Tài liệu Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện tử phát triển phương pháp phân tích định lượng tín hiệu iemg chi trên hỗ trợ chẩn đoán bệnh lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MẠNH HÙNG PHÁT TRIỂN PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƢỢNG TÍN HIỆU iEMG CHI TRÊN HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH LÝ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2016 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MẠNH HÙNG PHÁT TRIỂN PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƢỢNG TÍN HIỆU iEMG CHI TRÊN HỖ TRỢ CHẨN ĐOÁN BỆNH LÝ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG Hà Nội - 2016 ii 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 chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả PGS.TS Nguyễn Văn Khang Phạm Mạnh Hùng Tiếng việt: [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Tiếng anh: A [7], [8], [9], [10], [11], B [12], [13], [14] C [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], D [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], E [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], F [43], [44], [45], [46], G [47], [48], [49], [50], H [51], I [52], J [53], [54], [55], [56], K [57], [58], [59], [60], [61], L [62].., M [63], [64], [65], [66], N [67], [68], O [69], P [70], Q .., R [71], [72], [73], [74], S [75], [76], [77], [78], [79], T [80], [81], [82], [83], [84], U [85], [86], V [87], Y .., W [88]. iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS. Nguyễn Văn Khang. Thầy là ngƣời đã định hƣớng cho tôi triển khai các ý tƣởng khoa học, luôn tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Đức Thuận, các Anh, Chị, em và các bạn đồng nghiệp thuộc Bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật y sinh, Viện Điện Tử - Viễn Thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, định hƣớng, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Đặc biệt tôi xin cảm ơn Bộ môn Công nghệ Điện tử & Kỹ thuật Y sinh, Bộ môn Điện tử & Kỹ thuật máy tính viện Điện Tử - Viễn Thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và Phòng xét nghiệm Điện cơ đồ Bệnh viện Lão Khoa Trung Ƣơng đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và các góp ý định hƣớng nghiên cứu 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 và viện Điện Tử - Viễn Thông trƣờng 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 EMGLabvn đã hỗ trợ và tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lƣờng, phân tích tín hiệu tại các cơ sở y tế và phòng thí nghiệm. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những ngƣời thân luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong công việc và nghiên cứu khoa học. Hà Nội, ngày tháng Tác giả năm 2016 Phạm Mạnh Hùng iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT.......................................... ix DANH MỤC BẢNG ........................................................................... xi DANH MỤC HÌNH ........................................................................... xii MỞ ĐẦU ...............................................................................................1 Mục đích của nghiên cứu.................................................................................... 1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án.................................................................... 3 Các vấn đề cần giải quyết của luận án ........................................................... 3 Phạm vi nghiên cứu của luận án ......................................................................... 4 Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 4 Cấu trúc luận án .................................................................................................. 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án......................................................... 6 Các đóng góp chính của luận án ......................................................................... 6 CHƢƠNG 1. TÍN HIỆU ĐIỆN CƠ - ỨNG DỤNG LÂM SÀNG .......8 1.1. Sinh lý đơn vị vận động và nguồn gốc tín hiệu điện cơ .............................. 8 1.1.1. Tóm lược giải phẫu hệ thần kinh - cơ ................................................... 8 1.1.2. Tóm lược về giải phẫu cơ vân............................................................... 9 1.1.3. Tóm lược về giải phẫu của thần kinh vận động.................................. 11 1.1.4. Đơn vị vận động .................................................................................. 12 1.1.5. Nguồn gốc của tín hiệu điện cơ .......................................................... 14 1.1.5.1. Phản ứng hóa điện của synap thần kinh - cơ ........................................ 14 1.1.5.2. Điện thế màng tế bào ............................................................................ 15 1.2. Ứng dụng điện cơ đồ trong lâm sàng ........................................................ 16 1.2.1. Bệnh yếu cơ ......................................................................................... 16 1.2.2. Xét nghiệm điện cơ đồ......................................................................... 17 1.2.3. Các khái niệm của tín hiệu iEMG dùng trong chẩn đoán .................. 19 1.2.3.1. Điện thế kim đâm ................................................................................. 19 v 1.2.3.2. Điện thế tự phát .................................................................................... 20 1.2.3.3. Điện thế hoạt động của đơn vị vận động .............................................. 21 1.2.3.4. Tín hiệu kết tập điện thế hoạt động ...................................................... 22 1.2.4. Dấu hiệu bệnh lý trong tín hiệu iEMG ở các chi................................ 23 1.3. Phƣơng pháp phân tích định lƣợng tín hiệu điện cơ ................................. 24 1.3.1. Các kỹ thuật QEMG đang được ứng dụng hiện nay .......................... 24 1.3.2. Nhiệm vụ của nghiên cứu này ............................................................. 28 1.4. Kết chƣơng ................................................................................................ 29 CHƢƠNG 2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÙ HỢP ĐỂ TIỀN XỬ LÝ TÍN HIỆU iEMG CHI .........................................................................30 2.1. Thu nhận và các thông số cơ bản của tín hiệu điện cơ .............................. 30 2.1.1. Phương pháp thu nhận tín hiệu EMG ................................................. 30 2.1.1.1. Thu nhận tín hiệu sEMG ...................................................................... 31 2.1.1.2. Thu nhận tín hiệu iEMG ....................................................................... 32 2.1.2. Đặc tính của tín hiệu EMG ................................................................. 32 2.2. Các yếu tố gây suy giảm chất lƣợng tín hiệu EMG .................................. 34 2.2.1. Nhiễu ................................................................................................... 34 2.2.2. Suy giảm chất lượng do mạch thu nhận ............................................. 34 2.3. Các giải pháp tăng cƣờng tín hiệu EMG bằng phần cứng ........................ 35 2.4. Khảo sát khả năng triệt nhiễu của mạch đo ............................................... 36 2.4.1. Mô tả thiết kế của mạch đo khảo sát tín hiệu EMG ........................... 37 2.4.1.1. Khối khuếch đại và triệt nhiễu đồng pha .............................................. 38 2.4.1.2. Khối các bộ lọc tƣơng tự ...................................................................... 39 2.4.1.3. Khối chuyển đổi tƣơng tự - số tín hiệu ................................................. 41 2.4.1.4. Khối cách ly nguồn với đối tƣợng đo ................................................... 41 2.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu đo ............................. 42 2.5. Giải pháp tiền xử lý tín hiệu iEMG số ...................................................... 44 2.5.1. Phân tích lựa chọn loại bộ lọc số ....................................................... 44 2.5.2. So sánh giải pháp lựa chọn với giải pháp thường dùng..................... 47 vi 2.6. Kết chƣơng ................................................................................................ 49 CHƢƠNG 3. PHÁT TRIỂN PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƢỢNG TÍN HIỆU iEMG CHI .........................................................51 3.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 51 3.2. Phát triển phƣơng pháp tự động xác định các thành phần có ý nghĩa trong tín hiệu iEMG chi ............................................................................................. 55 3.2.1. Một số giải pháp phân tách các APS đã được giới thiệu ................... 56 3.2.2.1. Phƣơng pháp 1: Phân tách APS sử dụng cửa sổ cố định ...................... 56 3.2.2.2. Phƣơng pháp 2: Phân tách APS sử dụng tín hiệu Trigơ ....................... 57 3.2.2.3. Phƣơng pháp 3: Phân tách APS sử dụng biến đổi Wavelet .................. 58 3.2.2.4. Phƣơng pháp 4: Phân tách APS sử dụng tín hiệu biến động ................ 59 3.2.2.5. Đánh giá các phƣơng pháp phân tách đã đƣợc giới thiệu .................... 60 3.2.2. Phương pháp tự động xác định các thành phần có ý nghĩa chẩn đoán được phát triển .............................................................................................. 61 3.2.2.1. Tự động xác định các APS ................................................................... 62 3.2.2.2. Tự động xác định các điểm uốn trên sóng tín hiệu iEMG.................... 65 3.2.2.3. Tự động lấy các APS có ý nghĩa chẩn đoán ......................................... 68 3.3. Đề xuất bộ thông số định lƣợng tín hiệu iEMG chi .................................. 70 3.3.1. Các thông số định lượng tính từ các tham số APS ............................. 71 3.3.2. Thông số định lượng tín hiệu iEMG trên đồ thị Poincaré.................. 73 3.3.3. So sánh với một số phương pháp QEMG hiện có............................... 74 3.4. Đánh giá giá trị của bộ thông số định lƣợng đƣợc đề xuất ....................... 76 3.4.1. Tập dữ liệu mẫu .................................................................................. 77 3.4.2. Mô tả tập dữ liệu các thông số định lượng iEMG thu được............... 78 3.4.3. Kiểm định sự khác biệt thống kê của mỗi thông số ............................ 82 3.4.3.1. Kiểm định U-test .................................................................................. 82 3.4.3.2. Kết quả kiểm định U-test đối với tập dữ liệu mẫu. .............................. 84 3.4.4. Kiểm định sự tương quan giữa các thông số ...................................... 85 3.4.4.1. Kiểm định Spearman ............................................................................ 86 3.4.4.2. Kết quả kiểm định sự tƣơng quan giữa các thông số ........................... 87 vii 3.5. Kết chƣơng ................................................................................................ 89 CHƢƠNG 4. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH LƢỢNG TÍN HIỆU CÓ ĐƢỢC ĐỂ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU iEMG CHI THEO CÁC NHÓM BỆNH LÝ ............................92 4.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 92 4.2. Phƣơng pháp phân loại dựa trên kỹ thuật học máy ................................... 95 4.2.1. Mạng Artifical Neural Network (ANN) .............................................. 96 4.2.2. Phân loại tín hiệu theo bệnh lý sử dụng mạng ANN .......................... 97 4.2.2.1. Tập dữ liệu dùng để huấn luyện mạng ANN ........................................ 97 4.2.2.2. Thiết lập mạng ANN cho bài toán phân loại tín hiệu ......................... 100 4.2.2.3. Kết quả thực nghiệm........................................................................... 102 4.3. Phƣơng pháp phân loại dựa trên kỹ thuật phân tích thống kê ................. 103 4.3.1. Phân tích hồi quy Logistic ................................................................ 104 4.3.2. Lựa chọn thông số sử dụng cho các biểu thức ............................ 106 4.3.3. Phân loại tín hiệu theo các giá trị xác suất bệnh lý ......................... 108 4.3.3.1. Xây dựng biểu thức tính xác suất tín hiệu thuộc nhóm ALS ............. 108 4.3.3.2. Xây dựng biểu thức tính xác suất tín hiệu thuộc nhóm MYO............ 110 4.3.3.3. Bộ phân loại tín hiệu theo các nhóm bệnh lý ..................................... 112 4.4. Kết chƣơng .............................................................................................. 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 116 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 119 PHỤ LỤC ......................................................................................... 126 1. Chế tạo mạch đo khảo sát tín hiệu EMG .................................................... 126 2. Xây dựng công cụ phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG ............................ 128 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ach Acetylcholine Chất dẫn truyền thần kinh Ach ALS Amyotrophic Lateral Sclerosis Hội chứng teo cơ xơ cột bên ANN Artifical Neural Network Mạng nơron nhân tạo ANN-BP ANN- Back Propagation Mạng ANN lan truyền ngƣợc APS Active Potential Segment Đoạn điện thế tích cực AR AutoRegressive Tự hồi quy AUC Area Under the Curve Diện tích dƣới đƣờng cong ROC CAD Computer Aided Diagnosis Hệ thống hỗ trợ chẩn đoán CMAP Compound muscle action potential Điện thế co cơ toàn phần của bắp cơ CMRR Common-mode rejection ratio Tỷ số nén nhiễu đồng pha DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc ECG Electrocardiography Tín hiệu điện tim EEG Electroencephalography Tín hiệu điện não EMD Empirical Mode Decomposition Phân giải mô hình thực nghiệm EMG Electromyography Tín hiệu điện cơ FIR Finite impulse response Đáp ứng xung hữu hạn HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử quốc tế iEMG intramuscular Electromyography Tín hiệu điện cơ kim IIR Infinite impulse response Đáp ứng xung không giới hạn LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp MEP Miniature Endplate Potential Điện thế thu nhỏ tâm tận cùng MU Motor Unit Đơn vị vận động MUAP Motor Unit Action Potential Điện thế hoạt động đơn vị vận động MUP Motor Unit Potential Điện thế đơn vị vận động MVC Maximum Voluntary Contraction Co cơ chủ động cực đại ix MYO Myopathy Bệnh lý do cơ NCS Nerve Conduction Study Xét nghiệm dẫn truyền thần kinh NOR Normal Bình thƣờng QEMG Quantitative Electromyography Định lƣợng tín hiệu điện cơ RMS Root Mean Square Giá trị hiệu dụng ROC Receiver Operating Characteristic Đặc trƣng hoạt động bộ thu RQA Recurrence Quantification Analysis Phân tích định lƣợng truy hồi sEMG surface Electromyography Tín hiệu điện cơ bề mặt SFAP Single Fibre Action Potential Điện thế vận động sợi cơ đơn SMU Single Motor Unit Đơn vị vận động đơn SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SVD Singular Value Decomposition Phân giải giá trị suy biến SVM Support Vector Machine Máy vectơ hỗ trợ WHO World Health Organization Tổ chức chăm sóc sức khỏe thế giới x DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Số lƣợng đơn vị vận động, sợi cơ và sợi cơ trung bình của mỗi đơn vị vận động của một số nhóm cơ chính ở các chi ngƣời ......................................................... 13 Bảng 1.2. Bảng phân loại bệnh cơ do WHO đề xuất ................................................... 16 Bảng 1.3. Các dấu hiệu bệnh lý thể hiện trên tín hiệu iEMG ....................................... 24 Bảng 2.1. Một số thông số của mạch và giá trị khuyến nghị. ...................................... 42 Bảng 3.1. Bảng so sánh tỷ lệ phân tách đúng của các phƣơng pháp ............................ 60 Bảng 3.2. Bảng so sánh thông số phân tách các APS của các phƣơng pháp ............... 70 Bảng 3.3. So sánh một số phƣơng pháp QEMG (đã có và đƣợc phát triển) ............... 75 Bảng 3.4. Một số thông số của bản ghi dữ liệu iEMG của dữ liệu .............................. 77 Bảng 3.5. Bảng trích dữ liệu bộ các thông số định lƣợng tín hiệu iEMG .................... 78 Bảng 3.6. Kết quả kiểm định U-test đối với các thông số định lƣợng ......................... 84 Bảng 3.7. Ý nghĩa của hệ số tƣơng quan ...................................................................... 85 Bảng 3.8. Bảng mô tả dữ liệu của ví dụ kiểm định Spearman ..................................... 87 Bảng 3.9. Kết quả kiểm định Spearman trên toàn tập dữ liệu ...................................... 88 Bảng 4.1. Trích tập dữ liệu huấn luyện mạng phân loại tín hiệu iEMG ...................... 97 Bảng 4.2. Bảng mô tả dữ liệu trƣớc chuẩn hóa ............................................................ 99 Bảng 4.3. Bảng mô tả dữ liệu sau chuẩn hóa ............................................................... 99 Bảng 4.4. Các nhóm thông số định lƣợng có hệ số tƣơng quan rất cao ..................... 107 Bảng 4.5. Bảng phân loại theo hai nhóm ALS và khác.............................................. 109 Bảng 4.6. Bảng phân loại theo hai nhóm MYO và khác ............................................ 111 Bảng 4.7. Các chỉ số kiểm định các biểu thức xác suất xây dựng đƣợc .................... 111 Bảng 4.8. Bảng phân loại tín hiệu dùng đồng thời hai chỉ số PMYO và PALS ............... 113 xi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Một số nhóm cơ chi ở mặt trƣớc cơ thể.......................................................... 9 Hình 1.2. Cấu trúc của cơ vân ...................................................................................... 10 Hình 1.3. Giải phẫu thần kinh vận động dƣới .............................................................. 11 Hình 1.4. Hình ảnh minh họa các phần của tế bào thần kinh vận động ....................... 11 Hình 1.5. Giải phẫu của synap thần kinh...................................................................... 12 Hình 1.6. Giải phẫu của sợi trục thần kinh ................................................................... 12 Hình 1.7. Giải phẫu các đơn vị vận động của bắp cơ ................................................... 13 Hình 1.8. Điện thế màng tế bào .................................................................................... 15 Hình 1.9. Xét nghiệm điện cơ đồ kim (nguồn MMG2002).......................................... 18 Hình 1.10. Hình dạng và các tham số đo của điện cực kim (A – Điện cực kim đồng tâm, B – Điện cực đơn cực, C – Điện cực sợi cơ đơn, D – Điện cực lớn) ................... 19 Hình 1.11. Hình ảnh dạng sóng điện thế kim đâm ....................................................... 19 Hình 1.12. Dạng sóng của điện thế co giật sợi cơ ........................................................ 20 Hình 1.13. Dạng các sóng nhọn dƣơng ........................................................................ 20 Hinh 1.14. Dạng sóng của bộ phức hợp lặp lại ngắt quãng .......................................... 21 Hình 1.15. Các dạng sóng của phóng điện liên tục (A - phóng điện lặp lại với tần số cao, B – phóng điện với bộ phức hợp lặp lại) .............................................................. 21 Hình 1.16. Hình dạng và các tham số chính của một MUAP ...................................... 21 Hình 1.17. Các loại MUAP (A- Bình thƣờng; B- Biên độ thấp, thời khoảng ngắn và đa pha; C- Thời khoảng dài, đa pha; D- Đa pha kèm thành phần muộn) ......................... 22 Hình 1.18. Các hình ảnh dạng sóng iEMG ở các mức co cơ khác nhau ...................... 22 Hình 1.19. Hình thái của các MU và MUAP ở các bệnh lý khác nhau ........................ 23 Hình 1.20. Mô hình quá trình chẩn đoán điện cơ đồ sử dụng máy tính ....................... 25 Hình 1.21. Các nội dung nghiên cứu của luận án ......................................................... 28 Hình 2.1. Mô hình minh họa việc thu nhận tín hiệu EMG ........................................... 30 Hình 2.2. Thu nhận tín hiệu điện cơ bề mặt của hai bắp cơ đối vận ............................ 31 xii Hình 2.3. Thu nhận tín hiệu iEMG và các loại điện cực kim có thể sử dụng .............. 32 Hình 2.4. Dạng sóng của tín hiệu iEMG và sEMG ...................................................... 33 Hình 2.6. Sơ đồ khối của mạch đo tín hiệu EMG ........................................................ 38 Hình 2.7. Phƣơng thức bỏ nhiễu đồng pha của bộ khuếch đại vi sai ........................... 38 Hình 2.8. Sơ đồ mạch lọc Butterworth bậc 2 kiến trúc Sallen-Key ............................. 39 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý của mạch lọc Twin – Tnotch ............................................. 40 Hình 2.10. Giải pháp dùng nguồn cách ly trong mạch đo tín hiệu EMG ..................... 42 Hình 2.11. Hình ảnh tín hiệu EMG bề mặt đo ở bắp tay khi co cơ vừa phải (A – Dạng sóng tín hiệu và B- Phổ của tín hiệu EMG thu nhận đƣợc).......................................... 43 Hình 2.12. Tín hiệu iEMG số có lẫn nhiễu (nhiễu tần số thấp và tần số cao) .............. 44 Hình 2.13. Phổ của của một số tín hiệu iEMG thô. ...................................................... 45 Hình 2.14. Các cấu trúc của bộ lọc trễ pha bằng không ............................................... 46 Hình 2.15. Sự khác biệt giữa bộ lọc thông thƣờng và bộ lọc pha không ..................... 46 Hình 2.16. Đồ thị tỷ lệ sai khác giữa hai bộ lọc thƣờng dùng và đƣợc lựa chọn ......... 48 Hình 2.17. Các dạng sóng và các thông số tín hiệu iEMG (A – trƣớc khi lọc và B – sau lọc theo phƣơng pháp lựa chọn) ............................................................................. 48 Hình 2.18. Phổ tín hiệu trƣớc và sau khi lọc theo phƣơng pháp lựa chọn ................... 49 Hình 3.1. Các quy trình QEMG của các phƣơng pháp đã đƣợc giới thiệu .................. 53 Hình 3.2. Quy trình định lƣợng tín hiệu iEMG đƣợc đề xuất phát triển ...................... 53 Hình 3.3. A - Tín hiệu iEMG và B - Các APS xác định đƣợc ..................................... 55 Hình 3.4. Vị trí các APS đƣợc xác định theo cửa sổ cố định và ngƣỡng T .................. 56 Hình 3.5. Hình ảnh tín hiệu gốc và tín hiệu xung Trigơ của nó ................................... 57 Hình 3.6. Hình thái của các dạng sóng wavelet Daubechies ........................................ 58 Hình 3.7. Phƣơng pháp phân tách dựa trên tín hiệu biến động .................................... 59 Hình 3.8. Tín hiệu iEMG là x(n) và tín hiệu biến động của nó v(n) ............................ 63 Hình 3.9. Tín hiệu biến động v(n) và đƣờng cắt có ngƣỡng thrpl ................................ 65 Hình 3.10. Hình ảnh minh họa định nghĩa điểm uốn đối với tín hiệu iEMG ............... 66 Hình 3.11. Lƣu đồ thuật toán tìm điểm uốn lựa chọn sử dụng..................................... 67 xiii Hình 3.12. Các điểm uốn đƣợc xác định trên đoạn sóng APS xác định đƣợc ............. 68 Hình 3.13. Các tín hiệu iEMG (A - Đỉnh nằm trên, B - Đỉnh nằm dƣới đƣờng đẳng điện) .............................................................................................................................. 68 Hình 3.14. Cách xác định các APS có ý nghĩa chẩn đoán trong tín hiệu iEMG .......... 69 Hình 3.16. Dạng sóng và các tham số của mỗi đoạn APS ........................................... 70 Hình 3.16. Đồ thị Poincaré của các tín hiệu thuộc các nhóm bệnh lý khác nhau ........ 73 Hình 3.17. Đồ thị Poincaré của tín hiệu x(n) ............................................................... 74 Hình 3.18. Các quy trình QEMG theo phƣơng pháp đã có (A, B) và phát triển (C) ... 75 Hình 3.19. Các đồ thị phân bố giá trị của các thông số QEMG của tập dữ liệu mẫu .. 81 Hình 4.1. Hình ảnh các loại tín hiệu EMG (A – NOR, B – ALS, C – MYO) .............. 92 Hình 4.2. Cấu trúc tổng quát của mạng Artifical Neural Network .............................. 96 Hình 4.3. Mô hình quá trình học không có giám sát .................................................... 96 Hình 4.4. Mô hình quá trình học có giám sát ............................................................... 97 Hình 4.5. Kiến trúc của mạng ANN đƣợc sử dụng để phân loại tín hiệu EMG. ......... 98 Hình 4.6. Cấu trúc mạng ANN-BP của bộ phân loại tín hiệu có 14 đầu vào ............. 100 Hình 4.7. Ma trận phân loại của bộ phân loại ANN-BP 14 đầu vào .......................... 102 Hình 4.8. Đồ thị ROC của bộ phân loại ANN-BP 14 đầu vào ................................... 103 Hình 4.9. Mối liên hệ giữa logit(p) và p ..................................................................... 105 Hình 4.10. Đƣờng cong ROC phân loại tín hiệu theo hai nhóm ALS và khác .......... 110 Hình 4.11. Đƣờng cong ROC phân loại tín hiệu theo hai nhóm MYO và khác ........ 111 Hình 4.12. Đồ thị phân bố giá trị xác suất PALS và PMYO của các nhóm tín hiệu ......... 112 Hình 4.13. Mô hình ANN-BP phân loại tín hiệu iEMG có 5 đầu vào ....................... 113 Hình 4.14. Ma trận phân loại và đồ thị ROC của bộ phân loại ANN-BP 5 đầu vào.. 114 Hình 5.1. Hình ảnh mạch đo tín hiệu EMG chế thử (kích thƣớc 7x10cm2). .............. 127 Hình 5.2. Giao diện và một số chức năng của công cụ QEMG_BK .......................... 128 xiv MỞ ĐẦU Mục đích của nghiên cứu. Các bệnh cơ có thể gây ra những khuyết tật thể chất nghiêm trọng, có thể dẫn tới mất khả năng vận động thậm chí có thể tử vong. Ví dụ nhƣ, bệnh nhân mắc hội chứng teo cơ xơ cột bên (Amyotrophic Lateral Sclerosis - ALS) ban đầu cơ thể dần mất khả năng vận động và khi bệnh nặng bệnh nhân mất khả năng ăn, tiêu hóa và thở dẫn tới tử vong. Bệnh cơ có thể xảy ra ở mọi lứa tuổi, nhƣng hậu quả sẽ rất nghiêm trọng khi nó xảy ở những ngƣời trẻ tuổi. Theo công bố của NIH (National Institute of Neurological Disorders and Stroke – Viện nghiên cứu quốc gia về rối loạn bệnh lý thần kinh và đột quỵ) ở Mỹ hàng năm có tỷ lệ 1 trên 3500 đến 6000 bé trai mới sinh bị mắc bệnh loạn dƣỡng cơ Duchenne [67]. Nhu cầu về khám và điều trị của các bệnh nhân mắc bệnh cơ là rất đa dạng, nhƣng hiện nay, sự đáp ứng cho nhu cầu này còn nhiều hạn chế. Trong số các bệnh nhân bệnh cơ, có nhiều bệnh nhân đã đƣợc chữa khỏi, hoặc giảm mức độ bệnh tật nhờ đƣợc phát hiện và điều trị kịp thời. Do đó, mặc dù bệnh về cơ không phổ biến nhƣ các bệnh khác nhƣ bệnh tim, bệnh ung thƣ, bệnh tiểu đƣờng, bệnh mất trí nhớ,... nhƣng chúng vẫn cần đƣợc quan tâm đầy đủ [1], [2], [86]. Tín hiệu điện cơ là tín hiệu điện sinh học đƣợc sinh ra khi các cơ hoạt động. Tín hiệu điện cơ đồ (Electromyography – EMG) là một thuật ngữ do Weddell và cộng sự đƣa ra năm 1943, để mô tả các ứng dụng lâm sàng sử dụng việc xét nghiệm đối với hệ thống cơ xƣơng (cơ vân). Trong xét nghiệm điện cơ đồ thƣờng quy, điện cực kim đồng tâm thƣờng đƣợc sử dụng để thu tín hiệu EMG, tín hiệu này đƣợc là tín hiệu điện cơ kim (intramuscular EMG - iEMG). Xét nghiệm iEMG thƣờng đƣợc thực hiện khi ngƣời bệnh bị yếu cơ mà không giải thích đƣợc, sau khi khảo sát dẫn truyền thần kinh và thƣờng đƣợc tiến hành trên nhóm cơ chi (chi trên hoặc dƣới) [3], [47], [78]. Sau đây, tín hiệu iEMG thu đƣợc tại chi đƣợc gọi ngắn là tín hiệu iEMG chi. Thông tin thu đƣợc từ tín hiệu iEMG chi có thể giúp các bác sỹ phân biệt giữa bệnh cơ mà trong đó nguyên nhân gây bệnh xuất phát từ cơ và yếu cơ do rối loạn thần kinh cơ. Tuy nhiên, các bác sỹ gặp nhiều khó khăn khi thu thông tin trực tiếp từ tín hiệu iEMG chi do: (1) là tín hiệu nhỏ, (2) bị can nhiễu từ nhiều nguồn, (3) tín hiệu thu đƣợc là tín hiệu xếp chồng của nhiều nguồn, (4) độ ổn định của nguồn tín hiệu thấp và (6) sự khác biệt giữa các loại tín hiệu iEMG ở các bệnh lý khó quan sát,… Các bác sỹ hay các chuyên gia điện cơ đồ cần phải đƣợc đào tạo lâu dài và có nhiều năm làm việc 1 liên tục với một thiết bị cố định mới có thể đƣa ra các chẩn đoán có độ chính xác cao [2], [46]. Nhằm mục đích hỗ trợ cho các bác sỹ trong quá trình chẩn đoán điện cơ đồ, các kỹ thuật phân tích tín hiệu iEMG đã sớm đƣợc giới thiệu và phát triển, từ cuối những năm 40 của thế kỷ trƣớc. Năm 1957, phƣơng pháp phân tích định lƣợng một số tham số của các điện thế hoạt động đơn vị vận động (Motor Unit Action Potential - MUAP) trong tín hiệu iEMG đã đƣợc Buchtal và các cộng sự công bố. Theo phƣơng pháp này, các thông số thu đƣợc bởi quá trình phân tích thủ công, quan sát và đo đếm trực tiếp các giá trị nhƣ biên độ, thời khoảng, số pha của MUAP riêng lẻ trên màn hình hiện thị dạng sóng. Nhƣng theo đánh giá của các chuyên gia điện cơ đồ thì đây là phƣơng pháp khá mệt mỏi và tốn thời gian [26], [42]. Ngày nay, sự phát triển của công nghệ máy tính [62] và các kỹ thuật xử lý tín hiệu số giúp cho việc nghiên cứu về các phƣơng pháp định lƣợng tín hiệu iEMG trở nên dễ dàng và phổ biến hơn [79]. Từ năm 1989, DeLuca, Dorfman và một số nhà nghiên cứu khác đã bắt đầu đề xuất các phƣơng pháp phân tích tín hiệu iEMG khác nhau trong các miền thời gian, miền tần số, miền không gian – tần số, miền phi tuyến, các kỹ thuật phân giải tín hiệu iEMG khác nhau và các thông số định lƣợng tín hiệu khác nhau. Trong số các phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất, các phƣơng pháp liên quan đến việc định lƣợng các tham số của các MUAP chứa trong tín hiệu iEMG kim cho kết quả đáng tin cậy nhất [12], [42], [73], [78]. Việc sử dụng các kỹ thuật định lượng tín hiệu điện cơ (Quantitative EMG – QEMG) giúp cho việc chẩn đoán hạn chế đƣợc sự đánh giá chủ quan của các chuyên gia điện cơ đồ, độ chính xác của chẩn đoán đƣợc cải thiện, giúp quá trình theo dõi điều trị hiệu quả hơn. Tuy nhiên, kỹ thuật QEMG còn đóng vai trò hạn chế trong quá trình chẩn đoán lâm sàng hiện nay, do một số nguyên nhân nhƣ: (1) Hầu hết các kỹ thuật QEMG đang đƣợc ứng dụng hiện nay tiêu tốn nhiều thời gian khi thực hiện; (2) Một số công đoạn trong quy trình phân tích định lƣợng tín hiệu của các kỹ thuật QEMG hiện nay đòi hỏi các chuyên gia điện cơ đồ phải am hiểu sâu về kỹ thuật và công nghệ: (3) Chƣa kỹ thuật nào cho phép thu nhận hết các tham số hữu dụng trong tín hiệu iEMG; (4) Một số bộ thông số định lƣợng thu bởi một số kỹ thuật QEMG hiện có không dễ sử dụng [3], [9], [26], [78]. Lĩnh vực nghiên cứu về các phƣơng pháp và công cụ phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG hỗ trợ hiệu quả hơn cho các bác sỹ trong quá trình chẩn đoán điện cơ đồ vẫn là một lĩnh vực thu hút đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Các nghiên cứu 2 nhằm hạn chế các nhƣợc điểm đƣợc đề cập ở trên, chúng tập trung vào các hƣớng nhƣ: (1) phát triển và tối ƣu hệ thống thu nhận tín hiệu có chất lƣợng cao hơn, (2) phát triển các phƣơng pháp phân giải hiệu quả tín hiệu iEMG thành các thông tin dễ dàng đƣợc sử dụng hơn, (3) phát triển các hệ thống “chuyên gia” tự động phân tích nhanh và chính xác các tín hiệu EMG, đƣa ra các gợi ý hỗ trợ quá trình ra quyết định chẩn đoán của bác sỹ [25], [57], [58], [64], [78]. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Để giải quyết một số tồn tại của lĩnh vực nghiên cứu này, mục đích nghiên cứu của luận án này là phát triển phƣơng pháp phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG chi thành các thông tin trợ giúp cho các bác sỹ trong quá trình chẩn đoán bệnh lý. Trong đó, phƣơng pháp phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG đƣợc phát triển phải có một số ƣu điểm so với một số phƣơng pháp đã có. Nghiên cứu này hƣớng tới các mục tiêu cụ thể nhƣ:  Phát triển đƣợc phƣơng pháp QEMG tín hiệu iEMG chi có hiệu quả tính toán tốt hơn một số phƣơng pháp đã có, nhƣ giảm số phép toán, số bƣớc và số can thiệp vào trong quá trình phân tích định lƣợng tín hiệu.  Đƣa ra bộ thông số định lƣợng có khả năng hỗ trợ phân nhóm tín hiệu theo các bệnh lý và bình thƣờng có độ chính xác cao mà có cách tính đơn giản hơn so với một số phƣơng pháp trƣớc.  Đề xuất cách sử dụng các thông số định lƣợng có đƣợc để phân loại tín hiệu, thông tin phân loại của tín hiệu có đƣợc là hữu dụng cho việc đƣa ra kết luận chẩn đoán. Các vấn đề cần giải quyết của luận án Với mục đích là phát triển phƣơng pháp phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG chi hỗ trợ bác sỹ ra quyết định chẩn đoán có ƣu điểm hơn một số phƣơng pháp đã có về hiệu quả tính toán, tính ứng dụng thì nghiên cứu này cần phải thực hiện giải quyết các vấn đề chính nhƣ sau:  Lựa chọn giải pháp tiền xử lý phù hợp với tín hiệu iEMG chi trên  Phát triển phƣơng pháp định lƣợng tín hiệu iEMG chi cho phép tính các thông số định lƣợng đặc trƣng cho tín hiệu iEMG chi.  Xây dựng đề xuất mô hình phân loại tín hiệu iEMG chi có đầu vào là các thông số định lƣợng có đƣợc và đầu ra là thông tin phân loại theo các nhóm bệnh lý và bình thƣờng. 3 Để giải quyết đƣợc các vấn đề chính đƣợc nêu ở trên, tác giả thực hiện các nội dung nghiên cứu chính nhƣ:  Nghiên cứu tín hiệu iEMG chi và ứng dụng lâm sàng, gồm: (1) Nghiên cứu về nguồn gốc và đặc trƣng bệnh lý của tín hiệu; (2) Nghiên cứu về phƣơng pháp thu nhận và đặc trƣng của tín hiệu; (3) Thu thập dữ liệu mẫu dùng để thử nghiệm phƣơng pháp đƣợc phát triển trong nghiên cứu.  Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG, gồm: (1) Nghiên cứu về các kỹ thuật phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG hiện có; (2) Phát triển kỹ thuật phân tích định lƣợng tín hiệu iEMG theo các mục tiêu đề ra; (3) Thử nghiệm, đánh giá phƣơng pháp phân tích đƣợc phát triển với dữ liệu mẫu có đƣợc.  Nghiên cứu đề xuất cách sử dụng thông số định lƣợng để phân loại tín hiệu iEMG theo các nhóm bệnh lý và bình thƣờng, gồm: (1) Nghiên cứu về các phƣơng pháp phân loại iEMG; (2) Xây dựng các mô hình giúp phân loại tín hiệu iEMG dựa trên các kỹ thuật đƣợc lựa chọn. Phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên cứu này tập trung vào phát triển phƣơng pháp phân tích tín hiệu iEMG chi thành các thông tin hỗ trợ bác sỹ chẩn đoán bệnh lý. Phƣơng pháp phân tích cho phép phân tích các tín hiệu iEMG chi trên đƣợc thu bởi điện cực đồng tâm khi đối tƣợng đƣợc yêu cầu co cơ vừa phải (co cơ lên tới mức 30% lực co cơ cực đại - MVC). Dữ liệu mẫu dùng để thử nghiệm các phƣơng pháp đƣợc phát triển bao gồm hơn 800 tín hiệu iEMG (bình thƣờng và bệnh lý), đƣợc đo theo phƣơng pháp tiêu chuẩn tại các trung tâm y tế hiện đại là: (1) từ Cyprus Institute of Neurology and Genetics, Nicosia và (2) từ bệnh viện ĐH Ioannina, khoa Neurological Clinic, Ioannina, Greece. Chúng đƣợc công bố bởi EMGLab [37]. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu trong luận án này là nghiên cứu lý thuyết, khảo sát thực tế, thử nghiệm, thu thập thông tin phân tích thống kê các kết quả từ việc xử lý dữ liệu mẫu để đƣa ra đánh giá so sánh với các số liệu kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố qua đó khẳng định phƣơng pháp định lƣợng tín hiệu đƣợc phát triển trong luận án này là đúng và hiệu quả. Về nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế, tác giả đã nghiên cứu các lý thuyết về sinh lý cơ, bệnh lý cơ, tín hiệu EMG, các nghiên cứu về xử lý tín hiệu iEMG đã công bố kết hợp với việc khảo sát thực tế, tại các phòng chẩn đoán điện 4 cơ đồ ở Việt Nam, để có sự hiểu biết rõ ràng cơ sở chẩn đoán điện cơ đồ và các yêu cầu khi ứng dụng trong lâm sàng. Tác giả phát triển phƣơng pháp phân tích tín hiệu iEMG chi, thử nghiệm chúng trên một số bộ dữ liệu mẫu và phân tích đánh giá các kết quả thu đƣợc, từ đó tác giả lựa chọn đƣợc một số phƣơng pháp phân tích tín hiệu iEMG mới có đƣợc các ƣu điểm khi ứng dụng thực tế. Cấu trúc luận án Luận án đƣợc chia làm 4 chƣơng có nội dung nhƣ sau: Chương 1: Tóm lƣợc các kiến thức cơ sở về giải sinh lý cơ xƣơng ở các chi, nguồn gốc điện sinh học của tín hiệu điện cơ, các loại tín hiệu điện cơ và dấu hiệu bệnh lý. Tổng quan ứng dụng điện cơ đồ lâm sàng và các nhiệm vụ của nghiên cứu. Chương 2: Trình bày phƣơng pháp thu nhận tín hiệu điện cơ, các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu điện cơ, các giải pháp triệt nhiễu ở bộ thu nhận tín hiệu EMG và phân tích cơ sở lựa chọn bộ lọc số thích hợp để tiền xử lý tín hiệu EMG chi. Chương 3: Trình bày nội dung nghiên cứu phát triển phƣơng pháp định lƣợng tín hiệu iEMG chi, bao gồm: (1) phát triển phƣơng pháp phân tách nhanh các đoạn điện thế hoạt động trong tín hiệu iEMG chi, (2) phát triển phƣơng xác định các điểm uốn trong các đoạn tín hiệu iEMG, (3) đề xuất bộ các thông số định lƣợng của mỗi bản ghi tín hiệu iEMG chi. Phƣơng pháp phát triển đƣợc thử nghiệm trên các cơ sở dữ liệu mẫu và đƣợc so sánh với một số phƣơng pháp khác. Thực hiện phép kiểm định thống kê đối với dữ liệu định lƣợng các tín hiệu trong tập mẫu để đánh giá khả năng phân biệt tín hiệu thuộc các nhóm khác nhau bằng các thông số định lƣợng có đƣợc. Chương 4: Trình bày nội dung nghiên cứu, phát triển các phƣơng pháp phân loại tín hiệu EMG theo các nhóm khác nhau sử dụng các thông số định lƣợng của tín hiệu iEMG chi, theo phƣơng pháp định lƣợng đƣợc đề xuất phát triển. Phƣơng pháp phân loại tín hiệu đề xuất đƣợc xây dựng dựa trên mô hình xử lý thông tin mạng nơron và kỹ thuật phân tích hồi quy Logistic đối với các thông số định lƣợng của tín hiệu. Phƣơng pháp đƣợc thử nghiệm với các bộ dữ liệu đặc trƣng thu đƣợc khi áp dụng phƣơng pháp định lƣợng đƣợc đề xuất với bộ dữ liệu mẫu. Đánh giá so sánh kết quả phân loại của phƣơng pháp này với một số phƣơng pháp phân loại khác. Kết luận và kiến nghị. 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Về ý nghĩa khoa học: Kết quả thử nghiệm phƣơng pháp QEMG phát triển đƣợc trên dữ liệu mẫu cho thấy thông số định lƣợng đƣợc tính từ các đoạn điện thế tích cực đƣợc phân tách từ tín hiệu iEMG và thông số tính độ phân tán của các mẫu tín hiệu iEMG liên tiếp cho phép hỗ trợ việc phân loại tín hiệu theo các nhóm với độ chính xác cao tƣơng đƣơng với các thông số định lƣợng tính từ các MUAP mẫu xác định từ tín hiệu iEMG. Nhƣ vậy, phƣơng pháp này có số phép tính, số công đoạn xử lý và mức độ can thiệp vào quá trình xử lý ít hơn so với một số phƣơng pháp QEMG đã đƣợc công bố [58], [64], [73], trong khi giá trị hỗ trợ phân loại của thông số định lƣợng thu đƣợc cao tƣơng đƣơng. Về ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng điện cơ đồ trong lâm sàng ở Việt Nam đƣợc thực hiện từ năm 1992 [2], tuy nhiên, chƣa có một nghiên cứu nào ở Việt Nam đƣợc thực hiện nhằm phát triển phƣơng pháp phân tích tín hiệu hỗ trợ quá trình chẩn đoán. Đây là lần đầu tiên, nghiên cứu phát triển phƣơng pháp và công cụ hỗ trợ các chuyên gia điện cơ đồ xác định hiệu quả loại bệnh lý dựa vào tín hiệu iEMG chi đƣợc thực hiện một cách có hệ thống. Điều này đƣợc thể hiện trong các nội dung nghiên cứu của tác giả, đƣợc trình bày trong quyển luận án này, bao gồm: nghiên cứu, tổng hợp tóm lƣợc các lý thuyết liên quan đến cơ sở ứng dụng tín hiệu EMG, nghiên cứu về phƣơng pháp đo và xử lý để thu đƣợc tín hiệu EMG có chất lƣợng cao, phát triển phƣơng pháp định lƣợng tín hiệu EMG, đề xuất phƣơng pháp sử dụng các thông số định lƣợng để phân loại tín hiệu theo các nhóm bệnh lý và bình thƣờng. Phƣơng pháp QEMG phát triển đƣợc và cách thức sử dụng các thông số có đƣợc cho phép phân tích và xử lý tín hiệu iEMG chi hỗ trợ việc phân loại tín hiệu theo các nhóm bệnh lý và bình thƣờng một cách hiệu quả. Ngoài ra, những kiến thức có đƣợc sẽ là cơ sở để tác giả và nhóm nghiên cứu phát triển các thiết bị thu nhận và phân tích tín hiệu EMG hỗ trợ quá trình chẩn đoán và theo dõi mức độ tiến triển bệnh lý trong quá trình điều trị, đặc biệt có ý nghĩa ở Việt Nam. Các đóng góp chính của luận án Nghiên cứu này có hai đóng góp chính là: 1. Phát triển đƣợc phƣơng pháp định lƣợng tín hiệu iEMG chi gồm 3 bƣớc là tiền xử lý, phân tách các thành cần có ý nghĩa trong tín hiệu và tính các thông số định lƣợng dựa trên các thành phần có ý nghĩa có đƣợc. Phƣơng pháp phân tích định lƣợng đƣợc phát triển có ƣu điểm hơn một số phƣơng 6