LoạI trừ nhiễu và nén tín hiệu điện tim để ứng dụng trong môi trường truyền dẫn vô tuyến

Những bệnh nhân này thường được gắn đeo trên người một module nhỏ gọn để thu thập, xử lý và phát tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến như WIFI, Bluetooth, Zigbee đến máy chủ trun

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Dương Trọng Lượng

LOẠI TRỪ NHIỄU VÀ NÉN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ĐỂ ỨNG DỤNG

TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Dương Trọng Lượng

LOẠI TRỪ NHIỄU VÀ NÉN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ĐỂ ỨNG DỤNG

TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 62520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

2 TS HOÀNG VĂN VÕ

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả đạt được

ở trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình

nào khác

Tác giả luận án

Dương Trọng Lượng

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới các thầy hướng dẫn khoa học đó là GS.TS Nguyễn Đức Thuận và TS Hoàng Văn Võ Các thầy đã định hướng cho tôi triển khai những ý tưởng khoa học, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu Đặc biệt, thầy GS.TS Nguyễn Đức Thuận rất quan tâm, luôn tận tình hướng dẫn, đưa ra những gợi ý và định hướng cho tôi để tôi triển khai, thực hiện ý tưởng khoa học

Tôi xin trân trọng cám ơn Lãnh đạo bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và góp ý định hướng nghiên cứu trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu và hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh, chị, và các bạn đồng nghiệp thuộc

bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Viện Đào tạo Sau đại học và viện Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cám ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu tại phòng Lab kỹ thuật y sinh thuộc bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh đã hỗ trợ và tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu ECG

Cuối cùng, tôi dành những lời cám ơn và yêu thương nhất đến gia đình tôi:

bố mẹ, các anh chị và đặc biệt là vợ và các con Sự động viên, giúp đỡ và kiên nhẫn của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

Hà nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án

Dương Trọng Lượng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU……… 1

Mục đích nghiên cứu 1

Mục tiêu nghiên cứu của luận án 4

Các vấn đề cần giải quyết của luận án 4

Phạm vi nghiên cứu của luận án 4

Phương pháp nghiên cứu của luận án 5

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5

Cấu trúc của luận án 6

Các đóng góp chính của luận án 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THU NHẬN, XỬ LÝ VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM TRONG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH NHÂN TIM MẠCH 8

1.1 Tín hiệu điện tim và đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện tim 8

1.1.1 Tín hiệu điện tim 8

1.1.2 Đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện tim……….……… 8

1.2 Ứng dụng của tín hiệu điện tim trong theo dõi, chẩn đoán và nghiên cứu các bệnh tim mạch 9

1.3 Các loại nhiễu chính ảnh hưởng tới tín hiệu điện tim 11

1.4 Hệ thống chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân tim mạch 12

1.4.1 Hệ thống chẩn đoán 12

1.4.2 Hệ thống theo dõi bệnh nhân tim mạch 13

1.5 Tóm lược một số công nghệ vô tuyến được ứng dụng trong hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch 17

1.5.1 Zigbee 17

1.5.1.1 Giới thiệu về Zigbee 17

1.5.1.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng Zigbee để truyền tín hiệu điện tim 18

1.5.2 Bluetooth 19

1.5.2.1 Sơ lược về Bluetooth 19

1.5.2.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng Bluetooth để truyền tín hiệu điện tim 20

1.5.3 WiFi 21

1.5.3.1 Giới thiệu sơ lược về công nghệ WiFi 21

1.5.3.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng WiFi để truyền tín hiệu điện tim 22

1.5.4 Công nghệ GPRS/3G 23

1.5.4.1 Giới thiệu sơ lược về công nghệ GPRS/3G 23

1.5.4.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng công nghệ GPRS/3G để truyền tín hiệu điện tim 24

1.6 Định hướng các nội dung nghiên cứu của luận án 25

1.7 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ LỌC NHIỄU TRONG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM 27

2.1 Lọc nhiễu nguồn xoay chiều 27

2.1.1 Đặt vấn đề 27

2.1.2 Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả lọc nhiễu nguồn xoay chiều dùng bộ lọc triệt tần thích nghi dựa trên biến đổi Fourier nhanh và nhiều vòng lặp 28

2.1.2.1 Phương pháp thực hiện 28

2.1.2.2 Kết quả thử nghiệm 32

2.2 Lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở 38

2.2.1 Đặt vấn đề 38

2.2.2 Đề xuất phương pháp lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở trong miền thời gian dựa trên các điểm đẳng thế 40

2.2.2.1 Phương pháp thực hiện 40

2.2.2.2 Kết quả thực hiện 45

2.3 Kết luận chương 49

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NÉN DỮ LIỆU ĐIỆN TIM (ECG) ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ CHẨN ĐOÁN BỆNH TIM

MẠCH TỪ XA ……….50

3.1 Đặt vấn đề 50

3.2 Thuật toán nén hai trạng thái 58

3.2.1 Tổng quan về thuật toán nén hai trạng thái 58

3.2.2 Phân loại trạng thái của tín hiệu ECG 61

3.2.3 Nén các mẫu chênh lệch dựa trên trạng thái 62

3.2.4 Đánh dấu sự thay đổi trạng thái 63

3.2.5 Biểu diễn các mẫu chênh lệch 64

3.2.6 Phân loại lại trạng thái dữ liệu 64

3.2.7 Khôi phục các mẫu chênh lệch 65

3.3 Thử nghiệm và kết quả 66

3.3.1 Các tiêu chí đánh giá thuật toán nén 66

3.3.2 Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu MIT-BIH 67

3.3.3 Thử nghiệm với cơ sở dữ liệu nhịp nhanh tâm thất CU ventricular tachyarrhythmia 70

3.4 Nhận xét 72

3.4.1 Ảnh hưởng của việc chọn tỷ lệ nén tới hiệu quả thuật toán 72

3.4.2 Tính linh hoạt của thuật toán 73

3.4.3 So sánh hiệu quả của thuật toán với một số phương pháp khác 74

3.5 Kết luận 76

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THUẬT TOÁN NÉN HAI TRẠNG THÁI TÍN HIỆU ECG TRONG MÔI TRƯỜNG WIFI 77

4.1 Lựa chọn điều kiện thử nghiệm 77

4.2 Thử nghiệm hệ thống truyền–nhận với tín hiệu ECG, ứng dụng công nghệ WiFi và thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu ECG 78

4.2.1 Xây dựng mô hình hệ thống thử nghiệm 78

4.2.2 Quy trình thử nghiệm và các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thử

nghiệm 81

4.2.2.1 Lựa chọn số lượng mẫu nén và tỉ lệ nén dữ liệu ECG 81

4.2.2.2 Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thử nghiệm 81

4.2.3 Điều kiện thử nghiệm hệ thống 85

4.2.4 Kết quả thử nghiệm 86

4.2.4.1 Thử nghiệm hệ thống trong điều kiện có vật cản 86

4.2.4.2.Thử nghiệm hệ thống trong điều kiện không có vật cản (tầm nhìn thẳng) 91

4.3 Kết luận chương 92

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

DTD Direct-time domain compression Nén trực tiếp miền thời gian

hCR Higher Compression Ratio Tỉ số nén cao hơn

Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

lCR Lower Compression Ratio Tỉ số nén thấp hơn

MB Model based compression methods Nén bằng cách mô hình hóa tín hiệu

hóa

oCR Overall compression ratio Hệ số nén toàn bộ

PDA Personal Digital Assistant Thiết bị số trợ giúp cá nhân

PRD Percentage RMS difference Sai lệch căn bậc hai phương sai

Normalized

Sai lệch căn bậc hai phương sai chuẩn hóa

RLS Recursive Least Squares Bình phương nhỏ nhất đệ quy

SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển đường truyền

TD Transform domain compression Nén bằng cách chuyển đổi miền tín hiệu

UDP User Datagram Protocol Giao thức khuôn dạng dữ liệu người sử

dụng

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Biên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu điện tim (nguồn:[22]) 9 Bảng 1.2 Khoảng thời gian của các sóng thành phần trong tín hiệu điện tim 9 Bảng 1.3 Tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee ứng với các dải tần khác nhau (nguồn:[68]) 18 Bảng 1.4 So sánh giữa Zigbee với Bluetooth và WiFi (IEEE 802.11b/g) (nguồn:[68]) 18 Bảng 1.5 Một số chuẩn IEEE cơ bản dùng cho WiFi (nguồn: [29]) 22 Bảng 2.1 Khảo sát giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 50Hz sau khi lọc sử dụng trong phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều đề xuất 33 Bảng 2.2 Khảo sát giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 60Hz sau khi lọc sử dụng trong phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều đề xuất 35 Bảng 2.3 Bảng so sánh giá trị SNR của 3 thuật toán lọc nhiễu nguồn 60Hz của tác giả Syed A.Rehman với giá trị SNR của phương pháp đề xuất 36 Bảng 2.4 So sánh kết quả lọc nhiễu 50Hz giữa thuật toán đề xuất với nghiên cứu

số [2] 37 Bảng 2.5 Giá trị của MSE ứng với một số mức của nhiễu trắng khi xác định các đỉnh P, Q, R, S và T 46 Bảng 2.6 Giá trị của MSE ứng với một số mức của nhiễu trắng khi xác định các điểm Isoelectric 46 Bảng 2.7 Bảng so sánh hệ số tương quan trung bình của phương pháp đề xuất và phương pháp Na Pan 49 Bảng 3.1 Bảng thống kê các phương pháp tiêu biểu cùng các ưu điểm, nhược điểm 54 Bảng 3.2 Giá trị của các tiêu chí CR, PRD, PRDN, RMS và SNR của 48 bản ghi cơ

sở dữ liệu ECG loạn nhịp sau khi nén với hCR-lCR = 25-5 67 Bảng 3.3 Toàn bộ 5 tiêu chí CR, PRD, PRDN, RMS và SNR của các bản ghi cơ sở

dữ liệu nhịp nhanh tâm thất được tái tạo Kết quả của các trường hợp có cùng lCR được nhóm lại thành một nhóm được biểu diễn bởi giá trị trung bình (Average - Avr) và độ lệch chuẩn (Standard) 71 Bảng 3.4 Bảng so sánh hiệu quả của các phương pháp nén dữ liệu ECG có mất thông tin, thử nghiệm với một số bản ghi ECG loạn nhịp MIT-BIH Với mỗi bản

ghi, hệ số CR gần giống nhau được tạo ra bởi các phương pháp nén khác nhau sẽ được nhóm lại thành 1 nhóm 74 Bảng 4.1 ết quả thử nghiệm truyền 90 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày làm việc 87 Bảng 4.2 ết quả thử nghiệm truyền 180 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày làm việc 88 Bảng 4.3 ết quả thử nghiệm truyền 90 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày nghỉ 90 Bảng 4.4 ết quả thử nghiệm truyền 180 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày nghỉ 90 Bảng 4.5 ết quả thử nghiệm truyền 90 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi trong tầm nhìn thẳng (không có vật cản), trong ngày làm việc 91 Bảng 4.6 ết quả thử nghiệm truyền 180 mẫu dữ liệu ECG không nén và có nén theo các tỉ lệ, trong môi trường WiFi trong tầm nhìn thẳng (không có vật cản), trong ngày làm việc 91

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Dạng tín hiệu điện tim bình thường đo theo đạo trình chi (nguồn: [60]) 8 Hình 1.2 Minh họa tín hiệu điện tim bình thường và một số tín hiệu điện tim thể hiện bệnh lý thường gặp về tim mạch (nguồn: [1],[3]) 10 Hình 1.3 Tín hiệu điện tim bị ảnh hưởng bởi nhiễu nguồn xoay chiều (được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm LabView) 11 Hình 1.4 Tín hiệu điện tim bị ảnh hưởng bởi nhiễu trôi dạt đường cơ sở có tần số 0.8Hz (được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm LabView) 12 Hình 1.5 Dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với HR = 106bpm (nhịp nhanh), độ rộng phức bộ QRS = 0.088s, đoạn PR = 0.206s, 13 Hình 1.6 Dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với HR = 77bpm (nhịp bình thường), độ rộng phức bộ QRS = 0.084s, đoạn PR = 0.126s, 13 Hình 1.7 Sơ đồ khối của hệ thống theo dõi bệnh nhân có dây 14 Hình 1.8 Sơ đồ kết nối của hệ thống monitor trung tâm vô tuyến 15 Hình 1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch sử dụng công nghệ vô tuyến 16 Hình 1.10 Sơ đồ khối của module thu thập, xử lý tín hiệu ECG và phát vô tuyến 16 Hình 1.11 a) PDA kết nối với các điện cực đo tín hiệu ECG trong trường hợp không có dây (WBN)(nguồn: [11],[83]); b) PDA kết nối với các điện cực đo tín hiệu ECG trong trường hợp có dây (nguồn: [23]) 17 Hình 1.12 Sơ đồ khối truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng Zigbee 19 Hình 1.13 Khái niệm về master-slave đối với việc thiết lập đường truyền bluetooth (nguồn: [51]) 20 Hình 1.14 Hệ thống y tế từ xa di động sử dụng bluetooth 21 Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ Wi-

Fi 23 Hình 1.16 Tính di động, tốc độ truyền dữ liệu của GPRS/3G so với một số mạng vô tuyến khác (nguồn: [26]) 24 Hình 1.17 Sơ đồ khối của hệ thống truyền-nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ GPRS/3G 24 Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ vô tuyến thể hiện những mục đích chính mà luận án tập trung nghiên cứu 25

Hình 2.1 Mô hình lọc nhiễu xoay chiều (nguồn:[2]) 28 Hình 2.2 Mô hình lọc nhiễu đề xuất 29 Hình 2.3a) Dạng tín hiệu N(n) – tín hiệu nhiễu 50Hz; b) Phổ biên độ - tần số của N(n) 30 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán xác định tần số và thiết lập ngưỡng độ lớn của nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz sau khi lọc 31 Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán xác định tần số và thiết lập ngưỡng độ lớn của nhiễu nguồn xoay chiều 60Hz sau khi lọc 31 Hình 2.6 Sự thay đổi SNR theo giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 50Hz sau lọc 33 Hình 2.7 a) tín hiệu ECG của bản ghi 103 ban đầu; b) Phổ biên độ - tần số của tín hiệu này; c) tín hiệu ECG của bản ghi 103 có nhiễu 50Hz; d) Phổ biên độ tần số của bản ghi 103 có nhiễu 50Hz; e) Dạng tín hiệu ECG của bản ghi 103 sau khi lọc nhiễu 50Hz; 34 Hình 2.8 Sự thay đổi SNR theo giá trị ngưỡng độ lớn của nhiễu 60Hz sau lọc 35 Hình 2 a) Tín hiệu ECG (bản ghi 220mitdb) ban đầu chưa có nhiễu 50Hz; b) Tín hiệu ECG có nhiễu 50Hz; c) Tín hiệu ECG sau khi lọc dùng thuật toán trong nghiên cứu [2]; 38 Hình 2.10 a) Tín hiệu điện tim sạch; b) vị trí các điểm đẳng thế 40 Hình 2.11 Vị trí các điểm vượt 0 từ (-) lên (+) và từ (+) xuống (-)khi có nhiễu trắng 42 Hình 2.12 a) Tín hiệu điện tim có nhiễu trắng; b) Tín hiệu điện tim có nhiễu trắng

và nhiễu trôi dạt đường cơ sở tuần hoàn dạng hàm sin với độ lớn thay đổi từ 0.01 đến 0.5mV và có tần số trùng với tần số của tín hiệu điện tim; c) tín hiệu điện tim có nhiễu trắng và nhiễu trôi dạt 42 Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán xác định các điểm đẳng thế 45 Hình 2.14 a) Tín hiệu điện tim mô phỏng có nhiễu trôi dạt đường cơ sở; b) Quá trình xác định các điểm isoelectric của tín hiệu S(t); c) nhiễu trôi dạt đường cơ sở ngẫu nhiên B(t); d) tín hiệu B’(t) được nội suy bởi phép Cubic Spline và e)tín hiệu điện tim sau khi lọc 48 Hình 3.1 Dạng tín hiệu ECG của bản ghi 103 của cơ sở dữ liệu ECG loạn nhịp (trên) và dạng đạo hàm bậc nhất của nó (dưới) Các khoảng phức tạp và đơn giản được phân biệt bởi hai ngưỡng Thr1 và Thr2 59 Hình 3.2 Sơ đồ khối của thuật toán nén hai trạng thái đề xuất 60

Hình 3.3 Sơ đồ khối phân loại trạng thái tín hiệu ECG 61

Hình 3.4 Cấu trúc của mỗi khoảng trạng thái nén tín hiệu và điều kiện tương ứng 62 Hình 3.5 Ví dụ về việc phân loại ECG mẫu (hCR = 8, Thr1 = 10) với một số bản ghi 102, 107, 119 và 123; các khoảng màu xám thể hiện các khoảng trạng thái thấp 62

Hình 3.6 Cấu trúc các gói dữ liệu được nén 63

Hình 3.7 Cấu trúc các mẫu chênh lệch 64

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán giải nén hai trạng thái tín hiệu ECG 65

Hình 3 Hiệu quả của thuật toán đề xuất trong việc nén 48 bản ghi ECG loạn nhịp được đánh giá thông qua các tiêu chí CR, PRD, PRDN, RMS, SNR 68

Hình 3.10 Giá trị PRD của 480 sóng P, 480 phức bộ QRS và 480 sóng T của toàn bộ 48 bản ghi cơ sở dữ liệu ECG loạn nhịp 68

Hình 3.11 Tái tạo bản ghi 113 với 4 tỉ lệ nén khác nhau (a) Dữ liệu ban đầu; (b) hCR/lCR = 10-2, CR = 10.72, PRD = 0.179%; (c) hCR/lCR = 15-3, CR = 13.73, PRD = 0.264%; (d) hCR/lCR = 20-4, CR = 15.86, PRD = 0.453%;(e) hCR/lCR = 25-5, CR = 17.29, PRD = 0.718% 69

Hình 3.12 Tái tạo bản ghi 117 với 4 tỉ lệ nén khác nhau (a) Dữ liệu ban đầu; 69

Hình 3.13 Tái tạo bản ghi 119 với 4 tỉ lệ nén khác nhau (a) Dữ liệu ban đầu; 69

Hình 3.14 Tái tạo bản ghi 112 với 4 tỉ lệ nén khác nhau (a) Dữ liệu ban đầu; 70

Hình 3.15 Tái tạo bản ghi CU04 (PRD tốt nhất) với các tỉ lệ nén khác nhau 72

Hình 3.16 Tái tạo bản ghi CU12 (PRD kém nhất) với các tỉ lệ nén khác nhau 72

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống thử nghiệm truyền – nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ WiFi 78

Hình 4.2 Sơ đồ khối quá trình truyền dữ liệu từ phía bên phát tới bên thu 79

Hình 4.3 Sơ đồ khối quá trình thu nhận dữ liệu ở phía server 80

Hình 4.4 Giao diện chương trình phần mềm thu nhận dữ liệu ECG (phía server), trong đó thể hiện tham số PER, tỉ lệ nén hCR-lCR 84

Hình 4.5 Giao diện chương trình phần mềm phía phát dữ liệu ECG (Client) 84

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán quá trình truyền dữ liệu ECG ứng với kích thước trước khi nén là 90 mẫu và 180 mẫu 85

Hình 4.7 Sơ đồ thử nghiệm của hệ thống trong trường hợp có vật cản 86

Hình 4.8 Các mạng Wifi xung quanh hệ thống thử nghiệm 86

Hình 4 Dạng tín hiệu ECG ở phía thu trong môi trường WiFi có vật cản, trong ngày làm việc, kích thước gói trước khi nén là 90 mẫu, tỷ lệ nén hCR-lCR là 15-3, PER= 1%, cường độ tín hiệu -80dBm 88 Hình 4.10 Dạng tín hiệu ECG ở phía thu trong môi trường WiFi, gia tăng vật cản 89

độ tuổi lao động Tình trạng này đã dẫn đến sự quá tải cho các bệnh viện tuyến trung ương tại Việt Nam với số lượng bệnh nhân ngày càng đông, trong khi đó sự phát triển cơ sở vật chất và nguồn nhân lực bác sỹ chuyên ngành và y tá không thể theo kịp để đáp ứng Bên cạnh đó, khám bệnh tim mạch dựa trên tín hiệu điện tim (ECG) là một thủ tục cơ bản để tìm ra những bệnh nhân bị các bệnh về tim mạch

không thường xuyên như thiếu máu cục bộ, loạn nhịp, v.v Do vậy, việc cung ứng

các dịch vụ y tế từ xa (telemedicine) chẳng hạn như dịch vụ hỗ trợ theo dõi, chăm sóc sức khỏe đang là xu hướng của thế giới Từ đó, các bệnh nhân sẽ nhận được các dịch vụ y tế từ xa thông qua điện thoại, laptop hay các thiết bị hỗ trợ theo dõi và chăm sóc sức khỏe tại nhà mà không cần phải đến bệnh viện trừ những trường hợp cấp bách Việc theo dõi này cũng giúp bác sỹ cập nhật tình hình bệnh nhân thường xuyên hơn và đưa ra những tư vấn tốt hơn Ngoài ra, với dịch vụ y tế từ xa như vậy cũng giúp tình trạng tắc nghẽn giao thông giảm đi, giảm chi phí đi lại cho bệnh nhân, giảm bớt sự quá tải đối với các bệnh viện và áp lực công việc của các bác sỹ

và y tá cũng được giảm

Ở nước ta, hiện chưa có một nghiên cứu tổng thể và toàn diện nào về việc hỗ trợ theo dõi và chăm sóc bệnh nhân tim mạch tại các bệnh viện có chuyên khoa tim mạch từ tuyến Trung ương đến tuyến Tỉnh, thành phố sử dụng công nghệ vô tuyến Gần đây, ở trên thế giới có nhiều nghiên cứu về các hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch sử dụng công nghệ vô tuyến như Zigbee, WiFi, GPRS/3G

và bluetooth áp dụng cho bệnh nhân di động, trong phạm vi hẹp ở trong một khoa, phòng khám và điều trị trong bệnh viện, bệnh nhân từ xa (tại nhà hoặc bên ngoài

hoặc ở cơ quan nơi làm việc) cho đến những bệnh nhân trong trường hợp cấp cứu [12], [15], [51], [76], [80] Bên cạnh đó còn có các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) hay mạng cục bộ cơ thể không dây (Wireless Body Area Network) [11], [12], [68], [84] Trên cơ sở phân tích các nghiên cứu này, tác giả luận án chia những hệ thống ở trong những nghiên cứu này thành hai loại đó là:

 Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch tại chỗ (phạm vi gần)

sử dụng công nghệ vô tuyến: Hệ thống này thường áp dụng cho những bệnh nhân ở trong một khoa, phòng khám và điều trị trong bệnh viện Những bệnh nhân này thường được gắn (đeo) trên người một module nhỏ gọn để thu thập,

xử lý và phát tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến như WIFI, Bluetooth, Zigbee đến máy chủ trung tâm hoặc thiết bị đầu cuối của bác sỹ như máy tính cá nhân (PC), laptop, smartphone, máy tính bảng để theo dõi và

hỗ trợ chẩn đoán bệnh

 Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch từ xa sử dụng công nghệ vô tuyến kết hợp với mạng Internet: Hệ thống này cũng áp dụng cho các bệnh nhân ở trong một khoa, phòng khám và điều trị trong bệnh viện; bệnh nhân ở xa, tại nhà, ở cơ quan hoặc ở bên ngoài (outside) và đặc biệt cần cho cả các bệnh nhân đang cần cấp cứu Những bệnh nhân này cũng được gắn (đeo) trên người một module nhỏ gọn để thu thập, xử lý và phát tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến đến trung tâm để theo dõi và xử lý Hệ thống này thường phức tạp bao gồm nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau như WIFI, GPRS/3G kết hợp với mạng Internet để truyền tín hiệu tới trung tâm chính, trung tâm cấp cứu, trạm theo dõi của bác sĩ…

Có thể thấy rằng cả hai loại hệ thống này đều có Module thu thập, xử lý tín hiệu

ECG và phát vô tuyến Module này còn gọi là thiết bị số trợ giúp cá nhân (Personal

Digital Assistant - PDA), nó đóng vai trò khá quan trọng trong hệ thống theo dõi và

hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch tại chỗ và từ xa Công nghệ PDA đã được phát triển trong một số năm gần đây và đang tiếp tục được nghiên cứu để nâng cao tính năng cũng như chất lượng xử lý dữ liệu, giảm năng lượng phát để tiết kiệm pin, nâng cao thời gian sử dụng liên tục của PDA Tùy theo thiết kế của PDA mà nó có thể giao tiếp với các thiết bị khác theo chuẩn vô tuyến nào trong số các chuẩn như Zigbee, WiFi, GPRS/3G và bluetooth Trong các chuẩn này, Bluetooth có băng thông là 3Mbps (đối với Bluetooth version 2.0) [29], chủ yếu được ứng dụng để truyền tiếng nói hoặc ảnh rời rạc; Zigbee có băng thông lớn nhất là 250Kbp; WiFi

có băng thông từ 5.5Mbps đến 11Mbps (theo chuẩn IEEE 802.11b, tần số 2.4GHz) [29] và GPRS (171Kbps); 3G (384Kbps, thậm chí lên tới 2Mbps) [51]

Dữ liệu điện tim ghi đo được từ cơ thể người sẽ có kích thước nhất định Theo tài liệu [23], kích thước này phụ thuộc vào một số yếu tố như việc sử dụng thiết bị ghi

đo tín hiệu ECG 3 leads (3 đạo trình ) hay 5 đạo trình hay 12 đạo trình; tần số lấy mẫu; độ phân dải của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) và độ dài thời gian ghi đo.Ví dụ: nếu sử dụng thiết bị ghi đo tín hiệu ECG 12 leads; tần số lấy mẫu là 360Hz; độ phân dải của bộ (ADC) là 11bit, thời gian ghi là 10 giây, thì kích cỡ của tín hiệu ECG này sẽ là 86.400bytes (= 12leads*360Hz*2byte(11bits)*10 giây); tốc

độ dữ liệu của tín hiệu này khoảng 69kbps (86.400*8bits/ 10giây) [23] Với kích thước gói tin này là không lớn, có thể truyền dễ dàng qua các mạng vô tuyến như WiFi, Internet, Bluetooth và 3G Tuy nhiên, việc truyền cả gói tin với toàn bộ kích thước với thời gian thực trong môi trường vô tuyến sẽ gặp phải một số vấn đề sau:

- Khi gói tin càng lớn thì lỗi mất gói càng dễ xảy ra [66] Các gói tin cần giảm thiểu trước khi truyền bằng cách nén tín hiệu ECG [7]

- Khi sử dụng mạng GPRS hoặc 3G đối với các bệnh nhân đang trong tình trạng cấp cứu hoặc ở bên ngoài trên đường thì giá thành sẽ phụ thuộc vào kích cỡ gói tin và khá đắt

- Trong trường hợp khi sử dụng mạng có băng thông hẹp như GSM, GPRS với nhiều gói tin trên cùng đường truyền sẽ dễ gây trễ, mất gói dữ liệu [80]

- Khối thu nhận và xử lý dữ liệu PDA thường dùng để theo dõi liên tục bệnh nhân, được mang theo trên người và dùng pin Người ta đang tập trung nghiên cứu để tăng thời gian làm việc liên tục của pin [28], [40], [83] Vì vậy, khi gói tin càng lớn việc phát tín hiệu vô tuyến từ PDA sẽ càng tốn năng lượng của nguồn pin [7], [42] Vì vậy, xu hướng nghiên cứu hiện nay là giảm nhỏ gói tin khi truyền

- Đối với nhiều bệnh nhân cần theo dõi và lưu trữ dữ liệu ECG trong thời gian dài (từ 1 năm đến nhiều năm) Ví dụ tín hiệu ECG 12 đạo trình của bệnh nhân với tần số lấy mẫu là 360Hz, độ phân dải 11bit, thì dữ liệu ECG 1 ngày

là 746MB (12 leads*360Hz*2bytes*24giờ*3600giây  746MB) và nếu với tần số lấy mẫu là 1000Hz, độ phân dải 11bit, dữ liệu này lên tới 2072MB/1 ngày [4], [23], [43], Nếu cần lưu trữ dữ liệu này trong nhiều năm thì rất tốn kém tài nguyên bộ nhớ Đặc biệt là với số lượng nhiều bệnh nhân thì con số

dữ liệu cần lưu trữ sẽ là khổng lồ Vì vậy, người ta cần dùng các kỹ thuật nén

để giảm dung lượng dữ liệu khi lưu trữ [7], [28], [42], [84]

Với các phân tích tổng thể ở trên, sẽ nổi lên hai vấn đề cần được quan tâm giải

quyết Đó là:

- Cần có giải pháp lọc nhiễu nguồn và nhiễu đường biên (nhiễu trôi dạt đường

cơ sở) tốt hơn đối với tín hiệu ECG trong PDA trước khi truyền đi

- Giảm nhỏ kích thước gói tin tín hiệu ECG bằng giải pháp nén tín hiệu một cách hiệu quả, đảm bảo được độ trung thực của tín hiệu khi giải nén

Mục tiêu nghiên cứu của luận án.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng một gói giải pháp liên hoàn cho việc truyền tín hiệu ECG bằng công nghệ không dây bao gồm:

 Nâng cao chất lượng lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở, nhiễu nguồn xoay chiều có trong tín hiệu ECG (là loại nhiễu ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng thu nhận tín hiệu ECG)

 Đề xuất phương pháp nén tín hiệu điện tim nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng truyền tín hiệu giúp việc theo dõi và chẩn đoán bệnh tim mạch được chính xác và hiệu quả

 Đánh giá hiệu quả của thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu điện tim dựa trên hệ thống truyền - nhận trong môi trường thực ứng dụng công nghệ WiFi

Các vấn đề cần giải quyết của luận án

Nhằm phát triển được các giải pháp và công cụ hỗ trợ các bác sỹ trong việc theo dõi

và chăm sóc bệnh nhân tim mạch từ xa dựa trên hệ thống không dây và tín hiệu điện tim thu được từ cơ thể người một cách hiệu quả và chính xác, luận án này cần thực

hiện giải quyết một số vấn đề chính sau đây:

 Nghiên cứu phương pháp lọc một cách hiệu quả nhiễu nguồn xoay chiều và nhiễu trôi dạt đường cơ sở có trong tín hiệu điện tim

 Nghiên cứu phương pháp nén dữ liệu điện tim trước khi truyền và giải nén sau khi thu nhận nhằm giảm lỗi mất gói trên đường truyền và giảm năng lượng phát của PDA, để sao cho bên nhận nhận được đầy đủ, chính xác dữ liệu điện tim

 Xây dựng và thử nghiệm mô hình hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ WiFi khi truyền tín hiệu ECG được nén và giải nén bằng thuật toán đề xuất Đánh giá thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu ECG trong môi trường truyền- nhận sử dụng công nghệ WiFi trong thời gian thực

và môi trường thực tế

Phạm vi nghiên cứu của luận án

Truyền tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến có thể bao gồm việc thu nhận tín hiệu điện tim từ cơ thể người, tiền xử lý nhiễu dùng mạch tương tự, xử lý nhiễu dùng lọc số, nén dữ liệu điện tim trước khi truyền và ứng dụng một công nghệ vô

tuyến để truyền tín hiệu điện tim Phạm vi nghiên cứu của luận án này, tác giả tập trung vào một số vấn đề sau:

 Xử lý một cách hiệu quả nhiễu nguồn xoay chiều và nhiễu trôi dạt đường cơ

sở có trong tín hiệu điện tim trước khi đưa lên đường truyền mạng không dây

 Nghiên cứu phương pháp nén- giải nén tín hiệu điện tim sử dụng cơ sở dữ liệu điện tim ECG Database MIT-BIH để hạn chế lỗi mất gói dữ liệu, giảm thời gian trễ, giảm băng thông và giảm sai số tín hiệu trong quá trình truyền

- nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ vô tuyến để hỗ trợ các bác sỹ theo dõi và chẩn đoán bệnh tim mạch hiệu quả và chính xác hơn

 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của thuật toán nén hai trạng thái tín hiệu điện tim dựa trên cơ sở hạ tầng mạng WiFi, là mạng sẵn có và phổ biến ở Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu của luận án

Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận án này là nghiên cứu lý thuyết, khảo sát thực tế, thử nghiệm, tổng hợp và phân tích thống kê những kết quả thu được làm cơ sở cho việc theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch Đối với nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế, tác giả đã nghiên cứu lý thuyết về điện tim

đồ, xử lý nhiễu trong tín hiệu điện tim đồ, một số công nghệ mạng vô tuyến như Zigbee, WiFi và công nghệ 3G; kết hợp với việc khảo sát thực tế tại một số cơ sở y

tế trong nước để có sự hiểu biết rõ hơn về tình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ vô tuyến để truyền tín hiệu ECG trong việc hỗ trợ theo dõi và chăm sóc bệnh nhân tim mạch ở trong nước Tác giả đề xuất phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz, phương pháp lọc nhiễu đường cơ sở có trong tín hiệu điện tim, đề xuất phương pháp nén dữ liệu điện tim Trên cơ sở đó, tác giả luận án tiến hành xây dựng mô hình hệ thống thử nghiệm dựa trên mạng WiFi, Internet và bộ cơ sở dữ liệu điện tim ECG MIT-BIH, phân tích và đánh giá các kết quả thu được để ứng dụng vào thực tế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Về ý nghĩa khoa học: Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu tổng thể và toàn diện

nào về truyền - nhận tín hiệu điện tim sử dụng công nghệ WiFi để theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch nhằm hướng tới việc triển khai ứng dụng tại các Bệnh viện và các cơ sở y tế Lần đầu tiên tại Việt Nam, các nghiên cứu trong luận án đã đưa ra những giải pháp mới trong việc giải quyết tổng thể bài toán từ xử lý nhiễu đến việc nén - giải nén tín hiệu ECG theo phương pháp mới một cách hiệu quả trong việc truyền - nhận tín hiệu ECG trong thời gian thực, giúp cải thiện chất lượng

tín hiệu thu nhận được, giảm dung lượng dữ liệu khi lưu trữ trong ổ đĩa cứng, giảm thời gian trễ và giảm băng thông đường truyền

Về ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của luận án đã tạo ra một bộ công cụ hiệu quả xử lý

nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz và nhiễu trôi dạt đường cơ sở trong tín hiệu điện tim Đồng thời giải pháp nén hai trạng thái tín hiệu điện tim giúp cho việc thu nhận tín hiệu điện tim có chất lượng tốt hơn, giảm lỗi gói, và giảm băng thông đường truyền tạo cho việc ứng dụng hệ thống trong môi trường thực tế tại các bệnh viện, nâng cao hiệu quả việc theo dõi và chăm sóc sức khỏe bệnh nhân tim mạch

Cấu trúc của luận án

Luận án được chia làm 4 chương có nội dung như sau:

Chương 1: Tác giả trình bày tóm lược về tín hiệu ECG và các đạo trình đo cơ bản;

ứng dụng của tín hiệu ECG trong theo dõi, chẩn đoán và nghiên cứu các bệnh tim mạch; sự ảnh hưởng của nhiễu tới tín hiệu ECG; trình bày cơ bản về hệ thống chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân tim mạch; tóm lược một số công nghệ vô tuyến được ứng dụng trong hệ thống này và cuối cùng là định hướng các nội dung chính cần nghiên cứu của luận án

Chương 2: Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả lọc nhiễu trong tín hiệu điện tim:

Trình bày sơ lược về một số phương pháp gần đây được sử dụng để lọc hai loại nhiễu: Nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz và nhiễu trôi dạt đường cơ sở Đánh giá hiệu quả của các phương pháp đã nghiên cứu Trên cơ sở các nhận xét, tác giả đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả lọc nhiễu đối với hai loại nhiễu này để giúp cho việc theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch đạt được hiệu quả cao

Chương 3: Phân tích các phương pháp nén dữ liệu điện tim đã được nghiên cứu,

đánh giá ưu điểm, nhược điểm của các phương pháp này Đề xuất phương pháp nén

dữ liệu điện tim mới và thử nghiệm phương pháp đề xuất với hai bộ cơ sở dữ liệu điện tim chuẩn gồm 48 bản ghi điện tim loạn nhịp và 9 bản ghi nhịp nhanh tâm thất

So sánh hiệu quả của thuật toán nén đề xuất với một số phương pháp khác

Chương 4: Thiết lập hệ thống thử nghiệm trong môi trường thực tế để truyền-nhận

tín hiệu ECG sử dụng công nghệ WiFi với hai loại dữ liệu là dữ liệu điện tim không nén và có nén bằng phương pháp đề xuất Đánh giá chất lượng tín hiệu ECG thu nhận trong hệ thống thông qua các tham số điển hình

Kết luận và hướng phát triển:

Các đóng góp chính của luận án

 Đề xuất phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều dùng phương pháp lọc triệt tần thích nghi dựa trên biến đổi Fourier nhanh và nhiều vòng lặp

 Đề xuất phương pháp lọc nhiễu trôi dạt đường cơ sở trong miền thời gian dựa trên các điểm đẳng thế (isoelectric points) của tín hiệu điện tim

 Đề xuất phương pháp nén hai trạng thái tín hiệu điện tim nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu trên đường truyền trong môi trường WiFi

 Đánh giá thuật toán nén - giải nén hai trạng thái tín hiệu ECG trong môi trường truyền- nhận sử dụng công nghệ WiFi trong thời gian thực và môi trường truyền thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THU NHẬN, XỬ LÝ VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM TRONG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH NHÂN TIM MẠCH

1.1 Tín hiệu điện tim và đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện tim 1.1.1 Tín hiệu điện tim

Tín hiệu điện tim (Electrocardiography - ECG) ghi lại những hoạt động mang tính chất điện của tim Tín hiệu ECG được gọi là bình thường (trạng thái tim hoạt động bình thường) bao gồm năm đỉnh lồi, lõm được gán bởi năm chữ cái là P,Q,R,S và T tương ứng với các sóng thành phần cơ bản gồm sóng P, phức bộ QRS và sóng T [22] Trong một số trường hợp có thêm đỉnh U (sóng U) Trong trường hợp bệnh nhân bị nhịp tim chậm (< 60 nhịp/phút) và được đo tín hiệu điện tim theo đạo trình trước tim bên phải thì sóng U được thể hiện rất rõ Hình 1.1 thể hiện dạng tín hiệu điện tim bình thường được đo theo các đạo trình chi của Willem Einthoven [60]

nh 1.1 Dạng tín hiệu điện tim b nh thường đo theo đạo trình chi (nguồn: [60])

1.1.2 Đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện tim

Tín hiệu điện tim có tần số từ 0.05Hz ÷ 100Hz (đây là dải tần số dành cho chẩn đoán bệnh tim mạch), và từ 0.5Hz ÷ 40Hz (là dải tần số để theo dõi bệnh tim mạch) [57] Một số đặc điểm về biên độ và khoảng thời gian của các sóng thành phần trong tín hiệu điện tim được thể hiện trong bảng 1.1 và bảng 1.2

ng 1.1 iên độ của các sóng thành phần trong tín hiệu điện tim (nguồn:[22])

R, S và T như thay đổi độ lớn hoặc chênh lên, chênh xuống so với đường biên (đường cơ sở - baseline) hoặc khoảng cách không đều giữa các phức bộ QRS và có thể thay đổi hoặc dựa theo cả đoạn ST, QT….Những sự thay đổi này đã được các nhà y khoa phân chia thành các loại bệnh cụ thể như nhồi máu cơ tim, xơ hóa cơ tim, ngoại tâm thu, dày tâm thất, loạn nhịp,…

Do quá trình thu nhận tín hiệu ECG có nhiều loại nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu ECG, trong đó có hai loại nhiễu ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng tín hiệu ECG đó là: Nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz và nhiễu trôi dạt đường cơ sở hay còn gọi là nhiễu trôi dạt đường cơ sở (baseline wander) Hai loại nhiễu này tác động khá mạnh

lên dạng tín hiệu ECG làm cho việc nhận dạng chính xác tín hiệu ECG trở nên khó khăn hơn và dễ dẫn đến chẩn đoán nhầm

a) Dạng tín hiệu điện tim b nh thường

b) Nhịp nhanh thất (nguyên nhân thường gặp do nhồi máu cơ tim)

c) lock nhĩ thất độ 3 (một bệnh lý về cơ tim)

d) Nhồi máu cơ tim

e) Cơn đau thắt ngực (cơn đau đặc trưng cho bệnh mạch vành) với đoạn ST chênh xuống

f) Cơn đau thắt ngực (cơn đau đặc trưng cho bệnh mạch vành) với đoạn ST chênh lên

nh 1.2 Minh họa tín hiệu điện tim b nh thường và một số tín hiệu điện tim thể

hiện bệnh lý thường gặp về tim mạch (nguồn: [1],[3])

1.3 Các loại nhiễu chính ảnh hưởng tới tín hiệu điện tim

Trong khi thu nhận tín hiệu điện tim từ cơ thể người, có một số loại nhiễu xen lẫn trong tín hiệu điện tim như nhiễu nguồn xoay chiều, nhiễu do tiếp xúc giữa điện cực

và da kém, nhiễu điện cơ (do hoạt động của cơ), nhiễu trôi dạt đường cơ sở được tạo ra do sự thở của con người và nhiễu do các thiết bị y tế khác đặt ở trong phòng cùng với thiết bị đo điện tim [22] Trong số các loại nhiễu này, thì nhiễu nguồn xoay chiều và nhiễu trôi dạt đường cơ sở là ảnh hưởng nhiều nhất đến tín hiệu điện tim và khó khăn trong việc loại bỏ vì tần số của chúng nằm trong dải tần số của tín hiệu điện tim

 Đặc điểm của nhiễu nguồn xoay chiều: nhiễu nguồn xoay chiều ảnh hưởng tới quá trình đo tín hiệu điện sinh học nói chung và tín hiệu điện tim nói riêng Biên độ của nhiễu nguồn xoay chiều khá lớn (thường có giá trị là 30%

so với biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu điện tim, đôi khi lên tới 40-50%) [22] Loại nhiễu này rất dễ ảnh hưởng tới sóng T và sóng P trong tín hiệu ECG, gây ra sai lệch khi chẩn đoán bệnh tim mạch (vì hai loại sóng này liên quan đến nhiều bệnh lý về tim mạch - xem mục 1.2) Ngoài ra, loại nhiễu này còn

có thể gây ra sự méo dạng thành phần phức bộ QRS hoặc đoạn QT Đây cũng là những tham số quan trọng để chẩn đoán bệnh tim mạch Do vậy, cần phải có phương pháp loại bỏ một cách triệt để loại nhiễu này khỏi tín hiệu ECG Hình 1.3 thể hiện tín hiệu điện tim bị ảnh hưởng bởi nhiễu nguồn xoay chiều

 Đặc điểm của nhiễu trôi dạt đường cơ sở: là loại nhiễu có tần số thấp, thông thường nó có tần số từ 0.05Hz đến dưới 0.8Hz [8], [53] Nguyên nhân gây ra loại nhiễu này là do sự dao động trở kháng giữa điện cực và da, sự chuyển động cơ thể và do sự thở của bệnh nhân [8], [75] Tuy nhiên, việc đặt điện cực cũng như sự cử động của cơ thể có thể chủ động khắc phục được bằng sự thao tác và dặn dò bệnh nhân từ phía bác sỹ hi đo, thì nhiễu do thở là yếu

tố khách quan tác động lên tín hiệu vì không thể bắt bệnh nhân nín thở lâu trong khi đo (thông thường bệnh nhân thở đều khi đo tín hiệu ECG) Một dạng nhiễu trôi dạt đường cơ sở có tần số 0.8Hz ảnh hưởng tới tín hiệu điện tim được thể hiện ở trong hình 1.4

nh 1.3 Tín hiệu điện tim bị nh hưởng bởi nhiễu nguồn xoay chiều (được thực

hiện mô phỏng bằng phần mềm LabView)

nh 1.4 Tín hiệu điện tim bị nh hưởng bởi nhiễu trôi dạt đường cơ sở có tần số

0.8 z (được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm LabView)

Qua khảo sát sự ảnh hưởng của các loại nhiễu đến tín hiệu điện tim, trong tài liệu [48] đề cập đến việc lọc nhiễu nguồn xoay chiều là rất cần thiết vì tính phổ biến và không dễ dàng kiểm soát loại nhiễu này Chương 2 của luận án trình bày về một số phương pháp lọc nhiễu nguồn xoay chiều và đề xuất phương pháp nâng cao hiệu quả lọc loại nhiễu này

Theo tài liệu [38], nhiễu trôi dạt đường cơ sở cần phải được loại bỏ khỏi tín hiệu điện tim Loại nhiễu này gây ra sự khó khăn cho việc phát hiện thành phần phức bộ QRS trong quá trình thu nhận tín hiệu điện tim và gây khó khăn cho việc phân tích đoạn S-T trong tín hiệu điện tim và không dễ dàng lọc loại nhiễu này mà không ảnh hưởng tới đoạn S-T khi sử dụng các phương pháp lọc thông thường Để lọc nhiễu đường cơ sở thì người ta thường dùng các phương pháp lọc số, các phương pháp này sẽ được giới thiệu sơ lược ở trong Chương 2 của luận án, từ đó tác giả đề xuất một giải pháp nâng cao hiệu quả lọc nhiễu đối với loại nhiễu này

1.4 Hệ thống chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân tim mạch

1.4.1 Hệ thống chẩn đoán

 Yêu cầu tín hiệu điện tim ghi được phải trung thực, ít nhiễu, dải tần số của tín hiệu ECG dùng trong chẩn đoán bệnh tim mạch từ 0.05Hz ÷ 100Hz [57]

 Các bác sỹ sử dụng thiết bị ghi tín hiệu điện tim chuyên dụng (thường từ

6-12 đạo trình) để ghi đo trực tiếp tín hiệu ECG từ bệnh nhân Các thiết bị này

sẽ in ra tín hiệu ECG 12 đạo trình để các bác sỹ chẩn đoán bệnh tim mạch (dựa vào các đặc trưng cơ bản của tín hiệu ECG như nhịp tim (HR), độ rộng phức bộ QRS, đoạn QT và đoạn PR) Hình 1.5 và 1.6 dưới đây thể hiện hai dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với một số đặc trưng có các giá trị khác nhau

 Các bác sỹ có thể sử dụng thêm hệ chuyên gia:

 Hệ chuyên gia do các bác sĩ chuyên môn cao đã chẩn đoán chính xác bệnh: bao gồm nhiều bản ghi đã được phân loại với các loại bệnh tim mạch dựa trên dạng tín hiệu ECG thu được.

 Hệ chuyên gia trí tuệ nhân tạo - ANN: Hiện nay một số nghiên cứu đã xây dựng hệ chuyên gia ANN để phân loại bệnh tim mạch, tuy nhiên chưa có được ứng dụng rộng rãi nào

Như vậy, để chẩn đoán bệnh, cần bản ghi ECG đầy đủ, trung thực, ít nhiễu can thiệp

nh 1.5 Dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với HR = 106bpm (nhịp nhanh), độ rộng

phức bộ QRS = 0.088s, đoạn PR = 0.206s,

nh 1.6 Dạng tín hiệu ECG 12 đạo trình với HR = 77bpm (nhịp b nh thường), độ

rộng phức bộ QRS = 0.084s, đoạn PR = 0.126s,

1.4.2 Hệ thống theo dõi bệnh nhân tim mạch

Với hệ thống này thường được dùng để theo dõi các bệnh nhân tại giường, hoặc di động trong phạm vi hẹp tại một khoa, phòng bệnh trong bệnh viện, các bệnh nhân

từ xa, ngoài bệnh viện (những bệnh nhân này thường trong tình trạng bệnh nặng, hoặc có các triệu chứng bất thường khó chẩn đoán), các bệnh nhân cần cấp cứu… Dải tần số của tín hiệu ECG dùng trong theo dõi từ 0.5Hz ÷ 40Hz [57] Yêu cầu về tín hiệu ECG trong hệ thống theo dõi phải rõ ràng, liên tục và thời gian thực

Phân loại hệ thống theo dõi: có hai loại đó là có dây và không dây

 Hệ thống theo dõi bệnh nhân có dây: Hệ thống này gồm các thiết bị monitor (theo dõi) đặt tại giường bệnh nhân, kết nối có dây với một máy theo dõi trung tâm đặt tại phòng bác sỹ hoặc y tá để theo dõi tổng thể Các thiết bị này thường hiển thị tín hiệu ECG kèm theo một số thông số khác của bệnh nhân như: Nhiệt độ, độ bão hòa oxy trong máu - SpO2, nhịp thở, nhịp tim, huyết

áp không xâm lấn Nhược điểm của hệ thống này là cần nối dây trong tòa nhà, thường gây phức tạp khi đi dây đến tận giường bệnh nhân Sơ đồ hệ thống kết nối được thể hiện như hình 1.7

 Hệ thống theo dõi bệnh nhân không dây (vô tuyến): Hệ thống này về cơ bản gồm hai loại đó là:

 Hệ thống monitor trung tâm vô tuyến: Hiện nay hệ thống này được ứng dụng khá phổ biến và đã được thương mại

nh 1.7 Sơ đồ khối của hệ thống theo dõi bệnh nhân có dây

Hình 1.8 thể hiện sơ đồ kết nối của một hệ thống monitor trung tâm vô tuyến Phạm vi ứng dụng của hệ thống hẹp, thường là giữa các phòng gần nhau trong bệnh viện Mô hình của hệ thống này giống như mô hình của hệ thống monitor có dây, nhưng các thiết bị monitor tại giường bệnh nhân được kết nối với monitor trung tâm bằng công nghệ vô tuyến (thường dùng công nghệ WiFi thu - phát thời gian thực)

Do truyền - nhận bằng vô tuyến, thường có vật cản nên số lượng máy monitor trạm (tại giường bệnh nhân) bị hạn chế Hiện tại, thông thường chỉ có từ 4-8 máy trạm,

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Bộ tập trung

Monitor trung tâm, đặt tại phòng Bác sỹ, y tá

để theo dõi tổng thể

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt

tại giường

bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt

tại giường

bệnh nhân

cực đại là 16 máy Mặt hạn chế của hệ thống này là tín hiệu thường kém ổn định hơn loại có dây và bệnh nhân phải nằm một chỗ

nh 1.8 Sơ đồ kết nối của hệ thống monitor trung tâm vô tuyến

 Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch áp dụng cho cả bệnh nhân di động (hình 1.9): Hệ thống này có thể chia thành hai loại,

đó là:

(1) Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch tại chỗ

(phạm vi gần) sử dụng công nghệ vô tuyến:

(2) Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch từ xa sử dụng công nghệ vô tuyến

Hiện nay mạng hỗn hợp như mô tả ở hình 1.9 có rất ít (chỉ có ở một số nước phát triển), tuy nhiên phạm vi ứng dụng còn rất hạn chế do công nghệ và giá thành Ở đây mạng vô tuyến đã phát huy thế mạnh về sự tiện lợi trong môi trường truyền tín hiệu Nhược điểm của mạng vô tuyến: băng thông thường hạn chế, môi trường truyền thường không ổn định, nhiễu lớn, và giá thành thường cao (đặc biệt với GPRS/3G), nên tín hiệu khi truyền thường mất dữ liệu (Lỗi bit, lỗi mất gói) gây nên méo tín hiệu, trễ lớn, thậm chí gián đoạn đường truyền do nghẽn mạng Vì vậy hiện nay, xu thế nghiên cứu làm sao cho mạng này trở thành hiện thực hơn, ổn định hơn, tin cậy hơn với việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của thiết bị PDA đeo trên người bệnh nhân, đề xuất các biện pháp giảm tải đường truyền bằng các kỹ thuật nén mới tín hiệu ECG cho phép thu nhận tín hiệu trên đường truyền có chất lượng tốt

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor trung tâm, đặt tại phòng Bác sỹ, y tá

để theo dõi tổng thể

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt tại giường bệnh nhân

Monitor đặt

tại giường bệnh nhân

nh 1.9 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim

mạch sử dụng công nghệ vô tuyến Thiết bị số trợ giúp cá nhân (PDA): Thiết bị này được gắn (đeo) trên cơ thể người

để thu nhận tín hiệu ECG thông qua các điện cực không dây (WBN-Wireless Sensor Network) hoặc có dây, sau đó phát tín hiệu dưới dạng vô tuyến [11], [23], [83] Sơ đồ khối của thiết bị PDA được thể hiện như hình 1.10

nh 1.10 Sơ đồ khối của module thu thập, xử lý tín hiệu ECG và phát vô tuyến

Hình 1.11 thể hiện sự kết nối giữa PDA với các điện cực đo tín hiệu ECG trường hợp có dây và không có dây

Hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn

đoán bệnh tim mạch tại chỗ (phạm vi

gần) sử dụng công nghệ vô tuyến

Bác sỹ

Internet

Internet GSM/GPRS/3G

Bác sỹ

Thành viên trong gia đình

Router WiFi Bluetooth/WiFi

Router WiFi

Vi diều khiển (MCU) hoặc chip ARM hoặc hệ thống nhúng

Module phát vô tuyến

Điện cực đo

Bệnh

nhân

Module thu thập, xử lý tín hiệu ECG và phát vô tuyến

Bluetooth/ Zigbee/WiFi /GPRS/3G

nh 1.11 a) PDA kết nối với các điện cực đo tín hiệu ECG trong trường hợp không có dây (WBN)(nguồn: [11],[83]); b) PDA kết nối với các điện cực đo tín hiệu

ECG trong trường hợp có dây (nguồn: [23])

1.5 Tóm lược một số công nghệ vô tuyến được ứng dụng trong

hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch

Từ sơ đồ hình 1.9 ta thấy rằng để truyền vô tuyến tín hiệu ECG bằng một công nghệ

cụ thể nào đó thì phụ thuộc vào việc thiết kế đầu ra của PDA Vì đầu ra của thiết bị này phát vô tuyến sử dụng một trong các công nghệ vô tuyến như Zigbee, WiFi, GPRS/3G và bluetooth Trong phần tiếp theo dưới đây, tác giả trình bày tóm lược những công nghệ vô tuyến này

1.5.1 Zigbee

1.5.1.1 Giới thiệu về Zigbee

Zigbee là một chuẩn định nghĩa một tập các giao thức truyền thông cho mạng vô tuyến phạm vi ngắn, tốc độ dữ liệu thấp Zigbee là một kiến trúc được phát triển dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 [68], tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee nằm trong khoảng

từ 20 bps đến 250Kbps ứng với các dải tần số khác nhau, vấn đề này được thể hiện trong bảng 1.3

Máy chủ

Máy trạm PC/PDA

Internet/IEEE 802.11 WLAN

Giao tiếp hiển thị PDA/PC

a) PDA

ng 1.3 Tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee ứng với các d i tần khác nhau (nguồn:[68])

Dải tần Phạm vi ứng dụng Tốc độ truyền dữ liệu Số lượng kênh

hệ thống mạng y tế hỗn hợp vì Zigbee bị giới hạn tốc độ dữ liệu (tốc độ dữ liệu tối

đa là 250 bps ở tần số 2.4GHz) Đặc biệt, Zigbee bị can nhiễu mạnh bởi các sóng

vô tuyến thuộc chuẩn 802.11 và của thiết bị khác như lò vi sóng [12]

ng 1.4 So sánh giữa Zigbee với Bluetooth và WiFi (IEEE 802.11b/g) (nguồn:[68])

ứng dụng

Zigbee

(802.15.4)

20 bps đến 250 Kbps

868MHz - 2.4GHz

10-100m Mạng cảm biến

không dây, Điều khiển từ xa

Bluetooth

(802.15.1)

1 đến 3Mbps 2.4GHz 2-10m Tai nghe, chuột,

bàn phím không dây,…

1.5.1.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng Zigbee để truyền tín hiệu điện tim

Gần đây, trên thế giới có một số nghiên cứu về ứng dụng Zigbee để truyền tín hiệu điện tim, có thể kể đến nghiên cứu [68], [76] Nhìn chung, các nghiên cứu này đều

sử dụng các module phần cứng Zigbee có tên là Xbee pro, tín hiệu ECG mô phỏng

và các phần mềm ứng dụng như Labview, Visual basic để thử nghiệm truyền-nhận trong thời gian thực, thu nhận và hiển thị tín hiệu ECG

Trên cơ sở tổng hợp, phân tích những nghiên cứu này; tác giả luận án đã tóm tắt lại dưới dạng sơ đồ khối được thể hiện như hình 1.12.Trong sơ đồ này, tín hiệu ECG được đưa tới khối khuếch đại và lọc nhiễu, sau đó được chuyển đổi sang dạng tín hiệu số rồi chuyển tới module Zigbee Tại đây module này thực hiện đóng gói dữ liệu và điều chế tần số theo chuẩn Zigbee để phát đi

nh 1.12 Sơ đồ khối truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng Zigbee

Ở bên nhận, một module Zigbee khác được dùng để thu nhận tín hiệu từ bên phát rồi thực hiện giải điều chế tín hiệu sang dạng số Tín hiệu này được đưa tới máy tính để hiển thị thông qua chuẩn USB (Universal Serial Bus – chuẩn truyền nối tiếp thông dụng) Để hiển thị tín hiệu trên máy tính thì người thiết kế có thể dùng ngôn ngữ lập trình C kết hợp với Visual C để viết chương trình cho module Zigbee ở bên nhận và viết giao diện phần mềm thu nhận và hiển thị tín hiệu trên máy tính Tuy nhiên, do Zigbee có một số nhược điểm như tốc độ truyền dữ liệu thấp, trễ đường truyền cao, dễ bị can nhiễu bởi các sóng vô tuyến thuộc chuẩn 802.11 và của thiết bị khác như lò vi sóng [12], không thuận lợi trong việc kết nối với các thiết bị di động khác như Smart phone, máy tính bảng, máy tính xách tay nên trong thực tế Zigbee không phải là sự lựa chọn hàng đầu cho ứng dụng truyền - nhận tín hiệu ECG để theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch từ xa

1.5.2 Bluetooth

1.5.2.1 Sơ lược về Bluetooth

Công nghệ Bluetooth (IEEE 802.15.1) cho phép những thiết bị dùng công nghệ này giao tiếp với nhau trong phạm vi khoảng vài chục mét (với phiên bản 2.0), Bluetooth tiêu thụ năng lượng thấp và có giá thành cũng thấp [29] Bluetooth được ứng dụng trong các thiết bị như điện thoại thông minh (smart phone), chuột, bàn phím không dây, máy in, laptop, máy ảnh kỹ thuật số, ôtô,…

Ngoài một số đặc điểm chính của Bluetooth so với Zigbee và WiFi được thể hiện trong bảng 1.4; Bluetooth có một số ưu điểm như kết nối Ad hoc, công suất tiêu thụ thấp, có thể thu - phát nhiều hướng, truyền dữ liệu và tiếng nói

Tín

hiệu

ECG

Khuếch đại và lọc nhiễu

Vi điều khiển (MCU)

Module truyền Zigbee

Module nhận Zigbee

IC max

232

Máy tính

Bên cạnh đó, Bluetooth còn tồn tại những nhược điểm như băng hẹp, khoảng cách truyền ngắn, dễ bị giao thoa bởi các sóng vô tuyến khác Mặc dù bluetooth có những nhược điểm như vậy, nhưng vẫn có những nghiên cứu, ứng dụng bluetooth

để truyền -nhận tín hiệu ECG Vấn đề này được trình bày sơ lược trong mục dưới đây

1.5.2.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng Bluetooth để truyền tín hiệu điện tim

Mặc dù bluetooth chủ yếu dùng để truyền số liệu dạng TEXT, âm thanh và ảnh tĩnh; nhưng do bluetooth được tích hợp vào điện thoại thông minh, laptop cho nên trên thế giới đã có những nghiên cứu ứng dụng bluetooth để truyền- nhận tín hiệu điện tim, có thể kể đến các nghiên cứu [51], [19], [12] Mohd Fadlee A.Rasid và cộng sự đưa ra khái niệm về master-slave đối với việc thiết lập đường truyền bluetooth [51] (hình 1.13) và sơ đồ khối hệ thống y tế từ xa di động (hình 1.14)

Hầu hết các nghiên cứu này đều đề cập đến một số quan điểm nghiên cứu đó là:

 Sử dụng Bluetooth để truyền dữ liệu từ thiết bị PDA tới Smartphone của bệnh nhân hoặc người nhà bệnh nhân

 Sử dụng công nghệ GPRS để truyền dữ liệu đi xa hơn (tới smartphone của bác sỹ và tới máy chủ của bệnh viện)

 Xây dựng chương trình phần mềm để lưu trữ, xử lý, phân tích và hiển thị tín hiệu ECG trên máy tính trạm ở xa

Do vậy, có thể tổng quát hóa các nghiên cứu này bởi sơ đồ khối được thể hiện ở hình 1.14

nh 1.13 Khái niệm về master-slave đối với việc thiết lập đường truyền bluetooth

(nguồn: [51])

Máy thợ/ Slaver Máy chủ/ master

Bộ xử lý tín hiệu y học từ xa di động

Kênh Bluetooth

Mạng thông tin di động

nh 1.14 Hệ thống y tế từ xa di động sử dụng bluetooth

1.5.3 WiFi

1.5.3.1 Giới thiệu sơ lược về công nghệ WiFi

WiFi (Wireless Fidelity – Mạng vô tuyến tin cậy), WiFi còn gọi là chuẩn IEEE 802.11 được phát triển từ năm 1 là một chuẩn của mạng máy tính cục bộ vô tuyến (WLAN - Wireless Local Area Network) IEEE 802.11 hỗ trợ bốn chuẩn thông dụng đó là IEEE 802.11a/b/g/n [29] WiFi sử dụng băng tần ISM (Industrial Scientific and Medical) 2.4GHz (đối với chuẩn IEEE 802.11b/g/n) đây là một băng tần dùng trong y tế, khoa học và công nghiệp, đồng thời được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam Một số chuẩn IEEE cơ bản dùng cho WiFi được liệt

kê trong bảng 1.5 So với Zigbee và bluetooth thì WiFi có một số ưu điểm như thuận tiện, linh hoạt, phổ biến, phạm vi hoạt động xa hơn, dễ dàng triển khai lắp đặt mạng và khả năng mở rộng Bên cạnh những ưu điểm thì WiFi còn có một vài nhược điểm như tính bảo mật và độ tin cậy không cao, tốc độ truyền dữ liệu của mạng chậm hơn so với mạng hữu tuyến Ngoài ra, đối với chuẩn IEEE 802.11b/g/n

do sử dụng băng tần 2.4GHz nên thỉnh thoảng bị giao thoa tần số từ các thiết bị điện

tử có tần số hoạt động cao như lò vi sóng, điện thoại di động,…

GPRS GPRS

Internet

Mạng máy tính cục bộ

Máy tính

Cơ sở dữ liệu

Máy chủ bệnh viện Mạng GPRS

Bệnh nhân Cảm biến

Bộ xử lý tín hiệu y học từ

ng 1.5 Một số chuẩn IEEE cơ b n dùng cho WiFi (nguồn: [29])

1.5.3.2 Tóm lược một số nghiên cứu, ứng dụng WiFi để truyền tín hiệu điện tim

Với những ưu điểm cơ bản của công nghệ WiFi, trong những năm trở lại đây, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ WiFi để truyền tín hiệu điện sinh học nói chung và tín hiệu điện tim nói riêng để hỗ trợ cho việc theo dõi và chẩn đoán bệnh từ xa (bao gồm cho cả bệnh nhân tại nhà) có thể kể đến các nghiên cứu

số [15], [45], [44] và [43] Trong nghiên cứu số [15], CaiKen và cộng sự đã đưa ra

hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG dựa trên công nghệ WiFi Sơ đồ khối của hệ thống này được thể hiện như hình 1.15; nội dung và kết quả của nghiên cứu này về

cơ bản mới chỉ là thu nhận và hiển thị tín hiệu ECG, chưa đề cập đến điều kiện thử nghiệm như thế nào, chưa có sự đánh giá tín hiệu ECG thu nhận được thông qua hệ thống truyền - nhận trong môi trường thực ứng dụng công nghệ WiFi

Đối với nghiên cứu số [45] và [44], Kyungtae Kang và các cộng sự đã sử dụng công

cụ toán học, phép xử lý rất phức tạp để can thiệp vào lớp điều khiển truy nhập môi trường (Medium Access Control) với mục đích nâng cao chất lượng dịch vụ cho hệ thống WiFi, và kiểm soát khắc phục hiện tượng trượt bit trong môi trường vô tuyến Tác giả trong nghiên cứu số [43] đã đề xuất mô hình mạng thích nghi để truyền tín hiệu ECG thời gian thực trong môi trường di động để phục vụ theo dõi các bệnh nhân tim mạch từ xa (có thể tại nhà) một cách liên tục Tác giả này cho rằng, với kích thước dữ liệu lớn (dữ liệu chưa được nén, của một bệnh nhân ghi trong một ngày từ thiết bị ghi đo 12 đạo trình, độ phân dải 11bit và tần số lấy mẫu là 300Hz thì kích thước dữ liệu khoảng 500MB) Việc truyền kích thước dữ liệu này trên đường truyền vô tuyến trong thời gian thực là một thách thức vì nó gây ra sự thay đổi bất thường về băng thông (bandwidth), gây ra tỉ lệ lỗi kênh truyền cao Do vậy cần phải có kỹ thuật nén dữ liệu để làm dữ liệu trên đường truyền, giảm thời gian truyền và giảm tỉ lệ lỗi trên kênh truyền

Chuẩn IEEE Tốc độ truyền

dữ liệu

Dải tần số hoạt động

nh 1.15 Sơ đồ khối hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ Wi-Fi

1.5.4 Công nghệ GPRS/3G

1.5.4.1 Giới thiệu sơ lược về công nghệ GPRS/3G

Dịch vụ vô tuyến gói dữ liệu chung (General Packet Radio Service - GPRS) là một trong những dịch vụ của quá trình phát triển từ công nghệ mạng di động thế hệ 2 (Second Generation Technology) lên công nghệ mạng thế hệ 3 (Third Generation Technology- 3G), GPRS có tốc độ truyền dữ liệu từ 40 bps đến 55Kbps, tốc độ truyền dữ liệu của mạng 3G là 144Kbps, 384Kbps ở tốc độ đi bộ (at the Speed of walking) và 2Mbps trong nhà (indoors) [26] Công nghệ này cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại Với công nghệ này, các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện di động, cho phép khách hàng ở bất cứ đâu cũng có thể truy cập được vào mạng Hình 1.16 thể hiện tính di động, tốc độ truyền dữ liệu của GPRS/3G so với một số mạng vô tuyến khác Ưu điểm chính của GPRS/3G đó là phạm vi hoạt động (phủ sóng) rất rộng, rộng hơn nhiều so với WiFi Vấn đề này phụ thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ

di động Nhưng tốc độ của GPRS/3G chậm hơn nhiều so với WiFi, mặc dù tốc độ tối đa của nó có thể lên tới 2Mbps Tuy nhiên, nếu việc thu nhận tín hiệu được thực hiện bởi điện thoại di động ở trong một phương tiện chuyển động thì tốc độ truyền

dữ liệu giảm xuống đến 128Kbps [59] Chi phí của dịch vụ GPRS/3G được tính theo dung lượng dữ liệu tải xuống và up lên; chi phí này cao hơn so với chi phí của dịch vụ WiFi Do GPRS/3G có phạm vi hoạt động (phủ sóng) rất rộng và được cung cấp, hỗ trợ bởi các nhà cung cấp dịch vụ nên các thiết bị đầu cuối di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng và thậm chí máy tính cá nhân (kèm theo USB 3G) đều sử dụng dịch vụ này Chính vì vậy, trong số các ứng dụng của GPRS/3G có ứng dụng cho y tế từ xa [59] Cho đến nay, cũng có nhiều nghiên cứu, ứng dụng công nghệ GPRS/3G để truyền tín hiệu ECG hỗ trợ theo dõi, chăm sóc bệnh nhân tim mạch từ xa Những nghiên cứu này được tình bày tóm lược ở mục 1.5.4.2 dưới đây

Vi điều khiển, MCU

Module WiFi

Tín hiệu

ECG

nh 1.16 Tính di động, tốc độ truyền dữ liệu của GPRS/3G so với một số mạng vô

số nghiên cứu khác về lĩnh vực này như nghiên cứu [80], [58] Về cơ bản, nội dung của các nghiên cứu này được khái quát thành hệ thống truyền-nhận tín hiệu điện tim

sử dụng công nghệ GPRS/3G được thể hiện như hình 1.17

nh 1.17 Sơ đồ khối của hệ thống truyền-nhận tín hiệu điện tim sử dụng công

nghệ GPRS/3G

Tính di động

Di chuyển

ở nhà/

Cơ quan

Tốc độ dữ liệu (Mbps)

Chip ARM

GPRS/3G Module

Tín hiệu ECG

Theo dõi tại trung tâm

Máy chủ từ xa Cơ sở dữ liệu

trung tâm

GPRS/3G Module

Khuếch đại và lọc nhiễu

Bác sỹ

Từ sơ đồ khối của hệ thống này, ta thấy rằng, cơ sở dữ liệu của bệnh nhân sẽ được gửi đến và lưu tại máy chủ từ xa (máy chủ trung tâm) Tại đây, cơ sở dữ liệu của bệnh nhân được quản lý và theo dõi Dữ liệu này sẽ được gửi tới bác sỹ, dịch vụ cấp cứu thông qua công nghệ mạng GPRS/3G

1.6 Định hướng các nội dung nghiên cứu của luận án

Luận án sẽ tập trung vào hai mục đích chính (hai khối được bôi đậm trong sơ đồ khối hình 1.18) đó là:

 Tăng cường chất lượng tín hiệu điện tim bằng việc nâng cao hiệu quả xử lý hai loại nhiễu chính gồm: Nhiễu nguồn 50Hz và nhiễu trôi dạt đường cơ sở phục vụ cho việc chẩn đoán và tạo tín hiệu ECG sạch trước khi truyền trong mạng vô tuyến phục vụ công tác theo dõi bệnh nhân

 Nâng cao chất lượng nén tín hiệu ECG bằng thuật toán mới, phù hợp để việc truyền nhận tín hiệu ECG trong mạng không dây đạt được chất lượng tốt nhất theo thời gian thực, phục vụ công tác theo dõi từ xa bệnh nhân tim mạch, đồng thời giúp hệ thống lưu trữ tăng dữ liệu số bản ghi ECG của bệnh nhân

nh 1.18 Sơ đồ khối hệ thống truyền - nhận tín hiệu ECG sử dụng công nghệ vô tuyến thể hiện những mục đích chính mà luận án tập trung nghiên cứu

1.7 Kết luận chương

Trong chương này, tác giả đã trình bày về những vấn đề bao gồm: Tín hiệu ECG, đặc điểm cơ bản của tín hiệu ECG và ứng dụng của tín hiệu ECG trong theo dõi, chẩn đoán và nghiên cứu về các bệnh tim mạch; các loại nhiễu chính ảnh hưởng tới tín hiệu điện tim; hệ thống theo dõi và hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch sử dụng

Xử lý tín

hiệu tương

tự

Chuyển đổi tương tự -

số

Xử lý nhiễu nguồn xoay chiều 50Hz, nhiễu đường biên Tín

hiệu

ECG từ

người

Nén dữ liệu ECG

Thu nhận và xử lý tín hiệu ECG

Khôi phục tín hiệu ECG

Hiển thị

tín hiệu ECG

Truyền không dây Thu

nhận