Phân tích tín hiệu oxy hb trong não người để xác định mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa vào fnirs

Phân tích tín hiệu oxy hb trong não người để xác định mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa vào fnirs Phân tích tín hiệu oxy hb trong não người để xác định mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa vào fnirs Phân tích tín hiệu oxy hb trong não người để xác định mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay dựa vào fnirs

Tóm Tắt TĨM TẮT Não đóng vai trị quan trọng thể người Nhằm xác định đánh giá hoạt động thể, tín hiệu não đo kỹ thuật không xâm lấn sử dụng quang phổ cận hồng ngoại (fNIRS) nghiên cứu Trong nghiên cứu này, tín hiệu Oxy - Hb vỏ não thu từ 24 kênh, làm phẳng lọc Savitzky - Golay Dữ liệu sau làm trơn biến đổi thành thành phần tần số khác thuật tốn Wavelet sau áp dụng thuật tốn ngưỡng để xác định kênh tích cực khu vực vận động thông qua thay đổi Oxy-Hb liên quan đến hoạt động cắn nâng tạ Nghiên cứu tiến hành thí nghiệm năm đối tượng thay đổi miếng đệm trọng lượng, nồng độ Oxy-Hb thay đổi chủ yếu khu vực vận động não người Vì vậy, để tìm hiểu hoạt động người thơng qua tín hiệu não, người ta phân tích hoạt động khu vực vận động não Các kênh tín hiệu khu vực vận động sau làm phẳng chuyển thành đa thức hồi quy để tính diện tích Dựa vào diện tích này, ta tìm hiểu mối quan hệ lệch quai hàm lực cánh tay Trang vi Abstract ABSTRACT The brain plays the most important role in human body In order to determine and evaluate the activities of the body, brain signals measured using noninvasive technique - functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) will be investigated In this research, Oxygen- Hemoglobin (Oxy-Hb) signals, which in the cerebral cortex was collected from 24 channels, are smoothed by a Savitzky - Golay filter The smoothed data will be transformed using a wavelet algorithm into different frequency components and then threshold algorithms are applied to identify the active channels at motor area through Oxy-Hb changes related to biting and lifting tasks This research is conducted experiments on five subjects and when we change spacers or weights, the Oxy-Hb concentration will change mainly at the motor area of human brain Therefore, in order to explore the human activities through brain signals, one only analyzes the operation of the brain motor area The signal channels in this motor area after being smoothed are transferred into regression polynomials for calculation of areas Based on these areas, one can find out the relationship between jaw deflection and arm force Trang vii Mục Lục MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Chƣơng1 : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Một số kết nghiên cứu công bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Tóm tắt đề tài Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương pháp tái tạo hình ảnh tín hiệu não người 2.1.1 Phương pháp điện não đồ (EEG) 2.1.2 Phương pháp chụp cộng hưởng từ 2.1.3 Phương pháp chụp cắt lớp 10 2.1.4 Phương pháp chụp Positron cắt lớp 11 2.1.5 Phương pháp quang phổ cận hồng ngoại - fNIRS 13 2.2 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu cách thu thập liệu fNIRS 15 2.2.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu 15 2.2.2 Thu thập liệu fNIRS 16 Chƣơng 3: XÁC ĐỊNH KHU VỰC VẬN ĐỘNG CỦA NÃO BỘ CHO HOẠT ĐỘNG CẮN VÀ NÂNG TẠ 22 3.1 Sơ đồ chức khối 22 3.1.1 Sơ đồ khối 22 3.1.2 Chức khối 22 3.2 Tiền xử lý tín hiệu fNIRS 23 3.2.1 Bộ lọc Savitzky – Golay 23 3.2.2 Dùng lọc Savitzky làm trơn tín hiệu fNIRS 24 Trang viii Mục Lục 3.3 Xử lý tín hiệu fNIRS 28 3.3.1 Biến đổi Wavelet: 28 a Biến đổi wavelet liên tục 28 b Biến đổi wavelet rời rạc 31 3.3.2 Xử lý tín hiệu Oxy-Hb dùng phép biến đổi wavelet rời rạc 34 3.4 Đặt ngưỡng 37 3.5 Thuật toán xác định vùng vận động não cho hoạt động cắn nâng tạ 41 Chƣơng 4: MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ LỆCH QUAI HÀM VÀ LỰC CÁNH TAY 60 4.1 Thuật tốn tìm mối quan hệ lệch quai hàm lực cánh tay 60 4.2 Hồi quy đa thức vùng vận động 61 4.2.1 Lý thuyết hồi quy đa thức 61 4.2.2 Hồi quy đa thức tín hiệu fNIRS 64 4.3 Mối quan hệ độ lệch quai hàm lực cánh tay 69 4.3.1 Tính diện tích vùng vận động 69 4.3.2 Mối quan hệ độ lệch quai hàm lực cánh tay 73 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 75 5.1 Kết luận 75 5.2 Hướng phát triển đề tài 77 Tài liệu tham khảo 78 Phụ lục 80 Trang ix Danh Sách Các Từ Viết Tắt DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT - fNIRS( functional Near- Infrared Spectroscopy)- máy chức quang phổ cận hồng ngoại - FOIRE ( Functional Optical Imager for Research) – Chức thu ảnh quang học cho phân tích - NIRS-BCI (A brain-computer interface based on near-infrared spectroscopy)- Một giao diện não-máy tính dựa quang phổ cận hồng ngoại - Oxy-Hb (Oxy Hemoglobin) - Oxy huyết cầu tố - EEG (ElectroEncephaloGraphy) - điện não đồ - MEG (Magnetic EncephaloGraphy) - Từ não - MRI (Magnetic Resonance Imaging) – hình ảnh cộng hưởng từ - CT (Computed Tomography)- chụp cắt lớp vi tính - PET (Positron emission tomography)- chụp positron cắt lớp - SVM (Support Vector Machines) - Công cụ hỗ trợ véc tơ - PR-SVM (Polynomial Regression - Support Vector Machines): Hồi quy đa thức công cụ hỗ trợ véc tơ - ANN( Artifical Neural Networks) - Mạng nơron nhân tạo - HMM (Hidden Markov Model) – Mơ hình Markov ẩn - TIWT (Translation Invariant Wavelet Transform): Biến đổi wavelet bất biến dịch chuyển - EMG (Electromyography) – Điện đồ -MRA (multi-resolution analysis)- phân tích đa phân giải Trang x Danh Sách Các Hình DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Bộ não người Hình 1.2 Não dây thần kinh cột sống Hình Sự thay đổi Hemoglobin (Hb): Oxy-Hb, deOxy-Hb, total-Hb Hình 2.1 Bố trí điện cực phép đo EEG Hình 2.2 Máy chụp cộng hưởng từ Hình 2.3 Máy CT Scanner 10 Hình 2.4 Máy chụp Positron cắt lớp 12 Hình 2.5 Máy đo quang phổ cận hồng ngoại 13 Hình 2.6 Dải bước sóng từ tia Gamma đến Radio 13 Hình 2.7 Tác động tia hồng ngoại vào vỏ não 14 Hình 2.8 Đầu đo (a), Thí nghiệm đo (b), Cách bố trí đầu đo máy fNIRS mã hiệu FOIRE-3000 16 Hình 2.9 Các kiểu giữ 16 Hình 2.10 Lưu đồ thời gian lần đo 17 Hình 2.11 Ma trận đo với kích thước 4x4 17 Hình 2.12 Vị trí kênh đo khu vực não điều khiển chuyển động bán cầu não trái 18 Hình 2.13 Tín hiệu kênh 1-6 đối tượng với hoạt động khơng cắn nâng 4kg 19 Hình 2.14 Tín hiệu kênh 7-12 đối tượng với hoạt động khơng cắn nâng 4kg 20 Hình 2.15 Tín hiệu kênh 13-18 đối tượng với hoạt động không cắn nâng 4kg 20 Hình 2.16 Tín hiệu kênh 19-24 đối tượng với hoạt động không cắn nâng 4kg 21 Hình 3.1 Sơ đồ phân tích tín hiệu Oxy-Hb để xác định khu vực vận động 22 Hình 3.2 Tín hiệu kênh trước sau lọc với lọc Savitzky-Golay có cửa sổ 7, bậc đa thức 25 Trang xi Danh Sách Các Hình Hình 3.3 Tín hiệu kênh trước sau lọc với lọc Savitzky – Golay có cửa sổ 17, bậc đa thức 25 Hình 3.4 Tín hiệu kênh trước sau lọc với lọc Savitzky – Golay có cửa sổ 17, bậc đa thức 13 26 Hình 3.5 Tín hiệu kênh trước sau lọc với lọc Savitzky – Golay có cửa sổ 11, bậc đa thức 26 Hình 3.6 Tín hiệu kênh 1,2,3,22,23,24 trước sau lọc với lọc SavitzkyGolay có cửa sổ 11, bậc đa thức 27 Hình 3.7 Đồ thị ab ứng với giá trị a=1 29 Hình 3.8 Đồ thị ab ứng với giá trị 0