Công nghệ nhúng trong thiết kế thiết bị đo điện tim có chức năng phát hiện phức bộ QRS

Bài báo sẽ trình bày về thiết kế thiết bị sử dụng IC công nghệ ARM (Advanced RISC Machine). Với khả năng tính toán mạnh, thiết bị triển khai trực tuyến được thuật toán phát hiện phức bộ QRS của Hamilton và Tompkins. Ngoài ra, thiết bị còn có thêm các cổng giao tiếp mở rộng để kết nối với khối thu thập tín hiệu điện tim, hay với khối tính toán chuyên dụng (như DSP, FPGA), tạo cơ sở áp dụng cho các bài toán nhận dạng tín hiệu ECG (Electrocardiogram), cũng như phát triển nên thành một sản phẩm đo và nhận dạng tín hiệu điện tim có thể áp dụng vào thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Công nghệ nhúng thiết kế thiết bị đo điện tim có chức phát phức QRS Phạm Văn Nam, Trần Hoài Linh Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Email: pvnamdl1@gmail.com, linh.tranhoai@hust.edu.vn Việc thu gọn thiết bị: phải thay phần analog xử lý số (như thay lọc số lọc analog), vấn đề có hạn chế tốc độ tài nguyên vi xử lý Nhưng có cơng nghệ chíp có tốc độ xử lý cao ARM, FPGA, DSP, dòng IC có đủ tốc độ để thực thuật tốn lọc phát phức QRS đáp ứng thời gian thực Nếu lượng tính tốn q lớn (đối với tốn nhận dạng tín hiệu điện tim) sử dụng thêm IC để xử lý song song Trong báo thiết bị lựa chọn sử dụng cơng nghệ ARM Tóm tắt: Bài báo trình bày thiết kế thiết bị sử dụng IC công nghệ ARM (Advanced RISC Machine) Với khả tính tốn mạnh, thiết bị triển khai trực tuyến thuật toán phát phức QRS Hamilton Tompkins Ngoài ra, thiết bị cịn có thêm cổng giao tiếp mở rộng để kết nối với khối thu thập tín hiệu điện tim, hay với khối tính tốn chun dụng (như DSP, FPGA), tạo sở áp dụng cho tốn nhận dạng tín hiệu ECG (Electrocardiogram), phát triển nên thành sản phẩm đo nhận dạng tín hiệu điện tim áp dụng vào thực tế Thiết bị thử nghiệm với CSDL MIT-BIH [1] cho kết xác cao thử nghiệm PC Áp dụng thuật toán phát phức QRS Hamilton [1], áp dụng chạy thiết bị Thử nghiệm CSDL MIT-BIH, so sánh kết chạy PC Từ khóa- tín hiệu ECG, hệ thống nhúng, tự động phát Abstract: The paper presents a ECG portable design using ARM IC technology With its strong capability in programming and performing mathematic operations, the device can integrate the QRS detection algorithm proposed by Hamilton and Tompkins Additionaly, the device has an open design, which allows it to connect to different external ICs, such as DSP and FPGA for further increasing the calculation powers needed for recognition and classification tasks The solution was tested with signals from MIT-BIH Arrhythmia Database and the performance is identical as the performance of the programs run on PC II THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN PHỨC BỘ QRS Thuận toán phát QRS Pan Tompkins đưa vào năm 1985 Hamilton Tompkins phát triển tiếp vào năm 1986 [1] Năm 2002 tác giả thay đổi vài thông số để làm tăng độ xác giảm thời gian tính tốn, thích hợp với việc nhúng chương trình xuống vi xử lý thay chạy PC Lưu đồ tổng thể hoạt động thuật tốn trình bày Hình Keywords- ECG signals, embedded systems, auto detection Chữ viết tắt Viết tắt ECG IC QRS MIT-BIH SD MMC Tiếng Anh Electrocardiogram Intergrated Circuit QRS Complex MIT-BIH Database Secure Digital Multi Media Card Tiếng Việt Điện tim đồ Vi mạch tích hợp Phức QRS Cơ sở liệu MIT-BIH Thẻ nhớ SD Thẻ nhớ MMC I ĐẶT VẤN ĐỀ Một mối quan tâm hàng đầu bệnh lý liên quan tới tim mạch Việc phát sớm bệnh quan trong điều trị, cho nên, thị trường có lưu hành số loại thiết bị đo điện tim nước sản xuất, nhiên giá thành thiết bị cao Ở Việt Nam khơng phải có khả trang bị cho thiết bị đắt tiền để kiểm tra bệnh nhà Do việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện tim cầm tay để kiểm tra tim mạch hàng ngày có tiềm ISBN: 978-604-67-0635-9 Hình Sơ đồ hoạt động thuật toán Sau phần trình bày khái quát khối sơ đồ hoạt động thuật toán khối 146 146 Thảo Quốc Gia 2015về vềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) hiệu ECG, phân tích ta thiết kế hai thơng thấp thơng cao, với hàm truyền có hệ số giống tài liệu [3], kết thực phần mềm Matlab A Khối lọc số   Hàm truyền lọc thông thấp, với tần số cắt 11Hz: y [n ]  y[ n  1]  y[n  2]  x[n ]  x[ n  5]  x[ n  10]   Hàm truyền lọc thông cao, với tần số cắt 5Hz: y[ n ]  y[ n  1]  x[ n ]  x[ n  32]    Trong Hình kết sau tín hiệu q lọc thông thấp 11Hz, thông cao 5Hz, ta nhận thấy tín hiệu khơng cịn thành phần tần số cao, tín hiệu tập trung khoảng tần số từ 5Hz đến 11Hz, điều thể sơ đồ phân tích phổ (Hình 6) Như lọc với hệ số công thức (1) (2) sử dụng Hình Phân bố phổ lượng tín hiệu ECG Theo Hình phức QRS chủ yếu tập trung lân cận tần số 10 Hz [2] Trong thuật toán phát QRS Hamilton Tompkins sử dụng lọc lấy dải khoảng tần số từ 5Hz đến 11Hz Kết sau lọc y(n) (Hình 1) khơng cịn thành phần tần số thấp đặc trưng sóng P, T hay trơi dạt đường bản, hay thành phần tín hiệu gây nhiễu điện lưới 50 Hz nhiễu có tần số cao Cho nên ta cần xây dựng lọc thơng thấp có tần số cắt 11Hz lọc thơng cao có tần số cắt 5Hz Hệ số hai lọc số nguyên vì: điều cho phép thực vi xử lý để đáp ứng tốc độ xử lý nhanh theo thời gian thực, kết sau bước lọc y(n) lưu lại để sử dụng cho khâu phát đỉnh R sau [1], [3] Hàm truyền lọc Hamilton sử dụng sau: Hình Kết tín hiệu sau lọc thơng thấp với Fc 11Hz lọc thông cao Fc 5Hz - y(n) Hình Một đoạn tín hiệu ECG gốc ghi 100 CSDL MIT-BIH – x(n) Hình Phân bố phổ lượng tín hiệu sau lọc B Xác định cửa sổ thời gian có chứa đỉnh R Theo thuật tốn xác định đỉnh R (Hình 1) sau bước loại bỏ nhiễu bên khoảng – 11Hz Kết sau lọc nhiễu y(n) xử lý tiếp qua bước sau:  Hình Phân bố phổ lượng tín hiệu gốc Trong Hình đoạn tín hiệu ECG trích từ ghi 100 CSDL MIT-BIH, tín hiệu có thành phần nhiễu 60Hz nhiễu tần số cao, thể sơ đồ phân tích phổ (Hình 4), tiếp sau bước loại bỏ nhiễu từ tín  147 147 Lấy đạo hàm (d[ ]/dt): Tín hiệu điện tim ECG qua khâu xử lý làm thêm phức QRS, đạo hàm cịn loại bỏ tiếp sóng nhỏ thành phần biến thiên chậm sóng T, P sóng ECG y[ n]  x[ n] + x[n  1]  x[n  3]  x[n  4]   Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015)  Hình Kết tín hiệu ECG sau phép tính đạo hàm Hình dạng sóng ECG sau bước gần cịn phức QRS, nhiễu bị loại bỏ, thể Hình  Lấy trị tuyệt đối: Để khơng triệt tiêu thơng tin khí sử dụng phép tốn lấy trung bình bước phải làm dương giá trị Năm 1986, Hamilton Tompkins [1] làm dương giá trị phép tốn bình phương, cách bình phương có thêm tác dụng làm bật giá trị có biên độ cao đỉnh R Đến năm 2002 [3] tác giả thay phép lấy trị tuyệt đối, có ưu điểm làm giảm bớt thời gian tính tốn mà đạt mục đích Kết thể Hình y [ n ]  x[ n ]   Xác định cửa sổ thời gian có chứa đỉnh R: Dự vào kết đầu bước lấy trung bình tín hiệu theo thời gian z(n) để xác định sơ thời điểm khoảng thời gian có chứa đỉnh R Từ đó, tham chiếu trở lại tín hiệu ECG sau lọc y(n), khoảng thời gian áp dụng thuật tốn tìm Max để xác định đỉnh R Trong hình thể mối quan hệ lý tưởng phức QRS với tín hiệu lấy trung bình theo thời gian z(n) Đỉnh R xuất khoảng sườn lên xung tín hiệu z(n) Từ thực nghiệm Hamilton, Tompkins lấy độ rộng cửa sổ từ 150 đến 250 ms [1] Hình 10 Mối quan hệ phức QRS (a) tín hiệu lấy trung bình tín hiệu theo thời gian (b)  Hình Kết tín hiệu ECG sau phép tính trị tuyệt đối   Lấy trung bình tín hiệu theo thời gian: Mục đích bước nhập đỉnh gần lại (Hình 8) thành dạng liền giống Hình 9, sử dụng kết bước để tìm cửa sổ thời gian có có chứa đỉnh R Với tần số lấy mẫu CSDL MIT-BIT 200 sps tương ứng với 5ms/mẫu Trong báo năm 1986[1] Hamilton, Tompkins sử dụng lấy trung bình khoảng thời gian 160ms (tương ứng 32 mẫu), đến năm 2002 [3] tác giá giảm xuống 80ms (tương ứng 16 mẫu), thực nghiệm chạy thử chương trình với tín hiệu điện tim CSDL MIT-BIT kết tách phức QRS xác có tốc độ xử lý nhanh hơn, thích hợp cho việc nhúng thuật tốn xuống dịng vi xử lý thông thường PIC, AVR, PSoC : Kết sau bước lấy trung bình tín hiệu theo thời gian thể Hình y[ n]  ( x[ n  15] + x[n  14]+ +x[n])  16 Hình 11 Trích kết thuật tốn phát phức QRS phần mềm Matlab, ghi 100 III  A Phân tích chức lựa chọn linh kiện cho thiết bị Chức thiết bị nghiên cứu thiết kế báo thực thuật toán phát phức QRS, chạy với CSDL MIT-BIT Ngồi ra, thiết bị cịn có thêm kênh analog kênh số để kết nối với module tính tốn tốc độ cao, với mục đích mở rộng tốn nhận dạng tín hiệu điện tim sau từ tạo sở để xây dựng thiết bị đo nhận dạng tín hiệu điện tim dùng đo cá nhân, mang theo người thuận tiện Thiết bị thiết kế với số yêu cầu chức sau: Hình Kết tín hiệu ECG sau phép tính lấy trung bình theo thời gian – z(n) 148 148 TRIỂN KHAI PHẦN THIẾT BỊ  Hiển thị thông số đo được, vẽ lại đồ thị tín hiệu điện tim hình thiết bị  Lưu trữ liệu vào nhớ thiết bị  Có khả kết nối trao đổi với máy tính  Thiết bị cầm tay, gọn nhẹ, sử dụng pin sạc  Có cổng giao tiếp mở rộng kết nối với khối thu thập ECG khối tính tốn chun dụng DSP, FPGA Thảo Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Sơ đồ tổng thể khối chức thiết bị trình bày hình 12  Bàn phím cảm ứng: Lựa chọn cảm ứng để tận dụng không gian bề mặt LCD mà khơng tăng kích thước thiết bị Hình 15 Hình ảnh phím cảm ứng điện trở Hình 12 Sơ đồ khối thiết bị Trong sơ đồ thiết bị chức cụ thể khối là:  Vi xử lý trung tâm: Do u cầu tốc độ tính tốn nên thiết bị lựa chọn vi xử lý trung tâm sử dụng công nghệ ARM STM32F103, tốc độ 72MHz, có thư viện hỗ trợ hầu hết khối chức quan trọng ADC, giao tiếp UART, LCD  Giao tiếp với máy tính: Thiết bị có khả kết nối với máy tính thơng qua chuẩn RS232  Cổng giao tiếp mở rộng: thiết bị cịn có thêm kênh analog để kết nối với khối thu thập tính hiệu điện tim kênh số để kết nối với khối tính tốn tốc độ cao sử dụng cơng nghệ FPGA/DSP B Lưu đồ thuận toán vi xử lý trung tâm Hình 13 Hình ảnh bên ngồi IC STM32F103  Màn hình: Để hiển thị giao diện điều khiển thiết bị có khả đưa thơng tin tín hiệu điện tim đo tới người quan sát phần giao diện sử dụng hình Graphic LCD để có khả tái tạo trực quan hình ảnh tín hiệu điện tim Màn hình lựa chọn GLCD 160X160, có độ phân giải 160  160, hoạt động theo chuẩn song song Hình 14 Hình ảnh hình GLCD  Lưu trữ: Thiết bị có khả lưu trữ liệu vào thẻ nhớ SD/MMC Card Thông tin dễ dàng đồng với sở liệu máy tính thiết bị bổ sung chức giao tiếp với máy tính Hình 16 Lưu đồ thuật tốn chương trình vi xử lý ARM 149 149 Thảo Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Chương trình phần mềm nhúng xuống IC ARM, có lưu đồ thuật tốn trình bày Hình 16, hàm lọc số hàm phát phức QRS dựa theo thuật toán Hamilton tài liệu số [1] [3] Thiết bị sử dụng IC STM32F103 với tốc 72MHz, lõi xử lý Cortex-M3, nên dịng IC có tốc độ tính tốn nhanh nhiều so với dịng vi xử lý thơng thường PIC, AVR Qua tính tốn thử nghiệm thời gian cần cho chu trình nhỏ 100 µs, tốc độ lấy mẫu khoảng 200 sps, tương ứng với ms mẫu, thời gian cần cho chu trình kể nhỏ, ta cịn dư nhiều thời gian để sử dụng có thuật tốn như: trích chọn đặc tính, nhận dạng tín hiệu ECG… Ngoài hay thị trường mắt dòng ARM Cortex-M4, với nhân xử lý sử dụng công nghệ DSP, tốc độ 168 MHz, tốc độ nhanh, hồn tồn đảm bảo tốc độ để thực thuật tốn phức tạp, khối lượng tính toán lớn IV B Kết phần mềm Thiết bị thử nghiệm record 100, 101, 102, 103, 104, 105 CSDL MIT-BIH, kết trình bày bảng 1, trích phần kết chạy với record 105, khoảng thời gian (Hình 19) (a) KẾT QUẢ TRIỂN KHAI A Phần cứng Các thiết kế thử nghiệm hoàn chỉnh phần mềm mô phỏng, sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch cứng sử dụng công nghệ ARM có tên STM32F103, hình ảnh phần cứng thể Hình 17, phần cứng chạy thử nghiệm với chương trình có lưu đồ thuật tốn Hình 16, kết chạy với CSDL MIT-BIH trình bày bảng (b) (c) Hình 17 Mạch kit thử nghiệm với IC STM32F103 Thiết bị nhỏ gọn, đóng vỏ có kích thước nhỏ gọn có kích thước 10,5cm x 10,5cm x 2cm (a) (d) (b) (e) Hình 19 Hình ảnh sóng ECG qua bước tính tốn, (a) Tín hiệu gốc (bản ghi 105), (b) Kết sau lọc đạo hàm (c), Kết qua sau lấy trị tuyệt đối, (d) Kết sau lấy trung bình tín hiệu, (e) Kết phát đỉnh R Hình 18 Hình ảnh thiết bị, (a) Mạch in lắp linh kiện chính, (b) Mạch in sau đóng gói hộp nhựa có kích thước 10,5cm x 10,5cm x 2cm 150 150 HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) Bảng 1: Kết thử nghiệm thiết bị CSDL MIT-BIH Record 100 101 102 104 105 Tổng số nhịp 1901 1523 1820 1849 2149 Số nhịp không phát 1 Số nhịp phát sai 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sai số (%) 0.1 0.19 0.05 0.59 2.74 [2] [3] [4] [5] Kết bảng cho thấy sai số nhỏ, riêng ghi 105 có sai số lớn tín hiệu thu thập ghi bị trơi đường sở q lớn, tiếp xúc điện cực với người không tốt trình lấy mẫu [6] V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Bài báo trình bày thiết kế mạch đo sử dụng IC ARM Áp dụng thuận toán phát QRS [1], [3] Qua kết thử nghiệm với vài tín hiệu điện tim CSDL MIT-BIT Arrhythmia Database cho thấy kết tương đương Dự kiến bổ sung chức khác cho thiết bị như: thêm phần thu thập tín hiệu ECG, triển khai thêm thuận tốn nhận dạng tín hiệu điện tim, ngồi phần cứng thêm chức kết nối khơng dây với máy tính theo chuẩn Wifi Bluetooth, kết nối mạng theo chuẩn Ethernet, [7] [8] 151 151 P.S Hamilton and W.J Tompkins, “Quantitative investigation of QRS detection rules using the MIT/BIH arrhythmia database,” IEEE Trans Biomed Eng., vol BME-33, pp 1157-1165, 1986 Thakor, N V., Webster, J G., and Tompkins, W J 1983 “Optimal QRS detector Medical and Biological Engineering”, 343–50 P.S Hamilton and E.P Limited, “Open Source ECG Analysis Software Documentation” (http://www.eplimited.com/), 2002 Trần Đỗ Trinh (2003), “Hướng dẫn đọc điện tim”, Nhà xuất Y học Friesen G M., Jannett T.C., Jadallah M.A., Yates S.L., Quint S.R., Nagle H.T (1990), “A comparison of the noise sensitivity of nine QRS detection algorithms”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol 37, no 1, pp.85-98 Goldberger A.L, Amaral L.A., Glass L., Hausdorff J.M., Ivanov P.C., Mark R.G., Mietus J.E., Moody G.B., Peng C.K., Stanley H.E (2000), “PhysioBank, PhysioToolkit, and PhysioNet: components of a new research resource for complex physiologic signals”, American Heart Association Luong Duong Trong, Nguyen Duc Thuan, Trinh Quang Duc (2014), “Removal of baseline noise from Electrocardiography (ECG) signal based on time domain approach“, International Journal of Biomedical Science and Engineering, Published online, pp 11-16 http://www.physionet.org/physiobank/database/mitdb/ ... 11 Trích kết thuật tốn phát phức QRS phần mềm Matlab, ghi 100 III  A Phân tích chức lựa chọn linh kiện cho thiết bị Chức thiết bị nghiên cứu thiết kế báo thực thuật toán phát phức QRS, chạy... TRIỂN KHAI PHẦN THIẾT BỊ  Hiển thị thông số đo được, vẽ lại đồ thị tín hiệu điện tim hình thiết bị  Lưu trữ liệu vào nhớ thiết bị  Có khả kết nối trao đổi với máy tính  Thiết bị cầm tay, gọn... thước thiết bị Hình 15 Hình ảnh phím cảm ứng điện trở Hình 12 Sơ đồ khối thiết bị Trong sơ đồ thiết bị chức cụ thể khối là:  Vi xử lý trung tâm: Do yêu cầu tốc độ tính tốn nên thiết bị lựa chọn