khử nhiễu tín hiệu điện tim

khử nhiễu tín hiệu điện tâm đồ bằng thuật toán trung bình bình phương bé nhấtĐiện tâm đồ (Electrocardiogram hay thường gọi tắt là ECG) là đồ thị ghi những thay đổi của dòng điện trong tim. Quả tim co bóp theo nhịp được điều khiển của một hệ thống dẫn truyền trong cơ tim. Những dòng điện tuy rất nhỏ, khoảng một phần nghìn volt, nhưng có thể dò thấy được từ các cực điện đặt trên tay, chân và ngực bệnh nhân và chuyển đến máy ghi. Máy ghi điện khuếch đại lên và ghi lại trên điện tâm đồ. Điện tâm đồ được sử dụng trong y học để phát hiện các bệnh về tim như rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu cơ tim…Trong các bộ lọc số quy ước (FIR và IIR), mọi thông số của quá trình dùng để xác định các đặc trưng của hệ thống coi như đã biết. Các thông số này có thể thay đổi theo thời gian, gây ra sự bất ổn định về tín hiệu. Để giải quyết được vấn đề đó, người ta đã có sự nghiên cứu để thiết kế và đưa ra bộ lọc FIR có cấu trúc mới , đó là nó có thể tự điểu chỉnh các hệ số trong bộ lọc để bù lại các thay đổi trong tín hiệu vào,tín hiệu ra hoaacj trong thông số của hệ thống . Mạch lọc FIR có các hệ số thay đổi như vậy được gọi là mạch lọc FIR thích nghi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ TIN HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH XỬ LÍ TÍN HIỆU SỐ Tên Đề Tài: LỌC NHIỄU TRONG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM Giảng viên hướng dẫn: Th.S Hứa Thị Hoàng Yến Tham gia thực gồm: Nguyễn Hoàng Tú Ân 1513019 Hà Thị Hồng Hiệp 1513054 Lê Thị Ngọc Giàu 1513042 Lê Thị Minh Phương 151311 TP.Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 05 – 2018 LỜI MỞ ĐẦU Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Cô cung cấp kiến thức tảng, tạo điều kiện cho chúng em thực đồ án Mặc dù đề tài nhiều thiếu sót mặt kiến thức, song qua đồ án cung cấp số thông tin về lọc nhiễu mong phản hồi tích cực từ bạn Trong q trình thực với việc thiếu kinh nghiệm nên đồ án không tránh khỏi sai sót, nhóm chúng em mong nhận thông cảm ý kiến đóng góp thầy mơn để rút kinh nghiệm làm tốt đồ án Nhóm thực hiện: Nguyễn Hồng Tú Ân Hà Thị Hồng Hiệp Lê Thị Ngọc Giàu Lê Thị Minh Phương PHẦN TÍN HIỆU ĐIỆN TIM VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY NHIỄU 1.1 Giới thiệu tín hiệu điện tâm Điện tâm đồ (Electrocardiogram hay thường gọi tắt ECG) đồ thị ghi thay đổi dòng điện tim Quả tim co bóp theo nhịp điều khiển hệ thống dẫn truyền tim Những dòng điện nhỏ, khoảng phần nghìn volt, dò thấy từ cực điện đặt tay, chân ngực bệnh nhân chuyển đến máy ghi Máy ghi điện khuếch đại lên ghi lại điện tâm đồ Điện tâm đồ sử dụng y học để phát bệnh tim rối loạn nhịp tim, suy tim, nhồi máu tim… Một chu kỳ tim biểu điện tâm đồ là: sóng P, phức QSR, sóng T, sóng U (nếu có), hình dạng, thời gian kéo dài sóng/phức thời gian thành phần với có ý nghĩa đặc biệt quan trọng việc chẩn đốn Tín hiệu điện tim có độ lớn thay đổi theo thời gian khác điểm thể người Bằng cách đo số điểm thể người Bằng cách đo số điểm thể người theo dõi hình dạng song thay đổi theo thời gian, người ta giúp nhận biết số tình trạng bệnh lý chấn thương 1.2 Nhiễu ảnh hưởng nhiễu đến tín hiệu điện tim  Nhiễu tần số 50Hz từ nhà mạng cun cấp điện (có thể 60Hz tùy vào quốc gia)  Nhiễu sóng bệnh nhân bình tĩnh đo gây  Nhiễu tiếp xúc điện cực bệnh nhân gây  Nhiễu tồn nguồn tạo tín hiệu điện tim thể ghép tim mang thai… Vì thơng tin tín hiệu có ích nằm dải tần số thấp từ 0100Hz, đặc biệt vào khoảng 47Hz53Hz nên tín hiệu điện tâm đồ ta đo bị nhiễu tác động tín hiệu 50Hz từ mạng lưới điện PHẦN BỘ LỌC VỚI THUẬT TỐN THÍCH NGHI LMS 2.1 Đặt vấn đề Trong lọc số quy ước (FIR IIR), thơng số q trình dùng để xác định đặc trưng hệ thống coi biết Các thơng số thay đổi theo thời gian, gây bất ổn định tín hiệu Để giải vấn đề đó, người ta có nghiên cứu để thiết kế đưa lọc FIR có cấu trúc , tự điểu chỉnh hệ số lọc để bù lại thay đổi tín hiệu vào,tín hiệu hoaacj thơng số hệ thống Mạch lọc FIR có hệ số thay đổi gọi mạch lọc FIR thích nghi Giản đồ khối mạch lọc trình bày hình sau: Trong sơ đồ này, tín hiệu vào dãy thời gian rời rạc x[n], mạch lọc đặc trưng đáp ứng xung h[n], tín hiệu thời điểm n dãy y[n] Lối sử dụng để xác định đáp ứng mong muốn d[n] Các hệ số mạch lọc phải chọn lựa cho dãy tín hiệu mong muốn có dạng phù hợp với tín hiệu lối vào Điều thực dãy tín hiệu sai số e[n] hội tụ không nhanh Để làm điều này, ta phải tối ưu hóa hàm sai số xác định theo phương pháp thông kê phương pháp định Đối với phương pháp thống kê, hàm sai số sử dụng giá trị tồn phương trung bình tín hiệu sai số e[n] Nếu tín hiệu vào tín hiệu mong muốn tín hiệu dừng, việc cực tiểu hóa sai số tồn phương trung bình đưa đến mạch lọc tiếng mạch lọc Wiener, gọi tối ưu theo nghĩa sai số bình phương trung bình Đinh nghĩa đặc biệt tối ưu có thuận lợi dẫn đến lời giải có dạng hữu hạn cho hệ số lọc mặt hàm tự tương quan tín hiệu vào lọc hàm tương quan chéo tín hiệu vào yêu cầu Bộ lọc thích nghi chế để thực xấp xỉ wiener tối ưu khơng có cụ thể hàm tự tương quan tương quan chéo, thay vào chỗ hàm cần có chuỗi tín hiệu mong muốn Hầu hết thuật tốn thích nghi áp dụng cho loại mạch lọc Wiener (mạch lọc thích nghi tuyến tính) Trong phương pháp định, cách chọn hàm sai số tổng trọng số tín hiệu sai số tồn phương Việc cực tiểu hóa hàm dẫn đến mạch lọc tối ưu dãy liệu cho Như vậy, mạch lọc thiết kế công thức thống kê công thức xác định Trong thiết kế xác định, cần phải tính tốn số đại lượng trung bình sử dụng dãy liệu cho mà mạch lọc cần xử lý Nói cách khác, để thiết kế mạch lọc Wiener cần phải biết trước tính chất thống kê tín hiệu sở Trong trường hợp này, tín hiệu sở thường cho tín hiệu dừng trung bình theo thời gian trung bình thống kê Mặc dù phép đo trực tiếp giá trị trung bình tín hiệu thực để thu thông tin cần thiết cho việc thiết kế mạch lọc Wiener mạch lọc tối ưu, nhiều ứng dụng thực tế, giá trị trung bình tín hiệu lại sử dụng theo cách gián tiếp, sai số lối mạch lọc tương quan với mẫu tín hiệu vào mạch lọc theo số cách sử dụng kết phương trình đệ quy để điều chỉnh hệ số mạch lọc theo kiểu lặp Sử dụng phương pháp lặp đưa đến lời giải thích nghi có khả tự hiệu chỉnh Có nghĩa tính chất thống kê tín hiệu thay đổi thời gian, nhờ nghiệm lặp, hệ số mạch lọc tự điều chỉnh để thích nghi với tính chất thống kê Nghiệm lặp, nói chung ưa chuộng dễ mã hóa phần mềm dễ thực thi phần cứng nghiệm không lặp 2.2 Mạch lọc với thuật tốn thích nghi Hình 2.2 Mơ hình chung hệ thống thích nghi Trong đó: x[n]: Vector tín hiệu đầu vào mạch lọc x[n] = w: Là vector trọng số lọc thích nghi w= kí hiệu T ma trận chuyển vị y[n]: Là lối mạch lọc y[n] = (2.1) Hoặc viết : y[n]= Vì đại lượng vơ hướng nên chuyển vị d[n]: Lối mong muốn e[n]: Là sai số tín hiệu mong muốn d[n] tín hiệu đầu y[n] e[n] = d[n] – y[n] = d[n]- (2.2) Bài tốn thích nghi tự điều chỉnh ma trận trọng số w cho sai số e[n] nhỏ 2.3 Thuật tốn thích nghi LMS ( trung bình bình phương tối thiểu :Least – Mean – Square) Thuật tốn tồn phương trung bình tối thiểu LMS (Least – Mean – Square) thuật toán áp dụng rộng rãi xử lý số tín hiệu thích nghi Nó thuộc họ thuật toán gradient thống kê lần Windrow-Hoff áp dụng năm 1960 sau phát triển thành nhiều thuật tốn nhờ tính chất đơn giản bền vững thuật tốn Nó thuật tốn lọc thích nghi tuyến tính bao gồm hai q trình: q trình lọc q trình thích nghi Trong q trình lọc, thuật tốn sử dụng mạch lọc ngang tuyến tính có lối vào x(n) lối y(n) Q trình thích nghi thực nhờ điều khiển tự động táp trọng số hệ số mạch lọc cho tương đồng với tín hiệu sai số hiệu tín hiệu lối tín hiệu mong muốn d(n) Phương trình truy hồi để tính táp trọng số mạch lọc xác định : w[n+1] = w[n] - ∇ [n] (2.5) :  w[n]= vectơ tín hiệu vào   thơng số bước thuật tốn  ∇ toán tử vi phân xác định vectơ cột sau: (2.6) Như thành phần thứ k vecto ∇ [n] là: ] (2.7) Thế e[n]=d[n]-y[n] vào phương trình so d[n] độc lập với nên ta được: ] (2.8) Bậy , thay y[n] từ (2.3) vào (2.8) ta được: ]x[n-i] (2.9) Hoặc dạng tổng quát là: ∇ [n] = ]x[n] (2.10) Trong : x[n]= Thay kết (2.10) vào (2.5): w[n+1] = w[n] +2e[n]x[n] (2.11) Đây phương trình truy hồi để xác định tap trọng số mạch lọc dãy lối vào dãy sai số Nó gọi thuật tốn LMS đệ quy, thích nghi cách đệ quy hệ số mạch lọc sau mẫu tín hiệu lối vào x[n] mẫu tín hiệu mong muốn d[n]  thơng số bước, điều khiển tốc độ hội tụ thuật toán tới nghiệm tối ưu Nếu chọn  có giá trị lớn bước điều chỉnh ngắn tốc độ hội tụ nhanh; chọn  giá trị bé tốc độ hội tụ chậm Tuy nhiên  q lớn thuật tốn không ổn định để đảm bảo tính chất ổn định thuật tốn LMS,  phải chọn cho nằm vùng sau: 0