Đồ Án Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy điện não trên cơ sở ứng dụng công nghệ FPGA (HVKT)

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 - TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO VÀ NGUỒN GỐC TÍN HIỆU ĐIỆN TẾ BÀO 3
1.1 Sơ lược về lịch sử của điện não 3
1.2 Khái niệm về điện sinh của não . 4
1.3 Điện sinh lý học tế bào 6
1.4 Hoạt động sinh lý của Neuron
1.4.1 Tín hiệu thần kinh . 9
1.4.2 Hưng phấn và ức chế . 13
1.4.3 Điện thế màng và hoạt động hoá học 15
1.4.4 Điện thế sau khớp thần kinh . 16
1.4.5 Dòng hoạt động . 17
1.4.6 Nguồn gốc của nhịp vỏ não . 18
1.5 Hoạt động của tín hiệu điện não . 19
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 25
CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN NÃO VI TÍNH 26
2.1 Sơ đồ chung của máy điện não 26
2.2 Bộ khuếch đại vi sai 28
2.2.1 Bộ khuếch đại vi sai một chiều . 28
2.3 Mạch lọc tích cực . 30
2.4 Cơ sở thiết kế khối DRL (Driver Right Leg) 38
2.5 Cơ sở thiết kế một số mạch khác . 40
2.5.1 Mạch bảo vệ 40
2.5.2 Mạch cách ly . 41
2.5.2.1 Cách ly quang dùng Photodiode . 42
2.5.2.2 Cách ly từ dùng biến áp . 43
2.5.3 Mạch nguồn . 44
2.6 Xác định yêu cầu chỉ tiêu thiết kế máy điện não . 45
2.7 Tổng quan thiết kế 45
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 47
CHƯƠNG 3 - CÔNG NGHỆ FPGA VÀ PHẦN MỀM SYSTEM GENERATOR 48
3.1 CÔNG NGHỆ FPGA 48
3.1.1Giới thiệu về công nghệ FPGA . 48
3.1.2 Ưu thế vượt trội của FPGA trong các hệ thống số và xử lý tín hiệu điện não 49
3.2 Phần mềm System Generator 54
3.2.1 Các đặc điểm của phần mềm phát triển System Generator . 57
3.2.1.1 Các dạng dữ liệu số học . 57
3.2.1.2 Sự kết nối (bắt tay) phần cứng . 58
3.2.1.3 Các hệ thống nhiều nhịp 58
3.2.1.4 Sự tạo Testbench tự động 59
3.2.1.5 Các cổng vào ra xác định trên board . 59
3.2.2 Nhập các modul HDL vào System Generator 60
3.2.2.1 Giao diện Black box và nhập một modul VHDL 60
3.2.2.2 Nhập một Xilinx COREGEN . 62
3.3 Đồng mô phỏng mô hình trên System Generator . 63
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 67
CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN NÃO . 68
ỨNG DỤNG FPGA 69
4.1 Sơ đồ nguyên lý của máy điện não ứng dụng công nghệ FPGA . 70
4.2 Tính toán thiết kế các khối của bảng mạch tương tự 70
4.2.1 Mạch bảo vệ 71
4.2.2 Các bộ khuếch đại . 71 4.2.3 Bộ lọc 73
4.2.4 Mạch phản hồi tham chiếu . 76 4.3 Nguồn cung cấp 76
4.4 Thiết kế bộ lọc số cho máy điện não sử dụng FPGA 76
4.4.1 Thuật toán Thiết kế bộ lọc FIR trên FPGA . 76

4.4.2 Cơ sở thiết kế bộ lọc số cho tín hiệu điện não trên nền FPGA 81
4.4.3 Thiết kế bộ lọc FIR pha tuyến tính cho máy điện não 82
4.4.3.1 Thiết lập các tham số, tạo cấu hình đường dữ liệu .
4.4.3.2 Mô phỏng, kiểm tra kết quả bộ lọc số trên Simulink-
4.5 Mô hình máy điện não sử dụng FPGA
4.6 Mô phỏng thiết kế bằng Simulink- System Generator
4.7 Chế thử máy điện não ứng dụng FPGA
4.7.1 Ảnh của máy
4.7.2 Kết quả chạy thử thiết bị
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực y học và sinh học cũng không ngừng tăng trưởng. Quá trình này đã dẫn đến xuất hiện một phân ngành mới trong nhóm ngành điện tử, đó là phân ngành Điện tử Y sinh. Trên thế giới, ngành này đã thực sự lớn mạnh và đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật phục vụ trực tiếp con người. Ở nước ta ngành Điện tử Y sinh đã có những bước phát triển ban đầu và đang rất cần được đầu tư thoả đáng để phát triển nhanh hơn nữa, đáp ứng được yêu cầu đặt ra hiện nay.
Trong thiết bị y tế, các máy móc về chẩn đoán chức năng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị các loại bệnh. Các thiết bị này hoạt động để thu thập những tín hiệu sinh học từ cơ thể bệnh nhân. Hiện nay tất cả các thiết bị điện não ở các bệnh viện đều phải nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao. Trong khi đó nguyên lý hoạt động của máy điện não đã biết, khả năng thực nghiệm đã có. Vì vậy vấn đề nghiên cứu, xây dựng một hệ thống thu thập tín hiệu điện não trong khả năng đáp ứng của thị trường linh kiện Việt Nam là hoàn toàn có cơ sở.
Với ý nghĩa mang tính thực tiễn đó, đồ án này quyết định sử dụng công nghệ FPGA để thiết kế máy điện não nhằm mục đích tạo ra một sản phẩm để có thể ứng dụng vào thực tế. Vì sao lại chọn FPGA mà không chọn vi điều khiển? Hiện nay hãng Xilink đã tạo ra phần mềm cho phép mô phỏng quá trình thực thi FPGA và giúp việc thiết kế với FPGA đơn giản hơn đó là phần mềm System Generator .Với những ưu điểm của FPGA trong xử lý tín hiệu số cho phép chúng ta thu được đúng dạng sóng tín hiệu điện não, ngoài ra cùng với khả năng tái định cấu hình của FPGA có thể xây dựng được thiết bị thu thập nhiều tín hiệu cơ thể như: EEG, EMG, ECG Đồ án này còn là cơ hội để học viên có điều kiện tiếp xúc với các công nghệ mới có tính ứng dụng cao của FPGA, tự thiết kế ra các phần cứng, các phần mềm giao tiếp với các modul phần cứng. Nghĩa là tạo cho học viên khả năng tổng hợp thiết kế một hệ thống đo lường hoàn chỉnh theo yêu cầu đặt ra. Sự thành công của đề tài sẽ góp phần làm phong phú hệ thống thiết bị và tăng hiệu quả trong việc chăm sóc sức khoẻ cộng đồng.
Được sự động viên, hướng dẫn nhiệt tình của Đại tá, PGS.TS Huỳnh Lương Nghĩa, các thầy cô trong Bộ Môn Điện Tử Y Sinh, tôi đã chọn đề tài: ”Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy điện não trên cơ sở ứng dụng công nghệ FPGA” làm đề tài nghiên cứu của mình.
Cấu trúc của đề tài được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tín hiệu điện não và nguồn gốc tín hiệu điện tế bào.
Chương 2: Cơ sở thiết kế máy điện não vi tính.
Chương 3: Công nghệ fpga và phần mềm System Generator.
Chương 4: kết quả thiết kế máy điện não ứng dụng FPGA
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Đại tá, PGS.TS Huỳnh Lương Nghĩa và các thầy cô trong Bộ Môn Điện Tử Y Sinh, khoa A9 bệnh viện 103, khoa trang bị bệnh viện 103 và khoa trang bị bệnh viện 108 đã tận tình hướng dẫn, động viên, luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm tới bạn bè và gia đình đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này.


Do Khanh Vinh(dien nao tren co so FPGA)