1.3 Kỹ thuật ghi đo tín hiệu ICG
1.3.2Phương pháp giải điều chế và xử lý tín hiệu
Phương pháp tương tự
Khi sử dụng phương pháp tương tự để giải điều chế và xử lý tín hiệu, hệ thống đo tín hiệu ICG thường có cấu trúc như trên Hình 1.9 [37, 38]. Hệ thống này được tạo nên từ nhiều khối mạch nhỏ như bộ tạo nguồn dòng, bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ giải
điều chếbiên độ, bộ tách Z0, bộ tách Z. Phần lớn hoặc toàn bộ các khối này được thực hiện bằng các mạch điện tương tự.
Hình 1.9 Cấu trúc một hệ thống đo ICGđiển hình bằng phương pháp tương tự
Chức năng và nhiệm vụ của các khối cụ thể như sau:
− Khối tạo tín hiệu nguồn dịng 100 kHz: tạo sóng sin có cường độ khơng đổi với tần số điển hình là 100 kHz.
− Khối tiền khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đi ra từ điện cực, vốn đang có biên độ
rất nhỏ và loại bỏ phần lớn nhiễu mode chung. Hệ số khuếch đại có thể khá cao
đểthu được tín hiệu ΔZ đủ lớn cho các khâu xử lý phía sau.
− Khối lọc thông dải: lọc lấy dải tần số hẹp chứa tín hiệu cần quan tâm. Khối lọc này loại bỏ tồn bộ các phổ tần số khơng liên quan, giúp giảm mạnh các loại nhiễu có thể can thiệp tới hệ thống, đặc biệt là nhiễu điện lưới (50 Hz).
− Khối giải điều chế biên độ: thực hiện phép giải điều chế AM để tách đường bao tín hiệu điều chế. Tín hiệu này tuy phản ánh giá trị của TEB nhưng được các mạch
điện phía sau lọc sơ bộvà coi như là tín hiệu của Z; đo đó, thơng số huyết động sau này bị ảnh hưởng đáng kể bởi hoạt động hô hấp. Tùy theo từng hệ thống, việc
Z0
Điện áp ra Dòng điện vào
ΔZ Tạo tín hiệu nguồn dịng 100 kHz Tiền khuếch đại Lọc thơng dải 80–120 kHz Giải điều chế biên độ Lọc thông thấp 0.2 Hz Lọc thông cao 0.15 Hz Khuếch đại và cộng điện áp Phân áp về dải đo ADC
29
giải điều chếđược thực hiện bằng các mạch nhân, lọc thơng thấp, và khai căn tín
hiệu tương tự. Đây là một trong những khối mạch xử lý tín hiệu phức tạp nhất của hệ thống.
− Khối lọc thông thấp 0.2 Hz và phụ trợ: tách thành phần một chiều (có giá trị gần
như khơng đổi) trong tín hiệu sau giải điều chế. Đây chính là thành phần tín hiệu
phản ánh độ lớn của Z0.
− Khối lọc thông cao 0.15 Hz và phụ trợ: tách thành phần xoay chiều (thành phần biến thiên) trong tín hiệu sau giải điều chế. Đây chính là thành phần tín hiệu phản
ánh độ lớn của ΔZ. Sự chồng dải của bộ lọc thông thấp và thơng cao có thể giúp giảm suy hao tín hiệu Z0 và ΔZ tại vùng gần tần số cắt.
Phương pháp số hóa
Ngày nay, sự phát triển của cơng nghệ bán dẫn cho phép tạo ra các IC biến đổi
tương tự sang số (ADC – analog to digital converter) và các chip xử lý có hiệu năng
rất cao. Các bộ ADC thế hệ mới có thể lấy mẫu tín hiệu tại đầu vào với tốc độ lên tới nhiều tỷ mẫu mỗi giây (GSPS – giga sample per second) ở độ phân giải 8-bit. Với độ phân giải cao hơn (12-bit, 14-bit, hay 16-bit), một số bộ ADC vẫn có khả năng lấy mẫu ở tốc độhàng trăm MSPS. Ở những tốc độ này, các bộ ADC hồn tồn có thể số
hóa trực tiếp các tín hiệu điều chế AM có sóng mang cỡhàng trăm kHz mà khơng bị
chồng phổ.
Tại đầu ra các bộ ADC, các chip xử lý có bus dữ liệu rất rộng và tốc độ cao có thể dễ dàng thu nhận luồng dữ liệu cực lớn được sinh ra liên tục và xử lý ngay lập tức để khơi phục tín hiệu băng gốc. Kỹ thuật này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi độchính xác và độ tin cậy cao như đo lường, y tế, và quân sự với ưu điểm nổi bật là hạn chế tối đa sự phi tuyến, kém ổn định, và dễ can nhiễu gây ra trong các mạch xử lý tín hiệu tương tự. Nhược điểm của kỹ thuật này là yêu cầu phần cứng phức tạp,
đắt đỏ, và tiêu tốn nhiều năng lượng khi hoạt động.
Trong ứng dụng đo tín hiệu ICG, tín hiệu sóng mang thường khơng vượt q 100 kHz nên rất nhiều bộ ADC có thể được sử dụng để lấy mẫu tín hiệu đi ra từ điện cực. Dữ liệu ra của các bộ ADC này thường được xử lý bởi các chip FPGA (field
programmable gate array) do tính linh hoạt, khảnăng xử lý song song ở tốc độ cao của loại chip này. Hình 1.10 mơ tả một cấu trúc cơ bản của hệ thống thu, giải điều chế, và xử lý tín hiệu ICG theo phương pháp số hóa [39] hoặc hệ thống đo tín hiệu trở kháng sinh học nói chung [40]. Về cơ bản, phần lớn khâu xử lý tín hiệu trong hệ thống này được thực hiện trên miền số để đảm bảo độ ổn định và tính chính xác.
30
Hình 1.10 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp số hóa
Chức năng và nhiệm vụ của các khối cụ thể như sau:
− Khối tạo tín hiệu nguồn dịng: tạo sóng sin có cường độ khơng đổi và tần số là một giá trị nào đó trong dải 20-100 kHz.
− Khối tiền khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đi ra từ điện cực, vốn đang có biên độ rất nhỏ, lên mức biên độ cỡ một vài vơn để tận dụng tồn bộ dải động tín hiệu đầu vào của các bộ ADC.
− Khối ADC: lấy mẫu tín hiệu đi ra từ khối tiền khuếch đại với tần số lấy mẫu rất cao rồi lượng tử hóa với độ phân giải cao. Về cơ bản, tần số lấy mẫu tối thiểu
thường cỡ MHz và độ phân giải tối thiểu là 12-bit.
− Khối FPGA: thực hiện việc giải điều chế để tách tín hiệu phản ánh độ lớn của tín hiệu TEB, lọc các loại nhiễu để tách tín hiệu phản ánh Z, và tính tốn các thành phần của Z. Tồn bộ các khâu xử lý tín hiệu trong khối này được thực hiện bằng các thuật tốn xử lý tín hiệu số nên giải pháp có thể khá phong phú, đa dạng, và có khả năng tùy biến cao.