MỞ ĐẦU Điện não đồ dùng để đo tín hiệu điện não, phục vụ phân tích, chẩn đoán, điều trị các bệnh liên quan đến thần kinh. Một bệnh phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam là bệnh động kinh. Động kinh là một rối loạn não đƣợc đặc trƣng bởi sự xuất hiện xung động kinh lặp đi lặp lại nhiều lần, do có sự phóng điện bất thƣờng, đồng bộ và quá mức trong hoạt động của não bộ. Tỉ lệ ngƣời mắc bệnh động kinh trên thế giới chiếm 1% các loại bệnh (tƣơng đƣơng với bệnh ung thƣ vú) và ở Việt Nam là 0.
Hiện nay, các chuyên gia thần kinh đọc trên dữ liệu điện não thô, không qua công đoạn xử lý tín hiệu bậc cao, và qui trình đo chƣa đáp ứng chuẩn quốc tế, nên có những khó khăn trong phân tích điện não đồ. Việc chẩn cũng gặp nhiều khó khăn do sự biến thiên phức tạp về hình thái của gai, và sự xuất hiện của các thành phần nhiễu (artifacts) nhƣ nhiễu mắt, nhiễu cơ. Thực tế tại Việt Nam thiếu bác sĩ chuyên khoa trong đọc và phân tích EEG và việc chẩn đoán nhầm khá phổ biến. Để hỗ trợ các chuyên gia thần kinh trong việc phân tích điện não đồ, việc xây dựng hệ thống phân tích tín hiệu với các phƣơng pháp tiên tiến là rất cấp thiết.
Mục tiêu của luận văn này là xây dựng một hệ thống xử lý nhiễu mắt, nhiễu cơ cho tín hiệu điện não. Thuật toán đề xuất đƣợc trình bày trong luận văn đã đƣợc thực hiện thành công và áp dụng trên nhiều mẫu dữ liệu khác nhau. Kết quả cho thấy triển vọng của việc áp dụng hệ thống này vào ứng dụng thực tiễn, hỗ trợ cho các bác sỹ. Các khó khăn trong thực tế xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu điện não Với mục đích đó, chúng tôi đã tiến hành đo tín hiệu điện não trực tiếp bằng hệ đo EEG dòng E-series của Compumedics, đặt tại Khoa Điện tử Viễn thông, trên rất nhiều bệnh nhân động kinh để nghiên cứu và xây dựng các bộ dữ liệu điện não phục vụ cho các nghiên cứu thử nghiệm.
Một số kết quả bƣớc đầu đạt đƣợc cho thấy sự khả quan trong việc phát hiện gai động kinh tự động, loại nhiễu mắt và nhiễu cơ trong tín hiệu EEG. Tuy nhiên, khi phân tích và xử lý các tín hiệu điện não thực đƣợc đo trực tiếp trên hệ đo EEG dòng E-series thì vẫn còn nhiều vấn đề trong thực tế xử lý tín hiệu điện não và đòi hỏi cần đƣợc giải quyết. Sau đây là một số vấn đề mà luận văn này đề cập đến: 1. Để có thể áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu cần chuyển đổi dữ liệu từ định dạng của máy đo sang dạng *.MAT để xử lý bằng MATLAB, phục vụ cho các nghiên cứu về xử lý tiếp theo; LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Cần loại nhiễu cơ bản do các thiết bị điện tử gây ra nhƣ nhiễu 50Hz, nhiễu tần số cao do tiếp xúc điện cực, v. Cần nghiên cứu các đặc điểm của nhiễu mắt, nhiễu cơ để có phƣơng pháp phù hợp loại bỏ chúng. Trong thực tế, cần xử lý tín hiệu EEG đa kênh và có chiều dài lớn, đòi hỏi xử lý loại nhiễu trên từng đoạn tín hiệu và ghép chúng lại. Matlab hạn chế về thiết kế giao diện, hạn chế việc quản lý dữ liệu bệnh nhân, không phù hợp pháp triển phần mềm.
Cần sử dụng ngôn ngữ C# để lập trình quản lý dữ liệu và có đƣợc giao diện thân thiện, đồng thời kết hợp với thƣ viện Matlab để xử lý tính toán. Mục tiêu của luận văn là xây dựng một phần mềm có các chức năng cần thiết hỗ trợ các bác sĩ trong việc chẩn đoán bệnh động kinh. Phần mềm sử dụng ngôn ngữ C# (mạnh về thiết kế giao diện) kết hợp với thƣ viện Matlab (để xử lý tính toán) nên có thể giải quyết các vấn đề toán học phức tạp mà các bác sĩ vẫn có thể sử dụng trực tiếp và dễ thao tác. Luận văn này sẽ tập trung phân tích và xử lý các vấn đề trên, nhằm phát triển và ứng dụng các thuật toán loại nhiễu mắt và nhiễu cơ trong tín hiệu điện não chứa tín hiệu gai động kinh một cách hữu hiệu nhất.
Luận văn đƣợc trình bày theo cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về điện não đồ, các loại nhiễu nhƣ nhiễu mắt, nhiễu cơ. Chƣơng 2: Đánh giá một số phƣơng pháp loại nhiễu trong tín hiệu điện não đồ, và đề phƣơng pháp mới sử dụng thuật toán tách nguồn mù SOBI kết hợp kĩ thuật nhận dạng nguồn nhiễu. Chƣơng 3: Xây dựng hệ thống. Kết luận và đặt ra một số vấn đề cần nghiên cứu tiếp.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỆN NÃO ĐỒ 1. Điện não đồ là gì Điện não đồ (EEG – Electroencephalogram) đo và biểu diễn sự thay đổi điện thế theo thời gian của các điện cực đƣợc đặt ở các vị trí khác nhau trên da đầu tƣơng ứng với các vùng của vỏ não trên đồ thị máy tính.
Thông qua các đặc trƣng biên độ, tần số, phân bố không gian, hình thái, sự phân cực của điện thế, EEG cho ta các thông tin về các hoạt động của não. Dựa trên các đặc trƣng đó, các chuyên gia có thể đánh giá, phân tích các biểu hiện bất thƣờng của bộ não để phát hiện bệnh động kinh dựa trên sự xuất hiện các gai động kinh trong EEG. Trong quá trình hoạt động, não sẽ phát ra các xung điện lan truyền theo các dây thần kinh. Các xung điện này phản ánh trạng thái hoạt động và kích thích của bộ não.
Các xung điện não sẽ lan truyền đến lớp vỏ não có độ dày khoảng 2-3mm. Bề mặt của vỏ não có dạng các lớp, khe nhỏ với nhiều kích thƣớc khác nhau lằm làm tăng diện dích hệ thần kinh, với tổng diện tích hơn 2,5m2 bao gồm hơn 10 tỉ nơ-ron thần kinh [17]. Vỏ não bao gồm 2 bán cầu đối xứng: bán cầu trái và bán cầu phải, đƣợc tách biệt bởi rãnh sâu. Mỗi bán cầu đƣợc chia thành bốn thùy khác nhau: thùy trán (frontal lobe), thùy thái dƣơng (temporal lobe), thùy đỉnh (parietal lobe), thùy chẩm (occipital lobe) (hình 1-1).
Hình 1-1: Phân chia các thùy trên vỏ não [17] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Mỗi vùng trên các thùy có các vai trò khác nhau: - Các vùng sơ cấp (chiếm diện tích tƣơng đối nhỏ): các nơ-ron (các tế bào thần kinh đƣợc gọi chung là nơ-ron) trong vùng này có một mục đích cụ thể nhƣ vùng chuyên về vận động (the motor cortex) nằm ở thùy trán, vùng thần kinh cảm giác về âm thanh nằm ở vùng trên của thùy thái dƣơng. - Các vùng thứ cấp: các nơ-ron ở vùng này làm nhiệm vụ phân tích, hỗ trợ cho các nơ-ron vùng sơ cấp. Các nơron này cũng chứa các thông tin tham chiếu để so sánh giữa các thông tin hiện tại với các thông tin đƣợc tích lũy trƣớc đó. EEG ghi hoạt động điện trên da đầu không phải là hoạt động riêng lẻ của từng nơ-ron mà là tổng hợp hoạt động điện của hàng triệu nơ-ron.
Dòng đo đƣợc có nguồn gốc tại khớp (synapse) trong quá trình kích thích. Biên độ của tín hiệu EEG liên quan tới mức độ đồng bộ của các nơ-ron khi chúng tƣơng tác lẫn nhau. Sự kích thích đồng thời của một nhóm các nơ-ron sẽ tạo ra tín hiệu có biên độ lớn trên bề mặt da bởi vì các tín hiệu có nguồn gốc từ các nơ-ron độc lập đƣợc cộng lại. Ngƣợc lại, các nơ-ron kích thích không đồng bộ sẽ tạo ra EEG có biên độ thấp.
Biên độ EEG phụ thuộc vào chủ thể đo nhƣ tình trạng tâm lý, lứa tuổi và phụ thuộc vào kỹ thuật đo nhƣ loại điện cực, đạo trình, khoảng cách từ điện cực đến nguồn thế v. Biên độ EEG giảm khi tăng trở kháng. Sự thay đổi biên độ điện thế đƣợc quan sát rõ nếu sự thay đổi này xảy ra gần các điện cực hoặc đƣợc tạo bởi một vùng mô có diện tích lớn. Sự thay đổi cũng có thể quan sát rõ khi điện thế tăng, giảm chậm.
Việc định lƣợng các đặc trƣng của tín hiệu EEG có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu trạng thái của não. Các đặc điểm của Điện não đồ EEG đƣợc đặc trƣng bởi biên độ, tần số, hình thái, sự phân cực, phân bố vị trí và điều kiện làm thay đổi của hiệu điện thế. Các tín hiệu đƣợc ghi trên da đầu có biên độ biến thiên từ vài μV đến xấp xỉ 200μV và tần số nằm trong phạm vi từ 0. Nếu trạng thái của đối tƣợng đo ổn định trong một khoảng thời gian, các nhịp này có dạng tuần hoàn [17].
Các kênh Fz, Cz, Pz là những kênh tốt nhất cho việc đọc tín hiệu EEG. Các nhịp cơ bản đƣợc chia thành 5 dải [10] + Nhịp delta: tần số 0.5 - 4Hz + Nhịp theta: tần số 4-7,5Hz LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 + Nhịp alpha: 8-13,5Hz + Nhịp beta: 14-30Hz + Nhịp gamma: có tần số lớn 30Hz - Nhịp delta: Có tần số nằm trong khoảng từ 0.5- 4Hz: nhịp delta xuất hiện trong giấc ngủ sâu và có thể xuất hiện trong giai đoạn thức giấc. Biên độ nhịp delta lớn, trung bình 100μV. Nhịp này là bình thƣờng ở trẻ nhỏ, nhƣng xuất hiện ở ngƣời lớn khi thức là dấu hiệu của các tổn thƣơng hoặc bệnh ở não.
- Nhịp theta: Nhịp theta có phạm vi tần số từ 4-7.5Hz, biên độ và hình thái thay đổi, xuất hiện ở vùng trán tới vùng trung tâm. Biên độ nhỏ cỡ 15μV. Nhịp theta ở vùng trán đƣợc quan sát dễ dàng khi có các hoạt động cảm xúc, tập trung hoặc các hoạt động trí óc. Thông thƣờng, nhịp theta tăng cƣờng hoạt động khi chủ thể ở trạng thái buồn ngủ hoặc ngủ.
Nhịp theta đóng vai trò quan trọng ở trẻ nhỏ. Sự xuất hiện với một số lƣợng lớn các nhịp theta không liên tục ở ngƣời lớn khi thức là dấu hiệu bất thƣờng có nguyên nhân từ nhiều bệnh lý khác nhau. - Nhịp alpha: Nhịp alpha biến thiên trong khoảng 8-13,5Hz (chu kỳ sóng từ 75ms đến 125ms). Thông thƣờng, biên độ của nhịp alpha không vƣợt quá 50μV.
Nhịp Alpha bình thƣờng bắt đầu xuất hiện ở trẻ em 3 tuổi với tần số 8Hz. Alpha là nhịp nổi trội ở ngƣời lớn khi thức và thƣ giãn với mắt nhắm. Nhịp alpha giảm hoặc mất đi khi ngƣời bệnh mở mắt, hoặc nghe một âm thanh lạ, lo lắng, hoạt động trí óc. Khi nhắm mắt nhịp alpha lại xuất hiện.
Nhịp alpha thƣờng có dạng hình sine hoặc tròn.