Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> GIẢI PHÁP SỐ HÓA THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO THẾ HỆ CŨ<br /> Lương Quang Hải*, Trần Ngọc Quang, Vương Trí Tiếp, Phạm Văn Thuận<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp sử dụng một máy tính PC được gắn một<br /> card PCI thu thập dữ liệu 32 kênh đầu vào tương tự, kết hợp với phần mềm được<br /> cài đặt trên máy tính để thu thập và xử lý tín hiệu điện não từ một thiết bị điện não<br /> thế hệ cũ EEG Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden. Với việc số hóa thiết bị,<br /> người dùng có thể lưu trữ dữ liệu lớn trong máy tính, trích chọn những đoạn dữ liệu<br /> có ý nghĩa chẩn đoán, in dữ liệu bằng máy in thông thường. Ngoài ra, phần mềm<br /> trên máy tính cho phép người dùng trích chọn, co, dãn tín hiệu và hỗ trợ tính toán<br /> tần số, biên độ của các sóng , , .<br /> Từ khóa: Lọc trung bình, Thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K, Xử lý tín hiệu điện não.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Điện não đồ được xem như một công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu các hoạt<br /> động chức năng của não nói chung và chẩn đoán các bệnh lý, cũng như các bất<br /> thường của não nói rêng. Thông qua việc theo dõi, phân tích tín hiệu điện não các<br /> bác sĩ chuyên khoa có thể chẩn đoán các cơn co giật của bệnh nhân động kinh hoặc<br /> cũng có thể chẩn đoán hay theo dõi các bệnh lý của não như sa sút trí tuệ Alzheimer,<br /> tình trạng lú lẫn, các chấn thương đầu, các khối u trong não,.. Ngoài ra điện não đồ<br /> còn cho ta khả năng đánh giá rối loạn giấc ngủ, nghiên cứu các giai đoạn vô thức,<br /> theo dõi hoạt động của não trong thời gian phẫu thuật, các trường hợp hôn mê.<br /> Các thiết bị điện não do các hãng lớn chế tạo thường được cập nhật công nghệ<br /> tiên tiến trong các phiên bản tiếp theo, do đó có tính năng ưu việt. Chẳng hạn, thiết<br /> bị điện não mới nhất của hãng Nihon Kohden là Neurofax µ 9100 chỉ bao gồm một<br /> laptop và một function box có kích thước gọn nhẹ [6]. Với việc tích hợp máy tính,<br /> thiết bị này rất mềm dẻo trong việc lưu giữ dữ liệu, in ấn, tích hợp phần mềm phân<br /> tích tín hiệu điện não (Electroencephalography – EEG).<br /> Ở nước ta, các cơ sở y tế từ tuyến huyện hoặc tương đương trở lên đều được<br /> trang bị thiết bị điện não. Tuy nhiên, do điều kiện kinh phí, không phải cơ sở y tế<br /> nào cũng được trang bị thiết bị mới, do đó vẫn sử dụng những thiết bị điện não thế<br /> hệ cũ. Các thiết bị cũ có nhiều hạn chế, một trong số đó là việc lưu trữ dữ liệu trên<br /> giấy bằng bút ghi, điều này gây khó khăn, tốn kém trong quá trình lưu trữ. Hơn<br /> nữa việc lưu trữ dữ liệu trên giấy còn khiến việc theo dõi, phân tích xử lý tín hiệu<br /> điện não của bác sĩ gặp nhiều khó khăn.<br /> Với mục đích nâng cao hiệu quả của các thiết bị điện não thế hê cũ đang được<br /> sử dụng tại nhiều cơ sở y tế, bài báo đề cập đến giải pháp số hóa thiết bị điện não<br /> EEG Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden với mục tiêu là xây dựng cấu hình<br /> phần cứng; xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu điện não EEG 32 kênh; Xây dựng<br /> phần mềm hiển thị và hỗ trợ phân tích tín hiệu điện não.<br /> 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT<br /> 2.1 Đặc điểm của thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K<br /> Thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K được sử dụng để đo và ghi tín hiệu điện<br /> não EEG trên giấy in nhiệt và được sử dụng rất phổ biến trong các bệnh viện ở<br /> <br /> 70 L. Q. Hải, T. N. Quang, …, “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> nước ta vào những năm 2000. Thiết bị này là một sản phẩm của hãng NIHON<br /> KOHDEN- Nhật Bản, đây là nhà sản xuất thiết bị y tế nổi tiếng toàn cầu. Vào thời<br /> điểm đó, đây là một dòng thiết bị tương đối hiện đại và đáp ứng tốt các yêu cầu<br /> khám và chữa bệnh. Tuy nhiên, do nhu cầu chăm sóc sức khỏe của con người ngày<br /> càng cao cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, thiết bị EEG<br /> Neurofax 5521K dần trở nên lạc hậu, dẫn tới nhu cầu thay thế hoặc cải tiến nâng<br /> cấp thiết bị này.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Thiết bị điện não Neurofax 5521K.<br /> Một số tính năng kĩ thuật của thiết bị EEG Neurofax 5521K:<br /> - Khả năng hoạt động : Đo và ghi được 32 kênh tín hiệu điện não.<br /> - Nguồn vào: 220V~240V, 50/60Hz.<br /> - Tự động thu nhận và có thể ghi kết quả liên tục 24h.<br /> - Tần số lấy mẫu có thể lên đến 10.000Hz.<br /> - Tích hợp một máy in nhiệt để ghi kết quả.<br /> - Đầu ra tương tự 32 kênh tương ứng với 32 kênh tín hiệu điện não.<br /> Thiết bị hoạt động ổn định, thao tác đơn giản dễ sử dụng, tín hiệu ra của thiết bị<br /> đã được xử lý qua các bộ lọc, bộ khuếch đại có chất lượng cao nên cho ra dạng<br /> sóng chất lượng tốt, rõ nét, không bị ảnh hưởng nhiều bởi các loại nhiễu công<br /> nghiệp hay nhiễu điện lưới.<br /> Bên cạnh đó, thiết bị này tồn tại một số hạn chế như: Thời gian ghi tín hiệu điện<br /> não có thể kéo dài trong nhiều giờ, vì thế số lượng bản ghi là rất lớn, máy sử dụng<br /> công nghệ lưu dữ liệu bằng giấy in nhiệt dẫn đến chi phí cao; Kích thước máy khá<br /> cồng kềnh.<br /> Từ những đặc điểm kể trên, để thiết bị đáp ứng tốt hơn yêu cầu khám chữa<br /> bệnh, đỏi hỏi cần phải có những cải tiến nhất định. Đầu ra của máy có một cổng<br /> DB37 cho ra tín hiệu tương tự 32 kênh tương ứng với 32 kênh điện não và các tín<br /> hiệu này đã được khuếch đại lên mức điện áp 10V, đây là một thuận lợi để có thể<br /> nâng cấp thiết bị bằng việc thiết kế một bộ thu nhận tín hiệu, kết hợp sử dụng máy<br /> tính số để lưu trữ, xử lý, phân tích dữ liệu thu được.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 71<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 2.2. Giải pháp thực hiện<br /> 2.2.1. Xây dựng cấu hình phần cứng<br /> Từ những nghiên cứu, phân tích ở trên, chúng tôi đề xuất giải pháp phần cứng<br /> cho việc cải tiến thiết bị điện não Neurofax 5521K như được chỉ ra trong hình 2.<br /> Tín hiệu ra tương tự trên thiết bị điện não Neurofax 5521K, đây là tín hiệu EEG đã<br /> được lọc nhiễu và khuếch đại lên mức 10V, được đưa vào máy tính để xử lý thông<br /> qua card PCI 9113A [4]. Tại máy tính nhận có chương trình để thu thập và xử lý<br /> tín hiệu EEG. Tín hiệu sau khi được xử lý được đưa ra màn hình hiển thị hoặc gửi<br /> đến máy in để in kết quả bằng máy in laser thông thường. Cấu hình hệ thống được<br /> chỉ ra trong hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ hệ thống thu thập và xử lý tín hiệu điện não.<br /> Việc kết nối và truyền dữ liệu giữa thiết bị điện não Neurofax 5521K và máy<br /> tính được thực hiện thông card PCI 9113A của Hãng ADlink. Card PCI 9113A,<br /> như được chỉ ra trong hình 3, là một module dùng để thu thập dữ liệu đa năng,<br /> cung cấp khả năng tùy chỉnh cho mạch điện tín hiệu đầu vào.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Card PCI 9113A.<br /> Tín hiệu tương tự 32 kênh lấy ra từ cổng DB37 của máy điện não EEG<br /> Neurofax 5521K sẽ được đưa đến card PCI 9113A. Tại đây, tín hiệu tương tự trên<br /> mỗi kênh có thể xử lý sơ bộ như bù điện áp hoặc lọc nhiễu thông qua các chức<br /> năng có sẵn trên mạch và sau đó sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số.<br /> Phương pháp số hóa tín hiệu EEG sử dụng card PCI 9113A đảm bảo được các<br /> yêu cầu về sai số, độ trễ và chống nhiễu. Thiết bị Neurofax 5521K của hãng Nihon<br /> Kohden là một thiết bị tiêu chuẩn, đạt được các chứng nhận chất lượng khắt khe và<br /> đã được lưu hành trên khắp thế giới. Do đó, tín hiệu EEG được đo bởi thiết bị<br /> <br /> 72 L. Q. Hải, T. N. Quang, …, “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Neurofax 5521K đảm bảo độ chính xác nhất định. Bên cạnh đó, tín hiệu EEG<br /> tương tự tại đầu ra của thiết bị này đã được khuếch đại lên mức 10V. Do đó, mức<br /> độ nhiễu tác động lên tín hiệu khi số hóa bằng card PCI 9113A là rất nhỏ. Với tần<br /> số lấy mẫu là 500S/s, độ trễ lớn nhất trong quá trình số hóa là 0,002s. Mức độ này<br /> không ảnh hưởng đến quá trình phân tích và chẩn đoán bệnh. Card PCI 9113A có<br /> độ phân giải 12 bit đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng số hóa tín hiệu Y<br /> Sinh (bao gồm các loại tín hiệu như: Điện não EEG, điện tim ECG, điện cơ EMG,<br /> điện nhãn đồ EOG, ...).<br /> Bộ phần mềm được cài đặt trên máy tính gồm có hai module: phần mềm thu<br /> thập tín hiệu điện não và phần mềm xử lý tín hiệu điện não. Các thuật toán được<br /> kiểm nghiệm bằng công cụ Matlab, trong khi việc hoàn thiện các phần mềm được<br /> thực hiện bằng công cụ lập trình LabView [5].<br /> 2.2.2. Xây dựng phần mềm thu thập tín hiệu điện não<br /> Module phần mềm thu thập tín hiệu có chức năng điều khiển card PCI 9113A<br /> số hóa các kênh tín hiệu điện não theo các tham số được cài đặt (tần số lấy mẫu, số<br /> kênh, ...). Đồng thời, hiển thị các kênh tín hiệu điện não trên màn hình hỗ trợ bác sĩ<br /> theo dõi trực tiếp mà không cần phải in giấy. Ngoài ra, module phần mềm này cho<br /> phép người dùng chèn các dấu hiệu kích thích vào bản ghi tín hiệu điện não (nhắm,<br /> mở mắt, tín hiệu ánh sáng, …). Lưu đồ thuật toán phần mềm thu thập tín hiệu điện<br /> não được chỉ ra trong hình 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Lưu đồ thuật toán của phần mềm thu thập tín hiệu điện não.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 73<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Trong đó, module khởi tạo có chức năng cấu hình các thông số kĩ thuật cho card<br /> PCI 9113A bao gồm:<br /> - Tốc độ lấy mẫu( 500 Sample/s)<br /> - Số kênh( 32 kênh)<br /> - Mức đầu vào ( 10V)<br /> Module chuyển đổi tương tự số được thực hiện trên card PCI 9113A.<br /> Module chèn các dấu hiệu kích thích. Trong thời gian ghi tín hiệu điện não có<br /> thể có những yếu tố ảnh hưởng đến người bệnh từ đó ảnh hưởng đến bản ghi điện<br /> não đồ, đó là những yếu tố về sinh lý như mở mắt, nhắm mắt, ánh sáng thay đổi,<br /> HV. Vì vậy, module này cho phép bác sĩ có thể chèn những dấu hiệu để đánh dấu<br /> những thời điểm mà có yếu tố kích thích tác động đến bệnh nhân, giúp thuận tiện<br /> cho quá trình đọc và phân tích bản ghi sau này.<br /> Module lưu dữ liệu. Sau khi chèn các dấu hiệu kích thích, chúng tôi thu được<br /> một bộ dữ liệu EEG hoàn chỉnh 32 kênh, tiếp theo, dữ liệu được lưu thành một<br /> mảng [X×32] dùng cho phân tích sau này, trong đó 32 cột tương ứng là 32 kênh dữ<br /> liệu, X là số hàng tương ứng với số mẫu ghi dữ liệu của 32 kênh, giá trị của X có<br /> thể rất lớn tùy thuộc vào thời gian ghi dữ liệu.<br /> Module hiển thị 32 kênh EEG. Việc hiển thị tín hiệu EEG giúp bác sĩ dễ dàng<br /> kiểm tra phát hiện những bất thường trong quá trình ghi dữ liệu, từ đó có hướng<br /> giải quyết phù hợp. Từ bộ dữ liệu EEG cần phải tách thành 32 kênh riêng biệt sau<br /> đó hiển thị từng kênh trên màn hình.<br /> 2.2.3. Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu điện não<br /> Module phần mềm xử lý tín hiệu có chức năng xử lý, phân tích dữ liệu từ đó<br /> tính toán các thông số như biên độ, tần số của tín hiệu điện não. Dựa vào các thông<br /> số này kết hợp hình ảnh điện não đồ, bác sĩ có thể đưa ra quyết định chẩn đoán.<br /> Lưu đồ thuật toán phần mềm phân tích xử lý tín hiệu điện não được trình bày<br /> trong hình 5. Tín hiệu điện não không phải là một dao động tuần hoàn mà bao gồm<br /> nhiều đoạn sóng có tần số và biên độ dao động khác nhau [1]. Đối với dạng tín<br /> hiệu biến đổi không theo quy luật như tín hiệu điện não thì việc tính toán tần số,<br /> biên độ dao động thường dựa theo phương pháp tìm từng đỉnh sóng của tín hiệu,<br /> khoảng thời gian giữa 2 đỉnh sóng liên tiếp là một chu kỳ của tín hiệu, trung bình<br /> của tất cả các khoảng thời gian này sẽ là chu kỳ dao động trung bình của đoạn tín<br /> hiệu điện não và từ đó, ta sẽ tìm được tần số trung bình của tín hiệu. Dựa vào các<br /> đỉnh sóng ta cũng sẽ tìm được các thông số về biên độ dao động của tín hiệu.<br /> Module trích tín hiệu. Dữ liệu từ bản ghi tín hiệu EEG thường rất lớn nên việc<br /> phân tích tín hiệu trên cả bản ghi không hiệu quả. Chính vì thế, cần chọn ra một<br /> khoảng tín hiệu có ý nghĩa như một khoảng tín hiệu không bị nhiễu lớn, khoảng tín<br /> hiệu bất thường, … để phân tích tìm ra các tham số của tín hiệu.<br /> Module cắt một đoạn tín hiệu. Đặc điểm của tín hiệu điện não là các sóng alpha,<br /> theta, delta thường xuất hiện từng cụm, vì thế, cần có chương trình để chọn và cắt<br /> một đoạn tín hiệu ngắn tìm ra tần số, biên độ của sóng điện não trong đoạn đó.<br /> Module lọc trung bình. Do thuật toán tính tần số của tín hiệu dựa trên việc tìm<br /> ra khoảng cách của những điểm biến thiên hay chính là những đỉnh sóng của tín<br /> hiệu điện não, vì thế, những gợn sóng nhỏ hay những điểm biến thiên rất nhỏ<br /> <br /> 74 L. Q. Hải, T. N. Quang, …, “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> không phải là đỉnh sóng của tín hiệu sẽ làm sai lệch kết quả tính toán tần số. Hàm<br /> lọc trung bình sẽ khắc phục được nhược điểm này. Việc thực hiện lọc trung bình<br /> được thực hiện dựa vào phương trình (1) [2].<br /> (1)<br /> Trong đó: - x là tín hiệu EEG gốc;<br /> - n là số mẫu tín hiệu gốc;<br /> - y là tín hiệu EEG sau lọc;<br /> - k là số mẫu lấy giá trị trung bình;<br /> - i,j là các chỉ số i=1÷ n/k; j=1÷k<br /> <br /> Theo phương trình (1) hàm lọc trung bình sẽ lấy giá trị trung bình của k mẫu<br /> liên tiếp nhau, tập hợp của những giá trị trung bình này sẽ tạo nên một đoạn tín<br /> hiệu mới mà có dạng tương tự như tín hiệu cũ nhưng có số mẫu giảm đi k lần.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Lưu đồ thuật toán phân tích, xử lý tín hiệu điện não.<br /> Module tìm các đỉnh sóng của tín hiệu. Tín hiệu điện não bao gồm nhiều dạng<br /> sóng não khác nhau như sóng não alpha, beta, theta hay nhịp Muy rolando và các<br /> dạng sóng não này có chu kỳ, tần số dao động khác nhau nên để tính chu kỳ cho<br /> một đoạn tín hiệu chứa nhiều thành phần sóng khác nhau thì ta phải tính thời gian<br /> của từng chu kỳ dao động, chính là khoảng thời gian giữa các đỉnh sóng liên tiếp<br /> nhau. Tại những điểm là đỉnh sóng của tín hiệu thì giá trị của biên độ sẽ có sự biến<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 75<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> thiên đảo chiều theo hướng từ dương chuyển sang âm [3]. Theo đó, chúng tôi đưa<br /> ra công thức so sánh (2) để tìm ra đỉnh sóng.<br /> Điểm i+1 là đỉnh sóng nếu:<br /> ∆xi>0 và ∆xi+1