Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo sóng âm cơ thể phổ rộng phục vụ chẩn đoán bệnh hô hấp

2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGUYỄN HOÀNG LÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO SÓNG ÂM CƠ THỂ PHỔ RỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN BỆNH HƠ HẤP NGUYỄN HOÀNG LÂM 2016 - HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO SÓNG ÂM CƠ THỂ PHỔ RỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN BỆNH HƠ HẤP NGUYỄN HỒNG LÂM CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 852.0203 GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng hướng dẫn khoa học GS TS Nguyễn Đức Thuận Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 01 năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Hoàng Lâm i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ biết ơn chân thành sâu sắc tới GS TS Nguyễn Đức Thuận – Thầy giáo trực tiếp hướng dẫn trực tiếp tơi, người hết lịng hỗ trợ giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn thạc sĩ Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô giảng viên Khoa đào tạo sau đại học - Trường Đại học Mở Hà Nội tận tình dạy dỗ hướng dẫn cho tơi suốt q trình học tập thạc sĩ trường Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè chia sẻ, giúp đỡ tơi học tập thời gian thực nghiên cứu đề tài Mặc dù cố gắng hồn thành luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót Kính mong nhận cảm thơng, bảo tận tình q thầy bạn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 01 năm 2019 NGƯỜI THỰC HIỆN Nguyễn Hồng Lâm ii TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, hệ thống đo âm sinh học lâm sàng yêu cầu công cụ y khoa tương lai Trong khuôn khổ đề tài này, luận văn tập trung giải vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo cảm biến đo sóng âm thể phổ rộng phục vụ chẩn đốn bệnh hơ hấp Tai nghe phổ rộng để đo âm thuộc phổ từ hạ âm đến siêu âm nhằm phục vụ tốt công tác khám chữa bệnh Những liệu lâm sàng âm hệ thống hô hấp sở liệu phong phú phục vụ cho công tác đào tạo bác sĩ y khoa hữu hiệu Đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ ống nghe điện tử đại thương mại nay, phân tích ưu nhược điểm, xây dựng giải pháp thiết kế đề xuất mơ hình thiết kế với cấu hình khí truyền âm Luận văn, khuôn khổ nghiên cứu tiếp cận công nghệ loại bỏ nhiễu đồng thời thử nghiệm phân tích để đưa cơng cụ có tính trực quan cao, minh chứng tín hiệu hữu ích cho chẩn đốn Luận văn dựa việc khảo sát từ công bố khoa học làm sở nghiên cứu sử dụng tiếp cận tảng phân tích để đưa thơng số kỹ thuật cần đạt sản phẩm Các vật liệu truyền âm, vị trí đặt cảm biến, mơi trường dẫn sóng cấu hình khí tai nghe lựa chọn tính tốn dựa lý thuyết sóng âm Khảo sát phổ đáp ứng tần số tồn dải đo mong muốn thí nghiệm vật lý với nguồn phát xung chuẩn cho đầu vào tai nghe để đánh giá chất lượng tai nghe theo định lượng Luận văn nghiên cứu khả tồn sóng hạ âm siêu âm thể đưa mô hình chng với vật liệu nhơm silicone để thiết kế tai nghe điện tử Tai nghe điện tử có độ nhạy tín hiệu điện túy cỡ 80 dB so với nhiễu điện áp hệ thống thơng qua hính thức triệt tiêu nhiễu từ độ ồn mơi trường Những thí nghiệm để kiểm tra phổ đáp ứng tần thử nghiệm người bệnh người tình nguyện khỏe mạnh thực môi trường Bệnh viện Luận văn tin thông qua thí nghiệm thực tế, tai nghe điện tử hoàn toàn khả thi cho ứng dụng lâm sàng Bệnh viện iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii DANH MỤC BẢNG, HÌNH .v PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: VAI TRỊ CỦA SĨNG ÂM TRONG CHẨN ĐỐN Y HỌC 11 1.1 Nguồn gốc sóng âm thể 11 1.2 Phổ độ lớn sóng âm thể 16 1.3 Chẩn đốn y học dựa vào sóng âm .19 1.4 Những giới hạn ống nghe truyền thống 20 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU CHUYỂN ĐỔI SÓNG ÂM – TÍN HIỆU ĐIỆN .23 2.1 Lợi tín hiệu điện 23 2.2 Vật liệu ceramic 25 2.3 Vật liệu piezoelectric polymer 28 2.4 Tính tốn độ nhạy giải pháp kỹ thuật 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẢM BIẾN ỐNG NGHE VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 36 3.1 Nhiễu sóng âm SNR tín hiệu .36 3.2 Thiết kế mơ hình cảm biến ống nghe 40 3.3 Lựa chọn vật liệu phương pháp chế tạo .43 3.4 Chế tạo mẫu cảm biến ống nghe 43 3.5 Thí nghiệm đo tín hiệu sóng âm 44 3.6 Thí nghiệm với sóng âm thể 46 3.7 Biểu diễn phổ động sóng âm thể .49 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 iv DANH MỤC BẢNG, HÌNH Bảng 1: Các thông số kỹ thuật cảm biến CM-01B .32 Bảng 2: Mức nhiễu âm môi trường 38 Hình 1: Laennec ca khám bệnh kỷ 18 .12 Hình 2: Ống nghe Laennec viện bảo tàng khoa học London 13 Hình 3: Ống nghe Golding Bird sản xuất Nhật Bản vào cuối kỷ 18 14 Hình 4: Ống nghe Leared 15 Hình 5: Phổ âm tim sườn trái động mạch vành 17 Hình 6: Phổ hệ hộ hấp 18 Hình 7: Cấu trúc tinh thể gốm oxit truyền thống 26 Hình 8: Hệ số suy giảm vật liệu gốm áp điện 27 Hình 9: Phổ vật liệu gốm áp điện .28 Hình 10: Cấu trúc mạch vòng PVDF dạng alpha (trái) beta (phải) .29 Hình 11: Cấu trúc nhiều lớp vật liệu PVDF .30 Hình 12: Phổ ngưỡng nghe tai người 31 Hình 13: Cảm biến CM-01B thực tế .33 Hình 14: Mạch điện khuyếch đại bên cảm biến 34 Hình 15: Phổ đáp ứng tần số cảm biến công bố nhà sản xuất 34 Hình 16: Sơ đồ nguyên lý triệt nhiễu âm tích cực 40 Hình 17: Sơ đồ tổng quan hệ thống ống nghe điện tử 41 Hình 18: Bản vẽ 3D tai nghe điện tử .42 Hình 19: Mẫu hệ thống hồn chỉnh với chuông tai nghe chế tạo nhôm silicone 44 Hình 20: Đáp ứng tần số cảm biến với loa gốm áp điện 45 Hình 21: Đáp ứng tần số cảm biến với loa máy tính 45 Hình 22: Mẫu sóng âm tiếng thở bình thường 47 Hình 23: Mẫu sóng âm bệnh nhân viêm phế quản .48 Hình 24: Mẫu âm bệnh nhân hen 49 Hình 25: Biểu diễn Fourier ngắn phổ mẫu âm người khỏe mạnh 52 v Hình 26: Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp người khỏe mạnh .52 Hình 27: Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp người khỏe mạnh .53 Hình 28: Biểu diễn mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 54 Hình 29: Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 54 Hình 30: Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 55 Hình 31: Biểu diễn mẫu âm bệnh nhân hen 56 Hình 32: Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hơ hấp mẫu âm bệnh nhân hen 56 Hình 33: Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân hen 57 vi PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, bên cạnh mặt tích cực xã hội phát triển nước ta, mặt trái nhiễm nguồn nước khơng khí, vốn mơi trường sống cho cư dân Những ô nhiễm nguồn nước gây tác hại ung thư, đường ruột, khơng khí nhiễm dẫn đến bệnh hơ hấp Đặc biệt nghiêm trọng tỷ lệ nhiễm bệnh hô hấp người trưởng thành lần trẻ em tăng năm gần đây, tốc độ công nghiệp hóa thị hóa diễn nhanh chóng Theo nghiên cứu gần Bộ Y Tế, báo cáo rằng, tỷ lệ ca mắc bệnh hơ hấp tăng lên chóng mặt, chiếm số cao so với loại bệnh khác Điển hình, năm 2007, ước tính tỉnh Nam Định Phú Thọ cho thấy thiệt hại chi phí khám chữa bệnh mặt bệnh hô hấp tăng lên đến 295.000 đồng/người năm Tại Hà nội 1.538 đồng/người/ngày TPHCM số 729 đồng/người/ngày Những bệnh hô hấp chủ yếu ảnh hưởng đến đối tượng trẻ em lứa tuổi nhi đồng hậu sơ sinh (từ tháng đến tuổi) Thực tế cho thấy khoa nhi bệnh viện thuộc Sở Y Tế Hà Nội Bệnh viện Nhi Trung Ương hàng ngày tiếp nhận ca cấp cứu, khám chữa bệnh cho bệnh nhân nhi đến mức tải Chưa kể phòng khám tư nhân chứng kiến cảnh bác sĩ phải làm thêm Tại Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức, khơng phải bệnh viện có đặc thù chun mơn riêng khám chữa bệnh điều trị cho nhi khoa, số bệnh nhân nhi hô hấp, thường bị tải lượng bệnh nhân lớn đăng ký khám bệnh Mỗi ngày, nhi khoa bệnh biện phải tiếp nhận trăm ca hô hấp Đối với bênh hô hấp, để sàng lọc bệnh lý, phương pháp nghe âm phổi, phế quản tai nghe truyền thống công cụ hữu hiệu, bên cạnh đó, bác sĩ cần kiểm tra xét nghiệm máu chụp phim X-Quang để xác định chắn Sở dĩ thủ tục cần bác sĩ định viêm đường hơ hấp ngày khơng cịn ngun nhân vi khuẩn mà virus gây Tuy nhiên, thời điểm năm mùa bệnh dịch, virus phát triển lây lan nhanh chóng, năm, đa phần, trẻ em bị mắc bệnh hô hấp thời tiết thay đổi đột ngột cách sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện chênh lệch nhiệt độ nhà ngồi trời Với khơng khí nhiễm, nhiệt độ, mơi trường bị thay đổi đột ngột ngun nhân dẫn đến niêm mạc đường hơ hấp bị tổn thương sở cho vi khuẩn thâm nhập để tạo nên viêm loét Đối với bác sĩ kinh nghiệm, việc phán đốn tình nguyên nhân gây bệnh bỏ qua khâu xét nghiệm chụp chiếu phức tạp Những đối tượng bệnh nhân xác định viêm đường hô hấp họng, phế quản, phổi thời điểm khơng có dịch bệnh định kháng sinh mà không thiết phải thông qua xét nghiệm chẩn đốn hình ảnh Những bệnh nhân bị viêm đường hơ hấp ln có âm đặc trưng mà bác sĩ chuyên khoa kinh nghiệm nghe nhận dạng Tuy nhiên, biểu lâm sàng thơng qua tín hiệu âm không rõ, bác sĩ cần đến hỗ trợ chẩn đốn hình ảnh xét nghiệm máu Độ nhạy tai người thấp so với thiết bị điện tử, vốn có khả khuyếch đại tín hiệu lên triệu lần, với độ phân giải cao, tín hiệu hồn tồn quan sát Đối với trường hợp bệnh nhân chớm viêm, tai bác sĩ khơng nghe bất thường, thiết bị khuyếch đại điện tử làm điều Bên cạnh vấn đề độ nhạy, tín hiệu điện tử cho phép số hóa cách dễ dàng công nghệ phổ biến với giá thành rẻ Những liệu số sử dụng làm hồ sơ bệnh án điện tử, thuận tiện cho việc theo dõi điều trị, tiến triển bệnh tật, làm sở để tốn viện phí bảo hiểm rõ ràng Bên cạnh việc phục vụ tốt công tác khám chữa bệnh, liệu lâm sàng âm hệ thống hô hấp sở liệu phong phú phục vụ cho công tác đào tạo bác sĩ y khoa hữu hiệu, nghe trực tiếp phương tiện multimedia, công cụ trực quan mà ống nghe truyền thống khó làm Qua đồ thị trên, cho thấy cảm biến CM-01B hoạt động với dải tần rộng Các đồ thị thu đáp ứng tần số loa Nguồn âm từ loa gốm loa máy tính cho thấy tần số tập trung từ 700 Hz đến kHz loa điện tập trải phổ lớn hơn, từ Hz đến 6500 Hz Loa gốm khơng thể có phổ rộng loa điện, vật liệu có độ cứng trở kháng âm lớn nên phổ chúng hẹp Loa điện cho thấy phát âm tần phổ hạ âm Tuy nhiên, với loa điện, âm tần siêu phát được, đó, với nguồn siêu âm thể rõ loa gốm 3.6 Thí nghiệm với sóng âm thể Sau thí nghiệm với phổ số nguồn âm kiểm chứng tính xác phép đo cụ thể với loa gốm loa điện Thiết bị thí nghiệm trực tiếp với người tình nguyện mơi trường phịng thí nghiệm Những sinh viên tham gia phép thí nghiệm áp tai nghe vào lưng vị trí tương ứng với vị trí lâm sàng phổi Âm thu được, số hóa lưu giữ phần mềm máy tính Cơng cụ để quan sát dao động âm đồ thị Luận văn tập trung hướng ứng dụng nghiên cứu cho bệnh hô hấp, mặt bệnh thường gặp Việt Nam, đặc biệt bệnh nhân nhi khoa Hình 22, mơ tả sóng âm người tình nguyện, với tình trạng lâm sàng khỏe mạnh Đồ thị âm thanh, dễ thấy có đặc trưng sau: - Có tính lặp lại, sóng âm lặp lại có chu kỳ rõ Như hình vẽ thể hiện, số chu kỳ lặp lại - Ở chu kỳ có pha rõ rệt, pha với búp sóng có biên độ lớn tiếng thở chu kỳ hơ hấp, chu kỳ hít vào có búp sóng với biên độ nhỏ chút nằm sau chu kỳ thở - Đối với người bình thường khỏe mạnh, chu kỳ thở đặn chu kỳ lặp lại, khơng có thêm âm khác - Chu kỳ thở có tần số khoảng đến 2.5 giây, tương ứng 1/2 lần nhịp tim 46 Hình 22: Mẫu sóng âm tiếng thở bình thường Đối với bác sĩ, việc nhận dạng sóng âm bệnh tiêu chí hàng đầu với ống nghe Để kiểm nghiệm khả ống nghe, luận văn kết hợp đo bác sĩ bệnh nhân Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức, sau thực phép đo để thu tín hiệu âm số, bác sĩ nghe lại với ống nghe truyền thống đánh giá chất lượng âm Kết bác sĩ chuyên khoa nhận định có chất lượng tốt âm nghe trực tiếp nhiều đồng thời đặc trưng thể rõ Hình 23 biểu diễn mẫu sóng âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ Sự khác biệt dựa đồ thị dao động sóng âm có đặc trưng sau: - Giữa chu kỳ thở, xuất âm chèn vào lộn xộn - Nhịp thở không phân biệt rõ nhịp thở người tình nguyện viên khỏe mạnh - Các búp sóng lớn bé tương ứng với nhịp hít vào thở khơng rõ ràng, biên độ lúc cao, lúc thấp - Các âm chèn có biên độ khơng đồng 47 Hình 23: Mẫu sóng âm bệnh nhân viêm phế quản Những biểu đặc trưng âm bệnh, tình trạng nhẹ, ví dụ chớm bệnh, khó phát thơng qua nghe trực tiếp Chính vậy, bác sĩ thường đặt tình vào vòng nghi ngờ để thẩm định lại nghi ngờ Chụp X-Quang xét nghiệm máu u cầu định để kết luận xác Tuy nhiên, có cơng cụ phân tích thông qua đồ thị số phép biến đổi khác Tín hiệu bệnh thấy rõ ràng Hình 24 biểu diễn mẫu âm bệnh nhân bị hen Các bệnh nhân bị hen thường phế quản khí quản bị hẹp trường hợp phế nang to Như vậy, hít vào thở bệnh nhân ln có cản trở cản trở tạo âm đặc biệt, từ việc vận tốc luồng khí bị tăng giảm đột ngột, tạo tiếng rít, chu kỳ nhịp thở không đặn Đặc trưng nhịp khơng thấy lặp lại Biên độ sóng thay đổi bất thường 48 Hình 24: Mẫu âm bệnh nhân hen Ở mẫu âm thẩm định bác sĩ chuyên khoa nhận xét đánh giá Những đặc trưng tương ứng công nhận kiểm chứng với ống nghe truyền thống bác sĩ sử dụng Mặc dù mẫu âm biểu diễn đồ thị tương đương với đặc trưng mà bác sĩ nghe được, khó phát trích tần số mà xuất mẫu âm Song bản, biểu đồ biến thiên theo thời gian có giá trị sơ khởi định kết hợp với phép nghe trực tiếp từ loa máy tính tín hiệu đo 3.7 Biểu diễn phổ động sóng âm thể Những đặc trưng mà bác sĩ nghe bao gồm dấu hiệu sau: - Sự tuần hoàn: dấu hiệu tín hiệu lặp lại, hầu hết dấu hiệu lâm sàng bệnh nhân có dấu hiệu lặp lại Thay thu thập tín hiệu lặp lại khoảng thời gian ngắn, tín hiệu sốt bệnh lý phải lặp lại thời gian dài mà không giống với tín hiệu người bình thường - Tần số quan sát: Đối với hầu hết bệnh lý, khác biệt tần số lạ khoảng thời gian đối tượng để khảo sát Các bác sĩ dùng tai để lắng nghe tần số lạ khoảng thời gian định Tuy nhiên 49 tần số khó nhận biết thông qua khoảng liệu ngắn thu thập khoảng thời gian chừng vài chục giây - Mật độ sóng âm xuất hiện: Sóng âm bao hàm nhiều sóng âm có tần số khác Những tần số khác với biên độ khác mạng lại đặc trưng âm mà phân bố tần số góp phần làm cho đặc trưng tín hiệu rõ nét - Sự phân biệt bác sĩ: Các bác sĩ chuyên môn, dựa phân bố tần số biên độ tần số đo xuất khoảng thời gian định để xác định đặc trưng âm Những đặc trưng âm nghe xác định khác biệt mà không lưu tâm đến thống số định lượng, khiến bác sĩ tỏ chẩn đoán dựa định tính âm Với cơng cụ phân tích phổ tín hiệu phép biến đồi Fourier, xuất tần số thành phần khuôn khổ thời gian định khơng thể nhìn thấy thay đổi phân bố tần số âm theo thời gian Chính phân bố âm tần theo thời gian đặc trưng mà phép phân tích âm cần quan tâm Phép phân tích dựa biến đổi Fourier tồn dải phổ khơng thể xác định tần số có mặt liệu âm thu Hầu hết liệu thu phân tích theo dạng xuất sóng âm có phổ nghe thấy âm tần xuất Sự xuất sóng âm, hay nói xác âm tần khoảng thời gian có chu kỳ định đặc trưng âm Với phép phân tích phổ Fourier tồn miền tần số, lặp lại này, hay nói xác tần số tạo nên đặc trưng không xuất toàn dải phổ mà khoảng thời gian định Sự biến đổi phân bố theo thời gian gọi đặc tính động tần số theo thời gian Đây đặc trưng tín hiệu âm Bản thân phép biến đổi Fourier tồn miền tần số khơng cho phép quan sát tần số thành phần âm thể đặc trưng Sự 50 biến đổi theo thời gian mật độ phonnon theo thời gian, khiến người ta gán cho tên „Phổ Động“ Tất tín hiệu truyền thống thay đổi theo thời gian đặc tả danh từ „động“ nghĩa mật độ âm tần âm thay đổi theo thời gian mà khơng cố định theo mơ hình Để quan sát phân bố tần số trạng thái xuất tần số khoảng thời gian định, công cụ biến đổi Fourier theo khoảng thời gian ngắn công cụ để theo dõi biến động tân số theo thời gian mà đặc tưng âm „Phổ Động“ Phương pháp biến đổi Fourier cho phép người quan sát nhìn tần số xuất vào khoảng thời gian Mật độ phân bố khoảng thời gian tạo nên không gian tần số thời gian, đó, 2D để nhận dạng kiểu phân bố tín hiệu theo kiểu hình ảnh trực quan Những khó khăn định lượng nghe tín hiệu biểu diễn định lượng kiểu Fourier ngắn xác định Hình 25 biểu diễn phân tích phổ động mẫu âm hô hấp người khỏe mạnh thơng qua mẫu đo người tình nguyện thể đồ thị hình 22 Để thể biên độ sóng, nhóm nghiên cứu đề tài ống nghe kỹ thuật số sử dụng phần mềm để biểu diễn tần số, biên độ tín hiệu thời gian xuất tín hiệu Cơng cụ thường thấy spectrogram tín hiệu Với liệu thu được, thấy, phân bố tín hiệu tập trung khoảng đến kHz búp sóng theo thời gian thể rõ Mức tín hiệu với tần số cao xuất khoảng 10 Hz đến 200 Hz Hình 26 biểu diễn trục biên độ tần số xuất tín hiệu Mặt khác hình chiếu 27 biểu diễn phân bố biên độ theo thời gian mẫu tín hiệu âm hơ hấp Hình chiếu cho thấy biên độ cao -40 dB với quy chiếu tín hiệu 1V theo tín hiệu thực thu (mV), chu kỳ tín hiệu khơng có thay đổi đáng kể ngồi nhịp sau phép đo, kể từ giây thứ 7.5 trở Trước (từ giây thứ đến giây thứ 7.5) tín hiệu có phần phân bố hỗn loạn số nhiễu ban đầu đặt tai nghe vào thể nhiễu dịch chuyển đầu đo gây 51 Hình 25: Biểu diễn Fourier ngắn phổ mẫu âm người khỏe mạnh Hình 26: Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hơ hấp người khỏe mạnh 52 Hình 27: Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp người khỏe mạnh Hình 28 biểu diễn mẫu spectrogram bệnh nhân viêm phế quản nhẹ Ở mẫu âm thấy tần số cao âm xuất nhiều theo chu kỳ hít thở vào giống âm có chu kỳ người tình nguyện khỏe mạnh Các tần số cao kéo dải đến cỡ kHz so với 800 Hz người bình thường Với tai người, phát khó khăn cơng cụ phân tích spectrogram dễ dàng Bên cạnh đó, khía cạnh so sánh búp sóng cao tần xuất nhiều so với búp sóng tần số cao người khỏe mạnh Những dấu hiệu mở hướng nghiên cứu với bệnh nhân dễ dàng nhiều mà bác sĩ không cần phải lắng nghe phân biệt nhận dạng âm cách khó khăn Cơng cụ spectrogram cung cấp cách nhìn chiều chiều theo trục thời gian, tần số biên độ tín hiệu Tỷ lệ tín hiệu theo thời gian tần số xuất đặc trưng cần nghiên cứu số lớn bệnh nhân 53 Hình 28: Biểu diễn mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ Hình 29: Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 54 Hình 30: Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ Tương tự mẫu âm người tình nguyện khỏe mạnh người bệnh viêm phế quản cấp độ nhẹ Hình 31 biểu diễn spectrogram người bị hen Thấy rõ chênh lệch phân bố tần số biên độ tín hiệu spectrogram Bệnh nhân có nhịp thở với tiếng rít lên tới 1.5 kHz có biên độ lớn -30 dB Trong chu kỳ khác, nhịp thở có biên độ thấp hơn, kHz biên độ cỡ -40 dB Phân bố theo thời gian thấy nhịp chu kỳ không xuất đặn, tương ứng với đồ thị mẫu âm gồm búi lớn búi nhỏ âm Những bệnh nhân hen bệnh nhân có độ hẹp khí quản dị thường thường viêm phổi phế quản mãn tính, niêm mạc họ khơng thể hồi phục được, đó, lượng khí qua hệ thống hơ hấp thể thể không đồng đều, phụ thuộc vào phản ứng thể Đối với bệnh nhân hen, vùng thắt hệ thống khí quản sưng phồng, luồng khí vào khó khăn, thở gặp trở ngại Do tần số cao xuất thở hít vào có độ chênh biên độ rõ rệt Đối với bác sĩ, đặc tính âm rõ 55 rệt phân biệt tai khơng khó khăn Nhưng spectrogram cho thấy Hình 31: Biểu diễn mẫu âm bệnh nhân hen Hình 32: Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân hen 56 Hình 33: Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân hen Có thể nói số liệu thu thơng qua thí nghiệm kiểm nghiệm với minh họa spectrogram bên cạnh tai nghe nhận dạng đặc trưng âm bác sĩ xác nhận Tai nghe thiết kế dựa cảm biến âm- quang CM-01B thể đầy đủ khác biệt mẫu âm Những khác biệt phân tích theo nhiều chiều để thể phân tích mẫu 57 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Với mơ hình theo ống nghe y tế truyền thống đạt tỷ lệ tín tạp đạt xấp xỉ cỡ 20 đến 40 dB với việc ứng dụng phương pháp cách ly nhiễu môi trường Ống nghe điện tử tổ chức bao gồm tai nghe (Bell) tín hiệu qua lọc tích cực điện tử sử dụng mạch analog Tín hiệu đưa vào máy tính thơng qua module số Vật liệu lựa chọn để thiết kế chuông tai nghe trụ cố định cảm biến nhôm Vật liệu silicone mơi trường kết nối sóng âm truyền từ thể người đến cảm biến vật liệu có trở kháng âm tương đồng với mô sinh học thể Silicone tạo khuôn chuông với lớp film mỏng dầu ăn để lấy khối silicone Số liệu thu thơng qua thí nghiệm kết thực nghiệm kiểm nghiệm việc minh họa spectrogram nhận dạng đặc trưng âm bác sĩ xác nhận 58 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu hiệu ứng – điện, chuyển đổi dao động – điện từ vật liệu gốm âm- điện đến PVDF Thông qua phân tích đặc thù tín hiệu âm thể chế hoạt động phận sinh học thể người, đề tài khả tồn sóng hạ âm siêu âm thể Thông qua mô hình khí ống nghe truyền thống lập luận dựa lý thuyết truyền sóng âm, luận văn đưa mơ hình chng với vật liệu nhơm silicone để thiết kế tai nghe điện tử Tai nghe điện tử có độ nhạy tín hiệu điện túy cỡ 80 dB so với nhiễu điện áp hệ thống thơng qua hình thức triệt tiêu nhiễu từ độ ồn môi trường, luận văn đề xuất mơ hình thiết kế để có tỷ lệ tín tạp đạt 80 dB Những số liệu phân tích spectrogram đa thể minh chứng ước lượng Bên cạnh khía cạnh chế tạo thử nghiệm lý thuyết, thí nghiệm để kiểm tra phổ đáp ứng tần thử nghiệm người bệnh người tình nguyện khỏe mạnh thực môi trường Bệnh viện Số liệu bên cạnh phân tích cơng cụ spectrogram xác nhận bác sĩ chuyên khoa Luận văn tin thơng qua thí nghiệm thực tế, tai nghe điện tử này, cấu hình thiết kế trình bày hồn tồn khả thi cho ứng dụng lâm sàng Bệnh viện 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rutledge, G.; Carbeck, J.; Lacks, D Modeling the Electrical Properties of Polymers; Technical Papers of the Annual Technical Conference-Society of Plastics Engineers Incorporated; Society Of Plastics Engineers Inc.: Indianapolis, IN, USA, 1996; pp 2163–2166 [2] Damian Sofsian, "An Introduction to Stethoscopes", Ezine Articles, August 2005 [3] James Karki, “Analysis of the Sallen-Key Architecture”, Texas Instruments, September 2002 [4] Jim Karki, “Active Low-Pass Filter Design”, Texas Instruments, October 2000 [5] Thomas Kugelstadt, “Active Filter Design Techniques”, Op Amp for Everyone (Ron Mancini.) Texas Instruments Incorporated, 2002, pp 285-348 [6] Robert Boylestad, Louis Nashelsky, “Operational Amplifiers”, Electronic Devices And Circuit Theory Seventh Edition, Prentice Hall, 1972, pp 609-647 [7] Semmlow, Johb & Rahalkar, Ketaki (2007) Acoustic Detection of Coronary Artery Disease Annual review of biomedical engineering 449-69 10.1146/annurev.bioeng.9.060906.151840 [8] Murrill S, Scanlon M 2001 Design for heart sound extraction algorithm for an acoustic based health monitoring system Prog Rep Access No ADA409127, ArmyRes Lab Adelphi, Stress Physiol Med Facil., Equipm Supplies, Maryland [9] Kroli M 1987 Heart sound sensor U.S Patent No 4672976 [10] Niu, J., Cai, M., Shi, Y., Ren, S., Xu, W., Gao, W., Luo, Z., … Reinhardt, J M (2019) A Novel Method for Automatic Identification of Breathing State Scientific reports, 9(1), 103 doi:10.1038/s41598-018-36454-5 60