Biabaocaotongket doc Bé c«ng th−¬ng viÖn nghiªn cøu ®iÖn tö, tù ®éng, tin häc hãa B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi cÊp bé n¨m 2007 nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o m¸y ®o ®iÖn n∙o Chñ nhiÖm ®Ò tµi Ths trÇn v¨n tuÊ[.]
Bộ công thơng viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa Báo cáo tổng kết đề tài cấp năm 2007 nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo điện no Chủ nhiệm đề tài: Ths trần văn tuấn 6933 04/8/2008 hà nội - 2007 B CễNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA o0o BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN CẤP BỘ NĂM 2007 Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐIỆN NÃO (Mã số: 138.07 RD/HĐ-KHCN) Chủ nhiệm đề tài: Ths Trần Văn Tuấn Hµ néi, 12.2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não TÓM T T Tính c p thi t c a TÀI tài: án “Nghiên c u ch t o s n xu t trang thi t b y t n n m 2010” Trong ã c Th t ng ph phê t quy t nh S : 18/2005/Q -TTg ngày t s n xu t t i Vi t Nam nhi u 21/01/2005 ã ch rõ n n m 2010 c n nghiên c u s n ph m thu c nhóm thi t b th m dò ch c n ng Riêng máy o i n não m i n m c n t i hàng ch c máy, ó vi c nghiên c u, ch t o máy o i n não r t phù h p v i xu th hi n c a ngành y t S n ph m c a tài này, máy o i n não, có th s d ng r ng rãi nhi u b nh vi n n t nh huy n thay th nh p kh u M c tiêu c a n c ta m t ph n tài: Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não v i giá thành phù h p, ng th i áp d ng ph ng pháp x lý tín hi u s vi c nâng cao ch t l ng tín hi u, ng v i s n ph m lo i c a n c tiên ti n t ng D a k t qu ã t c giai o n m t n m 2006 ch t o c máy o i n não d ng ghép n i máy tính, giai o n s thi t k , b sung ch c n ng t o ta m t máy o i n não d ng c l p, hoàn ch nh d a c s công ngh nhúng Tình hình nghiên c u n c: Máy o i n não thi t b t ng i tinh vi t ti n, u ph i mua n c c trang b D i góc ngồi, v y nhi u c s y t c a n c ta hi n v n ch a nghiên c u phát tri n, x lý nhi u cho tín hi u i n não ln thách th c l n nh t, v y m c dù có m t s n v n c ã ch t o th nghi m song ch a thành công không gi i quy t c tốn tín hi u bé (c V ) Trong n m 2006, nhóm th c hi n tài ã gi i quy t thành công vi c x lý tín hi u bé, nghiên c u, ch t o thành công máy o i n não cho ch t l ng t ng ng v i máy ngo i nh p v i phân gi i hi u d ng < 1.5 V Ngoài ph ng pháp ánh giá, phân tích tín hi u i n não c ng ã Tình hình nghiên c u n c làm rõ c ngoài: Xu h ng hi n c a hãng s n xu t máy o i n não ng d ng t i a công ngh m i nh t l nh v c i n t công ngh thông tin t o máy o có s kênh nhi u h n, g n nh h n, nhi u h n, thân thi n v i ng i s d ng h n, c ng nh cung c p nhi u công c ánh giá k t qu tr giúp bác s Các ch tiêu mà nhà s n xu t nh Nicolet, Nihon Kohden, Neurosoft, … t p trung vào nghiên c u phát tri n t ng s kênh u vào, t ng t s tín hi u tài c p b 2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não t p, m r ng d i t n s x lý tín hi u T t c model m i xu t hi n s xu t hi n u s d ng công ngh DSP h p i n c c Vi c u n i gi a h p i n c c máy tính u th c hi n qua USB ho c c ng giao ti p Ethernet i v i ph n m m, ngồi ch c n ng thơng th ng nh hi n th , l u tr , phân tích nh ph , … hãng c ng a nhi u l c ch n cho bác s nh ng tr giúp vi c o, tính tốn, hay t thêm b l c tín hi u s cho t h p tín hi u khác Ph ng pháp nghiên c u: - S d ng quy nh, quy chu n hi n i thi t k , ch t o thi t b o l ng tín hi u sinh h c y t u t t p trung vào linh ki n có ph m ch t t t m i nh t hi n nh ADC Delta Sigma, IC cách ly s , … - L a ch n thích h p module ph n c ng d ng OEM - t o, t p hu n s d ng công c phát tri n h nhúng - Thi t k ph n bi n thi t k N i dung n m 2007: - Nghiên c u kh o sát lo i máy i n não m u có ch c n ng tiên ti n nh t hi n - D a vào k t qu nghiên c u n m 2006, hoàn thi n ph n c ng t o máy o d ng c l p v i 32 kênh tín hi u - Vi t ph n m m giao di n h nhúng - Vi t ch ng trình in u vào b sung khác - Thêm vào m t s - Áp d ng ch c n ng x lý tiên ti n, h tr ch n oán vào máy - Ti n hành m t s phép o ki m nh an toàn - Áp d ng th nghi m t i c s y t tài c p b 2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não VI T T T B: Non-cardiac grounded, Applied Part: Ki u thi t b ti p xúc tr c ti p v i b nh nhân không liên quan n tim m ch mà m t u c n i t BF: Non-cardiac floating, Applied Part: Ki u thi t b ti p xúc tr c ti p v i b nh nhân không liên quan n tim m ch có t n i CF: Ki u thi t b ti p xúc tr c ti p v i b nh nhân có liên quan n i (Cardiac floating, Applied Part) n tim m ch, MD: Medical device (product or equipment) under test: Thi t b y t ã t c ki m tra FE: Function earth: PE: Protective earth: t ch c n ng tb ov NC: Normal conditions: i u ki n th ng SFC: Single fault conditions: i u ki n x y l i nl EEG: Electroencephalograph – máy o i n não tài c p b 2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não M CL C VI T T T CH NG 1: KH O SÁT M T S 1.1 M T S MÁY O I N NÃO 1.2 YÊU C U AN TOÀN CH C L P HI N NAY i v i máy o i n não 12 an toàn i n c a máy o 12 NG 2: HOÀN THI N MÁY O I N NÃO 2.1 CH TIÊU CH T L C L P I V I MÁY O I N NÃO 12 1.2.1 Các ch s an toàn 1.2.2 Các test MÁY O I N NÃO C L P 18 NG C A MÁY O I N NÃO BRAINSCOPE II 19 2.2 HOÀN THI N PH N C NG 19 2.2.1 Hoàn thi n thi t k m ch khu ch i l c: 23 2.2.2 Hoàn thi n ch c n ng o i n tr ti p xúc 26 2.2.3 Thi t k m ch s 28 2.2.4 H p máy tính nhúng: 33 2.2.5 Kh i cách ly: 36 2.3 XÂY D NG PH N M M I U KHI N (FIRMWARE) CHO MÁY O I N NÃO 39 2.3.1 Thi t k ph n m m cho vi x lý 39 2.3.2 X lý tín hi u i n não vi x lý 41 2.3.3 Giao th c truy n thông v i máy tính 44 2.4 XÂY D NG PH N M M TRÊN MÁY TÍNH NHÚNG CHO MÁY O I N NÃO 45 2.4.1 Thi t k t ng th ph n m m i u n máy tính nhúng 45 2.4.2 Module ph n m m ghép n i 48 2.4.3 Module x lý tín hi u 50 2.4.4 Module ph n m m hi n th 52 CH NG 3: TH NGHI M VÀ ÁNH GIÁ K T QU 55 3.1 PH NG PHÁP ÁNH GIÁ 55 3.2 TH NGHI M, ÁNH GIÁ PH N C NG VÀ PH N M M: 55 tài c p b 2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não CH NG 4: K T LU N 62 TÀI LI U THAM KH O 63 tài c p b 2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não M C L C CÁC HÌNH Hình 1-1: Máy o i n não c a Phoenix Clinical Hình 1-2: Máy o i n não c a Biosemi Hình 1-3: Máy o i n não c a Biola 10 Hình 1-4: Máy o i n não c a Neurosoft 10 Hình 1-5: Máy o i n não k thu t s 11 Hình 1-6: Nguyên lý c a h o tín hi u i n não 11 Hình 1-7: o tính liên t c c a t b o v 13 Hình 1-8: Ki m tra i n tr tr cách ly Hình 1-9: Ki m tra i n tr cách ly Hình 1-10: B trí thi t b i v i thi t b l p I 13 i v i thi t b l p II 14 o dòng rò 14 Hình 1-11: o dòng rò d t 14 Hình 1-12: o dòng rò v 15 Hình 1-13: o rị ph n ti p xúc v i b nh nhân v i ph n ti p xúc v i b nh nhân c n i v i 15 Hình 1-14: o dịng rị b nh nhân cho riêng m i ph n ti p xúc v i b nh nhân 16 Hình 1-15: Do dòng d b nh nhân 16 Hình 1-16: Phép o m ng i n l i ph n ti p xúc v i b nh nhân 17 Hình 2-1: Thi t k t ng th máy o i n não 20 Hình 2-2: Thi t k ph n c ng cho máy o i n não 21 Hình 2-3:S Hình 2-4: H p m t kênh khu ch i 21 u n i i n c c 22 Hình 2-5: S c p ngu n 22 Hình 2-6: M i n c c cách m c i n c c theo chu n 10-20 qu c t 23 Hình 2-7: S nguyên lý c a m ch khu ch Hình 2-8: S nguyên lý b l c Sallen-key b c dùng AD4941 26 Hình 2-9 S kh i h ol i 25 ng EEG 26 Hình 2-10 S nguyên lý m ch o tr kháng EEG 27 Hình 2-11 S m ch o tr kháng 27 tài c p b 2007 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não Hình 2-12: S kh i c a vi i u n LPC2194 30 Hình 2-13: D i ng t n s l y m u c a thi t b Hình 2-14: S kh i c a ADS1256 33 o sinh h c 32 Hình 2-15: nh ch p máy tính nhúngTS - 7300 34 Hình 2-16: S u n i máy tính nhúng 36 Hình 2-17: S kh i ch c n ng c a ADUM3402 36 Hình 2-18: S nguyên lý m ch cách ly 37 Hình 2-19: S nguyên lý m ch t o i n áp 5V 3V cho m ch cách ly 38 Hình 2-20: S nguyên lý m ch t o i n áp 5V cho máy tính nhúng 38 Hình 2-21: MSM2012 39 Hình 2-22: S kh i ch c n ng ph n m m vi i u n 40 Hình 2-23 X lý tín hi u i n não vi i u n 41 Hình 2-24 Các b l c ph n c ng 41 Hình 2-25 áp ng t n s b l c thông cao 42 Hình 2-26 Quá trình thu th p x lý d li u 42 Hình 2-27 Th c hi n song song trình thu th p x lý tín hi u 43 Hình 2-28: Giao th c truy n thơng v i máy tính nhúng 44 Hình 2-29:Truy n tin gi a vi x lý máy tính 44 Hình 2-30 S kh i ch ng trình 46 Hình 2-31 C u trúc c a Qtopia cho Linux 47 Hình 2-32 S k th a c a l p DataSource 48 Hình 2-33 S t Hình 2-34 L u ng tác c a l p MyEEGDataSource 49 g i hàm thread (lu ng) c d li u thi t b 50 Hình 2-35 Các plug-in x lý tín hi u 51 Hình 2-36 L c s máy tính 52 Hình 2-37 Quá trình thi t k th c hi n b l c ph n m m máy tính 52 Hình 2-38 S t ng tác c a l p EslabScope 54 Hình 3-1: nh ch p m t c a m ch thi t k 56 Hình 3-2: nh ch p m t d tài c p b 2007 i c a m ch thi t k 57 Nghiên c u, thi t k , ch t o máy o i n não Hình 3-3: nh ch p board m ch h p khu ch Hình 3-4: nh ch p h p khu ch i 57 i tín hi u 58 Hình 3-5: nh ch p h p c p ngu n 58 Hình 3-6: Thí nghi m t i phịng thí nghi m 58 Hình 3-7: Mơ ph ng áp ng t n s c a b l c Sallen-key 59 Hình 3-8: Th nghi m th c t v i b l c Sallen-key b c 59 Hình 3-9: Tín hi u ban u, tín hi u sau l c 50Hz l c thông d i 60 Hình 3-10: M c nhi u 1ksps l i vào h 61 Hình 3-11: M c nhi u 100ksps l i vào h 61 tài c p b 2007 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo điện não CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT MỘT SỐ MÁY ĐO ĐIỆN NÃO ĐỘC LẬP 1.1 MỘT SỐ MÁY ĐO ĐIỆN NÃO ĐỘC LẬP HIỆN NAY Các hãng sản xuất máy đo điện não có xu hướng ứng dụng tối đa công nghệ lĩnh vực điện tử công nghệ thông tin để tạo máy đo có số kênh nhiều hơn, gọn nhẹ hơn, nhiễu hơn, thân thiện với người sử dụng hơn, cung cấp thêm nhiều công cụ trợ giúp bác sĩ Các thiết kế sử dụng công nghệ DSP hộp điện cực Việc đấu nối hộp điện cực máy tính thực qua USB cổng giao tiếp Ethernet Đối với phần mềm, ngồi chức thơng thừơng hiển thị, lưu trữ, phân tích ảnh phổ, … hãng đưa nhiều lựa chọn cho phép trợ giúp bác sĩ việc đo, tính tốn, hay đặt thêm lọc tín hiệu số cho tổ hợp tín hiệu khác Có nhiều chủng loại máy đo điện não thị trường với cấu trúc hình dạng khác Chúng tơi tiến hành khảo sát máy đo điện não đa kênh số hãng Biola, Nicolet, Phoenix Clinical, Biosemi, Nihon Kohden, Phsylab, Neurosoft … Về thiết kế phần cứng, máy đo điện não thường sử dụng công nghệ ADC SAR 16 bit Mitsar, Biola, Nihon Kohden Phsylab Biosemi sử dụng công nghệ ADC delta sigma nhằm làm tăng số lượng kênh độ phân giải Theo khảo sát, máy đo điện não đại loại máy đo điện não kỹ thuật số, với ưu việt hẳn máy đo điện não tương tự sử dụng trước thực phép đo điều kiện thường, sử dụng thuật tốn xử lý tín hiệu số, tín hiệu số hóa lưu máy tính, tiết kiệm khơng gian lưu trữ, điều khiển từ xa thơng qua mạng máy tính, tự động khắc phục sơ suất kỹ thuật viên… Cấu trúc máy đo điện não kỹ thuật số có phần sau: điện cực (tiếp xúc trực tiếp với bệnh nhân); phần mạch bảo vệ; phần khuếch đại; khuếch đại lọc (bậc thấp); chọn kênh; ADC; vi điều khiển; phần nguồn cách ly; cách ly quang; truyền nhận liệu với máy tính qua cổng truyền thơng RS232 USB Có kiểu thiết kế chủ yếu là: hộp điện cực máy tính khối, hộp điện cực máy tính nhúng tách riêng Phần lớn, máy đo điện não hãng đáp ứng yêu cầu sau: Đề tài cấp 2007 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo điện não - Độ nhạy 1-500uV/mm - Phạm vi đầu vào 16 bit - Mức nhiễu 100M W - Giao tiếp thông qua USB Erthernet - Đáp ứng chuẩn an tồn điện IEC60601 1.2 U CẦU AN TỒN ĐỐI VỚI MÁY ĐO ĐIỆN NÃO Mỗi thiết bị dùng y tế phải thỏa mãn yêu cầu nghiêm ngặt độ an toàn điện Muốn đưa vào sử dụng, thiết bị cần phải kiểm tra mức độ đáp ứng theo chuẩn an toàn điện Các tiêu chuẩn chung độ an toàn điện nêu chi tiết chuẩn IEC 60601-1, đồng thời test cần thiết để bảo vệ chống nguy hiểm điện Bảng tóm tắt dịng rị giới hạn (mA) theo chuẩn IEC60601-1(xuất lần 2) cho hầu hết test Hầu hết thiết bị thời sử dụng bệnh viện thiết kế theo chuẩn Dòng rò (mA) Đất Đất cho thiết bị cố định Vỏ Bệnh nhân Mạng điện lưới phần tiếp xúc với bệnh nhân Dòng dư bệnh nhân Type B NC SFC 0.5 Type BF NC SFC 0.5 Type CF NC SFC 0.5 10 10 10 0.1 0.1 0.5 0.5 0.1 0.1 0.5 0.5 0.1 0.01 0.5 0.05 5 0.05 0.05 0.1 0.5 0.01 0.05 0.1 0.5 Bảng 1:Điện áp giới hạn cho thiết bị điện y tế Đề tài cấp 2007 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đo điện não CHƯƠNG 2: HOÀN THIỆN MÁY ĐO ĐIỆN NÃO ĐỘC LẬP Trong đề tài năm 2006, thực nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công máy đo điện não BrainScope I có đầy đủ tính máy đo điện não đại Để đạt mục tiêu nghiên cứu, chế tạo máy đo điện não đạt chất lượng tương đương với sản phẩm hãng tiếng, dần thay thiết bị ngoại nhập, năm 2007, tiếp tục tiến hành nghiên cứu, thiết kế, hoàn thiện bổ sung số chức cho máy đo điện não thiết kế năm 2006 2.1 CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA MÁY ĐO ĐIỆN NÃO BRAINSCOPE II Dựa vào kết đạt năm 2006 kết khảo sát máy đo điện não số hãng tiếng nêu phần I, đồng thời để đạt mục tiêu nâng cao chất lượng máy đo điện não, đáp ứng đầy đủ yêu cầu máy đo tiên tiến, tương đương với sản phẩm hãng tiếng, có khả dần thay máy ngoại nhập, máy đo điện não thiết kế đề tài cần đạt tiêu chất lượng sau: · Số kênh đầu vào 32 kênh · Dải tín hiệu đầu vào