Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên

Luận án đề xuất bộ đặc trưng tín hiệu IHMv nhằm nâng cao độ chính xác phân loại ba phân lớp tưởng tượng vận động chi trên; xây dựng phương pháp phân loại các tín hiệu IHMv theo hướng tăng độ chính xác và số lượng các phân nhóm; xây dựng mô hình hệ thống quyết định các phân lớp IHMv dựa trên bộ thuộc tính và phương pháp phân loại đề xuất.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Xử lý tín hiệu điện não trong tưởng tượng vận động chi trên BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Phúc Ngọc XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TRONG TƯỞNG TƯỢNG VẬN ĐỘNG CHI TRÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Phúc Ngọc XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TRONG TƯỞNG TƯỢNG VẬN ĐỘNG CHI TRÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BÌNH 2. TS. PHẠM HẢI ĐĂNG Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong luận án này là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tập thể giáo viên hướng dẫn Tác giả Phạm Phúc Ngọc LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Bình và thầy đồng hướng dẫn TS. Phạm Hải Đăng. Các thầy là người định hướng cho tôi triển khai các ý tưởng khoa học và luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Anh, Chị, em và các bạn đồng nghiệp tại Bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã tạo điều kiện, định hướng và giúp đỡ để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin cảm ơn Bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật Y sinh, bộ môn Mạch & xử lý tín hiệu Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà nội, khoa Thần kinh Bệnh viện Bạch Mai đã hỗ trợ tôi về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu, các góp ý định hướng nghiên cứu và các kỹ thuật trong y học để tôi hoàn thành tốt công trình nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu EEG&Arm Rehabilitation đã hỗ trợ và cùng tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu điện não tại phòng thí nghiệm. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn Bố mẹ, vợ, con trai và những người thân trong gia đình luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực thực hiện con đường nghiên cứu khoa học. Hà nội ngày ……. tháng …..….năm…… Tác giả Phạm Phúc Ngọc MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU………………………………………………………………………....…...1 CHƢƠNG 1. HỆ THẦN KINH ĐIỀU KHIỂN VẬN ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO ĐỒ LIÊN QUAN VẬN ĐỘNG CỦA ..…...9 NGƢỜI……………………………………………………………….............. 1.1 Hệ thần kinh điều khiển vận động……………………………………….....…...9 1.1.1 Các hoạt động điện của..….12 não…………………………………………. 1.1.2 Điện thế hoạt động………………………………………………....……13 1.1.3 Tạo tín hiệu EEG………………………………………………….. ……14 1.1.4 Hệ thống điều khiển vận động của não……………………………..……18 1.1.5 Tín hiệu điện não đồ liên quan đến tưởng tượng vận động………..……25 1.2 Mô hình xử lý tín hiệu điện não IHMv…………………………………..……27 1.2.1. Xác định vị trí không gian điện cực thu nhận tín hiệu IHMv……………28 1.2.2. Nâng cao tỷ số SNR của tín hiệu…………………………………..……31 1.2.2.1 Tăng cường chất lượng tín hiệu EEG dựa trên việc sử dụng các bộ lọc số có pha bằng không…………………………... …...31 1.2.2.2 Tăng cường chất lượng kênh đo tín hiệu EEG bằng kỹ thuật lọc không ……36 gian……………………………………………... 1.2.2.3 Phân giải các nhóm tín hiệu điện não IHMv (segmentation) từ bản ghi điện não đồ……………………………………....……37 1.3 Kết luận chương………………………………………………………… ……46 i CHƢƠNG 2. PHÁT TRIỂN BỘ ĐẶC TRƢNG MỚI NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÂN LOẠI HỆ THỐNG QUYẾT ĐỊNH BA PHÂN LỚP IHMv ĐẦU RA…...………………………………………………………….. ……48 2.1 Phương pháp định lượng trên miền thời gian – tần số dựa trên biến đổi wavelet…………………………………………………………………... ……53 2.2 Xây dựng bộ các thuộc tính định lượng tín hiệu điều khiển vận động IHMv……………………………………………………………………..……59 2.3 Mô tả bộ cơ sở dữ liệu vận động/tưởng tượng vận động……65 Physionet…….... 2.4 Đề xuất lựa chọn bộ thuộc tính mô tả tín hiệu IHMv bằng phương pháp phân tích phương sai một chiều ANOVA theo chỉ số F và……70 p…………….. 2.4.1 Phương pháp phân tích phương sai một chiều……72 ANOVA…………... 2.4.2 Đề xuất xây dựng bộ đặc trưng lựa chọn bằng phương pháp kiểm định ANOVA theo chỉ số F và p…………………………………...……73 2.5 Kết luận chương………………………………………………………….……78 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP PHÂN LOẠI BA PHÂN LỚP……80 IHMv……. 3.1 Xây dựng vector đặc trưng mô tả tín hiệu điện não IHMv từ bộ đặc trưng đề xuất và cấu trúc các……85 lớp………………………………………………. 3.2 Mô hình máy vector hỗ trợ nhị phân SVM……………………………………87 3.3 Đề xuất xây dựng mô hình phân loại 3IHMv_SVM2 dựa trên mô hình vector học máy phi tuyến (SVM) thực hiện phân lớp ba trạng thái tưởng tượng vận động tay trái, tay phải và nghỉ………………………………...……95 3.4 Mô phỏng và đánh giá khả năng phân loại của bộ phân loại 3IHMv_SMV2…………………………………………………………... ……99 ...