[Vi] Tập 1: Electroencephalogram - Điện não đồ

Điện não với những tiềm năng
Cơ thể con người chứa đầy điện thế. Các bộ phận như não, tim, mắt, cơ bắp, da… đều có sự tham gia của dòng điện như một phần của hoạt động của chúng. Quan sát được dòng điện ấy, ta hy vọng sẽ sẽ hiểu được các bộ phận này đang hoạt động gì, như thế nào. Ngày nay, kiểm tra điện tim (ECG) gần như là một bài kiểm tra bắt buộc để phát hiện bất thường hoặc bệnh lý về tim.

Biểu đồ điện tim được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán bệnh lý về tim

Bộ não là là một kiến trúc kỳ diệu. Là cơ quan phức tạp nhất trong cơ thể. Cho đến tận ngày nay, những hiểu biết của chúng ta về cấu tạo, hoạt động của não bộ hay ý thức vẫn còn rất hạn chế. Cũng giống như điện tim ECG, điện não EEG cũng được kỳ vọng giúp ta khám phá hoạt động của bộ não, phát hiện bất thường, dấu hiệu bệnh lý hoặc tăng cường não bộ. Đặc biệt trong các ứng dụng về giấc ngủ, EEG được sử dụng một cách rộng rãi.

Lịch sử thú vị
Điện não đồ được phát triển lần đầu bởi Hans Berger, một bác sĩ tâm lý người Phổ, cách đây gần 100 năm (1924). Tuy nhiên mục đích ban đầu của ông ta rất khác. Truyện kể là một ngày nọ, ông có nhận được một bức thư từ người chị gái của mình. Thời đó, thư tín gần như là phương tiện liên lạc duy nhất. Trong thư, chị gái ông mô tả bà nằm mơ thấy em trai mình bị ngã ngựa gãy chân, bà vô cùng lo lắng nếu điều đó là thật. Và sự thật đúng là như vậy. Thời điểm bức thư được gửi đi cũng trùng khớp với thời điểm Hans bị ngã ngựa. Ông cho rằng phải có một hiện tượng thần giao cách cảm nào đó đã liên kết não của những người có cùng huyết thống, giống như cách vô tuyến điện hoạt động. Đó là động lực để những bản thu điện não đầu tiên ra đời.

Hình điện não đầu tiên thu bởi Hans Berrger vào năm 1924 (trên), so sánh với tín hiệu 10 Hz (dưới)

Một trong những tín hiệu đầu tiên ông thu được là những dải sóng rõ ràng, biên độ lớn, tần suất chậm cỡ 10 lần dao động trong một giây, xuất hiện khi ta nhắm mắt, ông gọi đó là sóng alpha vì nó là sóng đầu tiên ông nhìn thấy. Khi mở mắt, ông thấy dải sóng tần số tăng nhanh hơn, biên độ nhỏ hơn, ông gọi đó là sóng beta. Cách gọi tên này vẫn vô cùng hữu dụng và được sử dụng cho đến tận ngày nay, với delta (1-4Hz), theta (4-8Hz), alpha (8-12Hz), beta (12-30Hz) và gamma (>30Hz)

Điện cực (electrode)
Có hai loại tín hiệu EEG là không xâm nhập (non-invasive) hoặc xâm nhập (invasive) tùy thuộc vào vị trí đặt điện cực. Non-invasive EEG được đặt ở ngoài tiếp xúc với da đầu, trong khi để thu được invasive EEG đòi hỏi phải khoan hộp sọ và đặt điện cực tiếp xúc với não.Tín hiệu thu được của hai loại tín hiệu này là rất khác nhau. Một phần là do điện trở của da, hộp sọ làm giảm điện thế rất mạnh, từ cỡ 0.5-1V ở bề mặt não xuống còn ±350 μV. Phần khác là do các điện cực đặt ngoài da đầu nhận tín hiệu từ rất nhiều vùng hoạt động của não khác nhau, và cho ra tín hiệu chồng chập của chúng.

Điện cực ướt và khô

Có hai loại điện cực là điện cực khô và điện cực ướt. Điện cực ướt sử dụng một lớp gel để tăng tiết diện tiếp xúc với bề mặt da, và giảm điện trở tiếp xúc với da. Trong điều kiện tốt, các điện cực ướt có điện trở cỡ 5-20 kΩ. Theo thời gian, lớp gel dần khô đi và làm điện trở tiếp xúc tăng dần lên. Trong khi các điện cực khô không có sự hỗ trợ của lớp gel có thể có điện trở lên đến 30-80 kΩ. Ở các điện cực khô, ma sát giữa điện cực với da cũng sinh ra dòng điện gây nhiễu đến tín hiệu thu được. Nhìn chung các điện cực ướt cho tín hiệu tốt hơn nhưng không tiện dụng bằng điện cực khô.

Điện thế
Để đo được dòng điện, phải có ít nhất 2 điểm để đo hiệu điện thế giữa chúng. Thông thường, người ta sẽ chọn một điểm mà ở đó có ít sự phát sinh tín hiệu điện nhất để làm mốc (reference). Khi muốn thu một tín hiệu ở một điểm A nào đó, người ta sẽ lấy điện thế tại điểm A trừ đi reference. Điểm thường được chọn làm reference nhất là dái tai, nơi cách khá xa bề mặt não, mắt, tim hoặc cơ. Tuy nhiên để so sánh giữa hai điểm trên não, người ta vẫn có thể lấy hai tín hiệu sau khi thu trừ đi nhau.

Bộ khuếch đại
Do tín hiệu EEG rất nhỏ, cỡ ±350 μV và thường là ±150 μV, để có thể quan sát được tín hiệu điện não, cần có các bộ khuếch đại (amplifier) để tăng cường tín hiệu. Tuy nhiên một vấn đề lớn là tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại sẽ luôn đi kèm với một noise với biên độ lớn đến mức có thể lấn át cả tín hiệu EEG, khiến cho tín hiệu sau khi khuếch đại không thể dùng được. Để khắc phục việc này, người ta sử dụng một electrode là ground.

Ground electrode
Mỗi tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại có thể biểu diễn bởi: E(active) – E(reference) + noise Mong muốn của ta là loại bỏ được noise khỏi tín hiệu trên. Một giải pháp được thực hiện là thu thêm một điện cực nữa là ground, với điện thế được biểu diễn bởi: E(reference) – E(ground) + noise Bằng cách trừ đi tín hiệu của điện cực mong muốn (active) cho ground, ta sẽ thu được tín hiệu khử nhiễu: E(active) – E(ground) + noise – (E(reference) – E(ground) + noise) = E(active) – E(ground) + noise – E(reference) + E(ground) – noise = E(active) –E(reference)

Power-line noise
Với sự phổ biến của mạng lưới điện dân dụng, tần số dao động của mạng lưới điện xoay chiều sinh ra cảm ứng mạnh mẽ trong tín hiệu thu được từ các thiết bị thu EEG. Thông thường tần số thu được là cảm ứng 50Hz (hoặc 60Hz với khu vực bắc Mỹ) và có thể kèm theo các sóng hài của chúng.

(Samuel, 2015)

Montage
Các tín hiệu EEG thường không chỉ được thu một kênh, mà thường thu trên nhiều kênh. Để thống nhất về vị trí và cách gọi tên, thông thường người ta sẽ đặt ra các montage tiêu chuẩn. Ví dụ hình sau thể hiện montage 10-20. Nhìn chung các montage đều đánh số dựa trên quy luật sau: Chữ cái đầu biểu thị cho khu vực: pre-frontal (Fp), frontal (F), temporal (T), parietal (P), occipital (O), and central ( C ) Kết thúc bằng số lẻ là các điểm nằm ở bán cầu não trái, kết thúc số chẵn là các điểm nằm ở bán cầu não phải.

Montage 10-20, với ý nghĩa 10% ở vòng ngoài cùng, 20% ở hai vòng trong

Public EEG dataset
Hiện nay với nhiều thiết bị như máy đa ký giấc ngủ (PSG), Neuroscan, BioSemi,… việc thu thập data EEG trở nên dễ dàng hơn. Nhiều bộ dataset được công bố đại chúng có thể tiếp cận dễ dàng, như: Giấc ngủ: Sleep-EDF, MASS, Physio2018, SHHS,… Tưởng tượng vận động (motor imagery): BCI Competition IV, PhysioNet Motor Movement/Imagery, Berlin BCI… Nhận diện cảm xúc (Emotion Recognition): DEAP, MAHNOB-HCI, SEED,…

REFERENCES

Buzsáki, G. (2006). Rhythms of the brain. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780195301069.001.0001

Akwei-Sekyere, Samuel. (2015). Powerline noise elimination in biomedical signals via blind source separation and wavelet analysis. PeerJ. 3. 10.7717/peerj.1086.

Zainal Haberham and Tonny Mulder, EEG Electrodes: From active to passive, reference to ground, http://eegget-it.nl/eeg_electrodes.html

Narayan P Subramaniyam, 2021, Wet and Dry Electrodes for EEG, https://sapienlabs.org/lab-talk/wet-and-dry-electrodes-for-eeg/

Electroencephalography, https://en.wikipedia.org/wiki/Electroencephalography#