chương 1 Trong chương này tác giả trình bày tổng quan về tín hiệu điện não EEG, mục đích nghiên cứu, những đóng góp của luận án về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn. Trong chương 2 tác giả sẽ trình bày về các phương pháp trích đặc điểm tín hiệu cũng như lý thuyết về mạng neural đa lớp và các kiến thức khác liên quan đến luận án. Trang 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tóm tắt chương 2 Trong chương này đã trình bày các kiến thức cơ bản liên quan đến luận án từ việc giới thiệu sơ bộ về kiến thức tín hiệu điện não EEG, các phương pháp trích đặc điểm tín hiệu như: Fourier, Wavelet Transform, HHT…, gom cụm dữ liệu, đến việc phân loại các đặc tính từng mẫu tín hiệu bằng mạng neural network đa lớp, đây là kiến thức cần có để thực hiện luận án này.1 Tín hiệu điện não EEG 2.1 Giới thiệu về tín hiệu điện não EEG Điện não đồ (EEG - Electroencephalogram) là đo lường sự khác biệt về điện trường giữa 2 vị trí khác nhau trên vỏ não, việc đo lường sự biến đổi về điện trường ta thu nhận được tín hiệu điện não phản ánh sự hoạt động của não bộ [7][8][35]. 1 Thu nhận tín hiệu điện não EEG Từ việc so sánh các dạng sóng thu được với các dạng sóng tiêu chuẩn (delta, theta, alpha, beta và gamma), các bác sỹ có thể đưa ra được các chẩn đoán về tình trạng bệnh lý của bệnh nhân (stress/ trầm cảm) được chính xác hơn.
Từ khi ra đời cho đến nay, với sự phát triển và hoàn thiện không ngừng về việc nghiên cứu hoạt động cũng như đặc trưng của tín hiệu điện não, điện não đồ đóng góp vai trò đáng kể trong chẩn đoán, điều trị và tiên lượng bệnh của hệ thần kinh trung ương[36][37]. Trang 7 Tín hiệu điện não EEG được thu nhận từ quá trình hoạt động về điện trường của hàng tỉ tế bào thần kinh, các tế bào này liên lạc với nhau thông qua các xung điện từ [7][38], khi nó hoạt động nó sẽ phát ra một trường điện từ đủ lớn để xuyên qua các mô, xương sọ và vỏ não và cuối cùng ta có thể đo lường được trên da đầu của mình, tín hiệu này chứa lượng thông tin vô cùng phong phú rất có ích cho con người nên ghi lại và xử lý các tín hiệu này có ý nghĩa vô cùng quan trọng [7][39]. Hãy tưởng tượng giống như động đất, mỗi xung đơn lẻ phát ra thể không tạo ra được sự chú ý lớn hay thậm chí chúng ta cũng không thể nhận biết được, nhưng khi nhiều xung phát ra tại cùng một thời điểm, cùng một vị trí và cùng một tần số thì chúng ta có thể nhận biết được thậm chí ở cách xa hàng trăm cây số, hoạt động của tín hiệu y sinh cũng tương tư như thế. Các điện cực được gắn trên các vị trí trên da đầu như hình 2.2 theo chuẩn 10- 20 của quốc tế [40], sẽ giúp chúng ta thu nhận được tín hiệu y sinh (điện não) mà nó phản ánh đầy đủ cường độ hoạt động của các dây thần kinh tại thời điểm thu nhận tín hiệu.
2 Vị trí các điện cực theo chuẩn 10-20 Có 3 loại điện cực được sử dụng để thu nhận tín hiệu điện não: can thiệp, bán can thiệp và không can thiệp [22][41][42][43]. Can thiệp và bán can thiệp đòi hỏi đặt các điện cực bên trong lớp da đầu của con người [44] điều này giúp cho việc thu nhận tín hiệu được tốt hơn, trung thực hơn tuy nhiên tiềm ẩn nhiều rủi ro nên đa phần các nhà khoa học sử dụng phương pháp không can thiệp để thu nhận tín Trang 8 hiệu điện não [45][46]. Có thể tóm tắt lịch sử phát triển của tín hiệu điện não EEG như sau [7]: Năm 1875: nhà phẫu thuật người Anh Richard Caton, một bác sĩ vùng Liverpool, có một công trình nghiên cứu được công bố trong báo y học Anh về phát hiện điện trường trong não của thỏ và khỉ, đây là lần đầu tiên quan sát được hoạt động điện có nhịp ở não động vật sống, khi con vật chết hoạt động này cũng mất. Sau đó nhiều nhà khoa học trên thế giới đi sâu tìm hiểu về dòng điện hoạt động của não cá, ếch, thỏ, chó.
Năm 1890: Beck công bố thí nghiệm cho thấy có tín hiệu điện trong não của chó và thỏ dao động khi có thay đổi ánh sáng. Năm 1812: Vladimir Pravdich-Neminsky, bác sĩ Nga, đã trình bày điện não đồ đâu tiên và ghi được xung điện neuron của não chó. Năm 1914: Cybulsky và Jelenska-Macieszyna chụp ảnh được điện não đồ của cơn động kinh trong phòng thí nghiệm. Năm 1920: Hans Berger, bác sĩ, nhà tâm thần học người Đức lần đầu tiên công bố ghi được sóng alpha và sóng beta ở não người.
Từ EEG (Electroencephalogram) do ông đặt ra. Edgar Douglas Adrian sau đó tiếp nối công trình của ông và bắt đầu từ đây mở ra một hướng nghiên cứu mới về sinh lý và bệnh lý của não. Năm 1934: Bác sĩ Fisher và Lowenback ghi được sóng bất thường trên điện não đồ của bệnh nhân bị động kinh. Năm 1935: Các chuyên khoa Gibbs, Davis và Lennox nhận ra được các loạt sóng bất thường của bệnh nhân bị động kinh - ngay cả lúc chưa lên cơn.
Đây là bước ngoặc lớn trong khoa nghiên cứu dùng điện não đồ để chẩn đoán bệnh động kinh. Cùng năm, một bệnh viện lớn tại Massachusetts bắt đầu sử dụng điện não đồ. Franklin Offner, giáo sư lý sinh đại học Northwestern thiết kế điện não đồ với khả năng ghi nét mực của sóng trên giấy cuộn. 3 Nhà tâm thần học Hans Berger Năm 1947: Hội Nghiên cứu điện não đồ Hoa Kỳ thành lập và mở hội nghị quốc tế về điện não đồ.
Năm 1957: Aserinsky và Kleitmean trình bày sóng điện não đồ của não người đang mơ ngủ (cấp độ ngủ với mắt di chuyển nhanh) Kể từ năm 1957 đến nay, có rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu, phát minh cải tiến kỹ thuật và hoàn thiện dần phương pháp thu thập điện não đồ (H. Berger, Grey, Wather, Gibbs, Jasper, Gastaut, Lennox, EA.), đến nay đã có nhiều kỹ thuật mới, hiện đại như ghi điện não đồ có phân tích tự động, điện não đồ ghi qua băng cassete, qua vô tuyến, điện não đồ bản đồ, điện não đồ video. điện não đồ đã trở thành chuyên ngành thăm dò chức năng điện sinh lý thần kinh, cùng với các phương tiện xét nghiệm bổ trợ khác, điện não đồ phát huy vai trò trong công tác chẩn đoán, điều trị bệnh và trong các công trình nghiên cứu của ngành y sinh học.2 Các loại thiết bị thu nhận tín hiệu điện não EEG Hiện nay, có rất nhiều công ty sản xuất thiết bị thu nhận tín hiệu điện não, điều này chứng minh rằng lĩnh vực điện não ngày càng phát triển và sẽ cho ra những công trình nghiên cứu có tính ứng dụng cao trong cuộc sống, một số thiết bị tín hiệu điện não nổi tiếng như: Trang 10 NeuroScan là một trong những công ty lâu đời nhất thuộc lĩnh vực EEG, NeuroScan được thành lập vào năm 1985 và trở thành công ty hàng đầu thế giới cung cấp thiết bị điện não EEG như hình 2.4, công ty cung cấp rất nhiều loại bao gồm công nghệ, phần mềm, thiết bị sử dụng 1 lần. phục vụ cho nghiên cứu EEG và lâm sàng.
4 Sản phẩm của NeuroScan Brain Products Đây là công ty của Đức với hơn 160 kênh nhận tín hiệu EEG như hình 2. 5, ban đầu được thành lập vào năm 1997 và đã trở thành một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực phân tích tín hiệu EEG cả phần cứng lẫn phần mềm, với chiến lược tập trung chủ yếu vào phần cứng, họ sản xuất ra các dụng cụ phụ vụ trong lĩnh vực fMRI, NIRS. 5 Sản phẩm của Brain Products Trang 11 BioSemi được thành lập năm 1998 tại trường đại học Amsterdam cung cấp lĩnh vực nghiên cứu về phần cứng và phần mềm, BioSemi đang nghiên cứu chuyên sâu vào lĩnh vực điện thế sinh học (Biopotential) với mục đích cải tiến hệ thống theo yêu cầu từ ban lãnh đạo công ty, sản phẩm thu nhận tín hiệu điện não của công ty BioSemi như ở hình 2. 6 Sản phẩm của BioSemi EGI được thành lập vào năm 1992 là công ty của Mỹ chế tạo ra các thiết bị EEG phục vụ cho lĩnh vực nghiên cứu khoa học và nghiên cứu lâm sàng, điểm nổi bậc nhất của công ty này là cung cấp thiết bị EEG nhiều nhất thế giới, hình 2.7 minh họa sản phẩm thu nhận tín hiệu điện não của công ty EGI.
7 Sản phẩm của EGI Trang 12 Emotiv được thành lập vào năm 2011 và nhanh chóng trở thành công ty sản xuất phần cứng EEG lớn nhất, hiện tại có 2 loại sử dụng để thu nhận tín hiệu điện não tùy thuộc vào mục đích khác nhau, đặc biệt người đồng sáng lập công ty này là người Úc gốc Việt, Lê Thị Thái Tần (Tần Lê) hiện đang là CEO của công ty Emotiv, thiết bị EPOC+ như hình 2.8 là thiết bị thu nhận tín hiệu điện não của hãng đã được rất nhiều trường Đại học nghiên cứu do giá thành tương đối rẻ hơn so với các hãng khác. 8 Sản phẩm của Emotiv Neurosky Thành lập vào năm 2004 tại thung lũng Silicon được dùng nhiều trong lĩnh vực sức khỏe, giáo dục và giải trí. Qua tham khảo một số các nhà cung cấp thiết bị EEG về đặc tính kỹ thuật cũng như giá thành, tác giả chọn thiết bị thiết bị Emotiv vì thiết bị có giá thành tương đối phù hợp, số lượng kênh 16 đủ để sử dụng trong nghiên cứu và người sáng lập ra thiết bị là người Úc gốc Việt.3 Các dạng sóng cơ bản của tín hiệu điện não EEG Theo các chuyên gia phân tích và các công trình nghiên cứu trước đó, tín hiệu điện não bao gồm 5 dạng sóng cơ bản, 5 dạng sóng cơ bản này đủ để phản ánh các đặc tính khác nhau của quá trình vận động não bộ, ví dụ nó phản ánh được quá trình tập trung, thư giãn, hưng phấn, bị stress… phản ánh được quá trình chuyển Trang 13 đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác như: nhìn hình dạng của đối tượng này sang đối tượng khác (vuông sang tròn, chữ nhật hình sao), nhìn từ màu sắc này sang màu sắc khác, nhận dạng đánh vần chữ viết [47] các sóng cơ bản này có tần số thấp như: Sóng Delta, Theta, Alpha, Beta và Gamma [48].