Mô hình hệ thống đo theo phương án mà tác giả đề xuất được xây dựng dựa trên mô hình của hệ thống thu nhận ICG sử dụng FPGA. Tuy nhiên, việc sử dụng FPGA
48
và ADC tốc độ cao được thay thế bằng bộ ADC với tốc độ thấp hơn và một khối xử lý tín hiệu có hiện năng trung bình thấp, như trên Hình 2.2.
Hình 2.2 Vị trí khối thu nhận tín hiệu ICG trong mô hình đề xuất
Trong giải pháp này, tín hiệu tương tự thu nhận từ các điện cực ICG là tín hiệu sóng mang điều chế biến thiên theo sự thay đổi của trở kháng lồng ngực. Vì tín hiệu đầu vào từ các điện cực ICG là nhỏ (khoảng 60 mV khi đo trở kháng trung bình là 30 Ω bằng dòng điện 2 mA), cần mạch khuếch đại có hệ số khoảng 40-50 và lọc thông cao để loại bỏ thành phần một chiều. Sau đó tín hiệu này được chia ra làm 2 hướng, một hướng cấp cho khối chuyển đổi tương tự số 16-bit; hướng còn lại cấp cho khối so sánh và phát hiện ngưỡng 0, để xác định điểm 0 ban đầu của một chu kỳ sin của sóng mang.
Đầu ra khối so sánh là một xung kích thích cho khối điều khiển bắt đầu thực hiện chạy mô đun định thời. Mục đích định thời là để xác định chính xác vị trí đỉnh của sóng mang. Vì tần số sóng mang là cố định nên từ khi bắt đầu ngưỡng 0 đến đỉnh sóng gần nhất cần khoảng thời gian là ¼ chu kỳ của sóng mang, như minh họa ở Hình 2.1. Sau khoảng thời gian trễ, bộ định thời sẽ tạo ra một xung kích thích tác động vào khối chuyển đổi ADC để lấy mẫu và chuyển đổi dữ liệu. Biên độ cực đại của sóng mang điều chế chứa thông tin về sự thay đổi của trở kháng lồng ngực TEB, sẽ được số hóa và đưa đến khối xử lý trong vi điều khiển. Tại đây, dữ liệu được đọc, xử lý, lọc nhiễu để tính Z, các thành phần của Z, và những thông tin khác. Các bước xử lý này có thể được tùy biến một cách linh hoạt bằng phần mềm, tùy thuộc vào mục tiêu và mục đích của của người thiết kế.
Một chu kỳ số hóa tiếp theo sẽ được thực hiện tiếp cho phần tín hiệu sóng mang ở nửa chu kỳ âm của tín hiệu, tuy nhiên việc này là không cần thiết vì tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều lần tần số tín hiệu gốc, nếu tiếp tục lấy mẫu sẽ dẫn đến hiện tượng dư thừa dữ liệu không có ích trong việc phân tích tín hiệu ICG. Việc lấy mẫu sẽ được thực hiện đảm bảo sao cho tốc độ lấy mẫu nằm trong khoảng từ 3-5 lần tần số lớn nhất của tín hiệu Z (khoảng 50 Hz), vì vậy tần số lấy mẫu ở đây chọn là 4 lần tần số tín hiệu, tức là khoảng 200 Hz.
49
Trên thực tế, nếu cấp cho vùng ngực một dòng điện có tần số là 85 kHz, tần số lấy mẫu nhỏ hơn so với tần số sóng mang 85 kHz/200 Hz = 425 lần. Tuy nhiên, nếu lấy mẫu trực tiếp ở tốc độ 200 Hz, dữ liệu thu được có chất lượng không cao do bị can nhiễu từ bên ngoài và do bản thân các khối trong bộ ADC. Thay vào đó, việc lấy mẫu được chia làm 2 bước: lấy mẫu ở tần số 5 kHz (nhỏ hơn 17 lần tần số sóng mang) rồi tính trung bình 25 mẫu liên tiếp nhau (giảm 25 lần số mẫu của dữ liệu số). Tích của các giá trị này là 17 25 = 425 lần, nghĩa là tần số lấy mẫu nhỏ hơn 425 lần tần số sóng mang, tương đương tần số lấy mẫu là 200 Hz nhưng sẽ đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Theo nguyên lý trên, vị trí đỉnh sóng mang cần phải số hóa tiếp theo sẽ được tiếp tục nằm cách vị trí trước đó 17 đỉnh (đỉnh ở phần dương của tín hiệu sóng mang). Vì vậy, thuật toán cho phần thu nhận sẽ bỏ qua 16 đỉnh tiếp theo từ lần số hóa gần nhất, để sau đó số hóa ở đỉnh kế tiếp. Thuật toán lấy mẫu cứ tiếp tục như vậy theo một vòng lặp. Việc tính trung bình 25 liên tiếp nhau của tín hiệu mẫu cũng tương đương với một phép lọc tín hiệu, làm cho dữ liệu ra sẽ ổn định hơn nếu chỉ chọn 1 trong tổng số 25 mẫu đó. Thực tế, việc lựa chọn số lượng đỉnh liên tiếp để thực hiện phép lọc có thể tùy biến theo khả năng xử lý của phần cứng và chất lượng tín hiệu mong muốn.
Dựa trên cơ chế số hóa và giải điều chế đã đề xuất bên trên, tác giả đề xuất một giải pháp mới dùng để thu nhận và số hóa tín hiệu ICG là một cấu trúc mạch có sơ đồ khối được thể hiện trong Hình 2.3. Mô hình này gồm có 3 khối chính:
Hình 2.3 Mô hình hệ thống thu nhận tín hiệu ICG đề xuất
− Khối mạch tương tự: Khối này bao gồm hai phần tử chính là một bộ khuếch đại đo và một bộ lọc thông cao. Bộ khuếch đại đo có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điện áp thu được từ cơ thể bệnh nhân lên đủ lớn để tiến hành các bước xử lý cần thiết. Hệ số khuếch đại của vi mạch này được điều chỉnh sao cho điện áp ra có dải
Khối thu nhận theo phương án đề xuất Mạch khuếch đại và mạch lọc thông cao Bộ so sánh tương tự ngưỡng 0
Vi điều khiển 32-bit
Định thời
Bộ xử lý
chính
16-bit ADC
Input
Trigger OutputDATA
Điện cực ICG Khối phân tích, xử lý dữ liệu phía sau Dữ liệu số
50
động khoảng 1,5–2 V để đạt độ tuyến tính cao nhất. Đối với mạch lọc thông cao, tần số cắt được thiết kế sao cho vừa đủ để loại bỏ các dải tần không mong muốn (như là điện áp một chiều, nhiễu điện lưới 50 Hz, tín hiệu điện tim và điện cơ) mà không làm suy hao tín hiện ở dải tần của sóng mang.
− Khối mạch số hóa và giải điều chế: Khối này bao gồm hai phần tử chính là một bộ so sánh tương tự và một bộ ADC 16-bit. Bộ so sánh tương tự được thiết lập ngưỡng so sánh ở 0 V để nhận biết các điểm 0 của tín hiện hình sin điều chế ở đầu vào và xuất tín hiệu xung vuông ở đầu ra. Như đã phân tích, các thông số huyết động hầu hết được tính từ ΔZ. Tuy nhiên, ΔZ lại rất nhỏ so với Z0. Do đó, chỉ một sai lệch lượng tử nhỏ trong quá trình số hóa tín hiệu cũng tạo ra một sự thay đổi đáng kể trong các thông số huyết động nên việc sử bộ ADC 16-bit (hoặc cao hơn) là hoàn toàn hợp lý.
− Khối xử lý số: Phần tử xử lý chính của khối này có thể là một vi điều khiển 32-bit thông dụng hoặc một mạch xử lý tín hiệu số có hiệu năng từ thấp đến trung bình. Khối này có hai nhiệm vụ chính: điều khiển việc kích hoạt các chuyển đổi AD cho bộ ADC; và xử lý tín hiệu TEB sau khi được số hóa để tính Z, Z0, và ΔZ. Một bộ định thời trong vi điều khiển được sử dụng để tạo ra các khoảng trễ bằng đúng ¼ chu kỳ của sóng mang. Hết thời gian trễ, khi được cho phép (tùy thuộc vào vị trí đỉnh cần lấy mẫu), bộ định thời này sẽ lập tức kích hoạt một chuyển đổi AD tại đúng đỉnh của tín hiệu sóng mang điều chế. Việc cho phép hay không được điều khiển bởi vi điều khiển để đảm bảo quá trình lấy mẫu tuy không liên tiếp nhưng đều đặn theo thời gian.
Đầu ra của hệ thống thu nhận là tín hiệu số, dữ liệu biến đổi của trở kháng lồng ngực Z thu nhận được theo thời gian biểu diễn dưới dạng mảng dữ liệu, các phần tử mảng là thành phần của tín hiệu Z ở từng thời điểm thu nhận được.