2.1 Đề xuất mô hình thu nhận tín hiệu ICG mới
2.1.3 Thí nghiệm và kết quả
Xây dựng thí nghiệm
Hệ thống thu nhận tín hiệu ICG được đánh giá theo phương pháp đối chứng với thiết bị thương mại có cùng kỹ thuật đo. Thiết bị sử dụng cho đối chứng là thiết bị đo ICG Niccomo của hãng Medis, tần số nguồn dòng của tín hiệu sóng mang là 85 kHz, tốc độ lấy mẫu 200 SPS, đúng với thông số kỹ thuật của hệ thống thu nhận đã đề xuất.
Đối tượng đo là thiết bị tạo trở kháng lồng ngực giả lập (Niccomo ICG simulator, Medis), với tín hiệu giả lập thay đổi theo một hàm số cố định. Toàn bộ hệ thống thí nghiệm được thể hiện trong Hình 2.7.
51
Hệ thống thu nhận theo đề xuất và hệ thống đo đối chứng được đo đồng thời trên cùng một đối tượng đo giả lập, cùng thời điểm và trong cùng điều kiện đo. Dữ liệu
sau đó được trích xuất ra thành các bản ghi để phục vụ cho thuật tốn đánh giá. Do
khơng có nhiễu thở, tín hiệu TEB thu được chính là Z.
Hình 2.4 Hệ thống phần cứng dùng trong thử nghiệm thực tế
Trong mạch điện thực tế, các linh kiện sau đây đã được lựa chọn và sử dụng cho hệ thống thu nhận đã đề xuất:
− Bộ khuếch đại đo: INA129 (Texas Instruments), hoạt động ở chế độ khuếch đại vi sai với hệ số khuếch đại bằng 40.
− Bộ lọc thơng cao: là một bộ lọc Butterworth, tích cực bậc 2 có tần số cắt là 1 kHz. Tần số này đủ cao để loại bỏ các dải tần không mong muốn (VD: điện áp lệch một chiều, nhiễu 50 Hz, nhiễu điện tim và điện cơ) mà khơng làm suy hao tín hiện ở dải tần của sóng mang.
− Bộ so sánh tương tự: dùng NE521 (On Semiconductor) có tốc độ đáp ứng là 12 ns, tần số làm việc cực đại đến 55 MHz.
− Bộ ADC: sử dụng 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. − Bộ vi điều khiển 32-bit: sử dụng bộ vi điều khiển Tiva TM4C123 (Texas
Instruments), hoạt động ở tốc độ xung nhịp 80 MHz, với nhiều chức năng ngoại vi tích hợp sẵn (bao gồm cả định thời timer), tần số định thời 85 kHz (bằng với tần số của sóng mang điều chế).
52
Kiểm tra hoạt động của hệ thống theo nguyên lý đã thiết kế
Việc kiểm tra bao gồm 2 cơng việc: (1) xem xét dạng sóng tại các điểm trung gian trên Hình 2.5 như VA là tín hiệu đầu ra mạch tiền khuếch đại, VB là tín hiệu xung phát hiện ngưỡng 0 (sườn dương), và VC là tín hiệu xung trigger; (2) kiểm tra và so sánh tín hiệu trở kháng thu được với thiết bị tham chiếu.
Khối thu nhận theo phương án đề xuất Bộ so sánh
tương tự ngưỡng 0
Vi điều khiển 32-bit
Định thời Bộ xử lý chính 16-bit ADC Input Trigger DATA Output Dữ liệu số Tín hiệu tương tự V A VB VC
Hình 2.5 Vịtrí các điểm đo kiểm tra VA, VB, và VC
a) Kiểm tra dạng sóng trung gian
Sự chuẩn xác trong hoạt động của hệ thống đã đề xuất được khẳng định qua dạng
sóng đo được từ các nút trung gian. Đồ thị trên Hình 2.6 là dạng sóng trên oscilloscope của các nút này, gồm: tín hiệu đã điều chế 85 kHz có dạng gần như sóng sin với tần số khá ổn định, tín hiệu xung vng tại đầu ra của bộ so sánh tương tự, và tín hiệu
xung vng dùng để kích hoạt các biến đổi AD. Tín hiệu này có các sườn xuống trùng
thời điểm với tín hiệu điều chế đạt giá trị đỉnh.
53
Ở đây, các tín hiệu kích hoạt ADC được tạm thời cho phép ở mọi đỉnh để việc minh họa được rõ ràng hơn. Rõ ràng các dạng sóng này trùng khớp với dạng sóng mà ta mong muốn, như đã minh họa trên Hình 2.1. Vì vậy, có thể nói rằng hệ mạch phần cứng đã bước đầu hoạt động theo đúng những gì mà tác giả đã tính tốn. Ở một khía cạnh khác, sự đúng đắn trong việc lựa chọn bộ ADC có độ phân giải cao cũng được minh chứng trong Hình 2.7. Có thể thấy, thành phần tín hiệu biến thiên để tính ΔZ là rất nhỏ, gần như khơng đáng kể, so với thành phần tín hiệu một chiều ổn định. Do đó,
nếu mã hóa tín hiệu Z với số bit thấp, thành phần biến thiên ΔZ sẽ bị ảnh hưởng rất lớn do sai sốlượng tử.
Hình 2.7 Dạng sóng của tín hiệu Z thu được sau khi số hóa
b) Kiểm tra dạng sóng tín hiệu trở kháng
Sau khi đo đạc trở kháng bằng cả hai thiết bị, thông số được quan tâm so sánh là
thành phần biến thiên ΔZ như thể hiện trên Hình 2.8 và Hình 2.9.
54
Hình 2.9 Giá trịđã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng thiết bịđối chứng
Rõ ràng dạng sóng thu được từ hai thiết bị này là sựtường đồng cao. Giá trị chuẩn hóa của hệ thống đề xuất sẽ được dùng để đánh giá với thiết bị đối chứng.
Đánh giá kết quả
a) Xác định tiêu chí
Để đánh giá kết quả đo với thiết bị đối chứng, tác giả sử dụng 2 chỉ tiêu thống kê thường được sử dụng để so sánh mức độ khớp giữa hai phép đo [78], bao gồm các chỉ số sau: (1) Sai số bình phương trung bình gốc, ký hiệu RMSE (root mean squared error); (2) Sai số bình phương trung bình gốc tương đối, ký hiệu RMSPE (root mean squared percentage error). Nếu hệ thống thu nhận đề xuất đạt các chỉ tiêu này thì
nghĩa là phương pháp đề xuất có giá trị và hồn tồn có thể thay thế cho mơ hình hiện
tại. Các chỉ tiêu đánh giá được tính theo các cơng thức dưới đây.
RMSE = √𝑁1 ∑(𝑋(𝑛) − 𝑌(𝑛))2 𝑁 𝑛=1 (2.1) RMSPE (%) = √1 𝑁∑ ( 𝑋(𝑛) − 𝑌(𝑛) 𝑌(𝑛) ) 2 𝑁 𝑛=1 × 100% (2.2) Trong đó:
55
− 𝑌(𝑛) là phần tử thuộc mảng giá trị đo được từ thiết bị đối chứng. − N là kích thước của mảng giá trịđo.
Các chỉ tiêu đánh giá này cho biết mức độ chính xác và tin cậy của mơ hình đề xuất tùy thuộc vào kết quả của từng giá trị đo. Chỉ số RMSE và RMSPE cho ta biết
độ chính xác của mơ hình đề xuất dựa trên mức độ sai khác tuyệt đối và tương đối
giữa đầu ra của hệ thống đề xuất và đầu ra của thiết bị đối chứng. Độ ổn định và tin cậy của hệ thống thì được thể hiện qua sự ổn định về mặt giá trị hai chỉ số RMSE và
RMSE tính được từ các lần đo khác nhau. Đối với chỉ số RMSPE, nếu RMSPE < 10%, tín hiệu thu được rất chất lượng; nếu 10% < RMSPE < 20%, chất lượng là tốt; nếu 20% < RMSPE < 30%, kết quả là chấp nhận được; còn nếu RMSPE > 30%, kết quả thu được là không đạt yêu cầu [78].
b) Đánh giá kết quả
Hệ thống đề xuất và thiết bịđối chứng được đo cùng một đối tượng, cùng kỹ thuật
đo, cùng điều kiện đo. Tác giả tiến hành thực nghiệm trên 10 lần đo ở nhiều thời điểm
khác nhau, mỗi lần trích xuất ra 7.000 mẫu (tương đương 35 giây dữ liệu) ở cả hệ thống đề xuất và thiết bị đối chứng, sau đó dữ liệu được dùng để tính tốn theo các
chỉ tiêu đánh giá nêu trên. Chỉ số RMSE và chỉ số RMSPE của các lần đo được thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Tổng hợp chỉ số RMSE và RMSPE trong các lần đo đối chứng
Lần đo RMSE RMSPE
1 0,0317 11,43% 2 0,0338 13,87% 3 0,0392 14,80% 4 0,0272 10,23% 5 0,0398 12,51% 6 0,0291 10,98% 7 0,0427 16,77% 8 0,0326 14,93% 9 0,0352 15,83% 10 0,0385 15,28% Trung bình 0,0350 13,66%
56
Kết quả từ bảng đo cho thấy RMSETB = 0,0350; RMSEMIN = 0,0272; RMSEMAX = 0,0427; Từ kết quả này ta thấy |RMSEMAX– RMSEMIN| = 0,0155; chỉ số sai số bình
phương trung bình gốc có sự biến động nhỏ so với giá trị trung bình, khơng có sự tăng giảm đột biến, như vậy có thể cho rằng hệ thống đề xuất ổn định và tin cậy với
thiết bị đối chứng.
Chỉ số sai số bình phương trung bình gốc tương đối RMSPE TB = 13,66%; độ lệch chuẩn tương đối nhỏ nhất RMSPE MIN = 10,23%; sai sốbình phương trung bình gốc
tương đối lớn nhất RMSPE MAX = 16,77%. Chỉ số sai sốbình phương trung bình gốc
tương đối nằm trong phạm vi lớn hơn 10 và nhỏ hơn 20, hệ thống đề xuất có chất
lượng tốt so với thiết bị đối chứng.
Để tăng thêm tính trực quan, bản ghi minh họa cho một lần đo đồng thời của hệ
thống đề xuất và thiết bị tham chiếu cũng được thể hiện trên Hình 2.10 và Hình 2.11.
Hình 2.10 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của hệ thống đề xuất
Hình 2.11 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của thiết bịđối chứng