Nghiên cứu thiết kế hệ thống mạch cứng thu thập tín hiệu sóng âm của cơ thể

Xuất phát từ nhu cầu nghe âm thanh của các cơ quan sinh học cơ thể để phân tích, nghiên cứu cũng như khám chữa bệnh chẩn đoán từ xa, tín hiệu âm thanh cần được số hóa để lưu trữ và truyề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH CỨNG THU THẬP TÍN HIỆU SÓNG ÂM CỦA CƠ THỂ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Dư Đình Viên Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Học Viên Cao Học

Đoàn Xuân Dũng

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS Dư Đình Viên đã hết lòng hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn thạc sĩ của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô là giảng viên của khoa Sau Đại Học - trường Đại Học Mở Hà Nội đã tận tình dạy dỗ và hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình học tập thạc sĩ tại trường

Và tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ và những người thân trong gia đình

vì đã nuôi nấng, dạy dỗ, chăm lo cho tôi, động viên tôi hoàn thành thật tốt khóa học thạc sĩ này

Mặc dù đã hết sức cố gắng hoàn thành luận văn nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sự cảm thông, chỉ bảo tận tình của các quý thầy cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Hiện nay, những bệnh lý liên quan đến sóng âm có thể nghe được phát ra từ những cơ quan sinh học đặc trưng phổ biến bao gồm tim, phổi, dạ dày Xuất phát từ nhu cầu nghe âm thanh của các cơ quan sinh học cơ thể để phân tích, nghiên cứu cũng như khám chữa bệnh chẩn đoán từ xa, tín hiệu âm thanh cần được số hóa để lưu trữ và truyền đi thông qua mạng Internet Luận văn này trình bày về việc nghiên cứu – thiết kế hệ thống mạch cứng thu thập tín hiệu sóng âm của cơ thể

Đề tài tập trung nghiên cứu các bộ lọc tín hiệu và khuyếch đại bằng phương pháp mạch điện tử tương tự, khảo sát các đường đặc tuyến đáp ứng tần số của các

bộ lọc cũng như bộ khuyếch đại để hiệu chỉnh các đường đặc tuyến sao cho hệ số khuyếch đại tín hiệu là hằng số trong toàn dải phổ tín hiệu được quan tâm Đề tài ứng dụng một trong những module kỹ thuật số có tích hợp vi điều khiển, vi xử lý để

số hóa tín hiệu âm thanh và đưa vào dữ liệu vào máy tính

Đối với tín hiệu âm thanh của cơ thể, các mẫu tương ứng có thể được tạo ra

từ những công cụ chuẩn để có thể xác định được các thông số của hệ thống thông qua những thí nghiệm, từ đó, hiệu chỉnh các tham số của mạch cứng để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số, sử dụng các module dựa trên cấu hình kỹ thuật cùng với các mã nguồn nhúng Các thông số thí nghiệm được ghi lại, phân tích với các phương tiện so sánh và hiệu chỉnh với các thiết bị đo chuyên dụng Các phép đo sẽ được thực hiện với các đối tượng mẫu chuẩn và tiến tới áp dụng trên những người tình nguyện cũng như bệnh nhân

Kết quả đạt được là thiết bị có thể nghe được nhịp đập của quả tim khi áp sát vào ngực đồng thời hiển thị trên đồ thị theo thời gian và được lưu trữ dưới đuôi âm thanh wav

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NGHE ĐIỆN TỬ VÀ VAI TRÒ CỦA SÓNG HẠ ÂM, SIÊU ÂM TRONG CHẨN ĐOÁN 7

1.1 Giới thiệu về ống nghe điện tử 7

1.1.1 Lợi thế của ống nghe điện tử so với ống nghe truyền thống 7

1.1.2 Những giới hạn của ống nghe điện tử thương mại 10

1.2 Vai trò của sóng hạ âm và siêu âm trong chẩn đoán 11

1.2.1 Những bệnh lý có liên quan đến sóng hạ âm 11

1.2.2 Những bệnh lý có liên quan đến sóng siêu âm 12

1.2.3 Những khó khăn trong chẩn đoán y học dựa trên sóng hạ âm và siêu âm 13

1.2.4 Mẫu tín hiệu của các sóng âm và bệnh lý 13

Kết luận chương 1: 17

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH KHUYẾCH ĐẠI TƯƠNG TỰ 18

2.1 Thiết kế mạch khuyếch đại & lọc có phổ 5Hz đến 40Hz 21

2.1.1 Nguồn đối xứng và cảm biến CM-01B 24

2.1.2 Thiết kế bộ lọc thông cao tần số 5Hz 25

2.1.3 Thiết kế bộ tiền khuếch đại 30

2.1.4 Thiết kế bộ lọc thông thấp 32

2.1.5 Thiết kế các bộ khuếch đại 37

2.1.6 Thiết kế mạch offset 38

2.2 Mô phỏng mạch thiết kế 40

2.2.1 Bộ lọc thông cao 41

2.2.2 Bộ lọc thông thấp 42

2.3 Kết quả thí nghiệm với mạch khuyếch đại 44

2.3.1 Mạch lọc thông cao 44

2.3.2 Mạch lọc thông thấp 46

Kết luận chương 2: 48

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM NHÚNG 49

3.1 Mạch Đo Với Module Arduino 50

3.2 ADC và tính toán chuyển đổi tín hiệu đo 52

3.2.1 Độ phân giải cần thiết của tín hiệu 52

3.2.2 Tần số lấy mẫu 53

3.3 Phần mềm nhúng 54

3.4 Phần mềm PC 58

3.4.1 Chuyển đổi số 58

3.4.2 Bộ lọc thông dải 58

3.4.3 Nghe Trực Tiếp 59

3.4.4 Lưu Trữ 60

Kết luận chương 3 60

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 61

4.1 Tín Hiệu Thu Được Sau Lọc Và Tiền Khuếch Đại 61

4.2 Tín Hiệu Đầu Ra Mạch Analog Sau Khuếch Đại 64

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Âm thanh tim bình thường ở tốc độ thường 14

Hình 2: Âm thanh tim bình thường ở tốc độ chậm 15

Hình 3: Dạng sóng của âm thanh tim của bệnh nhân hồi máu tâm thất 16

Hình 4: Sơ đồ khối của hệ thống 20

Hình 5: Hàm truyền đạt của một số bộ lọc 22

Hình 6: Mạch lọc thông cao thụ động RC 22

Hình 7: Mạch lọc thông thấp tích cực 23

Hình 8: IC khuếch đại âm thanh OPA 2134 23

Hình 9: Nguồn đối xứng +-9V 24

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến CM-01B 24

Hình 11: Bộ lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng tổng quát 25

Hình 12: Mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn 26

Hình 13: Xây dựng bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng 27

Hình 14: Tổng quan bộ lọc thông cao tích cực bậc 4 28

Hình 15 : Thiết kế bộ lọc thông cao tích cực bậc 4 30

Hình 16: Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán 30

Hình 17: Mạch khuếch đại không đảo cơ bản 31

Hình 18: Mạch tiền khuếch đại với G = 5 32

Hình 19: Sự tương ứng của mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao 33

Hình 20: Bộ lọc thông thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát 33

Hình 21: Bộ lọc thông thấp cấu trúc đa hồi tiếp MFB 34

Hình 22: Tổng quan bộ lọc thông thấp tích cực bậc 4 35

Hình 23: Bộ lọc thông thấp tích cực bậc 4 hoàn chỉnh 36

Hình 24: Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) 37

Hình 25: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại với G khác nhau 38

Hình 26: Mạch cộng điện áp 39

Hình 27: Kết quả thí nghiệm mạch DC offset 40

Hình 28: Đồ thị của số liệu mô phỏng cho mạch lọc thông cao 42

Hình 29: Đáp ứng tần số mô phỏng của mạch lọc thông thấp 44

Hình 30: So sánh đặc truyến tần số lý thuyết và thí nghiệm của mạch lọc thông cao 46

Hình 31: Đường đặc tuyến mô phỏng và thí nghiệm vật lý của mạch lọc thông thấp 48

Hình 32: Mô hình hệ thống nhúng tổng quát 50

Hình 33: Ảnh chụp của hệ thống thực khi ghép nối với máy tính 51

Hình 34: Mã nguồn Labview cho đọc chuyển đổi số 58

Hình 35: Bộ lọc thông dải trong Labview 59

Hình 36: Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải 59

Hình 37: Chương trình để nghe trực tiếp 59

Hình 38: Chương trình lưu trữ dữ liệu 60

Hình 39: Tín hiệu sau mạch lọc thông cao 61

Hình 40: Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông cao 62

Hình 41: Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại 62

Hình 42: Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại 63

Hình 43: Tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 63

Hình 44: Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 64

Hình 45: Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 64

Hình 46: Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 65

Hình 47: Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 65

Hình 48:Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 66

Hình 49: Tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự 66

Hình 50: Phổ tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự 67

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống 18

Bảng 2:Hệ số Butterworth 29

Bảng 3: Bảng giá trị các hệ số bộ lọc Butterworth 35

Bảng 4: Giá trị các thành phần trong mạch sau tính toán 36

Bảng 5: Hệ số khuếch đại của mạch tính theo lý thuyết 37

Bảng 6: Số liệu mô phỏng của mạch thông cao 41

Bảng 7: Số liệu mô phỏng của mạch lọc thông thấp 43

Bảng 8: Giá trị đo của thí nghiệm cho mạch lọc thông cao 45

Bảng 9: Giá trị thí nghiệm của mạch lọc thông thấp 47

Bảng 10: Thông số cơ bản của Arduino-Uno R3 51

Bảng 11: Mã nguồn nhúng của arduino 54

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sóng âm cơ thể là một trong tín hiệu lâm sàng tích cực bởi sự tồn tại của nó liên quan đến các quá trình hoạt động của các cơ quan sinh học của cơ thể Chính bởi đặc trưng của nó có thể cung cấp tình trạng lâm sàng của cơ thể, nên sóng âm của cơ thể từ thế kỷ 17 đã trở thành công cụ chẩn đoán những bệnh lý có liên quan đến âm thanh từ cơ thể phát ra từ các cơ quan sinh học đặc trưng

Những bệnh lý liên quan đến sóng âm có thể nghe được của cơ thể phát ra từ những cơ quan sinh học đặc trưng được biết phổ biến bao gồm tim, phổi, dạ dày Bằng cách lên hệ với những biểu hiện lâm sàng khác có thể quan sát bằng mắt dựa vào các triệu chứng như ho, sốt, tiêu chảy, hơi thở không đều, khò khè vv… các bác

sĩ đã có một công cụ chẩn đoán khá hữu hiệu bằng cách nghe những dạng âm thanh này một cách trực tiếp

Những âm thanh nghe được từ các cơ quan đặc trưng như tim, phổi, dạ dày

có thể nghe được trực tiếp bằng cách áp tai vào cơ thể, gần với bộ phận cơ quan sinh học Tuy nhiên phương pháp này là rất bất tiện và khó khăn cho các bác sĩ y khoa khi tác nghiệp Xuất phát từ nhu cầu nghe âm thanh cơ thể để khám chữa bệnh, những âm thanh cơ thể nằm trong dải nghe thấy được khuyếch đại bằng công

cụ loa âm học công cụ này phát triển cho đến ngày nay và trở thành một trong những công cụ truyền thống của các bác sĩ y khoa

Tuy khá tiên dụng trong khám chữa bệnh và trở thành một trong những công

cụ y khoa phổ biến nhất ngày nay, song, việc nghe trực tiếp bởi các bác sĩ gặp những vấn đề trở ngại như:

- Giới hạn bởi kinh nghiệm của các bác sĩ khi phát hiện các đặc trưng Các bác sĩ cần trải qua một thời gian đào tạo nghiêm ngặt dài hạn Hơn nữa, các dạng

âm thanh đặc trưng cho từng cơ thể có thể thay đổi mà không phải lúc nào cũng có thể phát hiện ra được

- Các dữ liệu về khám chữa bệnh không được lưu trữ để trở thành các thư viện tham khảo phục vụ cho mục đích đào tạo Các giảng viên y khoa, đồng thời cũng sẽ gặp khó khăn khi cần các giáo cụ trực quan để thể hiện thực hành

- Thời đại công nghệ thông tin bùng nổ, nhu cầu hội chẩn từ xa cũng như tạo cơ sở dữ liệu bệnh án điện tử là tất yếu, nhưng, với những dữ liệu âm học sẽ không thể truyền tải thông qua mạng Internet nếu như không số hóa được

- Đối với những tín hiệu nhỏ, hoặc tín hiệu âm thanh nằm ngoài dải âm nghe thấy, bác sĩ sẽ không thể nghe được để phục vụ mục đích chẩn đoán Đồng thời, những âm thanh nằm ngoài dải nghe thấy có thể giúp các nghiên cứu y khoa khám phá thêm những công cụ quan sát các hiện tượng lâm sàng khác

Với những ưu nhược điểm như trên, một đề tài nghiên cứu các công cụ số hóa âm thanh cơ thể là một trong những yêu cầu cần thiết phải đặt ra Các thiết bị ống nghe điện tử đã xuất hiện và ra đời trong những năm cuối của thể kỷ 20 do nhu cầu số hóa tín hiệu âm để chia sẻ tài nguyên bệnh học trên Internet phục vụ nghiên cứu Tuy nhiên, với giới hạn trong dải nghe thấy cũng là một trở ngại cần vượt qua

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, tại bệnh viện nhi trung ương, tôi thấy rằng cần bắt tay nghiên cứu đề tài “Nghiên Cứu – Thiết Kế Hệ Thống Mạch Cứng Thu Thập Tín Hiệu Sóng Âm Của Cơ Thể” để phục vụ cho các phát triển sau này cho công tác trang thiết bị tại bệnh viện Nhi Trung Ương, một trong những đơn vị đầu ngành về khám chữa bệnh và nghiên cứu các bệnh lý về Nhi Khoa Trong Nhi khoa, đặc biệt những bệnh lý về hô hấp, tim, tiêu hóa là những ca thường gặp

2 Tổng quan nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều hãng thiết bị y tế sản xuất và đưa ra những sản phẩm thương mại và đã được công nhận bởi các tổ chức FDA (Toàn toàn thuốc và thực phẩm) công nhận, tuy nhiên, các hãng sản xuất luôn tìm cách bảo vệ công nghệ, do

đó, cản trở việc mở rộng các công cụ phát triển cho chẩn đoán và phân tích tín hiệu thông qua các phần mềm Hầu hết những đơn vị muốn nghiên cứu phát triển các công cụ như vậy cần phải mua những mã nguồn lõi của công ty để giải quyết việc nghiên cứu phát triển

Bên cạnh việc nghiên cứu phát triển các công cụ phần mềm, việc phát triển các phần cứng như mở rộng phổ tín hiệu đo cũng gặp nhiều khó khăn Do đó, việc cần thiết phải nghiên cứu để phát triển một hệ thống mở từ phần cứng đến phần mềm là hoàn toàn cần thiết Phần cứng cho phép mở rông phổ đo của tín hiệu và phần mềm cho phép mở rộng các ứng dụng, bao gồm các phép chẩn đoán cũng như tăng cường các phương thức giao tiếp

Phổ của các tín hiệu âm thanh cơ thể mà y học ưa thích năm trong khoảng tần

số nghe thấy, chủ yếu là vùng 0 đến 8 kHz Ở các công cụ phần cứng các bộ lọc tương

tự đã giới hạn những vùng tín hiệu âm thanh nghe thấy bằng các bộ lọc thông dải (từ

20 Hz đến 20 kHz), như vậy những tín hiệu âm thanh nằm ngoài dải này sẽ không thể

đo được bằng các phần mềm của hãng Hơn nữa các bộ lọc số chức năng cũng tùy theo những ứng dụng để giới hạn các nguồn âm thanh được coi là tạp âm khác

Việc phát triển các phần lọc số chức năng phụ thuộc vào phần mềm, do đó,

có thể thay đổi dễ dàng các thuật toán lọc dựa trên phần cứng mở Nhưng với các phần cứng analog, khi dải phổ đã được ấn định, những thông số đo sẽ không thể được mở rộng Hơn nữa, việc mở rộng dải phổ cũng kèm theo những khó khăn khi tăng tỷ lệ tín trên tạp và độ phân dải đo bởi nhiễu từ nhiều nguồn tần số không có giá trị lâm sàng sẽ làm nhòe tín hiệu và suy giảm độ phân giải đo Khi tín hiệu được khuyếch đại, tỷ lệ tín trên tạp là không thay đổi do đó không thể cải thiện chất lượng tín hiệu

Phổ âm thanh của tín hiệu xuất phát từ các tế bào sinh học được biết có dải

âm từ hạ âm đến siêu thanh, ví dụ như côn trùng, hay hoạt đông ở vùng siêu thanh,

cá voi, hay voi, hoạt động ở vùng hạ âm Các bộ phận sinh học trong cơ thể người vốn được biết có thể sản sinh ra hạ âm, và siêu âm khi có những điều kiện lâm sàng

dị thường Như vậy, một dải phổ nằm trong miền nghe thấy là chưa bao quát hết các tín hiệu âm thanh sinh học tích cực, vốn tự phát ra trong quá trình hoạt động của cơ thể sống

Để tạo ra một phần cứng có ứng dụng mở và sẵn sàng cho các phát triển đối với nhiều ứng dụng tập trung cho không chỉ chẩn đoán lâm sàng y tế mà còn phục

vụ nghiên cứu các dấu hiệu lâm sàng cũng như bệnh lý khác, đề tài này tập trung vào giải quyết việc thiết kế bộ khuyếch đại có tích hợp các bộ lọc tương tự nằm trong dải 5 đến 40 kHz

Cường độ âm thanh của cơ thể phát ra khá nhỏ, cỡ 30 đến 40 dB, bởi vậy cần khuyếch đại lên cỡ 90 đến 100 dB là ngưỡng nghe thấy rõ của tai người Như vậy, bên cạnh các bộ lọc analog được thiết kế, cần thêm các bộ khuyếch đại Bởi hệ số khuyếch đại là khá lớn, cỡ 40 đến 50 dB, nên cần phải chia bộ lọc ra 2 tầng là tiền khuyếch đại và khuyếch đại Việc chia tầng khuyếch đại kèm theo các bộ lọc tín hiệu cũng là một trong những phương pháp làm tăng tỷ lệ tín trên tạp Bởi qua mỗi

bộ lọc, biên độ nhiễu lại được suy giảm so với khoảng phổ của tín hiệu

3 Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu các bộ lọc tín hiệu và khuyếch đại bằng phương pháp mạch điện tử tương tự Thông qua việc thí nghiệm dựa trên các tín hiệu giả lập cho biến thiên trên miền tần số để khảo sát các đường đặc tuyến đáp ứng tần số của các bộ lọc cũng như bộ khuyếch đại để hiệu chỉnh các đường đặc tuyến này sao cho

hệ số khuyếch đại tín hiệu là hằng số trong toàn dải phổ tín hiệu được quan tâm

Với hệ số khuyếch đại là hằng số, biên độ của tín hiệu được đảm bảo trung thực về giá trị đo và phản ánh đúng tình trạng lâm sàng của cơ thể cũng như thông qua việc phân tích tín hiệu, có thể đánh giá được tỷ lệ tín trên tạp của toàn hệ thống Với tỷ lệ tín trên tạp cao, những tín hiệu nhỏ có thể được phát hiện, do đó, tạo ra cơ

sở để nghiên cứu các phương pháp chẩn đoán mới

Tín hiệu analog có thể được đưa vào các bộ khuyếch đại âm thanh điện tử để nghe bằng các hệ thống âm thanh hiện đại như loa hoặc tai nghe vốn có độ khuyếch đại lớn hơn rất nhiều so với khuyếch đại kiểu tang trống ở các ông nghe cơ học thuần túy Tuy nhiên, việc nghe chỉ là một phần của chẩn đoán như đã nói ở trong phần 1 và 2 của chương này, với nhu cầu phân tích để phục vụ nghiên cứu cũng như chẩn đoán từ xa, tín hiệu âm thanh cần được số hóa để lưu trữ và truyền đi thông qua mạng Internet

Ngày nay, các module kỹ thuật số có tích hợp vi điều khiển hoặc vi xử lý với đầy đủ các ngõ vào/ra số hoặc tương tự đã dần trở nên phổ biến Nếu như trước đây,

người ứng dụng phải thiết kế các module này dựa trên các mạch tích hợp thương mại, thì ngày nay, các mạch như vậy đã được thiết kế sẵn để dễ dàng nâng cấp hoặc tạo ra các ứng dụng riêng biệt một cách nhanh chóng Đề tài ứng dụng một trong những module này để số hóa tín hiệu âm thanh và đưa vào dữ liệu vào máy tính

Thông qua một vài phép đo thử nghiệm trên những người tính nguyện và bệnh nhân trong bệnh viện Nhi Trung Ương Hà nội, chất lượng của âm thanh cũng như tín hiệu sẽ được đánh giá bởi kinh nghiệm của các bác sĩ như là kết quả của đề tài

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn xoay quanh vấn đề thiết kế mạch đo phần cứng để đo được tín hiệu

âm thanh cơ thể, do đó, các vấn đề chính yếu xunh quanh luận văn sẽ tập trung vào những vấn đề sau:

- Các linh kiện có dải tần số có giá trị đáp ứng tuyến tính nằm trong vùng làm việc mong muốn của hê thống như dải phổ 5 Hz đến 40 kHz, dải khuyếch đại đạt 100 dB

- Các module số hóa cho phép giao tiếp với máy tính bằng phần mềm dựa trên mã nguồn mở hoặc những bộ mã nguồn đã được công bố thuận tiện cho việc điều khiển các thiết bị thông qua giao tiếp từ các cổng truyền thông

- Các module số hóa cần có tần số lấy mẫu đủ cao và độ phân giải thang đo hợp lý với độ phân dải mong muốn

- Tốc độ các phép tính toán cần phải đủ nhanh để thực hiện các bộ lọc số bậc cao ở yêu cầu thời gian thực

- Giao tiếp máy tính cần thực hiện được những thao tác lấy mẫu và để nghe trực tiếp và vẽ lại các đồ thị để thể hiện đặc trưng của tín hiệu trên miền thời gian

- Dữ liệu thu thập được, ngoài các giá trị cần đo, cần đồng bộ với thời gian thực và thời gian thực, do đó, có thể tổ chức cùng với giá trị đo để gửi đi trong 1 khung dữ liệu giao tiếp

- Đối với các bộ lọc analog cũng như vộ lọc số, tỷ lệ tín trên tạp cần đạt được

cỡ 50 đến 70 dB

- Ở các tín hiệu đối với từng loại hình khảo cứu cần có những hiệu chỉnh thang đo, độ khuyếch đại, và dải phổ của tần số

5 Phương pháp nghiên cứu

- Đối với tín hiệu âm thanh của cơ thể, độ nhạy của tín hiệu là rất thấp, việc chế tạo các phần cứng cần dựa trên đặc tính vật lý của đối tượng đo Các mẫu tương ứng có thể được tạo ra từ những công cụ chuẩn để có thể xác định được các thông

số của hệ thống thông qua những thí nghiệm, từ đó, hiệu chỉnh các tham số của mạch cứng để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

- Để thực hiện các phép chuyển đổi tín hiệu sang dạng số, các module cũng

sẽ được lựa trọn dựa trên cấu hình kỹ thuật từ đó áp dụng các mã nguồn nhúng để thí nghiệm sự chính xác của phép đo và tận dụng các mảng số liệu đã có sẵn để vẽ các đồ thị và kiểm nghiệm với tình trạng thực tế của lâm sàng

- Các thông số thí nghiệm được ghi lại và phân tích với các phương tiện so sánh với các điều kiện diễn ra trên thực tiễn để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống Thông qua các kinh nghiệm của các bác sĩ chuyên khoa, các thông số kỹ thuật được đánh giá và hiệu chỉnh với các thiết bị đo chuyên dụng

- Để bảo đám tính khả thi và ứng dụng thực tiễn cao, các phép đo sẽ được thực hiện với các đối tượng mẫu chuẩn ví dụ như hàm sin, sóng hài, và tiến tới áp dụng trên những người tình nguyện cũng như bệnh nhân để các đặc trưng được kiểm chứng và đánh giá

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NGHE ĐIỆN TỬ VÀ VAI TRÒ CỦA SÓNG

HẠ ÂM, SIÊU ÂM TRONG CHẨN ĐOÁN

1.1 Giới thiệu về ống nghe điện tử

1.1.1 Lợi thế của ống nghe điện tử so với ống nghe truyền thống

Ống nghe truyền thống lần đầu tiên được thiết kế và đưa vào sử dụng bởi bác

sĩ y khoa Rene Laennec vào năm 1816 Ban đầu mục đích của phát minh chỉ đơn giản là khắc phục những bất tiện do việc các bác sĩ phải ghé tai sát vào cơ thể, đặc biệt, trong trường hợp các nữ bệnh nhân Ống nghe chỉ đơn giản là một cuộn giấy bìa cứng dạng ống trụ Dạng ống này cho phép truyền âm định hướng nhờ phản xạ sóng nhiều lần trên bề mặt trong của ống, do đó, hạn chế tiêu âm bởi tán xạ theo các hướng trong không gian

Ống nghe Laennec

Với ông nghe Laennec, âm thanh cơ thể có độ lớn giống như khi lắng tai vào sát cơ thể trong nhiều trường hợp, những âm thanh nhỏ không thể nghe được bằng phương pháp này Do đó vào năm 1840, ống nghe Golding Bird được ra đời Cũng dựa trên phương pháp của Laennec, tuy nhiên, Golding Bird đã cải tiến thu nhỏ ống truyền âm và mở rộng đầu tiếp xúc theo dạng loa Thực tế, âm thanh khi đi dạng vào ống phễu có xu hướng phản xạ trên bề mặt để tụ lại âm vào ống truyền âm Như vậy âm thanh sẽ được khuyếch đại và ống nghe Golding Bird cho phép các bác sĩ nghe được những âm thanh nhỏ mà ông nghe Laennec gặp phải khó khăn khi nghe những loại âm thanh này

Ống nghe Golding Bird

Tuy ống nghe Golding Bird đã cải thiện được chất lượng âm thanh qua bộ khuyếch đại, nhưng hình dáng và kích thước kồng kềnh của nó khiến các bác sĩ gặp trở ngại trong quá trình di chuyển để thăm khám bệnh nhân Để cải tiến kích cỡ này, năm 1852, bác sĩ Arthur Leared đã thiết kế ống nghe bằng 2 tai với ống truyền âm dạng dẻo (hình 3) Như vậy, các bác sĩ có thể nghe được bằng 2 tai và thu gọn thích thước của ống nghe kiểu cũ Dạng ống nghe Leared được phát triển cho đến ngày nay và trở thành một trong những công cụ quen thuộc của các bác sĩ y khoa

Ống nghe Leared

Cấu tạo của các ống nghe có thể khác nhau và được phát triển bởi nhiều công

ty sản xuất thiết bị y tế để tăng chất lượng âm thanh nghe được, hạn chế nhiễu nền, nhưng về bản chất ống nghe truyền thống là công cụ khuyếch đại âm thanh bằng dạng ống dẫn sóng âm Vì vậy, âm thanh của bệnh nhân, không được lưu lại Đối với các bác sĩ còn ít kinh nghiệm, việc theo dõi bệnh nhân trong quá trình điều trị là rất quan trọng Do đó, đây là một thách thức đối với các ống nghe truyền thống

Để lưu giữ được âm thanh, cần một micro để chuyển đổi tín hiệu âm thành điện và đưa vào các phương tiện lưu trữ ví dụ như băng từ, đĩa than vv Trước đây, khi công nghệ kỹ thuật số chưa phổ biến, việc lưu lại những dữ liệu kiểu này là bất khả thi, bởi kèm theo ống nghe sẽ là những hệ thống thu âm kồng kềnh, bất hợp lý đối với các bác sĩ y khoa khi khám bệnh Chính vì thế, ống nghe điện tử không được phát triển, mặc dù âm thanh cơ thể có thể được khuyếch đại với hệ số lớn hơn rất nhiều

Khi kỹ thuật số ra đời, đặc biệt là máy tính cá nhân, những đòi hỏi từ phía các bác sĩ y khoa với nhu cầu theo dõi tiến triển của bệnh nhân qua quá trình điều trị vẫn chưa được đặt ra bức thiết, bởi, ống nghe sẽ phải được tổ chức cũng với máy tính cá nhân cũng các phần mềm phức tạp tỏ ra không được thuận tiện cho các bác

sĩ trong quá trình khám chữa bệnh và theo dõi bệnh nhân mặc dù, tín hiệu có thể được thu thập vào máy tính và lưu giữ dưới dạng số khá thuân tiện

Kể từ khi Internet ra đời, nhu cầu hội chẩn, khám chữa bệnh từ xa được đặt

ra và lợi ích mà nó mang lại khá to lớn cho cộng đồng y khoa Như vậy, lúc này, ống nghe kỹ thuật số là thực sự cần thiết và trở nên dần quan trọng hơn đối với y khoa hiện đại Hơn nữa bên cạnh những lợi ích về tốc độ khám chữa bệnh, hạ giá thành trong việc hội chẩn những ca bệnh khó, việc lưu giữ các dữ liệu sóng âm của bệnh nhân cũng làm phóng phú thêm các học liệu và giáo cụ với tính chất trực quan hóa rất cao trong việc đào tạo các bác sĩ y khoa

Bên cạnh việc lưu giữ phục vụ mục đích nghiên cứu, đào tạo, và hội chẩn từ

xa, khám chữa bệnh từ xa, cũng như theo dõi tiến triển của các liệu trình điều trị Việc số hóa tín hiệu âm thanh cơ thể cũng mở ra các ứng dụng chẩn đoán dựa trên

giải thuật phân tích bằng công cụ xử lý tín hiệu số Những công cụ này cho phép phân biệt những đặc trưng mà chưa chắc tai người với kinh nghiệm lâu năm có thể phân biệt được nếu tín hiệu là quá nhỏ và tồn tại trong một khoảng thời gian quá ngắn

1.1.2 Những giới hạn của ống nghe điện tử thương mại

Xuất phát từ nhu cầu thực tế của các bác sĩ, một số hãng sản xuất ví dụ như Littmann đã chế tạo các ống nghe điện tử nhỏ gọn và có nhiều chức năng như lọc

số, khuyếch đại được tích hợp sẵn, cho phép lưu giữ dữ liệu của bệnh nhân trên Flash Disk và có thể đồng bộ dữ liệu để gửi các dữ liệu này với máy tính, máy tính bảng, hoặc điện thoại thông minh Phương pháp chia sẻ dữ liệu này tạo ra những thuận lợi vô cùng tiện lợi bởi thói quen sử dụng điện thoại thông minh đã trở nên phổ biến ngày nay

Ống nghe điện tử Littmann

Tuy những sản phẩm như vậy rất tiện dụng và linh hoạt trong sử dụng nhưng những ống nghe điện tử thương mại luôn được các hãng sản xuất bảo vệ bản quyền

và công nghệ, do đó, việc phát triển các ứng dụng trên các sản phẩm này gặp nhiều khó khăn Khó khăn lớn nhất mà những người phát triển gặp phải đó chính là các phần mềm lõi điều khiển thiết bị trong thu thập, truyền số liệu tới các thiết bị khác cũng như phân tích và chẩn đoán tự động

Hầu hết các sản phẩm ống nghe điện tử được phát triển trong thời gian gần đây đều tìm cách số hóa ông nghe truyền thống, nghĩa là chỉ đơn giản chuyển tín hiệu âm thành điện thuộc phổ nghe thấy Nếu như dải phổ đo của cảm biến âm thanh nằm trong phổ rộng thì các bộ lọc thông dải cũng sẽ loại bỏ các tín hiệu hạ

âm và siêu âm

Dải âm thanh được y khoa quan tâm chủ yếu nằm ở trong dải nghe thấy bởi ống nghe truyền thống được nghe trực tiếp bởi các bác sĩ, tuy nhiên, phần hạ âm và siêu âm rất có thể cũng có những tín hiệu trong những trường hợp đặc biệt mà đòi hỏi phải có những nghiên cứu mới trong lĩnh vực này Việc phát triển dựa trên các phần cứng của các ống nghe điện tử là không thể thực hiện được, bởi các thông số

đã được tối ưu hóa cho thông số kỹ thuật của sản phẩm

Bên cạnh những trở ngại về hệ thống đóng đối với các phát triển kỹ thuật, giá thành của các ống nghe điện tử cũng thực sự là những nguyên nhân khiến các bác sĩ ngần ngại sử dụng Giá thành của bộ ống nghe điện tử có giá gấp 10 lần so với ống nghe truyền thống, hơn nữa độ phức tạp của các cài đặt điện tử trên thiết bị cũng làm cho các bác sĩ bối rối Chính vì vậy, ở Việt Nam, những sản phẩm tương tự không được chào đón

1.2 Vai trò của sóng hạ âm và siêu âm trong chẩn đoán

1.2.1 Những bệnh lý có liên quan đến sóng hạ âm

Sóng hạ âm có mặt trong đa số các hoạt động của các cơ quan sinh học trong

cơ thể Lý do xuất hiện các sóng hạ âm là bởi những hoạt động mang tính chu kỳ ở tần số thấp của các bó cơ trơn là những bó cơ được kích thích và duy trì hoạt động đều đặn khác với những bó cơ vân là những bó cơ hoạt động dưới kích thích của xung điện cơ sinh học và dừng hoạt động khi ngừng kích thích Tần số của tim, phổi, mạch thường hoạt động ở tần số 1 đến vài Hz, thậm trí thấp hơn Với tần số

như vậy, việc đàn hồi cũng sẽ bao gồm các thành phần sóng cơ, cũng là sóng âm ở những tần số thấp dưới 20 Hz Như vậy hầu hết các sóng âm cơ thể có thể nói đều hàm chứa sóng âm ở phổ hạ âm

Đối với các hoạt động qua quá trình tiêu hóa, hệ thống tiêu hóa đôi khi còn diễn ra ở tốc độ chậm hơn do quá trình tiêu hóa diễn ra chậm hơn nhiều so với quá trình hô hấp và tuần hoàn Do đó, tần số sóng âm cũng sẽ bao gồm những sóng hạ

âm Có thể nói, đối với sóng âm của cơ thể, hầu hết các nguồn sóng âm đều nội chứa sóng hạ âm, vì vậy, đặc trưng của sóng hạ âm sẽ là một trong những đối tượng tham chiếu lâm sàng có giá trị nhất định phản ánh trạng thái hoạt động của có thể được sử dụng để phục vụ cho mục đích chẩn đoán

Như vậy những bệnh lý có thể liên quan đến sóng hạ âm sẽ bao gồm:

- Bệnh lý liên quan đến tim mạch và hệ thống tuần hoàn, bao gồm các giãn

nở của tĩnh mạch, động mạch, tâm thất, tâm nhĩ và co bóp của cơ tim

- Bệnh lý liên quan đến hô hấp, phế quản, phổi

- Bệnh lý liên quan đến phát âm, thanh quản

- Bệnh lý liên quan đến hệ thống tiêu hóa

1.2.2 Những bệnh lý có liên quan đến sóng siêu âm

Bởi sóng âm của cơ thể được hình thành từ dao động cơ học, vốn là các co bóp từ các cơ quan sinh học chức năng, nên tần số hoạt đông của dải phổ sóng âm

cơ thể thường thấp và nằm trong dải nghe thấy Tuy nhiên, với những trường hợp bất thường, khi các khí quản và phế nang bị thu hẹp, cũng như có những bất thường trong động mạch vành hoặc đường ruột cũng như các ống mao dẫn dịch vị vv , các dao động cơ học do tác đông của luồng khí, lưu lượng máu, và áp suất của dịch vị

có thể sinh ra những âm thanh bất thường với tần số cao hơn bình thường, nằm trên khoảng nghe thấy

Những âm thanh nằm trên dải nghe thấy được biết là các sóng siêu âm Bởi tai người không thể nghe thấy những âm thanh này, do đó, y học truyền thống đã bỏ qua những tín hiệu này của cơ thể Thông thường, với những tần số cao xuất hiện khi viêm phế quản hoặc viêm phổi, sự phân biệt bằng tai đã khá rõ, nên hầu hết dải

âm thanh siêu âm bị bỏ qua Tuy nhiên, đối với những bệnh lý phức tạp hơn như tiêu hóa, tim mạch, những âm thanh siêu tần có thể là một trong những phương tiện hiệu quả để phát hiện

Y học truyền thống vốn coi trọng những biểu hiện lâm sàng mà người bác sĩ

có thể quan sát được, từ đó, tổng hợp thành các dấu hiệu của bệnh lý và kinh nghiệm đó được sử dụng để làm phân loại bệnh Tuy nhiên, khả năng quan sát của con người là giới hạn so với thành phần vật chất tồn tại Vì thế, việc bổ sung những phương pháp hay phương tiện quan sát mới sẽ là một trong những ưu tiên của y học hiện đại

1.2.3 Những khó khăn trong chẩn đoán y học dựa trên sóng hạ âm và siêu âm

Sóng hạ âm và sóng siêu âm là những sóng không thể nghe được bằng tai của con người Chính vì vậy, những khó khăn khi thiết kế những hệ thống để cho phép đo được những sóng này gặp khó khăn bởi dải tần quan tâm của rất nhiều các thiết bị đã giới hạn khoảng tần nghe thấy của sóng âm để loại bớt những nhiễu nền không mong muốn Các soundcard cho máy tính hay những bo mạch chuyên biệt cho sử lý tín hiệu âm anh đã trang bị các bộ lọc thông dải 20 Hz đến 20 kHz Đối với những sóng siêu âm, việc giới hạn tần số lấy mẫu cũng gây những khó khăn tương tự Các bộ chuyển đổi tương tự - số cho phép lấy mẫu tần số cao là khá đắt tiền

Các cảm biến được thiết kế để cho phép đo được tín hiệu sóng âm có đáp ứng phổ rộng suốt từ miền hạ âm đến siêu âm cũng đòi hỏi thiết kế khá phức tạp Thông thường các cảm biến đo sóng âm được sử dụng là các buồng khuyếch đại có một hình thù hình học nhất định Đối với những vật thể có kích thước, sự cộng hưởng ở tần số riêng, đặc trưng bởi trọng lượng và kích thước hình học của nó luôn tốn tại Việc chế tạo được một dải tần số rộng có hệ số khuyếch đại đồng đều tỏ ra khá phức tạp Nhưng nếu các cảm biến này không có hệ số khuyếch đại đồng đều, các tín hiệu sẽ không trung thực và gây khó khăn cho người quan sát

1.2.4 Mẫu tín hiệu của các sóng âm và bệnh lý

Mỗi một bệnh lý hoặc trạng thái lâm sàng của một cơ quan sinh học đều có những đặc trưng của nó Các tín hiệu đặc trưng được phát hiện dựa trên nhiều điều

kiện khác có thể quan sát được để tham khảo Trước đây, đối với nhịp đạp của tim, các bác sĩ y khoa tin rằng âm thanh thu được từ tim người có những nhịp đập chính

là tần số hoạt động của tim và căn cứ vào đó để kiểm tra những tín hiệu đo khác từ tim ví dụ như ECG

Hình 1: Âm thanh tim bình thường ở tốc độ thường

Hình 1 là dạng sóng của tín hiệu âm thanh thu từ tim với tốc độ bình thường

Có thể thấy rõ chu kỳ lặp lại của các đặc trưng bao gồm 1 nhịp đập chính và sau đó

là một nhịp đập phụ Chu kỳ lặp lại tương ứng với khoảng giá trị 1 giây, khi người bình thường có tần số nhịp đập tim là 60 đến 70 nhịp trong 1 phút Thông thường,

âm thanh tim, khi được nghe trực tiếp từ lồng ngực cũng bao gồm 2 âm khá rõ rệt phản ánh cho kỳ tâm thu và tâm thất, đặc trưng cho quá trình hồi máu về cũng như bơm máu đến các cơ quan sinh học của cơ thể

Hình 2 biểu diễn âm thanh tim của một nhịp tim chậm hơn bình thường Đối với một số người đặc biệt, mặc dù không bệnh tật, song, nhịp tim của họ khá chậm

Ở dạng sóng thể hiện trong hình 2, chu kỳ lặp lại của tín hiệu âm thanh từ tim của

một người có nhịp tim chậm điển hình, chu kỳ lặp lại diễn ra chừng 1.25 giây, tương ứng với 48 nhịp trong một giây Đối với cơ thể người bình thường, nhịp tim này cũng có thể xảy ra trong khi ngủ

Hình 2: Âm thanh tim bình thường ở tốc độ chậm

Hình 3 mô tả một sóng âm của tim khi bị luồng máu từ động mạch chảy ngược về thất trái của tim Đây là hiện tượng khi tim không bơm hết máu hoặc không đủ áp lực để đẩy máu đến động mạch hoặc do động mạch bị tắc nghẽn, do

đó, máu bị phản hổi ngược về thất trái Nếu động mạch chính bị tắc đến mức lượng máu hồi về tâm thất trái này nhiều dẫn đến sự rối loại của nhịp tim cho tâm thu và làm tim ngừng đập, còn gọi với một cái tên khác là nhồi máu cơ tim Thông thường các bệnh nhân hẹp động mạch vành hoặc động mạch cảnh hay có những biểu hiện lâm sàng này

Ở dạng sóng của hình 3 cũng cho thấy, tín hiệu âm thanh của tim không còn đặc trưng của âm thanh tim bình thường, các sóng âm lạ được thêm vào cũng như

âm nhịp tim bị rối loạn, không còn phân biệt rõ ràng như 2 hình trên Có thể thấy

luồng máu hồi cưỡng bức đã tạo ra những rung động khác, do đó, có âm thanh khác với những âm thanh đặc trưng của tim Với việc xuất hiện các đặc trưng về các tần

số phát sinh do các dao động cơ bất thường từ những quá trình sinh học bất thường sinh ra, những tín hiệu này có thể được sử dụng để chẩn đoán Với tai của các bác sĩ

y khoa, việc này được thực hiện với thời gian thực hành kinh nghiệm trên lâm sàng Với các công cụ phân tích tín hiệu, việc này có thể được quan sát dựa trên các công

cụ hình ảnh, đồ thị, biểu diễn phân bố tần số hoặc phân bố tần số theo khoảng thời gian để chỉ ra những đặc trưng của nó

Hình 3: Dạng sóng của âm thanh tim của bệnh nhân hồi máu tâm thất

Ba ví dụ trên cho thấy các dạng sóng âm của cơ thể đều mang những đặc trưng của nó Thông qua những đặc trưng của dạng sóng trên miền thời gian, cũng

có thể thấy những khác biệt nhất định về một cơ quan sinh học hoạt động bình thường và cơ quan sinh hoạc hoạt động bất thường Dải phổ cũng như các thông tin quan trong có thể được trích xuất thông qua phép xử lý tín hiệu Những đặc trưng hoặc có thể được nhận diện bằng tai người hoặc bằng thiết bị đo Trong khuôn khổ

luận văn này, bên cạnh âm thanh ở miền tần số nghe thấy, âm thanh hạ âm và siêu

âm cũng được quan tâm trong thông số thiết kế của hệ thống

Kết luận chương 1:

Ngày nay, ống nghe kỹ thuật số là thực sự cần thiết và trở nên dần quan trọng hơn đối với y khoa hiện đại Ống nghe kỹ thuật số mang lại lợi ích khá to lớn cho cộng đồng y khoa như cầu hội chẩn, khám chữa bệnh từ xa, nâng cao tốc độ khám chữa bệnh, lưu giữ các dữ liệu sóng âm của bệnh nhân, làm phóng phú thêm các học liệu và giáo cụ với tính chất trực quan hóa rất cao trong việc đào tạo các bác

sĩ y khoa

Đối với sóng âm của cơ thể, hầu hết các nguồn sóng âm đều nội chứa sóng

hạ âm, vì vậy, đặc trưng của sóng hạ âm sẽ là một trong những đối tượng tham chiếu lâm sàng có giá trị nhất định phản ánh trạng thái hoạt động của có thể được sử dụng để phục vụ cho mục đích chẩn đoán

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH KHUYẾCH ĐẠI TƯƠNG TỰ

Chương này trình bày thiết kế mạch tương tự của bộ khuyếch đại có đặc tuyến khuyếch đại đồng đều nằm trong dải 5 Hz đến 40 Hz Đây là dải mà hệ thống thu thập dữ liệu cơ thể người phục vụ chẩn đoán y học kỳ vọng có thể quan sát được các tín hiệu âm thanh của cơ thể người phát ra do hoạt đông của các cơ quan sinh học Yêu cầu của thiết bị thu thập âm thanh của cơ thể cần đáp ứng những điều kiện như sau:

- Cơ động: có thể sử dụng được cả 2 chế độ dùng pin và điện lưới phục vụ mục đích sử dụng hoàn toàn di động Với tiêu chí khuyếch đại tín hiệu nằm trong dải -1V đến 1V, điện áp cung cấp cho các mạch khuyếch đại thuật toán cần phải đạt được là -3V đến +3V Tuy nhiên, với những nguồn cung cấp pin sẵn có trên thị thường, điện áp 9V là phổ biến hơn cả Vì vậy, luận văn chọn nguồn này cho mạch khuyếch đại

- Gọn nhẹ: mạch khuyếch đại cần sự nhỏ gọn để tiện lợi cho việc di động, với mạch khuyếch đại 100 dB, cần được chia làm 2 tầng khuyếch đại Với 4 IC khuyếch đại thuật toán, độ lớn 1 dm2 là hoàn toàn có thể thực hiện được

- Hiệu chỉnh được: Bởi mạch đo luôn xuất hiện các giá trị điện áp do tương tác của điện cực, do đo, xuất hiện các giá trị vật lý vốn chứa các thành phần DC (giá trị một chiều), và AC (giá trị dao động), nên cần hiệu chỉnh để sau khi loại các thành phần DC, giá trị dao động cần được đưa về thang do phù hợp Ở đây là dải 0 đến 5 V điện áp đầu vào

Từ những yêu cầu chính ở trên, mạch tương tự cần có những thông số kỹ thuật chính như sau:

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống

G = 150 Hệ số khuếch đại toàn hệ thống

Về cơ bản, phần cứng được thiết kế để nhằm lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu Để lọc nhiễu luận văn sử dụng các bộ lọc thông cao và thông thấp để loại nhiễu khỏi tín hiệu trong dải tần từ 5Hz – 40kHz Do tín hiệu đầu ra của cảm biến khá nhỏ chỉ khoảng vài chục mV, thậm chí vài mV tùy thuộc vào từng người nên yêu cầu đặt ra là phải thiết kế các tầng khuếch đại để thu được tín hiệu đầu ra có biên độ nằm trong khoảng 0-5V, phù hợp với khoảng điện áp thang đo của ADC Ngoài ra, do tín hiệu thu được có cả thành phần điện áp âm, nên cần sử dụng thêm

cả mạch offset để điều chỉnh mức điện áp phù hợp

Từ những yêu cầu cầu trên về phần cứng luận văn đưa ra sơ đồi khối của hệ thống ở hình dưới

Hình 4: Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 4 cho ta thấy các tầng lọc và khuếch đại của mạch điện Tín hiệu âm thanh đầu vào được thu bởi cảm biến, sau đó được lọc thông cao với tần số cắt fc = 5Hz, rồi được khuếch đại khoảng 5 lần với mạch tiền khuếch đại Sau khuếch đại tín hiệu được đưa vào bộ lọc thông thấp tích cực có tần số cắt fc = 40kHz, rồi được khuếch đại 2 tầng kết hợp thêm lọc thông cao Cuối cùng, mạch DC offset có nhiệm

vụ nâng biên độ của tín hiệu để phù hợp với dải ADC 0-5V thông qua việc điều chỉnh biến trở Tín hiệu đầu ra của mạch tương tự được kết nối trực tiếp tới cổng

Khuếch Đại 2

Lọc Thông Cao

Khuếch Đại 1

Chương trình LabView

vào ADC của Arduino để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số Các tín hiệu số sau đó sẽ được xử lý (lọc số), hiển thị đồng thời lên màn hình cũng như nghe trực tiếp và lưu trữ bằng phần mềm Labview trên máy tính

2.1 Thiết kế mạch khuyếch đại & lọc có phổ 5Hz đến 40Hz

Trong lĩnh vực điện tử y sinh, các mạch lọc là một phần không thể thiếu trong các thiết bị thu nhận tín hiệu điện sinh học Do tín hiệu điện sinh học có đặc điểm chung là biên độ tín hiệu nhỏ cỡ vài trăm µV, và có dải tần số cơ bản thấp (từ 0,01 Hz tới 100Hz) nên thường sử dụng các mạch lọc tích cực để tránh làm tổn hao tín hiệu và giảm phẩm chất của mạch Chúng vừa có vai trò chống nhiễu cho tín hiệu sinh học đồng thời khuếch đại tín hiệu

Hiện nay, việc thiết kế các bộ lọc liên tục tuyến tính thường sử dụng phương pháp tổ hợp mạng Các bộ lọc được thế kế theo cách này:

- Chebyshev: tối ưu hóa về sự chuyển tiếp tức thì từ dải thông sang dải chắn

- Butterworth: tối ưu hóa về độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong dải thông

- Bessel: có đặc tính pha – tần số tuyến tính trong một dải rộng

- Elliptic: có độ dốc tại tần số cắt tốt nhất với cùng bậc và độ gợn xác định Các lớp bộ lọc này đều dùng những đa thức để xấp xỉ các đáp ứng bộ lọc lý tưởng Điều này dẫn tới mỗi bộ lọc có một hàm truyền đạt riêng

Hình 5: Hàm truyền đạt của một số bộ lọc

Từ Hình 5 ta thấy bộ lọc Butterworth có độ thoải cao hơn Chebyshev và Elliptic nhưng khá bằng phẳng nên cho tín hiệu trung thực hơn Vì vậy luận văn tập trung sử dụng mạch lọc Butterworth bởi tính trung thực của giá trị đo khi giữ nguyên hệ số khuyếch đại

Đối với mạch lọc kiểu Butterworth, có những cầu hình như sau:

a-Mạch lọc thụ động ( passive filter): là mạch lọc chỉ gồm các linh kiện thụ

động như điện trở R, cuộn cảm L, tụ điện C Thông thường có 3 loại mạch chính: mạch lọc RC, mạch lọc LC và mạch lọc RLC

Hình 6: Mạch lọc thông cao thụ động RC

b-Mạch lọc tích cực ( active filter ): là mạch lọc được xây dựng từ các phần

tử điện trở R và tụ điện C với các bộ khuếch đại thuật toán

Hình 7: Mạch lọc thông thấp tích cực

Để thiết kế các tầng khuếch đại và các bộ lọc tương tự luận văn sử dụng IC khuếch đại thuật toán OPA 2134 Đây là IC khuếch đại thuật toán chuyên dùng cho tín hiệu âm thanh OPA 2134 có tỷ lệ nhiễu mode nhỏ giúp giảm thiểu nhiễu phản

xạ Độ méo của OPA 2134 chỉ khoảng 0.00008% , độ nhiễu 8 nV/√Hz, độ lợi vòng

hở lớn (120dB) cùng với khả năng hoạt động trong dải điện áp rộng từ +-2.5V cho đến +-18V, OPA 2134 cho chất lượng âm thanh tốt, hiệu suất cao, lý tưởng cho việc

xử lý tín hiệu Audio

Hình 8: IC khuếch đại âm thanh OPA 2134

Phần dưới đây sẽ trình bày về lý thuyết và thiết kế của các khối trong mạch tương tự

2.1.1 Nguồn đối xứng và cảm biến CM-01B

a-Nguồn đối xứng:

Hình 9: Nguồn đối xứng +-9V

Luận văn sử dụng nguồn Pin gồm 2 Pin 9V ghép nối tiếp với nhau như hình để cung cấp điện áp cho cảm biến và mạch tương tự Nguồn pin được sử dụng vì lý do hạn chế tối thiểu nhiễu tần số đi vào mạch điện làm ảnh hưởng tới tín hiệu Sử dụng pin tạo ra đáp ứng được yêu cầu về sự cơ động, gọn nhẹ của thiết bị thu nhận âm thanh

b-Cảm biến CM-01B:

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến CM-01B

Sơ đồ nguyên lý cho thấy cảm biến CM-01B gồm 2 dây nguồn vào và 1 đầu ra tín hiệu Điện áp làm việc của CM-01B trong dải từ 4v đến 30v Cảm biến có chức năng biến các dao động âm thanh ở đầu vào thành tín hiệu điện ở đầu ra Khi màng

cao su ở đầu vào dao động sẽ tạo ra mức điện áp đầu ra tương ứng với mức độ lún của màng cao su Với độ nhạy cực cao (40v/mm) cảm biến CM-01B dễ dàng thu được những tín hiệu âm thanh rất nhỏ từ cơ thể người bệnh

2.1.2 Thiết kế bộ lọc thông cao tần số 5Hz

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc thông cao: Mạch lọc thông cao chỉ cho phép các dao động có tần số lớn hơn tần số cắt đi qua ( f > fc ), những tín hiệu có tần số nhỏ hơn đều bị mạch hấp thụ năng lượng và đầu ra tín hiệu sẽ nhỏ hơn, khi tần số càng nhỏ, tín hiệu sẽ càng bé và tiến dần tới 0

Mạch lọc thông cao sử dụng hai cấu hình: Sallen-Key và đa hồi tiếp MFB Do phạm vi ứng dụng của mạch lọc thông cao trong đề tài nên ta chỉ lựa chọn tìm hiểu, tính toán và thiết kế mạch lọc thông cao theo cấu hình Sallen-Key

Hình 11: Bộ lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng tổng quát

Sơ đồ dạng tổng quát của một mạch lọc thông cao bậc 2 theo cấu hình

Sallen-Key được mô tả ở hình 10 với hệ số khuếch đại A 0 = 1 + Hàm truyền đạt của mạch lọc này được xác định như sau:

Để phù hợp với yêu cầu thiết kế và đơn giản hóa mạch ta cho các giá trị α = 1, cho các giá trị tụ điện C1 = C2 = C, từ đó thu được một mạch lọc cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn như Hình 11 dưới đây:

Hình 12: Mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn

Khi đó, hàm truyền đạt của mạch lọc này sẽ có dạng đơn giản như sau:

Từ phương trình hàm truyền tổng quát của một đơn tầng Ai(s) = , so

sánh với phương trình trên, ta tính được giá trị các hệ số như sau:

Như vậy, ở trên ta đã tìm hiểu sơ đồ thiết kế, tính toán hàm truyền đạt và các

hệ số của một mạch lọc thông cao bậc 2 theo cấu hình Sallen-Key Những giá trị tính toán này sẽ được sử dụng trong việc thiết kế khối bộ lọc thông cao bậc 4 có tần

số cắt 5Hz

Để thiết kế bộ lọc bậc cao, ta sử dụng phương pháp ghép tầng, bằng cách mắc nối tiếp các bộ lọc bậc 1, bậc 2 lại Khi đó, hệ số của các bộ lọc riêng lẻ sẽ được xác định theo từng loại bộ lọc Butterworth, Tschebyscheff hay bộ lọc Bessel

Hình 13: Xây dựng bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng

Hình 13 trên cho ta thấy cái nhìn tổng quan về việc thiết kế các bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng Ví dụ, muốn thiết kế một bộ lọc bậc 5, ta cần ghép nối tiếp 1 bộ lọc bậc 1 với 2 bộ lọc bậc 2 Khi đó, ta cần xác định các hệ số a1, b1,

a2, b2 ,…của từng bộ lọc riêng lẻ theo từng loại bộ lọc Butterworth, Tschebyscheff hay bộ lọc Bessel

Cụ thể, tín hiệu thu được ở đầu ra của cảm biến CM-01B sẽ được đưa vào mạch lọc thông cao tích cực bậc 4 để loại bỏ các tần số thấp Vì ngưỡng nghe của tai người chỉ ở trong khoảng từ 20Hz đến 20KHz nên để có thể quan sát tín hiệu dưới ngưỡng 20Hz luận văn sử dụng bộ lọc thông cao 5Hz

Hình 14: Tổng quan bộ lọc thông cao tích cực bậc 4

Để tăng hiệu quả của mạch lọc, luân văn sử dụng mạch lọc thông cao tích cực bậc 4 bằng cách ghép 2 mạch lọc thông cao tích cực bậc 2 với nhau Trong thiết kế này, dải tần số quan tâm là từ 5Hz đến 40kHz Các giá trị trên tầng F1 đƣợc tính theo công thức:

0.0000 1.0000

1.0000 1.272

1.0000

2

1.8478 0.7654

1.0000 1.0000

0.719 1.390

0.54 1.31

2

3

1.0000 1.6180 1.6180

0.0000 1.0000 1.0000

1.0000 0.859 1.448

0.62 1.62

2

3

1.9319 1.4142 0.5176

1.0000 1.0000 1.0000

0.676 1.0000 1.479

0.52 0.71 1.93

Từ bảng trên, với n =4, ta có a1 = 1.8479, b1 = 1.0000, chọn C = 10μF Thay các giá trị đã có, ta tính được R1 = 3,45kΩ ; R2 = 2,94kΩ

Tương tự với tầng F2, ta tính được các giá trị của điện trở và tụ điện Ngoài ra,

do sự hạn chế của giá trị điện trở có trên thị trường nên ta cần ghép nối tiếp các điện trở để có thể thu được giá trị cần thiết Thêm vào đó, mỗi linh kiện điện trở hay tụ điện đều có sai số, dẫn đến thu được tần số cắt không như mong muốn Muốn khắc phục điều này, ở tầng F2, ta thay một điện trở bằng biến trở để có thể điều chỉnh được tần số cắt, góp phần tăng chất lượng của bộ lọc Hình 21 mô tả thiết kế của một bộ lọc thông cao bậc 4 hoàn chỉnh với fc = 5Hz Tần số mạch lọc được tính theo

công thức: f c =