Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Tín Hiệu Oxy Hb Trong Não Người

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phân tích tín hiệu oxy hb trong não người để xác định mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Hà Văn Đạo
• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Đại Học Quốc Tế, Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Phân tích tín hiệu Oxy-Hb trong não người để nghiên cứu mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay.
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.3. Một số kết quả nghiên cứu đã công bố
• 1.4. Mục đích của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Phương pháp tái tạo hình ảnh và tín hiệu não người
• 2.2. Phương pháp điện não đồ (EEG)
• 2.3. Phương pháp chụp cộng hưởng từ
• 2.4. Phương pháp chụp cắt lớp
• 2.5. Phương pháp chụp Positron cắt lớp
• 2.6. Phương pháp quang phổ cận hồng ngoại - fNIRS
• 2.7. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu và cách thu thập dữ liệu fNIRS
• 2.7.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu
• 2.7.2. Thu thập dữ liệu fNIRS
• 3. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KHU VỰC VẬN ĐỘNG CỦA NÃO BỘ CHO HOẠT ĐỘNG CẮN VÀ NÂNG TẠ
• 3.1. Sơ đồ và chức năng các khối
• 3.2. Chức năng các khối
• 3.3. Tiền xử lý tín hiệu fNIRS. Bộ lọc Savitzky – Golay
• 3.3.1. Dùng bộ lọc Savitzky làm trơn tín hiệu fNIRS
• 3.4. Xử lý tín hiệu fNIRS
• 3.4.1. Biến đổi Wavelet
• 3.4.2. Biến đổi wavelet liên tục
• 3.4.3. Biến đổi wavelet rời rạc
• 3.4.4. Xử lý tín hiệu Oxy-Hb dùng phép biến đổi wavelet rời rạc. Đặt ngưỡng
• 3.5. Thuật toán xác định vùng vận động của não bộ cho hoạt động cắn và nâng tạ
• 4. CHƯƠNG 4: MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ LỆCH QUAI HÀM VÀ LỰC CÁNH TAY
• 4.1. Thuật toán tìm mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay. Hồi quy đa thức vùng vận động
• 4.2. Lý thuyết về hồi quy đa thức. Hồi quy đa thức trên tín hiệu fNIRS
• 4.3. Mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay
• 4.4. Tính diện tích vùng vận động
• 4.5. Mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích tín hiệu oxy Hb trong não người

Phân tích tín hiệu oxy Hb trong não người là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, giúp hiểu rõ hơn về hoạt động não bộ và mối quan hệ giữa các yếu tố sinh lý. Nghiên cứu này sử dụng kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại (fNIRS) để đo lường nồng độ oxy trong máu, từ đó phân tích các hoạt động não liên quan đến các hành động thể chất như cắn và nâng tạ. Việc hiểu rõ về tín hiệu oxy Hb không chỉ giúp trong việc nghiên cứu sinh lý học mà còn có thể ứng dụng trong y học và phục hồi chức năng.

1.1. Tín hiệu oxy Hb và vai trò của nó trong nghiên cứu não

Tín hiệu oxy Hb là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hoạt động não. Khi não hoạt động, nhu cầu oxy tăng lên, dẫn đến sự gia tăng nồng độ oxy Hb. Nghiên cứu cho thấy rằng sự thay đổi này có thể được đo lường và phân tích để hiểu rõ hơn về các chức năng não bộ.

1.2. Kỹ thuật fNIRS và ứng dụng của nó

Kỹ thuật fNIRS là một phương pháp không xâm lấn, cho phép đo lường nồng độ oxy Hb trong não. Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu thần kinh, giúp phát hiện các hoạt động não liên quan đến các hành động thể chất và tâm lý.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay

Mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay là một vấn đề phức tạp trong nghiên cứu sinh lý học. Sự lệch quai hàm có thể ảnh hưởng đến khả năng vận động của cánh tay, dẫn đến những thách thức trong việc xác định mối quan hệ này. Các yếu tố như cấu trúc giải phẫu, sự phát triển cơ bắp và các yếu tố sinh lý khác đều có thể tác động đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cánh tay

Lực cánh tay không chỉ phụ thuộc vào sức mạnh cơ bắp mà còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như tư thế cơ thể, sự phối hợp giữa các nhóm cơ và tình trạng sức khỏe tổng thể. Nghiên cứu cần xem xét các yếu tố này để có cái nhìn toàn diện hơn.

2.2. Thách thức trong việc đo lường và phân tích

Việc đo lường chính xác lực cánh tay và lệch quai hàm là một thách thức lớn. Các phương pháp hiện tại có thể gặp khó khăn trong việc cung cấp dữ liệu chính xác và đáng tin cậy, do đó cần phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác trong nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp hiện đại để phân tích tín hiệu oxy Hb và xác định mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay. Các phương pháp như phân tích wavelet và hồi quy đa thức được sử dụng để xử lý dữ liệu và tìm ra các mối liên hệ giữa các biến số.

3.1. Phân tích tín hiệu oxy Hb bằng phương pháp wavelet

Phân tích wavelet cho phép tách biệt các thành phần tần số khác nhau trong tín hiệu oxy Hb, từ đó giúp xác định các hoạt động não liên quan đến các hành động thể chất. Phương pháp này đã chứng minh hiệu quả trong việc phát hiện các thay đổi nhỏ trong tín hiệu.

3.2. Hồi quy đa thức trong phân tích dữ liệu

Hồi quy đa thức được sử dụng để mô hình hóa mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay. Phương pháp này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng và cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các biến số tương tác với nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy có mối quan hệ rõ ràng giữa lệch quai hàm và lực cánh tay. Sự thay đổi nồng độ oxy Hb trong não liên quan đến các hoạt động cắn và nâng tạ đã được ghi nhận. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu sinh lý học mà còn có thể ứng dụng trong y học và phục hồi chức năng.

4.1. Mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay

Nghiên cứu cho thấy rằng sự lệch quai hàm có thể dẫn đến sự giảm sức mạnh cánh tay bên đối diện. Điều này có thể được giải thích qua các cơ chế sinh lý học và cần được xem xét trong các chương trình phục hồi chức năng.

4.2. Ứng dụng trong y học và phục hồi chức năng

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc phát triển các phương pháp điều trị cho những người gặp vấn đề về lệch quai hàm và sức mạnh cánh tay. Việc hiểu rõ mối quan hệ này sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về phân tích tín hiệu oxy Hb trong não người để nghiên cứu mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực sinh lý học. Các phương pháp hiện đại như fNIRS và phân tích wavelet đã chứng minh hiệu quả trong việc cung cấp dữ liệu chính xác và đáng tin cậy. Hướng phát triển tương lai cần tập trung vào việc cải thiện các phương pháp đo lường và mở rộng ứng dụng của nghiên cứu này.

5.1. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để xác định rõ hơn các yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cánh tay. Việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến phương pháp hiện tại sẽ giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của nghiên cứu.

5.2. Ứng dụng trong thực tiễn và y học

Nghiên cứu này có thể mở ra cơ hội mới trong việc phát triển các phương pháp điều trị cho những người gặp vấn đề về lệch quai hàm và sức mạnh cánh tay. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho nhiều người.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bộ não con người là cơ quan điều khiển trung tâm tinh vi nhất với khối lượng trung bình khoảng 1,4 kg, chứa gần 1.000 tỷ tế bào thần kinh phối hợp chặt chẽ để điều hành toàn bộ hành vi thể chất và nhận thức. Trong y học hiện đại và kỹ thuật y sinh, việc tìm hiểu sự liên kết giữa các vùng chức năng trên vỏ não và hệ thống cơ bắp đóng vai trò then chốt trong chẩn đoán cũng như phục hồi chức năng. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là xác định mối quan hệ tương hỗ giữa sự mất cân bằng cấu trúc cơ xương hàm (độ lệch quai hàm) và khả năng phát lực của hệ vận động chi trên (lực cánh tay). Trong thực tế, các tổn thương lệch khớp cắn thường dẫn đến sự suy giảm sức mạnh cơ bắp đối bên, nhưng cơ chế đáp ứng huyết động học trên vỏ não vận động vẫn chưa được định lượng rõ ràng bằng các phương pháp đo lường không xâm lấn tiện dụng.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là ứng dụng kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại chức năng (fNIRS) 24 kênh để ghi nhận sự biến thiên nồng độ Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb), từ đó xây dựng giải thuật lọc nhiễu, phân tích đặc trưng tần số và hồi quy diện tích nhằm định lượng chính xác tác động của độ lệch quai hàm lên vùng vận động não bộ. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Thành phố Hồ Chí Minh trên nhóm đối tượng thanh niên khỏe mạnh trong khoảng thời gian 50,05 giây cho mỗi chu kỳ vận động kết hợp giữa cắn miếng đệm (độ dày 0 mm, 2 mm, 3 mm) và nâng các mức tạ (từ 0 kg đến 7 kg). Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu sai số nhận dạng tín hiệu vận động xuống dưới 5%, đồng thời cung cấp mô hình toán học thực nghiệm giúp các bác sĩ chuyên khoa và chuyên gia giao diện não - máy tính (BCI) có công cụ định lượng chuẩn xác phản ứng thần kinh trung ương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 nền tảng lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật y sinh và xử lý tín hiệu sinh học:

Lý thuyết quang học mô sinh học và Định luật Beer-Lambert mở rộng: Kỹ thuật fNIRS sử dụng ánh sáng trong dải bước sóng cận hồng ngoại từ 650 nm đến 950 nm có khả năng xuyên qua mô sọ đến độ sâu khoảng 3 cm tại vỏ não. Dựa trên sự hấp thụ quang phổ đặc trưng của Oxy-Hemoglobin (Oxy-Hb) và Deoxy-Hemoglobin (deOxy-Hb), mật độ quang (Optical Density) được tính toán để phản ánh mức độ tập trung huyết động học khi tế bào thần kinh hoạt động.

Lý thuyết liên kết thần kinh - mạch máu (Neurovascular Coupling): Khi một vùng não vận động bị kích thích bởi hoạt động thể chất, lưu lượng máu cục bộ tăng lên nhanh chóng để cung cấp oxy, dẫn đến sự gia tăng đột biến của Oxy-Hb và suy giảm tương ứng của deOxy-Hb.

Các khái niệm chính được sử dụng xuyên suốt bao gồm: Vỏ não vận động (Motor Cortex) tại bán cầu não trái; Giao diện Não - Máy tính (NIRS-BCI); Phân tích đa phân giải Wavelet rời rạc (MRA); Bộ lọc đa thức Savitzky-Golay và Tích phân diện tích đáp ứng huyết động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ hệ thống máy quang phổ cận hồng ngoại chức năng FOIRE-3000 do hãng Shimadzu (Nhật Bản) sản xuất, vận hành ở 3 bước sóng chuyên biệt là 780 nm, 805 nm và 830 nm. Thiết bị được bố trí ma trận đo 4x4 bao gồm 8 nguồn phát quang và 8 đầu thu tạo thành 24 kênh tín hiệu bao phủ toàn bộ vùng điều khiển chuyển động ở bán cầu não trái.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 5 đối tượng khỏe mạnh được tinh lọc kỹ lưỡng từ 10 ứng viên ban đầu thông qua phương pháp chọn mẫu có chủ đích, loại trừ các đối tượng không tuân thủ nghiêm ngặt quy trình đo hoặc bị nhiễu động do căng thẳng cơ học. Lý do lựa chọn cỡ mẫu này là nhằm bảo đảm tính đồng nhất sinh lý tối đa trong điều kiện thí nghiệm kiểm soát nghiêm ngặt.

Giao thức thí nghiệm khối (Block Design) được thiết lập với timeline 50,05 giây mỗi phiên: 20 giây đầu nghỉ ngơi thư giãn, 10 giây tiếp theo thực hiện đồng thời cắn miếng đệm và nâng tạ, 20 giây cuối cùng nghỉ ngơi để tín hiệu trở về trạng thái nền. Chu kỳ lấy mẫu đạt 0,130 giây tương ứng 386 mẫu dữ liệu cho mỗi kênh.

Phương pháp phân tích được lựa chọn gồm 3 bước logic:

• Tiền xử lý: Sử dụng bộ lọc làm mịn đa thức Savitzky-Golay (kích thước khung cửa sổ n = 11, bậc đa thức M = 3) để loại bỏ nhiễu sinh lý tần số cao (nhịp tim, nhịp thở) mà vẫn bảo toàn đỉnh sóng huyết động.
• Trích xuất đặc trưng: Áp dụng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) với họ Wavelet Biorthogonal (bior5.5) tại mức phân giải 6 kết hợp thuật toán ngưỡng thích nghi nhằm chọn lọc 6 đến 10 kênh tích cực nhất trong 24 kênh đo.
• Định lượng tương quan: Thực hiện hồi quy đa thức bậc cao (từ bậc 3 đến bậc 20) trên tín hiệu Oxy-Hb làm phẳng và tính tích phân diện tích vùng vận động để so sánh định lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu thực nghiệm từ 24 kênh quang phổ cận hồng ngoại đã đem lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Hiệu quả lọc nhiễu vượt trội của cấu hình Savitzky-Golay: Với cửa sổ n = 11 và bậc đa thức M = 3, thuật toán đã triệt tiêu hơn 85% các thành phần gai nhiễu đột biến, duy trì dạng sóng mượt mà của Oxy-Hb trong khoảng thời gian kích hoạt 10 giây tốt hơn hẳn so với các cấu hình cửa sổ n = 17 hoặc n = 7.

Xác định chính xác kênh kích hoạt vận động qua Wavelet bior5.5: Biến đổi Wavelet tại mức phân tích thứ 6 với họ bior5.5 cho độ ổn định dạng sóng cao nhất so với họ Daubechies (db13) và Symlets (sym7), giúp phân tách rõ ràng dải tần số thấp mang thông tin huyết động và tự động định vị từ 6 đến 10 kênh tích cực trong khu vực vỏ não vận động.

Độ trễ sinh học của tín hiệu Oxy-Hb: Kết quả đo thực tế cho thấy nồng độ Oxy-Hb không tăng ngay lập tức tại giây thứ 20 mà có độ trễ sinh học rõ rệt. Vùng đáp ứng huyết động thực tế xuất hiện tập trung trong khoảng từ mẫu thứ 151 đến mẫu thứ 280 (tương đương mốc thời gian từ 19,58 giây đến 36,31 giây), phản ánh đúng thời gian trễ của dòng máu cục bộ.

Mối tương quan tuyến tính nghịch giữa độ lệch quai hàm và năng lượng kích hoạt não bộ: Khi nâng mức tải từ 4 kg lên 7 kg ở trạng thái bình thường (không cắn đệm), diện tích tích phân Oxy-Hb tăng dần từ 15% đến 35%. Tuy nhiên, khi chèn miếng đệm gây lệch quai hàm 2 mm và 3 mm, diện tích đáp ứng huyết động vùng vận động bị suy giảm tương ứng từ 18% đến 32%, kéo theo sự suy giảm rõ rệt lực nâng của cánh tay.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng suy giảm diện tích Oxy-Hb khi quai hàm bị lệch có thể giải thích qua cơ chế tương tác ức chế thần kinh trung ương. Dây thần kinh sinh ba (Trigeminal nerve) từ cơ hàm truyền tín hiệu căng thẳng bất thường về thân não, gây cản trở đường dẫn truyền vỏ não - tủy sống (Corticospinal tract) điều khiển cánh tay đối bên. Khi đối tượng cắn miếng đệm không cân bằng, vỏ não vận động phải phân tán tài nguyên để điều chỉnh cân bằng cơ mặt, làm giảm lưu lượng máu và mức tiêu thụ oxy tập trung cho nhiệm vụ nâng tạ.

So sánh với các công trình nghiên cứu sử dụng tín hiệu điện cơ (EMG) trước đây của các tác giả quốc tế, kết quả của luận văn hoàn toàn tương đồng về mặt kết luận sinh cơ học nhưng vượt trội hơn nhờ cung cấp bằng chứng huyết động học trực tiếp từ bên trong vỏ não mà không bị ảnh hưởng bởi mồ hôi hay nhiễu điện cực da.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua các đồ thị phân tách đa mức Wavelet và bảng ma trận diện tích đường cong hồi quy đa thức. Khi quan sát biểu đồ không gian 2D của 24 kênh đo, các kênh trung tâm như kênh 1, kênh 2, kênh 3, kênh 22, kênh 23 và kênh 24 thể hiện rõ nét sự co cụm của biên độ Oxy-Hb khi độ dày miếng đệm tăng từ 0 mm lên 3 mm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm và thuật toán đã xây dựng, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể:

Thứ nhất, tích hợp module lọc Savitzky-Golay (n = 11, M = 3) và biến đổi Wavelet bior5.5 vào các phần mềm phân tích fNIRS trực tuyến. Đội ngũ kỹ sư y sinh cần tối ưu hóa mã nguồn thuật toán nhằm giảm độ trễ xử lý dữ liệu xuống dưới 50 mili-giây, hoàn thành triển khai thử nghiệm trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, ứng dụng phương pháp đo diện tích Oxy-Hb vào quy trình chẩn đoán lâm sàng tại các bệnh viện Răng Hàm Mặt và trung tâm chỉnh hình. Bác sĩ chuyên khoa cần đưa chỉ số fNIRS vào đánh giá trước và sau phẫu thuật điều chỉnh khớp cắn, hướng tới mục tiêu phục hồi 90% cân bằng lực cơ cánh tay cho bệnh nhân sau 3 tháng can thiệp.

Thứ ba, phát triển các hệ thống giao diện Não - Máy tính (BCI) điều khiển chi giả dựa trên tín hiệu quang phổ hồng ngoại. Các nhóm nghiên cứu BCI cần áp dụng thuật toán hồi quy đa thức kết hợp ngưỡng thích nghi để tăng độ chính xác nhận dạng lệnh vận động đạt mức trên 95% trong lộ trình 12 tháng.

Thứ tư, mở rộng giao thức nghiên cứu đa trung tâm với cỡ mẫu từ 50 đến 100 người bao gồm cả đối tượng bệnh lý lệch khớp cắn thực tế và vận động viên chuyên nghiệp. Các trường đại học khối kỹ thuật y sinh cần chủ trì liên kết với các viện phục hồi chức năng để thiết lập bộ chỉ số chuẩn quốc gia trong vòng 18 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Nắm bắt phương pháp xử lý tín hiệu không xâm lấn fNIRS, kỹ thuật lọc thích nghi đa thức và giải thuật phân tách đa phân giải Wavelet ứng dụng trên tín hiệu huyết động học thực tế.

Bác sĩ chuyên khoa Răng Hàm Mặt, Cơ Xương Khớp và Phục hồi Chức năng: Tham khảo cơ sở sinh lý thần kinh và bằng chứng định lượng về sự liên kết giữa sai lệch khớp cắn với suy giảm trương lực cơ ngoại vi để ứng dụng vào phác đồ điều trị chỉnh nha toàn diện.

Kỹ sư phát triển hệ thống Y tế thông minh và Giao diện Não - Máy tính (BCI): Khai thác cấu trúc thuật toán đặt ngưỡng và hồi quy đa thức 24 kênh để thiết kế các bộ giải mã tín hiệu thần kinh thời gian thực cho thiết bị hỗ trợ người khuyết tật.

Huấn luyện viên thể thao đỉnh cao và chuyên gia Khoa học Vận động: Áp dụng kiến thức về cân bằng khớp cắn để tối ưu hóa tư thế hàm cho vận động viên cử tạ, bắn súng và võ thuật nhằm tối đa hóa hiệu suất sinh lực chi trên.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại (fNIRS) có ưu thế gì so với điện não đồ (EEG) và cộng hưởng từ chức năng (fMRI)? fNIRS cung cấp độ phân giải không gian vượt trội so với EEG và ít bị nhiễu do cử động cơ mặt khi đối tượng thực hiện động tác cắn hoặc nâng tải. So với fMRI, máy fNIRS FOIRE-3000 nhỏ gọn, chi phí vận hành thấp, cho phép đối tượng ngồi thực hiện vận động tự nhiên trong thời gian thực.

Tại sao bộ lọc Savitzky-Golay với cửa sổ 11 và bậc 3 lại được lựa chọn để làm phẳng tín hiệu Oxy-Hb? Bộ lọc Savitzky-Golay bảo toàn biên độ cực đại và độ rộng của đỉnh sóng huyết động tốt hơn các bộ lọc trung bình trượt thông thường. Thực nghiệm trên 386 mẫu cho thấy cấu hình n = 11, M = 3 loại bỏ triệt để nhiễu tần số cao mà không làm méo mó các đặc trưng vận động.

Họ Wavelet Biorthogonal (bior5.5) đóng vai trò gì trong việc xác định vùng vận động não bộ? Họ bior5.5 sở hữu tính đối xứng và đặc tính pha tuyến tính giúp tái tạo dạng sóng Oxy-Hb mượt mà và ổn định nhất ở mức phân giải 6. Thuật toán giúp trích xuất chính xác các thành phần xấp xỉ tần số thấp, hỗ trợ lọc bỏ các kênh không hoạt động trong 24 kênh đo.

Lệch quai hàm 3 mm làm suy giảm lực cánh tay như thế nào theo kết quả đo tín hiệu não? Độ lệch quai hàm 3 mm gây ức chế phản xạ thần kinh điều khiển, làm giảm từ 18% đến 32% diện tích tích phân Oxy-Hb tại vùng vận động bán cầu não trái. Sự suy giảm lưu lượng máu này tương ứng trực tiếp với hiện tượng mất sức mạnh cơ bắp cánh tay khi nâng mức tạ 4 kg đến 7 kg.

Ý nghĩa của việc tính diện tích đường cong hồi quy Oxy-Hb là gì? Diện tích tích phân phản ánh tổng năng lượng và mức tiêu thụ oxy của các nơ-ron tại vùng vỏ não vận động trong suốt chu kỳ kích hoạt 10 giây. Chỉ số diện tích giúp lượng hóa chính xác mức độ tham gia của não bộ thay vì chỉ dựa vào biên độ tức thời dễ bị sai lệch.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình xử lý tín hiệu fNIRS 24 kênh hoàn chỉnh, kết hợp bộ lọc Savitzky-Golay và biến đổi Wavelet bior5.5 ở mức phân tích thứ 6.
• Định vị chính xác vùng vỏ não vận động tích cực tại bán cầu trái với khoảng 6 đến 10 kênh trọng điểm chịu trách nhiệm điều phối hoạt động cắn và nâng tải.
• Chứng minh định lượng sự suy giảm diện tích nồng độ Oxy-Hb từ 18% đến 32% khi độ lệch quai hàm tăng từ 0 mm lên 3 mm trong các bài kiểm tra nâng tải từ 4 kg đến 7 kg.
• Đóng góp giải thuật hồi quy đa thức thích nghi giúp nâng cao độ tin cậy trong phân tích tín hiệu huyết động học thần kinh không xâm lấn.
• Mở ra hướng nghiên cứu liên ngành giá trị cao giữa chẩn đoán chỉnh hình nha khoa, kỹ thuật y sinh và hệ thống giao diện não - máy tính BCI.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ hoàn thiện thuật toán xử lý dữ liệu trực tuyến thời gian thực và tích hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) nhằm tự động hóa quy trình phân loại trạng thái vận động. Đề tài mở ra tiềm năng hợp tác sâu rộng với các cơ sở y tế chuyên khoa để thử nghiệm lâm sàng trên quy mô lớn, góp phần nâng cao chất lượng điều trị và chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan , chương này trình bày khát quát về lĩnh vực nghiên cứu, các tóm tắt kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Cũng như giới thiệu được ý nghĩa, mục đích, giới hạn và phương pháp thực hiện của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết, trình bày cơ sở lý thuyết về một số phương pháp thu thập tín hiệu và hình ảnh não như: EEG, MRI, PET và fNIRS. Đồng thời giới thiệu cách thu thập tín hiệu Oxy-Hb bằng máy fNIRS hiệu FOIRE-3000.

Chương 3 giới thiệu về cách xử lý tín hiệu Oxy-Hb: Làm phẳng tín hiệu bằng bộ lọc Savitzky – Golay, phân tích lấy các thành phần xấp xỉ bằng biến đổi Wavelet rời rạc, sau đó áp dụng thuật toán ngưỡng để tìm những kênh tích cực của hoạt động. Thực hiện phép giao giữa các hoạt động của các đối tượng tìm ra vùng vận động cho hoạt động cắn và nâng tạ của nhóm đối tượng nghiên cứu. Chương 4 trình bày hồi quy đa thức, tính diện tích trung bình vùng vận động của từng đối tượng, của nhóm đối tượng. Dựa vào diện tích khu vực này xác định mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay.

Chương 5 là phần kết luận và hướng phát triển của đề tài. Trang 7 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Các phương pháp tái hiện hình ảnh và tín hiệu não người 2. Phương pháp điện não đồ (EEG) EEG (Electroencephalography) - điện não đồ là một phương pháp ghi lại các hoạt động về điện trên da đầu của người.

Phương pháp này đo sự thay đổi điện áp do việc di chuyển của các hạt điện tích bên trong các nơ- ron của não. Tín hiệu EEG trên người đã được tìm ra bởi Hans Berger (1873 - 1941). Bài báo đầu tiên vào năm 1929 của Berger cho thấy sự tồn tại của sóng alpha như là một thành phần chủ yếu trong tín hiệu EEG. Việc nạp điện áp trên não được duy trì bởi hàng tỷ nơ-ron.

Các nơ-ron nạp điện bởi các màng vận chuyển protein bằng cách bơm ion vào màng của chúng. Các nơ-ron thường xuyên trao đổi ion với ngoại bào, tạo nên một quá trình liên tục bằng cách đẩy ion từ nơ-ron này đến nơ-ron khác như một sóng điện. Khi các sóng ion này tiến đến các điện cực trên da đầu, chúng có thể đẩy và kéo electron trên kim loại của điện cực. Vì kim loại có thể đẩy và kéo electron một cách dễ dàng nên sự khác nhau giữa điện áp kéo và đẩy của bất kỳ cặp cực nào cũng sẽ được ghi nhận.

Các giá trị điện áp được ghi nhận theo thời gian này chính là tín hiệu EEG. Bố trí điện cực trong phép đo EEG 2. Phương pháp chụp cộng hưởng từ ( MRI: Magnetic Resonance Imaging) Chụp cộng hưởng từ hay MRI là một kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio. Phương pháp này không sử dụng tia X và an toàn cho bệnh nhân.

Máy chụp cộng hưởng từ xem hình Trang 8 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.2, đây là một thiết bị nhạy cảm và đa năng giúp ta thấy hình ảnh các lớp cắt của các bộ phận cơ thể từ nhiều góc độ trong khoảng một thời gian ngắn. Máy chụp cộng hưởng từ Chụp cộng hưởng từ là một kỹ thuật nhanh, gọn không gây ảnh hưởng phụ, là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện đại, hiệu quả và phổ biến trên thế giới. Ngày nay, MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể. Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị trong việc chụp ảnh chi tiết não hoặc dây cột sống.

Kể từ khi MRI mang lại những hình ảnh 3 chiều, bác sĩ có thể nắm được thông tin về địa điểm thương tổn. Những thông tin như vậy rất có giá trị trước khi phẫu thuật chẳng hạn như tiểu phẫu não. Nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân được Felix Bloch và Edward Purcell phát hiện vào năm 1946, cộng hưởng từ được ứng dụng rộng rãi từ năm 1950. Năm 1952, hai nhà vật lý Felix Bloch và Edward Purcell được trao giải Nobel Vật lý nhờ sự phát hiện và ứng dụng cộng hưởng từ.

Năm 1980, chiếc máy cộng hưởng từ đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động để tạo ảnh cơ thể người. Năm 1987, MRI được ứng dụng trong chẩn đoán các bệnh lý tim mạch bằng kỹ thuật cardiac MRI. Năm 1993, ứng dụng MRI để chẩn đoán các bệnh lý não thần kinh. Ngày nay, kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) đã trở thành phổ biến trong y học chẩn đoán hình ảnh trên thế giới cũng như tại các bệnh viện lớn của Việt nam.

Trang 9 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Tạo ảnh bằng MRI không gây tác dụng phụ như trong tạo ảnh bằng chụp X quang thường quy và chụp CT. Không phát ra các bức xạ gây nguy hiểm cho con người. Trên ảnh cộng hưởng từ phát hiện những u có tỷ trọng thấp hơn đối với các tổ chức não, mà trên ảnh chụp cắt lớp vi tính không phát hiện được. Phương pháp chụp cắt lớp (CT: Computed Tomography) Kỹ thuật chụp này là CT Scanner, có nghĩa là kỹ thuật chụp quét định khu vi tính hoá.

Nói một cách dễ hiểu hơn, đây là kỹ thuật dùng nhiều tia X quang quét lên một khu vực của cơ thể theo lát cắt ngang phối hợp với xử lý bằng máy vi tính để được một hình ảnh 2 chiều hoặc 3 chiều bộ phận cần chụp. Máy CT Scanner So với kỹ thuật chụp X quang trước đây, CT Scanner là một thành tựu vượt bậc trong chẩn đoán hình ảnh giúp ích đắc lực cho thầy thuốc trong chẩn đoán, tiên lượng bệnh và do đó mang lại lợi ích không cần bàn cãi cho người bệnh. Ngành y tế nước ta đã mau chóng đầu tư trang bị máy và đào tạo nhân lực đủ trình độ để đáp ứng đòi hỏi nâng cao chất lượng chẩn đoán. Các kỹ thuật điện quang đã góp phần quan trọng giúp thầy thuốc không chỉ đoán bệnh chính xác mà còn đánh giá được mức độ nặng nhẹ, tiến triển của bệnh để chủ động tìm ra cách chữa tốt nhất.

Một điều rất đáng quan tâm là khi chụp cắt lớp, người bệnh phải chịu một lượng tia X quang nhiều gấp hàng chục lần chụp thông thường, rất có hại đến sức khoẻ, đặc biệt là đối với sản phụ và trẻ em. Vì vậy, cũng như mọi phương tiện khác chụp CT Scanner không phải cây đũa thần cho tất cả các bệnh, nó chỉ thực sự cần thiết khi bệnh nhân biết sử dụng đúng dịch vụ y tế và khi thầy thuốc chỉ định đúng. Trang 10 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Các đầu dò kích thước nhỏ bên trong máy CT scanner có nhiệm vụ đo đạc số lượng tia x đi xuyên qua bộ phận cơ thể của bệnh nhân cần được khảo sát. Một máy tính thu thập những thông tin này và sử dụng chúng để tạo ra các hình ảnh riêng biệt, được gọi là những "lát cắt".

Những hình ảnh này có thể được lưu trữ, xem trên màn hình hoặc in ra thành phim. Có thể tạo nên các hình ảnh ba chiều của cơ quan trong cơ thể bệnh nhân bằng cách sắp xếp từng lát cắt riêng lẻ lại với nhau. Chất cảm quang được tiêm qua đường tĩnh mạch có thể khiến cho bệnh nhân có cảm giác hơi rát bỏng, cảm giác hơi ấm toàn thân. Các cảm giác này là bình thường và sẽ khỏi trong vòng vài giây.

Phương pháp chụp Positron cắt lớp (PET: Positron emission tomography) Chụp Positron cắt lớp hay còn gọi là PET hoặc PET-SCAN hay PET-CT là một kỹ thuật chẩn đoán trong chuyên ngành chẩn đoán hình ảnh y học, cho phép đánh giá chức năng sinh học của một số cơ quan nội tạng và chẩn đoán bệnh. Đây là điểm cực kỳ khác biệt so với các thiết bị chẩn đoán khác như cộng hưởng từ (MRI) hay chụp cắt lớp (CT) thường được dùng để nhận diện các bệnh lý và các bệnh cảnh ở giai đoạn chớm của bệnh thông qua việc phát hiện cấu trúc hay những thay đổi về kết cấu tổ chức của cơ thể. Chẩn đoán hình ảnh bằng PET hiệu quả và ưu việt hơn trong việc xác định giai đoạn và đánh giá chuyển đoạn của các bệnh ung thư, phát hiện tái phát cũng như việc đánh giá theo dõi các đáp ứng cơ thể đối với điều trị. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị chẩn đoán hình ảnh hợp nhất thế hệ thứ 2 cho phép kết hợp hai hệ thống hình ảnh PET/CT.

Điều này giúp cho các bác sĩ có thể có được những thông tin về chuyển hóa và cấu trúc liên quan đến căn bệnh chỉ với một hình ảnh PET/CT. RadLink là nơi đầu tiên ở Singapore sử dụng hệ thống chụp cắt lớp kết hợp PET/CT 64 lát cắt có chức năng ―Time-of-Flight‖. Hệ thống chụp ảnh PET/CT cực kỳ hiện đại với kỹ thuật ―Time-of-Flight‖ này giúp cải thiện chất lượng hình ảnh bằng cách giảm tiếng ồn và cho hình ảnh có độ nhạy cao. Chức năng này còn có những lợi điểm khác như giảm bớt liều lượng phóng xạ, thời gian chụp ngắn hơn và Trang 11 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết chất lượng hình ảnh được cải thiện tốt hơn.

Một hình ảnh PET/CT có thể thay thế nhiều phép chẩn đoán hình ảnh y khoa khác chỉ với một lần chụp. Máy chụp Positron cắt lớp Ứng dụng PET trong l ĩnh vực nghiên cứu phát minh dược phẩm nhằm đánh giá sự phân phối thuốc trong cơ thể và đo lường những thay đổi của thuốc trong lưu lươ ̣ng máu cũng như mức độ đính kết với thụ thể. Sự đánh dấ u các đồng vị phóng xạ PET vào phân tử của dược phẩm được khảo sát cho phép PET theo dõi các tác đô ̣ng của thuốc sau khi vào cơ thể : thuốc sẽ đến đâu và đính kết vào chỗ nào, thuốc có ảnh hưởng gì đến các mô cơ hay nói chung thuốc h oạt động tốt như thế nào. Các dươ ̣c phẩ m có phân tử phóng xa ̣ trong công thức , về phương diê ̣n sinh lý hóa , khi vào trong cơ thể sẽ có cùng một tác d ụng như những dươ ̣c phẩ m tương đương không có chấ t phóng xa ̣.

Gần đây việc phát minh các máy chụp PET với độ phân giải cao có khả năng chụp hình những thú vật nhỏ đã giúp những thử nghiệm lâm sàng của các dược phẩm nghiên cứu trên súc vật trở nên chính xác và nhanh chóng hơn. Tóm lại, kỹ thuật PET đã cải thiện và rút ngắn thời gian thử nghiệm lâm sàng trên súc vật và con người .