3.1.1 Mục đích
Thiết kế và xây dựng một hệ thống đo bao gồm mạch phần cứng và phần mềm hồn chỉnh có khả năng đo và lưu trữ đồng thời tín hiệu trở kháng ngực TEB và tín hiệu điện tâm đồ ECG. Hệ thống đo cho phép đo cả hai nguồn tín hiệu ngay trên chính bộ điện cực của phép đo ICG mà không làm phát sinh thêm bất kì một điện cực hay thiết bị đo nào khác. Điều này giúp giảm thiểu sự bất tiện cho đối tượng đo khi thực hiện phép đo. Tín hiệu ECG được dùng làm tín hiệu tham chiếu để xác định các chu kỳ tim tương ứng trên tín TEB.
3.1.2 Thiết kế hệ thống
Với phần lõi của hệ thống được thiết kế theo mơ hình thu nhận tín hiệu ICG với kỹ thuật số hóa trực tiếp tại đỉnh sóng mang tần số cao mà tác giả đã đề xuất trong Chương 2, tác giả đã tiến hành thiết kế lại để tích hợp thêm: phần mạch đo ECG, phần truyền thơng lên máy tính, và giải pháp cách ly tín hiệu số giữa khối mạch đo và máy tính trên một bo mạch duy nhất. Điều này làm giảm sự cồng kềnh của hệ thống đo, đồng thời cải thiện chất lượng tín hiệu do các đường mạch đã được thiết kế lại đảm bảo tính tối ưu, giảm thiểu hiện tượng nhiễu vịng lặp kín. Tác giả cũng lên phương án thiết kế khối mạch nguồn cách ly để cấp cho khối mạch đo nhằm đảm bảo an toàn điện cho đối tượng đo.
Sơ đồ khối của hệ thống thu nhận tín hiệu trở kháng ngực và điện tâm đồ được cho trong Hình 3.1 với hai phân hệ khá độc lập. Q trình thiết kế từng mơ-đun được mơ tả chi tiết trong các phần tiếp theo.
73
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thu nhận tín hiệu TEB và ECG
3.1.3 Xây dựng các khối
Khối vi điều khiển trung tâm
Khối vi điều khiển trung tâm thực hiện các chức năng chính như điều khiển khối tạo xung qua giao tiếp SPI, nhận xung báo qua điểm 0 của tín hiệu trở kháng ngực từ đó xuất xung chuyển đổi bộ ADC 16-bit và đọc dữ liệu từ bộ ADC đó thơng qua 8 chân dữ liệu cho tín hiệu ICG, điều khiển và đọc dữ liệu ADC nội 12-bit cho tín hiệu ECG, giao tiếp UART gửi dữ liệu lên máy tính. Vi điều khiển được sử dụng là TM4C123GH6PHI đến từ hãng Texas Instruments. Trình biên dịch được sử dụng để lập trình bộ vi xử lý này là Code Composer Studio CCS 10 phiên bản 10.1.1.00004 và bộ phần mềm TivaWare được xây dựng dựa trên ngơn ngữ lập trình C.
Khối tạo nguồn dòng
Để đảm bảo sự an toàn của bệnh nhân và chất lượng của tín hiệu thu được (tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu), nguồn dòng đưa vào cơ thể là nguồn dòng xoay chiều hình sin
Trigger
UART Ngắt GPIO
Dịng
vào Áp ra
Thu nhận tín hiệu TEB và ECG
Lưu trữ, hiển thị, và cấp nguồn
ADC 16 bit So sánh tương tự Xử lý tín hiệu TEB Xử lý tín hiệu ECG Nguồn cách ly Lồng ngực Khuếch đại vi sai Cách ly tín hiệu
Chuyển đổi USB-COM Nguồn khơng cách ly
Nguồn dịng
SPI
Vi điều khiển
ADC 12 bit
Tạo xung Lọc thông dải + khuếch đại Chuyển đổi áp-dòng
74
với tần số là 85 kHz và biên độ là 1 mA. Tần số được lựa chọn trùng với tần số nguồn dòng được sử dụng trên máy Niccomo và nằm trong dải tần số khuyến cáo khi đo ICG. Loại nguồn dòng được sử dụng trong thiết kế này là nguồn dòng điều khiển bằng điện áp (VCCS – voltage-controlled current source). Nguồn dịng này có khả năng tạo ra dòng điện xoay chiều cấp cho đối tượng đo với biên độ điều chỉnh được từ 10 µA đến 5 mA và tần số lập trình được từ 100 Hz đến 400 kHz. Sơ đồ khối của bộ tạo nguồn dòng mà tác giả thiết kế được minh họa như trong Hình 3.1 bao gồm ba khối chính là: khối tạo xung, khối lọc thơng dải và khuếch đại, và khối chuyển đổi điện áp sang dịng. Tần số và hình dạng xung phát ra từ IC AD9833 (Analog Device) trên được điều khiển bằng bộ vi điều khiển trung tâm thông qua giao tiếp SPI. Mạch ổn dịng sử dụng cấu hình Improved Howland Current Pump [81] vì những lí do như có khả năng tạo được nguồn dòng lưỡng cực, trở kháng đầu ra của nguồn dòng lớn, dải tần đáp ứng rộng, độ ổn định với nhiệt độ cao do sử dụng Op-amp.
Khối khuếch đại vi sai
Để loại bỏ thành phần nhiễu mode chung từ điện lưới, bộ khuếch đại đo phải có tỉ số nén mode chung (CMRR) lớn. Để đạt được phẩm chất này, mạch khuếch đại đo phải có layout đạt được độ đối xứng cao, kiểm soát về mặt trở kháng của đường dây và độ chính xác của các giá trị điện trở. Nhằm thực hiện chức năng khuếch đại điện áp thu được từ các điện cực đo ICG đồng thời chuyển đổi tín hiệu từ dạng vi sai sang đơn cực, tác giả sử dụng IC khuếch đại đo chuyên dụng INA129-EP của hãng Texas Instruments.
Khối xử lý tín hiệu TEB
Tín hiệu thu được từ các điện cực trong của bộ điện cực đo ICG bao gồm hai thành phần tín hiệu đó là tín hiệu trở kháng vùng ngực TEB đã điều chế vào sóng mang 85 kHz và tín hiệu điện thế chênh lệnh giữa điện cực trên và điện cực dưới tạo thành một đạo trình tín hiệu ECG. Phần tín hiệu ECG có đặc điểm về dải tần giống với dải tần của tín hiệu ECG thơng thường (0,5 – 100 Hz) là thành phần tần số thấp, trong khi phần tín hiệu trở kháng điều chế có dải tần dao động xung quanh tần số sóng mang 85 kHz với khoảng dao động ±∆f chính là dải tần của tín hiệu trở kháng vùng ngực (0 – 50 Hz) là thành phần tần số cao.
Để thu được thành phần tín hiệu TEB từ nguồn tín hiệu trộn lẫn trên, tác giả đã thiết kế một bộ lọc thông cao nhằm loại bỏ các thành phần tần số thấp như thành phần điện áp lệch 0, thành phần tín hiệu ECG và bất cứ thành phần điện áp dao động tần số thấp nào khác. Tần số cắt được lựa chọn là 1 kHz nhằm đảm bảo loại bỏ hiệu quả
75
các thành phần tần số thấp như trên đồng thời khơng làm ảnh hưởng đến thành phần tín hiệu TEB đã được điều chế ở tần số 85 kHz. Sau đó tín hiệu sẽ được đi qua một bộ lọc thông thấp với tần số cắt là 517 kHz trước khi đi vào bộ số hóa và so sánh tương tự.
Khối xử lý tín hiệu ECG
Khối xử lý tín hiệu ECG có nhiệm vụ thành phần tín hiệu thu được từ các điện cực đo ICG, sau đó xử lý thành tín hiệu với một mức điện áp phù hợp để số hóa. Khối xử lý tín hiệu ECG bao gồm các khối mạch chính như: mạch lọc thông dải và khuếch đại, mạch lọc triệt tần Notch, và mạch cộng điện áp. Khối mạch có một số thơng số chính như:
− Hệ số khuếch đại: G = 2
− Tần số cắt bộ lọc thông cao: 𝑓𝑐𝐻𝑃 = 0.072 𝐻𝑧
− Tần số cắt bộ lọc thông thấp: 𝑓𝑐𝐿𝑃 = 159.1 𝐻𝑧
− Sử dụng mạch lọc triệt tần có cấu trúc twin T
− IC tạo tham chiếu chuẩn MCP1525 (Microchip) tạo điện áp chuẩn 2.5V.
Khối ADC
Việc số hóa tín hiệu trở kháng u cầu bộ ADC phải có độ phân giải tương đối tốt. Bản thân độ lớn của tín hiệu trở kháng nền Z0 không mang nhiều thông tin quan trọng bằng thành phần trở kháng biến thiên ΔZ. Nhưng vì thành phần biến thiên này là rất nhỏ so với trở kháng nền. Do đó, nếu số hóa tín hiệu trở kháng ở độ phân giải 12-bit thì trên thực tế, độ phân giải có ích chỉ khoảng 5-bit (20 – 40 mức lượng tử), mức phân giải trên là không đủ cho xử lý tín hiệu. Tác giả đã nghiên cứu và lựa chọn bộ ADC sử dụng IC ADS8411 (Texas Instruments) có sẵn bộ lấy và giữ mẫu với độ trễ cực nhỏ, có độ phân giải 16-bit, tín hiệu đầu ra được xuất 16-bit song song để phù hợp với các yêu cầu trên. Tốc độ lấy mẫu tối đa của ADS8411 có thể đạt 2 MSPS với độ phân giải 16 bit.
Đối với tín hiệu ECG, đây là dạng tín hiệu có dải tần thấp (tần số tối đa trong dải tần dưới 100 Hz) và biên độ đầu ra có thể được cải thiện thơng qua các bộ khuếch đại do đó khơng cần bộ ADC với độ phân giải và tốc độ lấy mẫu quá cao. Vì vậy, tác giả đã lựa chọn tận dụng bộ ADC nội 12-bit của vi điều khiển trung tâm để thực hiện chức năng số hóa tín hiệu ECG. Lựa chọn này cho phép hệ thống được tinh giản tối đa, giảm giá thành sản xuất nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật cần thiết. Bộ
76
ADC nội của vi điều khiển trung tâm có thể đạt tần số lấy mẫu lên tới 1 MSPS nếu sử dụng đồng thời cả hai mô-đun ADC0 và ADC1.
Khối so sánh tương tự
Khối mạch so sánh tương tự có chức năng phát hiện điểm 0 của sóng mang từ đó phát ra các xung trigger cho bộ vi điều khiển trung tâm thông qua ngắt ở chân GPIO dưới dạng xung vng có mức logic TTL là 3,3V. Bộ vi điều khiển trung tâm sau khi nhận được xung trigger thơng qua trình quản lý ngắt sẽ kích hoạt bộ timer trễ một thời gian t = ¼ chu kỳ sóng mang và kích hoạt bộ ADC 16-bit lấy mẫu tại các đỉnh xung của sóng mang để lượng tử hóa. Với tần số xung tín hiệu khá cao xấp xỉ 85 kHz, tác giả đã khảo sát và lựa chọn IC so sánh NE521 (On Semiconductor) có tốc độ đáp ứng là 12 ns, tần số làm việc cực đại đến 55 MHz.
Vấn đề cách ly để đảm bảo an tồn cho tình nguyện viên
Trong hệ thống thu tín hiệu được xây dựng, nghiên cứu sinh đặc biệt chú trọng đến vấn đề cách ly về mặt điện để đảm bảo an tồn cho tình nguyện viên. Việc cách ly bao gồm: cách ly nguồn và cách ly đường truyền tín hiệu (hoặc dữ liệu). Cụ thể:
a) Khối truyền thông UART
Khối mạch sử dụng chip FT232RL đến từ hãng FTDI để thực hiện chức năng truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và mạch đo thơng qua chuẩn giao tiếp UART bằng cổng vật lý USB (tạo cổng COM ảo trên máy tính). Tín hiệu trước khi qua IC FT232RL sẽ được đi qua một bộ cách ly số sử dụng IC ISO7421, Texas Instruments. Điện áp cách điện đạt 4.000 Vpk cho từng kênh, đây là mức điện áp đảm bảo những tiêu chuẩn an toàn khắt khe nhất.
Dữ liệu hai kênh tín hiệu bao gồm tín hiệu tổng trở kháng vùng ngực TEB và tín hiệu ECG sẽ được gửi đồng thời lên máy tính thơng qua giao thức UART. Tốc độ baud được cài đặt là 115.200 để không làm trễ thời gian lấy mẫu khi vừa thực hiện nhiệm vụ lấy mẫu thời gian thực và gửi dữ liệu cùng lúc. Cấu trúc bản tin gửi đi có dạng: “AAAAA,BBBB↵”, trong A sẽ là các kí tự kiểu char đại diện cho các số từ 0 đến 9, kênh tín hiệu TEB sẽ cần 5 ký tự kiểu char như vậy để đại diện, trong khi kênh tín hiệu ECG chỉ cần 4 ký tự kiểu char để đại diện. Cấu hình 1 byte gửi đi sẽ bao gồm 8 bit dữ liệu, 1 bit bắt đầu và 1 bit kết thúc, khơng có bit kiểm tra chẵn/lẻ. Do đó một byte gửi đi sẽ có độ dài 10 bit. Để gửi một giá trị ADC sẽ cần 4 byte. Có 2 giá trị ADC tương ứng với 2 kênh tín hiệu, do đó số byte là 9 byte. Tuy nhiên để phân biệt 2 kênh dữ liệu cần thêm 1 byte cho kí tự “,” và 1 byte cho kí tự kết thúc một gói dữ liệu “↵”.
77
b) Khối nguồn
Để tạo ra nguồn cấp cho khối mạch đo, tác giả sử dụng mô-đun chuyển đổi nguồn DC-DC JHM1524D12 (XP Power). Khối mạch nguồn ngoài đảm bảo về mặt điện áp cấp (điện áp đối xứng) cịn phải đảm bảo về mặt cơng suất và quan trọng hơn là đảm bảo an toàn điện cho đối tượng đo. Một số thông số kĩ thuật của mô-đun nguồn được liệt kê dưới Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của mô-đun nguồn DC-DC JHM1524D12
STT Thông số kĩ thuật Giá trị
1 Công suất 15 W
2 Điện áp đầu vào 18-36 VDC
3 Điện áp đầu ra ±12 VDC
4 Dịng dị 2 µA
5 Điện áp cách ly 4.000 VAC
6 Tiêu chuẩn an toàn An toàn cho y tế, đạt chuẩn IEC60601-1, thế hệ thứ 3
Xây dựng phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu
Mô-đun phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu được viết bằng ngơn ngữ lập trình C# sử dụng trình biên dịch Microsoft Visual Studio 2017 trên nền nảng .Net. Giao diện người dùng của phần mềm xây dựng trên bộ công cụ Windows Form. Giao diện được thiết kế theo phương thức kéo thả cho khả năng tùy biến linh hoạt. Toàn bộ mã nguồn sử dụng trong phần mềm hoàn toàn được dựa trên thư viện tự viết và một số thư viện cơ bản có sẵn của trình biên dịch do đó đem lại khả năng tinh chỉnh và làm chủ tối đa đối với phần mềm. Dữ liệu được máy tính tiếp nhận qua cổng USB thơng dụng hiện nay. Phần mềm cho phép lưu dữ liệu đang hiển thị ra dạng file .csv. Dạng file này có thể mở hồn tồn bằng phần mềm Microsoft Excel thuận tiện cho việc lưu trữ, đọc và phân tích dữ liệu.
3.1.4 Kết quả
Phần cứng hệ thống
Sau khi hoàn thành việc xây dựng các khối mạch thành phần, tác giả tiến hành ghép nối và tích hợp các phần với nhau trên một bo mạch hoàn chỉnh bằng phần mềm Altium. Hình ảnh thực tế mạch đo sau khi đã gia cơng, hàn lắp, lập trình được thể hiện tương ứng trên Hình 3.2.
78
Hình 3.2 Ảnh thực tế của khối mạch đo tín hiệu TEB và ECG sau khi hoàn thiện
Mạch đo sau khi hồn thiện và hiệu chỉnh có các thơng số kỹ thuật được liệt kê cụ thể như trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu TEB và ECG
Khối mạch Thơng số kỹ thuật Giá trị
Nguồn dòng
Tần số 85 kHz
Cường độ dòng điện (1/2 Vp-p) 1 mA
Dạng xung Hình sin đã loại bỏ DC
Mạch đo TEB Dải biên độ trở kháng đo 0-60 Ω Dải tần số trở kháng đo 0-100 Hz
Mạch đo ECG Dải biên độ ±7 mVAC
Dải tần 0,1 – 100 Hz
Mạch nguồn
Điện áp đầu vào / đầu ra 18-36 VDC / ±12 VDC
Cơng suất 15 W
Dịng dị 2 µA
Điện áp cách ly 4.000 VAC
Giao tiếp
Cổng giao tiếp USB A – cổng COM ảo
Loại giao tiếp Nối tiếp (UART)
Loại cách ly Cách ly số (cách ly tụ)
79
Phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu
Phần mềm sau khi thiết kế có giao diện hồn thiện như trong Hình 3.3.
Hình 3.3 Giao diện phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu tín hiệu TEB và ECG
Một ví dụ về dữ liệu được minh họa trong Hình 3.4 cho thấy khả năng xử lý linh hoạt dữ liệu định dạng .csv với phần mềm Microsoft Excel.
Hình 3.4 Dữ liệu TEB và ECG được ghi bởi phần mềm dưới dạng file .csv
Phần mềm có một số tính năng chính được liệt kê như trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 Chức năng chính của phần mềm lưu và hiển thị dữ liệu TEB và ECG
STT Phím
chức năng Chức năng
1 Kết nối
Có chức năng quét danh sách các thiết bị đang kết nối với máy tính bằng cổng COM (cổng COM ảo và cổng COM vật lý), sau đó tự động kết nối với cổng COM đầu tiên trong danh sách. Tốc độ Baud là 115200 bit/s, đồng bộ với mạch đo. Sau khi kết nối thành cơng, phím nhấn sẽ đổi thành “Ngắt kết nối”. Ấn vào phím lần nữa để ngắt kết nối.
80
STT Phím
chức năng Chức năng
2 Lưu dữ liệu
Phím này có chức năng lưu dữ liệu đang hiển thị ra file dạng .csv. Ấn vào phím để bắt đầu lưu, sau đấy phím nhấn sẽ đổi thành “Kết thúc lưu”, ấn vào lần nữa để kết