Hệ thống xử lý tín hiệu điện não tự động phát hiện gai động kinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ ANH ĐÀO HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ ANH ĐÀO HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 9510302.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN LINH TRUNG Hà Nội - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án thực Những kết từ cơng trình tác giả khác mà tơi sử dụng luận án trích dẫn rõ ràng, cụ thể Các kết tính tốn, mơ trung thực Nếu có sai trái, tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Anh Đào ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ trân trọng, lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS TS Nguyễn Linh Trung, người tận tình hướng dẫn định hướng cho tơi thực cơng trình nghiên cứu Trong trình thực đề tài, thầy người động viên, hỗ trợ tận tình giúp đỡ lúc tơi cảm thấy khó khăn giúp vượt qua trở ngại Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS TS Karim Abed-Meraim, GS TS Boualem Boashash PGS TS Trần Đức Tân, Ths Lê Trung Thành, TS Nguyễn Việt Dũng, Ths Nguyễn Văn Lý, TS Lê Vũ Hà, Ths Đinh Văn Việt, Ths Nguyễn Thế Hồng Anh, Ths Trương Minh Chính, TS Trần Thị Thúy Quỳnh người góp phần hỗ trợ tơi chun mơn q trình làm luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Bác sĩ, TS Hoàng Cẩm Tú, người tận tâm hỗ trợ tơi hồn thành liệu sử dụng luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trường, Khoa Điện tử-Viễn thơng, phịng Đào tạo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ tôi; đặc biệt quan tâm, động viên TS Nguyễn Hồng Thịnh, người thực quan tâm đối xử với thành viên Trường Đại học Công nghệ Tôi xin bày tỏ trân trọng, lòng biết ơn sâu sắc tới Đảng ủy, Ban Giám hiệu Nhà trường, Khoa Điện tử viễn thơng, Phịng tổ chức cán Trường Đại học Kỹ thuật Hậu cần Công an Nhân dân; đặc biệt quan tâm, tạo điều kiện PGS TS Nguyễn Đăng Tiến, TS Nguyễn Văn Căn, TS Đặng Việt Xô, TS Đặng Văn Tuyên, TS Phạm Thị Thúy Hằng Ths Phạm Xuân Cảnh hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình thực đề tài Tơi xin cảm ơn người thân gia đình, đặc biệt chồng hỗ trợ nhiều vật chất tinh thần để tơi học tập đạt kết tốt thực thành công luận án iii Luận án hỗ trợ bởi: - Đề tài nghiên cứu khoa học mã số 102.02-2015.32 đề tài mã số 102.042019.14, Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (National Foundation for Science and Technology Development - NAFOSTED) - Dữ liệu điện não đồ sử dụng luận án sử dụng từ kết đề tài nghiên cứu khoa học mã số QG.10.40, Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2019 Nguyễn Thị Anh Đào iv MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ 11 MỞ ĐẦU 15 CHƯƠNG CƠ SỞ VÀ TỔNG QUAN 26 1.1 Giới thiệu 26 1.2 Điện não đồ 26 1.3 Động kinh 27 1.4 Chuẩn đo quốc tế 10-20 29 1.5 Cơ sở liệu EEG sử dụng luận án 30 1.5.1 Đo đạc thu thập liệu 30 1.5.2 Tiền xử lý liệu EEG 32 1.5.3 Cơ sở liệu EEG 33 1.6 Ma trận đánh giá 33 1.7 Đường cong ROC 36 1.8 Các khái niệm ten-xơ 38 1.9 Phân tích ten-xơ 42 1.9.1 Phân tích CP 42 1.9.2 Phân tích Tucker 43 1.10.Xấp xỉ hạng thấp đa tuyến tính cho ten-xơ 44 1.10.1 Phân tích CP 45 1.10.2 Phân tích Tucker 45 1.10.3 Phân tích ten-xơ với ràng buộc khơng âm 46 1.10.4 Phân tích CP với ràng buộc khơng âm 48 1.10.5 Phân tích Tucker với ràng buộc không âm 48 1.11.Kết luận chương 49 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐA BƯỚC TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH ĐƠN KÊNH 51 2.1 Giới thiệu 51 2.2 Hệ thống đa bước tự động phát gai động kinh đơn kênh 52 2.2.1 Tiền xử lý 53 2.2.2 Trích xuất đặc trưng 57 2.2.3 Phân loại 59 2.2.4 Hệ chuyên gia 61 2.3 Đường cong ROC tổng hợp cho hệ thống đa bước 62 2.3.1 Sự phụ thuộc SEN ♣1 ✁ SPE q vào ngưỡng định 62 2.3.2 Ước lượng đường cong ROC tổng hợp cho hệ thống đa bước 66 2.4 Mô thảo luận 70 2.4.1 Dữ liệu 70 2.4.2 Ma trận đánh giá 70 2.4.3 Kết mô thảo luận 73 2.5 Kết luận chương 77 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐA BƯỚC TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH ĐA KÊNH DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TEN-XƠ 80 3.1 Giới thiệu 80 3.2 Phương pháp xấp xỉ hạng thấp đa tuyến tính đồng thời mở rộng cho ten-xơ (SMLRAT) 81 3.2.1 Mối liên hệ SLRAM phân tích ten-xơ 81 3.2.2 Xấp xỉ hạng thấp đa tuyến tính đồng thời mở rộng cho ten-xơ 82 3.3 Hệ thống đa bước phát gai động kinh đa kênh dựa phân tích ten-xơ 85 3.3.1 Biểu diễn liệu 86 3.3.2 Trích xuất đặc trưng 87 3.3.3 Lựa chọn đặc trưng 91 3.3.4 Phân loại 92 3.4 Kết mô thảo luận 92 3.4.1 Biểu diễn liệu 93 3.4.2 Trích xuất đặc trưng 93 3.4.3 Lựa chọn đặc trưng 96 3.4.4 Phân loại 98 3.5 Phương pháp lựa chọn đặc trưng cho hệ thống đa bước phát gai động kinh đa kênh dựa phân tích ten-xơ 119 3.5.1 Phương pháp 119 3.5.2 Mô đánh giá 122 3.6 Kết nối với nghiên cứu liên quan 123 3.6.1 Kết nối với phân tích thành phần đồng thời 125 3.6.2 Kết nối với phân tích khơng gian đồng thời 125 3.6.3 Kết nối với phân tích thành phần đa tuyến tính 126 3.7 Kết luận chương 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 PHỤ LỤC A CHỨNG MINH ĐỊNH LÝ 3.1 146 PHỤ LỤC B CHỨNG MINH HỆ QUẢ 147 PHỤ LỤC C CHỨNG MINH HỆ QUẢ 148 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Giải thích R Tập số thực RN Không gian véc-tơ thực N chiều chữ thường, chữ in nghiêng chữ hoa in hoa, ví dụ a, N Đại lượng vô hướng chữ thường in đậm, ví dụ a Đại lượng véc-tơ, thành phần véc-tơ a ký hiệu chữ in hoa in đậm, ví dụ U Ma trận, thành phần ma trận U ký hiệu uij chữ in hoa nghiêng in đậm, ví dụ X Ten-xơ, thành phần ten-xơ X ký hiệu xi1 i2 in 16 ✆ ❜ ❞ ✝ ①X, Y② ♣☎q# tr♣☎q ⑥A⑥ ⑥X⑥F ①A, B② 17 A❵B Xếp chồng ten-xơ A với ten-xơ B 18 ♣kq Mode (chế độ) ma trận ten-xơ 10 11 12 13 14 15 Tích ngoại Tích Kronecker Tích Khatri-Rao Tích Hadamard Tích nội ten-xơ X ten-xơ Y Giả nghịch đảo ma trận ♣☎q Trace ma trận ♣☎q Chuẩn ten-xơ A Chuẩn Frobenius ten-xơ X Tích nội ten-xơ A ten-xơ B có kích thước ↕n 19 A♣kq ten-xơ A bậc n Mode-k (chế độ k) ten-xơ A, k 20 A ✂k U Phép nhân k-mode ten-xơ A với ma trận U 21 xi1 i2 iN Phần tử ten-xơ X € RI1 ✂I2 ✂IN 22 λ Ten-xơ đường chéo 23 rank ♣Uk q Hạng ma trận Uk 24 G Ten-xơ lõi 25 tλi✉ri✏1 Các phần tử đường chéo ten-xơ lõi G 26 Λ Ma trận đường chéo 27 vec♣Uq Véc tơ hóa ma trận U 28 σ Độ lệch chuẩn 29 Σ Ma trận hiệp phương sai 30 γ ♣fi q Điểm Fisher đặc trưng fi 31 θ Ngưỡng định ... Chương Chương [Hệ thống đa bước tự động phát gai động kinh đơn kênh]: giới thiệu số hệ thống tự động phát gai động kinh tự động có; trình bày hệ thống đa bước tự động phát gai động kinh đơn kênh... đoán, phát bệnh động kinh giai đoạn bệnh 16 nhẹ, tức xuất gai động kinh tín hiệu điện não đồ, luận án đặt vấn đề nghiên cứu hệ thống xử lý tín hiệu điện não tự động nhận biết gai động kinh, sử... trúc hệ thống hệ thống đơn giản hệ thống đa bước Các hệ thống phát gai động kinh đơn giản thường có cấu trúc đơn giản, sử dụng hai phương pháp xử lý tín hiệu học máy để phát gai động kinh tự động