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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN ĐẠO

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
S

K

C

0

0

3
4

9
2

5

9
8

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 4 2 6 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN ĐẠO

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

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 / 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ VĂN ĐẠO

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

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hướng dẫn Khoa học:
TS. NGUYỄN THANH HẢI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 / 2014


Lý Lịch Khoa Học

Quyết định giao đề tài

Trang i


Lý Lịch Khoa Học

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Hà Văn Đạo
Giới tính: Nam
Ngày 09, tháng 01, năm sinh 1977
Nơi sinh: Thái Bình
Quê quán: Thái Bình
Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giáo viên Trường
Cao Đẳng Công Nghiệp Cao Su.

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Phú Thịnh – Đồng Xoài – Bình Phước
Điện thoại cơ quan: 06513.879.787
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
không
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy Thời gian đào tạo từ 9/1995 đến 4/ 1999
Nơi học: Trường Cao Đẳng sư phạm kỹ thuật 1, tỉnh Hưng Yên
Ngành học: Kỹ thuật điện tử
Hệ đào tạo: Đại học liên thông chính quy
Thời gian đào tạo từ 1/2006
đến 8/ 2007.
Nơi học: Trường ĐH Công Nghệ Sài Gòn
Ngành học: Kỹ thuật điện – điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Điều khiển tốc độ động cơ DC
dùng vi xử lý 89C51
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 8 năm 2007 tại
Trường ĐH Công Nghệ Sài Gòn
Người hướng dẫn: TS. Phan Quốc Dũng
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 05/2012 đến 04/ 2014
Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐHSPKT T.p Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật điện tử
Tên luận văn: 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.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 19/04/2014 tại Trường ĐHSPKT T.p Hồ Chí
Minh
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Hải
4. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn B
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:

Trang ii


Lý Lịch Khoa Học
Thời gian
Từ 10/1999
Đến 12/2005
Từ 1/2006 đến
8/2007
Từ 9/2007 đến
nay

Nơi công tác
Trường Trung cấp Kỹ thuật nghiệp vụ
Cao Su (nay là trường CĐCN Cao Su)
Trường ĐH Công Nghệ Sài Gòn

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên
Học đại học

Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Cao Su

Giáo viên

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:
1/ Đề tài: “Tự động điều khiển hệ thống chiếu sáng khuôn viên” - đạt giải 3
hội thi sáng tạo kỹ thuật tỉnh Bình Phước lần 1- Năm 2011.
2/ Bài báo: “ fNIRS-Based Wavelet Thresholds for Motor Area
Determination” đăng ký tại hội nghị BME 2014 tổ chức tại Đại học Quốc tế.
XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
2014
(Ký tên, đóng dấu)

Ngày 15 tháng 04 năm
Ngƣời khai ký tên

Hà Văn Đạo.

Trang iii


Lời Cam Đoan

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 2 năm 2014
(Ký và ghi rõ họ tên)

Hà Văn Đạo.

Trang iv


Lời Cảm Ơn

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa Điện - Điện tử đã trang
bị cho em kiến thức.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn
cho em tìm tòi, học hỏi những kiến thức về lĩnh vực Quang phổ hồng ngoại gần và
đã hướng dẫn cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn các anh chị khóa trước, các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, đóng góp
ý kiến để em hoàn thành bài báo cáo.
Và em cũng gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô, các bạn sinh viên Bộ Môn
Kỹ Thuật Y Sinh, Đại Học Quốc Tế, Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, những
người đã xung phong tham gia hỗ trợ và thu thập dữ liệu.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 2 năm 2014
Học Viên

Hà Văn Đạo

Trang v


Tóm Tắt

TÓM TẮT

Não đóng vai trò quan trọng nhất trong cơ thể con người. Nhằm xác định và
đánh giá các hoạt động của cơ thể, các tín hiệu não được đo bằng kỹ thuật không
xâm lấn sử dụng quang phổ cận hồng ngoại (fNIRS) sẽ được nghiên cứu. Trong
nghiên cứu này, tín hiệu Oxy - Hb trên vỏ não được thu từ 24 kênh, được làm phẳng
bởi một bộ lọc Savitzky - Golay. Dữ liệu sau khi làm trơn sẽ được biến đổi thành
những thành phần tần số khác nhau bằng một thuật toán Wavelet và sau đó áp dụng
thuật toán ngưỡng để xác định các kênh tích cực ở khu vực vận động thông qua
những thay đổi Oxy-Hb liên quan đến hoạt động cắn và nâng tạ. Nghiên cứu này
được tiến hành thí nghiệm trên năm đối tượng và khi chúng tôi thay đổi miếng đệm
hoặc trọng lượng, thì nồng độ Oxy-Hb sẽ thay đổi chủ yếu tại khu vực vận động của
bộ não người. Vì vậy, để tìm hiểu các hoạt động của con người thông qua các tín
hiệu não, người ta chỉ phân tích các hoạt động của khu vực vận động não. Các kênh
tín hiệu trong khu vực vận động này sau khi làm phẳng được chuyển thành các đa
thức hồi quy để tính diện tích. Dựa vào các diện tích này, ta có thể tìm hiểu mối
quan hệ giữa lệch quai hàm và 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
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
đã công bố ....................................................................................................................... 1
1.1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. ....................................................................... 1
1.1.2. Một số kết quả nghiên cứu đã công bố. ................................................................ 3
1.2. Mục đích của đề tài. ................................................................................................. 5
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ..................................................................... 6
1.4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 6
1.5. Tóm tắt đề tài ........................................................................................................... 6
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 8
2.1. Phương pháp tái tạo hình ảnh và tín hiệu não người ............................................... 8
2.1.1. Phương pháp điện não đồ (EEG) .......................................................................... 8
2.1.2. Phương pháp chụp cộng hưởng từ ....................................................................... 8
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 và cách thu thập dữ liệu fNIRS ................................. 15
2.2.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ................................................................................. 15
2.2.2. Thu thập dữ 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 và chức năng các khối .................................................................................. 22
3.1.1. Sơ đồ khối ........................................................................................................... 22
3.1.2. Chức năng các khối ............................................................................................. 22
3.2. Tiền xử lý tín hiệu fNIRS....................................................................................... 23
3.2.1. Bộ lọc Savitzky – Golay ..................................................................................... 23
3.2.2. Dùng bộ 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 của não bộ cho hoạt động cắn và nâng tạ ..... 41
Chƣơng 4: MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ LỆCH QUAI HÀM VÀ LỰC CÁNH
TAY .............................................................................................................................. 60
4.1. Thuật toán tìm mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay................................... 60
4.2. Hồi quy đa thức vùng vận động ............................................................................. 61
4.2.1. Lý thuyết về hồi quy đa thức............................................................................... 61
4.2.2. Hồi quy đa thức trên tín hiệu fNIRS ................................................................... 64

4.3. Mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay .............................................. 69
4.3.1. Tính diện tích vùng vận động ............................................................................. 69
4.3.2. Mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay........................................... 73
Chƣơng 5: KẾT LUẬN ............................................................................................. 75
5.1. Kết luận .................................................................................................................. 75
5.2. Hướng phát triển của 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 năng quang phổ cận
hồng ngoại
- FOIRE ( Functional Optical Imager for Research) – Chức năng 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 trên 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
bằng công cụ hỗ trợ véc tơ

- ANN( Artifical Neural Networks) - Mạng nơron nhân tạo
- HMM (Hidden Markov Model) – Mô hình Markov ẩn
- TIWT (Translation Invariant Wavelet Transform): Biến đổi wavelet bất biến dịch
chuyển
- EMG (Electromyography) – Điện cơ 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 ................................................................................................... 1
Hình 1.2. Não và dây thần kinh cột sống ........................................................................ 1
Hình 1. 3. Sự thay đổi Hemoglobin (Hb): Oxy-Hb, deOxy-Hb, total-Hb ...................... 2
Hình 2.1. Bố trí điện cực trong phép đo EEG ................................................................. 8
Hình 2.2. Máy chụp cộng hưởng từ ................................................................................ 9
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 của tia hồng ngoại vào vỏ não ....................................................... 14
Hình 2.8. Đầu đo (a), Thí nghiệm đo (b), Cách bố trí bộ dữ và đầu đo trên máy
fNIRS mã hiệu FOIRE-3000 ......................................................................................... 16
Hình 2.9. Các kiểu bộ giữ ............................................................................................. 16
Hình 2.10. Lưu đồ thời gian của một lần đo ................................................................. 17
Hình 2.11. Ma trận đo với kích thước 4x4 .................................................................... 17

Hình 2.12. Vị trí các kênh đo trên khu vực não điều khiển chuyển động ở bán cầu
não trái .......................................................................................................................... 18
Hình 2.13. Tín hiệu kênh 1-6 của đối tượng với hoạt động không cắn và nâng 4kg .... 19
Hình 2.14. Tín hiệu kênh 7-12 của đối tượng với hoạt động không cắn và nâng 4kg .. 20
Hình 2.15. Tín hiệu kênh 13-18 của đối tượng với hoạt động không cắn và nâng 4kg 20
Hình 2.16. Tín hiệu kênh 19-24 của đối tượng với hoạt động không cắn và 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 1 trước và sau khi lọc với bộ lọc Savitzky-Golay có cửa sổ
là 7, bậc đa thức là 3 ...................................................................................................... 25

Trang xi


Danh Sách Các Hình
Hình 3.3. Tín hiệu kênh 1 trước và sau khi lọc với bộ lọc Savitzky – Golay có cửa
sổ 17, bậc đa thức là 2. .................................................................................................. 25
Hình 3.4. Tín hiệu kênh 1 trước và sau khi lọc với bộ lọc Savitzky – Golay có cửa
sổ 17, bậc đa thức là 13 ................................................................................................. 26
Hình 3.5. Tín hiệu kênh 1 trước và sau khi lọc với bộ lọc Savitzky – Golay có cửa
sổ 11, bậc đa thức là 3 ................................................................................................... 26
Hình 3.6. Tín hiệu kênh 1,2,3,22,23,24 trước và sau khi lọc với bộ lọc SavitzkyGolay có cửa sổ là 11, bậc đa thức là 3 ......................................................................... 27
Hình 3.7. Đồ thị của ab ứng với giá trị a=1 ................................................................. 29
Hình 3.8. Đồ thị của ab ứng với giá trị 0Hình 3.9. Đồ thị của ab ứng với giá trị a<0 ................................................................. 29
Hình 3.10. Sơ đồ wavelet 3 mức ................................................................................... 32
Hình 3.11. Tín hiệu gốc và các hệ số wavelet từ mức 1 - 5 của họ boir 5.5 ................. 34
Hình 3.12. Dạng tín hiệu với wavelet họ symlets 7 ..................................................... 35
Hình 3.13. Dạng tín hiệu với wavelet họ bior5.5 ......................................................... 36
Hình 3.14. Dạng tín hiệu với wavelet họ debauchies 13 ............................................. 36
Hình 3.15. Đồ thị thời gian cho tín hiệu nâng tạ thực tế ............................................... 37

Hình 3.16. Dạng tín hiệu biến đổi Wavelet ở mức 6, chưa đặt ngưỡng ....................... 40
Hình 3.17. Dạng tín hiệu biến đổi Wavtlet ở mức 6 và đặt ngưỡng ............................. 40
Hình 3.18. Vùng vận động của 5 đối tượng .................................................................. 44
Hình 3.19. Sơ đồ khối xác định vùng vận động cho hoạt động cắn và nâng tạ của 5
đối tượng nghiên cứu .................................................................................................... 56
Hình 4.1. Sơ đồ khối tìm mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay ......................... 60
Hình 4.2. Dạng tín hiệu kênh 18 ở bậc đa thức hồi quy là 3 của đối tượng 1 với hoạt
động không cắn và nâng 5 kg ........................................................................................ 65
Hình 4.3. Dạng tín hiệu kênh 18 ở bậc đa thức hồi quy là 5 của đối tượng 1 với hoạt
động không cắn và nâng 5 kg ........................................................................................ 65

Trang xii


Danh Sách Các Hình
Hình 4.4. Dạng tín hiệu kênh 18 ở bậc đa thức hồi quy là 10 của đối tượng với hoạt
động không cắn và nâng 5 kg ........................................................................................ 66
Hình 4.5. Dạng tín hiệu kênh 18 ở bậc đa thức hồi quy là 15 của đối tượng với hoạt
động không cắn và nâng 5 kg ........................................................................................ 65
Hình 4.6. Dạng tín hiệu kênh 18 ở bậc đa thức hồi quy là 20 của đối tượng với hoạt
động không cắn và nâng 5 kg ........................................................................................ 67
Hình 4.7. Tín hiệu của trường hợp không cắn và nâng 5 kg ......................................... 68
Hình 4.8. Tín hiệu của trường hợp cắn và nâng 5 kg .................................................... 68
Hình 4.9. Tín hiệu của trường hợp cắn và không nâng tạ ............................................. 69
Hình 4.10. Diện tích vùng vận động khi không cắn và nâng tạ .................................... 70
Hình 4.11. Diện tích vùng vận động khi cắn và nâng tạ ............................................... 71
Hình 5.1. Diện tích vùng vận động khi không cắn và nâng tạ ...................................... 76
Hình 5.2. Diện tích vùng vận động khi cắn và nâng tạ ................................................. 76

Trang xiii

Danh Sách Các Bảng

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1. Số lần thí nghiệm đo hoạt động cắn và nâng tạ của một đối tượng.............. 17
Bảng 2.2. Bảng dữ liệu đo được trong 3.9 giây đầu tiên trong hoạt động không cắn
nâng 4 kg trên kênh 1 .................................................................................................... 18
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 1 với trường hợp không cắn và nâng tạ
6 kg ................................................................................................................................ 41
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 2 với trường hợp không cắn và nâng tạ
6 kg ................................................................................................................................ 41
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 3 với trường hợp không cắn và nâng tạ
6 kg ................................................................................................................................ 42
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 4 với trường hợp không cắn và nâng tạ
6 kg ................................................................................................................................ 42
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 5 với trường hợp không cắn và nâng tạ
6 kg ................................................................................................................................ 43
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng không cắn và nâng tạ 6 kg với a =1........... 43
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 1 ............................................................. 45
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 2 ............................................................. 45
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 3 ............................................................. 45
Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 4 ........................................................... 46
Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm trên đối tượng 5 ........................................................... 46
Bảng 3.12. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 3 mm và nâng 6 kg với a = - 3 .......... 47
Bảng 3.13. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 2 mm và nâng 6 kg với a = - 2,5 ....... 48

Bảng 3.14. Số kênh vùng vận động khi nâng 6 kg........................................................ 48
Bảng 3.15. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng không cắn và nâng 5 kg với a = 2 ........... 49
Bảng 3.16. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 3 mm và nâng 5 kg với a = -3 ........... 49
Bảng 3.17. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 2 mm và nâng 5 kg với a = -3 ........... 50

Trang xiv


Danh Sách Các Bảng
Bảng 3.18. Số kênh vùng vận động khi nâng 5 kg........................................................ 50
Bảng 3.19. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng không cắn và nâng 4 kg với a = 2 ........... 51
Bảng 3.20. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 3 mm và nâng 4 kg với a = -2.5 ........ 51
Bảng 3.21. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 2 mm và nâng 4 kg với a = -3 ........... 52
Bảng 3.22. Số kênh vùng vận động khi nâng 4 kg........................................................ 52
Bảng 3.23. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng không cắn và nâng 7 kg với a = 5 ........... 53
Bảng 3.24. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 3 mm và nâng tạ 7 kg với a = -3 ....... 53
Bảng 3.25. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 2 mm và nâng tạ 7 kg với a = -3 ....... 54
Bảng 3.26. Số kênh vùng vận động khi không cắn và nâng tạ 7 kg ............................. 54
Bảng 3.27. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 3 mm và không nâng tạ với a = -3 .... 54
Bảng 3.28. Kết quả thí nghiệm 5 đối tượng cắn 2 mm và không nâng tạ với a = -2 .... 55
Bảng 3.29. Số kênh vùng vận động khi cắn và không nâng tạ ..................................... 55
Bảng 3.30. Tổng hợp số kênh vùng vận động cho hoạt động cắn và nâng tạ theo sức
nâng ............................................................................................................................... 57
Bảng 3.31. Số kênh vùng vận động cho hoạt động không cắn và nâng tạ .................... 57
Bảng 3.32. Số kênh vùng vận động cho hoạt động cắn 3 mm và nâng tạ .................... 58
Bảng 3.33. Tổng hợp số kênh vùng vận động cho hoạt động cắn 2 mm và nâng tạ .... 58
Bảng 3.34. Số kênh vùng vận động theo chiều dài cắn ................................................ 58
Bảng 4.1. Kết quả của thí nghiệm không cắn và nâng tạ .............................................. 70
Bảng 4.2. Kết quả của thí nghiệm cắn và nâng tạ ......................................................... 70
Bảng 4.3. Kết quả của thí nghiệm không cắn và nâng tạ .............................................. 72

Bảng 4.4. Kết quả của thí nghiệm cắn và nâng tạ ......................................................... 72
Bảng 4.5. So sánh diện tích trước và sau hồi quy cho trường hợp không cắn - nâng
tạ ................................................................................................................................... 73
Bảng 4.6. So sánh diện tích trước và sau hồi quy cho trường hợp cắn - nâng tạ ......... 73
Bảng 5.1. Số kênh trong vùng vận động của hoạt động cắn và nâng tạ ....................... 75

Trang xv


Chương 1: Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước đã công bố.
1.1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu:
Não là trung tâm điều khiển của hệ thần kinh trung ương, chịu trách nhiệm
điều khiển hành vi.

Hình 1.1. Bộ não người
Bộ não con người là một khối nặng khoảng 1,4 kg gồm các chất dịch và mô.
Đây là cấu trúc phức tạp nhất trong tất cả các cấu trúc sống từng được biết đến, với
gần một nghìn tỉ tế bào thần kinh phối hợp cùng nhau điều hành các hoạt động thể
chất và tâm thần.
Bộ não được bảo vệ bởi hộp sọ, và gần với các giác quan chính như thị giác,
thính giác, vị giác, khứu giác, và cơ quan cảm giác về thăng bằng. Bộ não liên lạc
với cơ thể thông qua tuỷ sống và những sợi dây thần kinh. Tuỷ sống là nơi chuyển
tiếp các thông tin đến và đi của bộ não. Từ cột sống, các dây thần kinh tỏa ra khắp
nơi, chuyển tải các xung thần kinh đến và đi từ các cơ quan trong cơ thể.

Hình 1.2. Não và dây thần kinh cột sống

Trang 1


Chương 1: Tổng quan

Não và dây thần kinh cột sống là hai tổ chức đóng vai trò của hệ thần kinh
trung ương. Bộ máy đặc biệt này sử dụng các tế bào thần kinh vận động để kiểm
soát nhiều cơ bắp của cơ thể và cho phép con người thực hiện vô số các hoạt động
thể chất. Vì thế việc nắm bắt các hoạt động của não là cơ sở để chúng ta có thể ngăn
ngừa, điều trị được rất nhiều bệnh lý của con người.
Trong những thập kỷ gần đây, rất nhiều thành tựu đã được gặt hái trong lĩnh
vực tái tạo hình ảnh và nhận dạng thần kinh trên não người. Hoạt động não được thể
hiện qua kết quả của các kỹ thuật khác nhau như : fNIRS (functional Near- Infrared
Spectroscopy) - máy chức năng quang phổ cận hồng ngoại, EEG (Electro
Encephalo Graphy) - điện não đồ, MEG (Magnetic EncephaloGraphy), MRI
(Magnetic Resonance Imaging) - ảnh cộng hưởng từ.
fNIRS đã và đang trở thành một kỹ thuật thuận lợi cho các mục đích thí
nghiệm não. Kỹ thuật không xâm nhập này sử dụng phương pháp phát các tia cận
hồng ngoại vào não để đo huyết động não cũng như phát hiện thể tích máu và lượng
oxy thay đổi. Thực chất, fNIRS đo sự thay đổi oxy-hemoglobin và deoxyhemoglobin trên bề mặt não. Khi có một kích thích xảy ra trong não, chẳng hạn như
suy nghĩ, vận động,... thì lượng huyết động thay đổi tương ứng trên vùng não đảm
nhận chức năng tương ứng.

Hình 1.3. Sự thay đổi Hemoglobin (Hb): Oxy-Hb, deOxy-Hb, total-Hb. [1]
Tín hiệu quang phổ cận hồng ngoại NIRS được biểu diễn theo 3 thành phần
oxy-hemoglobin và deoxy-hemoglobin, và total hemoglobin là sự kết hợp của 2
thành phần trên. Hình 1.3 là một ví dụ về tín hiệu NIRS.

Trang 2


Chương 1: Tổng quan

Rất nhiều nhà nghiên cứu về khoa học thần kinh trên thế giới với nhiều công
trình đã được công bố trên các tạp chí, hội nghị về các khía cạnh khác nhau dựa trên
kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại.
Nhằm ứng dụng các kỹ thuật hiện đại để giúp con người, đặc biệt là người
khuyết tật tăng cường khả năng giao tiếp và hòa nhập với cuộc sống xung quanh,
cũng như thực hiện chẩn đoán để chữa bệnh ngày càng được chú trọng. Vì vậy, các
phương pháp không xâm nhập ngày càng thể hiện vai trò quan trọng của mình,
trong đó có kỹ thuật quang phổ cận hồng ngoại.
1.1.2. Một số kết quả nghiên cứu đã công bố
Năm 2007 Toshimasa Sato và các đồng sự đã nghiên cứu về chuỗi thời gian
hoạt động của não và tác động của chúng đối với các chức năng [2]. Sự tăng nồng
độ oxy-Hb trên các vùng gần vùng não điều khiển chuyển động (motor cortex) và
sự giảm deoxy-Hb trên một số vùng được trình bày trong bài báo này. Sự thay đổi
oxy-Hb theo thời gian phụ thuộc vào vị trí các kênh trên vỏ não: hoạt động duy trì
trên vùng não điều khiển, hoạt động quá độ trên vùng somatosentory, và hoạt động
tích lũy ở vùng não trước. Các đặc tính này phản ánh chức năng của cấu trúc não
trong quá trình gõ tay.
Năm 2007 M. O. Hiroshi Tamura nhận biết hoạt động não được thực hiện
thông qua quỹ đạo nồng độ oxy [3]. Kết quả cho thấy não phải đóng vai trò trội hơn
khi nhập văn bản và các hoạt động khác liên quan đến ngón tay.
Năm 2008 Truong Quang Đang Khoa nghiên cứu nhận diện chức năng não
thông qua phân tích wavelet tín hiệu fNIRS và mạng nơ-ron [4]. Trong bài báo này,
tác giả giới thiệu kỹ thuật phân tích tín hiệu fNIRS và cho thấy rằng tồn tại các đặc
trưng khác nhau của đáp ứng huyết động để nhận dạng hoạt động não và phát triển

BCI (Brain Computer Interface).
Năm 2009 K. S. T. SHIMOKAWA đã dự đoán hành vi từ thông tin não đo
được bởi máy fNIRS: mô hình mạng nơ- ron Bayessian [5]. Kết quả phân tích sử
dụng mô hình dự đoán với mạng perceptron 3 lớp cho thấy sự thay đổi nồng độ
oxy-Hb mang thông tin để dự đoán hành vi một cách hiệu quả. Bài náo này cho thấy

Trang 3


Chương 1: Tổng quan

nồng độ oxy-Hb ở vùng trán (prefrontal) và ổ mắt (orbital) là một nhân tố cho phép
dự đoán sự phát triển hành vi với các mức độ dự đoán tương ứng.
Năm 2010 Rodolphe J. Gentili tìm ra mối tương quan giữa huyết động với sự
thích nghi hoạt động được thể hiện bằng cách dùng fNIRS [6].
Năm 2011 Justin Chan với Giao diện não - máy tính trực tuyến dùng quang
phổ cận hồng ngoại với thông tin phản hồi thời gian thực [7]. Báo cáo cho thấy
phản hồi thị giác trong các hình thức của một biểu đồ dải được coi là hữu ích của
người tham gia, hướng dẫn sự hiểu biết của họ về các phản ứng huyết động học và
tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát hiện ra các chiến lược kích hoạt phù hợp.
Năm 2012 Ngo Quoc Cuong với nhận dạng gõ tay thông qua phân tích tín
hiệu quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) dùng giải thuật hồi quy [8]. Kết quả thí
nghiệm trên 3 người cho thấy ta có thể phân biệt được khi nào chủ thể tham gia thí
nghiệm đang gõ tay trái hay tay phải.
Năm 2012 Nguyễn Thanh Nghĩa ứng dụng thuật toán Wavelet
Decomposition tính giá trị trung bình cho thí nghiệm nâng hạ tay để phân biệt hoạt
động của não trái và não phải. Kết quả khi ta vận động tay phải đưa lên và hạ xuống
thì bán cầu não trái hoạt động mạnh hơn bán cầu não phải.
Năm 2012 Khoa Truong Quang Dang đã phân tích diện tích các tín hiệu
EMG để xác định mối quan hệ giữa sự mất cân bằng hàm và sức mạnh cánh tay bị

mất [9]. Kết quả cho thấy mất cân bằng cắn gây ra mất sức mạnh cánh tay bên đối
diện, sự mất mát được ước tính là hàm tuyến tính chiều cao của các miếng đệm; độ
dốc của hàm tuyến tính tương tự ở cả hai cánh tay và độc lập với giới tính, và sức
mạnh cánh tay của nam cao hơn của các đối tượng nữ.
Năm 2013 N. T. Hai đã phân loại huyết động theo thời gian của việc gõ hai
tay sử dụng chức năng quang phổ cận hồng ngoại [10]. Trong bài báo này, các tín
hiệu não ban đầu của việc gõ tay được lọc bởi bộ lọc Savitzky-Golay để tạo ra các
tín hiệu trơn tru. Hơn nữa, các tín hiệu được làm nhẵn của việc gõ tay trái và tay
phải tương ứng với nồng độ Oxy-Hb thay đổi trong não người đã được phân tích
bằng cách sử dụng thuật toán PR. Dựa trên hệ số khác nhau của các đường cong thu

Trang 4


Chương 1: Tổng quan

được từ thuật toán PR, các thuật toán ANN và SVM được sử dụng để xác nhận dữ
liệu Oxy-Hb cho nhận dạng số lần gõ tay. Kết quả thử nghiệm với số lần gõ tay cho
thấy rằng ta có thể phân biệt việc gõ tay trái hay tay phải của đối tượng.
Qua những nghiên cứu đã trình bày chứng tỏ kỹ thuật sử dụng quang phổ cận
hồng ngoại đã phản ánh hoạt động của bộ não bằng nhiều hình thức khác nhau.
Trong mỗi một hình thức sử dụng thì mỗi phương pháp đều có giới hạn nhất định.
Chẳng hạn như việc dựa vào các hệ số góc có được từ hồi quy tuyến tính để nhận
dạng hoạt động nào đó có độ chính xác không cao vì trong mỗi lần hoạt động thì hệ
số lại thay đổi. Hệ SVM được áp dụng trực tiếp với ngõ vào là oxy-Hb và deoxyHb [11] đòi hỏi số lượng ngõ vào rất nhiều, không tiếp cận được các đặc trưng của
tín hiệu thu được. Với một ứng dụng liên quan đến tín hiệu não và đòi hỏi xử lý thời
gian thực thì việc áp dụng như [3] sẽ rất khó khăn.
Trong hầu hết các bài báo trên, khi một người cần phải tìm hiểu hoạt động
của não, tín hiệu Oxy-Hb đã được lựa chọn đặc trưng biên độ. Do đó dữ liệu thực
hiện là những trường hợp điển hình, không mang tính tổng quát. Trong nghiên cứu

này, các thuật toán ngưỡng wavelet được sử dụng để xác định chính xác các kênh
của vùng vận động trong tổng số 24 kênh. Như vậy khi cần tìm hiểu các hoạt động
của con người thông qua các hoạt động của não ta chỉ cần xem xét hoạt động của
vùng vận động là đủ. Đồng thời thực hiện hồi quy tuyến tính để lấy ra các đặc trưng
cho từng trường hợp cắn và nâng tạ cụ thể, từ đó tính toán diện tích Oxy-Hb vùng
vận động này. Cuối cùng thực hiện so sánh diện tích của trường hợp cắn – không
cắn và nâng tạ để tìm ra mối quan hệ giữa lệch quai hàm và lực cách tay. Dựa vào
mối quan hệ này sẽ giúp ích trong việc nghiên cứu, chuẩn đoán và điều trị các bệnh
nhân về quai hàm, cơ hàm, lực cánh tay.
Xuất phát từ những cơ sở trên người thực hiện đi thu thập và phân tích tín
hiệu Oxy-Hb để xác định mối quan hệ trên bằng fNIRS.
1.2. Mục đích của đề tài.
Xây dựng giải thuật để thông qua tín hiệu não đo được có thể xác định được
mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay của con người.

Trang 5


Chương 1: Tổng quan

1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.
a/ Nhiệm vụ:
Tìm hiểu về bộ lọc Savitzky- Golay, biến đổi wavelet rời rạc và thuật toán
tìm ngưỡng, thuật toán giao, hồi quy đa thức và tính diện tích .
Xây dựng thí nghiệm và đo tín hiệu não sử dụng máy fNIRS FOIRE- 3000
Áp dụng cơ sở lý thuyết đã có, tìm ra vùng vận động của hoạt động, xác định
mối quan hệ giữa lệch quay hàm và lực cánh tay thông qua phân tích tín hiệu não từ
dữ liệu thu được.
b/ Giới Hạn:
Xử lý dữ liệu không trực tuyến.

Thí nghiệm thực hiện là cắn – nâng tạ và chỉ đo trên vùng não điều khiển
chuyển động.
Thực hiện trên một nhóm đối tượng khỏe mạnh.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Thu thập dữ liệu: Xây dựng giao thức thí nghiệm, Sự thay đổi oxy-Hb trên
vùng điều khiển hoạt động của não được thu về dùng kỹ thuật fNIRS sử dụng máy
FOIRE - 3000 của hãng Shimadzu, Nhật Bản đặt tại phòng A104, Bộ môn Kỹ
Thuật Y Sinh, Đại học Quốc tế. Hệ thống này có thể hoạt động ở 3 bước sóng 780
nm, 805 nm và 830 nm. Các thí nghiệm khác nhau được xây dựng để thu dữ liệu.
Tiền xử lý dữ liệu: Thực hiện lọc nhiễu sử dụng bộ lọc Savitzky - Golay.
Xử lý dữ liệu: Áp dụng biến đổi Wavelet và đặt ngưỡng để tìm các đặc trưng
chọn được các kênh tích cực trong vùng vận động của đối tượng.
Áp dụng thuật toán giao để xác định vùng vận động cho hoạt động cắn và
nâng tạ của nhóm đối tượng khỏe mạnh.
Xác định mối quan hệ: Thực hiện hồi quy đa thức, tính diện tích cho từng
kênh trong vùng vận động, rồi đưa ra diện tích trung bình của vùng vận động cho
từng đối tượng đối với mỗi hoạt động cắn và nâng tạ cụ thể. Dựa vào diện tích này
ta xác định ra mối quan hệ giữa độ lệch quai hàm và lực cánh tay.

Trang 6


Chương 1: Tổng quan

1.5. Tóm tắt đề tài
Từ mục đích và nhiệm vụ đặt ra, luận văn được xây dựng bao gồm các
chương sau:
Chương 1: Tổng quan , chương này trình bày khát quát về lĩnh vực nghiên
cứu, các tóm tắt kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Cũng như giới thiệu được
ý nghĩa, mục đích, giới hạn và phương pháp thực hiện của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết, trình bày cơ sở lý thuyết về một số phương pháp
thu thập tín hiệu và hình ảnh não như: EEG, MRI, PET và fNIRS. Đồng thời giới
thiệu cách thu thập tín hiệu Oxy-Hb bằng máy fNIRS hiệu FOIRE-3000.
Chương 3 giới thiệu về cách xử lý tín hiệu Oxy-Hb: Làm phẳng tín hiệu bằng
bộ lọc Savitzky – Golay, phân tích lấy các thành phần xấp xỉ bằng biến đổi Wavelet
rời rạc, sau đó áp dụng thuật toán ngưỡng để tìm những kênh tích cực của hoạt
động. Thực hiện phép giao giữa các hoạt động của các đối tượng tìm ra vùng vận
động cho hoạt động cắn và nâng tạ của nhóm đối tượng nghiên cứu.
Chương 4 trình bày hồi quy đa thức, tính diện tích trung bình vùng vận động
của từng đối tượng, của nhóm đối tượng. Dựa vào diện tích khu vực này xác định
mối quan hệ lệch quai hàm và lực cánh tay.
Chương 5 là phần kết luận và hướng phát triển của đề tài.

Trang 7