Phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp

Luận án chuyên ngành kỹ thuật điện tử Tim là một thành phần rất quan trọng trong cơ thể con người. Quá trình hoạt động ổn định của tim sẽ giúp cho cơ thể khoẻ mạnh và duy trì sự sống. Biểu hiện của tim có thể cho phép xác định được các trạng thái bệnh tật cơ bản của con người.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CHỬ ĐỨC HOÀNG

H N T CH T N HI U TI ẠN NH

LUẬN ÁN TIẾN S K THUẬT ĐIỆN T

Hà Nội – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

I

ỜI CA Đ AN

Tôi xin cam đoan đây l công trình nghi n cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực v chƣa từng đƣợc ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 24 tháng 10 năm

2014

GS.TS Nguyễn Đức Thuận Chử Đức Hoàng

II

LỜI CẢ ƠN

Luận án n y được hoàn thành tại Bộ môn Công nghệ điện tử và K thuật y sinh, Viện Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn tận tình của tập thể hướng dẫn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể hướng dẫn đã tạo điều kiện hướng dẫn về học thuật, kiến thức, kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Phyllis K Stein, Giám đốc Washington University School of Medicine Heart Rate Variability Laboratory, Division of Cardiology đã tạo điều kiện làm việc, nghiên cứu và trao đổi về học thuật với tác giả trong suốt thời gian tác giả tham gia nghiên cứu tại phòng lab cũng như tại Bệnh viện St Louis Children‟s Hospital (SLCH),One Children's Place, St Louis, MO,

63110 Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Trần Thống, giáo sư đại học OGI School

of Science and Engineering, Oregon Health and Science University, Beaverton, OR

97006, USA đã tư vấn v định hướng cho tôi thực hiện các nghiên cứu ban đầu về

xử lý tín hiệu loạn nhịp tim

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, thông qua các bài giảng, hội nghị và xêmina, tác giả luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ và những ý kiến đóng góp quý báu của tập thể cán bộ thuộc Viện Điện tử viễn thông, Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn các ban ng nh thuộc Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tác giả trong thời gian làm nghiên cứu sinh

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Tim Mạch Bệnh Viện Bạch Mai, Bệnh ViệnTim Hà Nội, Bệnh Viện Đông Đô cùng đội ngũ k thuật, thạc sĩ, bác s , k thuật vi n đã quan tâm v giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian cộng tác thu nhận dữ liệu trên hệ thống thăm dò điện sinh lý và Holter tại Viện Xin được cảm ơn anh chị em học viên cao học, nghiên cứu sinh và bạn bè đồng nghiệp gần xa

đã trao đổi, động viên và khích lệ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận án

Tác giả xin kính tặng những người thân y u trong gia đình của mình niềm vinh hạnh to lớn này

Hà nội, ngày 24 tháng 10 năm 2014

Tác giả

III

Chử Đức Hoàng

ỤC ỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH ix

MỤC LỤC BẢNG BIỂU xi

1 Giới thiệu 1

2 Lý do chọn đề tài luận án 3

3 Đối tượng v phương pháp nghi n cứu 3

Đối tượng nghiên cứu: 3

Phương pháp nghi n cứu: 4

4 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 4

Trong nước: 4

Trên thế giới: 5

5 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án 6

Mục tiêu: 7

Nhiệm vụ: 7

6 Cấu trúc luận án 10

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 12

8 Các kết quả mới dự kiến sẽ đạt được 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH VÀ X LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP 15

Đặt vấn đề 15

1.1 Khái niệm về điện sinh lý tim 15

1.2 Phân loại tín hiệu điện tim loạn nhịp 21

1.2.1.Khái niệm loạn nhịp tim: 21

1.2.2 Phân loại cơ chế hình thành rối loạn nhịp tim 22

1 3 Đặc điểm chung của các rối loạn nhịp tim 27

1.4 Mô hình phân tách phức hợp QRS đề xuất bởi Pan, Hamilton và Tompkins 27

1 5 Véc tơ dữ liệu RR của tín hiệu điện tim 34

IV

1.6 Phân tích và chẩn đoán tín hiệu điện tim loạn nhịp 35

1.6.1 Phân tích trong miền thời gian 36

1 6 2 Các phương pháp xử lý trong miền tần số 36

1 6 3 Các phương pháp xử lý trong miền phi tuyến 38

1 6 4 Đánh giá các phương pháp phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp 45

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 46

CHƯƠNG 2: THU NHẬN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 47

Đặt vấn đề 47

2.1 Các hệ thống thu nhận v lưu trữ tín hiệu điện tim loạn nhịp 47

2.1.1 Thu nhận tín hiệu điện tim từ thiết bị Holter chuyên dụng 48

2.1.2 Thu nhận tín hiệu điện tim từ hệ thống theo dõi trung tâm 51

2.1.3 Dữ liệu điện tim loạn nhịp CAST theo tiêu chuẩn tại Viện nghiên cứu quốc gia về Máu, Tim, Phổi của M 53

2.2 Dữ liệu điện tim loạn nhịp của các bệnh nhân 56

2.2.1 Dữ liệu điện tim loạn nhịp từ hệ thống Holter 56

2.2.2 Dữ liệu điện tim loạn nhịp từ hệ thống theo dõi trung tâm BedmasterEX 57

2.2.3 Dữ liệu điện tim loạn nhịp CAST từ Physionet và dữ liệu từ HRV Lab 60

2 3 Đánh giá Dữ liệu điện tim thu nhận được từ các hệ thống Holter, BedmasterEx, HRVlab và CAST 63

2 3 1 Ưu điểm: 63

2.3.2 Hạn chế: 64

2.4 Bộ cơ sở dữ liệu điện tim dưới dạng véc tơ RR 65

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 69

CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT PHÂN TÁCH PHỨC HỢP QRS VÀ KH KHUYNH HƯỚNG ĐỘNG TÍN HIỆU ĐỘNG ĐA TRỊ 71

Đặt vấn đề 71

3.1 Phát triển module tự động phân tích và chuẩn hoá các véc tơ RR từ giải thuật của Pan, Hamilton và Tompkins 72

3.1.1 Mô hình cải tiến phương pháp tự động phân tích và chuẩn hoá các véc tơ RR từ giải thuật của Pan, Hamilton và Tompkins 73

3 2 Đề xuất xây dựng giải thuật phân tích khử khuynh hướng động tín hiệu động đa trị (Multi Detrended Fluctuation Analysis - MDFA) 80

3.2.1 Hạn chế của phương pháp DFA do Peng CK đề xuất và các phép biến đổi DFA hiện tại 80

3.2.2 Mô hình thực hiện giải thuật MDFA 80

V

3.3.3 Quy trình thực hiện MDFA 85

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 87

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ BIẾN ĐỔI VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP BẰNG CẢI THIỆN PHÂN TÁCH PHỨC HỢP QRS VÀ BIẾN ĐỔI MDFA 89

Đặt vấn đề 89

4.1 Dữ liệu mẫu phân tích 90

4.2 Kết quả phân tách phức hợp QRS 90

4.3 Các kết quả đề xuất cải thiện phương pháp phân tích khử khuynh hướng động tín hiệu động (MDFA) 95

4.3.1 Các thông số phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến 95

4.3.2 Kết quả phân tích biến đổi MDFA theo các khoảng thời gian 20 phút 96

4.3.3 Phân tích biến đổi MDFA theo các nhóm 1000 nhịp RR 101

4.3.4 Phân tích biến đổi MDFA theo các nhóm 1000 nhịp RR cho nhóm bệnh nhân loạn nhịp tim điển hình trong bộ cơ sở dữ liệu HRVLab 104

4 4 Ưu nhược của phương pháp MDFA 109

4 4 1 Ưu nhược điểm của phương pháp MDFA so với phương pháp DFA của Peng CK 109

4 4 2 Ưu điểm của biến đổi MDFA theo thời gian 20 phút và theo 1000 nhịp RR 110

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 111

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THU NHẬN VÀ CHUẨN HÓA VÉC TƠ DỮ LIỆU RR CỦA CÁC BỆNH NHÂN TẠI VIỆT NAM 113

5 1 Đặt vấn đề 113

5.2 Mô hình thu nhận, xử lý v lưu trữ thông tin điện tim phổ biến tại Việt Nam hiện nay 114

5.2.1 Dữ liệu điện tim ghi nhanh trong thời gian từ 5 đến 15 phút sau đó in trực tiếp lên giấy in nhiệt 114

5.2.2 Dữ liệu điện tim ghi nhanh trong vòng 10 đến 15 phút sau đó được đẩy vào máy tính để xử lý bằng phần mềm 115

5.2.3 Dữ liệu điện tim Holter theo dõi bệnh nhân trong thời gian dài khoảng 24h 115

5.2.4 Dữ liệu điện tim thu nhận từ hệ thống theo dõi trung tâm hoặc tín hiệu điện sinh lý 115

5.2.5 Các vấn đề còn tồn tại 116

5.3 Mô hình thu nhận, xử lý v lưu trữ thông tin điện tim phổ biến trên thế giới hiện nay 117

VI

5.3.1 Thu nhận dữ liệu điện tim từ hệ thống Holter 117

5 3 2 Phương pháp tổng hợp trong số hóa, lưu trữ và quảng bá 117

5.3.3 Các vấn đề còn tồn tại 118

5.4 Xây dựng mô hình thu nhận, chuẩn hoá, phân tích v lưu trữ dữ liệu điện tim loạn nhịp dạng véc tơ RR tại Việt Nam 119

5.4.1 Hệ thống đầu vào 121

5.4.2 Thu nhận và tổng hợp dữ liệu điện tim 122

5.4.3 Module xử lý MDFA trung tâm 123

5.4.4 Các hệ thống quản lý thông tin bệnh viện (HIS/PACS/RIS/LIS ) cùng với Hệ thống thiết bị và thông tin bệnh viện 127

5.5 Triển khai v đánh giá thực tế mô hình thu nhận, chuẩn hoá, phân tích v lưu trữ dữ liệu điện tim loạn nhịp dạng véc tơ RR tại Việt Nam 128

5 5 1 Đánh giá hiệu quả của mô hình MDFA của tác giả xây dựng so với các phần mềm xử lý tín hiệu điện tim Holter 129

5.5.2 Một số tuỳ chỉnh của mô hình đề xuất 131

KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 133

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

VII

ỘT SỐ KÝ HI U VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các cơn co thắt sớm tại tâm nhĩ

CardiacArrhythmia Suppression Trial

Thử nghiệm ngăn chặn tim loạn nhịp

Detrended Fluctuation Analysis

Phân tích khử khuynh hướng động tín hiệu động

National Heart, Lung, and Blood Institute

Viện nghiên cứu quốc gia

M về Máu, Tim, Phổi

Độ lệch phương sai trung bình

Standard deviation in RR intervals

Độ lệch tiêu chuẩn của giá trị nhịp tim

Triangular interpolation of NN intervals

Chiều rộng đường gốc của

đồ thị đoạn RR

VIII

Ventricular Premature Contractions

Các cơn co thắt sớm tại tâm thất

IX

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo tại tay trái, tay phải và chân trái

của bệnh nhân 16

Hình 1 2: Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim 17

Hình 1 3: Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven Tam giác Einthoven là 1 sự mô tả gần đúng các véc tơ đạo trình được kết hợp với các đạo trình chi Đạo trình I được thể hiện là CI như trên hình 18

Hình 1.4: Các thành phần cơ bản của sóng điện tim cần phân tích với 5 thành phần chính là P,Q,R,S,T trong đó phức hợp QRS đóng vai trò quan trọng nhất 19

Hình 1.5: Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim gồm các thành phần phức hợp QRS, Sóng P-T, Nhiễu cơ… 20

Hình 1.6: Nguyên lý chung của phương pháp phân tách phức hợp QRS đề xuất bởi Pan và Tompkins 28

Hình 1.7: Mô hình thực hiện phân tách phức hợp QRS do Hamilton và Tompkins 28

Hình 1.8: Đồ thị biên độ - tần số và pha - tần số của phép tính đạo hàm 30

Hình 1.9: Mối liên hệ giữa việc di chuyển cửa sổ và phức hợp QRS Hình phía trên là tính hiệu điện tim Hình phía dưới là kết quả phân tích của phức hợp QRS với các đoạn QS,QRS và W 31

Hình 1.10: Phân tích vẽ đồ thị Poincaré với chức năng điều chỉnh ellipse 39

Hình 1.11: Sự xấp xỉ kích thước tương quan Entropy từ đồ thị (log r, log Cm(r)) 42

Hình 1.12: Đồ thị biến đổi và (DFA1 và DFA2) 45

Hình 2.1: Dữ liệu điện tim theo dạng sóng trong 23h50p của một bệnh nhi 15 tháng tuổi được ghi tại Bệnh Viện Tim Hà Nội thông qua thiết bị Holter RZ153 51

Hình 2.2: Sơ đồ khối thiết bị theo dõi bệnh nhân tiêu chuẩn với hệ thống cảm biến dây dẫn, hệ thống xử lý trung tâm, hệ thống kết nối điều khiển và lưu trữ 52

Hình 2.3: Giao diện theo dõi và chẩn đoán của hệ thống theo dõi bệnh nhân trung tâm BedmasterEX hiện đang được sử dụng tại bệnh viện One Children's Place, St Louis, MO, 63110 53

Hình 2.4: Các cơn co thắt sớm tại tâm thất 55

Hình 2.5: Các cơn co thắt sớm tại tâm nhĩ 55

Hình 2.6: Phân bố bệnh nhân theo độ tuổi, với tỉ trọng bệnh nhân nhi tuổi <1 và tỉ trọng bệnh nhân trong độ tuổi 20 đến 50 chiếm tối đa 57

X

Hình 2.7: Mô hình thu nhận dữ liệu điện tim từ hệ thống BedmasterEX tại bệnh viện One Children's Place, St Louis, MO, 63110 58 Hình 2.8 Các chỉ số sống của cơ thể bệnh nhân hiển thị qua phần mềm theo dõi trung tâm BedmasterEX 59 Hình 2.9: Cấu trúc của khung dữ liệu của hệ thống BedmasterEX bao gồm các thông tin về bệnh nhân và dữ liệu các kênh theo thời gian thực 60 Hình 2.10: Lựa chọn tín hiệu điện tim CAST 61 Hình 2.11: Dữ liệu sóng điện tim trích xuất được từ bộ nhớ của thiết bị ghi điện tim Holter tại các bệnh viện ở Việt Nam 66 Hình 2.12: Dữ liệu sóng điện tim trích xuất được từ bộ nhớ của hệ thống BedmasterEX tại bệnh viện One Children's Place, St Louis, MO, 63110 và tại Phòng nghiên cứu

Washington University School of Medicine Heart Rate Variability Laboratory 67 Hình 2.13: Đề xuất phân tích biến đổi và đồng nhất dữ liệu điện tim loạn nhịp của cả ba

hệ thống Holter , BedmasterEX và bộ cơ sở dữ liệu CAST 68 Hình 2.14: Cấu trúc không gian lưu trữ dữ liệu trên PhysioNet 69

Hình 3.1 : Đề cải thiện quy trình phân tách phức hợp QRS bằng cách tích hợp thêm chức năng và chuẩn hoá véc tơ RR đầu ra 74 Hình 3.2: Hình dạng các đỉnh tín hiệu Q,R,S của phức hợp QRS sau khi đã được lọc và bình phương tín hiệu 75 Hình 3.3: Lựa chọn phương pháp xác định ngưỡng tín hiệu các đỉnh Q,R,S trong phức hợp QRS theo tỉ lệ % của các đỉnh 77 Hình 3.4: Mô tả quá trình tính toán và 82

Hình 3.5: Bảng giá trị biến đổi của véc tơ theo thời gian của một bệnh nhân loạn nhịp

tim với ba vùng đánh giá mức độ loạn nhịp là 0< <0,5, 0,5< <1,0 và 1 < 83

Hình 3.6: Bảng giá trị biến đổi của véc tơ theo thời gian của một bệnh nhân loạn nhịp

tim với ba vùng đánh giá mức độ loạn nhịp là 0< <0,5; 0,5< <1,0 và 1 < 84

Hình 3.7: Mức độ tương quan giữa 2 giá trị và của một bệnh nhân loạn nhịp 85

Hình 3.8: Quy trình phân tích lựa chọn mẫu tín hiệu 86

Hình 4.1: Sơ đồ phân tách và lựa chọn khoảng thời gian giữa các lần xuất hiện sóng, tương ứng với giá trị trong các véc tơ R,S,T,P,Q,U 91 Hình 4.2: Phát hiện tín hiệu R qua phương pháp phân tách phức hợp QRS Giá trị nhận được là các điểm đã được đánh dấu 92

XI

Hình 4.3: So sánh hiệu quả của quá trình cải tiến phân tách phức hợp QRS thông qua hiệu

số của số đỉnh R phát hiện được của phương pháp cải tiến so với phương pháp của

Hamilton – Tompkins 94

Hình 4.4: Đồ thị giá trị và theo thời gian trong ngày theo các khoảng thời gian 20 phút 99

Hình 4.5 :Tương quan và của bệnh nhân mã e001a-20min 101

Hình 4.6: Đồ thị và của bệnh nhân e001a-1000beats 103

Hình 4.7: Tương quan giữa và e001a-1000beats 104

Hình 4.8: Quy trình phân tích MDFA theo các nhóm 1000 nhịp RR cho nhóm bệnh nhân loạn nhịp tim điển hình trong bộ cơ sở dữ liệu HRVLab 105

Hình 4.9: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng ổn định 107

Hình 4.10: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng ổn định 107

Hình 4.11: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng loạn nhịp cao 108

Hình 4.12: Tỉ lệ phân trăm tín hiệu và nằm trong vùng loạn nhịp cao 108

Hình 5.1: Mô hình ghi dữ liệu điện tim thông qua hệ thống theo dõi trung tâm với các máy con và máy chủ trung tâm tại các trung tâm tim mạch và phục hồi chức năng 116

Hình 5.2: Mô hình kết hợp các đầu vào trong quá trình thu nhận, số hóa, lưu trữ và quảng bá tín hiện điện tim 118

Hình 5.3: Mô hình thu nhận, số hóa, chuẩn hóa và phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp tại Việt Nam phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế về véc tơ RR 120

Hình 5.4: Quy trình thực hiện phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp do tác giả đề xuất cho Việt Nam 123

Hình 5.5: Quy trình tính toán MDFA 125

Hình 5.6: Giao diện phần mềm MDFA dùng Matlab gui 126

MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Cấu trúc véc tơ RR sau khi phân tác phức hợp QRS có cải tiến phương pháp của Hamilton – Tompkins trong khoảng 24h theo dõi 35

Bảng 2.1 Thông số cấu hình của máy đo Holter hiện đang được dùng phổ biến tại các bệnh viện lớn tại Việt nam 49

Bảng 2.2: Bảng dữ liệu tim Holter trong 23h50p của một bệnh nhi 15 tháng tuổi được ghi tại Bệnh Viện Tim Hà Nội thông qua thiết bị Holter RZ153 của Mỹ 50

XII

Bảng 2.3: Phân bố các mẫu tín hiệu điện tim loạn nhịp từ các hệ thống Holter ,

BedmasterEX, Cast và HRV lab tại Việt Nam và Mỹ 56 Bảng 2.4: Phân bố bệnh nhân theo giới tính ở quá trình đo tín hiệu điện tim bằng thiết bị điện tim Holter 57 Bảng 2.5: Thời gian phát hiện bệnh của các bệnh nhân căn cứ theo tiếu sử bệnh nhân và các xét nghiệm lâm sàng 57 Bảng 2.6: Phân bố tỷ lệ các bệnh nhân theo độ tuổi tại Bệnh viện St Louis Children’s Hospital (SLCH), hầu hết trong số đó là các bệnh nhân nhi 59 Bảng 2.7 Cấu trúc dữ liệu điện tim CAST RR được trích xuất từ hệ thống cơ sở dữ liệu chuẩn PhysioNet 62 Bảng 2.8: Trích mẫu dữ liệu véc tơ điện tim RR từ hệ thống tiêu chuẩn CAST 63 Bảng 2.9: Mô tả trích mẫu dữ liệu CAST RR 63

Bảng 3.1: Thông số thời gian của các đỉnh và khoảng tín hiệu P,PR,PQ, QRS 76 Bảng 3.2: Các ngưỡng dưới, trên của khoảng RR trong phức hợp QRS do tác giả đề xuất 77 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của alpha đối với việc phân tích đánh giá tín hiệu tim loạn nhịp 83 Bảng 3.4: Các vùng đánh giá mức độ loạn nhịp điện tim theo véc tơ và 84

Bảng 4.1: Kết quả phân tách phức hợp QRS bằng phương pháp của Pan, Hamilton và Tompkins 93 Bảng 4.2: Kết quả phân tích dữ liệu theo miền phi tuyến của một bệnh nhân với cặp giá trị

và lần lượt là 0,65235 và 0,59586 96

Bảng 4.3: Bảng tổng hợp các giá trị và của bệnh nhân mã e001a-20min 98

Bảng 4.4: Bảng dữ liệu DFA của e001a-1000beat 102 Bảng 4.5: Phân bố các giá trị và theo giải giá trị xuất hiện của các ngưỡng loạn

nhịp α <0,5, 0,5 ≤ α ≤ 1,0, α > 1,0 và nhóm giá trị nhiễu 106

Bảng 5 1 Giá trị DFA tính toán được của mẫu 151 véc tơ RR các bệnh nhân tại ba bệnh viện: Viện Tim Mạch Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Tim Đông Đô và Bệnh viện Tim Hà Nội 129 Bảng 5 2 Phân tích và đánh giá Số bệnh nhân có tỉ lệ MDFA loạn nhịp cao lớn hơn 15% 130 Bảng 5 3 Đánh giá số lượng bệnh nhân có triệu chứng loạn nhịp tim theo kết luận của bác

sĩ 131

1

1 Giới thiệu

Tim là một thành phần rất quan trọng trong cơ thể con người Quá trình hoạt động ổn định của tim sẽ giúp cho cơ thể khoẻ mạnh và duy trì sự sống Biểu hiện của tim có thể cho phép xác định được các trạng thái bệnh tật cơ bản của con người Quá trình phân tích tín hiệu điện tim có thể xác định được chính xác khoảng 90% các biểu hiện thường gặp của bệnh tim từ đó đưa ra các nhận đinh cơ bản về tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân Luận án tiến sĩ n y sẽ tập trung nghiên cứu phân tích tín hiệu điện tim của các bệnh nhân v đặc biệt là các bệnh nhi bằng các thuật toán

phân tích khử khuynh hướng động tín hiệu động (DFA – Detrended Fluctuation Analysis) [1, 2] các công cụ toán học Matlab, Ahrv, Kubios v phương pháp luận

khoa học để từ đó đưa ra phương pháp, giải thuật xác định trạng thái bệnh tật phổ biến của bệnh nhân của Việt Nam cũng như tr n thế giới

Trong khoảng 40 năm qua, các kết quả nghiên cứu về phân tích tín hiệu điện tim

loạn nhịp (HRV - Heart Rate Variability) của các nhà khoa học trên toàn thế giới đã

làm sáng tỏ thêm về cơ sở sinh lý học của tim và các quan hệ mật thiết của tín hiệu điện tim loạn nhịp với các bệnh lý khác nhau Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng HRV phản ánh hoạt động được điều khiển bởi hệ thống thần kinh thực vật (ANS-

Autonomic Nervous System) trong nút xoang nhĩ [1, 2] HRV là một trong các triệu

chứng phổ biến nhất của bệnh tim, vì vậy đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu

về việc phát hiện, chẩn đoán HRV gồm cả phần cứng và phần mềm để phục vụ trong công tác nghiên cứu [3, 4] chẩn đoán điều trị [5]

Tín hiệu tim nói chung và tín hiệu tim loạn nhịp nói ri ng được phân tích bằng nhiều phương pháp khác nhau, được phân chia thành ba xu hướng chính như sau: Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền thời gian, dùng để tính toán các thông

số cơ bản của tín hiệu như nhịp tim trung bình [6], phân bố véc tơ RR(khoảng thời gian giữa hai đỉnh tín hiệu điện tim cao nhất và liên tiếp của sóng điện tim) và các đặc trưng khác Phương pháp n y chủ yếu dựa trên các thống k đơn giản về các đặc trưng của tín hiệu điện tim

Ưu điểm: Tính toán đơn giản, cho kết quả nhanh

Nhược điểm: Chỉ thể hiện các thông số đơn giản về số nhịp, nhịp trung bình,

không hiệu quả khi thời gian theo dõi lớn

2

Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền tần số cho phép phân tích phổ tần số của tín hiệu nên có nhiều lựa chọn v phương pháp đánh giá về tần số [7, 8] hoặc về công suất, phổ của tín hiệu Phương pháp n y dựa trên hàm số v phương pháp toán học để tính toán v đánh giá dữ liệu điện tim, tác động chủ yếu tới cấu trúc và phổ tín hiệu điện tim

Ưu điểm: Có thêm nhiều kết quả tính toán khi phân tích véc tơ nhịp RR trong

miền tần số như phân tích phổ, phân tích các khoảng tần số, hiệu quả khi phân tích tín hiệu điện tim trong thời gian ngắn

Nhược điểm: Thời gian tính toán lâu hơn so với tính toán trong miền thời gian,

các kết quả không phản ánh trực tiếp trạng thái của bệnh nhân, một số phép biến đổi còn phức tạp và cần kết hợp thêm nhiều phương pháp khác để có kết luận chính xác Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến, đây l xu hướng đang được thực hiện phổ biến nhất hiện nay đặc biệt l đối với các trường hợp theo dõi tín hiệu điện tim trong thời gian dài với các đặc trưng về loạn nhịp tim Các phương pháp được sử dụng như DFA, đồ thị Poincare, SD1, SD2, đồ thị Recurrence, Lmean, ShanEn [9, 10, 11, 12] Phương pháp n y tính toán v phân tích thống k dựa theo luật số lớn với dữ liệu mẫu điện tim lớn

Ưu điểm: Kết quả tính toán đa dạng, có thể tính toán đồng thời theo thời gian

ngắn v thời gian d i, các phép tính toán được minh chứng v kết hợp cụ thể với các luật số lớn v các h m toán học, hiệu quả khi tính toán để hỗ trợ chẩn đoán sớm các triệu chứng loạn nhịp tim

Nhược điểm: Thời gian tính toán lâu hơn hai phương pháp tính toán trong miền

thời gian v miền tần số Kết quả tính toán l một thông số cụ thể v cần kết hợp với các phương pháp khác để có kết quả phân tích chính xác

Trong các các hướng phân tích đó, phương pháp DFA được phát triển lần đầu

ti n v o năm 1995 bởi Peng C-K [13], từ đó đến nay có nhiều ứng dụng, nghiên cứu

và phát triển dựa theo đề xuất của Peng C-K Tính đến những năm gần đây vẫn có rất nhiều các nghiên cứu khoa học về tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến [14, 15, 16, 17] Các nghiên cứu đó đều dựa trên quá trình phân tích tín hiệu điện tim của nhiều người, căn cứ vào những triệu chứng mắc phải và ảnh hưởng trưc tiếp tới tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân [18, 19] Thực tế n y đòi hỏi có một phương pháp phân tích xử lý các tín hiệu điện tim đo được bằng các phương pháp khoa học

cụ thể, để từ đó có thể chẩn đoán được sớm nhất các tín hiệu loạn nhịp tim [20, 21]

3

2 Lý do chọn đề tài luận án

Từ những phân tích ở trên cho thấy quá trình thu nhận, phân tích, xử lý tín hiệu điện tim tại các nước phát triển đã đạt được những phương pháp v kết quả quan trọng Tuy nhiên các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu chẩn đoán sớm các triệu chứng bệnh tật của bệnh nhân nhờ quá trình theo dõi tín hiệu điện tim

và các thông số sinh học trong thời gian d i Các phương pháp thu nhận, phân tích,

xử lý dữ liệu tùy thuộc v o đặc điểm và tình trạng của bệnh nhân v đặc thù tại các

cơ sở y tế Tại Việt Nam cũng như các nước đang phát triển khác, mặc dù đã có những hệ thống và thiết bị thu nhận, phân tích tín hiệu điện tim của các hãng nổi tiếng trên thế giới nhưng mới dừng lại ở mức độ thu nhận, hiển thị và phân tích các triệu chứng điển hình khi bệnh nhân đã có biểu hiện bệnh tật rõ ràng

Hạn chế của phương pháp DFA do Peng C-K đề xuất là chỉ có duy nhất một cặp giá trị kết quả dùng để đánh giá mức độ loạn nhịp tín hiệu điện tim trong suốt thời gian theo dõi Khoảng thời gian theo dõi có thể d i đến 72 giờ hoặc hơn nữa sẽ khiến cho chỉ số DFA tính toán được ít hiệu quả Tác giả đề xuất thực hiện luận án này với mục đích phát triển giải thuật DFA thành giải thuật toán Phân tích khử

khuynh hướng động tín hiệu động đa trị (MDFA – Multi Detrended Fluctuation Analysis) để khắc phục các nhược điểm của phương pháp DFA do Peng C-K đề

xuất với khả năng đánh giá chi tiết hơn các khoảng loạn nhịp tim và thời điểm xuất hiện loạn nhịp tim Bên cạnh đó, tác giả đề xuất xây dựng mô hình, quy trình xử lý, đánh giá chất lượng dữ liệu điện tim loạn nhịp sau khi thu nhận và các yếu tố liên quan tới khả năng ứng dụng vào thực tiễn đáp ứng các điều kiện và yêu cầu của Việt Nam cũng như tr n thế giới, đặc biệt l các nước đang phát triển

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả tập trung phát triển các thuật toán để tính toán đối với tín hiệu điện tim thu nhận được trong thời gian dài l n đến 72 giờ của

số lượng lớn bệnh nhân tại Việt Nam, M và trên thế giới Dữ liệu thống kê bao gồm cả tín hiệu điện tim dưới dạng sóng, dạng véc tơ nhịp RR, dạng tổng hợp loạn nhịp tim và tiểu sử bệnh nhân Quá trình phân tích tín hiệu điện tim chuẩn hoá chúng về dạng véc tơ RR để thực hiện phân tích xử lý bằng các giải thuật và phương pháp xử lý tín hiệu số nhằm tìm ra đặc điểm đặc trưng của dạng tín hiệu và loại bệnh có trong tiểu sử

4

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nhi n cứu được lựa chọn để thực hiện luận án là tổng hợp của các phương pháp thống kê, phân tích, xây dựng giải thuật phân tích biến đổi tín hiệu, đo lường thực nghiệm v đánh giá kết quả Tác giả thực hiện nghiên cứu theo phương pháp khoa học tại Bộ Môn Công Nghệ Điện Tử và K Thuật Y Sinh, Viện Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội từ tháng 10 năm 2010, đây cũng chính l nơi công tác của tác giả

Tại Việt Nam, dữ liệu điện tim Holter được tác giả trực tiếp thu thập từ ba bệnh viện chuyên ngành về tim tại Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 01/2012 đến tháng 09/2012 Các bệnh viện đó l : Viện Tim Mạch, Bệnh viện Bạch Mai; Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Tim Đông Đô Tại M , dữ liệu từ máy điện tim Holter và từ hệ thống monitor trung tâm tại M được thu thập từ bệnh viện và phòng nghiên cứu tại bang Missouri, M trong khoảng thời gian từ tháng 02/2013 đến tháng 08/2013 khi tác giả tham gia thực hiện các nghiên cứu tại Bệnh viện St Louis Children‟s Hospital và Phòng nghiên cứu Washington University School of Medicine Heart Rate Variability Laboratory Quá trình thu nhận dữ liệu được thực hiện trên hệ thống theo dõi tín hiệu bệnh nhân trung tâm BedmasterEX v được xử

lý theo quy trình tiêu chuẩn của M

Dữ liệu điện tim theo tiêu chuẩn của Viện nghiên cứu quốc gia M về Máu, Tim,

Phổi (NHLBI - National Heart, Lung, and Blood Institute) [27] được thu thập, xử lý

v phân tích lưu trữ và trích xuất theo tiêu chuẩn của hệ thống CAST (Cardiac Arrhythmia Suppression Trial) Hệ thống này trực thuộc một nghiên cứu bắt đầu từ

năm 1986 do NHLBI tài trợ Cơ sở dữ liệu n y được tác giả nghiên cứu, phân tích

và sử dụng trong suốt thời gian thực hiện đề tài từ 10/2010 đến 12/2013

4 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

Trong nước:

Tại Việt nam, nghiên cứu về tim v đặc biệt là nghiên cứu về phân tích xử lý tín hiệu tim mới chỉ dừng lại ở việc thu nhận tín hiệu tim thông thường, hiển thị các tín hiệu này một cách đơn lẻ thông qua các thiết bị được thiết kế tại một số cơ sở như Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Đại Học Quốc Gia Hồ Chí Minh và một số đề tài nghiên cứu do các đơn vị bên ngoài chủ trì Các công trình nghiên cứu n y ít được sử dụng trong thực tế và hiệu quả không cao cho mục đích khám chữa bệnh Về mặt thực hành, quá trình nghiên cứu điện tim và các bệnh

5

li n quan đến tim cũng chỉ dừng lại ở mức cơ bản và cận lâm sàng Với đội ngũ các bác sĩ, đa phần các nghiên cứu dừng lại ở mức độ nhận xét lâm sàng và quan sát biểu hiện bệnh nhân thông qua luật số lớn v li n quan đến y học nhiều hơn l xử lý tín hiệu Điển hình một số loại nghiên cứu về tim như sau:

 Đề tài nghiên cứu cấp nh nước KHCN11-15(1999 - 2000): "Nghiên cứu chọn lọc một số thành tựu khoa học công nghệ của thế giới về chăm sóc Y tế ứng dụng thích hợp vào Việt Nam (chẩn đoán, điều trị các bệnh tim mạch)"

 Đề tài nghiên cứu cấp nh nước KC 10- 04(2001- 2004): "Nghiên cứu ứng dụng k thuật tiên tiến trong chẩn đoán v điều trị bệnh tim mạch"

 Đề tài nghiên cứu cấp Nh nước KC10-29(2005-2007): "Ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ trong chẩn đoán chính xác v điều trị một số bệnh tim bẩm sinh thường gặp"

 Đề tài nghiên cứu cấp nh nước KC10-06(2007-2010): "Nghiên cứu tình trạng tắc lại, tái hẹp động mạch vành sau can thiệp và các biện pháp để hạn chế"

 Đề tài hợp tác song phương dự án hợp tác phát triển đại học VLIR-HUT AP04\PJ03\Nr06(2004): “Wavelet theory – based high resolution signal analysis, application to biomedical and communications.”

Ngoài ra, Tại Việt Nam cũng đã có một số thiết kế và phân tích tín hiệu điện tim

cơ bản nhằm cố gắng thu nhận được tín hiệu điện tim cũng như chế tạo được các thiết bị đo được tín hiệu điện tim Tuy nhi n, khi đọc và xử lý tín hiệu điện tim ghi được trên bệnh nhân, phần lớn các tín hiệu ghi được là các tín hiệu biểu thị nhịp tim bình thường, các tín hiệu này không phục vụ cho việc chẩn đoán bệnh, chỉ có một vài chu kỳ biểu thị nhịp tim không bình thường kèm theo sự thay đổi hình dạng của điện tim Như vậy dùng các phương pháp truyền thống để thu nhận và xử lý tín hiệu điện tim tốn rất nhiều bộ nhớ để ghi các tín hiệu không phục vụ cho chẩn đoán bệnh trong khi đó bộ nhớ của máy ghi không đủ để có thể ghi lại các chu kỳ bệnh lý

d i hơn

Tóm lại, ở Việt nam quá trình nghiên cứu và phân tích tín hiệu điện tim loại nhịp vẫn còn rất hạn chế v thường chỉ gắn liền với các triệu chứng lâm s ng cũng như gắn liền với bác sĩ Chưa có những nghiên cứu sâu và cụ thể về tín hiệu điện tim loạn nhịp dựa trên cơ sở tính toán khoa học và xử lý tín hiệu số

Trên thế giới:

Nghiên cứu về tim đã được tiến hành từ lâu trên thế giới, tuy các nhà khoa học đã đạt được nhiều kết quả quan trọng nhưng vẫn còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu

6

k hơn, đặc biệt là các vấn đề li n quan đến chẩn đoán sớm các bệnh về tim Lịch

sử phát triển của máy ghi điện tim trên thế giới được ghi nhận bởi bác s William Heberden để chẩn đoán chứng nhồi máu cơ tim William Heberden có viết về chứng

"đau ngực" nhưng chẳng mấy ai hiểu về căn bản nguyên nhân cùa loại bệnh tim mạch này Các nghiên cứu đã được công bố [16, 17] đã chỉ ra các phương pháp, kết quả và mối tương quan mật thiết giữa trạng thái và thông số của tín hiệu điện tim loạn nhịp so với tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân

Về lý thuyết, hiện nay các nghiên cứu về tín hiệu điện tim trên thế giới đã đạt đến trình độ cao, cho phép có thể thu nhận chính xác dữ liệu điện tim của bệnh nhân trong thời gian dài và có thể xử lý theo thời gian thực thông qua hệ thống phần mềm

và thiết bị tiên tiến Cơ sở lý thuyết về loạn nhịp tim đã có quá trình nghi n cứu khoảng 40 năm dựa trên những tiến bộ về thu nhận, phân tích và xử lý tín hiệu với khá nhiều phương pháp toán học khác nhau như các phương pháp sai phân [41], lọc

số [42], mạng nhân tạo [43], băng lọc [43, 44], mô hình của Markov, thiết kế tối ưu phi tuyến, ước lượng tối đa, phương pháp Balda, các giải thuật đề xuất bởi Tompkins [43, 48] v phương pháp biến đổi wavelet [30]

Về mặt thực hành, quá trình nghiên cứu lâm sàng, chẩn đoán, điều trị đã được tiến hành từ khá lâu v đạt được nhiều thành tựu cụ thể Các bác sĩ đã có thể thực hiện tác động tới các cơ tim, khoang tim v van tim để điều chỉnh chế độ hoạt động của tim Bên cạnh đó cũng có các thiết bị tạo nhịp được sử dụng tạm thời hoặc gắn trực tiếp v o cơ thể bệnh nhân để ổn định quá trình hoạt động của tim thông qua các kích thích điện vào các thời điểm thích hợp ở các buồng tim Nhiều trung tâm nghiên cứu về tim trên thế giới vẫn thường xuyên thực hiện các nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp v quy trình ổn định nhất cho phép xác định và can thiệp sớm vào bệnh nhân về các triệu chứng của tim

5 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

Quá trình thu nhận, xử lý, phân tích, chẩn đoán tín hiệu điện tim trong khoảng thời gian dài là một trong những quy trình phức tạp trên thế giới và hiện tại vẫn đang trong quá trình thay đổi, phát triển Tác giả đã tiến hành thực hiện luận án tại các 03 cơ sở bệnh viện ở Việt Nam, 02 cơ sở y tế và trung tâm nghiên cứu tại M , đồng thời có đối chiếu, so sánh với dữ liệu trong bộ cơ sở dữ liệu CAST Mục tiêu

và nhiệm vụ của luận án được thể hiện như sau:

7

Mục tiêu:

M1) Tổng hợp dữ liệu điện tim từ nhiều nguồn khác nhau tại Việt Nam,

M và trên thế giới, từ đó xây dựng bộ cơ sở dữ liệu điện tim loạn nhịp với hơn 2400 véc tơ RR khác nhau, phục vụ quá trình phân tích và nghiên cứu

M2) Cải thiện giải thuật phân tách phức hợp QRS tín hiệu điện tim để từ

đó tách được phức hợp QRS và xây dựng véc tơ RR của tín hiệu tim loạn nhịp Đây l cơ sở để thực hiện các giải thuật phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp trong thời gian dài bằng các phương pháp phân tích xử lý tín hiệu

M3) Cải thiện giải thuật phân tích tín hiệu điện tim bằng phương pháp DFA thành MDFA Thực hiện theo dõi, phát hiện, đánh giá và chẩn đoán sớm các hiện tượng bất thường của bệnh nhân theo mức độ loạn nhịp tim

và thời điểm xảy ra loạn nhịp tim trong suốt thời gian theo dõi

M4) Xây dựng quy trình, thuật toán và công cụ biến đổi tín hiệu điện tim loạn nhịp cho các bệnh nhân tại Việt nam về dạng dữ liệu véc tơ RR để thử nghiệm quá trình phân tích, đánh giá mức độ loạn nhịp của bệnh nhân với kết luận của bác sĩ

Nhiệm vụ:

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả có điều kiện làm việc với các cơ sở y tế nổi tiếng ở Việt Nam, ở M cũng như đc tiếp xúc với bộ dữ liệu điện tim CAST theo tiêu chuẩn của NHLBI [27] Các nhiệm vụ mà tác giả thực hiện như sau:

N1) Đánh giá v phân tích thực trạng về dữ liệu điện tim thu được từ các

hệ thống tại Việt Nam cũng như treen thế giới, đưa ra các hạn chế về thu nhận, phân tích, xử lý và chẩn đoán sớm các bệnh li n quan đến tim tại các bệnh viện chuyên khoa về tim

N2) Thu nhận và tổng hợp dữ liệu về tín hiệu điện tim loạn nhịp từ ba nguồn sau:

a Thu nhận dữ liệu về tín hiệu điện tim loạn nhịp ở Việt Nam thông qua thiết bị theo dõi Holter điện tim đối với các bệnh nhân đang điều trị tại Bệnh viện Tim Hà Nội, Viện Tim Mạch - Bệnh Viện Bạch Mai và Bệnh viện Tim Đông Đô;

b Thu nhận dữ liệu về tín hiệu điện tim loạn nhịp ở M thông qua hệ thống theo dõi trung tâm BedmasterEX được đặt tại Bệnh viện St

9

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp theo hướng tự động thu

nhận tín hiệu điện tim của bệnh nhân theo các tiêu chí:

- Dữ liệu thu nhận theo thời gian dài từ 24h đến 72h

- Nguồn dữ liệu thu nhận được từ Việt Nam và Mỹ

- Trích xuất dữ liệu từ cơ sở dữ liệu chuẩn quốc tế

- Tổng hợp dữ liệu từ phòng nghiên cứu HRVLab tại Mỹ

THU NHẬN DỮ LIỆU

Dạng dữ liệu điện tim thông thường

Dạng dữ liệu số sóng điện tim

Dạng dữ liệu số véc tơ RR theo chuẩn quốc tế

PHÂN TÁCH PHỨC HỢP QRS

Phân tích dữ liệu điện tim thu nhận được nhằm xác định được

các đỉnh sóng P,Q,R,S,T,U

Trích xuất ra các dữ liệu đỉnh sóng R

Trích lọc dữ liệu để tạo thành véc tơ RR

PHÂN TÍCH VÉC TƠ RR DƯỚI MIỀN PHI TUYẾN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỬ KHUYNH HƯỚNG ĐỘNG

TÍN HIỆU ĐỘNG ĐA TRỊ (MDFA)

Thực hiện phân tích véc tơ RR bằng các phương pháp phi

tuyến Đề xuất xây dựng và cải thiện phép biến đổi DFA thành

MDFA nhằm phân tích và đánh giá chi tiết hơn về tỉ lệ loạn nhịp

tim và thời điểm xảy ra loạn nhịp tim

ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG QUY TRÌNH THU NHẬN VÀ PHÂN

TÍCH DỮ LIỆU ĐIỆN TIM TỰ ĐỘNG TẠI VIỆT NAM

Xây dựng quy trình thu nhận, biến đổi và phần mềm phân tích

tự động đối với tín hiệu điện tim trong thời gian dài nhằm có

được ma trận RR cũng như các kết quả phân tích, đánh giá

Từ đó phục vụ các bác sĩ trong quá trình chẩn đoán bệnh tật.

HỆ THỐNG CHẨN ĐOÁN CÁC BỆNH VỀ TIM MẠCH

Thực hiện các kết quả phân tích và đánh giá so với các

phương pháp phát hiện bệnh tật và với các đặc trưng sinh lý

của bệnh nhân, từ đó phục vụ nhu cầu chẩn đoán bệnh tật của

bệnh nhân,đặc biệt là của các trẻ sơ sinh.

PHÂN TÍCH VÉC TƠ

RR BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ

Thực hiện phân véc tơ

RR bằng các phương pháp thời gian và tần số nhằm có các kết quả cơ bản để so sánh và đối chiếu với các phương pháp khác.

PHẦN THỰC HIỆN CỦA LUẬN ÁN

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

N3) Nghiên cứu lựa cho các phương pháp phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp trên các biến thời gian, tần số và phi tuyến Đánh giá các ưu v nhược điểm của mỗi phương pháp đối với việc phân tích tín hiệu điện tim

10

loạn nhịp đặc biệt là tín hiệu điện tim loạn nhịp trong thời gian dài và chẩn đoán sớm các triệu chứng bệnh cho bệnh nhân Từ đó đề xuất cải thiện giải thuật phân tách phức hợp QRS trong tín hiệu điện tim để từ đó tách được phức hợp QRS và xây dựng véc tơ RR của tín hiệu tim loạn nhịp Phân loại các giá trị các nhịp RR được lưu trữ và giới hạn trong khoảng 400ms đến 1500ms cho mỗi nhịp

N4) Cải thiện giải thuật phân tích tín hiệu điện tim bằng phương pháp DFA thành MDFA Thực hiện theo dõi, phát hiện v đánh giá các hiện tượng bất thường của bệnh nhân trong thời gian d i l n đến 72 giờ theo mức độ loạn nhịp tim và thời điểm xảy ra loạn nhịp tim trong Đánh giá v chẩn đoán sớm các hiện tượng bất thường của bệnh nhân thông qua các giá trị tính toán MDFA đối với véc tơ nhịp RR

N5) Đánh giá các kết quả phân tích đối với dữ liệu từ Việt nam, từ M và

từ Cơ sở dữ liệu chuẩn để từ đó đưa ra các đề xuất về mô hình phân tích

xử lý tín hiệu điện tim loạn nhịp tại Việt Nam theo hướng hoàn toàn tự động, đáp ứng các yêu cần chuẩn hóa của thế giới và phù hợp với đặc thù theo dõi tín hiệu trong thời gian d i đối với bệnh nhân Việt Nam

6 Cấu trúc luận án

Luận án được trình bày gồm phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, phần phụ lục và 5 chương nội dung Kiến thức nền tảng được trình bày trong Chương 1 v một phần của Chương 2 Các nội dung được đề xuất và thực hiện trong Chương 2, Chương 3 của luận án Các kết quả được thể hiện trong Chương 4, mô hình tại Việt Nam được thể hiện trong Chương 5

Mở đầu: Đây l phần mở đầu, nội dung chính của phần này trình bày những khái

niệm tổng quát nhất li n quan đến nội dung nghiên cứu của luận án, lý do chọn đề tài nghiên cứu nay, đối tượng v phương pháp nghi n cứu, tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới về lĩnh vực này, mục tiêu và nhiệm vụ của luận án, ý nghĩa của luận án, các kết quả mới dự kiến đạt được của luận án

Chương 1: Trình bày tổng quan về tín hiệu điện tim loạn nhịp và phức hợp QRS

cũng như véc tơ RR Tác giả tập trung đưa ra các kiến thức cơ bản về tín hiệu điện tim dựa tr n các cơ sở về hệ thống xử lý thông tin số, trình bày các khái niệm cơ bản tín hiệu tim loạn nhịp, phân loại chúng và mô tả các đặc trưng của tín hiệu tim loạn nhịp Quá trình thu nhận và tổng hợp dữ liệu điện tim được thực hiện ở trong Chương 2 Tr n cơ sở các giải thuật phân tích phức hợp QRS, tác giả trình bày giải thuật phân tách phức hợp QRS điện tim của các tác giả Pan, Hamilton và Tompskin

và các nghiên cứu gần đây Đây l tiền đề để tác giả đề xuất phát triển giải thuật phân tách phức hợp QRS ở Chương 3 Phần tiếp theo tác giả trình b y các phương

11

pháp phân tích DFA đối với tín hiệu điện tim và một số phương pháp phân tích khác phổ biến trong miền phi tuyến Đây l cơ sở để tác giả phát triển giải thuật “Phân tích biến động tín hiệu động đa trị MDFA” ở Chương 4

Chương 2: Trình bày về quy trình thu nhận và tiền xử lý tín hiệu điện tim Bao

gồm các mô hình thu nhận điện tim trong thời gian dài l n đến 72 giờ Dữ liệu điện tim được thu nhận từ 05 địa điểm tại Việt Nam, M và dữ liệu theo tiêu chuẩn quốc

tế Trong phần này tác giả tập trung giới thiệu phương pháp thu nhận tín hiệu điện tim thông qua hệ thống ghi nhận tự động và xuất dữ liệu về dạng số lưu trữ được trong máy tính Dữ liệu thu nhận được thông qua hê thống Holter, hệ thống theo dõi tín hiệu trung tâm và dữ liệu mẫu theo chuẩn quốc tế Từ đó tác giả tổng hợp và chuẩn hoá các tín hiệu điện tim này thành một dạng véc tơ RR duy nhất Dữ liệu của 24100 véc tơ RR n y được tổng hợp và chia sẻ ở mức độ Pha 2 trên hệ thống PhysioNet, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu của tác giả và cộng sự tại Việt Nam

Chương 3: Tác giả tập trung trình bày về phát triển phân tách phức hợp QRS và

phát triển giải thuật MDFA Tác giả trình bày những hạn chế khi phân tích xử lý dữ liệu sóng điện tim thu nhận ở Chương 2 thông qua giải thuât giải thuật phân tách phức hợp QRS điện tim của các tác giả Pan, Hamilton và Tompskin Từ đó tác giả

đề xuất phát triển module tự động phân tích và chuẩn hoá các véc tơ RR, QQ, SS từ giải thuật của Pan, Hamilton v Tompkins Đây l cơ sở để phân tích biến đổi dữ liệu sóng điện tim thành dạng phức hợp QRS và véc tơ RR, phục vụ cho các quá trình phân tích, đánh giá ở các chương tiếp theo Bên cạnh đó Tác giả tập trung trình bày về giải thuật MDFA đã được cải tiến từ giải thuật DFA do Peng C-K đề xuất nhằm phân tích tín hiệu điện tim theo các nhóm thời gian 20 phút hoặc nhóm 1000 nhịp/mẫu Giải thuật MDFA được sử dụng để tính toán các véc tơ DFA th nh phần trong mỗi véc tơ RR, qua đó đánh giá được tỉ lệ phát hiện tín hiệu loạn nhịp tim và thời điểm xảy ra loạn nhịp tim so với phương pháp DFA của Peng C-K cũng như một số cải tiến biến đổi DFA khác

Chương 4: Tác giả tập trung trình bày các kết quả phân tích đánh giá đối với hơn

2400 mẫu dữ liệu thu nhận được trong Chương 2 Tác giả sử dụng giải thuật phân tách phức hợp QRS đã được cải tiến từ giải thuật của Pan, Halmiton và Tompkins cũng như các cải tiến gần đây nhằm thực hiện chuẩn hóa dữ liệu thu được về dạng chuẩn véc tơ RR Dữ liệu từ véc tơ RR n y được tác giả phân tích tính toán bằng giải thuật MDFA cải tiến nhằm đưa ra đánh giá chi tiết và cụ thể về mức độ loạn nhịp tim, thời điểm hoặc vị trí xảy ra loạn nhịp tim trong suốt thời gian theo dõi dài đến 24 giờ Kết quả đánh giá bằng phương pháp MDFA của tác giả chỉ ra được cụ thể mức độ và tỉ loạn nhịp từng phần và thời điểm xảy ra loạn nhịp cục bộ đối với từng véc tơ RR Kết quả đó được biểu diễn trực quan bằng cả bảng số liệu (chính

12

xác vị trí, thời gian và tỉ lệ loạn nhịp) và bằng đồ thị (xác định nhanh chóng và có khả năng khái quát cao)

Chương 5: Tác giả thực hiện xây dựng mô hình thu nhận và biến đổi tín hiệu

điện tim tự động đối với dữ liệu véc tơ RR của các bệnh nhân tại Việt nam Mô hình này gồm 8 khối chức năng, cho phép thu nhận tín hiệu điện tim từ 5 nhóm nguồn dữ liệu khác nhau, tổng hợp v lưu trữ vào hệ thống máy chủ của bệnh viện Quá trình phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp theo mô hình MDFA được tiến hành với dữ liệu từ máy chủ Mô hình được thử nghiệm với dữ liệu mẫu l 151 véc tơ RR tại Việt nam, trong số 18 mẫu gửi đi để bác sĩ kiểm tra thì đạt kết quả chính xác 16 mẫu được xác nhận có xuất hiện khả năng bị loạn nhịp tim

Kết luận và hướng phát triển: Trình bày và bình luận các kết quả thu nhận được, kết luận với các điểm đáng chú ý của luận án đã được nêu ra và thực hiện cũng như hướng nghiên cứu phát triển trong thời gian tới

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án nghiên cứu về xử lý tín hiệu điện tim loạn nhịp trong miền phi tuyến bằng phương pháp MDFA gồm các cải tiến về giải thuật phân tích phức hợp QRS

và giải thuật DFA Tác giả xử lý v đánh giá tín hiệu điện tim loạn nhịp của bệnh nhân trong thời gian dài l n đến 72 giờ tại Việt Nam cũng như tr n thế giới Quá trình thu nhận, phân tích, xử lý, lưu trữ và chẩn đoán sớm được tiến hành khoa học dựa theo các phương pháp v giải thuật tính toán cụ thể với số mẫu tín hiệu của véc

tơ RR đủ lớn nên sẽ đảm bảo độ chính xác của kết quả Đây l nền tảng cho việc phát triển các phương pháp phân tích đánh giá dữ liệu theo một mô hình xử lý mới

Đề t i có hai ý nghĩa khoa học chính như sau:

KH1) Cải thiện các k thuật nhận dạng phức hợp QRS và có thể phát triển thành công cụ tự động nhằm phân tách được các phức hợp QRS từ các máy Holter cũng như các thiết bị y tế khác

KH2) Đề xuất phát triển giải thuật MDFA cho phép phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp trong thời gian d i l n đến 72 giờ với các đánh giá cụ thể, chi tiết hơn về mức độ loạn nhịp tim và thời điểm xảy ra loạn nhịp tim

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài tập trung vào khả năng ứng dụng của đề tài trong thực tế, đáp ứng các nhu cầu khám chữa bệnh của bệnh nhân:

TT1) Các kết nghiên cứu, phân tích và các quy trình thực hiện tại các bệnh viện tim ở Việt Nam cũng như ở M trong luận án sẽ đưa ra những cơ sở thực tiễn

để triển khai ứng dụng quy trình thu nhận, phân tích và chuẩn hóa dữ liệu điện tim loạn nhịp cho các đơn vị trong ngành y tế

13

TT2) Các phương pháp tự động thu nhận dữ liệu điện tim từ những thiết bị điện

tử y tế để tạo nên véc tơ RR và bộ dữ liệu điện tim loạn nhịp được đề xuất trong luận án sẽ là những giải pháp hiệu quả, có tính khả thi cao trong mô hình điện tử hóa thông tin y tế trong việc giảm thời gian, chi phí, đặc biệt là lỗi do con người gây ra

TT3) Giải thuật phân tích khử khuynh hướng động tín hiệu động góp phần đánh giá tốt hơn về tình trạng bệnh nhân thông qua quá trình phân tích xử lý tín hiệu số với dữ liệu đã được chuẩn hoá Đây l một phương pháp khoa học và

có thể áp dụng trong thực tế thông qua các sản phẩm phẩm mềm hoặc giải pháp đặc trưng hoàn toàn có khả năng triển khai trên thực tế với kỳ vọng đóng góp v o kế hoạch triển khai ứng dụng mô hình bệnh viện điện tử của

Bộ Y tế cho 63 tỉnh thành trên cả nước

8 Các kết quả mới dự kiến sẽ đạt được

Các kết quả mới dự kiến sẽ đạt được của luận án bao gồm:

KQ1) Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu điện tim loạn nhịp từ nhiều thiết bị và nhiều nguồn khác nhau với hơn 2400 mẫu độc lập Lựa chọn véc tơ RR làm chuẩn dữ liệu lưu trữ tín hiệu điện tim loạn nhịp và xây dựng mô hình biến đổi các dữ liệu điện tim loạn nhịp về dạng véc tơ RR Thực hiện xây dựng bộ

cơ sở dữ liệu véc tơ RR do tác giả tổng hợp trên PhysioNet nhằm mục đích nghiên cứu, trao đổi và chia sẻ

KQ2) Đề xuất cải thiện giải thuật phân tách phức hợp QRS do Pan, Hamilton và Tompkins đề xuất thông qua điều chỉnh và thêm vào đó các module: Tích hợp các nguồn dữ liệu vào khác nhau; Lựa chọn các phức hợp QRS; Thiết lập ngưỡng thời gian chọn phức hợp QRS; Chuẩn hoá và điều chỉnh các véc tơ [RR], [QQ], [SS] nhằm có thể đưa ra quy trình tính toán đối với các định dạng dữ liệu điện tim từ nhiều nguồn khác nhau, tạo cơ sở xây dựng véc tơ dữ liệu RR của tín hiệu điện tim với thời gian đo lên đến 72 giờ

KQ3) Đề xuất phát triển giải thuật MDFA để có thể tính toán chi tiết giá trị thông số MDFA cho chuỗi 1000 tín hiệu RR và cho các khoảng thời gian 20 phút Lựa chọn được số mẫu cho mỗi khoảng tín hiệu cần được phân tích, đi kèm với các khuyến nghị về số nhịp RR tối thiểu và tối đa trong mỗi khoảng tín hiệu Xây dựng quy trình phân tách tín hiệu điện tim theo các khoảng thời gian 20 phút hoặc 1000 nhịp RR để từ đó xây dựng thuật toán tính toán DFA cho các mẫu tín hiệu thu được Đồng thời tác giả cũng đưa được ra khuyến nghị về thời gian lấy mẫu tín hiệu tối thiểu và số nhịp RR tối thiểu để đảm bảo quá trình tính toán DFA được hợp lý

14

KQ4) Xây dựng mô hình thu nhận dữ liệu điện tim tại các bệnh viện của Việt Nam bao gồm các tiến trình như: Thực hiện thu nhận và tổng hợp dữ liệu điện tim từ các nguồn khác nhau, Trích chọn sóng điện tim, Phân tách phức hợp QRS, Thực hiện khử khuynh hướng động tín hiệu động đa trị đối với véc tơ RR dữ liệu điện tim loạn Mô hình được thử nghiệm với dữ liệu của bệnh nhân tại Việt Nm và đối chiếu với xác nhận của bác sĩ Từ đó tác giả thực hiện lưu trữ và phân tích thông qua phần mềm tính toán phân tích

và các công cụ toán học khác, hỗ trợ các quá trình nghiên cứu chuyên sâu về điện tim loạn nhịp và nhu cầu khám chữa bệnh của nhân dân

li n quan đến hệ thần kinh thực vật và chịu sự chi phối nhất định của con người Điều này khiến cho nhịp tim phụ thuộc bán chủ động vào ý thức của con người và

có thể tự thay đổi theo từng thời điểm và trạng thái sinh lý, bệnh lý của cơ thể Sự thay đổi của nhịp tim có thể là nguyên nhân, triệu chứng của các loại tín hiệu loạn nhịp tim khác nhau Phức hợp QRS và véc tơ RR của tín hiệu điện tim có thể được

sử dụng để nghiên cứu các dạng loạn nhịp tim cơ bản, điển hình của bệnh nhân Việc phân loại tín hiệu điện tim loạn nhịp sẽ có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định, nhận dạng các trạng thái loạn nhịp của bệnh nhân

Quá trình xử lý và phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp được thực hiện trong miền thời gian, tần số và phi tuyến, tuy nhiên tác giả chỉ tập trung v o các phương pháp phân tích và xử lý trong miền phi tuyến m điển hình l phương pháp DFA v MDFA Các phương pháp xử lý khác trong miền phi tuyến được đề cập để l m cơ

sở so sánh v đánh giá kết quả Đây l cơ sở cho định hướng thu nhận, phân tích, xử

lý tín hiệu điện tim v đề xuất xây dựng mô hình tự động quá các tiến trình đó tại Việt Nam

1.1 Khái niệm về điện sinh lý tim

Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức vụ bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch v đem dưỡng khí và các chất dinh dưỡng đến toàn bộ cơ thể; hút máu từ tĩnh mạch về tim sau đó đẩy máu đến phổi để trao đổi khí CO2 lấy khí O2 Tim là 2 khối cơ rỗng, hình tháp, đáy ở tr n đỉnh ở dưới Vách nhĩ-thất chia tim thành 2 phần: phải và trái Tim phải chứa máu đỏ sẫm, nhiều cacbonic Tim trái chứa máu đỏ tươi, nhiều khí oxi Mỗi b n được chia th nh 2 ngăn, tr n l tâm nhĩ, dưới là tâm thất, ở giữa có van nối thông với nhau [22] Giữa tâm thất phải

v tâm nhĩ phải là van 3 lá, giữa tâm thất trái và tâm nhĩ trái l van 2 lá, giữa 2 tâm thất là vách liên thất gồm có phần màng và phần cơ, khi phần màng bị tật thì gây ra tật thông liên thất Máu từ tâm thất phải đi ra theo động mạch phổi Giữa các động

16

mạch và các tâm thất có van tổ chim ngăn không cho máu chảy ngược về tim Máu

đỏ sẫm từ tĩnh mạch chủ tr n v tĩnh mạch chủ dưới đổ v o tâm nhĩ phải Máu đỏ từ

4 tĩnh mạch phổi đổ v o tâm nhĩ trái Tim được cáu tạo bằng 3 lớp: màng ngoài tim(ngoại tâm mạc), cơ tim v m ng trong tim (nội tâm mạc)

Cơ tim được cấu thành bởi 3 loại cơ bản l : cơ nhĩ, cơ thất và những sợi cơ có tính kích thích, dẫn truyền đặc biệt Cơ nhĩ, cơ thất có hoạt động co rút giống cơ vân, loại còn lại co rút yếu hơn nhưng chúng có tính nhịp điệu và dẫn truyền nhanh các xung động trong tim Các tế b o cơ tim có tính chất trung gian giữa tế b o cơ vân và tế b o cơ trơn Đó l những tế bào nhỏ, có vân, chia nhánh và chỉ một nhân Khác với cơ vân, các tế b o cơ tim có các cầu nối, kết với nhau thành một khối vững chắc, có những đoạn màng tế bào hòa với nhau Khi cơ tim co bóp sẽ phát ra dòng điện sinh lý, đánh giá dòng điện do cơ tim phát ra sẽ cho biết hoạt động của hệ thần kinh tim Để thu được dòng điện tim, người ta đặt những điện cực của máy ghi điện tim l n cơ thể Tùy theo vị trí đặt điện cực m thu được các chuyển đạo khác nhau nhằm nghiên cứu dòng điện tim bình thường và bệnh lý một cách có lợi nhất [23,24] Hình 1.1 mô tả sơ đồ cơ bản để thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo tại tay trái, tay phải và chân trái

Lọc thông thấp

Lọc thông cao Lọc Notch

Biến đổi Tương Tự

- Số

Cách ly Quang

Vi

Xử Lý Truyền thông

Hình 1.1: Sơ đồ thu nhận tín hiệu điện tim với 3 điểm đo tại tay trái, tay phải và chân

trái của bệnh nhân

Tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng 1 phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được

từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi

17

Hình 1 2: Hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt đồng từng vị trí trong tim

Điện thế động lan truyền dọc sợi cơ tạo thành một làn sóng khử cực Sóng này có thể so sánh với sóng m chúng ta quan sát được khi ném một hòn đá xuống nước Vận tốc dẫn truyền xung động khác nhau ở các vùng của tim Ở trạng tháisinh lý, xung động từ nút xoang v o cơ nhĩ với vận tốc vừa phải, 0,8-1m/s Dẫn truyền chậm lại 0,03-0,05m/s từ tâm nhĩ qua nút nhĩ-thất, điện thế hoạt động rất chậm ở nút nhĩ-thất, do gồm các sợi có đường kính rất nhỏ Sau đó, vận tốc tăng trong bó His (0,8-2m/s) v đạt rất cao trong mạng Purkinje: 5m/s Cuối cùng chậm lại khi đi vào các sợi cơ thất, với vận tốc 0,3-0,5m/s Hình 1.2 mô tả hệ thống dẫn truyền và điện thế hoạt động từng vị trí trong tim, các xung động điện tại từng phân khu trong tim sẽ tạo nên các thành phần của sóng điện tim Khi tim hoạt động xuất hiện dòng điện hoạt động của các sợi cơ tim Những dòng điện này có thể ghi lại từ những điện cực đặt tr n da Như vậy điện tim đồ thể hiện sự hoạt động điện của tim và có thể cho biết tình trạng của tim, tần số, bản chất và sự phát sinh nhịp tim, sự lan tỏa

và hiệu quả của các hưng phấn cũng như cho biết các rối loạn có thể có [23]

Willem Einthoven đã công bố bản mô tả đầu tiên rất quan trọng về hệ thống đo ECG lâm sàng v được đặt tên là hệ thống đạo trình Einthoven Các đạo trình chi của Einthoven (đạo trình chuẩn) được định nghĩa như sau:

18

trong đó: l điện áp của đạo trình I, l điện áp của đạo trình II, là điện áp của đạo trình III, l điện thế tại tay trái, l điện thế tại tay phải và

l điện thế tại chân trái

Hình 1 3: Các đạo trình chi của Einthoven và tam giác Einthoven Tam giác Einthoven là 1 sự mô tả gần đúng các véc tơ đạo trình được kết hợp với các đạo

trình chi Đạo trình I được thể hiện là CI như trên hình

Đường biểu diễn điện tim (điện tim đồ) gồm có 6 sóng nối tiếp nhau với 6 chữ cái liên tiếp được đặt tên P, Q, R, S, T,U Ba sóng Q, R, S tập hợp lại thành phức bộ QRS như ở hình 1.4 dưới đây:

Phức hợp QRS của sóng điện tim là tổ hợp của ba đỉnh Q,R,S trong tín hiệu điện tim đồ Phức hợp này nằm ở vị trí trung tâm của một nhịp tim và có thể xác định được khá chính xác Quá trình hình thành phức hợp QRS gắn liền với khử cực của tâm thất phải và trái Thời gian tồn tại của phức hợp QRS vào khoảng 0,06 đến 0,12 giây

 Sóng P là sóng khử cực của tâm nhĩ Bi n độ < 0,25mV, thời gian < 0,1s;

 Tái cực nhĩ không thấy trên ECG vì nó lẫn trong sóng tiếp theo [25];

 Liền ngay sau khi T kết thúc, có thể còn thấy một sóng chậm nhỏ gọi là sóng U tương ứng với một giai đoạn muộn tái cực của tâm thất;

 Khoảng PQ là thời gian dẫn truyền xung động từ tâm nhĩ đến tâm thất, thời gian < 0,2s;

 Khoảng QT tùy thuộc vào tần số tim, thời gian 0,35s đến 0,4s với tần số tim 75lần/phút Đó l thời gian hoạt động của tâm thất;

20

 Đoạn ST bằng phẳng, phần đẳng điện của điện tâm đồ từ cuối của sóng S

và sự khởi đầu của sóng T, nó đại diện cho khoảng cách giữa khử cực và tái cực thất;

 Phổ năng lượng tín hiệu điện tim có thể cho phép đánh giá v phân tích được các thành phần của tín hiệu P,Q,R,S,T Các thành phần n y được mô

tả trong Hình 1.5 với đặc trưng về bi n độ phổ tín hiệu được trộn lẫn bởi nhiều yếu tố điện, cơ v sinh lý khác nhau

Phức hợp QRS

Nhiễu cơ Sóng

Hình 1.5: Các đặc trưng tần số của tín hiệu điện tim gồm các thành phần phức hợp

QRS, Sóng P-T, Nhiễu cơ

Theo đó phổ tín hiệu điện tim bao gồm các thành phần sau:

o Phức hợp Q,R,S chiếm công suất phổ khá lớn và là 3 thành phần chính của tín hiệu điện tim;

o Nhiễu cơ, thường nhỏ và gây ra nhiễu nền tín hiệu;

o Sóng P, T chiếm tỉ trọng ít trong phổ công suất;

o Các tín hiệu vận động khác có thể gây ra ảnh hưởng lớn nhưng chỉ tồn tại ở tần số thấp

Phức hợp có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các phương pháp phân tích v

xử lý tín hiệu điện tim trong khoảng thời gian lớn, lựa chọn các thuật toán phát hiện phức hợp QRS là một bước quan trọng trong sự phát triển của một hệ thống phân tích điện tim đồ thời gian thực [26, 27] Kinh nghiệm trong nhiều năm cho thấy quá trình phân tích điện tim đồ v đặc biệt đối với phức hợp QRS, việc phát hiện các phức hợp dựa trên các k thuật xử lý tín hiệu, đã đạt được một hiệu suất phát hiện tiệm cận, đạt độ chính xác cao và có thể chấp nhận như l một giải thuật tính toán tự động Mục đích của tác giả khi nghiên cứu về phức hợp QRS là lựa chọn và phát triển một phương pháp xác định phức hợp QRS một cách tự động cho các tín hiệu

21

điện tim đo được từ hệ thống Holter, BedmasterEX hoặc từ hệ thống điện sinh lý so với các dạng tín hiệu ECG đã định sẵn và cấu trúc cơ bản của tín hiệu điện tim

1.2 Phân loại tín hiệu điện tim loạn nhịp

1.2.1.Khái niệm loạn nhịp tim:

Tín hiệu điện loạn nhịp tim (HRV - Heart Rate Variability) là sự rối loạn hoạt

động điện sinh học của tim về ba mặt sự tạo th nh xung động, dẫn truyền xung động và sự phối hợp giữa tạo thành với dẫn truyền xung động Nhịp tim bị loạn là dấu hiệu có rối loạn n o đó trong việc khởi xướng các xung lực điện năng từ trung tâm tự động tim hoặc trong việc dẫn truyền các xung lực này tới tế bào tim Trung tâm tự động tự nhiên của tim nằm ở vách sau tâm nhĩ phải điều hoà nhịp tim đập Xét về hình dạng và cấu trúc tín hiệu điện tim thì khái niệm loạn nhịp tim được phân loại thành ba dạng chính sau:

 Nhịp tim nhanh: Sự xuất hiện không thường xuyên và không theo quy

luật nhịp với tốc độ vượt quá 100 nhịp/phút Hiện tượng n y được gọi là nhịp nhanh Nhịp nhanh xuất hiện có thể do các triệu chứng sinh lý hoặc bệnh lý, cần theo dõi với thời gian dài và kết hợp phân tích với nhiều phương pháp khác để có kết luận chính xác;

 Nhịp tim chậm: Sự xuất hiện không thường xuyên và không theo quy luật

nhịp với tốc độ dưới 60 nhịp/phút Hiện tượng n y được gọi là nhịp chậm Nhịp chậm xuất hiện có thể do các triệu chứng sinh lý hoặc bệnh lý, cần theo dõi với thời gian dài và kết hợp phân tích với nhiều phương pháp khác để có kết luận chính xác;

 Rối loạn nhịp: Khác với nhịp nhanh hoặc nhịp chậm, Rối loạn nhịp xảy ra

do sự thay đổi bất thường và diễn ra không theo quy luật của phức hợp QRS cũng như khoảng cách giữa cách đỉnh tín hiệu, đặc trưng nhất được thể hiện thông qua véc tơ đỉnh RR của sóng điện tim Hiện tượng rối loạn nhịp l trường hợp tổng quát v đặc thù khi phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp

Tín hiệu điện tim loạn nhịp xuất hiện do các hiện tượng rối loạn nhịp tim (Cardiac arrhythmia), tùy theo nhẹ hay nặng, những bệnh này có thể chỉ gây chóng mặt, đánh trống ngực nhưng cũng có thể làm làm bất tỉnh hay chết người Ở người bình thường đôi khi cũng có hiện tượng rối loạn nhịp tim nhưng chỉ là v i thay đổi thoảng qua và ít ảnh hưởng đối với cơ thể Tuy nhiên, nếu các triệu chứng rối loạn diễn ra thường xuyên thì sẽ là một trạng thái bệnh lý và phải được điều trị Theo dõi phân tích các dữ liệu điện tim của bệnh nhân trong thời gian dài sẽ giúp cho bác sĩ

có các chẩn đoán chính xác, hiệu quả đối với trạng thái bệnh lý của bệnh nhân

1.2.2 Phân loại cơ chế hình thành rối loạn nhịp tim

Dựa v o cơ chế bệnh sinh của rối loạn nhịp tim, người ta chia thành 3 nhóm:

 Rối loạn quá trình tạo th nh xung động: nhịp xoang nhanh hoặc chậm, ngoại tâm thu, cuồng động và rung;

 Rối loạn quá trình dẫn truyền xung động: Block xoang nhĩ, Block nhĩ-thất, Block trong thất;

 Kết hợp giữa rối loạn tạo th nh xung động và dẫn truyền xung động, phân

ly nhĩ-thất, hội chứng quá kích thích dẫn truyền sớm

1.2.2.1 Rối loạn nhịp xoang

Nhịp xoang bình thường: Nhịp xoang bình thường là nhịp tim do nút xoang làm

chủ nhịp, là nhịp bình thường của tim Nhịp sóng P đều v dương ở các chuyển đạo

II, III, aVF Luôn tồn tại 1 sóng P trong 1 nhịp tim với khoảng PR đều đặn và sóng

P xuất hiện trước phức hợp QRS Giá trị bình thường của nhịp xoang: 60 - 100 lần/phút

Nhịp xoang chậm: Nhịp xoang chậm < 60 lần/phút v không tăng một cách

thích hợp khi gắng sức Nguyên nhân có thể do cường phế vị hoặc phó giao cảm, hoặc trong giai đoạn cấp của nhồi máu cơ tim, đặc biệt là nhồi máu cơ tim phần

ho nh Đặc điểm tín hiệu điện tim của nhịp xoang chậm:

 Đầy đủ các sóng P, QRS, T tái lập đều đặn;

 Sóng P xoang : dương ở DII, V3-V6 và âm ở aVR;

 Khoảng PR cố dịnh và có trị số bình thường;

 Tần số < 60 lần/phút

Nhịp xoang nhanh: Nhịp xoang nhanh là nhịp tim nhanh do nút xoang bị kích

thích Tần số tim từ 100 lần/phút trở lên và có thể tới 140 lần/phút ở người trưởng thành Ở trẻ sơ sinh, nhịp xoang nhanh có khi vượt quá 200 lần/phút Nhịp xoang nhanh thường không ổn định, tăng l n khi gắng sức hay khi thay đổi tư thế Nhịp xoang nhanh cũng đáp ứng với nghiệm pháp ấn nhãn cầu hay xoa xoang cảnh, nghĩa

là nhịp tim chậm lại dần dần qua trung gian giao cảm Nguy n nhân thường gặp nhất l do đáp ứng sinh lý đối với hoạt động gắng sức, sốt, đau, sợ hoặc các căng

23

thẳng khác Tuy nhiên, cần phải loại trừ tình trạng suy tim xung huyết hoặc các nguyên nhân gây chèn ép tim Thiếu máu cũng có thể gây ra nhịp xoang nhanh Đặc điểm tín hiệu điện tim của nhịp xoang nhanh:

 Đầy đủ các sóng P, QRS, T tái lập đều đặn;

 Khoảng PR ngắn và tần số tim càng nhanh thì thời khoảng QT càng ngắn;

 Thời gian PR 0,12 s;

 Tần số 100 lần/phút

Muốn chẩn đoán loạn nhịp xoang, trước hết phải khẳng định,đó có phải là nhịp xoang hay không với các tiêu chuẩn l sóng P dương ở II, III, aVF, đều đặn và giống hệt nhau Chúng ta cần phân biệt loạn nhịp xoang và nhịp xoang không đều Nhịp xoang không đều thì chưa chắc gọi là loạn nhịp xoang, ví dụ như khi con người hít vào thì nhịp tim sẽ tăng v thở ra nhịp tim sẽ giảm Sự không đều đặn này

l không đáng kể

1.2.2.2 Rối loạn nhịp nhĩ

Nhịp nhĩ bình thường: Nhịp nhĩ bình thường do các xung động điện tại tâm nhĩ

của tim, từ đó sinh ra sóng P Sóng P ở các chuyển đạo II, III v aVF cũng đều đặn

và giống hệt nhau v thường có giá trị dương Trước đây người ta gọi loại nhịp này

là nhịp xoang v nh, vì người ta cho rằng nó xuất phát từ xoang vành, là một cấu trúc thu nhận máu từ cơ tim về tâm nhĩ phải Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy nó có thể xuất phát từ nhiều vị trí khác của tâm nhĩ, không nhất thiết phải

là xoang vành nên người ta đổi tên thành nhịp nhĩ không phải nhịp xoang

Nhịp nhĩ lang thang: Nhịp nhĩ lang thang xuất hiện khi sóng P thay đổi từ nhịp

này sang nhịp khác ở cùng một chuyển đạo, kèm theo sự thay đổi của khoảng PR cũng như PP v RR, thì điều này chứng tỏ vị trí phát xung ở nhĩ không phải là một

vị trí mà là nhiều vị trí Như vậy, định nghĩa nhịp nhĩ lang thang l nhiều ổ ở nhĩ thay phiên nhau phát xung Cả nhịp nhĩ lang thang lẫn nhịp nhĩ không phải nhịp xoang đều có thể xuất hiện trên một bệnh nhân có bệnh lý của nút xoang Sự rối loạn n y cũng có thể là biểu hiện của một sự bất thường ở tâm nhĩ, gặp trong bệnh thấp tim Đặc điểm tín hiệu điện tim của nhịp nhĩ lang thang:

 Sóng P hình dạng nó không nhất định ở trên cùng 1 chuyển đạo;

 Sóng P có thể có giá trị âm;

 Các khoảng RR, PP không đều nhau

Nhịp nhĩ nhanh đa ổ: Nhịp nhĩ nhanh đa ổ cũng có các đặc tính gần giống so

với nhịp nhĩ lang thang, tuy nhi n khoảng RR được giới hạn ở sự thay đổi lớn với các nhịp tim lớn hơn 100 lần/phút Các đặc tính của nhịp nhĩ nhanh đa ổ như sau:

Nhịp nhĩ nhanh kịch phát trên thất: Nhịp nhĩ nhanh kịch phát trên thất xuất

hiện khi có tắc nghẽn đường dẫn truyền máu, quá trình này gây ra nghẽn một chiều hoặc do thực thể (sẹo) hoặc do chức năng (khác biệt thời gian trơ của mô) Xung động từ nhịp xoang gây khử cực nhĩ rồi truyền xuống nút nhĩ thất, theo cơ chế vào lại, xung động sẽ truyền ngược lên và khử cực lại nút xoang Quá trình này cứ lập đi lập lại tạo ra một nhịp nhĩ có thể lên tới 160 – 220 lần/phút Đặc tính của nhịp nhĩ nhanh kịch phát trên thất như sau:

 Tần số thất nhanh >160 lần/phút v đều;

 Phức hợp QRS bình thường;

 Sóng P thường lẫn v o QRS đi trước nó;

 Có thể có ST chênh xuống

Cuồng nhĩ: Cuồng nhĩ xảy ra do xung động truyền theo cơ chế vào lại ngay tại

tâm nhĩ Hay hiểu cách khác một ổ tạo nhịp n o đó ở tâm nhĩ phát xung động khử cực nhĩ, xung động đó quay trở lại hoạt hoá ngay ổ tạo nhịp đó theo chuyển động vòng tròn, tạo ra một nhịp tim đều và rất nhanh Thường kèm theo Block nhĩ thất ở các mức độ khác nhau Đặc tính của cuồng nhĩ như sau:

 Ðiện tim thấy mất sóng P thay bằng sóng F (Flutter) như răng cưa;

 Tần số sóng F đạt khoảng 250-350 lần/phút;

 Phức bộ QRS bình thường v đều nhau

Rung nhĩ: Rung nhĩ xảy ra do tâm nhĩ bị dãn, không bóp chỉ rung các thớ cơ nhĩ,

gây ra sự khử cực hỗn loạn của những nhóm tế b o nhĩ với vô số vòng vào lại Hay nói cách khác, các xung động phát xung và dẫn truyền một cách hỗn loạn ở tâm nhĩ Đặc tính của rung nhĩ như sau:

 Ðiện tim thấy mất sóng P thay bằng sóng f (fibrilation);

 Tần số sóng F đạt khoảng 350-600 lần/phút;

 Các phức bộ QRS có thay đổi nhất là về bi n độ cao thấp khác nhau;

 Khoảng cách RR không đều nhau

Rối loạn nhịp bộ nối: Rối loạn nhịp bộ nối là nhịp tim từ nút nhĩ thất phát xung

ra đi ngược lên khử cực nhĩ, v đi xuống khử cực thất Sự khử cực nhĩ có thể trước, cùng lúc hoặc sau khử cực thất, tương ứng với tr n điện tim đồ: sóng P có thể đi trước, cùng lúc hay đi sau phức hợp QRS Véc tơ khử cực nhĩ không phải là chếch xuống dưới sang phải như trong trường hợp nhịp xoang nữa nên sóng P không

25

dương ở 2 chuyển đạo aVF và I mà sóng P có xu dướng đảo ngược lại Nhịp tim thường chậm vì tốc độ phát xung của nút nhĩ thất không nhanh như nút xoang Đặc tính của rối loạn nhịp bộ nối như sau:

 Sóng P do dẫn truyền có thể không thấy do bị vùi vào QRS;

 Thông thường thấy nó đi sau QRS;

 Nếu P đi trước QRS thì thường <0,11 giây là phân biệt với nhịp nhĩ;

 P thường đảo ngược ở II,III, aVF;

 Nhịp tim thường chậm

1.2.2.3 Rối loạn nhịp thất

Nhịp thất bình thường: Nhịp thất là nhịp có ổ chủ nhịp ngay tại cơ của các

buồng thất Nhịp thất có nguồn gốc từ cơ thất không sử dụng hệ thống dẫn truyền trong thất, cho n n để khử toàn bộ cơ thất, nó phải cần 1 thời gian d i do đó phức hợp QRS trong nhịp thất bình thường kéo d i hơn so với nhịp nhĩ Nhịp trên thất có khử cực nhĩ cho n n có sóng P, nhưng nhịp thất thì không có sóng P do không khử cực nhĩ (xung động không thể truyền ngược l n được) Tuy nhiên nhiều trường hợp

sự khử cực tâm thất cũng có thể gây ra khử cực nhĩ từ đó có sóng P Nhịp thất chậm hơn so với nhịp trên thất Thông thường nhịp thất sóng T đảo ngược với phức hợp QRS (vì nhịp thất không tuân theo quy luật khử cực thì từ nội tâm mạc ra ngoại tâm mạc, và tái cực thì từ ngoại tâm mạc vào nội tâm mạc) Nhịp thất bình thường xuất hiện < 40 lần/phút cho n n l m giảm cung lượng tim Tùy vị trí phát xung ở thất m phức bộ QRS có các hình dáng khác nhau ở các chuyển đạo khác nhau

Nhịp thất tăng cường: Nhịp thất tăng cường là nhịp thất thông thường nhưng

nhịp tim xuất hiện thường xuyên, liên tục hơn Đặc điểm của nhịp thất tăng cường như sau:

 Bề rộng phức hợp QRS > 0,1s;

 Không có sóng P;

 Nhịp tim >40 lần/ phút

Nhịp nhanh thất: Nhịp nhanh thất xuất hiện khi tim > 140 lần/phút Các thông

số về sóng P và phức hợp QRS tương đương so với nhịp thất tăng cường Đặc điểm của nhịp nhanh thất như sau:

 Không có sóng P trước QRS;

 Phức hợp QRS > 0,1s;

 Nhịp tim >140 lần / phút

Rung thất: Hiện tượng rung thất xảy ra với cơ chế cũng giống như trong rung

nhĩ Tâm thất phát xung một cách hỗn loạn, các sóng tạo ra tr n điện tim đồ không

26

có hình dáng điển hình Đây l nguy n nhân h ng đầu gây ra đột tử do tim Ngừng tuần hoàn sẽ xảy ra trong giây lát Sẽ không bắt được mạch Cần sử trí ngay nếu không sẽ không phục hồi được Các đặc điểm của rung thất như sau:

 Ðiện tim thấy mất sóng P thay bằng sóng f (fibrilation);

 Tần số sóng F đạt khoảng 350-600 lần/phút;

 Các phức bộ QRS có thay đổi nhất là về bi n độ cao thấp khác nhau;

 Khoảng cách RR không đều nhau

Block nhĩ thất: Block nhĩ thất là tình trạng tổn thương ở nút nhĩ hay bó His l m

chậm trễ hay tắc nghẽ hẳn sự dẫn truyền xung động từ nhĩ xuống thất do đó l m biến đổi khoảng QT Block nhĩ thất gồm 3 loại là Block nhĩ thất độ 1: Block kín đáo, Block nhĩ thất độ 2: Block không hoàn toàn và Block nhĩ thất độ 3: Block hoàn toàn

Block nhĩ thất độ 1: Nếu sóng P luôn đi trước QRS một khoảng cố định, kéo dài

> 0,20 giây, thì người ta gọi đây l block nhĩ thất độ 1.Block nhĩ thất độ 1 có thể

l nh tính, nhưng cũng gặp trong nhồi máu cơ tim cấp, có thể diễn tiến tới những mức độ nặng hơn của block nhĩ thất Nó cũng có thể là dấu hiệu của một sự thoái hoá hệ thống dẫn truyền Đặc điểm của Block độ 1 như sau:

 Sóng P luôn đi trước phức hợp QRS;

 Khoảng PR > 0,2 giây;

 Khoảng PR cố định

Block nhĩ thất độ 2: Block nhĩ thất độ 2 xuất hiện khi có sự dẫn truyền xung động

từ nhĩ xuống thất bị chậm lại c ng ng y c ng d i đến nỗi cuối cùng mất luôn 1 nhịp, sau đó quay trở lại chu trình như cũ Vì thế tr n điện tim đồ ta sẽ thấy khoảng PR kéo dài dần, và cuối cùng có 1 nhịp chỉ có sóng P m không có QRS đi theo sau Đặc điểm của block nhĩ thất độ 2 như sau:

 Sóng P luôn đi trước phức hợp QRS;

 Khoảng PR > 0,2 giây;

 Khoảng PR không cố định, tăng dần rồi biến mất 1 nhịp

Block nhĩ thất độ 3: Block nhĩ thất độ 3 xuất hiện tại vị trí nút nhĩ thất, nhĩ sẽ bóp

theo nhịp xoang, trong khi đó thất sẽ bóp theo nhịp của bộ nối, vì thế QRS sẽ có đặc trưng của nhịp bộ nối với tần số từ 40 - 55 lần/phút, QRS có hình dáng bình thường Nếu block dưới vị trí của nút nhĩ thất, khi đó thất sẽ không phát xung theo nhịp của nút nhĩ thất nữa mà tự nó sẽ phát xung, điều này làm cho phức bộ QRS và sóng T mang những đặc điểm của nhịp thất, đó l QRS chậm từ 20 - 40 lần/phút, giãn rộng

v thường kèm theo sóng T đảo ngược Đặc điểm của Block nhĩ thất độ 3 như sau: