BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HÀ NGỌC THU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN HỆ HÔ HẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH Hà Nội – Năm 2019 17061131747831000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HÀ NGỌC THU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN HỆ HÔ HẤP Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. TRỊNH QUANG ĐỨC Hà Nội – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian nghiên cứu, được sự hướng dẫn của TS. Trịnh Quang Đức, được sự quan tâm tạo điều kiện của của Bộ môn Công nghệ điện tử và kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử- Viễn thông, Phòng Đào tạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội tôi đã hoàn thành luận văn này đúng tiến độ. Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu thập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp” được trình bày trong bản luận văn này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của tôi.
Tất cả các dữ liệu và kết quả nêu trong luận văn hoàn toàn trung thực, rõ ràng, chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, mọi thông tin trích dẫn đều được tuân thủ theo Luật Sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đã trình bày trong Luận văn này. HỌC VIÊN Hà Ngọc Thu i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC BẢNG.
iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .3 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU .Mối liên quan của các cơ quan sinh học với âm thanh .Nguồn gốc, tính chất và âm thanh của cơ thể người .Ống nghe truyền thống trong y tế và công cụ khám chữa bệnh .Ống nghe điện tử trong y tế và lợi thế của nó .Thực trạng và giải pháp.Mục tiêu của đề tài .11 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT &PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ.Phương pháp đo .Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống .Phân tích mạch lọc .Các bộ lọc liên tục tuyến tính .Bộ lọc thông thấp tích cực .Bộ lọc thông cao.Bộ lọc thông tích cực bậc cao .Bộ khuếch đại thuật toán .Các khối chính của mạch tương tự .Khối cảm biến .Khối lọc thông cao .Khối tiền khuếch đại .Khối lọc thông thấp .Khối khuếch đại 1 và 2 .Khối điều chỉnh offset .Nguồn đối xứng .Chương trình Labview .Chuyển đổi tương tự - số .Bộ lọc thông dải .Nghe trực tiếp .Lưu trữ dữ liệu .45 CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM .Hệ thống phần cứng .Hệ thống phần mềm .54 CHƢƠNG 4: MẪU ÂM THANH HÔ HẤP VÀ PHÂN TÍCH .Thu thập mẫu thí nghiệm .Biểu diễn phổ động của sóng âm cơ thể .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo tai người.2 Mối liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lượng của âm phát ra từ tim bình thường .1 Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống .2 Các thông số kỹ thuật của cảm biến CM-01B .3 Hệ số Butterworth .4 Giá trị các thành phần trong mạch sau tính toán .5 Hệ số khuếch đại của mạch tính theo lý thuyết .6 Một vài thông số của Arduino Uno R3.43 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ống nghe y tế thế hệ đầu .2 Ống nghe y tế loại truyền thống .3 Ống nghe điện tử Thinklabs One .4 Ống nghe điện tử 3M™ Littmann Model 3200 .1 Sơ đồ khối của hệ thống .2 Hàm truyền đạt của một số bộ lọc.3 Mạch lọc thông cao thụ động RC .4 Mạch lọc thông thấp tích cực .5 Bộ lọc thông thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát .6 Bộ lọc thông thấp cấu trúc đa hồi tiếp MFB .7 Sự tương ứng của mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao .8 Đường đáp ứng tần số của một mạch lọc thông cao .9 Bộ lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng tổng quát .10 Mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn .11 Xây dựng bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng .12 Đáp ứng tần số của các bộ lọc Butterworth thông thấp bậc cao .13 Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán .14 Mạch khuếch đại không đảo cơ bản .15 Hình dạng cảm biến CM-01B thực tế .16 Sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến CM-01B .17 Đáp ứng tần số đặc trưng của cảm biến .18 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa gốm áp điện .19 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa máy tính .20 IC khuếch đại âm thanh Opam 2134.21 Tổng quan bộ lọc thông cao tích cực bậc 4.22 Thiết kế bộ lọc thông cao tích cực bậc 4.23 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông cao .24 Mạch tiền khuếch đại với G = 5 .25 Tổng quan bộ lọc thông thấp tích cực bậc 4 .26 Bảng giá trị các hệ số bộ lọc Butterworth .27 Thiết kế bộ lọc thông thấp tích cực bậc 4 .28 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp .29 Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) .30 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại với G khác nhau .31 Mạch cộng điện áp .32 Kết quả thí nghiệm mạch DC offset.33 Nguồn đối xứng +-9V .34 Sơ đồ khối chương trình Labview .35 Chương trình đọc analog bằng phần mềm Labview .36 Bộ lọc thông dải trong Labview .37 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải .38 Chương trình để nghe trực tiếp .39 Chương trình lưu trữ dữ liệu .1 Hệ thống hoàn chỉnh .2 Mạch tương tự của hệ thống .3 Tín hiệu sau mạch lọc thông cao .4 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông cao .5 Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .6 Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .7 Tín hiệu sau mạch lọc thông thấp .8 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thông thấp .9 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 .10 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 .11 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 .12 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 .13 Tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự .14 Phổ tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự .15 Giao diện trên phần mềm .1 Mẫu sóng âm tiếng thở bình thường .2 Mẫu sóng âm của bệnh nhân viêm phế quản .3 Mẫu âm thanh của một bệnh nhân hen .4 Biểu diễn Fourier ngắn của phổ mẫu âm thanh của người khỏe mạnh.5 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của người .6 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của người khỏe mạnh.7 Biểu diễn của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ.8 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ.9 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ.10 Biểu diễn của mẫu âm thanh bệnh nhân hen.11 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân hen. Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm thanh bệnh nhân hen.66 vii LỜI NÓI ĐẦU Phương pháp thính chẩn hay còn gọi là chẩn đoán dựa trên âm thanh tự phát của cơ thể đã được sử dụng trong việc khám, chữa bệnh từ rất lâu và trở thành công cụ truyền thống trong ngành y tế. Sự tiến bộ trong ngành điện tử và vật liệu đã gợi ý cho những ứng dụng mà các thiết bị y tế truyền thống có thể được thay thế hoàn toàn bằng những thiết bị kỹ thuật số tương đương. Ống nghe điện tử là một trong những ứng dụng như vậy.
Việc sử dụng ống nghe điện tử giúp các bác sĩ có thể lưu trữ các tín hiệu lâm sàng của bệnh nhân thành những bệnh án điện tử, tạo điều kiện dễ dàng theo dõi và chẩn đoán đối với những bệnh nhân vị mắc bệnh mãn tính. Đồng thời những tín hiệu đó cũng dễ dàng khuếch đại bằng những bộ khuếch đại điện tử với độ nhạy và tỷ lệ tín trên tạp cao. Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập được, những phép phân tích sử dụng các biến đổi toán học dể nhận dạng đặc trưng tín hiệu cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt trên máy tính. Các công cụ như vậy đã được phát triển bởi các công ty sản xuất thiết bị y tế.
Tuy nhiên, sự phức tạp, giá cao, đồng thời tính đóng trong công nghệ là rào cản đối với các phát triển. Đây chính là lý do cản trở ống nghe kỹ thuật số thâm nhập vào Việt Nam. Xuất phát từ ý tưởng thiết lập một hệ thống mở ban đầu để tạo nên tảng phát triển các công cụ chẩn đoán trong tương lai, luận văn này đề xuất nghiên cứu thiết kế hệ thống mở cho thiết bị ống nghe điện tử. Dựa trên nền tảng phần cứng của thiết bị này các hệ số của bộ lọc sẽ được hiệu chỉnh tối ưu, và hỗ trợ thiết kế các sản phẩm phần cứng.
Bên cạnh đó, thuật toán phân tích tín hiệu cũng sẽ dễ dàng được phát triển khi dữ liệu thô được lưu trữ dưới dạng số ở những định dạng file có thể được mở bằng nhiều mã nguồn mở. Để hoàn thành được đề tài này, đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo – TS. Trịnh Quang Đức đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện tử, bộ môn Kỹ thuật Y Sinh – Viện Điện Tử Truyền Thông đã tạo điều kiện trong quá trình làm đề tài.
1 Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè trong lớp 17BKTYS, các bạn cùng phòng thí nghiệm đã nhiệt tình giúp đỡ cũng như khích lệ trong suốt thời gian làm đề tài. Đề tài được thực hiện là những kết quả nghiên cứu độc lập và không sao chép ở bất kỳ đâu. 2 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Luận văn này trình bày về thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đoán hệ hô hấp. Với mục đích tạo ra một thiết bị đơn giản, có hỗ trợ mở rộng ứng dụng, gọn nhẹ và chi phí thấp, hệ thống được phát triển để nghe trực tiếp âm thanh của cơ thể và có thể lưu lại dưới dạng file, điều chỉnh được mức âm lượng và hiển thị tín hiệu âm thanh trên đồ thị.
Đầu vào là cảm biến CM-01B.