1 Überschrift 1 Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá VCCA 2015 DOI 10 15625/vap 2015 0010 VCCA 2015 56 Ứng dụng phương pháp phân tích phổ trong đo lường tín hiệu y sinh cho thiết[.]
Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 DOI:10.15625/vap.2015.0010 Ứng dụng phương pháp phân tích phổ đo lường tín hiệu y sinh cho thiết bị chẩn đoán ung thư Applying spectral analysis method in measurement of biomedical signals for the cancer diagnostic instrument Đoàn Văn Longa), Cao Xuân Hữub) Trung tâm Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Miền Trung b) Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa – ĐH Đà Nẵng Email: dvlong2011@gmail.comcxhuu@dut.udn.vn a) Tóm tắt i i hi g h h hi h g h h h h ghi g g g hi y i h B ib y ì hb y ộ h g h ải iế kế h giữ kỹ h ậ L k-in kỹ h ậ h h h hự hi bằ g g ẵ ó g h ề L b iew ới h g h g NI, g g i i hi h hi y i h ộ hiế b h g h ế ả h h hiế b h h y ự i ủ h g h ới h g h yề h g g i hi h , hi ề hi h ế ả ghi y ó hể g g hiề ĩ h ự kh h , ặ bi g hi h ới bi ộ hỏ hì g hi Từ khóa: kh yế h i L k-i , h h h , hi y i h, hi hỏ, hi , h hồi hi Abstract Cancelling low frequency noises and mechanical noises using spectral analysis method has been concerned deeply and applied in measurements of biomedical signals This paper presents a method of combination of Lock-in technique with spectral analysing implemented by toolkits of Labview and NI DAQ hardware to dismiss low frequency noises in a specific cancer diagnostic instrument Obtained results carried on the actual instrument showed the advantage of the method in comparison with traditional methods in the reduction of low frequency noises, off-set signals and mechanical noises The result can be applied into various fields, especially in measurements of a low frequency signal with tiny amplitude sunk in huge noise levels Keywords: lock-in amplifier, spectral analysis, biomedical signal, noise filtering, signal reconstruction PLL PSD Phase locked loop Phase sensitive detection Phần mở đầu T g g y sinh, ng i h g h g kh yế h i g ự hô g h g 1], kỹ h ậ kh yế h i k-in (LIA – Lock-in Amplifier) h g g ể h hi hì g hi h g h LI h hi ả hi ó ộ bả ( ó g h ) T y hi , tr hự ế hi y i h ó bi ộ hỏ i b gồ hiề h h h ó gh i hi ó kỹ h ậ LI khó g ì khô g hể h hi h ủ hi g h , ó, kỹ h ậ LI hải ải iế T g b i b y, hú g ì h b y ộ kỹ h ậ ải iế h ậy bằ g h kế h giữ h h h ới kỹ h ậ k-in, h h h hồi hi g ó hiề h h h ó g h i, g h i i bỏ h hi h , g ó ó hi h hi ề b h Kỹ thuật, phương pháp thực nghiệm 2.1 Kỹ thuật lock-in đo lường tín hiệu y sinh ỹ h ậ LI g h hậ h y h ể ch h h h hi ộ h h x h Nhi kh ới h ẽb i bỏ khô g ả h h g ới h D ó, kỹ h ậ y h h h hậ ộ hi x y hiề ó bi ộ ù g hỏ ằ hì g hi ới i g ới ộ hi hì h g i y i h( g gh y g i h ) ó bi ộ hỏ ới hi g kỹ h ậ LI ô ả hì h ủ LI bi ộ h ủ hi h khỏi hi Chữ viết tắt BPF GMR HPF LIA LNA LPF VCCA 2015 Band pass filter Giant Magneto-Resistance High pass filter Lock-in amplifier Low noise amplifier Low pass filter H.1 h nh đo t n hi u nh s d ng k thu t 56 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 ỹ h ậ LI h g g g g hi ô ù g hỏ, ặ bi hi y i h ó hể iề hế he , h g ặ g ề hi g ôi g hi C ú h g ủ kh ế h i Lock-in ì h b y hì h ữ , hi h hậ x hủ yế ậ g g ù g h (f < 10 Hz) y ù g ộ h „0‟ DC, hi 1/f hi h (g y g kh ủ h ) ó ộ g h gi H.2 Sơ đồ khối khuếch đại ock-in T y hi , h iể ủ kỹ h ậ LI hiế b hự hi iề h g hi ó g ó g h (khơ g h ó g h i bậ ) T g ó, hi y i h ói h g h g ó bi ộ hỏ h hiề h h h ó gh i B i ặ ể kh i h iể ủ LIA g h i hi hỏ h i 2.2 Phương pháp c i tiến: kết h p kỹ thuật lock-in v i phân tích phổ tín hiệu Th y ì ự kiể ộ h y h h ộ g h h ủ hi , h g h y hự hi ô g i h hi ộ h y h ủ ộ y củ bậ ó g h i h g h h h ó gh i ủ hi ó ph hồi i hi g ỹ h ậ y xe h hự hi ù g ú hiề ô g i LI h ộ hi g ó i LI h hi h ộ h h h ó gh i ủ hi g ể giả hi h hiế b hự hi g h ề , h hự hi y ự h ề h y g kế h ới h g h hậ ữ i ó ộ h hx ì h h hiề h h h hi hự hi ự ô g h h h hi hằ x h , bi ộ h ủ i h h h ó gh i ể h h i h hồi i hi ỹ h ậ y i h h g h i c ng d ng ô g gh thiết b ảo (VI) [2-4] với ph n mề L b iew ể chế t o thiết b ch y kh h g ới gi h h h Ứng dụng toán đo lường tín hiệu cho máy x t nghiệm ung thư yx ghi g h g ghi y ộ hiế b g ả biế G R õi h hậ g ả g ủ h óg kế ặ hi ới kh g g y b h [5] Thiế b g ẫ i hh ả biế theo chu kỳ h ể y hi D ặ g ủ ả biế G R (khơ g ì h b y y), m i h kỳ ẫ ả biế ẽ h h i ặ h hi g g g ới ẫ g h ới ả biế D g hi h i gõ ủ ả biế ô ả hì h ới ẫ bằ g 3,0 Hz, có hể hậ h y ằ g hi h khô g ới h i bậ (fn > Hz) H VCCA 2015 H.3 Dạng t n hi u y sinh thu chu kỳ quét mẫu đo từ-sinh học qua cảm biến TT biểu diễn xung chuẩn cổng quang nhằm đánh dấu thời điểm mẫu qua cảm biến ể hự hi h g h , ự kế h giữ kỹ h ậ k-i ới h h h hi , g i hi ó g hì h 3, h h g hiế b ự : h g, bao gồ ả biế G R, h kh yế h i g ự, D NI B-62 ( ó ộ h h x , ộ h giải bi , 625kS/s) h ề L b iew, b gồ e x h h e h h h [6], ex hi [7], ex hi y i h [8], module lock-in start-up [9], v.v… h g h cx hi hiển th kết quả: + S d ng Labview kết h ô hỏng th i gian thực h ó hi hực (thiết b ảo) + Thu thập li x h i gian thực dự h i ặ h kết h p với kiến th h y gi Hì h ì h b y hì h h ghi h ộ h h g hiế b y i h ới i h h x hi theo kỹ thuậ y h ề x ù g ô g gh ả ( I) ự L b iew NI hardware hì h hiế b y i h h h ghi Biomedical workbench Chương trình xử lý dựa công cụ của Labview ( hi iế ả Hì h 5) NI DAQ card GMR-Sensor Actuator H.4 Phương thức x lý t n hi u, điều khiển x lý t n hi u đo y sinh 57 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 C - ô g h h thực hi n b gồ : e “L k-in start- ” ủ NI gồ h ô g h h hự hi kỹ h ậ k-i ự h ề ì ậy giả hi h g h ề + LockinPLL.vi – kh ế h i khó h (PLL) + LockinDemodulatorSettings.vi – ậ h giải iề + LockinDemodulator.vi – hi i hx h hiế ế ả h h , gó h h i ủ hi g ự kế h ự h x , kh h ẫ hiế D hiề ới ó hể iế h g h i gi h bi g ể ự h y ộ ủ h h h ó g ó hự hi i hi h h h kỹ h ậ k-i h ề ể ó kế ả h h h h hải ó ủ iể y ó, hải ẫ D h h h h ới iể y ẫ g 2.4 Các kết qu thực nghiệm bàn luận T hi i gõ ủ ả biế ó g ới hi g i i hì h h h h H.6 T n hi u trư c lọc đầu sensor Nế kế e g h “ e FFT ể hự hi h g g ủ hi - T ôi iế h h hô g y i h h i gi h ậ k-i ới iế hì h ới e h bi ó g ự g h h hì h hi y, e e ” ự ộ, h h ặ g e ủ Labview, hú g x y ự g hự hi hì h h e h ề x hi hự he h g h kế h kỹ h h h hi h ô ả hi y H.5 Sơ đồ khối chi tiết module phần mềm đo x lý t n hi u y sinh thời gian thực theo phương pháp kết hợp k thu t lock-in v i ph n t ch phổ t n hi u VCCA 2015 g ả h H.7 T n hi u sau lọc lọc tương tự a số th ng thường b andpass c b c v i fHP = 33 Hz, fLP = 1.0 Hz hai thời điểm khác nhiễu khác C kế ả g ự h h y ẫ i h h h hi khơ g hể hế , g ó h h h hi h ( hi ộ g ủ g y ) h y hi h i ủ g ôi x y hiề h i bỏ h Th h h h khô g xự b i x g ủ kh yế h i g y g ự b h ủ ề i ới hi y, i x y ự g h g ự ể giả ó hể hự hi h g òi hỏi i h ki h h x g ộ h hx h hiế kế Ch ù h g ự ó hể iề ó, ộ h DC ủ i h ki ẫ i khó i bỏ i ể C hể, x ộ ề kh ế h i AD524 – ó h DC ( ff e ) hỏ ~ 10 µV g g h g ự ới ff e y, 58 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 ộ h DC hể i bỏ Nế h ộ h DC i ô i g T y hi , khó kh h h ó hể h gó hi y, ó hể h y õ kh , h ặ h h ới bi ộ h hự hi x hi g h hi h h ix g ủ bậ g g kỹ h ậ g ự khô g kh ế h i bằ g 105 ẽ h ~1 Gi y g kể gi g h g h Lock-in ải iế , giải yế i ể i h h h h hi ó g h h h hi h g y ự g h h hi ề ù g g gi g b kỳ Ch g ì h hi hx i bỏ h hữ g h h h ậy (xe hì h 8) D ặ hi , h ó h h h h i ể i hi C g ó hể hậ biế ự ( ff e ) h ặ hi ẫ hỏ ( ó hi i hi hi ề y (hì h 10 hì i ủ hi h DC h ới hỏ) i hx i bỏ i ể h 11) H.10 Các thành phần tr ch xuất tái tạo hài t n hi u c b c lẻ h nh dư i so v i t n hi u tổng h nh tr n H.8 ết ph n t ch phổ t n hi u từ sensor h nh tr n kết ph n t ch phổ t n hi u sau tái tạo h nh dư i) T hi h ẫ (bi ) i h i iể g kỹ ải iế ì hb y hì h ự b ix g hi i i ả biế g y hi ộ g hi ề (hì h ) h y hế bằ ix gh hx x (hì h ới) ộ h ậ gở g g ự hi H.11 Dạng t n hi u thu sau áp d ng k thu t ph n t ch phổ kết hợp ock-in h nh dư i so v i t n hi u ban đầu lối lọc tương tự ế h hi H.9 T n hi u thời gian thực từ đầu lọc tương tự h nh tr n kết đo t n hi u sau tái tạo h nh dư i VCCA 2015 ả hi g g kỹ h ậ h h kế h kỹ h ậ k-in i bỏ hi ề b h i h hồi hi g hx i hi ậ khô g g hi , hù h ới ặ h ủ ả biế g y h hậ hi ới h g h g g ự, h g h y g i h h i i iể : (i) khô g ù g iề h h ff e (bằ g y h ặ ự ộ g) g y hi ề ủ i h ki b ẫ ; (ii) h ự ộ g, h h hó g ới ộ i ậy Ng i , ặ h h k-i kỹ h ậ ải iế y ó hể g h h hế i hi kh h he ù g g y ể hx hi g 59 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA 2015 Kết luận Ph g h kế h k-i h h h ó h hồi i hi i bỏ h hi khô g mo g , ặ bi hi h h hi i i h h h h h DC h ậy i bỏ h h h hi ề b h ế ả g g g g hi y i h h hiế b h g h h h h y h h y ự i ủ h g h y ới h g h yề h g ó hể ộ g g g g hiề ĩ h ự kh h , ặ bi g hi hỏ hì g hi T g h i gia ới hú g ôi ẽ h hi h g h y ự hự hi i i h i gi h h ể giả hiể h i gi h ộ h g kể h h , b ả ( I) Tài liệu tham kh o [1].Jose Pelegr Sebasti, Jorge Alberola Lluch, J Rafael Lajara Vizcano, Signal conditioning for GMR magnetic sensors Applied to traffic speed monitoring GMR sensors, Sensors and Actuators A 137 (2007), 230–235 [2].Moczko, J.A.; Kramer, L.; Jezewski, J.; Gacek, A.; Virtual instrumentation in medical investigations and diagnosis support, Engineering in Medicine and Biology Society, 2001 Proceedings of the 23rd Annual International Conference of the IEEE, Publication Year: 2001 , Page(s): 1888 - 1891 vol.2 [3].Jon B Olansen Ph.D.; Eric Rosow M.S., Virtual Bio-Instrumentation: Biomedical, Clinical, and Healthcare Applications in LabVIEW, Prentice Hall, 2001 [4].Sanjay Gupta, Virtual Instrumentation using LABVIEW, ISBN: 9780070700284, Tata McGraw Hill, 2010 [5].C X Hữ , Th yế i h ề i Nghi hiế kế hế yx ghi h PSA, CA15-3 HER2 gh C 03 29/11-15 N 2014-2015 [6] F hy, E ez, Fast Fourier Transforms and Power Spectra in LabVIEW, Application Note 40, National instrument [7].LabVIEW for digital filer toolkit, NI, 2014 [8].LabVIEW for biomedical toolkit, NI, 2014 [9].How to Measure Small Signals Buried in Noise Using LabVIEW and Lock-In Amplifier Techniques, NI tutorial 2008 VCCA 2015 ậ i y ậ hiế b i / Đoàn Văn Long i h 1972 h hậ bằ g h ỹ ề Tự Động h a ủ g i h B h h H Nội (H T) 2000 T 1995 ế 2010 anh giả g i ủ Bộ ô Tự ộ gg, ih B Nẵ g Hi h g ô g i i IELIN H g ghi hiế kế hự hi hiế b g ô hì h ự g gh hiế Cao Xn Hữu hi ô g i g ih B h h – i h Nẵ g h h h h ậ iế ĩ i H ề Cảm biến từ si u nhạy 2010 h gi ề i ghi h iể hiế b g ghi ậ i h, ậ i ie ô h hì h H g ghi h h hi g ĩ h ự ghi h iể i i iế g g ô g gh h ô g x ghi , h kh g gy i h 60