Luận án: Phân tích tín hiệu điện não bằng Sample Entropy hỗ trợ phát hiện động kinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN NGỌC QUANG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỬA SỔ TRƯỢT ENTROPY MẪU (SAMPLE ENTROPY) HỖ TRỢ PHÁT HIỆN BỆNH ĐỘNG KINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2022 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN NGỌC QUANG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỬA SỔ TRƯỢT ENTROPY MẪU (SAMPLE ENTROPY) HỖ TRỢ PHÁT HIỆN BỆNH ĐỘNG KINH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Nguyễn Huy Hoàng Hà Nội – Năm 2022 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.

Hà Nội ngày tháng năm 2022 Tác giả Trần Ngọc Quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Bộ môn Điện tử Y sinh, khoa Kỹ Thuật Điều Khiển, Học viện Kỹ Thuật Quân Sự. Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Văn Thuận, TS.

Nguyễn Huy Hoàng đã tận tình hướng dẫn về học thuật, kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp ở Bộ môn Điện tử Y sinh- Học viện Kỹ thuật Quân sự đã chia sẻ công việc, đóng góp những ý kiến quý báu và tạo các điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Trần Ngọc Quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.

6 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC. 7 DANH MỤC HÌNH VẼ. 8 DANH MỤC BẢNG. Mục tiêu của luận án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Đóng góp mới của luận án.

Bố cục luận án. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN NÃO ĐỒ TRONG ĐỘNG KINH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Bản ghi điện não đồ.

Vị trí bố trí các điện cực để ghi tín hiệu EEG. Ðặc điểm của EEG. Nhiễu trong điện não đồ. Điện não đồ và động kinh.

Khái niệm về cơn động kinh. Vai trò của EEG trong việc xác định động kinh. Điện não đồ trong cơn động kinh.24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một số phương pháp phân tích tín hiệu điện não.

Phân tích các đặc trưng của EEG dựa trên phân tích thời gian-tần số. Phân tích các đặc trưng của EEG dựa trên hình thái của đỉnh sóng. Dữ liệu phân tích sử dụng trong luận án. Bộ dữ liệu 1.

Bộ dữ liệu 2. Kết luận chương 1. LÝ THUYẾT HỖN LOẠN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG HỌC PHI TUYẾN ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO. Lý thuyết hỗn loạn.

Điện não đồ mô tả hành vi một hệ động học phức tạp. Hệ động học phi tuyến. Ứng dụng lý thuyết hỗn loạn phân tích tín hiệu điện não. Xây dựng vùng thu hút tín hiệu EEG.

Tính kích thước tương quan của vùng thu hút trong phân tích tín hiệu EEG dùng phát hiện bệnh động kinh. Khái niệm và cách tiếp cận Entropy. Entropy xấp xỉ (AE - Approximate Entropy) .5 Thuật toán tính SE tín hiệu điện não. Ứng dụng Entropy trong phân tích tín hiệu điện não.

SE Entropy của tín hiệu mô hình. SE tín hiệu điện não thực .57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Kết luận chương 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN CÁC CƠN VÀ VÙNG KHỞI PHÁT ĐỘNG KINH.

Phát hiện các cơn động kinh bằng phương pháp đánh giá SE. Cơ sở xác định điểm khởi phát và kết thúc cơn động kinh. Thuật toán tự động phát hiện cơn động kinh sử dụng cửa sổ trượt SE 65 3. Lựa chọn tham số cho thuật toán.

Lựa chọn số lượng mẫu tối ưu để tính SE. Lựa chọn độ rộng cửa sổ Entropy. Lựa chọn ngưỡng và thuật và toán ghép cơn. Thuật toán xử lý đa kênh khoanh vùng khởi phát cơn động kinh.

Kết luận chương 3. PHÂN TÍCH DỮ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. Kết quả phân tích dữ liệu .2 Thời gian xử lý dữ liệu. Đánh giá kết quả nghiên cứu.

Đánh giá hiệu suất của thuật toán. So sánh kết quả nghiên cứu với một số nghiên cứu khác. Kết luận chương 4. 98 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN ÁN.

100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Mã thuật toán tính SE entropy. Mã thuật toán tìm cơn động kinh.

120 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ACC Accuracy. AE Approximate Entropy. Entropy xấp xỉ ANN Artificial Neural Network. Mạng nơron nhân tạo.

Discrete wavelet DWT Biến đổi Wavelet rời rạc. ELM Extreme learning machine. FHWA First Half Wave Amplitude. Biên độ cạnh trước.

SHWA Second Half Wave Amplitude. Biên độ cạnh sau. FHWD First Half Wave Duration. Thời gian tồn tại cạnh trước.

FHWS First Half Wave Slope. Độ dốc cạnh trước. Short-time Fourier transform. Biến đổi Fourier thời gian STFT ngắn.

SVM Support Vector Machine. Máy Vector hỗ trợ. Improved Correlation-based Cải thiện tương quan dựa trên ICFS Feature Selection. lựa chọn đặc trưng.

SE Sample Entropy. Độ nhạy SEL Selectivity. Độ chọn lọc SHWD Second Half Wave Duration. Thời gian tồn tại cạnh sau.

SHWS Second Half Wave Slope. Độ dốc cạnh sau. Độ xác định SVM Support vector machine. Máy vectơ hỗ trợ.

SWD Spike and wave discharge. Phóng điện sóng nhọn. WT Wavelet transform Biến đổi Wavelet. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Diễn giải Wa ,b Phép biến đổi Wavelet liên tục τ Khoảng giữ chậm tín hiệu.

q Vector trạng thái của hệ thống. C   Giá trị tích phân tương quan Dc Kích thước tương quan P(i) Xác suất của sự kiện i SD Độ lệch chuẩn. Số lượng trung bình gần nhau của đối tượng trong bán kính r  m (r ) trong phép tínhEntropy Crm (i) Xác suất rơi vào hình cầu i trong phép tính Entropy Dmax (i) Độ lệch lớn nhất trong từng cửa sổ SE SE max (i ) Giá trị SE lớn nhất trong cửa sổ thứ i. SEmin (i ) Giá trị SE nhỏ nhất trong cửa sổ thứ i.

Dmax_ tb Trung bình độ lệch lớn nhất của toàn bộ cửa sổ khảo sát. Dtb Trung bình độ lệch của toàn bộ cửa sổ khảo sát. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Bố trí 21 điện cực theo chuẩn quốc tế 10-20.

Bố trí điện cực điện não mở rộng theo chuẩn 10-20 quốc tế. Các nhịp sóng cơ bản của EEG. Tín hiệu EEG động kinh cơn vắng ý thức. Các họ hàm Wavelet cơ bản.

Biến đổi Wavelet của một số mẫu tín hiệu. Các cơn phóng điện. Các đỉnh sóng của tín hiệu EEG. Các đặc trưng hình thái của đỉnh sóng.

Hình ảnh tín hiệu EEG bình thường. Hình ảnh tín hiệu EEG có các cơn động kinh. Kết quả tái tạo điểm thu hút tín hiệu EEG. Sự phụ thuộc log(C(ε)) vào log(ε) tương ứng với chiều tương quan m.

Sự phụ thuộc Dc vào m. Lịch sử phát triển các khái niệm Entropy. Tín hiệu mô phỏng cơn động kinh và SE đoạn dữ liệu 1. Tín hiệu mô phỏng cơn động kinh và SE đoạn dữ liệu 2.

Tín hiệu mô phỏng cơn động kinh và SE đoạn dữ liệu 3. Tín hiệu mô phỏng cơn động kinh và SE đoạn dữ liệu 4. Biến thiên SE theo thời gian kênh 01 tín hiệu EEG của bản ghi chb01_01_edfm bộ dữ liệu 2 (trích đoạn không có cơn động kinh). Biến thiên SE theo thời gian kênh 02 tín hiệu EEG bản ghi chb02_01_edfm bộ dữ liệu 2 (trích đoạn không có cơn động kinh).

Biến thiên SE theo thời gian tín hiệu EEG bản ghi Z001 bộ dữ liệu 1(bản ghi không có cơn động kinh). 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Biến thiên SE theo thời gian kênh 12 tín hiệu EEG bản ghi chb01_03_edfm bộ dữ liệu 2 (trích đoạn có cơn động kinh từ 2996s-3036s). Biến thiên SE theo thời gian kênh 03 tín hiệu EEG bản ghi chb03_03_edfm bộ dữ liệu 2 (trích đoạn có cơn động kinh từ 432s-501s).

Biến thiên SE theo thời gian tín hiệu EEG bản ghi S002 bộ dữ liệu 1(trích đoạn cơn động kinh). Trích đoạn tín hiệu EEG bản ghi chb01_02 bộ dữ liệu 2 (không có cơn động kinh). Trích đoạn tín hiệu EEG bản ghi chb01_03 bộ dữ liệu 2 (trong cơn động kinh). Biến thiên SE và SE trung bình theo thời gian tín hiệu EEG 23 kênh bản ghi chb01_04_edfm bộ dữ liệu 2.

Biến thiên SE và SE trung bình theo thời gian tín hiệu EEG 23 kênh bản ghi chb03_03_edfm bộ dữ liệu 2. Mô hình thuật toán cửa sổ trượt SE. Lưu đồ thuật toán tự động phát hiện đoạn động kinh.Giao diện nhập dữ liệu của công cụ tìm động kinh tự động. Giao diện công cụ tìm động kinh tự động.

Kết quả phân tích bản ghi chb01_03 với cửa sổ Entropy 2 giây. Kết quả phân tích bản ghi chb01_03 với cửa sổ Entropy 5 giây. Biến thiên SE bản ghi chb05_06 bộ dữ liệu 2 .Mô hình mô phỏng thuật toán lựa chọn ngưỡng và ghép cơn. Lưu đồ thuật toán tách và ghép cơn động kinh.

Lưu đồ thuật toán tự động phát hiện vùng khởi phát động kinh. Kết quả phân tích bộ dữ liệu 1……………………………………. Kết quả phân tích bộ dữ liệu 2……………………………………. 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.

Thông số mô phỏng các đoạn dữ liệu có cơn động kinh. Kết quả phân tích tìm dải ngưỡng. Bảng phân tích số lượng giá trị SE vượt ngưỡng. So sánh hiệu quả lựa chọn ngưỡng.

Bảng dữ liệu bộ dữ liệu 1. Bảng dữ liệu bệnh nhân bộ dữ liệu 2 .