TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG
BÀI GIẢNG
MÔN: XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH
HỆ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
SỐ TÍN CHỈ : 02
NGÀNH: KỸ THUẬT Y SINH
Họ và tên giảng viên: Nguyễn Thị Bích Điệp
Thái Nguyên, năm 2015
1
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH ...................................... 3
1.1. Nguồn gốc và các đặc điểm của tín hiệu y sinh ................................................... 3
1.2. Phân loại tín hiệu y sinh học ................................................................................. 4
1.3. Bộ thu nhận và xử lý tín hiệu y sinh học .............................................................. 5
1.4. Vai trò của tín hiệu y sinh trong y học ................................................................. 9
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI TÍN HIỆU Y SINH THÔNG DỤNG ........................... 10
2.1. Tín hiệu điện tim ECG ....................................................................................... 10
2.1.1. Khái niệm về tín hiệu điện tim .................................................................... 10
2.1.2. Đặc trưng của tín hiệu điện tim ................................................................... 10
2.1.3. Nhiễu trong tín hiệu điện tim ...................................................................... 11
2.2. Tín hiệu điện não EEG ....................................................................................... 12
2.2.1. Khái niệm về tín hiệu điện não .................................................................... 12
2.2.2. Nguồn gốc tín hiệu điện não ........................................................................ 12
2.2.3. Đo và thu nhận tín hiệu điện não ................................................................. 13
2.2.4. Các dạng tín hiệu điện não .......................................................................... 14
2.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu điện não ............................................... 19
2.3. Tín hiệu điện cơ EMG ........................................................................................ 20
2.3.1. Khái niệm về tín hiệu điện cơ ...................................................................... 20
2.3.2. Nguồn gốc tín hiệu điện cơ.......................................................................... 20
2.3.3. Xử lý tín hiệu điện cơ .................................................................................. 24
2.3.4. Nhiễu và các yếu tố ảnh hưởng ................................................................... 26
CHƯƠNG 3: CÁC BỘ LỌC SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH
....................................................................................................................................... 29
3.1. Giới thiệu công cụ thiết kế và mô phỏng các bộ lọc số trong Matlab ................ 29
3.1.1. Giới thiệu về công cụ SPTool ..................................................................... 29
3.1.2. Phân tích bộ lọc ........................................................................................... 31
3.1.3. Thiết kế những bộ lọc bổ sung: ................................................................... 31
3.1.4. Thể hiện những bộ lọc trong Fvtool (Filter Visualization Tool) ................. 32
3.1.5. Export bộ lọc từ FDATool: ......................................................................... 32
3.1.6. Thể hiện đối tượng export trong matlab command: .................................... 33
3.2. Bộ lọc FIR ........................................................................................................ 33
2
3.2.1. Đặc điểm của bộ lọc số FIR pha tuyến tính ................................................ 33
3.2.2. Tổng hợp bộ lọc số FIR pha tuyến tính ....................................................... 36
3.2.3. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc số FIR bằng công cụ SPTool ........................ 39
3.3. Bộ lọc IIR và ứng dụng ...................................................................................... 39
3.3.1. Cơ sở tổng hợp bộ lọc số IIR ....................................................................... 39
3.3.2. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc số IIR bằng công cụ SPTool ......................... 41
3.4. Bộ lọc thích nghi và ứng dụng ........................................................................... 41
3.4.1. Cấu trúc bộ lọc thích nghi ........................................................................... 41
3.4.2. Cơ sở toán học của phương pháp thích nghi dựa trên thuật toán LSM ....... 41
3.4.3. Ứng dụng lọc nhiễu điện áp cho các tín hiệu y sinh.................................... 45
3
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH
1.1. Nguồn gốc và các đặc điểm của tín hiệu y sinh
Theo cách thức phân loại thường dùng hiện nay, tín hiệu y sinh được phân thành
hai nhóm chính:
+ Các tín hiệu nội sinh: xuất phát từ những quá trình sinh lý tự nhiên trong cơ thể
sinh vật sống. Ví dụ như: tín hiệu điện tim ECG – Electroncadiogram, tín hiệu điện não
EEG – Electroencephalogram, tín hiệu điện cơ EMG – Elec tromyogram, nhịp thở, nhiệt
độ, hàm lượng Glucose trong máu, v.v...
+ Các tín hiệu ngoại sinh: các tác nhân được đưa vào từ bên ngoài, sau khi đi qua
các bộ phận trên cơ thể của sinh vật sống sẽ tạo ra các dạng tín hiệu y sinh, dựa vào đó
chúng ta có thể đo lường được cấu trúc và thông số bên trong cơ thể mà các tác nhân đã
đi qua. Nhóm tác nhân thường dùng để tạo tín hiệu ngoại sinh như là sóng siêu âm, tia
X, ánh sáng đơn sắc, ánh sáng huỳnh quang từ các tế bào gắn chất phát huỳnh quang
hay từ các phân tử được kích thích bằng ánh sáng, v.v..
Môn học này tập trung phân tích nguồn gốc và đặc trưng của các tín hiệu nội sinh
chủ yếu trên cơ thể người.
Nguồn gốc xuất hiện của hầu hết các tín hiệu điện sinh học là do thay đổi rất
nhanh của điện thế qua màng tế bào ở tất cả các tế bào sống. Cụ thể hơn, các tín hiệu
điện sinh học phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có thể
thấy ở các tế bào thần kinh (điện thế hoạt động thần kinh) hay ở các tế bào cơ (các bó
cơ, cơ tim). Cơ sở điện hóa của điện thế màng tế bào tồn tại dựa trên hai hiện tượng: (1)
màng tế bào có tính bán thấm, hay nói cách khác chúng có độ dẫn và độ thấm khác nhau
đối với các ion và phân tử khác nhau (ví dụ như: Na+, K+, Ca++, Cl-, Glucose, Protein,
v.v...) và (2) màng tế bào có các cơ chế bơm ion sử dụng năng lượng trao đổi chất (ví
dụ như chức năng của ATP - Adenosine Triphosphatase). Các cơ chế bơm ion chủ động
truyền ion và phân tử qua màng tế bào, chống lại hàng rào năng lượng và Gradient nồng
độ giữa phần trong và phần ngoài tế bào. Ở trạng thái bền, các ion liên tục có xu hướng
lọt vào bên trong tế bào (như ion Na+) hoặc ra ngoài tế bào (như ion K+), quá trình bơm
ion cũng diễn ra liên tục nhằm phục hồi và duy trì nồng độ ion của trạng thái bền này.
Các kỹ thuật sử dụng trong các quá trình xử lý tín hiệu y sinh bao gồm việc lọc
tín hiệu truyền thống, các kỹ thuật lấy trị trung bình và các quá trình ước lượng phổ tín
hiệu. Chỉ có các khái niệm chính của việc phân tích và thiết kế các bộ lọc số và một vài
ví dụ sử dụng để mô tả quá trình xử lý tín hiệu điện tim. Các kỹ thuật trị trung bình khi
đó được mô tả một cách ngắn gọn và chứng minh khả năng hữu dụng của chúng khi
nhiễu và tín hiệu có nội dung tần số tương tự nhau mà chúng không chỉ mang các thông
số thống kê: một ví dụ là các điện thế ký ức tăng lên theo nền nhiễu của tín hiệu điện
4
tim. Cuối cùng, các bộ ước lượng phổ khác sẽ được sử đụng và các ứng đụng của nó
được chỉ ra trong việc phân tích các dao động RR.
Các quá trình thu nhận và xử lý tín hiệu số này sẽ thực hiện biến đổi các tín hiệu
sang dạng số và sau đó các tín hiệu số hoá sẽ được chuyển tới các phần xử ỉý tín hiệu
cao cấp hơn nhằm thực hiện xử lý tín hiệu với tốc độ nhanh và hiệu quả cao hơn.
1.2. Phân loại tín hiệu y sinh học
Các tín hiệu sinh học có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Sau đây
là các mô tả ngắn gọn về một vài các phương pháp phân loại quan trọng.
- Phân loại dựa theo nguồn gốc: Các tín hiệu sinh học có thể được phân loại theo
nguồn gốc của nó hoặc bản chất vật lý. Việc phân loại tín hiệu này có thể được sử đụng
khi các thông số vật lý cơ bản của các quá trình xử lý của các quá trình xử lý cần quan
tâm đến, ví dụ khi một mô hình của tín hiệu cần phải được xây dựng,
- Phân loại theo ứng dụng y sinh học: Tín hiệu được thu nhận và được xử lý với
một vài mục đích chẩn đoán, theo dõi hoặc một vài mục đích khác. Việc phân loại này
có thể được xây dựng nên dựa trên các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, ví dụ như điện tim
hoặc điện não. Sự phân loại cụ thể có thể là quan trọng khi mục đích của nó là nghiên
cứu các hệ thống sinh lý, học cơ thể...
- Phân loại theo các thông số tín hiệu: Từ quan điểm phân tích tín hiệu thì đây là
một phương pháp phân loại có liên quan nhiều nhất. Khi mục đích chính là việc xử lý
thì nó không có gì liên quan tới nguồn gốc tín hiệu hoặc tới hệ thống y sinh học nào mà
nó phụ thuộc vào mà các vấn đề như các thông số, tín hiệu.
Ta nhận được hai loại tín hiệu rõ ràng là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc, Các
tín hiệu liên tục được miêu lả bởi một hàm liên tục S(t) mà nó cung cấp thông tin tại bất
kỳ một thời điểm nào. Các tín hiệu rời rạc được miêu tả bởi một chuỗi giá trị s(m) mà
nó cung cấp các thông tin tại các thời điểm rời rạc trên trục thời gian. Hầu hết các tín
hiệu y sinh học là tín hiệu liên tục. Bởi vì kỹ thuật dòng điện cung cấp còng cụ hữu hiệu
cho quá trình xử lý tín hiệu số nên thường biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc
bằng một quá trình xử lý được gọi là quá trình lấy mẫu.
Chúng ta chia các tín hiệu thành hai nhóm chính: các tín hiệu xác định và tín hiệu
thống kê. Tín hiệu xác định là các tín hiệu mà chúng có thể được mô tả một cách chính
xác bằng toán học hoặc bằng đồ thị. Nếu một tín hiệu là xác định và mô tả toán học của
nó được chỉ ra thì nó chẳng truyền đạt thông tin gì. Các tín hiệu thực không thuộc dạng
xác định được. Nó luôn có các dạng nhiễu không biết và không thể dự đoán được thêm
vào, có một vài thay đổi không xác định được. Tuy nhiên, chúng thường rất thuận tiện
để đánh giá và mô hình hóa tín hiệu bởi một hàm số xác định.
Một họ tín hiệu quan trọng của tín hiệu xác định là họ tín hiệu tuần hoàn. Tín
hiệu tuần hoàn đơn giản nhất là tín hiệu dạng sin. Các tín hiệu tuần hoàn phức tạp hơn