Đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục của đề tài nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày các kiến thức về đặc trưng của tín hiệu EEG, giới thiệu về thông số các linh kiện sử dụng trong mạch. Bộ lọc số và phương pháp cửa sổ, giới thiệu sơ lược về phần cứng và phần mềm.
Chương 3: Thiết kế và tính toán. Trình bày thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch, bố trí linh kiện, nguyên lý hoạt động và thiết kế khung cánh tay trợ lực. Chương 4: Thi công hệ thống. Lắp đặt các bộ phận khung cánh tay, trình bày lưu đồ giải thuật và chương trình thu dữ liệu EEG và điều khiển cánh tay, cuối cùng đóng gói.
Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá. Trình bày kết quả đạt được, viết tài liệu hướng dẫn sử dụng của cánh tay. Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển. Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.
-6- CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT -7- 2.1 ĐẶC TRƯNG CỦA TÍN HIỆU EEG VÀ TÍN HIỆU CHỚP MẮT 2.1 Tín hiệu EEG EEG là từ viết tắt kỹ thuật đo điện não đồ thường được sử dụng để ghi lại biến động điện của vỏ não [10, 11], sử dụng các điện cực đặt trên hộp sọ để ghi lại các hoạt động, số lượng các điện cực tuỳ thuộc vào ứng dụng. Tín hiệu này là phản hồi điện sinh học được tiếp nhận ngay tức khắc của tế bào não thông qua vỏ não, là một trong những bộ phận phức tạp nhất trên cơ thể người. Não người khi có các tác động từ các giác quan như: thị giác, thính giác, xúc giác sẽ sản sinh ra các tín hiệu điện rất nhỏ phản hồi lại và được trao đổi thông qua các nơ ron thần kinh. Tín hiệu điện não ghi lại có độ lớn trong khoảng 10-100 microvolt.
Tần số thay đổi trong khoảng 0.5-100Hz và có chứa nhiều thành phần tín hiệu điện khác như điện cơ (EMG), điện tim (ECG). Vì thế nên tín hiệu cần được khuếch đại và lọc nhiễu để có được tín hiệu tốt hơn [10, 12]. Việc tiến hành đo đạc EEG thường được thực hiện bằng cách gắn nhiều điện cực rải rác xung quanh đầu. Mỗi điện cực sẽ thu được các xung điện tại từng khu vực riêng biệt, mỗi điện cực được coi như là 1 kênh, thường được thiết kế với mũ đội đầu gắn điện cực được trình bày như hình 2.1 mô tả cách thu tín hiệu điện não bằng các điện cực gắn trên da đầu.1: Thu tín hiệu điện não bằng các điện cực.
Tín hiệu EEG được chia làm 5 loại: -8- - Delta: có dải tần số nằm trong khoảng 0.5 đến 4Hz với biên độ thay đổi bất định. Dạng sóng delta chủ yếu xuất hiện trong giấc ngủ sâu và trong trạng thái thức giấc. Sóng delta xuất hiện chủ yếu tại cực Fp1 và Fp2. - Theta: có dải tần số nằm trong khoảng 4 đến 7Hz với biên độ cao hơn 20uV.
Sóng theta thường xuất hiện khi người bị căng thẳng, đặc biệt là lúc thất bại hoặc chán nản. Sóng theta xuất hiện nhiều tại cực C3, C4. - Alpha: có dải tần số nằm trong khoảng 8 đến 13 Hz với biên độ từ 30 đến 50uV. Sóng alpha được tạo ra ở trong hai trường hợp là khi ta thư giãn hoặc khi ta hành động vô thức.
Sóng alpha tập trung nhiều tại cực O1 và O2. - Beta: có dải tần số nằm trong khoảng 13 đến 30Hz với biên độ 5 đến 30uV. Sóng beta là dạng sóng của tín hiệu điện não và thường liên quan đến các hoạt động suy nghĩ, hoạt động gây chú ý. Sóng beta xuất hiện nhiều ở vùng đỉnh và thùy trán.
- Gamma: sóng gamma có tần số 30Hz trở lên và biên độ điện áp cũng biến đổi không cố định.2 Hành vi chớp mắt của con người Chớp mắt là một chức năng cơ bản của mắt, có cơ chế bán tự động có thể kích thích có điều kiện hoặc không điều kiện. Với chức năng chính là bảo vệ mắt khỏi các tác nhân từ môi trường, gạt nước mắt loại bỏ các bụi bẩn trên mắt [10]. Phân loại chớp mắt: Chớp mắt tự phát: Chớp mắt tự phát xảy ra không cần kích thích từ bên ngoài hay từ bên trong. Được điều khiển bởi vùng vỏ não tiền vận động xảy ra mà không cần ý thức giống như thở và co bóp dạ dày.
Phản xạ chớp mắt: Phản xạ chớp mắt là phản xạ không điều kiện xảy ra để phản hồi lại với kích thích từ bên ngoài, như là vật thể di chuyển nhanh qua mắt. Chớp mắt tự nguyện: Chớp mắt tự nguyện là hành vi chớp mắt do người điều khiển với mục đích theo ý muốn và cường độ thường lớn hơn so với phản xạ chớp mắt và chớp mắt tự phát. Tín hiệu chớp mắt (hoạt động của cơ mắt) có thể thu được bằng phương pháp điện não đồ. Độ lớn từ 50 - 3500 microvolt với tần số hoạt động từ 0.
Độ lớn của hành vi chớp mắt thay đổi tuyến tính theo góc nhìn của mắt.3 Tín hiệu chớp mắt -9- Chớp mắt thường được đặc trưng bởi các đỉnh với điện áp cao hơn tín hiệu EEG. Chớp mắt thường được xác định bằng cách đặt ngưỡng và phân loại như chớp mắt cho tất cả các hoạt động vượt quá ngưỡng giá trị. Ngoài ra còn có sự thay đổi nhất định về biên độ của đỉnh của một cá nhân cụ thể, nhiều thay đổi khác nhau giữa các đối tượng [10]. Chớp mắt có thể được phân loại là chớp mắt ngắn nếu thời gian chớp mắt nhỏ hơn 200 mili giây hoặc chớp mắt dài nếu lớn hơn hoặc bằng 200 mili giây [11].
Nhiễu trong tín hiệu EEG thường đặc trưng bởi biên độ cao,thường ảnh hưởng đến việc phân tích tín hiệu. Trong một số trường hợp nhiễu chớp mắt gây cản trở cho quá trình phân tích dữ liệu. Như trong quá trình thu EEG khi đối tượng mở mắt sẽ chứa nhiều tín hiệu nhiễu do chớp mắt. Tuy nhiên trong một số trường hợp tín hiệu nhiễu chớp mắt có thể có ích.
Có thể dùng nhiễu chớp mắt thu được bằng các điện cực EEG để xác định các loại chớp mắt.2: Tín hiệu EEG khi chớp mắt. Tín hiệu EEG khi chớp mắt hình 2.3a có biên độ lớn hơn nhiều so với tín hiệu EEG khi chớp mắt tự phát hình 2. Chớp mắt tự nguyện có biên độ lớn nhất trong 3 loại chớp mắt với độ lớn trong khoảng (-200uV đến 1200uV). Tín hiệu chớp mắt phản xạ có biên độ nhỏ hơn nhiều so với chớp mắt tự nguyện trong khoảng (-50uV đến 200uV).
(a) Tín hiệu chớp mắt tự nguyện (b) Tín hiệu chớp mắt tự phát Hình 2.3: Các loại tín hiệu chớp mắt. -10- Tín hiệu chớp mắt tự nguyện gồm có các đặc điểm được mô tả ở hình 2.4 gồm: một đỉnh dương và một đỉnh âm. Độ rộng đỉnh dương được tính bằng khoảng cách giữa hai điểm có giá trị bằng một nửa đỉnh dương, tương tự như vậy sẽ được độ rộng đỉnh âm. Tổng độ rộng của tín hiệu chớp mắt được tính bằng tổng độ rộng của đỉnh âm và đỉnh dương của tín hiệu.4: Đặc điểm của tín hiệu chớp mắt.2 BỘ LỌC THÔNG CAO Tín hiệu EEG thu thập sẽ được số hóa với tốc độ lấy mẫu 128Hz.
Trong quá trình thu thập dữ liệu tín hiệu EEG bị nhiễu rất nhiều, sự hiện diện của nhiễu sẽ gây khó khăn cho việc phân tích tín hiệu EEG. Đồng thời trong quá trình phân tích dữ liệu, chỉ quan tâm đến một thành phần tín hiệu EEG nhất định. Vì những lý do đó mà cần có một bộ lọc số để loại bỏ nhiễu và lọc lấy các thành phần tín hiệu cần phân tích. Bộ lọc số [12] là một hệ thống dùng để làm biến dạng sự phân bố tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các yêu cầu đã cho.
Tùy theo chiều dài của đáp ứng xung, bộ lọc được chia thành hai loại: đáp ứng xung hữu hạn FIR (Finite Impulse Response) và đáp ứng xung vô hạn IIR (Infinite Impulse Response). Bộ lọc FIR là một bộ lọc tuyến tính về pha, độ ổn định cao do không có các cực. Ngược lại, bộ lọc IIR không tuyến tính về pha, không có độ ổn định như bộ lọc FIR do chứa các cực.5: Đáp ứng tần số lý tưởng của bộ lọc thông cao.2) 2 Khi đó, đáp ứng xung của bộ lọc thông cao được thể hiện ở công thức dưới đây: sin( c n) h( n) (2.6) n n Đáp ứng xung của bộ lọc lý tưởng có chiều dài vô hạn và không nhân quả nên không thể thực thi được. Để cho đáp ứng xung trở thành đáp ứng xung của bộ lọc FIR.
Phải đưa đáp ứng xung trở thành nhân quả và hạn chế chiều dài của nó. Có 3 phương pháp để tổng hợp bộ lọc FIR: phương pháp cửa sổ, phương pháp lấy mẫu tần số và phương pháp lặp. Với khối lượng tính toán không phức tạp và không yêu cầu cao về pha tuyến tính nên phương pháp của sổ được sử dụng để lọc nhiễu EEG.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 2.1 Cortex API Emotiv cung cấp cho người dùng phần mềm để tương tác với các thiết bị phần cứng thu điện não của hãng. Ngoài ra Emotiv còn cung cấp thêm Cortex API để giao tiếp với các phần mềm với nhau.
Cortex API được xây dựng trên ngôn ngữ JSON và giao thức Websockets. Làm cho việc truy cập được dễ dàng hơn với nhiều ngôn ngữ và nền tảng khác nhau hình 2.6 mô tả phương thức hoạt động của Cortex API. Với Cortex API chúng ta có thể dễ dàng lấy được dữ liệu EEG, cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển theo thời gian thực và cùng nhiều chức năng khác. Hiện tại, Cortex API được hỗ trợ trên các nền tảng sau: Windows 10 (64 bit).12 Sierra trở lên.6: Mô tả phương thức hoạt động của Cortex API.
Các bước thao tác với Cortex API để lấy dữ liệu EEG. Bước 1: Đăng nhập vào Emotiv App với Emotiv ID và Password.7: Giao diện đăng nhập ứng dụng Emotiv. Bước 2: Yêu cầu truy cập từ ứng dụng thứ 3 bằng mã client ID và client secret.8: Cú pháp yêu cầu quyền truy cập từ Emotiv API. Bước 3: Chấp nhận quyền truy cập từ Emotiv App.
Yêu cầu chấp nhận truy cập từ phần mềm -13- Bước 4: Sau khi cho phép truy cập, kết nối với Emotiv Headset thông qua bluetooth. Bước 5: Gọi Query headset API để liệt kê ra danh sách headset đang kết nối. Bước 6: Gọi ControlDevice API để kết nối với headset mong muốn. Bước 7: Gọi Authorize API để lấy mã Cortex token.
Bước 8: Gọi CreateSession API để mở ra session và sẵn sàng để nhận dữ liệu EEG.