BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HÀ NGỌC THU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU
ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN HỆ HÔ HẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

Hà Nội – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HÀ NGỌC THU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬP TÍN HIỆU
ÂM THANH CƠ THỂ PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN HỆ HÔ HẤP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRỊNH QUANG ĐỨC

Hà Nội – Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu, được sự hướng dẫn của TS. Trịnh Quang Đức, được
sự quan tâm tạo điều kiện của của Bộ môn Công nghệ điện tử và kỹ thuật y sinh,
Viện Điện tử- Viễn thơng, Phịng Đào tạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội tôi đã
hồn thành luận văn này đúng tiến độ.
Tơi xin cam đoan toàn bộ nội dung của Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống
thu thập tín hiệu âm thanh cơ thể phục vụ chẩn đốn hệ hơ hấp” được trình bày
trong bản luận văn này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của tôi. Tất cả các dữ liệu
và kết quả nêu trong luận văn hoàn toàn trung thực, rõ ràng, chưa được cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác, mọi thơng tin trích dẫn đều được tn thủ theo
Luật Sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với những nội dung đã trình bày trong
Luận văn này./.
Hà Nội, ngày 12 tháng 09 năm 2019
HỌC VIÊN

Hà Ngọc Thu

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................v

LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ...................................................................................................3
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................4
1.1.Mối liên quan của các cơ quan sinh học với âm thanh .....................................4
1.1.1.Nguồn gốc, tính chất và âm thanh của cơ thể người ..................................4
1.1.2.Ống nghe truyền thống trong y tế và công cụ khám chữa bệnh ................6
1.1.3.Ống nghe điện tử trong y tế và lợi thế của nó ............................................8
1.2.Thực trạng và giải pháp ...................................................................................10
1.3.Mục tiêu của đề tài ..........................................................................................11
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT &PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ ................13
2.1.Cơ sở lý thuyết ................................................................................................13
2.1.1.Phương pháp đo .......................................................................................13
2.1.2.Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống ..........................................................14
2.2.Phân tích mạch lọc ..........................................................................................15
2.2.1.Các bộ lọc liên tục tuyến tính...................................................................15
2.2.2.Mạch lọc ...................................................................................................17
2.2.3.Bộ lọc thơng thấp tích cực .......................................................................19
2.2.4.Bộ lọc thơng cao.......................................................................................20
2.2.5.Bộ lọc thơng tích cực bậc cao ..................................................................23
2.2.6.Bộ khuếch đại thuật tốn ..........................................................................24
2.3.Các khối chính của mạch tương tự ..................................................................26
2.3.1.Khối cảm biến ..........................................................................................27
2.3.2.Khối lọc thông cao ...................................................................................31
2.3.3.Khối tiền khuếch đại ................................................................................34
2.3.4.Khối lọc thông thấp ..................................................................................35
ii


2.3.5.Khối khuếch đại 1 và 2 ............................................................................38
2.3.6.Khối điều chỉnh offset ..............................................................................39

2.3.7.Nguồn đối xứng........................................................................................41
2.4.Chương trình Labview ....................................................................................42
2.4.1.Chuyển đổi tương tự - số..........................................................................43
2.4.2.Bộ lọc thông dải .......................................................................................44
2.4.3.Nghe trực tiếp ...........................................................................................45
2.4.4.Lưu trữ dữ liệu .........................................................................................45
CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM .........................................................47
3.1.Hệ thống phần cứng ........................................................................................47
3.2.Hệ thống phần mềm ........................................................................................54
CHƢƠNG 4: MẪU ÂM THANH HƠ HẤP VÀ PHÂN TÍCH ..........................56
4.1.Thu thập mẫu thí nghiệm ................................................................................56
4.2.Biểu diễn phổ động của sóng âm cơ thể .........................................................59
KẾT LUẬN ..............................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Các ngưỡng âm theo tai người.....................................................................4
Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lượng của âm phát ra từ tim bình
thường .........................................................................................................................5
Bảng 2.1 Các thơng số kỹ thuật chính của hệ thống .................................................13
Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của cảm biến CM-01B ...........................................28
Bảng 2.3 Hệ số Butterworth ......................................................................................32
Bảng 2.4 Giá trị các thành phần trong mạch sau tính tốn .......................................36
Bảng 2.5 Hệ số khuếch đại của mạch tính theo lý thuyết .........................................38
Bảng 2.6 Một vài thông số của Arduino Uno R3......................................................43

iv



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Ống nghe y tế thế hệ đầu ..............................................................................7
Hình 1.2 Ống nghe y tế loại truyền thống ...................................................................8
Hình 1.3 Ống nghe điện tử Thinklabs One .................................................................9
Hình 1.4 Ống nghe điện tử 3M™ Littmann Model 3200 .........................................11
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống .............................................................................14
Hình 2.2 Hàm truyền đạt của một số bộ lọc..............................................................16
Hình 2.3 Mạch lọc thơng cao thụ động RC...............................................................17
Hình 2.4 Mạch lọc thơng thấp tích cực .....................................................................18
Hình 2.5 Bộ lọc thơng thấp cấu trúc Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát ....................19
Hình 2.6 Bộ lọc thông thấp cấu trúc đa hồi tiếp MFB ..............................................20
Hình 2.7 Sự tương ứng của mạch lọc thơng thấp và mạch lọc thơng cao ................21
Hình 2.8 Đường đáp ứng tần số của một mạch lọc thơng cao ..................................21
Hình 2.9 Bộ lọc thơng cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng tổng qt ....................22
Hình 2.10 Mạch lọc thơng cao bậc 2 cấu hình Sallen-Key dạng rút gọn .................22
Hình 2.11 Xây dựng bộ lọc bậc cao bằng phương pháp ghép tầng ..........................23
Hình 2.12 Đáp ứng tần số của các bộ lọc Butterworth thơng thấp bậc cao ..............24
Hình 2.13 Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật tốn .................................................24
Hình 2.14 Mạch khuếch đại khơng đảo cơ bản .........................................................26
Hình 2.15 Hình dạng cảm biến CM-01B thực tế ......................................................27
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến CM-01B ..................................28
Hình 2.17 Đáp ứng tần số đặc trưng của cảm biến ...................................................29
Hình 2.18 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa gốm áp điện ..................................30
Hình 2.19 Đáp ứng tần số của cảm biến với loa máy tính ........................................30
Hình 2.20 IC khuếch đại âm thanh Opam 2134 ........................................................31
Hình 2.21 Tổng quan bộ lọc thơng cao tích cực bậc 4..............................................31
Hình 2.22 Thiết kế bộ lọc thơng cao tích cực bậc 4..................................................33
Hình 2.23 Đáp ứng tần số của bộ lọc thơng cao .......................................................34

Hình 2.24 Mạch tiền khuếch đại với G = 5 ...............................................................35
Hình 2.25 Tổng quan bộ lọc thơng thấp tích cực bậc 4 ............................................35
Hình 2.26 Bảng giá trị các hệ số bộ lọc Butterworth ...............................................36
Hình 2.27 Thiết kế bộ lọc thơng thấp tích cực bậc 4 ................................................37
v


Hình 2.28 Đáp ứng tần số của bộ lọc thơng thấp ......................................................37
Hình 2.29 Khối khuếch đại ( G = 5-40 ) ...................................................................38
Hình 2.30 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại với G khác nhau ...........................39
Hình 2.31 Mạch cộng điện áp ...................................................................................40
Hình 2.32 Kết quả thí nghiệm mạch DC offset.........................................................41
Hình 2.33 Nguồn đối xứng +-9V ..............................................................................42
Hình 2.34 Sơ đồ khối chương trình Labview ............................................................42
Hình 2.35 Chương trình đọc analog bằng phần mềm Labview ................................44
Hình 2.36 Bộ lọc thơng dải trong Labview ...............................................................44
Hình 2.37 Đáp ứng tần số của bộ lọc thơng dải ........................................................45
Hình 2.38 Chương trình để nghe trực tiếp ................................................................45
Hình 2.39 Chương trình lưu trữ dữ liệu ....................................................................46
Hình 3.1 Hệ thống hồn chỉnh ..................................................................................47
Hình 3.2 Mạch tương tự của hệ thống ......................................................................48
Hình 3.3 Tín hiệu sau mạch lọc thơng cao ................................................................49
Hình 3.4 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thơng cao ..........................................................49
Hình 3.5 Tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .............................................................50
Hình 3.6 Phổ tín hiệu sau mạch tiền khuếch đại .......................................................50
Hình 3.7 Tín hiệu sau mạch lọc thơng thấp ..............................................................51
Hình 3.8 Phổ tín hiệu sau mạch lọc thơng thấp ........................................................51
Hình 3.9 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 ...........................................................52
Hình 3.10 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 1 ...................................................52
Hình 3.11 Tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 .........................................................53

Hình 3.12 Phổ tín hiệu sau mạch khuếch đại lần 2 ...................................................53
Hình 3.13 Tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự ............................................................54
Hình 3.14 Phổ tín hiệu tại đầu ra mạch tương tự ......................................................54
Hình 3.15 Giao diện trên phần mềm .........................................................................55
Hình 4.1 Mẫu sóng âm tiếng thở bình thường ..........................................................56
Hình 4.2 Mẫu sóng âm của bệnh nhân viêm phế quản .............................................57
Hình 4.3 Mẫu âm thanh của một bệnh nhân hen ......................................................58
Hình 4.4 Biểu diễn Fourier ngắn của phổ mẫu âm thanh của người khỏe mạnh. .....61
Hình 4.5 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hơ hấp của người ........62
khỏe mạnh. ................................................................................................................62
vi


Hình 4.6 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hơ hấp của người khỏe
mạnh. .........................................................................................................................62
Hình 4.7 Biểu diễn của mẫu âm thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ. ....................63
Hình 4.8 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm
thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ. ........................................................................64
Hình 4.9 Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm
thanh bệnh nhân viêm phế quản nhẹ. ........................................................................64
Hình 4.10 Biểu diễn của mẫu âm thanh bệnh nhân hen. ...........................................65
Hình 4.11 Hình chiếu Biên Độ- Tín Hiệu của mẫu âm thanh hơ hấp của mẫu âm
thanh bệnh nhân hen..................................................................................................66
Hình 4.12. Hình chiếu Tần số - Thời gian của mẫu âm thanh hô hấp của mẫu âm
thanh bệnh nhân hen..................................................................................................66

vii


LỜI NĨI ĐẦU

Phương pháp thính chẩn hay cịn gọi là chẩn đoán dựa trên âm thanh tự phát
của cơ thể đã được sử dụng trong việc khám, chữa bệnh từ rất lâu và trở thành công
cụ truyền thống trong ngành y tế. Sự tiến bộ trong ngành điện tử và vật liệu đã gợi ý
cho những ứng dụng mà các thiết bị y tế truyền thống có thể được thay thế hoàn
toàn bằng những thiết bị kỹ thuật số tương đương. Ống nghe điện tử là một trong
những ứng dụng như vậy. Việc sử dụng ống nghe điện tử giúp các bác sĩ có thể lưu
trữ các tín hiệu lâm sàng của bệnh nhân thành những bệnh án điện tử, tạo điều kiện
dễ dàng theo dõi và chẩn đoán đối với những bệnh nhân vị mắc bệnh mãn tính.
Đồng thời những tín hiệu đó cũng dễ dàng khuếch đại bằng những bộ khuếch đại
điện tử với độ nhạy và tỷ lệ tín trên tạp cao.
Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập được,
những phép phân tích sử dụng các biến đổi tốn học dể nhận dạng đặc trưng tín hiệu
cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt trên máy tính. Các cơng cụ
như vậy đã được phát triển bởi các công ty sản xuất thiết bị y tế. Tuy nhiên, sự phức
tạp, giá cao, đồng thời tính đóng trong công nghệ là rào cản đối với các phát triển.
Đây chính là lý do cản trở ống nghe kỹ thuật số thâm nhập vào Việt Nam. Xuất phát
từ ý tưởng thiết lập một hệ thống mở ban đầu để tạo nên tảng phát triển các cơng cụ
chẩn đốn trong tương lai, luận văn này đề xuất nghiên cứu thiết kế hệ thống mở
cho thiết bị ống nghe điện tử. Dựa trên nền tảng phần cứng của thiết bị này các hệ
số của bộ lọc sẽ được hiệu chỉnh tối ưu, và hỗ trợ thiết kế các sản phẩm phần cứng.
Bên cạnh đó, thuật tốn phân tích tín hiệu cũng sẽ dễ dàng được phát triển khi dữ
liệu thô được lưu trữ dưới dạng số ở những định dạng file có thể được mở bằng
nhiều mã nguồn mở.
Để hồn thành được đề tài này, đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc nhất tới thầy giáo – TS. Trịnh Quang Đức đã hướng dẫn, động viên và giúp đỡ
tận tình trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện tử, bộ môn Kỹ thuật Y Sinh
– Viện Điện Tử Truyền Thơng đã tạo điều kiện trong q trình làm đề tài.

1



Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè trong lớp 17BKTYS, các bạn cùng
phịng thí nghiệm đã nhiệt tình giúp đỡ cũng như khích lệ trong suốt thời gian làm
đề tài.
Đề tài được thực hiện là những kết quả nghiên cứu độc lập và không sao chép
ở bất kỳ đâu.

2


TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Luận văn này trình bày về thiết kế hệ thống thu nhập tín hiệu âm thanh cơ thể
phục vụ chẩn đốn hệ hơ hấp. Với mục đích tạo ra một thiết bị đơn giản, có hỗ trợ
mở rộng ứng dụng, gọn nhẹ và chi phí thấp, hệ thống được phát triển để nghe trực
tiếp âm thanh của cơ thể và có thể lưu lại dưới dạng file, điều chỉnh được mức âm
lượng và hiển thị tín hiệu âm thanh trên đồ thị. Đầu vào là cảm biến CM-01B. Tín
hiệu đầu ra của cảm biến khá nhỏ chỉ khoảng vài chục mV, thậm chí vài mV tùy
thuộc vào từng người. Do đó, tín hiệu cần được lọc nhiễu và khuếch đại. Ở đây, hệ
thống sử dụng 2 bộ lọc thông cao và 1 bộ lọc thông thấp để thu tín hiệu trong dải
tần từ 5Hz - 40kHz, kết hợp với các tầng khuếch đại để thu được tín hiệu đầu ra có
biên độ nằm trong khoảng 0-5V, phù hợp với khoảng điện áp ADC. Hệ số khuếch
đại là 100 dB với tỷ lệ tín trên tạp là 27 dB. Hơn nữa, do tín hiệu có cả thành phần
điện áp âm, nên cần sử dụng thêm cả mạch offset để điều chỉnh mức điện áp phù
hợp. Để xử lý, nghe và lưu trữ, chương trình Labview được dùng vì có nhiều lợi thế.
Tín hiệu đầu ra có biên độ khoảng 4V. Tín hiệu tập trung lớn hơn ở dải tần 0 đến 5
KHz, giảm dần khi tần số tăng. Hệ thống cũng đã được thử nghiệm, từ đó kết luận
hệ thống hồn tồn có thể đáp ứng các u cầu để nghe, lưu trữ và xử lý dữ liệu âm
thanh thu được từ cơ thể.


3


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.Mối liên quan của các cơ quan sinh học với âm thanh
1.1.1.Nguồn gốc, tính chất và âm thanh của cơ thể người
Âm thanh là sóng cơ học dao động với biên độ mà thính giác của con người có
thể nhận biết được. Ví dụ: sóng âm phát ra từ một dây đàn, một mặt trống đang rung
động, giọng nói của người và tiếng động cơ khi chạy.... Mỗi âm đơn có một tần số
riêng, âm phức bao gồm tổ hợp các tần số và sự phân bố các tần số tạo nên đặc
trưng của âm thanh [1].
Tần số của âm thanh được đo bằng đơn vị là Hertz (viết tắt là Hz). Hertz là tần
số của một quá trình dao động âm mà cứ mỗi giây, vật thực hiện được một dao
động. Bảng 1.1 dưới đây mô tả các ngưỡng âm khác nhau theo tai người. Dao động
âm có tần số khoảng 20 – 20.000 Hz là dải phổ mà tai người có thể nghe được.
Những dao động cơ có tần số dưới 20 Hz gọi là hạ âm, trên 20.000 Hz gọi là siêu
âm, ở dải phổ này, tai người không thể phân biệt được độ lớn của âm thanh. Như
vậy, sóng âm nghe được có bước sóng từ 20m [1].
Bảng 1.1 Các ngƣỡng âm theo tai ngƣời
f < 20 Hz

20 Hz < f < 20.000 Hz

f > 20.000 Hz

Hạ âm

Âm (nghe được)

Siêu âm


Nguồn gốc của các âm thanh cơ thể xuất phát bởi những vận động sinh học.
Các cơ quan sinh học trong quá trình duy trì sự sống ln vận động cơ học, những
sự vận động này có tính chất lặp đi lặp lại, do đó, tạo ra dao động. Các âm từ cơ thể
phát ra thường có tần số khơng vượt q 1000 Hz. Âm ở phổi do khơng khí được
thổi qua lại khí quản, cuống phổi và mơ phổi sinh ra. Cường độ của âm này mạnh
hay yếu là do sự hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm do đặc trưng phân bố tần số tỷ
lệ nghịch với tiết diện khí quản, cuống phổi. Khi khí quản, cuống phổi bị hẹp hay
chứa các dịch nhầy do một quá trình bị bệnh nào đấy thì phân bố tần số đặc trưng
này của phổi sẽ thay đổi, có thể dựa vào sự thay đổi đó mà chẩn đốn bệnh [1].
Âm phát ở tim ra biến đổi do nhiều yếu tố: độ mở của các van tim, vận tốc của
lưu lượng máu, độ nhớt của máu, miệng của các van ( tức là các lỗ trong tim mà các
4


van đó đậy lại )… Bảng 1.2 cho biết liên hệ giữa các tần số và tỷ lệ năng lượng của
âm phát ra từ một tim bình thường.
Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lƣợng của âm phát ra từ tim
bình thƣờng
Tần số

Năng lƣợng

50 – 60 Hz

56%

60 – 70 Hz

27%


70 – 80 Hz

10%

80 – 90 Hz

4%

90 – 100 Hz

2%

100 – 110 Hz

1%

Đối với các cơ quan tiêu hóa, do nhu cầu tiêu hóa và thải bã thức ăn, các cơ
quan sinh học như dạ dày sẽ có bóp, các ruột non ruột già tạo ra nhu động để đẩy
thức ăn đi xuống trực tràng ra ngoài. Sự vận động này cũng tạo ra dao động và gây
ra âm thanh. Bên cạnh đó, phản ứng hóa học của các dịch tiêu hóa với thức ăn cũng
tạo ra các bọt khí mà sự giải phóng bọt khí cũng sẽ tạo ra những phổ đặc trưng cho
âm thanh của hệ tiêu hóa. Phân bố đặc trưng phổ của âm thanh tiêu hóa phụ thuộc
vào tiết diện của đường ruột, tốc độ giải phóng khí và độ dài của đường ruột. Khi có
sự bất thường trong tiêu hóa, nhu động ruột sẽ thay đổi, hoặc tốc độ tiết dịch tiêu
hóa và thu hồi dịch này cũng sẽ thay đổi, do đó, phân bố tần số thay đổi.
Để nghe các âm phát ra từ trong cơ thể, người ta dùng ống nghe (stethoscope).
Ống nghe gồm 2 dây cao su mềm hình trụ có tác dụng truyền âm nối với một buồng
cộng hưởng hình nón, mặt của buồng cộng hưởng có căng một màng mỏng đóng
vai trị truyền dao động [2]. Buồng cộng hưởng có khi là một loa hình phễu khơng

có màng căng. Khi thao tác, mặt của buồng cộng hưởng đặt áp sát da để các dao
động âm của cơ thể có thể truyền đến màng của buồng cộng hưởng, dao động âm
của cơ thể truyền sau khi truyền tới màng rung được giao thoa với nhau và phản xạ
trên bề mặt hình nón để tăng áp suất âm tại vùng đầu hẹp của hình nón, do đó âm
thanh được khuếch đại, sau đó những dao động này sẽ qua các dây truyền âm để tới

5


tai. Chi tiết về lịch sử, cấu tạo và quá trình phát triển ống nghe sẽ được trình bày cụ
thể ở mục tiếp theo.
Tần số dao động riêng của màng tỷ lệ thuận với độ căng của màng. Các dao
động âm từ cơ thể tới màng sẽ làm màng dao động mạnh nhất ( cộng hưởng ) nếu
tần số của chúng trùng với tần số dao động riêng của màng. Thơng thường các
màng rung ở các ống nghe đều có một dải phổ dao động riêng khá rộng.
Trong một số trường hợp, màng rung không được chế tạo. Ống nghe dạng loa
hở được sử dụng. Nếu dùng loa hở để nghe, thì chỗ da bệnh nhân bị loa ép sẽ căng
ra và đóng vai trị của một màng căng. Ở dạng loa hở, âm thanh của cơ thể đi trực
tiếp vào cơng khí trong buồng loa để thực hiện giao thoa. Cũng tương tự như buồng
cộng hưởng, âm thanh giao thoa tại đầu nhỏ của ống nghe sẽ tăng cường áp suất âm
làm cho âm thanh được khuếch đại.
1.1.2.Ống nghe truyền thống trong y tế và công cụ khám chữa bệnh
Âm thanh của cơ thể đã được sử dụng như một biểu hiện lâm sàng của cơ thể
và ứng dụng trong y khoa như là một phương tiện chẩn đoán. Ống nghe y tế từ lâu
đã được ứng dụng để thăm khám nhiều bộ phận sinh học khác nhau của cơ thể. Có
thể kể đến nhiều nhất là nghe tim và phổi. Ngồi ra ống nghe cịn có thể được dùng
để thăm khám hệ tiêu hóa, mạch máu và tim thai. Tuy nhiên mức độ khuếch đại bị
giới hạn cùng các nguồn âm thanh nhiễu từ môi trường cũng là những cản trở đối
với việc nghe âm thanh của cơ thể để khám bệnh. Do đó, ống nghe truyền thống
khơng thể nghe được những tín hiệu nhỏ.

Trước khi chiếc ống nghe xuất hiện, các bác sĩ thường phải đặt tai trực tiếp
vào ngực bệnh nhân để nghe nhịp tim. Điều này khá bất tiện cho cả bệnh nhân và
bác sĩ, đặc biệt là đối với bệnh nhân là phụ nữ. Vào năm 1816, tại bệnh viện Necker
ở Pháp, bác sĩ Rene Laennec đã sáng chế chiếc ống nghe thô sơ đầu tiên trong lịch
sử y khoa khi khám bệnh cho một thiếu nữ mắc bệnh tim [2].

6


Hình 1.1 Ống nghe y tế thế hệ đầu
Hình 1.1 là hình ảnh của chiếc ống nghe hồn chỉnh thế hệ đầu tiên. Chiếc ống
nghe hồn chỉnh có hình dạng trụ đứng là một ống gỗ dài 45 cm, rộng 4 cm, hai đầu
có gắn thêm chiếc phễu nhỏ để nghe nhịp tim của bệnh nhân. Ống nghe gỗ của
Laennec tuy đã thay thể được việc áp tai vào ngực hoặc lưng của bệnh nhân, nhưng
với hệ khuếch đại nhỏ, những tín hiệu âm thanh nhỏ khó phát hiện được.Sau đó, vào
năm 1851, để cải thiện hệ số khuếch đại, Arthur Leared tiếp tục phát minh ra kiểu
ống nghe với hai tai nghe và trở thành ống nghe chuẩn đã được các bác sĩ sử dụng
để khám bệnh lúc bấy giờ. Việc nghe được bằng 2 tai đã giúp các bác sĩ có cảm giác
nghe rõ hơn nhờ sự bổ sung của cả 2 màng rung nhĩ, tuy nhiên, kích thước cơ khí
của buồng cộng hưởng chưa được tối ưu. Năm 1961, phiên bản ống nghe phổ biến
nhất hiện nay đã ra đời do tiến sĩ David Littmann sáng tạo [2]. Ống nghe của
Litmann ngoài khả năng khuếch đại cao hơn, còn cho phép giảm thiểu được những
tạp âm từ mơi trường. Để nghe âm thanh có tần số thấp, người sử dụng chỉ cần nhẹ
nhàng để màng nghe tiếp xúc trên vùng cần nghe, với âm thanh có tần số cao, người
sử dụng chỉ cần ấn nhẹ màng nghe.
Ống nghe y tế có nhiều loại phụ thuộc vào từng cách phân loại. Phổ biến nhất
là ống nghe hai tai, và buồng cộng hưởng có thể được chế tạo thành một mặt hay
hai mặt. Các bộ phận của ống nghe gồm phần loa dùng để nghe âm thanh có tần số
thấp, phần màng dùng để nghe âm thanh có tần số cao, nhiều ống nghe khơng có
phần loa mà chỉ có phần màng. Ống dẫn truyền âm thanh thơng thường là loại một

ống bằng nhựa plastic, cao su, hoặc siliconeđược chế tạo để nối ống nghe với tai
nghe, từ một nguồn âm là ống nghe, âm thanh được chia theo 2 đường để đến 2 tai
7


nghe. Loại hai ống có độ nhạy dẫn truyền âm thanh cao hơn nhưng do có thể cọ vào
nhau nên gây nhiễu khi nghe khám bệnh. Tai nghe thường làm bằng cao su hoặc
nhựa plastic gắn vào cần tai nghe áp sát vừa lỗ tai, cần tai nghe được nối với ống
dẫn truyền âm thanh đồng thời làm giá đỡ cơ học cho ống nghe. Ưu điểm của các
ống nghe truyền thống này là có thể nghe được âm thanh trực tiếp với chất lượng
tốt, giá thành thấp và tiện dụng. Tuy nhiên, ống nghe khơng có khả năng ghi lại
được âm thanh. Hình 1.2 cho thấy hình ảnh thực tế của một chiếc ống nghe truyền
thống.

Hình 1.2 Ống nghe y tế loại truyền thống
1.1.3.Ống nghe điện tử trong y tế và lợi thế của nó
Với sự phát triển của ngành khoa học vật liệu, nhiều loại vật liệu với tính năng
đặc biệt có thể chuyển đổi các dạng năng lượng vật lý từ dạng ko điện sang tín hiệu
điện.Vật liệu piezoelectric là một trong những kiểu vật liệu như vậy, nó cho phép
chuyển đổi biến dạng cơ học sang điện áp. Nhờ đó, có thể tạo ra các cảm biến
chuyển đổi áp điện. Thông qua chuyển đổi áp điện, những dao động cơ như âm
thanh có thể được ghi lại dưới dạng tín hiệu điện. Vì sự ra đời và tiến bộ của kỹ
thuật số, những tín hiệu điện analog có thể được số hóa và lưu trữ trên máy tính
hoặc các thiết bị lưu trữ kỹ thuật số. Ống nghe điện tử ra đời khắc phục những hạn
chế của ống nghe truyền thống bởi sự cho phép ghi và nghe lại những tín hiệu âm
thanh của cơ thể.Ống nghe điện tử yêu cầu chuyển đổi các sóng âm thanh sang tín
hiệu điện, sau đó có thể được khuếch đại và xử lý để giảm thiểu nhiễu môi trường,
do đó tăng chất lượng của âm thanh, đồng thời cho phép tái tạo âm thanh trung thực
thông qua bộ chuyển đổi DAC. Bên cạnh đó, việc số hóa tín hiệu cũng cho phép áp
8



dụng những thuật toán số để xử lý và phân tích tín hiệu để tách các đặc trưng giá trị.
Vì các âm thanh được truyền qua đường dẫn sóng là dây điện hoặc sóng điện từ,
một chiếc ống nghe điện tử có thể là một thiết bị khơng dây, có thể là thiết bị ghi
âm, và có thể giảm tiếng ồn, tăng cường tín hiệu. Ngồi các thiết bị phần cứng, với
khả năng giao tiếp kỹ thuật số, những chiếc ống nghe điện tử ra đời hiện nay đều đi
kèm với phần mềm trên máy tính hoặc trên các thiết bị điện thoại thơng minh, máy
tính bảng để có thể lưu trữ hoặc xử lý trực tiếp các thông tin thu nhận được.

Hình 1.3 Ống nghe điện tử Thinklabs One
Hình 1.3 giới thiệu một chiếc ống nghe điện tử thông minh của hãng
Thinklabs – một hãng khá nổi tiếng trong lĩnh vực nghiên cứu, kinh doanh ống nghe
điện tử. Ưu điểm lớn nhất của ống nghe điện tử là có thể lưu lại được âm thanh đã
nghe đổng thời xử lý bằng các thuật toán số để tăng độ nhạy đo lường. Bằng việc
này, bác sỹ có thể dễ dàng nghe lại khi cần thiết và thuận lợi hơn trong cơng việc
chẩn đốn và theo dõi diễn tiến của bệnh lý và tiên lượng phác đồ điều trị. Ống
nghe điện tử cịn có thể điều chỉnh được âm lượng, rất thích hợp để thăm khám cho
số lượng bệnh nhân lớn và khi thính lực của các bác sĩ suy giảm theo thời gian hệ số
khuếch đại của ống nghe có thể được điều chỉnh để bác sĩ nghe rõ hơn. Cùng với
khả năng lựa chọn khoảng tần số cần nghe, có thể đưa ra những phân tích và đánh
giá kỹ lưỡng hơn nhờ khả năng nghe lặp lại nhiều lần. Việc hiển thị âm thanh dưới
dạng tín hiệu điện giúp các bác sỹ sử dụng dễ dàng và trực quan hơn. Bên cạnh đó,
việc lưu trữ và nghe lại các biểu hiện lâm sàng của âm thanh cơ thể là một trong
những trợ giúp đắc lực cho việc đào tạo các y bác sĩ nhờ khả năng trực quan của tín
hiệu mẫu. Tóm lại, việc ra đời ống nghe điện tử là một cải tiến thích hợp với yêu

9



cầu và bối cảnh công nghệ trong lĩnh vực y tế, giúp đạt được sự hiệu quả và chính
xác hơn.
1.2.Thực trạng và giải pháp
Như đã trình bày, âm thanh cơ thể đóng một vai trị rất cơ bản trong y học nói
chung và trong lĩnh vực chẩn đốn nói riêng bởi phản ứng của nó cho biết hiện
tượng sinh học trong cơ thể của những cơ quan nội khoa. Mặc dù sự chẩn đốn định
lượng thơng qua âm thanh cơ thể là rất khó khăn, tuy nhiên định tính của âm thanh
cơ thể cũng cho biết được cơ bản những biểu hiện lâm sàng nghi vấn. Từ những
nghi vấn này, căn cứ vào những kinh nghiệm đã đúc kết của y khoa và bác sĩ, phác
đồ điều trị sẽ có thể được quyết định ngay sau khi nghe âm thanh cơ thể hoặc sau
khi cần bổ sung thêm những giám định định lượng khác như xét nghiệm máu hoặc
chẩn đoán hình ảnh. Với xu thế phát triển trí tuệ nhân tạo và phân tích số lớn dữ
liệu, các hệ thống nghe, thu thập âm thanh trong cơ thể người cần được quan tâm
hơn, bởi những âm thanh dữ liệu phong phú sẽ là nên tảng để có thể tiến hành
nghiên cứu các kỹ thuật phân tích định lượng khác cũng như tạo ra những bác sĩ ảo
nhờ được huấn luyện trên tập dữ liệu lớn. Tại các bệnh viện ở Việt Nam hiện nay,
các ống nghe truyền thống vẫn được các bác sỹ ưu tiên lựa chọn để sử dụng bởi giá
thành rẻ và tính đơn giản của nó. Đối với các thiết bị điện tử, các bác sĩ vần phải
được đào tạo thêm những kiến thức cơ bản về vật lý âm thanh cơ thể người và các
dải phổ cần quan sát do đó phức tạp hơn các cơng cụ truyền thống. Các hệ thống thu
thập âm thanh, ống nghe điện tử có nhiều ưu điểm nhưng do giá thành đắt hơn, việc
cài đặt cũng khó khăn hơn cũng như yêu cầu Pin hay điện áp để sử dụng. Dẫn tới,
các hệ thống điện tử này còn chưa được sử dụng phổ biến ở nước ta. Nhưng trong
tương lai, với xu hướng của công nghệ, việc những thiết bị ống nghe điện tử như thế
này sẽ dần thay thế các ống nghe truyền thống và được các bác sỹ tin dùng trong
một tương lai gần.
Trên thế giới đã có rất nhiều hãng nổi tiếng về thiết kế ống nghe điện tử như
Thinklabs hay Littmann… Thiết bị của các hãng này sớm đã khẳng định được tên
tuổi của mình trên toàn cầu. Tuy nhiên giá thành của thiết bị và việc phải mua công
nghệ phát triển bị giới hạn bởi hãng là một trong những nguyên nhân cản trở việc

trang bị những thiết bị như thế này trong các bệnh viện ở Việt Nam.
10


H nh 1.4 Ống nghe điện tử 3M™ Littmann Model 3200
Đối với những sản phẩm thương mại, dạng sóng của tín hiệu được thu và ghi
trực tiếp lên máy tính bằng các phần mềm của hãng cung cấp, phục vụ mục đích
nghe, khám cho bệnh nhân. Việc can thiệp vào phần mềm để trích xuất các dữ liệu
số hầu như là khơng thể vì lý do bản quyền. Chúng thường là các hệ thống đóng.
Mặc dù một vài hãng sản xuất có cung cấp phần mềm chuyên dụng để có thể lấy
được các dữ liệu từ máy, tuy nhiên vì thế chi phí cũng tăng lên. Ngồi ra, việc thực
hiện cũng khó khăn ở một vài khía cạnh như đào tạo, hỗ trợ hay bảo dưỡng,dẫn đến
việc tiếp cận để trích xuất các dữ liệu số gặp nhiều khó khăn, phụ thuộc rất nhiều
vào các hãng sản xuất.
1.3.Mục tiêu của đề tài
Vì những lý do ở trên, một hệ thống mở thu thập âm thanh từ cơ thể phục vụ
chẩn đốn hệ hơ hấp được đề xuất thiết chế và chế tạo thử nghiệm. Thiết bị phải
đảm bảo hoạt động ổn định, sử dụng đơn giản, tính cơ động cao và đặc biệt là giá
thành rẻ. Như là một yêu cầu không thể thiếu, các dữ liệu thu thập được từ thiết bị
phải nghe được trực tiếp âm thanh của cơ thể và có thể lưu lại dưới dạng file, điều
chỉnh được mức âm lượng và hiển thị tín hiệu âm thanh trên đồ thị để phục vụ phân
tích và nghiên cứu sâu hơn. Với những kết quả thu thập được, luận văn sẽ sử dụng
kỹ thuật phân tích spectrogram là mộ trong những kỹ thuật phổ biến trong phân tích
âm thanh để quan sát dải tần số và đặc trưng của những âm thanh thu được trong
quan sát các hệ thống hơ hấp của cơ thể người. Để trích xuất được những tín hiệu

11


âm thanh bệnh lý, những mẫu âm thanh hô hấp của người tính nguyện khỏe mạnh

và bệnh nhân sẽ được thu thập và phân tích thử nghiệm.
So sánh phân bố tần số biến đổi theo thời gian trong một phút những sự khác
biệt của âm thanh hô hấp của một người bình thường và những bệnh nhân có những
bệnh lý liên quan đến hệ hô hấp như viêm phế quản, viêm phổi sẽ được chỉ ra. Trên
thực tế, những âm thanh mang tín hiệu bệnh cũng được các bác sĩ dễ dàng nhận
thấy nếu biểu hiện bệnh là rõ ràng. Nhưng đối với những bệnh nhân có biểu hiện
khơng rõ ràng, ví dụ như những ca chớm mắc bệnh, những biểu hiện bệnh lý và
ngay cả âm thanh hô hấp cũng khơng rõ ràng. Với thính lực của các bác sĩ, khả năng
phân biệt có thể khơng xác định được. Với phương pháp trích xuất tín hiệu, những
biểu hiện chớm bệnh được hy vọng có thể phát hiện được sớm hơn.

12


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT &PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ
2.1.Cơ sở lý thuyết
2.1.1.Phương pháp đo
Tín hiệu âm thanh, thơng qua chuyển đổi áp điện, thu được từ cảm biến PVDF
có biên độ khá nhỏ, chỉ từ vài mV đến vài chục mV. Vì vậy, các tín hiệu này cần
phải được khuếch đại. Thêm vào đó, vì cảm biến chuyển đổi từ các dao động cơ
thành các tín hiệu điện, vì thế nó sẽ bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu bao gồm nhiễu
điện lưới (50Hz), nhiễu cao tần (sóng radio, sóng viễn thơng), nhiễu điện sinh học
(điện cơ, điện tim, điện não). Những nhiễu nguồn sinh học tuy thấp song cũng ảnh
hưởng đáng kể đến tỷ lệ tín trên tạp bởi tín hiệu điện tim có trị số lớn đến cỡ mV.
Để giảm thiểu các loại nhiễu này, luận văn sử dụng các bộ lọc tích cực kết hợp
với các bộ khuếch đại, tín hiệu đo vì thế sẽ được khuếch đại và xử lý thông qua các
dải lọc để quan sát tín hiệu. Để thuận tiện cho việc thiết kế các bộ lọc, luận văn lựa
chọn phương pháp đơn giản là lọc thông dải thông qua các bộ lọc bậc cao. Những
bộ lọc chặn dải sẽ được thực hiện thơng quan bộ lọc số vốn có thể điều chỉnh được
dải tần hẹp và hệ số suy hao lớn. Để thu thập và xử lý các dữ liệu số, vi điều khiển

Arduino Uno R3 có tích hợp ADC (chuyển đổi tương tự - số) được sử dụng để đọc
các tín hiệu analog.Một vài thơng số chính của hệ thống được tóm tắt ở Bảng 2.1
sau:
Bảng 2.1 Các thơng số kỹ thuật chính của hệ thống
Thơng số

Mơ tả

Cảm biến

CM-01B

G = 150

Hệ số khuếch đại tồn hệ thống

Bộ lọc thơng cao

5Hz

Bộ lọc thông thấp

40KHz

Điện áp offset

+2.5V

Độ phân giải ADC


10 bit

Điện áp vào

0 – 5V

Hiển thị

Tín hiệu âm thanh cơ thể

Lưu trữ

Có

Nguồn cung cấp

Nguồn đối xứng +-9V – DC
13


2.1.2.Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống được mơ tả ở hình 2.1 bên dưới. Về cơ bản, hệ thống
được chia là 2 khối rõ rệt: khối điện tử tương tự được thiết kế nhằm mục đích lọc
nhiễu và khuếch đại tín hiệu, khối số được sử dụng để lấy mẫu và chuyển đổi tín
hiệu từ tương tự sang số và truyền vào máy tính. Để thực hiện bộ lọc thơng dải như
đã đề cập trong phần 2.1.1, ở đây, luận văn sử dụng 2 bộ lọc thơng cao và thơng
thấp để thu tín hiệu trong dải tần từ 5Hz – 40kHz. Tín hiệu đầu ra của cảm biến khá
nhỏ chỉ khoảng vài chục mV, thậm chí vài mV tùy thuộc vào từng người. Yêu cầu
đặt ra là phải thiết kế các tầng khuếch đại để thu được tín hiệu đầu ra có biên độ
nằm trong khoảng 0-5V, phù hợp với khoảng điện áp ADC. Như vậy với cỡ hệ số

khuếch đại 100 dB, bo khuếch đại cần được chia làm 2 tầng khuếch đại. Hơn nữa,
do tín hiệu có cả thành phần điện áp âm, nên cần sử dụng thêm cả mạch offset để
điều chỉnh mức điện áp phù hợp.
Mạch tương tự

H nh 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2.1 thể hiện các tầng lọc và khuếch đại của mạch điện. Đầu vào là cảm
biến CM-01B, tín hiệu ra được lọc thơng cao với tần số cắt fc1 = 5Hz, sau đó được
khuếch đại với mạch tiền khuếch đại 5 lần. Tiếp tục lọc thông thấp sử dụng mạch

14


lọc tích cực có tần số cắt fc2 = 40kHz, tín hiệu sau đó được khuếch đại 2 tầng kết
hợp thêm lọc thơng cao. Cuối cùng, mạch DC offset có nhiệm vụ nâng biên độ của
tín hiệu phù hợp với dải ADC 0-5V thông qua việc điều chỉnh biến trở. Tín hiệu đầu
ra của mạch tương tự được kết nối trực tiếp tới cổng vào ADC của Arduino để
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số. Các tín hiệu số sau đó sẽ được xử lý (lọc
số), hiển thị đồng thời lên màn hình cũng như nghe trực tiếp và lưu trữ bằng phần
mềm Labview trên máy tính.
2.2.Phân tích mạch lọc
Các mạch lọc có thể được thiết kế theo 2 dạng: dạng đơn giản là những mạch
lọc thụ động bao gồm chỉ có những phần tử điện cảm và điện dung, dạng phực hợp
bao gồm những mạch lọc kết hợp với mạch khuếch đại gọi là mạch khuếch đại tích
cực. Tùy vào ứng dụng cụ thể mà chúng ta chọn sử dụng mạch lọc thụ động hay
mạch lọc tích cực. Trong lĩnh vực điện tử y sinh, các mạch lọc tích cực là một phần
khơng thể thiếu trong các thiết bị thu nhận tín hiệu điện sinh học bởi các tín hiệu
sinh học thường rất nhỏ và ở khoảng tần số thấp do đó ln cần có các bộ khuếch
đại đi kèm với các bộ lọc thông dải. Với biên độ tín hiệu nhỏ cỡ vài trăm µV, và có
dải tần số cơ bản cũng rất thấp (từ 0,01 Hz tới 100Hz) nên sự kết hợp giữa mạch lọc

và các bộ khuếch đại sẽ làm giảm đi các khâu tiền xử lý và xử lý sau khuếch đại,
đồng thời tín hiệu khơng bị suy hao bởi các bộ tiền xử lý và xử lý. Phần dưới đây sẽ
trình bày về lý thuyết của các bộ lọc và bộ khuếch đại được sử dụng trong luận văn.
2.2.1.Các bộ lọc liên tục tuyến tính
Mạch liên tục tuyến tính là bộ lọc phổ biến nhất cho lọc tín hiệu. Có các loại
lọc được thiết kế để hấp thụ các tần số nhất định, sự suy giảm của đường đặc tuyến
tần số tuyến tính với tần số ở dạng log đo đó gọi là bộ lọc tuyến tính. Các tính chất
phi tuyến của đường đặc tuyến hấp thụ sẽ đem lại cho tín hiệu đầu ra những biên độ
của các dao động phân bố theo tần số khơng tuyến tính với hệ số hấp thụ. Những
tính tốn tham số bộ lọc tuyến tính luôn coi các trị số linh kiện là hệ số hằng, do đó,
đặc tuyến hấp thụ trên miền tần số là tuyến tính. Tuy nhiên, trên thực tế, những
phân bố phi tuyến luôn tồn tại đối với các giá trị linh kiện, do đó, mang lại tính phi
tuyến cho mạch lọc. Ở những giải tần lớn, sự phi tuyến là không đáng kể, nhưng với

15


độ phân dải tần số cao, sự phi tuyến này sẽ địi hỏi các linh kiện phải được chế tạo
có giá trị linh kiện là hệ số hằng với sai lệch thấp.
Phương pháp thiết kế hiện nay cho các bộ lọc liên tục tuyến tính được gọi là tổ
hợp mạng (bản chất của phương pháp này là nhằm thu được các giá trị thành phần
của đa thức tỉ lệ cho trước đại diện cho hàm truyền đạt mong muốn). Các bộ lọc
theo cách này:
-

Chebyshev: tối ưu hóa về sự chuyển tiếp tức thì từ dải thơng sang dải chắn.

-

Butterworth: tối ưu hóa về độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong dải

thơng

-

Bessel: có đặc tính pha – tần số tuyến tính trong một dải rộng.

-

Elliptic: có độ dốc tại tần số cắt tốt nhất với cùng bậc và độ gợn xác định
Sự khác biệt giữa các lớp bộ lọc này là chúng đều dùng những đa thức để xấp

xỉ các đáp ứng bộ lọc lý tưởng. Điều này dẫn tới mỗi loại có một hàm truyền đạt
riêng.

Hình 2.2 Hàm truyền đạt của một số bộ lọc
Quan sát Hình 2.2, ta thấy bộ lọc Butterworth có độ thoải cao hơn Chebyshev
và Elliptic nhưng điểm lợi là không nhấp nhô. Tùy theo ứng dụng mà có thể chọn
các dạng bộ lọc khác nhau. Thông thường, đối với mạch tương tự, mô hình bộ lọc
Butterworth được ưa chuộng bởi tính đơn giản của nó và khơng làm méo tín hiệu.

16