- Thiết kế trên FPGA ñể loại ồn cho tín hiệu ECG nhờ biến ñổi sóng con. - Tín hiệu ñiện tâm ñồ (ECG) có thể bị trộn lẫn với rất nhièu loại ồn khi ño và thu thập dữ liệu. - Một vài giải thuật dựa trên biến ñổi sóng con ñã ñược phát triển ñể loại ồn các tín hiệu ECG.. - Nhằm ñể loại bỏ hiện tượng Pseudo-Gibbs với các dạng sóng Q, S khi biến ñổi sóng con rời rạc (DWT) và thiết kế mạch trên dãy cổng khả lập trình (FPGA) ñể loại ồn tín hiệu ECG, trong bài báo này, một kiểu loại ồn khác ñược ñưa ra dựa trên DWT theo mô hình của hệ thống thính giác Các tham số DWT ñược thay ñổi ñể tối ưu hoá giá trị ngưỡng và kết quả loại ồn ñược so sánh giữa các phép biến ñổi sóng con. - Các dữ liệu tín hiệu ECG sử dụng ñể kiểm tra ứng dụng DWT loại ồn ñược tải từ cơ sở dữ liệu MIT-BIH.. - Tín hiệu ñiện tâm tâm ñồ (ECG) là một trong các tín hiệu y sinh ñã ñược nghiên cứu rộng rãi và ứng dụng trong các phòng khám.. - Sự phân tách chính xác các dạng sóng này là rất quan trọng khi phân tích tín hiệu ECG. - Tuy nhiên do tín hiệu ECG là rất yếu và không rõ ràng, ñiện áp chênh lệch giữa 2 ñiện cực phía tay trái và phía tay phải cỡ 1-3mV và tần số của các tín hiệu ECG nằm trong khoảng giữa 0.02Hz cho tới 150Hz. - Chất lượng của các sensor cảm nhận tín hiệu ECG tuỳ thuộc vào băng thông của nó. - và tín hiệu ECG rất yếu như vậy thì nó rất dễ bị can nhiễu bởi các ồn khác, do vậy triệt ồn một cách hiệu quả là vấn ñề quan trọng trong việc phân tách tín hiệu ECG.. - Vào những năm 60 của thế kỉ trước, việc phân tách các dạng sóng P, sóng QRS và sóng T cổ ñiển trước ñây thường sử dụng các bộ lọc tương tự băng cao, bộ lọc băng thấp và bộ lọc Notch. - ðến thập kỷ 70, xử lí tín hiệu số thích nghi ñược ñề xuất bởi Bernard Widrow và Samuel D. - Stearns ñã ñưa lĩnh vực xử lí tín hiệu y sinh sang hướng mới. - Ban ñầu Widrow tập trung vào việc lọc các nhiễu 50Hz - 60Hz tương ứng với tần số nguồn ñiện lưới thành phố và ñặt ra các tiêu chí chính cho xử lí tín hiệu y sinh là:. - Các tiêu chí này là vô cùng quan trọng cho các bác sĩ trong chuẩn ñoán lâm sàng và cho các hệ thống tự ñộng chuẩn ñoán bệnh sau này. - Những năm gần ñây, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các kĩ thuật xử lí. - tín hiệu y sinh (ñiện tâm ñồ, ñiện não ñồ. - Loại nhiễu theo ngưỡng sau khi thực hiện biến ñổi sóng con rời rạc (DWT). - Sử dụng các giải thuật cho lọc số như:. - Nhận dạng tín hiệu mù ñể tách tín hiệu FECG. - Các tham số chính của tín hiệu ñiện tim.. - Tuy nhiên việc lựa chọn giải thuật cho việc loại nhiễu tín hiệu ECG và chọn công nghệ ứng dụng cho hệ thống phần cứng sử dụng sóng con ñó rất ña dạng. - Hơn nữa phương pháp loại bỏ ồn thông qua ngưỡng sau khi thực hiện biến ñổi sóng con kinh ñiển gây ra hiện tượng Pseudo-Gibbs tại dạng sóng Q và S của tín hiệu ECG do DWT. - Các kết quả thực nghiệm ñã chỉ ra rằng, phương pháp với giải thuật trong bài báo này tốt hơn phương pháp kinh ñiển trên ñây mà vẫn giữ ñược các. - ñặc tính hình học cuả tín hiệu ECG và tỷ số tín hiệu trên ồn (SNR) ñược áp dụng trên các hệ thống dựa trên FPGA kết hợp DSP.. - Lọc nhiếu sử dụng DWT. - Biến ñổi sóng con ñã ñược ứng dụng rất rộng rãi trong việc xử lí tín hiệu và hình ảnh.. - Hiện nay có hai phương pháp chính loại ồn nhờ phép biến ñổi sóng con cho các tín hiệu ECG:. - a) phương pháp tối ña modul biến ñổi sóng con.. - Tại phương pháp này, có thể loại bỏ ồn và lưu lại thông tin của tín hiệu gốc tại cùng thời ñiểm, nhưng số lượng tín toán lớn và không ổn ñịnh [1]. - b) phương pháp sóng con ngưỡng loại ồn sau khi biến ñổi sóng con ñược ñề xuất bởi Donoho vào năm 1999 [2] và ñược áp dụng cho loại ồn các tín hiệu ECG [3,4]. - Tín hiệu ECG chứa ồn ngẫu nhiên không tương quan với ñộ dài hữu hạn có thể ñược biểu diễn. - Các hệ số sóng con tại các ñộ phân giải khác nhau có thể nhận ñược bằng cách lấy DWT của tín hiệu ECG có ồn. - Tín hiệu ECG ñược biến ñổi sóng con rời rạc (DWT) trở thành:. - với d ˆ j , n là các hệ số sóng con tại ñộ phân giải j.. - φ j, và ψ j, n là các hàm phân giải và hàm sóng con tại ñộ phân giải j.. - Phương pháp ngưỡng loại ồn sau khi biến ñổi sóng con rời rạc (DWT) là phân chia các hệ số sóng con với một ngưỡng ñược chọn ổn ñịnh. - Thông thường, các hệ số sóng con này có biên ñộ nhỏ hơn ngưỡng ồn ñược ñặt lại bằng. - zero và các hệ số sóng con khác có hệ số lớn hơn ngưỡng ồn sẽ ñược giữ nguyên (gọi là ngưỡng cứng) hoặc là co lại chút ít (ngưỡng mềm). - Tín hiệu ECG loại bỏ ồn có thể ñược khôi phục từ các hệ số sóng con nhờ biến ñổi IDWT như chỉ ra trong hình. - Loại bỏ ồn dựa trên biến ñổi sóng con.. - Phương pháp loại ồn các tín hiệu ECG dựa trên biến ñổi sóng con ñơn giản và dễ dàng sử dụng. - Thế nhưng phương pháp này sử dụng ngưỡng cứng có thể dẫn ñến sự giao ñộng của các tín hiệu khi khôi phục, còn ngưỡng mềm có thể làm suy giảm tín hiệu ECG (ñặc biệt suy giảm biên ñộ sóng R). - Hơn nữa người ta tin rằng, phương thức sóng con lọai bỏ ồn kinh ñiển dựa trên DWT có thể dẫn tới hiện tượng Pseudo-Gibbs tại các sóng Q và R khi khôi phục tín hiệu ECG [5].. - Phương pháp ngưỡng cứng loại ồn ñược sử dụng [6] sao cho. - Với ε = 2 σ 2 log N , N là số mẫu tín hiệu ECG trong một khối biến ñổi DWT, σ 2 là phương sai ñối với ồn trắng phân bố Gauss. - Phương pháp ngưỡng mềm loại bỏ ồn ñược sử dụng [6]:. - ñược coi là các hệ số sóng con khi biến ñổi DWT của tín hiệu x(t) ECG gốc không có nhiễu. - Ta có thể thấy rằng, tuỳ theo giá trị của β ñược lựa chọn mà phương pháp ngưỡng mềm có thể ñược coi như là phương pháp ngưỡng cứng. - thì ñộ lớn của d ˆ j , n càng lớn ñóng vai trò quyết ñịnh và như vậy nó phần nào cũng phụ thuộc vào việc lựa chọn loại sóng con ñược sử dụng cho hàm sóng con ψ j, n. - Tín hiệu s ˆ ( t ) ñược khôi phục từ d j , n và. - ˆ 0 nhờ biến ñổi ngược sóng con rời rạc (IDWT) với hy vọng s ˆ ( t. - Do ồn và các ảnh hưởng khác mà các hệ số sóng con d ˆ j , n bị ảnh hưởng khác nhau tuỳ theo loại sóng con và tại ñộ phân giải j của nó.. - t , công suất ồn của tín hiệu. - Do phép biến ñổi sóng con là trực giao do ñó biểu thức (6) có thể ñược biểu diễn dưới dạng các hệ số sóng con theo phiên bản sóng con:. - ˆ , ε chính là số các hệ số sóng con bị loại bỏ. - Hình 2 cho ta cấu trúc bộ lọc ồn thích nghi theo từng băng con dựa trên DWT. - Cấu trúc bộ loại ồn.. - Các tệp chứa 1000 mẫu tín hiệu ñiện tâm ñồ (ECG) thu nhận từ bệnh nhân ñược lấy từ tập cơ sở dữ liệu có ñịa chỉ mạng Internet http://www.physionet.org. - Các tín hiệu ECG yêu cầu phần cứng:. - Tần số lấy mẫu tín hiệu : 200Hz + Kích thước bộ ñêm tối thiểu : N= 1024 + ðộ lọc lặpsóng con: l = 8. - ðể thực hiện ñược xử lí vào ra thời gian thực thì phần cứng phải xử lí liên tục các chuỗi mẫu vào và ra. - hiệu ECG liên tục phải ñược phân tách thành từng khối, ñược lưu giữ trong bộ nhớ ñệm.. - Chúng ta sử dụng tới 3 bộ nhớ ñệm, trong khi bộ nhớ ñêm ñầu tiên lưu trữ các mẫu lối vào ñể thực hiện biến ñổi DWT của khối thứ (n+1) dữ liệu lối vào thì bộ nhớ ñệm thứ hai chứa các dữ liệu của khối thứ n ñược xử lí. - Bộ nhớ ñệm thứ 3 chứa khối dữ liệu thứ n lối ra ñã ñược khôi phục nhờ biến ñổi IDWT. - Kích thước của bộ nhớ ñệm thứ nhất và thứ ba có kích thước N=1024 chứa số mẫu tín hiệu ECG của một khối lối vào. - Còn bộ nhớ ñệm thứ hai có kích thước (1+8)xN = 9216 (với ñộ phân giải j=8) chứa cả dữ liệu trước và sau khi xử lí. - Nhờ của bộ ñệm thứ hai mà phép xử lí thực hiện ñồng thời, chồng lấp theo thời gian do ñó thời gian trễ do xứ lí ñược giảm xuống.. - Ví dụ nếu thời gian biến ñổi DWT cho 1024 mẫu với tần số mẫu 200Hz là khoảng ≈ 5.1 giây thì hệ thống xử lí trình tự có thời gian trễ khoảng giây. - ðây là thời gian trễ ñủ lớn cho việc kiểm tra tín hiệu ECG cho bệnh nhân trong thời gian thực. - Nếu hệ xử lí chồng lấp (song song) 4.1 giây thời gian biến ñổi DWT và IDWT thì thời gian trễ giảm xuống còn khoảng ≈ 2.6 giây. - Khoảng thời gian này ñủ ñể dịch chuyển chu kì nhịp tín hiệu ECG vào bộ ñệm lối vào thứ nhất hay bộ ñệm lối ra thứ ba và cho phép chỉ thị trên màn hình tín hiệu ECG.. - Biểu thức (8) khi khai triển chiếm rất nhiều dung lượng cổng (gate) và thời gian xử lí khá lớn do hệ thống liên tục phải tính (8) và xử lí trong thời gian thực. - FPGA là hệ thống có khả năng tính toán số học và giải tích thấp, nhưng một hệ thống FPGA dựa trên khối xử lí tín hiệu số (DSP) sẽ cho phép giải các bài toán xử lí phức tạp. - Hệ thống DSP tuần tự sau khoảng thời gian 2.6 giây nhận dữ liệu tại bộ ñêm thứ 2 của FPGA ñể xử lí, sau 100 miligiây trả lại kết quả và nâng cấp dữ liệu tại bộ ñệm thứ hai này và khởi ñộng việc khôi phục tín hiệu.. - Tuy nhiên phép loại ồn dựa trên sóng con lại không cần ñòi hỏi ñộ chính xác như vậy, vả lại giá trị các biến hệ thống FPGA khi sử dụng dấu phảy tĩnh sẽ ñơn giản hơn nhiều trong bài báo này. - Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng công cụ thiết kết FPGA là Xillinx TM System Generator và MatLab TM phiên bản R14, 2008.. - Công cụ tổng hợp FPGA ñã sử dụng là Xillix TM ISE phiên bản 8.0. - Các mã VHDL ñược tạo ra tự ñộng khi sử dụng System Generator ñể dịch các tệp SIMULINK (.mdl), còn Xillinx ISE tổ hợp ñể nạp vào kit Virtec-II Pro XC2VP30. - Một mạch ñược thiết kế ñể loại ồn ñược chỉ ra trong hình 4.. - Yêu cầu cổng FPGA cho thiết kế mạch loại ồn. - Mạch chi tiết ñể loại ồn dựa trên DWT.. - Hiện có nhiều loại sóng con ñược biết ñến như Haar, Meyer, Daubechies. - Không có một cách nào tốt nhất ñể lựa chọn sóng con này cho ứng dụng kia. - Chúng tôi thấy rằng, lựa chọn một hàm sóng con phù hợp với dạng tín hiệu ñược xử lí là rất quan trọng.. - Chúng tôi ñã tải về 30 tệp dữ liệu tín hiệu ECG khác nhau từ ñịa chỉ mạng internet http://www.physionet.org ñể tính toán và thử nghiệm giải thuật. - Khi thực hiện tính toán mô phỏng, chúng tôi ñã sử dụng các hàm sóng con khác nhau như: sóng con Daubechies (bậc từ 2 cho tới 20), sóng con Meyer (bậc từ 1.3 cho tới 3.9) và kiểm tra hoạt ñộng của mạch. - Chúng tôi nhận thấy rằng: cùng loại sóng con ñược chọn, với hàm sóng con có bậc cao hơn thì hiệu quả loại ồn sẽ tốt hơn, nhưng ñộ phức tạp sẽ tăng lên ñáng kể. - Các sóng con Daubechies có dạng gần giống nhất với dạng sóng QRS của tín hiệu ECG. - Phổ năng lượng của sóng con Daubechies tập trung xung quanh vùng tần số thấp từ 2Hz tới 40Hz. - Tín hiệu ECG có ồn và các hệ số hàm sóng con.. - Hình 5(a) biểu diễn tín hiệu ECG chứa ồn và các hệ số sóng con Daubechies (d4) tại các ñộ phân giải tương ứng và hình 5(b) cho kết quả dạng tín hiệu ECG ñã ñược loại ồn trên cơ sở các hệ số sóng con ñã ñược nâng cấp.. - Các hệ số hàm sóng con ñã ñược nâng cấp và tín hiệu ECG ñã loại ồn.. - Ồn Gaussian với các ñộ lệch chuẩn khác nhau ñã ñược cộng thêm vào tín hiệu ECG gốc ñể kiểm tra hiệu năng SNR loại ồn và ñược xác ñịnh:. - Bảng 2 cho kết quả loại ồn tín hiệu ECG tệp 112.dat theo các bậc khác nhau của sóng con Daubechies. - Kết quả loại ồn. - Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu một thiết kế FPGA ñể thực hiện loại ồn dựa trên DWT theo giải thuật ngưỡng ồn thích nghi từng băng con, giá thành hạ. - Tín hiệu loại nhiễu thu ñược ñảm bảo dạng của tín hiệu ECG gốc, theo thời gian thực. - Thiết kế FPGA kết hợp cùng giải pháp DSP cho phép xử lý bài toán phức tạp hơn, cho kết quả có ñộ tin cậy cao, làm việc trong thời gian thực.. - Loại ồn dựa trên DWT với giải pháp xử lí tín hiệu miền tần số sẽ là mô hình co hệ số sóng con phi tuyến ñộng từng băng con sẽ cho hiệu năng SNR cao hơn.