TÌM HIỂU TÍN HIỆU EEG

Do vậy các thiết bị y tế và kĩ thuật mới phải phát triển để hỗ trợ trongviệc chẩn đoán, quan sát, theo dõi và xử lí các chiệu trứng bất thường và bệnh tậtcủa con người.Trong bài báo cáo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI KHOA: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



BÀI BÁO CÁO

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU TÍN HIỆU EEG

GVHD : ĐỖ VĂN TUẤN LỚP : D6-DTVT2 NHÓM 3:

1. Nguyễn Văn Đại

2. Lê Đức Anh

3. Bùi Văn Duy

4. Dương Mạnh Hùng

5. Đỗ Trung Kiên

6. Lê Trung Quý

7. Nguyễn Văn Trai

8. Nguyễn Hoàng Việt

Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Lời mở đầu

Lời mở đầu

Sức khỏe là vốn quí nhất của con người Khi xã hội phát triển thì nhu cầu vềchăm sóc sức khỏe, nhu cầu sử dụng các dịch vụ y tế của con người ngày càng đòihỏi cao hơn Do vậy các thiết bị y tế và kĩ thuật mới phải phát triển để hỗ trợ trongviệc chẩn đoán, quan sát, theo dõi và xử lí các chiệu trứng bất thường và bệnh tậtcủa con người.

Trong bài báo cáo này chúng em tìm hiểu về tín hiệu EEG, để biết được cáchthức bộ não phát sinh ra tín hiệu , phương pháp ghi lại các dạng tín hiệu phát ra từnão, phương pháp xử lí tín hiệu này như thế nào, các dạng sóng có ý nghĩa rasao… để từ đó ta có thể dễ dàng chẩn đoán các bệnh về não và đưa ra hướng giảiquyết sớm nhất cho bệnh nhân

Bên cạnh tầm quan trọng của tín hiệu EEG trong y tế, trong tương lai nó cònđược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Trong bài báo cáo này chúng em trình bày các nội dung chính đó là:

I. Giới thiệu chung về tín hiệu EEG

II. Cách thu nhận và xử lý tín hiệu EEG

III. Các dạng sóng thu được

IV. ứng dụng trong thực tế và hướng phát triển trong tương lại

Em xin cảm ơn thầy TS Đỗ Văn Tuấn đã giúp đỡ nhóm trong quá trinh nhóm thực hiện bài báo cáo này

Mục Lục

trang

I. Giới thiệu chung về EEG 1

1. Khái quát về não bộ 1

2. Lịch sử 2

3. Khái niệm EEG 2

4. Nguồn gốc tín hiệu điện não 2

5. Tại sao phải thu nhận tín hiệu điện não 3

II. Thu nhận và xử lý tín hiệu EEG 4

1. Cấu tạo máy tạo tín hiệu EEG 4

2. Sơ đồ đặt điện cực 4

3. Quy trình thực hiện đo 6

4. Cách xử lý tín hiệu 6

4.1 biến đổi Fourier 6

4.2 định vị EEG 7

III. Các dạng tín hiệu điện não 8

1. Các dạng tín hiệu điện não theo tần số 8

2. Các biến thể bình thường 11

IV. Nhiễu và xử lý nhiễu 12

1. Khái niệm nhiều 12

2. Nguyên nhân gây ra nhiễu 12

3. Các loại nhiễu 13

4. Xử lý nhiễu 15

V. ứng dụng thực tế 18

VI. kết luân và hướng phát triển 21

1. một số hình ảnh thực nghiệm của nhóm 21

2. kết luận 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Danh sách hình ảnh

I. giới thiệu chung về EEG

hình 1.1 cấu tạo của bộ não

hình 1.2 minh họa khái niệm EEG

hình 1.3 cấu trúc vỏ não

II. thu nhận và xử lý tín hiệu EEG

hình 2.1 cấu tạo một máy ghi điện não

hình 2.2 sơ đồ mắc điện cực

III. các dạng tín hiệu điện não

IV. nhiễu và xử lý nhiễu

hình 4.1 nhiễu do điện tâm đồ và do mạch hình 4.2 nhiễu do nháy mắt

hình 4.3 nhiễu do chuyển động điện cực

hình 5.4 điều khiển trò chơi bằng ý nghĩ

VI.kết luân và hướng phát triển.

hình 6.1 máy tạo tín hiệu EEG và chân điện cựchình 6.2 các bước gắn chân điện cực

hình 6.3 quá trình hiện sóng

hình 6.4 sóng hiển thị khi có nhiễu

Các từ viết tắt.

EEG: (electroencephalography): điện não đồ

FFT( Fast Fourier Transform): truyền Fourier nhanh

AR( auto regessive): cách thức tự hồi quy

ARMA( auto regessive motion average): cách thức trung bình chuyển động-tự hồi quy

CSA(compressed spectral analysis): phân tích nén phổ

EKG hay ECG(electrocadiography): điện tâm đồ

EOG( electrooculogram) : nhiễu mắt

EMG(electromyogram): nhiễu cơ

BSS( blind signal separation): kĩ thuật tách nguốn mù

FIR( finite Impulse respose): đáp ứng xung hữu hạn

IIR(infinite impulse respose): đáp ứng xung vô hạn

I Giới thiệu chung về EEG

1. Khái quát về não bộ.

Não người là phần trên và trước nhất của hệ thần kinh trung ương và là cơ quan chủ yếu trong điều hành hệ thần kinh ngoại vi Não gồm có : thân não, tiểu não, não trung gian và đại não

Hình 1.1 cấu tạo của não bộ

+ đại não: Đại não là phần não cùng, được phát triển mạnh nhất, chiếm toàn bộ khối

lượng và thể tích não bộ

- chức năng cảm giác: vùng chẩm là vùng thị giác cho cảm giác về ánh sáng,

hình ảnh và màu sắc của vật Vùng thùy thái dương là vùng thính giác, cho cảm giác về âm thanh hồi đỉnh lên của thùy đỉnh phụ trách xúc giác và cảm giác nhiệt

- chức năng tư duy: chủ yếu do đại não đảm nhận khả năng tư duy liên quan

đến sự phát triển của đại não đặc biệt là vỏ não

+ Tiểu não : cấu tạo cơ bản gồm :Chất xám ở ngoài làm thành vỏ tiểu não và chất trắng

ở trong Tiểu não có nhiệm vụ phối hợp các hoạt động phức tạp

+ não trung gian: Não trung gian nằm khuất giữa 2 bán cầu đại não Cấu tạo gồm 4

phần: gò thị, vùng dưới gò, vùng trên gò, vùng ngoài gò Nó vừa điều hòa các phản xạ dinh dưỡng vừa tham gia hình thành các phản xạ không điều kiện

Điện não đồ và những phương pháp điện sinh lý liên quan là một kết quả trực tiếpcủa nghiên cứu điện sinh lý được bắt đầu ở châu Âu vào giữa thế kỷ XIX RichardCaton (1842 - 1926), một bác sĩ, giảng viên sinh lý học ở Trường Y Liveprool, đãchỉ ra đáp ứng vận động khu trú khi kích thích điện của nhiều vùng vỏ não khácnhau ở chó Nhưng lịch sử của phương pháp ghi điện não chỉ thực sự bắt đầu năm

1924 bởi Hans Berger (1873 - 1941), Chủ nhiệm khoa Tâm thần ở Đại học Tổng hợpcủa Jena (Đức), đã ghi được hoạt động điện não tự phát ở người từ các điện cực đặt

ở da đầu và gọi là điện não đồ

3 Khái niệm EEG

EEG: electro encephalography (điện não đồ), là một hệ thống chẩn đoán chức năng ghi lại độ phóng xạ mang điệncủa não từ da đầu, nhằm phát hiện những bất thường trong hoạt động điện của não

Hình 1.2 minh họa khái niệm eeg

4 Nguồn gốc tín hiệu điện não

Vỏ não là nguồn gốc của các hoạt động điện của não thu được từ bề mặt của da đầu,các dạng khác nhau của hoạt động điện và dấn tới trường điện thế được tạo ra bởi các tế bào thần kinh vỏ não.

Hình 1.3 cấu trúc vỏ não

Vỏ não gồm các lớp khác nhau, các lớp này là không gian của cấu trúc các tế bào thần kinh đặc biệt, với các trạng thái và chức năng khác nhau trong đáp ứng xung điện Neuron pyramidal là thành phần cấu tạo chủ yếu của vỏ não Điện thế EEG ghi được từ các điện cực được đặt tiếp xúc với lớp da đầu là sự tổng hợp cácthay đổi về điện thế ngoài của tế bào Pyramidal Màng tế bào pyramidal không bao giờ trong trạng thái nghỉ bởi vì nó bị tác động liên tiếp bởi hoạt động sinh ra

do các neuron khác có các liên kết synaptic Các liên kết synaptic có thể là kích thích hoặc ức chế sự thay đổi tươnứng tính thẩm thấu của màng tế bào đối với ion

K và ion Cl làm phát sinh dòng điện

5. Tại sao phải thu nhận tín hiệu điện não.

Não bộ của con người là một tổ chức phức tạp, tinh vi nhất của hệ thần kinh Thông qua các giác quan như mắt, tai, da, bộ não tiếp thu các thông tin về thị giác, thính giác, xúc giác để từ đó nhận thức ra đối tượng, xử lý và giai đáp thông tin qua các hình thức vận động Do vậy bộ não giữ vai trò quan trọng trong hoạt động toàn diện, đa dạng của con người, giúp con người thích ứng với các hoàn cảnh xã hội Ngày nay, khi thế giới ngày càng phát triển thì các bênh về nãocũng ngày càng phát triển như: các bệnh về động kinh, viêm não,u não … Do vậy, việc thu nhận và xử lí tín hiệu điện não sẽ giúp chúng ta chẩn đoán chính

xác được các bệnh về não Vì thế, các bệnh nhân não sẽ có cơ hội được cứu chữa nhiều hơn

II Thu nhận và xử lý tín hiệu EEG

1. Cấu tạo máy tạo tín hiệu EEG

Hình 2.2 sơ đồ mắc điện cực

- Đánh số lẻ nếu là bên trái, và số chẵn nếu là bên phải

.+ Nối 2 điểm gốc mũi và chẩm với nhau, ta có đường dọc giữa Ta chia chiều dàicủa đường này theo tỷ lệ %: điểm cách gốc mũi 10% là F0 (hay Fpz), cách tiếp theo20% nữa là Fz, tiếp 20% nữa là Cz Cz chính là điểm chính giữa đỉnh đầu, tiếp sau

nó 20% là Pz Cách điểm chẩm 10% (tức cách Pz 20%) là O0 (hay còn gọi Oz)

+) Nối 2 ống tai ngoài với nhau, ta được một đường cắt ngang đường dọc giữa ởđiểm Cz Các ống tai ngoài 10% bên trái là T3, bên phải là T4 Cách thêm 20%(chính giữa T3 hay T4 với Cz) là C3 (bên trái) và C4 (bên phải)

+) Vẽ đường đồng tâm với đường chu vi của đầu, nối các điểm mốc phía ngoài nhất:Fpz-T3-Oz-T4 Trên đường (gần như là đường tròn) này, cũng chia theo tỷ lệ % như vậy Cách 10% phía trước có Fp1 bên trái và Fp2 bên phải, sau đó 20% là F7 và F8 Cách Oz 10% từ phía sau là O1 bên trái và O2 bên phải Cách tiếp 20% (là chính giữa

O1 với T3) là T5 bên trái và (là chính giữa O2 với T4) T6 bên phải

+) Vẽ tiếp đường vòng cung phía trong, tiếp nối Fp1-C3-O1 bên trái, và Fp2-C4-O2

bên phải Ở khoảng cách 20% (chính giữa các mốc) là F3 phía trước bên trái, F4 phíatrước bên phải, P3 phía sau bên trái, P4 phía sau bên phải

- Ngoài ra còn có kiểu 36 điện cực và 72 điện cực với cách mắc tương tự nhưng

ít phổ biến hơn

- Vệ sinh da đầu

- Đặt các chân điện cực vào đúng vị trí

Tín hiệu thu được từ các chân điện cực được truyền đến máy xử lý tín hiệuEEG

- Các bác sĩ tiến hành đo và kết quả hiện trên máy tính

 trong quá trình đo thời gian từ 15 phút đến 1 giờ hoặc lâu hơn Bệnh nhân nằmxuống hoặc ngồi ghế với 2 mắt nhắm và được yêu cầu mở mắt trong thời gianngắn thường xuyên

 Sự kích thích bằng ánh sáng được thực hiện với tần số nhấp nháy khác nhauđựơc cung cấp cho bệnh nhân mở cà 2 mắt và nhắm cả 2 mắt

4. Các cách xử lý tín hiệu EEG.

4.1 Biến đổi Fuorier

Trong thế kỉ 19, nhà toán học người Pháp J.Fuorier, đã mô tả bất kì 1 hàm tuần hoàn nào cũng có thể diễn giải bằng 1 tổng vô hạn của những hàm mũ phức tạp tuần hoàn Nhiều năm sau, ông khám phá ra 1 đặc tính khác thường của hàm, ý tưởng củaông được khái quát hóa những hàm không tuần hoàn đầu tiên và sau đó là những tín hiệu thời gian rời rạc tuần hoàn hoặc không tuần hoàn Sau đó nó được khái quát hóathành 1 công cụ thích hợp để tính toán máy tính Năm 1965, 1 thuật toán mới gọi là truyền Fuorier nhanh (FFT) được phát triển và FFT ngày càng trở nên phổ biến.Một ví dụ về phân tích FFT :

Định nghĩa FFT như sau:

Thông tin cung cấp bởi phép tích phân , phù hợp cho toàn bộ các trường hợp thời gian từ -∞ → +∞ Đây là truyền Fuorier không phù hợp nếu tín hiệu có tần số thời gian thay đổi, tín hiệu không ổn định Thông tin được độc lập trong khoảng thời gianneowrowrron xuất hiện Bởi vậy, sự miêu tả 1 tần số thời gian tuyến tính được gọi làtruyền Fuorier ngắn ( SIFT hay phân tích Gabor) đã được giới thiệu Trong SIFT, tínhiệu được phân ra thành nhiều mảnh nhỏ vừa đủ Với mục đích này, hàm cửa sổ được chọn Độ dài cửa sổ phải bằng từng mảnh của tín hiệu Ta có:

Với w là 1 hàm cửa sổ Sự hạn chế của FFT và STFT đẩy mạnh các phương pháp giới hạn như tự hồi quy (AR- auto regessive)hoặc cách thức trung bình chuyển động- tự hồi quy (ARMA) Hầu hết đều được sử dụng trong xử lí EEG, tuyến tính hoặc không tuyến tính, xử lí dữ liệu trong não đó hầu hết phản ánh những sự thay đổi chức năng to lớn của hoạt động đó Thực chất, ngụ ý của ứng dụng này là cho phương pháp hoạt động phân tích EEG và LFP ( điện thế trường trung tâm) trong khoảng tần số - thời gian Phân tích nén phổ (CSA) Đó là 1 sự mở rộng của FT truyền tới không gian 3D Phổ trong từng trường hợp thời gian – tốc độ được sắp xếp trên 1 trục thời gian Trong hinh sau, CSA được tính toán cho 4 điện cực Sự lưunhanh hình chữ nhật một nhiễu chập chờn là hiển nhiên trong các khoảng thời gian

Với khả năng ghi đồng thời 1 số lượng lớn kênh số hóa của EEG, 1 kĩ thuật mới ra đời: Định vị EEG, tại thời điểm cuối của 80s Trong kĩ thuật này, 1 số lớn các điện cực được đặt trên đầu theo 1 dãy hình học các điểm even – space Một phần mềm đặc biệt bên trong máy tính, đồ thị hoạt động trên một màn hình màu hoặc máy in, bởi mã hóa số lượng của hoạt động trong 1 vài mức độ của màu sắc ( ví dụ, màu đen

và xanh có thể mô tả biên độ EEG thấp, trong khi vàng và đỏ có thể mô tả biên độ

lớn hơn) Những điểm trong không gian nằm giữa các điện cực được tính toán bằng những kĩ thuật toán học của phép nội suy ( tính toán giá trị ngay tức khắc trên cơ sở giá trị liền kề), và như thế đạt được sự phân cấp đều đặn về màu sắc [Renato_ WWW].

Sự lại gần hơn nữa chính xác và tầm nhìn điển hình của vị tri của sự thay đổi nhịp

độ, biên độ, … trong mối quan hệ với dòng điện I trên bề mặt hộp sọ Bác sĩ thần kinh làm việc với hệ thống định vị EEG đã sớm phân biệt 1 vài dạng khác nhau của chẩn đoán Xác định vị trí chính xác của sự biến đổi EEG cũng làm cho nó dễ dàng hơn Trong phần thêm vào, sử dụng chế độ cine` làm tăng khả năng nghiên cứu của chức năng não trong hoạt động( Maurer 1991)

Định vị EEG không được thực hiện trong các trường hợp ghi lại hoạt động của não Sự chỉ dẫn chính của nó xác định sự có mặt của khối u và bệnh của não ( trong chứng động kinh, đột quỵ) Nó cũng thích hợp khi nhiễu trong trạng thái tỉnh táo và thận trọng được thiết lập như chứng ngủ kịch phát, hôn mê, … Định vị EEG ngày càng được sử dụng cho máy kiểm tra người sử dụng ma túy, và bệnh truyền nhiễm của não ví dụ như viêm màng não Trong tâm thần, định vị EEG nhận ra sự rối loạn của nguồn gốc sinh học, như bệnh tâm thần phân liệt, chứng mất trí, tính hiếu động thái quá và trầm cảm, chưng teo não và suy nhược cơ thể của trẻ em

 Ngoài ra còn có một số phương pháp xử lý khác như

Phương pháp phân tích các thành phần độc lập( independent component analysis ICA) Sự phát triển của các phương pháp phi tuyến trong phân tích tín hiệu tạo ra sự bùng nổ trong ứng dụng liên quan tới công của hệ lí luận hỗn loạn tới EEG.(Basar năm 1989, Dvorak năm 1991).Công trình của Freeman, cơ sở trên thí nghiệm sinh học có kế hoạch cẩn thận, đã máng cách nhìn mới về cấc bộ phận của chế độ phi tuyến của hoạt động não (Freeman 1987) Tuy nhiên bản vẽ sự rối loạn của EEG đã chứng minh rất khó để tín hiệu được như mong đợi Ứng dụng của phương pháp phân tích chuỗi thời gian phi tuyến như tính toán chiều hấp dẫn hoặc hệ số

Ljapunov, bảo đảm chắc chắn trong trường hợp đặc biệt như EEG động kinh hoặc

hoạt động của các tổ chức nơtron trong trạng thái hoạt động được xác định tốt

(Skarda và Freeman,1987) Độ phân giải tần số thời gian của năng lượng tín hiệu cao

có thể thực hiện bởi chuyển đổi lớp của Cohen’s (williams 1997 ), chúng biến đổi từ biến đổi Winger được thể hiện bằng : (9) Toán học phức tạp đã ứng dụng nó để làm giảm ảnh hưởng các lớp của Reduced Interference Distributions Phương pháp

Matching Pursuit , dựa trên xấp xỉ thích ứng của chuỗi thời gian của hàm được lựa chọn cho mỗi giai đoạn phân tích Phương pháp này được tìm ra bởi Mallat ứng dụng đầu tiên trong phân tích tín hiệu EEG được đưa ra bởi Durka 1995

III Các dạng tín hiệu điện não

1. Các dạng tín hiệu cơ bản

a) sóng anpha

Hình3.1 sóng anpha(α)

Alpha là những sóng có tần số trong khoảng từ 8 tới 13 sóng/giây (Hz)

Thường thấy rõ alpha nhất là ở các vùng phía sau của đầu, cả 2 bên, nhưng

thường bên bán cầu ưu thế thì có biên độ (chiều cao) cao hơn Alpha thường rõlên khi nhắm mắt và thư giãn, và biến đi khi mở mắt hoặc thức tỉnh cảnh giác bởi bất cứ cơ chế nào (suy nghĩ, đếm) Đây là nhịp sóng chủ yếu thấy được trên người lớn bình thường và thư giãn – sóng hiện diện trong hầu hết các thời

kỳ của cuộc đời, nhất là khi trên 30 tuổi, khi ấy sóng này chiếm ưu thế trên đường ghi EEG lúc nghỉ ngơi

b) sóng Beta(β):

Hình3.2 sóng Beta(β) Beta là những sóng “nhanh” Tần số của nó là từ 13 Hz trở lên Sóng beta

thường thấy ở cả 2 bán cầu, phân bố đối xứng hai bên, và rõ nhất là ở vùng trán Sóng sẽ nổi bật lên khi dùng thuốc an thần gây ngủ Sóng có thể mất hoặcsuy giảm ở vùng có tổn thương vỏ não Nhịp beta thường được coi là nhịp bìnhthường Nó là nhịp chiếm ưu thế ở những bệnh nhân đang thức tỉnh cảnh giác hoặc lo sợ, hoặc khi mở mắt

c) sóng theta(θ):