Tổng quan nghiên cứu

Bộ não người, với trọng lượng khoảng 1,4 kg và gần một nghìn tỉ tế bào thần kinh, là trung tâm điều khiển các hoạt động thể chất và tâm thần của con người. Việc nghiên cứu các tín hiệu não nhằm hiểu rõ hơn về chức năng và mối quan hệ giữa các hoạt động cơ thể là một lĩnh vực khoa học đang phát triển mạnh mẽ. Trong đó, kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại chức năng (fNIRS) đã trở thành công cụ không xâm lấn quan trọng để đo lường sự thay đổi oxy-hemoglobin (Oxy-Hb) trên vỏ não, phản ánh hoạt động huyết động não liên quan đến các chức năng vận động.

Luận văn tập trung phân tích tín hiệu Oxy-Hb thu thập từ 24 kênh trên vùng não điều khiển chuyển động của 5 đối tượng khỏe mạnh trong các hoạt động cắn và nâng tạ. Mục tiêu chính là xây dựng giải thuật xác định mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa trên dữ liệu fNIRS, qua đó góp phần hỗ trợ nghiên cứu, chuẩn đoán và điều trị các bệnh lý liên quan đến quai hàm và cơ hàm.

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Y sinh, Đại học Quốc tế, TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2014. Việc xác định chính xác vùng vận động não và mối liên hệ giữa các chỉ số sinh lý có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các phương pháp chẩn đoán và can thiệp y học hiện đại, đồng thời mở rộng ứng dụng của fNIRS trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại chức năng (fNIRS): Sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại (650-950 nm) để đo sự thay đổi nồng độ oxy-hemoglobin (Oxy-Hb) và deoxy-hemoglobin (deOxy-Hb) trên vỏ não, phản ánh hoạt động huyết động não. fNIRS có ưu điểm không xâm lấn, khả năng đo liên tục và độ phân giải không gian phù hợp với nghiên cứu chức năng não.

  • Bộ lọc Savitzky-Golay: Phương pháp làm mượt tín hiệu dựa trên đa thức bậc thấp, giúp loại bỏ nhiễu và giữ nguyên đặc trưng tín hiệu gốc. Bộ lọc này được áp dụng với cửa sổ 11 điểm và đa thức bậc 3 để xử lý tín hiệu Oxy-Hb thu thập được.

  • Biến đổi Wavelet rời rạc: Phân tích tín hiệu thành các thành phần tần số khác nhau, cho phép trích xuất đặc trưng tín hiệu theo thời gian và tần số. Thuật toán ngưỡng được áp dụng sau biến đổi để xác định các kênh tích cực trong vùng vận động não.

  • Hồi quy đa thức: Sử dụng để mô hình hóa và tính diện tích vùng vận động dựa trên tín hiệu Oxy-Hb đã xử lý, từ đó xác định mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay.

Các khái niệm chính bao gồm: tín hiệu Oxy-Hb, vùng vận động não (motor cortex), biến đổi wavelet, hồi quy đa thức, và mối quan hệ sinh lý giữa hoạt động cơ hàm và lực cánh tay.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ 5 đối tượng khỏe mạnh, sử dụng máy fNIRS FOIRE-3000 của Shimadzu (Nhật Bản) với 24 kênh đo trên bán cầu não trái, vùng điều khiển vận động tay phải và cắn bằng hàm trái. Chu kỳ lấy mẫu là 0,130 giây, tổng thời gian đo mỗi lần là 50 giây, bao gồm 20 giây nghỉ, 10 giây hoạt động cắn và nâng tạ, và 20 giây nghỉ tiếp theo.

  • Phương pháp phân tích: Tín hiệu Oxy-Hb được tiền xử lý bằng bộ lọc Savitzky-Golay (cửa sổ 11, đa thức bậc 3) để loại bỏ nhiễu. Sau đó, áp dụng biến đổi wavelet rời rạc để phân tích thành phần tần số và đặt ngưỡng nhằm xác định các kênh tích cực trong vùng vận động. Thuật toán giao được sử dụng để xác định vùng vận động chung cho các hoạt động cắn và nâng tạ. Cuối cùng, hồi quy đa thức được thực hiện trên tín hiệu đã xử lý để tính diện tích vùng vận động, từ đó xác định mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu diễn ra trong giai đoạn 2012-2014, với các bước thí nghiệm, xử lý tín hiệu, phân tích hồi quy và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định vùng vận động não: Qua xử lý tín hiệu Oxy-Hb bằng bộ lọc Savitzky-Golay và biến đổi wavelet, các kênh tích cực tập trung chủ yếu tại vùng vận động não trái, phản ánh chính xác hoạt động cắn và nâng tạ. Số lượng kênh tích cực thay đổi theo mức độ hoạt động, ví dụ khi nâng tạ 4 kg, số kênh tích cực trung bình là khoảng 12-15 trên tổng số 24 kênh.

  2. Ảnh hưởng của độ lệch quai hàm đến lực cánh tay: Kết quả hồi quy đa thức trên diện tích vùng vận động cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa độ lệch quai hàm (đo bằng mm) và lực cánh tay (đo bằng kg). Khi độ lệch quai hàm tăng, lực cánh tay giảm tương ứng, với mức giảm khoảng 10-15% lực cánh tay khi lệch quai hàm tăng từ 0 đến 3 mm.

  3. Tác động của hoạt động cắn: So sánh diện tích vùng vận động giữa các trường hợp cắn và không cắn cho thấy diện tích vùng vận động giảm trung bình 8-12% khi đối tượng cắn miếng đệm, đồng thời lực cánh tay cũng giảm tương ứng. Điều này chứng tỏ hoạt động cắn ảnh hưởng đến khả năng vận động và sức mạnh của cánh tay.

  4. Độ tin cậy của phương pháp: Phân tích dữ liệu từ 5 đối tượng cho thấy phương pháp xử lý tín hiệu và hồi quy đa thức có độ chính xác cao, với sai số trung bình dưới 5% trong việc xác định mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay có thể giải thích bởi sự liên kết thần kinh giữa vùng vận động não điều khiển cơ hàm và cơ tay. Khi lệch quai hàm xảy ra, sự kích thích thần kinh tại vùng vận động não bị ảnh hưởng, dẫn đến giảm hiệu quả vận động và lực cơ tay. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của mất cân bằng cơ hàm đến sức mạnh vận động chi trên.

So sánh với các nghiên cứu khác, phương pháp sử dụng fNIRS kết hợp biến đổi wavelet và hồi quy đa thức cho phép xác định vùng vận động và mối quan hệ sinh lý một cách chính xác và không xâm lấn, vượt trội hơn so với các phương pháp EEG hoặc MRI về tính tiện dụng và chi phí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diện tích vùng vận động theo từng mức độ lệch quai hàm và lực cánh tay, hoặc bảng tổng hợp số kênh tích cực tương ứng với các hoạt động cắn và nâng tạ, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống chẩn đoán lệch quai hàm dựa trên fNIRS: Áp dụng giải thuật phân tích tín hiệu Oxy-Hb và hồi quy đa thức để xây dựng công cụ hỗ trợ chẩn đoán sớm các bệnh lý liên quan đến lệch quai hàm và suy giảm lực cánh tay. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu y sinh và bệnh viện chuyên khoa.

  2. Ứng dụng trong phục hồi chức năng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế các bài tập phục hồi chức năng cơ hàm và cánh tay, nhằm cải thiện sức mạnh vận động cho bệnh nhân. Giải pháp này cần được triển khai trong các trung tâm vật lý trị liệu với thời gian 6-12 tháng.

  3. Mở rộng nghiên cứu với nhóm đối tượng đa dạng: Tiến hành khảo sát trên nhóm bệnh nhân có các mức độ lệch quai hàm khác nhau và các đối tượng có bệnh lý vận động để hoàn thiện mô hình và tăng tính ứng dụng thực tiễn. Thời gian nghiên cứu mở rộng khoảng 2-3 năm.

  4. Tích hợp công nghệ fNIRS với các thiết bị y tế khác: Kết hợp fNIRS với điện cơ đồ (EMG) hoặc MRI để nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán và theo dõi điều trị. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu công nghệ y sinh, thời gian thực hiện 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu y sinh và kỹ thuật điện tử: Luận văn cung cấp phương pháp xử lý tín hiệu fNIRS và ứng dụng hồi quy đa thức, giúp phát triển các công nghệ đo lường và phân tích tín hiệu não.

  2. Bác sĩ chuyên khoa thần kinh và phục hồi chức năng: Thông tin về mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay hỗ trợ trong chẩn đoán và xây dựng phác đồ điều trị cho bệnh nhân.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật y sinh, điện tử: Tài liệu chi tiết về kỹ thuật thu thập và xử lý tín hiệu não, cũng như ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu khoa học.

  4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển thiết bị y tế: Cơ sở để phát triển các thiết bị chẩn đoán không xâm lấn dựa trên fNIRS, mở rộng ứng dụng trong y học hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. fNIRS là gì và ưu điểm của nó so với các phương pháp khác?
    fNIRS là kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại chức năng dùng để đo sự thay đổi oxy-hemoglobin trên vỏ não. Ưu điểm là không xâm lấn, chi phí thấp, dễ sử dụng và có thể đo liên tục trong môi trường thực nghiệm.

  2. Tại sao chọn bộ lọc Savitzky-Golay để xử lý tín hiệu?
    Bộ lọc này giúp làm mượt tín hiệu mà không làm mất các đặc trưng quan trọng, phù hợp với tín hiệu sinh học có nhiều nhiễu như fNIRS. Ví dụ, cửa sổ 11 điểm và đa thức bậc 3 cho kết quả làm phẳng tốt.

  3. Biến đổi wavelet có vai trò gì trong phân tích tín hiệu?
    Biến đổi wavelet phân tích tín hiệu theo thời gian và tần số, giúp phát hiện các đặc trưng tín hiệu thay đổi nhanh và không tuần hoàn, phù hợp với tín hiệu não phức tạp.

  4. Mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay được xác định như thế nào?
    Dựa trên diện tích vùng vận động não tính từ tín hiệu Oxy-Hb đã xử lý, hồi quy đa thức cho thấy khi lệch quai hàm tăng, lực cánh tay giảm tương ứng, phản ánh sự ảnh hưởng thần kinh cơ.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho bệnh nhân không?
    Hiện nghiên cứu thực hiện trên nhóm đối tượng khỏe mạnh, tuy nhiên phương pháp có tiềm năng ứng dụng cho bệnh nhân lệch quai hàm và rối loạn vận động, cần nghiên cứu mở rộng để xác nhận.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công giải thuật xử lý tín hiệu Oxy-Hb bằng bộ lọc Savitzky-Golay và biến đổi wavelet rời rạc để xác định vùng vận động não trong hoạt động cắn và nâng tạ.
  • Xác định được mối quan hệ tuyến tính giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa trên diện tích vùng vận động não, với sai số thấp và độ tin cậy cao.
  • Phương pháp fNIRS kết hợp hồi quy đa thức là công cụ hiệu quả, không xâm lấn, có thể ứng dụng trong chẩn đoán và phục hồi chức năng.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển các thiết bị y sinh hỗ trợ chẩn đoán và điều trị các bệnh lý liên quan đến cơ hàm và vận động chi trên.
  • Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu với nhóm bệnh nhân và tích hợp công nghệ đa phương pháp để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai nghiên cứu mở rộng trong 2-3 năm tới, đồng thời phối hợp với các trung tâm y tế để ứng dụng thực tiễn. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia y sinh quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển công nghệ và ứng dụng lâm sàng.