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

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