Nhiễu( ARTIFACTS )

2. Số HÓA TÍN HIệU ĐIệN NÃO

2.4. Nhiễu( ARTIFACTS )

Nhiễu là những sóng hoặc những nhóm các sóng do lỗi kỹ thuật hoặc do các lỗi khác gây ra, và không phải do hoạt động điện của não gây ra. Nhiễu là các rối loạn do khiếm khuyết kỹ thuật gây ra, thường đó là những lỗi có tính tạm thời. Bao gồm do di động các điện cực làm cho mất tiếp xúc, các hoạt

động điện của cơ che khuất điện não đồ, do cử động của đầu, chầy xước da đầu, ra mồ hôi, v.v…

Nếu ta dùng độ phóng đại lớn, thì tất cả các biến loạn kể trên đều được phóng đại lên, bao gồm các nhiễu của mạch và điện tâm đồ, của

điện cực và các cử động, nhiễu 60 Hz và nhiễu do mồ hôi, là loại nhiễu biểu hiện có dung dịch muối nằm giữa các điện cực làm cho nó bị đoản mạch.

Nhiễu do điện tâm đồ và do mạch (EKG and pulse artifacts): Cả 2 loại nhiễu này đều có thể nhận biết được nhờ vào tính chất có chu kỳ của chúng. Nhiễu điện tâm đồ cho thấy rõ phức bộ QRS theo chu kỳ, vì điện tâm đồ thì có tín hiệu điện lớn hơn nhiều so với điện não đồ. Nhiễu do mạch là do mạch đập ở phía dưới của điện cực làm cho nó chuyển động theo chu kỳ. Cả 2 loại nhiễu nàu đều dễ nhận diện, nhưng cũng có thể gây khó khăn cho đọc điện não.

Nhiễu do chuyển động của điện cực và các chuyển động khác: nhiễu do chuyển động của bệnh nhân thì có đường biểu thị đột ngột, và trong hầu hết trường hợp nó dốc ngược đột ngột. So với các sóng EEG chuẩn thì các nhiễu đó có biên độ cao và kéo dài về thời gian. Một nhiễu kiểu “POP” là do chuyển dịch điện cực rất ngắn (nhanh), người mới vào nghề dễ nhầm lẫn nó với một gai (spike), tuy nhiên gai kiểu này chỉ thấy ở 2 kênh cạnh nhau và không thấy ở kênh thứ ba như những gai động kinh.

Nhiễu do dụng cụ truyền tĩnh mạch và nhiễu 60 Hz: những nhiễu này thường được thấy trong khi ghi điện não ở trong phòng săn sóc đặc biệt (ICU) và cả 2

đều là những giao thoa về điện. Trên hình vẽ, nhiễu do dụng cụ truyền là nhiễu có mầu đỏ; nó có tính chất chu kỳ, có biên độ thấp và dễ dàng nhận biết. Nhiễu sáu mươi Hz thấy có ở những nơi điện cục tiếp xúc kém, nối đất không tốt, và có một thiết bị điện chuyên dùng đặt ở gần đó. Nó gây nên những gai (spikes) có tần số 60 chu kỳ giây – tạo thành vết mực in trên giấy chạy với tốc độ thông thường.

2.5.Các biến thể bình thường

Có một só sóng hoặc hình dạng sóng ít khi thấy xuất hiện, nhưng chúng không có nghĩa bất thường hay bệnh l ý. Nhưng chúng có thể làm cho ta diễn giải nhầm lẫn về bản ghi điện não đồ. Trong các biến thể bình thường này, thường gặp nhất là nhịp mu (mu rhythm), biến thể tâm thần vận động (psychomotor variant), các sóng lambda, POSTS, các thoi (spindles), sóng của đỉnh sọ (vertex waves) và phức bộ K (K Complexes).

Lambda và POSTS: Lambda và POSTS tương tự nhau về hình dạng và có hình tam giác. Chúng xuất hiện ở khu vực phía sau và cân xứng hai bên. POSTS là biểu hiện của “sóng dương thoáng qua ở chẩm của giấc ngủ (positive occipital transients of sleep) và xuất hiện trong giấc ngủ giai đoạn 2. Lambda xuất hiện ở bệnh nhân tỉnh táo khi nhìn trừng trừng vào một bề mặt trắng. Cả hai loại này đều là dạng sóng bình thường, và xuất hiện đơn độc, hay kéo dài, hay thành một chuỗi ngắn.

Phức bộ K: phức bộ K (K Complexes) xuất hiện khi đang ngủ mà bị đánh thức – ta thấy nó khi có kích thích âm thanh hay các kích thích khác khi bệnh nhân đang ngủ. Tiếp sau phức bộ K thường có đáp ứng thức tỉnh – cụ thể là một chuỗi các sóng theta có biên độ cao. Tiếp sau phức bộ K, điện não đồ lại cho thấy biểu hiện giấc ngủ, hoặc trạng thái thức tỉnh.

Sóng V (V Waves): Sóng V xuất hiện ở vùng cạnh dọc giữa (parasaggital areas) của 2 bán cầu và có dạng một sóng nhọn (sharp waves) hoặc thậm chí là dạng gai (spikes), ở khu vực lưỡng đỉnh (biparietal regions), tức là đỉnh đầu (vertex), với pha ngược đảo nhau tại đường giữa, ở những đạo trình bắc ngang (tranverse montages) hoặc ở đỉnh sọ trên các đạo trình trước - sau (front-to-back). Các sóng này thấy có trong giấc ngủ giai đoạn 2 (stage 2 sleep), cùng với các thoi (spindles), phức bộ K, POSTS, v.v...

Hoạt động điện MU (MU activity): hoạt động điện Mu là dạng nhịp trong đó các sóng có hình nhọn giống như hình rào chắn (wicket fence) với đỉnh nhọn và chân cong tròn. Giữa 2 kênh, nhịp Mu có thể có pha nghịch đảo nhau. Tần số nói chung vào khoảng một nửa của hoạt động điện nhanh hiện có.

Biến thể tâm thần – vận động (Psychomotor Variant): là loại nhịp hiếm gặp, nó xuất hiện giống như là sự hòa nhịp của 2 hay nhiều nhịp cơ bản vào với nhau để tạo nên một dạng phức hợp. Như thấy ở hình bên, nó có biên độ cao hơn so với xung quanh, và các sóng có hình dạng như dẫy núi (như các khía tạo hình chữ V). Loại nhịp này hoàn toàn không cân xứng 2 bên và thường bị nhầm với hoạt động điện kịch phát. Tuy nhiên nó là loại hoạt động điện lành tính. Nó cũng còn được biết dưới cái tên sau đây

Nhịp 14 và 6 (Fourteen and Six Rhythm): Nhịp 14 và 6 rất hay thấy ở trẻ em và thanh niên mới lớn. Như thấy trên hình, các sóng 6 Hz và 14 Hz đôi khi uốn lượn theo cùng 1 hướng (lên hoặc xuống), và đôi khi thì lại đi theo hướng ngược nhau. Nhịp kiểu này thấy được điển hình ở trạng thái ngủ hoặc buồn ngủ (ngủ gà gật), và thường thấy được trên bản ghi đơn cực (monopolar recordings).

2.6.Một số dạng bản ghi tín hiệu điện não

Hình 2-8:Điện não mắc theo đạo trình 10-20

Hình 2-9: Sóng Alpha

Alpha là nhịp cơ sở của não người lớn. Là dạng sóng (nhịp) dễ nhận biết nhất, đi thành chuỗi sóng 8-13 Hz với biên độ 30-50 mV, thấy có trong trạng thái thức tỉnh và nhắm mắt. Sóng alpha định khu ở các vùng phía sau của đầu.

Hình 2-10: Sóng Beta

Beta là sóng 4-35 Hz, thường có điện thế thấp (5-30 mV), sóng beta có biên độ cao nhất là ở phần phía trước của não. Dạng sóng này thường chiếm dưới 20% của toàn bộ bản ghi, nếu nó chiếm số lượng nhiều hơn thì đó làn bản điện não đồ bất thường hoặc là phản ánh tác dụng của thuốc.

Delta là một sóng chậm dưới 4 Hz và có biên độ thay đổi. Nó có thể là toàn thể hóa hoặc khu trú. Sóng này là bình thường ở trạng thái ngủ say, nhưng là bất thường nếu ở trạng thái thức tỉnh.

Theta bao gồm các sóng 4-8 Hz, thường có biên độ lớn hơn 20 mV. Dạng sóng này thường ghi được ở các vùng trán – thái dương, và nổi trội hơn khi đối tượng ở trạng thái buồn ngủ (ngủ lơ mơ – drowsiness).

Hình 2-12: Bùng phát và ức chế

Bột phát và kìm nén (bùng phát và ức chế: burst-suppression) là dạng bất thường, đặc trưng bởi các bột phát sóng chậm và sóng nhọn có điện thế cao, nổi bật lên trên một nền hoạt động điện có điện thế tương đối bị ức chế.

Hình 2-13:Hoạt động Delta nhịp nhàng

Hoạt động điện delta nhịp nhàng cách quãng ở vùng trán (Frontal intermittent rhythmic delta activity - FIRDA) là một dạng sóng bất thường, gồm những hoạt động điện sóng chậm, nhịp nhàng, cách quãng, xuất hiện một cách đồng bộ (đồng thì - synchronously) ở các khu vực của trán.

Hình 2-14: Dạng sóng bất thường

Kết hợp Gai và sóng (Spike and Wave combination) là một chuỗi những gai và những sóng có tần số khác nhau. Dạng sóng này thường có biên độ rất cao và là một dạng bất thường.

3. Khác biệt theo vùng trên bản ghi điện não

3.1.Khác biệt theo vùng:

Khác biệt vùng (area diferentiation) là những phân bố khác nhau của các loại sóng trên các vùng ghi của điện não đồ. Sau đây là phân bố các sóng theo vùng ghi trên da đầu ở người bình thường.

 Vùng trán trước (prefrontal – điện cực Fp1 và Fp2): hoạt động bêta thấp và không đều, các nhóm alpha thành từng dải, và các sóng delta bề mặt rải rác.

 Vùng trán ngoài (trán bên – frontolateral – điện cực F7 và F8): hoạt động bêta 14-20 Hz thường xuyên, sóng theta thấp rải rác.

 Vùng trán (frontal – điện cực F3 và F4): nhịp bêta 17-20 chu kỳ giây, có các nhóm sóng MU.

 Vùng thái dương sau (temporal posterior – điện cực T5 và T6): nhịp alpha cách hồi, hoạt động theta thấp rải rác, hoạt động bêta không đều và hay bị các sóng khác chậm hơn nằm chồng lên.

 Vùng thái dương (temporal – điện cực T3 và T4): hoạt động bêta không đều và cách hồi, thường có các hoạt động điện 14-16 Hz, các sóng theta rải rác, và các sóng delta 2-4 Hz rải rác.

 Vùng trung tâm (central – điện cực C3 và C4): nhịp 20-25 Hz kéo dài, nhịp MU.

 Vùng đỉnh (parietal – điện cực P3 và P4): nhịp alpha, đôi khi có bêta 20-25 Hz nằm chồng lên.

 Vùng chẩm (occipital – các điện cực O1 và O2): nhịp alpha 8-13 Hz.

Khi đọc một bản điện não, chúng ta phải xem xét đến sự khác biệt của các vùng. Chúng ta quan tâm đến biên độ, tần số và tính đều đặn của các sóng. Nói chung, các sóng alpha xuất hiện ưu thế ở vùng phía sau (chẩm), còn sóng bêta ưu thế ở vùng phía trước (trán) của bản ghi điện não đồ.

3.2.So sánh giữa 2 bán cầu:

Tính cân đối giữa 2 bán cầu: các sóng tương đối cân xứng 2 bên, các điện cực đối diện nhau qua đường giữa thì thường có các sóng giống nhau, với biên độ gần bằng nhau. Chênh lệch biên độ không quá 50% giữa 2 bên.

Tính đồng bộ ở cạnh đường giữa (medial synchrony): những đường ghi từ các điện cực gần đường giữa thì sẽ đồng bộ với nhau giữa 2 bên. Ví dụ dao động của đường ghi từ F3 và F4, P3 và P4 sẽ cùng đi lên hay cùng đi xuống tại cùng 1 thời điểm.

Tính không đồng bộ ở phía ngoài (lateral asynchrony): những đường ghi EEG xuất phát từ các điện cực đặt ở phía ngoài thì dao động ngược chiều nhau giữa 2 bên. Ví dụ khi đường ghi ở T3 đi lên, thì đường ghi ở T4 đi xuống, ngược chiều nhau.

KẾT CHƯƠNG

Như vậy trong chương 2, chúng ta đã đi tìm hiểu tổng quan về nguồn gốc hình thành và phát sinh sóng điện não- nền tảng cho ngành khoa học Não Máy. Những đặc điểm về biên độ, tần số, hình dạng cơ bản của sóng điện não.

Trong chương 3, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về một sản phẩm thương mại nổi bật hiện có trên thị trường về ngành Não- Máy, đó là sản phẩm Epoc của công ty Emotiv Systems.

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG EMOTIV SYSTEMS

Nội dung chính của chương:

 Tổng quan về hệ thống Emotiv Systems

 Emotiv Control Panel

 Emotiv Engine

 Ứng dụng Cognitiv trong bảo mật và nhận dạng

 Đánh giá về hệ thống Emotiv Systems

1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG EMOTIV SYSTEMS

Emotiv Systems , trụ sở đặt ở San Francisco , California ,được thành lập năm 2003 và điều hành bởi 4 người đứng đầu: nhà nghiên cứu về mạng neuron và nhận dạng Allan Snyder , chuyên gia thiết kế chip Neil Weste và 2 doanh nhân gốc Việt:Tổng giám đốc Tần Lê, giám đốc điều hành Đỗ Nam.

Ý tưởng của Emotiv System bắt nguồn từ yêu cầu cấp thiết có 1hệ thống có thể giao tiếp giữa con người và máy tính qua suy nghĩ. Ứng dụng của Emotiv EPOC™ có thể áp dụng vàào rất nhiều lĩnh vực tiềm năng như tivi tương tác, trò chơi, thiết kế, nghiên cứu thị trường, y học, dược học và cả bảo mật , thể thao (phát hiện nói dối, người sử dụng ma túy, chất kích thích).

Sản phẩm của Emotiv Systems chính thức đưa ra thị trường tháng 12/2009 sau 7 năm nghiên cứu bao gồm Epoc Headset và EDK (Emotiv Software Development Kit).

1.1.Epoc Headset

Hình 3-1 Thiết bị Epoc Headset

Emotiv hiện đang có 2 sản phẩm developer headset và consumer headset. Sử dụng thành tự mới nhất trong lĩnh vực thần kinh học , thiết bị của Emotiv được đánh giá là có độ chính xác cao , thu được tín hiệu điện não và gửi qua sóng radio. Cảm biến thu sóng điện của não bộ , gửi về máy tính từ đó phân tích suy nghĩ , cảm giác và thái độ của người sử dụng. Phiên bản consumer bị hạn chế chức năng thu dữ liệu EEG thuần

1.2.Epoc Hydrator Pack

Hình 3-2 Hộp đựng điện cực

Điện cực sử dụng với mũ Epoc là loại điện cực kiểu felt ẩm, với tiếp xúc được mạ vàng. Có thể thay thế dễ dàng và nhanh chóng, nhờ đó Headset có thể dùng chung, mỗi người chỉ cần có 1 hộp điện cực riêng để sử dụng.

2. EMOTIV CONTROL PANEL

Emotiv xây dựng Emotiv API dưới dạng thư viện liên kết động có tên edk.dll , Control Panel là công cụ đi kèm trong EDK , cung cấp giao diện điều khiển EmoEngine, với mục đích thể hiện với người dùng các khả năng xử lý tín hiệu từ não bộ phức tạp thành các dạng sử dụng có ích mà EDK có thể làm được. Ngoài

Control Panel trong bộ tích hợp cho nhà phát triển còn được đính kèm EmoKey và EmoComposer.

2.1.EmoEngine Status Panel

Hình 3-3 Status Panel

EmoEngine Status Panel hiển thị cá thông số về EmoEngine, chất lượng tiếp xúc tại các điện cực, phần quản lý profile của người dùng.

Cấu hình mặc định Control Panel sẽ kết nối trực tiếp với Epoc khi khởi động, chương trình sẽ tự động tìm thiết bị USB nhận và mũ Epoc. Để sử dụng EmoComposer, công cụ giả lập EmoEngine có thể tùy chọn kết nối trong Connect menu.

Các thông số trạng thái của EmoEngine:

 System Status: Trạng thái kết nối của Emotiv Control Panel

 System Up Time: Thời gian đếm từ thời điểm bắt đầu tiếp nhận được EmoState event. Thường giá trị này là thời gian mà EpocHeadset bắt đầu kết nối được với USB Dongle.

 Wireless Signal: Độ mạnh của sóng wireless kết nối giữa EpocHeadset và USB nhận. “No Signal”: chưa có kết nối; ”Bad”: Tín hiệu yếu. Khi đó chương trình sẽ không chạy các tính toán nhận dạng và Control Panel sẽ tắt các bảng điều khiển nhận dạng.

 Battery Power: Hiện thị gần đúng dung lượng còn lại pin sạc của mũ Epoc.

 User Status: Quản lý user profile , mặc dù EmoEngine hỗ trợ kết nối đồng thời 2 EpocHeadset, Emotiv Control Panel chỉ hiển thị giá trị nhận được từ 1 thiết bị được chọn trong mục Headset. Chương trình hỗ trợ thêm, lưu trữ, xóa và chuyển đổi giữa các user profile. Người dùng có thể sử dụng lại các dữ liệu đã train và lưu trong bộ nhớ.

 Sensor Contact Quality: Đánh giá chất lượng kết quả nhận dạng dữ liệu, phụ thuộc vào việc đặt các điện cực và chất lượng sóng điện não thu được. Người

dùng có thể điều chỉnh vị trí các điện cực để thu được kết quả tốt nhất theo hướng dẫn trong tab Headset Setup

2.2.Headset Setup

Hình 3-4 Headset Setup

Sơ đồ bên trái mô phỏng vị trí các điện cực khi nhìn từ trên xuống, mỗi vòng tròn là 1 điện cực, màu sắc thể hiện chất lượng tiếp xúc. Kết nối tốt nhất khi tất cả các điện cực màu xanh.

Các bước để thiết lập EpocHeadset:

 Trước khi sử dụng mũ Epoc, cần làm ẩm các felt và gắn vào điện cực. Có thể làm ẩm các miếng đệm bằng dung dịch nước muối loãng hoặc các dung dịch nước nhỏ mắt y tế.

 Bật mũ Epoc, kiểm tra dung lượng pin sạc qua đèn LED báo hiệu. Nếu đèn báo không sáng, tắt thiết bị và cắm nguồn sạc ít nhất 15 phút trước khi khởi động lại.

 Kiểm tra chất lượng sóng không dây trong tab Engine Status. Nếu sóng không ổn định, kiểm tra và di chuyển ra xa tất cả các vật kim loại, vật liệu có từ tính mạnh như lò viba, động cơ lớn, các thiết bị phát sóng radio có thể gây nhiễu tới mũ Epoc.

 Đưa mũ Epoc từ trên xuống, từ phía trước trán, di chuyển mũ Epoc đến khi 2 điểm tham chiếu ở dưới tai và các điện cực ngoài cùng AF3 , AF4 nằm ngay sát đường chân tóc trên trán. Cuối cùng kiểm tra tất cả các điện cực đã tiếp xúc với da đầu. Điều chỉnh để màn hình hiển thị đạt màu xanh (Good Contact) với tất cả các điện cực.

2.3.Expressiv™ Suite

Hình 3-6 Emo Expressiv Hình 3.5 Sơ

đồ mắc điện cực của Epoc

Expressiv mô phỏng các trạng thái nhìn thấy được trên khuân mặt người sử dụng,