Nghiên cứu và ứng dụng tín hiệu EEG điều khiển khung xương trợ lực cánh tay

• Tác giả: Lê Ngọc Phú
• Người hướng dẫn: ThS. Ngô Bá Việt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Tín Hiệu EEG Trong Điều Khiển Khung Xương Trợ Lực Cánh Tay
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. ĐẶC TRƯNG CỦA TÍN HIỆU EEG VÀ TÍN HIỆU CHỚP MẮT
• 2.1.1. Tín hiệu EEG
• 2.1.2. Hành vi chớp mắt của con người
• 2.1.3. Tín hiệu chớp mắt
• 2.2. BỘ LỌC THÔNG CAO
• 2.3. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM
• 2.3.1. Ngôn ngữ lập trình Python
• 2.4. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.4.1. Thiết bị Emotiv EPOC+
• 2.4.2. Vi Điều Khiển
• 2.4.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bánh răng con lăn
• 2.4.4. Mạch thu phát Bluetooth HC-05
• 2.4.5. Module điều khiển động cơ bước A4988
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
• 3.2. THIẾT KẾ CÁNH TAY TRỢ LỰC
• 3.2.1. Thiết kế khung cánh tay
• 3.2.2. Thiết kế hộp số giảm tốc có tỉ lệ 40:1
• 3.3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY
• 3.3.1. Lựa chọn bộ thu tín hiệu EEG
• 3.3.2. Thiết kế khối xử lý tín hiệu
• 3.3.3. Thiết kế khối nhận dữ liệu bluetooth
• 3.3.4. Thiết kế bộ xử lý trung tâm
• 3.3.5. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.3.6. Lựa chọn động cơ
• 3.3.7. Thiết kế khối nguồn
• 3.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY TRỢ LỰC
• 3.5. THIẾT KẾ BỘ LỌC
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY
• 4.2. THI CÔNG MÔ HÌNH KHUNG CÁNH TAY
• 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY
• 4.3.1. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu EEG
• 4.3.2. Lưu đồ chương trình điều khiển cánh tay trợ lực
• 4.4. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 5.1. KẾT QUẢ THI CÔNG CÁNH TAY TRỢ LỰC
• 5.2. GIAO DIỆN PHẦN MỀM GIÁM SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY TRỢ LỰC
• 5.2.1. Giao diện phần mềm giám sát hệ thống
• 5.2.2. Thời gian đáp ứng phần mềm phát hiện chớp mắt
• 5.3. KẾT QUẢ XỬ LÝ VÀ NHẬN DẠNG CỬ ĐỘNG CHỚP MẮT
• 5.3.1. Mô tả thí nghiệm
• 5.3.2. Kết quả thống kê và đánh giá độ chính xác của hệ thống
• 5.4. KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN KHUNG CÁNH TAY TRỢ LỰC
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. KẾT LUẬN
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu Nghiên cứu EEG Điều khiển Khung Xương Cánh Tay

Nghiên cứu ứng dụng tín hiệu EEG trong điều khiển khung xương trợ lực cánh tay mở ra một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực kỹ thuật Y Sinh. EEG, hay điện não đồ, ghi lại hoạt động điện của não bộ, cung cấp thông tin giá trị để giải mã ý định vận động. Khung xương trợ lực cánh tay, mặt khác, là một thiết bị cơ điện tử giúp người dùng tăng cường hoặc phục hồi khả năng vận động của cánh tay. Sự kết hợp của hai công nghệ này hứa hẹn mang lại giải pháp đột phá cho người khuyết tật, đặc biệt là những người gặp khó khăn trong việc điều khiển tay do tổn thương thần kinh hoặc cơ bắp. Mục tiêu chính là tạo ra một giao diện BCI (Brain-Computer Interface) hiệu quả, cho phép người dùng điều khiển khung xương trợ lực cánh tay một cách trực quan và chính xác.

1.1. Tổng quan về Ứng dụng EEG trong Y Sinh

Ứng dụng của EEG trong y sinh rất đa dạng, từ chẩn đoán các bệnh về não (ví dụ như động kinh, rối loạn giấc ngủ) đến theo dõi trạng thái ý thức của bệnh nhân hôn mê. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về BCI sử dụng tín hiệu EEG đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Các hệ thống BCI cho phép người dùng điều khiển các thiết bị bên ngoài, chẳng hạn như xe lăn điện, cánh tay robot, hoặc thậm chí là các trò chơi điện tử, chỉ bằng suy nghĩ. Những tiến bộ này mang lại hy vọng cho những người bị liệt hoặc mất khả năng vận động có thể tương tác với thế giới xung quanh một cách độc lập hơn. "Hệ thống giao tiếp máy tính não (BCI) đóng vai trò quan trọng nhằm hỗ trợ và thay thế con người tương tác với thế giới bên ngoài."

1.2. Vai trò của Khung Xương Trợ Lực Cánh Tay

Khung xương trợ lực cánh tay được thiết kế để hỗ trợ hoặc thay thế chức năng của cánh tay bị yếu hoặc liệt. Thiết bị này có thể giúp người dùng thực hiện các hoạt động hàng ngày, chẳng hạn như ăn uống, mặc quần áo, hoặc cầm nắm đồ vật. Ngoài ra, khung xương trợ lực cánh tay còn có thể được sử dụng trong phục hồi chức năng, giúp bệnh nhân luyện tập và cải thiện khả năng vận động. Các thiết kế hiện đại thường sử dụng vật liệu nhẹ và có thể điều chỉnh để phù hợp với kích thước và hình dạng cơ thể của từng người dùng.

II. Thách thức Điều khiển Khung Xương Bằng Tín Hiệu EEG

Việc điều khiển khung xương trợ lực cánh tay bằng tín hiệu EEG đối mặt với nhiều thách thức. Tín hiệu EEG rất yếu và dễ bị nhiễu bởi các yếu tố bên ngoài (ví dụ như chuyển động cơ, tín hiệu điện từ từ các thiết bị khác). Ngoài ra, tín hiệu EEG có tính biến động cao giữa các cá nhân và thậm chí là giữa các thời điểm khác nhau ở cùng một cá nhân. Do đó, cần có các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp để loại bỏ nhiễu và trích xuất các đặc trưng liên quan đến ý định vận động. Cuối cùng, hệ thống BCI cần được huấn luyện để thích ứng với tín hiệu EEG của từng người dùng, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao.

2.1. Vấn đề Nhiễu và Biến động Tín hiệu EEG

Tín hiệu EEG thường bị lẫn với nhiều loại nhiễu khác nhau, bao gồm nhiễu điện, nhiễu cơ, và nhiễu sinh lý (ví dụ như nhịp tim, hô hấp). Các thuật toán lọc nhiễu cần được thiết kế cẩn thận để loại bỏ nhiễu mà không làm mất đi các thông tin quan trọng. Tính biến động của tín hiệu EEG cũng là một thách thức lớn, vì hệ thống BCI cần phải thích ứng với những thay đổi này để duy trì hiệu suất hoạt động ổn định. "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)."

2.2. Yêu cầu Độ Chính xác và Độ Tin cậy Cao

Để khung xương trợ lực cánh tay hoạt động hiệu quả, hệ thống BCI cần có độ chính xác và độ tin cậy cao. Người dùng cần phải có khả năng điều khiển thiết bị một cách chính xác và nhất quán, để thực hiện các hoạt động mong muốn một cách an toàn và hiệu quả. Điều này đòi hỏi các thuật toán phân loại tín hiệu EEG phải có khả năng phân biệt chính xác giữa các ý định vận động khác nhau. Ngoài ra, hệ thống cần phải có khả năng xử lý các tình huống lỗi một cách an toàn, để tránh gây nguy hiểm cho người dùng.

III. Phương pháp Xử lý Tín hiệu EEG Điều khiển Khung Xương

Có nhiều phương pháp xử lý tín hiệu EEG khác nhau được sử dụng trong điều khiển khung xương trợ lực cánh tay. Các phương pháp phổ biến bao gồm lọc tín hiệu, trích xuất đặc trưng, và phân loại tín hiệu. Lọc tín hiệu được sử dụng để loại bỏ nhiễu và cải thiện chất lượng tín hiệu. Trích xuất đặc trưng được sử dụng để chọn ra các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu EEG, giúp phân biệt giữa các ý định vận động khác nhau. Phân loại tín hiệu được sử dụng để xác định ý định vận động của người dùng dựa trên các đặc trưng đã trích xuất. Các thuật toán phân loại phổ biến bao gồm máy học hỗ trợ véc tơ (SVM), mạng nơ-ron, và bộ phân loại tuyến tính phân biệt (LDA).

3.1. Lọc Tín hiệu EEG và Loại bỏ Nhiễu

Lọc tín hiệu là một bước quan trọng trong xử lý tín hiệu EEG. Các bộ lọc thường được sử dụng bao gồm bộ lọc thông thấp, bộ lọc thông cao, và bộ lọc thông dải. Bộ lọc thông thấp được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu tần số cao, chẳng hạn như nhiễu điện. Bộ lọc thông cao được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu tần số thấp, chẳng hạn như trôi DC. Bộ lọc thông dải được sử dụng để chọn ra các dải tần số cụ thể, chứa các thông tin quan trọng về ý định vận động. Các bộ lọc có thể được thiết kế bằng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như bộ lọc FIR (Finite Impulse Response) và bộ lọc IIR (Infinite Impulse Response). "Tín hiệu cần được khuếch đại và lọc nhiễu để có được tín hiệu tốt hơn [10, 12]."

3.2. Trích xuất Đặc trưng và Phân loại Tín hiệu

Trích xuất đặc trưng là quá trình chọn ra các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu EEG, giúp phân biệt giữa các ý định vận động khác nhau. Các đặc trưng phổ biến bao gồm biên độ, tần số, và pha của tín hiệu EEG. Các phương pháp trích xuất đặc trưng phổ biến bao gồm biến đổi Fourier, biến đổi wavelet, và phân tích thành phần chính (PCA). Sau khi các đặc trưng đã được trích xuất, chúng có thể được sử dụng để huấn luyện một bộ phân loại. Bộ phân loại sẽ học cách liên kết các đặc trưng với các ý định vận động khác nhau. Các thuật toán phân loại phổ biến bao gồm SVM, mạng nơ-ron, và LDA.

3.3. Sử dụng Chớp Mắt làm Tín hiệu Điều Khiển

Nghiên cứu trên sử dụng chớp mắt như một tín hiệu điều khiển, một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để giao tiếp với hệ thống. Các hành động chớp mắt trái, chớp mắt phải, và mở mắt được gán cho các lệnh điều khiển khung xương cánh tay, như nâng lên hoặc hạ xuống. Mặc dù không cung cấp nhiều mức độ điều khiển phức tạp, phương pháp này có ưu điểm là dễ dàng phát hiện và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu khác. Đồng thời, nó có thể là một lựa chọn phù hợp cho những người có khả năng vận động hạn chế.

IV. Ứng dụng Thực tiễn Điều khiển Cánh Tay Trợ Lực Bằng EEG

Nghiên cứu thành công trong việc ứng dụng tín hiệu EEG để điều khiển khung xương trợ lực cánh tay mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Người khuyết tật có thể sử dụng hệ thống này để thực hiện các hoạt động hàng ngày, cải thiện chất lượng cuộc sống và tăng cường tính độc lập. Ngoài ra, hệ thống còn có thể được sử dụng trong phục hồi chức năng, giúp bệnh nhân luyện tập và cải thiện khả năng vận động. Trong tương lai, có thể phát triển các hệ thống BCI phức tạp hơn, cho phép người dùng điều khiển khung xương trợ lực cánh tay với nhiều mức độ tự do hơn, thực hiện các động tác phức tạp và tinh vi.

4.1. Cải thiện Khả năng Vận động và Độc lập

Ứng dụng quan trọng nhất của hệ thống điều khiển cánh tay trợ lực bằng EEG là cải thiện khả năng vận động và độc lập cho người khuyết tật. Người dùng có thể sử dụng hệ thống này để thực hiện các hoạt động hàng ngày, chẳng hạn như ăn uống, mặc quần áo, hoặc cầm nắm đồ vật, mà không cần sự giúp đỡ của người khác. Điều này giúp tăng cường sự tự tin và lòng tự trọng của người dùng, cải thiện chất lượng cuộc sống và giúp họ hòa nhập tốt hơn vào xã hội. "Khung cánh tay trợ lực giúp họ giảm sự phụ thuộc vào mọi người xung quanh, tăng hiệu suất hoạt động và giảm được chi phí thuê nhân viên vật lí trị liệu."

4.2. Phục hồi Chức năng và Vật lý trị liệu

Hệ thống điều khiển cánh tay trợ lực bằng EEG cũng có thể được sử dụng trong phục hồi chức năng. Bệnh nhân có thể sử dụng hệ thống này để luyện tập và cải thiện khả năng vận động, dưới sự hướng dẫn của các chuyên gia vật lý trị liệu. Hệ thống có thể cung cấp phản hồi về hiệu suất luyện tập, giúp bệnh nhân theo dõi tiến trình phục hồi và duy trì động lực. Ngoài ra, hệ thống còn có thể được sử dụng để đánh giá khả năng vận động của bệnh nhân, giúp các chuyên gia vật lý trị liệu đưa ra các kế hoạch điều trị phù hợp.

V. Kết luận Tương lai Nghiên cứu EEG và Khung Xương Trợ Lực

Nghiên cứu về ứng dụng tín hiệu EEG trong điều khiển khung xương trợ lực cánh tay đang phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn mang lại những tiến bộ đột phá trong tương lai. Các hệ thống BCI ngày càng trở nên chính xác, tin cậy, và dễ sử dụng hơn. Các khung xương trợ lực cánh tay ngày càng trở nên nhẹ, linh hoạt, và thoải mái hơn. Sự kết hợp của hai công nghệ này có thể thay đổi cuộc sống của hàng triệu người khuyết tật trên toàn thế giới, mang lại cho họ khả năng vận động, độc lập, và chất lượng cuộc sống tốt hơn. Nghiên cứu cũng sẽ tiếp tục tập trung vào các hướng phát triển mới, chẳng hạn như sử dụng AI (Artificial Intelligence) để cải thiện hiệu suất của hệ thống BCI, hoặc phát triển các hệ thống BCI không xâm lấn, không cần cấy ghép điện cực vào não.

5.1. Hướng Phát triển của Hệ thống BCI Không Xâm lấn

Một trong những hướng phát triển quan trọng của nghiên cứu BCI là phát triển các hệ thống không xâm lấn, không cần cấy ghép điện cực vào não. Các hệ thống này sử dụng các điện cực đặt trên da đầu để thu tín hiệu EEG, giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí liên quan đến phẫu thuật. Tuy nhiên, tín hiệu EEG thu được từ các điện cực trên da đầu thường yếu và dễ bị nhiễu hơn so với tín hiệu thu được từ các điện cực cấy ghép. Do đó, cần có các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến để cải thiện chất lượng tín hiệu và hiệu suất của hệ thống BCI.

5.2. Ứng dụng Trí tuệ Nhân tạo AI trong Điều khiển EEG

Trí tuệ nhân tạo (AI) có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển EEG. Các thuật toán học máy (Machine Learning) có thể được sử dụng để huấn luyện các bộ phân loại tín hiệu EEG, giúp tăng độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Ngoài ra, AI có thể được sử dụng để thích ứng hệ thống BCI với tín hiệu EEG của từng người dùng, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Trong tương lai, có thể phát triển các hệ thống BCI thông minh, có khả năng tự học và thích ứng với những thay đổi trong tín hiệu EEG của người dùng, mang lại trải nghiệm điều khiển trực quan và tự nhiên hơn.

VI. Thí nghiệm và Đánh giá Hiệu quả Điều khiển EEG

Việc đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển cánh tay trợ lực bằng EEG đòi hỏi các thí nghiệm lâm sàng và phân tích thống kê kỹ lưỡng. Các thí nghiệm này thường bao gồm việc yêu cầu người tham gia thực hiện các nhiệm vụ vận động khác nhau, sử dụng khung xương trợ lực cánh tay được điều khiển bằng tín hiệu EEG. Các chỉ số hiệu suất, chẳng hạn như độ chính xác, tốc độ, và mức độ nỗ lực, được ghi lại và phân tích để đánh giá khả năng của hệ thống trong việc hỗ trợ người dùng thực hiện các hoạt động mong muốn. Kết quả thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quan trọng để cải thiện thiết kế và thuật toán của hệ thống, hướng tới các ứng dụng thực tế trong cuộc sống.

6.1. Thiết kế Thí nghiệm và Thu thập Dữ liệu EEG

Thiết kế thí nghiệm cần đảm bảo tính khoa học và khách quan để thu thập dữ liệu EEG có chất lượng. Các yếu tố cần xem xét bao gồm lựa chọn người tham gia, xác định các nhiệm vụ vận động phù hợp, và thiết lập các điều kiện thí nghiệm kiểm soát. Quá trình thu thập dữ liệu EEG cần tuân thủ các quy trình chuẩn để giảm thiểu nhiễu và đảm bảo tính tin cậy của dữ liệu. Sau khi thu thập, dữ liệu EEG sẽ được xử lý và phân tích để trích xuất các đặc trưng liên quan đến các nhiệm vụ vận động. "Dựa vào tập các bài tập và lặp đi lặp lại dường như là thành phần chính trong việc thúc đẩy quá trình tái tạo mô thần kinh sau đột quỵ được nhóm tác giả [7, 8] chứng minh thông qua các khảo sát thực nghiệm."

6.2. Phân tích Thống kê và Đánh giá Hiệu suất

Phân tích thống kê được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển cánh tay trợ lực bằng EEG. Các chỉ số hiệu suất, chẳng hạn như độ chính xác, tốc độ, và mức độ nỗ lực, được tính toán và so sánh giữa các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Các phương pháp thống kê, chẳng hạn như kiểm định giả thuyết và phân tích phương sai, được sử dụng để xác định xem có sự khác biệt đáng kể về hiệu suất giữa các điều kiện khác nhau hay không. Kết quả phân tích thống kê sẽ cung cấp bằng chứng khách quan về hiệu quả của hệ thống và giúp xác định các lĩnh vực cần cải thiện.