Ước lượng thời gian trễ giữa hai tín hiệu điện cơ bề mặt trong trường hợp không dừng (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
NGUYỄN HOÀNG TỨ

---------------------------------------

NGUYỄN HOÀNG TỨ

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

ƢỚC LƢỢNG THỜI GIAN TRỄ GIỮA HAI TÍN
HIỆU ĐIỆN CƠ BỀ MẶT TRONG TRƢỜNG HỢP
KHÔNG DỪNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng nghiên cứu/ứng dụng)

2016 – 2018
THÀNH
PHỐ HỒ
CHÍ
MINH
2018

TP. HCM - 2018


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN HOÀNG TỨ

ƢỚC LƢỢNG THỜI GIAN TRỄ GIỮA HAI TÍN HIỆU ĐIỆN
CƠ BỀ MẶT TRONG TRƢỜNG HỢP KHÔNG DỪNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng nghiên cứu/ứng dụng)

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. LƢU GIA THIỆN

TP. HCM - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kì công trình nào khác.

Tp. HCM, Ngày 11 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Tứ


ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo
hƣớng dẫn - TS. Lƣu Gia Thiện đã dành thời gian hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong
quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Những lời góp ý, động viên của Thầy
đã giúp tôi có nhiều ý tƣởng hơn trong quá trình hoàn thiện nội dung luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giáo của Học Viện Công Nghệ
Bƣu Chính Viễn Thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu và
phƣơng pháp nghiên cứu khoa học giúp tôi thuận lợi hơn trong quá trình nghiên
cứu thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc đối với sự động
viên, giúp đỡ từ bạn bè, sự tạo điều kiện thuận lợi của các bạn đồng nghiệp và lãnh
đạo cơ quan cũng nhƣ sự hỗ trợ lớn lao từ gia đình trong suốt thời gian tôi tham gia
quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn mọi ngƣời !

Tp. HCM, ngày 11 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Tứ


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v
DANH SÁCH BẢNG ....................................................................................................vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................. viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1
2. Tổng quan về vấn đề cần nghiên cứu ..................................................................... 2
3. Mục đích nghiên cứu.............................................................................................. 3
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 3
a) Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 3
b) Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 3
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 4
6. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................. 4
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BỀ MẶT................................. 5
1.1 Giới thiệu về đơn vị thần kinh vận động (-Motor Unit) ......................................... 5
1.2 Sự hình thành tín hiệu điện cơ ................................................................................ 8
1.3 Tín hiệu điện cơ bề mặt ........................................................................................ 11
1.4 Mô hình phổ công suất của tín hiệu điện cơ ......................................................... 13
CHƢƠNG 2 - ƢỚC LƢỢNG VẬN TỐC ........................................................................ 15
DẪN TRUYỀN TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ............................................................................ 15
2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 15
2.2 Mô hình của thời gian trễ và tín hiệu giả .......................................................... 16


iv

2.2.1 Mô hình của tín hiệu ....................................................................................... 16
2.2.2 Mô hình của TVD ........................................................................................... 16
2.3 Phƣơng Pháp ......................................................................................................... 18
2.3.1 Các phương pháp ước lượng truyền thống .................................................... 18
2.3.1.1 Phƣơng pháp khác pha ................................................................................ 18
2.3.1.2 Phƣơng pháp hàm tƣơng quan chéo ............................................................ 19
2.3.2 Phương pháp hàm tương quan chéo tổng quát .............................................. 20
2.3.3 Phương pháp ước lượng hợp lý cực đại (Maximum Likelihood EstimationMLE) ........................................................................................................................ 24
2.3.4 Tối ưu hóa bằng phương pháp Newton .......................................................... 26

CHƢƠNG 3 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................ 27
3.1 Các mô hình thời gian trễ ..................................................................................... 27
3.1.1 Mô hình hóa thời gian trễ............................................................................... 27
3.1.2 Mô hình vận tốc truyền vẫn ............................................................................ 27
3.1.3 Mô hình đa thức ............................................................................................. 29
3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả .......................................................... 29
3.2.1 Mô hình đa thức ............................................................................................. 29
3.2.2 Mô hình sin nghịch đảo .................................................................................. 30
3.3 Kết luận và kiến nghị ............................................................................................ 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 39


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
SMU

Tiếng Anh
Single motor unit

Tiếng Việt
Đơn vị thần kinh vận động đơn

MU

Motor Unit

Đơn vị thần kinh vận động

MN

Motor Neuron

Tế bào thần kinh vận động

MF

Muscle Fiber

Sợi cơ

CNS

Central Neuvous System

Hệ thống thần kinh trung ƣơng

EMG

Electromyography

Điện cơ

sEMG

Surface Electromyography

Điện cơ bề mặt

RMS

Root Mean Square

Căn quân phƣơng

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

GCC

Generalized Cross-Correlation

Tƣơng quan chéo tổng quát

TVD

Time Varying Delay

Thời gian trễ biến thiên

MFCV

Muscle Fiber Conduction Velocity Vận tốc dẫn sợi cơ

CCF

Cross-Correlation Function

Hàm tƣơng quan chéo

SNR

Signal Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

MLE

Maximum Likelihood Estimation

Ƣớc lƣợng hợp lý cực đại

RMSE

Root Mean Square Error

Sai số căn quân phƣơng


vi

MSE

Mean Square Error

Sai số quân phƣơng

TDPE

Time delay parameters estimation

Các thông số ƣớc tính thời gian trễ

CV

Conduction velocity

Vận tốc


vii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2. 1: So sánh các bộ xử lý đƣợc thử nghiệm bằng phƣơng pháp tƣơng quan chéo
tổng quát [11] ................................................................................................................. 22


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Sơ đồ đơn vị thần kinh vận động và điểm hội tụ. M, Gƣơng phản chiếu G,
Điện kế. Nơi hội tụ của kích thích với đƣờng vẫn kích [14] ........................................... 6
Hình 1. 2: Sơ đồ của đơn vị thần kinh vận động đơn (SMU), bao gồm một đơn vị thần
kinh vận động đơn và nhốm các sợi cơ xƣơng mà nó phân bố các dây thần kinh........... 7
Hình 1. 3: Hình vẽ mô phỏng tín hiệu điện cơ của cơ đùi đo đƣợc trong tập luyện bằng
xe đạp: thời gian tín hiệu (a) và mật đổ phổ công suất (b) thu đƣợc trong chế độ khác

biệt duy nhất (hai điện cực thu) trên bề mặt cơ. (Fs=2Khz) .......................................... 12
Hình 1. 4: Hình vẽ mật độ phổ công suất của tín hiệu điện cơ. a) ví dụ về phổ dự kiến
thu đƣợc cho các giá trị khác nhau với các tham số {fl; fh) đƣợc xác định bởi từ 1-4. b)
và c) hai tín hiệu đƣợc mô phỏng thu đƣợc bằng cách lọc nhiễu Gauss với biến đổi
Fourier ngƣợc của căn bậc hai PSD (f) sử dụng các hệ số tƣơng ứng lần lƣợt là PSD 1
và PSD 3 ......................................................................................................................... 14

Hình 2. 1: Ƣớc lƣợng vận tốc truyền dẫn thông qua phân tích 2 tín hiệu...................... 19
Hình 2. 2: sơ đồ phƣơng pháp tƣơng quan chéo ............................................................ 21
Hình 2. 3: sơ đồ phƣơng pháp tƣơng quan chéo tổng quát ............................................ 21
Hình 2. 4: Tín hiệu giả (màu xanh da trời) và phiên bản trễ của nó (màu đỏ), b) PSD
chuẩn hóa. c) TVD với mô hình đa thức bậc 3, 0 = [2:8627; -4.1246, 2.4526; -0.3337].
SM: số mẫu, PSDCH: PSD chuẩn hóa, BDCH: biên độ chuẩn hóa, SNR: tín hiệu trên
nhiễu ............................................................................................................................... 25


ix

Hình 3. 1: Hình dạng quang phổ của các tín hiệu đƣợc sử dụng cho kiểm tra. Đối với
PsEMG (f), fl = 60 Hz và fh = 120 Hz. PGWNHalfBAnd , tần số cắt đƣợc cố định ở 500 Hz.
........................................................................................................................................ 28
Hình 3. 2: Kết quả ƣớc lƣợng thời gian trễ. Với 100 lần mô phỏng (màu xanh lam) đã
đƣợc chồng lên độ trễ lý thuyết (màu đỏ). Các thử nghiệm đƣợc thực hiện trên các tín
hiệu sEMG không nhiễu................................................................................................. 29
Hình 3. 3: TVD (a) và RMSE (b) là hàm thời gian; TVD theo lý thuyết là mô hình đa
thức bậc 4 (màu đen) và Ƣớc lƣợng trung bình của nó bằng phƣơng pháp “phase
coherency” (màu đỏ) và phƣơng pháp Newton (màu xanh trời) tham số
4  1.9125, 0.3475,0.9366,  0.7187, 0,1051 [1] ......................................................... 30

Hình 3. 4: TVD (a) và RMSE (b) là hàm thời gian; thời gian trễ theo lý thuyết là mô

hình sin nghịch đảo (màu đen) và ƣớc lƣợng trung bình bằng phƣơng pháp “Phase
coherency” (màu đỏ) và phƣơng pháp Newton (màu xanh trời) [1].............................. 31
Hình 3. 5: RMSE theo thời gian; Phƣơng pháp Newton với ƣớc lƣợng tuyến tính bằng
lát cắt 128 và 1024 mẫu (xanh lá và đỏ tƣơng ứng). Phƣơng pháp Newton với ƣớc
lƣợng parabol với lát cắt 128 và 1024 mẫu (đen và xanh da trời tƣơng ứng) [1] .......... 32
Hình 3. 6: Giá trị RMSE biến thiên theo giá trị SNR . Phƣơng pháp Newton với ƣớc
lƣợng tuyến tính bằng lát cắt 128 và 1024 mẫu (xanh trời và cam tƣơng ứng). Phƣơng
pháp Newton với ƣớc lƣợng parabol bằng lát cắt 128 và 1024 mẫu (đen và xanh lá);
Phƣơng pháp “phase coherency” (đỏ); Phƣơng pháp Newton bậc 4 (tím) [1] .............. 34
Hình 3. 7: Đồ thị giới thiệu phƣơng pháp Newton-Raphson ......................................... 35
Hình 3. 8: Độ trễ lý thuyết (màu đen) và trung bình của ƣớc tính bằng các phƣơng pháp
tƣơng quan chéo (lát cắt CC) lát cắt (màu xanh đậm), Pha Coherence CohF (màu đỏ)
và với bộ xử lý lát cắt Eckart (màu xanh lợt) cho SNR = 20 dB. Kích thƣớc lát cắt là
1024 mẫu cho tất cả các phƣơng pháp. Tần số lấy mẫu = 2048 Hz .............................. 36


x

Hình 3. 9: Mức trung bình của RMSE trong chức năng của SNR. Bộ xử lý lát cắt
Eckart (màu xanh lợt) và lát cắt CC (màu xanh đậm) thu đƣợc bằng cách trƣợt lát cắt,
chiều dài lát cắt 1024 điểm, bƣớc là 1 điểm; Sự liên kết pha phƣơng pháp CohF (màu
đỏ)................................................................................................................................... 36
Hình 3. 10: RMSE theo chức năng của thời gian. Độ tƣơng phản chéo lát cắt _CC (màu
xanh đậm), phƣơng pháp kết nối pha_CohF (màu đỏ), lát cắt bộ xử lý Eckart(màu xanh
lợt) đến 10dB (a), 20 dB (b), 30 dB (c) và 40 dB (d). Kích thƣớc lát cắt là 1024 mẫu
cho tất cả các phƣơng pháp ............................................................................................ 37


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lý do mà Học viên chọn đề tài “Ƣớc lƣợng thời gian trễ giữa hai tín hiệu
điện cơ bề mặt trong trƣờng hợp không dừng” có thể đƣợc đƣa ra nhƣ sau:
Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển vƣợt bậc thì nó đã gắn liền với đời
sống con ngƣời, hiện diện trong mọi lĩnh vực, với mục đích làm cho chất lƣợng
cuộc sống của con ngƣời ngày một nâng cao. Và y học không phải là một ngoại lệ,
nó giúp cải thiện sức khỏe con ngƣời, chuẩn đoán bệnh lý, phát hiện sớm mọi căn
bệnh. Các nghiên cứu về tín hiệu điện cơ trong y học là một trong những bƣớc phát
triển trong lĩnh vực y sinh nói riêng và trong y học nói chung. Với tác dụng rất lớn
của các thiết bị điện cơ trong việc hỗ trợ cho các bác sỹ trong việc chuẩn đoán cũng
nhƣ chữa các bệnh về cơ, thần kinh…
Tín hiệu điện cơ (Electromyography - EMG) là sự ghi lại điện trƣờng sinh ra
do hoạt động điện của cơ. Nó cho ta biết những thông tin quan trọng về hoạt động
của hệ thần kinh cơ. Vì vậy nó đƣợc sử dụng trong nghiên cứu cơ bản về điều khiển
vận động (Motor control). Ta có thể trích xuất nhiều thông tin từ tín hiệu điện cơ.
Trong nghiên cứu này chỉ có vận tốc truyền dẫn của sợi cơ đƣợc quan tâm vì đây là
thông số dễ dàng cho việc biểu diễn hơn những thông số khác.
Vận tốc truyền dẫn sợi cơ là một chỉ số sinh học quan trọng, liên quan tới
bệnh thần kinh, cơ, mệt mỏi và sự đau . Nó có thể đƣợc sử dụng trong việc chuẩn
đoán các rối loạn thần kinh, ví dụ nhƣ việc theo dõi bệnh thoái hóa cơ thần kinh
đƣợc nghiên cứu bởi , việc đánh giá sự đau trong trƣờng hợp viêm xơ cơ trong. Chỉ
số này đƣợc sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu cơ bản về điều khiển thần kinh
vận động (cơ chế đốt cháy các MU theo lực; nghiên cứu sự mỏi) đƣợc ứng dụng
trong lĩnh vực sinh lý học thể thao.
Tốc độ dẫn truyền tín hiệu điện cơ đối với ngƣời lớn không có bệnh lý về
thần kinh cơ thƣờng từ 2 đến 8m/s [9]. Những khác biệt về giá trị có thể đƣợc giải


2

thích bởi đặc điểm giải phẩu và sinh lý với mức độ kích hoạt thần kinh cơ khác
nhau.
Vận tốc tín hiệu điện cơ có thể đo một cách gián tiếp thông qua thời gian trễ
ghi lại bằng hai điện cực đặt dọc theo phƣơng sợi cơ, vận tốc tín hiệu điện cơ luôn
thay đổi theo thời gian trong các điều kiện co cơ hằng ngày (chạy, đạp xe…). Vận
tốc thay đổi theo thời gian vì tín hiệu điện cơ là tín hiệu không dừng. Cần phải phát
triển phƣơng pháp ƣớc lƣợng thời gian trễ theo thời gian trong điều kiện không
dừng.

2. Tổng quan về vấn đề cần nghiên cứu
Cho đến nay, chỉ có một vài công bố nghiên cứu về ƣớc lƣợng thời gian trễ
giữa hai tín hiệu điện cơ bề mặt trong trƣờng hợp không dừng cụ thể:
Trong tài liệu [7], các tác giả nghiên cứu so sánh ba bộ ƣớc lƣợng trễ thời
gian khác nhau trong ứng dụng điện cơ dựa trên phép phƣơng pháp thời gian tần số
và phép biến đổi wavelet. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không phụ thuộc vào
mô hình của thời gian trễ nhƣng nó phụ thuộc vào nhiễu và mật độ phổ công suất
của tín hiệu.
Trong tài liệu [10], [1], So sánh phƣơng pháp ƣớc lƣợng hợp lý cực đại và
phƣơng pháp thời gian tần số. Trong bài báo này, tác giả đề suất mô hình đa thức
cho thời gian trễ và áp dụng phƣơng pháp ƣớc lƣợng hợp lý cực đại cho từng lát cắt
thời gian trong không gian ngắn với mô hình đa thức bậc thấp, nhằm tiết kiệm thời
gian tính toán và giảm sai số xảy ra cho mô hình của thời gian trễ. Kết quả chỉ ra
rằng, phƣơng pháp đề suất cho kết quả tốt hơn phƣơng pháp thời gian tần số trong
mọi điều kiện.
Trong luận văn này, tác giả đề xuất áp dụng phƣơng pháp hàm tƣơng quan
chéo tổng quát nhƣng trong điều kiện thời gian trễ thay đổi theo thời gian.


3

3. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các phƣơng pháp ƣớc lƣợng thời gian trễ thay đổi, phụ thuộc vào
thời gian trong trƣờng hợp không dừng giữa hai tín hiệu điện cơ bề mặt.
Đề xuất phƣơng pháp hàm tƣơng quan chéo tổng quát.
Lập trình các phƣơng pháp bằng Matlab, đánh giá kết quả các phƣơng pháp
đạt đƣợc.

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu
Mô hình của tín hiệu:
x1 (n)  s(n)  w1 (n)
x2 (n)  s(n   (n))  w 2 (n)

Trong đó  n là thời gian trễ dẫn truyền giữa hai tín hiệu;

(n) và

(n) là

nhiễu Gauss.
Nhằm đánh giá hiệu quả các phƣơng pháp đề suất, cần phải tạo ra tín hiệu
mô phỏng.
Kênh thứ nhất đƣợc tạo ra theo mô hình mật độ phổ công suất đƣợc giới
thiệu trong tài liệu [16].
Kênh thứ hai (phiên bản trễ của kênh thứ nhất theo công thức) [13]
s(n   (n))  i  p sin c(i   (n))s(n  i)
p

Để không mất đi tính tổng quát của vấn đề thì tín hiệu đƣợc cộng thêm nhiễu

trắng Gauss.

b) Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi đề tài tập trung vào những nội dung sau:
Các phƣơng pháp truyền thống để ƣớc lƣợng thời gian trễ điện cơ bền mặt


4

trong điều kiện thời gian trễ thay đổi.
Đƣợc thực hiện trên các tín hiệu mô phỏng bằng phần mềm MatLab.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tạo ra tín hiệu giả bằng phần mềm Matlab để đánh giá các phƣơng pháp thử
nghiệm.
Đề xuất ứng dụng phƣơng pháp hàm tƣơng quan chéo tổng quát trong
trƣờng hợp thời gian trễ thay đổi.
Dùng phƣơng pháp mô phỏng Monte-Carlo để đánh giá, tìm ra phƣơng pháp
tốt nhất.

6. Cấu trúc của luận văn
Dự kiến cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 03 chƣơng, cụ thể nhƣ sau:

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BỀ MẶT
Trình bày tổng quan về tín hiệu điện cơ bề mặt bao gồm: giới thiệu về đơn vị
thần kinh vận động (Motor Unit), Sự hình thành tín hiệu điện cơ, tín hiệu điện cơ bề
mặt (chỉ số đánh giá tín hiệu điện cơ) và mô hình mật độ phổ công suất của tín hiệu
điện cơ.

CHƢƠNG 2 - ƢỚC LƢỢNG VẬN TỐC TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU

ĐIỆN CƠ
Đầu tiên là phần đặt vấn đề, những vấn đề gặp phải khi ƣớc lƣợng vận tôc tín
hiệu điện cơ, giới thiệu các phƣơng pháp ƣớc lƣợng đã đƣợc nghiên cứu trên thế
giới hiện tại, đề xuất phƣơng pháp tối ƣu.

CHƢƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Giới thiệu phƣơng pháp tạo tín hiệu mô phỏng để đánh giá các phƣơng pháp
ƣớc lƣợng. Trình bày các kết quả phân tích đã giới thiệu ở chƣơng 2 kết hợp với các
mô hình trong chƣơng 3 (sử dụng trên phần mềm Matlab).


5

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BỀ MẶT
1.1 Giới thiệu về đơn vị thần kinh vận động (-Motor Unit)
Motor Unit (đơn vị thần kinh vận động) đƣợc tạo thành từ một nơ-ron vận
động và các sợi cơ xƣơng bao quanh bởi các đầu nối trục thần kinh vận động của
nơ-ron. Các nhóm Motor Unit thƣờng phối hợp với nhau để thực hiện động tác co
của cơ. Khi một đơn vị vận động đƣợc kích hoạt, tất cả các sợi của nó đồng loạt
thực hiện. Trong động vật có xƣơng sống , lực co cơ bị kiểm soát bởi số đơn vị vận
động đƣợc kích hoạt. Số lƣợng các sợi cơ kết nối với mỗi đơn vị vận động khác
nhau trong các nhóm cơ bắp khác nhau của cơ thể. Ví dụ nhƣ một đơn vị vận động
của cơ đùi liên kết với hàng trăm sợi cơ, trong khi một đơn vị vận động ở mắt liên
kết với khoảng 10 sợi cơ ngoài (cơ ở mắt).
Thuật ngữ “Motor Unit” đƣợc giới thiệu lần đầu tiên bởi ông Charles
Sherrington vào năm 1929 [14] (hình 1.1), ông là ngƣời sáng lập ra thần kinh học
hiện đại, ông quan sát thấy rằng lực xuất hiện trong các bƣớc đi khi cơ bị co lại
và trong các phản xạ duỗi. Ý tƣởng của Sherrington về MU là giả định rằng mỗi
sợi cơ nhận sự kích thích từ một tế bào thần kinh vận động và các sợi cơ đó phản
ứng chính xác tới mọi xung của tế bào thần kinh vận động. Những giả định này

sau đó đƣợc chứng minh là đúng ở cơ xƣơng ngƣời trƣởng thành, khỏe mạnh.
Đơn vị thần kinh vận động đã trở thành một khái niệm cơ bản trong việc nghiên
cứu về sinh lý học của cơ và sự kiểm soát vận động.
Xuyên suốt quá trình sắp xếp các đƣờng dẫn của hệ thống thần kinh, có
những nơi có hai hoặc nhiều đƣờng đi hội tụ. Các trƣờng hợp nổi bật của hội tụ nhƣ
vậy xảy ra ở tủy sống. Ở tủy sống, các dây thần kinh vận động nhận đƣợc các sự
kích thích khác nhau đƣợc truyền đi từ não kích hoạt các sợi cơ một cách có chủ
đích. Nó cũng tiếp nhận thông tin từ vùng ngoại biên thông qua vùng điều khiển
(đƣờng hƣớng tâm nhạy cảm, cảm nhận trong cơ thể) để điều biến sự kích hoạt MU
dựa trên các điều kiện nhằm thực hiện nhiệm vụ đƣợc phân công vào hệ thống cơ
thần kinh. Việc kích thích này đƣợc thực hiện bởi đầu cuối sợi trục của tế bào thần


6

kinh MN, tạo thành các mối nối thần kinh cơ của sợi cơ (MF). Vị trí của các mối
nối bất kỳ của MU đƣợc xem nhƣ là một cơ, nhằm xác định bề mặt khu vực mà nó
kích thíchThuật ngữ MU đƣợc giới thiệu nhằm đề cập đến nhóm sợi cơ đƣợc kích
thích bởi một số tế bào thần kinh vận động nhất định.

Hình 1. 1: Sơ đồ đơn vị thần kinh vận động và điểm hội tụ. M, Gƣơng phản chiếu G,
Điện kế. Nơi hội tụ của kích thích với đƣờng vẫn kích [14]

Các rối loạn thần kinh này đƣợc cung cấp bởi hoạt động của các nơ ron thần
kinh trung tâm và tủy sống khác có ảnh hƣởng đến các tế bào thần kinh liên quan
đến phản xạ. Cơ xƣơng đƣợc tổ chức theo chức năng trên cơ sở bộ phận đơn vị
thần kinh vận động (xem hình 1.2), bao gồm một sợi thần kinh vận động đơn và
một bó sợi cơ mà nó gắn vào.

7

Hình 1. 2: Sơ đồ của đơn vị thần kinh vận động đơn (SMU), bao gồm một đơn vị thần
kinh vận động đơn và nhốm các sợi cơ xƣơng mà nó phân bố các dây thần kinh

Các đầu dò chiều dài trong cơ, kích hoạt các sợi thần kinh cảm giác có
thành phần tế bào nằm ở hạch gốc trán. Những nơ-ron lƣỡng cực này cho phép
chiếu sợi trục vào tủy sống phân chia thành một nhánh giảm dần và một nhánh
tăng dần. Các chi đi xuống đi vào một vòng cung phản xạ đơn giản với thần kinh
vận động, trong khi chi nhánh tăng lên truyền tải thông tin về chiều dài cơ hiện tại
đến trung tâm cao hơn trong CNS thông qua các đƣờng dây thần kinh, tăng lên ở
tủy sống và thân não; hình vẽ đƣợc tham khảo của Deluca [2].
Đơn vị thần kinh vận động là đơn vị nhỏ nhất có thể đƣợc kích hoạt bằng
một nỗ lực ý chí, trong trƣờng hợp đó tất cả các sợi cơ cấu thành đƣợc kích hoạt
đồng bộ. Các sợi thành phần của bộ phận đơn vị thần kinh vận động mở rộng theo
chiều dọc trong các bó sợi dọc theo cơ. Tuy nhiên, trong mặt cắt ngang, các sợi của
một bộ phận đơn vị thần kinh vận động cho phép xen kẽ với các sợi của các bộ
phận đơn vị thần kinh vận động khác. Do đó, các sợi cơ hoạt động của đơn vị thần
kinh vận động đơn (SMU) tạo thành một nguồn điện sinh học phân tán nằm trong
một bộ dẫn khối bao gồm tất cả các sợi khác trong cơ (hoạt động và không hoạt
động), mạch máu và mô liên kết. Tiềm năng trƣờng phát sinh từ các sợi hoạt động


8

của SMU có dạng ba pha ngắn (3 đến 15 ms) và biên độ từ 20 đến 2000µV, phụ
thuộc vào kích thƣớc của đơn vị thần kinh vận động. Tần suất xả thƣờng dao động
từ 6 đến 30 giây [2]. Những khác biệt giữa các loại MU thƣờng liên quan tới các
đặc tính điện sinh lý, trao đổi chất và cơ học. Các MU nhỏ so với các MU lớn thì
có mức độ phục hồi thấp hơn, tốc độ truyền của điện thế hoạt động chậm hơn, quá

trình chuyển hóa cho phép chống lại sự mệt mỏi tốt hơn, khả năng co cơ lâu bền
hơn.

1.2 Sự hình thành tín hiệu điện cơ
Tín hiệu điện cơ (Electromyography - EMG) đƣợc tạo ra bởi các hoạt động
điện của các sợi cơ hoạt động trong suốt quá trình co cơ. Cụ thể hơn, các tín hiệu
điện sinh học phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có
thể thấy ở các tế bào thần kinh hay ở các tế bào cơ gồm cả cơ tim. Cơ sở điện hóa
của điện thế màng tế bào tồn tại dựa trên 2 hiện tƣợng : (1) màng tế bào có tính bán
thấm, hay nói cách khác chúng có độ dẫn và độ thấm khác nhau đối với các ion và
phân tử khác nhau, và (2) màng tế bào có các cơ chế bơm ion sử dụng năng lƣợng
trao đổi chất (ví dụ ATP). Các cơ chế bơm ion chủ động truyền ion và phân tử qua
màng tế bào, chống lại hàng rào năng lƣợng và Gradien nồng độ giữa phần trong và
phần ngoài tế bào. Ở trạng thái bền các ion liên tục có xu hƣớng lọt vào bên trong
(Na+) hoặc ra ngoài tế bào (K+) tế bào, quá trình bơm ion diễn ra liên tục nhằm
phục hồi và duy trì nồng độ ion của trạng thái này. Tín hiệu điện cơ (EMG) là một
tín hiệu điện sinh học quan trọng có giá trị chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ
và thần kinh. Chúng ta có thể đo tín hiệu này từ bề mặt da với các điện cực tƣơng tự
nhƣ đo ECG, tuy nhiên kích thƣớc điện cực cần phải nhỏ (thƣờng < 1 mm2). Để đo
tín hiệu điện cơ từ một đơn vị vận động đơn (SMU – tập hợp từ một số sợi cơ riêng
lẻ) hoặc thậm chí phải dung đến các điện cực dạng kim xuyên qua da tới bề mặt cơ
cần đo. Việc ghi nhận tín hiệu EMG dùng để chẩn đoán một số nguyên nhân suy
yếu cơ hoặc hiện tƣợng liệt, các vấn đề về cơ và vận động nhƣ run rẩy hay co giật,
tổn thƣơng thần kinh cơ do thƣơng tích và một số bệnh lý khác. Trong cơ thể có


9

một số loại cơ chính là cơ vân, cơ trơn và cơ tim. Cơ vân thƣờng đƣợc chia thành cơ
nhanh và cơ chậm. Cơ nhanh dung trong các chuyển động nhanh gồm có cặp cơ ở

cẳng chân , cơ thanh quản, … Cơ chậm dung cho điều khiển tƣ thế gồm các cơ nhƣ
cơ dép, các cơ ngực, lƣng và cổ,… Việc ghi tín hiệu EMG thƣờng đƣợc thực hiện
cho cả hai loại cơ trên. Ngoài ra ngƣời ta cũng thƣờng đo cho các cơ ít lộ diện hơn
nhƣ cơ ngoài mắt để di chuyển nhãn cầu, cơ mí mắt và các cơ dung cho điều khiển
thanh quản. Mỗi cơ vân cụ thể đƣợc chi phối bởi một nhóm tế bào thần kinh cột
sống, trong đó các Neuron vạn động nhận tín hiệu kích thích và ức chế đầu vào từ
các Neuron phản hồi lân cận trên sống cơ, dây chằng Golgi và các tế bào phản hồi
Renshaw. Các Axon Neuron vận động riêng biệt điều khiển sự co thắt một cơ cụ
thể, đƣợc phân bố trên các nhóm nhỏ các sợi cơ gọi là một đơn vị vận động đơn
(SMU). Các SMU hợp lại sẽ thành cả cơ. Kết nối giữa các đầu nhánh của một Axon
vận động đơn lẻ với các sợi cơ SMU đƣợc gọi là các tấm vận động (MEP). MEP là
các tiếp hợp hóa học mà ở đó chất truyền dẫn là Acetylcholine (ACh) đƣợc giải
phóng ra trƣớc tiếp hợp và khuếch tán qua các khe trống ở mối nối đến các vùng thu
nhận trên màng tể bào sát tiếp hợp. Khi một xung điện của Neuron vận động đi đến
một MEP, nó kích hoạt quá trình Exocytosis hay làm cạn hoàn toàn khoảng 300 lỗ
trống chứa Ach trƣớc Synap (có xấp xỉ 3.105 lỗ trống đầu mỗi MEP, mỗi lỗ trống
có đuờng kính khoảng 40nm). Một lƣợng khoảng từ 107 đến 5x108 phân tử Ach
cần để kích hoạt một điện thế hoạt động cơ. Ach khuếch tán qua khe Synap rộng từ
20 đến 30 nm trong khoảng thời gian xấp xỉ 0,5ms. Tại đây một số phân tử Ach kết
hợp với các điểm tiếp nhận trên các đơn vị protein hình thành nên các đƣờng tiếp
nhận ion dƣới Synap. Cứ 5 đơn vị protein phân tử khối lớn tạo thành một đƣờng
Ach gắn vào các đơn vị protein sẽ làm giãn các đƣờng này ra thêm 0,65nm. Các
đƣờng dẫn ion mở rộng cho phép ion Na+ chảy vào. Tuy nhiên các ion Cl- vẫn bị
đẩy ra vì các điện tích âm cố định ở cửa vào của đƣờng. Nhƣ thế, màng dƣới Synap
đã đƣợc khử cực, tạo ra một điện thế hoạt động của cơ. Điện thế qua màng có thể
tăng lên đến +50mV, tạo thành một xung điện thế qua tấm vận động EPP. Điện thế
này sẽ đƣợc hình thành sau một khoảng thời gian xấp xỉ 8ms, thời gian này lâu hơn


10

rất nhiều so với điện thế hoạt động thần kinh. Luợng Ach ở khe Synap và phần bám
vào vùng thu nhận nhanh chóng giảm xuống do thủy phân bởi enzyme
Cholinesterase ở khe Synap và các thành phần trong phân tử của chúng sẽ đƣợc tái
sử dụng. Một lƣợng nhỏ Ach thoát khỏi khe nhờ quá trình khuếch tán và cũng bị
thủy phân. Khi màng sau Synap ở ngay dƣới MEP bị khử cực dƣới dạng đầu ra là
một xung EPP có ngƣỡng rất lớn, một điện thế hoạt động cơ sẽ phát ra và truyền đi
theo màng ngoài của sợi cơ. Đây chính là điện thế hoạt động tạo ra hiện tƣợng co cơ
hoặc tổn hao sinh lực vận động. Các loại điện thế hoạt động cơ thông thƣờng đƣợc
đo bên trong tế bào ở MEP và ở điểm cách đầu MEP khoảng 2mm, nhƣ trên hình
minh họa. Điện thế hoạt động trong cơ xƣơng đƣợc truyền đi với vận tốc từ 3 đến
5m/s và tồn tại trong khoảng từ 2 đến 15ms, phụ thuộc vào mỗi loại cơ và mức độ
dao động của nó từ giá trị nghỉ khoảng -85mV đến giá trị đỉnh xấp xỉ +30mV. Ở
mặt da, điện thế này xuất hiện dƣới dạng xung ba pha có biên độ đỉnh từ 20µV đến
2000µV. Một dạng điện thế hoạt động cơ bình thƣờng đƣợc đo bên trong tế bào ở
tấm vận động (nét liền) và cách 2mm theo sời cơ (nét đứt) Để đảm bảo tất cả các bộ
phận sâu bên trong sợi cơ dều đƣợc kích thích để co rút cùng lúc và cùng một cƣờng
độ, dọc theo sợi cơ sẽ có các sợi ngang dạng ống nhỏ xoáy sâu bên trong sợi cơ gọi
là ống T. Các ống T này có đầu mở để nhận dich từ ngoài tế bào vào và cả hai đầu
của ống đều nối với màng của sợi cơ. Chúng dẫn truyền điện thế họat động cơ từ
phía ngoài vào khu vực sâu bên trong sợi cơ ở tất cả các vị trí dọc theo sợi cơ. Một
kích thích đồng bộ tất cả các Neuron vận động phân bố trên cơ đƣợc gọi là hiện
tƣợng co giật, tức là độ căng của cơ giảm xuống một lƣợng nhỏ sau đoa tăng lên bất
ngờ rồi lại giảm xuống dần đến không. Sự co cơ kéo dài đƣợc tạo ra từ quá trình
kích thích cơ từ hệ thần kinh một cách đều đặn. Khi sự kích thích ngƣng lại cơ sẽ về
trạng thái nghỉ.
Các hoạt động EMG có thể đƣợc phát hiện bằng cách sử dụng các điện cực
đƣợc gắn bên trong cơ, hoặc bằng các điện cực đƣợc đặt một cách chính xác trên
bề mặt cơ bắp, còn gọi là tín hiệu điện cơ bề mặt. Quá trình đầu tiên gây đau và thu
thập dữ liệu phản ánh các hoạt động mang tính cục bộ của điện sinh học bên trong

11

cơ. Ngƣợc lại, quá trình không bị tổn thƣơng thứ hai (ghi điện cơ bề mặt) phản ánh
hoạt động có tính toàn cục nhiều hơn từ các bộ điện cực thu phát hiện trƣờng từ
MU hoạt động. Những hoạt động đơn vị đƣợc xem nhƣ là nguồn hỗn hợp và đã
đƣợc lọc.

1.3 Tín hiệu điện cơ bề mặt
Tín hiệu điện cơ bề mặt có hình dạng phụ thuộc vào các điều kiện thu. Thông
thƣờng, tín hiệu đƣợc thu bằng phƣơng pháp vi phân bằng hai điện cực trên bề mặt
da. Sự chênh lệch điện áp đƣợc thu bằng hai điện cực tạo ra tín hiệu điện cơ.
Tín hiệu này đƣợc biểu diễn dƣới dạng sự biến thiên của điện áp theo thời
gian (hình 1.3a). Trong miền thời gian, các thông số thƣờng đƣợc sử dụng để đánh
giá mức độ hoạt động EMG qua iEMG hoặc Root Mean Square (RMS)- căn quân
phƣơng, đƣợc định nghĩa theo công thức (1.1) và (1.2) :
iEMG(T ) 

1 T
| EMG (t ) | dt
T 0

(1.1)

RMS (T ) 

1 T
( EMG 2 (t ))dt


0
T

(1.2)

Các chỉ số này phụ thuộc vào tổng các điện trƣờng tạo ra bởi các MU, đƣợc
kích hoạt bằng đốt cháy không gian hoặc thời gian. Việc tăng giá trị các chỉ số này
có thể đƣợc hiểu nhƣ là làm tăng khả năng hoạt động của hệ thống thần kinh cơ Tuy
nhiên, điều này có thể đƣợc thay thế do sự phụ thuộc của tín hiệu EMG vào các yếu
tố khác.
Các thông số khác có thể đƣợc sử dụng để nghiên cứu tín hiệu, đặc biệt là
thông số trong miền tần số. Năng lƣợng của tín hiệu EMG đƣợc phân bố ở tần số
từ 10-500Hz. Tuy nhiên trong quá trình co cơ iso-metric (co cơ đồng tâm- vị trí co
cơ không thay đổi), có ít năng luợng biểu thị từ 300Hz trở đi. Ngƣỡng này giảm
nhẹ trong tín hiệu thu đƣợc ở điều kiện dynamic (hình 1.3b).


12

Hình 1. 3: Hình vẽ mô phỏng tín hiệu điện cơ của cơ đùi đo đƣợc trong tập luyện
bằng xe đạp: thời gian tín hiệu (a) và mật đổ phổ công suất (b) thu đƣợc trong chế độ
khác biệt duy nhất (hai điện cực thu) trên bề mặt cơ. (Fs=2Khz)

Trong miền tần số, mô tả đƣợc sử dụng thƣờng xuyên nhất là tần số trung
bình (Fmoy) (công thức (1.3)) hoặc tần số trung tâm (Fmed) (công thức (1.4)) của mật
độ phổ công suất, dựa theo [17]:







0

Fmoy



0



Fmed

0

PSD( f )df  



Fmed

fPSD( f )df
(1.3)

PSD( f )df

PSD( f )df 

1 

PSD( f )df
2 0

(1.4)

Các mô tả cổ điển phụ thuộc vào vị trí của MU mà tạo ra điện trƣờng nguyên
tố, so với các điện cực thu đặt trên bề mặt, theo [5]. Trong thực tế điện trƣờng thu sẽ
đƣợc giảm dần theo hàm khoảng cách truyền tín hiệu. Ngoài ra, môi trƣờng truyền
tín hiệu tạo một hiệu ứng lọc thông thấp. Điều này có nghĩa là một MU lớn, đƣợc
đặc trƣng bởi một thành phần PSD cƣ trú ở tần số cao, có thể cung cấp các tần số
cao của mật độ phổ công suất của tín hiệu điện cơ bề mặt (sEMG- surface
Electromyography), nếu MU gần với điện cực thu. Ngƣợc lại, nó sẽ cho một tác
động ngƣợc (cung cấp các thành phần tần số thấp của tín hiệu) hoặc tần số thƣờng


13

bằng không, nếu các MU nằm ở sâu trong cơ. Hiệu ứng thông thấp này sẽ gây ra
hậu quả là sẽ làm cho việc diễn tả các chỉ số thƣờng đƣợc sử dụng trong lĩnh vực y
sinh khó khăn hơn. Đặc biệt trong việc nghiên cứu sự mệt mỏi, thƣờng thấy đƣợc sự
giảm tần số trung bình từ các PSD trong suốt thời gian co cơ. Đây là hậu quả của
việc ép phổ và chuyển dần về phía tần số thấp hơn. Điều này có tác dụng gia tăng
lƣợng EMG quan sát (EMGi, RMS), mặc dù không có sự tăng hoạt động hệ thống
cơ thần kinh. Nói cách khác, sự biểu diễn của những thông số này khó và chúng ta
phải chú ý sự tổ chức và loại MU cấu thành nên cơ theo nhƣ [4]. Vấn đề này không
phát sinh với tốc độ truyền của điện thế hoạt động của MU, bởi vì chỉ số này, nó chỉ
quan tâm đến thời gian trễ của tín hiệu giữa hai điện cực thu, phản xạ trong các hoạt
động giống nhau. Do đó ƣớc lƣợng vận tốc là lợi ích quan trọng không thể phủ nhận
trong nghiên cứu tín hiệu EMG.

1.4 Mô hình phổ công suất của tín hiệu điện cơ
Để kiểm tra hiệu quả của thuật toán trích xuất thông tin tín hiệu điện cơ bề
mặt, tín hiệu giả đã đƣợc sử dụng. Chúng đƣợc mô phỏng bằng cách sử dụng một
mô hình đơn giản dựa trên việc tạo ra nhiễu Gauss lọc đáp ứng xung tƣơng ứng với
một mô hình phổ của EMG. Các mô hình phổ đƣợc lấy căn bậc hai của PSD đề xuất
trong [16], công thức mật độ phổ công suất đƣợc thể hiện theo công thức (1.5):
PSD( f ) 

kf h4 f 2
( f 2  fl 2 ).( f 2  f h2 )2

(1.5)

Trong đó fl : tần số thấp; fh : tần số cao; k : hệ số tỉ lệ
Ví dụ về PSD và tạo ra tín hiệu EMG tổng hợp đƣợc đƣa ra trong hình 1.4
cho 4 bộ giá trị {fl; fh). Tính không dừng của tín hiệu có thể đƣợc tạo ra bằng cách
thay đổi các thông số theo thời gian.