Nghiên cứu cơ cấu độ nhạy của mắt người trên ánh sáng chớp tắt bằng phương pháp phương phân tích phổ tín hiệu hồng ngoại gần (near infrared spectroscopy NIRS)

BÁO CÁO TỔNG KẾT Tên đề tài: NGHIÊN CỨU Ơ ẤU Ộ NHẠY CỦA MẮT N ƯỜI TRÊN ÁNH SÁNG CHỚP TẮT BẰN P ƯƠN P ÁP P ÂN TÍ P Ổ TÍN HIỆU HỒNG NGOẠI GẦN (NEAR-INFRARED SPECTROSCOPY, NIRS) Ngày tháng 04 năm 2014 Chủ tịch hội đồng nghiệm thu (Họ tên, chữ ký) Ngày 01 tháng 04 năm 2014 Chủ nhiệm (Họ tên chữ ký) Ngày tháng 04 năm 2014 Cơ quan chủ quản Ngày tháng 04 năm 2014 Cơ quan chủ trì (Họ tên, chữ ký, đóng dấu) TP.HCM, tháng năm 2014 MỤC LỤC TÓM TẮT ABSTRACT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ Ồ THỊ LỜI CẢM ƠN ƯƠN 1: IỚI THIỆU ƯƠN 2: T IẾT BỊ VÀ P ƯƠN P ÁP N 2.1 2.1.1 IÊN ỨU 11 Giới thiệu máy Papillometre 11 Ứng dụng máy Papillometre 12 2.2 Giới thiệu máy cận hồng ngo i gần chức (fNIRS) 14 2.3 ố tượng thí nghiệm phương pháp thực 19 2.4 Xử lý liệu 21 2.4.1 Phân tách tín hiệu độc lập (ICA) 22 2.4.2 Phân tách tín hiệu độc lập với ràng buộc (cICA) 24 2.5 Phương thức đánh g 25 ƯƠN 3: KẾT QUẢ 27 3.1 ánh g thuật toán cICA 27 3.2 Ho t động huyết động học khối thị giác nghỉ ngơ có tác nhân kích thích 30 3.3 ánh g đáp ứng khối thị giác với mức độ đ ều chế tần số ánh sáng chớp tắt 33 3.3.1 Đáp ứng tín hiệu fNIRS với tần số khác ánh sáng chớp tắt 33 3.3.2 Đáp ứng với mức điều chế khác ánh sáng kích thích 33 3.3.3 Tương tác điều chế tần số tác nhân kích thích lên đáp ứng khối thị giác 34 ƯƠN 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 LÝ LỊCH KHOA HỌC CỦA THÀNH VIÊN 47 TÓM TẮT V ệc ngh ên cứu độ nh y mắt vớ ánh sáng chớp tắt ngh ên cứu tr ng nh ều kỷ qua Những kết tìm tr ng lãnh vực đóng góp h ểu b ết rõ hệ thống thị g ác ngườ bệnh thị g ác để th ết lập phương pháp chẩn đ án chữa bệnh Mục đích ngh ên cứu tìm h ểu tác động sáng chớp tắt lên khố thị g ác vỏ nã v ệc the dõ huyết động học nã máy đ phổ hồng ng gần (funct nal Near Infrared Spectroscopy-fNIRS) Bở tín h ệu fNIRS đ bị ảnh hưởng bở yếu tố s nh học thể nh ễu th ết bị, nên thuật t án phân tích thành phần độc lập vớ ràng bộc ( nstra ned Independent Component Analysis-cICA) áp dụng để trích chọn tác động fNIRS từ l ệu thu Kết thu thay đổ đáng kể ( p < 0.0001) huyết động khố thị g ác s vớ đường sở kh có tín h ệu tác động chớp tắt ánh sáng Vớ v ệc sử dụng cI A, tỉ lệ tương phản vớ nh ễu ( ntrast t n se ratio - NR) thể h ện thay đổ nồng độ h t huyết động học g ữa nghỉ ngơ lúc thực h ện tác vụ trở lên rõ ràng fNIRS đ kh nh ễu l ều thể h ện th ện tín h ệu bỏ phần Tr ng thí ngh ệm kế t ếp, phân tích thống kê sử dụng để tính độ tương quan g ữa tín h ệu fNIRS tác động thị g ác húng tơ tìm có g ảm nhẹ nồng độ huyết động học xy (kh ảng 5.69% ) bốn tần số ánh sáng kích thích kh độ b ến đ ệu tăng lên Tuy nh ên khác b ệt huyết động học xy-hemoglobin deoxy-hemoglobin không đáng kể ABSTRACT The human visual sensitivity to the flickering light has been under investigation for decades The finding of research in this area can contribute to the understanding of human visual system mechanism and visual disorders, and establishing diagnosis and treatment of diseases The aim of this study is to investigate the effects of the flickering light to the visual cortex by monitoring the hemodynamic responses of the brain with the functional near infrared spectroscopy (fNIRS) method Since the acquired fNIRS signals are affected by physiological factors and measurement artifacts, constrained independent component analysis (cICA) was applied to extract the actual fNIRS responses from the obtained data The experimental results revealed significant changes ( p < 0.0001) of the hemodynamic responses of the visual cortex from the baseline when the flickering stimulation was activated With the uses of cICA, the contrast to noise ratio (CNR), reflecting the contrast of hemodynamic concentration between rest and task, became larger This indicated the improvement of the fNIRS signals when the noise was eliminated In subsequent studies, statistical analysis was used to infer the correlation between the fNIRS signals and the visual stimulus We found that there was slight decrease of the oxygenated hemoglobin concentration (about 5.69% ) over four frequencies when the modulation increased However, the variations of oxy and deoxy-hemoglobin were not statistically significant DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Thông số máy FOIRE 3000 18 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Sự thay đổ cường độ ánh sáng phát từ máy Pappillometre 11 Hình 2: Máy Papillometre 12 ình 3: Phương pháp ngh ên cứu mắt cách xây dựng hàm đáp ứng 12 ình 4: ường biểu diễn TMTF thu từ phương pháp tâm s nh lý 13 ình 5: ường đ hình chuối ánh sáng não 15 ình 6: Ánh sáng đ qua mô trường đồng vớ độ hấp thụ c số 15 Hình 7: Mơ tả hình học đường đ t a sáng 16 Hình 8: Máy FOIRE 3000 19 Hình 9: Vị trí nốt phát thu 20 ình 10: ố tượng thực thí nghiệm 21 Hình 11: Sử dụng cI A để tách tín hiệu đáp ứng từ khối thị giác 25 Hình 12: Nồng độ Oxy- b thay đổi t i khối thị g ác tương ứng với tác nhân kích thích (màu đỏ) khơng liên quan tới tác nhân kích thích (màu xanh) 27 ình 13: Vùng đối sánh 28 Hình 14: Tín hiệu đáp ứng Oxy- b tương ứng với tần số nhấp nháy 0Hz (a) Ánh x vị trí ICs (b) Tín hiệu ICs tín hiệu gốc t i khối thị giác vớ vùng đối sánh 29 Hình 15: Tín hiệu đáp ứng Oxy- b tương ứng với tần số nhấp nháy 10Hz (a) Ánh x vị trí ICs (b) Tín hiệu ICs tín hiệu gốc t i khối thị giác vớ vùng đối sánh 30 Hình 16: Cải thiện tín hiệu fNIRS sử dụng cICA (a) So sánh giá trị nồng độ oxy-Hb nghỉ ngơ có tác nhân kích thích liệu gốc (chỉ có làm trơn sử dụng, tín hiệu fNIRS cải tiến CBSI cICA, (b) ví dụ nồng độ oxy-Hb kênh, (c) ví dụ nồng độ oxy-Hb tách dùng cICA 31 Hình 17: Giá trị trung bình oxy-Hb deoxy-Hb tần số, đ ều chế đối tương ường cong Oxy- b biểu diễn màu đỏ deoxy-Hb màu xanh 32 ình 18: áp ứng khối thị giác với hai mức độ đ ều chế khác ánh sáng kích thích (a) Nồng độ Oxy-Hb (b) Nồng độ Deoxy-Hb 34 ình 19: Tương tác g ữa tần số mức độ đ ều chế ánh sáng kích thích lên (a) Nồng độ Oxy-Hb (b) Nồng độ Deoxy-Hb 35 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn hỗ trợ Hồ hính M nh i Học Quốc Tế t i Học Quốc Gia Tp đ ều kiện tốt cho thực đề tài húng tô x n chân thành cảm ơn Phịng Chính- i Học Quốc Tế- Tp uản Lý Khoa Học Phòng Tài M hỗ trợ việc quản lý thủ tục hành chính, tà ch đề tài tận tình g úp đỡ chúng tơi việc nghiệm thu để đề tà hồn thành Sau cùng, chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thành v ên tham g a đề tài, cộng tác v ên hỗ trợ việc thu thập liệu suốt thời gian thực đề tài CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Sự h ểu b ết chức hệ thống thị g ác, từ mắt đến khố thị g ác tăng lên đáng kể qua nh ều kỷ Những ngh ên cứu để xác định tác động thị g ác xác phù hợp, phương pháp thu thập l ệu, quan trọng h ểu trình đáp ứng khố thị g ác bá cá tr ng ngh ên cứu tâm lý lâm sàng [1, 2, 3] Tác động quang học sử dụng ánh sáng chớp tắt đ ều chế vớ sóng hình SIN nhận dược nh ều ý ều có nguyên nhân d tham số đ ều kh ển tác nhân kích thích quang học mức độ đ ều chế, tần số nhấp nháy, mật độ sáng trung bình h ệu chỉnh the ý muốn độc lập cung cấp nh ều thông t n phụ thuộc tham số t áp ứng d thờ đ ểm Và nữa, thí ngh ệm thực h ện thể sống khơng xâm lấn D đó, thí ngh ệm thực h ện rộng rã ngườ động vật Tr ng lãnh vực tâm lý học, tín h ệu kích thích hình SIN sử dụng để th ết lập hàm truyền t ếp đ ều chế the thờ g an (Temporal modulation transfer functions (TMTF)[4]) mắt hàm tìm nh y cảm vớ tần số khác àm có hình d ng dả thơng tần số tớ h n ( ritical flicker frequency (CFF)) tần số ca mà ngườ cảm nhận 50Hz Chính thơng tin dòng máu t đầu dây thần k nh thị g ác l ên kết chặt chẽ vớ h t động tế bà neur n ố vớ lãnh vực đ ện s nh học, tín h ệu kích thích hình SIN sử dụng để ngh ên cứu ER (Electr ret n grams), VEP (visual evoked potentials), phản ứng đ ện s nh tế bà ba gồm tế bà thụ quang, tế bà ngang h ch tế bào[5, 6] Những kết phần nà ch thấy h t động thần k nh tế bà thị g ác t thống thị g ác T mức khác hệ Riva[7] tr ng kh ngh ên cứu lưu lượng máu t đầu dây thần k nh thị g ác mè sử dụng ánh sáng laser D ppler tìm thấy tín h ệu kích thích hình SIN ln ln gây tăng lên tr ng lưu lượng máu tăng lên tùy thuộc tần số sóng kích thích, độ sâu đ ều chế độ rọ Kh độ sâu đ ều chế tăng lên, lưu lượng máu tăng tương ứng, t hầu hết thờ đ ểm đ t tớ tr ng thá bã hòa hàm x chma (sigmoidal function) ường cong TMTF th ết lập sử dụng thay đổ lưu lượng máu đ ều k ện có hình d ng dả thơng góc ngh êng t tần số ca s sánh vớ góc nghiêng nghiên cứu h ch tế bà [8] Tr ng kỹ thuật ảnh sử dụng cộng hưởng từ chức (Functional magnetic resonance imaging -fMRI), phương pháp h ệu dùng để đ lường mức độ xy (bl d xygen level detect n -BOLD) tr ng máu, ngh ên cứu kích thích BOLD tr ng khố thị g ác tăng lên vớ tần số ánh sáng kích thích tớ 8Hz [9] Một số nhà ngh ên cứu khác l kích thích BOLD đ t đỉnh t tần số sóng kích thích 6-11Hz [10] Tuy nhiên, phương pháp cộng hưởng từ fMRI có số g h n giá thành cao tín h ệu BO D đ phần lớn thể h ện thông t n huyết sắc tố khử xy Ngày nay, kỹ thuật đ cận hồng ng (functional near infrared spectroscopy - fNIRS) nổ lên phương pháp quan trọng để đ nồng độ huyết sắc tố oxy deoxy máu (oxy-Hb deoxy-Hb) Dựa đặc trưng khơng xâm lấn áp dụng ch thể sống, fNIRS mang đến nh ều ưu đ ểm trở thành phương pháp bổ sung ch fMRI Một cách bản, tr ng kỹ thuật cận hồng ng t a sáng vớ bước sóng cận hồng ng , từ 700nm tớ 900nm sử dụng để ch ếu rọ vật chất nã Bước sóng lựa chọn phả thỏa mãn đ ều k ện tố đa hấp thụ huyết sắc tố xy khử- xy tố th ểu khả hấp thụ ánh sáng nước quan thể D vậy, fNIRS dùng để theo dõ đáp ứng huyết động học nã vớ thờ g an ã có số báo cáo cho fNIRS sử dụng thành công để the dõ đáp ứng huyết động học t khố thị g ác võ nã cách sử dụng kích thích nhấp nháy hình máy tính [11] Meek et al [12] phát h ện nồng độ xy- b tăng lên tr ng kh nồng độ deoxy-Hb máu g ảm xuống tr ng thờ gian kích thích Kojima et al [13] mang đến kết luận tương tự đáp ứng vớ huyết động học tr ng suốt thờ g an tác động tác nhân kích thích, đồng thờ gợ ý đố tượng thí ngh ệm tập trung dẫn tớ thay đổ nồng độ xy- b ca kh thực h ện the dõ thụ động Vị trí đ lường đáp ứng động học khố thị g ác khám phá bờ Wijeakumar [14] Liao et al [15] phát h ện thần k nh m ch khớp nố xung quanh vùng thị g ác bị tác động vớ tác nhân kích thích khơng vớ ngườ khỏe m nh mà vớ trẻ sơ s nh tr ng tuần đầu mớ s nh Bridge [16] sử dụng vòng tròn đồng tâm đen trắng nhấp nháy t tần số khác để kích thích khố thị g ác Kết thí ngh ệm khác b ệt ... ngh ên cứu nà sử dụng fNIRS để đ lường huyết động học nã kh mắt ngườ bị tác động bở ánh sáng chớp tắt the d ng sóng SIN vớ tần số b ên độ sâu khác Kh mắt bị kích thích bở ánh sáng chớp tắt, tín. .. lập phương pháp chẩn đ án chữa bệnh Mục đích ngh ên cứu tìm h ểu tác động sáng chớp tắt lên khố thị g ác vỏ nã v ệc the dõ huyết động học nã máy đ phổ hồng ng gần (funct nal Near Infrared Spectroscopy- fNIRS)... tượng nghiên cứu? ?? hay gọn hơn, “đố tượng”) nhiều phương pháp thu thập liệu khác như: Tr ng phương pháp tâm lý, đố tượng quan sát ánh sáng kích thích trả lời câu hỏ : ? ?Ánh sáng có cịn chớp tắt hay