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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VŨ HUY TOÀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THU THẬP XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC DỰA TRÊN DSP Chuyên ngành : Kỹ Thuật Y Sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VŨ HUY TOÀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG THU THẬP XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN SINH HỌC DỰA TRÊN DSP Chuyên ngành : Kỹ Thuật Y Sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Trịnh Quang Đức Hà Nội – Năm 2016 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 hồn thiện luận văn Thạc sĩ tơi 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 tơi suốt q trình thực đề tài nghiên cứu Tơi 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 Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè ln 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 tơi nghiên cứu, số liệu hồn tồn 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 Dịng 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 thơng thấp bậc 37 Hình 3.7 Đáp ứng bậc khác lọc Butterworth 38 Hình 3.8 Bộ lọc thơng 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 thơng thấp bậc 40 Hình 3.11b Bộ lọc thơng thấp bậc 41 Hình 3.12 Mạch MFB 41 Hình 3.13: Các mơ 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 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 mơ 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