Thạc Sĩ Phân tích tín hiệu điện tim loạn nhịp

GIỚI THIỆU
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 văn tiến sĩ này sẽ tập trung nghiên
cứu phân tích tín hiệu điện tim của các bệnh nhân và đặc biệt là
các bệnh nhi bằng các thuật toán phân tích biến động khử
khuynh hướng tín hiệu động (DFA - Detrended Fluctuation
Analysis), các công cụ toán học Matlab, Ahrv, Kubios và
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 trên 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. Tín hiệu tim nói
chung và tín hiệu tim loạn nhịp nói riêng được phân tích bằng
nhiều phương pháp khác nhau, được phân chia thành ba xu
hướng chính như sau:
1. 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, phân bố nhịp RR và các đặc trưng khác.
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 và
phương pháp đánh giá về tần số, hoặc về công suất, phổ của 2

3. Phân tích tín hiệu tim loạn nhịp trong miền phi tuyến, đây
là xu hướng đang được thực hiện phổ biến nhất hiện nay
đặc biệt là đối với các trường hợp theo dõi tín hiệu điện tim
trong thời gian dài với các đặc trưng về loạn nhịp tim.
Trong các các hướng phân tích đó, phương pháp DFA được
phát triển lần đầu tiên vào năm 1995 bởi Peng C-K, 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. Tất cả 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. Thực tế này 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.
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 và kết quả quan trọng. 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 mà
chưa quan tâm đến các kết quả dự đoán sớm về tình trạng bệnh
nhân. Tác giả đề xuất thực hiện đề tài này với mục đích nghiên
cứu lựa chọn các phương pháp đánh giá phân tích tín hiệu tim
loạn nhịp trong thời gian dài. 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 trên thế giới, đặc biệt là các nước đang phát
triển. 3

3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Quá trình nghiên cứu được tiến hành đối với tín hiệu điện
tim thu nhận được trong thời gian dài của số lượng lớn bệnh
nhân tại Việt Nam, Mỹ và trên thế giới. Dữ liệu thống kê bao
gồm cả tín hiệu điện tim dưới dạng sóng, dạng ma trận nhịp R-
R, dạng tổng hợp loạn nhịp tim và tiểu sử bệnh nhân. Quá trình
phân tích tín hiệu điện tim chuẩn hoá chúng về dang ma trận
nhịp R-R 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 bênh có trong tiểu sử.
Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nhiên 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 và đánh giá kết quả. Tác giả thực hiện nghiên cứu theo
phương pháp khoa học tại Bộ Môn Công Nghệ Điện Tử và Kỹ
Thuật Y Sinh, Viện Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội từ tháng 10 năm 2010, đây cũng chính là
nơi công tác của tác giả. Tại Việt Nam, dữ liệu điện tim holter
tại Việt Nam 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 06/2012. Tại Mỹ, dữ liệu điện tim
holter và từ hệ thống monitor trung tâm tại Mỹ được thu thập
từ bệnh viện và phòng nghiên cứu tại bang Missouri, Mỹ trong
khoảng thời gian từ tháng 02/2013 đến tháng 08/2013 khi tác
giả tham gia thực hiện các nghiên cứu tại đây. Dữ liệu điện tim
theo tiêu chuẩn của Viện nghiên cứu quốc gia Mỹ về Máu,
Tim, Phổi( National Heart, Lung, and Blood Institute - NHLBI)
được thu thập, xử lý và phân tích lưu trữ và trích xuất theo tiêu
chuẩn của hệ thống CAST. Cơ sở dữ liệu này 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

4. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
Trong nước:
Tại Việt nam, nghiên cứu về tim và 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 này
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 liên quan đến tim cũng chỉ dừng lại ở mức
cơ bản và cận lâm sàng.
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 kỹ hơn,
đặc biệt là các vấn đề liên quan đến chẩn đoán sớm các bệnh về
tim. Về lý thuyết, hiện nay các nghiên cứu về tin 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. Về mặt thực hành, quá trình nghiên cứu
lâm sàng, chẩn đoán, điều trị đã được tiến hành từ khá lâu và
đạt được nhiều thành tựu cụ thể. Các bác sĩ đã có thể thực hiện
tác động tới các cơ tim, khoang tim và van tim để điều chỉnh
chế độ hoạt động của tim. Tuy nhiên, việc chẩn đoán sớm các
triệu chứng bệnh tật của tim dựa vào tín hiệu điện tim vẫn còn
đang trong quá trình phát triển và nghiên cứu.
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 5

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 Mỹ, 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:
Mục tiêu:
1. Tổng hợp dữ liệu điện tim từ nhiều nguồn khác nhau tại
Việt Nam, Mỹ 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.
2. 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 là 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.
3. 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.
4. 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 Mỹ cũng như đc
tiếp xúc với bộ dữ liệu điện tim CAST theo tiêu chuẩn của 6

Viện nghiên cứu quốc gia Mỹ về Máu, Tim, Phổi( National
Heart, Lung, and Blood Institute - NHLBI). Các nhiệm vụ mà
tác giả thực hiện như sau:
1. Thu nhận dữ liệu về tín hiệu điện tim loạn nhịp từ các
nguồn trong nước trên thế giới.
2. Đánh giá và phân tích thực trạng về dữ liệu điện tim thu
được từ các hệ thống và mô hình trên, đưa ra các hạn chế
về thu nhận, phân tích, xử lý và chẩn đoán sớm các bệnh
liên quan đến tim tại các bệnh viện chuyên khoa về tim.