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

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. Q. Hải, T. N. Quang, , “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.” 70 GIẢI PHÁP SỐ HÓA THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO THẾ HỆ CŨ Lương Quang Hải*, Trần Ngọc Quang, Vương Trí Tiếp, Phạm Văn Thuận Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp sử dụng một máy tính PC được gắn một card PCI thu thập dữ liệu 32 kênh đầu vào tương tự, kết hợp với phần mềm được cài đặt trên máy tính để thu thập và xử lý tín hiệu điện não từ một thiết bị điện não thế hệ cũ EEG Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden. Với việc số hóa thiết bị, người dùng có thể lưu trữ dữ liệu lớn trong máy tính, trích chọn những đoạn dữ liệu có ý nghĩa chẩn đoán, in dữ liệu bằng máy in thông thường. Ngoài ra, phần mềm trên máy tính cho phép người dùng trích chọn, co, dãn tín hiệu và hỗ trợ tính toán tần số, biên độ của các sóng , , . Từ khóa: Lọc trung bình, Thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K, Xử lý tín hiệu điện não. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Điện não đồ được xem như một công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu các hoạt động chức năng của não nói chung và chẩn đoán các bệnh lý, cũng như các bất thường của não nói rêng. Thông qua việc theo dõi, phân tích tín hiệu điện não các bác sĩ chuyên khoa có thể chẩn đoán các cơn co giật của bệnh nhân động kinh hoặc cũng có thể chẩn đoán hay theo dõi các bệnh lý của não như sa sút trí tuệ Alzheimer, tình trạng lú lẫn, các chấn thương đầu, các khối u trong não,.. Ngoài ra điện não đồ còn cho ta khả năng đánh giá rối loạn giấc ngủ, nghiên cứu các giai đoạn vô thức, theo dõi hoạt động của não trong thời gian phẫu thuật, các trường hợp hôn mê. Các thiết bị điện não do các hãng lớn chế tạo thường được cập nhật công nghệ tiên tiến trong các phiên bản tiếp theo, do đó có tính năng ưu việt. Chẳng hạn, thiết bị điện não mới nhất của hãng Nihon Kohden là Neurofax µ 9100 chỉ bao gồm một laptop và một function box có kích thước gọn nhẹ [6]. Với việc tích hợp máy tính, thiết bị này rất mềm dẻo trong việc lưu giữ dữ liệu, in ấn, tích hợp phần mềm phân tích tín hiệu điện não (Electroencephalography – EEG). Ở nước ta, các cơ sở y tế từ tuyến huyện hoặc tương đương trở lên đều được trang bị thiết bị điện não. Tuy nhiên, do điều kiện kinh phí, không phải cơ sở y tế nào cũng được trang bị thiết bị mới, do đó vẫn sử dụng những thiết bị điện não thế hệ cũ. Các thiết bị cũ có nhiều hạn chế, một trong số đó là việc lưu trữ dữ liệu trên giấy bằng bút ghi, điều này gây khó khăn, tốn kém trong quá trình lưu trữ. Hơn nữa việc lưu trữ dữ liệu trên giấy còn khiến việc theo dõi, phân tích xử lý tín hiệu điện não của bác sĩ gặp nhiều khó khăn. Với mục đích nâng cao hiệu quả của các thiết bị điện não thế hê cũ đang được sử dụng tại nhiều cơ sở y tế, bài báo đề cập đến giải pháp số hóa thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden với mục tiêu là xây dựng cấu hình phần cứng; xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu điện não EEG 32 kênh; Xây dựng phần mềm hiển thị và hỗ trợ phân tích tín hiệu điện não. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Đặc điểm của thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K Thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K được sử dụng để đo và ghi tín hiệu điện não EEG trên giấy in nhiệt và được sử dụng rất phổ biến trong các bệnh viện ở Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 71 nước ta vào những năm 2000. Thiết bị này là một sản phẩm của hãng NIHON KOHDEN- Nhật Bản, đây là nhà sản xuất thiết bị y tế nổi tiếng toàn cầu. Vào thời điểm đó, đây là một dòng thiết bị tương đối hiện đại và đáp ứng tốt các yêu cầu khám và chữa bệnh. Tuy nhiên, do nhu cầu chăm sóc sức khỏe của con người ngày càng cao cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, thiết bị EEG Neurofax 5521K dần trở nên lạc hậu, dẫn tới nhu cầu thay thế hoặc cải tiến nâng cấp thiết bị này. Hình 1. Thiết bị điện não Neurofax 5521K. Một số tính năng kĩ thuật của thiết bị EEG Neurofax 5521K: - Khả năng hoạt động : Đo và ghi được 32 kênh tín hiệu điện não. - Nguồn vào: 220V~240V, 50/60Hz. - Tự động thu nhận và có thể ghi kết quả liên tục 24h. - Tần số lấy mẫu có thể lên đến 10.000Hz. - Tích hợp một máy in nhiệt để ghi kết quả. - Đầu ra tương tự 32 kênh tương ứng với 32 kênh tín hiệu điện não. Thiết bị hoạt động ổn định, thao tác đơn giản dễ sử dụng, tín hiệu ra của thiết bị đã được xử lý qua các bộ lọc, bộ khuếch đại có chất lượng cao nên cho ra dạng sóng chất lượng tốt, rõ nét, không bị ảnh hưởng nhiều bởi các loại nhiễu công nghiệp hay nhiễu điện lưới. Bên cạnh đó, thiết bị này tồn tại một số hạn chế như: Thời gian ghi tín hiệu điện não có thể kéo dài trong nhiều giờ, vì thế số lượng bản ghi là rất lớn, máy sử dụng công nghệ lưu dữ liệu bằng giấy in nhiệt dẫn đến chi phí cao; Kích thước máy khá cồng kềnh. Từ những đặc điểm kể trên, để thiết bị đáp ứng tốt hơn yêu cầu khám chữa bệnh, đỏi hỏi cần phải có những cải tiến nhất định. Đầu ra của máy có một cổng DB37 cho ra tín hiệu tương tự 32 kênh tương ứng với 32 kênh điện não và các tín hiệu này đã được khuếch đại lên mức điện áp 10V, đây là một thuận lợi để có thể nâng cấp thiết bị bằng việc thiết kế một bộ thu nhận tín hiệu, kết hợp sử dụng máy tính số để lưu trữ, xử lý, phân tích dữ liệu thu được. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. Q. Hải, T. N. Quang, , “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.” 72 2.2. Giải pháp thực hiện 2.2.1. Xây dựng cấu hình phần cứng Từ những nghiên cứu, phân tích ở trên, chúng tôi đề xuất giải pháp phần cứng cho việc cải tiến thiết bị điện não Neurofax 5521K như được chỉ ra trong hình 2. Tín hiệu ra tương tự trên thiết bị điện não Neurofax 5521K, đây là tín hiệu EEG đã được lọc nhiễu và khuếch đại lên mức 10V, được đưa vào máy tính để xử lý thông qua card PCI 9113A [4]. Tại máy tính nhận có chương trình để thu thập và xử lý tín hiệu EEG. Tín hiệu sau khi được xử lý được đưa ra màn hình hiển thị hoặc gửi đến máy in để in kết quả bằng máy in laser thông thường. Cấu hình hệ thống được chỉ ra trong hình 2. Hình 2. Sơ đồ hệ thống thu thập và xử lý tín hiệu điện não. Việc kết nối và truyền dữ liệu giữa thiết bị điện não Neurofax 5521K và máy tính được thực hiện thông card PCI 9113A của Hãng ADlink. Card PCI 9113A, như được chỉ ra trong hình 3, là một module dùng để thu thập dữ liệu đa năng, cung cấp khả năng tùy chỉnh cho mạch điện tín hiệu đầu vào. Hình 3. Card PCI 9113A. Tín hiệu tương tự 32 kênh lấy ra từ cổng DB37 của máy điện não EEG Neurofax 5521K sẽ được đưa đến card PCI 9113A. Tại đây, tín hiệu tương tự trên mỗi kênh có thể xử lý sơ bộ như bù điện áp hoặc lọc nhiễu thông qua các chức năng có sẵn trên mạch và sau đó sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số. Phương pháp số hóa tín hiệu EEG sử dụng card PCI 9113A đảm bảo được các yêu cầu về sai số, độ trễ và chống nhiễu. Thiết bị Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden là một thiết bị tiêu chuẩn, đạt được các chứng nhận chất lượng khắt khe và đã được lưu hành trên khắp thế giới. Do đó, tín hiệu EEG được đo bởi thiết bị Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 73 Neurofax 5521K đảm bảo độ chính xác nhất định. Bên cạnh đó, tín hiệu EEG tương tự tại đầu ra của thiết bị này đã được khuếch đại lên mức 10V. Do đó, mức độ nhiễu tác động lên tín hiệu khi số hóa bằng card PCI 9113A là rất nhỏ. Với tần số lấy mẫu là 500S/s, độ trễ lớn nhất trong quá trình số hóa là 0,002s. Mức độ này không ảnh hưởng đến quá trình phân tích và chẩn đoán bệnh. Card PCI 9113A có độ phân giải 12 bit đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng số hóa tín hiệu Y Sinh (bao gồm các loại tín hiệu như: Điện não EEG, điện tim ECG, điện cơ EMG, điện nhãn đồ EOG, ...). Bộ phần mềm được cài đặt trên máy tính gồm có hai module: phần mềm thu thập tín hiệu điện não và phần mềm xử lý tín hiệu điện não. Các thuật toán được kiểm nghiệm bằng công cụ Matlab, trong khi việc hoàn thiện các phần mềm được thực hiện bằng công cụ lập trình LabView [5]. 2.2.2. Xây dựng phần mềm thu thập tín hiệu điện não Module phần mềm thu thập tín hiệu có chức năng điều khiển card PCI 9113A số hóa các kênh tín hiệu điện não theo các tham số được cài đặt (tần số lấy mẫu, số kênh, ...). Đồng thời, hiển thị các kênh tín hiệu điện não trên màn hình hỗ trợ bác sĩ theo dõi trực tiếp mà không cần phải in giấy. Ngoài ra, module phần mềm này cho phép người dùng chèn các dấu hiệu kích thích vào bản ghi tín hiệu điện não (nhắm, mở mắt, tín hiệu ánh sáng, ). Lưu đồ thuật toán phần mềm thu thập tín hiệu điện não được chỉ ra trong hình 4. Hình 4. Lưu đồ thuật toán của phần mềm thu thập tín hiệu điện não. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. Q. Hải, T. N. Quang, , “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.” 74 Trong đó, module khởi tạo có chức năng cấu hình các thông số kĩ thuật cho card PCI 9113A bao gồm: - Tốc độ lấy mẫu( 500 Sample/s) - Số kênh( 32 kênh) - Mức đầu vào ( 10V) Module chuyển đổi tương tự số được thực hiện trên card PCI 9113A. Module chèn các dấu hiệu kích thích. Trong thời gian ghi tín hiệu điện não có thể có những yếu tố ảnh hưởng đến người bệnh từ đó ảnh hưởng đến bản ghi điện não đồ, đó là những yếu tố về sinh lý như mở mắt, nhắm mắt, ánh sáng thay đổi, HV. Vì vậy, module này cho phép bác sĩ có thể chèn những dấu hiệu để đánh dấu những thời điểm mà có yếu tố kích thích tác động đến bệnh nhân, giúp thuận tiện cho quá trình đọc và phân tích bản ghi sau này. Module lưu dữ liệu. Sau khi chèn các dấu hiệu kích thích, chúng tôi thu được một bộ dữ liệu EEG hoàn chỉnh 32 kênh, tiếp theo, dữ liệu được lưu thành một mảng [X×32] dùng cho phân tích sau này, trong đó 32 cột tương ứng là 32 kênh dữ liệu, X là số hàng tương ứng với số mẫu ghi dữ liệu của 32 kênh, giá trị của X có thể rất lớn tùy thuộc vào thời gian ghi dữ liệu. Module hiển thị 32 kênh EEG. Việc hiển thị tín hiệu EEG giúp bác sĩ dễ dàng kiểm tra phát hiện những bất thường trong quá trình ghi dữ liệu, từ đó có hướng giải quyết phù hợp. Từ bộ dữ liệu EEG cần phải tách thành 32 kênh riêng biệt sau đó hiển thị từng kênh trên màn hình. 2.2.3. Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu điện não Module phần mềm xử lý tín hiệu có chức năng xử lý, phân tích dữ liệu từ đó tính toán các thông số như biên độ, tần số của tín hiệu điện não. Dựa vào các thông số này kết hợp hình ảnh điện não đồ, bác sĩ có thể đưa ra quyết định chẩn đoán. Lưu đồ thuật toán phần mềm phân tích xử lý tín hiệu điện não được trình bày trong hình 5. Tín hiệu điện não không phải là một dao động tuần hoàn mà bao gồm nhiều đoạn sóng có tần số và biên độ dao động khác nhau [1]. Đối với dạng tín hiệu biến đổi không theo quy luật như tín hiệu điện não thì việc tính toán tần số, biên độ dao động thường dựa theo phương pháp tìm từng đỉnh sóng của tín hiệu, khoảng thời gian giữa 2 đỉnh sóng liên tiếp là một chu kỳ của tín hiệu, trung bình của tất cả các khoảng thời gian này sẽ là chu kỳ dao động trung bình của đoạn tín hiệu điện não và từ đó, ta sẽ tìm được tần số trung bình của tín hiệu. Dựa vào các đỉnh sóng ta cũng sẽ tìm được các thông số về biên độ dao động của tín hiệu. Module trích tín hiệu. Dữ liệu từ bản ghi tín hiệu EEG thường rất lớn nên việc phân tích tín hiệu trên cả bản ghi không hiệu quả. Chính vì thế, cần chọn ra một khoảng tín hiệu có ý nghĩa như một khoảng tín hiệu không bị nhiễu lớn, khoảng tín hiệu bất thường, để phân tích tìm ra các tham số của tín hiệu. Module cắt một đoạn tín hiệu. Đặc điểm của tín hiệu điện não là các sóng alpha, theta, delta thường xuất hiện từng cụm, vì thế, cần có chương trình để chọn và cắt một đoạn tín hiệu ngắn tìm ra tần số, biên độ của sóng điện não trong đoạn đó. Module lọc trung bình. Do thuật toán tính tần số của tín hiệu dựa trên việc tìm ra khoảng cách của những điểm biến thiên hay chính là những đỉnh sóng của tín hiệu điện não, vì thế, những gợn sóng nhỏ hay những điểm biến thiên rất nhỏ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 75 không phải là đỉnh sóng của tín hiệu sẽ làm sai lệch kết quả tính toán tần số. Hàm lọc trung bình sẽ khắc phục được nhược điểm này. Việc thực hiện lọc trung bình được thực hiện dựa vào phương trình (1) [2]. (1) Trong đó: - x là tín hiệu EEG gốc; - n là số mẫu tín hiệu gốc; - y là tín hiệu EEG sau lọc; - k là số mẫu lấy giá trị trung bình; - i,j là các chỉ số i=1÷ n/k; j=1÷k Theo phương trình (1) hàm lọc trung bình sẽ lấy giá trị trung bình của k mẫu liên tiếp nhau, tập hợp của những giá trị trung bình này sẽ tạo nên một đoạn tín hiệu mới mà có dạng tương tự như tín hiệu cũ nhưng có số mẫu giảm đi k lần. Hình 5. Lưu đồ thuật toán phân tích, xử lý tín hiệu điện não. Module tìm các đỉnh sóng của tín hiệu. Tín hiệu điện não bao gồm nhiều dạng sóng não khác nhau như sóng não alpha, beta, theta hay nhịp Muy rolando và các dạng sóng não này có chu kỳ, tần số dao động khác nhau nên để tính chu kỳ cho một đoạn tín hiệu chứa nhiều thành phần sóng khác nhau thì ta phải tính thời gian của từng chu kỳ dao động, chính là khoảng thời gian giữa các đỉnh sóng liên tiếp nhau. Tại những điểm là đỉnh sóng của tín hiệu thì giá trị của biên độ sẽ có sự biến Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. Q. Hải, T. N. Quang, , “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.” 76 thiên đảo chiều theo hướng từ dương chuyển sang âm [3]. Theo đó, chúng tôi đưa ra công thức so sánh (2) để tìm ra đỉnh sóng. Điểm i+1 là đỉnh sóng nếu: ∆xi>0 và ∆xi+1<=0 (2) Trong đó: - ∆xi = xi+1 - xi - i = 1 ÷ n, với n là số mẫu của tín hiệu - x là giá trị tín hiệu điện não của mẫu tương ứng. Module tính tần số của tín hiệu. Khi đã tìm ra các đỉnh sóng thì việc tính toán tần số của tín hiệu trở nên đơn giản dựa trên phương trình (3). (3) Trong đó: index_peak i là chỉ số của mẫu tín hiệu điện não tương ứng với đỉnh thứ i. Fs là tần số lấy mẫu tín hiệu. Trong thực nghiệm Fs =500 sample/s. Đối với một đoạn tín hiệu điện não có n chu kỳ dao động thì tần số trung bình ftb của đoạn tín hiệu được tính theo phương trình (4). (4) Module tính biên độ dao động của tín hiệu. Khi đã tìm ra các đỉnh sóng thì cũng xác định được biên độ tín hiệu tại điểm đấy, từ đó xác định được biên độ dao động lớn nhất, biên độ dao động nhỏ nhất, biên độ dao động trung bình. Phương trình (5) chỉ ra các tính biên độ dao động trung bình trong một đoạn tín hiệu có n chu kỳ dao động. (5) Trong đó: A là biên độ của tín hiệu. Atb là biên độ dao động trung bình. là biên độ tín hiệu tương ứng với đỉnh sóng thứ i. n là số chu kì dao động 3. CÁC KẾT QUẢ Hình 6. Tín hiệu gốc và tín hiệu đã xử lý để tính toán. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 77 Các nghiên cứu trong bài báo này đã được thử nghiệm và áp dụng thực tiễn tại Bộ môn Sinh lý – Trường Đại học Y Hà Nội. Hình 6 là kết quả xử lý tín hiệu EEG của bệnh nhân TÂN THỊ HẢI ghi ngày 13/08/2013 lúc 10:20 ở kênh số 6. Tần số lớn nhất: fmax=16.7 Hz; Tần số nhỏ nhất: fmin=9.1 Hz; Tần số trung bình: ftb=11.1 Hz; Biên độ lớn nhất: Amax=101mV; Biên độ nhỏ nhất: Amin= -2.54mV; Biên độ trung bình: Atb= 4mV. Tương tự, với bệnh nhân LÊ THỊ NGỌC TRANG ghi ngày 13/08/2013 lúc 10:51 ở kênh số 6, các kết quả là: Tần số lớn nhất: fmax=50 Hz; Tần số nhỏ nhất: fmin=9.1 Hz; Tần số trung bình: ftb=13.5 Hz; Biên độ lớn nhất: Amax=5.28 mV; Biên độ nhỏ nhất: Amin= -5.28 mV; Biên độ trung bình: Atb= 1.22 mV. Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu điện não được chỉ ra trong hình 7. Trên giao diện này có thể hiển thị đồng thời tất cả các kênh tín hiệu điện não. Ngoài ra, người sử dụng có thể chèn các dấu hiệu khi có tín hiệu kích thích. Hình 7. Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu điện não. Hình 8. Hình ảnh phân tích tín hiệu trên kênh 1 và kênh 4. Hình 8 minh họa giao diện của phần mềm phân tích tín hiệu điện não. Trên phần mềm, người dùng có thể trích chọn các đoạn tín hiệu cần phân tích và tự động tính toán tần số, biên độ tín hiệu trong đoạn tín hiệu được trích chọn. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. Q. Hải, T. N. Quang, , “Giải pháp số hóa thiết bị đo tín hiệu điện não thế hệ cũ.” 78 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất một giải pháp tổng thể để số hóa một thiết bị điện não thế hệ cũ. Từ khâu khảo sát tín hiệu, xây dựng cấu hình phần cứng, đến khâu xây dựng phần mềm. Kết quả của nghiên cứu là đã cải tiến thành công thiết bị điện não EEG Neurofax 5521K của hãng Nihon Kohden, với những tính năng mềm dẻo và ưu việt tương đương thiết bị điện não thế hệ mới như: tiết kiệm được một lượng lớn giấy in nhiệt (việc đo tín hiệu EEG thường kéo dài trong một khoảng thời gian lớn, có trường hợp đo EEG qua đêm) do được lưu giữ và hiển thị trên máy tính, người dùng có thể in những đoạn tín hiệu cần quan tâm; dữ liệu lưu trên máy tính sẽ cung cấp bộ cơ sở dữ liệu EEG có thể sử dụng trong nghiên cứu khoa học và đào tạo; phần mềm cũng hỗ trợ việc phân tích tín hiệu EEG như tính toán biên độ, tần số các sóng , ,  của tín hiệu EEG. Ngoài ra, việc cải tiến thành công thiết bị EEG Neurofax 5521K đồng nghĩa với việc thực hiện được một số công đoạn trong định hướng chế tạo thiết bị điện não trong nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Saeid Sanei and J.A. Chambers, “EEG signal processing,” John Wiley & Sons, Ltd (2007). [2]. Azami, Hamed, Karim Mohammadi, and Behzad Bozorgtabar. "An Improved Signal Segmentation Using Moving Average and Savitzky-Golay Filter." Journal of Signal and Information Processing, Vol 3, No. 1 (2012), pp. 39. [3]. PALSHIKAR, G., et al. “Simple algorithms for peak detection in time-series”. In: Proc. 1st Int. Conf. Advanced Data Analysis, Business Analytics and Intelligence, (2009), p. 1-13. [4]. ADLINK technology, Inc. “Datasheet of PCI-9113A”. (2012). [5]. National Instruments Corporation. “LabView Basics II: Development Course Manual”. (2007) [6]. ABSTRACT THE DIGITALIZE SOLUTION FOR OLD ELECTROENCEPHALOGRAPHY DEVICE In this paper, the digitalize solution for an old electroencephalography device, EEG Neurofax 5521K is presented. A card PCI embedded personal computer is used to acquire EEG signal from the EEG Neurofax 5521K device. After digitalizing, user can store big data of EEG signal on computer, extract data segments which has meaning for diagnosis, print data by laser printer. In addition, software on computer calculates frequencies and amplitudes of , ,  waves, this supports doctors to diagnose disease. Keywords: Moving average filter, EEG Neurofax 5521K device, EEG signal processing. Nhận bài ngày 24 tháng 01 năm 2017 Hoàn thiện ngày 04 tháng 4 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 4 năm 2017 Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự - 236 Hoàng Quốc Việt – Bắc Từ Liêm – Hà Nội. *Email: luonghai@mta.edu.vn