Phát triển một số giải pháp thiết kế mạch để nâng cao chất lượng tín hiệu điện cơ đồ

Trong bài báo này giới thiệu nghiên cứu phát triển một số giải pháp thiết kế mạch (như giải pháp lựa chọn cấu trúc, mạch nguyên lý và linh kiện cho mỗi khối chức năng của mạch đo) để cải thiện một số thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu điện cơ.

Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Phát triển số giải pháp thiết kế mạch để nâng cao chất lượng tín hiệu điện đồ Phạm Mạnh Hùng, Vũ Duy Hải, Hoàng Mạnh Cường, Nguyễn Văn Khang Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam Email: hung.phammanh@hust.edu.vn Tóm tắt — Tín hiệu điện sử dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác Chất lượng tín hiệu điện thu nhận ảnh hưởng lớn đến kết đạt nghiên cứu Trong báo giới thiệu nghiên cứu phát triển số giải pháp thiết kế mạch (như giải pháp lựa chọn cấu trúc, mạch nguyên lý linh kiện cho khối chức mạch đo) để cải thiện số thông số kỹ thuật mạch đo tín hiệu điện Theo cách này, mạch thu nhận có ưu điểm so với mạch có như: có hệ số triệt nhiễu 50 Hz đạt -140 dB -100 dB với loại nhiễu ngồi dải tần tín hiệu thu nhận, độ phân giải tín hiệu đạt 24 bít, tần số lấy mẫu cực đại 32 kb/s, hỗ trợ truyền thơng có dây/khơng dây, dịng rị nhỏ 100 µV, mức tiêu thụ nguồn thấp, kích thước nhỏ Mạch tích hợp hiệu vào hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu điện phục vụ cho nghiên cứu khác Keywords — Electromyography; EMG Signal Acquisition; EMG Measurement I GIỚI THIỆU Điện đồ (Electromyography – EMG) phương pháp thu lại hoạt động điện tổ chức (nhóm bó bắp cơ) hoạt động, tín hiệu thu gọi tắt tín hiệu EMG Tín hiệu EMG chứa thơng tin phản ánh tình trạng mức độ hoạt động tổ chức Các thơng tin thu từ q trình xử lý phân tích tín hiệu EMG sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: (1) hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý đánh giá tình trạng tổ chức cơ, (2) để điều chỉnh phương pháp vận động giúp cải thiện hiệu lao động luyện tập thể thao, (3) ứng dụng điều khiển học [1] Hình 1: Hai dạng sóng tín hiệu EMG ISBN: 978-604-67-0349-5 Tín hiệu EMG thu nhận hai phương pháp xâm lấn khơng xâm lấn Trong đó, phương pháp đo xâm lấn phương pháp đưa điện cực đo vào bắp cơ, cắm điện cực kim vào tổ chức cần khảo sát, tín hiệu thu gọi tín hiệu điện kim (intramuscular EMG – iEMG) Phương pháp đo không xâm lấn phương pháp sử dụng điện cực bề mặt dán vào bề mặt da phía bắp cần đo, tín hiệu điện thu gọi tín hiệu điện bề mặt (surface EMG – sEMG) [2] Tín hiệu EMG có đặc tính sau:  Về biên độ, tín hiệu EMG có biên độ nhỏ, biên độ đỉnh - đỉnh nằm khoảng từ đến mV hay từ đến 1,5 mV (RMS) [2]  Về tần số, tín hiệu EMG có dải tần từ Hz lên đến kHz, lượng tín hiệu tập trung dải tần từ 10 Hz ÷ 250 Hz Tín hiệu sEMG thường có dài tần từ 10 Hz đến 400 Hz, lượng tập trung khoảng từ 20 Hz đến 150 Hz Tín hiệu iEMG có dải tần 10 Hz ÷ kHz [2] Tín hiệu EMG thu nhận thiết bị đo bị suy giảm chất lượng nhiều yếu tố khác [2] [3], như:  Suy giảm nhiễu: có nhiều loại nhiễu khác ảnh hưởng tới tín hiệu EMG, như: nhiễu nguồn (50 Hz 60 Hz), nhiễu thở, nhiễu dịch chuyển điện cực hay dây nối điện cực, nhiễu tần số cao, nhiễu tín hiệu điện sinh học khác ECG,… Tín hiệu EMG đầu vào có tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) nhỏ  Suy giảm mạch xử lý tín hiệu tương tự: mạch tương tự nhiều gây méo dạng tín hiệu Sử dụng khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn gây méo dạng tín hiệu tượng bão hịa tín hiệu Một số nghiên cứu rằng, mạch khuếch đại hoạt động không ổn định sau rơi vào trạng thái bão hịa tín hiệu Sử dụng lọc làm giảm độ trung thực tín hiệu Bộ lọc tương tự bậc cao theo lý thuyết cho kết lọc nhiễu tốt, nhiên thực tế lọc tương tự bậc cao thường không đem lại hiệu cao Mạch lọc bậc cao dùng nhiều linh kiện cồng kềnh Trong đó, độ ổn định mạch tỷ lệ nghịch với số lượng linh kiện sử dụng 311 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014)  Suy giảm chuyển đổi tương tự - số (ADC) kém: tín hiệu EMG số hóa q trình lấy mẫu lượng tử hóa Nếu tốc độ lấy mẫu chậm so với biến đổi tín hiệu, hay tần số lấy mẫu nhỏ lần tần số cực đại tín hiệu gây tượng chồng phổ, gây sai lệch tín hiệu thu Lượng tử việc làm tròn lên xuống giá trị lấy mẫu để phù hợp với bậc thang lượng tử Phần sai khác so với trước làm tròn gọi sai số lượng tử Độ phân giải thấp sai số trình lượng tử lớn Ngoài yếu tố gây suy giảm chất lượng tín hiệu kể trên, chất lượng tín hiệu EMG cịn bị ảnh hưởng q trình đo, như: (1) kích thước khoảng cách điện cực sử dụng ảnh hưởng tới độ lớn tín hiệu độ rộng phổ tần số thu nhận, (2) khoảng cách đặt điện cực đo với tổ chức cần đo, khoảng cách xa biên độ dải tần số tín hiệu bị suy giảm, suy hao tín hiệu dẫn truyền qua mô [2] Tuy nhiên, nghiên cứu giới thiệu báo tập trung vào giải vấn đền liên quan đến thiết bị đo tín hiệu EMG, nên vấn đề liên quan đến q trình đo khơng đề cập nhiều Chất lượng tín hiệu EMG cao độ tin cậy thơng tin trích xuất từ tín hiệu cao Do đó, nỗ lực nghiên cứu nhằm mục đích nâng cao chất lượng tín hiệu EMG thực Các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện thông số mạch đo, cụ thể là: (1) tăng trở kháng đầu vào, (2) tăng hệ số nén nhiễu đồng pha (CMRR), (3) tăng tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR), (4) tăng độ phân giải tín hiệu, (5) tăng độ ổn định, tin cậy hiệu mạch, (6) tăng độ an toàn cho người thiết bị sử dụng [4], [5], [6] Một hệ thống thu nhận, xử lý phân tích tín hiệu điện đồ chia thành hai thành phần là:  Mạch đo tín hiệu EMG: thực việc thu nhận tín hiệu điện từ điện cực, xử lý tín hiệu tương tự, chuyển đổi ADC, truyền thơng tín hiệu EMG số có lên máy tính  Phần mềm xử lý phân tích tín hiệu EMG số: thực phép xử lý số tín hiệu, trích xuất thơng tin hữu ích dùng cho nghiên cứu khác Bài báo giới thiệu nghiên cứu phát triển số giải pháp nhằm mục đích cải thiện thơng số mạch đo tín hiệu EMG, giúp tăng chất lượng tín hiệu EMG thu II GIẢI PHÁP Các giải pháp kỹ thuật phát triển để tạo mạch đo tín hiệu EMG chất lượng cao nghiên cứu bao gồm: ISBN: 978-604-67-0349-5  Lựa chọn cấu trúc mạch đo tín hiệu phù hợp, bao gồm lựa chọn sử dụng khối chức nào, bố trí khối mạch đo  Lựa chọn mạch nguyên lý phù hợp cho khối chức năng, như: khuếch đại, lọc nhiễu, số hóa, cách ly, truyền thơng  Lựa chọn linh kiện có đặc tính kỹ thuật phù hợp cho khối chức theo giải pháp đề xuất Các phần tiếp sau mô tả phân tích chi tiết giải pháp nhóm nghiên cứu phát triển A Giải pháp cho sơ đồ khối mạch đo tín hiệu EMG Hình sơ đồ khối mạch đo để xuất để đảm bảo khả thu nhận tín hiệu EMG có chất lượng cao Theo sơ đồ đề xuất, tín hiệu điện từ điện cực đo vào khuếch đại đệm Các tín hiệu đầu khuếch đại đệm tới đầu vào khuếch đại vi sai Tín hiệu đầu khuếch đại vi sai tín hiệu EMG thơ Tín hiệu đưa tới lọc thông dải lọc triệt tần để lọc bỏ thành phần khơng mong muốn Tín hiệu EMG sau xử lý lọc đưa vào chuyển đổi ADC Đầu ADC tín hiệu EMG số, tín hiệu truyền tới MCU thông qua cách ly quang Thông qua giao diện kết nối có dây khơng dây, MCU thực việc truyền tín hiệu EMG số có cho máy tính nhận yêu cầu thiết lập chế độ đo Hình 2: Sơ đồ khối mạch đo tín hiệu EMG (ba điện cực sử dụng gồm hai điện cực đo điện cực tham chiếu, để chống nhiễu) Giải pháp thực khối chức sơ đồ khối hình phân tích phần tiếp sau B Giải pháp khuếch đại triệt nhiễu đồng pha Tín hiệu nhiễu xuất dây điện cực đo điện cực tham chiếu nhiễu đồng pha Tín hiệu điện nhỏ cỡ 0,1 mV, thành phần nhiễu đồng pha (nhiễu nguồn) lên tới hàng V, tương 312 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) đương -120 dB SNR [3], [4] Nhiễu cần phải loại bỏ khỏi tín hiệu EMG sinh học, mạch lọc Butterworth bậc kiến trúc SallenKey có nhiều ưu điểm loại mạch lọc khác sử dụng [3], [7], [8] Hình 3: Phương thức bỏ nhiễu đồng pha khuếch đại vi sai Nhiễu đồng pha triệt tiêu cách lấy vi sai tín hiệu hai dây nối điện cực đo (xem hình 3) Khả loại bỏ thành phần nhiễu xuất đồng thời hai đầu vào khuếch đại định lượng hệ số nén nhiễu đồng pha (Common mode Rejection Ratio - CMRR) mạch khuếch đại Hệ số CMRR khuếch đại vi sai tính cơng thức đây: ( )    Trong đó: (1) Ad hệ số khuếch đại vi sai, (2) Acm hệ số khuếch đại đồng pha Giá trị CMRR thơng thường cỡ 80 đến 120dB Với mạch đo tín hiệu EMG, CMRR khuyến nghị phải lớn 90dB [3], [4] Hệ số CMRR bị suy giảm chênh lệch trở kháng đường dây nối điện cực đo Do trở kháng khuếch đại cố định, sai khác trở kháng đường dây khiến tín hiệu cho dù giống điện cực trở nên khác cuối dây đo (chỗ nối với khuếch đại) Ảnh hưởng chênh lệch trở kháng giảm thiểu cách sử dụng khuếch đại đệm có trở kháng vào lớn (> 108 Ω) [4] C Giải pháp sử dụng lọc tương tự Tín hiệu EMG có thành phần hữu ích nằm dải tần cụ thể, ví dụ, tín hiệu sEMG dải tần 10 Hz ÷ 450 Hz Trong thiết kế mạch đo tín hiệu điện sinh học để lấy thành phần hữu ích, lọc thơng dải thường sử dụng tạo lọc thông cao (HPF) tích cực thơng thấp (LPF) tích cực Dải thông lọc thông dải kép xác định tần số cắt lọc HPF (fL) LPF (fH) Trong đó, lọc HPF loại bỏ nhiễu tần số thấp, nhiễu chuyển động, nhiễu trôi đường sở Bộ lọc LPF lọc bỏ thành phần nhiễu tần số cao, có vai trị giới hạn tần số cực đại tín hiệu tương tự trước thực chuyển đổi ADC Bộ lọc thơng dải kép có ưu điểm so với lọc thông dải đơn, dễ dàng điều chỉnh tham số mạch, tần số cắt hệ số Q Việc lựa chọn lọc phù hợp với yêu cầu lọc việc lựa chọn kiến trúc, loại lọc, bậc lọc, tần số cắt, hệ số phẩm chất (Q) độ khuếch đại lọc Có nhiều loại lọc khác giới thiệu, chúng có ưu điểm nhược điểm khác Đối với tín hiệu điện ISBN: 978-604-67-0349-5 Hình 4: Sơ đồ mạch lọc Butterworth bậc kiến trúc Sallen-Key (hệ số phẩm chất mạch Q = 0,707) Theo sơ đồ hình 4, phần tử Z1, Z2, Z3, Z4 C1, C2, R1, R2 mạch mạch lọc HPF Còn phần tử Z1, Z2, Z3, Z4 R1, R2, C1, C2 mạch mạch lọc LPF  Tần số fc lọc tính theo công thức: Hz (2) √  Hệ số Q lọc HPF tính theo cơng thức: √ ( (3) )  Hệ số Q lọc LPF tính theo cơng thức: √ ( (4) ) Sau lọc thông dải, thành phần nhiễu nguồn điện lưới (50 Hz 60 Hz) cịn lại tín hiệu EMG cịn tương đối lớn Để loại bỏ thành phần nhiễu cần phải sử dụng lọc triệt tần (Notch) Do lượng tín hiệu EMG tập trung chủ yếu dải tần xung quanh tần số 50 Hz, nên sử dụng lọc Notch có hệ số Q thấp gây suy giảm mạnh thành phần tín hiệu có ích Để đảm bảo hiệu lọc nhiễu, cần lựa chọn lọc Notch có hệ số Q lớn Trong loại lọc Notch giới thiệu nay, lọc Twin - T Notch có nhiều ưu điểm sử dụng Hình 5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc Twin – T Notch Hình sơ đồ mạch lọc Twin-T Notch, tần số fc lọc tính theo cơng thức sau: √ ( ) Hz (5) Bộ lọc Twin-T Notch có số đặc tính tốt như: (1) cho phép điều chỉnh dễ dàng hệ số Q (từ 0,3 đến 50) 313 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) mạch lọc cách điều chỉnh tỷ lệ R4/R5, (2) đạt hệ số triệt tần tới 60 dB với linh kiện có sai số 1%, thơng thường 50 dB [7], [8] D Giải pháp chuyển đổi tương tự - số tín hiệu Tín hiệu EMG sau lọc tín hiệu tương tự có cực tính (có phần âm phần dương) Trong số thiết kế giới thiệu, thường dùng chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp (từ 10 bít đến 16 bít) chuyển đổi phần dương tín hiệu [5], [6], [10] Do đó, tín hiệu cần khuếch đại công thêm điện áp dịch mức dương trước chuyển đổi ADC nhằm mục đích tăng độ phân giải khơng làm thành phần phần âm tín hiệu Theo cách này, mạch cần thêm khối mạch tương tự phức tạp, gây méo dạng tín hiệu Để giải vấn đề này, chuyển đổi ADC sử dụng cần có số đặc tính như: (1) chuyển đổi tín hiệu có cực tính, (2) tích hợp khuếch đại có hệ số cấu hình mềm, (3) độ phân giải cao, (4) tốc độ lấy mẫu cao thay đổi lập trình, (5) liệu tín hiệu đầu nối tiếp E Giải pháp cách ly nguồn với đối tượng đo Cách ly nguồn cung cấp với đối tượng đo yêu cầu cần thiết thiết bị đo điện sinh học thể sống Việc cách ly nhằm hai mục đích sau:  Để đảm bảo an toàn điện, tránh nguy giật điện gây dòng rò, đặc biệt dòng rò từ nguồn điện lưới có tần số 50 Hz (hoặc 60 Hz)  Để tránh nhiễu từ nguồn tới mạch xử lý đầu vào, làm giảm SNR tín hiệu điện thu Để tăng hiệu chế tạo, giải pháp cách ly đề xuất sử dụng nguồn cách ly mức cao cho phần mạch xử lý tín hiệu tương tự chuyển đổi ADC, có mức tiêu thụ nguồn nhỏ Các phần mạch cịn lại có mức tiêu thụ cơng suất lớn sử dụng nguồn có mức độ cách ly thấp Hình 6: Giải pháp dùng nguồn cách ly mạch đo tín hiệu EMG Hình sơ đồ mơ tả giải pháp cách ly đề xuất Theo sơ đồ này, tín hiệu tương tự chuyển đổi sang dạng số chuyển đổi ADC Đầu ADC tín hiệu số, theo chuẩn truyền thông nối tiếp, truyền qua cách ly quang tới khối xử lý truyền thơng tín hiệu số (MCU) ISBN: 978-604-67-0349-5 III TRIỂN KHAI CÁC GIẢI PHÁP Để đánh giá đề xuất, nhóm nghiên cứu triển khai bước sau: (1) lựa chọn mạch thiết kế thử nghiệm, (2) xây dựng bảng thông số kỹ thuật cần đạt mạch, (3) mô khối chức năng, (4) lựa chọn linh kiện sử dụng, (5) chế tạo đo thông số làm việc mạch, (6) đánh giá kết đạt Cụ thể là: Nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết kế chế tạo mạch đo tín hiệu sEMG Đối tượng chọn lý sau:  Trong loại tín hiệu EMG tín hiệu sEMG bị ảnh hưởng nhiều loại nhiễu khác lớn nhất, đặc biệt nhiễu từ nguồn điện lưới Tín hiệu sEMG có mức độ phức tạp so với tín hiệu iEMG Bởi vì, tín hiệu sEMG tín hiệu tổng hợp nhiều đơn vị vận động bắp có biên độ nhỏ (biên độ suy hao tượng độ dẫn khối) Trong khi, tín hiệu iEMG tín hiệu vài bó bắp [6]  Việc thực đo tiến hành sEMG an tồn iEMG Bởi vì, phép đo sEMG đo khơng xâm lấn, cịn phép đo iEMG đo xâm lấn (phải dùng kim chọc vào tổ chức cơ, gây bệnh cho tình nguyện viên khơng phải chuyên gia y tế thực đo) Bảng tiêu kỹ thuật mạch đo sEMG cần đạt sau thiết kế Các thông số đưa dựa việc tham khảo tiêu kỹ thuật số hệ thống đo EMG thương mại [5], [10], yêu cầu nghiên cứu BẢNG Các thông số kỹ thuật mạch đo tín hiệu EMG cần đạt Tên thông số Trở kháng vào CMRR Dải tần Hệ số khuếch đại Độ phân giải Tần số lấy mẫu Mức nhiễu Dòng dò Tốc độ truyền liệu Giá tri 107 140 ÷ 450 100 24 >2 < 0,5 < 100 480 Đơn vị Ω dB Hz Lần Bit kHz mV (rms) μV Mbps Chú thích Từ điện cực đo Với nhiễu 50 Hz Tín hiệu sEMG Cấu hình mềm Cấu hình mềm Tín hiệu sEMG Dải tần ÷ 500 Hz Chuẩn IEC60601-1 Giao tiếp USB 4.0 Dựa theo yêu cầu thiết kế cụ thể áp dụng giải pháp đề xuất, nhóm nghiên cứu sử dụng công cụ như: phần mềm Filter Pro Texas Instrusments (TI) ORCAD PSPICE để chạy mơ xử lý tín hiệu tương tự Ngồi việc hỗ trợ mơ phỏng, cơng cụ hỗ trợ lựa chọn giá trị linh kiện thụ động (RC) phù hợp, theo tiêu chuẩn thương mại có, mắc khối mạch xử lý tín hiệu tương tự Các linh kiện sử dụng cho khối chức mạch linh kiện hãng TI Trong đó, số linh kiện vi mạch (IC) tương tự số hãng phát triển thương mại 314 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Cụ thể là:  Mạch khuếch đại đệm khuếch đại vi sai: mạch khuếch đại đệm sử dụng IC TL072 mạch khuếch đại vi sai sử dụng IC INA129 mắc theo khuyến nghị hãng Các IC có trở kháng vào lớn, tiêu thụ dòng nhỏ với độ dịch áp nhỏ, hệ số CMRR lớn [11]  Mạch lọc thông thấp, thông cao Notch: sử dụng IC TL072, mắc mạch hình Giá trị linh kiện R,C có từ bước tính tốn mơ mạch  Mạch chuyển đổi ADC: sử dụng IC ADS1294, linh kiện TI, có số đặc tính bật như: (1) có khuếch đại nội với hệ số khuếch đại lập trình được, (2) có khả chuyển đổi tín hiệu có cực tính (dải chuyển đổi ± 2,5 V), (3) sử dụng phương pháp lấy mẫu kiểu delta-sigma, (4) độ phân giải tín hiệu 24 bít, (5) tần số lấy mẫu lên đến 32 Kbps, (6) liệu đầu theo chuẩn SPI, (7) hỗ trợ nhiều kênh đo [12]  Mạch truyền cách ly tín hiệu: sử dụng IC ISO7231M, phần tử cách ly quang tín hiệu số TI hỗ trợ truyền giao thức SPI Phần tử có thơng số bật là: (1) tốc độ truyền tối đa 150 Mbps, (2) điện áp cách ly kV ESD [13]  MCU: sử dụng IC MSP430F5510, phần tử có hỗ trợ truyền thơng SPI, USB, UART MCU lập trình để nhận tín hiệu EMG số từ ADC (theo chuẩn SPI qua mạch cách ly quang) để truyền lên máy tính (theo chuẩn USB, UART) [14]  Nguồn cách ly: sử dụng môđun A0512D, loại nguồn DC-DC cách ly KVDC, đầu vào V (có thể lấy từ máy tính qua cổng USB), đầu ± 12 V, công suất W, hiệu suất chuyển đổi 80% Nguồn cung cấp cho phần xử lý tương tự chuyển đổi ADC Điện áp tham chiếu (± 2,5 V) tạo từ mức điện áp ±12 V, cách sử dụng IC TPS7A4901 TPS7A3001, IC tạo nguồn tham chiếu chuyên dụng chất lượng cao TI [15] Mạch chế tạo theo hai bước, là: (1) chế tạo khối mạch chức riêng rẽ, (2) chế tạo tích hợp khối mạch bo mạch Ở bước, mạch đo hiệu chỉnh thông số hoạt động theo bảng Thiết bị sử dụng để đo kiểm bao gồm: công cụ NIELVIS II National Instrumment, ôxilô DSO-X 2002A Agilent Technologies, thiết bị TeraOhm 5KV Insulation Tester Duncan Instruments Trong NI-ELVIS II sử dụng để: (1) Tổng hợp loại tín hiệu dùng cho kiểm thử, tín hiệu có thành phần tần số độ lớn tùy chọn khác theo mục đích thử ISBN: 978-604-67-0349-5 Tín hiệu đưa tới đầu vào khối mạch xử lý tương tự (2) Thu lại tín hiệu đáp ứng mạch xử lý tương tự, phân tích phổ tín hiệu thu được, vẽ đặc tuyến vào mạch Các phép đo thực phịng thí nghiệm điều kiện thường, với mức độ chống nhiễu trung bình, theo quy trình đo thơng số chuẩn hóa IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau trình đo kiểm thông số mạch thiết bị chuyên dụng, thấy rằng: (1) Các mạch chức mạch đo sEMG có thơng số hoạt động u cầu thiết kế với sai số nhỏ (±1% theo bảng 1) (2) Giá trị dòng dò mức độ cách ly mạch đo sEMG, đo theo quy trình đo quy chuẩn thiết bị y tế nay, nhỏ (< 70 μA) Mạch đạt tiêu chuẩn an toàn điện IEC 60601-1, đạt tiêu chuẩn thiết bị y tế nay, đảm bảo để đo thử tình nguyện viên BẢNG Các thơng số mạch xử lý tương tự Tên thông số Giá trị Các thông số khuếch đại đệm Trở kháng vào 1012 Hệ số khuếch đại sử dụng CMRR 90 Nguồn cung cấp ±12 Các thông số khuếch đại vi sai Trở kháng vào Hệ số khuếch đại sử dụng 100 CMRR 100 Nguồn cung cấp ±12 Mạch lọc thông cao Tần số cắt (fc) ≈5 Hệ số phẩm chất (Q) 0,7 Mạch lọc thông thấp Tần số cắt (fc) ≈ 450 Hệ số phẩm chất (Q) 0,7 Mạch lọc Notch Tần số cắt (fc) 50 Hệ số phẩm chất (Q) 5,6 CMRR 50 Đơn vị Ω Lần dB V Ω Lần dB V Hz Hz Hz dB Bảng thể thông số mạch đo tín hiệu sEMG (hình 7), phần mạch xử lý tín hiệu tương tự đầu vào, tính khác mạch đạt yêu cầu thiết kế liệt kê bảng Hình 7: Ảnh mạch đo tín hiệu sEMG hồn thiện (kích thước 7x10 cm2) 315 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Thực đo tín hiệu sEMG bắp tay tình nguyện viên, tín hiệu EMG hiển thị phân tích phổ phần mềm sóng xây dựng công cụ Labview Kết cho thấy, dạng phổ tín hiệu EMG thu giống với mơ tả tài liệu [1], [2], [4], [6] Hình 8: Tín hiệu sEMG đo mạch đo sEMG bắp tay co vừa phải (phần nhiễu nhỏ so với thành phần tín hiệu)  Mạch đo có khả truyền thơng với máy tính thơng qua chuẩn USB với tốc độ Full Speed USB Ngoài ra, mạch đo thử nghiệm giao tiếp với máy tính thơng qua chuẩn Bluetooth 4.0 cho kết tương tự tần số lấy mẫu tín hiệu nhỏ kHz Ngoài ưu điểm để cập mạch cịn có ưu điểm khác sử dụng linh kiện có mức độ tích hợp cao chất lượng, như: kích thước nhỏ, cho phép tăng số lượng kênh đo, công suất tiêu thụ thấp, độ tin cậy, ổn định cao V KẾT LUẬN Mạch đo tín hiệu EMG thiết kế theo giải pháp đề đạt chi tiêu thiết kế, có số ưu điểm so với mạch đo EMG giới thiệu trước Mạch đo tích hợp hệ thống đo tín hiệu EMG cố định di động Các giải pháp đề xuất nghiên cứu hữu dụng cho việc thiết kế mạch đo tín hiệu điện đồ chất lượng cao Nó hữu dụng cho thiết kế mạch đo tín hiệu điện sinh học khác ECG, EEG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hình 9: Đồ thị phổ tín hiệu sEMG thể hình Dựa vào kết đánh giá thu cho thấy, mạch đo tín hiệu sEMG có số ưu điểm sau đây:  Mạch đo có trở kháng đầu vào lớn, giúp làm giảm ảnh hưởng sai lệch trở kháng đường dây lên tín hiệu lấy vi sai Nhờ đó, tín hiệu vi sai tín hiệu chênh lệch điện áp điện cực đo  Mạch đo có hệ số CMRR với nhiễu 50 Hz lên đến 140 dB Do giảm đáng kể tác động nguồn điện lưới lên tín hiệu, giúp làm giảm yêu cầu chống nhiễu môi trường đo thực tế  Mạch đo sử dụng chuyển đổi ADC có khả chuyển đổi tương tự - số tín hiệu có cực tính có khuếch đại nội có hệ số khuếch đại thiết lập mềm, nên không cần sử dụng mạch dịch mức mạch khuếch đại rời rạc bên ngồi Do đó, tín hiệu không bị sai lệch méo dạng chuyển đổi ADC, mạch chạy ổn định nhỏ gọn, độ tin cậy cao  Mạch đo khơng gây sai lệch tín hiệu thực truyền cách ly tín hiệu Bởi vì, tín hiệu tương tự số hóa trước truyền qua cách ly quang Đồng thời, chi phí cho nguồn cách ly mức độ cao (1 KVDC) có cơng suất nhỏ (< W) thấp ISBN: 978-604-67-0349-5 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] 316 Peter Konrad, The ABC of EMG: A Practical Introduction to Kinesiological Electromyography Version 1.0 April 2005, Noraxon INC USA Basmajian JV, De Luca CJ, Muscles Alive Their Function Revealed by Electromyography Williams & Wilkens, Baltimore, 1985 Webster, John G (1998) Medical Instrumentation: Application and Design New Jersey: John Wiley & Sons, Inc Aminoff; Aminoff’s Electrodiagnosis in Clinical Neurology 6thd ed Saunders British Library Cataloguing in Publication Data, 2012 Hutten GJ, van Thuijl HF, A literature review of the methodology of EMG recordings of the diaphragm, Pubmed, May 2009 Duchêne J and Gouble F (1993) Surface electromyogram during voluntary contraction:Processing tools and relation to physiological events Critical Reviews in Biomedical Engineering 21(4):313–397 Zumbahlen, Hank, editor, 2008 Linear Circuit Design Handbook, Newnes, ISBN 978-0-7506-8703-4 Roland D Thomas and Albert J Rosa, The Analysis and Design of Linear Circuits, USA, John Wiley and Sons, Inc., 2001 Sedra, A.S and K.C Smith Microelectronics Circuits 4th ed New York: Oxford University Press 1998 Nihon Kohden, Basic guide to EP/EMG measurement, Technical Education Series Neuro Series No (EP/EMG Basics) Texas Instruments INA129 Instrumentation Amplifier datasheet, 2014 Texas Instruments ADS1294 Analog Front End datasheet, 2014 Texas Instruments ISO7231M Triple Digital Isolators datasheet, 2014 Texas Instruments MSP430F5510 Mixed Signal Microcontroller datasheet, 2014 Texas Instruments TPS7A3001, Ultralow-Noise, Negative LINEAR REGULATOR datasheet, 2014  ... giới thiệu nghiên cứu phát triển số giải pháp nhằm mục đích cải thiện thơng số mạch đo tín hiệu EMG, giúp tăng chất lượng tín hiệu EMG thu II GIẢI PHÁP Các giải pháp kỹ thuật phát triển để tạo mạch. .. cứu phát triển A Giải pháp cho sơ đồ khối mạch đo tín hiệu EMG Hình sơ đồ khối mạch đo để xuất để đảm bảo khả thu nhận tín hiệu EMG có chất lượng cao Theo sơ đồ đề xuất, tín hiệu điện từ điện cực... nhận tín hiệu điện từ điện cực, xử lý tín hiệu tương tự, chuyển đổi ADC, truyền thơng tín hiệu EMG số có lên máy tính  Phần mềm xử lý phân tích tín hiệu EMG số: thực phép xử lý số tín hiệu,