Xử lý số liệu đo tổng trở sinh học bằng phương pháp tín hiệu tương quan - Lê Mạnh Hải

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 145 XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO TỔNG TRỞ SINH HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍN HIỆU TƯƠNG QUAN Lê Mạnh Hải1*, Trịnh Đình Yến1, Vũ Ngọc Tuấn2 Tĩm tắt: Đánh giá trạng thái cơ thể sống bằng phương pháp đo tổng trở sinh học là một phương pháp mới trong y sinh học. Tuy nhiên, các hệ thống đo tổng trở sinh học thường phải xử lý một số lượng lớn dữ liệu với dung sai cao và nhiễu trắng phát sinh trong quá trinh đo. Bài báo này đề xuất một phương pháp xử lý dữ liệu dựa trên sự tương quan tín hiệu trong miền thời gian nhằm tìm ra phân bố các giá trị tổng trở sinh học trong phổ trở sinh học. Phương pháp lọc và xử lý các tín hiệu cĩ độ tương quan cao và loại bỏ một phần hoặc tồn phần các tín hiệu cĩ độ tương quan thấp. Phương pháp được ứng dụng trong hệ thống đo tổng trở sinh học của Viện Vật lý Y sinh nhằm nghiên cứu các thay đổi trạng thái cơ thể sống dưới tác động của tác nhân vật lý. Kết quả nghiên cứu cho phép xây dựng và phát triển các thuật tốn xử lý dữ liệu trong các thiết bị đo tổng trở sinh học với băng tần tới 1MHz hoặc cao hơn. Từ khĩa: Tổng trở sinh học, Xử lý tín hiệu tương quan, Thiết bị đo tổng trở sinh học. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đo tổng trở sinh học là phương pháp đánh giá trạng thái cơ thể sống được nghiên cứu từ thế kỷ 18, khởi đầu với những cơng bố của Luigi Galvani (1734-1798) và Alessandro Volta (1745-1825) (xem [6]). Tuy nhiên, các thành tựu mới trong kỹ thuật vật lý - y – sinh học trong những năm gần đây mang lại những tiên bộ vượt bậc trong lĩnh vực nghiên cứu này ([2],[3]). Các trở ngại chính của phép đo tổng trở sinh học đang dần được khắc phục và cải thiện kết quả đo như nhiễu sinh học do điện tim, điện não, thay đổi cơ học do thở, nhiễu do điện cực, nhiễu do tác nhân của phép đo... Các kết quả đo ngày càng chính xác cho phép sử dụng kết quả đo tổng trở sinh học như một phép đo đánh giá trạng thái cơ thể sống. Bên cạnh đĩ, một số vấn đề trong đo tổng trở sinh học vẫn đang được nghiên cứu tích cực nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả và độ chính xác của phép đo như xử lý nhiễu do điện cực, khả năng loại trừ các yếu tố nhiễu do các hệ tuần hồn, hệ hơ hấp gây ra. Trong bài báo này, nhiễu gây ra bởi hệ thống lấy mẫu bao gồm nhiễu do nguồn dịng, nhiễu do điện cực và nhiễu do bộ khuyếch đại đầu vào được xử lý bởi phần mềm, sử dụng giải thuật xử lý tín hiệu tương quan trong miền thời gian. Quy trình đo tổng trở cĩ thể thực hiện trong miền tần số và miền thời gian. Khi đo tổng trở sinh học trong miền tần số, một tín hiệu điện hình sin cĩ tần số thay đổi được đưa vào cơ thể sống. Đo điện áp và dịng điện qua các mơ sẽ cho biết tổng trở sinh học của mơ tại tần số đĩ. Phương pháp này được [3] đánh giá là cĩ độ chính xác cao, tuy nhiên khĩ thực hiện trong miền tần số rộng tới 1MHz hoặc hơn. Phương pháp đo tổng trở sinh học trong miền thời gian thực hiện cấp một tín hiệu điện xung vuơng tuần hồn cĩ tần số trong khoảng từ vài trăm Hz tới vài kHz vào cơ thể. Đáp ứng dịng và áp được đo trên hệ điện cực bốn cực sẽ được biến đổi sang phổ (biến đổi Fourier rời rạc - DFT) và tính ra tổng trở sinh học trên miền tần số. Hiển nhiên số phép đotrong miền thời gian sẽ nhỏ và khơng phụ thuộc vào miền tần số cần khảo sát, tuy nhiên chỉ các tần số là bội số của tần số tín hiệu đầu vào (tần số cơ sở) mới cĩ giá trị tính tốn cụ thể; các giá trị ở các tần số khơng phải là bội số của tần số cơ sở chỉ được suy ra từ các giá trị lân cận. Nhưng đĩ chưa phải là vấn đề lớn nhất. Bài tốn khĩ giải nhất của phương pháp đo này là nhiễu thu được trên khắp miền tần số sẽ giữ nguyên biên độ (nhiễu trắng) trong khi tín hiệu tại các tần số cao sẽ cĩ giá trị nhỏ dần trong phép biến đổi DFT. Trong Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. M. Hải, T. Đ. Yến, V. N. Tuấn, “Xử lý số liệu đo tổng trở tín hiệu tương quan.” 146 nhiều cơng trình đã cơng bố, phương pháp đo trong miền thời gian ít được sử dung vì lý do này ([2],[4]). Bài báo này sẽ sử dụng phương pháp đo trong miền thời gian, sử dụng phương pháp biến đổi Fourier nhanh và giải thuật xử lý tín hiệu tương quan nhằm đạt được độ chính xác của phép đo trong miền tần số và cĩ tốc độ đo cao hơn nhờ lợi thế của phép đo trong miền thời gian. Bài báo gồm 5 mục. Mục 1 đặt vấn đề về đo tổng trở sinh học và phương pháp đo trong miền thời gian. Mục 2 trình bày các khái niệm về hệ thống đo và tín hiệu tương quan theo thời gian; mục 3 mơ tả quy trình đo tổng trở sinh học và mục 4 là các kết quả thực nghiệm. Kết luận và các thảo luận, nhận định khác trình bày ở mục 5. 2. HỆ THỐNG ĐO TỔNG TRỞ VÀ TƯƠNG QUAN TÍN HIỆU 2.1. Hệ thống đo tổng trở sinh học 2.1.1. Sơ đồ chức năng Hệ thống đo gồm một bộ nguồn chính xác, một máy tạo nguồn xung, một dao động ký, một bộ khuyếch đại tín hiệu và chương trình xử lý trong máy tính (Hình 1). Hình 1. Sơ đồ chức năng hệ thống đo tổng trở sinh học. Máy tạo dao động Tektronix AFG 2012 làm nguồn xung cấp tín hiệu liên tục dạng xung vuơng tần số 1kHz -10kHz sang bộ khuyếch đại nguồn dịng (hình 2) rồi cấp sang bộ điện cực tạo một dịng điện trên cơ thể (hình 3). Dịng điện để đo cĩ cường độ khoảng 0,1 mA, thấp hơn nhiều lần dịng điện gây kích thích (khoảng 1mA) và khơng gây bất kỳ nguy hiểm nào cho cơ thể sống (xem [6]). Tín hiệu điện trên các mơ được đo trên một cặp điện cực độc lập, khuyếch đại và cách ly (hình 4) trước khi đưa vào bộ thu nhận dữ liệu là một dao động ký Tektronix DPO2022B. Các thiết bị trong hệ thống này cĩ thể được thay thế bởi các mạch điện tử khác ít tốn kém hơn. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại nguồn dịng. Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 147 Hình 3. Điện cực dùng đo tổng trở sinh học. Hình 4. Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại và cách ly. Với tần số lấy mẫu 1GSPS, dao động ký sẽ chuyển các kết quả đo của mạch đo thành tín hiệu số và chuyển về máy tính. Một chương trình xử lý tín hiệu sẽ khử nhiễu và phân tích, tính tốn phổ trở rồi hiển thị kết quả dạng bảng hoặc đồ thị. Chương trình tính tốn và xử lý dữ liệu được viết trên Mathlab. 2.1.2. Phương pháp đo tổng trở sinh học trong miền thời gian Đối với phép đo này chúng tơi chọn tín hiệu xung vuơng với tần số 1kHz (cĩ thể thay đổi từ vài trăm Hz tới vài kHz). Kết quả thu được khi đo dịng điện I và hiệu điện thế U như hình 5. a) Dịng điện. b) Điện áp. Hình 5. Tín hiệu thu được trên kênh đo dịng và điện áp. Việc xử lý trực tiếp các tín hiệu này bằng phép biến đổi FFT cho kết quả ở hình 6. Hình 6. Biểu diễn tổng trở sinh học cánh tay người trong hệ tọa độ phức. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. M. Hải, T. Đ. Yến, V. N. Tuấn, “Xử lý số liệu đo tổng trở tín hiệu tương quan.” 148 Trong hình 6, trục tung là giá trị thành phần ảo, trục hồnh là giá trị thành phần thực. Độ ổn định phép đo thấp, đặc biệt khi tính giá trị trở tại tần số cao (phần bên trái) đồ thị. Kết quả tính tốn địi hỏi phải xử lý dữ liệu trước khi phân tích phổ. 2.2. Xử lý tín hiệu tương quan 2.2.1. Tín hiệu tương quan Tương quan tín hiệu là sự biến đổi cĩ quan hệ mật thiết giữa hai hay nhiều tín hiệu. Cĩ hai loại là tương quan tự thân (trễ) và tương quan chéo. Tương quan tự thân được sử dụng trong nguyên lý đo xa của ra-da chống nhiễu. Tương quan chéo được sử dụng trong xử lý ảnh. Trong kỹ thuật đo tổng trở, tương quan chéo được sử dụng giữa 2 tín hiệu đo điện áp và đo dịng qua cơ thể. Tương quan chéo của hai tín hiệu rời rạc f(n),g(n) được định nghĩa như sau (1) Nếu xác định được mức tương quan giữa điện áp và dịng điện qua cơ thể ta cĩ thể áp dụng để loại bỏ nhiễu. Để tính (1), hai giá trị trung gian là giá trị hiệp biến (cơng thức 2) và tương quan được tính (cơng thức 3). (2) (3) Trong đĩ và là trung bình và phương sai của X và tương tự như vậy cho Y. 2.1.2. Xử lý tín hiệu tương quan Trong Mathlab, trước tiên một dãy tín hiệu rời rạc sẽ được tính các giá trị trung bình và phương sai theo (2) và (3). Các giá trị này sau đĩ được sử dụng dể tính giá trị tương quan giũa hai tín hiệu. Cơng thức (4) là hàm tính tương quan giữa hai dãy x và y r = xcorr(x,y) (4) Với các giá trị ngưỡng r đặt trước, hệ thống sẽ tính miền giá trị m trong (1) sao cho tương quan tín hiệu khơng nhỏ hơn ngưỡng r. Khi đĩ các ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu thấp hơn ngưỡng sẽ bị loại bỏ. Việc chọn ngưỡng tương quan được thực hiện theo các đo đạc thực nghiệm trên tải giả (mơ hình chuẩn) 3. QUY TRÌNH ĐO TỔNG TRỞ SINH HỌC Quy trình đo tổng trở của hệ thống gồm 5 bước sau: 1. Hệ thống tự kiểm tra 2. Đặt tham số nguồn xung bao gồm dạng xung, tần số và biên độ 3. Lấy mẫu và lọc nhiễu bằng xử lý tín hiệu tương quan 4. Phân tích phổ 5. Tính tốn và hiển thị kết quả Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 149 Hình 7 là lưu đồ chương trình đặt tham số và lấy mẫu cho thiết bị ngoai vi, sử dụng giao thức VISA, với 2 kênh: kênh 1được sử dụng đo điện áp, kênh 2 để đo dịng điện Hình 7. Chương trình đặt tham số. Hình 8. Chương trình xử lý tín hiệu. Chương trình xử lý tín hiệu tương quan U_osc() và I_osc(i) được sử dụng để nhận dữ liệu và loại các dữ liệu cĩ độ tương quan thấp. Khi cĩ dữ liệu tương quan thấp, hệ thống cập nhật lại giá trị tương quan chung của cả nhĩm và khi giá trị này thấp hơn ngưỡng thì loại mẫu này ra, thay bằng mẫu mới 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau khi thử nghiệm trên các mơ hình chuẩn (gồm trở và tụ) đạt kết quả như lý thuyết tính tốn và mơ phỏng, chúng tơi đã thực hiện đo tổng trở trên khoai tây và cánh tay người. Các kết quả tính tốn trước và sau khi áp dụng phương pháp xử lý tín hiệu tương quan cho thấy cĩ sự cải thiện đáng kể (hình 9 so với hình 6) Hình 9. Kết quả đo tổng trở cánh tay người cĩ xử lý tín hiệu tương quan trong hệ tọa độ phức. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. M. Hải, T. Đ. Yến, V. N. Tuấn, “Xử lý số liệu đo tổng trở tín hiệu tương quan.” 150 Hình 10. Trở phổ theo lý thuyết ([6]). So với kết quả của [6] (hình 10) các phép đo tại Viện Vật lý Y Sinh học (tháng 7/2015) cho các kết quả tương tự (hình 11) a) b) Hình 11. Trở phổ a) phần thực; b) phần ảo đo thực tế. 5. KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN Phương pháp xử lý tín hiệu tương quan cho phép lọc nhiễu khi thu nhận tín hiệu sinh học gây ra bởi các thiết bị đo như điện cực, mạch đo... Các kết quả thực nghiệm cho thấy cĩ sự cải thiện đáng kể độ ổn định của phép đo. Tuy nhiên phương pháp này cần được phát triển và cải tiến thêm để lọc các nhiễu khác như nhiễu do hệ tuần hồn, hệ hơ hấp gây ra. Phương pháp cũng cho phép xác định sai số của phép đo trong miền thời gian tiệm cận với sai số đo trong miền tần số ở dải tần dưới 60kHz. Với miền tần số trên 60kHz, kết quả đo vẫn bị sai sai lệch, thể hiện trên đồ thị là sai lệch về pha trên 10% ở các tần số trên 60kHz (hình 10 b). Các kết quả đo cũng cho thấy cần thiết phải mở rộng băng thơng bộ giao tiếp và khuyếch đại cao hơn nữa (Băng thơng của bộ giao tiếp hiện là 100kHz). Lời cảm ơn: Nhĩm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện Khoa học và Cơng nghệ quân sự và sự giúp đỡ về khoa học của giáo sư Uwe Pliquett (Đại học Bielefeld, Viện IBA, CHLB Đức). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Jaffrin MY1, Morel H. “Body fluid volumes measurement gy impedance: A review of bioimpedance spectroscopy (BIS) and Bioimpedance analysis (BIA) methods”. Med Eng Phys. (2008) Dec;30(10):1257-1269. [2]. Ling CH, de Craen AJ, Slagboom PE, Gunn DA, Stokkel MP, Westendorp RG, Maier AB. “Accuracy of direct segmental multi-frequency bioimpedance analysis in the Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 151 assessment of total body and segmental body composition in middle-aged adult population”. Clin Nutr. (2011) Oct;30(5):610-5. [3]. Uwe Pliquett. “Bioimpedance: A Review for Food Processing”. Food Eng Rev (2010) 2:74–94. [4]. Sami F. Khalil, Mas S. Mohktar and Fatimah Ibrahim. “The Theory and Fundamentals of Bioimpedance Analysis in Clinical Status Monitoring and Diagnosis of Diseases”. Sensors (2014), 14, 10895-10928. [5]. Uwe Pliquett, Markus Schưnfeldt, Andreas Barthel, Dieter Frense, Thomas Nacke and Dieter Beckmann. “Front end with offset-free symmetrical current source optimized for time domain impedance spectroscopy”. Physiol. Meas. 32 (2011) 927–944. [6]. Sverre Grimnes, Orjan G Martinsen. “Bioimpedance and Bioelectricity Basics” Third edition, Elsevier (2015). ABSTRACT DATA PROCESSING IN BIOIMPEDANCE MEASUREMENT USING CORRELATION SIGNAL METHOD Bio-impedance measurement is a new approach for evaluation of living status. However, noises in measurement device heavily impacts analyzing process, especially for correlation signals. This paper establishes method for signal processing based on correlation signal in time-domain in order to get bio- impedance spectroscope. This method filters low level correlation signals as noises and applied in bio-impedance measurement system at Institute of BioMedical Physics. The motivation of project is development of high bandwidth (up to 1Mhz or higher) multi-channel system for bio-impedance measurement. Keywords: Bio-impedance, Correlation signal processing, Bio-impedance measurement system. Nhận bài ngày 12 tháng 7 năm 2015 Hồn thiện ngày 25 tháng 8 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 9 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Vật lý Y sinh học, 109A Paster, Bến Nghé, Quận 1, TP Hồ Chí Minh; 2Viện Điện tử, Viện Khoa học và Cơng nghệ quân sự; *Email: lemanhhai@biomedvn.com.