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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HÀ NGỌC THU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN HỆ HƠ HẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH Hà Nội – Năm 2019 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131747831000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HÀ NGỌC THU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN HỆ HƠ HẤP Chun ngành: Kỹ thuật Y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRỊNH QUANG ĐỨC Hà Nội – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian nghiên cứu, hướng dẫn TS Trịnh Quang Đức, quan tâm tạo điều kiện của Bộ môn Công nghệ điện tử kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử- Viễn thơng, Phịng Đào tạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội tơi hồn thành luận văn tiến độ Tơi xin cam đoan tồn nội dung Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu thập tín hiệu âm thể phục vụ chẩn đốn hệ hơ hấp” trình bày luận văn kết tìm hiểu nghiên cứu Tất liệu kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực, rõ ràng, chưa cơng bố cơng trình khác, thơng tin trích dẫn tn thủ theo Luật Sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung trình bày Luận văn này./ HỌC VIÊN Hà Ngọc Thu i 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 TÓM TẮT ĐỀ TÀI CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1.Mối liên quan quan sinh học với âm .4 1.1.1.Nguồn gốc, tính chất âm thể người 1.1.2.Ống nghe truyền thống y tế công cụ khám chữa bệnh 1.1.3.Ống nghe điện tử y tế lợi 1.2.Thực trạng giải pháp 10 1.3.Mục tiêu đề tài 11 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT &PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ 13 2.1.Cơ sở lý thuyết 13 2.1.1.Phương pháp đo .13 2.1.2.Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 14 2.2.Phân tích mạch lọc 15 2.2.1.Các lọc liên tục tuyến tính 15 2.2.2.Mạch lọc 17 2.2.3.Bộ lọc thơng thấp tích cực .19 2.2.4.Bộ lọc thông cao .20 2.2.5.Bộ lọc thơng tích cực bậc cao 23 2.2.6.Bộ khuếch đại thuật toán 24 2.3.Các khối 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 ii 2.3.5.Khối khuếch đại 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 liệu 45 CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM 47 3.1.Hệ thống phần cứng 47 3.2.Hệ thống phần mềm 54 CHƢƠNG 4: MẪU ÂM THANH HƠ HẤP VÀ PHÂN TÍCH 56 4.1.Thu thập mẫu thí nghiệm 56 4.2.Biểu diễn phổ động sóng âm thể 59 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo tai người Bảng 1.2 Mối liên hệ tần số tỷ lệ lượng âm phát từ tim bình thường Bảng 2.1 Các thơng số kỹ thuật hệ thống 13 Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật cảm biến CM-01B 28 Bảng 2.3 Hệ số Butterworth 32 Bảng 2.4 Giá trị thành phần mạch sau tính tốn .36 Bảng 2.5 Hệ số khuếch đại mạch tính theo lý thuyết 38 Bảng 2.6 Một vài thông số Arduino Uno R3 43 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ống nghe y tế hệ đầu Hình 1.2 Ống nghe y tế loại truyền thống Hình 1.3 Ống nghe điện tử Thinklabs One Hình 1.4 Ống nghe điện tử 3M™ Littmann Model 3200 11 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .14 Hình 2.2 Hàm truyền đạt số lọc 16 Hình 2.3 Mạch lọc thơng cao thụ động RC .17 Hình 2.4 Mạch lọc thơng thấp tích cực .18 Hình 2.5 Bộ lọc thông thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng qt 19 Hình 2.6 Bộ lọc thơng thấp cấu trúc đa hồi tiếp MFB 20 Hình 2.7 Sự tương ứng mạch lọc thông thấp mạch lọc thông cao 21 Hình 2.8 Đường đáp ứng tần số mạch lọc thơng cao 21 Hình 2.9 Bộ lọc thơng cao bậc cấu hình Sallen-Key dạng tổng quát 22 Hình 2.10 Mạch lọc thơng cao bậc cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn 22 Hình 2.11 Xây dựng lọc bậc cao phương pháp ghép tầng 23 Hình 2.12 Đáp ứng tần số lọc Butterworth thơng thấp bậc cao 24 Hình 2.13 Ký hiệu mạch khuếch đại thuật toán 24 Hình 2.14 Mạch khuếch đại khơng đảo 26 Hình 2.15 Hình dạng cảm biến CM-01B thực tế 27 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý bên cảm biến CM-01B 28 Hình 2.17 Đáp ứng tần số đặc trưng cảm biến 29 Hình 2.18 Đáp ứng tần số cảm biến với loa gốm áp điện 30 Hình 2.19 Đáp ứng tần số cảm biến với loa máy tính 30 Hình 2.20 IC khuếch đại âm Opam 2134 31 Hình 2.21 Tổng quan lọc thơng cao tích cực bậc 31 Hình 2.22 Thiết kế lọc thơng cao tích cực bậc 33 Hình 2.23 Đáp ứng tần số lọc thông cao .34 Hình 2.24 Mạch tiền khuếch đại với G = .35 Hình 2.25 Tổng quan lọc thơng thấp tích cực bậc 35 Hình 2.26 Bảng giá trị hệ số lọc Butterworth .36 Hình 2.27 Thiết kế lọc thơng thấp tích cực bậc 37 v Hình 2.28 Đáp ứng tần số lọc thông thấp 37 Hình 2.29 Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) 38 Hình 2.30 Đáp ứng tần số mạch khuếch đại với G khác 39 Hình 2.31 Mạch cộng điện áp 40 Hình 2.32 Kết thí nghiệm mạch DC offset .41 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 phần mềm Labview 44 Hình 2.36 Bộ lọc thơng dải Labview .44 Hình 2.37 Đáp ứng tần số lọc thông dải 45 Hình 2.38 Chương trình để nghe trực tiếp 45 Hình 2.39 Chương trình lưu trữ liệu 46 Hình 3.1 Hệ thống hồn chỉnh 47 Hình 3.2 Mạch tương tự hệ thống 48 Hình 3.3 Tín hiệu sau mạch lọc thông cao 49 Hình 3.4 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông cao 49 Hình 3.5 Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại 50 Hình 3.6 Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .50 Hình 3.7 Tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 51 Hình 3.8 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông thấp 51 Hình 3.9 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 52 Hình 3.10 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 52 Hình 3.11 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 53 Hình 3.12 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 53 Hình 3.13 Tín hiệu đầu mạch tương tự 54 Hình 3.14 Phổ tín hiệu đầu mạch tương tự 54 Hình 3.15 Giao diện phần mềm 55 Hình 4.1 Mẫu sóng âm tiếng thở bình thường 56 Hình 4.2 Mẫu sóng âm bệnh nhân viêm phế quản .57 Hình 4.3 Mẫu âm bệnh nhân hen 58 Hình 4.4 Biểu diễn Fourier ngắn phổ mẫu âm người khỏe mạnh 61 Hình 4.5 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp người 62 khỏe mạnh 62 vi Hình 4.6 Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp người khỏe mạnh .62 Hình 4.7 Biểu diễn mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 63 Hình 4.8 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 64 Hình 4.9 Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân viêm phế quản nhẹ 64 Hình 4.10 Biểu diễn mẫu âm bệnh nhân hen 65 Hình 4.11 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân hen .66 Hình 4.12 Hình chiếu Tần số - Thời gian mẫu âm hô hấp mẫu âm bệnh nhân hen .66 vii LỜI NÓI ĐẦU Phương pháp thính chẩn hay cịn gọi chẩn đoán dựa âm tự phát thể sử dụng việc khám, chữa bệnh từ lâu trở thành công cụ truyền thống ngành y tế Sự tiến ngành điện tử vật liệu gợi ý cho ứng dụng mà thiết bị y tế truyền thống thay hoàn toàn thiết bị kỹ thuật số tương đương Ống nghe điện tử ứng dụng Việc sử dụng ống nghe điện tử giúp bác sĩ lưu trữ tín hiệu lâm sàng bệnh nhân thành bệnh án điện tử, tạo điều kiện dễ dàng theo dõi chẩn đoán bệnh nhân vị mắc bệnh mãn tính Đồng thời tín hiệu dễ dàng khuếch đại khuếch đại điện tử với độ nhạy tỷ lệ tín tạp cao Bên cạnh dựa tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số thu thập được, phép phân tích sử dụng biến đổi tốn học dể nhận dạng đặc trưng tín hiệu dễ dàng thực dựa thuật toán cài đặt máy tính Các cơng cụ phát triển công ty sản xuất thiết bị y tế Tuy nhiên, phức tạp, giá cao, đồng thời tính đóng cơng nghệ rào cản phát triển Đây lý cản trở ống nghe kỹ thuật số thâm nhập vào Việt Nam Xuất phát từ ý tưởng thiết lập hệ thống mở ban đầu để tạo nên tảng phát triển cơng cụ chẩn đốn tương lai, luận văn đề xuất nghiên cứu thiết kế hệ thống mở cho thiết bị ống nghe điện tử Dựa tảng phần cứng thiết bị hệ số lọc hiệu chỉnh tối ưu, hỗ trợ thiết kế sản phẩm phần cứng Bên cạnh đó, thuật tốn phân tích tín hiệu dễ dàng phát triển liệu thô lưu trữ dạng số định dạng file mở nhiều mã nguồn mở Để hoàn thành đề tài này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo – TS Trịnh Quang Đức hướng dẫn, động viên giúp đỡ tận tình trình thực đề tài Xin cảm ơn tất thầy cô môn Điện tử, môn Kỹ thuật Y Sinh – Viện Điện Tử Truyền Thông tạo điều kiện trình làm đề tài