nguyễn thế hoàng anh

125
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thế Hoàng Anh MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO CHO CÁC ỨNG DỤNG GIAO DIỆN NÃO – MÁY TÍNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Hà Nội – 2020

Upload: others

Post on 31-Dec-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Nguyễn Thế Hoàng Anh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thế Hoàng Anh

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO

CHO CÁC ỨNG DỤNG GIAO DIỆN NÃO – MÁY TÍNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Hà Nội – 2020

Page 2: Nguyễn Thế Hoàng Anh

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO

CHO CÁC ỨNG DỤNG GIAO DIỆN NÃO – MÁY TÍNH

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 9480101.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Bùi Thế Duy

2. PGS. TS. Lê Thanh Hà

Hà Nội – 2020

Page 3: Nguyễn Thế Hoàng Anh

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả

trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý trước khi đưa

vào luận án.

Tác giả luận án

Nguyễn Thế Hoàng Anh

Page 4: Nguyễn Thế Hoàng Anh

3

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu khoa học là hành trình dài có nhiều thử thách cần vượt qua và

đồng thời là quá trình đào sâu, tìm ra lời giải cho các vấn đề khoa học thú vị. Nghiên

cứu về Khoa học máy tính, cụ thể lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và khoa học thần kinh

chắc chắn là một công việc nhận được nhiều sự quan tâm. Tôi cảm thấy rất may mắn

được trở thành một phần của cộng đồng nghiên cứu hàn lâm về lĩnh vực đầy hứng

khởi này với những phát kiến khoa học khiêm tốn của mình.

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án tiến sĩ, tôi đã nhận

được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo, nhà khoa học, Phòng thí

nghiệm Tương tác người máy HMI, Bộ môn Khoa học máy tính tại Trường Đại học

công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đặc biệt tới PGS. TS. Bùi Thế Duy và PGS.

TS. Lê Thanh Hà, những người thầy hướng dẫn đã trực tiếp truyền thụ kiến thức và

thắp lên ngọn lửa đam mê nghiên cứu khoa học, giúp đỡ, động viên tôi kiên định

trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cám ơn Lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ

thông tin – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã luôn tạo điều kiện

thuận lợi nhất và cùng tôi thực hiện các đề tài, công trình nghiên cứu trong đó một

phần kết quả đã được trực tiếp thể hiện trong luận án.

Tôi xin dành tất cả sự yêu thương và cám ơn tới gia đình: bố TS. Nguyễn Song

Hoan, mẹ TS. Nguyễn Thị Bạch Yến, vợ Lê Minh Trang và hai con Mật Ong, Cá

Mập đã luôn bên cạnh, động viên để tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành

mục tiêu.

Xin trân trọng cám ơn!

Tác giả luận án

Nguyễn Thế Hoàng Anh

Page 5: Nguyễn Thế Hoàng Anh

4

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................................2

LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................................................3

DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................................................7

DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................................................8

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................................................10

PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................11

1. Tính cấp thiết ...................................................................................................................... 11

2. Mục tiêu của luận án ........................................................................................................... 13

3. Đóng góp của luận án .......................................................................................................... 14

4. Phạm vi của luận án ............................................................................................................ 16

5. Phương pháp luận ............................................................................................................... 17

6. Cấu trúc luận án ................................................................................................................. 17

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO VÀ XỬ LÝ, PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN

NÃO ............................................................................................................................................................19

1. Giới thiệu ............................................................................................................................ 19

2. Tín hiệu điện não và phương pháp đo tín hiệu từ não bộ ..................................................... 21

2.1. Các phương pháp đo tín hiệu từ não bộ ....................................................................... 21

2.1.1. Chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng ............................................................. 21

2.1.2. Chụp Cộng hưởng từ chức năng .................................................................................... 22

2.1.3. Chụp cắt lớp phát xạ positron ....................................................................................... 22

2.1.4. Từ não đồ ...................................................................................................................... 23

2.1.5. Điện não đồ xâm lấn ...................................................................................................... 24

2.2. Tín hiệu điện não và các vấn đề liên quan .................................................................... 25

2.2.1. Điện não đồ .................................................................................................................... 25

2.2.2.Tín hiệu điện não ............................................................................................................ 26

2.2.3. Cơ chế phát sinh tín hiệu điện não ................................................................................. 28

2.2.4. Thu tín hiệu điện não ..................................................................................................... 29

3. Một số phương pháp xử lý, phân tích tín hiệu điện não ....................................................... 30

3.1. Biến đổi wavelet............................................................................................................... 30

3.2. Phân tích thành phần độc lập trong khử nhiễu tín hiệu điện não ..................................... 33

3.3. Mạng Nơron wavelet ....................................................................................................... 34

3.3.1. Huấn luyện ............................................................................................................... 35

3.3.2. Khử nhiễu ................................................................................................................ 35

3.4. Phương pháp phân ngưỡng wavelet ................................................................................ 36

3.5. Kỹ thuật định vị LORETA trong trực quan hóa dữ liệu điện não ................................... 38

4. Một số ứng dụng hệ giao diện não máy tính ........................................................................ 40

Page 6: Nguyễn Thế Hoàng Anh

5

4.1. Hệ BCI2000 ..................................................................................................................... 40

4.2. Hệ VR-BCI trong phục hồi chức năng ............................................................................. 41

4.3. Một số hệ BCI trong đánh vần ký tự ............................................................................... 42

4.4. Một số nghiên cứu BCI và tín hiệu điện não khác ............................................................ 43

5. Kết luận Chương 1 .............................................................................................................. 45

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP HỌC SÂU TỰ MÃ HÓA THƯA WAVELET TRONG KHỬ TÍN

HIỆU ĐIỆN NÃO BẤT THƯỜNG DO NHÁY MẮT ............................................................................46

1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................... 46

2. Đề xuất phương pháp học sâu tự mã hóa thưa wavelet ....................................................... 49

2.1. Mạng học sâu tự mã hóa thưa ...................................................................................... 50

2.2. Phương pháp dò đếm EOG dựa trên biến đổi wavelet Haar ........................................ 52

2.2.1. Biến đổi wavelet Haar .............................................................................................. 52

2.2.2. Thuật toán dò tìm EOG dựa trên biến đổi wavelet Haar .......................................... 53

2.3. Mạng học sâu tự mã hóa thưa wavelet trong khử EOG ............................................... 55

2.3.1. Huấn luyện tự động .................................................................................................. 55

2.3.2. Tự động sửa lỗi tín hiệu ............................................................................................ 57

2.4. Độ đo đánh giá kết quả ................................................................................................ 58

3. Kết quả ............................................................................................................................... 59

3.1. Dữ liệu kiểm thử .......................................................................................................... 59

3.2. Thiết kế thí nghiệm ...................................................................................................... 60

3.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................................... 60

3.3.1. Kết quả trên Tập dữ liệu 1: thực hiện nhiệm vụ chú ý quan sát .............................. 60

3.3.2. Kết quả trên Tập dữ liệu 2: nhận dạng trạng thái suy nghĩ ..................................... 65

3.3.3. Kết quả trên tập dữ liệu 3: tín hiệu điện não mô phỏng chứa nhiễu ........................ 68

4. Thảo luận ............................................................................................................................ 69

5. Kết luận Chương 2 .............................................................................................................. 72

CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO DỰA

TRÊN HỌC MÁY .....................................................................................................................................73

1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................... 73

2. Cơ sở dữ liệu thử nghiệm .................................................................................................... 75

2.1. Cơ sở dữ liệu đã có ........................................................................................................... 75

2.2. Cơ sở dữ liệu của luận án ................................................................................................. 77

3. Đề xuất một số phương pháp phân loại trạng thái suy nghĩ dựa trên học máy .................... 79

3.1. Phương pháp máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng năng lượng wavelet tương đối ............. 79

3.1.1. Năng lượng wavelet tương đối trong trích chọn đặc trưng tín hiệu điện não ................. 81

3.1.2. Máy vec-tơ hỗ trợ trong phân loại tín hiệu điện não ...................................................... 82

3.2. Phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp phân tích thành phần chính .................. 84

Page 7: Nguyễn Thế Hoàng Anh

6

3.2.1. Phân tích thành phần chính cho giảm số chiều tín hiệu điện não .............................. 86

3.2.2. Huấn luyện mạng nơron nhân tạo với thuật toán OWO-BP ..................................... 87

3.3. Phương pháp học sâu với đặc trưng lựa chọn bởi phân ngưỡng SURE ........................ 89

3.3.1. Lựa chọn thành phần chính với phân ngưỡng thích nghi SURE .............................. 91

3.3.2. Mạng học sâu Deep belief net trong phân loại tín hiệu điện não ............................... 92

4. Kết quả và thảo luận ........................................................................................................... 94

4.1. Tiền xử lý dữ liệu ......................................................................................................... 95

4.2. Phân loại trạng thái ..................................................................................................... 98

5. Kết luận chương 3 ............................................................................................................. 100

CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT HỆ GIAO DIỆN NÃO MÁY TÍNH TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT

BỊ ĐIỆN TỬ GIA DỤNG THÔNG MINH ...........................................................................................102

1. Hệ giao diện não máy tính trong điều khiển thiết bị điện tử gia dụng thông minh ............. 102

1.1. Khối thu tín hiệu và thiết bị Emotiv Epoc+ ................................................................ 103

1.2. Khối DSP ........................................................................................................................ 104

1.3. Khối WIoT ..................................................................................................................... 104

2. Đề xuất mô hình học cộng đồng dạng xếp ngăn trong phân loại tín hiệu điện não cho hệ giao

diện não máy tính trong điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng thông minh ........................... 105

3. Kết quả và thảo luận ......................................................................................................... 108

4. Kết luận Chương 4 ............................................................................................................ 110

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................................112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................................................................116

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................118

Page 8: Nguyễn Thế Hoàng Anh

7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. Kết quả nhận diện EOG ............................... 55

Bảng 2. MSE của ba phương pháp dựa trên wavelet ................... 69

Bảng 3. So sánh đặc tính các phương pháp khử nhiễu tín hiệu điện não ...... 71

Bảng 4. Kết quả phân loại hai trạng thái suy nghĩ .................... 98

Bảng 5. Kết quả phân loại 02 trạng thái suy nghĩ theo các bước với DBN .... 99

Bảng 6. Kết quả phân loại tác vụ suy nghĩ cho 03 trạng thái với DNN ....... 99

Bảng 7. Kết quả phân loại 03 trạng thái suy nghĩ theo các bước với DNN ... 100

Bảng 8. Độ chính xác phân loại 2 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên mạng

nơ-ron nhân tạo kết hợp PCA và máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng RWE ..... 100

Bảng 9. Độ chính xác phân loại 3 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên mạng

nơ-ron nhân tạo kết hợp PCA và máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng RWE ..... 100

Bảng 10. Độ chính xác phân loại 2 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên máy

học cộng đồng so với các phương pháp thành phần .................. 108

Bảng 11. Độ chính xác phân loại 3 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên máy

học cộng đồng so với các phương pháp thành phần .................. 109

Page 9: Nguyễn Thế Hoàng Anh

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. Cấu trúc não bộ [64] .................................. 19

Hình 2. Các phương thức thu tín hiệu từ não bộ (a) fNIRS, (b) fMRI, (c) PET, (d)

MEG, (e) EcoG và (f) EEG ................................... 20

Hình 3. Một số hệ thống thiết bị dùng để đo điện não EEG [20] ........... 25

Hình 4. Bản ghi tín hiệu điện não EEG ........................... 27

Hình 5. Một số dạng sóng trong tín hiệu điện não EEG ................. 28

Hình 6. (a) Biến đổi wavelet thuận và (b) Biến đổi wavelet ngược ......... 31

Hình 7. Quy trình phương pháp ICA dùng trong khử nhiễu tín hiệu EEG ..... 34

Hình 8. Cấu trúc của mạng Wavelet Neural Network [8] ................ 35

Hình 9. Huấn luyện mạng Nơ-ron .............................. 35

Hình 10. Quá trình khử nhiễu ................................. 36

Hình 11. Thuật toán Loreta trong định vị hoạt động điện não EEG. ......... 39

Hình 12. Thiết kế hệ BCI2000 [17] .............................. 40

Hình 13. Hệ BCI ứng dụng thực tại ảo trong phục hồi bệnh nhân đột quỵ [1] .. 41

Hình 14. Thiết kế ma trận hiển thị cho 26 ký tự tiếng Anh [8] ............ 42

Hình 15. Giao diện thí nghiệm Berlin BCI [68] ...................... 43

Hình 16. Tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG ..................... 47

Hình 17. Cấu trúc mạng học sâu tự mã hóa thưa kết hợp wavelet DWSAE .... 49

Hình 18. Mô hình đơn giản một máy tự mã hóa Autoencoder ............ 51

Hình 19. Lưu đồ thuật toán dò đếm tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG .... 53

Hình 20: Kết quả nhận diện EOG ............................... 54

Hình 21. Quy trình huấn luyện không giám sát mạng học sâu tự mã hóa thưa

wavelet ................................................ 56

Hình 22. Quy trình tự động khử EOG với DWSAE ................... 57

Hình 23. Kết quả khử nhiễu của DWSAE so với (a) SOBI, (b) Infomax, (c) JADE,

(d)WNN và (e) Wavelet thresholding ............................ 62

Hình 24. Hình vẽ thể hiện PSD của tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu ...... 63

Hình 25. Hệ số tương quan tần số giữa tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu bởi (a)

DWSAE, (b) Infomax, (c) JADE, (d) SOBI, (e) WNN và (f) WT .......... 64

Hình 26 So sánh kết quả khử nhiễu giữa DWSAE và (a) SOBI, (b) Infomax, (c)

JADE, (d)WNN và (e) Wavelet thresholding ....................... 66

Hình 27. PSD giữa tín hiệu gôc và tín hiệu sau khử nhiễu ............... 67

Hình 28. Tương quan tần số giữa tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu bởi (a)

DWSAE, (b) Infomax, (c) JADE, (d) SOBI, (e) WNN và (f) WT .......... 67

Hình 29. Kết quả trên đoạn tín hiệu bán giả lập trước và sau khi khử nhiễu bởi . 68

Hình 30. Lưu đồ phương pháp phân tích tín hiệu EEG dựa trên SVM ....... 80

Hình 31. Siêu phẳng phân cách bởi SVM .......................... 82

Hình 32. Lưu đồ phương pháp phân tích tín hiệu EEG dựa trên mạng nơ-ron .. 85

Hình 33. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo ba lớp ..................... 88

Page 10: Nguyễn Thế Hoàng Anh

9

Hình 34. Huấn luyện mạng ANN với thuật toán OWO-BP .............. 89

Hình 35. Lưu đồ phương pháp phân tích tín hiệu EEG dựa trên học sâu ..... 90

Hình 36. Thiết kế máy học Boltzman ............................ 92

Hình 37. Mạng học sâu Deep belief net với nhiều máy Boltzman .......... 94

Hình 38. Biến đổi ICA trong khử nhiễu tín hiệu điện não ............... 96

Hình 39. Kết quả khử nhiễu với ICA ............................. 96

Hình 40. Kết quả khử nhiễu với WNN ........................... 96

Hình 41. Hiển thị vùng kích hoạt não bộ với phương pháp LORETA trong quá

trình đối tượng thực hiện ba thí nghiệm (a) N, (b) L and (c) P ............ 97

Hình 42. Kiến trúc tổng thể của hệ thống giao diện não-máy tính trong điều khiển

các thiết bị điện tử gia dụng thông minh. ......................... 102

Hình 43. Mũ đo tín hiệu điện não EPOC+ (Nguồn: Emotiv) ............ 103

Hình 44. Tín hiệu điện não thu bằng chương trình Test Bench ........... 103

Hình 45. Mô hình tương đương module ESP 8266 ................... 105

Hình 46. Mô hình máy học cộng đồng trong phân loại trạng thái suy nghĩ từ tín

hiệu điện não ........................................... 107

Page 11: Nguyễn Thế Hoàng Anh

10

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ANN Aritificial neural network (Mạng nơ-ron nhân tạo)

BCI Brain computer interface (Giao diện não máy tính)

CT Computed Topography (Chụp cắt lớp)

DNN Deep neural network (Mạng học sâu)

DBN Deep belief network (Mạng học sâu niềm tin)

DWSAE Deep wavelet sparse autoencoder (Máy học sâu tự mã hóa thưa

wavelet)

EEG Electroencephalography (Điện não đồ)

EOG Electrooculography (Tín hiệu bất thường sinh ra do nháy mắt)

EMG Electromyogram (Tín hiệu bất thường sinh ra do cử động cơ)

ECoG Electro-corticography (Điện não đồ xâm lấn)

FC Frequency correlation (Tương quan tần số)

fMRI functional Magnetic resonance imaging (Chụp cộng hưởng từ chức

năng)

fNIRS Functional Near-Infrared Spectroscopy (Quang phổ cận hồng ngoại)

ICA Independent component analysis (Phân tích thành phần độc lập)

Infomax Information Maximization (Tối đa thông tin)

JADE Joint Approximation Diagonalization of Eigen-matrices

LORETA Low resolution brain electromagnetic tomography (Định vị điện từ

não đồ phân giải thấp)

MEG Magnetoencephalography (Từ não đồ)

MSE Mean square error (Sai số toàn phương trung bình)

OWO-BP Output weight optimization – Backpropagation (Lan truyền ngược tối

ưu hóa trọng số lớp ra)

PCA Principal component analysis (Phân tích thành phần chính)

PET Positron emission tomography (Chụp positron phát xạ)

PSD Power spectral density (Mật độ phổ năng lượng)

RBM Restricted Bolzmann machine (Máy Bolzmann chặt)

RWE Relative wavelet energy (Năng lượng wavelet tương đối)

SAE Sparse autoencoder (Máy tự mã hóa thưa)

SOBI Second-Order Blind Identification (Nhận dạng mù bậc hai)

SURE Stein’s unbiased risk estimate

SVM Support vector machine (Máy vec-tơ hỗ trợ)

WIoT Wireless internet of things (Internet vạn vật vô tuyến)

WNN Wavelet neural network (Mạng nơ-ron wavelet)

WT Wavelet thresholding (Phân ngưỡng wavelet)

Page 12: Nguyễn Thế Hoàng Anh

11

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết

Não bộ là một trong những cơ quan quan trọng nhất, về cơ bản chịu trách

nhiệm điều phối toàn bộ các cơ quan khác trong cơ thể con người. Cơ chế hoạt động

của não bộ là một vấn đề rất phức tạp, đến nay khoa học chưa có lời giải rõ ràng.

Nếu não bộ hoạt động không bình thường có thể do các vấn đề tâm lý hay xáo trộn

về cấu trúc sinh học, một số bệnh liên quan có thể xuất hiện như suy giảm trí nhớ,

tự kỷ/trầm cảm, Parkinson, đột qụy… Tín hiệu điện não là một cách tiếp cận phù

hợp để có thể đánh giá tình trạng của não bộ trong các trường hợp kể trên do chất

lượng tín hiệu tốt, độ phân giải cao, tính linh động của thiết bị, an toàn và giá thành

hợp lý trong điều kiện Việt Nam nếu so sánh với các phương pháp thu tín hiệu từ

não bộ khác như chụp cộng hưởng từ, chụp cắt lớp, điện não đồ xâm lấn…

Tín hiệu điện não hay sóng điện não (Electroencephalogram – EEG) là các

giá trị điện thế có giá trị rất nhỏ, tạo ra bởi quá trình tương tác với nhau của các tế

bào thần kinh trong não. Tín hiệu EEG thường có biên độ trong khoảng từ 10 µV

đến 100 µV và tần số trong dải từ 1 Hz đến 100 Hz. Tín hiệu EEG không tuân theo

phân bố Gauss thông thường và cũng không tĩnh (nonstationary). Thông thường, tín

hiệu EEG cho biết thông tin về các hoạt động theo nhịp (rhythmic activities) trên các

dải tần số khác nhau như dải tần Delta (0.5–4 Hz), Theta (4-8 Hz), Alpha (8-13 Hz),

Beta (13-30 Hz) và Gamma (30-50 Hz). Phân tích tín hiệu EEG có thể dẫn đến một

số phát hiện như: nhịp Delta thường được thu được ở các trẻ nhỏ dưới 1 tuổi và trong

trạng thái ngủ sâu của người lớn; nhịp Theta tồn tại ở trẻ em nhỏ dưới 7 tuổi hoặc

trẻ em bình thường hoặc ở người lớn trong trạng thái buồn ngủ hoặc đang ngủ; một

lượng lớn tín hiệu nhịp Theta thu được ở người lớn trong trạng thái tỉnh táo là dấu

hiệu cảnh báo tình trạng bất thường hoặc dấu hiệu bị bệnh...

Tín hiệu điện não thường xuyên được sử dụng để phát triển các hệ giao diện

não-máy tính (Brain Computer Interface - BCI), phương thức truyền thông cho phép

kết nối máy tính để xử lý và hiểu được tín hiệu sinh ra từ bộ não một cách hiệu quả.

Page 13: Nguyễn Thế Hoàng Anh

12

BCI là một giải pháp hữu ích cho người bị các bệnh như xơ cứng teo cơ một bên

(ALS) hay bệnh nhân trong tình trạng nghiêm trọng không cử động và điều khiển

được các bộ phận của cơ thể. Giao điện não máy tính cho phép chuyển tải thông điệp

người sử dụng muốn chỉ thông qua tín hiệu đã được phân tích, xử lý và “dịch” bởi

hệ thống mà không cần bất kỳ can thiệp nào khác. Một số ứng dụng của hệ BCI có

thể kể đến trong việc hỗ trợ phục hồi chức năng của người bị liệt nửa người do chấn

thương tủy sống [1], cho phép người sử dụng điều khiển các nhân vật hoạt họa di

chuyển trong một trò chơi điện tử dựa trên Xung phản ứng kích thích thị giác trạng

thái ổn định [2], điều khiển con chuột máy tính [3].

Để thực hiện việc phân tích thông tin và triển khai các ứng dụng dựa trên tín

hiệu EEG kể trên, một số vấn đề còn tồn tại, chưa được giải quyết bởi các nghiên

cứu trước đây có thể được kể đến:

- Tín hiệu điện não sau khi được biến đổi sang miền thời gian – tần số sẽ chứa

các thông tin đặc trưng được khu trú trên từng dải tần cụ thể và theo từng khung thời

gian nhất định. Các phương pháp trước đây, ví dụ sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo,

thường phải trải qua bước huấn luyện off-line, do đó không tự động hóa được quy

trình khử nhiễu.

- Các thiết kế thí nghiệm của các nghiên cứu khác tập trung vào việc tạo ra

các đặc trưng như P300, xung kích thích thị giác trạng thái ổn định SSVEP, nhịp Mu

và Beta… thường yêu cầu thiết bị phụ trợ như màn hình máy tính hiển thị các hình

ảnh, ký tự được nháy sáng.

- Các phương pháp phân loại tín hiệu điện não trước đây thường được phát

triển cho các thí nghiệm như hình dung ảnh vận động, nhịp vận động cảm giác hay

xung kích thích thị giác trạng thái ổn định không phù hợp cho việc phân loại tín hiệu

điện não sinh ra trong tác vụ tập trung suy nghĩ vốn không đòi hỏi thiết kế thí nghiệm

phải có thiết bị hỗ trợ.

Học máy là các phương pháp tính toán thông minh cho phép máy tính tạo ra

các mô hình toán học có tham số hình thành bởi quá trình khai phá, huấn luyện với

dữ liệu gán nhãn (học có giám sát) hoặc không cần gán nhãn (học không giám sát).

Page 14: Nguyễn Thế Hoàng Anh

13

Học sâu hay mạng nơ-ron nhân tạo sâu (deep neural network) với các cấu trúc khác

nhau như mạng niềm tin (deep belief net), máy tự mã hóa thưa (autoencoder), mạng

tích chập (convolutional neural network), mạng sinh đối nghịch (generative

adversarial networks)... là các thuật toán học máy được ứng dụng rất thành công

trong nhiều lĩnh vực. Các thuật toán học sâu khi có nhiều dữ liệu để huấn luyện sẽ

càng trở nên hiệu quả trong việc thực hiện chức năng được “dạy”. Kết quả thực

nghiệm trong luận án này mới chỉ tiến hành trên một tập dữ liệu quy mô nhỏ, tuy

nhiên việc sử dụng các phương pháp học sâu là bước chuẩn bị sẵn sàng để triển khai

công nghệ đề xuất cho các bài toán thực tế, khi có lượng lớn dữ liệu. Dựa trên những

phân tích ở trên, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý và phân loại

tín hiệu điện não, hướng đến áp dụng các phương pháp này trong một hoặc một số

ứng dụng cụ thể là một vấn đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, rất

cần thiết được tập trung nghiên cứu một cách kỹ lưỡng.

2. Mục tiêu của luận án

Luận án đặt ra một số mục tiêu như sau:

- Phát triển phương pháp để tăng cường chất lượng điện não dựa trên học

máy: Với vai trò là thông tin đầu vào, chất lượng của bản ghi tín hiệu điện não rất

quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng xử lý và phân loại tín hiệu của hệ xử lý, phân

tích tín hiệu điện não. Do đó, việc tăng cường chất lượng điện não, cụ thể là loại bỏ

thành phần tín hiệu điện não không mong muốn trong đó tín hiệu điện não bất thường

sinh ra do nháy mắt (Electrooculography – EOG), là một cách tiếp cận phù hợp để

tăng hiệu quả hoạt động của hệ BCI cũng như các hệ thống phân tích tính hiệu điện

não khác.

- Phát triển các phương pháp trong phân tích, xử lý tín hiệu điện não dựa trên

các phương pháp học máy trong đó bao gồm việc kiểm thử các phương pháp học có

giám sát và không giám sát dựa trên SVM, ANN, DNN, Học cộng đồng: Đối với các

phương pháp phân tích tín hiệu điện não dựa trên học có giám sát, kết quả phân loại

tín hiệu sẽ cho thấy mô hình đã được huấn luyện có thể học và làm tốt đến đâu với

Page 15: Nguyễn Thế Hoàng Anh

14

dữ liệu tín hiệu điện não đầu vào đã được gán nhãn. Trong trường hợp xử lý tín hiệu

điện não với phương pháp học không giám sát, luận án sẽ kiểm chứng việc một thuật

toán học máy trong trường hợp cụ thể có thể làm tốt đến đâu khi đã biết nhiệm vụ

nhưng chưa thực sự thực hiện nhiệm vụ này bao giờ. Suy rộng ra là mục tiêu chứng

tỏ các hệ thống trí tuệ nhân tạo có khả năng tự học và suy diễn để thực hiện các

nhiệm vụ được đặt ra như khả năng suy luận của con người mà không cần phải cho

huấn luyện trước (trong chừng mực nào đó) trên một nhiệm vụ như vậy

- Phát triển một qui trình thu nhận dữ liệu với thiết kế thí nghiệm riêng để

đảm bảo phù hợp với hệ thống BCI có khả năng điều khiển các thiết bị điện tử gia

dụng thông minh: Hiện nay, rất nhiều nghiên cứu về xử lý, phân tích tín hiệu điện

não trên thế giới sử dụng tập dữ liệu có sẵn được công bố miễn phí và rộng rãi. Tuy

nhiên cách tiếp cận này có một nhược điểm là dữ liệu thu trước không phải lúc nào

cũng phù hợp với nội dung của nghiên cứu. Một số nghiên cứu khác chủ động tiến

hành thu nhận và sử dụng dữ liệu thu được. Những nghiên cứu này sử dụng các qui

trình thu nhận dữ liệu khác nhau, tuy nhiên phần lớn trong số đó đều khá phức tạp.

Mục tiêu ban đầu của luận án này là phát triển một hệ BCI trong điều khiển các thiết

bị điện tử thông minh, có thể hỗ trợ những nhóm người bị tổn thương chức vận động

(đột quỵ, xơ cứng teo cơ một bên - ALS, đa xơ cứng, chấn thương tủy sống, loạn

dưỡng cơ, …) không có khả năng cử động tương tác được với các thiết bị điện tử.

Để thực hiện hệ BCI như vậy, nghiên cứu trong khuôn khổ luận án này đã phát triển

một qui trình thu nhận dữ liệu với thiết kế thí nghiệm riêng để đảm bảo phù hợp với

hệ thống BCI có khả năng điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng thông minh.

3. Đóng góp của luận án

Luận án có những đóng góp khoa học tập trung vào ba nhóm vấn đề (1) xử lý,

tăng cường chất lượng tín hiệu điện não, (2) phân tích, phân loại tín hiệu điện não

và (3) một hệ thống giao diện não máy tính hoàn chỉnh trong ứng dụng điều khiển

thiết bị điện tử gia dụng. Cụ thể các đóng góp như sau:

(1) Đề xuất các phương pháp xử lý, tăng cường chất lượng tín hiệu điện não:

Page 16: Nguyễn Thế Hoàng Anh

15

Thứ nhất, khử tín hiệu điện não bất thường sinh ra do nháy mắt tự động với

mạng học sâu tự mã hóa thưa wavelet (DWSAE). Đây là một phương pháp mới,

trong đó thuật toán DWSAE được huấn luyện không giám sát và khử nhiễu một cách

tự động. Cách tiếp cận này chứng tỏ các thuật toán trí tuệ nhân tạo nếu được triển

khai theo một quy trình phù hợp, có khả năng tự tìm cách thực hiện các nhiệm vụ cụ

thể mà không cần được biết trước nhiệm vụ đó.

Thứ hai, nhận diện, dò đếm giả tượng mắt EOG dựa trên biến đổi wavelet với

hàm cơ sở wavelet Haar. Phương pháp này được phát triển với mục đích thu thập

các đoạn tín hiệu điện não sạch phục vụ huấn luyện không giám sát mô hình

DWSAE.

(2) Đề xuất các phương pháp phân tích, phân loại tín hiệu điện não:

Thứ ba, phân loại tín hiệu điện não trong các tác vụ suy nghĩ dựa trên bộ phân

lớp SVM với đặc trưng năng lượng wavelet tương đối. Việc triển khai phương pháp

này cho thấy, đặc trưng (Relative wavelet energy – RWE) rất phù hợp để làm đầu

vào cho các mô hình phân lớp học máy dựa trên việc tạo ra các siêu phẳng, nhất là

trong bài toán phân loại tín hiệu điện não.

Thứ tư, phân loại tín hiệu điện não sử dụng mạng nơ-ron phân tích thành phần

chính trong lựa chọn đặc trưng. Trong cách tiếp cận này, mạng nơ-ron được huấn

luyện với phương pháp lan truyền ngược tối ưu trọng số lớp đầu ra (OWO-BP) sử

dụng đặc trưng trích xuất bởi phương pháp phân tích thành phần chính.

Thứ năm, phân loại tín hiệu điện não sử dụng mạng học sâu với đặc trưng lựa

chọn bởi phân ngưỡng SURE. Trong phương pháp này, mạng học sâu được huấn

luyện với đầu vào là các đặc trưng trên miền tần số được trích chọn và giảm số chiều

thông tin sau phân tích thành phần chính PCA. Một phương pháp phân ngưỡng

SURE [4] được đề xuất để giảm số chiều các thành phần chính nhằm giảm độ phức

tạp tính toán và thời gian xử lý, đồng thời tăng chất lượng của bộ phân lớp sử dụng

mạng học sâu.

(3) Đề xuất một hệ thống giao diện não máy tính hoàn chỉnh ứng dụng trong

điều khiển thiết bị điện tử gia dụng:

Page 17: Nguyễn Thế Hoàng Anh

16

Thứ sáu, đề xuất mô hình và thực hiện hệ giao diện não máy tính trong điều

khiển thiết bị điện tử gia dụng. Hệ giao diện não máy tính này gồm bốn phần chính

là khối thu tín hiệu (cùng với thiết kế thí nghiệm, sử dụng phù hợp), khối xử lý tín

hiệu số, khối kết nối và điều khiển thiết bị không dây và khối các thiết bị thông minh.

Các khối thành phần của hệ thống được kết nối hữu tuyến hoặc vô tuyến (wi-fi, blue

tooth) với nhau

Thứ bảy, phân loại tín hiệu điện não sử dụng mô hình dựa trên máy học cộng

đồng là một cách tiếp cận phù hợp để phát triển hệ BCI trong điều khiển thiết bị điện

tử gia dụng thông minh. Mô hình máy học cộng đồng sử dụng tín hiệu đầu vào đã

được khử tín hiệu điện não bất thường sinh ra do nháy mắt với phương pháp

DWSAE. Các máy học thành phần được sử dụng là máy học dựa trên học sâu, mạng

nơ-ron nhân tạo và máy vec-tơ hỗ trợ được đề xuất trong Chương 3 của luận án.

Các đóng góp khoa học cũng như kết quả thực nghiệm của luận án cho thấy

sử dụng học máy là phương pháp tiếp cận phù hợp để giải quyết các bài toán liên

quan đến xử lý, phân loại tín hiệu điện não và hệ giao diện não máy tính trong điều

kiện tín hiệu điện não có tính chất không tĩnh (non-stationary), thay đổi từ người này

sang người khác và từ phiên thu tín hiệu này sang phiên thu tín hiệu khác. Ngoài ra,

việc thực hiện thành công phương pháp DWSAE cho thấy máy học không giám sát

có thể là một cách tiếp cận mới trong xử lý phân tích tín hiệu điện não một cách tự

động. Khái quát hóa lên, các công cụ trí tuệ nhân tạo có khả năng học tự động với

dữ liệu được gán nhãn để giải quyết nhiệm vụ chưa có kinh nghiệm. Đây là cách giải

quyết vấn đề rất gần với tư duy của con người.

4. Phạm vi của luận án

Luận án này tập trung giải quyết các vấn đề liên quan đến phân tích, xử lý tín

hiệu điện não, phát triển và thực hiện hệ giao diện não máy tính nói chung và ứng

dụng cụ thể cho hệ BCI có khả năng điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng thông

minh dựa trên tín hiệu điện não. Để thực hiện được mục tiêu này, luận án tập trung

phát triển một số phương pháp xử lý, phân tích tín hiệu điện não để tăng cường chất

lượng tín hiệu điện não. Các phương pháp này có thể được áp dụng cho hệ BCI điều

Page 18: Nguyễn Thế Hoàng Anh

17

khiển thiết bị điện tử được mô tả trong luận án này cũng như các hệ xử lý tín hiệu

điện não khác. Bên cạnh đó, luận án trình bày một số nghiên cứu, đề xuất về các mô

hình phân loại tính hiệu điện não hoàn chỉnh gồm tiền xử lý tín hiệu sóng điện não,

trích chọn các đặc trưng phù hợp và huấn luyện, sử dụng mô hình phân lớp dựa trên

học máy trong phân loại tín hiệu điện não thành các tác vụ suy nghĩ tương ứng. Mô

hình hệ giao diện não máy tính trong điều khiển các thiết bị điện tử thông minh được

đề xuất trong nghiên cứu của luận án sử dụng thiết bị thu tín hiệu điện não có chất

lượng tín hiệu tương đối tốt, thiết kế nhỏ gọn, linh động nhưng có giá thành hợp lý,

phù hợp với điều kiện kinh tế -xã hội của Việt Nam. Chương 4 của luận án đề xuất

cách tiếp cận sử dụng mô hình học cộng đồng cho khối xử lý tín hiệu trong hệ BCI

này.

5. Phương pháp luận

Luận án giải quyết các vấn đề nghiên cứu đặt ra theo cách tiếp cận sau:

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng và kiểm thử các mô

hình đề xuất trên dữ liệu đã được công bố và dữ liệu tự thu thập.

- Các phương pháp được đề xuất được so sánh với các phương pháp đã có

khác để đánh giá sự hiệu quả.

- Kết quả được báo cáo dưới dạng số liệu hoặc trực quan hóa để thuận tiện

cho việc đánh giá, kiểm chứng.

6. Cấu trúc luận án

Luận án này gồm 06 phần trong đó có Phần mở đầu, 04 chương nội dung và

Phần kết luận. Phần mở đầu nêu lên tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, mục tiêu,

đóng góp khoa học và phạm vi của luận án. Chương 1 nêu tổng quan các vấn đề liên

quan đến tín hiệu điện não, cơ chế sinh ra tín hiệu điện não và một số phương pháp

xử lý, phân tích tín hiệu điện não. Chương 2 trình bày đề xuất phương pháp xử lý,

tăng cường chất lượng tín hiệu điện não đầu vào của hệ giao diện não máy tính bằng

cách khử tín hiệu điện não bất thường sinh ra do nháy mắt. Phương pháp được đề

xuất kết hợp mạng học sâu tự mã hóa thưa và biến đổi wavelet để khử tín hiệu điện

Page 19: Nguyễn Thế Hoàng Anh

18

não bất thường sinh ra do nháy mắt một cách tự động và theo thời gian thực. Chương

3 trình bày một số cách tiếp cận và đề xuất các mô hình phân loại dựa trên học máy

như máy vec-tơ hỗ trợ, mạng nơ-ron nhân tạo, mạng học sâu. Chương 4 trình bày

cách tiếp cận sử dụng học cộng đồng xếp ngăn để tăng cường khả năng phân loại

của các phương án dựa trên học máy đã được đề xuất trong ứng dụng BCI phục vụ

điều khiển thiết bị điện tử gia dụng thông minh. Phần kết luận đưa ra đánh giá tổng

quát về các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án, các đóng góp chính của luận

án và gợi ý một số hướng nghiên cứu để phát triển các nội dung đã được thảo luận

trong luận án.

Page 20: Nguyễn Thế Hoàng Anh

19

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO VÀ XỬ LÝ, PHÂN

TÍCH TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO

1. Giới thiệu

Bộ não, trung tâm điều khiển của hệ thần kinh trung ương, đóng vai trò rất

quan trọng trong việc điều phối các hoạt động của các cơ quan khác và sản sinh ra ý

thức [5]. Não bộ (Hình 1) có khoảng 100 tỉ tế bào thần kinh và là một trong những

bộ phận sinh học phức tạp nhất trong trong cơ thể con người [6]. Tìm hiểu về cấu

trúc của não bộ cũng như cách thức não bộ truyền nhận thông tin là một lĩnh vực

chứa nhiều tiềm năng đem tới những phát kiến khoa học lớn. Để thực hiện được việc

đó, một trong những việc đầu tiên và quan trọng nhất là phải thu nhận được những

tín hiệu/thông tin do não bộ sản sinh. Một số phương pháp khác nhau ghi lại hoạt

động của não (Hình 2), đó là:

- Điện não đồ (Electroencephalography - EEG),

- Chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng (Functional Near-Infrared

Spectroscopy - fNIRS),

- Điện não xâm lấn (Electro-corticography - ECoG),

- Chụp cắt lớp (Computed Topography - CT)

- Từ não đồ (Magnetoencephalography - MEG),

- Chụp cắt lớp phát xạ positron (Positron emission tomography - PET)

- Chụp cộng hưởng từ chức năng (functional magnetic resonance imaging -

fMRI).

Hình 1. Cấu trúc não bộ [64]

Page 21: Nguyễn Thế Hoàng Anh

20

Các phương pháp thu tín hiệu hình ảnh từ não như CT, PET, MRI thường có

thiết kế cồng kềnh, giá thành rất cao. Phương pháp điện não xâm lấn EcoG cho tín

hiệu có độ tin cậy cao, chất lượng và độ phân giải tốt tuy nhiên lại là phương pháp

xâm lấn, không dễ thực hiện và đòi hỏi phải có can thiệp y khoa để mở hộp sọ đặt

điện cực thu tín hiệu. So với các phương pháp này, điện não đồ EEG cho kết quả là

tín hiệu điện não có độ phân giải và chất lượng tốt. Thiết bị thu EEG thường nhỏ

gọn, có thể di chuyển linh hoạt và giá thành thấp [7]. Tín hiệu điện não EEG là một

phương thức được sử dụng phổ biến nhất thu nhận tín hiệu đầu vào cho các ứng dụng

giao diện não – máy tính [3; 7-13], phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội nếu được

triển khai áp dụng tại Việt Nam.

a b c

d e f

Hình 2. Các phương thức thu tín hiệu từ não bộ (a) fNIRS, (b) fMRI, (c) PET, (d)

MEG, (e) EcoG và (f) EEG

(Nguồn: https://www.udel.edu/udaily/2016/july/fnirs-brain-imaging (truy cập lần

cuối 09/07/2020) và kết quả nghiên cứu của luận án)

Chương 1 sẽ trình bày về các phương pháp đo tín hiệu từ não bộ, cơ sở khoa

học để làm rõ lý do và ưu điểm, hạn chế của tín hiệu điện não so với các phương

pháp khác. Qua các phân tích, đánh giá và cơ sở khoa học được trình bày sẽ cho thấy

Page 22: Nguyễn Thế Hoàng Anh

21

một tiềm năng to lớn trong việc nghiên cứu tín hiệu điện não, phát triển hệ BCI, hứa

hẹn sẽ đem đến những phát kiến khoa học có giá trị theo hướng nghiên cứu này trong

các lĩnh vực y tế, điều khiển, trị liệu….Một số phương pháp phân tích, xử lý tín hiệu

trong đó có các phương pháp nền tảng như biến đổi wavelet, phân tích thành phần

độc lập, mạng nơ-ron wavelet, phương pháp hiển thị hình ảnh LORETA… sẽ được

trình bày để làm cơ sở cho các phương pháp được đề xuất, phát triển ở các chương

tiếp theo của luận án.

2. Tín hiệu điện não và phương pháp đo tín hiệu từ não bộ

2.1. Các phương pháp đo tín hiệu từ não bộ

2.1.1. Chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng

Phương pháp chụp quang phổ cận hồng ngoại chức năng (Functional Near-

Infrared Spectroscopy - fNIRS) cho phép đo dữ liệu về oxi trên vỏ não và lưu lượng

máu trên các vùng của não mà không cần can thiệp xâm lấn [14]. fNIRS được thực

hiện dựa trên nguyên lí tia sáng ở phổ cận hồng ngoại với bước sóng từ 700-900 nm

bị hấp thụ mạnh bởi hemoglobin (Hb) và deoxygenated-hemoglobin (deoxy-Hb) vốn

có trong máu nhưng có thể dễ dàng đi xuyên qua da, xương và các mô tế bào. fNIRS

cho phép theo dõi và phát hiện những sự thay đổi mang tính tương đối trong lưu

thông máu não dựa trên sự khác biệt về mức độ bị hấp thụ các tia sáng ở phổ cận

hồng ngoại này. Tại bước song 810 nm, hệ số hấp thụ của deoxy-Hb and oxy-Hb là

giống nhau do đó phương pháp đo tín hiệu não fNIRS thường sử dụng ít nhất hai

bước sóng. Trong đó, có một bước sóng cao hơn 810 nm và bước sóng còn lại sẽ

thấp hơn 810 nm.

Chứng tỏ được nhiều ưu điểm về độ chính xác và chất lượng của tín hiệu thu

được, fNIRS thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới nhưng ở

Việt Nam phương pháp này vẫn còn khá mới mẻ. Cản trở lớn nhất của việc nghiên

cứu phổ biến fNIRS là ở chi phí sử dụng cao, việc thiết lập hệ thống vẫn còn phức

tạp. Ngoài ra fNIRS có một nhược điểm rất lớn là không thể sử dụng để thăm dò

Page 23: Nguyễn Thế Hoàng Anh

22

hoạt động não ở khu vực sâu hơn 4 cm do những hạn chế trong khả năng phát xạ các

tia cận hồng ngoại và giới hạn về độ phân giải trong không gian [14].

2.1.2. Chụp Cộng hưởng từ chức năng

Chụp cộng hưởng từ chức năng hay fMRI (Functional magnetic resonance

imaging) là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y khoa không xâm lấn dựa trên hiện

tượng cộng hưởng từ cho phép theo dõi sự thay đổi lượng oxy trong máu của não

bộ, từ đó có thể phân tích được tình trạng hay hoạt động của hệ thần kinh [15]. Chụp

cộng hưởng từ là một kỹ thuật nhanh, gọn, không sử dụng tia X, an toàn cho bệnh

nhân và không gây ảnh hưởng phụ.

Về cơ bản, fMRI là một phương pháp thu hình ảnh của các cơ quan trong cơ

thể sống và quan sát lượng nước bên trong các cấu trúc của các cơ quan. Ảnh cộng

hưởng từ hạt nhân dựa trên một hiện tượng vật lý là hiện tượng cộng hưởng từ hạt

nhân. Phương pháp fMRI gồm 4 giai đoạn là sắp hàng hạt nhân, kích thích hạt nhân,

ghi nhân tín hiệu và tạo hình ảnh. Dạng phổ biến nhất của fMRI là BOLD-fMRI

(Blood oxygen level dependent fMRI) cho phép xác định dòng máu chứa Oxy tại

những vùng khác nhau [16]. Thiết bị đo tín hiệu hình ảnh fMRI thường có kích

thướng lớn, cồng kềnh, không di chuyển được và yêu cầu bất động cơ thể người thu

tín hiệu.

2.1.3. Chụp cắt lớp phát xạ positron

Chụp cắt lớp phát xạ positron (Positron Emission Tomography - PET) là kỹ

thuật ghi hình y học hạt nhân có thể đánh giá được mức độ chuyển hóa, hoạt động

chức năng của các tế bào trong một cơ quan. PET được sử dụng như phương pháp

ghi hình chức năng, ghi hình chuyển hóa hay ghi hình ở mức độ phân tử [17].

Phương pháp PET ghi lại hình ảnh định tính và định lượng trong quá trình

sinh - bệnh lý và chuyển hóa của các bệnh lý sử dụng dược chất phóng xạ được đánh

dấu. Trong khi đó các phương pháp chẩn đoán hình ảnh cấu trúc, giải phẫu như chụp

cắt lớp vi tính (Computed Tomography – CT) hay cộng hưởng từ (fMRI) không thể

Page 24: Nguyễn Thế Hoàng Anh

23

phát hiện các tế bào ung thư hoặc các tổn thương ở các cơ quan ở giai đoạn sớm

(giai đoạn chuyển hóa mức phân tử, tế bào..).

Chụp Positron cắt lớp cho phép phát hiện nguồn năng lượng được phóng thích

bởi các hạt positron vốn là những hạt nhỏ được hình thành khi mà chất đánh dấu

phóng xạ bị phá vỡ trong cơ thể. Tia gamma được sinh ra khi các hạt positron bị phá

vỡ và sẽ được phát hiện bởi máy quét tạo nên hình ảnh không gian 3 chiều. Hình ảnh

thu được cho thấy các cơ quan trong cơ thể hoạt động bình thường hay bất thường.

Cũng giống như fMRI, thiết bị chụp PET thường có kích thướng lớn, cồng

kềnh, không di chuyển được và yêu cầu bất động cơ thể người thu tín hiệu. Ngoài ra

việc đưa chất đánh dấu trong phức hợp đánh dấu phóng xạ vào cơ thể người cũng có

thể gây ra các tác dụng phụ không mong muốn.

2.1.4. Từ não đồ

Từ trường có thể được phát hiện ở bất cứ nơi nào có sự biến thiên của điện

trường. Từ não đồ MEG là một kỹ thuật thần kinh chức năng cho phép lập bản đồ

hoạt động của não bằng cách ghi nhận từ trường sinh ra bởi dòng điện sinh học, có

giá trị rất nhỏ, gây ra do hoạt động của các tế bào thần kinh.

MEG là một phương pháp không xâm lấn cho phép đo sự thay đổi của trường

điện từ dựa trên hoạt động của tế bào thần kinh với độ phân giải cao trong dải giá trị

từ femto tesla (10-15T) tới pico tesla (10-12T). Từ trường của trái đất ở cỡ 10-4 đến 10-

5 T. MEG thường được kết hợp với phương pháp đo tín hiệu hình ảnh cộng hưởng

từ MRI, được gọi là phương pháp chẩn đoán hình ảnh dựa trên nguồn từ trường

(Magnetic source imaging - MSI) để có được thông tin về cấu trúc não bộ tốt hơn.

Khả năng xuyên thấu của từ trường đối với các tế bào sinh học cũng giống hệt như

khi xuyên qua các vùng không gian rỗng và từ trường không bị thất thoát và ảnh

hưởng khi xuyên qua da đầu hoặc hộp sọ.

Để thu được tín hiệu từ não đồ, cần phải giải quyết được hai vấn đề đó là việc

ghi nhận giá trị từ trường rất nhỏ phát ra từ não bộ và giảm thiểu ảnh hưởng của từ

trường trái đất vốn có giá trị lớn hơn nhiều so với từ não bộ. Kỹ thuật được sử dụng

Page 25: Nguyễn Thế Hoàng Anh

24

để thu tín hiệu từ não đồ là thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (super-conducting

quantum interference detector). Để duy trì được chất siêu dẫn, môi trường được giữ

ổn định ở nhiệt độ rất thât, khoảng 3o C sử dụng dung dịch helium.

Như vậy, từ não đồ là phương pháp đo tin hiệu não bộ chứa nhiều thông tin,

có độ phân giải và chất lượng tốt nhưng sử dụng thiết bị khá cồng kềnh, công nghệ

phức tạp, không di chuyển được và giá thành đắt.

2.1.5. Điện não đồ xâm lấn

Phương pháp electro-corticography (ECoG) là một phương pháp xâm lấn,

dùng phẫu thuật mở hộp sọ để đặt các điện cực trực tiếp lên bề mặt não bộ nhằm ghi

lại các hoạt động điện của não [10]. Trong kĩ thuật ECoG, thường dùng các bộ điện

cực vô trùng được chế tạo từ thép không gỉ, bạch kim hoặc hợp kim của vàng. Các

điện cực thường có đường kính 5 mm được đặt trên lưới điện cực trong suốt với

khoảng cách tiêu chuẩn giữ hai điện cực là 1 cm và được đánh số thứ tự. Các điện

cực được thiết kế một cách linh hoạt để không gây tổn thương não trong những

chuyển động nhỏ và được đặt để tiếp xúc trực tiếp trên bề mặt não nhưng không làm

tổn thương các tế bào thần kinh.

Do tín hiệu điện não không bị suy hao qua hộp sọ, phương pháp ECoG cho

tín hiệu có độ phân giải không gian cao hơn nhiều so với EEG. Thiết bị ghi, cụ thể

là điện cực và cách đặt điện cực ảnh hưởng lớn đến độ phân giải không gian của kĩ

thuật ECoG. Ngoài các bộ điện cực đặt theo dải hoặc lưới điện cực trên bề mặt não,

người ta còn có thể sử dụng các mảng vi điện cực Utah hoặc điện cực sâu được đặt

ở hồi hải mã và hạch hạnh nhân. Do đặt điện cực trực tiếp lên bề mặt não, tín hiệu

điện não thu được bằng kĩ thuật này không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu điện cơ

EMG và tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG vốn tác động rất mạnh tới chất lượng

tín hiệu điện não thu được bởi phương pháp điện não đồ. Tuy có nhiều ưu điểm về

chất lượng tín hiệu nhưng do là một kĩ thuật xâm lấn đòi hỏi phẫu thuật nên ECoG

nên việc chuẩn bị và tiến hành kĩ thuật này là phức tạp hơn rất nhiều so với các kĩ

Page 26: Nguyễn Thế Hoàng Anh

25

thuật khác, do đó ECoG phần lớn được chỉ định trong điều trị y học nhiều hơn là

trong nghiên cứu.

2.2. Tín hiệu điện não và các vấn đề liên quan

Tín hiệu điện não, được dùng để chẩn đoán y khoa các bệnh liên quan đến

thần kinh trong đó có bệnh động kinh, là tín hiệu điện sinh học thu được từ cơ thể

sống giống như tín hiệu điện tâm đồ, tín hiệu điện cơ ... Mỗi loại tín hiệu điện sinh

học khác nhau lại có những cơ chế phát sinh cũng như các phương pháp thu nhận

khác nhau. Mục này sẽ trình bày các nguyên lí cơ bản về cách thức bộ não phát sinh

ra tín hiệu, phương pháp ghi lại các dạng tín hiệu phát ra từ não, phương pháp xử lí

tín hiệu này như thế nào.

2.2.1. Điện não đồ

Hình 3. Một số hệ thống thiết bị dùng để đo điện não EEG [20]

MEG, PET, CT và fMRI là các kỹ thuật thu tín hiệu và chẩn đoán hình ảnh

đòi hỏi trang thiết bị rất đắt tiền, cồng kềnh, không di chuyển được và yêu cầu người

được thu tín hiệu này phải nằm bất động. Vì vậy, các phương pháp được sử dụng

rộng rãi nhất để ghi lại hoạt động của não trong các hệ thống giao diện não-máy tính

Page 27: Nguyễn Thế Hoàng Anh

26

BCI (Brain-Computer Interface system) là điện não đồ EEG. Cơ sở cho nhận xét

trên dựa trên đặc điểm của EEG là một kỹ thuật đơn giản, không xâm lấn (non-

invasive), tính di động cao và chi phí thấp hơn nhiều so với các kĩ thuật khác tính

[3, 7-13].

Điện não đồ là phương pháp thu tín hiệu không xâm lấn, trực tiếp đo tín hiệu

điện phát sinh ra trong các hoạt động thần kinh của não bộ. Tuy nhiên, khác với

ECoG vốn là một kĩ thuật xâm lấn, EEG đặt các điện cực ở da đầu để thu tín hiệu

điện não. Nhược điểm của phương pháp EEG là dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, độ phân

giải tín hiệu đối với một số thiết bị thu không cao. Tuy nhiên các nhược điểm này

đều đã và đang được các nhà nghiên cứu khắc phục bằng những thuật toán xử lí tiên

tiến và tiến bộ trong công nghệ phần cứng. Ví dụ như gần đây, công nghệ sử dụng

điện cực khô (dry sensor) đang dần trở nên phổ dụng trong các thiết bị thu tín hiệu

điện não thay cho các điện cực ướt (wet sensor). Bên cạnh đó, EEG có chi phí thấp,

tính đơn giản và linh hoạt trong thiết lập hệ thống đo trở thành hướng tiếp cận phù

hợp nhất cho các nghiên cứu về não nói chung và các nghiên cứu về hệ thống BCI

nói riêng. Dựa trên các cơ sở đó, luận án này lựa chọn tín hiệu điện não và phương

pháp đo điện não đồ EEG làm hướng tiếp cận chính trong khuôn khổ đề tài nghiên

cứu của luận án này. Các phần lí thuyết về điện não đồ sẽ được trình bày cụ thể chi

tiết trong phần tiếp theo.

2.2.2.Tín hiệu điện não

Tín hiệu điện não EEG (Hình 4) là các giá trị điện thế có giá trị rất nhỏ, tạo ra

bởi quá trình tương tác với nhau của các tế bào thần kinh trong não [18-19]. Tín hiệu

điện não thường có biên độ trong khoảng từ 10 µV đến 100 µV và tần số trong dải

từ 1 Hz đến 100 Hz. Tín hiệu điện não không tuân theo phân bố Gauss thông thường

và cũng không tĩnh (nonstationary). Tín hiệu điện não thường được thu nhận bởi các

điện cực đặt trên bề mặt da đầu theo một trong hai kiểu thiết bị thu tín hiệu đơn cực

và lưỡng cực. Thiết bị thu đơn cực lấy hiệu điện thế giữa điện cực hoạt động đặt trên

Page 28: Nguyễn Thế Hoàng Anh

27

bề mặt da đầu và điện cực tham chiếu thường đặt ở vị trí dái tai. Điện cực lưỡng cực

nhận hiệu điện thế giữa hai điện cực được đặt trên da đầu.

Hình 4. Bản ghi tín hiệu điện não EEG

Thông thường, tín hiệu điện não cho biết thông tin về các hoạt động theo nhịp

(rhythmic activities) trên các dải tần số khác nhau (Hình 5) như dải tần Delta (0.5–

4 Hz), Theta (4-8 Hz), Alpha (8-13 Hz), Beta (13-30 Hz) và Gamma (30-50 Hz)

[21]. Nhịp Delta thường được thu được ở các trẻ nhỏ dưới 1 tuổi và trong trạng thái

ngủ sâu của người lớn. Nhịp Theta tồn tại ở trẻ em nhỏ dưới 7 tuổi hoặc trẻ em bình

thường hoặc ở người lớn trong trạng thái buồn ngủ hoặc đang ngủ. Một lượng lớn

tín hiệu nhịp Theta thu được ở người lớn trong trạng thái tỉnh táo là dấu hiệu cảnh

báo tình trạng bất thường hoặc dấu hiệu bị bệnh. Sóng Alpha trong dải tần từ 8 Hz

đến 13 Hz thường thu được tại vùng sau gáy tại mỗi phía và thường có biên độ lớn

hơn ở vùng sóng Alpha xuất hiện phổ biến. Biên độ của sóng Alpha thường có giá

trị nhỏ hơn 50 µV và thường thu được ở thùy chẩm của người trưởng thành trong

trạng thái thư giãn. Nhịp Beta xuất hiện phổ biến ở thùy trán và là dấu hiệu cho thấy

đối tượng thu tín hiệu đang trong tình trạng cảnh giác hoặc lo sợ. Tín hiệu điện não

thường rất phức tạp và có tính chất bất định, phụ thuộc mạnh vào cá nhân, tuổi và

trạng thái thần kinh khi thu tín hiệu của đối tượng.

Page 29: Nguyễn Thế Hoàng Anh

28

Hình 5. Một số dạng sóng trong tín hiệu điện não EEG

(Nguồn: http://www.biogetic.com/research.html; truy cập lần cuối 09/07/2020)

2.2.3. Cơ chế phát sinh tín hiệu điện não

Tương tác của các tế bào thần kinh được diễn ra thông qua các xung điện, được

ghi lại bởi các điện cực đặt trên da đầu. Hiệu điện thế hoạt hóa hay ức chế sau

synapse sẽ tạo ra tín hiệu điện não theo cơ chế như sau. Khi xuất hiện tương tác tế

bào thần kinh, chất trung gian dẫn truyền thần kinh được giải phóng sẽ khuếch tán

qua khe synapse hẹp. Tại màng sau synapse, phân tử chất trung gian dẫn truyền thần

kinh gắn vào phân tử thụ cảm thể gắn ở màng tại vùng nhận diện đặc hiệu đối với

chất trung gian dẫn truyền thần kinh đó. Chất trung gian dẫn truyền thần kinh gắn

vào thụ cảm thể sẽ kích hoạt đáp ứng sau synapse đặc hiệu cho thụ cảm thể đó. Đáp

ứng này có thể là hoạt hoá hay ức chế, phụ thuộc vào đặc điểm của thụ cảm thể. Nếu

sự kích thích thụ cảm thể làm cho màng sau synapse tăng điện dương (khử cực), thì

đó là thế hoạt hoá sau synapse (Excitatory postsynaptic potentials - EPSP). Nếu tăng

điện âm (tăng phân cực), thì đó là thế ức chế synapse (Inhibitory postsynaptic

potentials - IPSP). Các điện thế sau synapse được tổng hợp lại tại vỏ não, phát ra

trên bề mặt da đầu và được ghi lại dưới dạng tín hiệu điện não.

Page 30: Nguyễn Thế Hoàng Anh

29

2.2.4. Thu tín hiệu điện não

Hai phương pháp thường được dùng để thu tín hiệu điện từ bộ não là EEG và

ECoG. Phương pháp EEG sử dụng một hệ thống các điện cực đặt trên vỏ da đầu để

thu các tín hiệu điện, đây là một phương pháp không xâm lấn. Khác với EEG, ECoG

là một phương pháp xâm lấn. Về cơ bản, khi thực hiện thu tín hiệu với phương pháp

ECoG, các điện cực được đặt trực tiếp vào vỏ não thay vì ở trên bề mặt da đầu.

ECoG là một phương pháp xâm lấn đòi hỏi phải tiến hành phẫu thuật mở hộp sọ để

có thể đặt điện cực. Trong khuôn khổ luận án, các nội dung về phương pháp đo điện

não đồ EEG sẽ được trình bày sâu hơn.

Trong phương pháp đo điện não đồ EEG, người ta sử dụng thiết bị thu tín hiệu

điện não để ghi lại tín hiệu điện từ bộ não bằng cách đặt các điện cực lên da đầu.

Dòng điện hình thành do hoạt động của tế bào thần kinh có điện thế rất nhỏ (chỉ cỡ

100 µV) [18]. Để có thể ghi được dòng điện nhỏ này thì máy thu tín hiệu điện não

phải có độ nhạy cao. Dù đã được cải tiến và phát triển rất nhiều kể từ khi được phát

minh từ năm 1924, tuy nhiên nguyên lí hoạt động chung của máy thu tín hiệu điện

não đều tuân theo qui trình cơ bản từ đầu vào là các điện cực → đạo trình ghi → bộ

tiền xử lí khuếch đại → bộ lọc tần số cao → hậu khuếch đại → thiết bị ghi (máy ghi

dao động kế hoặc màn hình). Trong giai đoạn phát triển thiết bị thu ban đầu, các dao

động kế được sử dụng để ghi lại tín hiệu lên tấm giấy nhẵn hoặc giấy có ô lưới. Hiện

nay, các hệ thống này được số hóa, xử lí và lưu trữ tín hiệu EEG dưới dạng số. Như

đã biết, việc số hóa tín hiệu bao gồm nhiều bước như lấy mẫu, lượng tử hóa, mã

hóa,… Khi số kênh tín hiệu được sử dụng tăng lên thì lượng dữ liệu cũng nhiều hơn,

số bit để mã hóa tín hiệu cũng tăng theo. Các hệ thống được máy tính hóa cho phép

thiết lập nhiều thông số khác nhau, hỗ trợ mô phỏng tín hiệu, lấy mẫu tần số và trong

nhiều trường hợp có tích hợp cả các công cụ xử lí tín hiệu đơn giản hoặc hiện đại

giúp nâng cao hiệu quả quá trình xử lí tín hiệu. Dải tần hiệu quả cho việc thu tín hiệu

EEG là cỡ xấp xỉ 100 Hz, do đó tần số lấy mẫu nhỏ nhất sẽ vào cỡ 200 Hz để tuân

theo định lí Nyquis. Tuy nhiên các con số này có thế thay đổi tùy vào mục đích của

việc đo tín hiệu. Một số ứng dụng đòi hỏi các hoạt động của não phải được quan sát

Page 31: Nguyễn Thế Hoàng Anh

30

ở độ phân giải cao hơn tần số lấy mẫu, có thể lên tới 2000 mẫu/s. Để giảm thiểu mất

mát thông tin thì quá trình lượng tử hóa tín hiệu cũng phải thực hiện rất tốt. Các hệ

thống đo tín hiệu EEG trong lâm sàng thường sử dụng các mẫu tín hiệu 16 bit.

3. Một số phương pháp xử lý, phân tích tín hiệu điện não

3.1. Biến đổi wavelet

Biến đổi wavelet [21] là phương pháp xử lý tín hiệu sử dụng một tập hợp các

hàm cơ sở, được gọi là các sóng nhỏ wavelet vốn khi được sử dụng để phân tích

tín hiệu sẽ thể hiện thông tin đầu ra khu trú rất rõ trên cả miền thời gian và tần

số. So với phép biến đổi Fourier (sử dụng duy nhất hàm mũ), phép biến đổi

wavelet có tính linh động cao vì có thể lựa chọn các hàm wavelet khác nhau trong

họ hàm wavelet sao cho thích hợp với bài toán (hình dạng của hàm wavelet phù

hợp với tín hiệu cần phân tích) để kết quả phân tích là tốt nhất. Các hàm cơ sở

wavelet có thể được xây dựng từ một hàm wavelet mẹ duy nhất 𝜓(𝑡) được định

nghĩa như sau:

𝜓𝑎,𝜏 =1

√𝑎𝜓(

𝑡−𝜏

𝑎) (1)

Trong đó a là tỉ lệ (nghịch đảo của tần số) và 𝜏 là dịch chuyển đặc trưng vị trí.

Biến đổi wavelet liên tục (Continuous wavelet transform - CWT) của một tín hiệu

𝑥(𝑡) được định nghĩa là hệ số tương quan (correlation) giữa hàm cơ sở wavelet

và chính tín hiệu đó. CWT của 𝑥(𝑡) được định nghĩa bởi công thức sau:

𝑊(𝑎, 𝜏) =1

√𝑎∫ 𝑥(𝑡)𝜓𝑎,𝜏

∗ (𝑡)𝑑𝑡∞

−∞ (2)

Trong đó 𝜓∗(𝑡) là biến đổi phức liên hợp của 𝜓(𝑡). Phương trình (2) ở trên

cho thấy trong phép biến đổi CWT, một sóng nhỏ wavelet được cho đi qua tín

hiệu cần phân tích. Kết quả thu được là một tập các hệ số wavelet đại diện cho

hình ảnh trên các bậc hay dải tần khác nhau trên miền thời gian và tần số của tín

hiệu phân tích. Tham số tỉ lệ a đóng vai trò quan trọng trong phép biến đổi

wavelet. Khi giá trị của a thay đổi từ lớn xuống bé, hàm cơ sở wavelet trở nên

“giãn” ra và trơn hơn tương ứng với tần số thấp hơn. Theo đó, các thành phần tín

Page 32: Nguyễn Thế Hoàng Anh

31

hiệu chứa tần số thấp có thể được phân tích với các sóng wavelet trơn như vậy

có thể đem lại thông tin phân tích hết sức hữu ích. Đặc biệt trong điều kiện tín

hiệu điện não thường bị ảnh hưởng bới các loại nhiễu trong đó có tín hiệu bất

thường do nháy mắt EOG vốn thường xuất hiện ở giải tần thấp.

Biến đổi wavelet thường trả về kết quả là các hệ số mang đặc trưng trên cả

miền thời gian và tỉ lệ (scale), trong đó tỉ lệ ở đây một cách cơ bản là chỉ về mặt

tần số [22]. Tỉ lệ cao nhất tương ứng với thành phần tần số cao nhất hiện diện

trong tín hiệu được phân tích (thường là bé hơn hoặc bằng một nửa tần số lấy

mẫu) và giải tần của tỉ lệ này thường trong khoảng từ một nửa tới một phần tư

tần số lấy mẫu. Khi giải tần giảm một nửa, số lượng hệ số thuộc về các thành

phần có độ phân giải thấp hơn giảm xuống khoảng gần một nửa so với giải tần

cao hơn ngay kề trên. Sự lựa chọn một cách hợp lý các hệ số ở các giải tần khác

nhau có thể được dùng để nén hoặc tái cấu trúc lại tín hiệu ban đầu hoặc tín hiệu

được thay đổi, trong trường hợp nâng cao chất lượng, loại bỏ thành phần không

mong muốn hay khử nhiễu tín hiệu.

Hình 6. (a) Biến đổi wavelet thuận và (b) Biến đổi wavelet ngược

Page 33: Nguyễn Thế Hoàng Anh

32

Do tín hiệu xử lý trên máy tính là tín hiệu số hóa, biến đổi wavelet liên tục

CWT không áp dụng được. Thay vào đó, biến đổi wavelet rời rạc (Discrete wavelet

transform - DWT) được dùng để thu được các tập hệ số wavelet là các bản thể rời

rạc của chuỗi tín hiệu thời gian rời rạc. Trong phép biến đổi DWT, các tham số a và

𝜏 trong các phương trình (1) và (2) ở trên có thể được biểu diễn như sau 𝑎𝑖 = 2−𝑖 và

𝜏𝑖 = 2−𝑖𝑗 trong đó i và j là các số nguyên dương. Việc lựa chọn giá trị của i và j xác

định đặc trưng hàm wavelet mẹ 𝜓(𝑡) = 2−𝑖𝜓(2−𝑖 − 𝑗), vốn trực giao trong không

gian Hilbert [23]. DWT có thể được triển khai một cách giản đơn chỉ với phép lọc

đệ quy cho phép tái thể hiện các phiên bản trên miền wavelet của tín hiệu được phân

tích ở các giải tần khác nhau. Tại mỗi giải tần thuộc quá trình lọc tín hiệu này, tín

hiệu lần lượt được cho chạy qua và nhân chập với hai bộ lọc thông cao và thấp, là g

và h. Tái xây dựng tín hiệu có thể thực hiện với phép lọc nghịch đảo như sau:

𝑦𝑙𝑜𝑤(𝑛) = ∑ 𝑥[𝑘]𝑔[2𝑛 − 𝑘]∞𝑘= −∞ (3a)

𝑦ℎ𝑖𝑔ℎ(𝑛) = ∑ 𝑥[𝑘]ℎ[2𝑛 − 𝑘]∞𝑘= −∞ (3b)

Biến đổi wavelet và tái cấu trúc wavelet được minh họa trên Hình 6. Biến đổi

wavelet (theo chiều thuận) chính là quá trình tín hiệu ban đầu được phân tích bởi

một bộ lọc thông cao (𝐻0) và một bộ lọc thông thấp (𝐺0). Hai bộ lọc này được thiết

kế dựa trên đặc tính của hàm wavelet cơ sở. Kết quả là các hệ số wavelet sau đó

được giảm mẫu (downsample) xuống một nửa. Sau khi giảm mẫu, kết quả của phép

biến đổi DWT là một chuỗi hệ số trên giải tần cao và một chuỗi hệ số ở giải tần thấp,

được gọi là chi tiết (detail) và xấp xỉ (approximation). Thành phần xấp xỉ sau đó lại

tiếp tục được sử dụng làm đầu vào của phép biến đổi wavelet DWT ở bậc tiếp theo.

Kết quả khi kết thúc quá trình phân tích DWT là một chuỗi xấp xỉ (𝑎𝑖) và nhiều

chuỗi chi tiết (𝑑𝑘, 𝑘 = 1,… , 𝑖) đem đến hiển thị thông tin về tín hiệu phân tích ở các

giải tần số khác nhau.

Tái cấu trúc tín hiệu trên miền wavelet (quá trình wavelet ngược hay wavelet

tổng hợp) chính là quá trình nghịch đảo của biến đổi DWT trong đó chuỗi xấp xỉ và

chi tiết tại mỗi bậc được tăng mẫu (upsample) bậc hai và sau đó được cho chạy qua

một bộ lọc thông thấp tổng hợp (𝐺1) và bộ lọc thông cao tổng hợp (𝐻1). Sau đó kết

Page 34: Nguyễn Thế Hoàng Anh

33

quả này được tổng hợp lại và quá trình tiếp tục được thực hiện i lần tiếp theo. Số lần

i chính bằng số bậc biến đổi wavelet thuận. Các bộ lọc được sử dụng trong quá trình

phân tích và tổng hợp cần phải thỏa mã điều kiện về tái cấu trúc hoàn hảo (perfect

reconstruction) hay thỏa mãn phương trình:

[𝐺𝑝(𝑧)]𝑇𝐻𝑝(𝑧) = 𝑧−𝑙𝐼 (4)

Trong đó 𝐺𝑝(𝑧) và 𝐻𝑝(𝑧) chính là các ma trận trong dải ma trận tổng hợp và

phân tích.

3.2. Phân tích thành phần độc lập trong khử nhiễu tín hiệu điện não

Phương pháp phân tích thành phần độc lập (Independent component analysis -

ICA) là một kĩ thuật tách nguồn mù thường được sử dụng trong khử nhiễu tín hiệu

điện não [20]. Các kĩ thuật tách nguồn mù thường được sử dụng phổ biến với mục

đích đánh giá các nguồn tín hiệu ban đầu từ tập hợp các tín hiệu trộn của chúng dù

không có hoặc có rất ít thông tin về quá trình trộn cũng như tín hiệu gốc ban đầu. Ý

tưởng của phương pháp ICA dựa trên việc coi mỗi kênh tín hiệu thu được là kết quả

của việc trộn nhiều nguồn tín hiệu gốc. Trong trường hợp tín hiệu điện não EEG,

các tín hiệu thu được ở mỗi điểm đặt điện cực trên vỏ da đầu (kí hiệu là x) được coi

là tín hiệu trộn của nhiều nguồn tín hiệu gốc nằm bên trong bộ não (kí hiệu là s).

Quá trình trộn sử dụng một ma trận trộn (kí hiệu là W-1) được mô tả bằng công thức

x= W-1*s

Mô hình ICA cơ bản yêu cầu các giả thiết sau phải được thỏa mãn:

- Các nguồn tín hiệu ban đầu phải độc lập thống kê với nhau.

- Không có nguồn nào có phân bố Gauss, hoặc tối đa chỉ có 1 nguồn có phân bố Gauss.

- Ma trận trộn W-1 là ma trận vuông (số tín hiệu nguồn bằng số tín hiệu trộn).

Ở đây, khái niệm độc lập thống kê được định nghĩa theo hàm mật độ xác suất

(Probality Density Function - PDF). Những biến ngẫu nhiên 𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛 là độc lập

nếu hàm phân bố xác suất có thể tìm được thừa số là:

𝑝(𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛) = 𝑝1(𝑠1)𝑝2(𝑠2)…𝑝𝑛(𝑠𝑛) (5)

Page 35: Nguyễn Thế Hoàng Anh

34

Với 𝑝(𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛) biểu diễn hàm phân bố xác suất của 𝑠1, 𝑠2, … , 𝑠𝑛 và 𝑝𝑖(𝑠𝑖)

biểu diễn hàm phân bố xác suất của 𝑠𝑖.

Có nhiều thuật toán để thực hiện phương pháp ICA như infomax, FastICA,

JADE… [24]. Về mặt toán học, các giả thiết ban đầu của mô hình ICA tuyến tính có

thể đặt vào trường hợp của tín hiệu EEG mà không làm thay đổi bản chất của tín

hiệu. Trong phân tích tín hiệu điện não EEG, phương pháp ICA được sử dụng nhiều

nhất trong xử lí nhiễu, đặc biệt là tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG và nhiễu cơ

EMG. Ý tưởng cơ bản là sau khi thực hiện phương pháp ICA với dữ liệu điện não

thì sẽ thu được ma trận trộn W-1 và các thành phần độc lập (hay các nguồn tín hiệu

gốc). Các thành phần độc lập sẽ được kiểm tra và thay thế các thành phần độc lập có

tính chất giống nhiễu, trước khi trộn lại bằng ma trận W-1 để thu được tín hiệu sạch.

Quy trình khử nhiễu này được thể hiện tại Hình 7.

Hình 7. Quy trình phương pháp ICA dùng trong khử nhiễu tín hiệu EEG

3.3. Mạng Nơron wavelet

Tín hiệu điện não là loại tín hiệu dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Có một số loại nhiễu

cơ bản như nhiễu tim, tín hiệu bất thường do nháy mắt và nhiễu cơ. Các loại nhiễu

này khi xuất hiện sẽ làm giảm hiệu quả của hệ BCI. Mạng nơron kết hợp wavelet -

Wavelet neural network [25], được phát triển để khử tín hiệu bất thường do nháy

mắt , gồm có ba phần chính (Hình 8): phân tích wavelet (wavelet decomposition),

mạng Nơ-ron nhân tạo và tổng hợp wavelet (wavelet reconstruction). Đầu vào của

Page 36: Nguyễn Thế Hoàng Anh

35

WNN là tín hiệu có tín hiệu bất thường do nháy mắt và đầu ra là tín hiệu đã được

khử nhiễu.

Hình 8. Cấu trúc của mạng Wavelet Neural Network [8]

Phần tiếp theo sẽ trình bày cách huấn luyện và khử nhiễu tín hiệu điện não

bằng mạng Nơ-ron nhân tạo kết hợp wavelet WNN.

3.3.1. Huấn luyện

Để huấn luyện được mạng Nơ-ron nhân tạo, trước hết phải tạo ra tín hiệu điện

não sạch. Sau đó, tín hiệu sạch này được thêm tín hiệu bất thường do nháy mắt , là

nhiễu được lọc tách trực tiếp từ tín hiệu điện não có nhiễu. Việc huấn luyện mạng

Nơ-ron nhân tạo được xem như tương đương với việc “dạy” cho mạng Nơ-ron khôi

phục lại tín hiệu sạch EEG(true)(t) từ tín hiệu có nhiễu EEG(rec)(t). Cả EEG(true)(t) và

EEG(rec)(t) được phân tích wavelet. Sau đó, các hệ số ở một số dải tần thấp được nội

suy để có cùng chiều dài. Các chuỗi hệ số được nội suy sau đó được sử dụng để huấn

luyện mạng Nơ-ron. Các bước huấn luyện có thể xem tại Hình 9.

Hình 9. Huấn luyện mạng Nơ-ron

3.3.2. Khử nhiễu

Các bước đầu tiên của quá trình khử nhiễu (Hình 10) là tương tự với quá trình

huấn luyện mạng Nơ-ron. Tín hiệu EEGrec(t) được phân tích wavelet sau đó nội suy

Page 37: Nguyễn Thế Hoàng Anh

36

hệ số của một số dải tần để các chuỗi hệ số này có chiều dài bằng nhau. Sau đó dữ

liệu cần được khử nhiễu sau khi được xử lý bởi mạng Nơ-ron đã được huấn luyện

được lấy mẫu xuống (downsampling) cho trở về chiều dài ban đầu. Sau đó, dữ liệu

trên được cho qua Tổng hợp wavelet để khôi phục lại tín hiệu sạch EEGtrue(t).

Hình 10. Quá trình khử nhiễu

3.4. Phương pháp phân ngưỡng wavelet

Phương pháp phân ngưỡng wavelet (wavelet thresholding) được phát triển

dựa trên biến đổi wavelet vốn cho phép biểu diễn tín hiệu trên với các tỉ lệ khác nhau

trên miền thời gian – tần số. Các hệ số thuộc thành phần xấp xỉ (approximation) và

chi tiết (details), tương ứng với các băng tần thấp và cao, được đưa qua bộ phân

ngưỡng trước khi tái tạo wavelet. Với việc lựa chọn một cách phù hợp hàm wavelet

có chung tính chất với nhiễu tín hiệu điện não, những hệ số wavelet có giá trị lớn

được tạo ra ở những vùng dải tần số thấp đặc trưng cho tín hiệu bất thường sinh ra

do nháy mắt EOG. Khi thay đổi giá trị của các hệ số này bằng các hàm phân ngưỡng

phi tuyến sẽ tương ứng với việc giảm sự tác động của nhiễu lên tín hiệu điện não,

hay là khử nhiễu tín hiệu. Phương pháp phân ngưỡng wavelet cho mục đích khử

nhiễu được sử dụng trong luận án này được thực hiện theo Krishnaveni, V., 2006, cụ

thể với các bước như sau:

- Sử dụng bộ lọc thông thấp Butterworth loại bỏ các thành phần tín hiệu tần số

rất thấp (< 0.5 Hz) của tín hiệu điện não đầu vào

- Áp dụng biến đổi wavelet cho tín hiệu điện não chứa nhiễu

- Sử dụng một hàm phân ngưỡng để tự động “sửa” những hệ số wavelet có giá

trị lớn, trong vùng tần số thấp

Page 38: Nguyễn Thế Hoàng Anh

37

- Tái tổ hợp wavelet tín hiệu điện não sạch, không chứa nhiễu với các hệ số

wavelet đã được sửa đổi

Nền tảng của phương pháp phân ngưỡng wavelet là việc sử dụng các hàm

phân ngưỡng để thay đổi giá trị các hệ số wavelet; sau đó tái cấu trúc lại tín hiệu dựa

trên các hệ số wavelet đã được thay đổi. Các hàm phân ngưỡng như vậy thường được

chia thành một trong ba loại là hàm phân ngưỡng mềm, hàm phân ngưỡng cứng và

hàm phân ngưỡng thích nghi. Việc chọn lựa các hàm phân ngưỡng này được lựa

chọn sao cho nhiễu bị loại bỏ một cách hiệu quả nhất trong khi tín hiệu điện não có

ích được giữ lại một cách tối đa. Do đó, việc lựa chọn hàm phân ngưỡng là yếu tố

quan trọng nhất quyết định sự thành công của quá trình khử nhiễu tín hiệu trong

phương pháp phân ngưỡng wavelet. Trong khuôn khổ của luận án này, hàm phân

ngưỡng thích nghi dựa trên ước lượng SURE (Stein’s unbiased risk estimate) [4]

được sử dụng.

Giá trị phân ngưỡng t có thể được xác định một cách thích nghi, dựa trên dữ

liệu bởi phương pháp phân ngưỡng SURE như sau:

𝑡𝑖+1 = 𝑡𝑖 − 𝛻𝑡𝑖, (6)

Trong đó giá trị ngưỡng tại bước thứ i được tính bởi công thức:

𝛻𝑡𝑖 = 𝛼 .𝜕𝑅𝑠(𝑡)

𝜕𝑡, (7)

Trong đó

𝜕𝑅𝑠(𝑡)

𝜕𝑡= 2 ∑ 𝑔𝑖

𝑁−1𝑖=0 .

𝜕𝑔𝑖

𝜕𝑡+ 2 ∑

𝜕2𝑔𝑖

𝜕𝑝𝑖𝜕𝑡

𝑁−1𝑖=0 , (8)

Với

𝑔𝑖 = 𝑄(𝑝𝑖 , 𝑡) − 𝑝𝑖 (9)

Với

𝑄(𝑝, 𝑡) =

{

𝑝 + 𝑡 −

𝑡

2𝑘+1, 𝑝 < −𝑡

1

(2𝑘+1)𝑡2𝑘𝑝2𝑘+1, |𝑝| ≤ 𝑡

𝑝 − 𝑡 + 𝑡

2𝑘+1, 𝑝 > 𝑡

(10)

Page 39: Nguyễn Thế Hoàng Anh

38

Trong đó k là số thực dương và p là giá trị phương sai của thành phần chính

được xét đến. Giá trị ngưỡng có thể được khởi tạo dựa trên công thức phân ngưỡng

Donoho [26] như sau:

𝑡0 =𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑛(|𝑝|)

0.6745√2𝑙𝑜𝑔 (𝑛)

𝑛. (11)

Quá trình này được lập lại tới khi 𝛻𝑡𝑖/𝑡𝑖+1 > ε.

3.5. Kỹ thuật định vị LORETA trong trực quan hóa dữ liệu điện não

Kĩ thuật thu tín hiệu EEG đã sớm có khả năng thu đồng thời một số lượng lớn

các kênh tín hiệu số hóa, điều này cho phép ra đời một kĩ thuật phân tích tín hiệu

mới được gọi là định vị EEG. Về cơ bản, kĩ thuật này cho phép xác định mức độ

hoạt động não ở các vùng não khác nhau tại một thời điểm. Thông thường, mức hoạt

động não sẽ được mã hóa theo màu sắc để hiển thị lên mô hình não hoặc sơ đồ não

(ví dụ, màu tím và xanh có thể mô tả mức độ hoạt động EEG thấp, trong khi vàng

và đỏ có thể mô tả mức độ hoạt động lớn hơn). Những điểm trong không gian nằm

giữa các điện cực sẽ được tính toán bằng những kĩ thuật tính toán nội suy (tính toán

giá trị tức thời trên cơ sở các giá trị liền kề).

LORETA (Low resolution brain electromagnetic tomography) [27] là thuật

toán điển hình trong kĩ thuật định vị EEG. Thuật toán này biểu diễn hoạt động của

não bộ với một mô hình não 3D. Thuật toán LORETA cho phép tính toán phân bố

mật độ dòng xuyên suốt toàn bộ phần đầu, sau đó gắn mỗi điểm trong đầu (được gọi

là voxel – điểm ảnh trong không gian 3 chiều) với một mức cường độ mô tả độ mạnh

của mật độ dòng tại điểm đó. Mỗi điểm ảnh sau đó được mã hóa màu tương ứng với

mức cường độ (thông thường là từ đỏ>trắng>xanh tương ứng cường độ giảm dần –

xem Hình 11).

Loreta định nghĩa dựa trên phương trình: .

φ = KJ (12)

Page 40: Nguyễn Thế Hoàng Anh

39

Với φ là chênh lệch điện thế đo tại N điểm trên da đầu (chính là tín hiệu tại

sensor gắn trên da đầu, trong trường hợp của mình N=14 (chính là số điện cực). Tọa

độ của N điểm đo này lấy theo hệ tọa độ Descartes {s1 , s2 ,..., sN}.

J là ma trận mật độ dòng tại M điểm bên trong não (J: mật độ dòng, kích

thước 3Mx1), J = (jT1 , jT2 ,... , jTM )T, tại mỗi điểm ta có jb = (jxb , jyb , jzb)T với

β=1..M. T là kí hiệu ma trận chuyển vị.

K là ma trận chuyển đổi (transfer matrix, kích thước Nx3M)

𝐾 = (

𝑘11 𝑘12 . . 𝑘1𝑀𝑘21 𝑘22 . . 𝑘2𝑀. . . . . . . .𝑘𝑁1 𝑘𝑁2 . . 𝑘𝑁𝑀

)

Ma trận K được tính bằng cách sử dụng các đạo trình cho các vị trí điện cực

cố định (xác định bằng mô hình đầu)

Tại mỗi thành phần kαβ ta có

(13)

Với σ là độ dẫn, sR là vector vị trí của điện cực tham chiếu.

Mục tiêu của thuật toán là tìm giá J tại mỗi điểm trong não dựa theo phương

trình định nghĩa LORETA.

Hình 11. Thuật toán Loreta trong định vị hoạt động điện não EEG.

Page 41: Nguyễn Thế Hoàng Anh

40

4. Một số ứng dụng hệ giao diện não máy tính

Giao diện não-máy tính (Brain computer interface – BCI) [7, 11] là một cách

thức truyền thông giữa não và các thiết bị bên ngoài (external devices) thông qua

một hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu từ não bộ. Nghiên cứu về BCI bắt đầu từ

những năm 1970 tại trường Đại học California Los Angeles (UCLA) [12, 28]. LA.

Farwell, 1988 [12] phát triển một hệ thống giao diện não-máy tính dựa trên EEG.

Đến gần đây, các ứng dụng của hệ BCI khá đa dạng từ việc điều khiển xe lăn, đánh

vần ký tự, chơi các trò chơi bằng trí não, tích hợp trong các hệ thống phục hồi chức

năng… Trong phần dưới đây, luận án sẽ mô tả về một số hệ BCI như vậy.

4.1. Hệ BCI2000

Hình 12. Thiết kế hệ BCI2000 [17]

Năm 2000, một nghiên cứu của Jessica Bayliss tại Đại học Rochester cho thấy

rằng các tình nguyện viên đội mũ bảo hiểm thực tế ảo có thể kiểm soát các thành

phần (elements) trong một thế giới ảo bằng cách sử dụng các bài đọc P300 EEG của

họ, bao gồm cả bật/tắt đèn và làm một chiếc xe mô hình dừng lại. Ngoài ra, hệ BCI

2000 còn có cho phép điều khiển con chuột máy tính bằng tín hiệu điện. Hệ BCI2000

có khả năng di chuyển con chuột máy tính đến bất kỳ vị trí nào trên màn hình sử

dụng đặc trưng nhịp cảm giác vận động (Sensorimotor rhythm) [13]. Hệ BCI có thể

thực hiện được dựa trên việc tìm và phân loại thay đổi của các nhịp tín hiệu điện não

khi đối tượng thực hiện các tác vụ tưởng tượng vận động như tưởng tượng di chuyển

Page 42: Nguyễn Thế Hoàng Anh

41

tay trái/phải. Nhịp alpha thu được trong vùng não phụ trách giác quan vận động được

gọi là nhịp Mu. Dải tần số của tín hiệu điện não trong trường hợp này là nhịp Mu

hoặc beta. Việc tưởng tượng vận động hoặc thực sự cử động gây ra thay đổi nhịp

giác quan vận động và tập trung ở dải tần nhịp Mu và beta.

4.2. Hệ VR-BCI trong phục hồi chức năng

Hình 13. Hệ BCI ứng dụng thực tại ảo trong phục hồi bệnh nhân đột quỵ [1]

Từ năm 2009 tới nay, đã có 8 giải thưởng BCI-Research Award hàng năm

trao cho những nhóm nghiên cứu có kết quả nghiên cứu nổi bật về hệ BCI trên toàn

thế giới được đánh giá bởi ban giám khảo, bao gồm những chuyên gia hàng đầu trên

thế giới về BCI. Năm 2018, một đề cử giải BCI Award giành cho hệ BCI dùng trong

việc hỗ trợ phục hồi chức năng của người bị liệt nửa người do chấn thương tủy sống

[1]. Trong đó, người bệnh đột quỵ trong quá trình phục hồi chức năng được đo và

phân tích tín hiệu điện não khi thực hiện tác vụ tưởng tượng vận động Motor

Imagery. Trong thí nghiệm, người bệnh được đồng thời đeo kính thực tại ảo và màn

hình máy tính sẽ hiển thị ý định của người bệnh (ví dụ nếu người bệnh muốn nâng

tay trái hay tay phải thì nhân vật hoạt họa cũng nâng tay trái hay tay phải dựa trên

phân tích điện não ý định của người bệnh). Bác sỹ có thể quan sát và so sánh giữa

hành động thực sự người bệnh có thể thực hiện được với ý định thể hiện qua nhân

Page 43: Nguyễn Thế Hoàng Anh

42

vật hoạt họa trên màn hình máy tính để biết được hiệu quả và tình trạng của bệnh

nhân.

4.3. Một số hệ BCI trong đánh vần ký tự

P300 là một đặc trưng tín hiệu sóng điện não sinh ra khoảng 300ms sau khi

xuất hiện kích thích. Hệ BCI dựa trên P300 cũng thường được nghiên cứu, phát triển

để giải quyết bài toán hỗ trợ đánh vần cho những người bị liệt tứ chi. Thiết kế thí

nghiệm của một hệ BCI P300 này như sau: ma trận 6x5 hiển thị trên màn hình máy

tính phục vụ đánh vần trong đó cột và hàng được nháy sáng (flash) theo trật tự ngẫu

nhiên (Hình 14). Khoảng cách giữa 2 lần nháy là 175 ms, khoảng thời gian một cột

hay hàng được nháy sáng là 100 ms. Một vòng nháy được hoàn thành khi tất cả các

cột và hàng đã được nháy 1 lần tương ứng 1, 925. 5 vòng nháy là 1 phiên để xác

định 1 chữ cái cần đánh vần (target letter) tương đương khoảng 10 giây. Cứ sau mỗi

phiên thì nghỉ 6 giây để bắt đầu phiên tiếp theo.

Hình 14. Thiết kế ma trận hiển thị cho 26 ký tự tiếng Anh [8]

Một cách tiếp cận khác dựa trên việc tưởng tượng giác quan vận động được

[68] phát triển thành hệ Berlin BCI. Trong Hình 15, sáu hình lục giác được đặt xung

quanh 1 hình tròn. Mỗi hình lục giác chứa 5 ký tự hoặc chức năng cách dòng hoặc

xóa. Mũi tên ở trung tâm của vòng tròn cho phép lựa chọn hình lục giác chứa ký tự

cần tìm (bước 1) hoặc chính xác ký tự đó (bước 2). Mũi tên sẽ quay theo chiều kim

đồng hồ khi tưởng tượng cử động tay phải và dừng lại khi tưởng tượng cử động tay

trái. Nếu tiếp tục tưởng tượng cử động tay trái, hình lục giác nơi mũi tên được chọn

sẽ dừng lại và các ký tự trong hình lục giác đó sẽ mở rộng lên, các hình lục giác khác

sẽ biến mất. Cách làm tương tự để chọn ký tự mong muốn. Nếu chọn ký tự trắng

Page 44: Nguyễn Thế Hoàng Anh

43

trong hình lục giác tương đương với việc trở lại set up thí nghiệm đầu tiên với tất cả

các hình lục giác chứa tập hợp ký tự. Tốc độ di chuyển mũi tên và dừng mũi tên

được tùy chỉnh theo người sử dụng. Để tăng hiệu quả của hệ BCI đánh vần, có thể

tích hợp thêm một mô hình ngôn ngữ cho phép dự đoán được ký tự sẽ được nhắm

tới tiếp theo.

Hình 15. Giao diện thí nghiệm Berlin BCI [68]

4.4. Một số nghiên cứu BCI và tín hiệu điện não khác

Ở Việt nam, nghiên cứu và ứng dụng tín hiệu điện não để phát triển giao diện

não – máy tính là một lĩnh vực còn mới mẻ. Trong lĩnh vực nghiên cứu về tín hiệu

điện não, có thể kể đến một số nghiên cứu ứng dụng bước đầu của nhóm nghiên cứu

tại Đại học Công nghệ ứng dụng EEG cho dự đoán bệnh động kinh. Dựa vào tín hiệu

EEG và đặc trưng của gai động kinh (spike, sharp wave), quá trình phát hiện gai tự

động được chia thành nhiều giai đoạn, kết hợp các phương pháp xử lý tín hiệu và

học máy, sử dụng tổng hợp các thông tin về hình dạng, thời gian, tần số và không

gian giúp hệ thống dự đoán đưa ra các quyết định đáng tin cậy. Trong một nghiên

cứu khác, còn có nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa ứng dụng phân tích tín

hiệu EEG để nhận diện cảm xúc, sử dụng tín hiệu sóng điện não EEG cho mục đích

xác thực người dùng và nhóm sinh viên của Đại học FPT sử dụng tín hiệu EEG cho

mục đích điều khiển Robot.

Hệ thống phát hiện gai động kinh được nhóm nghiên cứu của Đại học Công

nghệ phát triển từ năm 2010 trong khuôn khổ Đề tài QG-10.40 “Nghiên cứu xử lý

Page 45: Nguyễn Thế Hoàng Anh

44

tín hiệu điện não phục vụ phân tích và chẩn đoán bệnh động kinh”. Hệ thống gồm 4

khối chính: tiền xử lý, trích chọn đặc trưng, phân lớp và hệ chuyên gia. Hệ thống sử

dụng một số phương pháp xử lý tín hiệu số và học máy như biến đổi Wavelet, Mạng

Nơ-ron nhân tạo,… So với các hệ thống phát hiện gai động kinh khác trên thế giới,

hiệu quả của hệ thống này còn chưa tốt bằng. Nguyên nhân có thể do điều kiện ghi

tín hiệu tại Việt Nam còn chưa đạt chuẩn (thời gian ghi tín hiệu chỉ trong khoảng 10

phút so với hơn 20 phút của thế giới) và hệ thống này còn chưa áp dụng các phương

pháp khử nhiễu.

Nghiên cứu của Đại học Bách khoa về tín hiệu điện não được bắt đầu từ những

năm 2008. Nghiên cứu này đã đạt được một số giải thưởng như giải nhất cuộc thi

ImagineCup do Microsoft tổ chức, giải nhất Nhân tài đất Việt 2010. Ngoài ra nhóm

nghiên cứu này còn chủ trì đề tài nghiên cứu cấp nhà nước KC.01.TN13/11-15

“Nghiên cứu giải mã thông tin trong sóng điện não, ứng dụng xây dựng Hệ thống

nhận diện cảm xúc con người”. Một số sản phẩm đạt được như Bộ công cụ MDK

(Mimas Development Kit) làm nền tảng cho việc thu nhận và xử lý tín hiệu điện não

và phần mềm thu nhận và nhận dạng cảm xúc người sử dụng. Nghiên cứu này sử

dụng thiết bị đo EPOC do Emotiv sản xuất.

Bài toán sử dụng tín hiệu điện não áp dụng điều khiển Robot được nhóm sinh

viên tại Đại học FPT nghiên cứu và phát triển. Tín hiệu điện não được dùng để phân

tích bốn loại tín hiệu điều khiển của não bộ: trên, dưới, trái, phải. Thí nghiệm chia

làm 2 loại: phân loại 2 loại tín hiệu điều khiển trên và dưới (độ chính xác 66-96%)

và phân loại cả 4 loại tín hiệu điều khiển (độ chính xác 28-73%). Thiết bị đo mà

nhóm này sử dụng là EEG-SMT gồm 4 đầu đo. Như vậy, nghiên cứu của nhóm này

mới chỉ ở mức bắt đầu và để tiến tới mục tiêu điều khiển robot được còn cần đầu tư

thêm nhiều thời gian.

Gần đây, nghiên cứu về tín hiệu điện não EEG nhận được khá nhiều sự quan

tâm. Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Ban Quản lý Khu Công nghệ cao Hòa

Lạc phối hợp với Công ty Công nghệ Emotiv và SapienLab (một tổ chức phí lợi

nhuận chuyên nghiên cứu về thần kinh học) triển khai nhiệm vụ “Khảo sát, điều tra

Page 46: Nguyễn Thế Hoàng Anh

45

dữ liệu sóng não của người Việt”. Mục tiêu của nhiệm vụ là phân tích các tín dữ liệu

sóng điện não thu thập được từ các đối tượng có phân bố về giới tính, việc làm, độ

tuổi… đa dạng để hiểu sâu hơn về não bộ của người Việt Nam. Trên cơ sở đó lập ra

báo cáo so sánh các đặc trưng về não bộ của con người Việt Nam với các quốc gia

khác trên thế giới.

5. Kết luận Chương 1

Có nhiều cách tiếp cận để thực hiện hệ BCI trong đó sử dụng tín hiệu điện não

EEG một trong những phương thức phổ biến nhất. Các ưu điểm của tín hiệu điện

não EEG so với các phương thức thu tín hiệu từ não bộ khác đã được tóm tắt và chỉ

rõ trong nội dung Chương này. Nguồn gốc, cơ chế sinh học và cách thức thu tín hiệu

cũng đã được trình bày trong Chương này. Đấy chính là cơ sở đề xuất sử dụng tín

hiệu điện não trong chủ đề nghiên cứu của luận án này. Một số phương pháp xử lý,

phân tích tín hiệu điện não được trình bày ở trong Chương 1 là các phương pháp cơ

sở để phát triển các phương pháp đề xuất ở các chương tiếp theo, hỗ trợ đánh giá kết

quả thí nghiệm. Các chương nội dung chính của luận án 2, 3, 4 sẽ mô tả chi tiết các

phương pháp đề xuất trong xử lý, phân loại tín hiệu điện não và một ứng dụng hệ

BCI trong điều khiển các thiết bị điện tử thông minh.

Page 47: Nguyễn Thế Hoàng Anh

46

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP HỌC SÂU TỰ MÃ HÓA THƯA

WAVELET TRONG KHỬ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO BẤT THƯỜNG

DO NHÁY MẮT

1. Đặt vấn đề

Tín hiệu điện não về bản chất là các tín hiệu điện có giá trị điện thế rất nhỏ

sinh ra khi các tế bào thần kinh kích hoạt và tạo ra các xung điện [30]. Thông thường,

tín hiệu điện não cho biết thông tin về các hoạt động theo nhịp (rhythmic activities)

trên các dải tần số khác nhau như dải tần Delta (0.5–4 Hz), Theta (4-8 Hz), Alpha

(8-13 Hz), Beta (13-30 Hz) và Gamma (30-50 Hz). Tín hiệu điện não được ghi lại

bởi các thiết bị thu với các đầu đo đặt tại các vị trí trên da dầu. Tín hiệu điện não hay

sóng điện não được đặc trưng bởi ba thành phần là hình dạng, tần số và biên độ. Dựa

trên các thành phần này, các đặc trưng của tín hiệu điện não có thể được trích chọn

bởi các kỹ thuật khác nhau. Thực tế là sóng điện não thường bị ảnh hưởng bởi các

loại nhiễu như tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG, nhiễu tim, nhiễu cơ… Các

loại nhiễu này thường xuất hiện lẫn với tín hiệu điện não và là yếu tố gây cản trở đến

việc phân tích tín hiệu điện não, dẫn đến việc giảm độ chính xác phân loại tín hiệu

điện não [31].

Khi mắt di chuyển con ngươi (eye movement) hay nháy mắt (eye blinks) gây

ra các tín hiệu điện não bất thường có giá trị biên độ lớn (Electroculographic artifacts

- EOG) trong bản ghi sóng điện não. Tín hiệu điện não bất thường do nháy mắt (Hình

16) gây ảnh hưởng mạnh nhất trên các dải tần Delta, Theta, Alpha [32]. Nháy mắt

gây ra tín hiệu điện não bất thường dạng xung với đỉnh có thể có giá trị lên tới 800

µV và xuất hiện trong một khoảng thời gian khá ngắn khoảng từ 200-400 ms [33].

Khử tín điện não bất thường EOG là một yêu cầu cần thiết trong xử lý, phân tích tín

hiệu điện não. Tuy nhiên, việc loại bỏ tín hiệu bất thường EOG không đơn giản bởi

tín hiệu EOG xuất hiện và chồng lên tín hiệu điện não “sạch” trên cả miền tần số và

thời gian.

Page 48: Nguyễn Thế Hoàng Anh

47

Hình 16. Tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG

Gần đây, khử tín hiệu bất thường EOG được nhiều nhóm nghiên cứu về tín

hiệu điện não quan tâm [31]. Một số nghiên cứu chỉ ra việc khử tín hiệu bất thường

EOG có ảnh hưởng tốt đến việc phân tích, xử lý sóng điện não và làm tăng độ chính

xác trong phân loại tín hiệu điện não [34-35]. Một số nhóm nghiên cứu tiếp cận vấn

đề khử tín hiệu bất thường EOG dựa trên các phương pháp hồi quy trong đó giả thiết

giả tượng mắt là một tổ hợp tuyến tính của tín hiệu điện não sạch và tín hiệu sinh ra

do nháy mắt. Theo hướng nghiên cứu này, việc lấy tín hiệu điện não thu được trừ đi

phần gây ra bởi tín hiệu bất thường EOG sẽ cho kết quả là tín hiệu điện não sạch.

Các phương pháp hồi quy có thể được thực hiện trên miền tần số bằng cách lấy giá

trị biến đổi tần số của tín hiệu điện não thu được trừ đi giá trị trên miền tần số gây

ra bởi nháy mắt để thu được tín hiệu điện não sạch. Hồi quy trên miền tần số được

thực hiện trên nguyên lý phép trừ trên miền tần số tương được với phép lọc (filtering)

trên miền thời gian. Cả hai loại phương pháp dựa trên hồi quy nêu trên có hạn chế

là phải thực hiện off-line và phải có bộ phận thu tín hiệu nháy mắt riêng biệt [20].

Một số phương pháp dựa trên phân tích thành phần cơ bản (Principal

Component Analysis - PCA) hay phân tích thành phần độc lập (Independent

Component Analysis - ICA) cũng được sử dụng để khử tín hiệu bất thường EOG

[20, 30]. Cả ICA và PCA đều giả thiết tín hiệu điện não là một tổ hợp của các thành

phần độc lập với nhau và do đó, khi phân tích tín hiệu điện não thành các thành phần

độc lập này ta sẽ thu được các phần tín hiệu điện não sạch và tín hiệu gây ra do tín

hiệu bất thường EOG riêng biệt. Thay đổi phần tín hiệu gây ra do tín hiệu bất thường

EOG bằng các giá trị thích hợp sẽ cho phép tái cấu trúc lại được phần tín hiệu điện

Page 49: Nguyễn Thế Hoàng Anh

48

não sạch, không có nhiễu. Các phương pháp dựa trên ICA, PCA thường có kết quả

khử nhiễu tốt tuy nhiên lại không thực hiện một cách tự động, theo thời gian thực

được. Lý do là phương pháp phân tích thành phần độc lập ICA là một phương pháp

tính toán theo lô (batch algorithm) do đó để khai triển ICA cần một tập dữ liệu đa

kênh. ICA đồng thời yêu cầu phải thực hiện một bước nhận dạng thủ công, bằng mắt

thường để nhận biết các thành phần chính không phù hợp cần loại bỏ. Những yêu

cầu này làm cho không thể sử dụng các phương pháp loại bỏ nhiễu tín hiệu điện não

dựa trên ICA cho các hệ phân tích tín hiệu điện não theo thời gian thực.

Wavelet thresholding thường rất nhạy cảm với sự lựa chọn hàm cơ sở wavelet

do đó sản sinh ra những kết quả khử nhiễu có chất lượng không ổn định.

Biến đổi wavelet kết hợp mạng nơ-ron cũng được sử dụng trong khử nhiễu

EOG. Một trong các công bố được kể đến là [25], nhóm nghiên cứu này đề xuất một

phương pháp gọi là Mạng nơ-ron wavelet (Wavelet neural network - WNN) cho

phép khử nhiễu trên đơn kênh tín hiệu điện não, theo thời gian thực và tự động. Tuy

nhiên, nhược điểm của phương pháp này là việc huấn luyện mạng nơ-ron vẫn phải

làm một cách thủ công, do đó cả quy trình không tự động hóa được.

Xuất phát từ việc tìm kiếm một phương pháp có thể giải quyết các hạn chế của các

phương pháp đã được công bố trước đây như đã trao đổi ở phần trên, luận án này đề

xuất một phương pháp mới gọi là Mạng học sâu tự mã hóa thưa wavelet (Deep

wavelet sparse autoencoder - DWSAE). DWSAE là một phương pháp khử tín hiệu

bất thường EOG có thể thực hiện đơn kênh, tự động theo thời gian thực và có thể tự

động huấn luyện, khắc phục được các hạn chế của các phương pháp kể trên trong đó

có WNN. Kết quả thực nghiệm cho thấy DWSAE cho kết quả khử nhiễu tốt, đáng

tin cậy so với các phương pháp được so sánh.

Phần tiếp theo của luận án sẽ trình bày cách thức thực hiện phương pháp Mạng

học sâu tự mã thưa wavelet DWSAE trong khử tín hiệu điện não bất thường sinh ra

do nháy mắt.

Page 50: Nguyễn Thế Hoàng Anh

49

2. Đề xuất phương pháp học sâu tự mã hóa thưa wavelet

Việc triển khai DWSAE gồm hai pha là huấn luyện không giám sát và tự động

sửa tín hiệu sẽ được mô tả chi tiết ở phần bên dưới. Phương pháp mạng học sâu tự

mã hóa thưa wavelet DWSAE được đề xuất kế thừa tính chất của SAE và là một

phương pháp khử nhiễu tín hiệu điện não không giám sát.

Hình 17. Cấu trúc mạng học sâu tự mã hóa thưa kết hợp wavelet DWSAE

SAE được áp dụng thành công trên nhiều lĩnh vực khác nhau trong nhận dạng

biểu cảm khuông mặt, dự đoán tương tác của protein, khử nhiễu ảnh… SAE cũng

được áp dụng trong một số công trình nghiên cứu đã được công bố để khử nhiễu tín

hiệu điện não. Ví dụ, trong công bố [35], SAE được sử dụng để khử EOG trên miền

thời gian. Phương pháp này sử dụng một hàm phản-chuẩn hóa (anti-standardization)

để ánh xạ đầu ra của SAE về một dải giá trị phù hợp với tín hiệu điện não được khử

nhiễu. Phương pháp DWSAE được đề xuất trong luận án này được thực hiện dựa

trên một cách tiếp cận khác với các phương pháp đã được báo cáo trước đây.

DWSAE sử dụng SAE trên miền thời gian tần số và không cần sử dụng hàm ánh xạ

hỗ trợ (assistant mapping function).

DWSAE gồm 5 thành phần chính là biến đổi wavelet, vector hóa (vectorization),

mạng học sâu tự mã hóa thưa, giải vector hóa (de-vectorization) và khôi phục

wavelet (Hình 17). Đầu vào của DWSAE là tín hiệu điện não chứa nhiễu EEGcont(t)

và đầu ra là tín hiệu điện não đã được “làm sạch” EEGcor(t). Để thực hiện việc khử

nhiễu, DWSAE được triển khai theo hai bước là huấn luyện không giám sát và “làm

sạch” tự động. Tín hiệu EEGcont(t) được biến đổi wavelet thành một tập các hệ số ở

Page 51: Nguyễn Thế Hoàng Anh

50

các dải thời gian – tần số khác nhau. Các hệ số ở dải tần số thấp, vốn mang cả thông

tin về EOG và tín hiệu điện não sạch được lựa chọn và sắp xếp thành một vec-tơ.

Quá trình này được gọi là vector hóa. Vector này được sử dụng làm đầu vào của máy

học sâu tự mã hóa thưa. Máy mã hóa thưa này có khả năng sửa lỗi những hệ số này

trở thành những hệ số sạch, chỉ chứa thông tin về tín hiệu điện não. Đầu ra của máy

SAE sau đó được giải vector hóa và sử dụng để thay thế các hệ số wavelet chứa

nhiễu tương ứng ở tín hiệu ban đầu. Các hệ số wavelet đã được sửa lỗi cuối cùng

được sử dụng để tái tạo wavelet nhằm khôi phục lại tín hiệu điện não sạch.

Phần tiếp theo của Luận án sẽ giới thiệu các cấu phần tạo nên phương pháp

DWSAE mạng học sâu tự mã hóa thưa, thuật toán dò tìm EOG dựa trên biến đổi

wavelet Haar, huấn luyện và tự động sửa lỗi với mạng học sâu tự mã hóa thưa

wavelet và các độ đo để đánh giá kết quả.

2.1. Mạng học sâu tự mã hóa thưa

Máy tự mã hóa thưa (Sparse autoencoder - SAE) [36-37, 67] là một mạng nơ-

ron nhân tạo, có thể được huấn luyện không giám sát, gồm ba lớp: lớp đầu vào, lớp

ẩn và lớp đầu ra. Số lượng các nút trong lớp đầu vào và đầu ra là bằng nhau. Các nút

ở trong lớp ẩn còn được gọi là các mã thể hiện ẩn (hidden representation codes) cho

phép tái thể hiện dữ liệu dưới dạng các đặc trưng.

Hai thành phần để tạo nên một máy tự mã hóa thưa với một lớp ẩn là các mạng

mã hóa và giải mã. Trong mạng mã hóa (Hình 18), SAE chuyển đổi các giá trị vec-

tơ đầu vào 𝒙𝑖 thành các giá trị của vec-tơ thể hiện ẩn 𝒉𝑖 bằng phương trình chuyển

đổi sau:

𝒉𝑖 = 𝑓(𝑾(𝑒)𝒙𝑖 + 𝒃

(𝑒)) (14)

Trong đó, f , 𝒃(𝑒) và 𝑾(𝑒) lần lượt tương ứng với hàm kích hoạt phi tuyến,

vec-tơ bias mã hóa và ma trận trọng số mã hóa.

Trong mạng giải mã, SAE chuyển đổi các giá trị của vec-tơ thể hiện ẩn 𝒉𝑖 về

vec-tơ tín hiệu đầu ra �̂�𝒊 với phép biến đổi sau:

�̂�𝒊 = 𝑓(𝑾(𝑑)𝒉𝑖 + 𝒃

(𝑑)) (15)

Page 52: Nguyễn Thế Hoàng Anh

51

Trong đó, 𝒃(𝑑) là vec-tơ bias giải mã và 𝑾(𝑑)là ma trận trọng số giải mã.

Hình 18. Mô hình đơn giản một máy tự mã hóa Autoencoder

Bằng cách đặt đầu vào 𝒙𝑖 giống với đầu ra �̂�𝒊 một cách tốt nhất có thể, SAE

tìm cách học cấu trúc liên kết giữa các mẫu tín hiệu đầu vào. Hàm mất mát tổng sẽ

trở thành:

𝐸 sparse(𝑾,𝒃) =𝐸(𝑾,𝒃) + 𝛽∑ KL( 𝜌 ||�̂�𝑖)𝑠2

𝑗=1 (16)

Trong đó β kiểm soát trọng số của giá trị phạt của tính thưa. Đại lượng �̂�𝑗 (ngầm

hiểu) cũng phụ thuộc vào 𝑾,𝒃 bởi vì nó là giá trị kích hoạt trung bình của nút ẩn 𝐽,

và giá trị này phục thuộc bộ tham số 𝑾,𝒃. Số nút ẩn được biểu diễn bởi 𝑠2.

Trong phương trình (16), đại lượng đầu tiên 𝐸(𝑾,𝒃) chính là hàm mất mát khi

mạng tự mã hóa thưa cố ép để đầu ra giống với giá trị đầu vào trên toàn bộ số mẫu

được dùng trong huấn luyện, được định nghĩa như sau:

𝐸(𝑾, 𝒃) = [∑ (1

2‖ℎ𝑊,𝑏(𝑥𝑖) − �̂�𝒊‖

2)] +

𝛼

2∑∑∑(𝑊𝑖)

2 (17)

Trong đó, 𝛼 là hệ số suy giảm trọng số, thực hiện vai trò kiểm soát sự tác động

của trọng số và giảm overfitting (khi mô hình học quá tốt trên tập huấn luyện nhưng

lại không thực hiện được tốt nhiệm vụ trên tập thử nghiệm).

Đại lượng còn lại trong phương trình (16) là đại lượng phạt thưa (sparse penalty

term) được định nghĩa như sau:

𝑾(𝑑)

𝑾(𝑒)

𝒉𝑖

Page 53: Nguyễn Thế Hoàng Anh

52

KL(𝜌||�̂�𝑗) = 𝜌𝑙𝑜𝑔𝜌

�̂�𝑗+ (1 − 𝜌)𝑙𝑜𝑔

1−𝜌

1−�̂�𝑗 (17a)

KL(𝜌||�̂�𝑗) là hội tụ Kullback-Leibler (KL) giữa một biến ngẫu nhiên Bernoulli

với giá trị trung bình 𝑝 và một biến ngẫu nhiên Bernoulli với giá trị trung bình �̂�𝑗 .

Hội tụ KL có giá trị càng bé thì �̂�𝑗 càng đạt giá trị gần với 𝜌.

𝜌 là giá trị kịch hoạt đích và �̂�𝑖 = 1

𝑛∑ ℎ𝑖

𝑗𝑛𝑗=1 là hàm kích hoạt trung bình của nút

ẩn thứ i. Mục tiêu của quá trình huấn luyện máy tự mã hóa thưa là giảm tối đa giá

trị của hàm mất mát tổng; đồng nghĩa với việc ép giá trị �̂�𝑖 về càng gần giá trị 𝜌 càng

tốt. Nếu giá trị 𝜌 ban đầu là rất bé (rất gần với 0) sẽ dẫn đến phần lớn các nút trong

lớp ẩn sẽ có giá trị rất nhỏ hay nói một cách khác là mạng như vậy có tính thưa.

Trong mạng học sâu tự mã hóa thưa kết hợp wavelet, máy học sâu tự mã hóa thưa

được dùng để học không giám sát các tính chất của tín hiệu điện não không chứa tín

hiệu bất thường EOG. Sau đó, khi được dùng trong pha khử tín hiệu điện não bất

thường do nháy mắt, mạng học sâu tự mã hóa thưa SAE sẽ tìm cách để sửa các giá

trị bất thường về giá trị tương đồng tín hiệu điện não thông thường.

Trong mạng DWSAE đề xuất trong khử EOG, hàm kích hoạt được sử dụng là

hàm sigmoid 𝑓(𝛼) = 1/(1 + 𝑒−𝛼) và phương pháp lan truyền ngược được sử dụng

để huấn luyện mạng tự mã hóa thưa. Trong một số trường hợp khác, có thể sử dụng

hàm kích hoạt là hàm ReLU. Hàm mất mát trong huấn luyện được tối ưu hóa với

thuật toán L-BFGS-B [38].

2.2. Phương pháp dò đếm EOG dựa trên biến đổi wavelet Haar

2.2.1. Biến đổi wavelet Haar

Biến đổi wavelet Haar là biến đổi wavelet trong đó hàm wavelet mẹ được sử dụng

là hàm Haar. Sóng wavelet Haar có hình dạng xung vuông và không liên tục, do đó

không khả vi. Wavelet Haar đặc biệt hữu ích khi sử dụng để phân tích tín hiệu với

các chuyển đổi giá trị đột ngột như là tín hiệu điện não chứa EOG. Hàm wavelet

Haar mẹ ψ(x) được định nghĩa bởi phương trình dưới đây:

Page 54: Nguyễn Thế Hoàng Anh

53

ψ (x) =

{

1, 𝑛ế𝑢 𝑥 ∈ [0,1

2) ,

−1, 𝑛ế𝑢 𝑥 ∈ [1

2, 1)

0, 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 ℎợ𝑝 𝑘ℎá𝑐

(18)

với hàm tỉ lệ Φ(x) được định nghĩa bởi công thức:

Φ(x) = {1, 𝑛ế𝑢 0 ≤ 𝑥 < 1,0, 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑟ườ𝑛𝑔 ℎợ𝑝 𝑘ℎá𝑐

(19)

2.2.2. Thuật toán dò tìm EOG dựa trên biến đổi wavelet Haar

Hình 19. Lưu đồ thuật toán dò đếm tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG

Việc phát hiện và đếm được số lượng tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG

trên một đoạn tín hiệu điện não có nhiều ý nghĩa và có thể được sử dụng trong việc

cải tiến các thuật toán khử EOG cũng như áp dụng để trong các hệ phân tích tín hiệu

điện não khác. Luận án này đề xuất một phương pháp mới dựa trên biến đổi wavelet

và xác định ngưỡng thích hợp để dò đếm nhiễu [65]. Trong phương pháp này, đoạn

Tín hiệu EEG có nhiễu

Phân đoạn tín hiệu

Đoạn tín hiệu ngắn Biến đổi wavelet bậc 4

Tái tạo wavelet Đoạn tín hiệu nhỏ hơn

nhiễu?

LA > GA

* ∂ ? Lưu vị trí kết quả

Cập nhật tham số

khoảng cách trung

bình toàn cục

Đúng Đúng

sai sai

Chuyển

đoạn?

Đúng

Hiển thị tín hiệu đánh dấu EOG Kết thúc

sai

Page 55: Nguyễn Thế Hoàng Anh

54

tín hiệu điện não đầu tiên được phân tích với biến đổi wavelet Haar bậc 4. Các hệ số

ở thành phần xấp xỉ (approximation) được sử dụng để tái tạo wavelet. Đầu ra của

việc sử dụng tái tạo wavelet này là tín hiệu wavelet Haar xấp xỉ tín hiệu ban đầu

chứa các đoạn tín hiệu được chia nhỏ. Nếu một đoạn tín hiệu chứa EOG, vị trí của

đoạn tín hiệu được lưu lại. Độ dài của các đoạn tín hiệu nhỏ này được lựa chọn dựa

trên giá trị của tần số lấy mẫu. Trong phạm vi của luận án này, các tập dữ liệu được

sử dụng đều có tần số lấy mẫu là 128 Hz, do đó việc lựa chọn độ dài của đoạn tín

hiệu là 1 giây dữ liệu. Việc lựa chọn này giúp cho việc thi triển biến đổi wavelet

một cách thuận lợi do có thể trả về kết quả là một tập các hệ số wavelet chẵn theo

lũy thừa của 2. Ví dụ số bậc biến đổi và tái tạo wavelet là 4 thì độ dài của đoạn tín

hiệu nhỏ có thể được lựa chọn trong khoảng 32 – 64 mẫu hay là tương đương 2 – 4

lần độ dài một cạnh hệ số Haar wavelet. Trong bước tiếp theo, các kỹ thuật phân

ngưỡng và trung bình hóa khoảng cách được sử dụng để nhận diện EOG xuất hiện

trong các đoạn tín hiệu này. Cuối cùng hệ số khoảng cách trung bình được cập nhật

để tiếp tục xử lý đoạn tiếp theo. Lưu đồ của thuật toán thể hiện ở Hình 19. Tham số

LA và GA lần lượt là giá trị trung bình độ dài cạnh trên đoạn ngắn và giá trị trung

bình độ dài cạnh toàn cục của hệ số biến đổi wavelet Haar.

Hình 20: Kết quả nhận diện EOG

Để kiểm chứng phương pháp dò EOG này, gần 481 đoạn tín hiệu chứa nhiễu

EOG đã được nhận diện và thu thập thủ công. Số lượng đoạn tín hiệu điện não sạch

là 687. Mỗi đoạn tín hiệu chứa EOG và tín hiệu sạch dài 1 giây, tương đương với

128 mẫu dữ liệu (128 data samples). Hình 20 thể hiện kết quả nhận diện tín hiệu bất

thường do nháy mắt EOG trên một đoạn tín hiệu.

Page 56: Nguyễn Thế Hoàng Anh

55

Bảng 1. Kết quả nhận diện EOG

P N TP FN FP TN Độ nhạy Độ đặc hiệu Độ chính xác

481 687 420 18 61 626 0.87 0.91 0.89

Trong đó:

- Dương thật (True Positive – TP): Các tín hiệu EOG được thuật toán xác định

chính xác là EOG

- Dương giả (Fase Positive - FP): Tín hiệu điện não nhưng thuật toán xác định

là EOG

- Âm thật (True Negative - TN): Tín hiệu điện não được thuật toán xác định

chính là tín hiệu điện não

- Âm giả (False Negative – FN): EOG nhưng thuật toán xác định là tín hiệu

điện não

- Tổng số EOG (Conditional positive - P)

- Tổng số đoạn tín hiệu điện não sạch (Conditional negative - N)

Độ chính xác xác định trên tập dữ liệu EOG là

Accuracy = (TP+TN)/(P+N) x 100% = 89% (19a)

Sở dĩ độ chính xác khoảng 89% là do dữ liệu chưa được chuẩn hóa và việc

xác định EOG chỉ bằng mắt thường không có căn cứ về thời gian xuất hiện EOG.

Các kết quả xác định khi đối tượng chủ động nhắm mắt có thể đạt độ phát hiện chính

xác đến 100%.

2.3. Mạng học sâu tự mã hóa thưa wavelet trong khử EOG

Phần dưới đây sẽ trình bày chi tiết quy trình thực hiện phương pháp DWSAE.

2.3.1. Huấn luyện tự động

DWSAE được huấn luyện tự động với dữ liệu điện não sạch, không gán nhãn

ở trong pha này. Cụ thể, thuật toán dò tìm các đoạn tín hiệu chứa EOG được triển

khai. Các đoạn tín hiệu điện não không chứa EOG sau đó được thu thập. Mỗi đoạn

có độ dài tương đương 1 giây dữ liệu. Trong nghiên cứu này do tần số lấy mẫu là

128 Hz nên một đoạn gồm 128 mẫu tín hiệu. Mỗi đoạn tín hiệu sạch sau đó được

biến đổi wavelet thành tập các hệ số wavelet. Hàm wavelet cơ sở được lựa chọn trên

Page 57: Nguyễn Thế Hoàng Anh

56

cơ sở chia sẻ nhiều đặc điểm với EOG nhất. Dựa trên việc triển khai thực tế, hàm

wavelet cơ sở từ họ wavelet Daubechies và Coiflet là những sự lựa chọn phù hợp.

Tương tự, số bậc biến phân rã wavelet được lựa chọn để đảm bảo hệ số ở trong các

giải thời gian – tần số phản ánh đúng tính chất của tín hiệu ban đầu và có thể được

khai thác một cách hiệu quả trong pha sau khi SAE được sử dụng để cân chỉnh giá

trị hệ số chứa nhiễu. Những hệ số ở dải tần số thấp sau đó được vec-tơ hóa ở bước

tiếp theo để tạo thành một vec-tơ gồm 16 thành phần trong đó có hệ số xấp xỉ (0-2

Hz) và các hệ số chi tiết tại bậc 6 (2- 4 Hz), 5 (4 – 8 Hz) và 4 (8 – 16 Hz). Việc lựa

chọn 16 thành phần này nhằm đảm bảo tất cả các thành phần tín hiệu chứa EOG trên

miền thời gian tần số đã được thu thập phục vụ việc khử EOG. Trong các trường

hợp khác, ví dụ nếu tần số lấy mẫu là 256 Hz, một giây dữ liệu chứa 256 mẫu và do

đó cần chọn bậc phân rã wavelet là bậc 7. Các hệ số chi tiết ở các giải tần bậc 7, 6,

5 và hệ số xấp xỉ được vec-tơ hóa. Việc lựa chọn số bậc phân rã tuân theo cách thức

vừa được trình bày ở trên. Quá trình vec-tơ hóa được lập lại cho toàn bộ các đoạn

tín hiệu điện não sạch nhằm tạo ra một tập dữ liệu huấn luyện.

Hình 21. Quy trình huấn luyện không giám sát mạng học sâu tự mã hóa thưa wavelet

Đối với nghiên cứu thuộc Luận án này, một mạng học sâu tự mã hóa thưa gồm

03 lớp ẩn được lựa chọn. Kết quả khử EOG cho thấy mạng SAE này có khả năng

khử EOG hiệu quả. Số lượng nút trong các lớp ẩn được lựa chọn để đảm bảo không

có quá nhiều nút so với số lượng nút ở lớp đầu vào và đầu ra vốn đã được xác định

trong quá trình biến đổi wavelet. Việc lựa chọn cấu hình mạng SAE như vậy đảm

bảo rằng mạng SAE không gồm một số lượng quá lớn các nút vốn dễ dẫn đến những

khó khăn trong tính toán và quá trình tối ưu hóa giá trị trọng số của mạng SAE. Mục

Page 58: Nguyễn Thế Hoàng Anh

57

tiêu cuối cùng của quá trình huấn luyện tự động(Hình 21) là tạo ra một mạng học

sâu SAE có khả năng sửa lỗi hệ số wavelet chứa thông tin về EOG.

2.3.2. Tự động sửa lỗi tín hiệu

Tín hiệu điện não chứa nhiễu EEGcont(t) và tín hiệu điện não đã được “làm

sạch” EEGcor(t) là đầu vào và đầu ra của quá trình sửa lỗi tín hiệu điện não trong

phương pháp DWSAE.

Hình 22. Quy trình tự động khử EOG với DWSAE

Bước đầu tiên của quá trình tự động sửa lỗi là dò tìm EOG để nhận diện các

đoạn tín hiệu chứa nhiễu cần được làm sạch. Mỗi đoạn tín hiệu chứa nhiễu này có

độ dài 1 giây dữ liệu và EOG xuất hiện trong đoạn tín hiệu này. Đoạn tín hiệu này

tiếp tục được biến đổi wavelet để tạo ra một tập hệ số trên miền thời gian – tần số ở

các bậc khác nhau. Các hệ số ở bậc thấp được vec-tơ hóa thành một vec-tơ một

chiều, như đã được mô tả chi tiết ở mục 2.3.1. Đầu ra của quá trình huấn luyện không

giám sát ở trên là một mạng tự mã hóa thưa SAE đã được huấn luyện. Trong pha sửa

lỗi này, mạng SAE được sử dụng để thay đổi giá trị của các hệ số trong vec-tơ đầu

vào nhằm tạo ra một tập giá trị đầu ra mới không còn mang thông tin về các thành

phần nhiễu không mong muốn. Các hệ số được sửa lỗi sau đó được sử dụng để thay

thế các hệ số chứa nhiễu ban đầu trước khi SAE khử nhiễu. Quá trình đang bàn ở

đây được gọi là giải vec-tơ hóa hay Devectorization. Trong quá trình giải vec-tơ hóa,

thứ tự sắp xếp các hệ số wavelet giống hệt với thứ tự sắp xếp các hệ số trong quá

trình vec-tơ hóa. Các hệ số đã được cân chỉnh ở các dải tần thấp và các hệ số không

bị thay đổi ở các dải tần cao sau đó được sử dụng trong quá trình khôi phục wavelet

để tạo ra các đoạn tín hiệu điện não đã được khử EOG. Lưu đồ của quá trình này

Page 59: Nguyễn Thế Hoàng Anh

58

được tổng quát hóa ở Hình 22. Trong pha sửa lỗi tín hiệu này, các thông số của mô

hình DWSAE và biến đổi wavelet đều được giữ nguyên giống như trong pha huấn

luyện.

2.4. Độ đo đánh giá kết quả

Để đánh giá kết quả ngoài việc hiển thị kết quả khử nhiễu của phương pháp

DWSAE so với các phương pháp khác như ICA (SOBI [39-40], Infomax [41] và

JADE [42]), wavelet thresholding và WNN trên miền thời gian, các chỉ số đánh giá

khác được sử dụng trên miền tần số là mật độ phổ công suất (Power Spectral Density

- PSD) và tương quan tần số (Frequency Correlation - FC).

PSD là một chỉ số phổ biến cho biết thông tin trên miền tần số của tín hiệu.

PSD có thể được tính toán dựa trên các phương pháp như Barlett, Welch, Blackman

hay Burg…

Việc tính toán và định lượng tương quan trên miền tần số của tín hiệu trước

và sau khi khử nhiễu tương đương với xác định tương quan trên miền thời gian trước

và sau quá trình lọc nhiễu. Độ đo tương quan tần số FC giữa hai tín hiệu 𝑥1 và 𝑥2

được tính bởi công thức sau:

𝐹𝐶 = 1

2∗

∑ (𝑥1∗𝑥2+𝑥2

∗𝑥1) 𝑤2𝑤1

√∑ 𝑥1𝑥1∗𝑤2

𝑤1∗∑ 𝑥2𝑥2

∗𝑤2𝑤1

(20)

Ở công thức trên, 𝑤1 và 𝑤2 là cận trên và cận dưới của vùng phổ công suất

được tính; FC là độ tương quan tại tần số có giá trị (𝑤1 + 𝑤2)/2. Nếu 𝑥1 và 𝑥2 có

giá trị bằng nhau, giá trị của FC là 1, trong các trường hợp khác, FC nhận giá trị từ

0 tới 1. Kích cỡ của cửa số (𝑤1 - 𝑤2) được chọn bằng 2 để tiện tính toán.

Chỉ số bình phương sai số trung bình (Mean square error - MSE) giữa tín hiệu

điện não được khử nhiễu và tín hiệu gốc được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các

phương pháp khử nhiễu dựa trên wavelet. MSE được định nghĩa như sau:

𝑀𝑆𝐸 = 1

𝑁∑ (𝑥𝑖 − �̃�𝑖)

2𝑁𝑖=1 (21)

Trong đó 𝑥𝑖 và �̃�𝑖 là các giá trị mẫu dữ liệu điện não trước và sau khi khử

nhiễu. N là tổng số điểm dữ liệu trên đoạn tín hiệu điện não được khử nhiễu.

Page 60: Nguyễn Thế Hoàng Anh

59

3. Kết quả

Phần này trình bày về kết quả thí nghiệm khi sử dụng phương pháp Mạng học

sâu tự mã hóa thưa wavelet DWSAE khử nhiễu trên ba tập dữ liệu là tập thực hiện

nhiệm vụ chú ý quan sát (tập dữ liệu 1), tập dữ liệu nhận dạng trạng thái suy nghĩ

(tập dữ liệu 2) và một tập dữ liệu mô phỏng tín hiệu điện não chứa tín hiệu điện não

bất thường EOG (tập dữ liệu 3).

3.1. Dữ liệu kiểm thử

Tập dữ liệu 1 - thực hiện nhiệm vụ chú ý quan sát: Tập dữ liệu này được thu bởi

một hệ thống thu tín hiệu điện não gồm 32 kênh với tần số lấy mẫu là 128 Hz trong

thời gian 238 giây. Đối tượng thực hiện một nhiệm vụ đòi hỏi phải chú ý đến việc

các hình tròn sẽ nháy sáng một cách ngẫu nhiên tại 1 trong 5 vị trí được hiển thị [20,

25]. Mặc dù đối tượng đã hạn chế di chuyển và nháy mắt, tín hiệu điện não thu được

trong tập dữ liệu vẫn bị ảnh hưởng khá mạnh bởi tín hiệu bất thường do nháy mắt

tại các kênh tín hiệu phía gần thùy trán như F3, Fz, F4… Tập dữ liệu này có thể được

tải về tại địa chỉ

https://sccn.ucsd.edu/~arno/fam2data/publicly_available_EEG_data.html (truy cập

lần cuối 3/5/2020).

Tập dữ liệu 2 - nhận dạng trạng thái suy nghĩ: Tín hiệu điện não được ghi lại trên

đối tượng là 12 sinh viên Đại học có tình trạng sức khỏe tốt. Tất cả đối tượng được

yêu cầu không uống đồ uống có cồn hay chất kích thích hoặc điều trị bằng thuốc

trong vòng 24 tiếng trước khi thực hiện phiên thí nghiệm. Ba tác vụ suy nghĩ được

đưa ra và yêu cầu các đối tượng thực hiện là Neutral (đưa não bộ về trạng thái không

suy nghĩ, thiền định), Light (nghĩ đến chuyện bật đèn sáng) và Paper (nhớ về nội

dung một bài báo khoa học đã đọc trước đó). Phòng thu tín hiệu là một phòng bá âm

để tránh cho các đối tượng bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn hay điều kiện ánh sáng thay

đổi. Thiết bị đo là thiết bị Epoc+ của công ty Emotiv sản xuất. Thiết bị Epoc+ gồm

14 kênh và tần số lấy mẫu là 128 Hz. Đối tượng có 30 phút trước khi chính thức thu

tín hiệu để làm quen với thiết bị, điều kiện đo và được hướng dẫn về thiết kế thí

nghiệm cũng như cách thức thực hiện các tác vụ suy nghĩ này.

Page 61: Nguyễn Thế Hoàng Anh

60

Tập dữ liệu 3 - mô phỏng tín hiệu điện não chứa nhiễu: Thuật toán dò đếm tín

hiệu bất thường do nháy mắt thực hiện nhiệm vụ trên tập dữ liệu 1 và tập hợp được

khoảng 6400 đoạn dữ liệu điện não không chữa tín hiệu điện não mạnh, tín hiệu bất

thường do nháy mắt EOG. Mỗi đoạn tín hiệu gồm 128 mẫu hoặc tương đương 1

giây dữ liệu. Các đoạn tín hiệu chứa giả tượng mắt được thu thập từ các đoạn tín

hiệu chứa nhiễu sẽ được cho qua bộ lọc thông thấp và trở thành các giả tượng mắt

EOG. Các giả tượng này sau đó được tổng hợp với các đoạn tín hiệu điện não sạch

bằng phép cộng tín hiệu. Việc lựa chọn vùng nào để cộng tín hiệu được thực hiện

một cách ngẫu nhiên để đảm bảo các đoạn tín hiệu điện não chứa nhiễu được mô

phỏng có tính chất giống với các đoạn tín hiệu nhiễu thực sự nhất.

3.2. Thiết kế thí nghiệm

Sáu phương pháp khử nhiễu được thực hiện trên ba tập dữ liệu cho mục đích đánh

giá hiệu quả trên các tập dữ liệu đã được chuẩn bị. Các phương pháp này gồm có

Infomax, JADE, SOBI, WNN, Wavelet thresholding và DWSAE. Bên cạnh việc

đánh giá trực quan kết quả khử nhiễu trên miền thời gian, giá trị mật độ phổ công

suất PSD và tương quan tần số FC giữa tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu được sử

dụng để đánh giá sự tác động lên tín hiệu của các phương pháp này trên miền tần số.

Sai số trung bình bậc hai được tính toán giữa tín hiệu gốc và tín hiệu khử nhiễu cho

thấy hiệu quả của các phương pháp khử nhiễu đơn kênh dựa trên biến đổi wavelet là

WNN, Wavelet thresholding và DWSAE.Các phương pháp ICA gồm Infomax,

JADE và SOBI được thực hiện với phần mềm EEGLAB được công bố rộng rãi tại

địa chỉ https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php (truy cập lần cuối 3/5/2020). Phương

pháp WNN được thực hiện như mô tả trong công bố [25]. Wavelet thresholding được

thực hiện theo hướng dẫn tại [43].

3.3. Kết quả thí nghiệm

3.3.1. Kết quả trên Tập dữ liệu 1: thực hiện nhiệm vụ chú ý quan sát

Ba phương pháp ICA gồm Infomax, JADE và SOBI được thực hiện để khử nhiễu

trên toàn bộ tập dữ liệu này. Sau khi chạy trên tập dữ liệu, các phương pháp này sẽ

trả về một tập các thành phần độc lập (Independent component - IC). Một số IC bị

Page 62: Nguyễn Thế Hoàng Anh

61

nhận diện trực quan là nguồn gây nhiễu sẽ bị loại bỏ và thay bằng các giá trị 0. Sau

đó tập IC mới sẽ được nhân với ma trận trộn để thu được tín hiệu điện não sạch. Các

IC bị nhận diện là nguồn nhiễu của tập dữ liệu này lần lượt là số 7, 2 của phương

pháp Infomax, 2, 15, 19, 20 của phương pháp JADE và 3, 10 , 12 của phương pháp

SOBI.

Khi thực hiện khử nhiễu với DWSAE, thuật toán dò đếm tín hiệu bất thường do

nháy mắt EOG được sử dụng để nhận diện các đoạn tín hiệu chứa tín hiệu bất thường

do nháy mắt EOG. Các đoạn tín hiệu điện não không chứa EOG sau đó được ghép

nối để tạo thành một chuỗi tín hiệu điện não dài 6400 giây. Đoạn tín hiệu điện não

này sau đấy được phân chia thành 6400 đoạn tín hiệu điện não, mỗi đoạn gồm 128

mẫu dữ liệu tương đương với 1 giây tín hiệu. Các đoạn tín hiệu này chính là đầu vào

để huấn luyện không giám sát máy học sâu tự mã hóa thưa. Trong quá trình huấn

luyện không giám sát này, mỗi đoạn dữ liệu gồm 128 mẫu dữ liệu, không chứa tín

hiệu bất thường do nháy mắt EOG được phân tích bởi biến đổi wavelet bậc 6 để thu

được các hệ số biến đổi wavelet tại các giải tần 0-2 Hz, 2-4 Hz, 4-8 Hz, 8-16 Hz, 16-

32 Hz, 32–64 Hz và 64–128 Hz. Các hệ số wavelet tại bốn giải tần thấp nhất (từ 0 –

16 Hz) được lựa chọn và sắp thành một vector gồm 16 giá trị thành phần (chứa lần

lượt (2, 2, 4, 8 hệ số từ các giải tần 0-2 Hz, 2-4 Hz, 4-8 Hz, 8-16 Hz). Tương ứng

với 6400 đoạn tín hiệu điện não là 6400 vector được tổng hợp và làm dữ liệu đầu

vào để huấn luyện không giám sát mạng học sâu tự mã hóa thưa (sparse autoencoder

- SAE). Bằng cách đặt các tham số và xây dựng mô hình thích hợp, máy SAE sẽ học

tính chất, cầu trúc và sự liên hệ giữa các mẫu dữ liệu này bằng cách đặt xấp xỉ đầu

ra bằng với đầu vào. Các hệ số suy giảm α, hệ số thưa ρ và hệ số phạt thưa β lần

lượt nhận giá trị 0.002, 0.03 và 0.0035 trong mô hình SAE do hiệu quả khử nhiễu

thực tế phương pháp DWSAE thể hiện. Máy SAE có cấu trúc 5 lớp 16-32-64-32-16

gồm 1 lớp đầu vào (16 nút), 1 lớp đầu ra (16 nút) và 03 lớp ẩn (gồm 32-64-32 nút).

Trong pha khử nhiễu, thuật toán dò tìm EOG được thực hiện để nhận diện vùng chứa

tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG và sau đó DWSAE sẽ tiến hành khử nhiễu tự

động trên vùng dữ liệu đã được nhận diện này. Mỗi đoạn dữ liệu chứa nhiễu gồm

Page 63: Nguyễn Thế Hoàng Anh

62

128 mẫu tín hiệu được phân tích wavelet 6 bậc trước tiên. Sau đó, hệ số tại bốn giải

tần thấp nhất được tập hợp vào vector 16x1 để cho chạy qua máy SAE. Kết quả tại

đầu ra của máy SAE là các hệ số đã được căn chỉnh để không chứa các thành phần

gây tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG. Các hệ số được chỉnh sửa này sau đó

được sử dụng để thay thế các hệ số ban đầu, chứa nhiễu tại các giải tần wavelet tương

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Hình 23. Kết quả khử nhiễu của DWSAE so với (a) SOBI, (b) Infomax, (c) JADE,

(d)WNN và (e) Wavelet thresholding

Page 64: Nguyễn Thế Hoàng Anh

63

ứng, và sau đó phục vụ việc tái cấu trúc wavelet. Kết quả cuối cùng của quá trình

khử nhiễu là tín hiệu sạch đã được khử tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG.

Hình 24. Hình vẽ thể hiện PSD của tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu

Đối với phương pháp WNN, tín hiệu giả lập được tạo ra để huấn luyện mạng nơ-ron

nhân tạo (Artificial Neuranl Network - ANN) có cầu trúc 3-4-3 (3 nút đầu vào, 4 nút

ẩn và 3 nút đầu ra). Mạng ANN đã được huấn luyện sau đó được dùng để khử nhiễu

tín hiệu điện não như đã được mô tả chi tiết tại công bố [25]. Số bậc biến đổi wavelet,

hàm wavelet cơ sở và thuật toán huấn luyện wavelet lần lượt là là 6, Coiflet và lan

truyền ngược tối ưu hóa trọng số lớp đầu ra (Output weight optimization –

Backpropagation - OWO - BP).

Phương pháp Wavelet thresholding được thực hiện theo hướng dẫn tại công bố [43].

Hàm cơ sở wavelet và số bậc phân tích lần lượt là Daubechies và 6 bậc.

Hình 23 báo cáo kết quả một đoạn dữ liệu điện não từ Tập dữ liệu 1 trước và sau khi

được khử nhiễu bởi DWSAE và 5 phương pháp so sánh khác là Infomax, JADE,

SOBI, WNN, Wavelet thresholding. Kết quả khử EOG trên miền thời gian cho thấy

DWSAE đã loại bỏ hoàn toàn tín hiệu EOG, sửa tín hiệu có EOG về tín hiệu điện

não với các giá trị biên độ và tần số phù hợp với tính chất của tín hiệu sóng điện não

Page 65: Nguyễn Thế Hoàng Anh

64

xung quanh. Ngoài ra, phương pháp DWSAE chỉ tập trung khử EOG mà không làm

ảnh hưởng đến phần tín hiệu không chứa nhiễu khác.

Hình 24 thể hiện chỉ số PSD của tín hiệu ban đầu và tín hiệu đã được khử nhiễu bởi

sáu phương pháp. Kết quả này cho thấy trong cả 06 phương pháp được triển khai,

wavelet thresholding tập trung làm giảm cường độ của tín hiệu trong vùng tần số

thấp nhiều nhất. Trong khi đó các phương pháp ICA có ảnh hưởng đến hầu hết các

vùng tần số của tín hiệu. DWSAE chỉ tập trung làm giảm mật độ phổ công suất trong

vùng tần số thấp, vùng xuất hiện EOG, nhưng không giảm nhiều như wavelet

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Hình 25. Hệ số tương quan tần số giữa tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu bởi (a)

DWSAE, (b) Infomax, (c) JADE, (d) SOBI, (e) WNN và (f) WT

Page 66: Nguyễn Thế Hoàng Anh

65

thresholding đã tác động. Hình 25 thể hiện chỉ số tương quan tần số của tín hiệu ban

đầu và tín hiệu đã được khử nhiễu bởi DWSAE và 05 phương pháp khác. Chỉ số FC

khẳng định lại quan sát đã rút ra từ thông tin trên biểu đồ PSD.

3.3.2. Kết quả trên Tập dữ liệu 2: nhận dạng trạng thái suy nghĩ

Phần này sẽ trình bày kết quả khử nhiễu sử dụng phương pháp đã đề xuất cũng

như so sánh với kết quả thu được bởi các phương pháp khác trên tập dữ liệu 2.

Phương pháp DWSAE được thử nghiệm để khử nhiễu tín hiệu điện não trên tập

dữ liệu 2. Năm phương pháp bao gồm 03 phương pháp dựa trên ICA là Infomax,

SOBI, JADE và 02 phương pháp dựa trên biến đổi wavelet là WT và WNN được

triển khai khử nhiễu để so sánh hiệu quả khử nhiễu. Đối với các phương pháp

Infomax, SOBI và JADE, các IC là nguồn nhiễu lần lượt là 1, 2, 3; 1, 2, 3, 4 và 1, 2

,3. WNN và WT được khai triển giống như đã trình bày ở phần trước. Mạng nơ-ron

nhân tạo ANN của WNN cũng không cần phải huấn luyện lại và có bộ trọng số, cấu

trúc giống như phần trước.

Hình 26 cho thấy kết quả khử nhiễu bởi sáu phương pháp trên một đoạn tín hiệu

điện não từ tập dữ liệu này. Đoạn tín hiệu được hiển thị sau khi được khử nhiễu bởi

DWSAE cho thấy hai đỉnh tín hiệu tương đương với hai tín hiệu bất thường EOG đã

được triệt tiêu. Trong khi đó vùng tín hiệu điện não bên ngoài không bị ảnh hưởng.

DWSAE chỉ tập trung khử nhiễu ở vùng xuất hiện EOG. Trong khi đó các phương

pháp ICA không chỉ khử vùng tín hiệu chứa EOG mà còn làm thay đổi giá trị tín

hiệu các vùng bên ngoài, vốn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Hình 27 hiển thị chỉ số

PSD của tín hiệu điện não ban đầu và sau khi khử nhiễu. Kết quả này cho thấy

phương pháp WT triệt tiêu nhiều nhất năng lượng tại vùng tần số thấp dưới 10 Hz.

Phương pháp DWSAE làm thay đổi ít nhất năng lượng tần số trong cùng giải tần số

thấp này. Chỉ số tương quan tần số được thể hiện trên Hình 28 cho thấy rõ hơn quan

sát thu được dựa trên PSD.

Page 67: Nguyễn Thế Hoàng Anh

66

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Hình 26 So sánh kết quả khử nhiễu giữa DWSAE và (a) SOBI, (b) Infomax, (c)

JADE, (d)WNN và (e) Wavelet thresholding

Page 68: Nguyễn Thế Hoàng Anh

67

Hình 27. PSD giữa tín hiệu gôc và tín hiệu sau khử nhiễu

a b

c d

e f

Hình 28. Tương quan tần số giữa tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu bởi (a) DWSAE,

(b) Infomax, (c) JADE, (d) SOBI, (e) WNN và (f) WT

Page 69: Nguyễn Thế Hoàng Anh

68

3.3.3. Kết quả trên tập dữ liệu 3: tín hiệu điện não mô phỏng chứa nhiễu

Ba phương pháp dựa trên biến đổi wavelet gồm WNN, WT và DWSAE được

triển khai khử nhiễu trên một đoạn tín hiệu bán mô phỏng có độ dài 30 giây, chứa

tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG (sở dĩ gọi là bán mô phỏng vì tín hiệu không

hoàn toàn được tạo ra từ mô hình máy tính). Mục đích là để kiểm chứng sự khác biệt

giữa tín hiệu điện não được khử nhiễu và đoạn tín hiệu gốc không chứa nhiễu. Sự

khác biệt này càng nhỏ sẽ phản ánh phương pháp có hiệu quả khử nhiễu càng cao.

a

b

c

Hình 29. Kết quả trên đoạn tín hiệu bán giả lập trước và sau khi khử nhiễu bởi

(a) DWSAE, (b) WNN và (c) Wavelet thresholding

Page 70: Nguyễn Thế Hoàng Anh

69

Hình 29 báo cáo kết quả trên một đoạn tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu. Kết

quả trên này cho thấy các tín hiệu bất thường EOG đã được khử triệt để bởi DWSAE

trong khi đó, vùng tín hiệu mô phỏng sóng điện não ở xung quanh không bị ảnh

hưởng và vẫn giữ được các đặc tính của tín hiệu sóng não ban đầu. Bảng 2 cho thấy

giá trị MSE của tín hiệu trước và sau khử nhiễu bởi ba phương pháp.

Bảng 2. MSE của ba phương pháp dựa trên wavelet

Phương pháp MSE

WNN 422.73

WT 443.38

DWSAE 65.62

4. Thảo luận

Kết quả khử nhiễu trên hai tập dữ liệu thực và một tập dữ liệu tín hiệu điện

não với nhiễu bán mô phỏng cho thấy phương pháp được đề xuất DWSAE có khả

năng khử nhiễu hiệu quả trong khi đó tín hiệu điện não trong vùng xung quanh tín

hiệu bất thường do nháy mắt EOG không bị ảnh hưởng. Cụ thể, tại vùng xuất hiện

giả tượng EOG, tín hiệu điện não mạnh EOG được thay thế bởi tín hiệu điện não

thuần EEG với tính chất tương đồng so với vùng tín hiệu điện não xung quanh.

Phương pháp DWSAE khử nhiễu mạnh và ổn định khi được triển khai trên

các tập dữ liệu điện não và nhiều đoạn tín hiệu với các tính chất và hình dạng tín

hiệu bất thường do nháy mắt EOG khác nhau. Trên thực tế, DWSAE là một phương

pháp khử tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG tự động có khả năng khử nhiễu trên

đơn kênh dữ liệu và theo thời gian thực. Khả năng này của DWSAE giống với của

Wavelet thresholding. Trong khi đó, các phương pháp ICA như SOBI, JADE và

Infomax là các phương pháp xử lý theo gói (batch algorithm) đòi hỏi phải được triển

khai trên toàn bộ tập dữ liệu. Các phương pháp ICA này đồng thời đòi hỏi phải quan

sát trực quan để nhận biết các thành phần độc lập là nguồn gây nhiễu. Đây chính là

điểm bất lợi lớn nhất của các phương pháp ICA so với các phương pháp dựa trên

biến đổi wavelet và làm cho các phương pháp ICA rất khó để tích hợp trong các hệ

thống phân tích, xử lý tín hiệu EEG theo thời gian thực.

Page 71: Nguyễn Thế Hoàng Anh

70

So sánh trên miền tần số (đồ thị PSD) cho thấy các phương pháp dựa trên

wavelet như DWSAE, WNN và WT tập trung khử nhiễu tại vùng tần số thấp. Các

phương pháp này thường không tác động đến giá trị PSD tại các vùng tần số khác.

Trong khi đó các phương pháp ICA thay đổi hầu như toàn bộ giá trị PSD trên các

giải tần khác nhau, tuy sự thay đổi này thường khá nhẹ. Điều này có thể được lý giải

bởi các phương pháp dựa trên wavelet được triển khai trên miền thời gian – tần số

và thực tế, khi thực hiện các phương pháp này, các vùng tần số cụ thể của tín hiệu

đã được lựa chọn để tiến hành khử nhiễu. Trong khi đó, các phương pháp ICA được

triển khai trên miền thời gian do đó, không thể hạn chế được ảnh hưởng trên các giải

tần khác nhau của tín hiệu điện não, mặc dù các giải tần này không liên quan tới tín

hiệu bất thường do nháy mắt EOG. Điều này đồng nghĩa với việc trong khi khử

nhiễu, các tín hiệu điện não thực sự trong các vùng giải tần không xuất hiện EOG

cũng bị ảnh hưởng và thay đổi bởi các phương pháp ICA.

Chỉ số tương quan tần số FC cung cấp thông tin chi tiết hơn về ảnh hưởng của

các phương pháp này đối với các giải tần số cụ thể khi thực hiện việc khử nhiễu. Chỉ

số FC khẳng định chắc chắn hơn quan sát đã thấy với chỉ số PSD. Cụ thể, các phương

pháp SOBI, JADE, Infomax thay đổi tín hiệu ban đầu trên hầu như toàn bộ giải tần

tín hiệu điện não có ích (từ 0 – 50 Hz). Các phương pháp ICA này không chỉ tập

trung vào vùng tần số thấp như các phương pháp dựa trên biến đổi wavelet. DWSAE

tác động một chút đến các giá trị tần số cao, chứ không chỉ trên giải tần xuất hiện

giả tượng EOG. Lý do là phương pháp DWSAE được tích hợp thêm một thuật toán

dò đếm tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG. DWSAE chỉ được triển khai trên các

vùng tín hiệu chứa EOG và sau đó kết quả khử nhiễu được ghép nối để thay thế vùng

tín hiệu ban đầu chứa nhiễu. Chính quá trình ghép nối này làm thay đổi tần số tại

vùng giải tần giả tượng EOG không xuất hiện. Hiện tượng này không xuất hiện đối

với kết quả khử nhiễu thực hiện bởi WNN và WT bởi vì các phương pháp này không

được tích hợp phần dò tìm vùng nhiễu và ghép nối tín hiệu như vậy.

Giữa ba phương pháp khử nhiễu dựa trên wavelet, DWSAE cho thấy khả năng

khử tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG hiệu quả hơn hai phương pháp còn lại

Page 72: Nguyễn Thế Hoàng Anh

71

với giá trị MSE của tín hiệu trước và sau khi khử nhiễu trên đoạn tín hiệu bán giả

lập chứa nhiễu thấp nhất (Bảng 2). Ngoài ra, DWSAE có lợi thế hơn so với WNN là

DWSAE sử dụng mạng học sâu tự mã hóa thưa, một phương pháp học tự động với

dữ liệu không cần nhãn, để làm máy khử nhiễu do đó cả phần huấn luyện và thực

hiện khử nhiễu của DWSAE đều có thể thực hiện tự động. DWSAE cũng không yêu

cầu một mô hình mô phỏng để tạo ra tín hiệu gán nhãn dùng cho huấn luyện WNN.

Bảng 3. So sánh đặc tính các phương pháp khử nhiễu tín hiệu điện não

Phương pháp/ Đặc

tính

Chạy đơn

kênh

Tự động khử

nhiễu

Theo thời

gian thực

Khử nhiều

loại nhiễu

DWSAE Có Có Có Chưa khảo sát

WT Có Có Có Không

WNN Có Bán tự động Có Không

SOBI Không Không Không Có

Infomax Không Không Không Có

JADE Không Không Không Có

Bảng 3 tổng kết các đặc điểm của mỗi phương pháp được so sánh ở đây. Theo

đấy, phương pháp đề xuất DWSAE giống như 02 phương pháp dựa trên wavelet còn

lại đều có thể khử nhiễu đơn kênh tức là không cần chạy trên cả tập dữ liễu. Phương

pháp DWSAE và WT có thể khử nhiễu và tích hợp vào hệ thống chạy theo thời gian

thực được. Trong khi đó WNN cũng có thể khử nhiễu theo thời gian thực nhưng cần

phải được huấn luyện mô hình Mạng nơ-ron off-line. Cần nhấn mạnh là DWSAE đã

khắc phục được hạn chế này của WNN trong đó cả bước huấn luyện và bước khử

nhiễu đều có thể thực hiện tự động hoàn toàn. Trong khi đó tất cả các phương pháp

ICA đều không chạy đơn kênh, không tự động khử nhiễu mà cần có bước can thiệp

thủ công bằng cách quan sát, loại bỏ các thành phần IC có tính chất nhiễu, do đó các

phương pháp này không thể tích hợp vào các hệ thống theo thời gian thực. Ưu điểm

của các phương pháp ICA là kết quả khử nhiễu rất tốt và có khả năng khử nhiều loại

Page 73: Nguyễn Thế Hoàng Anh

72

nhiễu khác nhau như nhiễu cơ, nhiễu tim… chứ không chỉ là khử tín hiệu bất thường

do nháy mắt EOG.

5. Kết luận Chương 2

Chương này của luận án đã trình bày một phương pháp mới trong khử nhiễu tín

hiệu điện não gọi là Mạng học sâu tự mã hóa thưa Wavelet (DWSAE). Kết quả khử

nhiễu bởi DWSAE được so sánh với các phương pháp khác như SOBI, JADE,

Infomax, WNN và Wavelet thresholding cho thấy đây là một phương pháp hiệu quả

trong khử tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG. So với các phương pháp dựa trên

phân tích thành phần độc lập ICA, DWSAE có ưu điểm là có thể thực hiện tự động

trên đơn kênh dữ liệu. So với WNN, DWSAE không phải trải qua pha huấn luyện

off-line mà có thể được huấn luyện và sử dụng để khử nhiễu theo thời gian thực, tự

động. Điều này rất cần thiết khi tích hợp phương pháp khử nhiễu này trong các hệ

giao diện não máy tính BCI theo thời gian thực.

Khả năng khử EOG của DWSAE chứng tỏ máy học sâu tự mã hóa thưa đã tự tìm

được các đặc tính của tín hiệu điện não sạch qua đó cân chỉnh các giá trị bị ảnh

hưởng bởi EOG của tín hiệu điện não đầu vào cần làm sạch. Do là một phương pháp

học máy có thể tự động hóa quy trình huấn luyện, việc triển khai thành công DWSAE

cho thấy tiềm năng của việc một máy học có khả năng tự suy luận và giải quyết các

vấn đề chưa được đặt ra trong quá trình huấn luyện.

Tăng cường chất lượng tín hiệu điện não, như đã trình bày ở chương này, thường

được thực hiện trong bước tiền xử lý của mô hình phân loại tín hiệu điện não.

Chương 3 tiếp theo sẽ trình bày một cách tổng thể mô hình phân loại tín hiệu điện

não và đề xuất một số cách tiếp cận dựa trên các phương pháp học máy có giám sát.

Page 74: Nguyễn Thế Hoàng Anh

73

CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI TÍN HIỆU

ĐIỆN NÃO DỰA TRÊN HỌC MÁY

1. Đặt vấn đề

Giao diện não-máy tính (Brain computer interface - BCI) là một cách thức

truyền thông giữa não và các thiết bị bên ngoài. Giao diện não máy tính cho phép

chuyển tải thông điệp người sử dụng muốn chỉ thông qua tín hiệu đã được phân tích,

xử lý và “dịch” bởi hệ thống mà không cần bất kỳ can thiệp nào khác. Trong các

phương thức thu tín hiệu có thể được sử dụng để thực hiện Giao diện não – máy tính,

tín hiệu điện não là cách thức phổ biến nhất [7].

Có nhiều cách để thực hiện các Giao diện não – máy tính bao gồm sử dụng

đặc trưng P300 (xuất hiện khoảng 300 ms sau khi xuất hiện kích thích bất thường),

Xung phản ứng kích thích thị giác trạng thái ổn định SSVEP, nhịp vận động cảm

giác (sensorimotor), nhịp alpha và beta, đặc trưng N400, hình ảnh vận động (Motor

imagery)… Phân tích chi tiết và mô tả một số hệ giao diện não máy tính được đưa

ra ở Chương 4 của luận án này. Chương này tập trung phân tích nguyên lý chung

của hệ BCI dựa trên phân loại trạng thái suy nghĩ từ đó đề xuất ra một số mô hình

phân loại trạng thái suy nghĩ tín hiệu điện não làm cơ sở để phát triển các hệ giao

diện não máy tính.

Những hệ BCI như vậy được phát triển dựa trên việc yêu cầu người sử dụng

tưởng tượng về các trạng thái, tác vụ suy nghĩ khác nhau. Ví dụ, Chiappa, S., 2006

[44] phát triển một phương pháp dựa trên phân tích thành phần độc lập để phân loại

tín hiệu điện não cho tập dữ liệu được thu khi yêu cầu đối tượng thực hiện ba loại

tác vụ suy nghĩ gồm tưởng tượng liên tục việc cử động tay trái, tưởng tượng liên tục

việc cử động tay phải và tưởng tượng việc tạo ra một từ với chữ cái bất kỳ được chọn

ngẫu nhiên. Kết quả tốt nhất đạt được trong việc phân loại 3 tác vụ này là 77,3%.

Nhiệm vụ của khối xử lý tín hiệu của những hệ BCI như vậy là phân loại các trạng

thái suy nghĩ, chuyển thành các mệnh lệnh tương tác, điều khiển.

Trong một thiết kế thí nghiệm và tập dữ liệu khác [45], đối tượng được yêu

cầu thực hiện hai tác vụ suy nghĩ bao gồm tác vụ cơ sở và tưởng tượng thực hiện

Page 75: Nguyễn Thế Hoàng Anh

74

phép nhân. Kết quả phân loại cao nhất đạt được khoảng 96.5% với một mô hình

mạng nơ-ron nhân tạo được huấn luyện với các đặc trưng trích chọn bởi mô hình tự

hồi quy đa biến.

Về cơ bản, mỗi hệ BCI phân loại trạng thái suy nghĩ (và một số hệ BCI có

mục đích tương tự) đều cần tích hợp một khối xử lý tín hiệu có nhiệm vụ phân loại

tín hiệu điện não sau đó chuyển kết quả phân loại này thành các mệnh lệnh điều

khiển hay tương tác thiết bị tương ứng. Khối xử lý tín hiệu hay bộ phân loại tín hiệu

thường gồm các module sau:

- Module tiền xử lý: nhiễu hoặc các thành phần tín hiệu bất thường tác động

lên tín hiệu điện não được loại bỏ. Mục tiêu để tạo ra nguồn tín hiệu đầu vào

có chất lượng tốt nhất, loại bỏ các thông tin không cần thiết gây ảnh hưởng

đến hiệu quả của hệ thống phân loại tín hiệu, cho các bước xử lý tín hiệu tiếp

theo.

- Module trích chọn đặc trưng: tín hiệu “sạch” sau khi được tiền xử lý sẽ được

chuyển đổi từ miền thời gian sang các miền không gian khác như miền tần số

hay thời gian tần số. Như vậy, tín hiệu ban đầu sẽ được thể hiện một cách

khác đi và qua đó thể hiện các thông tin có giá trị thường khó khai thác nếu

giữ nguyên định dạng ban đầu. Các thông tin này được gọi là các đặc trưng

sẽ được lựa chọn để sao cho chỉ có các đặc trưng cần thiết nhất mới được lựa

chọn với cách tiếp cận sao cho phản ánh được các thông tin cần thiết nhất của

tín hiệu điện não ban đầu nhưng với số chiều thông tin tối thiểu.

- Module phân loại tín hiệu: các mô hình phân loại cho phép phân tín hiệu

thành các nhóm tương ứng với ý định hay tính chất của nhóm tín hiệu đó.

Luận án này tiếp cận phát triển các mô hình phân loại dựa trên học máy có

giám sát.

Việc thu nhận tín hiệu là bước đầu tiên trong toàn bộ hệ thống BCI. Để hệ

thống có thể hoạt động một cách hiệu quả thì bước thu nhận dữ liệu cần phải được

tiến hành một cách cẩn thận theo một qui trình đồng nhất. Hiện nay, rất nhiều nghiên

cứu trên thế giới sử dụng tập dữ liệu có sẵn được công bố miễn phí. Tuy nhiên cách

Page 76: Nguyễn Thế Hoàng Anh

75

tiếp cận này có một nhược điểm là dữ liệu thu trước không phải lúc nào cũng phù

hợp với mục tiêu của nghiên cứu. Một số nghiên cứu khác có chủ động tiến hành thu

nhận và sử dụng dữ liệu thu được. Những nghiên cứu này sử dụng các qui trình thu

nhận dữ liệu khác nhau, tuy nhiên phần lớn trong số đó đều khá phức tạp.

Sau khi tham khảo các nghiên cứu và học liệu nước ngoài, cùng với việc dựa

vào đặc thù điều kiện phần cứng và yêu cầu của nhiệm vụ nghiên cứu, giải quyết các

vấn đề đã đặt ra với hệ BCI được phát triển ở các nghiên cứu trước đây, nghiên cứu

trong khuôn khổ luận án này tập trung phát triển một qui trình thu nhận dữ liệu, thiết

kế thí nghiệm riêng để đảm bảo phù hợp với hệ thống BCI dựa trên phân loại tín

hiệu điện não. Sử dụng tập dữ liệu này, Luận án tập trung đề xuất 03 mô hình phân

loại tín hiệu điện não dựa trên các phương pháp học máy có giám sát: phương pháp

máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng năng lượng wavelet tương đối, phương pháp mạng

nơ-ron nhân tạo kết hợp phân tích thành phần chính và phương pháp học sâu với đặc

trưng lựa chọn bởi phân ngưỡng SURE. Phần tiếp theo sẽ trình bày thiết kế thí

nghiệm, mô tả các phương pháp được đề xuất, kết quả thí nghiệm để kiểm chứng

các phương pháp này, sau đó đưa ra thảo luận, đánh giá về kết quả thu được.

2. Cơ sở dữ liệu thử nghiệm

2.1. Cơ sở dữ liệu đã có

Tập EID-M [46]: Tập dữ liệu này được thu trên 8 đối tượng (5 nam, 3 nữ)

tuổi từ 24-28. Trong khi thực hiện thí nghiệm, đối tượng được yêu cầu đưa não bộ

về trạng thái thả lỏng, nhắm mắt. Thiết bị thu là Emotiv Epoc+ có 14 kênh và tần số

lấy mẫu là 128 Hz. Mỗi đối tượng thực hiện ba phiên đo và mỗi phiên đo tạo ra 7.000

mẫu tín hiệu điện não (tương đương 54,8 giây). Tổng số mẫu của tập EID-M gồm

168.000 mẫu tín hiệu điện não.

Link truy cập:

https://drive.google.com/drive/folders/1t6tL434ZOESb06ZvA4Bw1p9chzxzbRbj

(truy cập lần cuối 09/07/2020)

Tập Mind Wandering [47]: Tập dữ liệu này được thu trên hai đối tượng là

phụ nữ (S1 25 tuổi, S2 31 tuổi). Hai đối tượng này đều tự nguyện tham gia thí nghiệm

Page 77: Nguyễn Thế Hoàng Anh

76

và đã ký giấy xác nhận đồng ý. Cả hai đối tượng đều có thị lực bình thường hoặc đã

chữa mắt để có thị lực bình thường. Hai đối tượng đều thuận tay phải và không có

vấn đề về tâm lý hay các bệnh lý thần kinh. Hai đối tượng không nhận tiền cho việc

tham gia thí nghiệm này. Thiết kế thí nghiệm được thông qua bởi hội đồng y đức

của cơ sở nghiên cứu (CPP 2010-A00744-35). Cả hai đối tượng đã có thời gian luyện

tập các nhiệm vụ suy nghĩ trước đó và đều tập thiền.

Trong khi thực hiện thí nghiệm, đối tượng ngồi trước mặt một màn hình máy

tính (cách 60 cm) trong một phòng có ánh sáng yếu. Hướng dẫn thí nghiệm được

trình chiếu trên màn hình trước mỗi phiên thu tín hiệu. Nhiệm vụ của đối tượng là

đếm ngược từ 10 tới 1 dựa trên nhịp thở của mình. Khi đã đếm hết đến 1, đối tượng

được yêu cầu quay lại đếm ngược từ 10. Đối tượng được yêu cầu thông báo lại bất

kỳ trường hợp nào bị mất tập trung và không nhớ đã đếm đến số nào bằng cách bấm

vào chuột trái ( con chuột máy tính). Ngay sau khi nhận được tín hiệu bấm chuột,

một bảng câu hỏi về hiện tượng (dài khoảng 1 trang màn hình) sẽ xuất hiện. Bảng

câu hỏi, thường mất khoảng 30 giây để hoàn thành, sẽ đánh giá đặc điểm của tình

trạng “lạc suy nghĩ” (mind wandering).

Tín hiệu điện não được thu bởi một hệ thống Biosemi Active Two gồm 64

kênh. Trong khi thực hiện việc đếm ngược hơi thở, đối tượng sẽ bị gây nhiễu bởi âm

thanh. Hai đối tượng đã được hướng dẫn trước khi vào thí nghiệm nếu nghe thấy các

âm thanh này thì cần bỏ qua và tiếp tục tập trung vào nhiệm vụ đếm ngược. Mỗi

phiên thu tín hiệu dài 20 phút (không bao gồm thời gian điền câu hỏi). Mười phiên

thu tín hiệu với nhiệm vụ đếm ngược được thực hiện cho mỗi đối tượng.

Link truy cập: https://drive.google.com/drive/folders/0B0LQHOLfcq-

hMFlhOEFKUXFPTkE (truy cập lần cuối 09/07/2020)

Tập BCI-V [29]: Tập dữ liệu BCI-V thu tín hiệu điện não trên ba đối tượng

có tình trạng sức khỏe bình thường trong bốn phiên. Đối tượng ngồi trên một ghế

tựa, với tay trong trạng thái thoải mái đặt trên đùi. Đối tượng được yêu cầu thực hiện

ba tác vụ suy nghĩ: tưởng tượng việc lập đi lập lại việc tự chuyển động tay trái, tưởng

tượng việc lập đi lập lại việc tự chuyển động tay phải và tưởng tượng việc tạo ra một

Page 78: Nguyễn Thế Hoàng Anh

77

từ bắt đầu bởi một chữ cái ngẫu nhiên. Cả bốn phiên thu tín hiệu trên một đối tượng

đều được thực hiện trong cùng một ngày. Mỗi phiên kéo dài 4 phút và có 5-10 phút

nghỉ giữa mỗi phiên. Khi bắt đầu thu tín hiệu, đối tượng được yêu cầu thực hiện một

trong ba tác vụ trong vòng khoảng 15 giây sau đó sẽ được ra tín hiệu để chuyển sang

một tác vụ khác. Điều này có nghĩa là trong quá trình thu tín hiệu của một phiên, lúc

nào đối tượng cũng thực hiện các tác vụ đã cho.

Thiết bị thu được sử dụng là hệ thống Biosemi với 32 điện cực, tần số lấy mẫu

là 512 Hz. Tín hiệu được giữ nguyên và không sử dụng các phương pháp loại bỏ

nhiễu hay cân chỉnh tín hiệu.

Link truy cập: http://www.bbci.de/competition/iii/desc_V.html (truy cập lần

cuối 09/07/2020)

2.2. Cơ sở dữ liệu của luận án

Sau khi xác định được các đặc trưng được dùng trong hệ thống BCI, một thiết

kế thí nghiệm phù hợp đã được đề xuất và triển khai. Cụ thể hơn, khi tiến hành thí

nghiệm để thu thập dữ liệu cho tập huấn luyện, đối tượng thí nghiệm và môi trường

thí nghiệm được lựa chọn như sau:

- Đối tượng thí nghiệm: là người trưởng thành trong tình trạng sức khỏe bình thường,

không bị ảnh hưởng bởi cồn hoặc các chất kích thích thần kinh, trong độ tuổi từ 22-

35. Hai đối tượng được yêu cầu cắt tóc ngắn để tăng cường khả năng tiếp xúc của

các điện cực. Các đối tượng đều tự nguyện tham gia thí nghiệm.

- Môi trường thí nghiệm: Phòng thí nghiệm khép kín ở điều kiện nhiệt độ bình thường

~26 độ C. Điều kiện ánh sáng bình thường, được giữ ổn định trong quá trình thu tín

hiệu. Không gian thu tín hiệu được giữ không làm ồn để tránh làm mất tập trung đối

tượng thu tín hiệu.

Mô tả thí nghiệm:

- Thí nghiệm 1 – N (Neutral): Đo tín hiệu EEG khi đối tượng ở trạng thái thư giãn,

không suy nghĩ tập trung. Thông thường đối tượng cố gắng đưa về trạng thái thiền,

Page 79: Nguyễn Thế Hoàng Anh

78

cố không suy nghĩ đến vấn đề gì, thở chậm, đều; trong một số trường hợp đối tượng

sẽ nhắm mắt để dễ thực hiện tác vụ này hơn.

- Thí nghiệm 2 – L (Light): Đo tín hiệu EEG khi đối tượng đang suy nghĩ hình dung

về việc bật sáng đèn. Ví dụ đối tượng sẽ hình dung tới hành động bật đèn theo các

bước trình tự như sau: Nghĩ đến công tắc đèn → Nghĩ đến việc đứng dậy → Nghĩ

đến việc đi tới chỗ công tắc → Nghĩ tới việc bật công tắc → Nghĩ tới bóng đèn sáng

lên.

- Thí nghiệm 3 – P (Paper): Đo tín hiệu EEG khi đối tượng đang tập trung đọc một

bài báo khoa học. Ở thí nghiệm này, một bài báo khoa học bằng tiếng Anh, có hàm

lượng khoa học cao và nội dung rất phức tạp lấy từ tạp chí SCIENCE được sử dụng.

Đối tượng cố gắng tập trung để hiểu được nội dung của bài báo. Trước mỗi lần thu

tín hiệu, đối tượng được giành khoảng 5-10 phút để học thuộc lòng 2 câu bất kỳ

trong bài báo, tương đương khoảng 10-15 từ. Sau đó, trong quá trình đo, đối tượng

sẽ tập trung nhớ lại nội dung đã đọc trong bài báo. Với mức độ phức tạp của bài báo,

sau khi bắt đầu tiến hành mỗi phiên thu tín hiệu, đối tượng cần nghỉ ngơi trong

khoảng 5 phút.

Qui trình thí nghiệm như sau: Tiến hành 3 loại thí nghiệm. Đối với mỗi đối tượng,

mỗi thí nghiệm tiến hành 3 lần. Thời gian mỗi lần lấy mẫu là 90 giây và nghỉ 2-3

phút trước khi tiếp tục lấy mẫu. Sau 3 lần lấy mẫu liên tiếp thì đối tượng được nghỉ

dài hơn 10 phút. Sau mười phút nghỉ, đối tượng được yêu cầu chuyển sang thực hiện

tác vụ khác. Thiết bị thu là Emotiv Epoc+ có 14 đầu thu tín hiệu, tần số lấy mẫu là

128 Hz.

Ba thí nghiệm được thiết kế như trình bày ở trên đây có cách thức tương đồng

với các tập dữ liệu đã trình bày ở mục 3.1 tại các công bố [29, 46-47] ở khía cạnh

đều yêu cầu đối tượng phải thực hiện một số tác vụ suy nghĩ nhất định. Thiết kế thí

nghiệm này không yêu cầu phải có thiết bị hỗ trợ như trong trường hợp các bộ dữ

liệu sử dụng P300, SSVEP, ERD (đều yêu cầu phải có màn hình thể hiện thông tin

để kích thích sản sinh các đặc trưng tín hiệu điện não này). Số lượng các đối tượng

Page 80: Nguyễn Thế Hoàng Anh

79

tham gia thí nghiệm trong nghiên cứu trình bày ở luận án này cũng đảm bảo nếu kể

đến trong một số trường hợp như tại tập dữ liệu kể trên có chỉ 2 đối tượng tham gia

thu tín hiệu. Các điều kiện thu tín hiệu cũng đảm bảo để có thể thu được tín hiệu có

chất lượng đáng tin cậy. Ngoài ra, việc thiết kế ba thí nghiệm như kể trên dựa trên

giả thiết đối tượng sẽ tăng dần mức độ tập trung khi chuyển trạng thái từ N L

P. trong đó N là trạng thái không suy nghĩ, sẽ đưa tín hiệu về trong giải tần alpha, L

sẽ có xu hướng đưa tín hiệu chứa nhiều dải tần alpha và P chứa các tín hiệu có dải

tần gamma.

3. Đề xuất một số phương pháp phân loại trạng thái suy nghĩ dựa trên

học máy

Tín hiệu điện não có tính chất không dừng, với các đặc tính có thể thay đổi từ

người này sang người khác, từ lần đo này sang lần đo khác đối với cùng một thiết

kế thí nghiệm thu tín hiệu. Việc sử dụng các phương pháp dựa trên quy luật (rule-

based) hay thống kê thường khó đem lại kết quả tốt trong xử lý, phân tích tín hiệu

điện não. Do đó, việc sử dụng các phương pháp học máy, vốn được “dạy” để tự tìm

ra các đặc tính, mối liên hệ của dữ liệu để suy diễn, thực hiện các nhiệm vụ phân

tích, xử lý tín hiệu là cách tiếp cận phù hợp. Những phương pháp phân loại tín hiệu

điện não được đề xuất ở phần tiếp theo dựa trên máy vec-tơ hỗ trợ, mạng nơ-ron

nhân tạo hay mạng học sâu chứng tỏ học máy có giám sát có hiệu quả nếu được ứng

dụng trong lĩnh vực này cũng như có tiềm năng có thể triển khai trong các ứng dụng

thực tế.

3.1. Phương pháp máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng năng lượng wavelet

tương đối

Kĩ thuật năng lượng wavelet tương đối (relative wavelet engery - RWE) để

xử lí tín hiệu kết hợp với thuật toán phân loại SVM (Hình 30) đã được phát triển

trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án này [48]. Hệ thống này được thử nghiệm

cho bài toán phân lớp với ba lớp dữ liệu.

Page 81: Nguyễn Thế Hoàng Anh

80

Hình 30. Lưu đồ phương pháp phân tích tín hiệu EEG dựa trên SVM

Như đã trình bày ở trên, nhìn chung một hệ thống phân loại với đầu vào là tín

hiệu điện não EEG thường qua ba bước là tiền xử lý, trích chọn đặc trưng và phân

loại. Bước tiền xử lí nhằm mục đích loại bỏ các nhiễu và tín hiệu giả tượng (artifact)

không mong muốn để tăng cường chất lượng thông tin của tín hiệu ở đầu vào hệ

thống. Trong phương pháp này, kĩ thuật phân tích thành phần độc lập được sử dụng

trong tiền xử lí tín hiệu.

Kĩ thuật ICA được Herault và Jutten đề xuất vào năm 1986. Đây là một kĩ

thuật tách nguồn mù rất nổi tiếng và được áp dụng nhiều trong xử lí nhiễu ở tín hiệu

Tín hiệu EEG

Khử nhiễu với ICA

Trích chọn đặc trưng với năng

lượng wavelet tương đối

Phân loại tín hiệu với SVM

Trạng thái suy nghĩ

Trích xuất đoạn dữ liệu dài

90 s

Biến đổi wavelet

Page 82: Nguyễn Thế Hoàng Anh

81

điện não. Kĩ thuật ICA được sử dụng dùng thuật toán tối đa thông tin (information

maximization - Infomax) và cho kết quả rất tốt khi lọc được hầu hết các tín hiệu bất

thường do nháy mắt và các gai nhiễu khác, giúp cho tín hiệu đầu vào sạch hơn và

tăng hiệu năng chung cho hệ thống.

Ở bước trích chọn đặc trưng, kĩ thuật năng lượng wavelet tương đối RWE để

trích chọn các đặc trưng phù hợp với hệ thống được sử dụng với hàm wavelet phân

tích Db4 thuộc họ wavelet Daubechies. Hàm Db4 được lựa chọn bởi hàm này có khả

năng phát hiện rất tốt các thay đổi trong tín hiệu EEG. Nhiều thí nghiệm được tiến

hành và thu được kết quả tối ưu với 6 mức phân rã wavelet.

Như đã trình bày ở trên, thuật toán máy vec-tơ hỗ trợ SVM được sử dụng cho

bước phân loại tín hiệu. Kết quả thu được khi kết hợp các đặc trưng của RWE với

SVM là rất tốt cho cả bài toán phân loại hai lớp lẫn bài toán phân loại ba lớp, kể cả

khi so sánh với một số thuật toán phân loại tiên tiến như ANN và LDA.

3.1.1. Năng lượng wavelet tương đối trong trích chọn đặc trưng tín hiệu

điện não

Giá trị năng lượng wavelet tương đối - relative wavelet energy RWE [49]

cũng là một loại đặc trưng được sử dụng nhiều trong các hệ thống phân loại tín hiệu

điện não. Để thu được đặc trưng này cần sử dụng biến đổi wavelet để phân tích tín

hiệu EEG. Khác với phép biến đổi Fourier vốn bị hạn chế bởi nguyên lý bất định

Heisengber cho các thành phần tần số cao và tần số thấp, biến đổi wavelet cho thấy

mối liên hệ giữa miền thời gian và miền tần số một cách toàn diện hơn.

Bước đầu tiên của biến đổi wavelet là lựa chọn số mức phân rã tín hiệu và lựa

chọn hàm wavelet phân tích phù hợp. Nếu số mức phân rã được chọn là N thì ta sẽ

thu được (N+1) băng tần. Năng lượng ở mức phân rã 𝑗 là tổng năng lượng của tất cả

các hệ số 𝑐𝑗,𝑘 tại mức phân rã đó. Cho 𝑎𝑘 được định nghĩa là hệ số ở băng tần con

N+1. Như vậy có thể tính được năng lượng tại mỗi băng tần con với công thức sau:

𝑊𝑗 = ∑ |𝑐𝑗,𝑘|2

𝑘 𝑗 = 1,… ,𝑁 (22)

𝑊𝑁+1 = ∑ |𝑎𝑘|2

𝑘 (23)

Page 83: Nguyễn Thế Hoàng Anh

82

Tổng năng lượng của tín hiệu ở tất cả các băng tần con được cho bởi công thức:

𝑊 = ∑ 𝑊𝑗𝑁+1𝑗=1 (24)

Như vậy giá trị relative wavelet energy (RWE) ở băng tần con 𝑗 được tính như

sau:

𝑟𝑗 =𝑊𝑗

𝑊 𝑗 = 1,… , 𝑁 + 1 (25)

Từ đó có thể tự suy ra rằng tổng của 𝑟𝑖 bằng 1.

3.1.2. Máy vec-tơ hỗ trợ trong phân loại tín hiệu điện não

Hình 31. Siêu phẳng phân cách bởi SVM

(Các điểm được khoanh tròn là các vectơ hỗ trợ)

Máy Vectơ hỗ trợ (Support vector machine - SVM) là một phương pháp học có

giám sát được tạo ra bởi Vapnik, 1998 [50] vào những năm 1960 và đến này vẫn

được ứng dụng rộng rãi trên các chủ đề khác nhau [51-52]. Ý tưởng cơ bản của SVM

chính là tạo ra một hoặc nhiều siêu phẳng trong không gian phục vụ bài toán hồi quy

hoặc phân loại. SVM được chia thành hai loại: tuyến tính và phi tuyến. Để hiểu rõ

phương pháp SVM được triển khai như thế nào, luận án này sẽ phát biểu bài toán sử

dụng SVM trong phân loại hai lớp. Giả sử tập dữ liệu huấn luyện được gán nhãn

như sau {𝑥𝑖 , 𝑦𝑖}, 𝑖 = 1,… , 𝑙; 𝑦𝑖 ∈ {1,−1} và 𝑥𝑖 ∈ 𝑅𝑑. Tiếp tục giả sử tồn tại một

siêu phẳng có khả năng phân biệt các mẫu có giá trị âm và các mẫu có giá trị dương.

Điểm x nằm ở trên siêu phẳng đó thỏa mãn phương trình 𝑤𝑥 + 𝑏 = 0 được gọi là

các vec-tơ hỗ trợ, cũng đồng thời là các điểm thuộc tập dữ liệu có khoảng cách đến

H

𝑯𝟏 𝑯𝟐

𝒙𝒔𝒗

𝒙𝒔𝒗

𝒙𝒔𝒗

Giá trị biên

𝒚𝒊= +𝟏

𝒚𝒊= −𝟏

Page 84: Nguyễn Thế Hoàng Anh

83

siêu phẳng gần nhất. w là vec-tơ pháp tuyến của siêu phẳng và |𝑏|/||𝑤|| là khoảng

cách trực giao từ siêu phẳng tới điểm x. Tập các vec-tơ hỗ trợ luôn được giảm thiểu

nhỏ nhất có thể để đảm bảo việc ước lượng không quá phức tạp [53].

Nếu định nghĩa biên (margin) là tổng khoảng cách từ các vectơ hỗ trợ có khoảng

cách gần nhất, các máy vectơ hỗ trợ tuyến tính có nhiệm vụ tìm ra một siêu phẳng

có khả năng phân cách dữ liệu đầu vào để biên đạt giá trị cao nhất (Hình 31). Việc

này tương ứng với giải phương trình ràng buộc sau:

𝑤𝑥𝑖 + 𝑏 > +1 𝑛ế𝑢 𝑦𝑖 = +1

𝑤𝑥𝑖 + 𝑏 < −1 𝑛ế𝑢 𝑦𝑖 = −1

Đối với mỗi vectơ hỗ trợ 𝑥𝑠𝑣, khoảng cách giữa 𝑥𝑠𝑣 với siêu phẳng là 𝑟 =

𝑦𝑠(𝒘𝒙𝒔𝒗+𝑏)

||𝒘|| và khi đó biên có giá trị

2

||𝒘||. Bài toán bây giờ có thể được phát biểu thành

việc giải một phương trình tối ưu hóa bậc hai như sau:

Tìm w và b để 2

||𝒘|| đạt giá trị lớn nhất và đối với mọi {𝑥𝑖 , 𝑦𝑖}, 𝑖 = 1,… , 𝑙:

𝑦𝑖(𝒘𝑇𝒙𝒊 + 𝑏) ≥ 1.

Phương trình trên có thể được phát biểu lại như sau:

Tìm w và b để 𝜽(𝒘) = ||𝒘||2 = 𝒘𝑇𝒘 đạt giá trị nhỏ nhất đối với mọi

(𝑥𝑖 , 𝑦𝑖), 𝑖 = 1,… , 𝑛: 𝑦𝑖(𝒘𝑇𝒙𝒊 + 𝑏) ≥ 1.

Bài toán này có thể được tổng quát hóa như là một bài toán kép trong đó mỗi

toán tử Lagrange 𝛼𝑖 được gắn với một bất đẳng thức ràng buộc trong bài toán sau:

Tìm 𝛼1 … 𝛼𝑛 để (𝜶) = ∑𝛼𝑖 −1

2∑∑𝛼𝑖 𝛼𝑗𝑦𝑖𝑦𝑗𝒙𝑖

𝑇𝒙𝑗 đạt giá trị lớn nhất với

điều kiện ∑𝛼𝑖𝑦𝑖 = 0 và 𝛼𝑖 ≥ 0 với mọi 𝛼𝑖.

Khi đó nếu tồn tại một tập giá trị 𝛼1 … 𝛼𝑛 thỏa mãn bài toán kép ở trên, lời

giải cho bài toán cơ bản là 𝑤 = ∑𝛼𝑖𝑦𝑖𝒙𝑖 và 𝑏 = 𝑦𝑘 − ∑𝛼𝑖𝑦𝑖𝒙𝑖𝑇𝒙𝑘 với mọi 𝛼𝑖 ≥

0. Mỗi giá trị khác không 𝛼𝑖 thể hiện 𝒙𝑖 chính là giá trị vectơ hỗ trợ tương ứng.

Hàm phân loại có thể được định nghĩa lại như sau:

𝑓(𝒙) = ∑𝛼𝑖𝑦𝑖𝒙𝑖𝑇𝒙 + 𝑏 (26)

Page 85: Nguyễn Thế Hoàng Anh

84

Hàm phân loại ở trên phụ thuộc vào tích trong giữa điểm x và vectơ hỗ trợ

𝒙𝑖.Và bài toán tối ưu hóa ở trên có thể được giải bằng cách tính toán giá trị của tích

trong giữa toàn bộ dữ liệu huấn luyện.

Trong trường hợp SVM phi tuyến, hàm phân loại được phát biểu như sau

𝑓(𝒙) = ∑𝛼𝑖𝑦𝑖𝑲(𝒙𝑖 , 𝒙𝑗) + 𝑏 (27)

Trong đó K là hàm lõi phi tuyến.

3.2. Phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp phân tích thành phần

chính

Phương pháp phân loại tín hiệu điện não trình bày ở mục 3.1 kết hợp SVM

với biến đổi đặc trưng năng lượng wavelet tương đối và khử nhiễu với ICA. Phần

khử nhiễu ICA cần phải thực hiện off-line do đó không tự động hóa được quy trình

này. Trong phần tiếp theo luận án đề xuất hai phương pháp khác dựa trên cách tiếp

cận về mạng nơ-ron nhân tạo và mạng học sâu sử dụng đặc trưng PSD trên miền tần

số. Những đề xuất này dựa trên giả thuyết các máy học dạng mạng nơ-ron nhân tạo

có thể tìm kiếm, trích xuất các thông tin về liên hệ từ dữ liệu tín hiệu điện não một

cách hiệu quả do cùng chia sẻ một cách thức tổ chức mô hình giống với mô phỏng

cấu trúc sinh học của não bộ.

Luận án này đề xuất cách tiếp cận giải quyết bài toán phân loại các trạng thái

suy nghĩ dựa trên mạng nơron nhân tạo kết hợp phân tích thành phần chính. Trong

cách tiếp cận này, hai kĩ thuật là mật độ phổ công suất (Power Spectral Density -

PSD) và phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis - PCA) được

sử dụng để trích chọn ra các đặc trưng phù hợp cho đầu vào thuật toán phân loại

mạng nơ-ron nhân tạo [48].

Tín hiệu EEG thô được xử lí qua bộ lọc thông cao Butterworth với tần số cắt

0.5Hz để làm mịn tín hiệu. Tín hiệu sau đó được loại nhiễu bằng kĩ thuật wavelet

neural network (WNN). Về cơ bản, kĩ thuật WNN gồm 3 bước chính: Bóc tách tín

hiệu bằng phân rã wavelet, nhận dạng nhiễu và loại nhiễu bằng một mạng neuron

ANN và tổng hợp lại tín hiệu bằng tái tạo wavelet. Để kĩ thuật WNN đạt được hiệu

Page 86: Nguyễn Thế Hoàng Anh

85

quả tốt nhất, mạng ANN cần được huấn luyện với tín hiệu EEG mô phỏng để có thể

nhận dạng nhiễu một cách chính xác nhất.

Hình 32. Lưu đồ phương pháp phân tích tín hiệu EEG dựa trên mạng nơ-ron

Tín hiệu EEG

Lọc thông cao với

Butterworth filter

Tính toán đặc trưng PSD

Chuẩn hóa dữ liệu

Trạng thái suy nghĩ

Trích xuất đoạn dữ liệu dài

90 s

Khử nhiễu với mạng WNN

Giảm số chiều dữ liệu với

PCA

Phân loại tín hiệu với ANN

Page 87: Nguyễn Thế Hoàng Anh

86

Tín hiệu sau khi qua xử lí nhiễu sẽ được trích chọn đặc trưng bằng kĩ thuật

PSD. Phương pháp đồ thị hàm số Welch được dùng để tính toán các đặc trưng PSD.

Các đặc trưng PSD thu được sẽ được chuẩn hóa để đưa về các giá trị trong khoảng

{0,1}. Như đã trình bày ở phần trước, một số đặc trưng PSD ở dải tần delta, theta và

một vài đặc trưng tần số cao ở dải gamma sẽ bị loại đi để tăng hiệu năng cho hệ

thống.

Các đặc trưng thu được từ kĩ thuật PSD sẽ được áp dụng thuật toán PCA để

giảm số chiều. Một điều lưu ý rằng ở bước này, luận án này đã phát triển thành công

kĩ thuật chọn ngưỡng dựa trên cơ sở thuật toán Donoho thresholding [54] để tìm ra

số chiều cần giữ lại trong thuật toán PCA nhằm tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Việc sử dụng kĩ thuật chọn ngưỡng cho thuật toán PCA là một đóng góp có tính mới

của luận án, không chỉ giúp giảm khối lượng tính toán cho hệ thống mà còn góp

phần không nhỏ làm tăng độ chính xác của bộ phân loại thông qua việc cải thiện chất

lượng của các đặc trưng.

Sau khi được giảm số chiều bằng thuật toán PCA, các đặc trưng được đưa vào

mạng ANN để phân loại. Ở hệ thống này, mô hình mạng ANN đa lớp kiểu kết nối

đầy đủ được sử dụng. Mạng ANN này được huấn luyện bởi thuật toán Output Weight

Optimization - Backpropagation (OWO - BP) [55]. Thuật toán OWO – BP là một

phương pháp học có giám sát. Phương pháp này là sự kết hợp giữa hai kĩ thuật BP

và OWO. Kĩ thuật BP (Backpropagation - lan truyền ngược) được sử dụng để tìm

trọng số của lớp ẩn. Trong khi đó trọng số đầu ra được tìm bằng cách giải các phương

trình tuyến tính với kĩ thuật OWO. Thuật toán OWO – BP cho hiệu quả tốt khi huấn

luyện mạng ANN, đặc biệt là với dữ liệu đầu vào không ổn định như tín hiệu điện

não EEG. Hình 32 thể hiện các bước thực hiện phương pháp đang được bàn tới.

3.2.1. Phân tích thành phần chính cho giảm số chiều tín hiệu điện não

Phân tích thành phần chính (Principal component analysis - PCA) là một

phương pháp phân tích thống kê đa biến được dùng phổ biến trong việc giảm số

chiều dữ liệu nhằm giảm độ phức tạp khi tính toán, xử lý dữ liệu mà vẫn không mất

đi thông tin cần thiết [56]. Về cơ bản, PCA là một phép biến đổi tuyến tính trực giao

Page 88: Nguyễn Thế Hoàng Anh

87

dựa trên phương sai của các chiều thông tin trong tập dữ liệu bằng cách chuyển dữ

liệu ban đầu sang một hệ tọa độ mới.

PCA có một số lợi ích sau:

- Giảm chiều dữ liệu: PCA giúp giảm số chiều dữ liệu làm giảm độ phức tạp

tính toán hay trực quan hóa khi dữ liệu có quá nhiều chiều thông tin.

- Tối đa tính biến thiên (Maximize the variability): việc xoay trục tọa độ xây

một trục tọa độ mới đảm bảo độ biến thiên của dữ liệu và giữ lại được nhiều

thông tin nhất mà không ảnh hưởng tới chất lượng của các mô hình dự báo

khi dữ liệu ban đầu có số chiều lớn (nhiều biến).

- Chuyển dữ liệu sang hệ tọa độ mới: sử dụng biến đổi PCA xây dựng những

biến (thành phần chính) mới là tổ hợp tuyến tính của những biến trong tọa độ

ban đầu.

- Phát hiện những đặc tính mới: Trong không gian mới, việc khai phá những

thành phần chính mới được biến đổi giúp có thêm những thông tin hữu ích

mới khi mà tại chiều thông tin cũ những thông tin hữu ích này bị không hiển

thị rõ.

PCA được định nghĩa như sau:

Với một tập dữ liệu ban đầu {𝑥1, 𝑥2… 𝑥𝑛} ∈ 𝑅𝑚 gồm n biến, thành phần

chính đầu tiên là kết quả của biến đổi tuyến tính được định định nghĩa như sau:

𝑝1 = 𝛼1𝑇𝑥𝑗 = ∑ 𝛼𝑖1𝑥𝑖𝑗

𝑚𝑖=1 , 𝑗 = 1, 2,… , 𝑛 (28)

Trong đó vec-tơ 𝛼𝑖 = (𝛼𝑖1, 𝛼𝑖2, … , 𝛼𝑖𝑛) và 𝑥𝑗 = (𝑥1𝑗 , 𝑥2𝑗 , , … , 𝑥𝑛𝑗 , ) được lựa

chọn sao 𝑝1 đạt giá trị tối đa. Có nhiều phương pháp để triển khai PCA trong đó có

thể kể đến phương pháp Phân rã giá trị đơn (Singular value decomposition - SVD).

3.2.2. Huấn luyện mạng nơron nhân tạo với thuật toán OWO-BP

Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial neural network - ANN) là một mô hình toán

học mô phỏng cấu trúc và hoạt động của não bộ. Một ANN gồm ba lớp đầu vào, ẩn

và đầu ra (Hình 33). Mỗi lớp lại có một số lượng các nơ-ron thần kinh hay nút được

kết nối với nhau bởi bộ trọng số. Mục tiêu của bất kỳ một thuật toán huấn luyện nào

Page 89: Nguyễn Thế Hoàng Anh

88

đều là tìm ra một bộ trọng số phù hợp để có thể được sử dụng như một mô hình phổ

quát (universal model) giải quyết các bài toán hồi quy và phân loại. Với phương

pháp đề xuất trong Chương này của Luận án, thuật toán Lan truyền ngược – tối ưu

trọng số lớp đầu ra OWO - BP được sử dụng [55] để huấn luyện ANN phục vụ mục

đích phân loại tín hiệu điện não.

Hình 33. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo ba lớp

OWO – BP là phương pháp học có giám sát được thực hiện bằng cách kết hợp

phương pháp lan truyền ngược BP và tối ưu trọng số lớp đầu ra OWO để tìm ra bộ

trọng số tốt nhất cho mạng nơ-ron truyền thẳng. Trong quá trình huấn luyện, thuật

toán BP cập nhật giá trị của các trọng số trong lớp ẩn 𝒘ℎ, kết nối các nút đầu vào

𝒙𝑝 với các nút ẩn 𝒏𝒆𝒕𝑯𝑝. Phương pháp OWO đảm nhiệm phần giải các phương

trình tuyến tính để tìm ra bộ trọng số đầu ra 𝒘𝑜, kết nối các nút ẩn sau kích hoạt 𝑂𝑝

với nút ở lớp đầu ra 𝒚𝑝 (Hình 34). Nút ẩn sau kích hoạt được tính toán bằng cách

biến đổi giái trị của nút ẩn bằng hàm sigmoid. OWO đồng thời tính toán các trọng

số bypass (kết nối lớp đầu vào và lớp đầu ra). OWO-BP được định nghĩa dựa trên

toán học như sau.

Hàm mất mát khi huấn luyện cho đầu ra ith được định nghĩa như sau:

𝐸(𝑖) =1

𝑁𝑣∑ [�̃�𝑝(𝑖) − 𝑦𝑝(𝑖)]

2𝑁𝑣𝑝=1 (29)

Page 90: Nguyễn Thế Hoàng Anh

89

Trong đó 𝑦𝑝(𝑖) và �̃�𝑝(𝑖) lần lượt là giá trị đầu ra thực tế và mong muốn tại nút

đầu ra thứ ith; 𝑁𝑣 là số lượng các mẫu dùng trong huấn luyện.

Nếu hàm cơ sở được định nghĩa như sau:

�̃�𝑝(𝑗) = {

𝑥𝑝(𝑗), 1 ≤ 𝑗 ≤ 𝑁

𝑂𝑝(𝑗 − 𝑁 − 1), 𝑁 + 2 ≤ 𝑗 ≤ 𝑁 + 𝑁ℎ + 1

1, 𝑗 = 𝑁 + 1

, (30)

Hình 34. Huấn luyện mạng ANN với thuật toán OWO-BP

Trong đó 𝑁ℎ là số lượng các nút ẩn.

Giá trị đầu ra thực tế được tính bởi công thức sau:

𝑦𝑝(𝑖) = ∑ 𝑤𝑐(𝑖, 𝑗)�̃�𝑝𝑁𝑜𝑗=1 (𝑗) (31)

Trong đó 𝑤𝑐(𝑖, 𝑗) là trọng số đầu ra kết nối hàm cơ sở thứ jth với nút đầu ra

thứ ith và 𝑁𝑜 là số lượng hàm cơ sở.

Đạo hàm bậc nhất của 𝐸(𝑖) với biến là 𝑤𝑐(𝑖, j) được định nghĩa như sau:

𝜕𝐸(𝑖)

𝜕𝑤𝑐(𝑖,𝑗)= −2[𝜌(𝑖, 𝑗) − ∑ 𝑤𝑐(𝑖, 𝑗)

𝑁𝑜𝑗=1 . 𝛼(𝑖, 𝑗)] (32)

Trong đó 𝛼(𝑖, 𝑗) và 𝜌(𝑖, 𝑗) là các ma trận tự tương quan và tương quan chéo

và 𝑁𝑜 = 𝑁 +𝑁ℎ + 1

3.3. Phương pháp học sâu với đặc trưng lựa chọn bởi phân ngưỡng

SURE

Một vấn đề khác cần bàn tới trong đề xuất nghiên cứu này là sử dụng phương

pháp học sâu - deep neural network/deep learning [57] thay thế mạng nơ-ron nhân

Page 91: Nguyễn Thế Hoàng Anh

90

tạo có cấu trúc cạn (shallow ANN) đã trình bày ở mục 3.2 trong chương này. Học

sâu đã được áp dụng thành công vào nhiều bài toán như nhận dạng chữ số viết tay,

tổng hợp và nhận dạng tiếng nói, thị giác máy tính [57], phân loại tín hiệu điện não

[58] … Lưu đồ phương pháp dựa trên học sâu [66] được đề xuất tại Hình 35.

Hình 35. Lưu đồ phương pháp phân tích tín hiệu EEG dựa trên học sâu

Tín hiệu EEG

Lọc thông cao với Butterworth filter

Tính toán đặc trưng PSD

Chuẩn hóa dữ liệu

Trạng thái suy nghĩ

Trích xuất đoạn dữ liệu dài 90 s

Khử nhiễu với mạng WNN

Phân tích thành phần chính PCA

Phân loại tín hiệu với mạng học sâu

Lấy ngưỡng thích nghi SURE

Chọn số thành phần chính

Page 92: Nguyễn Thế Hoàng Anh

91

Cấu trúc của mạng học sâu gồm một lớp đầu vào, nhiều lớp ẩn (khác với mạng

nơ ron nhân tạo thông thường chỉ gồm một lớp ẩn) và một lớp đầu. Số lượng các nút

(nơ-ron) của mạng học sâu là rất lớn do đó các phương pháp để huấn luyện mạng là

một vấn đề phức tạp. Huấn luyện học sâu trải qua 2 bước: tiền huấn luyện (pre-

trainning) và cân chỉnh trọng số (fine-tuning). Trong đó, pha tiền xử lý sử dụng dữ

liệu không gán nhãn (un-labeled) nhằm tạo ra một khởi tạo mạng thật tốt phục vụ

cho việc cân chỉnh trọng số sử dụng dữ liệu gán nhãn bằng phương pháp cổ điển lan

truyền ngược trong pha cân chỉnh trọng số. Học sâu khắc phục được việc mạng nơ-

ron sâu trong quá trình học có thể bị hội tụ tại một cục bộ địa phương, tăng tốc độ

quá trình học và đưa ra một kết quả phân loại và hồi quy chính xác hơn. Học sâu là

một sự thay thế phù hợp để tăng cường khả năng phân loại của hệ thống dựa trên

mạng nơ-ron truyền thống huấn luyện bởi OWO-BP.

Ngoài ra, với phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp phân tích thành

phần chính đã đề xuất, PCA được dùng để phân tách các đặc trưng PSD của tín hiệu

EEG thành các thành phần chứa thông tin thiết yếu biểu diễn bởi các thành phần

chính (Principal component - PC) và số lượng thành phần chính đang được xác định

“cứng”, tức là lấy một số lượng thành phần chính nhất định. Thuật toán lấy ngưỡng

SURE [4] là phương pháp thích nghi (adaptive) để lựa chọn được số thành phần độc

lập phù hợp dựa trên đặc tính của tín hiệu.

3.3.1. Lựa chọn thành phần chính với phân ngưỡng thích nghi SURE

Để loại trừ các đặc trưng tín hiệu trên miền tần số không cần thiết sử dụng bởi

bộ phân loại ở bước tiếp theo của phương pháp đề xuất trong mục 3.3 này, PCA

được sử dụng để giảm số chiều đặc trưng đầu vào của bộ phân loại. Việc thực hiện

giảm chiều dữ liệu giúp giảm độ phức tạp trong tính toán và tăng hiệu quả phân loại.

Mục 3.2 đã đề xuất phương pháp lựa chọn “cứng” số lượng thành phần chính được

giữ lại. Tuy nhiên, cách làm này không hẳn luôn cho kết quả tốt nhất, nhất là trong

điều kiện tín hiệu điện não biến đổi từ người này sang người khác dẫn đến số lượng

các thành phần chính có thể cần thay đổi để phù hợp với tính chất tín hiệu điện não

thu được từ một người sử dụng cụ thể. Do đó, số lượng thành phần chính cần thiết

Page 93: Nguyễn Thế Hoàng Anh

92

trong bước trích chọn đặc trưng cần được lựa chọn một cách thích nghi và theo đặc

tính của dữ liệu thu được. Trong nghiên cứu này, một thành phần chính được giữ lại

nếu phương sai của nó có giá trị bé hơn ngưỡng được tìm thấy. Luận án này đề xuất

một phương pháp lựa chọn các thành phần chính sử dụng hàm phân ngưỡng mềm

(soft) SURE [4]. Hàm phân ngưỡng SURE là một thuật toán thích nghi cho phép xác

định ngưỡng thích hợp để loại bỏ các thành phần chính không cần thiết. Việc sử

dụng phân ngưỡng thích nghi SURE để lựa chọn các thành phần chính đảm bảo luôn

có thể chọn được một phân ngưỡng phù hợp, loại bỏ các thành phần chính không

cần thiết và dựa trên đặc tính của dữ liệu điện não.

3.3.2. Mạng học sâu Deep belief net trong phân loại tín hiệu điện não

Mạng Nơ-ron học sâu (Deep neural network) là một mô hình học máy nhiều

lớp. Học sâu là phương pháp học bán giám sát nhằm mục đích huấn luyện DNN một

cách hiệu quả và giúp tránh được vấn đề over-fitting [59]. Học sâu bao gồm hai giai

pha: tiền huấn luyện (pre-training) và hiệu chỉnh trọng số (fine-tuning). Trong pha

tiền huấn luyện, máy học Boltzman (Restricted Boltzman machine - RBM) (xem

Hình 36) được sử dụng để khởi tạo trọng số tốt nhất cho mô hình với dữ liệu không

cần được gán nhãn. Trong pha tiếp theo hiệu chỉnh trọng số, DNN tiếp tục được

huấn luyện bằng phương pháp lan truyền ngược cổ điển với dữ liệu được gán nhãn.

So với phương pháp huấn luyện mạng nơ-ron thông thường, học sâu có hai ưu điểm

chính là tạo ra một liên kết sau huấn luyện tốt hơn giữa các đặc trưng mô hình học

được và khả năng phân tích đặc trưng theo lớp rất hiệu quả.

Hình 36. Thiết kế máy học Boltzman

h

v

W

Page 94: Nguyễn Thế Hoàng Anh

93

Một máy học Boltzman bao gồm lớp đầu vào và đầu ra tương ứng với tên gọi

visible và hidden. Các nút trong lớp hiện (visible) hoặc lớp ẩn (hidden) không có

liên kết nội khối nhưng tồn tại liên kết đối xứng và đầy đủ (full connections) giữa

các nút thuộc lớp hiện và lớp ẩn. Các liên kết này tạo nên một bộ trọng số W. Các

nút ẩn và hiện, được thể hiện lần lượt dưới dạng 𝑣 ∈ {0,1}𝑀 và ℎ ∈ {0,1}𝑁 đều là

các giá trị nhị phân ngẫu nhiên. Theo đó, số lượng các trọng số thuộc W là 𝑀𝑥𝑁.

Mục đích của bất kỳ thuật toán học không giám sát nào đối với RBM là nhằm tối đa

hóa xác suất 𝑝(𝑣;𝑊) của sự kiện bộ trọng số phù hợp nhất W được gán cho một

vec-tơ hiện v.

𝑝(𝑣;𝑊) = 1/𝛿(𝑊)∑ 𝐸𝑥𝑝(−𝐸(𝑣, ℎ;𝑊)ℎ ) (33)

Trong phương trình trên, δ(W) là một hằng số chuẩn hóa được định nghĩa bởi

𝛿(𝑊) = ∑ ∑ 𝑒𝑥𝑝(−𝐸(𝑣, ℎ;𝑊))ℎ𝑣 (34)

Trong phương trình trên, 𝐸(𝑣, ℎ;𝑊) = −1

2{𝑣𝑇𝑊ℎ + 𝛼𝑇𝑣 + 𝛽𝑇ℎ } với α và

β là các thành phần bias.

Tìm giá trị 𝑝(𝑣;𝑊) cao nhất hay nói cách khác là tạo lập một mô hình gán

trọng số W phù hợp nhất đối với đầu vào v là một vấn đề không dễ giải quyết. Mặc

dù vậy, một phương án khác để tiếp cận và giải quyết vấn đề dựa trên việc giải bất

đẳng thức ở dưới đây:

𝑙𝑜𝑔 𝑝(𝑣;𝑊) ≥ ∑ 𝑞(𝑣, ℎ;𝑊){𝑙𝑜𝑔 𝑝(𝑣, ℎ;𝑊)} +ℋ(𝑞(ℎ|𝑣))ℎ (35)

Trong đó ℋ(𝑞(ℎ|𝑣)) là hàm entropy của phân bố xấp xỉ 𝑞(ℎ|𝑣). Mục tiêu là

tìm ra một bộ trọng số W tốt nhất kết nối lớp hiện và ẩn trong máy học RBM tương

đương với việc tìm giá trị lớn nhất của cận dưới bất đẳng thức (35) sử dụng phương

pháp học hội tụ đối nghịch (contrastive divergence learning). Cách tiếp cận này được

gọi là học biến thiên (variational learning) được áp dụng hiệu quả để tiền huấn luyện

DNN và Deep belief net (DBN) (Hình 37) được cấu thành bởi nhiều máy học RBM.

Các nút đầu ra/ẩn của một máy học RBM trong lớp ngay trước nó chính là đầu vào

hay các nút hiện của máy học RBM ở lớp kế tiếp. Quá trình học biến thiên được lập

lại n lần nếu DBN có n lớp ẩn và khi thực hiện học biến thiên cho máy học RBM

Page 95: Nguyễn Thế Hoàng Anh

94

thứ i trong tổng số n máy học RMB, tất cả các máy học RBM trước đó cần được

“đóng băng” tức là dừng việc học.

Hình 37. Mạng học sâu Deep belief net với nhiều máy Boltzman

Với cấu trúc gồm nhiều lớp, mạng học sâu DBN là một phương pháp học máy

thích hợp cho mục đích phân loại tín hiệu điện não

4. Kết quả và thảo luận

Trong phần này, kết quả khi thực hiện 03 phương pháp phân loại tín hiệu điện

não dựa trên (1) máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng năng lượng wavelet tương đối

(SVM+) và (2) mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp phân tích thành phần chính (ANN++)

và (3) học sâu với đặc trưng lựa chọn bởi phân ngưỡng SURE (DNN+++) sẽ được

báo cáo theo các giai đoạn tiền xử lý, trích chọn đặc trưng và phân loại. Các phương

pháp khác như Naïve Bayesian (NB), phân tích tuyến tính (linear discriminant

analysis - LDA), K láng giềng gần nhất (K-nearest neighbor), máy vectơ hỗ trợ

(SVN) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được triển khai cho mục đích so sánh. Bốn

phương pháp NB, LDA, KNN và SVM được khai triển với đặc trưng là các tín hiệu

được biến đổi thành miền tần số PSD nhưng không tích hợp khâu khử nhiễu tín hiệu

và giảm số chiều đặc trưng đầu vào của bộ phân loại. Phương pháp ANN được thiết

RBM thứ hai

RBM thứ n

RBM thứ nhất

Page 96: Nguyễn Thế Hoàng Anh

95

kế khá tương đồng với phương pháp được đề xuất DNN++ trong đó các đặc trưng tần

số được chọn trong khoảng từ 8-50 Hz và số chiều giảm từ 42 còn 10. Hệ thống

baseline DNN được thực hiện gồm tất cả các bước giống như miêu tả phương pháp

DNN+++ trong mục 3.3. Đặc trưng trong hệ thống baseline này cũng được giảm số

chiều với PCA và sau đó lựa chọn 10 thành phần chính đầu tiên làm đầu vào cho bộ

phân loại. Hệ thống baseline sau đó được thêm các bước khử nhiễu với WNN và lựa

chọn, giảm số chiều đặc trưng với PCA-SURE. Kết quả theo từng bước thực hiện

DNN+++ cũng được báo cáo để cho thấy hiệu quả của hệ thống phân loại tín hiệu

điện não theo các bước. Trong hương pháp DNN+++ , cấu trúc của mạng học sâu

DBN là 13-200-100-20-2/3 (13 nút đầu vào, ba lớp ẩn với lần lượt 200, 100, 20 nút

ẩn và 2/3 nút đầu ra). Số vòng lặp cho bước tiền xử lý và bước cân chỉnh trọng số

lần lượt là 200 và 100. Ngoài ra, phần hiển thị kết quả các vùng não bị kích hoạt

trong quá trình thu tín hiệu sẽ được thể hiện.

4.1. Tiền xử lý dữ liệu

Nhiễu là một thành phần thường xuất hiện trong tín hiệu điện não. Có một số

loại nhiễu cơ bản như nhiễu cơ (EMG), nhiễu tim (EKG), tín hiệu bất thường do

nháy mắt (EOG)… Khử nhiễu là bước cần thiết nhằm tập hợp được tín hiệu “sạch”,

có chất lượng tốt để tăng chất lượng khi sử dụng các mô hình học máy trong việc

phân loại trạng thái với tín hiệu điện não. Tín hiệu bất thường do nháy mắt gây ra

khi đối tượng nháy mắt và luôn xuất hiện. Trong phạm vi nghiên cứu của chương

này, tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG được tập trung xử lý. Hai phương pháp

được dùng để khử nhiễu là Phân tích thành phần độc lập (ICA) và mạng nơ-ron

wavelet (wavelet neural network). Với phương pháp ICA, sau khi phân tích tín hiệu

điện não ban đầu sẽ thu được các thành phần độc lập (Independent components) và

một số thành phần độc lập có dạng giống tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG (tập

trung nhiều thông tin gây ra nhiễu EOG) sẽ được loại bỏ và thay bằng giá trị 0. Tập

ICs mới này sẽ được biến đổi ICA ngược để cho ra kết quả là tín hiệu điện não đã

được khử nhiễu. Kết quả của các bước biến đổi được thể hiện ở Hình 38.

Page 97: Nguyễn Thế Hoàng Anh

96

Tín hiệu ban đầu Các thành phần độc lập Tín hiệu đã khử nhiễu

Hình 38. Biến đổi ICA trong khử nhiễu tín hiệu điện não

Hình 39. Kết quả khử nhiễu với ICA

Hình 40. Kết quả khử nhiễu với WNN

Page 98: Nguyễn Thế Hoàng Anh

97

a) b)

c)

Hình 41. Hiển thị vùng kích hoạt não bộ với phương pháp LORETA trong quá

trình đối tượng thực hiện ba thí nghiệm (a) N, (b) L and (c) P

ICA là một phương pháp khử nhiễu cho kết quả tốt nhưng có nhược điểm là

quá trình khử nhiễu bằng ICA không thể tự động hóa được do bước loại các IC “xấu”

cần phải thực hiện thủ công. Mạng nơ-ron wavelet (WNN) là một phương pháp tiếp

cận khác có thể khử nhiễu tự động, theo thời gian thực và thực hiện trên đơn kênh.

Một số kết quả khử nhiễu được thể hiện ở Hình 39-40. Các kết quả khử nhiễu cho

thấy, các phương pháp được áp dụng đã khử tín hiệu bất thường do nháy mắt một

cách hiệu quả trong khi các thông tin về tín hiệu điện não cần thiết đưa vào bộ phân

loại vẫn được giữ nguyên vẹn.

LORETA là phương pháp cho phép hiển thị vùng não bộ hoạt động với đầu

vào tín hiệu điện não. Phần màu đỏ trên Hình 41 tương ứng với vị trí vùng não bị

kích hoạt và nếu sự kích hoạt càng mạnh thì màu càng đỏ đậm. Kết quả trên cho thấy

khi cho đối tượng thực hiện các tác vụ suy nghĩ như thiết kế thí nghiệm đã trình bày

ở phần trên, các vùng não bị kích hoạt thay đổi liên tục, và vị trí các vùng não bộ

cũng thay đổi thường xuyên. Quan sát này cho thấy để đảm bảo thu được đủ thông

Page 99: Nguyễn Thế Hoàng Anh

98

tin các tín hiệu cần thiết, vị trí đặt các cảm biến thu tín hiệu điện não nên được bố trí

tại nhiều vùng não bộ khác nhau thay vì chỉ đặt tập trung tại một số vị trí nhất định.

4.2. Phân loại trạng thái

Bảng 4 thể hiện kết quả thí nghiệm phân loại 02 trạng thái suy nghĩ và không

suy nghĩ (tương ứng Neutral và non-neutral). Phương pháp dựa trên học sâu DBN

đã được so sánh với các phương pháp phân loại học máy khác. Kết quả cho thấy

phương pháp đề xuất dựa trên DBN cho kết quả tốt nhất với độ chính xác cao nhất

là 96.83% và độ chính xác trung bình là 92.55%. Trong khi phương pháp gần nhất

là phân loại dựa trên ANN đạt độ chính xác dưới 90% và phương pháp dựa trên

Naïve Bayes cho độ chính xác thấp nhất là 59.43%. Độ chính xác phân loại đối với

tất cả dữ liệu từ bốn đối tượng trong tập dữ liệu đều đạt kết quả tốt nhất với phương

pháp DBN so với các phương pháp còn lại. Trong phạm vi luận án này, S1, S2, S3

và S4 thể hiện 4 đối tượng trong tập dữ liệu tín hiệu điện não thu riêng cho luận án.

Bảng 4. Kết quả phân loại hai trạng thái suy nghĩ

Bảng 5 thể hiện kết quả phân loại với hệ thống dựa trên DNN cơ sở và tích

hợp phương pháp khử nhiễu WNN và chọn thành phần độc lập tự động PCA-SURE.

Kết quả cho thấy với mỗi bước tích hợp thêm này, độ chính xác thường tăng thêm

khoảng 1%.

Phương

pháp

Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

NB 52.28 40.96 71.19 73.30 59.43

LDA 69.09 65.96 67.80 66.52 67.34

KNN 79.54 62.23 92.80 90.25 81.20

SVM 85.95 80.16 90.28 90.78 86.79

ANN 87.29 82.13 93.95 95.23 89.65

DBN 90.87 85.98 96.52 96.83 92.55

Page 100: Nguyễn Thế Hoàng Anh

99

Bảng 6 thể hiện kết quả khi phân loại 03 trạng thái của đối tượng là N, L và

P. Kết quả phân loại cho thấy độ chính xác cao nhất đạt được với phương pháp dựa

trên DNN được đề xuất là 76.90% và với độ chính xác trung bình là 74.22%. Trong

khi đó phương pháp đạt độ chính xác gần nhất là dựa trên ANN kém khoảng 2% và

độ chính xác thấp nhất ghi nhận với phương pháp NB chỉ đạt 55.36%.

Bảng 5. Kết quả phân loại 02 trạng thái suy nghĩ theo các bước với DBN

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

Baseline DBN 87.89 84.13 94.80 96.35 90.79

+WNN 88.59 85.94 95.45 96.17 91.53

+PCA-SURE 90.87 85.98 96.52 96.83 92.55

Bảng 6. Kết quả phân loại tác vụ suy nghĩ cho 03 trạng thái với DNN

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

NB 52.32 55.56 58.68 54.90 55.36

LDA 62.60 61.34 64.89 59.78 62.15

KNN 67.16 63.12 66.25 68.15 66.17

SVM 67.25 71.18 67.27 72.89 69.64

ANN 70.25 73.62 69.94 75.45 72.31

DNN 71.08 75.71 73.19 76.90 74.22

Bảng 7, tương tự Bảng 5, cho thấy kết quả phân loại 03 trạng thái suy nghĩ N,

L, P theo các bước. Đầu tiên là phương pháp đề xuất chỉ dùng DNN sau đó tích hợp

thêm WNN và PCA-SURE. Kết quả cho thấy mỗi bước làm tăng độ chính xác lên

khoảng 0.5%. Rõ ràng là độ phân loại tốt nhất cho 03 trạng thái đạt được 76.90% từ

giảm gần 20% so với kết quả tốt nhất đạt được cho phân loại 02 trạng thái. Điều này

chứng tỏ đặc tính của tín hiệu điện não giữa lớp N và (L, P) có khác biệt khá rõ trong

khi đó đặc tính của tín hiệu lớp L và P không có nhiều khác biệt.

Page 101: Nguyễn Thế Hoàng Anh

100

Bảng 8 và 9 báo cáo kết quả phân loại 2 và 3 trạng thái suy nghĩ với hai

phương pháp đề xuất dựa trên ANN kết hợp PCA và SVM kết hợp RWE. Cả hai

phương pháp được đề xuất đều cho kết quả phân loại tốt nhất khoảng 95%. Cần lưu

ý rằng trong phương pháp SVM+++ sử dụng ICA trong khử nhiễu tín hiệu điện não

do đó phương pháp này không thể khai triển cho các hệ thống chạy theo thời gian

thực.

Bảng 7. Kết quả phân loại 03 trạng thái suy nghĩ theo các bước với DNN

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

Baseline DNN 69.15 74.92 70.25 74.85 72.29

+WNN 70.68 74.79 72.14 76.24 73.46

+PCA-SURE 71.08 75.71 73.19 76.90 74.22

Bảng 8. Độ chính xác phân loại 2 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên

mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp PCA và máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng RWE

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

ANN++ 88.75 84.20 95.36 94.67 90.745

SVM+++ 90.50 84.80 94.25 93.45 90.75

Bảng 9. Độ chính xác phân loại 3 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên

mạng nơ-ron nhân tạo kết hợp PCA và máy vec-tơ hỗ trợ với đặc trưng RWE

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

ANN++ 69.65 74.59 71.18 76.84 73.065

SVM+++ 73.80 66.68 75.39 71.47 71.835

5. Kết luận chương 3

Nội dung Chương này đã trình bày về thiết kế thí nghiệm, ba phương pháp được

đề xuất dựa trên học máy SVM, mạng nơ-ron nhân tạo và mạng học sâu DBN trong

Page 102: Nguyễn Thế Hoàng Anh

101

phân loại tín hiệu điện não. Kết quả đã được công bố trên các hội thảo và tạp chí

quốc tế cho thấy phương pháp dựa trên học sâu DBN cho kết quả phân loại tốt nhất

với độ chính xác đạt khoảng 96.8% và 77% cho phân loại 2 và 3 trạng thái suy nghĩ.

Một quy trình hoàn chỉnh gồm các bước tiền xử lý, trích chọn đặc trưng, phân loại

được kiểm chứng thực nghiệm thu được các kết quả tín hiệu điện não tốt với các bộ

phân loại dựa trên SVM với các đặc trưng của RWE và phương pháp sử dụng mạng

neural nhân tạo kết hợp PCA có thể là gợi mở để có những phát triển sâu hơn trong

việc áp dụng các phương pháp phân loại này vào các hệ giao diện não máy tính.

Một vấn đề đặt ra là trong cả ba phương pháp đã đề xuất, không phương pháp

nào tỏ ra hoàn toàn ưu việt hơn hai phương pháp còn lại. Cụ thể, kết quả phân loại

cao nhất đạt được cho DNN nhưng trong một số trường hợp, kết quả phân loại của

các phương pháp khác đôi khi lại cao hơn phân loại dựa trên DNN. Điều này cho

thấy, khó có một mô hình cụ thể phù hợp trong phân loại tín hiệu điện não cho nhiều

đối tượng với các đặc tính não bộ khác nhau. Chương 4 tiếp theo sẽ trình bày tổng

quan về hệ giao diện não máy tính qua đó đề xuất thực hiện hệ giao diện não máy

tính trong điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng thông minh dựa trên việc kết hợp

các mô hình phân loại và tăng cường tín hiệu đã đề xuất ở các chương trước đó.

Page 103: Nguyễn Thế Hoàng Anh

102

CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT HỆ GIAO DIỆN NÃO MÁY TÍNH TRONG

ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ GIA DỤNG THÔNG

MINH

1. Hệ giao diện não máy tính trong điều khiển thiết bị điện tử gia dụng

thông minh

Luận án này đề xuất mô hình hệ thống giao diện não-máy tính trong điều khiển

thiết bị điện tử gia dụng thông minh (Hình 42) có khả năng giải mã, chuyển đổi và

truyền thông một chiều từ não bộ của người dùng vào đến hoạt động cụ thể của một

thiết bị điện tử thông minh dưới dạng tín hiệu điều khiển hoạt động. Hệ thống này

gồm bốn phần chính là khối thu tín hiệu, khối xử lý tín hiệu số (Digital signal

processing - DSP), khối kết nối và điều khiển thiết bị không giây (Wireless Internet

of Things - WIOT) và khối các thiết bị thông minh. Phần tiếp theo sẽ mô tả chi tiết

các thành phần chính của hệ giao diện não máy tính này.

Hình 42. Kiến trúc tổng thể của hệ thống giao diện não-máy tính trong điều khiển

các thiết bị điện tử gia dụng thông minh.

Page 104: Nguyễn Thế Hoàng Anh

103

1.1. Khối thu tín hiệu và thiết bị Emotiv Epoc+

Nghiên cứu này sử dụng thiết bị đo tín hiệu điện não EPOC+ do công ty Emotiv

sản xuất. Thiết bị đo tín hiệu có độ phân giải cao EPOC+ gồm hai thành phần, một

thành phần có dạng như một chiếc mũ để đặt lên đầu người dùng (Hình 43), một

thành phần gắn với cổng USB của máy tính để đảm nhận việc truyền tín hiệu từ

chiếc mũ đến máy tính thông qua sóng Wifi.

Hình 43. Mũ đo tín hiệu điện não EPOC+ (Nguồn: Emotiv)

Thiết bị EPOC+ bao gồm 14 điện cực tương ứng với 14 vị trí để thu thập tín hiệu

sóng điện não trên đầu người dùng. Khi sử dụng, để nhận được tín hiệu sóng điện

phát ra từ não người, các điện cực này phải được làm ẩm bằng dung dịch đi kèm với

thiết bị hoặc dung dịch multi-purpose dùng cho kính áp tròng (contact lense). Tần

số lấy mẫu của thiết bị là 128 Hz.

Hình 44. Tín hiệu điện não thu bằng chương trình Test Bench

Page 105: Nguyễn Thế Hoàng Anh

104

1.2. Khối DSP

BCI có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu não (EEG) từ các điện cực trên da đầu

(hoặc bề mặt vỏ não hoặc từ bên trong não).

Sau đó tín hiệu này được lọc tách các đặc trưng riêng biệt mà nó phản ánh ý

định của người dùng (ví dụ như biên độ của điện thế, nhịp cảm quan vận động vỏ

não, tốc độ độ kích hoạt của các nơ ron vỏ não). Các đặc trưng này sẽ được chuyển

đổi thành các câu lệnh và gửi tới thiết bị WIoT được gắn trên các thiết bị điện tử

(đèn/quạt/tivi, v.v.) qua mạng truyền thông không dây.

Thực tế hệ thống BCI có thể được tích hợp 1 máy tính PC để bàn, 1 laptop,

hoặc một máy tính bảng mạch đơn… có khả năng đảm nhiệm được chức năng đặt

ra, xử lý dữ liệu trong thời gian thực. Thiết bị này thường có kích thước nhỏ gọn,

cấu hình: CPU, memory, RAM, v.v. đủ mạnh để có thế nhúng hoặc chạy khối

chương trình xử lý tín hiệu não DSP vốn cần thực hiện nhiều bước như huấn luyện,

phân tách đặc trưng, phân loại, v.v. từ tín hiệu não EEG nhận về. Ngoài ra, khối DSP

cũng có kết nối ngoại vi USB, GPIO, GMAC, UART, LRADC, CAN, v.v., kết nối

không dây như wifi, bluetooth, v.v để có thể tương tác với bộ cảm biến đo tín hiệu

não và thực hiện gửi câu lệnh điều khiển tới khối WIoT.

Khối DSP thường gồm các module tiền xử lý, trích chọn đặc trưng, bộ phân

loại để chuyển đổi tín hiệu điện não thu được thành các mệnh lệnh điều khiển thể

hiện ý định của người sử dụng. Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán BCI

theo hướng tiếp cận phân loại trạng thái suy nghĩ: Đối tượng thực hiện việc điều

khiển não về 1 trong ba trạng thái suy nghĩ N, L, P như đã trình bày ở các chương

trước.

1.3. Khối WIoT

Bộ phận WIoT có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ khối DSP qua truyền

thông không dây và thực thi lệnh điều khiển. Ví dụ, khối DSP nhận dạng được ý

định của người dùng là bật/tắt đèn thì WIoT thực hiện bật/tắt đèn tương ứng.

Page 106: Nguyễn Thế Hoàng Anh

105

WIoT được thiết kế dạng một bo mạch nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, dễ

dàng tích hợp vào các thiết bị khác nhau như thiết bị điện gia dụng, hệ thống cảm

biến, điều khiển robot, v.v. Nguồn vào của WIoT từ 100-250V, load capacity 250V-

10V, giao diện kết nối ngoại vi: UART, I2C, ADC, GPIO, Wi-Fi Direct (P2P), soft-

AP, 802.11 b/g /n, built-in TCP/IP protocol stack. WIoT có built-in low-power 32-

bit CPU. CPU này có thể tăng gấp đôi như một bộ xử lý ứng dụng, v.v.

Hình 45. Mô hình tương đương module ESP 8266

Thiết bị thu nhận tín hiệu wifi được dủng trong đề tài là module truyền nhận

WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System on Chip) của hãng Espressif.

Module ESP8266 V1 thường được sử dcho các ứng dụng IoT ( Internet of Things).

Module này đã được nạp sẵn firmware giúp người dùng giao tiếp với wifi rất dễ dàng

qua tập lệnh AT thông qua giao tiếp UART ( baudrate mặc định 9600) quen thuộc.

Bộ xử lí đủ mạnh để giao tiếp với các loại cảm biến và thiết bị thông qua các cổng

GPIO.Với một thiết bị bình thường không có khả năng kết nối Internet, cần có một

vi điều khiển và một module không dây để truyền nhận dữliệu IoT. Bằng cách sử

dụng ESP 8266, có thể bỏ qua được vi điều khiển và module không dây vì cả hai

chức năng này đã tích hợp trên một module ESP

2. Đề xuất mô hình học cộng đồng dạng xếp ngăn trong phân loại tín

hiệu điện não cho hệ giao diện não máy tính trong điều khiển các thiết bị điện

tử gia dụng thông minh

Các tập dữ liệu thường có tính chất và phân bố khác nhau vì vậy khó có một

thuật toán học máy nào là luôn tốt và cho hiệu suất cao nhất cho mọi ứng dụng và

trên mọi tập dữ liệu. Kết quả thực nghiệm ở chương 3 cho thấy các mô hình phân

loại điện não đã được đề xuất có thể đạt kết quả tốt nhất trong một số trường hợp,

cho một đối tượng cụ thể nhưng không tỏ ra tối ưu đối với mọi trường hợp. Vì vậy

Page 107: Nguyễn Thế Hoàng Anh

106

việc thử các thuật toán khác nhau để tìm được những thuật toán máy học tốt cho tập

một tập dữ liệu cụ thể là việc làm cần thiết và cần nhiều thời gian.

Sau khi tìm ra một số mô hình học máy phù hợp, các mô hình này thể được

hiệu chỉnh, tối ưu hóa bộ tham số để thu được độ chính xác cao nhất cho từng mô

hình cho vấn đề đang giải quyết. Học cộng đồng (ensemble learning), tức là kết hợp

các mô hình học máy đã đề xuất với nhau để tạo ra một mô hình học máy tối ưu hơn

mỗi mô hình thành phần, là một phương thức thường được sử dụng để tăng hiệu quả

của mô hình học máy đã đạt được trước đó.

Hai nguyên tắc cơ bản để học cộng đồng phát huy hiệu quả là: (i) các bộ phân

loại yếu (weak learner) có khả năng tốt hơn là phán đoán ngẫu nhiên (random guess)

và (ii) các bộ phân loại yếu này có tính chất khác biệt đáng kể và đa dạng [60].

Tăng cường (boosting), đóng bao (bagging) và xếp ngăn (stacking) là các

phương thức phổ dụng nhất để thực hiện việc học cộng đồng, trong đó:

Boosting được thực hiện bằng cách xây dựng nhiều thuật toán học cùng lúc

và kết hợp chúng lại. Mục đích là để có một cụm hoặc một nhóm các máy học yếu

sau đó kết hợp chúng lại để tạo ra một mô hình máy học mạnh duy nhất.

Bagging được thực hiện bằng cách sử dụng những tập dữ liệu con khác nhau

từ tập dữ liệu huấn luyện để xây dựng một số lượng các mô hình (thường là cùng

loại). Sử dụng bagging là một cách thức hiệu quả để giảm overfitting trong những

mô hình phức tạp [61].

Stacking được thực hiện bằng cách xây dựng một mô hình tổng hợp từ một số

mô hình cơ sở (thường là khác loại) nhằm đạt được một mô hình tổng hợp có hiệu

quả phân loại tốt hơn [62].

Trong phạm vi nghiên cứu, luận án này đã đề xuất ba mô hình học máy dựa

trên máy vec-tơ hỗ trợ, mạng nơ-ron nhân tạo và mạng học sâu để phân loại hiệu

quả trạng thái suy nghĩ dựa trên tín hiệu điện não. Để có thể tận dụng và tăng cường

hiệu quả phân loại, học cộng đồng (ensemble learning) là cách tiếp cận phù hợp để

xây dựng một hệ giao diện não máy tính có khả năng điều khiển các thiết bị điện tử

gia dụng thông minh. Phần tiếp theo của luận án sẽ đề xuất mô hình học cộng đồng

Page 108: Nguyễn Thế Hoàng Anh

107

và báo cáo, thảo luận một số kết quả phân loại ban đầu đạt được với cách tiếp cận

này.

Hình 46. Mô hình máy học cộng đồng trong phân loại trạng thái suy nghĩ từ tín

hiệu điện não

Kết hợp các bộ phân loại yếu để tạo nên một bộ phân loại mạnh là nguyên lý cơ

bản của các phương thức tiếp cận dựa trên máy học cộng đồng (ensemble learning).

Luận án này đề xuất một cách kết hợp mới (Hình 46) dựa trên các phương pháp phân

loại trạng thái suy nghĩ từ tín hiệu điện não ở Chương 3 và phương pháp DWSAE

trong khử nhiễu tín hiệu điện não bất thường EOG ở Chương 2. Chương 3 đề xuất

03 phương án dựa trên SVM kết hợp năng lượng wavelet tương đối WRE (phương

pháp SVM+++), mạng nơron ANN kết hợp chọn đặc trưng dựa trên phân tích thành

phần chính PCA (phương pháp ANN++) và mạng học sâu kết hợp lựa chọn thành

phần chính với phân ngưỡng thích nghi SURE (phương pháp DNN+). Phương pháp

SVM+++ sử dụng ICA trong khử tín nhiễu tín hiệu điện não trong đó có tín hiệu điện

não bất thường EOG. Phương pháp ANN++ và DNN+ sử dụng WNN trong khử tín

Học cộng đồng

Page 109: Nguyễn Thế Hoàng Anh

108

hiệu điện EOG. Phương pháp phân loại trạng thái suy nghĩ dựa trên học cộng đồng

được đề xuất ở Chương 4 này sẽ thay ICA và WNN bằng phương pháp khử nhiễu

tín hiệu điện não bất thường gây ra do nháy mắt Mạng học sâu tự mã hóa thưa

wavelet DWSAE đã được đề xuất ở Chương 2. Trong pha huấn luyện, các mô hình

học máy được thực hiện tuần tự với tập dữ liệu như đã trình bày tại Chương 3. Ở

pha phân loại trạng thái suy nghĩ, thay vì sử dụng một mô hình học máy, luận án đề

xuất cách tiếp cận sử dụng hội đồng máy học (commitee machine) [63].

Một hội đồng máy học đơn giản với luật đánh giá được đề xuất như sau:

- Trong trường hợp phân loại 2 trạng thái, nếu có ít nhất 2 trong 3 bộ phân loại

đưa ra cùng một phương án thì đó là phương án được chọn

- Trong trường hợp phân loại 3 trạng thái, nếu ít nhất 2 trong 3 bộ phân loại đưa

ra cùng một phương án thì đó là phương án được chọn. Nếu cả 3 bộ phân loại đều

đưa ra 3 phương án khác nhau, trọng số lớn hơn và quyền quyết định thuộc về

phương án được chọn bởi mô hình học sâu.

3. Kết quả và thảo luận

Bảng 10 và Bảng 11 lần lượt báo cáo kết quả phân loại của phương pháp học

cộng đồng được đề xuất so với các kết quả phân loại của các mô hình phân loại được

đề xuất ở Chương 3 cho phân loại 2 và 3 tác vụ suy nghĩ trên cùng tập dữ liệu đã

được báo cáo ở Chương 3.

Bảng 10. Độ chính xác phân loại 2 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên máy

học cộng đồng so với các phương pháp thành phần

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

DNN+ 90.87 85.98 96.52 96.83 92.55

ANN++ 88.75 84.20 95.36 94.67 90.745

SVM+++ 90.50 84.80 94.25 93.45 90.75

Máy học cộng đồng 91.35 88.15 96.75 95.90 93.04

Page 110: Nguyễn Thế Hoàng Anh

109

Bảng 11. Độ chính xác phân loại 3 trạng thái phương pháp đề xuất dựa trên máy

học cộng đồng so với các phương pháp thành phần

Phương pháp Độ chính xác (%)

S1 S2 S3 S4 Trung bình

DNN+ 71.08 75.71 73.19 76.90 74.22

ANN++ 69.65 74.59 71.18 76.84 73.065

SVM+++ 73.80 66.68 75.39 71.47 71.835

Máy học cộng

đồng 72.31 77.42 76.19 76.54 75.615

Ghi chú: DNN+ , ANN++ và SVM+++ là các phương pháp học máy dựa trên

học sâu kết hợp phân ngưỡng SURE trong lựa chọn thành phần chính thích hợp,

mạng nơ-ron kết hợp phân tích thành phần chính và máy vec-tơ hỗ trợ sử dụng đặc

trưng năng lượng wavelet tương đối RWE trong phân loại tín hiệu điện não đề xuất

ở Chương 3

Kết quả phân loại cho thấy với phân loại 2 trạng thái suy nghĩ, kết quả cao

nhất đạt được với phương pháp máy học cộng đồng đề xuất tại Chương 4 là 96.75%,

kém hơn so với độ chính xác cao nhất đạt được với phương pháp dựa trên học sâu

DNN+. Tuy nhiên, độ chính xác trung bình trên toàn bộ các đối tượng đạt được với

phương pháp máy học cộng đồng là 93.04% tăng 0.49% so với kết quả phân loại

trung bình cao nhất đạt được với DNN+. Trong khi đó, độ chính xác thấp nhất đạt

được của phương pháp dựa trên máy học cộng đồng là 88.15% là cao hơn so với độ

chính xác thấp nhất đạt được của phương pháp DNN+.

Đối với phân loại 3 trạng thái suy nghĩ, kết quả cao nhất đạt được với phương

pháp máy học cộng đồng là 77.42% cao hơn 0.52% so với kết quả phân loại đạt được

với phương pháp DNN+. Trong khi đó, kết quả phân loại chính xác trung bình với

phương pháp máy học cộng đồng đạt được tăng 1.395% so với độ chính xác trung

bình cao nhất đạt được bởi phương pháp DNN+. Đối với hai đối tượng S2 và S3, kết

Page 111: Nguyễn Thế Hoàng Anh

110

quả phân loại dựa trên phương pháp máy học cộng đồng đều tăng thêm đáng kể so

với các phương pháp đã được đề xuất.

Các kết quả đã báo cáo từ Bảng 10 - 11 cho thấy phương pháp học cộng đồng

tỏ ra hiệu quả trong việc phân loại trạng thái suy nghĩ và thực tế là đã tăng cường

khả năng phân loại so với phương án tốt nhất được đề xuất trước đó dựa trên học

sâu. Phương án dựa trên học cộng đồng không mang lại kết quả phân loại vượt trội

trong trường hợp bộ phân lớp khác đã có kết quả phân loại tốt nhưng cải thiện đáng

kể kết quả phân loại đạt được bởi các bộ phân loại đã đề xuất có giá trị không cao

(trường hợp các bộ phân loại bị coi là yếu). Nhìn chung, kết quả phân loại trung bình

cho 2 và 3 tác vụ với bộ phân loại dựa trên máy học cộng đồng đều khá hơn so với

độ trung bình cao nhất đạt được với DNN+, nhất là trong trường hợp phân loại 3 tác

vụ suy nghĩ.

Đối với việc thực hiện một hệ giao diện não máy tính, cụ thể trong điều khiển

thiết bị điện tử gia dụng thông minh, vấn đề quan trọng là cần đảm bảo tính ổn định

của hệ thống trong điều kiện người sử dụng đa dạng và có đặc tín tín hiệu sóng điện

não khác nhau. Phương pháp học cộng đồng xếp ngăn kết hợp các mô hình phân loại

đã được đề xuất là một giải pháp hiệu quả trong việc khắc phục vấn đề này, tạo ra

một bộ phân loại có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều trường hợp người sử

dụng với đặc tính khác nhau.

4. Kết luận Chương 4

Chương này đã trình bày chi tiết về hệ giao diện não máy tính, đồng thời đưa ra

các phân tích về một số ứng dụng BCI qua đó đề xuất một cách tiếp cận mới dựa

trên học cộng đồng với đầu vào là tín hiệu điện não đã được khử tín hiệu điện não

mạnh sinh ra do nháy mắt. Kết quả bước đầu cho thấy, mô hình học cộng đồng được

đề xuất có khả năng phân loại tốt, trong một số trường hợp cho kết quả phân loại tốt

hơn so với các mô hình thành phần đã được đề xuất. Kết quả này khẳng định đây là

một cách tiếp cận phù hợp để tăng cường hiệu năng của hệ giao diện não máy tính

trong điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng thông minh trong điều kiện tín hiệu

Page 112: Nguyễn Thế Hoàng Anh

111

điện não thường có tính chất rất khác biệt giữa người sử dụng này qua người sử dụng

khác và từ phiên thu tín hiệu này sang phiên thu tín hiệu khác.

Page 113: Nguyễn Thế Hoàng Anh

112

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nghiên cứu về tín hiệu sóng điện não và hệ giao diện não máy tính BCI đòi

hỏi sự liên kết giữa các vấn đề nghiên cứu khác nhau cả về công nghệ kết hợp với

phân tích và tìm hiểu lý thuyết thần kinh học và cấu trúc của não bộ. Luận án này đã

trình bày về các cơ sở lý thuyết tín hiệu điện não, hệ giao diện não – máy tính, đề

xuất một số phương pháp xử lý, phân tích tín hiệu điện não dựa trên học máy, trình

bày và phát triển hệ giao diện não máy tính ứng dụng trong điều khiển các thiết bị

điện tử gia dụng thông minh. Các tiếp cận giải quyết bài toán dựa trên các phương

pháp học máy cho thấy đây là một hướng đi phù hợp để tiến tới hiện thực hóa và

triển khai thực nghiệm hệ giao diện não máy tính này. Để cải tiến chất lượng của hệ

giao diện não máy tính, luận án đã đề xuất cách tiếp cận dựa trên việc kết hợp biến

đổi wavelet với mạng học sâu tự mã hóa thưa. Kết quả thực nghiệm cho thấy các

phương pháp được đề xuất đều cho kết quả tốt và có khả năng ứng dụng trong các

hệ BCI thực tế.

Những đóng góp khoa học chính của luận án bao gồm đề xuất 06 phương pháp

mới trong xử lý, phân tích tín hiệu điện não dựa trên học máy và hệ thống giao diện

não máy tính ứng dụng trong điều khiển thiết bị điện tử gia dụng thông minh:

Thứ nhất, khử tín hiệu điện não bất thường EOG tự động sử dụng mạng mã

hóa thưa – Sparse Autoencoder.

Thứ hai, nhận diện, dò đếm tín hiệu bất thường do nháy mắt EOG dựa trên

biến đổi wavelet với hàm cơ sở wavelet Haar và

Thứ ba, phân loại tín hiệu điện não trong các tác vụ suy nghĩ dựa trên bộ phân

lớp SVM kết hợp biến đổi năng lượng wavelet tương đối,

Thứ tư, phân loại tín hiệu điện não sử dụng mạng nơ-ron với đặc trưng lựa

chọn bởi phân tích thành phần chính,

Thứ năm, phân loại tín hiệu điện não sử dụng mạng học sâu (deep neural

network),

Page 114: Nguyễn Thế Hoàng Anh

113

Thứ sáu, đề xuất hệ giao diện não máy tính hoàn chỉnh trong điều khiển thiết

bị điện tử gia dụng.

Thứ bảy, phân loại tín hiệu điện não sử dụng mô hình dựa trên học cộng đồng,

Những kết quả thực nghiệm với các phương pháp đề xuất cho thấy:

- Sử dụng các phương pháp học máy là cách tiếp cận phù hợp trong xử

lý và phân tích tín hiệu điện não trong điều kiện tín hiệu điện não có tính chất không

dừng (non-stationary).

- Các phương pháp học có giám sát như mạng học sâu, mạng nơ-ron nhân

tạo, máy học vec-tơ hỗ trợ có khả năng phân loại trạng thái suy nghĩ tốt và có khả

năng được phát triển để thực hiện hệ BCI trong điều khiển thiết bị điện tử gia dụng

thông minh.

- Mô hình phân loại gồm các cấu phần tiền xử lý, trích chọn đặc trưng,

phân loại có ưu điểm hơn việc sử dụng các bộ phân loại trực tiếp trên tín hiệu EEG

thô.

- Học máy/trí tuệ nhân tạo có khả năng thực hiện các tác vụ mà không

cần học trước nếu được triển khai một cách thích hợp. Đây là cách tiếp cận gần với

tư duy con người: không cần được học mọi kiến thức để giải quyết các vấn đề mới

phát sinh.

- Mô hình phân loại dựa trên học sâu kết hợp phân ngưỡng SURE cho

lựa chọn thành phần chính có kết quả phân loại tốt nhất so với các mô hình được đề

xuất khác và so với các mô hình phân loại dựa trên học máy được dùng trong đối

sánh. Việc áp dụng thành công phương pháp phân ngưỡng thích nghi SURE cho

lựa chọn thành phần chính là cơ sở để áp dụng cách tiếp cận này trong các bài toán

sử dụng PCA khác.

- Khó tồn tại một mô hình phân loại tốt cho mọi trường hợp. Mô hình

học cộng đồng là một hướng đi thích hợp để thực hiện hệ BCI trong điều kiện tín

hiệu EEG có sự khác biệt từ người này sang người khác, từ thời điểm thu này sang

thời điểm thu khác.

Page 115: Nguyễn Thế Hoàng Anh

114

- Thiết kế thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện hiệu

quả hệ BCI.

Những nghiên cứu của luận án này cũng chỉ ra một số hạn chế đối với các

phương pháp được đề xuất cũng như cách tiếp cận giải quyết bài toán xử lý, phân

loại tín hiệu điện não, phát triển các hệ BCI theo hướng đã trình bày, cụ thể như sau:

- Những mô hình phân loại được đề xuất mới chỉ tích hợp phần khử tín

hiệu bất thường sinh ra do nháy mắt EOG để làm tăng chất lượng đầu vào cho hệ

thống. Trong điều kiện tín hiệu EEG rất dễ bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu, gây ảnh

hưởng nghiêm trọng đến thông tin thực sự sinh ra do các hoạt động của não bộ, tín

hiệu điện não sử dụng trong luận án này có thể bị tác động bởi nhiều loại nhiễu khác

gây ra do chuyển động, nói chuyện, cử động cơ, tim…

- Cách tiếp cận xây dựng cơ sở dữ liệu và thiết kế thí nghiệm dựa trên

phân loại tác vụ suy nghĩ có ưu điểm là không cần thêm thiết bị hỗ rợ như các cách

thức tạo ra các đặc trưng P300, N400, hình dung ảnh vận động, xung kích thích thị

giác trạng thái ổn định… nhưng tín hiệu thu được lại rất phụ thuộc vào việc đối

tượng tuân thủ chính xác hướng dẫn thí nghiệm. Việc tuân thủ này thường khá khó

xác nhận tính chính xác.

- Các mô hình phân loại đều đang sử dụng tín hiệu điện não thu được bởi

toàn bộ 14 điện cực của thiết bị EPOC+. Nhiều nghiên cứu khác trên thế giới chỉ ra

rằng trong một số tác vụ và thiết kế thí nghiệm nhất định, tín hiệu EEG từ một bộ

phận các điện cực, đặt ở các vị trí phù hợp, có thể đem lại kết quả tốt hơn là sử dụng

toàn bộ các điện cực.

Dựa trên phân tích ở trên, một số hướng nghiên cứu tiếp theo là:

- Thực hiện các hệ BCI dựa trên các phương pháp được đề xuất

- Phát triển các phương pháp dựa trên học cộng đồng như adaboost để

tăng cường khả năng phân loại tín hiệu điện não

Page 116: Nguyễn Thế Hoàng Anh

115

- Tiếp tục áp dụng các phương pháp học máy để cải tiến DWSAE hướng

tới khử các loại nhiễu tín hiệu điện não khác cũng như loại nhiễu trên các loại tín

hiệu hình ảnh, âm thanh…

- Nghiên cứu và phát triển hệ BCI dựa trên đặc trưng P300, nhịp vận

động cảm giác và các đặc trưng tín hiệu điện não khác

- Tích hợp biến đổi wavelet package để cải tiến phương pháp DWSAE

- Phát triển các thuật toán huấn luyện mạng học sâu kết nối từng phần

(partly-connected), nút kích hoạt theo nhiệm vụ (activated by task) hướng đến xây

dựng máy học đa nhiệm

Page 117: Nguyễn Thế Hoàng Anh

116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Nguyen The Hoang Anh, Thanh Ha Le and The Duy Bui. A deep wavelet sparse

autoencoder method for online and automatic EOG artifact removal. Neural

Computing and Applications (2020). https://doi.org/10.1007/s00521-020-04953-0

(ISI-indexed)

2. Nguyen The Hoang Anh, T. T. Quyen Bui, Nguyen Truong Thang, Thanh Ha Le,

The Duy Bui. A Robust PCA-SURE Thresholding Deep Neural Network Approach

for Mental Task Brain Computer Interface. Journal of Informatics and Mathematical

Sciences. Journal of Informatics and Mathematical Sciences 11.3-4 (2019): 383-

406. ISSN 0975-5748 (online); 0974-875X (print)

3. Hoang-Anh The Nguyen, Anh Tuan Do, Thanh Ha Le and The Duy Bui. “A deep

sparse autoencoder method for automatic EOG artifact removal”, 2019 19th

International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2019), Oct.

15~18, 2019; ICC Jeju, Jeju, Korea, ISBN: 978-89-93215-18-2. IEEE.

4. Hoang-Anh The Nguyen, Thanh Ha Le, The Duy Bui. “A Stacking Ensemble

Learning Model for Mental State Recognition Towards Implementation of Brain

Computer Interface”, the 2019 6th NAFOSTED Conference on Information and

Computer Science (NICS), Dec. 12-13, 2019; Hanoi, Vietnam, p. 39-43, ISBN: 978-

1-7281-5162-5. IEEE,

5. Huy Hoang Tran, Hoang Anh T. Nguyen, Quoc-Vuong Do and Thanh Ha Le. “EOG

Detection using Haar Wavelet Transform toward implementation of an IOT Brain

computer interface”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia CNTT lần thứ 21, 2018.

6. Nguyễn Thế Hoàng Anh, Huy Hoàng Trần, Anh Tuấn Đỗ, Quốc Vương Đỗ and

Thanh Hà Lê. “Phương pháp sử dụng mạng tự mã hóa thưa trong loại nhiễu tín hiệu

điện não tự động, theo thời gian thực”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia CNTT lần thứ 22,

2019.

7. Nguyen The Hoang Anh, Tran, H.H., Vu, T.T. and Bui, T.Q.2016, October. A

combination of independent component analysis, relative wavelet energy, and

support vector machine for mental state classification. In Control, Automation and

Systems (ICCAS), 2016 16th International Conference on (pp. 733-738). IEEE.

8. Nguyen The Hoang Anh, Hoang, T.H., Thang, V.T. and Bui, T.Q. 2016, November.

An Artificial Neural Network approach for electroencephalographic signal

classification towards brain-computer interface implementation. In Computing &

Communication Technologies, Research, Innovation, and Vision for the Future

(RIVF), 2016 IEEE RIVF International Conference on (pp. 205-210). IEEE.

Page 118: Nguyễn Thế Hoàng Anh

117

9. Nguyễn Thế Hoàng Anh, Trần Huy Hoàng, Bùi Thị Thanh Quyên Phương pháp và

hệ thống thu nhận tín hiệu điện não để điều khiển thiết bị điện tử trong ứng dụng

nhà thông minh (Đơn sáng chế được Cục Sở hữu trí tuệ, Bộ KHCN chấp nhận đơn

hợp lệ).

Page 119: Nguyễn Thế Hoàng Anh

118

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Lupu, R. G., Irimia, D. C., Ungureanu, F., Poboroniuc, M. S., & Moldoveanu,

A. (2018). BCI and FES based therapy for stroke rehabilitation using VR facilities.

Wireless Communications and Mobile Computing, 2018.

2. Saeedi S, Chavarriaga R, Millán JD. Long-term stable control of motor-

imagery BCI by a locked-in user through adaptive assistance. IEEE Transactions on

Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2017 Apr;25(4):380-91.

3. Citi, L., Poli, R., Cinel, C., & Sepulveda, F. (2008). P300-based BCI mouse

with genetically-optimized analogue control. IEEE transactions on neural systems

and rehabilitation engineering, 16(1), 51-61.

4. Zhang, X.P. and Desai, M.D., 1998. Adaptive denoising based on SURE risk.

IEEE signal processing letters, 5(10), pp.265-267.

5. Churchland, P.S., Sejnowski, T.J. and Poggio, T.A., 2016. The computational

brain. MIT press.

6. Herculano-Houzel, S. (2009). The human brain in numbers: a linearly scaled-

up primate brain. Frontiers in human neuroscience, 3, 31.

7. Kevric, J. and Subasi, A., 2017. Comparison of signal decomposition methods

in classification of EEG signals for motor-imagery BCI system. Biomedical Signal

Processing and Control, 31, pp.398-406.

8. Ahi, S. T., Kambara, H., & Koike, Y. (2010). A dictionary-driven P300 speller

with a modified interface. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation

engineering, 19(1), 6-14.

9. Wolpaw, J.R. and McFarland, D.J., 2004. Control of a two-dimensional

movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings

of the national academy of sciences, 101(51), pp.17849-17854.

10. Hotson, G., McMullen, D.P., Fifer, M.S., Johannes, M.S., Katyal, K.D., Para,

M.P., Armiger, R., Anderson, W.S., Thakor, N.V., Wester, B.A. and Crone, N.E.,

2016. Individual finger control of a modular prosthetic limb using high-density

Page 120: Nguyễn Thế Hoàng Anh

119

electrocorticography in a human subject. Journal of neural engineering, 13(2),

p.026017.

11. Hamedi, M., Salleh, S.H. and Noor, A.M., 2016. Electroencephalographic

motor imagery brain connectivity analysis for BCI: a review. Neural computation,

28(6), pp.999-1041.

12. Farwell LA., Donchin E., "Talking off the top of your head: toward a mental

prosthesis utilizing event-related brain potentials," Electroencephalography and

Clinical Neurophysiology, 70 (6): 510–23, 1988.

13. Schalk G., McFarland D.J., Hinterberger T., Birbaumer N., Wolpaw J.R.,

“BCI2000: A general –purpose brain-computer interface system,” IEEE Trans. on

Biomedical Engineering, vol.51, no.6, 1034-1043, June 2004.

14. Naseer, N. and Hong, K.S., 2015. fNIRS-based brain-computer interfaces: a

review. Frontiers in human neuroscience, 9, p.3.

15. Kundu, P., Voon, V., Balchandani, P., Lombardo, M. V., Poser, B. A., &

Bandettini, P. A. (2017). Multi-echo fMRI: a review of applications in fMRI

denoising and analysis of BOLD signals. Neuroimage, 154, 59-80.

16. Glover, G. H. (2011). Overview of functional magnetic resonance imaging.

Neurosurgery Clinics, 22(2), 133-139.

17. Fleming, I.N., Manavaki, R., Blower, P.J., West, C., Williams, K.J., Harris,

A.L., Domarkas, J., Lord, S., Baldry, C. and Gilbert, F.J., 2015. Imaging tumour

hypoxia with positron emission tomography. British journal of cancer, 112(2),

p.238.

18. Sanei, S. and Chambers, J.A., 2013. EEG signal processing. John Wiley &

Sons.

19. Kim, J., Lee, J., Han, C. and Park, K., 2019. An Instant Donning Multi-

Channel EEG Headset (with Comb-Shaped Dry Electrodes) and BCI Applications.

Sensors, 19(7), p.1537.

Page 121: Nguyễn Thế Hoàng Anh

120

20. Jung, T.P., Makeig, S., Humphries, C., Lee, T.W., Mckeown, M.J., Iragui, V.

and Sejnowski, T.J., 2000. Removing electroencephalographic artifacts by blind

source separation. Psychophysiology, 37(2), pp.163-178.

21. Rioul O., Vetterli M., Wavelet and signal processing, IEEE Signal Process

Mag.8(4)(2002)14–38.

22. Kalayci T., Ozdamar O., Wavelet preprocessing for automated neural network

detetion of EEG spikes, IEEE Eng. Med. Biol. Mag. 14(2) (1995) 160–166.

23. Rosso, O. A., Martin, M. T., Figliola, A., Keller, K., & Plastino, A. (2006).

EEG analysis using wavelet-based information tools. Journal of neuroscience

methods, 153(2), 163-182.

24. De Clercq, W., Vergult, A., Vanrumste, B., Van Paesschen, W. and Van

Huffel, S., 2006. Canonical correlation analysis applied to remove muscle artifacts

from the electroencephalogram. IEEE transactions on Biomedical Engineering,

53(12), pp.2583-2587.

25. Nguyen, H.A.T., Musson, J., Li, F., Wang, W., Zhang, G., Xu, R., Richey, C.,

Schnell, T., McKenzie, F.D. and Li, J., 2012. EOG artifact removal using a wavelet

neural network. Neurocomputing, 97, pp.374-389.

26. Donoho DL. De-noising by soft-thresholding. IEEE transactions on

information theory. 1995 May;41(3):613-27.

27. Pascual-Marqui, R.D., 2002. Standardized low-resolution brain

electromagnetic tomography (sLORETA): technical details. Methods Find Exp Clin

Pharmacol, 24(Suppl D), pp.5-12.

28. Vidal J.J., “Real-time detection of brain events in EEG,” Proceedings of

IEEE, 65 (5): 633–641, 1977.

29. Blankertz, B., Muller, K.R., Krusienski, D.J., Schalk, G., Wolpaw, J.R.,

Schlogl, A., Pfurtscheller, G., Millan, J.R., Schroder, M. and Birbaumer, N., 2006.

The BCI competition III: Validating alternative approaches to actual BCI problems.

IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 14(2), pp.153-

159.

Page 122: Nguyễn Thế Hoàng Anh

121

30. McFarland, D.J. and Wolpaw, J.R., 2017. EEG-based brain–computer

interfaces. current opinion in Biomedical Engineering, 4, pp.194-200.

31. Urigüen, J.A. and Garcia-Zapirain, B., 2015. EEG artifact removal—state-of-

the-art and guidelines. Journal of neural engineering, 12(3), p.031001.

32. Pizzagalli, D.A., 2007. Electroencephalography and high-density

electrophysiological source localization. Handbook of psychophysiology, 3, pp.56-

84.

33. Hagemann, D. and Naumann, E., 2001. The effects of ocular artifacts on

(lateralized) broadband power in the EEG. Clinical Neurophysiology, 112(2),

pp.215-231.

34. Li, X., Guan, C., Zhang, H. and Ang, K.K., 2017. Discriminative ocular

artifact correction for feature learning in EEG analysis. IEEE Transactions on

biomedical engineering, 64(8), pp.1906-1913.

35. Yang, B., Duan, K., Fan, C., Hu, C. and Wang, J., 2018. Automatic ocular

artifacts removal in EEG using deep learning. Biomedical Signal Processing and

Control, 43, pp.148-158.

36. Bengio, Y., Lamblin, P., Popovici, D. and Larochelle, H., 2007. Greedy layer-

wise training of deep networks. In Advances in neural information processing

systems (pp. 153-160).

37. Goodfellow I., Le Q., Saxe A., Lee H., and Ng A., “Measuring invariances in

deep networks,” in Proc. NIPS, Vancouver, Canada, 2009, pp. 646–654.

38. Zhu, C., Byrd, R.H., Lu, P. and Nocedal, J., 1997. Algorithm 778: L-BFGS-

B: Fortran subroutines for large-scale bound-constrained optimization. ACM

Transactions on Mathematical Software (TOMS), 23(4), pp.550-560.

39. Turnip, A., 2015. Comparison of ICA-Based JADE and SOBI methods EOG

artifacts removal. Journal of Medical and Bioengineering, 4(6).

40. Belouchrani, A., Abed-Meraim, K., Cardoso, J.F. and Moulines, E., 1997. A

blind source separation technique using second-order statistics. IEEE Transactions

on signal processing, 45(2), pp.434-444.

Page 123: Nguyễn Thế Hoàng Anh

122

41. Bell, A. J., & Sejnowski, T. J. (1995). An information-maximization approach

to blind separation and blind deconvolution. Neural computation, 7(6), 1129-1159.

42. He, T., Clifford, G., & Tarassenko, L. (2006). Application of independent

component analysis in removing artefacts from the electrocardiogram. Neural

Computing & Applications, 15(2), 105-116.

43. Krishnaveni, V., Jayaraman, S., Anitha, L. and Ramadoss, K., 2006. Removal

of ocular artifacts from EEG using adaptive thresholding of wavelet coefficients.

Journal of Neural Engineering, 3(4), p.338.

44. Chiappa, S. and Barber, D., 2006. EEG classification using generative

independent component analysis. Neurocomputing, 69(7-9), pp.769-777.

45. Anderson, C.W., Stolz, E.A. and Shamsunder, S., 1998. Multivariate

autoregressive models for classification of spontaneous electroencephalographic

signals during mental tasks. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 45(3),

pp.277-286.

46. Zhang, X., Yao, L., Kanhere, S.S., Liu, Y., Gu, T. and Chen, K., 2017.

MindID: Person identification from brain waves through attention-based recurrent

neural network. ACM J. Comput. Cult. Herit., Vol. 9, No. 4, Article 39.

47. Grandchamp, R., Braboszcz, C. and Delorme, A., 2014. Oculometric

variations during mind wandering. Frontiers in psychology, 5, p.31.

48. Nguyen, H.A.T., Tran, H.H., Vu, T.T. and Bui, T.Q., 2016, October. A

combination of independent component analysis, relative wavelet energy, and

support vector machine for mental state classification. In Control, Automation and

Systems (ICCAS), 2016 16th International Conference on (pp. 733-738). IEEE.

49. Guo, L., Rivero, D., Seoane, J.A. and Pazos, A., 2009. Classification of EEG

signals using relative wavelet energy and artificial neural networks. In Proceedings

of the first ACM/SIGEVO Summit on Genetic and Evolutionary Computation (pp.

177-184).

50. Vapnik, Vladimir Naumovich, and Vlamimir Vapnik, Statistical learning

theory. Vol. 1. New York: Wiley, 1998.

Page 124: Nguyễn Thế Hoàng Anh

123

51. Tong, S., & Koller, D. (2001). Support vector machine active learning with

applications to text classification. Journal of machine learning research, 2(Nov), 45-

66.

52. Harris, T. (2015). Credit scoring using the clustered support vector machine.

Expert Systems with Applications, 42(2), 741-750.

53. Burges, Christopher JC. "A tutorial on support vector machines for pattern

recognition." Data mining and knowledge discovery 2.2 (1998): 121-167.

54. Gavish, M. and Donoho, D.L., 2014. The optimal hard threshold for singular

values is 4/√3. IEEE Transactions on Information Theory, 60(8), pp.5040-5053.

55. Yu, C., Manry, M. T., Li, J., Narasimha, P. L., “An efficient hidden layer

training method for the multilayer perceptron,” Neurocomputing, Vol. 70, No. 1, pp.

525–535, 2006.

56. Abdi, H. and Williams, L.J., 2010. Principal component analysis. Wiley

interdisciplinary reviews: computational statistics, 2(4), pp.433-459.

57. LeCun, Y., Bengio, Y. and Hinton, G., 2015. Deep learning. nature,

521(7553), pp.436-444.

58. Deng L., Yu D., “Deep learning for signal and information processing,”

Microsoft Research Monograph, 2013.

59. Hinton, G.E., Osindero, S. and Teh, Y.W., 2006. A fast learning algorithm for

deep belief nets. Neural computation, 18(7), pp.1527-1554.

60. Zhang, X. L., & Wang, D. (2016). A deep ensemble learning method for

monaural speech separation. IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and

Language Processing (TASLP), 24(5), 967-977.

61. Kulesa A, Krzywinski M, Blainey P, Altman N. Points of significance:

Sampling distributions and the bootstrap. Nature Methods. 2015;12(6).

62. Wang, G., Hao, J., Ma, J., & Jiang, H. (2011). A comparative assessment of

ensemble learning for credit scoring. Expert systems with applications, 38(1), 223-

230.

Page 125: Nguyễn Thế Hoàng Anh

124

63. Tresp, V., 2000. A Bayesian committee machine. Neural computation, 12(11),

pp.2719-2741.

64. Mai, J. K., Majtanik, M., & Paxinos, G. (2015). Atlas of the human brain.

Academic Press.

65. Huy Hoang Tran, Hoang Anh T. Nguyen, Quoc-Vuong Do and Thanh Ha Le,

“EOG Detection using Haar Wavelet Transform toward implementation of an IOT

Brain computer interface”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia CNTT lần thứ 21, 2018.

66. Nguyen The Hoang Anh, T. T. Quyen Bui, Nguyen Truong Thang, Thanh Ha

Le, The Duy Bui. A Robust PCA-SURE Thresholding Deep Neural Network

Approach for Mental Task Brain Computer Interface. Journal of Informatics and

Mathematical Sciences, 11(3-4), pp.383-406.

67. Ng, A., 2011. Sparse autoencoder. CS294A Lecture notes, 72(2011), pp.1-19.

68. Blankertz, B., Losch, F., Krauledat, M., Dornhege, G., Curio, G. and Müller,

K.R., 2008. The Berlin Brain-Computer Interface: Accurate performance from first-

session in BCI-naive subjects. IEEE transactions on biomedical engineering, 55(10),

pp.2452-2462.