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

Mục Lục


Trang viii

MỤC LỤC

TRANG TA TRANG
Chưng1 : TỔNG QUAN 1

 1
. 1
. 3
i. 5
 6
pháp nghiên c 6
 6
Chưng 2: C S LÝ THUYT 8
2 8
2.1.1 8
2.1.2. Ph  8
2.1. 10
2.1. 11
2.1.- fNIRS 13
 15
 15
2.2.2.  16
Chưng 3: XÁC ĐNH KHU VC VẬN ĐNG CỦA NÃO B CHO HOT
ĐNG CẮN VÀ NỂNG T 22
3.1.  22
 22

 22
 23
3.2 Golay 23
3.2fNIRS 24
Mục Lục


Trang ix

3.3. X lý tín hiu fNIRS 28
3.3.1. Bii Wavelet: 28
a.  28
b 31
3.3.2. X lý tín hiu Oxy-Hb dùng phép bii wavelet ri rc 34
3.4.  n 37
3.5.  41
Chưng 4: MỐI QUAN H GIA Đ LCH QUAI HÀM VÀ LC CÁNH
TAY 60
4.1.  60
4.2.  61
 61
 64
 69
 69
 73
Chưng 5: KT LUẬN 75
5 75
5ng phát trin c tài 77
 78
 80

Danh Sách Các Từ Viết Tắt


Trang x

DANH SÁCH CÁC T VIT TẮT


- fNIRS( functional Near- Infrared Spectroscopy)- 

- FOIRE ( Functional Optical Imager for Research)  
cho phân tích
- NIRS-BCI (A brain-computer interface based on near-infrared spectroscopy)- 
 não-máy tính  trên  
- Oxy-Hb (Oxy Hemoglobin) - Oxy 
- EEG (ElectroEncephaloGraphy) - 
- MEG (Magnetic EncephaloGraphy) - 
- MRI (Magnetic Resonance Imaging)  
- CT (Computed Tomography)- 
- PET (Positron emission tomography)- 
- SVM (Support Vector Machines) - 
- PR-SVM (Polynomial Regression - Support Vector Machines)

- ANN( Artifical Neural Networks) - 
- HMM (Hidden Markov Model)  
- TIWT (Translation Invariant Wavelet Transform 

- EMG (Electromyography)  
-MRA (multi-resolution analysis)- phân tích 

Danh Sách Các Hình


Trang xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
 1
Hình 1.2.  1
-Hb, deOxy-Hb, total-Hb 2

Hình 2 8
Hình 2 9
Hình 2.3. Máy CT Scanner 10
Hình 2.4. Máy c 12
  13
 13
Hình 2 14
Hình 2.8.  áy
-3000 16
 16
Hình 2.10 17
Hình 2.11.  17
Hình 2.12 
não trái 18
Hình 2.13- nâng 4kg 19
Hình 2.14- 20
Hình 2.15- 20
Hình 2.16- 4kg 21

Hình 3.1-Hb  22

Hình 3.2-
là  25
Danh Sách Các Hình


Trang xii

Hình 3.3zky  
 25
Hình 3.4 
 26
Hình 3.5 
c là 3 26
Hình 3.6-
 là 3 27
Hình 3.7
ab
 29
Hình 3.8
ab
 29
Hình 3.9
ab
 29
Hình 3.10 32
Hình 3.11. Tín hiu gc và các h s wavelet t mc 1 - 5 ca h boir 5.5 34
Hình 3.12vi wavelet h symlets 7 35

Hình 3.13vi wavelet h bior5.5 36
Hình 3.14vi wavelet h debauchies 13 36
Hình 3.15.  37
Hình 3.16. Dng tín hiu bii Wavelet  mng 40
Hình 3.17. Dng tín hiu bii Wavtlet  mng 40
Hình 3.18. Vùng v 44
Hình 3.19.  
 56

Hình 4.1.   60
Hình 4.2
 65
Hình 4.3
 65
Danh Sách Các Hình


Trang xiii

Hình 4.4
 66
Hình 4.5
 65
Hình 4.6
 kg 67
Hình 4.7.  68
Hình 4.8 5 kg 68
Hình 4.9  không nâng  69
Hình 4.10 70
Hình 4.11 71

Hình 5 76
Hình 5 76


Danh Sách Các Bảng


Trang xiv

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG

ng 2.1.  17
ng 2.2. 
nâng 4 kg trên kênh 1 18

ng 3.1. 
6 kg 41
ng 3.2.  
6 kg 41
ng 3.3. 
6 kg 42
ng 3.4. 
6 kg 42
ng 3.5. 
6 kg 43
ng 3.6.   =1 43
3 45

3  2 45
3. 3 45
3. 4 46
3. 5 46
Bng 3.12. Kt qu thí nghing cn 3 mm và nâng 6 kg vi a = - 3 47
3.13. Kt qu thí nghing cn 2 mm và nâng 6 kg vi a = - 2,5 48
3.14. S kênh vùng vng khi nâng 6 kg 48
3.15. Kt qu thí nghing không cn và nâng 5 kg vi a = 2 49
3.16. Kt qu thí nghing cn 3 mm và nâng 5 kg vi a = -3 49
3.17. Kt qu thí nghing cn 2 mm và nâng 5 kg vi a = -3 50
Danh Sách Các Bảng


Trang xv

Bng 3.18. S kênh vùng vng khi nâng 5 kg 50
Bng 3.19. Kt qu thí nghing không cn và nâng 4 kg vi a = 2 51
3.20. Kt qu thí nghing cn 3 mm và nâng 4 kg vi a = -2.5 51
Bng 3.21. Kt qu thí nghing cn 2 mm và nâng 4 kg vi a = -3 52
Bng 3.22. S kênh vùng vng khi nâng 4 kg 52
Bng 3.23. Kt qu thí nghing không cn và nâng 7 kg vi a = 5 53
Bng 3.24. Kt qu thí nghing cn 3 mm và nâng t 7 kg vi a = -3 53
3.25. Kt qu thí nghing cn 2 mm và nâng t 7 kg vi a = -3 54
Bng 3.26. S kênh vùng vng khi không cn và nâng t 7 kg 54
Bng 3.27. Kt qu thí nghing cn 3 mm và không nâng t vi a = -3 54
Bng 3.28. Kt qu thí nghing cn 2 mm và không nâng t vi a = -2 55
Bng 3.29. S kênh vùng vng khi cn và không nâng t 55
Bng 3.30. Tng hp s kênh vùng vng cho hong cn và nâng t theo sc
nâng 57
Bng 3.31. S kênh vùng vng cho hong không cn và nâng t 57

Bng 3.32. S kênh vùng vng cho hong cn 3 mm và nâng t 58
Bng 3.33. Tng hp s kênh vùng vng cho hong cn 2 mm và nâng t 58
Bng 3.34. S kênh vùng vng theo chiu dài cn 58

4 70
 70
 72
 72
ng 4.5.  - nâng
 73
.6.  -  73

 75
Chương 1: Tổng quan

Trang 1
Chưng 1
TỔNG QUAN

1.1. Tng quan về lĩnh vc nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong và ngoài
nước đã công b.

Não , 






Hình 1.1. B i

B i là mt khi nng khong 1,4 kg gm các cht dch và mô.
ây là cu trúc phc tp nht trong tt c các cu trúc sng tc bin, vi
gn mt nghìn t t bào thn kinh phi hu hành các hong th
cht và tâm thn.
,
thính giác, ,  liên 
 .  
  
.





Hình 1.2. Não và dây thn kinh ct sng
Chương 1: Tổng quan

Trang 2
Não và dây thn kinh ct sng là hai t cha h thn kinh
 c bit này s dng các t bào thn kinh v kim
soát nhip c i thc hin vô s các hong
th cht. Vì th vic nm bt các hong ca não là c  chúng ta có th 
ngu tr c rt nhiu bnh lý ci.
Trong nhng thp k gt nhiu thành tc g
vc tái to hình nh và nhn dng thi. Hoc th
hin qua kt qu ca các k thu- Infrared
Spectroscopy) - máy ch    cn hng ngoi, EEG (Electro
Encephalo Graphy) -   , MEG (Magnetic EncephaloGraphy), MRI
(Magnetic Resonance Imaging) - nh cng t.
     thành mt k thut thun li cho các m  

nghim não. K thut không xâm nhp này s dn
hng ngo n th ng
  i. Thc cht,     i oxy-hemoglobin và deoxy-
hemoglobin trên b mt não. Khi có mt kích thích xy ra trong não, chng h
ng huym
nhn chng.







Hình 1.3. S ti Hemoglobin (Hb): Oxy-Hb, deOxy-Hb, total-Hb. [1]
Tín hiu quang ph cn hng ngoc biu din theo 3 thành phn
oxy-hemoglobin và deoxy-hemoglobin, và total hemoglobin là s kt hp ca 2
thành phn trên. Hình 1.3 là mt ví d v tín hiu NIRS.
Chương 1: Tổng quan

Trang 3
Rt nhiu nhà nghiên cu v khoa hc thn kinh trên th gii vi nhiu công
c công b trên các tp chí, hi ngh v các khía cnh khác nhau da trên
k thut quang ph cn hng ngoi.
Nhm ng dng các k thut hi i, c bii
khuyt tng kh p và hòa nhp vi cuc sng xung quanh,
c hin ch cha bc chú trng. Vì vy, các
    p ngày càng th hin vai trò quan trng ca mình,
tro thut quang ph cn hng ngoi.
1.1.2.  
Toshimasa Sato ng s u v chui thi gian

hong ca não và ng ca chúng i vi các ch [2]. S ng
 oxy-Hb trên các vùng gu khin chuyng (motor cortex) và
s gim deoxy-Hb trên mt s c trình bày trong bài báo này. S i
oxy-Hb theo thi gian ph thuc vào v trí các kênh trên v não: hong duy trì
u khin, hot  trên vùng somatosentory, và hong
 c tính này phn ánh cha cu trúc não
trong quá trình gõ tay.
M. O. Hiroshi Tamura nhn bit hoc thc hin
thông qua qu o n oxy [3]. Kt qu cho thy não ph
khi nhn và các hon ngón tay.
 ng Khoa nghiên cu nhn din ch
thông qua phân tích wavelet tín hiu fNIRS và m-ron [4]. Trong bài báo này,
tác gi gii thiu k thut phân tích tín hiu fNIRS và cho thy rng tn tc
ng huy nhn dng hong não và phát trin
BCI (Brain Computer Interface).
K. S. T. SHIMOKAWA   t
c bi máy fNIRS: mô hình m- ron Bayessian [5]. Kt qu phân tích s
dng mô hình d i mng perceptron 3 lp cho thy s i n
oxy- d t cách hiu qu. Bài náo này cho thy
Chương 1: Tổng quan

Trang 4
n oxy-Hb  vùng trán (prefrontal) và  mt (orbital) là mt nhân t cho phép
d  phát trin hành vi vi các m d ng.
Rodolphe J. Gentili tìm ra mi a huyng vi s
thích nghi hoc th hin bng cách dùng fNIRS [6].
Justin Chan vi Giao din não - máy tính trc tuyn dùng quang
ph cn hng ngoi vi thông tin phn hi thi gian thc [7]. Báo cáo cho thy
phn hi th giác trong các hình thc ca mt bi di c coi là hu ích ca
i tham gia, ng dn s hiu bit ca h v các phn ng huyng hc và

tu kin thun li cho vic phát hin ra các chic kích hot phù hp.
go Quoc Cuong vi nhn dng gõ tay thông qua phân tích tín
hiu quang ph cn hng ngoi (NIRS) dùng gii thut hi quy [8]. Kt qu thí
nghii cho thy ta có th phân bic khi nào ch th tham gia thí
nghii.
     ng dng thut toán Wavelet
Decomposition tính giá tr trung bình cho thí nghim nâng h  phân bit hot
ng ca não trái và não phi. Kt qu khi ta vng tay ph xung
thì bán cu não trái hong mu não phi.
  Khoa Truong Quang Dang  phân tích din tích các tín hiu
EMG  nh mi quan h gia s mt cân bng hàm và sc mnh cánh tay b
mt [9]. Kt qu cho thy mt cân bng cn gây ra mt sc mnh cánh tay i
din, s mt mát c c tính là hàm tuyn tính chiu cao ca các mim; 
dc ca hàm tuyn tính   c hai cánh tay và c lp vi gii tính, và sc
mnh cánh tay ca nam  cng n.
 Haphân loi huyng theo thi gian ca vic gõ hai
tay s dng ch quang ph cn hng ngoi [10]. Trong bài báo này, các tín
hiu não u ca vic gõ tay c lc bi b lc Savitzky-Golay  to ra các
tín hiu  a, các tín hiu c làm nhn ca vic gõ tay trái và tay
phi ng vi n Oxy-Hb i trong i c phân tích
bng cách s dng thut toán PR. Da trên h s khác nhau cng cong thu
Chương 1: Tổng quan

Trang 5
c t thut toán PR, các thut toán ANN và SVM c s d xác nhn d
liu Oxy-Hb cho nhn dng s ln gõ tay. Kt qu th nghim vi s ln gõ tay cho
thy rng ta có th phân bit vic gõ tay trái hay tay phi cng.
Qua nhng nghiên cng t k thut s dng quang ph cn
hng ngo  n ánh ho ng ca b não bng nhiu hình thc khác nhau.
Trong mi mt hình thc s dng thì mu có gii hn nhnh.

Chng hc da vào các h s c t hi quy tuy nhn
dng ho chính xác không cao vì trong mi ln hong thì h
s li. H c áp dng trc tip vi ngõ vào là oxy-Hb và deoxy-
Hb [11i s ng ngõ vào rt nhiu, không tip ca
tín hic. Vi mt ng dn tín hii x lý thi
gian thc thì vic áp d3] s r
Trong hu ht các bài báo trên, khi mi cn phi tìm hiu hong
ca não, tín hiu Oxy-Hb c la chn  . Do  liu thc
hin là nhng hn hình, không mang tính tng quát. Trong nghiên cu
này, các thut toán ng wavelet c s d nh chính xác các kênh
ca vùng vng trong tng s 24 kênh. y khi cn tìm hiu các hong
ci thông qua các hong ca não ta ch cn xem xét hong ca
vùng v. ng thi thc hin hi quy tuy l
cho tng hp cn và nâng t c th, t din tích Oxy-Hb vùng
vng này. Cui cùng thc hin so sánh din tích cng hp cn  không
cn và nâng t  tìm ra mi quan h gia lch quai hàm và lc cách tay. Da vào
mi quan h này s giúp ích trong vic nghiên cu, chuu tr các bnh
nhân v quai hàm,  lc cánh tay.
Xut phát t nh i thc hip và phân tích tín
hiu Oxy- nh mi quan h trên bng fNIRS.
1.2. Mc đích ca đề tài.
Xây dng gii thu thông qua tín hic có th c
mi quan h gi lch quai hàm và lc cánh tay ci.
Chương 1: Tổng quan

Trang 6
1.3. Nhim v và giới hn ca đề tài.
a/ Nhim v:
Tìm hiu v b lc Savitzky- Golay, bii wavelet ri rc và thut toán
ng, thut toán giao, hc và tính din tích .

Xây dng thí nghiu não s dng máy fNIRS FOIRE- 3000
Áp d lý thuytìm ra vùng vng ca hong, xác nh
mi quan h gia lch quay hàm và lc cánh tay thông qua phân tích tín hiu não t
d lic.
b/ Gii Hn:
X lý d liu không trc tuyn.
Thí nghim thc hin là cn  nâng t và ch u khin
chuyng.
Thc hin trên mng khe mnh.
1.4. Phưng pháp nghiên cu
Thu thp d liu: Xây dng giao thc thí nghim, S i oxy-Hb trên
u khin hong cc thu v dùng k thut fNIRS s dng máy
FOIRE - 3000 ca hãng Shimadzu, Nht B t ti phòng A104, B môn K
Thui hc Quc t. H thng này có th hong  c sóng 780
nm, 805 nm và 830 nm. Các thí nghic xây d thu d liu.
Tin x lý d liu: Thc hin lc nhiu s dng b lc Savitzky - Golay.
X lý d liu: Áp dng bi 
chc các kênh tích cc trong vùng vng cng.
Áp dng thu nh vùng vng cho hong cn và
nâng t cng khe mnh.
nh mi quan h: Thc hin hc, 




Chương 1: Tổng quan

Trang 7
1.5. Tóm tt đề tƠi
               



.  



--3000.
 g-Hb: 
  Golay, 
               

nhóm 
ng
nhóm 


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 8
Chưng 2
C S LÝ THUYT

2.1. Các phưng pháp tái hin hình nh và tín hiu não ngưi
2.1.1 (EEG)
EEG (Electroencephalography) -  là mi các
hong v u c n áp
do vic di chuyn ca các hn tích bên t- ron ca não. Tín hiu EEG
c tìm ra bi Hans Berger (1873 - 
1929 ca Berger cho thy s tn ti ct thành phn ch yu
trong tín hiu EEG.

Vic nc duy trì bi hàng t --ron np
n bi các màng vn chuyn protein ba chúng. Các
-i ion vi ngoi bào, to nên mt quá trình liên tc bng
y ion t --t són. Khi các sóng ion
này tin cu, chúng có th y và kéo electron trên kim
loi cn cc. Vì kim loi có th y và kéo electron mt cách d dàng nên s
khác nhau giy ca bt k cp c c ghi nhn.
Các giá tr c ghi nhn theo thi gian này chính là tín hiu EEG.[12]






2.1.2 ( MRI: Magnetic Resonance Imaging)

 
xem hình
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 9
2.2 
ó


c








 h và Edward Purcell phát
               
1952, hai nhà vh và Edward Purco 


 



Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 10




2.1
 




Hình 2.3. Máy CT Scanner



 






 

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 11




hình o nên các hình 
 p 
m 
             

2.1.p Positron ct lp (PET: Positron emission tomography)
 -SCAN hay PET-CT là
 cép


(MRI)
 




 





-of-
-of-


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 12



Hình 2.4. Máy chp Positron ct lp
 



 . 





 


  . 















 , 





 , khi
 





 






.









      
, 
 . 


























 

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 13

oán

2.1.5ang ph cn hng ngoi  fNIRS.
 u não trên v não bng sóng quang ph
hng ngoi gn, r vào máy tính. n.










 cn hng ngoi [1]
K thut fNIRS s dng sóng ánh sáng trong vùng cn hng ngoi. Dc
c trình bày trong hình 2.6

Hình 2.6. Dc sóng t n Radio
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 14
Ánh sáng cn hng ngoi (650 - 950 nm) có th di chuyn qua s và tin
v não v n 3  trong hình 2.7. Các sóng ánh sáng này b hp
th bi mô  các m khác nhau. Da trên ph hp th ca HbR và HbO
2
ta có
th c s i m tp trung bng cách d u
thu.








ng ca tia hng ngoi vào v não[13],[14]
 p
 C.  I
0
 
L -
L

ánh sáng phát  :
I
L

= I
0
e
-()CL
(2.1)
, () .
 c sóng (c tính theo công thc:
OD() = log( I
0
/ I
L
) = ()CL (2.2)
2.2, nc s dng, b qua các thành phn
hp th khác và K(
i
) = K, i = 1,2 ta s c:

 
)](
)(
)(
)([
)(
)(
)(
)(
2
2
1
1

2
2
1
1
2
2
2
2








Hb
HbO
HbO
Hb
HbO
HbO
K
ODOD
Hb



(2.3)

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 15

 
)](
)(
)(
)([
)(
)(
)(
)(
0
20
2
1
10
2
2
1
1
2
22









Hb
Hb
Hb
Hb
Hb
Hb
K
ODOD
Hb



(2.4)
S i th tích máu A[BV i oxy A[O
2
] là:
A[BV ] = A[Hb] + A[HbO
2
] (2.5)
A[O
2
] = A[HbO
2
] - A[Hb] (2.6)
Mt thit b fNIRS thc t s bao gm ngu u thu kt hp vi
nhau trong mt khi: mu khin th ca ngun quang,
mch thu nhn các ánh sáng phn x t mô và gn khu khin. Có 3
c, min tn s, min thi gian. Các

thit b fNIRS sóng liên tc dùng trong thc t cho các v tái to
tín hiu hay hình nh não.
Nguyên lý hong thit b fNIRS sóng liên tn. Mi ngun
quang phát ra ánh sáng trên mt vùng nhnh ca não vi ít nht là 2 c sóng
khác nhau, chng h nm và 830 nm. Các photon phn x c tp trung
tng và chuyc thành tín hing
v c.
2.2. C s lý thuyt nghiên cu và cách thu thp d liu fNIRS
 lý thuyt nghiên cu
Trong nho hình nh và thu tín hiu t
não bng quang ph cn hc chú trng nghiên cu, trin khai ng
dng rng rãi. Có rt nhic công b n tng quan
 cp. T nhng kt qu nói trên, t i thc hin s thu thp
và x lý d liu Oxy-Hb ca hong cn và nâng t cng có sc
khe tt, vi gi i khe cn mim gii b lch quai hàm,
 tìm ra vùng vn ng cho hong. Da vào din tích vùng vng s tìm ra
mi quan h gia lch quai hàm và lc cánh tay.


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 16
2.2.2. Thu thp d liu fNIRS
        -   Shimadzu

oxy-hemoglobin và deoxy-hemoglobin trong não.

a) b) c)
Hình 2.8. 
m-3000

 :






B gi nh B gi  B gi toàn b u B gi trán
Hình 2.9 [1]
 thu tín hiu fNIRS, ta thit lp các thông s v giao thc thí nghim, ma
tr k ly mu.
- Giao thc thí nghic thit lp cho thí nghim cn và nâng t 
v 2.10.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trang 17




Hình 2.10 thi gian ca mt l

Trong khoc hin bt
k mng hay mt suy ngc.  10 giây
ting s thc hin cn  nâng t và 20 giây cung
tr v trng thái nghy, tín hii gian là 50 giây,
  giây u và cu  ng c ngh, còn 10 giây  gi  i
ng hong cn và nâng t.
Vi giao thc thí nghii thc hin tin hành nghiên ci vi
mt nhóm ng và các hong cn và nâng t theo mô t trong bng 2.1.
Bng 2.1. S ln thí nghing cn và nâng t cng
STT
Đ dài cn (mm)
Sc nâng (kg)
S lần
thí
nghim
0
2
3
0
4
5
6
7
1
2
3
1
0
0
0

1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
5
5

- Ma trc b trí theo ki2.11.

Hình 2.11. Ma t
20S
10S
20S
Ngh
Ngh
Cn và
nâng t
t
u thu
u phát
Kênh
