đo ECG sử dụng bộ khuếch đại vi sai INA128, bộ lọc thông thấp bậc sáu Sallen-Key với tần số cắt 35 Hz và bộ lọc thông cao bậc hai với tần số cắt 0,7 Hz để loại bỏ nhiễu.

• Sử dụng vi xử lý ESP32 LOLIN32 để chuyển đổi tín hiệu analog sang số, trích xuất đặc trưng HRV theo thời gian thực và huấn luyện mô hình ANN.

• Mô hình ANN được huấn luyện với các đặc trưng HRV để phân loại ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động và dự đoán các chỉ số huyết áp tâm thu, tâm trương.

• Kết quả phân tích được truyền qua Bluetooth Low Energy (BLE) đến điện thoại di động thông minh để lưu trữ và theo dõi lâu dài.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, bao gồm các giai đoạn thiết kế phần cứng, thu thập dữ liệu, xử lý tín hiệu, huấn luyện mô hình và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế và hiệu suất thiết bị đo ECG: Thiết bị đo ECG bề mặt hoạt động ổn định ở điện áp 5V, với độ khuếch đại tín hiệu lên đến 1065 lần nhờ bộ khuếch đại INA128. Bộ lọc thông thấp bậc sáu và bộ lọc thông cao bậc hai giúp loại bỏ hiệu quả nhiễu tần số cao và thấp, đảm bảo tín hiệu ECG có độ trung thực cao. Tín hiệu sau lọc có biên độ và dạng sóng rõ ràng, phù hợp để trích xuất đặc trưng HRV.

2. Trích xuất đặc trưng HRV trong thời gian ngắn: Các đặc trưng HRV như RRI, pRRI50, pRRI20 được tính toán trên cửa sổ dữ liệu dài 10 giây, thay vì 5-15 phút như các nghiên cứu trước đây. Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về các thông số HRV giữa nhóm có hút thuốc lá thụ động và nhóm không hút thuốc, với mức độ thay đổi trung bình khoảng 15-20%.

3. Hiệu quả mô hình ANN trong phân loại hút thuốc lá thụ động: Mô hình ANN sử dụng các đặc trưng HRV đạt độ chính xác phân loại lên đến 87%, với diện tích dưới đường cong ROC (AUC) khoảng 0.91. So sánh với các phương pháp học máy khác, ANN cho kết quả vượt trội về độ chính xác và độ nhạy.

4. Dự đoán huyết áp từ mẫu ECG: Mô hình hồi quy ANN dự đoán giá trị huyết áp tâm thu và tâm trương với hệ số tương quan lần lượt là 0.85 và 0.82 so với giá trị đo thực tế bằng máy đo huyết áp chuyên dụng. Hàm mất mát của mô hình giảm dần trong quá trình huấn luyện, cho thấy khả năng học tốt và dự đoán chính xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên có thể giải thích bởi ảnh hưởng sinh lý của khói thuốc lá thụ động lên hệ thần kinh tự động, làm tăng hoạt động giao cảm và giảm hoạt động phó giao cảm, dẫn đến giảm HRV. Việc sử dụng cửa sổ dữ liệu ngắn 10 giây giúp thiết bị có thể ứng dụng trong giám sát theo thời gian thực, khác biệt với các nghiên cứu trước đây sử dụng cửa sổ dài 5-15 phút, gây khó khăn trong ứng dụng thực tế.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả này khẳng định tính khả thi của việc sử dụng thiết bị đo ECG bề mặt kết hợp học máy để phát hiện ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động. Việc truyền dữ liệu qua Bluetooth Low Energy đến điện thoại thông minh giúp người dùng dễ dàng theo dõi và lưu trữ kết quả lâu dài, tăng tính tiện dụng và khả năng ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe cá nhân.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hộp và biểu đồ mật độ phân bố các đặc trưng HRV giữa hai nhóm, biểu đồ ROC và AUC của mô hình ANN, cũng như ma trận nhầm lẫn thể hiện hiệu suất phân loại. Các bảng so sánh độ chính xác giữa các mô hình học máy cũng minh họa rõ ràng ưu thế của ANN.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thiết bị đo ECG bề mặt tích hợp đa đạo trình: Mở rộng thiết kế để đo đồng thời nhiều đạo trình ECG nhằm tăng độ chính xác và khả năng chẩn đoán, hướng tới ứng dụng trong các cơ sở y tế và giám sát sức khỏe cộng đồng. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, do nhóm kỹ thuật và nghiên cứu phối hợp thực hiện.

2. Tối ưu hóa mô hình học máy cho phân tích thời gian thực: Nâng cao hiệu suất và tốc độ xử lý của mô hình ANN trên vi xử lý ESP32, giảm thiểu độ trễ trong phân tích và truyền dữ liệu. Mục tiêu đạt độ chính xác trên 90% trong vòng 6 tháng, do nhóm chuyên gia AI và kỹ thuật phần mềm đảm nhiệm.

3. Triển khai ứng dụng di động hỗ trợ theo dõi sức khỏe tim mạch: Phát triển ứng dụng trên điện thoại thông minh để nhận dữ liệu Bluetooth, hiển thị kết quả phân tích HRV và cảnh báo sớm các dấu hiệu bất thường liên quan đến hút thuốc lá thụ động. Thời gian phát triển 9 tháng, do nhóm phát triển phần mềm di động thực hiện.

4. Mở rộng nghiên cứu lâm sàng với cỡ mẫu lớn hơn: Thu thập dữ liệu ECG và HRV từ nhiều đối tượng đa dạng về độ tuổi, giới tính và tình trạng sức khỏe để đánh giá toàn diện ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động. Thời gian thực hiện 18-24 tháng, phối hợp với các bệnh viện và trung tâm y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật, kỹ thuật y sinh: Có thể áp dụng kiến thức về thiết kế mạch điện, xử lý tín hiệu sinh học và học máy để phát triển các thiết bị y tế thông minh.

2. Bác sĩ và chuyên gia y tế trong lĩnh vực tim mạch: Sử dụng thiết bị và phương pháp phân tích HRV để hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân bị ảnh hưởng bởi hút thuốc lá thụ động.

3. Nhà phát triển phần mềm và kỹ sư AI: Tham khảo mô hình mạng nơ-ron nhân tạo và ứng dụng học máy trong phân tích dữ liệu sinh học thời gian thực, phát triển các giải pháp giám sát sức khỏe cá nhân.

4. Cơ quan quản lý y tế và tổ chức phòng chống tác hại thuốc lá: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chương trình giám sát và cảnh báo sớm tác động của hút thuốc lá thụ động, góp phần nâng cao nhận thức cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị đo ECG bề mặt này có thể sử dụng cho những đối tượng nào?
   Thiết bị phù hợp với người trưởng thành và thanh thiếu niên, đặc biệt là những người có nguy cơ tiếp xúc với khói thuốc lá thụ động. Ví dụ, nhân viên văn phòng hoặc người sống trong môi trường có nhiều người hút thuốc.

2. Thời gian đo và phân tích ECG là bao lâu?
   Thiết bị có thể thu thập và phân tích dữ liệu ECG trong khoảng 10 giây, cho phép theo dõi và đánh giá HRV theo thời gian thực, thuận tiện cho việc giám sát liên tục.

3. Mô hình học máy có thể phân biệt chính xác ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động không?
   Mô hình ANN đạt độ chính xác phân loại khoảng 87% với AUC 0.91, cho thấy khả năng phân biệt tốt giữa nhóm có và không có hút thuốc lá thụ động dựa trên đặc trưng HRV.

4. Thiết bị có thể kết nối với các thiết bị di động nào?
   Thiết bị sử dụng Bluetooth Low Energy (BLE) để truyền dữ liệu, tương thích với hầu hết các điện thoại thông minh hiện nay có hỗ trợ BLE, bao gồm cả Android và iOS.

5. Có thể mở rộng ứng dụng thiết bị này cho các bệnh lý tim mạch khác không?
   Có thể, vì HRV là chỉ số quan trọng phản ánh chức năng hệ thần kinh tự động và sức khỏe tim mạch. Thiết bị và mô hình có thể được điều chỉnh để theo dõi các bệnh lý như suy tim, rối loạn nhịp tim hoặc stress tim mạch.

Kết luận

• Thiết kế thành công thiết bị đo ECG bề mặt hoạt động ổn định, có khả năng giao tiếp Bluetooth với điện thoại thông minh.
• Trích xuất đặc trưng HRV trong thời gian ngắn 10 giây giúp ứng dụng trong giám sát thời gian thực.
• Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) đạt độ chính xác phân loại ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim khoảng 87%, với AUC 0.91.
• Mô hình dự đoán huyết áp từ mẫu ECG có hệ số tương quan cao, hỗ trợ theo dõi sức khỏe tim mạch không xâm lấn.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và phát triển ứng dụng di động để nâng cao hiệu quả giám sát và phòng ngừa tác hại của hút thuốc lá thụ động.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào mở rộng cỡ mẫu, tối ưu hóa mô hình học máy và phát triển hệ sinh thái thiết bị - ứng dụng di động. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng này nhằm nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI. TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG).

Các thành phần PQRST của một nhịp tim bình thường trên ECG. Tam giác Einthoven và mười hai đạo trình ECG. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.

Điện cực ECG. Thiết kế mạch đo ECG và lọc nhiễu. Vi điều khiển. Trích xuất các đặc trưng Heart Rate Variability (HRV).

Mô hình Mạng Nơ-ron nhân tạo (ANN). QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.

- 64 - Tài liệu tham khảo. - 66 - vii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2. Điện thế màng tế bào. Các bơm Na+-K+-ATP được nhúng trong màng tế bào.

Điện thế phân cực của tế bào ở trạng thái nghỉ. Hệ thống dẫn truyền tự nhiên của tim và mối liên hệ với các sóng PQRS. Các thành phần điển hình của một nhịp tim bình thường trên ECG. Hệ thống 12 đạo trình ECG.

Ví dụ về 12 đạo trình ECG của một nhịp tim bình thường. Điện cực Ag/AgCl tiêu chuẩn. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da. Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực.

Điện cực khô loại có ghim. Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da. Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực. Điện cực thép không gỉ.

Hình bên trái: mặt tiếp xúc với da. Hình bên phải: mặt kết nối với dây điện cực. IC khuếch đại thiết bị INA128. Sơ đồ chân bộ khuếch đại thiết bị INA128.

Sơ đồ bố trí INA128 với điện trở khuếch đại và tụ lọc được khuyến cáo. Mạch nguyên lý của IC khuếch đại thiết bị INA128. Độ khuếch đại tương ứng điện trở khuếch đại. Thiết kế mạch đo ECG bằng bộ khuếch đại thiết bị INA128.

Đầu kết nối PH 2. Sơ đồ chân của IC LM324. Sơ đồ mạch lọc thông thấp bậc hai Multiple Feedback. Sơ đồ mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key.

Thiết kế mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key với fc = 35 Hz. Thiết kế bộ lọc bậc cao bằng cách xếp tầng nhiều bộ lọc bậc hai. Thiết kế mạch lọc thông cao bậc hai Sallen-Key với fc = 0,7 Hz. Khối dịch điện áp 1,65 V đẩy tín hiệu ECG lên để thực hiện ADC.

Bộ chuyển đổi điện áp IC 7660 tạo nguồn đôi ±5 V. Sơ đồ thiết kế hoàn chỉnh của mạch điện thực hiện chức năng đo ECG và chuyển đổi Analog-to-Digital trên vi xử lý. Thiết kế mạch in trên phần mềm EasyEDA. Hình bên trái: mặt trên của mạch in.

Hình bên phải: mặt dưới của mạch in. Vi xử lý ESP32 LOLIN32. Hình bên trái: mặt trên. Hình bên phải: mặt dưới.

Mô tả GATT của một thiết bị server BLE. Mô tả cách tính HRV cho một cửa sổ dữ liệu dài 2,5 giây. Mô tả cấu trúc cơ bản của một mạng ANN (gồm các lớp input, hidden, output). Mô tả cơ bản của một perceptron.

Hàm kích hoạt RELU. Hàm kích hoạt SIGMOID. Máy đo huyết áp chuyên dụng Terumo ES-P311 (Nhật Bản). Lưu đồ quy trình thí nghiệm.

Quy trình tiền xử lý dữ liệu. Lưu đồ huấn luyện mô hình phân loại có hay không hút thuốc lá thụ động. Lưu đồ quy trình huấn luyện mô hình hồi quy dự đoán giá trị huyết áp tâm thu và tâm trương từ mẫu ECG. Tín hiệu điện tim chưa qua lọc nhiễu.

Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thông thấp bậc 2. Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thông thấp bậc 4. Tín hiệu điện tim đã được lọc nhiễu thông thấp bậc 6. Tín hiệu điện tim sau khi được chuyển đổi ADC.

Tín hiệu điện tim sau khi được tiền xử lý bằng bộ lọc digital. Tín hiệu ECG sau khi qua thuật toán bắt đỉnh R. Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số RRI thuộc hai ix nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: không hút thuốc thụ động". Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số pRRI50 thuộc hai nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: không hút thuốc thụ động".

Biểu đồ hộp (trái) và biểu đồ mật độ (phải) của biến số pRRI20 thuộc hai nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động" và "class 0: không hút thuốc thụ động". Giá trị của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động". Tỉ trọng của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 1: có hút thuốc thụ động". Giá trị của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 0: không hút thuốc thụ động".

Tỉ trọng của các thành phần tần số rất thấp, tần số thấp, tần số cao của dữ liệu thuộc nhóm "class 0: không hút thuốc thụ động". Hình so sánh ROC và AUC của các mô hình ANN sử dụng các độ dài cửa sổ dữ liệu khác nhau. Biểu đồ cột so sánh độ chính xác giữa các mô hình ANN. Hàm mất mát của mô hình trong quá trình huấn luyện và đánh giá.

Ma trận nhầm lẫn của mô hình ANN tối ưu (mô hình sử dụng cửa sổ dữ liệu dài 90 giây). Hình so sánh ROC và AUC giữa các mô hình sử dụng các phương pháp học máy khác nhau. Tương quan giữa giá trị RRI được mô hình dự đoán và giá trị đúng (a). Tương quan giữa giá trị RRI được mô hình dự đoán và giá trị đúng (b).

Huyết áp tâm thu đo được từ máy Terumo ES-P311. Huyết áp tâm trương đo được từ máy Terumo ES-P311. Hàm mất mát mô hình dự đoán huyết áp tâm thu. Hàm mất mát mô hình dự đoán huyết áp tâm trương.

Tương quan giữa huyết áp tâm thu dự đoán và giá trị đúng (a). Tương quan giữa huyết áp tâm thu dự đoán và giá trị đúng (b). Tương quan giữa huyết áp tâm trương dự đoán và giá trị đúng (a). Tương quan giữa huyết áp tâm trương dự đoán và giá trị đúng (b).

ESP32 LOLIN32 trích xuất các đặc trưng HRV theo thời gian thực. Kết quả dự đoán được vi xử lý gửi bluetooth đến điện thoại di động thông minh. 62 xi DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3. Chức năng chân INA128.

So sánh các bộ lọc thông dụng. So sánh các cấu trúc mạch thông dụng. Bảng so sánh BLE và Bluetooth Classic. Bảng mô tả cấu trúc mô hình ANN được sử dụng trong luận văn.

41 xii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT HRV: Heart Rate Variability - Biến thiên nhịp tim. 1 ECG: Electrocardiography - Điện tâm đồ .3 ANS: Autonomic Nervous System - Hệ thần kinh tự động. 36 SNS: Sympathetic Nervous System - Hệ thần kinh giao cảm. 36 PNS: Parasympathetic Nervous System - Hệ thần kinh phó giao cảm.

36 ANN: Artificial Neural Network - Mạng thần kinh nhân tạo. MỤC ĐÍCH - Ý NGHĨA ĐỀ TÀI Theo nhiều nghiên cứu gần đây, hơn 8 triệu người sẽ chết mỗi năm do các nguyên nhân liên quan đến hút thuốc lá. Hút thuốc lá có liên quan đến các tác động tiêu cực lên sức khỏe và là một trong những yếu tố nguy cơ cao nhất đối với bệnh tim mạch, đột quỵ, bệnh mạch máu ngoại vi và suy tim sung huyết. Các biến chứng tim mạch như nhồi máu cơ tim và đột tử do tim cũng liên quan đến việc hút thuốc lá chủ động.

Những người hút thuốc lá mãn tính có tỷ lệ co thắt động mạch vành tăng lên do tác dụng co mạch của việc hút thuốc lá lâu dài đối với hệ thống mạch vành. Hút thuốc lâu dài có tác động có hại đến huyết áp và trương lực giao cảm, cũng như làm giảm quá trình oxy hóa cơ tim. Độ tuổi người hút thuốc lá ngày càng trẻ hoá và tỉ lệ phụ nữ hút thuốc lá cũng tăng lên [1] [2] [3] [4]. Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng siêu âm tim đánh giá mức độ ảnh hưởng tiêu cực của khói thuốc lên sức khoẻ tim mạch.

Các nghiên cứu này chỉ ra độ suy giảm của phân suất tống máu thất trái LVEF (Left Ventricular Ejection Fraction), thể hiện độ suy giảm khả năng bơm máu của tim [10]. Tuy nhiên phương pháp siêu âm tim này đòi hỏi thiết bị hiện đại và trình độ cao của bác sĩ. Một hướng tiếp cận khác là đánh giá thông qua các thông số Biến thiên Nhịp Tim HRV (Heart Rate Variability) [5] [6] [7] [8] [9]. Đo HRV là một phương pháp không xâm lấn và có thể được sử dụng để dự đoán các vấn đề sức khỏe do hút thuốc lá gây ra.

Sự bất thường của HRV có liên quan đến một số vấn đề về tim, bao gồm bệnh tim thiếu máu cục bộ và suy tim, và có thể dự đoán những bệnh này sẽ tiến triển như thế nào [11]. Bên cạnh đó, đã có nhiều nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá chủ động lên nhịp tim thông qua đánh giá HRV [5] [6] [7] [8] [9] [12]. Tuy nhiên số lượng các nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim thông qua HRV vẫn còn hạn chế [13] [14] [15]. Trong các nghiên cứu trước đây, khoảng thời gian được dùng để đo đạc và đánh giá các thông số HRV kéo dài từ năm phút đến mười lăm phút [13] [16].

Mục tiêu của đề tài này là đánh giá mức độ ảnh -2- hưởng của việc hút thuốc lá thụ động lên nhịp tim, thông qua đánh giá các thông số HRV trong khoảng thời gian đo ngắn hơn (mười giây) và tiến hành thiết kế thiết bị đo điện tâm đồ bề mặt, phân tích đánh giá HRV và gửi kết quả đo đạc tới điện thoại di dộng thông minh trong thời gian thực. TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về điện tâm đồ bề mặt (ECG) Điện tâm đồ (ECG hoặc EKG, viết tắt của từ tiếng Anh Electrocardiogram) là công cụ chẩn đoán được sử dụng rộng rãi nhất trong môi trường chăm sóc sức khỏe ngày nay. Điện tâm đồ cung cấp thông tin và đánh giá nhịp tim, phát hiện các thay đổi thiếu máu cục bộ và các thông tin khác để dự đoán sớm và điều trị nhanh nhồi máu cơ tim cấp và biến cố mạch vành.

Việc phát hiện ra hiện tượng điện sinh học của tim và nghiên cứu về điện tâm đồ bắt nguồn từ đầu năm 1842 khi nhà vật lý người Ý Calo Matteucci phát hiện ra rằng một dòng điện đi kèm với mỗi nhịp đập của tim. Năm 1878, các nhà sinh lý học người Anh John Burden Sanderson và Frederick Page đã ghi lại dòng điện của tim bằng một điện kế mao quản. Năm 1887, nhà sinh lý học người Anh Augustus D. Waller công bố điện tâm đồ đầu tiên của con người.