Nghiên cứu thiết kế thử nghiệm hệ thống thu thập dữ liệu tín hiệu điện sinh học dựa trên DSP

MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU x BẢNG KÝ HIỆU xi CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tín hiệu điện sinh học Điện tâm đồ (ECG) 1.1.1 Điện màng tế bào 1.1.2Điện hoạt động 1.1.3 Hệ thống tim mạch: 1.1.4 Điện tâm đồ (ECG) 1.1.5 Điện cực 12 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG VỚI DSP 15 2.1 KHUYẾCH ĐẠI 15 2.2 Op-amp 16 2.2.1 Op-amp lí tưởng 16 2.2.2 Khuyếch đại không đảo 17 2.2.3 Khuyếch đại đảo 18 2.2.4 Sai số độ lợi độ lợi hữu hạn khuyếch đại 18 2.3 Đặc điểm Op-amp 19 2.3.1 Điện áp offset ngõ vào: 19 2.3.2 Dòng điện phân cực ngõ vào,ib 21 2.3.3 CMRR tỉ số nén nguồn cấp PSRR 23 2.4 Giới thiệu DSP 24 2.4.1 Thành phần hệ DSP điển hình 25 i 2.4.2 Lập trình DSP 27 2.4.3 Bộ lọc IIR 28 2.5 Điều chế giải điều chế tín hiệu y sinh 30 2.5.1 Điều chế 30 2.5.2 Điều tần 31 2.5.3 Tách sóng 32 CHƯƠNG MIÊU TẢ CHI TIẾT 33 3.1 Phương pháp thiết kế 33 3.1.1 Bộ lọc tương tự 34 3.1.2 Đặc điểm lọc thông thấp 35 3.1.3 Bộ lọc thông thấp Butterworth 38 3.1.4 Bộ lọc thông thấp Tschebyscheff 38 3.1.5 Bộ lọc thông thấp Bessel 38 1.2 Thiết kế lọc thông thấp 39 3.1.6 Phản hồi đa thông số 41 3.1.7 Bộ lọc thông thấp bậc cao 42 3.3 Tiền xử lý 43 3.3.1 Hệ thống DSP 44 3.3.2 Bộ giải điếu chế hỗn hợp 46 3.3.3 Bộ lọc thông thấp 48 3.3.4 Thực 49 3.4 Mạch tiền xử lý 49 3.4.1 Hệ thống cung cấp lượng 49 3.4.2 Lọc đầu vào bảo vệ 51 3.4.3 Bộ tiền khuyếch đại 52 3.4.4 Right-leg-driven(RLD) 54 3.4.5 Vòng lọc DC 56 ii 3.4.6 Thiết kế lọc thông thấp 58 3.4.7 Tầng khuyếch đại 60 3.5 Mạch VCO 61 3.5.1 Chương trình DSP 61 3.5.2 Mô 62 3.5.3 Điều biến FM 62 3.5.4 Phép tích hợp trực giao 64 3.5.5 Bộ điều biến hỗn hợp 65 3.6 Lập trình mã C 68 3.7 Đường dẫn tín hiệu 69 3.8 Tích hợp trực giao 69 3.9 Giải điều chế hỗn hợp 76 3.10.Bộ lọc đầu 77 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 78 Kết đạt 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện luận văn Thạc sĩ xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc t i TS Trịnh Quang Đức, người thầy từ đầu định hướng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình thực đề tài nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn hỗ trợ học tập tạo điều kiện tốt thầy cô Bộ môn Công nghệ Điện tử Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm Điện tử Y sinh thầy cô viện Điện tử - Viễn thông suốt thời gian học tập, nghiên cứu, thực luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Lãnh đạo đồng nghiệp Bệnh viện Tim Hà Nội tạo điều kiện, giúp đỡ trình nghiên cứu, thu thập số liệu bệnh viện Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè động viên, khích lệ tạo điều kiện tốt cho trình học tập, thực đề tài nghiên cứu Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Vũ Huy Toàn iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, tất số liệu kết nghiên cứu luận văn nghiên cứu, số liệu hoàn toàn trung thực, không trùng lặp với đề tài khác chưa sử dụng để bảo vệ luận văn Tôi xin cam đoan thông tin, số liệu trích dẫn luận văn xác rõ nguồn gốc, giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc thực luận văn cảm ơn! Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Vũ Huy Toàn v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1- Nồng độ ion bên bên Tế bào Hình 1- Điện hoạt động điển hình Hình 1- Sự truyền điện hoạt động Hình 1- Tâm nhĩ tâm thất tim người Hình 1- Tim hệ tuần hoàn Hình 1.6 Hệ truyền dẫn Tim Hình 1.7 Tín hiệu ECG lí tưởng người Hình 1.8 Mối quan hệ đạo trình tam giác Einthoven 11 Hình 1.9 Đạo trình V đơn cực 12 Hình 1.10 Máy ghi điện tâm đồ từ sớm Einthoven 13 Hình 1.11 Các loại điện cực 14 Hình 1.12 Điện cực sử dụng đo lường EEG, EOG, EMG 14 Hình 2.1 Opamp lí tưởng 17 Hình 2.2 Opamp không đảo 17 Hình 2.3 Op-amp đảo 18 Hình 2.4 Đáp ứng tần số độ lợi điện áp 19 Hình 2.5 Điện áp offset ngõ vào 19 Hình 2.6 Sơ đồ đo điện áp offset ngõ vào 20 Hình 2.7: Sơ đồ đo điện áp offset ngõ 21 Hình 2.8 Dòng điện phân cực ngõ vào 21 Hình 2.9 Sơ đồ đo dòng điện phân cực ngõ vào 22 Hình 2.10.Tổng điện áp offset 23 Hình 2.11 CMRR OP177 24 Hình 2.12 Điện áp cung cấp OP177 24 Hình 2.13 Hệ thống DSP 25 vi Hình 2.14 Họ TMS320 27 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống DSP 33 Hình 3.2 Đáp ứng lọc lí tưởng 35 Hình 3.3 Đồ thị thể tần số tín hiệu lọc 35 Hình 3.4 Bộ lọc thông thấp RC 36 Hình 3.5 Cách xếp op-amp để tạo đệm 36 Hình 3.6 Bộ lọc thông thấp bậc 37 Hình 3.7 Đáp ứng bậc khác lọc Butterworth 38 Hình 3.8 Bộ lọc thông thấp Tschebyscheff 38 Hình 3.9 So sánh đáp ứng lọc 39 Hình 3.10 Bộ lọc thông thấp bậc 40 Hình 3.11a Bộ lọc thông thấp bậc 40 Hình 3.11b Bộ lọc thông thấp bậc 41 Hình 3.12 Mạch MFB 41 Hình 3.13: Các mô hình trạng thái lọc thông thấp bậc cao 43 Hình 3.14 Điều chế FM VCO 43 Hình 3.16 Cấu trúc DMA ping-pong 45 Hình 3.17 Hỗn hợp trực giao 47 Hình 3.18 Bộ giải điều chế hỗn hợp 47 Hình 3.19 Bộ chuyển đổi 50 Hinh 3.20: Minh họa hiển thị máy tính 51 Hình 3.21 Biểu diễn mạch lọc đầu vào 52 Hình 3.22 Bộ tiền khuyếch đại INA 333 53 Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn CMRR-Tần số 54 Hình 3.24: Đồ thị đặc tuyến Khuyếch đại – Tần số 54 Hình 3.25 Mạch RLD 55 Hình 3.26: Biểu diễn đặc tuyến khuyếch đại – Tần số 55 vii Hình 3.27 Sơ đồ vòng lọc DC 56 Hình 3.28 Quan hệ tần số độ lợi 56 Hình 3.29 Trước lọc 57 Hình 3.30 Sau lọc 57 Hình 3.31 Mạch mô 59 Hình 3.34 Sơ đồ mạch tầng khếch đại 61 Hình 3.35 Biểu đồ Phát triển DSP 62 Hình 3.36 Tín hiệu hình sin_100Hz 63 Hình 3.37 Phổ tín hiệu FM có tín hiệu 64 Hình 3.38 Phổ tin hiệu thực tín hiệu mô 65 Hình 3.39 Mô điều biến hỗn hợp 66 Hình 3.40 So sánh tần số gốc tần số xử lý 66 Hình 3.41 Tín hiệu đầu không dùng lọc 67 Hình 3.42: So sánh tín hiệu gốc tín hiệu 67 Hình 3.43 Phổ tín hiệu gốc tín hiệu đầu xử lý 68 Hình 3.44 Đường dẫn tín hiệu chương trình 69 Hình 3.45 Tích hợp trực giao 70 Hình 3.47: Sơ đồ máy phát sóng sin cos 71 Hình 3.48: Sơ đồ lọc IIR 72 Hình 3.49 Hình biểu diễn madlab 72 Hình 3.50: Trình bày sơ đồ khối kỹ thuật tích hợp trực giao 73 Hình 3.51 Độ lớn phản hồi pha lọc đầu 77 Hình 4.1 Tần số (Hz) giá trị MSE 78 Hình 4.2 Tần số (Hz) 𝑭𝑫 79 Hình 4.3 Tần số (Hz) trễ pha (độ) 79 Hình 4.4 ECG gốc từ thể người 81 Hình 4.5 ECG xử lý 81 viii Hình 4.6: Hình cửa sổ ban đầu công cụ fda 82 Hình 4.7: Hệ thống phân tích Matlab 84 Hình 4.8 Chương trình Lp cof 85 Hình 4.9: Bảng hiển thị bảng mô tả 86 Hình 4.10: Bảng phần mềm 86 Hình 4.11 Hệ thống phát triển DSP 87 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 So sánh nguồn đơn nguồn kép 50 Bảng 3.2 Đặc tính INA333 54 Bảng 3.3.Thông số khối điều biến FM 63 Bảng 3.4 Mô mẫu FM Matlab 63 Bảng 3.5 Mô tích hợp trực giao matlab 64 Bảng 3.6: So sánh tham số sóng sin cos 71 Bảng 7: Bảng tần số dải lọc 73 Bảng 3.8 Mã tích hợp trực giao 74 Bảng 3.9 Giải điều chế hỗn hợp 76 Bảng 3.10: Tần số làm việc lọc 77 Bảng 4.1 Nâng cấp lọc IIR 80 Bảng 4.2 ECG-bộ lọc nhiễu 80 x Hàm Quad_mix đặt bốn tham số Tham số trỏ tới mảng bao gồm giá trị mẫu tín hiệu FM Hai tham số trỏ tới mảng dùng cho đầu quadrature_mixer: : re_out im_out bao gồm giá trị tín hiệu thực mô Đầu tiên, tín hiệu cos sin tạo lưu re_out (cos) im_out (sin) Bộ lọc IIR, sử dụng để lọc tín hiệu, phải điều khiển với hàm delta Thay sử dụng hàm delta tín hiệu vào, ta khai báo giá trị tương tự Bước nhân tín hiệu cos sin với mẫu tín hiệu FM lưu chúng re_out im_out, tương ứng Và cuối cùng, tín hiệu đệm đầu lọc thông thấp lưu lại vào nơi lọc: im_out re_out 3.9 Giải điều chế hỗn hợp Kiến trúc giải điều chế hỗn hợp dựa Các tín hiệu thích tên chúng chương trình Mã C liên quan quy định sau: // coold, siold, conew, sinew are global variables // constant GAIN = 1/(T.𝑘𝐹𝑀 ) = 12.74 // calibrationValue = 1.17 void Mixed_Demodulator (float *re_buffer, float *im_buffer, float *out_buffer, unsigned short BUFF){ int i; // index of buffer for(i=0; i