Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ

Bài viết trình bày giải pháp sử dụng một máy tính PC được gắn một card PCI thu thập dữ liệu 32 kênh đầu vào tương tự, kết hợp với phần mềm được cài đặt trên máy tính để thu thập và xử lý tín hiệu điện não từ một thiết bị điện não thế hệ cũ EEG Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử GIẢI PHÁP SỐ HĨA THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO THẾ HỆ CŨ Lương Quang Hải*, Trần Ngọc Quang, Vương Trí Tiếp, Phạm Văn Thuận Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp sử dụng máy tính PC gắn card PCI thu thập liệu 32 kênh đầu vào tương tự, kết hợp với phần mềm cài đặt máy tính để thu thập xử lý tín hiệu điện não từ thiết bị điện não hệ cũ EEG Neurofax 5521K hãng Nihon Kohden Với việc số hóa thiết bị, người dùng lưu trữ liệu lớn máy tính, trích chọn đoạn liệu có ý nghĩa chẩn đốn, in liệu máy in thơng thường Ngồi ra, phần mềm máy tính cho phép người dùng trích chọn, co, dãn tín hiệu hỗ trợ tính tốn tần số, biên độ sóng , ,  Từ khóa: Lọc trung bình, Thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K, Xử lý tín hiệu điện não ĐẶT VẤN ĐỀ Điện não đồ xem công cụ hữu hiệu việc nghiên cứu hoạt động chức não nói chung chẩn đốn bệnh lý, bất thường não nói rêng Thơng qua việc theo dõi, phân tích tín hiệu điện não bác sĩ chun khoa chẩn đốn co giật bệnh nhân động kinh chẩn đốn hay theo dõi bệnh lý não sa sút trí tuệ Alzheimer, tình trạng lú lẫn, chấn thương đầu, khối u não, Ngồi điện não đồ cho ta khả đánh giá rối loạn giấc ngủ, nghiên cứu giai đoạn vô thức, theo dõi hoạt động não thời gian phẫu thuật, trường hợp hôn mê Các thiết bị điện não hãng lớn chế tạo thường cập nhật công nghệ tiên tiến phiên tiếp theo, có tính ưu việt Chẳng hạn, thiết bị điện não hãng Nihon Kohden Neurofax µ 9100 bao gồm laptop function box có kích thước gọn nhẹ [6] Với việc tích hợp máy tính, thiết bị mềm dẻo việc lưu giữ liệu, in ấn, tích hợp phần mềm phân tích tín hiệu điện não (Electroencephalography – EEG) Ở nước ta, sở y tế từ tuyến huyện tương đương trở lên trang bị thiết bị điện não Tuy nhiên, điều kiện kinh phí, khơng phải sở y tế trang bị thiết bị mới, sử dụng thiết bị điện não hệ cũ Các thiết bị cũ có nhiều hạn chế, số việc lưu trữ liệu giấy bút ghi, điều gây khó khăn, tốn q trình lưu trữ Hơn việc lưu trữ liệu giấy khiến việc theo dõi, phân tích xử lý tín hiệu điện não bác sĩ gặp nhiều khó khăn Với mục đích nâng cao hiệu thiết bị điện não cũ sử dụng nhiều sở y tế, báo đề cập đến giải pháp số hóa thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K hãng Nihon Kohden với mục tiêu xây dựng cấu hình phần cứng; xây dựng phần mềm thu thập liệu điện não EEG 32 kênh; Xây dựng phần mềm hiển thị hỗ trợ phân tích tín hiệu điện não NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Đặc điểm thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K Thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K sử dụng để đo ghi tín hiệu điện não EEG giấy in nhiệt sử dụng phổ biến bệnh viện 70 L Q Hải, T N Quang, …, “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não hệ cũ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ nước ta vào năm 2000 Thiết bị sản phẩm hãng NIHON KOHDEN- Nhật Bản, nhà sản xuất thiết bị y tế tiếng tồn cầu Vào thời điểm đó, dòng thiết bị tương đối đại đáp ứng tốt yêu cầu khám chữa bệnh Tuy nhiên, nhu cầu chăm sóc sức khỏe người ngày cao với phát triển nhanh chóng khoa học kĩ thuật, thiết bị EEG Neurofax 5521K dần trở nên lạc hậu, dẫn tới nhu cầu thay cải tiến nâng cấp thiết bị Hình Thiết bị điện não Neurofax 5521K Một số tính kĩ thuật thiết bị EEG Neurofax 5521K: - Khả hoạt động : Đo ghi 32 kênh tín hiệu điện não - Nguồn vào: 220V~240V, 50/60Hz - Tự động thu nhận ghi kết liên tục 24h - Tần số lấy mẫu lên đến 10.000Hz - Tích hợp máy in nhiệt để ghi kết - Đầu tương tự 32 kênh tương ứng với 32 kênh tín hiệu điện não Thiết bị hoạt động ổn định, thao tác đơn giản dễ sử dụng, tín hiệu thiết bị xử lý qua lọc, khuếch đại có chất lượng cao nên cho dạng sóng chất lượng tốt, rõ nét, khơng bị ảnh hưởng nhiều loại nhiễu công nghiệp hay nhiễu điện lưới Bên cạnh đó, thiết bị tồn số hạn chế như: Thời gian ghi tín hiệu điện não kéo dài nhiều giờ, số lượng ghi lớn, máy sử dụng công nghệ lưu liệu giấy in nhiệt dẫn đến chi phí cao; Kích thước máy cồng kềnh Từ đặc điểm kể trên, để thiết bị đáp ứng tốt yêu cầu khám chữa bệnh, đỏi hỏi cần phải có cải tiến định Đầu máy có cổng DB37 cho tín hiệu tương tự 32 kênh tương ứng với 32 kênh điện não tín hiệu khuếch đại lên mức điện áp 10V, thuận lợi để nâng cấp thiết bị việc thiết kế thu nhận tín hiệu, kết hợp sử dụng máy tính số để lưu trữ, xử lý, phân tích liệu thu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 71 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2.2 Giải pháp thực 2.2.1 Xây dựng cấu hình phần cứng Từ nghiên cứu, phân tích trên, chúng tơi đề xuất giải pháp phần cứng cho việc cải tiến thiết bị điện não Neurofax 5521K hình Tín hiệu tương tự thiết bị điện não Neurofax 5521K, tín hiệu EEG lọc nhiễu khuếch đại lên mức 10V, đưa vào máy tính để xử lý thơng qua card PCI 9113A [4] Tại máy tính nhận có chương trình để thu thập xử lý tín hiệu EEG Tín hiệu sau xử lý đưa hình hiển thị gửi đến máy in để in kết máy in laser thơng thường Cấu hình hệ thống hình Hình Sơ đồ hệ thống thu thập xử lý tín hiệu điện não Việc kết nối truyền liệu thiết bị điện não Neurofax 5521K máy tính thực thông card PCI 9113A Hãng ADlink Card PCI 9113A, hình 3, module dùng để thu thập liệu đa năng, cung cấp khả tùy chỉnh cho mạch điện tín hiệu đầu vào Hình Card PCI 9113A Tín hiệu tương tự 32 kênh lấy từ cổng DB37 máy điện não EEG Neurofax 5521K đưa đến card PCI 9113A Tại đây, tín hiệu tương tự kênh xử lý sơ bù điện áp lọc nhiễu thơng qua chức có sẵn mạch sau chuyển đổi sang tín hiệu số Phương pháp số hóa tín hiệu EEG sử dụng card PCI 9113A đảm bảo yêu cầu sai số, độ trễ chống nhiễu Thiết bị Neurofax 5521K hãng Nihon Kohden thiết bị tiêu chuẩn, đạt chứng nhận chất lượng khắt khe lưu hành khắp giới Do đó, tín hiệu EEG đo thiết bị 72 L Q Hải, T N Quang, …, “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não hệ cũ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Neurofax 5521K đảm bảo độ xác định Bên cạnh đó, tín hiệu EEG tương tự đầu thiết bị khuếch đại lên mức 10V Do đó, mức độ nhiễu tác động lên tín hiệu số hóa card PCI 9113A nhỏ Với tần số lấy mẫu 500S/s, độ trễ lớn q trình số hóa 0,002s Mức độ khơng ảnh hưởng đến q trình phân tích chẩn đốn bệnh Card PCI 9113A có độ phân giải 12 bit đảm bảo độ xác cao ứng dụng số hóa tín hiệu Y Sinh (bao gồm loại tín hiệu như: Điện não EEG, điện tim ECG, điện EMG, điện nhãn đồ EOG, ) Bộ phần mềm cài đặt máy tính gồm có hai module: phần mềm thu thập tín hiệu điện não phần mềm xử lý tín hiệu điện não Các thuật tốn kiểm nghiệm cơng cụ Matlab, việc hoàn thiện phần mềm thực cơng cụ lập trình LabView [5] 2.2.2 Xây dựng phần mềm thu thập tín hiệu điện não Module phần mềm thu thập tín hiệu có chức điều khiển card PCI 9113A số hóa kênh tín hiệu điện não theo tham số cài đặt (tần số lấy mẫu, số kênh, ) Đồng thời, hiển thị kênh tín hiệu điện não hình hỗ trợ bác sĩ theo dõi trực tiếp mà không cần phải in giấy Ngoài ra, module phần mềm cho phép người dùng chèn dấu hiệu kích thích vào ghi tín hiệu điện não (nhắm, mở mắt, tín hiệu ánh sáng, …) Lưu đồ thuật toán phần mềm thu thập tín hiệu điện não hình Hình Lưu đồ thuật tốn phần mềm thu thập tín hiệu điện não Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 73 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong đó, module khởi tạo có chức cấu hình thơng số kĩ thuật cho card PCI 9113A bao gồm: - Tốc độ lấy mẫu( 500 Sample/s) - Số kênh( 32 kênh) - Mức đầu vào ( 10V) Module chuyển đổi tương tự số thực card PCI 9113A Module chèn dấu hiệu kích thích Trong thời gian ghi tín hiệu điện não có yếu tố ảnh hưởng đến người bệnh từ ảnh hưởng đến ghi điện não đồ, yếu tố sinh lý mở mắt, nhắm mắt, ánh sáng thay đổi, HV Vì vậy, module cho phép bác sĩ chèn dấu hiệu để đánh dấu thời điểm mà có yếu tố kích thích tác động đến bệnh nhân, giúp thuận tiện cho trình đọc phân tích ghi sau Module lưu liệu Sau chèn dấu hiệu kích thích, chúng tơi thu liệu EEG hồn chỉnh 32 kênh, tiếp theo, liệu lưu thành mảng [X×32] dùng cho phân tích sau này, 32 cột tương ứng 32 kênh liệu, X số hàng tương ứng với số mẫu ghi liệu 32 kênh, giá trị X lớn tùy thuộc vào thời gian ghi liệu Module hiển thị 32 kênh EEG Việc hiển thị tín hiệu EEG giúp bác sĩ dễ dàng kiểm tra phát bất thường trình ghi liệu, từ có hướng giải phù hợp Từ liệu EEG cần phải tách thành 32 kênh riêng biệt sau hiển thị kênh hình 2.2.3 Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu điện não Module phần mềm xử lý tín hiệu có chức xử lý, phân tích liệu từ tính tốn thơng số biên độ, tần số tín hiệu điện não Dựa vào thơng số kết hợp hình ảnh điện não đồ, bác sĩ đưa định chẩn đốn Lưu đồ thuật tốn phần mềm phân tích xử lý tín hiệu điện não trình bày hình Tín hiệu điện não khơng phải dao động tuần hồn mà bao gồm nhiều đoạn sóng có tần số biên độ dao động khác [1] Đối với dạng tín hiệu biến đổi khơng theo quy luật tín hiệu điện não việc tính tốn tần số, biên độ dao động thường dựa theo phương pháp tìm đỉnh sóng tín hiệu, khoảng thời gian đỉnh sóng liên tiếp chu kỳ tín hiệu, trung bình tất khoảng thời gian chu kỳ dao động trung bình đoạn tín hiệu điện não từ đó, ta tìm tần số trung bình tín hiệu Dựa vào đỉnh sóng ta tìm thơng số biên độ dao động tín hiệu Module trích tín hiệu Dữ liệu từ ghi tín hiệu EEG thường lớn nên việc phân tích tín hiệu ghi khơng hiệu Chính thế, cần chọn khoảng tín hiệu có ý nghĩa khoảng tín hiệu khơng bị nhiễu lớn, khoảng tín hiệu bất thường, … để phân tích tìm tham số tín hiệu Module cắt đoạn tín hiệu Đặc điểm tín hiệu điện não sóng alpha, theta, delta thường xuất cụm, thế, cần có chương trình để chọn cắt đoạn tín hiệu ngắn tìm tần số, biên độ sóng điện não đoạn Module lọc trung bình Do thuật tốn tính tần số tín hiệu dựa việc tìm khoảng cách điểm biến thiên đỉnh sóng tín hiệu điện não, thế, gợn sóng nhỏ hay điểm biến thiên nhỏ 74 L Q Hải, T N Quang, …, “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não hệ cũ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ đỉnh sóng tín hiệu làm sai lệch kết tính tốn tần số Hàm lọc trung bình khắc phục nhược điểm Việc thực lọc trung bình thực dựa vào phương trình (1) [2] (1) Trong đó: - x tín hiệu EEG gốc; - n số mẫu tín hiệu gốc; - y tín hiệu EEG sau lọc; - k số mẫu lấy giá trị trung bình; - i,j số i=1÷ n/k; j=1÷k Theo phương trình (1) hàm lọc trung bình lấy giá trị trung bình k mẫu liên tiếp nhau, tập hợp giá trị trung bình tạo nên đoạn tín hiệu mà có dạng tương tự tín hiệu cũ có số mẫu giảm k lần Hình Lưu đồ thuật tốn phân tích, xử lý tín hiệu điện não Module tìm đỉnh sóng tín hiệu Tín hiệu điện não bao gồm nhiều dạng sóng não khác sóng não alpha, beta, theta hay nhịp Muy rolando dạng sóng não có chu kỳ, tần số dao động khác nên để tính chu kỳ cho đoạn tín hiệu chứa nhiều thành phần sóng khác ta phải tính thời gian chu kỳ dao động, khoảng thời gian đỉnh sóng liên tiếp Tại điểm đỉnh sóng tín hiệu giá trị biên độ có biến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 75 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử thiên đảo chiều theo hướng từ dương chuyển sang âm [3] Theo đó, chúng tơi đưa cơng thức so sánh (2) để tìm đỉnh sóng Điểm i+1 đỉnh sóng nếu: ∆xi>0 ∆xi+1