Luận án: Xây dựng mô hình nhận dạng kết hợp nâng cao độ chính xác phân loại tín hiệu ECG loạn nhịp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN NAM XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHẬN DẠNG KẾT HỢP NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN NAM XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHẬN DẠNG KẾT HỢP NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN TIM LOẠN NHỊP Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TRẦN HOÀI LINH 2. NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những hướng dẫn của PGS. Trần Hoài Linh, PGS.

Nguyễn Thị Lan Hương và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 15 tháng 08 năm 2018 Tập thể Hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS. Trần Hoài Linh Phạm Văn Nam PGS.

Nguyễn Thị Lan Hương i LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. Trần Hoài Linh và PGS. Nguyễn Thị Lan Hương. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.

Trần Hoài Linh, PGS. Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn về học thuật, kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm PGS. Nguyễn Quốc Cường và các Thầy giáo, Cô giáo của Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án.

Tác giả luận án Phạm Văn Nam ii Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Những đóng góp của luận án. Bố cục của luận án. 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ECG.

Tổng quan về tín hiệu điện tim ECG. Giới thiệu chung về các thông số và hình dạng của các sóng ECG. Một số yếu tố ảnh hướng đến tín hiệu điện tim. Tình hình nghiên cứu và phương pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim ECG .1 Tình hình nghiên cứu.

Một số giải pháp nâng cao chất lượng nhận dạng tín hiệu điện tim. Định hướng nghiên cứu của luận án. Cơ sở dữ liệu sử dụng trong luận án. Cơ sở dữ liệu MIT-BIH .2 Cơ sở dữ liệu MGH/MF.

Kết luận chương I. 19 iii Mục lục CHƯƠNG II: THU THẬP, TIỀN XỬ LÝ VÀ TRÍCH CHỌN ĐẶC TÍNH TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ECG. Thu thập và tiền xử lý tín hiệu điện tim. Lựa chọn bộ lọc thông thấp.

Lựa chọn bộ lọc thông cao. Lựa chọn bộ Notch 50Hz. Trích chọn đặc tính. Phát hiện đỉnh R.

Phân tích phức bộ QRS theo các hàm Hermite cơ sở. Kết luận chương II. 34 CHƯƠNG III. GIẢI PHÁP KẾT HỢP CÁC MÔ HÌNH NHẬN DẠNG ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG.

Kết hợp kết quả bằng mô hình cây quyết định. Đề xuất mô hình kết hợp. Quy trình xây dựng cây quyết định DT cho khối tổng hợp kết quả. Cây quyết định.

Các mô hình nhận dạng đơn. Cấu trúc mạng. Thuật toán học theo bước giảm cực đại cho mạng MLP. Mạng nơ-rôn mờ TSK.

Cấu trúc mạng. Thuật toán học cho mạng TSK. Máy véc-tơ hỗ trợ SVM. Rừng ngẫu nhiên RF.

Đề xuất mô hình thiết bị có tích hợp chức năng nhận dạng. Kết luận chương III. 64 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG. Xây dựng các bộ số liệu mẫu.

Cơ sở dữ liệu MIT-BIH. 65 iv Mục lục 4. Cơ sở dữ liệu MGH/MF. Cách đánh giá chất lượng mô hình nhận dạng tín hiệu điện tim.

Xây dựng mô hình nhận dạng đơn và kết quả. Quy trình xây dựng các mô hình đơn. Kết quả của các mô hình nhận dạng đơn. Trên bộ cơ sở dữ liệu MIT-BIH.

Trên bộ cơ sở dữ liệu MGH/MF. Kết quả thử nghiệm với các mô hình kết hợp bằng cây quyết định. Thử nghiệm kết hợp giữa ba mạng cơ sở MLP, TSK và SVM. Các thử nghiệm kết hợp khác.

Kết quả thử nghiệm trên thiết bị .4 Kết luận chương IV. 91 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. Các đóng góp của luận án. Hướng phát triển của luận án.

93 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 106 Phân tích và thiết kế phần cứng. 106 v Danh mục các từ viết tắt DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A Premature Atrial Contractions Ngoại tâm thu nhĩ ADC Analog/Digital Converter Chuyển đổi tương tự /số ARM Advanced RISC Machine Một loại cấu trúc vi xử lý ART Adapvive Resonant Theory Mạng nơ-rôn ART AV AtrioVentricular Nút nhĩ thất CAM Configurable Analog Module Khối tương tự cấu hình được DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DT Decision Tree Cây quyết định BDT Binary Decision Tree Cây quyết định nhị phân E Ventricular Escape Beat Tâm thất lỗi nhịp ECG ElectroCardioGram Điện tâm đồ FN False Negative Chẩn đoán âm tính sai FP False Positive Chẩn đoán dương tính sai Mạng lưới các khối tương tự có FPAA Field Programable Analog Arrays thể lập trình được HDT Hybrid Decision Tree Hệ DT lai I Ventricular Flutter Wave Rung thất IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp ICA Independent Component Analysis Phân tích thành phần độc lập L Left Bundle Branch Block Beat Block nhánh trái LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LVQ Learning Vector Quantization Mạng nơ-rôn LVQ MIT-BIH MIT-BIH Arrhythmia Database Cơ sở dữ liệu MIT-BIH MGH/MF MGH/MF Waveform Database Cơ sở dữ liệu MGH/MF MLP Multi-Layer Perceptron Network Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp PC Personal Computer Máy tính cá nhân vii Danh mục các từ viết tắt PCA Principal Component Analysis Phân tích theo thành phần chính QRS QRS Complex Phức bộ QRS R Right Bundle Branch Block Beat Block nhánh phải RF Random Forest Rừng ngẫu nhiên S Supraventricular Premature Beat Loạn nhịp thất trên SD Secure Digital Thẻ nhớ SD SVD Singular Value Decomposition Phân tích theo các giá trị kỳ dị SVM Support Vector Machines Máy véc-tơ hỗ trợ TSK Takaga - Sugeno - Kang Mạng nơ-rôn logic mờ TSK V Premature Ventricular Contraction Ngoại tâm thu thất` viii Danh mục các bảng biểu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 3 loại nhịp .2: Ví dụ số liệu cụ thể của sáu mẫu học (từ 1÷6) và ba mẫu kiểm tra (từ 7÷9) .3: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng ba loại mẫu nhịp bằng cây quyết định .4: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 3 loại nhịp .5: Bảng số liệu học và kiểm tra cho Ví dụ 2 .6: Kết quả nhận dạng của Ví dụ 2 .1: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 7 loại rối loạn nhịp tim từ CSDL MIT-BIH .2: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 2 loại nhịp .3: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 3 loại nhịp .4: Bảng phân chia số lượng mẫu học và mẫu kiểm tra của 2 loại nhịp .5: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mạng MLP .6: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mạng TSK .7: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mạng SVM .8: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng RF .9: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng 7 loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MIT-BIH.10: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 2 loại mẫu nhịp: Normal và abnormal .11: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng hai loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MIT-BIH .12: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng MLP .13: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng TSK .14: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng SVM .15: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 3 loại mẫu nhịp bằng mạng RF .16: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng ba loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MGH/MF.

78 ix Danh mục các bảng biểu Bảng 4.17: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và RF khi nhận dạng hai loại nhịp, thử nghiệm trên bộ CSDL MGH/MF .18: Ma trận phân bố kết quả nhận dạng 7 loại mẫu nhịp bằng mô hình kết hợp MLP, TSK, SVM .19: Các thông số đánh giá chất lượng của bốn mô hình cơ sở MLP, TSK, SVM và mô hình kết hợp MLP-TSK-SVM khi nhận dạng 7 loại nhịp .20: Bảng kết quả của các mô hình kết hợp kết quả của ba mô hình nhận dạng đơn MLP-TSK-SVM .21: Kết quả nhận dạng 7 loại nhịp (CSDL MIT-BIH) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .22: Kết quả nhận dạng 2 loại nhịp (CSDL MIT-BIH) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .23: Kết quả nhận dạng 3 loại nhịp (CSDL MGH/MF) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp .24: Kết quả nhận dạng 2 loại nhịp (CSDL MGH/MF) bằng các mô hình đơn và các mô hình kết hợp. 84 x Danh mục các hình vẽ, đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hình dáng và thành phần chính của tín hiệu điện tim ECG .2: Một số ví dụ tín hiệu ECG: (a) Bị ảnh hưởng của cử động của bệnh nhân, (b) bị trôi dạt đường cơ sở do hệ hô hấp, (c) bị ảnh hưởng của điện lưới 50Hz.3: Mô hình chung của hệ thống nhận dạng tín hiệu điện tim ECG.4: Sơ đồ chung của mô hình kết hợp .5: Hệ thống nhận dạng tín hiệu ECG đề xuất của luận án .