HUONG GIAI QUYET CUA DE TAI
CHUONG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET
2.2 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP TÍN HIỆU NÃO EEG .1 Tổng quan về các phương pháp thu thập tín hiệu não
Hiện tại, theo [2| có hai cách thu tín hiệu từ não là không xâm lan (non- invasive) và xâm lấn (invasive) được sử dung trong các nghiên cứu về BCI. Trong các phương pháp không xâm lấn (non-invasive) thì có MEG
(Magnetoencephalography: phương pháp do từ trường từ các hoạt động
của não bằng một thiết bị đặt xung quanh đầu người), EEG (Electroencephalogram: sử dụng các điện cực đặt tiếp xúc với da đầu dé
đo tín hiệu từ não), phương pháp fMRI (functional Magneti Resonance
Imaging) va NIRS (Near Infrared Spectroscopy: đo sự thay đối của nỗng
độ oxy trong máu của vỏ não). Với phương pháp xâm lấn (invasive) thì có
phương pháp ECoG (electrocorticography), phương pháp ME (Mocro- Electrode), phương pháp MEA (Micro-Electrode Array) và LFPs (Local Field Potentials). Với các phương pháp nay các điện cực được đặt ở bên
trong (ở dưới lớp da dau va tùy vào phương pháp mà độ xâm lan nông sâu khác nhau). Hình 2.4 ở dưới đây một phan nao giải thích được một cach
sơ lược của các phương pháp vừa nêu.
bổ EES NIRS10+
: TT MEG
H 1+ ECoG fMRI
g
5 + LP
®- MEA
a T MEbi
.01 —+——ơ—
001 .01 1 1 10 Temporal resolution (s)
Hình 2.4. Độ chính xác về không gian và thời gian với các phương pháp khác nhau trong các nghiên cứu về BCI (nguồn: [2])
Trang 8
C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn
Với hình 2.4, ta có thé thay 4 phương pháp xâm lẫn có thời gian xử lý (đáp ứng) khá nhanh (dưới 0.01 giây) và 4 phương pháp không xâm lẫn có thời
gian đáp ứng chậm hơn: EEG va MEG có thời gian dap ứng dưới 0.1 giây con NIRS và fMRI có thời gian dap ứng trên | giây.
2.2.2 Hệ thống đặt điện cực quốc tế 10-20 dé ghi điện não
Trong phương pháp đo tín hiệu điện não không xâm lấn dạng EEG, tín hiệu điện não được thu băng cách đặt các điện cực trực tiếp trên da đầu. Một chuẩn để đặt tên và thiết kế vị trí điện cực được gọi là hệ thống quốc
tế 10-20 (10-20 International System). Trong thiết kế này, “10” và “20” có nghĩa là khoảng cách giữa các điện cực tiếp giáp đặt trên hộp sọ, hoặc là 10% hoặc 20% của từ trước ra sau hoặc từ phải sang trái tong khoảng cách
của hộp sọ như mô tả trong hình 2.5 sau đây:
^^
NASION 110%
„ Tp ~~ Fpa
| 20%
RIGHT
hợp ! Yon ‘ts 1ơ 2. tế\ 20% hoe
@:®¡108 Ear Lobe
Hình 2.5. Hệ thống quốc tế 10-20 (nguén: [22])
Có 3 đường nối chính:
e Nối 2 ống tai ngoài (thực ra là ngay trước tai — preauricular points).
e Nối gốc mũi với ụ cham ngoài, cả 2 đường nối này đều đi qua đỉnh so.
e Đường chu vi của sọ kêt nỗi 2 điêm tận cùng nhất trên sọ.
Trang 9
C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn
Ba đường này được chia theo tỷ lệ 10-20-20-20-20-10%, theo cả trục trực
giao (2 đường vuông góc), lẫn theo vòng tròn chu vi, theo kiểu chia đôi các điểm nối.
Khi nghiên cứu giấc ngủ, có thể người ta không dùng hết các vị trí ghi này, và chỉ đặt điện cực ở một số vị trí: trên hình vẽ là những chỗ có vòng
tròn đen.
Thông thường, chúng ta sẽ dùng một bộ 21 điện cực gan trén da dau theo
he thong đặt điện cực 10-20 của quốc tế.
Ta lẫy các điểm mốc sau đây:
e Điểm gốc mũi (nasion), nằm giữa 2 chân lông mày (glabella).
e Điểm cham (inion).
e Ong tai ngoài 2 bên.
Với các ký hiệu sau đây: F là tran (Frontal), O là châm (Occipital), C là trung tam (Central), P la dinh (Parietal). Danh số lẻ nếu là bên trái, và số chan nếu là bên phải.
Nối 2 điểm gốc mũi và cham với nhau, ta có đường dọc giữa. Ta chia chiều dài của đường này theo tỷ lệ %: điểm cách gốc mũi 10% là Fo (hay Fpz), cách tiếp theo 20% nữa là Fz, tiếp 20% nữa là Cz. Cz chính là điểm chính giữa đỉnh dau, tiếp sau nó 20% là Pz. Cách điểm cham 10% (tức
cách Pz 20%) là Oo (hay còn gọi Oz).
Nối 2 ống tai ngoài với nhau, ta được một đường cắt ngang đường dọc giữa ở điểm Cz. Cách ống tai ngoài 10% bên trái là T:, bên phải là Ty.
Cách thêm 20% (chính giữa T3 hay Ta với Cz) là Ca (bên trái) va Ca (bên phải).
Vẽ đường đồng tâm với đường chu vi của dau, nỗi các điểm mốc phía ngoài nhất: Fpz-T3-Oz-T,. Trên đường (gan như là đường tròn) này, cũng
chia theo tỷ lệ % như vậy. Cách 10% phía trước có Fpl bên trai và Fp2 bên phải, sau đó 20% là F; và Fg. Cách Oz 10% từ phía sau là O, bên trái
và O, bên phải. Cách tiếp 20% (là chính giữa O; với Ta) là Ts bên trai va
(là chính giữa Oz với Ta) Ts bên phải.
Trang 10
C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn
Vẽ tiếp đường vòng cung phía trong, tiếp nối Fp1-C3-O, bên trái, và Fp2- Ca-O› bên phải. Ở khoảng cách 20% (chính giữa các móc) là F; phía trước
bên trái, Fy phía trước bên phải, P: phía sau bên trái, P„ phía sau bên phải.
Vậy ta có 1 mạng ghi điện não đô. Về phương diện điện học, người ta coi tai và sốc mũi là 0, là điện cực trung hòa. Như vậy kiểu kết nối 1 điện cực trên mạng ghi điện não đỗ với tai, ta có kiểu ghi đơn cực. Còn cách nối 2 điện cực trên mạng với nhau mà không nối với tai, thì gọi là cách ghi
lưỡng cực.
VỊ trí Oz và Fpz ít được dùng để đặt điện cực chi trong điện não đồ, nhưng lại hay được dùng khi ghi điện thế gợi (ví dụ VEP). Theo sơ đỗ (mạng) điện cực như trên, ta có 19 vi trí đặt điện cực để chi điện não đồ. Với những nối điện cực khác nhau, ta sẽ có nhiều kênh chi. Tai một sỐ phòng ghi điện não trên thé giới, người ta còn chia tách ra ti mi hơn dé đặt được nhiều điện cực chi EEG hơn, có thể có số vị trí đặt điện cực chi trên
da đầu là 32, 64, thậm chí 256.
> “-
fF 7 ®
© © °
@ @®
9 @ °-
Hình 2.6. Cách đặt điện cực theo kiểu 21 kênh (nguồn: [22])
Trang 11
C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn
Trang 12
C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn
Theo [22], hệ thống đặt điện cực 10-20 quốc tế được dé nghị vào năm
1958, hiện được dùng rộng rãi, và được coi là phương pháp chuẩn (standard method) dé ghi điện não trên da đầu (scalp EEG). Gần đây Hội điện não Hoa Ky (The American EEG Society) tán thành một biến đôi nhỏ trong danh pháp theo số và chữ cái nguyên thủy. Trong đó, trước đây là T3, T4, T5 và T6 thì nay chuyến thành T7, T8, P7 và P8. Cải tiến này nhằm làm tăng phạm vi đặt điện cực đã chuẩn hóa vào trong vùng dưới
thái dương - subtemporal region (ví dụ: F9, T9, P9, F10, T10, P10) và chi
rõ tên của vị trí điện cực năm ở đường vòng trung gian, giữa các đường vòng chuẩn (ví dụ: AF7, AF3, FT9, FL7, FC5, FC3, FC1, TP9, TP7, CP5, CP3, CPI, PO7, PO3 va v.v.). Những điện cực đặt thêm va gan sat nhau hơn, cách đặt thêm điện cực ở chính giữa các điện cực tiêu chuẩn của hệ thong dat dién cuc 10-20, tat ca những cach đặt thêm điện cực như vay thường sẽ giúp cho định khu các bat thường tốt hơn (vi dụ định khu 6 phát
sóng dạng động kinh - epileptiform discharges ở bệnh nhân bị động kinh
cục bộ - partial seizures). Cũng có một vài kiểu điện cực được chế dé ghi
hoạt động điện ở thùy thái dương.
2.2.3 Do tín hiệu dùng phương pháp điện não đồ EEG
Điện não đồ là phương pháp do sự thay đổi điện áp từ dòng chảy của các ion trong tế bào não của con người. Hình 2.9 sử dụng nón có gắn các điện cực dé thu tín hiệu điện não theo phương pháp EEG.
Hình 2.9. Do tín hiệu điện não dùng phương pháp EEG
Trang 13
C2: CƠ SỞ LY THUYET HVTH: Phạm Bá Toàn
Điện áp trên não thay doi được duy trì là nhờ hang tỉ noron trong não.
Nơron luôn trao đôi ion với môi trường ngoại bào. Quá trình trao đôi như vậy sẽ tạo ra điện áp. Khi dạng sóng của các ion đi đên các điện cực được gan ở trên dau thì nó sẽ đây hoặc hút các ion trên kim loại ở các đầu điện cực đó. Khi các ion trên điện cực bị hút hoặc day thì sẽ tạo ra sự chênh
lệch về điện áp. Quá trình đo sự thay đổi điện áp đó theo thời gian là EEG. Phương pháp EEG cho phép chúng ta xác định được đặc tính tần số tín
hiệu điện não. Theo [3]. tín hiệu EEG được chia làm 6 loại:
Sóng Delta(ð): Day là tần số thấp nhất, nam trong khoảng từ 1-4 Hz,
nó có biên độ tương đối lớn và chỉ đo được khi các thanh thiếu niên chìm vào giắc ngủ sâu. Sóng delta xuất hiện chủ yếu tại Fp! và Fp2. Sóng Theta(6): Nó năm trong khoảng 4-7 Hz, được quan sát trong tình trạng người ngủ không sâu (hoặc buồn ngủ) ở những người trẻ tuổi. Sóng theta xuất hiện nhiều tại C3, C4.
Sóng Alpha(a): Nó năm trong khoảng 8-12 Hz, ở vùng sau của dau và khi người thí nghiệm trong tình trạng nhắm mắt hoặc đang trong trạng thái thư giãn. Sóng alpha tập trung nhiều tại O1 và O2.
Sóng Mu(u): Đó là các dao động năm trong khoảng 8-13 Hz với biên
độ từ 30 đến 50uV, đo được trong vùng vận động và cảm giác vận động của não. Biên độ của nó sẽ thay đối khi thực hiện các cử động. Sóng Beta(f): Day là tần số sóng não năm trong khoảng 13-30 Hz với biên độ 5 đến 30uV. Nó xuất hiện trong trạng thái tỉnh táo, nó chỉ bị thay đối khi các hoạt động di chuyển. Sóng beta xuất hiện nhiều ở
vùng đỉnh và thùy trán.
Sóng Gamma(y): Đó là các tần số trên 30 Hz, đôi khi nó còn xuất hiện
ở tần số lên đến 80 Hz hoặc 100 Hz. Nó liên quan đến các hoạt động
nhận thức và các chức năng di chuyên.
C2: CƠ SỞ LÝ THUYET Trang 14 HVTH: Phạm Bá Toàn
Tan sô p và là các phân chính được phát ra từ vùng cảm giác van động
của vỏ não. Nếu đối tượng thí nghiệm di chuyển thật sự thì cùng lúc đó (nhưng sau một thời gian ngăn) thì công suất của băng tần này sẽ tăng.
Tương tự như vậy, với việc tưởng tượng vận động thì công suât của tín hiệu vỏ não ở vùng băng tân này cũng tăng tương tự.
PAS A) /ƒ*^x ằWxwwWw Mm NWN
veiw MeAllk ! JM42 Ip tov
Delta
I Ä%⁄ *
Theta ' :
á % Ỷ \ / f \ Jf _ he
” " Alpha " " "
0.6
1švut
Beta
Gamma
Hình 2.10. Các dang sóng não (nguồn: [7])
Ưu điểm của phương pháp EEG:
Giá thành thấp hơn các phương pháp khác.
Thiết bị nhỏ gon, vì vậy có thé đo được nhiều nơi khác nhau. Trong khi các phương pháp khác như cộng hưởng từ, hồng ngoại gần có thiết bị rất to, công kênh.
EEG có thé do được những đối tượng dang di chuyền (cộng hưởng từ bắt buộc đối tượng phải cố định cho tới khi đo xong).
EEG không tạo ra môi trường từ trường cao nên người do cũng như
đối tượng được đo không làm việc trong môi trường từ trường cao
C2: CƠ SỞ LÝ THUYET Trang 15 HVTH: Phạm Bá Toàn
(máy fMRI hoạt động với môi trường từ trường cao nên có thé gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người).
Nhược điểm của phương pháp EEG:
e Các điện cực gan trực tiếp lên da đầu dé thu tín hiệu EEG. Bởi vi sự di chuyển của da đầu, chất sừng gây ngăn cách giữa điện cực và tín hiệu điện thực tế, do đó tín hiệu thu được sẽ chứa nhiễu.