BÁO CÁO TỐT NGHIỆP: NÉN TÍN HIỆU _EEG ppsx

TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. [\[\ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NÉN TÍN HIỆU _EEG Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 1 - LỜI MỞ ĐẦU Trong thập kỉ trước nén dữ liệu đã được sử dụng ở khắp mọi nơi. Có thể nói rằng nén dữ liệu đã trở thành yêu cầu chung cho các hầu hết các phần mềm ứng dụng, và cũng là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và hấp dẫn trong khoa học máy tính. Nếu không có các kĩ thuật nén dữ liệu thì sẽ không bao giờ có sự phát triển của Internet, TV số, truyền thông di động hay sự phát triển của các kĩ thuật truyền thông video. Ưu điểm nổi bật và hiệu quả của nén đã được áp dụng và phát triển nhiều lĩnh vực khác như truyền thông đa phương tiện hay các lĩnh vực nghiên cứu khác. Thời gian gần đây, một lĩnh vực đang phát triển rất nhanh và ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều người đó là y tế từ xa (Telemedicine), mà nén đóng vai trò rất quan trọng. Từ đó con người sẽ được chăm sóc sức khoẻ tốt hơn bằng cách có thể khám, chữa bệnh từ bất kì một bệnh viện nào trên thế giới mà không cần phải đến tận nơi đó. Chỉ cần giao tiếp với bác sĩ qua thiết bị thu ghi và phương tiện truyền thông thì sau đó sẽ nhận được kết quả chẩn đoán và phương thức chữa bệnh của bác sĩ gửi về. Một trong những tín hiệu EEG quan trọng nhất đó là tín hiệu EEG. Và trong bài báo cáo này sẽ trình bày các phương pháp nén được sử dụng để nén tín hiệu EEG. Sự cần thiết của việc này như thế nào sẽ được trình bày sau đây. Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 2 - CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Nén dữ liệu Nén dữ liệu hay còn gọi là mã hóa nguồn (source coding), là sự biểu diễn thông tin của dữ liệu nguồn dưới dạng nén. Nó đã là một công nghệ then chốt trong cuộc cách mạng truyền thông đa phương tiện số trong nhiều thập kỉ. Mục tiêu của nén dữ liệu bao gồm việc tìm ra một thuật toán hiệu quả để loại bỏ dư thừa tồn tại trong dữ liệu đó. Ví dụ cho một xâu kí tự S, thì cái gì là chuỗi kí tự có thể thay thế được để cho ta một không gian tích trữ nhỏ hơn? Những giải pháp cho vấn đề này là những thuật toán nén mà sẽ xuất phát từ chuỗi kí tự có thể thay thế được để thu được số bit ít hơn trong toàn bộ số bit cần biểu diễn, cùng với những thuật toán giải nén để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Tuy nhiên, ít hơn bao nhiêu bit? Điều đó phụ thuộc vào việc lựa chọn thuật toán mà được sử dụng và lượng dư thừa thông tin tồn tại trong dữ liệu nguồn. Dữ liệu khác nhau có thể yêu cầu những thuật toán khác nhau để nhận ra dư thừa và loại bỏ nó. Rõ ràng, điều này khiến cho những bài toán nén trở nên khó giải quyết vì yêu cầu chung khó được trả lời một cách dễ dàng khi nó gồm quá nhiều trường hợp. May mắn thay, chúng ta có thể đưa ra một số ràng buộc nhất định và kết hợp với kinh nghiệm về dữ liệu cũng như mục đích sử dụng dữ liệu để đưa ra những thuật toán phù hợp. Khi nén dữ liệu, chúng ta cần thiết phải phân tích những đặc tính của dữ liệu được nén và hy vọng suy ra một vài mô hình để biểu diễn nén. Điều này làm tăng mức độ đa dạng về mô hình dữ liệu. Do vậy, kĩ thuật biểu diễn là một khâu trọng tâm của kĩ thuật nén. Một cách cụ thể, nén dữ liệu có thể được xem như là một phương pháp biểu diễn hiệu quả một nguồn dữ liệu số như văn bản, hình ảnh, âm thanh hay bất kì một dạng kết hợp nào của tất cả các loại này ví dụ như video. Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 3 - Hình 1: data in compression Hình 2: figure of data compression Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 4 - Mục đích của nén dữ liệu là biểu diễn nguồn số này bằng số lượng bit ít nhất có thể khi gặp những yêu cầu tối thiểu để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Lý thuyết thông tin (information theory) được sử dụng nhiều trong nén dữ liệu. 1.2. Tín hiệu EEG (Electroencephalograph) và Sự cần thiết nén dữ liệu y sinh (Biomedical data compression) Hình 3: system 10/20 Một ứng dụng quan trọng về nén dữ liệu là trong lĩnh vực y học. Yêu cầu nén tín hiệu y-sinh ngày càng cao do sự phát triển ngày càng đa dạng của các dịch vụ y tế từ xa. Những ứng dụng y tế từ xa càng ngày càng dành được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu bởi nó cung cấp sự truy nhập dễ dàng tới những thủ tục chuẩn đoán bệnh và đánh giá bệnh. Cần phải truyền một lượng lớn dữ liệu y sinh đã thúc đẩy sự cần thiết của việc nén dữ liệu y sinh mà không mất thông tin quan trọng mang trên những tín hiệu ghi đựơc mà có thể dẫn tới hành động chuẩn đoán hay đánh giá bệnh sai. Do đó, nghiên cứu về nén tín hiệu y-sinh là rất cần thiết. Một trong những tín hiệu y-sinh phổ biến hiện nay là tín hiệu điện não (EEG- Electroencephalogram). Tín hiệu EEG ghi lại các hoạt động điện của não nhằm phục vụ các nghiên cứu về não, hay chẩn đoán và điều trị bệnh nhân có rối lọan não. Ví dụ như, chuẩn đoán động kinh và vị trí não bị tổn thương liên quan đến rối loạn này- một chứng bệnh rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 5 - 1.2.1. Tín hiệu EEG Những hoạt động điện của vỏ não thường là những tín hiệu nhịp (rhythms) vì chúng thường dao động lặp đi lặp lại. Sự đa dạng của tín hiệu nhịp EEG vô cùng lớn và phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong trạng thái tinh thần của đối tượng, như là mức độ kích động, trạng thái đi bộ hay trạng thái ngủ. Thông thường, những tín hiệu được ghi trên da đầu có biên độ nằm trong khoảng từ vài microvolts tới xấp xỉ 100 µV, và tần số trong khoảng từ 0.5 đến 30-40 Hz. Hình 4 : các tín hiệu nhịp EEG Tín hiệu EEG cơ bản được chia thành 5 dải tần sau :  Nhịp Alpha : là nhịp cơ sở của não người lớn. Là dạng sóng dễ nhận biết nhất, đi thành chuỗi sóng 8-13 Hz với biên độ 30-50 mV Hình 5: tín hiệu alpha  Nhịp Beta : là sóng có tần số 4-35 Hz, điện thế khoảng 5-30 mV Hình 6: tín hiệu Beta Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 6 -  Nhịp Delta : là một sóng chậm dưới 4 Hz và có biên độ thay đổi Hình 7: tín hiệu Delta  Nhịp Theta : bao gồm các sóng 4-8 Hz , thường có biên độ lớn hơn 20 mV Hình 8: tín hiệu Theta  Nhịp Gamma : có tần số > 30 Hz. Đối với người lớn bình thường thì dải tần của tín hiệu EEG nằm giữa khoảng 0.1-100 Hz. Hầu hết những tín hiệu ở trên duy trì trong vài phút , trong khi có những tín hiệu khác chỉ xảy ra trong vài giây, như nhịp gamma. Ngoài ra còn có những tín hiệu mà nó không xuất hiện vào mọi lúc. Nó là những tín hiệu nhất thời, đột ngột, biểu thị hoạt động quá mức, không bình thường của hoạt động điện của não  Các gai (Spikes) là những biến đổi điện thế thoáng qua, nhanh, có biên độ thực sự cao hơn hoạt động điện cơ bản. Có khoảng thời gian từ 20 – 70 ms Hình 9: Spike đơn  Sóng nhọn (Sharp waves) : là những sóng đơn độc, có khoảng thời gian từ 70 – 200 ms . Có biên độ xấp xỉ bằng với Spikes  Phức hợp sóng gai (Spike-wave complexes) : là một sóng phức hợp của một gai (spikes) và theo sau là một sóng chậm. Có tần số vào khoảng 3- 6 Hz Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 7 - Hình 10: Spike and Sharp wave Sự xuất hiện của các dạng sóng này chỉ ra những hành động thần kinh sai lệch thường được tìm thấy ở những người phải trải qua những cơn động kinh. Đó là những tín hiệu biểu hiện bệnh lý. 1.2.2. Sự cần thiết nghiên cứu nén tín hiệu y sinh Mong muốn nén dữ liệu EEG vì nhiều lý do.Như chúng ta đã biết, EEG là một trong những phương pháp phổ biến giúp bác sĩ có thể xác định vị trí ổ bệnh (khu vực phóng điện) và chức phận não bệnh nhân bị tổn thương. Là một phương pháp hữu hiệu để phát hiện và chẩn đoán bệnh động kinh - một căn bệnh phổ biến và nguy hiểm. Theo thống kê của Tổ Chức Y tế Thế giới (WHO), tỉ lệ người mắc bệnh động kinh trên thế giới khoảng 0,5% dân số, thay đổi tuỳ theo từng quốc gia, từng vùng, từng dân tộc, như ở Pháp và ở Mỹ là khoảng 0,85%; Canada là 0,6%. Tại Việt Nam khoảng 2% dân số trong đó có đến 60% số bệnh nhân là trẻ em. Theo BS Lê Văn Tuấn, chuyên khoa nội thần kinh BV Chợ Rẫy, TP.HCM: Động kinh đôi khi biến chứng và tai nạn có thể gặp khi bệnh nhân lên cơn động kinh: cắn phải lưỡi, viêm phổi do hít phải dãi hay chất nôn ói; gãy xương do chấn thương; tổn thương não do cưoin kéo dài làm não thiếu oxy; ngừng thở do tắc nghẽn đường thở… Tuy nhiên, bệnh hoàn toàn có thể điều trị nếu được phát hiện sớm và điều trị đúng cách thì khả năng hoàn toàn khỏi bệnh là rất cao. Đối với trẻ em, nếu không được điều trị kịp thời, hoặc điều trị không đúng cách dẫn tới tình trạng không khống chế được cơn co giật. Lâu dần, trẻ sẽ bị thiểu năng trí tuệ, rối loạn hành vi. Những cơn co giật sẽ làm cho hệ miễn dịch của trẻ yếu đi, dễ nhiễm các bệnh khác và dễ tử vong hơn trẻ bình thường. Tre bị động kinh không được điều trị đúng thuốc, đúng phác đồ nên sinh ra kháng thuốc. Khi đó, khả năng hồi phục sẽ khó khăn hơn rất nhiều. Do đó việc phát hiện kịp thời động kinh, chẩn đoán chính xác bệnh và điều trị hợp lý là vô cùng quan trọng, cấp bách và cần thiết. Song không phải bất kì bệnh viện nào cũng làm được điều đó vì nó hoàn toàn phụ thuộc vào trình độ và khả năng của bác sĩ đọc điện đồ não. Tín hiệu EEG ghi được rất phức tạp bởi bản ghi không chỉ có tín hiệu nền cơ bản (alpha, gamma,…), các xung bất thường (spike, sharp…) mà nó còn có rất nhiều các loại artifact (ECG, EMG…). Hơn nữa việc nhận biết các sóng nhịp cơ bản cũng không đơn giản, dễ dàng do các nhịp này xuất hiện phụ thuộc vào tuổi, vào trạng thái tinh thần của bệnh nhân. Song chúng ta có thể khắc Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 8 - phục được khó khăn này bằng việc gửi tín hiệu điện não EEG từ một nơi không đáng tin cậy đến những nơi tin cậy mà ở đó có những bác sĩ giỏi, kinh nghiệm thực hiện việc đọc bản ghi và chẩn đoán lâm sàng. Từ đây phát sinh một yêu cầu cần thiết là thực hiện truyền hiệu quả tín hiệu EEG cả về mặt vật lý lẫn hiệu quả kinh tế. Do đó thực hiện nén EEG là cần thiết. Hơn nữa thực hiện công việc này cũng sẽ giúp ích rất nhiều trong việc nghiên cứu về tín hiệu EEG như việc loại bỏ artifacts, dò tìm xung động kinh, và phân loại các dạng xung này bằng việc gửi bản ghi điện não từ bệnh viện đến nơi thực hiện nghiên cứu. Trước tiên nén là để giảm thời gian truyền, giảm không gian lưu trữ, và trong những hệ thống xách tay, nó giảm yêu cầu bộ nhớ hay tăng số lượng kênh và dải thông. Một trong những mục đích đầu tiên của việc làm này là tự động thu thập những dữ liệu EEG mà được yêu cầu với những đặc tính hạn chế từ trước ( luồng dữ liệu 20 480 bps) từ bệnh viện ngoại vi hay từ nhà bệnh nhân, mà truyền qua môi trường truyền tốc độ thấp như là đường dây điện thoại đóng mạch hay mạng điện thoại tế bào, với những phần cứng giá rẻ, mà không nhất thiết phải có mặt của bác sĩ. Những thuật toán nén dữ liệu cho phép người bệnh thực thi một hệ thống xách tay để gửi tín hiệu EEG (20 kênh, 128 Hz, 8-b), trong thời gian thực qua đường điện thoại với modem 14 400 bps. Một y tá trực thu tín hiệu và trong quá trình thu, bác sĩ chỉ cần liên lạc với y tá qua điện thoại. Vì vậy, bệnh nhân không cần gặp trực tiếp bác sỹ điều trị nữa. Dữ liệu được thu thập từ nơi bệnh nhân nằm và sau đó kết quả chẩn đoán, phương pháp điều trị sẽ được gửi trở lại. Điều này cũng dẫn đến việc giảm giá toàn bộ, khi việc chuyên chở bệnh nhân là không cần nữa. Một động lực khác để nén dữ liệu là đối với nhiều trường hợp ở đó lượng dữ liệu được lưu trữ vượt quá khả năng của các thiêt bị lưu trữ thương mại. Trong trường hợp này, giá cả và những giới hạn về công nghệ của những thiết bị lưu trữ khối có sẵn bắt buộc chúng ta phải giảm tốc độ lấy mẫu từ 128 tới 64 Hz và số lượng kênh ghi từ 20 kênh xuống 12 kênh, tuy nhiên chất lượng tín hiệu vẫn có thể chấp nhận được, vì vậy những kĩ thuật nén dữ liệu EEG rất hữu ích và đạt hiệu quả thương mại cao . Bộ vi xử lý mà giám sát thiết bị thu EEG có thể được dành cho nén dữ liệu chỉ trong một phần nhỏ thời gian giữa 2 mẫu tín hiệu vào liên tiếp. Chiều dài từ mà mã được tạo ra từ những thuật toán nén có thể là rất dài (những tín hiệu xảy ra hiếm khi), khiến mất dữ liệu do khả năng tính toán giới hạn của bộ vi xử lý. Để đối phó với bộ biến đổi A/D tốc độ dữ liệu và yêu cầu tính toán thấp, một kĩ thuật nén dựa vào chiều dài từ mã lớn nhất cố định được chấp nhận. Từ sự cần thiết đó, mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu một vài thuật toán để tìm ra được phương pháp nén EEG hiệu quả nhất dựa trên một yêu cầu và tiêu chí đánh giá nào đó. Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 9 - CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT NÉN DỮ LIỆU 2.1. Những vấn đề chung Mã chiều dài thay đổi là mã được mong muốn cho việc nén dữ liệu vì chúng ta có thể đạt được việc tiết kiệm toàn cục bằng cách gán những từ mã ngắn cho những kí tự xuất hiện thường xuyên và những từ mã dài hơn cho những kí tự xuất hiện ít hơn. Ví dụ, cho mã chiều dài thay đổi (0, 100, 101, 110, 111) với chiều dài từ mã (1, 3, 3, 3, 3) cho bảng kí tự (A, B, C, D, E), và chuỗi kí tự nguồn là BAAAAAAAC với tần suất của mỗi kí tự là (7, 1, 1, 0, 0). Khi đó lượng bít trung bình được yêu cầu là: (2.1) Việc này đã tiết kiệm được gần một nửa số bit so với việc biểu diễn bằng mã chiều dài cố định 3 bits/symbol Một nguồn được mô hình hoá bằng một bảng S = (s1, s2, …, sn) và sự phân phối xác suất tương ứng là P = (p1, p2,…,pn) Giả sử chúng ta xuât phát từ mã C =(c1, c2, …, cn) với chiều dài mỗi từ mã là L = (l1, l2,…, ln). Hình 11 : Code and source data [...]... thuật toán nén có thể lựa chọn chiều dài từ mã dài nhất mà không ảnh hưởng nhiều đến tỉ lệ nén Vì vậy những bộ vi xử lý rẻ tiền và những thiết bị lưu trữ có thể sử dụng hiệu quả để lưu trữ những tín hiệu EEG dài trong dạng nén Khi nén tín hiệu EEG, một yêu cầu cần được đảm bảo là không được cản trở việc khôi phục hoàn toàn thông tin gốc từ dữ liệu đã nén Những kĩ thuật nén này được gọi là nén không... dựng mã Huffman thông thường dựa vào xác suất đã biết của các mẫu tín hiệu Tuy nhiên, đối với tín hiệu EEG, nhiều khi cần phải tiến hành ghi tín hiệu điện não trong thời gian dài (long-term signal), và nhiều lúc xuất hiện những tín hiệu bộc phát biểu hiện bệnh lý bất thường có biên độ lớn hơn rất nhiều so với các tín hiệu cơ bản hay các tín hiệu xảy ra hiếm khi Khi đó sử dụng thuật toán Huffman truyền...  sizeaftercompression % sizebeforecompression - 25 - (2.20) Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 3: NÉN TÍN HIỆU EEG 3.1 Các phương pháp đã được sử dụng để nén EEG 3.1.1 Các phương pháp nén không mất thông tin (lossless compression) 3.1.1.1 Giới thiệu phương pháp nén Như chúng ta đã biết tín hiệu EEG ghi lại các hoạt động điện của não nhằm phục vụ các nghiên cứu về não, hay chẩn đoán... từ dữ liệu được nén Trong bài báo cáo này, những kĩ thuật nén dữ liệu EEG mà cho phép khôi phục lại hoàn toàn dạng sóng ghi được từ dữ liệu được nén sẽ được trình bày và thảo luận Nén dữ liệu cho phép chúng ta có thể đạt được việc giảm đáng kể không gian được yêu cầu để lưu trữ tín hiệu và giảm thời gian truyền Kĩ thuật mã Huffman kết hợp với việc tính toán ban đầu đã đạt đựơc tỉ lệ nén cao (trung bình... pháp này thực hiện tốt hơn mọi chiến lược nén dữ liệu khác (khoảng 62%) Tuy nhiên, bằng một sơ đồ dự đoán đơn giản, chúng ta có thể đạt được tỉ lệ nén khoảng 58%, cho phép thực hiện một bộ nén thời gian thực Để giải quyết khó khăn về sự hạn chế chặt chẽ thời gian, một mã chiều dài từ cực đại đã được thiết kế Kết quả là 16 b đủ để nén hiệu quả tín hiệu EEG với sự mất mát hạn chế về hiệu suất thực hiện... trước tiên để thực hiện nén tốt hơn Nén dữ liệu lossless EEG đã được nghiên cứu sâu Vì vậy, những thuật toán nén (đếm lặp, mã Huffman), lượng tử hóa vectơ và những kĩ thuật được sử dụng rộng rãi đã dựa trên những bộ mã dự đoán tín hiệu (những bộ dự đoán tuyến tính, khả năng cực đại, mạng nơron) đã được thực hiện và đánh giá Những bộ nén dữ liệu được so sánh với 2 chương trình nén được sử dụng rộng rãi... lặp 7/5/2011 - 34 - Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 3.1.1.4 Kĩ thuật nén dự đoán (preditive compression techniques) Hình 19 biểu diễn một sơ đồ để thực hiện phép biến đổi ngược được sử dụng rộng rãi để giảm bớt entropy của tín hiệu : entropy của tín hiệu biến đổi càng thấp thì tỉ lệ nén đạt được càng cao Thực hiện việc dự đoán một mẫu tín hiệu dựa vào vài giá trị mẫu quá khứ là nhiệm vụ của... chất lượng nén Do yêu cầu cần phải khôi phục lại tín hiệu EEG sau khi nén là chính xác, không đánh mất bất kì một thông tin nào Nên các phương pháp được nghiên cứu là những phương pháp nén không mất thông tin (lossless compression) Vì vậy trong giới hạn khoá luận này, chúng ta sẽ chỉ trình bày những đại lượng được đưa ra để đo hiệu quả của mỗi kĩ thuật nén lossless Đối với những thuật toán nén không... 11111} 3.1.1.3 Nén đếm lặp Nếu một file chứa những chuỗi dài những kí tự lặp lại có thể nén nó lại, thì chúng ta có thể giảm sự lặp lại những kí tự này bằng phương pháp sử dụng kĩ thuật nén mã chạy loạt (run-length compression techniques) Trong bài báo cáo này này chúng ta sẽ 7/5/2011 - 33 - Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp xem xét một biến thể của nén mã chạy loạt, đó là phương pháp nén đếm lặp... lượng kênh ít hơn và tốc độ bit thấp hơn cũng đủ Trong bài báo cáo này 7/5/2011 - 28 - Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp chúng ta sẽ đề cập đến tốc độ lấy mẫu là 128 Hz/kênh, độ chính xác 8-b, 20 kênh (luồng dữ liệu 20 480 bps), mà được xem như là đủ để đạt được chất lượng tín hiệu EEG tốt Bên cạnh nén không mất thông tin, những kĩ thuật nén mất thông tin (lossy compression) có thể bảo quản được . sĩ gửi về. Một trong những tín hiệu EEG quan trọng nhất đó là tín hiệu EEG. Và trong bài báo cáo này sẽ trình bày các phương pháp nén được sử dụng để nén tín hiệu EEG. Sự cần thiết của việc. KHOA………………………. [[ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NÉN TÍN HIỆU _EEG Nguyễn Thị Hương k49db Khóa luận tốt nghiệp 7/5/2011 - 1 - LỜI MỞ ĐẦU Trong thập kỉ trước nén dữ liệu đã được. hiệu quả tín hiệu EEG cả về mặt vật lý lẫn hiệu quả kinh tế. Do đó thực hiện nén EEG là cần thiết. Hơn nữa thực hiện công việc này cũng sẽ giúp ích rất nhiều trong việc nghiên cứu về tín hiệu