Đồ án HCMUTE: Thiết kế mô phỏng bộ lọc nhiễu tín hiệu điện tim sử dụng MATLAB và VHDL

• Tác giả: Trần Thanh Lâm
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế, Mô Phỏng Bộ Lọc Nhiễu Tín Hiệu Điện Tim Dùng MATLAB Và Chuyển Mã VHDL
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN TIM ECG
• 2.1.1. Khái niệm về tín hiệu điện tim ECG
• 2.1.2. Cấu trúc giải phẫu và chức năng của tim
• 2.1.3. Các quá trình điện học của tim
• 2.1.4. Sự hình thành các dạng sóng của tim
• 2.1.5. Các thành phần của tín hiệu điện tim ECG
• 2.1.6. Các dải tần trong tín hiệu điện tim ECG
• 2.1.7. Các phương pháp đo tín hiệu ECG
• 2.1.7.1. Phương pháp Oscillometric
• 2.1.7.2. Phương pháp điện tim đồ
• 2.1.7.3. Phương pháp hấp thụ quang học
• 2.1.8. Các loại nhiễu tác động đến tín hiệu điện tim
• 2.2. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU SỐ VÀ BỘ LỌC SỐ
• 2.2.1. Tổng quan về tín hiệu số
• 2.2.2. Hệ xử lý số
• 2.2.2.1. Mô tả hệ xử lý số
• 2.2.2.2. Hệ xử lý số đệ quy và không đệ quy
• 2.2.3. Tổng quan về bộ lọc số
• 2.2.3.1. Bộ lọc thông thấp LPF
• 2.2.3.2. Bộ lọc thông cao HPF
• 2.2.3.3. Bộ lọc thông dải BPF
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG CỤ MATLAB
• 2.3.1. Giới thiệu chung
• 2.3.2. Lập trình trong matlab
• 2.3.2.1. Một số câu lệnh cơ bản
• 2.3.3. Trình mô phỏng Simulink
• 2.3.4. Công cụ thiết kế bộ lọc số FDATool của Matlab
• 2.3.4.1. Giới thiệu phương pháp thiết kế theo mô hình
• 2.3.4.2. Tổng quan về hộp công cụ thiết kế bộ lọc số (FDATool)
• 2.3.4.3. Thiết kế bộ lọc sử dụng giao diện FDATool
• 2.4. TỔNG QUAN VỀ FPGA (ALTERA) VÀ PHẦN MỀM QUARTUS II
• 2.4.1. Lịch sử ra đời và phát triển của FPGA
• 2.4.2. Khái niệm FPGA
• 2.4.3. Ứng dụng FPGA
• 2.4.4. Phần mềm hỗ trợ thiết kế Quatus II
• 2.5. TỔNG QUAN VỀ KIT DE2 -115 ALTERA
• 2.5.1. Kit DE2 Cyclone IV EP4CE115F29C7N
• 2.5.2. Cấp nguồn cho kit DE2
• 2.6. GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ VHDL
• 2.6.1. Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL
• 2.6.2. Cú pháp và ngữ nghĩa
• 2.6.2.1. Đối tượng trong VHDL
• 2.6.2.2. Kiểu dữ liệu trong VHDL
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 3.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.1.2. Tính toán và thiết kế bộ lọc dạng FIR
• 3.1.2.1. Kết cấu cho các kiểu lọc tần số dạng FIR
• 3.1.2.2. Cấu hình tổng quát của bộ lọc FIR
• 3.1.2.3. Thiết kế bộ lọc số dạng FIR theo phương pháp MBD
• 3.1.2.3.1. Xây dựng sơ đồ khối
• 3.1.2.3.2. Thiết kế, mô phỏng và chuyển mã VHDL
• 3.2. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.2.1. Biên dịch chương trình trên Quartus II
• 3.2.2. Sơ đồ khối trên Quartus
• 3.2.3. Mô phỏng bộ lọc dùng ModelSim
• 3.2.3.1. Tổng quát về phần mềm mô phỏng ModelSim
• 3.2.3.2. Mô phỏng mạch lọc trên ModelSim
• 3.2.4. Thử nghiệm và kiểm tra
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Kết quả mô phỏng bộ lọc trên Matlab
• 4.2. Kết quả dạng sóng mô phỏng trên ModelSim
• 4.3. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Xử lý tín hiệu sinh học và tín hiệu điện tim

Bài báo tập trung vào xử lý tín hiệu sinh học, cụ thể là xử lý tín hiệu điện tim (ECG). Tín hiệu điện tim là tín hiệu điện sinh học phản ánh hoạt động điện của tim. Việc thu thập và phân tích tín hiệu này có vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị các bệnh lý tim mạch. Tín hiệu ECG thu được thường bị nhiễu, ảnh hưởng đến chất lượng chẩn đoán. Do đó, việc lọc tín hiệu ECG là bước xử lý cần thiết trước khi phân tích. Nghiên cứu này sử dụng các kỹ thuật số để giảm nhiễu tín hiệu điện tim, nhằm đạt được tín hiệu điện tim sạch. Các phương pháp đo tín hiệu ECG được đề cập, bao gồm các kỹ thuật điện sinh học cần thiết cho quá trình thu thập dữ liệu chính xác. Phân tích tín hiệu điện tim là một phần quan trọng trong việc hiểu hoạt động của tim và phát hiện các bất thường.

1.1 Thu thập và tiền xử lý tín hiệu ECG

Quá trình thu thập tín hiệu ECG được thực hiện bằng các điện cực đặt trên bề mặt da. Tuy nhiên, tín hiệu thu được thường bị nhiễu bởi nhiều nguồn khác nhau, ví dụ như nhiễu cơ, nhiễu nguồn điện, v.v... Vì vậy, lọc tín hiệu là bước tiền xử lý quan trọng. Các kỹ thuật lọc tín hiệu ECG được xem xét nhằm loại bỏ các thành phần nhiễu, giữ lại các thành phần tín hiệu có ích. Tần số lấy mẫu và độ phân giải ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Mục tiêu là thu được tín hiệu ECG sạch nhất có thể, đảm bảo độ chính xác trong quá trình phân tích. Chọn lựa điện cực thích hợp là rất quan trọng trong việc giảm thiểu nhiễu và đảm bảo chất lượng tín hiệu. Các kỹ thuật giảm nhiễu như lọc trung bình, lọc thích nghi, v.v... có thể được sử dụng.

1.2 Phân tích và đặc trưng tín hiệu ECG

Sau khi lọc nhiễu, phân tích tín hiệu ECG nhằm trích xuất các đặc trưng quan trọng. Các đặc trưng này giúp chẩn đoán các bệnh lý tim mạch. Phân tích dữ liệu sinh học là một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn, cung cấp các công cụ và kỹ thuật cần thiết. Mô hình toán học của tín hiệu ECG được xây dựng để mô tả các đặc trưng chính. Các dạng sóng của tim (P, QRS, T) được phân tích để đánh giá hoạt động điện của tim. Phát hiện nhịp tim bất thường là một ứng dụng quan trọng của phân tích tín hiệu ECG. Giám sát bệnh nhân liên tục giúp phát hiện sớm các sự cố tim mạch nguy hiểm.

II. Thiết kế bộ lọc nhiễu

Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế bộ lọc nhiễu cho tín hiệu ECG. Hai loại bộ lọc chính được xem xét là bộ lọc FIR và bộ lọc IIR. Bộ lọc FIR có ưu điểm về độ ổn định nhưng phức tạp hơn về mặt tính toán. Bộ lọc IIR có tính toán đơn giản hơn nhưng có thể bị bất ổn. Thuật toán lọc được chọn dựa trên yêu cầu về độ phức tạp, độ chính xác và hiệu suất. Thiết kế bộ lọc MATLAB cho phép mô phỏng và tối ưu hóa các thông số bộ lọc trước khi triển khai trên phần cứng. Tối ưu hóa thiết kế là một quá trình quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất.

2.1 Thiết kế bộ lọc FIR

Bộ lọc FIR được thiết kế bằng cách sử dụng các kỹ thuật như cửa sổ, phương pháp tối thiểu bình phương, v.v... MATLAB Simulink cung cấp môi trường mô phỏng mạnh mẽ. Đáp ứng tần số của bộ lọc được kiểm tra và điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu lọc nhiễu. Độ trễ nhóm và hiệu suất là các thông số quan trọng cần được tối ưu hóa. Đáp ứng xung của bộ lọc cũng cần được xem xét để đánh giá chất lượng lọc. Việc chọn cửa sổ thích hợp ảnh hưởng đến độ sắc nét của đáp ứng tần số. Tính ổn định của bộ lọc FIR được đảm bảo do tính chất không hồi tiếp.

2.2 Thiết kế bộ lọc IIR

Bộ lọc IIR thường có độ phức tạp tính toán thấp hơn so với bộ lọc FIR. Tuy nhiên, bộ lọc IIR có thể bị bất ổn nếu không được thiết kế cẩn thận. Các kỹ thuật thiết kế như Butterworth, Chebyshev, Elliptic, v.v... được sử dụng. MATLAB FDATool là công cụ hỗ trợ thiết kế bộ lọc IIR hiệu quả. Đáp ứng tần số và độ ổn định cần được kiểm tra kỹ lưỡng. Hiệu suất của bộ lọc IIR được đánh giá dựa trên các thông số như độ suy giảm, độ nhiễu, v.v... Triển khai phần cứng của bộ lọc IIR cần cân nhắc đến độ phức tạp và hiệu suất của phần cứng.

III. Triển khai trên FPGA và VHDL

Sau khi thiết kế và mô phỏng trên MATLAB, bộ lọc được triển khai trên FPGA sử dụng ngôn ngữ VHDL. Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) như VHDL cho phép mô tả cấu trúc và hành vi của hệ thống. FPGA là thiết bị lý tưởng cho các ứng dụng xử lý tín hiệu thời gian thực. Quá trình biên dịch VHDL sử dụng phần mềm Quartus II. Kiểm tra và xác minh là bước quan trọng đảm bảo tính năng của bộ lọc trên FPGA. Hiệu suất bộ lọc trên FPGA được đánh giá dựa trên các thông số như tốc độ xử lý, tiêu thụ điện năng, v.v...

3.1 Mô phỏng VHDL

Mô phỏng bộ lọc VHDL trước khi triển khai trên FPGA giúp phát hiện lỗi sớm. ModelSim là một công cụ mô phỏng phổ biến. Kiểm tra đáp ứng tần số và đáp ứng xung trên mô phỏng. Xác minh tính năng của bộ lọc trước khi tải lên FPGA giúp giảm thiểu thời gian và chi phí. Các kịch bản kiểm thử cần được thiết kế cẩn thận để đảm bảo độ bao phủ toàn diện. Khả năng mở rộng của thiết kế VHDL cần được xem xét cho các ứng dụng tương lai.

3.2 Triển khai và tối ưu hóa trên FPGA

Triển khai trên FPGA đòi hỏi tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao. Khả năng lập trình lại của FPGA cho phép điều chỉnh các thông số thiết kế. Tiêu thụ điện năng của FPGA là yếu tố quan trọng cần được xem xét. Hiệu suất bộ lọc trên FPGA phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ xung nhịp, cấu trúc logic, v.v... Khả năng mở rộng và tối ưu hóa là những vấn đề quan trọng cần được lưu ý. Kiểm tra và xác minh trên FPGA là bước cuối cùng trước khi ứng dụng vào thực tế.

IV. Ứng dụng và kết luận

Nghiên cứu này có ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực y tế, cụ thể là trong giám sát bệnh nhân và chẩn đoán bệnh tim mạch. Thiết bị y tế sử dụng bộ lọc tín hiệu ECG cải thiện độ chính xác trong chẩn đoán. Giảm sát bệnh nhân liên tục giúp phát hiện sớm các bất thường tim mạch. Chẩn đoán nhịp tim bất thường được hỗ trợ đáng kể bằng bộ lọc nhiễu hiệu quả. Giải thuật xử lý tín hiệu được tối ưu để đảm bảo hiệu suất thời gian thực. Cổng giao tiếp cần thiết để tích hợp bộ lọc vào hệ thống giám sát bệnh nhân.