TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN NÃO ĐỒ TRONG ĐỘNG KINH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO 15
pháp phân tích tín hiệu điện não
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN CÁC CƠN VÀ VÙNG KHỞI PHÁT ĐỘNG KINH 61
khởi phát động kinh Chương 4: Phân tích đánh giá các thuật toán đã đề xuất
Các kết quả nghiên cứu và đóng góp của luận án được thể hiện qua các công trình liên quan, đã được công bố trên nhiều tạp chí và kỷ yếu hội nghị chuyên ngành uy tín.
PHÂN TÍCH DỮ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 83
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO
1 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Ngành kỹ thuật Y Sinh (Biomedical engineering) kết hợp khoa học kỹ thuật với sinh học, y học và lâm sàng để phát triển công cụ và thiết bị nâng cao sức khỏe con người Một trong những lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật Y Sinh là xử lý tín hiệu y-sinh (Biosignal processing), giúp phân tích và cải thiện các thông tin sinh lý phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị.
Xử lý tín hiệu y sinh là ứng dụng các phương pháp kỹ thuật điện tử để trích xuất thông tin cần thiết hỗ trợ chẩn đoán và điều trị bệnh nhân động kinh, một rối loạn não mãn tính với các cơn co giật và mất ý thức tạm thời Động kinh xảy ra do sự phóng điện bất thường của các nơ-ron thần kinh, và nhiều phương pháp nghiên cứu tín hiệu EEG đã được phát triển nhằm phát hiện các dị thường trong hoạt động não Mặc dù một số phương pháp đã được ứng dụng trong lâm sàng, hiệu quả vẫn còn hạn chế, chủ yếu do việc sử dụng các phương pháp tuyến tính như phân tích tần số-thời gian và phân tích thống kê Đánh giá bằng quan sát hình ảnh tín hiệu EEG vẫn là phương pháp hiệu quả nhất, nhưng vẫn còn nhiều tranh cãi giữa các bác sĩ về việc xác định các cơn động kinh Do đó, cần thiết phải áp dụng lý thuyết về quá trình hỗn loạn và các phương pháp động học phi tuyến để nghiên cứu tín hiệu EEG, vì não có thể được xem như một hệ động học phi tuyến với hành vi phức tạp.
Babloyantz A và Destexhe A là những nhà nghiên cứu tiên phong trong việc khảo sát phi tuyến các cơn động kinh vắng ý thức Họ phát hiện rằng mức độ tương quan của các cơn động kinh này thấp hơn nhiều so với điện não đồ ở trạng thái tỉnh táo, cho thấy rằng các cơn động kinh là hệ quả của "suy tổn phức tạp" bệnh lý Iasemidis cũng đã chỉ ra sự suy giảm số mũ Lyapunov cực đại trong các cơn động kinh.
LD và các cộng sự đã chỉ ra rằng các nghiên cứu của họ phù hợp với quan niệm hiện tại về cơn vắng ý thức Frank GW cũng đã phân tích điện não đồ EEG liên quan đến hiện tượng này và đề xuất rằng sự tồn tại của vùng thu hút hỗn loạn là nền tảng cho các quá trình diễn ra trong các cơn vắng ý thức.
Các cơn động kinh hiện nay được chứng minh là phản ánh động học phi tuyến của não, với đặc trưng là mối liên hệ phi tuyến giữa các kênh điện não Điều này cho thấy tính chất phi tuyến của cơn động kinh là cơ sở quan trọng cho việc áp dụng các phương pháp động học phi tuyến trong phân tích tín hiệu điện não.
Phương pháp làm rõ hành vi phi tuyến của tín hiệu điện não cung cấp thông tin quý giá về trạng thái não Lý thuyết động học phi tuyến, dựa trên khái niệm về sự hỗn loạn, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y tế và sinh học.
Nghiên cứu của Henri cho thấy rằng chứng tâm thần phân liệt, mất ngủ, động kinh và một số rối loạn khác có thể được phát hiện thông qua phân tích diễn tiến hỗn loạn của nơ-ron Babloyantz cùng các cộng sự và Pritchard, Duke đã đề xuất sử dụng kỹ thuật phi tuyến để phân tích điện não đồ khi ngủ Lehnertz và Elger phát hiện rằng phân tích các đặc trưng phi tuyến từ các vùng gây động kinh cho phép nhận diện những khác biệt trong các chỉ số chỉ vài phút trước khi cơn động kinh xuất hiện Martinerie và nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng các cơn động kinh có kích thước không gian EEG nhỏ hơn so với trạng thái bình thường, cho thấy khả năng dự đoán cơn Jing và Takigawa đã sử dụng kích thước tương quan của tín hiệu EEG để nghiên cứu các trạng thái thần kinh khác nhau khi động kinh Andrezejak cùng nhóm đã phát hiện ra rằng các tín hiệu điện não đồ từ vùng gây động kinh thể hiện tính xác định phi tuyến rõ rệt, trong khi các vùng không gây động kinh lại có hệ thống hỗn loạn Aschebrenner - Schelbe và cộng sự đã đề xuất các phương pháp dự đoán cơn động kinh dựa trên phân tích kích thước tương quan tín hiệu EEG, nghiên cứu sự giảm kích thước tương quan ở giai đoạn trước cơn Pavinen và cộng sự sử dụng các đặc trưng phi tuyến và phân tích bằng máy tính để phát hiện cơn động kinh, bổ trợ cho các phương pháp phân tích thời gian-tần số Cuối cùng, Bai và cộng sự đã phát hiện rằng Entropy giảm xuống trong các cơn động kinh khi sử dụng các tham số phi tuyến Tất cả các nghiên cứu này khẳng định giá trị đặc biệt của phương pháp phi tuyến trong phân tích tín hiệu điện não đồ, giúp hiểu rõ hơn về các rối loạn chức năng của não và là phương pháp phù hợp nhất để phát hiện cơn động kinh.
Hầu hết các hệ thống phát hiện động kinh hiện nay chỉ phân tích dữ liệu EEG trên một vài kênh mà không xử lý đồng thời tất cả các kênh Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc xác định sự hiện diện của cơn động kinh mà ít đề cập đến thông tin cụ thể như thời điểm khởi phát, kết thúc và vùng khởi phát Trong cơn động kinh, khả năng xuất hiện các gai sóng động kinh trên các kênh gần nhau là cao, vì vậy phương pháp xử lý đa kênh đồng thời có thể khai thác mối liên hệ không gian của các cơn động kinh, từ đó nâng cao hiệu quả phát hiện và xác định vùng não khởi phát cơn Indiradevi là một trong số ít nhà khoa học nghiên cứu định vị khu vực não tổn thương gây cơn động kinh bằng cách sử dụng thông tin từ nhiều kênh Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng thông tin đa kênh để nhận diện cơn động kinh vẫn còn hạn chế và chưa có công cụ hiệu quả hỗ trợ bác sĩ trong việc tự động phát hiện và đánh dấu các cơn động kinh trên bản ghi EEG Động kinh là một rối loạn chức năng não bộ phổ biến ở Việt Nam, với tỷ lệ mắc bệnh tại miền Bắc là 0,44%, nhưng việc sử dụng bản ghi EEG trong chẩn đoán và điều trị vẫn ở giai đoạn sơ khai do nhiều lý do khác nhau.
- Sự khan hiếm của các bác sĩ thần kinh có kinh nghiệm để có thể đưa ra các phân tích chất lượng cao dựa trên thông tin EEG,
Hầu hết các bác sĩ chuyên khoa hiện nay vẫn dựa vào số liệu đo thô trực tiếp từ máy điện não để phân tích và chẩn đoán động kinh, mà không thực hiện các bước xử lý tinh vi.
Quy trình đo tín hiệu điện não hiện tại chưa hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế, khi thời gian ghi điện não tối thiểu yêu cầu là 20 phút, trong khi thực tế chúng ta chỉ thực hiện khoảng 10 phút Nguyên nhân chủ yếu là do quá tải bệnh nhân và nguồn lực chưa đáp ứng đủ.
Nghiên cứu về ứng dụng công nghệ, đặc biệt là xử lý tín hiệu điện não trong lĩnh vực động kinh, vẫn còn hạn chế Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thị Anh Đào đã áp dụng các đặc trưng hình thái gai sóng nhằm phát hiện các gai động kinh với độ chính xác cao.
88 5%; phương pháp này chỉ phát hiện các gai sóng trên từng kênh riêng lẻ chứ không xử lý đa kênh do khối lượng tính toán rất lớn
Việc sử dụng phần mềm nước ngoài để phân tích tín hiệu điện não và nhận diện gai động kinh vẫn chưa phổ biến tại Việt Nam do chi phí cao Vì vậy, hỗ trợ bác sĩ trong việc nâng cao chất lượng và chẩn đoán bệnh động kinh trở thành một vấn đề cấp thiết cho các nhà khoa học nghiên cứu tín hiệu điện não trong nước.
1 2 1 Bản ghi điện não đồ
Bản ghi điện não đồ EEG (Electroencephalogram) là biểu diễn đồ họa sự thay đổi hiệu điện thế theo thời gian giữa các điện cực trên da đầu, tương ứng với các vùng của vỏ não EEG cung cấp thông tin về hoạt động điện não thông qua biên độ, tần số, hình thái, phân bố không gian và sự phân cực của hiệu điện thế Nghiên cứu các đặc trưng của EEG giúp bác sĩ và nhà khoa học phát hiện các hoạt động bất thường của bộ não.
1 2 2 Vị trí bố trí các điện cực để ghi tín hiệu EEG
Để thu tín hiệu EEG, thường sử dụng một bộ điện cực được gắn trên da đầu theo hệ thống 10-20 quốc tế Hệ thống này đảm bảo việc đặt điện cực một cách chính xác và đồng nhất, giúp thu thập dữ liệu EEG hiệu quả.
Jasper đã được công nhận quốc tế từ năm 1981 và hiện đang được sử dụng phổ biến trong các thiết bị ghi điện não Hệ thống này bao gồm các điện cực được đặt theo tỷ lệ nhất định trên da đầu, yêu cầu phải được bố trí đối xứng và giống hệt nhau ở cả hai bên Hình ảnh dưới đây minh họa vị trí bố trí các điện cực cơ bản trên da đầu theo chuẩn quốc tế 10-20.
Thông thường chúng ta sẽ dùng một bộ 21 điện cực gắn trên da dầu theo hệ thống đặt điện cực 10-20 của quốc tế
Vị trí các điểm mốc:
- Ðiểm gốc mũi (nasion), nằm giữa 2 chân lông mày (glabella)
Các ký hiệu vùng não:
- F là trán (Frontal) - C là trung tâm (Central)
- O là chẩm (Occipital) - P là đỉnh (Parietal) Ðánh số lẻ nếu là bên trái, và số chẵn nếu là bên phải