Xử lý tín hiệu điện cơ bằng kỹ thuật số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU ĐƠNG

XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BẰNG KỸ THUẬT SỐ

CHUYÊN NGÀNH:

VẬT LÝ KỸ THUẬT

MÃ SỐ:

60520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HỮU ĐƠNG

XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BẰNG KỸ THUẬT SỐ
Processing of electromyography signal using digital technique

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
Mã số: 60520401

GV hướng dẫn: PGS.TS. HUỲNH QUANG LINH

TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Huỳnh Quang Linh

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lưu Gia Thiện

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lý Anh Tú
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM, ngày 28 tháng 01 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Trần Thị Ngọc Dung
2. TS. Phạm Thị Hải Miền
3. TS. Lưu Gia Thiện
4. TS. Lý Anh Tú
5. PGS. TS. Huỳnh Quang Linh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU ĐÔNG
Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1979
Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

MSHV: 1670733
Nơi sinh: Phú Yên
Mã số: 60520401

I. TÊN ĐỀ TÀI: XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BẰNG KỸ THUẬT SỐ
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu phép biến đổi wavelet và ứng dụng phép biến đổi
này trong xử lý các tín hiệu điện cơ (EMG).
 Tìm hiểu về các quá trình thu nhận, các phương pháp kỹ thuật số đã và đang
dùng để xử lý tín hiệu điện cơ.
 Nghiên cứu về phép biến đổi wavelet và ứng dụng của nó trong xử lý tín hiệu
điện cơ.
 Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý, lọc nhiễu tín hiệu điện cơ mẫu và các tín
hiệu thu nhận từ cảm biến tại phịng thí nghiệm.
 Xây dựng và vận hành các module viết bằng MATLAB để ứng dụng xử lý tín
hiệu điện cơ.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/7/2017
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/12/2017
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Huỳnh Quang Linh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2017
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


LỜI CÁM ƠN
Trong q trình thực hiện luận văn, ngồi sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận
được nhiều sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ của gia đình, thầy cơ, và các bạn đồng
nghiệp.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn – PGS.TS. Huỳnh
Quang Linh, Trưởng khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ
Chí Minh, đã tận tâm hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi
hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy -ThS. Lê Cao Đăng đã giúp đỡ trong q trình
sử dụng phịng thí nghiệm.
Tơi chân thành cảm ơn đến các thầy, cô ở Khoa Khoa học Ứng dụng đã truyền
thụ cho tôi các kiến thức nền tảng để thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi cũng rất chân thành cảm ơn các bạn học cùng khóa, đã có những đóng góp
q báu cho đề tài.
Sau cùng tơi xin gửi lời cám ơn đến gia đình đã ln là nguồn động viên lớn
nhất giúp tơi hồn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2017
Học viên

Nguyễn Hữu Đông


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu phép biến đổi wavelet và ứng dụng phép

biến đổi này trong xử lý các tín hiệu điện cơ (EMG); sử dụng phần mềm Matlab để
xử lý tín hiệu điện cơ.
Các nội dung đã thực hiện được bao gồm:
 Tìm hiểu về nguồn gốc sinh lý của tín hiệu điện cơ, các quá trình thu nhận,
các phương pháp đã và đang dùng để xử lý tín hiệu điện cơ.
 Nghiên cứu về phép biến đổi wavelet và ứng dụng của nó trong xử lý tín
hiệu điện cơ.
 Sử dụng Matlab và hộp công cụ Wavelet Toolbox để xử lý, lọc nhiễu tín
hiệu và nén một số tín hiệu điện cơ mẫu.
 Xây dựng các module độc lập viết bằng MATLAB để ứng dụng xử lý tín
hiệu điện cơ.
Kết quả luận văn tạo được công cụ hỗ trợ cho những nghiên cứu cụ thể về ứng dụng
điện cơ trong các nghiên cứu lâm sàng.
ABSTRACT
The main objective of the thesis is to study the wavelet transform and its application
in processing EMG signals using Matlab software.
The main results include:
 Overview of physiological origin of EMG signal, detection techniques and
method of EMG signal processing.
 Overview of wavelet transform and its applications in EMG signal
processing.
 Using Matlab Wavelet Toolbox to carry out processing, noise filtering and
compressing EMG signal.
 Programming in Matlab application modules for EMG signal processing
using wavelet transform.
Mentioned results enable to create tools supporting specific research on EMG
application in clinical research.


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi cam đoan luận văn “XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ BẰNG KỸ THUẬT SỐ” là cơng
trình nghiên cứu của riêng tơi. Kết quả đạt được trong luận văn không sao chép lại
của người khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực.
Luận văn này chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Đông


MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... vi
MỞ ĐẦU................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ.......................................... 5
1.1 CƠ SỞ SINH LÝ VÀ GIẢI PHẪU CƠ ....................................................... 5
1.1.1 Chức năng của cơ .................................................................................... 5
1.1.2 Cấu trúc của cơ chủ động......................................................................... 5
1.1.3 Đặc tính của cơ chủ động......................................................................... 5
1.1.3.1 Tính đàn hồi ...................................................................................... 5
1.1.3.2 Tính hưng phấn (co cơ) ..................................................................... 6
1.1.4 Các kiểu co cơ ......................................................................................... 6
1.1.5 Các dạng co cơ ........................................................................................ 7
1.1.6 Nguồn năng lượng cho co cơ ................................................................... 7
1.1.7 Đơn vị vận động (Motor Unit– MU) ........................................................ 7
1.1.8 Sợi cơ nhanh và sợi cơ chậm ................................................................... 8
1.2 TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ (EMG) ....................................................................... 9
1.2.1 Cơ sở phát sinh tín hiệu điện cơ ............................................................... 9
1.2.1.1 Điện thế hoạt động .......................................................................... 10

1.2.1.2 Mơ hình điện đối với điện thế hoạt động ......................................... 11
1.2.2 Kết cấu của tín hiệu EMG...................................................................... 12
1.2.3 Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện cơ .............................................. 12
1.2.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến tín hiệu EMG ............................................. 13
1.2.4.1 Nhiễu vốn có ở điện cực.................................................................. 13
1.2.4.2 Nhiễu chuyển động ......................................................................... 13
1.2.4.3 Nhiễu điện từ .................................................................................. 13
1.2.4.4 Hiện tượng nhiễu xuyên âm (cross talk) .......................................... 13
1.2.4.5 Nhiễu nội tại ................................................................................... 14

i


1.2.4.6 Tính ngẫu nhiên vốn có của tín hiệu ................................................ 14
1.2.4.7 Ảnh hưởng của tín hiệu ECG .......................................................... 14
1.2.5 Các phương pháp thu nhận tín hiệu điện cơ EMG .................................. 14
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ [15] ..................... 15
2.1 PHÉP BIẾN ĐỔI HILBERT HUANG (HHT) ......................................... 15
2.1.1 Phương pháp phân tách thực nghiệm EMD ............................................ 15
2.1.2 Biến đổi Hilbert ..................................................................................... 16
2.1.3. Giải thuật EMD .................................................................................... 17
2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET ................................................................... 17
2.2.1 Phép biến đổi wavelet liên tục [15] ........................................................ 19
2.2.2.1 Giới thiệu CWT .............................................................................. 19
2.2.2.2 Điều kiện wavelet mother ................................................................ 19
2.2.2.3 Độ bất định (độ phân giải thời gian và độ phân giải tần số) ............. 20
2.2.2.4 Mother wavelet và father wavelet (wavelet tỉ lệ) ............................. 23
2.2.2.5 Các loại wavelet mother .................................................................. 23
2.2.2 Phép biến đổi wavelet rời rạc ................................................................. 30
2.3 PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER THỜI GIAN NGẮN .................................. 31

2.4 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU ............................. 31
2.5 ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU .......................... 32
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HÀNH ............................................................... 33
3.1 CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET .......... 33
3.1.1 Loại bỏ nhiễu tín hiệu ............................................................................ 33
3.1.1.1 Mơ hình một chiều cơ bản ............................................................... 36
3.1.1.2 Nguyên tắc khử nhiễu ..................................................................... 36
3.1.1.3 Đặt ngưỡng mềm và ngưỡng cứng .................................................. 36
3.1.2 Nén dữ liệu ............................................................................................ 38
3.2 THIẾT BỊ THU NHẬN TÍN HIỆU BIOPAC MP30 ................................ 39
3.2.1 Thiết bị và kỹ thuật thu nhận EMG. ....................................................... 39
3.2.1.1 Thiết bị MP30 ................................................................................. 39
3.2.1.2 Điện cực bề mặt. ............................................................................. 41
ii


3.2.1.3 Cài đặt phần mềm ........................................................................... 43
3.2.1.4 Cài đặt kênh .................................................................................... 43
3.2.2 Cài đặt sự thu nhận ................................................................................ 45
3.2.2.1 Bắt đầu một thu nhận ...................................................................... 46
3.2.2.2 Kết thúc sự thu nhận ....................................................................... 47
3.3 KHẢO SÁT TÍN HIỆU EMG BẰNG HỘP CƠNG CỤ WAVELET
TOOLBOX CỦA MATLAB............................................................................ 47
3.3.1 Các tín hiệu EMG chọn lọc.................................................................... 47
3.3.2 Phân tích bằng hộp cơng cụ Wavelet Toolbox của MATLAB ................ 48
3.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH TÍN HIỆU EMG ĐỘC
LẬP ĐỂ TÍNH TỐN CHO CÁC ỨNG DỤNG KHÁC ............................... 54
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 60
4.1 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................. 60
4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................... 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 61

iii


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Ach
ATP
CWT
DOCG
DOG
DWT
EMD
EMG
GT
HHT
IFT
IMF
MU
MUAP
sEMG
STFT
TF
WT
WFB
WVD

Diễn tả
Acetylcholine

Adenosine Triphotphate
Continuous Wavelet Transform
Derivative of Complex Gaussian
Derivative of Gaussian
Discrete Wavelet Tranform
Empirical Mode Decomposition
Electromyography
Gabor Transform
Hilbert Huang Transform
Inverse Fourier Transform
Intrinsic Mode Function
Motor Unit
Motor unit action potential
Surface Electromyography
Short Time Fourier Transform
Time-Frequency
Wavelet Transform
Wavelet Filter Bank
Wigner-Ville Distribution

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1: Tín hiệu EMG thơ [13] ............................................................................... 1
Hình 2: Cấu trúc cơ chủ động [49]......................................................................... 6
Hình 3: Sơ đồ minh họa đơn vị vận động [49] ......................................................... 8
Hình 4: Quá trình khử cực và tái khử cực của màng tế bào cơ ................................ 9
Hình 5: Cơ chế phát sinh điện thế hoạt động ......................................................... 10
Hình 6: Điện thế hoạt động của các tế bào cơ ....................................................... 10
Hình 7: Khu vực khử cực trên các màng sợi cơ ..................................................... 10
Hình 8: Mơ hình của một lưỡng cực điện trên các màng sợi cơ ............................. 11
Hình 9: Sự phát sinh điện thế hoạt động của MU .................................................. 11

Hình 10: Sự chồng lên nhau của các MUAP tạo nên một tín hiệu EMG ................ 12
iv


Hình 11: Tín hiệu EMG là tổng của điện thế hoạt động của nhiều sợi cơ [8]. ....... 12
Hình 12: Phổ năng lượng của tín hiệu EMG [15]. ................................................. 12
Hình 13: Sơ đồ khối phép biến đổi Hilbert Huang [15]. ........................................ 15
Hình 14: Phép biến đổi wavelet ............................................................................ 18
Hình 15: Heisenberg Box có độ phân giải thời gian – tần số khác nhau của một
wavelet .................................................................................................................. 21
Hình 16: Băng thơng và tần số trung tâm .............................................................. 21
Hình 17: Băng thơng so với tần số trung tâm của STFT ........................................ 22
Hình 18: Băng thông so với tần số trung tâm của CWT ......................................... 22
Hình 19: Wavelet tỉ lệ phi tuyến............................................................................. 22
Hình 20: Hàm mũ Mexico (miền thời gian)............................................................ 24
Hình 21: Phổ năng lượng của hàm mũ Mexico (tần số trung tâm là 0.251 Hz) ...... 24
Hình 22: Đạo hàm bậc 5 của wavelet Gauss (miền thời gian) ............................... 25
Hình 23: Đạo hàm bậc 8 của wavelet Gauss (miền thời gian) ............................... 25
Hình 24: Morlet phức (miền thời gian) .................................................................. 26
Hình 25: Meyer wavelet (miền thời gian) .............................................................. 27
Hình 26: Đồ thị Shannon phức, tần số trung tâm thấp (miền thời gian) ................. 27
Hình 27: Đồ thị Shannon phức, tần số trung tâm cao (miền thời gian) .................. 27
Hình 28: Wavelet phức Shannon (miền tần số) ..................................................... 27
Hình 29: Họ wavelet Daubechies .......................................................................... 28
Hình 30: Họ wavelet Symlets ................................................................................. 29
Hình 31: Họ wavelet Coilets .................................................................................. 29
Hình 32: Độ phân giải của thời gian và tần số trong biến đổi wavelet [15] ........... 33
Hình 33: So sánh giữa hình dạng tín hiệu và hàm wavelet ..................................... 34
Hình 34: Hình của tín hiệu trước và sau khi sử dụng bộ lọc với hệ số tỉ lệ a = 64 . 34
Hình 35: Hình của tín hiệu trước và sau khi sử dụng bộ lọc với hệ số tỉ lệ a = 30 . 35

Hình 36: Sóng hình sin được khử nhiễu ở 5 mức phân tích .................................... 35
Hình 37: (a) là tín hiệu ban đầu, (b) là tín hiệu được đặt ngưỡng cứng và (c) là tín
hiệu được đặt ngưỡng mềm. .................................................................................. 37
Hình 38: Đặt ngưỡng tự động của các chi tiết tương ứng. ..................................... 37
v


Hình 39: Một tín hiệu điện trước và sau khi nén .................................................... 38
Hình 40: Cổng kết nối của thiết bị MP30............................................................... 39
Hình 41: (a) Điện cực Ag hoặc AgCl, (b) Điện cực lõm, (c) Điện cực dùng một lần
với mảnh xốp bão hoà điện phân, (d) Điện cực dùng một lần keo hydro, (e) Điện
cực bạc, bạc clorua; (f) điện cực khơ cacbon đàn hồi. [46] ................................... 42
Hình 42: Giao diện của phần mềm BIOPAC Student Lab PRO............................. 43
Hình 43: Bảng cài đặt kênh thu. ............................................................................ 43
Hình 44: Bảng thiết lập thơng số ........................................................................... 45
Hình 45: Các tín hiệu EMG minh họa ................................................................... 48
Hình 46 ................................................................................................................. 49
Hình 47 ................................................................................................................. 49
Hình 48 ................................................................................................................. 49
Hình 49 ................................................................................................................. 50
Hình 50 ................................................................................................................. 50
Hình 51 ................................................................................................................. 50
Hình 52 ................................................................................................................. 51
Hình 53 ................................................................................................................. 51
Hình 54 ................................................................................................................. 51
Hình 55 ................................................................................................................. 52
Hình 56 ................................................................................................................. 52
Hình 57 ................................................................................................................. 52
Hình 58 ................................................................................................................. 53
Hình 59 ................................................................................................................. 53

Hình 60 ................................................................................................................. 53
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: So sánh giữa STFT, WT và HHT [15] ..................................................... 32
Bảng 2: Bảng đặc tính kỹ thuật ở mặt sau của thiết bị MP 30 ................................ 40
Bảng 3: Bảng đặc tính kỹ thuật ở mặt trước của thiết bị MP30 .............................. 41
Bảng 4: Bảng các tín hiệu mẫu .............................................................................. 48

vi


1

MỞ ĐẦU
Tín hiệu y sinh thường được hiểu là tín hiệu điện được thu nhận từ các cơ quan
trong cơ thể người nào thể hiện các biến đổi đặc tính vật lý hoặc sinh lý nào đó. Tín
hiệu này thơng thường là một hàm của thời gian và có thể được mô tả bởi biên độ,
tần số và pha của tín hiệu đó. Tín hiệu điện cơ – Electromyography (EMG) là một tín
hiệu y sinh đo bằng dịng điện được tạo ra ở cơ khi có sự co cơ. Hệ thống thần kinh
bình thường điều khiển hoạt động của cơ (co/duỗi). Do đó, tín hiệu EMG là một tín
hiệu rất phức tạp [10], được điều khiển bởi hệ thống thần kinh và phụ thuộc vào cấu
trúc giải phẫu và tính chất sinh lý của các cơ. Tín hiệu EMG bao gồm nhiễu trong khi
truyền qua các mô khác nhau. Hơn nữa, cảm biến EMG, đặc biệt nếu đặt tại bề mặt
của da thì thu được các tín hiệu từ các cơ vận động khác nhau tại cùng một thời điểm,
nó có thể tạo ra sự tương tác các tín hiệu khác. Lý do chính đối với phân tích tín hiệu
y sinh là các ứng dụng trong điều trị bệnh và lĩnh vực y sinh [6].
Các tín hiệu điện cơ EMG cần phải sử dụng phương pháp có độ chính xác đáng
tin cậy đối với từng bước: ghi nhận, phân tích, xử lý và phân loại. Tín hiệu điện cơ
bề mặt (sEMG) được ghi nhận bằng các điện cực tại bề mặt da và thu được các tín
hiệu sinh học của quá trình hoạt động của hệ cơ – thần kinh. Cơ tạo ra một tín hiệu
điện yếu với biên độ khoảng 0,1 – 0,5 mV. Do đó, địi hỏi hệ thống đo phải có độ

nhạy lớn, nhưng điều này dẫn đến khả năng chống nhiễu giảm. Các vấn đề khác gặp
phải trong việc ghi nhận tín hiệu EMG đó là nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu. Năng
lượng của tín hiệu điện cơ bề mặt có dãy động nằm trong khoảng 0 – 1000 Hz, nhưng
tín hiệu EMG thơng thường có tần số thấp và tín hiệu nhiễu có tần số cao. Tín hiệu
EMG thật sự hữu ích nằm trong dãy động từ 10 – 500 Hz, chi tiết hơn là từ 50 – 150
Hz [11]. Vì thế người ta tin tưởng rằng, nhiễu được sinh ra từ tín hiệu có tần số cao,
được giả định tuân theo hàm phân bố Gauss [12].

Hình 1: Tín hiệu EMG thơ [13]


2

Để có được tín hiệu EMG, điện cực được dán lên bề mặt da (điện cực bề mặt)
hoặc điện cực kim được gắn trực tiếp vào cơ bắp. Tín hiệu EMG thu được từ điện cực
bề mặt là một tín hiệu phức tạp, bao gồm tất cả các sợi cơ nằm dưới da. Nó phụ thuộc
vào sự điều khiển của hệ thần kinh, vào các tính chất giải phẫu và sinh lý của các cơ
bắp. Tín hiệu EMG có thể được biểu diễn dưới dạng điện áp như Hình 1 [13].
Kỹ thuật ghi nhận tín hiệu EMG là tương đối mới. Hiện tại còn những hạn chế
trong việc ghi nhận và hiểu rõ tính chất phi tuyến của tín hiệu điện cơ ở bề mặt, dự
đoán sự biến đổi tiếp theo của tín hiệu, thu tín hiệu chính xác từ cơ [1, 2]. Các thuật
tốn nhằm tái tạo lại tín hiệu điện cơ sau khi lọc nhiễu của các hệ thống truyền thống
có những hạn chế khác nhau, tính tốn phức tạp và cho tín hiệu bị sai lớn [1]. Những
tiến bộ gần đây trong kỹ thuật xử lý tín hiệu các mơ hình tốn học đã tạo tiền đề cho
việc ghi nhận và kỹ thuật phân tích các tín hiệu điện cơ EMG. Các kỹ thuật toán học
khác nhau và trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) đã có những sức thu hút lớn.
Các mơ hình tốn học bao gồm phép biến đổi wavelet, các phương pháp thời gian –
tần số, phép biến đổi Fourier, phân bố Wigner – Ville (WVD), đo lường thống kê, và
thống kê bậc cấp.
Trong xử lý tín hiệu nói chung và xử lý tín hiệu điện cơ nói riêng, phép biến đổi

Fourier là một cơng cụ tốn học hữu ích và quan trọng. Tuy nhiên, phép biến đổi
Fourier chỉ cung cấp thơng tin có tính tồn cục, thích hợp cho những tín hiệu tuần
hồn, khơng chứa các đột biến hoặc các thay đổi không dự báo được.
Khắc phục nhược điểm này một cách hiệu quả nhất là phép biến đổi wavelet.
Phân tích thời gian – tần số dựa vào phép biến đổi wavelet là phù hợp hơn để xử lý
các tín hiệu điện cơ EMG [14].
Ứng dụng EMG trong kỹ thuật y sinh dùng để chữa bệnh về cơ hoặc dựa vào
tín hiệu điện cơ để tối ưu hóa hoạt động của cơ là một lĩnh vực không mới trên thế
giới. Tuy nhiên, việc ứng dụng kỹ thuật EMG tại Việt Nam có phần hạn chế. Các
bệnh liên quan về cơ thường không được chẩn đốn bằng tín hiệu điện cơ mà chủ yếu
dựa trên kinh nghiệm của bác sĩ hoặc các triệu chứng lâm sàng về cơ. Hơn nữa, trong
nước cũng chưa thấy công ty hay tổ chức nào dùng tín hiệu EMG để mơ phỏng hoạt
động của cơ. Từ đó có thể ứng dụng trong thể thao, chế tạo chân tay giả hoặc robot


3

hoạt động trên cơ sở tín hiệu này. Các máy móc về điện cơ thì nhập khẩu từ nước
ngồi hoặc chỉ lắp ráp tại Việt Nam chứ chưa thấy chế tạo. Do đó, đây là hướng
nghiên cứu mới tại Việt Nam.
Trên thế giới, có nhiều cơng trình nghiên cứu về tín hiệu EMG. Frabcesco Redi
đã nghiên cứu EMG lần đầu tiên vào năm 1666 từ việc nghiên cứu tín hiệu điện cơ
từ con lươn điện [3]. Năm 1773, Walsh đã chứng tỏ rằng mơ cơ (muscle tissue) của
lồi lươn điện có thể tạo ra một tia điện. Vào năm 1792, trong cơng trình [4] A.
Galvani đã chứng minh tín hiệu điện có thể tạo ra từ sự co giãn của cơ. Việc ghi nhận
đầu tiên tín hiệu điện cơ đầu tiên được thực hiện bởi Marey vào năm 1890, cũng là
người đầu tiên giới thiệu cụm từ tín hiệu điện cơ. Năm 1922, Gasser và Erlanger đã
sử dụng dao động ký điện tử để quan sát các tín hiệu điện từ các cơ. Bởi vì tín hiệu
điện cơ là tín hiệu ngẫu nhiên. Thơng tin thơ này có thể được ghi nhận từ việc theo
dõi chúng. Khả năng của ghi nhận tín hiệu điện cơ đã được phát triển từ thập niên

1930 đến 1950 và các nhà nghiên cứu đã bắt đầu để sử dụng các điện cực để nghiên
cứu các tín hiệu điện của cơ. Q trình điều trị bệnh sử dụng tín hiệu EMG bề mặt
dành cho việc điều trị các rối loạn cơ. Đặc biệt đã được bắt đầu từ năm 1960. Vào
những năm 1980, Cram và Steger đã giới thiệu một phương pháp điều trị bằng việc
quét qua một loạt các cơ bắp bằng việc sử dụng thiết bị cảm biến tín hiệu EMG [5].
Cho đến giữa thập niên 1980, với sự phát triển của kỹ thuật tích hợp của các điện cực
đã cho phép tạo ra hàng loạt các thiết bị có kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ và khả
năng khuếch đại. Ngồi ra có thể ghi nhận tín hiệu điện thế rất nhỏ, cỡ mili vơn. Trong
15 năm gần đây, các cơng trình nghiên cứu đã cho những kết quả chính xác hơn trong
quá trình ghi nhận tín hiệu EMG. Gần đây, tín hiệu điện cơ bề mặt được sử dụng ngày
càng rộng rãi (superficial muscles) trong khi đó, các điện cực kim chỉ được sử dụng
cho các cơ sâu bên trong [2, 4].
Các tín hiệu EMG có thể được sử dụng trong lâm sàng và các ứng dụng y sinh.
Hiện tại, có ba ứng dụng chủ yếu của tín hiệu EMG, đầu tiên là dùng để xác định thời
điểm vận động của cơ bắp khi mà cơ bắt đầu co hoặc duỗi; thứ hai là để ước lượng
lực được tạo ra bởi cơ; thứ ba là để ghi nhận sự mỏi cơ thông qua việc phân tích phổ
tần số của tín hiệu.


4

Trong đó rất nhiều cơng trình nghiên cứu về phương pháp thu nhận tín hiệu
EMG và phương pháp xử lý tín hiệu sao cho đạt độ trung thực và chính xác nhất. Ở
các nước phát triển, ngoài y học, họ cịn ứng dụng tín hiệu điện cơ trong điều khiển
chân tay giả, robot, ứng dụng trong thể thao để đưa ra phương pháp luyện tập hiệu
quả cho vận động viên. Gần đây có nhiều cơng tình nghiên cứu về các phương pháp
xử lý tín hiệu EMG một cách tốt hơn được đăng tải trên những tạp chí phổ biến như
IEEE, ScienceDirect [14, 47, 48].
Mục tiêu của luận văn này tập trung nghiên cứu xử lý tín hiệu điện cơ bằng
phép biến đổi wavelet. Ý nghĩa của đề tài là để ứng dụng trong chẩn đoán và điều

trị bệnh liên quan đến hệ cơ; góp phần vào việc mở rộng cộng đồng nghiên cứu Vật
lý kỹ thuật Y sinh tại Việt Nam.
Các mục đích của đề tài là nghiên cứu phép biến đổi wavelet và ứng dụng phép
biến đổi này trong xử lý các tín hiệu điện cơ (EMG); sử dụng phần mềm Matlab để
mô phỏng và xử lý một vài tín hiệu điện cơ.
Các nội dung được thực hiện trong luận văn này là:
 Tìm hiểu về các quá trình thu nhận, các phương pháp đã và đang dùng để xử
lý tín hiệu điện cơ.
 Nghiên cứu về phép biến đổi wavelet và ứng dụng của nó trong xử lý tín hiệu
điện cơ.
 Sử dụng phần mềm Matlab để mơ phỏng, lọc nhiễu tín hiệu điện cơ mẫu và
các tín hiệu thu nhận từ cảm biến tại phịng thí nghiệm Vật lý Kỹ thuật y sinh,
Đại học Bách khoa, TP. Hồ Chí Minh.
 So sánh tín hiệu đã xử lý bằng phép biến đổi wavelet với kết quả xử lý bằng
các phương pháp truyền thống cụ thể như phép biến đổi Fourier
 Cuối cùng, tạo ra tín hiệu điện cơ đáng tin cậy để ứng dụng trong chẩn đoán
và điều trị bệnh liên quan về cơ.


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ
1.1 CƠ SỞ SINH LÝ VÀ GIẢI PHẪU CƠ [49]
1.1.1 Chức năng của cơ
Cơ là tổ chức tồn tại cùng với con người từ lúc mới sinh cho đến lúc đi vào cõi
vĩnh hằng. Các cơ quan của cơ thể vận động được hay biểu thị cảm xúc là nhờ có hệ
thống cơ. Cơ và sự vận động của cơ thể luôn luôn ảnh hưởng, tương tác lẫn nhau: nếu
vận động nhiều thì cơ phát triển và ngược lại kém vận động hay khơng vận động thì
cơ sẽ thối biến. Cơ được chia làm ba loại:
 Cơ chủ động (còn gọi là cơ chủ động xương, cơ vân) gắn vào xương giúp ta

cử động, hô hấp và di chuyển trong không gian.
 Cơ trơn có ở những thành nội tạng, mạch máu và các tuyến. Chúng là thành
phần quan trọng bảo đảm sự vận động của các cơ quan nội tạng.
 Cơ tim là loại cơ đặc biệt vừa có tính chất của cơ chủ động, vừa có tính chất
của cơ trơn. Cơ tim có liên quan mật thiết tới hệ thống tuần hoàn trong cơ thể.
1.1.2 Cấu trúc của cơ chủ động
Cơ chủ động chiếm khoảng 50% khối lượng cơ thể. Mỗi bắp cơ gồm nhiều bó
sợi cơ xếp song song theo chiều dài của cơ, gắn liền với nhau bởi tổ chức liên kết.
Mỗi sợi cơ (fiber) là một tế bào cơ dài khoảng 5 – 60 mm, có đường kính từ 10 – 100
µm. Mỗi sợi cơ được một tận cùng thần kinh điều khiển thường nằm ở giữa sợi cơ,
nếu tách riêng sợi cơ có thể co được. Toàn bộ bắp cơ co là kết quả co của tất cả những
sợi cơ tạo thành nó.
1.1.3 Đặc tính của cơ chủ động
Cơ chủ động có hai đặc tính chủ yếu: tính đàn hồi và tính hưng phấn
1.1.3.1 Tính đàn hồi
Bình thường ở trạng thái nghỉ ngơi, cơ ln ở tư thế đàn hồi khơng hồn tồn.
Cơ ln chịu sức kéo từ hai đầu bám của nó, nếu ta cắt đứt một đầu gân, cơ sẽ thu
ngắn lại ở phía đầu kia. Hiện tượng này khơng hồn tồn do tính đàn hồi đơn thuần
về vật lý mà là hiện tượng sinh học, đó là trạng thái trương lực của cơ.


6

Khi tách cơ ra khỏi cơ thể, nuôi trong điều kiện nhân tạo dưới ảnh hưởng của
một lực, cơ sẽ thay đổi hình dáng. Khi lực đó thơi tác dụng, cơ sẽ trở về hình dáng
ban đầu.

Hình 2: Cấu trúc cơ chủ động [49]
1.1.3.2 Tính hưng phấn (co cơ)
Nếu kích thích lên cơ với cường độ tới ngưỡng sẽ làm cho cơ hưng phấn, biểu

hiện bằng hình thức co cơ. Kích thích sinh lý lên cơ là các xung động thần kinh phát
ra từ hệ thần kinh trung ương, theo sợi thần kinh vận động truyền tới cơ. Người ta
cũng có thể gây co cơ bằng cách kích thích trực tiếp lên cơ các kích thích cơ học
(châm, kẹp) hay nóng, lạnh, axit, dịng điện…
Tùy điều kiện vận động mà cơ chủ động có các kiểu và các hình thức co khác
nhau.
1.1.4 Các kiểu co cơ
Khi co cơ đơn độc sẽ thay đổi độ dài hay trương lực cơ, hoặc thay đổi cả hai
thông số này.
Nếu cơ co rút ngắn chiều dài mà không tăng trương lực cơ là loại cơ co đẳng
trương (isotonic). Nếu cơ co không rút ngắn chiều dài tuy nhiên làm tăng trương lực
cơ là loại cơ co đẳng trường (isometric).


7

Trong hoạt động sống, hầu hết các động tác ta có co cơ hỗn hợp. Ban đầu, co
cơ đẳng trường, lực phát triển ngày càng tăng đến lúc đủ mạnh. Sau đó, cơ rút ngắn
để di chuyển trọng tải, tức cơ co đẳng trương.
Các cơ chủ động có độ lớn và kích thước dài ngắn rất khác nhau, việc sử dụng
năng lượng cho các cơ cũng khác nhau và thường thể hiện ở tốc độ co cơ.
1.1.5 Các dạng co cơ
Có hai dạng co cơ phụ thuộc vào tần số kích thích là:
Co cơ đơn giản: khi cơ chịu tác động của một kích thích đơn lẻ đạt trị số
ngưỡng trở lên, cơ sẽ đáp ứng bằng một co cơ đơn nhất, nhanh và ngắn, thường kéo
dài 100 ms.
Co cơ cứng: khi cơ chịu nhiều kích thích liên tiếp có cường độ như nhau thì ở
cơ có hiện tượng tập cộng. Nếu khoảng cách giữa hai kích thích nhỏ hơn thời gian
của một co cơ đơn giản thì sự co cơ của kích thích sau sẽ chồng lên sự co cơ của kích
thích trước đó, gây ra hiện tượng co cơ cứng.

1.1.6 Nguồn năng lượng cho co cơ
Người ta chia nguồn năng lượng cho co cơ thành 3 hệ là:
Hệ năng lượng phosphogen: gồm ATP và creatinphosphat. ATP là nguồn năng
lượng trực tiếp cho cơ hoạt động, nó bị phân hủy và tái tổng hợp liên tục khi co cơ.
Hệ năng lượng lactic: là hệ năng lượng do con đường đường phân yếm khí.
Con đường này rất quan trọng vì tốc độ nhanh gấp 2,5 lần con đường oxy hóa có oxy.
Hệ năng lượng oxy hóa: đây là nguồn năng lượng bảo đảm cho cơ hoạt động
kéo dài. Vật chất bị oxy hóa chủ yếu là lipid, glucid và một phần protein.
1.1.7 Đơn vị vận động (Motor Unit– MU)
Đơn vị chức năng nhỏ nhất để miêu tả sự điều khiển của hệ thần kinh vận động
đối với quá trình co cơ được gọi là 1 đơn vị vận động. Nó bao gồm một sợi thần kinh
vận động xuất phát từ một nơ-ron vận động (alpha motoneuron) và tất cả các sợi cơ
được điều khiển bởi các nhánh sợi trục của sợi thần kinh vận động đó (Hình 3).


8

Hình 3: Sơ đồ minh họa đơn vị vận động [49]
Các nơ-ron vận động có kích thước tế bào nhỏ, có sợi trục tương đối mảnh và
có số lượng sợi nhánh tận cùng ít, do đó có MU nhỏ, ngưỡng hưng phấn thấp và tốc
độ dẫn truyền xung chậm. Các nơ-ron vận động có kích thước tế bào lớn, có sợi trục
tương đối dày và có số lượng sợi nhánh tận cùng nhiều, do đó có MU lớn, ngưỡng
hưng phấn cao và tốc độ dẫn truyền xung nhanh.
1.1.8 Sợi cơ nhanh và sợi cơ chậm
Tất cả các sợi cơ trong một MU có cùng tính chất, nghĩa là MU nhanh chỉ bao
gồm các sợi cơ nhanh, còn MU chậm chỉ bao gồm các sợi cơ chậm. Sự khác nhau ở
các sợi đó là sức mạnh, sức nhanh và sức bền co cơ.
Các sợi cơ nhanh dày hơn, có sức co cơ mạnh với tốc độ nhanh nhưng thời gian
co cơ ngắn và sức bền không cao.
Các sợi cơ chậm mảnh hơn, không tạo được sức cơ nhanh và mạnh nhưng đảm

bảo sự co cơ bền bỉ kéo dài với một lực không lớn.
Mỗi bắp cơ gồm cả những sợi cơ nhanh và sợi cơ chậm. Những cơ cần phản
ứng nhanh gồm chủ yếu các sợi cơ nhanh để phù hợp với chức năng của từng loại cơ.


9

1.2 TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ (EMG)
1.2.1 Cơ sở phát sinh tín hiệu điện cơ
Tín hiệu điện cơ được phát sinh từ sự kích thích của các sợi cơ bởi các nơ-ron.
Hiện tượng này có thể được giải thích bởi mơ hình của một màng bán thấm, mơ tả
các thuộc tính về điện của màng tế bào.
Trạng thái cân bằng ion giữa các ion bên trong và bên ngoài màng tế bào tạo
nên một điện thế nghỉ tại màng tế bào cơ (khoảng từ -80 đến -90 mV khi không co
cơ). Khi có kích thích sẽ làm xuất hiện sự khác nhau về điện thế giữa bên trong và
bên ngoài màng tế bào: điện thế bên trong trở nên âm hơn. Sự khác nhau này được
duy trì bởi một quá trình sinh lý được gọi là quá trình “bơm ion”. Sự hoạt hóa của
một tế bào sừng trước alpha-motor gây nên sự dẫn truyền các kích thích dọc theo dây
thần kinh vận động. Sau khi giải phóng các chất dẫn truyền tại tấm vận động (the
motor endplates), một điện thế tấm vận động được tạo ra tại sợi cơ được kích thích
bởi MU.
Đặc điểm khuếch tán này của màng sợi cơ bị thay đổi trong một thời gian ngắn
và các ion Na+ di chuyển vào bên trong màng tế bào. Điều này gây nên một sự khử
cực màng tế bào (Depolarization). Sự khử cực này được phục hồi lại ngay lập tức bởi
sự trao đổi ngược lại các ion bên trong quá trình “bơm ion” và tạo nên sự tái khử cực
màng tế bào (Repolarization) (Hình 4).

Hình 4: Quá trình khử cực và tái khử cực của màng tế bào cơ

10

1.2.1.1 Điện thế hoạt động
Khi dòng ion Na+ chảy vào bên trong màng tế bào cơ vượt qua một mức ngưỡng
nào đó, q trình khử cực màng tế bào gây nên một điện thế hoạt động thay đổi nhanh
chóng từ -80 mV đến +30 mV.
Như vậy khi một xung động thần kinh từ dây cột sống dẫn truyền đến tấm vận
động làm giải phóng Ach (Acetylcholine) tại khe synap (1) và gây nên một sự khử
cực (điện thế hoạt động) (Hình 5). Điện thế hoạt động này dẫn truyền vào bên trong
sợi cơ thông qua một ống ngang (2). Đến đây làm giải phóng ion Ca++ (3), khiến cho
cầu ngang khép lại (4) và làm cơ bắt đầu co (5).

Hình 5: Cơ chế phát sinh điện thế hoạt động

Hình 6: Điện thế hoạt động của các tế bào cơ

Tín hiệu điện cơ EMG dựa trên cơ sở các điện thế hoạt động tại màng sợi cơ là
kết quả từ các q trình khử cực và tái
khử cực được mơ tả ở trên (Hình 6).
Phạm

vi

của

vùng

khử

cực

(Depolarization zone) khoảng từ 1 – 3
mm2. Kích thích ban đầu tại khu vực
này sau khi di chuyển dọc theo sợi cơ
với tốc độ 2 – 6 m/s sẽ đi tới bề mặt
các điện cực (Hình 7).
Hình 7: Khu vực khử cực trên các màng sợi cơ


11

1.2.1.2 Mơ hình điện đối với điện thế hoạt động
Chu kỳ khử cực – tái khử cực tạo nên một dạng sóng khử cực hay là một lưỡng
cực điện. Lưỡng cực điện này truyền dẫn dọc theo bề mặt của một sợi cơ. Một điện
cực lưỡng cực và một bộ khuếch đại vi sai điển hình được sử dụng cho việc đo các
tín hiệu EMG (Hình 8). Để cho đơn giản, trong bước đầu tiên, ta chỉ minh họa trên
sơ đồ tín hiệu của một sợi cơ đơn lẻ. Phụ thuộc vào khoảng cách không gian giữa
điện cực 1 và điện cực 2, lưỡng cực sẽ tạo ra một sự chênh lệch điện thế giữa các điện
cực.
Trong ví dụ được minh họa trên hình vẽ (Hình 8), tại thời điểm T1 điện thế hoạt
động được tạo ra và truyền dẫn hướng về
phía cặp điện cực. Tại thời điểm T2, độ
chênh lệch về điện thế giữa các điện cực
là cao nhất. Nếu như lưỡng cực tiến tới
một khoảng cách cân bằng giữa các điện
cực thì sự chênh lệch về điện thế sẽ vượt
qua đường 0 và trở nên cao nhất tại vị trí
T4 – vị trí ngắn nhất đối với điện cực 2.
Hình 8: Mơ hình của một lưỡng cực điện trên các màng sợi cơ
Mơ hình này giải thích tại sao điện thế hoạt động đơn cực tạo ra một tín hiệu

lưỡng cực trong q trình khuếch đại vi sai.
Vì một MU bao gồm nhiều sợi cơ, cặp điện
cực sẽ “nhìn thấy” cường độ của tất cả các
sợi cơ được kích thích trong vịng MU này.
Tổng của tất cả các các tín hiệu lưỡng cực
đó tạo thành một điện thế hoạt động của
MU (Motor unit action potential – MUAP).
Tín hiệu này là tín hiệu ba pha.
Hình 9: Sự phát sinh điện thế hoạt động của MU


12

1.2.2 Kết cấu của tín hiệu EMG
Các điện thế hoạt động của MU
(MUAP) của tất cả các MU được phát hiện
dưới bề mặt điện cực được gọi là superposed
(Hình 10). Nó được quan sát như là một tín
hiệu lưỡng cực với sự phân bố đối xứng về các
biên độ âm và dương (nghĩa là giá trị trung
bình bằng 0). Nó được gọi là một mẫu giao
thoa (Interference pattern).
Hình 10: Sự chồng lên nhau của các MUAP tạo nên một tín hiệu EMG
1.2.3 Các đặc điểm cơ bản của tín hiệu điện cơ
Tín hiệu EMG được ghi bằng
các điện cực trên bề mặt da, là một
tín hiệu rất phức tạp, do tổng các tín
hiệu từ nhiều sợi cơ.

Hình 11: Tín hiệu EMG là tổng của điện thế hoạt động của nhiều sợi cơ [8].

Khi dị tìm bằng điện cực bề
mặt, biên độ tín hiệu EMG từ 0,1 – 10
mV, tần số từ 20 – 500 Hz.
Khi dị tìm bằng điện cực kim,
biên độ tín hiệu EMG từ 0,1 – 5 mV,
tần số từ 100 – 2000 Hz.
Năng lượng sử dụng nằm trong
khoảng từ 50 – 150 Hz (Hình 12).
Hình 12: Phổ năng lượng của tín hiệu EMG [15].