Chương 1: Tong quan về mục tiêu va hướng giải quyết của dé tài. Chương này trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Các nhiệm vụ, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương này trình bay các lý thuyết cần thiết phục vụ cho đề tài. Chương 3: Tiến trình nghiên cứu. Chương nay trình bày về các bước tiễn hành nghiên cứu để xây dựng một mồ hình hệ thong BCI đơn giản, có kha năng nhận biết trạng thái suy nghĩ của người dùng là tưởng tượng cử động tay bên trái, tưởng tượng cử động tay bên phải, và trạng thái thư giãn (không suy nghĩ). Chương 4: Mô hình BCI offline.
Trong chương này, tác giả sẽ trình bày việc xây dựng các module tiền xử lý, các module trích đặc trưng tín hiệu, và các module mạng noron nhân tạo. Sau đó sẽ tổ hợp các module này lại thành những mô hình có khả năng nhận diện suy nghi. Chương 5: Mô hình BCI online. Từ các kết quả thử nghiệm đạt được ở chương 4, tác giả sẽ tién hành xây dựng một mô hình BCI xử lý online để điều khiến một thiết bị ứng với suy nghĩ của người dùng.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. Tóm tắt các kết quả đạt được, những hạn chế của nghiên cứu và định hướng cho những nghiên cứu tiếp theo. Trang 5 C1: TONG QUAN HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường CHUONG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET 2.1 TONG QUAN VE CAC VUNG CHỨC NANG CUA NAO NGƯỜI Não người là một bộ phận quan trong bậc nhất của co thể, là co quan trung ương của hệ thần kinh điều khiến mọi hoạt động của các cơ quan khác trong cơ thé.
Bộ não người gồm khoảng 100 tỉ tế bào thần kinh, những tế bào than kinh này kết nối với hàng ngàn tế bào thần kinh khác tạo thành một mạng lưới thần kinh. Thông qua các kết nối này mà các tế bào có thé giao tiếp với nhau, và thông qua mang than kinh này con người có thé kiểm soát được các bộ phận của cơ thể. Não bộ gồm hai bán câu trái và phải, là vùng rộng nhất có thé phân tích dữ liệu giác quan, thực hiện chức năng ghi nhớ, tìm hiểu thông tin, suy nghĩ và ra quyết định. Bán cầu não phải điều khiến nửa phan trái của cơ thé và bán cau não trái phụ trách phần phải của cơ thể với các chức năng tương tự.
Mỗi bán cầu não được chia ra thành bốn phan được gọi là thùy, bao gồm: thùy trán (frontal lobe), thùy đỉnh (parietal lobe), thùy thái dương (temporal lobe), thùy cham (occipital). Như trong hình 2.1 dưới day: Central suleus Parietal lobe Frontal lobe Occipital lobe Hình 2. Các thùy của não (nguồn: [11]) Mỗi thùy đóng một vai trò khác nhau. Thùy trắn tương ứng với các chức năng như lập kế hoạch, giọng nói, di chuyển, cảm xúc và giải quyết vẫn đề.
Thùy Trang 6 C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường đỉnh liên quan đến các chức năng như di chuyển, định hướng, nhận biết, phát hiện kích thích. Thùy cham liên quan đến chức năng nhìn. Thùy thái dương liên quan đến tri giác và nhận biết âm thanh, trí nhớ và tiếng nói.
Trong vùng thùy đỉnh có một phan rất đáng quan tâm đó là phân tiền điều khiến chuyền động như thé hiện trong hình 2.3: Motor Sensory H Primary | motor | Somatic Supplementary cortex | areal area Somatic association Hình 2. Các chức năng trong vùng thùy đỉnh (nguồn: [12]) eeesd> aHiNp—1 T — r u4n k Page Shoulder— ‡ S —]Elbow Hình 2. Vị trí các chức năng trong vùng tiền vận động (nguồn: [12]) C2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 7 HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường Vùng này liên quan đến chức năng của nhiều bộ phận như: tay, chân, mặt,.
như trong hình 2. Trong dé tài nay, vùng điều khiến chuyển động này sẽ được tiễn hành thu dữ liệu.2 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP TÍN HIỆU NÃO EEG 2.1 Tổng quan về các phương pháp thu thập tín hiệu não Hiện tại, theo [2| có hai cách thu tín hiệu từ não là không xâm lan (non- invasive) và xâm lấn (invasive) được sử dung trong các nghiên cứu về BCI. Trong các phương pháp không xâm lấn (non-invasive) thì có MEG (Magnetoencephalography: phương pháp do từ trường từ các hoạt động của não bằng một thiết bị đặt xung quanh đầu người), EEG (Electroencephalogram: sử dụng các điện cực đặt tiếp xúc với da đầu dé đo tín hiệu từ não), phương pháp fMRI (functional Magneti Resonance Imaging) va NIRS (Near Infrared Spectroscopy: đo sự thay đối của nỗng độ oxy trong máu của vỏ não). Với phương pháp xâm lấn (invasive) thì có phương pháp ECoG (electrocorticography), phương pháp ME (Mocro- Electrode), phương pháp MEA (Micro-Electrode Array) và LFPs (Local Field Potentials).
Với các phương pháp nay các điện cực được đặt ở bên trong (ở dưới lớp da dau va tùy vào phương pháp mà độ xâm lan nông sâu khác nhau).4 ở dưới đây một phan nao giải thích được một cach sơ lược của các phương pháp vừa nêu. 10+ bổ EES NIRS : TT MEG H 1+ ECoG fMRI g 5 + LP ® - MEA bi a T ME .01 1 1 10 Temporal resolution (s) Hình 2. Độ chính xác về không gian và thời gian với các phương pháp khác nhau trong các nghiên cứu về BCI (nguồn: [2]) Trang 8 C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường Với hình 2.4, ta có thé thay 4 phương pháp xâm lẫn có thời gian xử lý (đáp ứng) khá nhanh (dưới 0.01 giây) và 4 phương pháp không xâm lẫn có thời gian đáp ứng chậm hơn: EEG va MEG có thời gian dap ứng dưới 0.1 giây con NIRS và fMRI có thời gian dap ứng trên | giây.2 Hệ thống đặt điện cực quốc tế 10-20 dé ghi điện não Trong phương pháp đo tín hiệu điện não không xâm lấn dạng EEG, tín hiệu điện não được thu băng cách đặt các điện cực trực tiếp trên da đầu.
Một chuẩn để đặt tên và thiết kế vị trí điện cực được gọi là hệ thống quốc tế 10-20 (10-20 International System). Trong thiết kế này, “10” và “20” có nghĩa là khoảng cách giữa các điện cực tiếp giáp đặt trên hộp sọ, hoặc là 10% hoặc 20% của từ trước ra sau hoặc từ phải sang trái tong khoảng cách của hộp sọ như mô tả trong hình 2.5 sau đây: ^^ NASION 110% „Tp ~~ Fpa | 20% ‘t1¬ hợp s 2.tế \ 20% ! Yon hoe RIGHT @:® ¡108 Ear Lobe Hình 2. Hệ thống quốc tế 10-20 (nguén: [22]) Có 3 đường nối chính: e Nối 2 ống tai ngoài (thực ra là ngay trước tai — preauricular points). e Nối gốc mũi với ụ cham ngoài, cả 2 đường nối này đều đi qua đỉnh so.
e Đường chu vi của sọ kêt nỗi 2 điêm tận cùng nhất trên sọ. Trang 9 C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường Ba đường này được chia theo tỷ lệ 10-20-20-20-20-10%, theo cả trục trực giao (2 đường vuông góc), lẫn theo vòng tròn chu vi, theo kiểu chia đôi các điểm nối. Khi nghiên cứu giấc ngủ, có thể người ta không dùng hết các vị trí ghi này, và chỉ đặt điện cực ở một số vị trí: trên hình vẽ là những chỗ có vòng tròn đen.
Thông thường, chúng ta sẽ dùng một bộ 21 điện cực gan trén da dau theo he thong đặt điện cực 10-20 của quốc tế. Ta lẫy các điểm mốc sau đây: e Điểm gốc mũi (nasion), nằm giữa 2 chân lông mày (glabella). e Ong tai ngoài 2 bên. Với các ký hiệu sau đây: F là tran (Frontal), O là châm (Occipital), C là trung tam (Central), P la dinh (Parietal).
Danh số lẻ nếu là bên trái, và số chan nếu là bên phải. Nối 2 điểm gốc mũi và cham với nhau, ta có đường dọc giữa. Ta chia chiều dài của đường này theo tỷ lệ %: điểm cách gốc mũi 10% là Fo (hay Fpz), cách tiếp theo 20% nữa là Fz, tiếp 20% nữa là Cz. Cz chính là điểm chính giữa đỉnh dau, tiếp sau nó 20% là Pz.
Cách điểm cham 10% (tức cách Pz 20%) là Oo (hay còn gọi Oz). Nối 2 ống tai ngoài với nhau, ta được một đường cắt ngang đường dọc giữa ở điểm Cz. Cách ống tai ngoài 10% bên trái là T:, bên phải là Ty. Vẽ đường đồng tâm với đường chu vi của dau, nỗi các điểm mốc phía ngoài nhất: Fpz-T3-Oz-T,.
Trên đường (gan như là đường tròn) này, cũng chia theo tỷ lệ % như vậy. Cách 10% phía trước có Fpl bên trai và Fp2 bên phải, sau đó 20% là F; và Fg. Cách Oz 10% từ phía sau là O, bên trái và O, bên phải. Cách tiếp 20% (là chính giữa O; với Ta) là Ts bên trai va (là chính giữa Oz với Ta) Ts bên phải.
Trang 10 C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường Vẽ tiếp đường vòng cung phía trong, tiếp nối Fp1-C3-O, bên trái, và Fp2- Ca-O› bên phải. Ở khoảng cách 20% (chính giữa các móc) là F; phía trước bên trái, Fy phía trước bên phải, P: phía sau bên trái, P„ phía sau bên phải. Vậy ta có 1 mạng ghi điện não đô.
Về phương diện điện học, người ta coi tai và sốc mũi là 0, là điện cực trung hòa. Như vậy kiểu kết nối 1 điện cực trên mạng ghi điện não đỗ với tai, ta có kiểu ghi đơn cực. Còn cách nối 2 điện cực trên mạng với nhau mà không nối với tai, thì gọi là cách ghi lưỡng cực. VỊ trí Oz và Fpz ít được dùng để đặt điện cực chi trong điện não đồ, nhưng lại hay được dùng khi ghi điện thế gợi (ví dụ VEP).
Theo sơ đỗ (mạng) điện cực như trên, ta có 19 vi trí đặt điện cực để chi điện não đồ. Với những nối điện cực khác nhau, ta sẽ có nhiều kênh chi. Tai một sỐ phòng ghi điện não trên thé giới, người ta còn chia tách ra ti mi hơn dé đặt được nhiều điện cực chi EEG hơn, có thể có số vị trí đặt điện cực chi trên da đầu là 32, 64, thậm chí 256. Cách đặt điện cực theo kiểu 21 kênh (nguồn: [22]) Trang 11 C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS.
Lê Tiến Thường Trang 12 C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn NHẬN DẠNG TRI THỨC GVHD: PGS. Lê Tiến Thường Theo [22], hệ thống đặt điện cực 10-20 quốc tế được dé nghị vào năm 1958, hiện được dùng rộng rãi, và được coi là phương pháp chuẩn (standard method) dé ghi điện não trên da đầu (scalp EEG).