Phát triển một số giải pháp thiết kế mạch để nâng cao chất lượng tín hiệu điện cơ đồ

Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Phát triển một số giải pháp thiết kế mạch để nâng cao chất lượng tín hiệu điện cơ đồ Phạm Mạnh Hùng, Vũ Duy Hải, Hoàng Mạnh Cường, Nguyễn Văn Khang Tóm tắt — Tín hiệu điện cơ được sử dụng trong nhiều lĩnh Tín hiệu EMG có thể được thu nhận bằng hai phương vực nghiên cứu khác nhau. Chất lượng tín hiệu điện cơ thu pháp chính đó là xâm lấn và không xâm lấn. Trong đó, nhận được ảnh hưởng lớn đến kết quả đ

pdf6 trang | Chia sẻ: huong20 | Ngày: 20/01/2022 | Lượt xem: 229 | Lượt tải: 0download
Tóm tắt tài liệu Phát triển một số giải pháp thiết kế mạch để nâng cao chất lượng tín hiệu điện cơ đồ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
đạt được của các phương pháp đo xâm lấn là phương pháp đưa các điện nghiên cứu đó. Trong bài báo này giới thiệu nghiên cứu cực đo vào trong bắp cơ, như cắm điện cực kim vào trong phát triển một số giải pháp thiết kế mạch (như giải pháp tổ chức cơ cần khảo sát, tín hiệu thu được gọi là tín hiệu lựa chọn cấu trúc, mạch nguyên lý và linh kiện cho mỗi khối chức năng của mạch đo) để cải thiện một số thông số điện cơ kim (intramuscular EMG – iEMG). Phương pháp kỹ thuật của mạch đo tín hiệu điện cơ. Theo cách này, đo không xâm lấn là phương pháp sử dụng các điện cực mạch thu nhận có các ưu điểm hơn so với các mạch hiện có bề mặt dán vào bề mặt da phía trên bắp cơ cần đo, tín như: có hệ số triệt nhiễu 50 Hz đạt -140 dB và hơn -100 dB hiệu điện cơ thu được gọi là tín hiệu điện cơ bề mặt với các loại nhiễu ngoài dải tần tín hiệu thu nhận, độ phân (surface EMG – sEMG) [2]. Tín hiệu EMG có các đặc giải tín hiệu đạt 24 bít, tần số lấy mẫu cực đại là 32 kb/s, hỗ tính cơ bản như sau: trợ truyền thông có dây/không dây, dòng rò nhỏ hơn 100  Về biên độ, tín hiệu EMG có biên độ nhỏ, biên độ µV, mức tiêu thụ nguồn thấp, kích thước nhỏ. Mạch này có đỉnh - đỉnh nằm trong khoảng từ 0 đến 5 mV hay thể tích hợp hiệu quả vào các hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu điện cơ phục vụ cho các nghiên cứu khác nhau. từ 0 đến 1,5 mV (RMS) [2].  Về tần số, tín hiệu EMG có dải tần từ 0 Hz lên đến 3 kHz, trong đó năng lượng tín hiệu tập trung Keywords — Electromyography; EMG Signal Acquisition; trong dải tần từ 10 Hz ÷ 250 Hz. Tín hiệu sEMG EMG Measurement thường có dài tần từ 10 Hz đến 400 Hz, trong đó I. GIỚI THIỆU năng lượng tập trung ở khoảng từ 20 Hz đến 150 Hz. Tín hiệu iEMG có dải tần 10 Hz ÷ 3 kHz [2]. Điện cơ đồ (Electromyography – EMG) là phương Tín hiệu EMG thu nhận bởi thiết bị đo có thể bị suy pháp thu lại hoạt động điện của tổ chức cơ (nhóm bó cơ giảm chất lượng do nhiều yếu tố khác nhau [2] [3], như: hoặc bắp cơ) khi nó hoạt động, tín hiệu thu được này  Suy giảm do nhiễu: có nhiều loại nhiễu khác nhau được gọi tắt là tín hiệu EMG. Tín hiệu EMG chứa các ảnh hưởng tới tín hiệu EMG, như: nhiễu nguồn thông tin phản ánh tình trạng và mức độ hoạt động của tổ (50 Hz hoặc 60 Hz), nhiễu thở, nhiễu do dịch chức cơ đó. Các thông tin thu được từ quá trình xử lý và chuyển điện cực hay dây nối điện cực, nhiễu tần số phân tích tín hiệu EMG được sử dụng trong nhiều lĩnh cao, nhiễu do các tín hiệu điện sinh học khác như vực khác nhau như: (1) hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý và đánh ECG, Tín hiệu EMG đầu vào có tỷ số tín hiệu giá tình trạng của tổ chức cơ, (2) là căn cứ để điều chỉnh trên nhiễu (SNR) rất nhỏ. phương pháp vận động giúp cải thiện hiệu quả lao động và luyện tập thể thao, và (3) ứng dụng trong điều khiển  Suy giảm do mạch xử lý tín hiệu tương tự: các học [1]. mạch tương tự đều ít nhiều gây méo dạng của tín hiệu. Sử dụng bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn có thể gây méo dạng tín hiệu do hiện tượng bão hòa tín hiệu. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, các mạch khuếch đại hoạt động sẽ không ổn định khi và sau khi rơi vào trạng thái bão hòa tín hiệu. Sử dụng bộ lọc sẽ làm giảm độ trung thực của tín hiệu. Bộ lọc tương tự bậc cao theo lý thuyết cho kết quả lọc nhiễu tốt, tuy nhiên trong thực tế thì các bộ lọc tương tự bậc cao thường không đem lại hiệu quả cao. Mạch lọc bậc cao sẽ dùng nhiều linh kiện và cồng kềnh. Trong khi đó, độ ổn định của Hình 1: Hai dạng sóng cơ bản của tín hiệu EMG mạch tỷ lệ nghịch với số lượng linh kiện sử dụng. ISBN: 978-604-67-0349-5 311 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)  Suy giảm do chuyển đổi tương tự - số (ADC) kém:  Lựa chọn cấu trúc mạch đo tín hiệu phù hợp, bao tín hiệu EMG được số hóa bởi quá trình lấy mẫu gồm lựa chọn sử dụng những khối chức năng nào, và lượng tử hóa. Nếu tốc độ lấy mẫu quá chậm so và bố trí của các khối đó trong mạch đo. với sự biến đổi của tín hiệu, hay tần số lấy mẫu  Lựa chọn mạch nguyên lý phù hợp cho từng khối nhỏ hơn 2 lần tần số cực đại của tín hiệu thì sẽ gây chức năng, như: khuếch đại, lọc nhiễu, số hóa, ra hiện tượng chồng phổ, gây sai lệch tín hiệu thu cách ly, và truyền thông. được. Lượng tử là việc làm tròn lên hoặc xuống  Lựa chọn các linh kiện có đặc tính kỹ thuật phù giá trị lấy mẫu để phù hợp với bậc của thang lượng hợp cho các khối chức năng theo giải pháp được tử. Phần sai khác so với trước khi làm tròn gọi là đề xuất. sai số lượng tử. Độ phân giải càng thấp sai số do Các phần tiếp sau đây là sự mô tả và phân tích chi tiết quá trình lượng tử càng lớn. hơn về các giải pháp được nhóm nghiên cứu phát triển. Ngoài các yếu tố gây suy giảm chất lượng tín hiệu kể trên, chất lượng tín hiệu EMG còn bị ảnh hưởng bởi quá A. Giải pháp cho sơ đồ khối mạch đo tín hiệu EMG trình đo, như: (1) kích thước và khoảng cách của các điện Hình 2 là sơ đồ khối của mạch đo được để xuất để cực sử dụng ảnh hưởng tới độ lớn của tín hiệu và độ rộng đảm bảo khả năng thu nhận được tín hiệu EMG có chất của phổ tần số thu nhận, (2) khoảng cách đặt giữa các lượng cao. Theo sơ đồ được đề xuất, tín hiệu điện từ các điện cực đo với tổ chức cơ cần đo, khoảng cách càng xa điện cực đo sẽ đi vào các bộ khuếch đại đệm. Các tín hiệu biên độ và dải tần số của tín hiệu càng bị suy giảm, do sự đầu ra của bộ khuếch đại đệm sẽ tới đầu vào bộ khuếch suy hao tín hiệu khi dẫn truyền qua các mô [2]. Tuy nhiên, đại vi sai. Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại vi sai là tín nghiên cứu được giới thiệu trong bài báo này chỉ tập hiệu EMG thô. Tín hiệu này sẽ được đưa tới bộ lọc thông trung vào giải quyết các vấn đền liên quan đến thiết bị đo dải và bộ lọc triệt tần để lọc bỏ các thành phần không tín hiệu EMG, nên các vấn đề liên quan đến quá trình đo mong muốn. sẽ không được đề cập nhiều ở đây. Tín hiệu EMG sau khi xử lý lọc sẽ được đưa vào bộ Chất lượng tín hiệu EMG càng cao thì độ tin cậy của chuyển đổi ADC. Đầu ra của bộ ADC là tín hiệu EMG thông tin trích xuất từ tín hiệu đó càng cao. Do đó, các số, tín hiệu này sẽ được truyền tới MCU thông qua một nỗ lực nghiên cứu nhằm mục đích nâng cao chất lượng bộ cách ly quang. Thông qua giao diện kết nối có dây tín hiệu EMG vẫn đang được thực hiện. Các nghiên cứu hoặc không dây, MCU sẽ thực hiện việc truyền tín hiệu này tập trung vào việc cải thiện các thông số của mạch EMG số có được cho máy tính và nhận các yêu cầu thiết đo, cụ thể là: (1) tăng trở kháng đầu vào, (2) tăng hệ số lập chế độ đo. nén nhiễu đồng pha (CMRR), (3) tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), (4) tăng độ phân giải của tín hiệu, (5) tăng độ ổn định, tin cậy và hiệu năng của mạch, và (6) tăng độ an toàn cho người và thiết bị khi sử dụng [4], [5], [6]. Một hệ thống thu nhận, xử lý và phân tích tín hiệu điện cơ đồ có thể được chia thành hai thành phần chính là:  Mạch đo tín hiệu EMG: thực hiện việc thu nhận tín hiệu điện cơ từ các điện cực, xử lý tín hiệu tương tự, chuyển đổi ADC, và truyền thông tín hiệu EMG số có được lên máy tính.  Phần mềm xử lý và phân tích tín hiệu EMG số: thực hiện các phép xử lý số tín hiệu, trích xuất các thông tin hữu ích dùng cho các nghiên cứu khác nhau. Hình 2: Sơ đồ khối của mạch đo tín hiệu EMG (ba điện cực được sử Bài báo này giới thiệu nghiên cứu phát triển một số dụng gồm hai điện cực đo và một điện cực tham chiếu, để chống nhiễu) giải pháp nhằm mục đích cải thiện các thông số của mạch đo tín hiệu EMG, giúp tăng chất lượng tín hiệu Giải pháp thực hiện mỗi khối chức năng trong sơ đồ EMG thu được. khối ở hình 2 được phân tích ở các phần tiếp sau đây. B. Giải pháp khuếch đại và triệt nhiễu đồng pha II. GIẢI PHÁP Tín hiệu nhiễu xuất hiện trên cả dây điện cực đo và Các giải pháp kỹ thuật được phát triển để tạo ra mạch điện cực tham chiếu là nhiễu đồng pha. Tín hiệu điện cơ đo tín hiệu EMG chất lượng cao trong nghiên cứu này có thể chỉ nhỏ cỡ 0,1 mV, trong khi thành phần nhiễu bao gồm: đồng pha (nhiễu nguồn) có thể lên tới hàng V, tương ISBN: 978-604-67-0349-5 312 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) đương -120 dB SNR [3], [4]. Nhiễu này cần phải được sinh học, mạch lọc Butterworth bậc 2 kiến trúc Sallen- loại bỏ khỏi tín hiệu EMG. Key có nhiều ưu điểm hơn các loại mạch lọc khác khi sử dụng [3], [7], [8]. Hình 3: Phương thức bỏ nhiễu đồng pha của bộ khuếch đại vi sai Nhiễu đồng pha có thể được triệt tiêu bằng cách lấy vi Hình 4: Sơ đồ mạch lọc Butterworth bậc 2 kiến trúc Sallen-Key (hệ số sai tín hiệu giữa hai dây nối điện cực đo (xem hình 3). phẩm chất của mạch Q = 0,707) Khả năng loại bỏ thành phần nhiễu xuất hiện đồng thời trên hai đầu vào của bộ khuếch đại được định lượng bởi Theo sơ đồ ở hình 4, khi các phần tử Z1, Z2, Z3, và Z4 hệ số nén nhiễu đồng pha (Common mode Rejection lần lượt là C1, C2, R1, và R2 thì mạch sẽ là mạch lọc HPF. Ratio - CMRR) của một mạch khuếch đại. Hệ số CMRR Còn khi các phần tử Z1, Z2, Z3, và Z4 lần lượt là R1, R2, của bộ khuếch đại vi sai được tính bằng công thức 1 dưới C1, và C2 thì mạch sẽ là mạch lọc LPF. đây:  Tần số fc của bộ lọc được tính theo công thức: Hz (2) ( )    √ Trong đó: (1) Ad là hệ số khuếch đại vi sai, (2) Acm là  Hệ số Q của bộ lọc HPF được tính theo công thức: hệ số khuếch đại đồng pha. Giá trị CMRR thông thường √ (3) cỡ 80 đến 120dB. Với mạch đo tín hiệu EMG, CMRR ( ) được khuyến nghị phải lớn hơn 90dB [3], [4].  Hệ số Q của bộ lọc LPF được tính theo công thức: Hệ số CMRR có thể bị suy giảm do sự chênh lệch trở √ (4) kháng đường dây nối các điện cực đo. Do trở kháng bộ ( ) khuếch đại là cố định, sự sai khác trở kháng đường dây Sau bộ lọc thông dải, thành phần nhiễu nguồn điện khiến tín hiệu cho dù giống nhau ở các điện cực cũng trở lưới (50 Hz hoặc 60 Hz) còn lại trong tín hiệu EMG có nên khác nhau ở cuối các dây đo (chỗ nối với bộ khuếch thể vẫn còn tương đối lớn. Để loại bỏ thành phần nhiễu đại). Ảnh hưởng của sự chênh lệch trở kháng này có thể này cần phải sử dụng bộ lọc triệt tần (Notch). Do năng được giảm thiểu bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại lượng của tín hiệu EMG tập trung chủ yếu ở dải tần xung đệm có trở kháng vào lớn (> 108 Ω) [4]. quanh tần số 50 Hz, nên nếu sử dụng bộ lọc Notch có hệ số Q thấp sẽ gây suy giảm mạnh các thành phần tín hiệu C. Giải pháp sử dụng các bộ lọc tương tự có ích. Để đảm bảo hiệu quả của lọc nhiễu, chúng ta cần Tín hiệu EMG có thành phần hữu ích nằm trong một lựa chọn bộ lọc Notch có hệ số Q lớn. Trong các loại bộ dải tần cụ thể, ví dụ, đối với tín hiệu sEMG là ở dải tần lọc Notch đã được giới thiệu hiện nay, bộ lọc Twin - T 10 Hz ÷ 450 Hz. Trong các thiết kế mạch đo tín hiệu điện Notch có nhiều ưu điểm khi sử dụng. sinh học để lấy được thành phần hữu ích, bộ lọc thông dải thường được sử dụng tạo bởi bộ lọc thông cao (HPF) tích cực và thông thấp (LPF) tích cực. Dải thông của bộ lọc thông dải kép này được xác định bởi tần số cắt của các bộ lọc HPF (fL) và LPF (fH). Trong đó, bộ lọc HPF sẽ loại bỏ các nhiễu tần số thấp, như là nhiễu chuyển động, nhiễu trôi đường cơ sở. Bộ lọc LPF sẽ lọc bỏ các thành phần nhiễu tần số cao, và có vai trò giới hạn tần số cực đại của tín hiệu tương tự trước khi thực hiện chuyển đổi ADC. Bộ lọc thông dải kép này có ưu điểm hơn so với bộ lọc Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của mạch lọc Twin – T Notch thông dải đơn, do dễ dàng điều chỉnh các tham số của Hình 5 là sơ đồ mạch của bộ lọc Twin-T Notch, tần mạch, như là tần số cắt và hệ số Q. số fc của bộ lọc này được tính theo công thức sau: Việc lựa chọn bộ lọc phù hợp với yêu cầu lọc chính là việc lựa chọn kiến trúc, loại bộ lọc, bậc bộ lọc, tần số cắt, Hz (5) √ ( ) hệ số phẩm chất (Q) và độ khuếch đại của bộ lọc. Có nhiều loại bộ lọc khác nhau đã được giới thiệu, chúng có Bộ lọc Twin-T Notch có một số đặc tính tốt như: (1) ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Đối với tín hiệu điện cho phép điều chỉnh dễ dàng hệ số Q (từ 0,3 đến 50) của ISBN: 978-604-67-0349-5 313 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) mạch lọc bằng cách điều chỉnh tỷ lệ R4/R5, và (2) có thể III. TRIỂN KHAI CÁC GIẢI PHÁP đạt được hệ số triệt tần tới 60 dB với linh kiện có sai số Để đánh giá các đề xuất, nhóm nghiên cứu đã triển 1%, thông thường là 50 dB [7], [8]. khai các bước như sau: (1) lựa chọn mạch thiết kế thử D. Giải pháp chuyển đổi tương tự - số tín hiệu nghiệm, (2) xây dựng bảng thông số kỹ thuật cần đạt của mạch, (3) mô phỏng các khối chức năng, (4) lựa chọn Tín hiệu EMG sau lọc là tín hiệu tương tự có cực tính linh kiện sử dụng, (5) chế tạo và đo các thông số làm việc (có phần âm và phần dương). Trong một số thiết kế đã của mạch, và (6) đánh giá kết quả đạt được. Cụ thể là: được giới thiệu, thường dùng các bộ chuyển đổi ADC có Nhóm nghiên cứu lựa chọn thiết kế chế tạo mạch đo độ phân giải thấp (từ 10 bít đến 16 bít) và chỉ chuyển đổi tín hiệu sEMG. Đối tượng này được chọn bởi các lý do được phần dương của tín hiệu [5], [6], [10]. Do đó, tín chính sau: hiệu cần được khuếch đại và công thêm một điện áp dịch mức dương trước khi chuyển đổi ADC nhằm mục đích  Trong các loại tín hiệu EMG thì tín hiệu sEMG tăng độ phân giải và không làm mất thành phần ở phần bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu khác nhau lớn âm của tín hiệu. Theo cách này, mạch cần thêm các khối nhất, đặc biệt là nhiễu từ nguồn điện lưới. Tín mạch tương tự phức tạp, có thể gây méo dạng tín hiệu. hiệu sEMG có mức độ phức tạp hơn so với tín Để giải quyết vấn đề này, bộ chuyển đổi ADC được sử hiệu iEMG. Bởi vì, tín hiệu sEMG là tín hiệu dụng cần có một số đặc tính như: (1) có thể chuyển đổi tổng hợp của nhiều đơn vị vận động của bắp cơ tín hiệu có cực tính, (2) tích hợp bộ khuếch đại có hệ số và có biên độ nhỏ (biên độ suy hao do hiện tượng có thể cấu hình mềm, (3) độ phân giải cao, (4) tốc độ lấy độ dẫn khối). Trong khi, tín hiệu iEMG là tín mẫu cao và có thể thay đổi bằng lập trình, và (5) dữ liệu hiệu của một vài bó cơ của bắp cơ [6]. tín hiệu đầu ra là nối tiếp.  Việc thực hiện đo tiến hành sEMG an toàn hơn iEMG. Bởi vì, phép đo sEMG là đo không xâm E. Giải pháp cách ly nguồn với đối tượng đo lấn, còn phép đo iEMG là đo xâm lấn (phải dùng Cách ly nguồn cung cấp với đối tượng đo là yêu cầu kim chọc vào tổ chức cơ, có thể gây bệnh cho cần thiết đối với các thiết bị đo điện sinh học trên cơ thể tình nguyện viên khi không phải chuyên gia y tế sống. Việc cách ly nhằm hai mục đích chính như sau: thực hiện đo).  Để đảm bảo an toàn điện, tránh nguy cơ giật điện Bảng 1 là các chỉ tiêu kỹ thuật của mạch đo sEMG gây ra bởi dòng rò, đặc biệt là dòng rò từ nguồn cần đạt được sau thiết kế. Các thông số này được đưa ra điện lưới có tần số 50 Hz (hoặc 60 Hz). dựa trên việc tham khảo các chỉ tiêu kỹ thuật của một số  Để tránh nhiễu từ nguồn tới mạch xử lý đầu vào, hệ thống đo EMG được thương mại hiện nay [5], [10], và làm giảm SNR của tín hiệu điện cơ thu được. yêu cầu của nghiên cứu này. Để tăng hiệu quả khi chế tạo, giải pháp cách ly được BẢNG 1 đề xuất là chỉ sử dụng nguồn cách ly mức cao cho phần Các thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu EMG cần đạt được mạch xử lý tín hiệu tương tự và bộ chuyển đổi ADC, có Tên thông số Giá tri Đơn vị Chú thích mức tiêu thụ nguồn nhỏ. Các phần mạch còn lại có mức Trở kháng vào 107 Ω Từ các điện cực đo tiêu thụ công suất lớn sẽ sử dụng nguồn có mức độ cách CMRR 140 dB Với nhiễu 50 Hz ly thấp hơn. Dải tần 5 ÷ 450 Hz Tín hiệu sEMG Hệ số khuếch đại 100 Lần Cấu hình mềm Độ phân giải 24 Bit Cấu hình mềm Tần số lấy mẫu > 2 kHz Tín hiệu sEMG Mức nhiễu < 0,5 mV (rms) Dải tần 5 ÷ 500 Hz Dòng dò < 100 μV Chuẩn IEC60601-1 Tốc độ truyền dữ liệu 480 Mbps Giao tiếp USB 4.0 Dựa theo yêu cầu thiết kế cụ thể và áp dụng các giải pháp được đề xuất, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các công cụ như: phần mềm Filter Pro của Texas Instrusments (TI) và ORCAD PSPICE để chạy mô phỏng các xử lý tín hiệu tương tự. Ngoài việc hỗ trợ mô phỏng, Hình 6: Giải pháp dùng nguồn cách ly trong mạch đo tín hiệu EMG các công cụ này hỗ trợ lựa chọn các giá trị linh kiện thụ Hình 6 là sơ đồ mô tả giải pháp cách ly được đề xuất. động (RC) phù hợp, theo các tiêu chuẩn thương mại hiện Theo sơ đồ này, tín hiệu tương tự sẽ được chuyển đổi có, mắc trong các khối mạch xử lý tín hiệu tương tự. sang dạng số bởi bộ chuyển đổi ADC. Đầu ra bộ ADC sẽ Các linh kiện chính được sử dụng cho các khối chức là tín hiệu số, theo chuẩn truyền thông nối tiếp, sẽ được năng trong mạch là linh kiện của hãng TI. Trong đó, một truyền qua bộ cách ly quang tới khối xử lý truyền thông số linh kiện là các vi mạch (IC) tương tự và số mới được tín hiệu số (MCU). hãng này phát triển và thương mại. ISBN: 978-604-67-0349-5 314 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Cụ thể là: Tín hiệu này được đưa tới đầu vào của các khối mạch xử  Mạch khuếch đại đệm và khuếch đại vi sai: mạch lý tương tự. (2) Thu lại tín hiệu đáp ứng của các mạch xử khuếch đại đệm sử dụng IC TL072 và mạch lý tương tự, phân tích phổ tín hiệu thu được, và vẽ đặc khuếch đại vi sai sử dụng IC INA129 mắc theo tuyến vào ra của các mạch. Các phép đo được thực hiện khuyến nghị của hãng. Các IC này có trở kháng trong phòng thí nghiệm ở điều kiện thường, với mức độ vào lớn, tiêu thụ dòng nhỏ với độ dịch áp nhỏ, hệ chống nhiễu trung bình, theo các quy trình đo thông số đã số CMRR lớn [11]. được chuẩn hóa.  Mạch lọc thông thấp, thông cao và Notch: sử dụng IC TL072, mắc mạch như hình 4 và 5. Giá IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN trị của các linh kiện R,C có được từ bước tính Sau quá trình đo kiểm các thông số của mạch bằng toán mô phỏng mạch. các thiết bị chuyên dụng, thấy rằng: (1) Các mạch chức  Mạch chuyển đổi ADC: sử dụng IC ADS1294, là năng và mạch đo sEMG có thông số hoạt động đúng yêu linh kiện mới của TI, nó có một số đặc tính nổi cầu thiết kế với sai số nhỏ (±1% theo bảng 1). (2) Giá trị bật như: (1) có bộ khuếch đại nội với hệ số dòng dò và mức độ cách ly của mạch đo sEMG, được đo khuếch đại có thể lập trình được, (2) có khả năng theo quy trình đo quy chuẩn đối với các thiết bị y tế hiện chuyển đổi tín hiệu có cực tính (dải chuyển đổi ± nay, là nhỏ (< 70 μA). Mạch đạt tiêu chuẩn an toàn điện 2,5 V), (3) sử dụng phương pháp lấy mẫu kiểu IEC 60601-1, đạt tiêu chuẩn của các thiết bị y tế hiện nay, delta-sigma, (4) độ phân giải tín hiệu là 24 bít, đảm bảo để đo thử trên tình nguyện viên. (5) tần số lấy mẫu lên đến 32 Kbps, (6) dữ liệu BẢNG 2. đầu ra theo chuẩn SPI, và (7) hỗ trợ nhiều kênh Các thông số của các mạch xử lý tương tự đo [12]. Tên thông số Giá trị Đơn vị  Mạch truyền cách ly tín hiệu: sử dụng IC Các thông số của bộ khuếch đại đệm ISO7231M, là phần tử cách ly quang tín hiệu số Trở kháng vào 1012 Ω của TI hỗ trợ truyền giao thức SPI. Phần tử này Hệ số khuếch đại sử dụng 1 Lần có các thông số nổi bật là: (1) tốc độ truyền tối đa CMRR 90 dB Nguồn cung cấp ±12 V 150 Mbps, (2) điện áp cách ly 4 kV ESD [13]. Các thông số của bộ khuếch đại vi sai  MCU: sử dụng IC MSP430F5510, là phần tử có Trở kháng vào Ω hỗ trợ truyền thông SPI, USB, UART. MCU Hệ số khuếch đại sử dụng 100 Lần được lập trình để nhận tín hiệu EMG số từ ADC CMRR 100 dB (theo chuẩn SPI qua mạch cách ly quang) để Nguồn cung cấp ±12 V Mạch lọc thông cao truyền lên máy tính (theo chuẩn USB, UART) Tần số cắt (fc) ≈ 5 Hz [14]. Hệ số phẩm chất (Q) 0,7  Nguồn cách ly: sử dụng môđun A0512D, là loại Mạch lọc thông thấp nguồn DC-DC cách ly 1 KVDC, đầu vào 5 V (có Tần số cắt (fc) ≈ 450 Hz thể lấy từ máy tính qua cổng USB), đầu ra ± 12 Hệ số phẩm chất (Q) 0,7 Mạch lọc Notch V, công suất 1 W, hiệu suất chuyển đổi 80%. Tần số cắt (fc) 50 Hz Nguồn này cung cấp cho phần xử lý tương tự và Hệ số phẩm chất (Q) 5,6 chuyển đổi ADC. Điện áp tham chiếu (± 2,5 V) CMRR 50 dB được tạo ra từ các mức điện áp ±12 V, bằng cách sử dụng IC TPS7A4901 và TPS7A3001, là các Bảng 2 thể hiện các thông số của mạch đo tín hiệu IC tạo nguồn tham chiếu chuyên dụng chất lượng sEMG (hình 7), phần mạch xử lý tín hiệu tương tự đầu cao của TI [15]. vào, các tính năng khác của mạch đạt yêu cầu thiết kế Mạch được chế tạo theo hai bước, đó là: (1) chế tạo được liệt kê ở bảng 1. từng khối mạch chức năng riêng rẽ, (2) chế tạo tích hợp các khối mạch trên một bo mạch. Ở mỗi bước, các mạch đều được đo và hiệu chỉnh các thông số hoạt động theo bảng 1. Thiết bị sử dụng để đo kiểm bao gồm: bộ công cụ NI- ELVIS II của National Instrumment, ôxilô DSO-X 2002A của Agilent Technologies, và thiết bị TeraOhm 5KV Insulation Tester của Duncan Instruments. Trong đó bộ NI-ELVIS II được sử dụng để: (1) Tổng hợp các loại tín hiệu dùng cho kiểm thử, tín hiệu này có thành phần tần số và độ lớn tùy chọn khác nhau theo mục đích thử. Hình 7: Ảnh mạch đo tín hiệu sEMG hoàn thiện (kích thước 7x10 cm2). ISBN: 978-604-67-0349-5 315 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) Thực hiện đo tín hiệu sEMG cơ bắp tay của tình  Mạch đo có khả năng truyền thông với máy tính nguyện viên, tín hiệu EMG này được hiển thị và được thông qua chuẩn USB với tốc độ Full Speed phân tích phổ bởi phần mềm hiện sóng được xây dựng USB. Ngoài ra, mạch đo đã được thử nghiệm bằng bộ công cụ Labview. Kết quả cho thấy, dạng và phổ giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn Bluetooth tín hiệu EMG thu được giống với mô tả trong các tài liệu 4.0 cho kết quả tương tự khi tần số lấy mẫu tín [1], [2], [4], và [6]. hiệu nhỏ hơn 3 kHz. Ngoài các ưu điểm được để cập ở trên mạch này còn có các ưu điểm khác do sử dụng các linh kiện có mức độ tích hợp cao và chất lượng, như: kích thước nhỏ, cho phép tăng số lượng kênh đo, công suất tiêu thụ thấp, độ tin cậy, và ổn định cao. V. KẾT LUẬN Mạch đo tín hiệu EMG được thiết kế theo các giải Hình 8: Tín hiệu sEMG được đo bởi mạch đo sEMG ở bắp tay khi co cơ vừa phải (phần nhiễu nền rất nhỏ so với thành phần tín hiệu). pháp đề ra đạt các chi tiêu thiết kế, và có một số ưu điểm hơn so với các mạch đo EMG được giới thiệu trước đây. Mạch đo này có thể tích hợp trong hệ thống đo tín hiệu EMG cố định hoặc di động. Các giải pháp được đề xuất trong nghiên cứu này là hữu dụng cho việc thiết kế các mạch đo tín hiệu điện cơ đồ chất lượng cao. Nó cũng hữu dụng cho các thiết kế mạch đo các tín hiệu điện sinh học khác như ECG, EEG. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Peter Konrad, The ABC of EMG: A Practical Introduction to Kinesiological Electromyography. Version 1.0 April 2005, Hình 9: Đồ thị phổ của tín hiệu sEMG thể hiện ở hình 8 Noraxon INC. USA [2] Basmajian JV, De Luca CJ, Muscles Alive. Their Function Dựa vào kết quả đánh giá thu được cho thấy, mạch đo Revealed by Electromyography. Williams & Wilkens, tín hiệu sEMG có một số ưu điểm sau đây: Baltimore, 1985.  Mạch đo có trở kháng đầu vào lớn, giúp làm [3] Webster, John G. (1998). Medical Instrumentation: Application and Design. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. giảm ảnh hưởng của sự sai lệch của trở kháng [4] Aminoff; Aminoff’s Electrodiagnosis in Clinical Neurology. đường dây lên tín hiệu lấy vi sai. Nhờ đó, tín hiệu 6thd ed. Saunders British Library Cataloguing in Publication vi sai chỉ là tín hiệu chênh lệch điện áp tại các Data, 2012 điện cực đo. [5] Hutten GJ, van Thuijl HF,.. A literature review of the methodology of EMG recordings of the diaphragm, Pubmed,  Mạch đo có hệ số CMRR với nhiễu 50 Hz lên May 2009. đến hơn 140 dB. Do đó giảm được đáng kể sự tác [6] Duchêne J and Gouble F (1993) Surface electromyogram during động của nguồn điện lưới lên tín hiệu, giúp làm voluntary contraction:Processing tools and relation to physiological events. Critical Reviews in Biomedical giảm yêu cầu chống nhiễu đối với môi trường đo Engineering 21(4):313–397 thực tế. [7] Zumbahlen, Hank, editor, 2008. Linear Circuit Design  Mạch đo sử dụng bộ chuyển đổi ADC có khả Handbook, Newnes, ISBN 978-0-7506-8703-4. năng chuyển đổi tương tự - số tín hiệu có cực [8] Roland D. Thomas and Albert J. Rosa, The Analysis and Design of Linear Circuits, USA, John Wiley and Sons, Inc., 2001. tính và có bộ khuếch đại nội có hệ số khuếch đại [9] Sedra, A.S. and K.C. Smith. Microelectronics Circuits. 4th ed. thiết lập mềm, nên không cần sử dụng mạch dịch New York: Oxford University Press. 1998. mức và mạch khuếch đại rời rạc bên ngoài. Do [10] Nihon Kohden, Basic guide to EP/EMG measurement, đó, tín hiệu sẽ không bị sai lệch và méo dạng khi Technical Education Series Neuro Series No. 4 (EP/EMG Basics) chuyển đổi ADC, mạch chạy ổn định nhỏ gọn, độ [11] Texas Instruments. INA129 Instrumentation Amplifier tin cậy cao. datasheet, 2014.  Mạch đo không gây sai lệch tín hiệu khi thực [12] Texas Instruments. ADS1294 Analog Front End datasheet, 2014. hiện truyền cách ly tín hiệu. Bởi vì, tín hiệu [13] Texas Instruments. ISO7231M Triple Digital Isolators tương tự được số hóa trước khi truyền qua bộ datasheet, 2014 cách ly quang. Đồng thời, chi phí cho nguồn cách [14] Texas Instruments. MSP430F5510 Mixed Signal ly mức độ cao (1 KVDC) nhưng có công suất Microcontroller datasheet, 2014. [15] Texas Instruments. TPS7A3001, Ultralow-Noise, Negative nhỏ (< 1 W) thấp. LINEAR REGULATOR datasheet, 2014. ISBN: 978-604-67-0349-5 316

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfphat_trien_mot_so_giai_phap_thiet_ke_mach_de_nang_cao_chat_l.pdf