Chương 1 sẽ trình bày về các phương pháp đo tín hiệu từ não bộ, cơ sở khoa học để làm rõ lý do và ưu điểm, hạn chế của tín hiệu điện não so với các phương pháp khác. Qua các phân tích, đánh giá và cơ sở khoa học được trình bày sẽ cho thấy 20 một tiềm năng to lớn trong việc nghiên cứu tín hiệu điện não, phát triển hệ BCI, hứa hẹn sẽ đem đến những phát kiến khoa học có giá trị theo hướng nghiên cứu này trong các lĩnh vực y tế, điều khiển, trị liệu….Một số phương pháp phân tích, xử lý tín hiệu trong đó có các phương pháp nền tảng như biến đổi wavelet, phân tích thành phần độc lập, mạng nơ-ron wavelet, phương pháp hiển thị hình ảnh LORETA… sẽ được trình bày để làm cơ sở cho các phương pháp được đề xuất, phát triển ở các chương tiếp theo của luận án. Tín hiệu điện não và phương pháp đo tín hiệu từ não bộ 2. Các phương pháp đo tín hiệu từ não bộ 2.
Chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng Phương pháp chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng (Functional Near- Infrared Spectroscopy - fNIRS) cho phép đo dữ liệu về oxi trên vỏ não và lưu lượng máu trên các vùng của não mà không cần can thiệp xâm lấn [14]. fNIRS được thực hiện dựa trên nguyên lí tia sáng ở phổ cận hồng ngoại với bước sóng từ 700-900 nm bị hấp thụ mạnh bởi hemoglobin (Hb) và deoxygenated-hemoglobin (deoxy-Hb) vốn có trong máu nhưng có thể dễ dàng đi xuyên qua da, xương và các mô tế bào. fNIRS cho phép theo dõi và phát hiện những sự thay đổi mang tính tương đối trong lưu thông máu não dựa trên sự khác biệt về mức độ bị hấp thụ các tia sáng ở phổ cận hồng ngoại này. Tại bước song 810 nm, hệ số hấp thụ của deoxy-Hb and oxy-Hb là giống nhau do đó phương pháp đo tín hiệu não fNIRS thường sử dụng ít nhất hai bước sóng.
Trong đó, có một bước sóng cao hơn 810 nm và bước sóng còn lại sẽ thấp hơn 810 nm. Chứng tỏ được nhiều ưu điểm về độ chính xác và chất lượng của tín hiệu thu được, fNIRS thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới nhưng ở Việt Nam phương pháp này vẫn còn khá mới mẻ. Cản trở lớn nhất của việc nghiên cứu phổ biến fNIRS là ở chi phí sử dụng cao, việc thiết lập hệ thống vẫn còn phức tạp. Ngoài ra fNIRS có một nhược điểm rất lớn là không thể sử dụng để thăm dò 21 hoạt động não ở khu vực sâu hơn 4 cm do những hạn chế trong khả năng phát xạ các tia cận hồng ngoại và giới hạn về độ phân giải trong không gian [14].
Chụp Cộng hưởng từ chức năng Chụp cộng hưởng từ chức năng hay fMRI (Functional magnetic resonance imaging) là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y khoa không xâm lấn dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ cho phép theo dõi sự thay đổi lượng oxy trong máu của não bộ, từ đó có thể phân tích được tình trạng hay hoạt động của hệ thần kinh [15]. Chụp cộng hưởng từ là một kỹ thuật nhanh, gọn, không sử dụng tia X, an toàn cho bệnh nhân và không gây ảnh hưởng phụ. Về cơ bản, fMRI là một phương pháp thu hình ảnh của các cơ quan trong cơ thể sống và quan sát lượng nước bên trong các cấu trúc của các cơ quan. Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên một hiện tượng vật lý là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân.
Phương pháp fMRI gồm 4 giai đoạn là sắp hàng hạt nhân, kích thích hạt nhân, ghi nhân tín hiệu và tạo hình ảnh. Dạng phổ biến nhất của fMRI là BOLD-fMRI (Blood oxygen level dependent fMRI) cho phép xác định dòng máu chứa Oxy tại những vùng khác nhau [16]. Thiết bị đo tín hiệu hình ảnh fMRI thường có kích thướng lớn, cồng kềnh, không di chuyển được và yêu cầu bất động cơ thể người thu tín hiệu. Chụp cắt lớp phát xạ positron Chụp cắt lớp phát xạ positron (Positron Emission Tomography - PET) là kỹ thuật ghi hình y học hạt nhân có thể đánh giá được mức độ chuyển hóa, hoạt động chức năng của các tế bào trong một cơ quan.
PET được sử dụng như phương pháp ghi hình chức năng, ghi hình chuyển hóa hay ghi hình ở mức độ phân tử [17]. Phương pháp PET ghi lại hình ảnh định tính và định lượng trong quá trình sinh - bệnh lý và chuyển hóa của các bệnh lý sử dụng dược chất phóng xạ được đánh dấu. Trong khi đó các phương pháp chẩn đoán hình ảnh cấu trúc, giải phẫu như chụp cắt lớp vi tính (Computed Tomography – CT) hay cộng hưởng từ (fMRI) không thể 22 phát hiện các tế bào ung thư hoặc các tổn thương ở các cơ quan ở giai đoạn sớm (giai đoạn chuyển hóa mức phân tử, tế bào. Chụp Positron cắt lớp cho phép phát hiện nguồn năng lượng được phóng thích bởi các hạt positron vốn là những hạt nhỏ được hình thành khi mà chất đánh dấu phóng xạ bị phá vỡ trong cơ thể.
Tia gamma được sinh ra khi các hạt positron bị phá vỡ và sẽ được phát hiện bởi máy quét tạo nên hình ảnh không gian 3 chiều. Hình ảnh thu được cho thấy các cơ quan trong cơ thể hoạt động bình thường hay bất thường. Cũng giống như fMRI, thiết bị chụp PET thường có kích thướng lớn, cồng kềnh, không di chuyển được và yêu cầu bất động cơ thể người thu tín hiệu. Ngoài ra việc đưa chất đánh dấu trong phức hợp đánh dấu phóng xạ vào cơ thể người cũng có thể gây ra các tác dụng phụ không mong muốn.
Từ não đồ Từ trường có thể được phát hiện ở bất cứ nơi nào có sự biến thiên của điện trường. Từ não đồ MEG là một kỹ thuật thần kinh chức năng cho phép lập bản đồ hoạt động của não bằng cách ghi nhận từ trường sinh ra bởi dòng điện sinh học, có giá trị rất nhỏ, gây ra do hoạt động của các tế bào thần kinh. MEG là một phương pháp không xâm lấn cho phép đo sự thay đổi của trường điện từ dựa trên hoạt động của tế bào thần kinh với độ phân giải cao trong dải giá trị từ femto tesla (10-15T) tới pico tesla (10-12T). Từ trường của trái đất ở cỡ 10-4 đến 10- 5 T.
MEG thường được kết hợp với phương pháp đo tín hiệu hình ảnh cộng hưởng từ MRI, được gọi là phương pháp chẩn đoán hình ảnh dựa trên nguồn từ trường (Magnetic source imaging - MSI) để có được thông tin về cấu trúc não bộ tốt hơn. Khả năng xuyên thấu của từ trường đối với các tế bào sinh học cũng giống hệt như khi xuyên qua các vùng không gian rỗng và từ trường không bị thất thoát và ảnh hưởng khi xuyên qua da đầu hoặc hộp sọ. Để thu được tín hiệu từ não đồ, cần phải giải quyết được hai vấn đề đó là việc ghi nhận giá trị từ trường rất nhỏ phát ra từ não bộ và giảm thiểu ảnh hưởng của từ trường trái đất vốn có giá trị lớn hơn nhiều so với từ não bộ. Kỹ thuật được sử dụng 23 để thu tín hiệu từ não đồ là thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (super-conducting quantum interference detector).
Để duy trì được chất siêu dẫn, môi trường được giữ ổn định ở nhiệt độ rất thât, khoảng 3o C sử dụng dung dịch helium. Như vậy, từ não đồ là phương pháp đo tin hiệu não bộ chứa nhiều thông tin, có độ phân giải và chất lượng tốt nhưng sử dụng thiết bị khá cồng kềnh, công nghệ phức tạp, không di chuyển được và giá thành đắt. Điện não đồ xâm lấn Phương pháp electro-corticography (ECoG) là một phương pháp xâm lấn, dùng phẫu thuật mở hộp sọ để đặt các điện cực trực tiếp lên bề mặt não bộ nhằm ghi lại các hoạt động điện của não [10]. Trong kĩ thuật ECoG, thường dùng các bộ điện cực vô trùng được chế tạo từ thép không gỉ, bạch kim hoặc hợp kim của vàng.
Các điện cực thường có đường kính 5 mm được đặt trên lưới điện cực trong suốt với khoảng cách tiêu chuẩn giữ hai điện cực là 1 cm và được đánh số thứ tự. Các điện cực được thiết kế một cách linh hoạt để không gây tổn thương não trong những chuyển động nhỏ và được đặt để tiếp xúc trực tiếp trên bề mặt não nhưng không làm tổn thương các tế bào thần kinh. Do tín hiệu điện não không bị suy hao qua hộp sọ, phương pháp ECoG cho tín hiệu có độ phân giải không gian cao hơn nhiều so với EEG. Thiết bị ghi, cụ thể là điện cực và cách đặt điện cực ảnh hưởng lớn đến độ phân giải không gian của kĩ thuật ECoG.
Ngoài các bộ điện cực đặt theo dải hoặc lưới điện cực trên bề mặt não, người ta còn có thể sử dụng các mảng vi điện cực Utah hoặc điện cực sâu được đặt ở hồi hải mã và hạch hạnh nhân. Do đặt điện cực trực tiếp lên bề mặt não, tín hiệu điện não thu được bằng kĩ thuật này không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu điện cơ EMG và tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG vốn tác động rất mạnh tới chất lượng tín hiệu điện não thu được bởi phương pháp điện não đồ. Tuy có nhiều ưu điểm về chất lượng tín hiệu nhưng do là một kĩ thuật xâm lấn đòi hỏi phẫu thuật nên ECoG nên việc chuẩn bị và tiến hành kĩ thuật này là phức tạp hơn rất nhiều so với các kĩ 24 thuật khác, do đó ECoG phần lớn được chỉ định trong điều trị y học nhiều hơn là trong nghiên cứu. Tín hiệu điện não và các vấn đề liên quan Tín hiệu điện não, được dùng để chẩn đoán y khoa các bệnh liên quan đến thần kinh trong đó có bệnh động kinh, là tín hiệu điện sinh học thu được từ cơ thể sống giống như tín hiệu điện tâm đồ, tín hiệu điện cơ.
Mỗi loại tín hiệu điện sinh học khác nhau lại có những cơ chế phát sinh cũng như các phương pháp thu nhận khác nhau. Mục này sẽ trình bày các nguyên lí cơ bản về cách thức bộ não phát sinh ra tín hiệu, phương pháp ghi lại các dạng tín hiệu phát ra từ não, phương pháp xử lí tín hiệu này như thế nào. Một số hệ thống thiết bị dùng để đo điện não EEG [20] MEG, PET, CT và fMRI là các kỹ thuật thu tín hiệu và chẩn đoán hình ảnh đòi hỏi trang thiết bị rất đắt tiền, cồng kềnh, không di chuyển được và yêu cầu người được thu tín hiệu này phải nằm bất động.