Đây chính là điện thế màng tế bào và được diễn giải theo phương trình Goldman: - Pi là độ thấm của màng tế bào với ion thứ i - [?]??? là nồng độ của ion thứ i bên trong hoặc bên ngoà
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
NGUYỄN VŨ HUY TOÀN
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THU THẬP XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC DỰA TRÊN DSP
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Y Sinh
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
NGUYỄN VŨ HUY TOÀN
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THU THẬP XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC DỰA TRÊN DSP
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Y Sinh
Trang 4MỤC LỤC
MỤC LỤC i
LỜI CẢM ƠN iv
LỜI CAM ĐOAN v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU x
BẢNG KÝ HIỆU xi
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Tín hiệu điện sinh học và Điện tâm đồ (ECG) 2
1.1.1 Điện thế màng tế bào 2
1.1.2 Điện thế hoạt động 3
1.1.3 Hệ thống tim mạch: 5
1.1.4 Điện tâm đồ (ECG) 9
1.1.5 Điện cực 12
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG VỚI DSP 15
2.1 KHUYẾCH ĐẠI 15
2.2 Op-amp 16
2.2.1 Op-amp lí tưởng 16
2.2.2 Khuyếch đại không đảo. 17
2.2.3 Khuyếch đại đảo 18
2.2.4 Sai số độ lợi do độ lợi hữu hạn của bộ khuyếch đại. 18
2.3 Đặc điểm của Op-amp 19
2.3.1 Điện áp offset ngõ vào: 19
2.3.2 Dòng điện phân cực ngõ vào,ib 21
2.3.3 CMRR và tỉ số nén nguồn cấp PSRR 23
2.4 Giới thiệu về DSP 24
2.4.1 Thành phần của một hệ DSP điển hình 25
Trang 52.4.2 Lập trình DSP 27
2.4.3 Bộ lọc IIR 28
2.5 Điều chế và giải điều chế tín hiệu y sinh 30
2.5.1 Điều chế 30
2.5.2 Điều tần 31
2.5.3 Tách sóng 32
CHƯƠNG 3 MIÊU TẢ CHI TIẾT 33
3.1 Phương pháp thiết kế 33
3.1.1 Bộ lọc tương tự 34
3.1.2 Đặc điểm cơ bản của bộ lọc thông thấp 35
3.1.3 Bộ lọc thông thấp Butterworth 38
3.1.4 Bộ lọc thông thấp Tschebyscheff 38
3.1.5 Bộ lọc thông thấp Bessel 38
1.2 Thiết kế bộ lọc thông thấp 39
3.1.6 Phản hồi đa thông số 41
3.1.7 Bộ lọc thông thấp bậc cao 42
3.3 Tiền xử lý 43
3.3.1 Hệ thống DSP 44
3.3.2 Bộ giải điếu chế hỗn hợp 46
3.3.3 Bộ lọc thông thấp 48
3.3.4 Thực hiện 49
3.4 Mạch tiền xử lý 49
3.4.1 Hệ thống cung cấp năng lượng 49
3.4.2 Lọc đầu vào và bảo vệ 51
3.4.3 Bộ tiền khuyếch đại 52
3.4.4 Right-leg-driven(RLD) 54
Trang 63.4.6 Thiết kế bộ lọc thông thấp 58
3.4.7 Tầng khuyếch đại 60
3.5 Mạch VCO 61
3.5.1 Chương trình DSP 61
3.5.2 Mô phỏng 62
3.5.3 Điều biến FM 62
3.5.4 Phép tích hợp trực giao 64
3.5.5 Bộ điều biến hỗn hợp 65
3.6 Lập trình trong mã C 68
3.7 Đường dẫn tín hiệu 69
3.8 Tích hợp trực giao 69
3.9 Giải điều chế hỗn hợp 76
3.10 Bộ lọc đầu ra 77
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 78
4 Kết quả đạt được. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 7LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện luận văn Thạc sĩ tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc t ớ i
TS Trịnh Quang Đức, người thầy ngay từ đầu đã định hướng và tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ học tập và tạo điều kiện tốt nhất của các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm Điện tử Y sinh và các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu, thực hiện luận văn
Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Bệnh viện Tim Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thu thập số liệu tại bệnh viện
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích
lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài nghiên cứu
Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2016
Tác giả luận văn
Nguyễn Vũ Huy Toàn
Trang 8LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu và những kết quả nghiên cứu trong luận văn này đều do tôi nghiên cứu, số liệu hoàn toàn trung thực, không trùng lặp với các đề tài khác và chưa được sử dụng để bảo vệ bất kỳ luận văn nào
Tôi xin cam đoan mọi thông tin, số liệu trích dẫn trong luận văn đều chính xác
và được chỉ rõ nguồn gốc, mọi sự giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc thực hiện luận văn đều đã được cảm ơn!
Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2016
Tác giả luận văn
Nguyễn Vũ Huy Toàn
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1- 1 Nồng độ của ion bên trong và bên ngoài của Tế bào 2
Hình 1- 2 Điện thế hoạt động điển hình 4
Hình 1- 3 Sự truyền của điện thế hoạt động 5
Hình 1- 4 Tâm nhĩ và tâm thất của tim người 6
Hình 1- 5 Tim và hệ tuần hoàn 7
Hình 1.6 Hệ truyền dẫn của Tim 8
Hình 1.7 Tín hiệu ECG lí tưởng của con người 9
Hình 1.8 Mối quan hệ các đạo trình trên tam giác Einthoven 11
Hình 1.9 Đạo trình V đơn cực 12
Hình 1.10 Máy ghi điện tâm đồ từ rất sớm của Einthoven 13
Hình 1.11 Các loại điện cực 14
Hình 1.12 Điện cực sử dụng trong đo lường EEG, EOG, và EMG 14
Hình 2.1 Opamp lí tưởng 17
Hình 2.2 Opamp không đảo 17
Hình 2.3 Op-amp đảo 18
Hình 2.4 Đáp ứng tần số và độ lợi điện áp 19
Hình 2.5 Điện áp offset ngõ vào 19
Hình 2.6 Sơ đồ đo điện áp offset ngõ vào 20
Hình 2.7: Sơ đồ đo điện áp offset ngõ ra 21
Hình 2.8 Dòng điện phân cực ngõ vào 21
Hình 2.9 Sơ đồ đo dòng điện phân cực ngõ vào 22
Hình 2.10.Tổng điện áp offset 23
Hình 2.11 CMRR của OP177 24
Hình 2.12 Điện áp cung cấp OP177 24
Trang 10Hình 2.14 Họ TMS320 27
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống DSP 33
Hình 3.2 Đáp ứng của bộ lọc lí tưởng 35
Hình 3.3 Đồ thị thể hiện tần số tín hiệu được lọc 35
Hình 3.4 Bộ lọc thông thấp RC 36
Hình 3.5 Cách sắp xếp op-amp để tạo đệm 36
Hình 3.6 Bộ lọc thông thấp bậc 4 37
Hình 3.7 Đáp ứng ở các bậc khác nhau của bộ lọc Butterworth 38
Hình 3.8 Bộ lọc thông thấp Tschebyscheff 38
Hình 3.9 So sánh đáp ứng của các bộ lọc 39
Hình 3.10 Bộ lọc thông thấp bậc 1 40
Hình 3.11a Bộ lọc thông thấp bậc 2 40
Hình 3.11b Bộ lọc thông thấp bậc 2 41
Hình 3.12 Mạch MFB 41
Hình 3.13: Các mô hình trạng thái bộ lọc thông thấp bậc cao 43
Hình 3.14 Điều chế FM VCO 43
Hình 3.16 Cấu trúc DMA ping-pong 45
Hình 3.17 Hỗn hợp trực giao 47
Hình 3.18 Bộ giải điều chế hỗn hợp 47
Hình 3.19 Bộ chuyển đổi cơ bản 50
Hinh 3.20: Minh họa hiển thị trên máy tính 51
Hình 3.21 Biểu diễn mạch lọc đầu vào 52
Hình 3.22 Bộ tiền khuyếch đại INA 333 53
Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn CMRR-Tần số 54
Hình 3.24: Đồ thị đặc tuyến Khuyếch đại – Tần số 54
Hình 3.25 Mạch RLD 55
Hình 3.26: Biểu diễn đặc tuyến khuyếch đại – Tần số 55
Trang 11Hình 3.27 Sơ đồ vòng lọc DC 56
Hình 3.28 Quan hệ tần số và độ lợi 56
Hình 3.29 Trước lọc 57
Hình 3.30 Sau lọc 57
Hình 3.31 Mạch mô phỏng 59
Hình 3.34 Sơ đồ mạch tầng khếch đại 61
Hình 3.35 Biểu đồ Phát triển của DSP 62
Hình 3.36 Tín hiệu hình sin_100Hz 63
Hình 3.37 Phổ của tín hiệu FM không có và có tín hiệu 64
Hình 3.38 Phổ của tin hiệu thực và tín hiệu mô phỏng 65
Hình 3.39 Mô phỏng của bộ điều biến hỗn hợp 66
Hình 3.40 So sánh giữa tần số gốc và tần số xử lý 66
Hình 3.41 Tín hiệu đầu ra không dùng bộ lọc 67
Hình 3.42: So sánh tín hiệu gốc và tín hiệu ra 67
Hình 3.43 Phổ của tín hiệu gốc và tín hiệu đầu ra đã được xử lý 68
Hình 3.44 Đường dẫn tín hiệu của chương trình 69
Hình 3.45 Tích hợp trực giao 70
Hình 3.47: Sơ đồ máy phát sóng sin và cos 71
Hình 3.48: Sơ đồ bộ lọc IIR 72
Hình 3.49 Hình biểu diễn trên madlab 72
Hình 3.50: Trình bày sơ đồ khối kỹ thuật của bộ tích hợp trực giao 73
Hình 3.51 Độ lớn và phản hồi pha của bộ lọc đầu ra 77
Hình 4.1 Tần số (Hz) và giá trị MSE 78
Hình 4.2 Tần số (Hz) và 𝑭𝑫 79
Hình 4.3 Tần số (Hz) và trễ pha (độ) 79
Hình 4.4 ECG gốc từ cơ thể người 81
Trang 12Hình 4.6: Hình cửa sổ ban đầu của công cụ fda 82
Hình 4.7: Hệ thống phân tích trên Matlab 84
Hình 4.8 Chương trình Lp cof 85
Hình 4.9: Bảng hiển thị các bảng mô tả 86
Hình 4.10: Bảng hiện trên phần mềm 86
Hình 4.11 Hệ thống phát triển DSP 87
Trang 13DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 So sánh nguồn đơn và nguồn kép 50
Bảng 3.2 Đặc tính của INA333 54
Bảng 3.3.Thông số khối điều biến FM 63
Bảng 3.4 Mô phỏng mẫu FM trong Matlab 63
Bảng 3.5 Mô phỏng của bộ tích hợp trực giao trên matlab 64
Bảng 3.6: So sánh tham số sóng sin và cos 71
Bảng 3 7: Bảng tần số các dải lọc 73
Bảng 3.8 Mã tích hợp trực giao 74
Bảng 3.9 Giải điều chế hỗn hợp 76
Bảng 3.10: Tần số làm việc của các bộ lọc 77
Bảng 4.1 Nâng cấp bộ lọc IIR 80
Bảng 4.2 ECG-bộ lọc nhiễu 80
Trang 14BẢNG KÝ HIỆU
ADC Bộ chuyển đổi Tương tự sang Số
AM Điều chế biên độ (Điều biên)
DAC Bộ chuyển đổi số sang tương tự
FM Điều chế tần số (Điều tần) IDE Môi trường phát triển tích hợp
MSE Sai số toàn phương trung bình
Trang 15CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
Ngày nay, công việc thu nhận tín hiệu điện sinh học trong cơ thể con người đang được chú ý rất nhiều Các tín hiệu này cung cấp thông tin về sinh lý để theo dõi tình trạng của cơ thể sống như sức khỏe của tim, não, cơ Do có nhiều lợi ích, mà những tín hiệu này trở thành công cụ hữu ích cho ngành Kĩ thuật y sinh không những dùng trong chuẩn đoán mà còn dùng để phát triển các sản phẩm phục hồi chức năng Những phương pháp đo tín hiệu điện sinh học được đưa ra khá sớm và trở thành những kĩ thuật mang tính kế thừa Tuy nhiên, do tín hiệu điện sinh học có điện áp yếu dẫn đến tín hiệu có tỉ lệ thấp so với nhiễu (SNR), vì vậy những kĩ thuật được áp dụng trong thực hành vẫn đối mặt với rất nhiều khó khăn và cần được phát triển
Cho đến nay, những tín hiệu điện sinh học thông thường trong cơ thể người được biết đến như ECG (điện tâm đồ), EEG (điện não đồ), EMG (điện cơ), và điện mắt (EOG) Chúng được đo từ các điện cực gắn với da của con người Tuy nhiên biên
độ điện sinh học rất nhỏ, ví dụ EEG (0.001 tới 0.01mV), ECG (1 tới 5mV) và SNR
là nhỏ nên nhiễu được tăng lên khi tín hiệu điện y học được khuyếch đại Thêm vào
đó, trong trường hợp áp dụng bộ lọc tương tự, những nhiễu hài với đặc trưng U-I phi tuyến của các thành phần điện tử xuất hiện dẫn đến sự biến dạng của tín hiệu Do đó,
áp dụng bộ lọc số có thể loại bỏ vấn đề này Để thực hiện các bộ lọc số, có rất nhiều thiết bị điện tử có sẵn ngoài thị trường, kể đến là DSP với tốc độ xử lí cao đáp ứng được những ứng dụng cho thời gian thực
Để xây dựng một thiết bị thu nhận tín hiệu điện sinh học phục vụ nghiên cứu trong y sinh, một hệ thống mở bao gồm một phần tương tự và một phần lập trình xử
lí tín hiệu được xem xét tới Từ ý tưởng này, chúng tôi đã thiết kế một mô hình dùng thu nhận và xử lí tín hiệu điện y học dựa trên nền tảng DSP Tuy nhiên, mô-đun DSP được phát triển cho các ứng dụng audio với phổ tần số từ 20Hz tới 20kHz trong khi các tín hiệu điện sinh học đều là tần số thấp Do đó, hiệu quả thu nhận tín hiệu điện sinh học thông qua DSP có thể làm mất tín hiệu quan trọng Để giải quyết vấn đề này,
Trang 16bằng phương pháp điều tần Luận văn này giới thiệu về thiết kế của một hệ thống mở dùng để thu nhận và xử lí tín hiệu điện sinh học Dựa trên thiết bị này, những nhà nghiên cứu có thể phát triển những thuật toán phân tích khác nhau để hướng đến việc chuẩn đoán lâm sàng và nghiên cứu y sinh
1.1 Tín hiệu điện sinh học và Điện tâm đồ (ECG)
1.1.1 Điện thế màng tế bào
Mô, chất xơ và cơ trong cơ thể con người đều được tạo thành từ tế bào Tế bào chứa dịch cả bên trong - dịch nội bào, lẫn xung quang bên ngoài chúng- dịch ngoại bào Cả dịch nội bào và ngoại bào đều chứa một lượng các i-on phân tử với sự chênh lệch về số ion + và ion - do đó mạng điện tích âm hoặc dương Những i-on thông thường nhất trong tế bào con người là Natri (Na+), Kali (K+) và Clo (Cl-) Những i-
on này có thể đi qua màng hay thành tế bào thông qua các kênh do sự chênh lệch nồng độ i-on trong và ngoài tế bào Thêm nữa, sự khách nhau về nồng độ dẫn đến sự khác nhau về chiều khuyếch tán
Hình 1- 1 Nồng độ của ion bên trong và bên ngoài của Tế bào
Trong trường hợp tế bào của con người ở điều kiện cân bằng:
Nồng độ của Natri, Na+, bên trong tế bào thấp hơn bên ngoài;
Nồng độ của Kali, K+, bên trong tế bào cao hơn bên ngoài;
Nồng độ của Clo, Cl-, bên trong tế bào cao hơn bên ngoài
Trang 17Khi các ion mang điện tích được liên kết thì kết quả là tổng điện tích bên trong
tế bào khác so với bên ngoài tế bào Sự khác nhau này làm tăng điện thế đi qua thành
tế bào từ bên trong ra bên ngoài Đây chính là điện thế màng tế bào và được diễn giải theo phương trình Goldman:
- Pi là độ thấm của màng tế bào với ion thứ i
- [𝑰]𝑙𝑜𝑐 là nồng độ của ion thứ i bên trong hoặc bên ngoài tế bào
Ở tế bào động vật và con người, điện thế đi qua màng tế bào đo được (theo chiều từ bên trong ra bên ngoài) là một giá trị trong khoảng từ -40 đến -80mV, phụ thuộc vào loại tế bào
1.1.2 Điện thế hoạt động
Nhiều tế bào trong cơ thể, và đăc biệt liên quan đến sợi thần kinh và cơ có thể được kích thích bởi điện hoặc hóa Một kích thích điện hóa có thể gây ra thay đổi tính thấm của màng tế bào với các ion khác nhau và đây là lí do làm cho tế bào hoạt động Điều này có nghĩa rằng dòng ion qua màng tế bào thay đổi đột ngột và vì vậy cũng làm thay đổi dung lượng điện tích mỗi bên màng tế bào Sự thay đổi đột ngột này mang theo sự thay đổi đột ngột điện thế màng tế bào vì vậy tế bào dẫn đến trạng thái khử cực Cuối cùng tế bào vào trạng thái tái cực, nhưng thông thường diễn ra chậm
hơn so với khi khử cực
Trang 18Hình 1- 2 Điện thế hoạt động điển hình
Mỗi khi một tế bào ở trạng thái khử cực, những thay đổi về điều kiện môi trường xung quanh tế bào đó có thể hoạt động như một tác nhân kích thích các tế bào lân cận cùng dẫn vào trạng thái tương tự Trong tế bào thần kinh và cơ, xung được tạo ra bởi
sự khử cực của tế bào có thể được truyền từ tế bào này sang tế bào khác thông qua các axon và các nơron thần kinh, vì vậy kích thích đi dọc theo theo một sợi thần kinh hay sợi cơ giống như một làn sóng với sóng tái cực theo sau Điều này cho phép truyền xung gây co thắt cơ dẫn đến sự hoạt động của cơ thể như đi lại, cầm nắm và tim đập theo nhịp
Trang 19Hình 1- 3 Sự truyền của điện thế hoạt động
1.1.3 Hệ thống tim mạch:
Hệ thống tim mạch của cơ thể con người về cơ bản là hoạt động của tim và các mạch máu Hoạt động của tim giống như một cái bơm để đẩy máu đi khắp cơ thể Máu vận chuyển oxy , chất dinh dưỡng và các sinh chất tới tất cả các cơ quan cũng như vận chuyển cả các sản phẩm thừa và chất độc từ các cơ quan để xử lí Trong thực
tế, tim hoạt động như hai máy bơm riêng biệt và hệ tuần hoàn bao gồm hai phần riêng biệt như trong hình 4 Tim có bốn ngăn, tâm nhĩ trái và phải ở bên trên, tâm thất trái
và phải ở bên dưới
Trang 20Hình 1- 4 Tâm nhĩ và tâm thất của tim người
Một sự biểu diễn đơn giản của hệ thống tuần hoàn được thể hiện trong hình 1.5 Máu được thu thập từ tất cả các bộ phận của cơ thể vào tâm nhĩ phải , từ đó được chuyển giao cho tâm thất phải Tâm thất phải đẩy máu đến phổi , nơi CO2 được lấy
ra và oxy tươi được hấp thụ Từ phổi máu tái tạo ôxy trở về tim và vào tâm nhĩ trái Vòng lặp này được gọi là tuần hoàn phổi Sau đó máu được chuyển tới cho tâm thất trái tiếp tục bơm máu ra cho tất cả các chi và cơ quan trong cơ thể Khi oxy và chất dinh dưỡng đã được phân phối thông qua máu để nuôi dưỡng tất cả các tế bào xung quanh cơ thể và chất thải đã được thu thập và cung cấp cho sự đào thải , trở về tâm nhĩ phải một lần nữa Vòng thứ hai này được gọi là hệ tuần hoàn hệ thống toàn thân
Trang 21Hình 1- 5 Tim và hệ tuần hoàn
Tim là một bộ phận quan trọng của cơ thể Tim phối hợp hoạt động với hệ mạch
để góp phần vào hoạt động của các hệ khác.Tim gắn với động mạch phổi và tĩnh mạch phổi, tĩnh mạch chủ trên và tĩnh mạch chủ dưới và động mạch chủ Tim (người) gồm
4 ngăn (tâm nhĩ trái, tâm nhĩ phải; tâm thất trái, tâm thất phải) Xét về tâm nhĩ phải (phần trên, bên phải của trái tim): khi máu từ tĩnh mạch chủ chảy vào tâm nhĩ, van nhĩ thất phải (van ở giữa tâm nhĩ và tâm thất) lập tức mở ra, tâm nhĩ co đẩy máu qua van này chảy vào tâm thất phải (đến bây giờ máu vẫn là màu đỏ sẫm) Lúc máu vừa vào tâm thất phải, van động mạch phổi lập tức mở ra, tâm thất phải đẩy máu đi qua van này đổ vào động mạch phổi và được lọc tại phổi -> máu biến thành màu đỏ tươi
và theo tĩnh mạch phổi trở vào tâm nhĩ trái Khi máu (đỏ tươi) vào tâm nhĩ trái, van nhĩ thất trái lập tức mở ra Tâm nhĩ trái co đẩy máu vào tâm thất trái Thành tâm thất trái có lớp cơ dày Chính nhờ lớp cơ này mà tâm thất trái mới co bóp mạnh, đẩy máu vào động mạch chủ với vận tốc cao và áp lực lớn Máu từ tâm thất trái đi vào các cơ quan rồi trở về tĩnh mạch, chảy ngược lên tim Lúc này tâm-nhĩ-phải giãn ra (giãn cùng lúc với tâm nhĩ trái), áp suất giảm làm máu bị hút trở vào tâm nhĩ phải (dưới sự trợ giúp của các cơ, các van và sức hút của phổi) Trong quá trình co bóp, đầu tiên tim co bóp tâm nhĩ trước (mất khoảng 0.1 giây), rồi đến pha thất co (mất 0.3 giây) và sau cùng là pha dãn chung (trái tim được nghỉ ngơi hoàn toàn) - mất 0.4 giây Cứ như
Trang 22Hình 1.6 Hệ truyền dẫn của Tim
Bình thường, khi cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi, quả tim đập chậm lại Ngược lại, khi hoạt động, đặc biệt là hoạt động gắng sức, quả tim sẽ đập nhanh hơn để cung cấp ôxy cho các bắp cơ Để co bóp một cách nhịp nhàng như vậy là nhờ tim có một hệ thống điều khiển tự động đặc biệt Hệ thống gồm các phần chính sau (hình minh họa 6):
1 Nút xoang (SA node), nằm ở nhĩ phải có vai trò làm chủ nhịp (phát xung động)
2 Nút nhĩ thất (AV node), nằm sát vách ngăn giữa buồng nhĩ và thất, có vai trò dẫn truyền xung động thần kinh được nút xoang tạo ra (bản chất là xung động điện học) từ nhĩ xuống thất
3 Bó his chung (Atrioventricular bundle), dẫn truyền xung động từ nút nhĩ thất xuống buồng thất và chia thành hai nhánh cho hai buồng thất
4 Nhánh bên phải và nhánh bên trái, dẫn truyền xung động vào hai buồng thất
5 Mạng Purkinje là những nhánh nhỏ xuất phát từ nhánh phải và trái lan tỏa tới các vùng cơ tim của 2 thất
Trang 23Hệ thống này chỉ huy hoạt động của toàn bộ quả tim (Quá trình này được miêu
tả qua hình vẽ) Đầu tiên nút xoang phát xung động (bản chất là xung động điện học)
và khởi đầu quá trình khử cực Từ nút xoang, xung động điện học được dẫn truyền đến 2 buồng tâm nhĩ và kích thích tâm nhĩ co bóp tống máu từ nhĩ xuống thất Sau đó xung động được dẫn truyền xuống thất nhờ nút nhĩ thất Tại nút nhĩ thất, tốc độ dẫn truyền bị chậm lại sau đó theo bó his xuống 2 buồng thất Khi đến hai buồng tâm thất, xung động theo mạng Purkinje lan ra toàn bộ buồng thất để kích thích cơ tâm thất co bóp (khử cực cơ thất) bơm máu vào hệ thống động mạch chủ đi nuôi cơ thể và động mạch phổi để máu được trao đổi ôxy và thải khí cacbonic
1.1.4 Điện tâm đồ (ECG)
ECG lí tưởng con người được thể hiện trong hình 7 Có thể thấy rằng có một
số thành phần riêng biệt tạo nên toàn bộ tín hiệu được đo trong duy nhất một chu kỳ tim hoàn chỉnh Các thành phần chính được xác định là sóng P, QRS và sóng T Phân đoạn và các khoảng cách khác trong đó có một tầm quan trọng trong phỏng đoán lâm sàng đã được xác định Biên độ QRS của một tín hiệu đo trên ngực của đối tượng thường là có giá trị trong khoảng 1-5 mV
Trang 24Các thành phần khác nhau của điện tâm đồ tương ứng với các sự kiện khác nhau xảy ra ở tim trong một chu kỳ tim Sóng P được gắn liền với quá trình khử cực của các tế bào cơ tâm nhĩ làm cho tâm nhĩ co bóp và chuyển máu đến các tâm thất QRS tương ứng với quá trình khử cực mạnh của các tế bào trong cơ bắp nhiều và mạnh mẽ của tâm thất Giai đoạn này được gọi là tâm thu thất Việc tái cực của các tế bào trong
cơ tâm nhĩ được che đậy bởi QRS và không thể quan sát một cách độc lập Sóng T tương ứng với quá trình tái cực của các tế bào cơ thất trong giai đoạn nghỉ của tế bào được gọi là tâm trương thất Thời hạn, hình dạng và nhịp điệu của các thành phần và các phân đoạn giữa chúng có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc vào tình trạng của tim và
hệ thống tim mạch Những ghi chép sớm nhất về một bản ghi điện tâm đồ được trình bày bởi Willem Einthoven vào khoảng năm 1904 Einthoven ban đầu sử dụng bốn điện cực kim loại kết nối với tay chân của một chủ thể để thực hiện quá trình thu nhận Sau đó, ông thấy rằng các điện cực có thể chuyển đến các vị trí trên ngực mà cường độ tín hiệu thu được không bị mất đi Einthoven phát triển thành các Đạo trình được gọi là tam giác Einthoven như hình 8, bao gồm đạo trình I, II và III mà mỗi cặp điện cực khác nhau đại diện cho từng khía cạnh khác nhau của hoạt động điện trong tim
Trang 25Hình 1.8 Mối quan hệ các đạo trình trên tam giác Einthoven
Trang 26Hình 1.9 Đạo trình V đơn cực
Thêm vào sáu đạo trình nữa, được gọi là đạo trình V - đơn cực , gắn ở một số
vị trí cần thiết xung quanh ngực cung cấp thêm thông tin về các hoạt động điện tim như thể hiện trong hình 9 Một đánh giá lâm sàng ECG hoàn chỉnh bao gồm kết quả
đo của tất cả mười hai đạo trình Tất cả các điểm được sử dụng để lấy các đạo trình yêu cầu các điện cực phải được kết nối với cơ thể tại các vị trí chính xác
1.1.5 Điện cực
Nhiều phép đo y sinh sử dụng các điện cực Thông thường , một điện cực đo điện thế tại một vị trí trên bề mặt của cơ thể thường liên quan đến điện thế ở một vị trí khác Chúng chủ yếu thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi các dòng ion liên quan đến hoạt động điện trong cơ thể sang dòng electron rồi đưa vào đầu vào của một bộ khuyếch đại Các điện cực được sử dụng phổ biến nhất trong các phép đo :
ECG hoặc điện tâm đồ , cho thấy hoạt động của tim
EEG hay điện não đồ , cho thấy hoạt động của não
Trang 27Điện cơ hoặc EMG , hoạt động cơ chỉ ra và
Electrooculogram hoặc EOG , cho thấy hoạt động trong mắt
Tín hiệu ECG chính thức được đo cho bệnh nhân ở tư thế ngồi với chân tay của họ chìm vào trong chai chứa dung dịch điện phân , trong đó các điện cực que kim loại lớn được đặt vào sau đó được kết nối với máy ghi như thể hiện trong hình 10
Hình 1.10 Máy ghi điện tâm đồ từ rất sớm của Einthoven
Điện cực ECG ngày nay được dùng một lần , tự dính , các loại điện cực dán thường được sử dụng tại các phòng khám và bệnh viện phường và chúng có hình dạng và kích thước khác nhau như hình 1.11 Ví dụ về các điện cực được sử dụng cho các phép đo khác nhau như điện não đồ, EOG và EMG được trình bày trong hình 1.12 và chúng có các yêu cầu cơ bản về thiết kế tương ứng với phép đo điện tâm đồ
và áp đặt các yêu cầu hiệu suất trên cùng một bộ khuyếch đại
Trang 28Hình 1.11 Các loại điện cực
Hình 1.12 Điện cực sử dụng trong đo lường EEG, EOG, và EMG
Trang 29CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG VỚI DSP
2.1 KHUYẾCH ĐẠI
Thông thường, tín hiệu thu được từ tín hiệu điện sinh lý có biên độ rất nhỏ và
do đó phải được khuyếch đại trước khi quá trình xử lý và hiển thị chúng có thể được thực hiện Các thông số kỹ thuật và danh sách các đặc điểm của các bộ khuyếch đại sinh thế khá phức tạp Tuy nhiên, với mỗi ứng dụng y tế đặc thù thì các thông số quan trọng của một bộ khuyếch đại được sử dụng phù hợp và chúng được trình bày dưới đây
Độ lợi (Gain) Các tín hiệu thu được từ hoạt động điện sinh lý thường có biên
độ rơi vào khoảng một vài µV đến một vài mV Điện áp của tín hiệu đó phải được khuyếch đại đến mức phù hợp cho các thiết bị hiển thị và thiết bị thu nhận Vì vậy, hầu hết các bộ khuyếch đại sinh thế phải có độ lợi là 1000 hoặc lớn hơn Thông thường độ lợi của một bộ khuyếch đại được đo bằng decibel (dB) Độ lợi tuyến tính
có thể được tính sang decibel qua việc công thức:
Gain (dB) = 20 log10 (linear gain) (2)
Đáp ứng tần số là phép đo định lượng của phổ đầu ra của một hệ thống hoặc
thiết bị khi đáp ứng với một kích thích, và được sử dụng để mô tả động lực học của
hệ thống đó Nó là một đo lường của biên độ và pha của đầu ra như là một hàm của tần
số, so với đầu vào Trong điều kiện đơn giản nhất, nếu một sóng sin được đưa vào một hệ thống ở một tần số cho trước, một hệ thống tuyến tính sẽ đáp ứng ở cùng tần
số đó với một cường độ và một góc pha nhất định tương đối so với đầu vào Cũng đối với một hệ thống tuyến tính, khi tăng gấp đôi biên độ của đầu vào thì cũng sẽ tăng gấp đôi biên độ của đầu ra Ngoài ra, nếu hệ thống là bất biến theo thời gian, thì đáp ứng tần số cũng sẽ không thay đổi theo thời gian Đối với một hệ thống khuyếch đại, mục tiêu có thể là mô phỏng lại các tín hiệu đầu vào mà không bị biến dạng Điều này đòi hỏi một biên độ đều (phẳng) của đáp ứng theo giới hạn dải thông của hệ thống, với tín hiệu bị trì hoãn bởi chính xác cùng một lượng thời gian ở tất cả các tần
Trang 30số Thời gian có thể tính bằng giây, hoặc vài tuần hoặc vài tháng tùy vào phương tiện dùng để ghi lại
Nén tín hiệu đồng pha — Một mạch khuyếch đại thuật toán hoàn hảo chỉ
khuyếch đại hiệu số điện thế giữa 2 đầu vào, và không quan tâm đến điện áp chung của chúng Tuy nhiên các đầu vào vi sai của các bộ khuyếch đại thuật toán thường không hoàn hảo khiến cho nó có thể khuyếch đại các tín hiệu đưa đến đồng thời cả 2 đầu vào một chút ít Thông số tiêu chuẩn để đánh giá tác động này là hệ số triệt tín hiệu đồng pha (hoặc đồng thời) common-mode rejection ratio (viết tắt là CMRR) Giảm thiểu hệ số này là điều rất quan trọng trong các mạch khuyếch đại không đảo (sẽ mô tả dưới đây) làm việc ở hệ số khuyếch đại lớn
V+: Đầu vào không đảo
V−: Đầu vào đảo
Vout: Đầu ra
VS+: Nguồn nuôi dương
VS−: Nguồn nuôi âm
Hình 2.1 Opamp lí tưởng
Op amp lí tưởng
Trang 31Hình 2.1 Opamp lí tưởng
2.2.2 Khuyếch đại không đảo
Mạch khuyếch đại không đảo có tín hiệu vào được đưa tới đầu vào không đảo, đầu vào đảo được nối đất qua điện trở RG như hình 2.2
Hình 2.2 Opamp không đảo
Dùng định luật phân áp để tính VIN, VOUT
(2.1)
Trang 32Điện áp vào được khuyếch đại lên tỷ lệ lần Như vậy, điện áp
ra luôn lớn hơn điện áp vào về biên độ Điện áp ra cùng pha với điện áp vào
2.2.3 Khuyếch đại đảo
Mạch khuyếch đại đảo (hình 2.3) có đầu vào không đảo nối đất, tín hiệu VIN được đưa vào đầu vào đảo qua điện trở RG, mạch thực hiện hồi tiếp âm qua điện trở
RF Đầu ra VOUT đảo cực so với đầu vào VIN
Hình 2.3 Op-amp đảo
(2.2)
2.2.4 Sai số độ lợi do độ lợi hữu hạn của bộ khuyếch đại
Trong thực tế, op-amp có độ lợi điện áp là 100dB, trong khi với hiệu suất cao nhất thì độ lợi có được là 140dB hoặc cao hơn Biểu thức thể hiện sự thay đổi độ lợi
ở tầng không đảo:
𝐺𝐶𝐿 =𝛽1× [ 1
1+ 1
𝐴𝑉𝑂𝐿𝛽] (2.3a)
Trang 33Hình 2.4 Đáp ứng tần số và độ lợi điện áp
2.3 Đặc điểm của Op-amp
2.3.1 Điện áp offset ngõ vào:
Với điều kiện lí tưởng, nếu cả hai ngõ vào của op-amp có điện áp giống nhau thì ngõ ra không có điện áp Tuy nhiên trong thực tế, luôn có một chênh lệch nhỏ điện
áp giữa hai ngõ vào mà vẫn làm điện áp ngõ ra bằng không Điện áp này được gọi là điện áp offset ngõ vào, VOS
Hình 2.5 Điện áp offset ngõ vào
Trang 34Chopper-Stabilized Op Amps: <1μV
General-Purpose Precision Op Amps: 50-500μV
Best Bipolar Op Amps: 10−25μV
Best FET Op Amps: 100−1,000μV
High Speed Op Amps: 100−2,000μV
Untrimmed CMOS Op Amps: 5,000−50,000μV
DigiTrim CMOS Op Amps: <1,000μV
Bảng 2.1 Bảng so sánh
Vì giá trị điện áp ngõ vào offset có giá trị chỉ vài uV nên mạch đo không được
có sai số lớn hơn giá trị điện áp offset cần đo Hình 2.6 biểu diễn một mạch đo điện
áp offset đơn giản
Hình 2.6 Sơ đồ đo điện áp offset ngõ vào
Dịch chuyển mức cơ sở
Trong những ứng dụng với độ lợi cao Việc cắt giảm offset nên được quan tâm
để tránh sự bão hòa Nếu có nhiều tầng thì cần xử lí từng tầng, có thể thực hiện cắt giảm offset bằng cách thêm một lượng nhỏ điện áp offset vào ngõ vào không đảo hoặc đảo
Sơ đồ mạch trong ảnh có thể sử dụng để thêm một lượng nhỏ điện áp offset bằng cách sử dụng một op-amp ở chế độ không đảo Mạch này hoạt động 7với offset nhỏ, ở đây R3 có thể có giá trị lớn hơn R1 Chú ý mặt khác, độ lợi tín hiệu có thể bị
Trang 35ảnh hưởng bởi offset khi vặn triết áp Độ lợi có thể ổn định được nếu R3 được nối với một nguồn điển tham chiếu có trở kháng thấp
Hình 2.7: Sơ đồ đo điện áp offset ngõ ra
2.3.2 Dòng điện phân cực ngõ vào,ib
Ở điều kiện lí tưởng, không có dòng điện chạy bên trong ngõ vào của op amp Trong thực tế, luôn luôn có hai dòng điện phân cực ở ngõ vào, 𝐼𝐵+ và 𝐼𝐵−
Hình 2.8 Dòng điện phân cực ngõ vào
Một đại lượng rất biến thiên
• IB có thể thay đổi từ 60fA (1 eletron mỗi 3 us) tới vài uA, phụ thuộc vào thiết bị
• một vài cấu hình có 𝐼𝐵 kết hợp tốt, một số khác thì không
• 𝐼𝐵 của một vài cấu hình thay đổi rất nhỏ theo nhiệt, nhưng op-amp FET có
𝐼𝐵 thay đổi gấp đôi mỗi 10oC
• Một vài cấu hình có 𝐼𝐵 chạy theo hướng khác
Trang 36Dòng điện phân cực là một vấn đề không nhỏ vì khi nó kết hợp với trở kháng ngoài và tạo ra điện áp, điều này làm tăng sai số của hệ thống Xét một bộ đệm độ lợi không đảo sử dụng nguồn với trở kháng nguồn là 500 kΩ Nếu 𝐼𝐵 là 10nA thì sẽ tạo
ra sai số là 5mV
Dòng điện phân cực ngõ vào có thể đo được bằng mạch điện trong hình 2.9 Để
đo 𝐼𝐵 cần tạo ra một điện áp offset có giá trị 𝐼𝐵 × 𝑅𝑆 (𝑅𝑠 có giá trị trở kháng lớn được nối nối tiếp với ngõ vào) Nếu đã có giá trị Vos đo được thực tế bên trên, bây giờ xác định được Vos thay đổi theo 𝑅𝑠 thì 𝐼𝐵 có thể dễ dàng tính được 𝐼𝐵 được tính bằng trung bình cộng của 2 dòng phân cực 𝐼𝐵 = (𝐼𝐵+ +𝐼𝐵−)/2
Đo dòng phân cực ngõ vào
Hình 2.9 Sơ đồ đo dòng điện phân cực ngõ vào
Tính tổng sai số offset ngõ ra theo IB và Vos
Trang 37• Giữ giá trị trở kháng thấp tại ngõ ra, để giảm thiểu điện áp offset bị chi phối bởi ảnh hưởng của dòng phân cực
• Sử dụng điện trở bù bias với VFB op-amps không sử dụng bù trong Thông qua điện trở này, cho nhiễu là thấp nhất
• Nếu một VFB op amp không sử dụng bù trong, không sử dụng các điện trở bù
• Khi cần thiết, sử dụng cắt giảm offset bên ngoài, hạn chế thấp nhất hiện tượng trôi
• Chọn một op-amps có độ chính xác đặc trưng thích hợp cho bù thấp và trôi
2.3.3 CMRR và tỉ số nén nguồn cấp PSRR
CMRR là tỉ số của hệ số khuyếch đại vi sai chia cho hệ số khuyếch đại đồng pha
Trang 38Hình 2.11 CMRR của OP177
PSRR là sự thay đổi nguồn cấp dẫn đến sự thay đổi điện áp offset ngõ vào
Hình 2.12 Điện áp cung cấp OP177
2.4 Giới thiệu về DSP
DSP là một mạch tích hợp được thiết kế cho các thao tác xử lí dữ liệu tốc độ cao, được sử dụng trong âm thanh, thông tin liên lạc, xử lý ảnh, và thu nhận các dữ liệu khác và không ngoại trừ các ứng dụng y sinh Nó thực hiện công việc trong trạng thái rời rạc, điện áp ngưỡng cao và thấp, chứ không phải trong trạng thái liên tục DSP rất quan trọng trong thiết kế dụng cụ y sinh bởi vì hiệu suất của nó là vượt trội
so với xử lí tín hiệu tương tự thông thường, vấn đề này sẽ được đề cập sau Và với hệ
Trang 39thống này, DSP đóng vai trò quan trọng vì nó là trung tâm để thu nhận tín hiệu điện sinh học, loại bỏ những nhiễu không mong muốn từ môi trường và có kiểm soát với
sự biến dạng của tín hiệu ban đầu
2.4.1 Thành phần của một hệ DSP điển hình
Hệ thống DSP điển hình bao gồm một chip DSP, bộ nhớ, có thể là một bộ chuyển đổi ADC tương tự sang kỹ thuật số, một bộ DAC số sang tương tự và các kênh giao tiếp Không phải tất cả các hệ thống DSP có kiến trúc tương tự nhau thì có thành phần giống nhau Việc lựa chọn các thành phần trong một hệ thống DSP phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Một con chip DSP có thể chứa nhiều loại phần cứng; một
số loại phổ biến được liệt kê dưới đây
Hình 2.13 Hệ thống DSP cơ bản
Khối xử lí toán học trung tâm
Nền tảng DSP sử dụng phần này để thực hiện các phép toán chính là nhân và cộng Phần này giúp DSP xử lí rất nhanh so với các bộ xử lí truyền thống
Trang 40Họ DSP thường có thêm khối này để thực hiện con trỏ, tính toán toán học và logic song song với khối số học trung tâm
Các cổng nối tiếp
Thông thường họ DSP có các cổng tiếp nối ngoại vi dành cho giao tiếp tốc độ cao với DSP khác và dùng chuyển đổi dữ liệu Những cổng nối tiếp này được kết nối trực tiếp với các bus nội vi để tăng hiệu suất và để giảm bớt các vấn đề do giải mã địa chỉ ngoại vi, giảm giá thành
Bộ nhớ
Bộ nhớ lưu giữ thông tin, dữ liệu và chỉ lệnh cho DSP và là một phần thiết yếu của bất kì hệ DSP nào Mặc dù DSP là một cái máy thông minh nhưng nó vẫn cần được chỉ cách làm việc Bộ nhớ giữ các chuỗi chỉ lệnh để nói với DSP hoạt động cái
gì để thực hiện trên dữ liệu (ví dụ: thông tin) Trong nhiều trường hợp, DSP đọc vài
dữ liệu, hoạt động với những dữ liệu đó và ghi nó trở lại Hầu hết tất cả các hệ DSP
có một vài Bộ nhớ, có thể là chip-on hoặc chip-off, trong đó bộ nhớ chip-on hoạt động nhanh hơn
Bộ chuyển đổi A/D và D/A
Bộ chuyển đổi cung cấp các chức năng phiên dịch cho DSP Bởi vì DSP chỉ
có thể hoạt động với dữ liệu số, tín hiệu tương tự từ bên ngoài phải được chuyển về tín hiệu số Khi DSP đưa ra tín hiệu từ ngõ ra, nó có thể được chuyển lại tín hiệu tương tự để phù hợp với bên ngoài ADC nhận tín hiệu tương tự vào sau đó chuyển
nó về dữ liệu số 0 và 1 DAC là quá trình ngược lại
Các cổng
Các cổng giao tiếp thực sự cần thiết cho một hệ DSP Thông tin thô được nhận
và xử lí sau đó thông tin này được chuyển tới các cổng giao tiếp ra bên ngoài Ví dụ, một hệ DSP có thể đưa thông tin ra bằng cách kết nối với máy in thông qua cổng ra Những cổng thông dụng nhất là cổng nối tiếp và cổng song song