Mạch xử lý tín hiệu trong y sinh

Mạch xử lý tín hiệu trong y sinh, kỹ thuật y sinh,............................................................................................................................................................

2018-11-13 1

CHƯƠNG 1 NGUỒN GỐC TÍN HIỆU Y SINH

Tham khảo: 1.1  1.6

1.1 GIỚI THIỆU

2018-11-13 3

1.2 PHÂN LOẠI

Tín hiệu nội sinh

Tín hiệu ngoại sinh

1.2 PHÂN LOẠI

Tín hiệu nội sinh:

• Các tín hiệu điện sinh học;

• Các tín hiệu từ sinh học;

• Các tín hiệu cơ sinh học;

• Các tín hiệu hóa sinh học;

• Các tín hiệu dao động âm sinh học…

TÍN HIỆU ECG

2018-11-13 7

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG THẦN KINH

ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CƠ

2018-11-13 9

TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO EEG

2018-11-13 11

CÁC TÍN HIỆU KHÁC

• Điện đồ cầu mắt (Điện đồ mắt) EOG

CÁC TÍN HIỆU KHÁC

• Điện đồ cầu mắt (Điện đồ mắt) EOG

2018-11-13 13

CÁC TÍN HIỆU KHÁC

• Điện đồ võng mạc ERG

CÁC TÍN HIỆU KHÁC

• Điện đồ ốc tai ECoG

2018-11-13 15

1.4 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

• Điện tim đồ ECG: 0,05Hz-100Hz; 10V-5mV

• Điện não đồ EEG: 0,1-100Hz; 2V -200V

• Điện cơ đồ EMG: 10Hz-2KHz; 20V-500V

1.4 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

2018-11-13 17

1.5 MÔ HÌNH CẤU TRÚC CHUNG

XỬ LÝ TƯƠNG TỰ & XỬ LÝ SỐ

Lọc số

2018-11-13 19

1.6 TÍN HIỆU ECG

• Tín hiệu điện tim (Điện tâm đồ) Electrocadiogram là tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh dòng điện ion gây ra bởi các tế bào tim khi co lại hay giãn ra.

ECG-• Tín hiệu điện tim thường rất nhỏ, được ghi

bởi sự chênh lệch điện thế giữa 2 điện cực được gắn trên cơ thể.

• Mỗi chu kỳ của tín hiệu ECG thể hiện quá

trình khử cực và tái khử cực của tâm nhĩ và tâm thất.

• Dải tần: 0,05Hz-100Hz

• Điện áp đỉnh: 10V-5mV

CẤU TRÚC CỦA TIM NGƯỜI

2018-11-13 21

TÍN HIỆU ECG ĐIỂN HÌNH

Một chu chuyển tim

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC SÓNG

2018-11-13 23

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC SÓNG

GHI TÍN HIỆU ECG

• Do cơ thể người là một môi trường dẫn điện,

vì thế dòng điện do tim phát ra được truyền

đi khắp cơ thể.

• Khi đặt 2 điện cực lên bất kỳ 2 điểm nào thì

ta sẽ thu được dòng điện thể hiện hiệu điện thế giữa 2 điểm đó gọi là chuyển đạo (hay đạo trình) Mỗi đạo trình sẽ có một dạng sóng khác nhau.

• Thông thường người ta hay sử dụng 12 đạo

2018-11-13 25

CÁC ĐẠO TRÌNH ĐO

• Đạo trình mẫu: 3 đạo trình

• Đạo trình đơn cực các chi: 3 đạo trình

• Đạo trình trước ngực: 6 đạo trình

ĐẠO TRÌNH MẪU I, II, III

2018-11-13 27

ĐẠO TRÌNH ĐƠN CỰC CÁC CHI

CÁC DẠNG SÓNG TƯƠNG ỨNG

2018-11-13 29

ĐIỂM TRUNG TÂM (V=0V)

6 VỊ TRÍ TRƯỚC NGỰC

CÁC DẠNG SÓNG TƯƠNG ỨNG

2018-11-13 33

TÍN HIỆU ECG VÀ NHIỄU

NHIỄU NHIỄU CÔNG NGHIỆP 50-60Hz

2018-11-13 35

NHIỄU DO CHUYỂN ĐỘNG

NHIỄU TỪ

2018-11-13 37

ĐIỆN CỰC

1.7 TÍN HIỆU EEG

• Tín hiệu điện não (Điện não đồ) Electroencephalogram là tín hiệu biến đổi theo thời gian, phản ánh hoạt động sinh lý của tế bào não.

EEG-• Tín hiệu điện não thường rất nhỏ, được ghi

bởi sự chênh lệch điện thế giữa 2 điện cực được gắn trên đầu.

• Dải tần: 0,1Hz-100Hz

• Điện áp đỉnh: 2V-200V

VỊ TRÍ ĐẶT ĐiỆN CỰC

2018-11-13 41

CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN CỰC

• Hệ thống điện cực 10/20

• Hệ thống điện cực 10/10

ĐIỆN CỰC

2018-11-13 43

CÁCH LÀM ĐIỆN CỰC

EEG CHUẨN

2018-11-13 45

NHIỄU ECG

NHIỄU EMG

2018-11-13 47

NHIỄU CHỚP MẮT

NHIỄU NHẮY MỘT MẮT

2018-11-13 49

NHIỄU DO MỒ HÔI

VỊ TRÍ ĐO ĐƠN GIẢN

2018-11-13 51

CHƯƠNG 2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Tham khảo: 2.1  2.5; 2.7

1 GIỚI THIỆU

• Các dạng khuếch đại có thể sử dụng:

- Dùng khuếch đại đo Tranzito, biến áp

- Dùng khuếch đại thuật toán…

• Tuy nhiên khuếch đại thuật toán được

sử dụng nhiều nhất trong các thiết bị y

tế hiện nay.

A/ KHÁI NIỆM CHUNG

• KĐTT là một bộ khuếch đại được thiết kế đặc

biệt bằng BJT hoặc FET với các thông số đặc trưng cơ bản sau:

– Khuếch đại cả tín hiệu xoay chiều và 1 chiều

• Các bộ KĐTT thường được ứng dụng trong các

thiết kế điện tử tương tự như:

– Khuếch đại

– Lọc tương tự

B/ KÝ HIỆU

• U P , U N , I P , I N , +E, -E, U ra

• Việc cấp nguồn theo kiểu đối xứng là để điện

2018-11-13 57

B/ KÝ HIỆU

• Trong đó:

- U N gọi là điện áp vào đảo, I N gọi là dòng vào đảo

- U P gọi là điện áp vào thuận, I P gọi là dòng vào thuận

U

2018-11-13 59

C1/ ĐẶC TUYẾN TRUYỀN ĐẠT

K

K 

C3/ HỆ SỐ NÉN ĐỒNG PHA

• Khi U P = U N = U CM ≠ 0

cm cm

U

U K







• Hệ số nén đồng pha:

C5/ ĐIỆN ÁP VÀO LỆCH KHÔNG

• Khi U N =U P =0 mà U ra ≠ 0  sự chênh lệch điện áp giữa cực N và cực P gây nên từ sự chênh lệch dòng đầu vào

• Do vậy cần phải mắc thêm vào một điện áp

U o tại N hoặc P sao cho U ra = 0.

2018-11-13 65

C6/ ỔN ĐỊNH CÔNG TÁC

• Do ảnh hưởng của dòng điện tĩnh, điện áp

lệch không

• Do ảnh hưởng của đặc tính biên độ tần số

• Phải ổn định chế độ công tác cho KĐTT

Bù điện áp khi làm việc với tín hiệu 1 chiều

Bù tần số khi làm việc với tín hiệu xoay chiều

D/ CÁC VÍ DỤ CƠ BẢN MẠCH LÝ TƯỞNG

• Sơ đồ KĐ đảo

• Sơ đồ KĐ đảo nhiều đầu vào

• Sơ đồ KĐ không đảo

• Sơ đồ KĐ vi sai

P

D1/ SƠ ĐỒ KĐ ĐẢO

1 1

'

R

R K

U R

R K





1 1

1 1

U

U I

U Z

v

v v

v

0 K K

K  

) (

1

1

ra v

N

v

R R

R U

K





D2/ KHUẾCH ĐẠI ĐẢO NHIỀU ĐẦU VÀO

U U

U U

I 1

D3/ SƠ ĐỒ KĐ KHÔNG ĐẢO

) 1

(

'

1 1

1

R

R K

U R

R K





1 1

U I

U Z

2018-11-13 73

D3/ SƠ ĐỒ KĐ KHÔNG ĐẢO

ra N

R R

R U





1 1

'

1 1

1

0 K K

K  

0

K

U U

K





D4/ KHUẾCH ĐẠI VI SAI

R

+

2018-11-13 75

E/ CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ

• Bù điện áp lệch không (1 chiều)

• Bù tần số (xoay chiều)

E1/ BÙ ĐIỆN ÁP LỆCH KHÔNG

• Nguyên lý: Đặt vào cực còn lại của KĐTT

một điện áp U o sao cho U d = U P – U N = 0

U

2018-11-13 77

E1/ BÙ ĐIỆN ÁP LỆCH KHÔNG

• Thực hiện cho mạch đảo:

+ -

Rht

Ra U V

U

2 R

A R

R

VR +E

-E

RB

E1/ BÙ ĐIỆN ÁP LỆCH KHÔNG

• Thực hiện cho mạch không đảo:

+ -

Rht

URa

UVR

CHƯƠNG 3 MẠCH KĐ ĐIỆN SINH HỌC

• Mạch KĐ vi sai

• Mạch KĐ đo

• Mạch KĐ cách ly

2 CÁC MẠCH KĐ THƯỜNG DÙNG

2018-11-13 83

2.1 MẠCH KĐ VI SAI

) 1 1

( 1

) 1 1

( )

1 1

(

4 3

2

4 3

1

1 2

1 3

2

R R

R

R R

R

U R

R R

2.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO

2018-11-13 85

3.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÁCH LY

1 MỨC ĐỘ CẢM GIÁC THEO CƯỜNG ĐỘ

Cường độ dòng điện (mA)

Hiệu ứng điện giật

60Hz 10kHz DC

0 - 0,3 0 - 5 0 - 0,6 Không có cảm giác

2 8 3,5 Bắt đầu có cảm giác

1 11 6 Có cảm giác bị giật nhưng không đau

10 51 58 Có cảm giác co thắt cơ, vẫn đi được

20 60 65 Đau rát, không đi được

Trên 100 Trên 500 Bỏng nặng, sốc tim, khó thở

2018-11-13 87

2 MỨC ĐỘ CẢM GIÁC THEO TẦN SỐ

3 GIỚI HẠN DÒNG RÒ

Loại dòng Chuẩn UL544 Chuẩn UL2601-1 Chuẩn IEC60601-1

Dòng rò đất 300µA 300µA 1mA

Dòng rò vỏ máy 300µA 300µA 500µA

Dòng rò bệnh nhân 10µA 50µA 50µA

ĐIỂM CHUNG

• Điểm chung đầu vào và điểm chung đầu ra được cách

ly về điện có giá trị trở kháng cỡ hàng triệu Ôm.

2018-11-13 93

+ -

4

6 2

7 3

Hµng rµo c¸ch ly

Photodiode Photodiode

+ECL

I2

D1, D2: photodiode (cã c¸c tham sè gièng hÖt nhau)

NGUYÊN LÝ CÁCH LY QUANG

+ECL -ECL

Bộ KD DC

6 2

+ -

4

6 2

DeModulator

đồng bộ và Bộ lọc thông thấp

A2

Đất thả

nổi

Cách ly Không cách ly

+E

-E

50Hz converter

Ura

50Hz converter

-ECL

Tới mạch không cách ly

NGUYấN Lí CÁCH LY TỪ

2018-11-13 95

.

.

.

3

Dao

động

Q Q

Cách ly 3pF

3pF

C1

C2

Điều khiển tần số

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra tương tự

15V

15V

NGUYấN Lí CÁCH LY BẰNG TỤ

CHƯƠNG 4 MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ

2018-11-13 97

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG

• Chức năng chính:

– Cho một tần số hoặc một dải tần số đi qua

– Chặn hoặc loại bỏ những tần số còn lại

• Phân loại theo cấu tạo:

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Đáp ứng tần số của bộ lọc lý tưởng

Thông số cơ bản:

• Tần số cắt: Fc

• Tần số dải chắn: Fs

• Độ gợn dải thông: Amax

• Độ suy hao dải chắn: Amin

• Độ dốc đặc tuyến: M

Thông số khác:

• Tần số trung tâm

4.2 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

ứng của bộ lọc rời khỏi

dải suy hao -3 dB

• Bản chất Fc: là tần số tại

đó tín hiệu bị suy giảm

một nửa công suất

4.2 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

Độ dốc đặc tuyến

• Phụ thuộc vào bậc (hay số cực) của bộ lọc

• Thường được xác định bằng số lượng mạch RC (hoặc

UVào URa

Mạch nào tốt hơn?

2018-11-13 105

4.4 CÁC MẠCH LỌC TÍCH CỰC

• Gồm tổ hợp: điện trở, tụ điện và một linh kiện tích cực (thường dùng là KĐTT) có sử dụng hồi tiếp.

2018-11-13 107

A MẠCH LỌC THÔNG THẤP 1 CỰC

DÙNG HỒI TIẾP ÂM

Xét trở kháng của bộ KĐTT đảo Điện trở hồi tiếp là R mắc song song với 1/j2fC Do vậy:

R ht = R/(1+j2fRC)

V OUT /V IN = R ht /R = R/(1+j2fRC)R = 1/(1+j2fRC)

= 1 tại f = 0 và = 0 khi f →∞ Do đó đây là lọc thông thấp Tần số cắt f c = 1/2RC

B MẠCH LỌC THÔNG THẤP 1 CỰC

BUTTERWORTH

Tần số cắt và hệ số KĐ được xác định:

1 1

2

1

C R

2018-11-13 109

C MẠCH LỌC THÔNG THẤP 2 CỰC

Tần số cắt và hệ số KĐ được xác định:

2 2 1 12

1

C R C R

(

0

R R

A MẠCH LỌC THÔNG CAO 1 CỰC

V OUT /V IN = R 2 /R 1 = j2fRC/(1+j2fRC)

= 0 tại f = 0 và = 1 khi f →∞ Do đó đây là lọc thông cao

Điện trở R mắc nối tiếp với tụ C, trở kháng tương đương là:

= R+1/ j2fC

2018-11-13 113

B MẠCH LỌC THÔNG CAO 2 CỰC

Yêu cầu:

- Xây dựng tương tự như mạch lọc thông thấp

- Lựa chọn các linh kiện cho phù hợp

2 2

1 1

2

1

C R C R

2018-11-13 115

3 CÁC MẠCH LỌC THÔNG DẢI

• Nguyên lý

• Mạch lọc thông dải ghép 2 mạch lọc 2 cực riêng

• Mạch lọc thông dải ghép 2 mạch lọc 1 cực chung

• Mạch lọc thông dải dùng nhiều vòng hồi tiếp

2018-11-13 117

B MẠCH LỌC THÔNG DẢI GHÉP 2 MẠCH LỌC 2 CỰC RIÊNG

2 1 2 1

2

2

1

C C R R

fc





4 3 4 3

1

2

1

C C R R

C MẠCH LỌC THÔNG DẢI GHÉP 2 MẠCH LỌC 1 CỰC CHUNG

1

2

1

C R

2018-11-13 119

D MẠCH LỌC THÔNG DẢI DÙNG

NHIỀU VÒNG HỒI TIẾP

2 1 2

1

2 1

0

2

1

C C

R R R

R R

0

C C C

C R f

0 1

B C

B C

f f

f

f f

1

0 1

B C

f Q

f f

2018-11-13 123

B MẠCH LỌC TRIỆT DẢI GHÉP THÔNG THẤP VÀ THÔNG CAO

• Yêu cầu: f C2 > f C1

C MẠCH LỌC TRIỆT DẢI GHÉP THÔNG THẤP VÀ THÔNG CAO

H H H H

c

C C R R

f

2 1 2 1

c

C C R R

f

2 1 2 1

2018-11-13 125

4.5 THIẾT KẾ MẠCH LỌC

• Sử dụng 3 loại mạch đã được tối ưu hóa

• Dùng công thức tổng quát cho hàm truyền đạt

• Sử dụng bảng các thông số của mạch lọc

1 LOẠI MẠCH THỰC HIỆN

• Bessel

• Butterworth

• Tschebyscheff

)

P b P a

K P

K

i i

do d

• Trong đó:

- K do là hệ số truyền đạt ở tần thấp

- a i , b i là những số thực theo bảng các thông số (sau)

- Số mũ cao nhất của P sẽ là bậc của bộ lọc

2018-11-13 129

4 VÍ DỤ MẠCH THÔNG THẤP

• Mạch hồi tiếp âm một vòng

• Mạch hồi tiếp âm nhiều vòng

• Mạch hồi tiếp dương một vòng

A MẠCH HỒI TIẾP ÂM MỘT VÒNG

2 2 2

2 1

1

C C R P

RC P

2 2 1

1

1 2

1

C C R b

RC a

K

o o do

2018-11-13 131

B.MẠCH HỒI TIẾP ÂM NHIỀU VÒNG

2 1 3 2

2 2 1

3 2 3

2 1

1 2

) (

1

/

C C R R

P R

R

R R

R C P

R R

U

U

K

o o

v

ra d

2 1

2

3 2 3

2 1 1

3 2

) (

/

C C R R b

R

R

R R

R C a

R R

K

o o do

2

C MẠCH HỒI TIẾP DƯƠNG MỘT VÒNG

C R b

RC K

a

K K

o o do

C

R

3

(K-1)R3

2018-11-13 133

CHƯƠNG 5

BỘ BIẾN ĐỔI AD/DA

5.1 BỘ BIẾN ĐỔI DAC

• Chức năng: Biến đổi từ dạng số sang mức

điện áp hoặc dòng tương tự cả về độ lớn và dấu.

• Từ số: Nếu tín hiệu số được mã hóa bởi n bit,

khi đó giá trị của một từ số thể hiện:

X = b 1 b 2 b 3 b 4 b n

• Mức tương tự chuẩn hóa:

2018-11-13 135

A MẠCH TỔ HỢP TUYẾN TÍNH

• Nguyên lý: Dùng điện áp chuẩn -U n (KĐ đảo) đưa vào các chuyển mạch được điều khiển bởi các mức logic.

A MẠCH TỔ HỢP TUYẾN TÍNH

• Điện áp ra:

)2

22

(2

2

2

2 2

1 1

1 2

1

n n

n ht ra

n n n

ht n

ht n

ht ra

b b

b R

U

R U

U

b R

R U

b R

R U

b R

R U

2018-11-13 137

ƯU NHƯỢC ĐIỂM

• Đơn giản, dễ nghiên cứu;

• Khi số bit mã hóa cao thì thiết kế các điện trở

là rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được theo quan hệ: 2 n-1 lần;

B MẠCH R-2R

• Nguyên lý: Tương tự như mạch tổ hợp tuyến

tính, nhưng để khắc phục nhược điểm dùng cấu trúc R-2R

bn

2018-11-13 139

B MẠCH R-2R

• Sơ đồ tương đương (Thevenin):

B MẠCH R-2R

• Sơ đồ tương đương (Thevenin):

2018-11-13 141

B MẠCH R-2R

• Điện áp ra và bước điện áp:

) 2

8 4

2

r

ht ra

b b

b

b U R

R

R

U R U

U LSB

r ht o

n o



 2

• Ưu điểm: Khắc phục được dải điện trở rộng

(chỉ một mức là gấp 2 lần), bước điện áp nhỏ

đi một nửa.

SƠ ĐỒ CHÂN VÀ CÁCH MẮC ĐIỂN HÌNH

5.2 BỘ BIẾN ĐỔI ADC

• Chức năng: Biến đổi tín hiệu tương tự thành

từ số biểu thị độ lớn và dấu của mức tương tự đó.

• Mặc dù có thể thiết kế các bộ AD rời rạc từ

các linh kiện, song trên thực tế rất ít sử dụng phương pháp này mà chủ yếu sử dụng IC có sẵn.

• Do tính phức tạp trong mạch điện nên các bộ

biến đổi AD hơi đắt.

A NGUYÊN LÝ CHUNG

• Biến đổi tín hiệu tương tự sang từ nhị phân

Lấy và giữ mẫu

Tín hiệu vào

Mã hóa

Đầu ra

Tín hiệu số

Tín hiệu tương tự

Xung đồng hồ

Thanh ghi tín hiệu tương tự

A1 LẤY MẪU VÀ MÃ HÓA

Xung đồng hồ

• Độ chính xác :

– Tăng độ chính xác tạo ra giải pháp tốt hơn (bướcchia trục y) và tốc độ lấy mẫu cao hơn (bước chiatrục x)

Độ chính xác thấp Cải thiện độ chính xác

A2 SAI SỐ LƯỢNG TỬ

B1 TRỊ SỐ CHUẨN HÓA

• Định nghĩa trị số chuẩn hóa:

Trong đó: Trị số toàn thang sẽ là điện áp chuẩn hay dòng chuẩn tùy thuộc vào từng bộ biến đổi.

Trị số thực Trị số toàn thang

B3 MÃ HÓA ĐƠN CỰC

• Dựa trên giả thiết tín hiệu tương tự vào hoặc

là dương, hoặc là bằng không mà không có giá trị âm.

B4 MÃ HÓA LƯỠNG CỰC

• Dựa trên giả thiết tín hiệu tương tự vào có

thể có cả giá trị dương lẫn âm với độ lớn đỉnh gần bằng nhau.

C BỘ ĐỔI ADC0801-0805

• Đặc điểm:

- Là các bộ gần đúng liên tiếp 8 bít.

- Đi kèm với vi xử lý 8081

- Mức đỉnh của tín hiệu tương tự là 5V (Nếu tín

hiệu vào lớn hơn thì cần làm suy giảm)

- Mạch phát xung đồng hồ trên chip với tần số

640KHz

- Tần số lấy mẫu khoảng 8767Hz

SƠ ĐỒ CHÂN VÀ CÁCH MẮC ĐIỂN HÌNH

SƠ ĐỒ CHÂN VÀ CÁCH MẮC ADC0804

4

5 1

3 2

CLKIN

INTR

CS

WR RD

10K

Uranalog

C22 10uF

-12Viso

C9 0.1uF

C8 220pF

R20 6.8

10K R22

+

-U3A TL082

+12Viso