Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp

Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HÀ NGỌC THU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU

ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN HỆ HÔ HẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

Hà Nội – Năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HÀ NGỌC THU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU

ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN HỆ HÔ HẤP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRỊNH QUANG ĐỨC

Hà Nội – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Sau thời gian nghiên cứu, được sự hướng dẫn của TS Trịnh Quang Đức, được

sự quan tâm tạo điều kiện của của Bộ môn Công nghệ điện tử và kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử- Viễn thông, Phòng Đào tạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội tôi đã hoàn thành luận văn này đúng tiến độ

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu thập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp” được trình bày

trong bản luận văn này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của tôi Tất cả các dữ liệu

và kết quả nêu trong luận văn hoàn toàn trung thực, rõ ràng, chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, mọi thông tin trích dẫn đều được tuân thủ theo Luật Sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đã trình bày trong Luận văn này./

Hà Nội, ngày 12 tháng 09 năm 2019

HỌC VIÊN

Hà Ngọc Thu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 4

1.1.Mối liên quan của các cơ quan sinh học với âm thanh 4

1.1.1.Nguồn gốc, tính chất và âm thanh của cơ thể người 4

1.1.2.Ống nghe truyền thống trong y tế và công cụ khám chữa bệnh 6

1.1.3.Ống nghe điện tử trong y tế và lợi thế của nó 8

1.2.Thực trạng và giải pháp 10

1.3.Mục tiêu của đề tài 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT &PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 13

2.1.Cơ sở lý thuyết 13

2.1.1.Phương pháp đo 13

2.1.2.Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 14

2.2.Phân tích mạch lọc 15

2.2.1.Các bộ lọc liên tục tuyến tính 15

2.2.2.Mạch lọc 17

2.2.3.Bộ lọc thông thấp tích cực 19

2.2.4.Bộ lọc thông cao 20

2.2.5.Bộ lọc thông tích cực bậc cao 23

2.2.6.Bộ khuếch đại thuật toán 24

2.3.Các khối chính của mạch tương tự 26

2.3.1.Khối cảm biến 27

2.3.2.Khối lọc thông cao 31

2.3.3.Khối tiền khuếch đại 34

2.3.4.Khối lọc thông thấp 35

2.3.5.Khối khuếch đại 1 và 2 38

2.3.6.Khối điều chỉnh offset 39

2.3.7.Nguồn đối xứng 41

2.4.Chương trình Labview 42

2.4.1.Chuyển đổi tương tự - số 43

2.4.2.Bộ lọc thông dải 44

2.4.3.Nghe trực tiếp 45

2.4.4.Lưu trữ dữ liệu 45

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM 47

3.1.Hệ thống phần cứng 47

3.2.Hệ thống phần mềm 54

CHƯƠNG 4: MẪU ÂM THANH HÔ HẤP VÀ PHÂN TÍCH 56

4.1.Thu thập mẫu thí nghiệm 56

4.2.Biểu diễn phổ động của sóng âm cơ thể 59

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo tai người 4

Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lượng của âm phát ra từ tim bình thường 5

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống 13

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của cảm biến CM-01B 28

Bảng 2.3 Hệ số Butterworth 32

Bảng 2.4 Giá trị các thành phần trong mạch sau tính toán 36

Bảng 2.5 Hệ số khuếch đại của mạch tính theo lý thuyết 38

Bảng 2.6 Một vài thông số của Arduino Uno R3 43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ống nghe y tế thế hệ đầu 7

Hình 1.2 Ống nghe y tế loại truyền thống 8

Hình 1.3 Ống nghe điện tử Thinklabs One 9

Hình 1.4 Ống nghe điện tử 3M™ Littmann Model 3200 11

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 14

Hình 2.2 Hàm truyền đạt của một số bộ lọc 16

Hình 2.3 Mạch lọc thông cao thụ động RC 17

Hình 2.4 Mạch lọc thông thấp tích cực 18

Hình 2.5 Bộ lọc thông thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát 19

Hình 2.6 Bộ lọc thông thấp cấu trúc đa hồi tiếp MFB 20

Hình 2.7 Sự tương ứng của mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao 21

Hình 2.8 Đường đáp ứng tần số của một mạch lọc thông cao 21

Hình 2.9 Bộ lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng tổng quát 22

Hình 2.10 Mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn 22

Hình 2.11 Xây dựng bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng 23

Hình 2.12 Đáp ứng tần số của các bộ lọc Butterworth thông thấp bậc cao 24

Hình 2.13 Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán 24

Hình 2.14 Mạch khuếch đại không đảo cơ bản 26

Hình 2.15 Hình dạng cảm biến CM-01B thực tế 27

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến CM-01B 28

Hình 2.17 Đáp ứng tần số đặc trưng của cảm biến 29

Hình 2.18 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa gốm áp điện 30

Hình 2.19 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa máy tính 30

Hình 2.20 IC khuếch đại âm thanh Opam 2134 31

Hình 2.21 Tổng quan bộ lọc thông cao tích cực bậc 4 31

Hình 2.22 Thiết kế bộ lọc thông cao tích cực bậc 4 33

Hình 2.23 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao 34

Hình 2.24 Mạch tiền khuếch đại với G = 5 35

Hình 2.25 Tổng quan bộ lọc thông thấp tích cực bậc 4 35

Hình 2.26 Bảng giá trị các hệ số bộ lọc Butterworth 36

Hình 2.27 Thiết kế bộ lọc thông thấp tích cực bậc 4 37

Hình 2.28 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp 37

Hình 2.29 Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) 38

Hình 2.30 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại với G khác nhau 39

Hình 2.31 Mạch cộng điện áp 40

Hình 2.32 Kết quả thí nghiệm mạch DC offset 41

Hình 2.33 Nguồn đối xứng +-9V 42

Hình 2.34 Sơ đồ khối chương trình Labview 42

Hình 2.35 Chương trình đọc analog bằng phần mềm Labview 44

Hình 2.36 Bộ lọc thông dải trong Labview 44

Hình 2.37 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải 45

Hình 2.38 Chương trình để nghe trực tiếp 45

Hình 2.39 Chương trình lưu trữ dữ liệu 46

Hình 3.1 Hệ thống hoàn chỉnh 47

Hình 3.2 Mạch tương tự của hệ thống 48

Hình 3.3 Tín hiệu sau mạch lọc thông cao 49

Hình 3.4 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông cao 49

Hình 3.5 Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại 50

Hình 3.6 Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại 50

Hình 3.7 Tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 51

Hình 3.8 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 51

Hình 3.9 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 52

Hình 3.10 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 52

Hình 3.11 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 53

Hình 3.12 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 53

Hình 3.13 Tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự 54

Hình 3.14 Phổ tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự 54

Hình 3.15 Giao diện trên phần mềm 55

Hình 4.1 Mẫu sóng âm tiếng thở bình thường 56

Hình 4.2 Mẫu sóng âm của bệnh nhân viêm phế quản 57

Hình 4.3 Mẫu âm thanh của một bệnh nhân hen 58

Hình 4.4 Biểu diễn Fourier ngắn của phổ mẫu âm thanh của người khỏe mạnh 61

Hình 4.5 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của người 62

khỏe mạnh 62

Hình 4.6 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của người khỏe mạnh 62 Hình 4.7 Biểu diễn của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 63 Hình 4.8 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 64 Hình 4.9 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 64 Hình 4.10 Biểu diễn của mẫu âm thanh bệnh nhân hen 65 Hình 4.11 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân hen 66 Hình 4.12 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân hen 66

LỜI NÓI ĐẦU

Phương pháp thính chẩn hay còn gọi là chẩn đoán dựa trên âm thanh tự phát của cơ thể đã được sử dụng trong việc khám, chữa bệnh từ rất lâu và trở thành công

cụ truyền thống trong ngành y tế Sự tiến bộ trong ngành điện tử và vật liệu đã gợi ý cho những ứng dụng mà các thiết bị y tế truyền thống có thể được thay thế hoàn toàn bằng những thiết bị kỹ thuật số tương đương Ống nghe điện tử là một trong những ứng dụng như vậy Việc sử dụng ống nghe điện tử giúp các bác sĩ có thể lưu trữ các tín hiệu lâm sàng của bệnh nhân thành những bệnh án điện tử, tạo điều kiện

dễ dàng theo dõi và chẩn đoán đối với những bệnh nhân vị mắc bệnh mãn tính Đồng thời những tín hiệu đó cũng dễ dàng khuếch đại bằng những bộ khuếch đại điện tử với độ nhạy và tỷ lệ tín trên tạp cao

Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập được, những phép phân tích sử dụng các biến đổi toán học dể nhận dạng đặc trưng tín hiệu cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt trên máy tính Các công cụ như vậy đã được phát triển bởi các công ty sản xuất thiết bị y tế Tuy nhiên, sự phức tạp, giá cao, đồng thời tính đóng trong công nghệ là rào cản đối với các phát triển Đây chính là lý do cản trở ống nghe kỹ thuật số thâm nhập vào Việt Nam Xuất phát

từ ý tưởng thiết lập một hệ thống mở ban đầu để tạo nên tảng phát triển các công cụ chẩn đoán trong tương lai, luận văn này đề xuất nghiên cứu thiết kế hệ thống mở cho thiết bị ống nghe điện tử Dựa trên nền tảng phần cứng của thiết bị này các hệ

số của bộ lọc sẽ được hiệu chỉnh tối ưu, và hỗ trợ thiết kế các sản phẩm phần cứng Bên cạnh đó, thuật toán phân tích tín hiệu cũng sẽ dễ dàng được phát triển khi dữ liệu thô được lưu trữ dưới dạng số ở những định dạng file có thể được mở bằng nhiều mã nguồn mở

Để hoàn thành được đề tài này, đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo – TS Trịnh Quang Đức đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện đề tài

Xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện tử, bộ môn Kỹ thuật Y Sinh – Viện Điện Tử Truyền Thông đã tạo điều kiện trong quá trình làm đề tài

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè trong lớp 17BKTYS, các bạn cùng phòng thí nghiệm đã nhiệt tình giúp đỡ cũng như khích lệ trong suốt thời gian làm

đề tài

Đề tài được thực hiện là những kết quả nghiên cứu độc lập và không sao chép

ở bất kỳ đâu

hệ thống hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu để nghe, lưu trữ và xử lý dữ liệu âm thanh thu được từ cơ thể

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1.Mối liên quan của các cơ quan sinh học với âm thanh

1.1.1.Nguồn gốc, tính chất và âm thanh của cơ thể người

Âm thanh là sóng cơ học dao động với biên độ mà thính giác của con người có thể nhận biết được Ví dụ: sóng âm phát ra từ một dây đàn, một mặt trống đang rung động, giọng nói của người và tiếng động cơ khi chạy Mỗi âm đơn có một tần số riêng, âm phức bao gồm tổ hợp các tần số và sự phân bố các tần số tạo nên đặc trưng của âm thanh [1]

Tần số của âm thanh được đo bằng đơn vị là Hertz (viết tắt là Hz) Hertz là tần

số của một quá trình dao động âm mà cứ mỗi giây, vật thực hiện được một dao động Bảng 1.1 dưới đây mô tả các ngưỡng âm khác nhau theo tai người Dao động

âm có tần số khoảng 20 – 20.000 Hz là dải phổ mà tai người có thể nghe được Những dao động cơ có tần số dưới 20 Hz gọi là hạ âm, trên 20.000 Hz gọi là siêu

âm, ở dải phổ này, tai người không thể phân biệt được độ lớn của âm thanh Như vậy, sóng âm nghe được có bước sóng từ 20m [1]

Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo tai người

f < 20 Hz 20 Hz < f < 20.000 Hz f > 20.000 Hz

Nguồn gốc của các âm thanh cơ thể xuất phát bởi những vận động sinh học Các cơ quan sinh học trong quá trình duy trì sự sống luôn vận động cơ học, những

sự vận động này có tính chất lặp đi lặp lại, do đó, tạo ra dao động Các âm từ cơ thể phát ra thường có tần số không vượt quá 1000 Hz Âm ở phổi do không khí được thổi qua lại khí quản, cuống phổi và mô phổi sinh ra Cường độ của âm này mạnh hay yếu là do sự hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm do đặc trưng phân bố tần số tỷ

lệ nghịch với tiết diện khí quản, cuống phổi Khi khí quản, cuống phổi bị hẹp hay chứa các dịch nhầy do một quá trình bị bệnh nào đấy thì phân bố tần số đặc trưng này của phổi sẽ thay đổi, có thể dựa vào sự thay đổi đó mà chẩn đoán bệnh [1]

Âm phát ở tim ra biến đổi do nhiều yếu tố: độ mở của các van tim, vận tốc của lưu lượng máu, độ nhớt của máu, miệng của các van ( tức là các lỗ trong tim mà các

van đó đậy lại )… Bảng 1.2 cho biết liên hệ giữa các tần số và tỷ lệ năng lượng của

âm phát ra từ một tim bình thường

Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lƣợng của âm phát ra từ tim

ra âm thanh Bên cạnh đó, phản ứng hóa học của các dịch tiêu hóa với thức ăn cũng tạo ra các bọt khí mà sự giải phóng bọt khí cũng sẽ tạo ra những phổ đặc trưng cho

âm thanh của hệ tiêu hóa Phân bố đặc trưng phổ của âm thanh tiêu hóa phụ thuộc vào tiết diện của đường ruột, tốc độ giải phóng khí và độ dài của đường ruột Khi có

sự bất thường trong tiêu hóa, nhu động ruột sẽ thay đổi, hoặc tốc độ tiết dịch tiêu hóa và thu hồi dịch này cũng sẽ thay đổi, do đó, phân bố tần số thay đổi

Để nghe các âm phát ra từ trong cơ thể, người ta dùng ống nghe (stethoscope) Ống nghe gồm 2 dây cao su mềm hình trụ có tác dụng truyền âm nối với một buồng cộng hưởng hình nón, mặt của buồng cộng hưởng có căng một màng mỏng đóng vai trò truyền dao động [2] Buồng cộng hưởng có khi là một loa hình phễu không

có màng căng Khi thao tác, mặt của buồng cộng hưởng đặt áp sát da để các dao động âm của cơ thể có thể truyền đến màng của buồng cộng hưởng, dao động âm của cơ thể truyền sau khi truyền tới màng rung được giao thoa với nhau và phản xạ trên bề mặt hình nón để tăng áp suất âm tại vùng đầu hẹp của hình nón, do đó âm thanh được khuếch đại, sau đó những dao động này sẽ qua các dây truyền âm để tới

tai Chi tiết về lịch sử, cấu tạo và quá trình phát triển ống nghe sẽ được trình bày cụ thể ở mục tiếp theo

Tần số dao động riêng của màng tỷ lệ thuận với độ căng của màng Các dao động âm từ cơ thể tới màng sẽ làm màng dao động mạnh nhất ( cộng hưởng ) nếu tần số của chúng trùng với tần số dao động riêng của màng Thông thường các màng rung ở các ống nghe đều có một dải phổ dao động riêng khá rộng

Trong một số trường hợp, màng rung không được chế tạo Ống nghe dạng loa

hở được sử dụng Nếu dùng loa hở để nghe, thì chỗ da bệnh nhân bị loa ép sẽ căng

ra và đóng vai trò của một màng căng Ở dạng loa hở, âm thanh của cơ thể đi trực tiếp vào công khí trong buồng loa để thực hiện giao thoa Cũng tương tự như buồng cộng hưởng, âm thanh giao thoa tại đầu nhỏ của ống nghe sẽ tăng cường áp suất âm làm cho âm thanh được khuếch đại

1.1.2.Ống nghe truyền thống trong y tế và công cụ khám chữa bệnh

Âm thanh của cơ thể đã được sử dụng như một biểu hiện lâm sàng của cơ thể

và ứng dụng trong y khoa như là một phương tiện chẩn đoán Ống nghe y tế từ lâu

đã được ứng dụng để thăm khám nhiều bộ phận sinh học khác nhau của cơ thể Có thể kể đến nhiều nhất là nghe tim và phổi Ngoài ra ống nghe còn có thể được dùng

để thăm khám hệ tiêu hóa, mạch máu và tim thai Tuy nhiên mức độ khuếch đại bị giới hạn cùng các nguồn âm thanh nhiễu từ môi trường cũng là những cản trở đối với việc nghe âm thanh của cơ thể để khám bệnh Do đó, ống nghe truyền thống không thể nghe được những tín hiệu nhỏ

Trước khi chiếc ống nghe xuất hiện, các bác sĩ thường phải đặt tai trực tiếp vào ngực bệnh nhân để nghe nhịp tim Điều này khá bất tiện cho cả bệnh nhân và bác sĩ, đặc biệt là đối với bệnh nhân là phụ nữ Vào năm 1816, tại bệnh viện Necker

ở Pháp, bác sĩ Rene Laennec đã sáng chế chiếc ống nghe thô sơ đầu tiên trong lịch

sử y khoa khi khám bệnh cho một thiếu nữ mắc bệnh tim [2]

để khám bệnh lúc bấy giờ Việc nghe được bằng 2 tai đã giúp các bác sĩ có cảm giác nghe rõ hơn nhờ sự bổ sung của cả 2 màng rung nhĩ, tuy nhiên, kích thước cơ khí của buồng cộng hưởng chưa được tối ưu Năm 1961, phiên bản ống nghe phổ biến nhất hiện nay đã ra đời do tiến sĩ David Littmann sáng tạo [2] Ống nghe của Litmann ngoài khả năng khuếch đại cao hơn, còn cho phép giảm thiểu được những tạp âm từ môi trường Để nghe âm thanh có tần số thấp, người sử dụng chỉ cần nhẹ nhàng để màng nghe tiếp xúc trên vùng cần nghe, với âm thanh có tần số cao, người

sử dụng chỉ cần ấn nhẹ màng nghe

Ống nghe y tế có nhiều loại phụ thuộc vào từng cách phân loại Phổ biến nhất

là ống nghe hai tai, và buồng cộng hưởng có thể được chế tạo thành một mặt hay hai mặt Các bộ phận của ống nghe gồm phần loa dùng để nghe âm thanh có tần số thấp, phần màng dùng để nghe âm thanh có tần số cao, nhiều ống nghe không có phần loa mà chỉ có phần màng Ống dẫn truyền âm thanh thông thường là loại một ống bằng nhựa plastic, cao su, hoặc siliconeđược chế tạo để nối ống nghe với tai nghe, từ một nguồn âm là ống nghe, âm thanh được chia theo 2 đường để đến 2 tai

nghe Loại hai ống có độ nhạy dẫn truyền âm thanh cao hơn nhưng do có thể cọ vào nhau nên gây nhiễu khi nghe khám bệnh Tai nghe thường làm bằng cao su hoặc nhựa plastic gắn vào cần tai nghe áp sát vừa lỗ tai, cần tai nghe được nối với ống dẫn truyền âm thanh đồng thời làm giá đỡ cơ học cho ống nghe Ưu điểm của các ống nghe truyền thống này là có thể nghe được âm thanh trực tiếp với chất lượng tốt, giá thành thấp và tiện dụng Tuy nhiên, ống nghe không có khả năng ghi lại được âm thanh Hình 1.2 cho thấy hình ảnh thực tế của một chiếc ống nghe truyền thống

Hình 1.2 Ống nghe y tế loại truyền thống

1.1.3.Ống nghe điện tử trong y tế và lợi thế của nó

Với sự phát triển của ngành khoa học vật liệu, nhiều loại vật liệu với tính năng đặc biệt có thể chuyển đổi các dạng năng lượng vật lý từ dạng ko điện sang tín hiệu điện.Vật liệu piezoelectric là một trong những kiểu vật liệu như vậy, nó cho phép chuyển đổi biến dạng cơ học sang điện áp Nhờ đó, có thể tạo ra các cảm biến chuyển đổi áp điện Thông qua chuyển đổi áp điện, những dao động cơ như âm thanh có thể được ghi lại dưới dạng tín hiệu điện Vì sự ra đời và tiến bộ của kỹ thuật số, những tín hiệu điện analog có thể được số hóa và lưu trữ trên máy tính hoặc các thiết bị lưu trữ kỹ thuật số Ống nghe điện tử ra đời khắc phục những hạn chế của ống nghe truyền thống bởi sự cho phép ghi và nghe lại những tín hiệu âm thanh của cơ thể.Ống nghe điện tử yêu cầu chuyển đổi các sóng âm thanh sang tín hiệu điện, sau đó có thể được khuếch đại và xử lý để giảm thiểu nhiễu môi trường,

do đó tăng chất lượng của âm thanh, đồng thời cho phép tái tạo âm thanh trung thực thông qua bộ chuyển đổi DAC Bên cạnh đó, việc số hóa tín hiệu cũng cho phép áp

dụng những thuật toán số để xử lý và phân tích tín hiệu để tách các đặc trưng giá trị

Vì các âm thanh được truyền qua đường dẫn sóng là dây điện hoặc sóng điện từ, một chiếc ống nghe điện tử có thể là một thiết bị không dây, có thể là thiết bị ghi

âm, và có thể giảm tiếng ồn, tăng cường tín hiệu Ngoài các thiết bị phần cứng, với khả năng giao tiếp kỹ thuật số, những chiếc ống nghe điện tử ra đời hiện nay đều đi kèm với phần mềm trên máy tính hoặc trên các thiết bị điện thoại thông minh, máy tính bảng để có thể lưu trữ hoặc xử lý trực tiếp các thông tin thu nhận được

Hình 1.3 Ống nghe điện tử Thinklabs One

Hình 1.3 giới thiệu một chiếc ống nghe điện tử thông minh của hãng Thinklabs – một hãng khá nổi tiếng trong lĩnh vực nghiên cứu, kinh doanh ống nghe điện tử Ưu điểm lớn nhất của ống nghe điện tử là có thể lưu lại được âm thanh đã nghe đổng thời xử lý bằng các thuật toán số để tăng độ nhạy đo lường Bằng việc này, bác sỹ có thể dễ dàng nghe lại khi cần thiết và thuận lợi hơn trong công việc chẩn đoán và theo dõi diễn tiến của bệnh lý và tiên lượng phác đồ điều trị Ống nghe điện tử còn có thể điều chỉnh được âm lượng, rất thích hợp để thăm khám cho

số lượng bệnh nhân lớn và khi thính lực của các bác sĩ suy giảm theo thời gian hệ số khuếch đại của ống nghe có thể được điều chỉnh để bác sĩ nghe rõ hơn Cùng với khả năng lựa chọn khoảng tần số cần nghe, có thể đưa ra những phân tích và đánh giá kỹ lưỡng hơn nhờ khả năng nghe lặp lại nhiều lần Việc hiển thị âm thanh dưới dạng tín hiệu điện giúp các bác sỹ sử dụng dễ dàng và trực quan hơn Bên cạnh đó, việc lưu trữ và nghe lại các biểu hiện lâm sàng của âm thanh cơ thể là một trong những trợ giúp đắc lực cho việc đào tạo các y bác sĩ nhờ khả năng trực quan của tín hiệu mẫu Tóm lại, việc ra đời ống nghe điện tử là một cải tiến thích hợp với yêu

cầu và bối cảnh công nghệ trong lĩnh vực y tế, giúp đạt được sự hiệu quả và chính xác hơn

1.2.Thực trạng và giải pháp

Như đã trình bày, âm thanh cơ thể đóng một vai trò rất cơ bản trong y học nói chung và trong lĩnh vực chẩn đoán nói riêng bởi phản ứng của nó cho biết hiện tượng sinh học trong cơ thể của những cơ quan nội khoa Mặc dù sự chẩn đoán định lượng thông qua âm thanh cơ thể là rất khó khăn, tuy nhiên định tính của âm thanh

cơ thể cũng cho biết được cơ bản những biểu hiện lâm sàng nghi vấn Từ những nghi vấn này, căn cứ vào những kinh nghiệm đã đúc kết của y khoa và bác sĩ, phác

đồ điều trị sẽ có thể được quyết định ngay sau khi nghe âm thanh cơ thể hoặc sau khi cần bổ sung thêm những giám định định lượng khác như xét nghiệm máu hoặc chẩn đoán hình ảnh Với xu thế phát triển trí tuệ nhân tạo và phân tích số lớn dữ liệu, các hệ thống nghe, thu thập âm thanh trong cơ thể người cần được quan tâm hơn, bởi những âm thanh dữ liệu phong phú sẽ là nên tảng để có thể tiến hành nghiên cứu các kỹ thuật phân tích định lượng khác cũng như tạo ra những bác sĩ ảo nhờ được huấn luyện trên tập dữ liệu lớn Tại các bệnh viện ở Việt Nam hiện nay, các ống nghe truyền thống vẫn được các bác sỹ ưu tiên lựa chọn để sử dụng bởi giá thành rẻ và tính đơn giản của nó Đối với các thiết bị điện tử, các bác sĩ vần phải được đào tạo thêm những kiến thức cơ bản về vật lý âm thanh cơ thể người và các dải phổ cần quan sát do đó phức tạp hơn các công cụ truyền thống Các hệ thống thu thập âm thanh, ống nghe điện tử có nhiều ưu điểm nhưng do giá thành đắt hơn, việc cài đặt cũng khó khăn hơn cũng như yêu cầu Pin hay điện áp để sử dụng Dẫn tới, các hệ thống điện tử này còn chưa được sử dụng phổ biến ở nước ta Nhưng trong tương lai, với xu hướng của công nghệ, việc những thiết bị ống nghe điện tử như thế này sẽ dần thay thế các ống nghe truyền thống và được các bác sỹ tin dùng trong một tương lai gần

Trên thế giới đã có rất nhiều hãng nổi tiếng về thiết kế ống nghe điện tử như Thinklabs hay Littmann… Thiết bị của các hãng này sớm đã khẳng định được tên tuổi của mình trên toàn cầu Tuy nhiên giá thành của thiết bị và việc phải mua công nghệ phát triển bị giới hạn bởi hãng là một trong những nguyên nhân cản trở việc trang bị những thiết bị như thế này trong các bệnh viện ở Việt Nam

H nh 1.4 Ống nghe điện tử 3M™ Littmann Model 3200

Đối với những sản phẩm thương mại, dạng sóng của tín hiệu được thu và ghi trực tiếp lên máy tính bằng các phần mềm của hãng cung cấp, phục vụ mục đích nghe, khám cho bệnh nhân Việc can thiệp vào phần mềm để trích xuất các dữ liệu

số hầu như là không thể vì lý do bản quyền Chúng thường là các hệ thống đóng Mặc dù một vài hãng sản xuất có cung cấp phần mềm chuyên dụng để có thể lấy được các dữ liệu từ máy, tuy nhiên vì thế chi phí cũng tăng lên Ngoài ra, việc thực hiện cũng khó khăn ở một vài khía cạnh như đào tạo, hỗ trợ hay bảo dưỡng,dẫn đến việc tiếp cận để trích xuất các dữ liệu số gặp nhiều khó khăn, phụ thuộc rất nhiều vào các hãng sản xuất

1.3.Mục tiêu của đề tài

Vì những lý do ở trên, một hệ thống mở thu thập âm thanh từ cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp được đề xuất thiết chế và chế tạo thử nghiệm Thiết bị phải đảm bảo hoạt động ổn định, sử dụng đơn giản, tính cơ động cao và đặc biệt là giá thành rẻ Như là một yêu cầu không thể thiếu, các dữ liệu thu thập được từ thiết bị phải nghe được trực tiếp âm thanh của cơ thể và có thể lưu lại dưới dạng file, điều chỉnh được mức âm lượng và hiển thị tín hiệu âm thanh trên đồ thị để phục vụ phân tích và nghiên cứu sâu hơn Với những kết quả thu thập được, luận văn sẽ sử dụng

kỹ thuật phân tích spectrogram là mộ trong những kỹ thuật phổ biến trong phân tích

âm thanh để quan sát dải tần số và đặc trưng của những âm thanh thu được trong quan sát các hệ thống hô hấp của cơ thể người Để trích xuất được những tín hiệu

âm thanh bệnh lý, những mẫu âm thanh hô hấp của người tính nguyện khỏe mạnh

và bệnh nhân sẽ được thu thập và phân tích thử nghiệm

So sánh phân bố tần số biến đổi theo thời gian trong một phút những sự khác biệt của âm thanh hô hấp của một người bình thường và những bệnh nhân có những bệnh lý liên quan đến hệ hô hấp như viêm phế quản, viêm phổi sẽ được chỉ ra Trên thực tế, những âm thanh mang tín hiệu bệnh cũng được các bác sĩ dễ dàng nhận thấy nếu biểu hiện bệnh là rõ ràng Nhưng đối với những bệnh nhân có biểu hiện không rõ ràng, ví dụ như những ca chớm mắc bệnh, những biểu hiện bệnh lý và ngay cả âm thanh hô hấp cũng không rõ ràng Với thính lực của các bác sĩ, khả năng phân biệt có thể không xác định được Với phương pháp trích xuất tín hiệu, những biểu hiện chớm bệnh được hy vọng có thể phát hiện được sớm hơn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT &PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

2.1.Cơ sở lý thuyết

2.1.1.Phương pháp đo

Tín hiệu âm thanh, thông qua chuyển đổi áp điện, thu được từ cảm biến PVDF

có biên độ khá nhỏ, chỉ từ vài mV đến vài chục mV Vì vậy, các tín hiệu này cần phải được khuếch đại Thêm vào đó, vì cảm biến chuyển đổi từ các dao động cơ thành các tín hiệu điện, vì thế nó sẽ bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu bao gồm nhiễu điện lưới (50Hz), nhiễu cao tần (sóng radio, sóng viễn thông), nhiễu điện sinh học (điện cơ, điện tim, điện não) Những nhiễu nguồn sinh học tuy thấp song cũng ảnh hưởng đáng kể đến tỷ lệ tín trên tạp bởi tín hiệu điện tim có trị số lớn đến cỡ mV

Để giảm thiểu các loại nhiễu này, luận văn sử dụng các bộ lọc tích cực kết hợp với các bộ khuếch đại, tín hiệu đo vì thế sẽ được khuếch đại và xử lý thông qua các dải lọc để quan sát tín hiệu Để thuận tiện cho việc thiết kế các bộ lọc, luận văn lựa chọn phương pháp đơn giản là lọc thông dải thông qua các bộ lọc bậc cao Những

bộ lọc chặn dải sẽ được thực hiện thông quan bộ lọc số vốn có thể điều chỉnh được dải tần hẹp và hệ số suy hao lớn Để thu thập và xử lý các dữ liệu số, vi điều khiển Arduino Uno R3 có tích hợp ADC (chuyển đổi tương tự - số) được sử dụng để đọc các tín hiệu analog.Một vài thông số chính của hệ thống được tóm tắt ở Bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống

2.1.2.Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả ở hình 2.1 bên dưới Về cơ bản, hệ thống được chia là 2 khối rõ rệt: khối điện tử tương tự được thiết kế nhằm mục đích lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu, khối số được sử dụng để lấy mẫu và chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số và truyền vào máy tính Để thực hiện bộ lọc thông dải như

đã đề cập trong phần 2.1.1, ở đây, luận văn sử dụng 2 bộ lọc thông cao và thông thấp để thu tín hiệu trong dải tần từ 5Hz – 40kHz Tín hiệu đầu ra của cảm biến khá nhỏ chỉ khoảng vài chục mV, thậm chí vài mV tùy thuộc vào từng người 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 ADC Như vậy với cỡ hệ số khuếch đại 100 dB, bo khuếch đại cần được chia làm 2 tầng khuếch đại Hơn nữa,

do tín hiệu có cả thành phần điện áp âm, nên cần sử dụng thêm cả mạch offset để điều chỉnh mức điện áp phù hợp

Mạch tương tự

H nh 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.1 thể hiện các tầng lọc và khuếch đại của mạch điện Đầu vào là cảm biến CM-01B, tín hiệu ra được lọc thông cao với tần số cắt fc1 = 5Hz, sau đó được khuếch đại với mạch tiền khuếch đại 5 lần Tiếp tục lọc thông thấp sử dụng mạch

lọc tích cực có tần số cắt fc2 = 40kHz, tín hiệu sau đó 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 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 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

2.2.Phân tích mạch lọc

Các mạch lọc có thể được thiết kế theo 2 dạng: dạng đơn giản là những mạch lọc thụ động bao gồm chỉ có những phần tử điện cảm và điện dung, dạng phực hợp bao gồm những mạch lọc kết hợp với mạch khuếch đại gọi là mạch khuếch đại tích cực Tùy vào ứng dụng cụ thể mà chúng ta chọn sử dụng mạch lọc thụ động hay mạch lọc tích cực Trong lĩnh vực điện tử y sinh, các mạch lọc tích cực là một phần không thể thiếu trong các thiết bị thu nhận tín hiệu điện sinh học bởi các tín hiệu sinh học thường rất nhỏ và ở khoảng tần số thấp do đó luôn cần có các bộ khuếch đại đi kèm với các bộ lọc thông dải Với biên độ tín hiệu nhỏ cỡ vài trăm µV, và có dải tần số cơ bản cũng rất thấp (từ 0,01 Hz tới 100Hz) nên sự kết hợp giữa mạch lọc

và các bộ khuếch đại sẽ làm giảm đi các khâu tiền xử lý và xử lý sau khuếch đại, đồng thời tín hiệu không bị suy hao bởi các bộ tiền xử lý và xử lý Phần dưới đây sẽ trình bày về lý thuyết của các bộ lọc và bộ khuếch đại được sử dụng trong luận văn

2.2.1.Các bộ lọc liên tục tuyến tính

Mạch liên tục tuyến tính là bộ lọc phổ biến nhất cho lọc tín hiệu Có các loại lọc được thiết kế để hấp thụ các tần số nhất định, sự suy giảm của đường đặc tuyến tần số tuyến tính với tần số ở dạng log đo đó gọi là bộ lọc tuyến tính Các tính chất phi tuyến của đường đặc tuyến hấp thụ sẽ đem lại cho tín hiệu đầu ra những biên độ của các dao động phân bố theo tần số không tuyến tính với hệ số hấp thụ Những tính toán tham số bộ lọc tuyến tính luôn coi các trị số linh kiện là hệ số hằng, do đó, đặc tuyến hấp thụ trên miền tần số là tuyến tính Tuy nhiên, trên thực tế, những phân bố phi tuyến luôn tồn tại đối với các giá trị linh kiện, do đó, mang lại tính phi tuyến cho mạch lọc Ở những giải tần lớn, sự phi tuyến là không đáng kể, nhưng với

độ phân dải tần số cao, sự phi tuyến này sẽ đòi hỏi các linh kiện phải được chế tạo

có giá trị linh kiện là hệ số hằng với sai lệch thấp

Phương pháp thiết kế hiện nay cho các bộ lọc liên tục tuyến tính được gọi là tổ hợp mạng (bản chất của phương pháp này là nhằm thu được các giá trị thành phần của đa thức tỉ lệ cho trước đại diện cho hàm truyền đạt mong muốn) Các bộ lọc 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

Sự khác biệt giữa các lớp bộ lọc này là chúng đều dùng những đa thức để xấp

xỉ các đáp ứng bộ lọc lý tưởng Điều này dẫn tới mỗi loại có một hàm truyền đạt riêng

Hình 2.2 Hàm truyền đạt của một số bộ lọc

Quan sát Hình 2.2, ta thấy bộ lọc Butterworth có độ thoải cao hơn Chebyshev

và Elliptic nhưng điểm lợi là không nhấp nhô Tùy theo ứng dụng mà có thể chọn các dạng bộ lọc khác nhau Thông thường, đối với mạch tương tự, mô hình bộ lọc Butterworth được ưa chuộng bởi tính đơn giản của nó và không làm méo tín hiệu

2.2.2.Mạch lọc

Mạch lọc tần số - một loại mạch hấp thụ một dải tần số đặc biệt được coi là nhiễu để tăng độ nhạy của tín hiệu, là một bộ phận rất quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử Một cách định tính, có thể định nghĩa mạch lọc tần số là mạch cho những dao động có tần số nằm trong một hay một số khoảng nhất định đi qua và chặn những dao động có tần số nằm trong những khoảng còn lại

Theo cấu tạo, mạch lọc tần số gồm 2 loại mạch chính sau đây:

- Mạch lọc thụ động

- Mạch lọc tích cực

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 [3] Thông thường có 3 loại mạch chính: mạch lọc RC, mạch lọc LC và mạch lọc RLC

Hình 2.3 Mạch lọc thông cao thụ động RC

Hình 2.3 mô tả một mạch lọc thông cao thụ động bậc 1 gồm điện trở R và tụ điện C với tần số cắt được tính theo công thức: fc = Nhìn chung, mạch lọc thụ động thường được dùng cho những loại tín hiệu có biên độ lớn do các giá trị điện trở, dung kháng, cảm kháng là những phần tử hấp thụ năng lượng, với tín hiệu

bé, năng lượng của tín hiệu sẽ bị hấp thụ hết bởi mạch lọc Mặc dù mạch đơn giản

và dễ lắp, song nhược điểm của những mạch này là phẩm chất mạch thấp, làm suy giảm năng lượng nó đi qua mà không có khả năng khuếch đại, khó phối hợp tổng trở khi lắp vào các mạch chức năng khác Để khắc phục các nhược điểm trên, người

ta thêm vào đó các phần tử khuếch đại như transistor, vi mạch… để có thể khuếch đại tín hiệu, phối hợp tổng trở, điều chỉnh độ suy giảm

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 [3]

Hình 2.4 Mạch lọc thông thấp tích cực

Hình 2.4 mô tả một mạch lọc thông thấp bậc 1 bằng cách để tín hiệu đi qua một mạch lọc thông thấp thụ động RC, sau đó cho tín hiệu đó qua một bộ khuếch đại thuật toán không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 Tần số cắt của mạch được tính bằng công thức: fc = Các mạch lọc tích cực làm việc tốt ở tần số thấp (

<100Khz ) và có rất nhiều ưu điểm so với mạch lọc thụ động mà ta đã xét ở trên như độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định, nhưng khác với mạch lọc thụ động, thiết

kế thường phức tạp hơn các mạch lọc thụ động, bên cạnh đó, đặc tuyến tần số của các khuếch đại thuật toán cũng chỉ tuyến tính trong một phổ nhất định do đó, mạch lọc cũng chỉ tuyến tính trong dải tần đó Chính vì vậy, khi tần số tăng lên thì bộ khuếch đại gây ra nhiều phiền toái, làm giảm hệ số khuếch đại và gây lệch pha giữa tín hiệu vào và ra, làm thay đổi đặc trưng của mạch lọc Ngoài ra, nếu biên độ của tín hiệu vào lớn thì khuếch đại gây ra hiện tượng bão hòa, trong khi biên độ quá nhỏ thì lại gây nhiễu

Tóm lại, mỗi mạch lọc tích cực chỉ ưu việt trong một dải tần, trong một phạm

vi nào đó mà thôi Do đó, tùy theo mục tiêu sử dụng mà ta lựa chọn một cách phù hợp

Theo chức năng, dựa vào việc mạch lọc chọn lựa những dải tần số nào hoạt động, ta chia làm 4 mạch lọc chính sau:

- Mạch lọc thông thấp

2.2.3.Bộ lọc thông thấp tích cực

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

Để xây dựng một bộ lọc thông thấp, ta có thể dùng 2 cấu trúc khác nhau Hình 2.5 dưới đây mô tả một mạch lọc thông thấp tích cực bậc 2 theo cấu trúc Sallen-Key [4] với hàm truyền H(f) được tính theo công thức:

H(f) =

( ) ( ) ( ( )) (2.1)

Hình 2.5 Bộ lọc thông thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát

Trong công thức tính hàm truyền trên, ta đặt K = , FSF x fc =

√ , và Q = √

( )[5] Khi đó, ta sẽ thu được hàm truyền

mẫu tiêu chuẩn của mạch lọc thông thấp bậc 2 với f là biến tần số, fc là tần số cắt, FSF là hệ số nhân rộng tần số, Q là hệ số chất lượng.:

H LP (f) = -

Ngoài cấu trúc Sallen-Key ra, chúng ta còn hay sử dụng cấu trúc bộ lọc thông thấp đa hồi tiếp MFB ( Multiple-Feedback) Mạch lọc đa hồi tiếp có hệ số phẩm chất cao và thường được dùng trong những ứng dụng yêu cầu hệ số khuếch đại lớn [5] Hình 2.6 mô tả cho ta thấy sơ đồ của nó với một mạch lọc thông thấp bậc 2:

Hình 2.6 Bộ lọc thông thấp cấu trúc đa hồi tiếp MFB

Các mạch Sallen-Key và MFB đều cho thấy các bộ lọc thông thấp bậc 2 đều

có thể sử dụng để thực hiện một cặp ghép tầng trong hàm truyền của mạch lọc thông thấp Để thiết kế một bộ lọc Butterworth, Bessel hoặc Chebyshev, ta đặt giá trị của các thành phần mạch tương ứng bằng hệ số của đa thức lọc Điều này sẽ được sử dụng ở phần thiết kế khối lọc thông thấp tích cực bậc 4 của đề tài và sẽ được trình bày thêm ở chương sau

2.2.4.Bộ lọc thông cao

Sơ đồ mạch lọc thông cao được tạo ra đơn giản bằng các thay thế, đổi chỗ vị trí của điện trở và tụ điện trong sơ đồ mạch lọc thông thấp tương ứng [6] Hình 2.7 dưới đây diễn tả chi tiết, rõ ràng hơn phương pháp thiết kế trên

Hình 2.7 Sự tương ứng của mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao

Do sự tương ứng với mạch lọc thông thấp nên đặc tính biên độ - tần số của mạch lọc thông cao thu được bằng cách lấy đối xứng đường đặc tuyến biên độ - tần

số của mạch lọc thông thấp qua tần số góc Điều này được thể hiện ở Hình 2.8:

H nh 2.8 Đường đáp ứng tần số của một mạch lọc thông cao

Nguyên lý hoạt động: Ngược lại với mạch lọc thông thấp, mạch lọc này 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 f càng nhỏ, tín hiệu sẽ càng bé và tiến dần tới 0

Giống như mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao cũng sử dụng hai cấu hình: Sallen-Key và đa hồi tiếp MFB Điểm khác biệt duy nhất ở đây là sự thay đổi

vị trí giữa các điện trở và tụ điện trong mạch Do phạm vi ứng dụng của mạch lọc thông cao trong đề tài và cả hai cấu hình đều đã được giới thiệu ở các phần trước nên trong phần này, ta chỉ lựa chọn tìm hiểu, tính toán và thiết kế mạch lọc thông cao theo cấu hình Sallen-Key

Hình 2.9 Bộ lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng tổng quát

Hình 2.9 [6] mô tả sơ đồ dạng tổng quát của một mạch lọc thông cao bậc 2

theo cấu hình Sallen-Key với hệ số khuếch đại A 0 = 1 +

Hàm truyền đạt của mạch lọc này được xác định như sau:

Hình 2.10 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:

A(s) =

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:

Hình 2.11 Xây dựng bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng

Hình 2.11 trên [5] 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

H nh 2.12 Đáp ứng tần số của các bộ lọc Butterworth thông thấp bậc cao

Hình 2.12 cho ta một ví dụ về đồ thị của các đường đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp bậc cao loại Butterworth Qua đó ta đưa ra nhận xét, bộ lọc có bậc càng cao thì có độ dốc suy hao càng lớn, dải chuyển tiếp càng nhỏ Ví dụ, bộ lọc bậc 1: tại Ω = 100 là tín hiệu có bị suy hao -40dB Bộ lọc bậc 10: tại Ω = 100 thì tín hiệu

bị suy hao tới -60dB

2.2.6.Bộ khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại thuật toán ( Operational Amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao [7], có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho ta có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Hình 2.13 Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán

Hình 2.13 biểu diễn ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện Trong đó:

- V+ : Đầu vào không đảo

- V_ : Đầu vào đảo

- Vout : Đầu ra

- VS+ : Nguồn cung cấp điện dương

- VS- : Nguồn cung cấp điện âm

Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác nhau Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ Thông thường những chân này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho bản vẽ được rõ ràng Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ phần cấp nguồn này Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán chuyển cho nhau khi cần thiết Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo ngược lại

Nguyên lý hoạt động: [7] Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầu vào này Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào Trong hầu hết các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào đảo Tác động này được gọi là hồi tiếp âm Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là không có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở Và điện

áp ra sẽ bằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lợi tổng của mạch khuếch đại, theo công thức sau: V ra = ( V + ─ V ─ ) G vongho (2.9)

Trong đó, V+ là điện thế tại đầu vào không đảo, V─ là điện thế tại đầu vào đảo

và G gọi là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại

Nhìn vào Hình 2.13 trên, ta thấy mạch khuếch đại thuật toán có hai đầu vào Khi tín hiệu đi vào đầu không đảo, ta có mạch khuếch đại không đảo Ngược lại, khi tín hiệu đi vào đầu đảo, ta có mạch khuếch đại đảo Do việc lựa chọn và phạm vi ứng dụng trong đề tài, ở đây, ta chỉ tìm hiểu, tính toán và thiết kế mạch khuếch đại không đảo

Hình 2.14 Mạch khuếch đại không đảo cơ bản

Hình 2.14 là kết cấu của một mạch khuếch đại không đảo cơ bản [7] Một mạch khuếch đại thuật toán thông dụng có 2 đầu vào và 1 đầu ra Điện áp đầu ra bằng bội số của hiệu điện áp hai đầu vào: Vout = G(V+ ─ V─ ) (2.10)

G là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại thuật toán Đầu vào được giả định có tổng trở rất cao Dòng điện đi vào hoặc ra ở đầu vào sẽ không đáng kể Đầu ra được giả định có tổng trở rất thấp

Với mạch điện trong hình trên, đầu ra được đưa trở về đầu vào đảo sau khi được chia bằng một bộ phân áp K = Khi đó:

V + = V in ; V ─ = K V out ; V out = G(V in – K V out ) (2.11)

Từ các giá trị trên, ta tính được tỷ số:

=

( )

Nếu G rất lớn, = 1 +

Kiểu nối hồi tiếp âm như thế này được sử dụng rất thường xuyên nhưng có thể

có nhiều biến thể khác nhau, làm nó trở thành một trong những khối linh hoạt nhất trong tất cả các khối lắp đặt điện tử [7] Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng

2.3.Các khối chính của mạch tương tự

Việc thiết kế các mạch khuếch đại và mạch lọc được xem là khâu quan trọng nhất trong hệ thống mạch ống nghe điện tử Mục đích của các mạch khuếch đại và mạch lọc là khuếch đại các tín hiệu đầu vào có biên độ rất nhỏ lên điện áp đủ lớn để

có thể đưa vào khối ADC, đồng thời loại bỏ được một lượng lớn các loại nhiễu trước khi xử lý số Đầu tiên, ta phải dùng một khối cảm biến để thu nhận tín hiệu trước khi xử lý chúng

2.3.1.Khối cảm biến

Chúng ta đều biết rằng, để thu được một loại âm thanh bất kỳ, phải cần đến microphone Microphone hay Micro có nhiệm vụ chuyển đổi dao động sóng âm thành dao động điện Microphone có nhiều loại, được dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau Không giống như những âm thanh thông thường (giọng nói, tiếng ồn môi trường ), việc thu âm từ cơ thể con người gặp nhiều khó khăn hơn Như thế, phải yêu cầu loại micro chuyên dụng cho độ nhạy cao và nhiễu ồn thấp Trong thiết

kế này, chúng ta sử dụng cảm biến CM-01B Contact Microphone

Hình 2.15 Hình dạng cảm biến CM-01B thực tế

Cảm biến CM-01B được cấu tạo từ vật liệu piezo film, gồm các tấm mỏng PVDF (Polyvinylidene fluoride piezoelectric film) Cảm biến này có độ nhạy cực cao, nhiễu môi trường thấp để thu được âm thanh chất lượng, lý tưởng cho việc thu tín hiệu từ cơ thể Ưu điểm của CM-01B là có khả năng hoạt động ở dải thông rộng,

độ nhạy cao, sức bền tốt, trọng lượng nhẹ cũng như giá thành hợp lý CM-01B biến đổi độ rung từ mặt cao su phía trước thành tín hiệu điện, thuận lợi để xử lý tín hiệu trong các mạch điện tử Dưới đây là bảng các thông số chính của cảm biến CM-01B

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của cảm biến CM-01B

H nh 2.16 Sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến CM-01B

Cảm biến CM-01B biến đổi từ dao dộng sóng âm thành tín hiệu điện Cảm biến này gồm 3 dây: 2 dây nguồn và 1 dây tín hiệu ra CM-01B hoạt động trong dải điện áp một chiều từ 4V cho đến 30V, thông thường là 5V Đối với điện áp càng cao, độ nhạy của cảm biến sẽ tăng lên Hình 3 cho thấy sơ đồ nguyên lý bên trong cảm biến Hiểu một cách đơn giản, chức năng của cảm biến là biến đổi tín hiệu sóng

âm thành tín hiệu điện Khi đầu vào là núm cao su bị tác động sẽ tạo ra điện áp đầu

ra thay đổi theo độ lún đó Độ nhạy 40V/mm nghĩa là khi núm cao su lún sâu 1mm,

tín hiệu điện áp đầu ra đạt được 40V Với độ nhạy cực cao này, rất thích hợp để thu được những tín hiệu âm thanh nhỏ từ cơ thể con người

H nh 2.17 Đáp ứng tần số đặc trưng của cảm biến

Hình trên cho thấy đồ thị đáp ứng tần số của CM-01B, khảo sát trong khoảng

từ 10Hz-10kHz Đồ thị thể hiện tần số cắt dưới khoảng 8Hz và cắt trên khoảng 2.2kHz Tần số cộng hưởng của cảm biến khoảng 5kHz Tại tần số này, độ nhạy của cảm biến lên tới khoảng 56V/mm, cao hơn nhiều so với độ nhạy thông thường 40V/mm

Thí nghiệm khảo sát đáp ứng tần số:

Để kiểm tra đáp ứng tần số của cảm biến, chúng ta sử dụng loa gốm áp điện hay còn gọi là loa thạch anh Loại loa này hoạt động theo hiệu ứng áp điện (biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại) Sử dụng loa gốm áp điện áp sát trực tiếp vào bề mặt núm cao su và cố định Cấp cho loa một sóng sin có Vpp = 10V từ Function Generator (NI elvis), thay đổi tần số của sóng sin từ 1Hz cho tới 40kHZ, chúng ta thu được đáp ứng tần số như hình:

H nh 2.18 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa gốm áp điện

Qua đồ thị trên, loa gốm áp điện hoạt động trong dải tần từ 1kHz – 5kHz và cộng hưởng tại tần số khoảng 4kHz Tiếp tục thí nghiệm với loa máy tính (Speaker máy tính thông dụng) với điều kiện tương tự, ta thu được đáp ứng:

H nh 2.19 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa máy tính

Qua 2 đồ thị trên, đã cho thấy cảm biến CM-01B hoạt động với một dải tần rộng Các đồ thị thu được chính là đáp ứng tần số của các loa