Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)

Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Phúc Ngọc XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TRONG TƯỞNG TƯỢNG VẬN ĐỘNG CHI TRÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Phúc Ngọc XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TRONG TƯỞNG TƯỢNG VẬN ĐỘNG CHI TRÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN BÌNH TS PHẠM HẢI ĐĂNG Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tập thể giáo viên hướng dẫn Tác giả Phạm Phúc Ngọc LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Bình thầy đồng hướng dẫn TS Phạm Hải Đăng Các thầy người định hướng cho triển khai ý tưởng khoa học tận tình hướng dẫn tơi suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Anh, Chị, em bạn đồng nghiệp Bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà nội tạo điều kiện, định hướng giúp đỡ để tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Tôi xin cảm ơn Bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật Y sinh, môn Mạch & xử lý tín hiệu Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà nội, khoa Thần kinh Bệnh viện Bạch Mai hỗ trợ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu, góp ý định hướng nghiên cứu kỹ thuật y học để tơi hồn thành tốt cơng trình nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà nội tạo điều kiện cho q trình học tập nghiên cứu Tơi xin cảm ơn thành viên nhóm nghiên cứu EEG&Arm Rehabilitation hỗ trợ tham gia với tơi việc triển khai thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu điện não phòng thí nghiệm Cuối xin chân thành cảm ơn Bố mẹ, vợ, trai người thân gia đình động viên tinh thần, thời gian vật chất để tơi có động lực thực đường nghiên cứu khoa học Hà nội ngày …… tháng … ….năm…… Tác giả Phạm Phúc Ngọc MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… … CHƢƠNG HỆ THẦN KINH ĐIỀU KHIỂN VẬN ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO ĐỒ LIÊN QUAN VẬN ĐỘNG … CỦA NGƢỜI……………………………………………………………… 1.1 Hệ thần kinh điều khiển vận động……………………………………… … 1.1.1 Các hoạt động não………………………………………… điện ….12 1.1.2 Điện hoạt động……………………………………………… ……13 1.1.3 Tạo tín hiệu EEG………………………………………………… ……14 1.1.4 Hệ thống điều khiển vận động não…………………………… ……18 1.1.5 Tín hiệu điện não đồ liên quan đến tưởng tượng vận động……… ……25 1.2 Mơ hình xử lý tín hiệu điện não IHMv………………………………… ……27 1.2.1 Xác định vị trí khơng gian điện cực thu nhận tín hiệu IHMv……………28 1.2.2 Nâng cao tỷ số SNR tín hiệu………………………………… ……31 1.2.2.1 Tăng cường chất lượng tín hiệu EEG dựa việc sử dụng lọc số có pha không………………………… … 31 1.2.2.2 Tăng cường chất lượng kênh đo tín hiệu EEG kỹ thuật lọc khơng ……36 gian…………………………………………… 1.2.2.3 Phân giải nhóm tín hiệu điện não IHMv (segmentation) từ ghi điện não đồ…………………………………… ……37 1.3 Kết luận chương………………………………………………………… ……46 i CHƢƠNG PHÁT TRIỂN BỘ ĐẶC TRƢNG MỚI NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI HỆ THỐNG QUYẾT ĐỊNH BA PHÂN LỚP IHMv ĐẦU RA… ………………………………………………………… ……48 2.1 Phương pháp định lượng miền thời gian – tần số dựa biến đổi wavelet………………………………………………………………… ……53 2.2 Xây dựng thuộc tính định lượng tín hiệu điều khiển vận động IHMv…………………………………………………………………… ……59 2.3 Mô tả sở liệu vận động/tưởng tượng vận động……65 Physionet…… 2.4 Đề xuất lựa chọn thuộc tính mơ tả tín hiệu IHMv phương pháp phân tích phương sai chiều ANOVA theo số F và……70 p…………… 2.4.1 Phương pháp phân ANOVA………… tích phương sai chiều……72 2.4.2 Đề xuất xây dựng đặc trưng lựa chọn phương pháp kiểm định ANOVA theo số F p………………………………… ……73 2.5 Kết luận chương………………………………………………………….……78 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI BA PHÂN LỚP……80 IHMv…… 3.1 Xây dựng vector đặc trưng mơ tả tín hiệu điện não IHMv từ đặc trưng đề xuất cấu trúc các……85 lớp……………………………………………… 3.2 Mơ hình máy vector hỗ trợ nhị phân SVM……………………………………87 3.3 Đề xuất xây dựng mô hình phân loại 3IHMv_SVM2 dựa mơ hình vector học máy phi tuyến (SVM) thực phân lớp ba trạng thái tưởng tượng vận động tay trái, tay phải nghỉ……………………………… ……95 3.4 Mô đánh giá khả phân loại phân loại 3IHMv_SMV2………………………………………………………… ……99 ii 3.5 Kết luận chương………………………………………………………….… 104 CHƢƠNG XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU ĐIỆN NÃO IHMv CỦA ĐỐI TƢỢNG NGƢỜI VIỆT NAM…………………………………………… … 105 4.1 Quy trình đo xây dựng liệu điện não liên quan đến vận động người Việt ….105 Nam………………………………………………………… 4.1.1 Hệ thống thu nhận liệu điện não liên quan đến vận động/ tưởng tượng vận động đối tượng đo người Việt… 106 nam………………… 4.1.2 Kết đánh giá liệu…………………………………… … 114 4.2 Xây dựng cơng cụ phân tích tín hiệu IHMv, ứng dụng tạo định ba phân lớp IHMv hệ thống cánh tay robot hỗ trợ vận ….123 động………… 4.3 Kết luận chương………………………………………………………….… 125 KẾT LUẬN CHUNG………………………………………………………… ….127 Các đóng mới……………………………………………………… góp ….127 Hướng nghiên cứu tiếp………………………………………………… ….129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ…………… … 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… … 132 PHỤ 1…………………………………………………………………… LỤC ….143 PHỤ LỤC 2…………………………………………………………………… ….153 PHỤ LỤC 3…………………………………………………………………….….157 PHỤ 4………………………………………………………………… iii LỤC… 170 PHỤ 5………………………………………………………………… LỤC… 173 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ANOVA AP AR ARMA AUC AVACC BA4 BA6 BCI CAR CNS CS_LDA CSP CS_SVM DWT EEG EMG ERD ERP ERS ERSP Analysis of Variance Action Potential Autoregressive Autoregressive Moving Avarage Area Under ROC Curve Average Accuracy Brodmann Area Brodmann Area Brain Computer Interface Common Average Reference Central Nervous System Class Separability Linear Discriminant Analysis Common Spatial Patterns Class Separability Support Vector Machine Discrete Wavelet Transform Electroencephalogram Electromyography Event-Related Desynchronization Event – Related Potential Event-related Synchronization Event-related spectral iv Phân tích phương sai Điện hoạt động Tự động hồi quy Tự đồng hồi quy trung bình dịch Diện tích đường ROC Độ xác trung bình Khu vực Brodmann Khu vực Brodmann Giao tiếp người – máy Tham chiếu trung bình Hệ thần kinh trung ương Phân chia lớp kết hợp với phân tích phân chia tuyến tính Các thành phần khơng gian chung Phân tích lớp kết hợp vector máy hỗ trợ Biến đổi wavelet rời rạc Điện não đồ Điện Khử đồng liên quan đến kiện Điện liên quan đến kiện Đồng liên quan đến kiện Phổ lượng hỗn loạn liên FFT FIR FMRI FNR FPR HJ_ACT HJ_MOBI ICA ICMS IHMv IPL L Lf_IHMv LOG_EN M1 MEMD MI MMAV MRCPs MRMR MSE NA-MEMD NN PLV RBF Re Re_IHMv Ri Ri_IHMv RMS ROC S1 SHAN_EN SMA perturbation Fast Fourier Transform Finite Impulse Response Functional Magnetic Resonance Imaging False Negative Rate False Positive Rate Hjorths Activity Hjorths Mobility Independent Component Analysis Intracortical Microstimulation Imagery Hand Movement Inferior Parietal Lobule Left Imagery Left Hand Movement Logarithm Entropy Primary Motor Cortex Multivariate Empirical Mode Decomposition Mutual Information Modified Mean Absolute Value Movement-Related Cortical Potentials Max Relevance and Min Redundancy Mean Square Error Noise Assisted MEMD Neural Network Phase Lock Value Radial basis function Rest Rest state Right Imgary Right Hand Movement Root Mean Square Receiver Operating Characteristic Primary Somatosensory Cortex Shannon Entropy Supplement Motor Area v quan đến kiện Biến đổi Fourier nhanh Đáp ứng xung hữu hạn Cộng hưởng từ chức Tỷ lệ âm tính giả Tỷ lệ dương tính giả Thơng số Hjorths hoạt động Thơng số Hjorths linh động Phân tích thành phần độc lập Vi kích thích hộp sọ Tưởng tượng vận động chi Tiểu thùy đỉnh Trái Tưởng tượng vận động tay trái Logarit Entropy Vỏ não vận động Phương pháp MEMD Thông tin chung Giá trị sửa đổi trung bình tuyệt đối Điện não liên quan đến vận động Tối đa liên quan giảm độ dư thừa Sai số trung bình bình phương Kỹ thuật MEMD cộng nhiễu Mạng nơ ron Giá trị khóa pha Hàm RBF Nghỉ Trạng thái nghỉ Phải Tưởng tượng vận động tay phải Căn bậc hai trung bình bình phương Đường cong ROC Vùng não cảm giác Shannon Entropy Vùng não vận động bổ sung SNR SPL SSI STFT SVM SSC SWT TNR TPR WAMP WPICA ZC Signal to Noise Ratio Superior Parietal Lobule Simple Square Integral Short Time Fourier Transform Support Vector Machine Slope Sign Change Stationary Wavelet Transform True Negative Rate True Positive Rate Willison Amplitude Wavelet packet-based independent component analysis Zero Crossings vi Tỷ lệ tín hiệu nhiễu Tiểu thùy đỉnh Chỉ số lượng tín hiệu Biến đổi Fourier thời gian ngắn Máy vector hỗ trợ Thay đổi chiều dốc Biến đổi wavelet ổn định Tỷ lệ âm tính thật Tỷ lệ dương tính thật Thuộc tính WAMP Phân tích thành phần độc lập dựa biến đổi wavelet Tỷ lệ cắt không ... tạo tín hiệu điều khiển vận động từ sóng não vận động lên hệ thống hỗ trợ vận động, luận án tập trung nghiên cứu phương pháp phân loại trạng thái tưởng tượng vận động chi dựa tín hiệu điện não. .. ……14 1.1.4 Hệ thống điều khiển vận động não ………………………… ……18 1.1.5 Tín hiệu điện não đồ liên quan đến tưởng tượng vận động …… ……25 1.2 Mơ hình xử lý tín hiệu điện não IHMv………………………………… ……27 1.2.1... lấn điện não đồ đa kênh EEG tạo tín hiệu điều khiển vận động có nhiều ý nghĩa thực tiễn Luận án tập trung nghiên cứu tín hiệu não liên quan đến điều khiển vận động Vận động chi người vận động