Thiết kế bộ lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim

LỜI CAM ĐOAN Các kết trình bày Luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu tơi hồn thành hướng dẫn sát Ts Trịnh Quang Đức, Bộ môn Công nghệ Điện tử Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử Viễn Thông, Trường Đại Hoạc Bách Khoa Hà Nội Kết Luận văn tốt nghiệp trung thực thể nghiên cứu suốt thời gian qua Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Tơi xin trân trọng cám ơn! Tác giả Trần Hồng Anh LỜI NĨI ĐẦU Trong thực tế Bệnh viện Phòng khám bệnh hàng ngày nhu cầu kiểm tra sức khỏe cần thiết Đặc biệt việc đo tín hiệu điện tim để kiểm tra tình trạng tim Trái tim phận quan trọng sức khỏe người Do đó, việc kiểm tra hoạt động tim thường xuyên yếu tố hàng đầu giúp đánh giá tình trạng sức khỏe người Trong máy đo tín hiệu điện tim lại bị ảnh hưởng từ trường từ loại nhiễu nhiễu điện lưới xoay chiều 50Hz, nhiễu trắng, nhiễu đường biên, nhiễu ảnh hưởng từ tín hiệu sinh học khác Từ dạng nhiễu Luận văn đề cập đến giải pháp kỹ thuật, thuật toán cho việc loại bỏ nhiễu thiết bị ghi sóng điện tim Việc nghiên cứu, thiết kế Thiết kế lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim cần thiết để giúp thiết bị ghi điện tim loại bỏ loại nhiễu không mong muốn giúp y bác sĩ chẩn đoán bệnh xác Do đó, tơi chọn thực Đề tài luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim Design digital filter for ECG circuit measurement” Quá trình nghiên cứu, thiết kế giúp em thu nhận nhiều kiến thức thực tế, cần thiết liên quan đến Đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Ts Trịnh Quang Đức thầy cô Bộ môn Công nghệ Điện tử - Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện tận tình giúp đỡ tơi thời gian làm Luận văn tốt nghiệp Mặc dù vấn đề Đồ án giải cách tốt dựa khả thân tơi khơng thể tránh khỏi có sai sót Vì vậy, em mong nhận giúp đỡ, bảo thầy giáo để em hồn thiện thêm kiến thức MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời nói đầu Mục lục Mục lục hình vẽ Mục lục bảng biểu Các từ viết tắt Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan máy điện 12 1.1 Sự đời máy điện tim……………………………… … 12 1.2 Đặc trưng tín hiệu điện tim……………………………… 14 1.3 Sự liên hệ tín hiệu điện tim sới sinh lý……………….… 16 1.3.1 Các trình điện học điện tim………………………… 16 1.3.2 Hoạt động điện tim……………………………………… 17 1.3.2.1 Tế bào tim………………………………………………… 17 1.3.2.2 Hệ thống dẫn tim………………………………………… 18 1.3.3 Dòng điện hoạt động tế bào…………………………… 21 1.3.4 Sóng khử cực………………………………………………… 23 1.3.5 Sóng tái phân cực…………………………………………… 24 1.3.6 Sự liên hệ tín hiệu điện tim với sinh lý………………… 26 1.4 Các hệ thống đo tín hiệu điện tim tiêu biểu………………… 29 Chƣơng 2: Đặc tính loại nhiễu 32 2.1 Nhiễu trắng……………………………………………… … 32 2.2 Nhiễu nguồn cung cấp xoay chiều (nhiễu 50Hz)……… … 33 2.3 Nhiễu đường biên…………………………………………… 34 2.4 Nhiễu run cơ……………………………………………… 37 Chƣơng 3: Thiết kế lọc số cho tín hiệu điện tim 38 3.1 Phân tích tín hiệu điện tim……………………………… … 38 3.2 Giải pháp kỹ thuật cho thiết kế lọc……………………… 45 3.2.1 Một số ưu điển PC…………………………………….… 46 3.2.2 Các thành phần số hệ thống PC điển hình………… 47 3.3 Thiết kế lọc số…………………………………………… 49 3.4 Xây dựng mạch phần cứng lọc số……………………… 52 Chƣơng 4: Thử nghiệm đánh giá lọc 65 4.1 Thí nghiệm với lọc Butterwoth………………………… 65 4.1.1 Đặc tuyến lọc lựa chọn giải pháp…………….… 65 4.1.2 Thiết kế lọc Butterwoth - IIR…………………………… 68 4.1.2.1 Thiết kế lọc số Band Stop cho lọc nhiễu điện lưới……… 70 4.1.2.2 Thiết kế lọc Low Pass cho lọc nhiễu cao tần…………… 79 4.2 Thuật toán lọc nhiễu đường biên…………………………… 80 4.3 Thuật toán lọc nhiễu trắng…………………… …………… 82 Chƣơng 5: Thảo luận kết luận 84 5.1 Kết đạt được…………………………………………… 84 5.2 Thảo luận…………………………………………………… 88 5.3 Kết luận……………………………………………………… 90 5.4 Hướng phát triển đề tài………………………………… 91 Tài liệu tham khảo …………………………………………………… 92 CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Trang Hình 1.1 Hình 1.2 Dạng sóng điện tim Einthoven tính tốn Einthoven máy điện tim dạng bàn Công ty Cambridge Scientific Instrument năm 1911 Hình 1.2.1 Tín hiệu ECG bình thường 12 13 15 Sự di chuyển Ion Na+, Ca++ qua màng tế bào hình thành Hình 1.3 đường cong điện hoạt động, nguồn gốc dịng điện 16 tim Hình 1.4 Khử cực (b) tái cực (c) tế bào đơn giản 16 Hình 1.5 Điện sinh lý học tế bào tim 17 Hình 1.6 Hệ thống truyền dẫn tim 19 Hình 1.7 Điện sinh học tim: Các dạng sóng khác tế bào đặc biệt khác tìm thấy tim 20 Hình 1.8 Nguồn gốc điện tâm đồ 22 Hình 1.9 Nhịp xoang chậm 26 Hình 1.10 Nhịp xoang nhanh 27 Hình 1.11 Nhịp nối tương cường 27 Hình 1.12 Đoạn ST bình thường 27 Hình 1.13 Đoạn ST chênh xuống 28 Hình 1.14 Đoạn ST chênh lên 28 Hình 1.15 Sóng T 28 Hình 1.16 Máy điện tim kênh điển hình 29 Hình 2.1 Tín hiệu ECG có nhiễu trắng mức 0,2mV 32 Hình 2.2 Phổ nhiễu trắng mực 0,2mV 33 Hình 2.3 Nhiễu 50Hz mức 0,2mV có tín hiệu ECG 34 Hình 2.4 Phổ nhiễu 50Hz mức 0,2mV 34 Hình 2.5 Nhiễu đường biên tần số 0,5Hz biên độ =0,5mV có tín hiệu ECG 35 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 3.1 Hình 3.2 Nhiễu đường biên, tần số 1,2Hz biên độ =0,5mV có tín hiệu ECG Phổ biên độ nhiễu đường biên có tần số 0.5Hz biên độ =0,5mV Phổ biên độ nhiễu đường biên ngẫu nhiên có tần số 1,2Hz biên độ =0,5mV Nhiễu run 36 36 37 37 Quá trình tạo tín hiệu điện tim ECG đạo trình Chi Einthoren Thời gian xuất nhánh nội điện (tư flucs bắt đầu phức hợp QRS đến đỉnh sóng R) 41 45 Hình 3.3 Hệ thống PC điển hình, 48 Hình 3.5 Sơ đồ biểu diễn biến đổi Z nhiễu tầng cho hàm Y(Z) 50 Hình 3.6 Cấu trúc nối tầng lọc số 51 Hình 3.7 Cấu trúc nối tầng lọc số biểu thị hàm truyền Hz 51 Hình 3.8 Sơ đồ khối mạch cứng cho lọc số IIR 52 Hình 3.9 Mơ hình điều chế tần số VCO 57 Hình 3.10 A, Dải tần số tín hiệu ban đầu; B, Dải tần số tín hiệu sau điều chế 58 Hình 3.11 Cấu trúc DMA Ping - Pong 60 Hình 3.12 Sơ đồ khối giải điều chế hỗn hợp cầu phương 61 Hình 3.13 Sơ đồ khối giải điều chế 62 Hình 4.1 Đặc tuyến lọc họ Butterwoth 65 Hình 4.2 Đặc tuyến lọc Chebyshev I 66 Hình 4.3 Đặc tuyến lọc Chebyshev II 67 Hình 4.4 Đặc tuyến lọc Elliptic 68 Hình 4.5 Vịng trịn đơn vị giới hạn ổn định lọc 69 Hình 4.6 Sơ đồ chương trình Labview mơ tín hiệu điện tim 72 Hình 4.7 Tín hiệu điện tim mơ giây 72 Hình 4.8 Sơ đồ chương trình Labview đánh giá phân tích phổ 73 Hình 4.9 Tín hiệu mơ dạo động Sin 50Hz 73 Hình 4.10 Tín hiệu mơ dạo động Sin 80Hz 74 Hình 4.11 Tín hiệu mơ trộn dao động 50Hz 80Hz 74 Hình 4.12 Tín hiệu trộn biểu diễn miền tần số 75 Hình 4.13 Phổ tín hiệu điện tin mơ 75 Hình 4.14 Chương trình trộn nhiễu 50Hz với tín hiệu điện tim mơ 76 Hình 4.15 Tín hiệu điện tim trộn nhiễu 50Hz 77 Hình 4.16 Phổ tín hiệu điện tim mơ trộn nhiễu 50Hz 77 Hình 4.17 Sơ đồ chương trình lọc Labview 78 Hình 4.18 Hình 4.19 Hình 4.20 Sơ đồ mạch nguyên lý khuếch đại kết hợp với lọc thông thấp bậc Bộ lọc thông cao Labview 80 82 Thuật toán lọc nhiễu phương pháp giảm nhiễu trung bình hóa 83 Hình 5.1 Mạch ngun lý khuếch đại lọc thơng thấp 85 Hình 5.2 Đặc tuyến lọc thông thấp đo thực nghiệm 86 Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế 87 Hình 5.4 Chương trình Labview thu thập xử lý tín hiệu điện tim 88 Hình 5.5 Sai số biên độ quan sát miền tần số 89 Hình 5.6 Sai số tần số quan sát miền tần số 90 Hình 5.7 Sai pha gây phép điều chế quan sát miền tần số 90 CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Trang Bảng 1.1 Biên độ sóng thành phần tín hiệu ECG 15 Bảng 1.2 Khoảng thời gian sóng tín hiệu ECG 15 Bảng 1.3 Các tượng điện tim 20 Bảng 3.1 Giới hạn bình thường sóng Q chuyển đạo 44 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt - ADC (Analog to Digital Converter) chuyển đổi tương tự sang số - AM (Amplitude Modulation) điều biên - ALU (Arimethic Logic Unit) tính tốn số học - CPU (Central Processing Unit) Bộ xử lý trung tâm - DAC (Digital to Analog Converter) chuyển đổi số tương tự - DSP (Digital Signal Processing) xử lý tín hiệu số - DMA (Direct Memory Access) truy cập nhớ trực tiếp - DFT (Discrete Fourier Transform) phép biến đổi Fourier rời rạc - ECG: Electrocardiography (điện tâm đồ) - FM (Frequency Modulation) điều chế tần số - FFT (Fast Fourier Transform) phép biến đổi Fourier nhanh - MSE (Mean Square Error) sai số trung bình bình phương - PC (Personal Computer) máy tính cá nhân - PLI (Power Line Interference) nhiễu nguồn cung cấp điện xoay chiều - VCO (Voltage Control Oscillator) dao động điều khiển điện áp Ký hiệu - P,Q, R, S,T: Tên đỉnh sóng chu kỳ nhịp tim MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Vì muốn giải loại bỏ vấn đề nhiễu trắng, nhiễu điện lưới xoay chiều 50 Hz, nhiễu đường biên, nhiễu ảnh hưởng từ tín hiệu sinh học khác Luận văn bước đầu cho thấy tính khả thi việc phát triển hệ thống lên ứng dụng Dựa hệ thống này, tín hiệu điện tim thu được phân tích chẩn đoán thuật toán cài đặt máy tính để trợ giúp bác sĩ việc điều trị bệnh Để giảm thiểu tượng nhiễu đường biên, luận văn em đề xuất mơ hình lọc thơng cao đơn giản với mơ hình Butterworth bậc lọc 50 Những nhiễu trắng giảm thiểu mơ hình giảm mẫu lọc trung bình Sai số phép đo tiến hành điều tra Kết đo tín hiệu đo điện tim thu vào máy tính hồn tồn tin cậy sai số nhỏ hoàn toàn nằm khoảng cho phép Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan máy điện tim Sự đời máy điện tim Đặc trưng tín hiệu điện tim Sự liên hệ tín hiệu điện tim với sinh lý: Các trình điện học tim, Hoạt động tim, Tế bào tim, Hệ thống dẫn tim, Sóng khử cực, Sóng tái phân cực, Sự liên hệ tín hiệu điện tim với sinh lý Các hệ thống đo tín hiệu điện tim tiêu biểu Chƣơng 2: Đặc tính loại nhiễu Nhiễu trắng Nhiễu điện cung cấp xoay chiều điện lưới 50Hz Nhiễu đường biên Nhiễu ảnh hưởng từ tín hiệu sinh học khác, nhiễu run Chƣơng 3: Thiết kế lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim Phân tích tín hiệu điện tim 10 4.1.2.2 Thiết kế lọc low pass cho lọc nhiễu cao tần Như thảo luận chương 2, dải phổ tín hiệu điện tim nằm khoảng 0-100 Hz Điều có nghĩa quan sát cần thiết cho tín hiệu điện tim cần nằm khoảng từ đến 100 Hz Trên thực tế, nhiễu điện lưới tần số 50 Hz, tồn nhiều nhiễu vơ tuyến khác Các sóng điện từ, chất truyền sóng, lan truyền dao động điện từ lên phương tiện dẫn điện tạo dao động điện mạch đo Vì tín hiệu điện tim nhỏ, nên nhiễu loạn làm suy giảm tỷ lệ tín tạp (SNR-Signal-to-Noise Ratio) Các sóng điện từ hay gặp từ sóng radio, truyền hình, máy thu phát cao tần, hệ thống viễn thông di động, sóng WiFi nói chung có tần số cỡ vài trăm MHz trở lên Do khoảng phổ cần lọc nằm khoảng từ 100 Hz đến vô lớn Như vậy, đây, để tăng tỷ lệ tín tạp, áp dụng lọc thông thấp dải từ đến 100 Hz để loại từ nhiễu cao tần Với tần số cắt 100 Hz với lọc Butterworth bậc ta tính tần số suy hao tai -70db khoảng 10KHz theo công thức 4.5 Như vậy, thực tế, hồn tồn thực thiết kế lọc dạng mạch analog cách dễ dàng với linh kiện điện tử Trong đồ án này, em sử dụng lọc thơng thấp tích cực bậc để loại nhiễu cao tần Sơ đồ mạch nguyên lý thể hình vẽ 4.17 79 Hình 4.18: Sơ đồ mạch nguyên l khuyếch đại kết hợp với lọc thơng thấp bậc 4.2 Thuật tốn lọc nhiễu đƣờng biên Một trở ngại thường gặp đo tín hiệu điện tim nhiễu đường biên Về chất, tín hiệu nhiễu đường biên, thảo luận chương 2, dao động tần số nhỏ dịch chuyển thể tác động lên điện cực cho mức điện áp (đất mạch) bị thay đổi Mặc dù nhiễu khơng thường xun xảy ra, đặc tính ngẫu nhiên biên độ tần số, đó, khó quan sát phân tích phổ thơng qua phép biến đổi FFT Các nhiễu đường biên, gặp phải nhiều máy đo điện tim thương mại Đối với việc chẩn đoán sử dụng kinh nghiệm bác sĩ, nhiễu đường biên không ảnh hưởng lớn Tuy nhiên, sử dụng tín hiệu điện tim để chẩn đoán tự động dạng 80 thuật tốn nhận dạng tự động, nhiễu đường biên thực vấn đề, chúng không thực làm méo tín hiệu biến thiên bất thường chúng làm cho đặc trưng tín hiệu điện tim bị sai lạc, ảnh hưởng đến độ xác phép chẩn đốn phân tích tín hiệu Một điểm thuận lợi coi đặc trưng nhiễu đường biên dải phổ Quan sát nhiễu đường biên, thấy ln có chu kỳ lớn khoảng thời gian lặp lại nhịp tim nhiều nhiều Một số khảo cứu trước dải phổ nhiễu đường biên thường nằm khoảng từ đến 0.5Hz Điều hoàn toàn hợp lý, cử động thể làm tác động học lên điện cực thường khơng có lặp lại với tần số lớn Có nhiều cách tiếp cận khác để thiết kế lọc nhiễu đường biên sử dụng kỹ thuật wavelet, lọc thích nghi để giải cài tốn tín hiệu nhiễu đường biên ngẫu nhiên Tuy nhiên, tiếp cận tốn cách đơn giản hơn, suy giảm biên độ nhiễu đường biên cách áp vào dải phổ nhiễu đường biên hệ số suy hao định Tức là, đưa vào lọc thông cao (high pass filter) Khi quan sát phổ tín hiệu điện tim, dễ thấy dải phổ tín hiệu điện tim 0.8 Hz Do đó, phổ bị lọc, tức phổ nhiễu đường biên có khoảng cách sát so với tín hiệu điện tim Ở áp dụng lọc bậc thấp, gây tượng suy hao tín hiệu hữu ích tín hiệu điện tim Nói cách khác độ dốc đặc tuyến lọc lớn Nếu coi tần số cắt 0.5 Hz (tại -3db), tần số chặn (fstop) cần phải đặt 0.4 Hz (-70db) Với độ dốc vậy, ước lượng bậc lọc đặt vào theo công thức 4.5 50 Cũng giống lọc chặn dải để loại bỏ nhiễu điện lưới 50Hz, lọc thơng cao kiểu khó thực phương pháp thiết kế mạch tương tự Chương trình thiết kế lọc thông cao để loại bỏ nhiễu đường biên Labview minh họa hình 4.18 81 Hình 4.19: Bộ lọc thơng cao Labview 4.3 Thuật tốn lọc nhiễu trắng Nhiễu trắng ln tồn phép đo nào, lý tồn ngẫu nhiên kết đo mà không nguyên nhân độ xác thiết bị mà kết tác động nhiều nguyên nhân xảy ngẫu nhiên Thông thường, nhiễu trắng thể biến động biên độ hầu hết dải miền tần số Do kết hợp nhiễu toàn dải thuộc miền tần số mà người ta gọi với tên nhiễu trắng giống kết hợp tất sóng ánh sáng đơn sắc tạo nên màu trắng Do nhiễu trắng nhiễu ngẫu nhiên trải tồn miền tần số lọc truyền thống theo cách suy hao dựa đường đặc tuyến lọc thông thường giải Tuy nhiên, nhận xét giá trị dao động hỗn loạn ngẫu nhiên tần số ln có giá trị gần với giá trị xung quanh Nói cách khác, giá trị ngẫu nhiên tần số ln dao động quanh giá trịn trung bình Nếu xét miền thời gian, giá trị trung bình này, giá trị đáng tin khoảng thời gian mà giá trị ngẫu nhiên lấy trung bình Như vậy, tập hợp giá trị trung bình giá trị ổn định suy giảm biên độ nhiễu trắng Áp dụng nguyên lý này, luận văn này, em đề xuất phương pháp tăng giá trị đo việc tăng tần số lấy mẫu sau lấy trung bình để giảm số lượng mẫu mà đảm bảo ý nghĩa 82 tần số lấy mẫu tối thiểu Đối với tín hiệu, theo tiêu chuẩn Nyquist, việc lấy mẫu có ý nghĩa thống kê phải lớn lần tần số tín hiệu, tăng 10 lần tần số lấy mẫu tương đương với 1kHz trường hợp tín hiệu điện tim, có số lượng mẫu để lấy trung bình Thuật tốn lấy trung bình để giảm biên độ dao động nhiễu trắng trình bày hình 4.19 Hình 4.20: Thuật tốn lọc nhiễu trắng phương pháp giảm mẫu trung bình hóa 83 CHƢƠNG 5: THẢO LUẬN VÀ KẾT LUẬN 5.1 Kết đạt đƣợc Dựa phân tích thiết kế trình bày chương 4, hệ thống thử nghiệm bao gồm mạch cứng phần mềm thu thập xử lý tín hiệu sau: - Module khuyếch đại lọc thơng thấp Hình 5.1 trình bày nội dung thiết kế mạch khuyếch đại phần lọc thông thấp bậc Mạch khuyếch đại sử dụng linh kiện khuyếch đại vi sai INA333 Mạch khuyếch đại, chia làm tầng, tầng có hệ số khuyếch đại 10 lần Sau tầng khuyếch đại đầu tiên, tín hiệu điên tim có nhiễu đưa qua lọc thông thấp bậc có tần số cắt 100 Hz Sau đó, tỷ lệ tín tạp cải thiện, tín hiệu sau lọc khuyếch đại đến 10000 lần tầng khuyếch đại không đảo sử dụng OPAM (OPA2333) Thơng thường sử dụng lọc thụ động phần tử điện trở tụ điện mắc theo mạch hình T thơng thường Tuy nhiên, suy hao tín hiệu mạch thụ động lớn nên em sử dụng mạch lọc tích cực nghĩa mạch có tham gia khuyếch đại thuật tốn 84 Hình 5.1: Mạch nguyên l khuyếch đại lọc thông thấp Kết đặc tuyến lọc đo thực nghiệm thể hình 5.2 85 Magnitude dB 5.00 200.00 Hz, 3.08dB 0.00 -5.00 -10.00 -15.00 -20.00 -25.00 -30.00 -35.00 -40.00 -45.00 1.00 10.00 100.00 1000.00 Frequency Hz Hình 5.2: ặc tuyến lọc thông thấp đo thực nghiệm - Module điều chế tần số Sơ đồ nguyên lý Module điều chế tần số trình bày hình 5.3 Module phát triển dựa IC XR2260 chế tạo sẵn cho phát triển mạch điều tần (điều chế tần số) Trong luận văn này, em thử nghiệm với tần số điều chế 1KHz, để với chuẩn lấy mẫu 22 kHz soundcard hồn tồn lấy mẫu nhiều lần (10 lần) so với tần số Niquist, từ tiến hành phép giảm nhiễu trắng 86 Hình 5.3: Sơ đồ nguyên l mạch điều chế - Phần mềm lọc số Phần mềm lọc số viết sử dụng công cụ Labview công cụ module hóa graphic Các module sử dụng theo cách kéo thả kết nối với nhau, đó, tiện dụng cho việc phát triển phần mềm ứng dụng Vì lý phát triển cơng cụ thí nghiệm, nên em sử dụng phần mềm Labview để tạo ứng dụng Hình 5.4 trình bày phần mềm thu thập xử lý tín hiệu Labview 87 Hình 5.4: Chương trình Labview thu thập xử l tín hiệu điện tim 5.2 Thảo luận Hệ thống sau thiết kế kiểm nghiệm số thí nghiệm để đánh giá kết giới hạn hệ thống: Đối với module điều chế tần số, mẫu sóng sin chọn làm tín hiệu để đánh giá xác phép điều chế tần số Bởi sai số phép điều chế gây ảnh hưởng đến độ xác mà phép đo điện tim thực đồng thời định đến độ xác số liệu đo điện tim Sóng sin sóng tiền định, có đặc trưng tiêu biểu cho tham số sóng điện pha, tần số, biên độ Ở sai pha yếu tố không quan trọng tín hiệu điện tim quan sát miền thời gian liên tục, sai pha ban đầu khơng ảnh hưởng đến sóng tim thu đồng chưa đặt phép quan sát tín hiệu điện tim 88 Hình 5.5 thể kết đo đánh giá sai số biên độ sóng thu so với sóng phát đầu vào điều chế Như hình vẽ thể hiện, tiêu chuan sai số bình phương trung bình (MSE) sử dụng để đánh giá sai lệch biên độ phép điều chế gây Ở sóng sin có tần số từ đến 100 Hz, sai số cực đại 0,3% nghĩa sai số thực tế phép biến đổi nhỏ so với phép sai số thông thường từ đến 5% mà sản phẩm thương mại đưa Sở dĩ luận văn em khảo sát sai lệch khoảng từ đến 100Hz với đầu vào sóng sin tín hiệu điện tim xem kết hợp sóng sin có phổ từ 0-100 Hz Như sai số biên độ gây phép đo tín hiệu điện tim luận văn nhỏ Hình 5.5: Sai số biên độ quan sát miền tần số Bên cạnh phép khảo sát sai biên, em làm thí nghiệm tương tự để khảo sát sai tần Hình 5.6 thể sai số tần số phép điều tần gây Như hình vẽ ra, sai số lớn nằm khoảng 50 Hz tương ứng với mức sai 0.4 Hz tức 1% Mức sai số tương đối nhỏ chấp nhận 89 Hình 5.6: Sai số tần số quan sát miền tần số Phép đo sai pha khảo sát hình 5.7 thể sai pha miền tần số Theo hình vẽ thể hiện, sai pha tuyến tính nghĩa tần số tăng pha trễ Điều hồn tồn hợp lý tần số cao trở sóng tăng trễ pha lớn Điều ảnh hưởng chủ yếu mạch điện mà phép biến đổi Hình 5.7: Sai pha gây phép điều chế quan sát miền tần số 5.3 Kết luận Trong luận văn này, em tiến hành thiết kế hệ thống thử nghiệm bao gồm mạch khuyếch đại 100db tương đương với 10,000 lần để đưa tín hiệu 90 điện tim từ vài chục mV tới vài V Kết hợp với mạch khuyếch đại lọc thông thấp để loại nhiễu cao tần Để xử lý nhiễu điện lưới, lọc chặn dải với bậc lọc 20 áp dụng Để giảm thiểu tượng nhiễu đường biên, luận văn em đề xuất mơ hình lọc thơng cao đơn giản với mơ hình Butterworth bậc lọc 50 Những nhiễu trắng giảm thiểu mơ hình giảm mẫu lọc trung bình Sai số phép đo tiến hành điều tra Kết đo tín hiệu đo điện tim thu vào máy tính hồn tồn tin cậy sai số nhỏ hồn tồn nằm khoảng cho phép 5.4 Hƣớng phát triển đề tài Luận văn em nghiên cứu, khảo sát phát triển khoảng thời gian năm Tuy công việc chưa nhiều, song kết luận văn bước đầu cho thấy tính khả thi việc phát triển hệ thống lên ứng dụng Dựa hệ thống này, tín hiệu điện tim thu được phân tích chẩn đốn thuật tốn cài đặt máy tính để trợ giúp bác sĩ việc điều trị bệnh 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ECG Library, http://www.ecglibrary.com/ecghist.html Chr Zywietz, “A Brief History of Electrocardigraphy” – Progress through Technology C.Saritha, V Sukanya, Y Narasimha Murthy, “ECG Signal Analysis Using Wavelet Transforms,” Bulg J Phys 35, page 68 -77, 2008 Gari D.Clifford, Francisco Azuaje, Patrick E McSharry,“Advanced Methods and tools for ECG data analysis,” Artech house Inc, Boston London, 2006 Trần Đỗ Trinh, Trần Văn Đồng, “Hướng dẫn đọc điện tim” Nhà xuất Y học, 2003 Nguyễn Phan Kiên, “bài giảng Cơ sở điện sinh học”, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Manpreet Kaur, Birmohan Singh,” Powerline Interference Reduction in ECG Using Combination of MA Method and IIR Notch”, International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol 2, No 6, November 2009 Ying-Wen Bai, Chien-Yung Cheng, Cheng-Kai Lu, Chuang-Hsiang Huang, YuhTing Chen and Ya-Nan Lin,” Adjustable 60Hz Noise Reduction and ECG Signal Amplification of a Remote Electrocardiogram System”, 0-7803-770S- UO31$17.0002 003 IEEE, IMTC 2003 Zhi-Dong Zhao Yu-Quan Chen,” A New Method for Removal of Baseline Wander and Power Line Interference in ECG Signals”, Machine Learning and Cybernetics, International Conference, 10.1109/ICMLC.2006.259082, 04 March 2009 10 Ziarani AK, Konard A, “A nonlinear adaptive method of elimination of power line interference in ECG signals”, IEEE Transaction on Biomed Eng; 49(6), Jun 2002, pp 540-47 11 Ramesh D Mali, Mahesh S Khadtare, Dr U.L Bombale, “Removal of 50Hz PLI using Discrete Wavelet Transform for Quality Diagnosis of Biomedical ECG 92 Signal”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Volume 23– No.7, June 2011 12 A Fasano, V Villani, L Vollero “Baseline Wander Estimation and Removal by Quadratic Variation Reduction” The 33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS, USA, August 30 - September 3, 2011 13 J A Van Alste and T S Schilder, “Removal of base-line wander and powerline interference from the ECG by an efficient FIR filter with a reduced number of taps,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol 32, no 12, pp 1052– 1060, Dec 1985 14 Jungkuk Kim, Minkyu Kim, Injae Won, Seungyhul Yang, Kiyoung Lee, and Woong Huh, “ An ECG signal processing Algorithm based on removal of wave deflections in time domain” The 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, Minneapolis, Minnesota, USA, September 2-6, 2009 15 Duong Trong Luong, Nguyen Duc Thuan, Chu Duc Hoang, Nguyen Van Trang, Trinh Quang Duc “Study on limitation of removal of baseline noise from electrocardiography signal in measurement using wavelet analysis “ The5th International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN) of the IEEE Xplore ISSN 2165-8528; page(s): 481-486; Da Nang, VietNam; 2-5 July 2013 93 ... thuật, thuật toán cho việc loại bỏ nhiễu thiết bị ghi sóng điện tim Việc nghiên cứu, thiết kế Thiết kế lọc số cho mạch đo tín hiệu điện tim cần thiết để giúp thiết bị ghi điện tim loại bỏ loại... galvanometer” (điện kế dây) cho phép ghi tín hiệu điện tim tín 12 hiệu biến đổi theo thời gian khác tốt Thiết bị ghi điện tim (điện kế dây) cho phép ghi tín hiệu điện tim Einthoven gồm điện kế dây,... kỹ thuật cho thiết kế lọc Có thể áp dụng nhiều kỹ thuật để xử lý tín hiệu, cụ thể lọc nhiễu cho tín hiệu điện tim ví dụ thiết kế lọc tương tự, lọc số chip chuyên dụng cho xử lý tín hiệu DSP (Digital