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

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 có độ tương quan cao và loại bỏ một phần hoặc toàn phần các tín hiệu có 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xử lý số liệu đo tổng trở sinh học bằng phương pháp tín hiệu tương quan Nghiên cứu khoa học công nghệ 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 Tóm 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 có độ tương quan cao và loại bỏ một phần hoặc toàn phần các tín hiệu có 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 toán xử lý dữ liệu trong các thiết bị đo tổng trở sinh học với băng tần tới 1MHz hoặc cao hơn. Từ khóa: 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 công 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 đó, 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 hoàn, hệ hô hấp gây ra. Trong bài báo này, nhiễu gây ra bởi hệ thống lấy mẫu bao gồm nhiễu do nguồn dòng, 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 có 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 có tần số thay đổi được đưa vào cơ thể sống. Đo điện áp và dòng điện qua các mô sẽ cho biết tổng trở sinh học của mô tại tần số đó. Phương pháp này được [3] đánh giá là có độ chính xác cao, tuy nhiên khó 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 vuông tuần hoàn có tần số trong khoảng từ vài trăm Hz tới vài kHz vào cơ thể. Đáp ứng dòng 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 không 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 có giá trị tính toán cụ thể; các giá trị ở các tần số không phải là bội số của tần số cơ sở chỉ được suy ra từ các giá trị lân cận. Nhưng đó chưa phải là vấn đề lớn nhất. Bài toán khó 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 có giá trị nhỏ dần trong phép biến đổi DFT. Trong Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 145  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử nhiều công trình đã công 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 có 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 mô 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 khu ...