Bài viết Mạch thu thập tín hiệu điện tim cách ly thời gian thực sử dụng giải thuật lọc thích nghi trình bày về giải pháp thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện tim (ECG) sử dụng giải pháp cách ly thời gian thực, cách ly các đầu vào và đầu ra của hệ thống điều khiển phân tán (DCS) gần với bộ điều khiển làm gián đoạn đường dẫn dòng 1 chiều, thay thế nó với một trở kháng lớn để cách ly với các luồng điện áp cao nhằm tăng độ an toàn cho người bệnh, đồng thời sử dụng giải thuật triệt nhiễu thích nghi để loại bỏ các nhiễu phát sinh đột biến, đặc biệt là nhiễu cơ, nhằm tăng độ chính xác cho nhận dạng tín hiệu điện tim.
KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ MẠCH THU THẬP TÍN HIỆU ĐIỆN TIM CÁCH LY THỜI GIAN THỰC SỬ DỤNG GIẢI THUẬT LỌC THÍCH NGHI REAL TIME ISOLATION, ECG SIGNAL ACQUISITION CIRCUIT USING ADAPTIVE FILTERING ALGORITHM Bùi Huy Hải1, Giáp Văn Dương1, Hà Tiến Vinh2 Khoa Điện tử, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp Công ty Cổ phần Tự động hóa Tân Phát Đến tịa soạn ngày 20/09/2020, chấp nhận đăng ngày 28/10/2020 Tóm tắt: Nội dung nghiên cứu báo trình bày giải pháp thiết kế mạch thu thập tín hiệu điện tim (ECG) sử dụng giải pháp cách ly thời gian thực, cách ly đầu vào đầu hệ thống điều khiển phân tán (DCS) gần với điều khiển làm gián đoạn đường dẫn dòng chiều, thay với trở kháng lớn để cách ly với luồng điện áp cao nhằm tăng độ an toàn cho người bệnh, đồng thời sử dụng giải thuật triệt nhiễu thích nghi để loại bỏ nhiễu phát sinh đột biến, đặc biệt nhiễu cơ, nhằm tăng độ xác cho nhận dạng tín hiệu điện tim Từ khóa: ECG, tín hiệu điện tim, lọc thích nghi, mạch cách ly thời gian thực Abstract: The content of our research presents the design solution for electrocardiographic signal acquisition (ECG) circuit design solutions using real-time isolation solutions, isolating the distributed control systems (DCS) inputs and outputs close to the controller interrupts the dc path, replacing it with the large impedance of the isolation amp’s high-voltage barrier, Simultaneously using adaptive filtering algorithm to remove sudden artifacts, especially muscle artifacts, to improve the accuracy for ECG signal accquistion Keywords: ECG, ECG signal, adaptive filter, real time isolation circui ĐẶT VẤN ĐỀ ECG tín hiệu điện biến thiên, phát tim co bóp Khi thể có tượng bệnh lý, nhiều bệnh lý cho thấy, chúng làm thay đổi giá trị ECG hình dạng, biên độ tần số Việc thu nhận tín hiệu ECG xác có ý nghĩa lớn trình chăm sóc sức khỏe chuẩn đốn lâm sàng với người bệnh Các nghiên cứu để thiết kế, chế tạo thiết bị thu nhận ECG với độ xác cao ngày trở thành lĩnh vực tiềm ứng dụng, đồng thời tạo tiền đề cho nghiên cứu thiết bị tự động chuẩn đoán lâm sàng ECG ln bị TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 28 - 2021 tác động nhiều thành phần nhiễu, thành phần điện cơ, điện não, thành phần nhiễu trắng… điều gây nên biến đổi bất thường tín hiệu thu ECG từ tần số đến biên độ [3]; giải thuật triệt nhiễu lọc thích nghi mạch thiết kế báo giải thỏa đáng biến đổi bất thường Trong trình thiết kế mạch, giải pháp nguồn cách ly đưa vào tính tốn thiết kế để cách ly người bệnh khỏi dịng điện nguy hiểm phát q trình thu tín hiệu ECG, đồng thời có chức bảo vệ để tránh cho mạch bị hỏng hóc điện áp 15 KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ cao xuất q trình khử nhiễu tín hiệu thu XÂY DỰNG MẠCH ĐO TÍN HIỆU Để thu nhận ECG người ta sử dụng điện cực gắn bề mặt da bệnh nhân, tín hiệu trước hết xử lý mạch tiền khuếch đại (hệ số khuếch đại khoảng 40-60 dB), mạch lọc tín hiệu Khối tiền khuếch đại làm phần đa phần tín hiệu đo dải thấp Mạch tiền khuếch đại tăng điện áp lên giúp dễ phân loại nhiễu tín hiệu thực Tại đây, thuật toán lọc số thực nhiệm vụ khử nhiễu phân tích tín hiệu để đưa thơng tin có ích cho người dùng Mạch thu nhận tín hiệu ECG xây dựng dựa sơ đồ nguyên lý hình Điện cực LA, RA, LL, RL Mạch phản h(RLD), U13A chẩn đoán bệnh tim mạch; nhiên số bệnh nhân, nhịp tim tăng cao nhiều Như vậy, mạch thiết kế, nhóm nghiên cứu sử dụng lọc thông thấp (fc = 0,294 Hz) lọc thông cao (fc = 157,9 Hz) để triệt nhiễu tần số cao rung động bắp, nhiễu tần số thấp gây trơi tín hiệu nhịp thở Phân tích phổ tín hiệu ECG thấy tín hiệu ECG chịu ảnh hưởng lớn nhiễu 50 Hz hay gọi nhiễu đường dây hình 2, khối lọc triệt tần 50 Hz nhằm loại bỏ tín hiệu điện lưới ảnh hưởng q trình đo bảo đảm an tồn cho người bệnh Trong đó: LL: chân trái, RA: tay phải; LA: tay trái, RL: chân phải; U13, U14, U15 IC sử dụng Mạch tiền khuếch đại LA, (RA, U14) RL Mạch khử DC (LA-RA) (U15) Hình Đồ thị biên tần tín hiệu ECG Vi xử lý STM32 Lọc băng tần (thông cao thông thấp) ADC vi xử lý STM32 Khối cách ly Lọc triệt tần 50 Hz Khối cộng điện áp Hình Sơ đồ nguyên lý luồng làm việc mạch thu nhận tín hiệu ECG Tín hiệu từ điện cực đưa qua mạch khuếch đại loại bỏ dịng chiều Do tín hiệu ECG bình thường có dải tần số từ 0,5 đến 100 Hz Đây dải tần số dùng cho ứng dụng 16 Mạch phản hồi chân phải (RLD) thành phần quan trọng mạch thu thập tín hiệu ECG; mạch tạo gốc điện cho điện cực khác trình thu thập tín hiệu ECG; giúp cho tín hiệu điện áp vi sai cặp điện cực trình đo điện tim không bị trôi khỏi vùng làm việc mạch khuếch đại lọc Trong trường hợp khơng có mạch phản hồi chân phải tín hiệu ECG bị ảnh hưởng nhiễu đồng pha chênh lệch điện áp người với điện áp đất Khối cộng điện áp sử dụng để dịch chuyển tịnh tiến tín hiệu đo khoảng đo TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 28 - 2021 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ mong muốn, phù hợp với đầu đọc Một khối cách ly sử dụng để cách ly tín hiệu điện mạch đo vi xử lý nhằm bảo đảm an toàn cho người bệnh Tác dụng cách ly để cải thiện hiệu suất độ tin cậy hệ thống là: điều khiển nhiệt độ trình khuếch đại ECG Trong trường hợp điều khiển trình, khuếch đại cách ly thực cách ly điện kênh vào dòng điện lặp quẩn đầu từ phần cứng điều khiển Như vậy, vừa tránh lỗi vô ý từ thiết bị điện ảnh hưởng đến mạch điều khiển, đồng thời cách ly với đất để khơng làm hỏng q trình hoạt động Sơ đồ mạch cách ly thực hình Bộ khuếch đại cách ly không ngăn ngừa yếu tố làm hư hại hệ thống, mà chế độ loại bỏ thành phần cách ly (IMR) làm giảm ảnh hưởng đầu lớn Biến thiên điện áp cao theo thời gian từ dòng điện cảm ứng (High dv/dt from inductive current) từ nhiễu điện từ xạ (EMI) gây nên xung điện rơ le khó xử lý Tín hiệu sau thu chuyển đổi sang tín hiệu số với tần số lấy mẫu kHz sử dụng vi xử lý STM32, điều khiển truyền thơng, hiển thị kết nối với máy tính Dữ liệu ECG máy tính xử lý qua lọc số thích nghi nhằm loại bỏ thành phần phần nhiễu bất thường, đặc biệt thành phần tác động nhiễu (EMG) GIẢI THUẬT TRIỆT NHIỄU THÍCH NGHI Nhằm tăng chất lượng tín hiệu ECG thu nhận, loại bỏ thành phần nhiễu bất thường đặc biệt nhiễu [3]; giải thuật thích nghi thực tăng cường với liệu ECG thu nhận máy tính Mơ hình thực giải thuật mô tả sơ đồ hình Trong đó: d tín hiệu tham chiếu hay cịn gọi tín hiệu sạch; e tín hiệu phản hồi (e = y d); [4] [5]; Hình Sơ đồ hoạt động mạch cách ly TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 28 - 2021 k: cửa sổ phân tích tín hiệu 17 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Mức ngưỡng T thiết lập theo công thức [3]: T log( k ) (1) c hệ số (c thiết lập 0.685) k chiều dài liệu phân tích, median giá trị trung bình Mức ngưỡng T giới hạn giá trị biên độ hệ số (aij) theo công thức: sign(a jk )( a jk T ) aˆ jk if a jk T if a jk T (3) Công thức T log( k ) T ~ mô tả trên; với → t 1 mean( a jk t 1 mean( a jk ) c et ) c T t 1 t 1 log k (4) (5) Với et giá trị trung bình lỗi ước định thời gian t, mean( a jk ) , T t 1 giá t 1 trị tuyệt đối băng tần giá trị ngưỡng thời điểm (t+1) [1] Như với băng khác nhau, giá trị khác từ đó, có mức ngưỡng khác hệ số aij Hình Mơ hình giải thuật triệt nhiễu thích nghi Việc đánh giá nhiễu tín hiệu thu thực qua tín hiệu phản hồi e để điều chỉnh mức ngưỡng T Năng lượng trung bình băng [3]: 18 median( a ij ) c (2) Với số đạo trình mà khơng bị nhiễm thành phần nhiễu, khơng có hồi đáp lỗi ước định để hiệu chỉnh giá trị ngưỡng Như vậy, bước đánh giá thành phần nhiễu băng thực hệ thống trước thủ tục triệt loại bỏ nhiễu phát sinh Giá trị ngưỡng hiệu chỉnh băng trường hợp có nhiễu xuất KẾT QUẢ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG Công tác thực nghiệm thực qua mạch thu nhận ECG thời gian thực hai đạo trình Hiển thị đồng thời dạng sóng ECG hai đạo trình theo thời gian thực Thuật tốn phát đỉnh R kích hoạt, đỉnh R phát đánh dấu TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 28 - 2021 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ sóng hiển thị Mạch xây dựng mơ tả hình Hình Modul mạch thu nhận ECG thời gian thực hai đạo trình Trong thực nghiệm nhóm tác giả, mạch thu thập tín hiệu điện tim cách ly thời gian thực sử dụng vi xử lý STM32F429ZGT6, điều khiển truyền thông IoT qua QUECTEL EC21, hiển thị kết nối với máy tính thơng qua cổng USB Mạch thiết kế chế tạo bố trí hình Hình Mạch thu thập tín hiệu điện tim cách ly thời gian thực Các giá trị lựa chọn, độ rộng cửa sổ k thiết lập epoch tín hiệu ECG với 300 mẫu, hệ thống lọc thích nghi sử dụng 10 lọc băng để thí điểm giảm nhiễu bất thường Sử dụng điện cực đo chuyển đạo tay trái - tay phải chân trái - tay phải, tín hiệu nhận từ khâu thu thập tín hiệu ECG có chất lượng tương tự thiết bị đo thông dụng… Kết thu sau thử nghiệm đánh giá chất lượng qua độ tương quan tín hiệu ECG với tín hiệu gốc thu nhận qua mạch tín hiệu thực nghiệm qua hệ thống lọc [2], kết thực 10 epoch tín hiệu ECG TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 28 - 2021 19 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Bảng Kết thực 10 epoch tín hiệu ECG Tín hiệu gốc chưa qua lọc ECG qua hệ thống lọc giải thuật thích nghi Giá trị R Giá trị R 0.9745 0.9865 0.9821 0.9936 0.9842 0.9962 0.9878 0.9949 0.9806 0.9897 0.9813 0.9896 0.9647 0.9932 0.9622 0.9894 0.9120 0.9894 10 0.9536 0.9938 Số TT Quá trình đo đạc kiểm tra mạch sản phẩm hình KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Thu nhận tín hiệu ECG chất lượng cao trình phức tạp, với mong muốn làm chủ công nghệ xây dựng thiết bị đo đạc chất lượng cao, giá thành rẻ nhất, an toàn hiệu Mạch đo tín hiệu ECG nhóm tác giả báo thực bảo đảm đầy đủ tiêu chí nêu trên; đồng thời thiết bị xây dựng tích hợp thêm cổng chờ IoT để truyền liệu lên Icloud Hướng phát triển tới nhóm tác giả báo tích hợp hệ đo điện tim với nhiều thông số khác bệnh nhân, đồng thời tiếp tục nghiên cứu giải pháp mạch phần cứng dòng vi xử lý để thiết kế hệ đo nhanh, xác an tồn Hình Tín hiệu ECG hiển thị máy đo sau trình lọc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồng Mạnh Hà, tên luận án: Các phương pháp thích nghi lọc nhiễu tín hiệu điện tim, Viện Cơng nghệ thơng tin, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2011 [2] Bùi Huy Hải, Nghiên cứu hiệu phương pháp kết hợp ICA WT triệt nhiễu tín hiệu y sinh, Tạp chí Khoa học cơng nghệ - Uneti, Vol 8, No.7, pp 38-44, (2015) [3] Junfeng Gao1, Chongxun Zheng1, Pei Wang1, Online Removal of Muscle Artifact from Electroencephalogram Signals Based on Canonical Correlation Analysis, Clinical EEG and Neuroscience, Vol 41, No 1, pp 53-59 (2010) [4] C.C Chiu, B.H Hai, S.J Yeh, and K.Y.K Liao, Recovering EEG Signals: Muscle Artifact Suppression Using Wavelet-Enhanced, Independent Component Analysis Integrated with Adaptive Filter, Biomedical Engineering: Applications, Basis and Communications, Vol 26, No.5, (2014) [5] Simom H, Adaptive Filter Theory, Pearson Education Taiwan, pp.23-25, (2008) Thông tin liên hệ: Bùi Huy Hải Điện thoại: 0946514357 - Email: bhhai@uneti.edu.vn Khoa Điện tử, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 28 - 2021 ... hiển thị Mạch xây dựng mơ tả hình Hình Modul mạch thu nhận ECG thời gian thực hai đạo trình Trong thực nghi? ??m nhóm tác giả, mạch thu thập tín hiệu điện tim cách ly thời gian thực sử dụng vi xử... dụng 16 Mạch phản hồi chân phải (RLD) thành phần quan trọng mạch thu thập tín hiệu ECG; mạch tạo gốc điện cho điện cực khác trình thu thập tín hiệu ECG; giúp cho tín hiệu điện áp vi sai cặp điện. .. thông dụng? ?? Kết thu sau thử nghi? ??m đánh giá chất lượng qua độ tương quan tín hiệu ECG với tín hiệu gốc thu nhận qua mạch tín hiệu thực nghi? ??m qua hệ thống lọc [2], kết thực 10 epoch tín hiệu ECG