Nghiên cứu tín hiệu điện não

NGUYỄN THỊ THU HÀ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Thị Thu Hà KỸ THUẬT Y SINH NGHIÊN CỨU TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Y SINH KHOÁ 2009 Hà Nội – 3/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Thị Thu Hà NGHIÊN CỨU TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO Chuyên ngành : Kỹ thuật y sinh LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ( Kỹ thuật y sinh) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS Nguyễn Đức Thuận Hà Nội – Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ khoa học “NGHIÊN CỨU TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO” cơng trình nghiên cứu cá nhân Các số liệu luận văn số liệu trung thực Hà Nội ngày 26 tháng 03 năm 2012 NGUYỄN THỊ THU HÀ Học viên cao học khóa 2009 Chuyên ngành Kỹ thuật y sinh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội MỤC LỤC Trang TRANG BÌA PHỤ……………………………………………………………1 LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………….2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN NÃO 1.1 Lịch sử 1.2 Cơ sở sinh lý thần kinh điện não 10 1.2.1 Nguồn điện 10 1.2.2 Dẫn truyền xung điện 11 1.2.3 Hoạt hóa sóng điện não 12 1.3 Kĩ thuật ghi điện não 12 1.3.1 Máy ghi điện não 13 1.3.2 Điện cực 13 1.3.3 Vị trí điện cực da đầu 13 1.3.4 Quy trình ghi điện não thường quy 19 1.3.5 Các nghiệm pháp hoạt hóa (Activation Procedures) 20 1.3.6 Đánh giá ghi điện não 23 1.4 Các dạng sóng điện não 23 1.4.1 Xác định sóng dựa vào tần số 23 1.4.2 Xác định sóng dựa vào hình dạng 27 1.4.3 Các dạng sóng phức hợp 27 1.4.4 Nhiễu 30 1.4.5 Các biến thể bình thường 32 1.5 Khác biệt theo vùng ghi điện não 34 1.6 Lợi ích điện não đồ 35 1.7 Chỉ định điện não đồ 36 CHƯƠNG 2: ĐIỆN NÃO ĐỒ VÀ ĐỘNG KINH 38 2.1 Khái niệm động kinh 38 2.2 Giá trị thực tế điện não đồ lĩnh vực động kinh 38 2.3 Điện não đồ bệnh nhân động kinh 39 2.3.1 Điện não đồ động kinh 39 2.3.2 Điện não đồ động kinh 43 2.3.3 Điện não đồ trạng thái động kinh 50 2.3.5 Tóm lại 51 CHƯƠNG : SÓNG ĐIỆN NÃO VÀ GÂY MÊ 52 3.1 Giới thiệu 52 3.2 Tín hiệu điện não gây mê hồi sức tích cực 53 3.2.1 Phân loại EEG 53 3.2.2 Sóng điện não gây mê 53 3.3 Propofol tín hiệu điện não 57 3.3.1 Tác dụng chống co giật propofol tín hiệu EEG 57 3.3.2 Mối quan hệ liều lượng propofol tín hiệu điện não thu 58 3.4 Phép đo entropy đánh giá trạng thái hoạt động não gây mê 61 3.4.1 Nguyên lý 61 3.4.2 Entropy phổ tín hiệu 63 3.4.3 Entropy phổ cân thời gian – tần số 67 3.4.4 Entropy trạng thái Entropy đáp ứng 68 3.4.5 Entropy trình khử kịch phát 71 3.5 Ứng dụng thực tế 72 3.6 Khởi mê tĩnh mạch kỹ thuật TCI-propofol kết hợp theo dõi độ mê entropy 75 3.6.1 Đặt vấn đề 75 3.6.2 Đối tượng phương pháp nghiên cứu 76 3.6.3 Kết nghiên cứu 76 3.6.4 Phân tích 77 3.6.5 Kết luận 78 3.7 Lợi ích phép đo Entropy gây mê 78 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt BS Thành phần kịch phát - ức chế BSR Tỉ lệ kịch phát - ức chế ECG Điện tâm đồ EEG Điện não đồ EMG Điện đồ Nleo Bộ phát lượng khơng tuyến tính NLEO Bộ phát lượng khơng tuyến tính tổng OAAS Thang điểm đánh giá độ sâu an thần RE Entropy đáp ứng SE Entropy trạng thái Các ký hiệu α Thành phần Sóng alpha tín hiệu điện não β Thành phần Sóng beta tín hiệu điện não θ Thành phần Sóng delta tín hiệu điện não γ Thành phần Sóng gamma tín hiệu điện não Xác suất hai điểm gần khoảng cách r không gian pham chiều C(r) Hàm tương quan f Tần số fhigh Tần số cao phổ flow Tần số thấp phổ h Chức đo P Phổ công suất S Entropy phổ SE Entropy trạng thái RE Entropy đáp ứng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Định nghĩa sóng EEG theo tần số Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 - Ảnh hưởng gây mê sevoflurane (qua cách hít vào) propofol (tiêm tĩnh mạch) tới đặc tính sóng điện não Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Thang điểm đánh giá độ sâu an thần ( OASS) Error! Bookmark not defined Bảng 3.3.Chỉ số Entropy thu theo thang điểm OAAS: Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Cấu tạo nơron thần kinh 10 Hình Cơ sở hình thành điện màng tế bào 11 Hình Hệ thống đặt điện cực ghi 10-20 14 Hình Cách đặt điện cực theo kiểu 21 kênh 18 Hình Cách đặt điện cực theo kiểu 36 kênh 18 Hình 1.6 Cách đặt điện cực theo kiểu 74 kênh 19 Hình Các dạng sóng 25 Hình Dạng sóng Alpha 25 Hình Dạng sóng Beta 26 Hình 10 Dạng sóng Theta 26 Hình 11 Dạng sóng Delta 27 Hình 12 Dạng gai sóng 28 Hình 13 Dạng đa gai sóng 28 Hình 14 Dạng PLEDS 29 Hình 1.16 Dạng bùng nổ ức chế 30 Hình 17 Nhiễu mồ hôi 30 Hình 18 Nhiễu điện tâm đồ mạch 31 Hình 19 Dạng nhiễu kiểu POP 31 Hình 20 Nhiễu dụng cụ truyền nhiễu 60Hz 31 Hình 21 Sóng Lambda Posts 32 Hình 22 Phức K 32 Hình 23 Sóng V 33 Hình 24 Hoạt động điện MU 33 Hình 25 Psychomotor Variant 34 Hình 26.Nhịp 14Hz 6Hz 34 Hình 2.1 Sơ đồ minh họa hoạt động ghi tế bào, tế bào điện khu vực lát cắt hồi hải mã người bị động kinh 38 Hình 2.1 Bản ghi điên não bệnh nhi 12 tuổi, có tiền sử ghép thận lúc tuổi 40 Hình 2.2 Cơn động kinh cục thùy thái dương 42 Hình 2.3 Điện não ngồi 44 Hình 2.4 Điện não 46 Hình 2.5 Nhọn sóng -2,5 Hz kích thích ánh sáng ngắt quãng 47 Hình 3.1 – Ví dụ thành phần kịch phát - ức chế 55 Hình 3.2 Tín hiệu EEG minh họa cho tác dụng chống co giật propofol 57 Hình 3.3 Minh họa mối quan hệ liều lượng propofol điện não đồ 60 Hình 3.4 Khối đo Entropy hãng Datex Ohmea 62 Hình 3.5 Vị trí đặt điện cực đo entropy 62 Hình 3.6 Sóng sin hồn hảo gồm thành phần khác khơng, chuẩn hóa tới theo bước chuẩn hóa 65 Hình 3.7 Một lượng nhiễu trắng đưa lên đầu sóng sin 66 Hình 3.8 Sóng sin biến có nhiễu trắng bên phải 67 Hình 3.9 Các cửa sổ thời gian 70 Hình 3.10 Phổ cơng suất điển hình tín hiệu sinh 70 Hình 3.11 Thơng số RE SE hiển thị hình theo dõi 71 Hình 3.12 Tín hiệu EEG chứa thành phần kịch phát - ức chế 72 Hình 3.13 Hàm spine 74 Hình 3.14 Tương quan Entropy với Ce 77 Hình 3.15 Tương quan Entropy với OAA/S 77 MỞ ĐẦU Cho đến nay, điện não đồ ln giữ vị trí khơng thể thiếu thực hành thần kinh để tham gia vào chẩn đoán, tiên lượng, điều trị bệnh nhân bị tổn thương có nghi ngờ tổn thương não Nên phép đo tín hiệu điện não phép đo quan trọng sống lĩnh vực y học Điều thể hai ứng dụng quan tâm tín hiệu điện não chẩn đốn bệnh động kinh đánh giá trạng thái hoạt động não gây mê Các vấn đề nghiên cứu sử dụng phương pháp thương mại nhiều thập kỷ qua Tuy nhiên nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu để có thành tựu tốt Nội dung luận văn thực gồm chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết điện não Chương 2: Điện não đồ động kinh Chương 3: Sóng điện não gây mê Luận văn thực nhằm mục đích cung cấp số hiểu biết điện não đồ ứng dụng lâm sàng thần kinh tính đặn/phức tạp tín hiệu điện não trường hợp bệnh động kinh Đồng thời luận văn đề cập đến phương pháp đánh giá hoạt động não gây mê phổ biến thực phép đo EntropyTM Thông số giúp bác sỹ đánh giá tình trạng bệnh nhân sử dụng liều gây mê xác, an toàn cho bệnh nhân Hiện phương pháp triển khai số bệnh viện như: bệnh viện Việt Đức, bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện 103, bệnh viện Xây Dựng, v.v… Các luận điểm số liệu chứng minh thực trình tác giả làm việc nghiên cứu số bệnh viện trên, đồng thời tham khảo nghiên cứu tác giả khác CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN NÃO 1.1 Lịch sử Từ đầu kỷ 18, nhiều tác giả nghiên cứu thực nghiệm châu Âu ghi hoạt động điện não động vật Sau đó, Hans Berger ghi điện não người thành công vào ngày 6-7-1924 bán cầu trái bệnh nhân nam 17 tuổi điện cực trực tiếp qua lỗ khoan sọ Từ 1924-1938 với 14 cơng trình có giá trị H.Berger cơng bố bao gồm điện não đồ sinh lý bệnh lý người Điện não đồ mở kỷ nguyên nghiên cứu lâm sàng , nước Đức , Nga, Mỹ Pháp Máy điện não EEG lần giới thiệu với giới Hans Berger vào năm 1929 Berger, chuyên gia tâm thần học thần kinh trường đại học Jena Đức sử dụng thuật ngữ tiếng Đức Elektrenkephalogramm để mô tả dạng biểu diễn đồ thị dịng điện não sinh Ơng đề xuất quan điểm dòng điện não thay đổi dựa trạng thái hoạt động não ngủ, mê, động kinh Đó ý tưởng cách mạng giúp hình thành nên nhánh nghiên cứu y học bệnh học thần kinh Gibbs ( 1933) đề xuất điện não đồ lâm sàng ngành riêng, liên quan chặt chẽ với lâm sàng, mở đầu nghiên cứu bệnh nhân động kinh năm 1934 Mỹ Cùng với phát triển kĩ thuật đại, kĩ thuật ghi điện não cải tiến , từ máy có đường ghi tăng lên 8,10,12,14,16,18,20 64 đường ghi với chương trình khác Ghi bút nhiệt, bút mực đến ghi vi tính, video ghi điện não có vi tính camera, liệu lưu trữ máy tính Ở Việt Nam, điện não ứng dụng lâm sàng trung tâm y tế, bệnh viện, viện tỉnh thành nước, góp phần quan trọng cho chẩn đốn theo dõi điều trị bệnh nhân Để tối ưu hóa thời gian độ phân giải tần số, khối đo Entropy sử dụng tập hợp độ dài cửa sổ lựa chọn theo cách mà thành phần tần số thu từ cửa sổ thời gian tối ưu với tần số cụ thể Bằng cách này, thơng tin trích từ tín hiệu nhanh tốt Cách tiếp cận liên quan chặt chẽ với khái niệm chuyển đổi wavelet, với wavelets gói sóng với độ rộng biến đổi hữu hạn có chứa số xấp xỉ biến số để tối ưu hóa thời gian độ phân giải tần số.Tuy nhiên kỹ thuật lựa chọn kết hợp lợi phân tíchwavelet với phân tích Fourier nhanh, chẳng hạn khả xét đóng góp cách rõ ràng từ phạm vi tần số cụ thể, thực hiệu phần mềm Ý tưởng minh họa hình 4.6 Trong khối đo entropy, tần số lấy mẫu 400 Hz sử dụng Cửa sổ thời gian ngắn 1,92 s = 768 giá trị mẫu,và dài 60,16 s = 24064 giá trị mẫu.Cửa sổ thời gian ngắn sử dụng cho dải tần số từ 32 Hz đến 47Hz Cửa sổ thời gian dài sử dụng cho tần số Hz Đối với tần số Hz 32 Hz, chiều dài cửa sổ hai cực biên sử dụng Cửa sổ ngắn s với phạm vi tần số từ 32 Hz đến 47 Hz đảm bảo giá trị entropy tăng trạng thái thức tỉnh.Đặc biệt, cho thấy dấu hiệu có hoạt động điện EMG 3.4.4 Entropy trạng thái Entropy đáp ứng Một tín hiệu sinh đo từ trán bệnh nhân bao gồm thành phần tín hiệu điện EMG đáng kể, tạo hoạt động Tín hiệu điện EMG có phổ rộng giống nhiễu suốt trình gây mê thường chiếm ưu tần số cao 30Hz Thành phần tín hiệu EEG chiếm ưu tần số thấp ( lên đến khoảng 30Hz) có sinh tồn điện cực Ở tần số cao hơn, lượng EEG giảm theo hàm mũ Sự xuất đột ngột liệu tín hiệu EMG thường bệnh nhân đáp ứng lại mọt vài kích thích bên ngồi, chẳng hạn kích thích đau, tức cảm nhận không đau, số thủ tục phẫu thuật Như phản ứng có kết mức giảm đau khơng đủ Nếu kích thích tiếp khơng dùng 68 thêm thuốc gây mê, có khả mức miên cuối bắt đầu giảm nhẹ Hơn EMG cho thấy dẫn nhanh đe dọa thức tỉnh Quan trọng là, tần số tín hiệu liệu EMG cao, thời gian lấy mẫu ngắn đáng kể so với yêu cầu để tần số liệu tín hiệu EEG thấp Điều cho phép liệu EMG tính tốn thường xun thị chẩn đốn tổng thể xác định thay đổi trạng thái bệnh nhân nhanh chóng Nó giúp thu nhiều thơng tin xét hai số entropy, số dải tần EEG chiếm ưu số khác toàn dải tần, bao gồm hai thành phần EEG EMG Entropy trạng thái ( State Entropy – SE) tính dải tần từ 0.8Hz đến 32 Hz Nó bao gồm phần EEG chiếm ưu phổ tín hiệu, chủ yếu phản ánh tình trạng vỏ não bệnh nhân Các cửa sổ thời gian giúp SE chọn tối ưu với thành phần tần số cụ thể, dải giá trị từ 60s tới 15s Entropy đáp ứng (Response entropy – RE) tính dải tần từ 0.8Hz tới 47Hz Phép tính bao gồm hai thành phần EEG chiếm ưu EMG chiếm ưu phổ tín hiệu Cửa sổ thời gian giúp RE chọn tối ưu với tần số, với cửa sổ thời gian dài 15.36s cửa sổ thời gian ngắn nhất, ứng dụng cho tần số từ 32Hz tới 47Hz 1.92s Điều có lợi để chuẩn hóa hai thơng số entropy theo cách mà RE trở nên cân với SE lượng EMG (tổng lượng phổ 32Hz 47 Hz) không, chênh lệch RE-SE sử dụng số hoạt động EMG Chúng ta ký hiệu dải tần từ 0.8Hz tới 32Hz Rlow dải tần từ 32Hz tới 47Hz Rhigh; dải kết hợp từ 0.8Hz tới 47Hz ký hiệu Rlow+high Từ phương trình 4-5 thành phần phổ dải Rhigh không, giá trị entropy chưa chuẩn hóa S[Rlow] S[Rlow+Rhigh] trùng giá trị entropy chuẩn hóa thu bất đẳng thức: SN[Rlow]> SN[Rlow+Rhigh] Vì SE tính sau: 69 Đối với RE, giá trị entropy chuẩn hóa tính sau: Do đó, RE thay đổi từ tới 1, SE thay đổi từ tới log(N[Rlow])/log(N[Rlow+high]) < Hình 3.9 Minh họa cửa sổ thời gian có độ dài khác cho thấy cân tối ưu thời gian độ phân giải tần số Cửa sổ thời gian ngắn có tần số cao đảm bảo thời gian đáp ứng nhanh Hình 3.10 Phổ cơng suất điển hình tín hiệu sinh đo từ trán bệnh nhân Tín hiệu EEG chiếm ưu lên tới tần số khoảng 30Hz, tín hiệu EMG chiếm ưu dải tần số cao Thang chia trục đứng logarit Hai giá trị entropy trùng P(fi) = với tất giá trị fi dải [Rhigh] 70 Khi có hoạt động EMG, thành phần phổ dải [Rhigh] khác biệt đáng kể từ giá trị RE lớn SE Với định nghĩa này, hai giá trị SE RE phục vụ mục đích thơng tin có lợi cho bác sĩ gây mê Entropy trạng thái số ổn định tác dụng gây mê vỏ não Cửa sổ thời gian SE lựa chọn theo cách mà dao động tạm thời bị loại bỏ khỏi liệu Mặt khác entropy đáp ứng phản ứng nhanh chóng thay đổi Một tình điển hình vai trị khác tham số chứng minh suốt trình thức tỉnh, RE tăng lần đầu đồng thời với kích hoạt vài giây sau SE Hình 3.11 Thơng số RE SE hiển thị hình theo dõi 3.4.5 Entropy trình khử kịch phát Khi thành phần khử kịch phát thiết lập (Hình 3.12), lý thuyết giá trị entropy RE SE tính tốn theo cách giống mức gây mê thấp Thành phần tín hiệu có chứa EEG bị khử coi tín hiệu hồn tồn có quy tắc khơng có liệu ngẫu nhiên entropy, entropy liên quan đến kịch phát tính tốn mơ tả Phép tính thường xác định loại bỏ kịch phát cách mô tả số lượng loại bỏ tương đối, gọi tỉ lệ loại bỏ kịch phát ( burst suppression ratio- BSR), vịng phút để có phép đánh giá ổn định đầy đủ Một cửa sổ thời gian phút gồm mẫu tín hiệu đủ dài kịch phát ức chế để cung cấp số số lượng tương đối tín hiệu EEG bị triệt tiêu, cửa sổ thời gian ngắn nhiều tạo giá trị BSR dao động cao Với lý do, cửa sổ thời gian phút, thay thiết lập cửa sổ thời gian khác nhau, dùng cho tất thành phần tần số giá trị SE RE đoạn bị ức chế phát trước liệu Sự ức chế kịch phát phát cách ứng dụng kỹ thuật mô 71 tả Sarkela cộng Để loại trừ dao động bản, trị số trung bình cục trừ từ mẫu tín hiệu Sau tín hiệu chia làm hai băng tần lọc dạng elip Tần số cắt lọc thông thấp lọc thông cao tương ứng 20Hz 75Hz Ở điểm tần số lấy mẫu tín hiệu 200Hz Băng tần thấp sử dụng phát thành phần kịch phát – ức chế băng tần cao để phát nhiễu Một phát lượng không tuyến tính (nleo) bắt nguồn từ hai băng tần với đoạn 0.05s Giá trị tổng NLEO ứng dụng để đánh giá cơng suất tín hiệu từ khung 1s xếp chồng mức điều chỉnh 0.05s: Hình 3.12 Tín hiệu EEG chứa thành phần kịch phát - ức chế Trong suốt giai đoạn ức chế, nhiễu ECG phân loại gián đoạn nhiễu chúng bị loại bỏ Điều cho thấy thay nleo nleo trung bình từ khung 1s, quy tắc sau đáp ứng: A- Bình phương độ lệch nleo thời từ đoạn 0.05 giây giá trị nleo trung bình với khung 1s lớn ba lần so với giá trị trung bình tất bình phương độ lệch khung 1s, B- Khung 1s bao gồm hầu hết đoạn đáp ứng điều kiện A Kịch phát phát tổng NLEO ngưỡng cố định với chiều dài 0.5s nhiễu khơng thể BSR phần trăm đoạn 0.5s khoảng 60s trước coi đàn áp 3.5 Ứng dụng thực tế Các thông số RE SE thiết kế để sử dụng kết hợp với thông số quan 72 trọng khác hình theo dõi Tập hợp thơng tin phức tạp xử lý bác sỹ chuyên khoa để đánh giá tình trạng bệnh nhân Để cung cấp thông tin liệu ngẫu nhiên hiệu có thể, thơng số hiển thị tối ưu Một giá trị nguyên hai chữ số, chẳng hạn 56, hình nhận thấy nhanh giá trị thập phân, chẳng hạn 0,56 số ba ký tự 562 Vì lý này, giá trị entropy ban đầu thay đổi liên tục biến đổi sang thang số nguyên đầy đủ 100 Sự phân chia đơn giản thang đo ban đầu thành giá trị nguyên từ tới 100 Một phần tương đối lớn thang toán học ban đầu giá trị entropy nằm dải mức gây mê coi sâu, dải quan tâm gây mê đầy đủ tình trạng nguy kịch nằm 0,5 Sự phân chia đơn giản thang đo ban đầu thành giá trị nguyên cách từ tới 100 dẫn đến kết vài nhân tố làm giảm độ phân giải dải quan tâm độ phân giải cao không cần thiết mức sâu Vì lí này, chuyển đổi từ thang đo entropy liên tục ban đầu [0…1] sang thang giá trị nguyên [0…100] thực chuyển đổi tuyến tính Sự chuyển đổi xác định hàm spine đơn cụ thể ánh xạ từ thang [0…1] đến thang [0…100] Bất kỳ hàm spine có đặc tính liên tục đạo hàm bậc liên tục Vì vậy, hoạt động chuyển đổi xác định hàm spine đơn điệu hoàn tồn trơn tru khơng có gián đoạn ‘nút thắt’ Hàm F(S) thực chuyển đổi mô tả hình 3.13 Như thấy hình 3.13, búp sóng hàm cao dải gây mê lâm sàng cấp cứu để độ phân giải tối ưu dải Dải entropy đáp ứng từ đến 100, SE thay đổi 91 73 Hình 3.13 Hàm spine ứng dụng để chuyển đổi giá trị entropy ban đầu thành giá trị RE SE hiển thị hình Các đường nét đứt phân chia rõ dải với búp sóng >1 so với dải cao thấp với búp sóng