Nghiên ứu thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh ơ thể phụ vụ hẩn đoán hệ hô hấp

Tơi xin cam đoan tồn 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

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

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 Đứ , được c

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./

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 điệ ửn t trong y t và l i th cế ợ ế ủa 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 kh i t ng quan c a h th ng 14ố ổ ủ ệ ố 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.H ệthống ph n m m 54ầ ề CHƯƠNG 4: MẪU ÂM THANH HÔ H P VÀ PHÂN TÍCH 56Ấ 4.1.Thu th p m u thí nghi m 56ậ ẫ ệ 4.2.Biểu diễn phổ động của sóng âm cơ thể 59

KẾ T LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KH O 69Ả

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo tai người 4

B ng 1.2 M i liên h gi a t n s và tả ố ệ ữ ầ ố ỷ l ệ năng lượng c a âm phát ra t tim bình ủ ừthường 5

B ng 2.1 Các thông s k ả ố ỹthuật chính c a h ủ ệthống 13

B ng 2.2 Các thông s k ả ố ỹthuật củ ảa c m bi n CM-01B 28 ế

B ng 2.3 H s Butterworth 32 ả ệ ố

B ng 2.4 Giá tr các thành ph n trong m ch sau tính toán 36 ả ị ầ ạ

B ng 2.5 H s khuả ệ ố ếch đại của m ch tính theo lý thuy t 38 ạ ế

B ng 2.6 M t vài thông s c a Arduino Uno R3 43 ả ộ ố ủ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 ng nghe y t Ố ếthế ệ đầ h u 7 Hình 1.2 ng nghe y t Ố ếloại truyền th ng 8 ốHình 1.3 Ống nghe điệ ửn t Thinklabs One 9 Hình 1.4 Ống nghe điệ ử 3M™ Littmann Model 3200n t 11 Hình 2.1 Sơ đồ kh i c a h th ng 14 ố ủ ệ ốHình 2.2 Hàm truyền đạ ủt c a m t s b l c 16 ộ ố ộ ọHình 2.3 Mạch lọc thông cao th ng RC 17 ụ độHình 2.4 Mạch lọc thông th p tích c c 18 ấ ựHình 2.5 Bộ ọ l c thông th p c u trúc Sallen-Key dấ ấ ạng sơ đồ ổ t ng quát 19 Hình 2.6 Bộ ọ l c thông th p c u ấ ấ trúc đa hồi ti p MFB 20 ếHình 2.7 Sự tương ứng c a m ch lủ ạ ọc thông th p và mấ ạch lọc thông cao 21 Hình 2.8 Đường đáp ứng t n s c a m t m ch l c thông cao 21 ầ ố ủ ộ ạ ọHình 2.9 Bộ ọ l c thông cao b c 2 cấu hình Sallen-Key d ng t ng quát 22 ậ ạ ổHình 2.10 Mạch lọc thông cao b c 2 c u hình Sallen-Key d ng rút g n 22 ậ ấ ạ ọHình 2.11 Xây dựng b l c bậộ ọ c cao bằng phương pháp ghép tầng 23 Hình 2.12 Đáp ứng t n s c a các b l c Butterworth thông th p b c cao 24 ầ ố ủ ộ ọ ấ ậHình 2.13 Ký hiệ ủu c a m ch khuạ ếch đại thu t toán 24 ậHình 2.14 Mạch khuếch đại không đảo cơ bản 26 Hình 2.15 Hình d ng c m bi n CM-01B th c t 27 ạ ả ế ự ếHình 2.16 Sơ đồ nguyên lý bên trong c a c m bi n CM-01B 28 ủ ả ếHình 2.17 Đáp ứng t n s ầ ố đặc trưng của c m bi n 29 ả ếHình 2.18 Đáp ứng t n s c a c m bi n v i loa g m áp đi n 30 ầ ố ủ ả ế ớ ố ệHình 2.19 Đáp ứng t n s c a c m bi n v i loa máy tính 30 ầ ố ủ ả ế ớHình 2.20 IC khuếch đại âm thanh Opam 2134 31 Hình 2.21 Tổng quan b l c thông cao tích c c b c 4ộ ọ ự ậ 31 Hình 2.22 Thiết kế ộ ọ b l c thông cao tích c c b c 4ự ậ 33 Hình 2.23 Đáp ứng t n s c a b l c thông cao 34 ầ ố ủ ộ ọHình 2.24 Mạch ti n khuề ếch đại với G = 5 35 Hình 2.25 Tổng quan b l c thông th p tích c c b c 4ộ ọ ấ ự ậ 35 Hình 2.26 Bảng giá tr các h s b l c Butterworth 36 ị ệ ố ộ ọHình 2.27 Thiết kế ộ ọ b l c thông thấp tích c c bự ậc 4 37

Hình 2.28 Đáp ứng t n s c a bộ ọầ ố ủ l c thông th p 37 ấ Hình 2.29 Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) 38 Hình 2.30 Đáp ứng t n s c a m ch khuầ ố ủ ạ ếch đạ ới v i G khác nh 39 au Hình 2.31 Mạch cộng điện áp 40 Hình 2.32 Kết quả thí nghi m m ch DC offset 41 ệ ạ 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 b ng ph n m m Labview 44 ằ ầ ề Hình 2.36 Bộ ọ l c thông d i trong Labview 44 ả Hình 2.37 Đáp ứng t n s c a b l c thông d i 45 ầ ố ủ ộ ọ ả Hình 2.38 Chương trình để nghe tr c ti p 45 ự ế Hình 2.39 Chương trình lưu trữ ữ ệ d li u 46 Hình 3.1 Hệ ố th ng hoàn ch nh 47 ỉ Hình 3.2 Mạch tương tự ủ c a hệ ố th ng 48 Hình 3.3 Tín hiệu sau m ch l c thông cao 49 ạ ọ Hình 3.4 Phổ tín hi u sau m ch lọc thông cao 49 ệ ạ Hình 3.5 Tín hiệu sau m ch ti n khu ch đ i 50 ạ ề ế ạ Hình 3.6 Phổ tín hi u sau m ch tiềệ ạ n khuếch đại 50 Hình 3.7 Tín hiệu sau m ch l c thông th p 51 ạ ọ ấ Hình 3.8 Phổ tín hi u sau m ch lọệ ạ c thông th p 51 ấ Hình 3.9 Tín hiệu sau m ch khuạ ếch đại lần 1 52 Hình 3.10 Phổ tín hi u sau m ch khu ch đ i lần 1 52 ệ ạ ế ạ Hình 3.11 Tín hiệu sau m ch khuạ ếch đại lần 2 53 Hình 3.12 Phổ tín hi u sau m ch khu ch đ i lần 2 53 ệ ạ ế ạ Hình 3.13 Tín hiệ ại đầu t u ra mạch tương tự 54 Hình 3.14 Phổ tín hi u t i đ u ra mệ ạ ầ ạch tương tự 54 Hình 3.15 Giao diện trên ph n m m 55 ầ ề Hình 4.1 Mẫu sóng âm ti ng th ế ở bình thường 56 Hình 4.2 Mẫu sóng âm c a bệủ nh nhân viêm ph qu n 57 ế ả Hình 4.3 Mẫu âm thanh c a m t bệnh nhân hen 58 ủ ộ Hình 4.4 Biểu di n Fourier ng n c a ph m u âm thanh c a ngư i kh e m nh 61 ễ ắ ủ ổ ẫ ủ ờ ỏ ạ Hình 4.5 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hi u c a mẫệ ủ u âm thanh hô h p c a ngư i 62 ấ ủ ờ

kh e m nh 62 ỏ ạ

Hình 4.6 Hình chi u T n s - ế ầ ố Thời gian c a m u âm thanh hô h p củ ẫ ấ ủa người khỏe

m nh 62 ạHình 4.7 Biểu di n c a m u âm thanh b nh nhân viêm ph qu n nh 63 ễ ủ ẫ ệ ế ả ẹHình 4.8 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hi u c a m u âm thanh hô h p c a m u âm ệ ủ ẫ ấ ủ ẫthanh bệnh nhân viêm ph qu n nh 64 ế ả ẹHình 4.9 Hình chi u T n s - ế ầ ố Thời gian c a m u âm thanh hô h p c a m u âm ủ ẫ ấ ủ ẫthanh bệnh nhân viêm ph qu n nh 64 ế ả ẹHình 4.10 Biểu di n c a mẫễ ủ u âm thanh b nh nhân hen 65 ệHình 4.11 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hi u c a m u âm thanh hô h p c a m u âm ệ ủ ẫ ấ ủ ẫthanh bệnh nhân hen 66 Hình 4.12 Hình chi u T n s - ế ầ ố Thời gian c a m u âm thanh hô h p c a m u âm ủ ẫ ấ ủ ẫthanh bệnh nhân hen 66

LỜI NÓI ĐẦU

Phương pháp thính chẩn hay còn g i là chọ ẩn đoán dựa trên âm thanh t phát ự

của cơ thể đã đượ ử ục s d ng trong vi c khám, ch a b nh t r t lâu và tr thành công ệ ữ ệ ừ ấ ở

c truy n th ng trong ngành y t S n b ụ ề ố ế ựtiế ộ trong ngành điệ ửn t và v t liậ ệu đã gợi ý cho nh ng ng d ng mà các thi t b y t truy n th ng có th ữ ứ ụ ế ị ế ề ố ể được thay th hoàn ếtoàn b ng nh ng thi t b k u t s ằ ữ ế ị ỹ th ậ ố tương đương Ống nghe điệ ửn t là m t trong ộ

nh ng ng dữ ứ ụng như vậy Vi c s d ng ệ ử ụ ống nghe điệ ử giúp các bác sĩ có thể lưu n t trữ các tín hi u lâm sàng c a b nh nhân thành nh ng bệ ủ ệ ữ ệnh án điệ ử ạo điền t , t u ki n ệ

d dàng theo dõi và chễ ẩn đoán đối v i nh ng b nh nhân v m c b nh mãn tính ớ ữ ệ ị ắ ệ

Đồng th i nh ng tín hiờ ữ ệu đó cũng dễ dàng khuếch đại b ng nh ng b khuằ ữ ộ ếch đại điệ ử ớ ộn t v i đ nh y và t l tín trên t p cao ạ ỷ ệ ạ

Bên cạnh đó dựa trên nh ng tín hi u lâm sàng k ữ ệ ỹ thuậ ố đã thu thập được, t s

nh ng phép phân tích s d ng các biữ ử ụ ến đổi toán học dể nh n dậ ạng đặc trưng tín hiệu cũng dễ dàng th c hi n d a trên các thuự ệ ự ật toán cài đặt trên máy tính Các công c ụnhư vậy đã được phát tri n b i các công ty s n xu t thi t b y t Tuy nhiên, s ph c ể ở ả ấ ế ị ế ự ứ

tạp, giá cao, đồng th i tính ờ đóng trong công nghệ là rào cản đối v i các phát tri n ớ ểĐây chính là lý do cản tr ng nghe k thu t s thâm nh p vào Vi t Nam Xu t phát ở ố ỹ ậ ố ậ ệ ấ

t ừ ý tưởng thi t l p m t h ế ậ ộ ệthống m ở ban đầu để ạ t o nên t ng phát tri n các công c ả ể ụchẩn đoán trong tương lai, luận văn này đề xu t nghiên c u thi t k h th ng m ấ ứ ế ế ệ ố ởcho thi t b ế ị ống nghe điệ ửn t D a trên n n t ng ph n c ng c a thi t b này các h ự ề ả ầ ứ ủ ế ị ệ

s c a b l c s ố ủ ộ ọ ẽ được hi u ch nh tệ ỉ ối ưu, và hỗ trợ thiế ết k các s n ph m ph n c ng ả ẩ ầ ứBên cạnh đó, thuật toán phân tích tín hi u ệ cũng sẽ ễ dàng đượ d c phát tri n khi d ể ữliệu thô được lưu trữ dướ ại d ng s nhố ở ững định d ng file có th ạ ể được m b ng ở ằnhi u mã ngu n m ề ồ ở

Để hoàn thành được đề tài này, đầu tiên em xin được bày t lòng biỏ ết ơn sâu

s c nh t t i th y giáo TS Trắ ấ ớ ầ – ịnh Quang Đức đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ

t n tình trong quá trình thậ ực hiện đề tài

Xin cảm ơn tấ ảt c các th y cô trong b ầ ộ môn Điệ ử ộn t , b môn Kỹ thuật Y Sinh – Viện Điện T Truyử ền Thông đã tạo điều kiện trong quá trình làm đề tài

Cuối cùng, xin g i l i c m ơn tớ ạử ờ ả i b n bè trong l p 17BKTYS, các b n cùng ớ ạphòng thí nghiệm đã nhiệt tình giúp đỡ cũng như khích lệ trong su t th i gian làm ố ờ

đề tài

Đề tài được th c hi n là nh ng k t qu nghiên cự ệ ữ ế ả ứu độ ậc l p và không sao chép

ở ấ ỳ đâu b t k

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Luận văn này trình bày v thi t k h th ng thu nh p tín hiề ế ế ệ ố ậ ệu âm thanh cơ thể

ph c v ụ ụchẩn đoán hệ hô h p V i mấ ớ ục đích tạo ra m t thi t b ộ ế ị đơn giản, có h ỗtrợ

m r ng ng d ng, g n nh và chi phí th p, h ở ộ ứ ụ ọ ẹ ấ ệthống được phát triển để nghe trực tiếp âm thanh của cơ thể và có th ể lưu lại dướ ạng file, điềi d u chỉnh được m c âm ứlượng và hi n th tín hiể ị ệu âm thanh trên đồ ị Đầ th u vào là c m bi n CM-01B Tín ả ế

hiệu đầu ra c a c m bi n khá nh ủ ả ế ỏ chỉ kho ng vài ch c mV, th m chí vài mV tùy ả ụ ậthuộc vào từng người Do đó, tín hiệu cần đượ ọc l c nhi u và khuễ ếch đại Ở đây, hệthống s d ng 2 b l c thông cao và 1 b l c thông thử ụ ộ ọ ộ ọ ấp để thu tín hi u trong d i ệ ả

t n t 5Hz - 40kHz, k t h p v i các t ng khuầ ừ ế ợ ớ ầ ếch đại để thu được tín hiệu đầu ra có biên độ ằ n m trong kho ng 0-5V, phù h p v i khoả ợ ớ ảng điện áp ADC H s khu ch ệ ố ế

đại là 100 dB v i t l tín trên tớ ỷ ệ ạp là 27 dB Hơn nữa, do tín hi u có c thành phệ ả ần điện áp âm, nên c n s d ng thêm c mầ ử ụ ả ạch offset để điều ch nh mỉ ức điện áp phù

h p x ợ Để ử lý, nghe và lưu trữ, chương trình Labview được dùng vì có nhi u lề ợi thế Tín hiệu đầu ra có biên độ kho ng 4V Tín hi u t p trung lả ệ ậ ớn hơn ở ả ần 0 đế d i t n 5 KHz, gi m d n khi t n s ả ầ ầ ố tăng Hệ thống cũng đã được th nghi m, t ử ệ ừ đó kết lu n ậ

h ệthống hoàn toàn có th ể đáp ứng các yêu cầu để nghe, lưu trữ và x lý d u âm ử ữliệthanh thu đượ ừ cơ thểc t

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

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

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

Âm thanh của cơ thể đã được s dử ụng như một bi u hi n lâm sàng cể ệ ủa cơ thể

và ng dứ ụng trong y khoa như là một phương tiện chẩn đoán Ống nghe y t t lâu ế ừ

đã đượ ức ng dụng để thăm khám nhi u b ph n sinh h c khác nhau cề ộ ậ ọ ủa cơ thể Có thể ể đế k n nhi u nh t là nghe tim và ph i Ngoài ra ng nghe còn có th ề ấ ổ ố ể được dùng

để thăm khám hệ tiêu hóa, m ch máu và tim thai Tuy nhiên mạ ức độ khuếch đại b ị

gi i h n cùng các ngu n âm thanh nhi u t ớ ạ ồ ễ ừ môi trường cũng là những c n tr ả ở đối

v i vi c nghe âm thanh cớ ệ ủa cơ thể để khám bệnh Do đó, ống nghe truy n thề ống không th ể nghe được nh ng tín hi u nh ữ ệ ỏ

Trước khi chi c ng nghe xu t hiế ố ấ ện, các bác sĩ thường phải đặt tai tr c ti p ự ếvào ng c bự ệnh nhân để nghe nhịp tim Điều này khá b t ti n cho c b nh nhân và ấ ệ ả ệbác sĩ, đặc biệt là đố ớ ệi v i b nh nhân là ph nụ ữ Vào năm 1816, tạ ệi b nh vi n Necker ệ

ở Pháp, bác sĩ Rene Laennec đã sáng chế chi c ế ống nghe thô sơ đầu tiên trong l ch ị

s y khoa khi khám b nh cho m t thi u n mử ệ ộ ế ữ ắc bệnh tim [2]

ống nghe v i hai tai nghe và tr thành ng nghe chuớ ở ố ẩn đã được các bác sĩ sử ụ d ng

để khám b nh lúc b y gi Việ ấ ờ ệc nghe được bằng 2 tai đã giúp các bác sĩ có cảm giác nghe rõ hơn nhờ ự ổ s b sung c a c ủ ả 2 màng rung nhĩ, tuy nhiên, kích thước cơ khí

c a bu ng củ ồ ộng hưởng chưa đượ ối ưu Năm 1961, phiên bản ốc t ng nghe ph biổ ến

nh t hiấ ện nay đã ra đời do tiến sĩ David Littmann sáng tạo [2] ng nghe cỐ ủa Litmann ngoài kh ả năng khuếch đại cao hơn, còn cho phép giảm thiểu được nh ng ữ

t p âm t ạ ừ môi trường Để nghe âm thanh có t n s ầ ốthấp, ngườ ử ụi s d ng ch c n nh ỉ ầ ẹnhàng để màng nghe ti p xúc trên vùng c n nghe, v i âm thanh có t n s ế ầ ớ ầ ố cao, người

s d ng ch c n n nh màng nghe ử ụ ỉ ầ ấ ẹ

Ống nghe y t có nhi u lo i ph thu c vào t ng cách phân lo i Ph bi n nh t ế ề ạ ụ ộ ừ ạ ổ ế ấ

là ống nghe hai tai, và bu ng cồ ộng hưởng có th ể được ch t o thành m t m t hay ế ạ ộ ặhai m t Các b ph n cặ ộ ậ ủa ống nghe g m phồ ần loa dùng để nghe âm thanh có t n s ầ ốthấp, phần màng dùng để nghe âm thanh có t n s cao, nhi u ống nghe không có ầ ố ề

ph n loa mà ầ chỉ có ph n màng ng d n truyầ Ố ẫ ền âm thanh thông thường là lo i mạ ột

ống b ng nh a plastic, cao su, hoằ ự ặc siliconeđược ch tế ạo để ố ố n i ng nghe v i tai ớnghe, t m t ngu n âm là ừ ộ ồ ống nghe, âm thanh được chia theo 2 đường để đế n 2 tai

nghe Lo i hai ạ ống có độ nh y d n truyạ ẫ ền âm thanh cao hơn nhưng do có thể ọ c vào nhau nên gây nhi u khi nghe khám bễ ệnh Tai nghe thường làm b ng cao su hoằ ặc

nh a plastic g n vào c n tai nghe áp sát v a l tai, cự ắ ầ ừ ỗ ần tai nghe được n i vố ới ống

d n truyẫ ền âm thanh đồng thời làm giá đỡ cơ ọ h c cho ống nghe Ưu điểm c a các ủống nghe truyền th ng này là có th ố ể nghe được âm thanh tr c ti p v i chự ế ớ ất lượng

t t, giá thành th p và ti n d ng Tuy nhiên, ng nghe không có kh ố ấ ệ ụ ố ả năng ghi lại được âm thanh Hình 1.2 cho th y hình nh th c t c a m t chi c ng nghe truy n ấ ả ự ế ủ ộ ế ố ềthống

V i s phát tri n c a ngành khoa h c v t li u, nhi u lo i v t li u vớ ự ể ủ ọ ậ ệ ề ạ ậ ệ ới tính năng

đặc bi t có th chuyệ ể ển đổi các dạng năng lượng v t lý t dậ ừ ạng ko điện sang tín hi u ệđiện.V t li u piezoelectric là m t trong nh ng ki u v t liậ ệ ộ ữ ể ậ ệu như vậy, nó cho phép chuyển đổi bi n dế ạng cơ học sang điện áp Nh ờ đó, có thể ạ t o ra các c m bi n ả ếchuyển đổi áp điện Thông qua chuyển đổi áp điện, những dao động cơ như âm thanh có th ể được ghi lại dưới d ng tín hiạ ệu điện Vì s ự ra đời và ti n b c a k ế ộ ủ ỹthuậ ốt s , nh ng tín hiữ ệu điện analog có th đư c s ể ợ ố hóa và lưu trữ trên máy tính

ho c các thi t b ặ ế ị lưu trữ ỹ k thuậ ố Ống nghe điệ ử ra đờt s n t i kh c ph c nh ng hắ ụ ữ ạn

chế ủ c a ống nghe truy n th ng b i s cho phép ghi và nghe l i nh ng tín hi u âm ề ố ở ự ạ ữ ệthanh của cơ thể Ống nghe điệ ử n t yêu c u chuyầ ển đổi các sóng âm thanh sang tín

hiệu điện, sau đó có thể được khuếch đại và x ử lý để giảm thi u nhiể ễu môi trường,

do đó tăng chất lư ng cợ ủa âm thanh, đồng th i cho phép tái t o âm thanh trung th c ờ ạ ựthông qua b chuyộ ển đổi DAC Bên cạnh đó, việc s hóa tín hiố ệu cũng cho phép áp

d ng nh ng thu t toán s x lý và phân tích tín hiụ ữ ậ ố để ử ệu để tách các đặc trưng giá trị

Vì các âm thanh được truyền qua đường dẫn sóng là dây điện hoặc sóng điện t , ừ

m t chiộ ếc ống nghe điệ ửn t có th là m t thi t b không dây, có th là thi t b ghi ể ộ ế ị ể ế ị

âm, và có th gi m ti ng ể ả ế ồn, tăng cường tín hi u Ngoài các thi t b ph n c ng, vệ ế ị ầ ứ ới

kh ả năng giao tiếp k thu t s , nh ng chiỹ ậ ố ữ ếc ống nghe điệ ử ra đờn t i hiện nay đều đi kèm v i ph n m m trên máy tính ho c trên các thi t b ớ ầ ề ặ ế ị điện tho i thông minh, máy ạtính bảng để có th ể lưu trữ ho c xử ặ lý trực tiếp các thông tin thu nhận được

Hình 1.3 gi i thi u m t chiớ ệ ộ ếc ống nghe điện t thông minh c a hãng ử ủThinklabs – ộ m t hãng khá n i tiổ ếng trong lĩnh vực nghiên c u, kinh doanh ng nghe ứ ốđiệ ử Ưu điển t m l n nh t c a ớ ấ ủ ống nghe điện t là có th ử ể lưu lại được âm thanh đã nghe đổng th i x lý b ng các thu t toán s ờ ử ằ ậ ố để tăng độ nhạy đo lường B ng vi c ằ ệnày, bác s có th d dàng nghe l i khi c n thi t và thu n lỹ ể ễ ạ ầ ế ậ ợi hơn trong công việc chẩn đoán và theo dõi diễn ti n c a bế ủ ệnh lý và tiên lượng phác đồ điều tr ng ị Ốnghe điệ ửn t còn có th ể điều chỉnh được âm lượng, r t thích hấ ợp để thăm khám cho

s ố lượng b nh nhân l n và khi thính lệ ớ ực của các bác sĩ suy giảm theo th i gian h s ờ ệ ốkhuếch đạ ủa ối c ng nghe có th ể được điều chỉnh để bác sĩ nghe rõ hơn Cùng với

kh ả năng lựa ch n kho ng t n s c n nghe, có th ọ ả ầ ố ầ ể đưa ra những phân tích và đánh giá k ỹ lưỡng hơn nhờ kh ả năng nghe lặ ạp l i nhi u l n Vi c hi n th ề ầ ệ ể ị âm thanh dưới

d ng tín hiạ ệu điện giúp các bác s s d ng d dàng và trỹ ử ụ ễ ực quan hơn Bên cạnh đó,

việc lưu trữ và nghe l i các bi u hi n lâm sàng cạ ể ệ ủa âm thanh cơ thể là m t trong ộ

nh ng tr ữ ợ giúp đắ ực l c cho việc đào tạo các y bác sĩ nhờkhả năng trực quan c a tín ủ

hi u m u Tóm l i, việ ẫ ạ ệc ra đời ống nghe điệ ửn t là m t c i ti n thích h p v i yêu ộ ả ế ợ ớ

c u và b i c nh công ngh ầ ố ả ệ trong lĩnh vực y tế, giúp đạt được s ựhiệu qu và chính ảxác 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 h c nói ọchung và trong lĩnh vực chẩn đoán nói riêng bởi ph n ng c a nó cho bi t hi n ả ứ ủ ế ệtượng sinh học trong cơ thể ủ c a những cơ quan nội khoa M c dù s chặ ự ẩn đoán định lượng thông qua âm thanh cơ thể là rất khó khăn, tuy nhiên định tính c a âm thanh ủ

cơ thể cũng cho biết được cơ bản nh ng bi u hi n lâm sàng nghi v n T nh ng ữ ể ệ ấ ừ ữnghi vấn này, căn cứ vào nh ng kinh nghiữ ệm đã đúc kế ủt c a y khoa và bác sĩ, phác

đồ điều tr s có th đư c quyị ẽ ể ợ ết định ngay sau khi nghe âm thanh cơ thể ho c sau ặkhi c n b sung thêm nhầ ổ ững giám định định lượng khác như xét nghiệm máu ho c ặchẩn đoán hình ảnh V i xu th phát tri n trí tu nhân t o và phân tích s l n d ớ ế ể ệ ạ ố ớ ữ

liệu, các h ốệ th ng nghe, thu thập âm thanh trong cơ thể ngườ ần đượi c c quan tâm hơn, bởi nh ng âm thanh d li u phong phú s là nên tữ ữ ệ ẽ ảng để có th ti n hành ể ếnghiên c u các kứ ỹ thuật phân tích định lượng khác cũng như tạo ra những bác sĩ ảo

nh ờ được hu n luy n trên t p d u l n T i các b nh vi n ấ ệ ậ ữ liệ ớ ạ ệ ệ ở Việt Nam hi n nay, ệcác ống nghe truy n th ng về ố ẫn được các bác s ỹ ưu tiên lựa chọn để ử ụ s d ng b i giá ởthành r ẻ và tính đơn giản của nó Đối v i các thi t b ớ ế ị điện tử, các bác sĩ vần phải được đào tạo thêm nh ng ki n thữ ế ức cơ bản v về ật lý âm thanh cơ thể người và các

dải phổ ần quan sát do đó phứ ạp hơn các công cụ c c t truy n th ng Các h ề ố ệthống thu thập âm thanh, ống nghe điệ ửn t 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 ử ụ s d ng D n t i, ẫ ớcác h ệ thống điệ ử này còn chưa đượ ử ụn t c s d ng ph bi n ổ ế ở nước ta Nhưng trong tương lai, với xu hướng c a công ngh , vi c nh ng thi t b ủ ệ ệ ữ ế ị ống nghe điệ ử như thến t này s d n thay th các ng nghe truy n thẽ ầ ế ố ề ống và được các bác s tin dùng trong ỹ

một tương lai gần

Trên th giế ới đã có rất nhi u hãng n i ti ng v ề ổ ế ề thiế ế ống nghe điệ ử như t k n t Thinklabs hay Littmann… Thiết b c a các hãng này sị ủ ớm đã khẳng định được tên tuổ ủi c a mình trên toàn c u Tuy nhiên giá thành c a thi t b và vi c ph i mua công ầ ủ ế ị ệ ảngh phát tri n b gi i h n b i hãng là m t trong nh ng nguyên nhân c n tr việ ể ị ớ ạ ở ộ ữ ả ở ệc trang bị nh ng thiữ ết bị như thế này trong các b nh vi n Vi t Nam ệ ệ ở ệ

1.4 n t

Đố ới v i nh ng s n ph m thữ ả ẩ ương mại, d ng sóng c a tín hiạ ủ ệu được thu và ghi trực ti p lên máy tính b ng các ph n m m c a hãng cung c p, ph c v mế ằ ầ ề ủ ấ ụ ụ ục đích nghe, khám cho b nh nhân Vi c can thi p vào ph n mệ ệ ệ ầ ềm để trích xu t các d u ấ ữliệ

s hố ầu như là không thể vì lý do b n quyả ền Chúng thường là các h thệ ống đóng

M c dù m t vài hãng s n xu t có cung c p ph n m m chuyên dặ ộ ả ấ ấ ầ ề ụng để có th lể ấy được các d li u t máy, tuy nhiên vì th ữ ệ ừ ế chi phí cũng tăng lên Ngoài ra, việc thực

hiện cũng khó khăn ở ộ m t vài khía cạnh như đào tạo, h hay bỗtrợ ảo dưỡng,dẫn đến

vi c ti p cệ ế ận để trích xu t các d u s g p nhiấ ữ liệ ố ặ ều khó khăn, phụ thuộ ấc r t nhiều vào các hãng s n xu ả ất

1.3.Mục tiêu của đề tài

Vì nh ng lý do trên, m t h ữ ở ộ ệ thống m thu th p âm thanh t ở ậ ừ cơ thể ph c v ụ ụchẩn đoán hệ hô h p ấ được đề xu t thi t ch và ch t o th nghi m Thi t b ph i ấ ế ế ế ạ ử ệ ế ị ả

đảm b o hoả ạt động ổn định, s dử ụng đơn giản, tính cơ động cao và đặc bi t là giá ệthành r Nẻ hư là một yêu c u không th ầ ểthiếu, các d u thu thữliệ ập đượ ừc t thiế ịt b

ph nghe ải được trực ti p âm thanh cế ủa cơ thể và có th ể lưu lại dướ ạng file, điều i dchỉnh được mức âm lượng và hi n th tín hiể ị ệu âm thanh trên đồ ị để th ph c v phân ụ ụtích và nghiên cứu sâu hơn Với nh ng k t qu thu thữ ế ả ập được, luận văn sẽ ử ụ s d ng

k thu t phân tích spectrogram là m trong nh ng k ỹ ậ ộ ữ ỹthuật ph bi n trong phân tích ổ ế

âm thanh để quan sát d i t n s ả ầ ố và đặc trưng của những âm thanh thu được trong quan sát các h ệthống hô h p cấ ủa cơ thể người Để trích xuất được nh ng tín hi u ữ ệ

âm thanh b nh lý, nh ng m u âm thanh hô h p cệ ữ ẫ ấ ủa người tính nguy n kh e m nh ệ ỏ ạ

và b nh nhân s ệ ẽ được thu th p và phân tích th nghiậ ử ệm

So sánh phân b t n s biố ầ ố ến đổi theo th i gian trong m t phút nh ng s kháờ ộ ữ ự c

bi t c a âm thanh hô h p c a mệ ủ ấ ủ ột người bình thường và nh ng b nh nhân có nh ng ữ ệ ữ

bệnh lý liên quan đến h hô hệ ấp như viêm phế qu n, viêm ph i s ả ổ ẽ được ch ra Trên ỉthự ếc t , nh ng âm thanh mang tín hi u bữ ệ ệnh cũng được các bác sĩ dễ dàng nh n ậthấy n u bi u hi n bế ể ệ ệnh là rõ ràng Nhưng đối v i nh ng b nh nhân có bi u hi n ớ ữ ệ ể ệkhông rõ ràng, ví d ụ như những ca ch m m c b nh, nh ng bi u hi n b nh lý và ớ ắ ệ ữ ể ệ ệngay c âm thanh hô hả ấp cũng không rõ ràng Với thính lực của các bác sĩ, khả năng phân bi t có th ệ ể không xác định được Với phương pháp trích xuất tín hi u, nh ng ệ ữ

bi u hi n ch m bể ệ ớ ệnh được hy v ng có th phát hiọ ể ện 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 kh i t ng quan c a h th ng ố ổ ủ ệ ố

Sơ đồ kh i c a h thố ủ ệ ống được mô t ả ở hình 2.1 bên dưới V ề cơ bản, h th ng ệ ốđược chia là 2 kh i rõ r t: khố ệ ối điệ ử tương tự đượn t c thi t k nh m mế ế ằ ục đích lọc nhi u và khuễ ếch đại tín hi u, kh i s ệ ố ố được s dử ụng để ấ l y m u và chuyẫ ển đổi tín

hi u t ệ ừ tương tự sang s và truyố ền vào máy tính Để thực hi n b l c thông dệ ộ ọ ải như

đã đề ậ c p trong ph n 2.1.1, ầ ở đây, luận văn sử ụ d ng 2 b l c thông cao và thông ộ ọthấp để thu tín hi u trong d i t n t 5Hz 40kHz Tín hiệ ả ầ ừ – ệu đầu ra c a c m bi n khá ủ ả ế

nh ỏchỉ kho ng vài ch c mV, ả ụ thậm chí vài mV tùy thu c vào tộ ừng người Yêu cầu

đặt ra là ph i thi t k các t ng khuả ế ế ầ ếch đại để thu được tín hiệu đầu ra có biên độ

n m trong kho ng 0-5V, phù h p v i khoằ ả ợ ớ ảng điện áp ADC Như vậy v i c h s ớ ỡ ệ ốkhuếch đại 100 dB, bo khuếch đạ ần đượi c c chia làm 2 t ng khuầ ếch đại Hơn nữa,

do tín hi u có c thành phệ ả ần điện áp âm, nên c n s d ng thêm c mầ ử ụ ả ạch offset đểđiều ch nh mỉ ức điện áp phù h p ợ

Mạch tương tự

kh i c a h th ng

Hình 2.1 th hi n các t ng l c và khuể ệ ầ ọ ếch đạ ủi c a mạch điện Đầu vào là cảm

bi n CM-01B, tín hiế ệu ra đượ ọc l c thông cao v i t n s cớ ầ ố ắt fc1 = 5Hz, sau đó được khuếch đại v i m ch ti n khuớ ạ ề ếch đại 5 l n Ti p t c l c thông th p s d ng mầ ế ụ ọ ấ ử ụ ạch

l c tích c c có t n s c t fc2 = 40kHz, tín hiọ ự ầ ố ắ ệu sau đó được khuếch đại 2 t ng kầ ết

h p thêm l c thông cao Cu i cùng, m ch DC offset có nhi m v ợ ọ ố ạ ệ ụ nâng biên độ ủa ctín hiệu phù h p v i d i ADC 0-5V thông qua vi c đi u ch nh bi n tr Tín hiợ ớ ả ệ ề ỉ ế ở ệu đầu

ra c a mủ ạch tương tự được k n i tr c ti p t i c ng vào ADC cết ố ự ế ớ ổ ủa Arduino đểchuyển đổi tín hiệu tương tự sang d ng s Các tín hi u s ạ ố ệ ố sau đó sẽ được x lý (lử ọc

s ), hi n th ng thố ể ị đồ ời lên màn hình cũng như nghe trực tiếp và lưu trữ ằ b ng ph n ầ

m m Labview trên máy tính ề

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

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

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 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 M ch l c thông th p tích c c

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

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:

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.:

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:

Từ phương trình (2.2), thay K = ,FSF fc = , Q =

, ta tính được công thức của hàm truyền sẽ là [5] :

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

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 S ng c a m ch l c thông th p và m ch l c 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:

ng t n s c a m t m ch l c 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 B l c thông cao b c 2 c u hình Sallen-Key d ng t ng 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:

Trong khi thiết kế, nhiều trường hợp ta cần đơn giản hóa mạch đề phù hợp với yêu cầu đặt ra Bằng cách cho giá trị α = 1, cho các giá trị tụ điện C1 = C2 = C, ta sẽ thu được một mạch lọc cấu hình Sallen Key dạng rút gọn như Hình 2.10 dưới đây:-

Khi đó, hàm truyền đạt của mạch lọc này sẽ có dạng đơn giản như sau:

R 1 = (2.7)

Như vậy, trong mục vừa rồi, ta đã tìm hiểu được sơ đồ thiết kế, tính toán hàm

truyền đạt và các hệ số của một mạch lọc thông thấp bậc 2 theo cấu hình

Sallen-Key Những giá trị tính toán này sẽ được sử dụng và trình bày chi tiết hơn trong

phần thiết kế khối bộ lọc thông cao bậc 4

Trong thực tế, có nhiều ứng dụng yêu cầu độ dốc đường đặc tính tần ở dải

chắn lớn Khi đó, bộ lọc thông bậc cao được sử dụng Để thiết kế bộ lọc bậc cao, ta

sử dụng phương pháp ghép tầng, bằng cách mắc nối tiếp các bộ lọc bậc 1, bậc 2 lại

Khi đó, hệ số của các bộ lọc riêng lẻ sẽ được xác định theo từng loại bộ lọc

Butterworth, Tschebyscheff hay bộ lọc Bessel

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

ng t n s c a các b l c Butterworth thông th p b c 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

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 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 + ) 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 M ch khu n

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+ ) (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 thi t k các m ch khuế ế ạ ếch đại và m ch lạ ọc được xem là khâu quan tr ng ọ

nh t trong h ấ ệ thống mạch ống nghe điệ ửn t Mục đích của các m ch khuạ ếch đại và

m ch l c là khuạ ọ ếch đại các tín hiệu đầu vào có biên độ ấ r t nh ỏ lên điện áp đủ ớ l n để

có th ể đưa vào khối ADC, đồng th i lo i b ờ ạ ỏ được một lượng l n các lo i nhi u ớ ạ ễtrước khi x lý s ử ố Đầu tiên, ta ph i dùng m t kh i c m biả ộ ố ả ến để thu nh n tín hi u ậ ệtrước khi x lý chúng ử

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

C m bi n CM-ả ế 01B được c u t o t v t li u piezo film, g m các t m m ng ấ ạ ừ ậ ệ ồ ấ ỏPVDF (Polyvinylidene fluoride piezoelectric film) C m biả ến này có độ nh y cạ ực cao, nhiễu môi trường thấp để thu được âm thanh chất lượng, lý tưởng cho vi c thu ệtín hi u t ệ ừ cơ thể Ưu điểm c a CM-01B là có kh ủ ả năng hoạt động d i thông r ng, ở ả ộ

độ nh y cao, s c b n t t, trạ ứ ề ố ọng lượng nh ẹ cũng như giá thành hợp lý CM-01B biến đổi độ rung t mừ ặt cao su phía trước thành tín hiệu điện, thu n lậ ợi để ử x lý tín hi u ệtrong các mạch điệ ử Dưới đây là bản t ng các thông s chính c a c m bi n CM-01B ố ủ ả ế

nguyên lý bên trong c a c m bi n CM-01B

C m bi n CM-01B biả ế ến đổ ừi t dao d ng sóng âm thành tín hiộ ệu điện Cảm

bi n này g m 3 dây: 2 dây ngu n và 1 dây tín hi u ra CM-01B hoế ồ ồ ệ ạt động trong dải điện áp m t chi u t ộ ề ừ 4V cho đến 30V, thông thường là 5V Đối với điện áp càng cao, độ nh y c a c m bi n s ạ ủ ả ế ẽ 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 hi u sóng ệ

âm thành tín hiệu điện Khi đầu vào là núm cao su b ị tác động s tẽ ạo 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 nh y c c cao này, r t thích hạ ự ấ ợp để thu

được nh ng tín hi u âm thanh nh t ữ ệ ỏ ừ cơ thể con ngư i ờ

Hình trên cho thấy đồ thị đáp ứng t n s c a CM-01B, kh o sát trong khoầ ố ủ ả ảng

t 10Hz-ừ 10kHz Đồ thị thể ệ ầ hi n t n s cố ắt dưới kho ng 8Hz và c t trên khoả ắ ảng

2.2kHz T n s cầ ố ộng hưởng c a c m bi n kho ng 5kHz T i t n s ủ ả ế ả ạ ầ ố này, độ nh y c a ạ ủ

c m bi n lên t i khoả ế ớ ảng 56V/mm, cao hơn nhiều so với độ nhạy thông thường

40V/mm

Để kiểm tra đáp ứng t n s c a c m bi n, chúng ta s d ng loa gầ ố ủ ả ế ử ụ ốm áp điện

hay còn g i là loa th ch anh Lo i loa này hoọ ạ ạ ạt động theo hi u ệ ứng áp điện (biến đổi

trực ti p t ế ừ năng lượngđiện sang năng lượ ngcơ họ và ngược c l i) S d ng loa ạ ử ụ

gốm áp điện áp sát tr c ti p vào b m núm cao su và c ự ế ề ặt ố định C p cho loa mấ ột

sóng sin có Vpp = 10V t ừ Function Generator (NI elvis), thay đổ ầi t n s c a sóng ố ủ

sin từ 1Hz cho tới 40kHZ, chúng ta thu được đáp ứng t n s ầ ố như hình:

ng t n s c a c m bi n v i loa g

Qua đồ th trên, loa gị ốm áp điện hoạt động trong d i t n t 1kHz 5kHz và ả ầ ừ –

cộng hưởng t i t n s kho ng 4kHz Ti p t c thí nghi m v i loa máy tính (Speaker ạ ầ ố ả ế ụ ệ ớmáy tính thông d ng) vụ ới điều kiện tương tự, ta thu được đáp ứng:

ng t n s c a c m bi n v i loa máy tính

Qua 2 đồ th ị trên, đã cho thấy c m bi n CM-01B hoả ế ạt động v i m t d i t n ớ ộ ả ầ

rộng Các đồ thị thu được chính là đáp ứng t n s c a các loa ầ ố ủ