Phân tích trạng thái ngủ gật của sinh viên sử dụng tín hiệu điện não đơn kênh

I H C QU C GIA TP.HCM I H C BÁCH KHOA HU NH TH DI M THY PHÂN TÍCH TR NG THÁI NG G T C A SINH VIÊN S D NG TÍN HI Chuyên ngành: V t Lý K Thu t Mã s : 8520401 LU TP H CHÍ MINH, tháng 08 C HỒN THÀNH T I: I H C BÁCH KHOA Cán b -HCM ng d n khoa h c: PGS.TS Hu nh Quang Linh THS Lê Qu c Kh i Cán b nh n xét 1: n Cán b nh n xét 2: TS Tr Lu c b ov t ngày 21 tháng 08 ih 2021 (tr c n) Thành ph n H Ch t ch H m: ng: TS Lý Anh Tú n Trung H u Ph n bi Ph n bi n 2: TS Tr n y viên: TS Tr n Trung Duy Xác nh n c a Ch t ch H ngành sau lu CH T CH H ng Khoa qu n lý chuyên c s a ch a (n u có) NG NG KHOA H C NG D NG - 30/03/1997 Chuyên ngành: - MSHV:1970757 Tây Ninh : 8520401 I II - Tìm hi u tr ng thái ng g t nh ng i v i sinh viên Tìm hi u kênh tín hi n não tr c ti p bi u th m nh tr ng thái ng g t S d ng d li u có s n c a b c ng u kênh ch c u tr ng thái ng g x lý thu t toán Áp d ng quy trình th c nghi t h p so sánh tín hi u v mv an xác th m chuy n giao tr ng thái th c ng So sánh tín hi n não v ng c trình th c nghi m So sánh tín hi i th m chuy n giao tr ng thái th c ng p nh n ngh III : 22/02/2021 IV : 13/06/2021 V THS 21 L IC Trong su t trình h c t p hồn thành lu cs ng h t Tơi xin c t nghi n y cô, b n bè y cô c a Khoa Khoa h c o nhi ng d ng - ih c u ki n cho em h c t u góp ý cho em q trình th c hi n lu Tơi xin g i l i c Qu c Kh i hai gi n PGS.TS Hu nh Quang Linh ThS Lê ng d n lu n ng d n nh ng ki n th c b ích nh ng kinh nghi m quý báu v chuyên em có th th c nghi m hồn thành lu Tơi xin chân thành c u ki n thu n l tơi có th tham gia thí nghi m t i phịng thí nghi m 204B4 n b trình làm lu n anh ch , b ng ý tham gia th c nghi Và cu i cùng, xin c ng h , quan tâm t u ki tơi có th hồn thành lu Xin chân thành c TP H H c viên th c hi n Hu nh Th Di m Thy TÓM T T Ng g t c m t m c bi t vào ban ngày kho ng th c Nó c n tr ho u hi n cho b nh v tim m ch, ti g t tr nên nguy hi i v i công vi is t ng cao, xây d n giao thông x y ng g t m t t p trung bu n ng lái xe Có nhi n tr ng thái ng g t c i lái xe v xác cao M c tiêu c a lu a ch n n não phù h phát hi n tr ng thái ng g t i lái xe Quy trình th c nghi m v li c thu nh n T phân tích cho th y k t qu kh quan v s ng c o trình n ngh s d o n c c Fp1 A2 O1 Ref v ng t i th i m ng g t cao cho ng d ng c nh báo ng g i tham gia giao thông gi m thi u m t ph n tai n n giao thông v i nguyên nhân ng g t lúc lái xe ABSTRACT ANALYSIS OF THE DROWSINESS STATE OF STUDENTS USING SINGLE-CHANNEL ELECTROENCEPHALOGRAPHY SIGNALS Dozing is a debilitating feeling of body fatigue, especially during the day during a long working time It reduces daily work performance and is first symptom of some kinds of diseases such as cardiovascular diseases, diabetes, etc Dozing becomes even more dangerous for high-concentration jobs such as driving, overthe-top activities, construction, etc According to statistics in 2020, more than 20% of traffic accidents occur due to dozing and loss of concentration due to drowsiness while driving There are many methods of detecting the dozing status of the driver with high accuracy The goal of the thesis is to select appropriate single-channel electroencephalography (EEG) signals to detect dozing of the driver The experimental procedure with measuring objects and 14 datasets were carried out and obtained Mentioned data analysis shows positive results on the similarity of single-channel signals and multi-channel signals more than 80% Based on above results, recommendations for the use of Fp1 A2 and O1 Ref channel leads with high rough sleeping similarity at the time of dozing have been proposed for dozing warning applications for drivers to minimize traffic accidents with the cause of falling asleep while driving L H c viên ng k t qu c lu h c viên th c hi n Ngoài ph n tài li u tham kh qu th c nghi m trung th n thân c li t kê, s li u k t c công b b t c cơng trình khoa h c khác TP H H c viên th c hi n Hu nh Th Di m Thy i M CL C M C L C I DANH M C CÁC T VI T T T IV DANH SÁCH HÌNH NH V DANH SÁCH B NG VIII M 1.1 Lý ch 1.2 Nhi m v lu 1.3 U tài ng ph m vi nghiên c u 1.4 cc tài 1.5 c ti n c tài T NG QUAN 2.1 Gi c ng tr ng thái ng g t 2.2 T ng quan v tín hi n não 2.2.1 S 2.2.2 2.3 n não u hòa tr ng thái th c hình thành tín hi 2.4 15 n tín hi 16 2.4.1 Nguyên t c ghi nh n tín hi 2.4.2 V 2.5 ng 14 n não 16 n c c 17 2.4.3 n tín hi 2.4.4 Các tín hi u n tín hi 19 n não 20 C u trúc gi c ng (theo tiêu chu n AASM 2007) 21 ii 2.5.1 Tr ng thái W ( tr ng thái Wake theo tiêu chu n R K) 22 2.5.2 n S1 theo quy t c R K) 23 2.6 T ng quan tình hình nghiên c c 24 2.7 Tình hình nghiên c u th gi i v tr ng thái ng g o n c c não 25 U 27 3.1 c nghi m 27 3.1.1 ng ph m vi th c nghi m 27 3.1.2 Quy trình th c nghi m 27 3.2 lý m u 28 3.2.1 X lý tín hi u nhi u L c nhi u 30 3.2.2 Phân tích tín hi u 31 3.2.3 Phân tích chuy n giao tr ng thái th c ng 36 K T QU VÀ BÀN LU N 38 4.1 Phát hi n nhanh tr ng thái ng g t b ng tín hi 4.2 Tín hi n não 38 i v i tr ng thái ng g t 39 4.2.1 ng h o trình: Fp1, Fp2, A1, A2, GND Ref 40 4.2.2 ng h o trình: O1, O2, A1, A2, GND Ref 41 4.3 xác c 4.3.1 44 u v trí epoch chuy n tr ng thái th c - ng kênh Fp 45 4.3.2 u v trí epoch chuy n tr ng thái th c ng o trình 56 4.4 S r i lo n m t vài tín hi u K T LU m 69 NG PHÁT TRI N 74 iii 5.1 5.2 K t lu n 74 ng phát tri n c tài 75 DANH M C CÁC CÔNG TRÌNH KHOA H C 76 TÀI LI U THAM KH O 77 PH L C 81 iv DANH M C CÁC T VI T T T AASM American Academy of Sleep Medicine H c vi n Y h c v Gi c ng Hoa K ECG Electrocardiogram EEG Electroencephalography EMG Electromyography EOG Electrooculography FFT Fast Fourier Transform Phép bi NREM Non- rapid eye movement Gi c ng ch m SADD Students Against Destructive Decisions T ch c dành cho h c sinh, sinh nm t) i Fourier nhanh viên ch ng l i r i ro gây h i cho xã h i W Wake Tr ng thái th c Trang 74 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM K T LU 5.1 NG PHÁT TRI N K t lu n M u c a lu nc c phù h p cho trình chuy n giao tr ng thái th c ng ( th m ng g t ) c a c xây d ng phịng thí nghi mong mu n mơ t chân th t nh s tín hi n não v i n tín hi u t t nh t gi c thu nh c x lý tín hi u nhi u n u áp d ng môi ng bên ngồi phịng thí nghi m u tiên, lu ng quy trình th c nghi m v m EMG, k t qu cho th tín hi n não phù h p v i kh i v i th c nghi m v i lái xe n c nh báo th V i s tham chi tr ng thái th c n m m ng g t n chuy n giao gi a ng Sau nh nh tín hi lu n não phù h p v i quy trình th c nghi m c a ng h ng h o trình v ng h nc u s l a ch n ng h o trình v n c c O nh m xây d ng v t qu phân tích m ng cao v iv A1 cho s nc A2, Fp2 iv iv Ref cho s nc Ref, O2- iv Trong su t q trình th c nghi m, tín hi u c ng v o c khuy n ngh s d v ih s > 0,8 Các tín hi thay th u phát hi n tr ng thái ng g t nên vi c l a ch n não i m c tiêu n Trang 75 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM ph i phân tích t i th m chuy n giao gi a tr ng thái th c có xác v kênh Fp1 ng c ng K t qu m A2 O1 Ref cho k t qu xác t i th v i m u tín hi c K t qu c a lu m ng g i nhi u s l a ch n cho ng d ng vào thi t b s d phát hi n tr ng thái ng g t a vi c thu nh n tín hi n não s nhi u tín hi u bên ngồi a, vi c mô ph ng th c nghi m ng phịng thí nghi m th t s o nên m t c m giác chân th m t s tín hi u phát hi n s b n não K t qu m c 4.4, m t s tín hi u b c phát hi n nhiên, hi ng 5.2 K t qu c a lu ng phát tri n c n c c tr nên g c n c c s t o nên s t i gi n i s d ng, s tinh g n ti t ki m tài nguyên x lý tín hi gi m th ng d ng c x lý tín hi u nhi u bên ngồi mơi thi t k thu n ti nghiên c tài i nghiên c u c nh báo ng g ng tr ng g m ng g t tín nc nghiên c u nhi K t qu th i mong mu n có nhi u s l a ch o trình phù h p cho vi c ch t i u sóng Alpha c gi m trái v i lý thuy ng không b m t cho lo n c c nh l i s phù h p c a tín hi u n não c nh báo tin c y c a thu t tốn x lý tín hi u V i n n t c xây d ng nên c nh báo xác k p th trì tín hi o trình ng th i, Trang 76 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH KHOA H C L.Q Khai*, P.T.H Trang, N.T Hieu, H.T.D Thy, H.Q Linh, Studying doze-off In Student Using Electroencephalography System, Science & Technology Development Journal Engineering and Technology, 3(SI):SI107-SI111, 2021 H.T.D Thy, L.Q Khai, H.Q Linh, Research Insomina Disorders Related To The Neurological Problems, Proceedings of International Symposium on Applied Science 2019, Volume 3, 2020, Pages 94-99 H.T.D Thy, T.N Mai, N.C.N Anh, L.Q Khai, H.Q The 13th SEATUC Symposium, HaNoi, 2019 H.T.D Thy, T.N Mai, N.C.N Ánh, L.Q Kh i, H.Q não b b ng kích thích hình nh d a k thu t Brain Mapping, 2018 ng Trang 77 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM TÀI LI U THAM KH O [1] T L Chiong, "R i lo n gi c ng tai n n giao thông," in H i ngh khoa h c ng niên 2015 - H i Hô h p Vi t Nam, Thành ph H Chí Minh, 2015 [2] G Greenberg, "Liberty Mutual Insurance and SADD," 2016 [3] E Susman, "Daytime Naps Maybe A Risk Factor For A Stroke," Neurology Today, vol 8, no 8, pp 13-15, 2008 [4] S Chokroverty, "Overview of sleep & Sleep disorders," Indian J Med Res, vol 131, no 2, pp 126-140, 2010 [5] M Pathak and A K Jayanthy, "Development Of A Real-Time Single Channel Brain Computer Interface System For Detection Of Drowsiness," Biomedical Engineering: Applications, Basis and Communications, vol 29, no 3, p 1750019 (7 pages), 2017 [6] Y Jiao and B L Lu, "Detecting Driver Sleepiness from EEG Alpha Wave during Daytime Driving," IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM), pp 728-731, 2017 [7] A Rechtschaffen and A Kales, A Manual of Standardized Terminology, Techniques and Scoring System for Sleep Stages of Human Subjects, Washington DC: Health Service, 1968 [8] A A O S Medicine, "AASM manual for the scoring of sleep and associated events," American Academy of Sleep Medicine, American, 2007 [9] M Gordon, Foundations of the Neuron Doctrine, 25th Anniversary Edition, Oxford University Press, 2015 [10] E Niedermeyer and S L D Silva, Electroencephalography: Basic Principles, Trang 78 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM Clinical Applications, and Related Fields, New York: Lippincott Williams & Wilkins, 1999 [11] K Maiese, "Neurotransmission," MSD MANUAL, 2009 [12] D L Clark, N N Boutros and M F Mendez., The Brain and Behavior, An Introduction to Behavioral Neuroanatomy, New York: Cambridge Univerrsity Press, 2010 [13] C Guyton and J E Hall, "Chapter 5: Membrane Potentials and Action Potentials," in Textbook of Medical Physiology, Philadelphia, US, Elsevier Inc., 2006, pp 57-70 [14] H Yuan, G Ben, V R Claudia and H Lena, "Resting State EEG Classification for Motor Learning Skills Using Echo State Networks, Jacobs University Technical Reports, vol 37, 2017 [15] P Achermann and A A Borbély, "Mathematical models of sleep regulation," vol 8, pp 683-693, 2003 [16] S M Fakhra et al., "Signal processing techniques applied to human sleep EEG signals," Biomedical Signal Processing and Control, vol 10, pp 21-33, 2014 [17] Z W Liu and X B Gao, "Adenosine inhibits activity of hypocretin/orexin neurons by the A1 receptor in the lateral hypothalamus: a possible sleep promoting," Journal of Neurophysiology, vol 97, pp 837-848, 2007 [18] S P Fisher, R G Foster and S N Peirson, "The circadian control of sleep," Handb Exp Pharmacol, pp 157-183, 2013 [19] R J Sudhansu, Atlas of Sleep Medicine, US: Elsevier, 2014 [20] L Kitaek and C Woochol, "A Review of Classification Techniques of EMG Signals during Isotonic and Isometric Contractions," Sensors , vol 16, no 8, p 3, 2016 Trang 79 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM [21] C Iber, The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events: Rules, USA: New York: American Academy of Sleep Medicine, 2016 [22] H Bin, G Shangkai, H Yuan, and R.W Jonathan, Brain Computer Interfaces, Neural Engineering, pp 85-151, 2010 [23] A V , M t s v ng kinh Vi t Nam, TP H Ch Minh: Nhà xu t b n Y h c, 2006 [24] R F H V Chris and P Robert, Biopotential Readout Circuits for Portable Acquisition Systems Leuven, Belgium: Springer Science, 2009 [25] L Mesin, R Merletti and A Rainoldi, "Surface EMG: The issue of electrode location," Journal of Electromyography and Kinesiology, vol 19, no 5, pp 719-726, 2009 [26] M A C Garcia and T.M M Vieira, "Surface electromyography: Why, when and how to use it," Rev Andal Med Deporte, vol 4, no 1, pp 17-28, 2011 [27] C H Rubana, B R Mamun, A A B M Mohd, A A B Ashrif, C Kalaivani, and C G Tae, "Surface Electromyography Signal Processing and Classification Techniques," Sensors, vol 13, no 9, p 12431 12466, 2013 [28] kov ,, "Human Sleep and Sleep EEG," Measurement Science Review, vol 4, no 2, pp 59-74, 2004 [29] M H Silber, L E Krahn and T I Morgenthaler, Sleep Medicine in Clinical Practice Second Edition New York: Informa Healthcare, 2016 [30] M H Kryger, T Roth and W C Dement, Principles and Practice of Sleep Medicine Missouri: Elsevier Inc, 2011 [31] K Dajeong, H Hyungseob, C Sangjin and C Uipil, "Detection of Drowsiness with eyes open using EEG Based Power Spectrum Analysis," IEEE, 2013 Trang 80 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM [32] L P Brendan, M.S Jennifer, T D Cristina, B Jill, M C John, L C Eric, Y Kelvin and H M David, Comparison of a single-channel EEG sleep study to polysomnography Ohio, USA: European Sleep Research Society, 2016 [33] T Lê, X lý s tín hi u Wavelets,\ TP H Ch Minh: Nhà Xu t B i H c Qu c Gia TP H Ch Minh, 2004 [34] K A Carden, "Recording Sleep: The Electrodes, 10/20 Recording System, and Sleep System Specification," Sleep Medicine Clinics, vol 4, no 3, pp 333341, 2009 [35] B Steger, "Getting Away with Sleep- Social and Cultural Aspects of Dozing in Parliament," Social Science Japan Journal, vol 6, no 2, pp 181-197, 2003 [36] T Wilkinson, "Eye Movements and the Detection of Sleep Onset," Psychophysiology, vol 25, no 1, pp 81-91, 1988 Trang 81 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM PH L C PH L C 1: KH Ch s ch C KHI TH C NGHI M ng gi c ng Pittsburgh (PSQI) H Tu i: Các câu h n thói quen ng ng c a b n su t tháng qua Câu tr l i c a b n s ch câu tr l i xác nh t cho ph n l a qua Hãy tr l i t t c câu h i a) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n b) Trang 82 LU T NGHI P Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n c) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n d) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n e) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n f) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n I H C BÁCH KHOA TP.HCM Trang 83 LU T NGHI P Trên l n m t tu n g) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n h) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n i) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n j) Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n I H C BÁCH KHOA TP.HCM Trang 84 LU T NGHI P Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n Ph n ng Khơng có su t tháng t l n m t tu n M n hai l n m t tu n Trên l n m t tu n 10 I H C BÁCH KHOA TP.HCM Trang 85 LU T NGHI P 11 12 13 nào? I H C BÁCH KHOA TP.HCM Trang 86 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM PH L C 2: THÔNG TIN CÁC D STT Tên d li u Tên m LI CS D NG Gi i tính Th Tín hi SCDozeFP_NNT_0603 Nguy n N.T Nam 06/03/2021 T n 14:30 SCDozeFP_HTDT_0603 Hu nh T.D.T N 06/03/2021 T n 17:00 SCDozeFP_NVT_1403 Nông V.T Nam 14/03/2021 T n 17:00 Ph Nam 20/03/2021 T n 14:10 Nam 20/03/2021 T n 16:30 Nam 22/03/2021 T n 14:30 N 22/03/2021 T n 17:00 Nam 27/03/2021 T n 14:30 Nam 27/03/2021 T n 17:00 Nam 03/04/2021 T n 13:30 Nam 03/04/2021 T n 16:00 Nam 07/03/2021 T n 14:30 Nam 07/03/2021 T n 17:00 Nam 13/03/2021 T n 14:30 SCDozeO_NNT_2003 SCDozeFP_VHM_2203 SCDozeO_HTDT_2203 Nguy n N.T Hu nh T.D.T SCDozeFP_NNT_2703 10 SCDozeO_VHM_0304 11 SCDozeO_NVT_0304 Nguy n N.T Nơng V.T Tín hi 12 MCDoze_NNT_1303 Nguy n N.T 13 14 MCDoze_NNT_1303 Nguy n N.T Trang 87 LU T NGHI P 15 MCDoze_HTDT_1303 16 MCDoze_VHM_1004 17 MCDoze_NVT_1004 I H C BÁCH KHOA TP.HCM Hu nh T.D.T Nông V.T N 13/03/2021 T n 17:00 Nam 21/03/2021 T n 15:00 Nam 10/04/2021 T n 15:00 Trang 88 LU T NGHI P I H C BÁCH KHOA TP.HCM PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: HU NH TH DI M THY a ch liên l c: ng 7, Qu n Bình Th nh, Tp.HCM O n 2019: Sinh viên T Minh, Khoa Khoa h c ng i h c Bách Khoa Thành ph H Chí ng d ng, ngành V t Lý K thu t, khóa K2015 n nay: H c viên cao h c Chí Minh, Khoa Khoa h c i h c Bách Khoa Thành ph H ng d ng, ngành V t Lý K thu t, khóa K2019 Q TRÌNH CƠNG TÁC n nay: cơng tác t i Trung tâm Ki Pasteur Tp.HCM nh Thi t b Y t , Vi n ... Vi c s d ng tín hi theo dõi tr ng thái não b hi n ln v tài ghi nh n tín hi n não n c quan tâm m n hành phân tích nh t thay th u kênh tín hi u não hay s d ng camera quan sát tr ng thái m ho c... tr ng thái ng g t nh ng - Tìm hi u kênh tín hi - S d ng d li u có s n c a b n não tr c ti p bi u th m nh tr ng thái ng g t u tr ng thái ng g h - i v i sinh viên c ng x lý thu t tốn So sánh tín. .. II - Tìm hi u tr ng thái ng g t nh ng i v i sinh viên Tìm hi u kênh tín hi n não tr c ti p bi u th m nh tr ng thái ng g t S d ng d li u có s n c a b c ng u kênh ch c u tr ng thái ng g x lý thu