Nhiễu của tín hiệu ecg

Ảnh hưởng của nhiễu BWNhiễu BW làm biến dạng đoạn ST và các thành phần tần số thấp khác của tín hiệu ECG gây ra chẩn đoán sai về nhồi máu cơ tim, hội chứng Brugada và các bất thường khác

NHIỄU CỦA TÍN

HIỆU ECG

TÍN HIỆU ECG

01

—> Dựa vào hình dạng của các đặc trưng này người ta có thể xác định tình trạng sức khỏe của bệnh nhân

Tín hiệu ECG được mô phỏng thế nào ?

Tín hiệu ECG tuân theo nguyên tắc Dirichlet:

- Có giá trị đơn và hữu hạn trong khoảng nhất định

- Tích phân tuyệt đối

- Số hữu hạn cực đại và cực tiểu giữa các khoảng

hữu hạn

- Có số điểm gián đoạn hữu hạn

→ Có thể mô phỏng bằng chuỗi Fourier

- Loại bỏ nhiễu tín hiệu ( Sử dụng bộ lọc, học máy, học sâu, )

- Phân tích tín hiệu sau khi nhiễu đã xử lý ( Xác định các đoạn sóng đặc trưng của tín hiệu ECG như sóng T hay sóng P )

- Xác định tình trạng sức khỏe của đối tượng

→ Đề tài tập trung vào quá trình phân tích và loại bỏ nhiễu

NHIỄU TÍN HIỆU ECG

02

Nhiễu BW ( Basaline Wander )

Nhiễu BW thuộc nhiễu tần số thấp ( 0,05 – 1 Hz) Nguyên

nhân: hô hấp, chuyển động cơ thể, tiếp xúc điện cực kém

và trở kháng da-điện cực

Ảnh hưởng của nhiễu BW

Nhiễu BW làm biến dạng đoạn ST và các thành phần tần số thấp khác của tín hiệu ECG gây ra chẩn đoán sai về nhồi máu cơ tim, hội chứng Brugada và các bất thường khác liên quan đến đoạn ST

Hình dưới là mô phỏng dạng tín hiệu ECG không nhiễu của một bệnh nhân mắc chứng thiếu máu cục bộ, ta thấy đoạn T của tín hiệu bị kéo xuống, nếu xuất hiện nhiễu BW thì rất khó để có thể chẩn đoán

Một số kết quả thống kê của nhiễu BW

Nhiễu PLI ( Power Line Interference)

Gây ra bởi sự ghép nối cảm ứng và điện dung của các

đường dây điện 50/60 ± 0,2 Hz trong quá trình thu tín hiệu

ECG

Ảnh hưởng của nhiễu PLI

Việc xuất hiện nhiễu PLI sẽ làm biến dạng hình thái của tín hiệu Điều này dẫn đến sóng P bị biến dạng, dẫn đến chẩn đoán sai các rối loạn nhịp nhĩ như phì đại và rung nhĩ Hình dưới là của một bệnh nhân mắc chứng rung nhĩ với biểu hiện trên tín hiệu ECG

là sự thay đổi của sóng P

Một số kết quả thống kê của nhiễu PLI

Một số kết quả thống kê của nhiễu BW

Nhiễu MA ( Muscle artifact)

Nhiễu MA hoặc EMG là do các hoạt động điện trong cơ, phát sinh từ chuyển động của mắt, cơ và nhịp tim Nguồn

MA điển hình là các chuyển động của cơ gần vùng đầu, như

cử động cổ, nuốt, v.v

Ảnh hưởng của nhiễu PLI

Nhiễu này dẫn đến biến dạng sóng cục bộ của tín hiệu ECG do tần số trùng khớp trong khoảng 0,01–100 Hz Điều này gây khó khăn cho việc khử nhiễu các tín hiệu để nhận biết chính xác các chứng rối loạn nhịp tim ECG khác nhau

Một số kết quả thống kê của nhiễu MA

BỘ LỌC

NHIỄU TÍN HIỆU ECG

03

Tổng quan cách thực hiện lọc nhiễu

1 Ta sử dụng bộ lọc phù hợp cho từng loại nhiễu:

- Bộ lọc trung bình động cho nhiễu MA

- Bộ lọc đao hàm bậc nhất cho nhiễu BW

- Bộ lọc Notch cho nhiễu PLI

1 Nghiên cứu tác động của từng bộ lọc được áp dụng riêng lẻ cho

tín hiệu ECG, trong miền thời gian bằng cách vẽ toàn bộ thời

lượng của tín hiệu (hoặc một phần có liên quan là 10 − 15 giây),

như cũng như bằng cách vẽ một phần tín hiệu với 2-3 chu kỳ

ECG

2 Nghiên cứu từng bộ lọc trong miền tần số bằng cách lấy hàm

truyền của nó (cường độ và pha), biểu đồ cực-không, cũng như

phổ Fourier của tín hiệu đầu vào và đầu ra

3 Áp dụng nối tiếp cả ba bộ lọc cho tín hiệu ECG

Tập dữ liệu

1 Để dễ dàng thực hiện việc nghiên cứu quá trình lọc nhiễu của tín hiệu ECG, nhóm em sẽ sử dụng một số tập dữ liệu nhỏ từ cuốn sách “Biomedical Signal Analysis” của Rangaraj M Rangayyan

2 Đối với việc đánh giá toàn diện tính đáng tin cậy của bộ lọc

chúng em sẽ dùng dùng tập dữ liệu MIT-BIHghi nhận tín hiệu ECG ghi lại từ các bệnh nhân

Bộ lọc trung bình động cho nhiễu MA

Bộ lọc trung bình động (Moving Average Filter - MA) là một loại bộ lọc

thường được sử dụng để làm mờ hoặc làm phẳng tín hiệu bằng cách

tính trung bình cộng của các giá trị tín hiệu trong một cửa sổ trượt

Phương trình của bộ lọc MA có dạng:

Bộ lọc trung bình động cho nhiễu MA

Hàm đáp ứng tần số và đáp ứng tần số của bộ lọc MA:

→ Quá trình “cuộn” chậm và độ suy

giảm dải dừng là rất lơn đồng nghĩa

với việc bộ lọc MA là bộ lọc thông

thấp hoạt động kém trong miền tần

số nhưng lại tốt trong miền thời gian

→ Phù hợp với việc lọc nhiễu MA -

nhiễu tần số cao

Một số kết quả sau khi lọc

Bộ lọc đạo hàm bậc nhất cho nhiễu BW

Khi thực hiện đạo hàm bậc nhất ở miền tần số người ta thấy rằng độ

lớn của đáp ứng tần số tăng tuyến tính theo tần số, bắt đầu với H(W)

= 0 tại w = 0 Do đó, thành phần DC bị loại bỏ bởi toán tử đạo hàm và

tần số cao hơn nhận được mức tăng tuyến tính, hoạt động này thể

hiện bộ lọc thông cao.Toán tử đạo hàm có thể được sử dụng để loại bỏ

DC và triệt tiêu các thành phần tần số thấp (và tăng cường thành

phần tần số cao

)

Trong xử lý tín hiệu số,toán tử đạo hàm bậc nhất có dạng:

Bộ lọc đạo hàm bậc nhất cho nhiễu BW

Hạn chế của toán tử sai phân bậc một v nằm ở chỗ chúng đáp ứng

cường độ vẫn ở mức thấp đối với một dải tần số đáng kể vượt xa dải

tần liên quan đến đường cơ sở

đi lang thang Để duy trì mức tăng của tín hiệu đầu ra gần bằng 1

vượt quá 0,5 Hz, phải đặt một cực có trong vòng tròn đơn vị Chúng ta

đặt một cực ở z=0,995 Khi đó mối quan hệ đầu

vào-đầu ra trong miền thời gian được đưa ra là:

Một số kết quả sau khi lọc

Bộ lọc Notch cho nhiễu PLI

Nguồn gây nhiễu chính trong tín hiệu ECG là tần số dòng điện 60 Hz Tần số

thành phần ở tần số 60 Hz có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng bộ lọc notch, trong đó số 0 được đặt trên vòng tròn đơn vị ở vị trí tương ứng với 60 Hz Bộ lọc notch ở 60 Hz có thể được suy ra như sau Vị trí góc của điểm 0 cần thiết trên vòng tròn đơn vị được cho là

Bộ lọc Notch cho nhiễu PLI

Các số 0 phức xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp, tức là nếu chúng ta

đặt số 0 tại z1 = real + j image, chúng ta có liên hợp của nó tại z2 =

real − j image

Vì z1 nằm trên đường tròn đơn vị nên độ lớn của nó bằng 1 Hàm truyền H(z) của bộ lọc notch là

Một số kết quả sau khi lọc

Áp dụng cả ba bộ lọc

Áp dụng ba bộ lọc dạng cascade ta có:

Kết quả sau khi áp dụng cả ba bộ lọc