Bài giảng: Xử lí tín hiệu y sinh

+ Các tín hiệu ngoại sinh: các tác nhân được đưa vào từ bên ngoài, sau khi đi qua các bộ phận trên cơ thể của sinh vật sống sẽ tạo ra các dạng tín hiệu y sinh, dựa vào đó chúng ta có thể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN: XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH

HỆ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

SỐ TÍN CHỈ : 02 NGÀNH: KỸ THUẬT Y SINH

Họ và tên giảng viên: Nguyễn Thị Bích Điệp

Thái Nguyên, năm 2015

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH 3

1.1 Nguồn gốc và các đặc điểm của tín hiệu y sinh 3

1.2 Phân loại tín hiệu y sinh học 4

1.3 Bộ thu nhận và xử lý tín hiệu y sinh học 5

1.4 Vai trò của tín hiệu y sinh trong y học 9

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI TÍN HIỆU Y SINH THÔNG DỤNG 10

2.1 Tín hiệu điện tim ECG 10

2.1.1 Khái niệm về tín hiệu điện tim 10

2.1.2 Đặc trưng của tín hiệu điện tim 10

2.1.3 Nhiễu trong tín hiệu điện tim 11

2.2 Tín hiệu điện não EEG 12

2.2.1 Khái niệm về tín hiệu điện não 12

2.2.2 Nguồn gốc tín hiệu điện não 12

2.2.3 Đo và thu nhận tín hiệu điện não 13

2.2.4 Các dạng tín hiệu điện não 14

2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu điện não 19

2.3 Tín hiệu điện cơ EMG 20

2.3.1 Khái niệm về tín hiệu điện cơ 20

2.3.2 Nguồn gốc tín hiệu điện cơ 20

2.3.3 Xử lý tín hiệu điện cơ 24

2.3.4 Nhiễu và các yếu tố ảnh hưởng 26

CHƯƠNG 3: CÁC BỘ LỌC SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH 29

3.1 Giới thiệu công cụ thiết kế và mô phỏng các bộ lọc số trong Matlab 29

3.1.1 Giới thiệu về công cụ SPTool 29

3.1.2 Phân tích bộ lọc 31

3.1.3 Thiết kế những bộ lọc bổ sung: 31

3.1.4 Thể hiện những bộ lọc trong Fvtool (Filter Visualization Tool) 32

3.1.5 Export bộ lọc từ FDATool: 32

3.1.6 Thể hiện đối tượng export trong matlab command: 33

3.2 Bộ lọc FIR 33

3.2.1 Đặc điểm của bộ lọc số FIR pha tuyến tính 33

3.2.2 Tổng hợp bộ lọc số FIR pha tuyến tính 36

3.2.3 Thiết kế và mô phỏng bộ lọc số FIR bằng công cụ SPTool 39

3.3 Bộ lọc IIR và ứng dụng 39

3.3.1 Cơ sở tổng hợp bộ lọc số IIR 39

3.3.2 Thiết kế và mô phỏng bộ lọc số IIR bằng công cụ SPTool 41

3.4 Bộ lọc thích nghi và ứng dụng 41

3.4.1 Cấu trúc bộ lọc thích nghi 41

3.4.2 Cơ sở toán học của phương pháp thích nghi dựa trên thuật toán LSM 41

3.4.3 Ứng dụng lọc nhiễu điện áp cho các tín hiệu y sinh 45

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU Y SINH

1.1 Nguồn gốc và các đặc điểm của tín hiệu y sinh

Theo cách thức phân loại thường dùng hiện nay, tín hiệu y sinh được phân thành hai nhóm chính:

+ Các tín hiệu nội sinh: xuất phát từ những quá trình sinh lý tự nhiên trong cơ thể sinh vật sống Ví dụ như: tín hiệu điện tim ECG – Electroncadiogram, tín hiệu điện não EEG – Electroencephalogram, tín hiệu điện cơ EMG – Elec tromyogram, nhịp thở, nhiệt

độ, hàm lượng Glucose trong máu, v.v

+ Các tín hiệu ngoại sinh: các tác nhân được đưa vào từ bên ngoài, sau khi đi qua các bộ phận trên cơ thể của sinh vật sống sẽ tạo ra các dạng tín hiệu y sinh, dựa vào đó chúng ta có thể đo lường được cấu trúc và thông số bên trong cơ thể mà các tác nhân đã

đi qua Nhóm tác nhân thường dùng để tạo tín hiệu ngoại sinh như là sóng siêu âm, tia

X, ánh sáng đơn sắc, ánh sáng huỳnh quang từ các tế bào gắn chất phát huỳnh quang hay từ các phân tử được kích thích bằng ánh sáng, v.v

Môn học này tập trung phân tích nguồn gốc và đặc trưng của các tín hiệu nội sinh chủ yếu trên cơ thể người

Nguồn gốc xuất hiện của hầu hết các tín hiệu điện sinh học là do thay đổi rất nhanh của điện thế qua màng tế bào ở tất cả các tế bào sống Cụ thể hơn, các tín hiệu điện sinh học phát sinh từ các điện thế qua màng tế bào thay đổi theo thời gian có thể thấy ở các tế bào thần kinh (điện thế hoạt động thần kinh) hay ở các tế bào cơ (các bó

cơ, cơ tim) Cơ sở điện hóa của điện thế màng tế bào tồn tại dựa trên hai hiện tượng: (1) màng tế bào có tính bán thấm, hay nói cách khác chúng có độ dẫn và độ thấm khác nhau đối với các ion và phân tử khác nhau (ví dụ như: Na+, K+, Ca++, Cl-, Glucose, Protein, v.v ) và (2) màng tế bào có các cơ chế bơm ion sử dụng năng lượng trao đổi chất (ví

dụ như chức năng của ATP - Adenosine Triphosphatase) Các cơ chế bơm ion chủ động truyền ion và phân tử qua màng tế bào, chống lại hàng rào năng lượng và Gradient nồng

độ giữa phần trong và phần ngoài tế bào Ở trạng thái bền, các ion liên tục có xu hướng lọt vào bên trong tế bào (như ion Na+) hoặc ra ngoài tế bào (như ion K+), quá trình bơm ion cũng diễn ra liên tục nhằm phục hồi và duy trì nồng độ ion của trạng thái bền này

Các kỹ thuật sử dụng trong các quá trình xử lý tín hiệu y sinh bao gồm việc lọc tín hiệu truyền thống, các kỹ thuật lấy trị trung bình và các quá trình ước lượng phổ tín hiệu Chỉ có các khái niệm chính của việc phân tích và thiết kế các bộ lọc số và một vài

ví dụ sử dụng để mô tả quá trình xử lý tín hiệu điện tim Các kỹ thuật trị trung bình khi

đó được mô tả một cách ngắn gọn và chứng minh khả năng hữu dụng của chúng khi nhiễu và tín hiệu có nội dung tần số tương tự nhau mà chúng không chỉ mang các thông

số thống kê: một ví dụ là các điện thế ký ức tăng lên theo nền nhiễu của tín hiệu điện

tim Cuối cùng, các bộ ước lượng phổ khác sẽ được sử đụng và các ứng đụng của nó được chỉ ra trong việc phân tích các dao động RR

Các quá trình thu nhận và xử lý tín hiệu số này sẽ thực hiện biến đổi các tín hiệu sang dạng số và sau đó các tín hiệu số hoá sẽ được chuyển tới các phần xử ỉý tín hiệu cao cấp hơn nhằm thực hiện xử lý tín hiệu với tốc độ nhanh và hiệu quả cao hơn

1.2 Phân loại tín hiệu y sinh học

Các tín hiệu sinh học có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau Sau đây

là các mô tả ngắn gọn về một vài các phương pháp phân loại quan trọng

- Phân loại dựa theo nguồn gốc: Các tín hiệu sinh học có thể được phân loại theo

nguồn gốc của nó hoặc bản chất vật lý Việc phân loại tín hiệu này có thể được sử đụng khi các thông số vật lý cơ bản của các quá trình xử lý của các quá trình xử lý cần quan tâm đến, ví dụ khi một mô hình của tín hiệu cần phải được xây dựng,

- Phân loại theo ứng dụng y sinh học: Tín hiệu được thu nhận và được xử lý với

một vài mục đích chẩn đoán, theo dõi hoặc một vài mục đích khác Việc phân loại này

có thể được xây dựng nên dựa trên các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, ví dụ như điện tim hoặc điện não Sự phân loại cụ thể có thể là quan trọng khi mục đích của nó là nghiên cứu các hệ thống sinh lý, học cơ thể

- Phân loại theo các thông số tín hiệu: Từ quan điểm phân tích tín hiệu thì đây là

một phương pháp phân loại có liên quan nhiều nhất Khi mục đích chính là việc xử lý thì nó không có gì liên quan tới nguồn gốc tín hiệu hoặc tới hệ thống y sinh học nào mà

nó phụ thuộc vào mà các vấn đề như các thông số, tín hiệu

Ta nhận được hai loại tín hiệu rõ ràng là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc, Các tín hiệu liên tục được miêu lả bởi một hàm liên tục S(t) mà nó cung cấp thông tin tại bất

kỳ một thời điểm nào Các tín hiệu rời rạc được miêu tả bởi một chuỗi giá trị s(m) mà

nó cung cấp các thông tin tại các thời điểm rời rạc trên trục thời gian Hầu hết các tín hiệu y sinh học là tín hiệu liên tục Bởi vì kỹ thuật dòng điện cung cấp còng cụ hữu hiệu cho quá trình xử lý tín hiệu số nên thường biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc bằng một quá trình xử lý được gọi là quá trình lấy mẫu

Chúng ta chia các tín hiệu thành hai nhóm chính: các tín hiệu xác định và tín hiệu thống kê Tín hiệu xác định là các tín hiệu mà chúng có thể được mô tả một cách chính xác bằng toán học hoặc bằng đồ thị Nếu một tín hiệu là xác định và mô tả toán học của

nó được chỉ ra thì nó chẳng truyền đạt thông tin gì Các tín hiệu thực không thuộc dạng xác định được Nó luôn có các dạng nhiễu không biết và không thể dự đoán được thêm vào, có một vài thay đổi không xác định được Tuy nhiên, chúng thường rất thuận tiện

để đánh giá và mô hình hóa tín hiệu bởi một hàm số xác định

Một họ tín hiệu quan trọng của tín hiệu xác định là họ tín hiệu tuần hoàn Tín hiệu tuần hoàn đơn giản nhất là tín hiệu dạng sin Các tín hiệu tuần hoàn phức tạp hơn

có nhiều dạng sóng phức tạp hơn Dưới một vài điều kiện thì tín hiệu áp suất máu (huyết áp) có thể được mô hình hoá bằng một tín hiệu tuần hoàn phức tạp

Hầu hết các hàm số xác định là các hàm số không tuần hoàn Thỉnh thoảng chúng

ta cần đặc biệt quan tâm tới khái niệm gần như tuần hoàn đối với tín hiệu Tín hiệu điện tâm đồ thỉnh thoảng có thể được coi là tín hiệu gần như tuần hoàn Vàdo đó trong một

số trường hợp thì tín hiệu điện tâm đồ được mô hình hoá thành một dạng tín hiệu gần như tuần hoàn

1.3 Bộ thu nhận và xử lý tín hiệu y sinh học

Các tín hiệu sinh học mang thông tin cần thiết cho việc nắm bắt các cấu trúc hình thái bệnh lý học nằm dưới các phản ứng của các hệ thống sinh học sống Tuy thế mà thông tin cụ thể không thể thu nhận một cách trực tiếp từ các tín hiệu gốc; nó có thể được che giấu bởi các tín hiệu sinh học khác đồng thời phát hiện ra (ảnh hưởng nội sinh) hoặc bị chôn sâu trong tín hiệu nhiễu (ảnh hưởng ngoại sinh) Vì các lý do này, một vài quá trình xử lý thêm vào thường phải được thực hiện để nâng cấp các thông tin có liên quan và rút ra các thông số của nó mà chúng xác định số lượng các phản ứng của hệ thống cần nghiên cứu mà chủ yếu là nghiên cứu sinh học hoặc xác định các mức độ bệnh

lý trong các quá trình điều trị bệnh (chẩn đoán, điều trị hoặc phục hồi chức năng)

Một vài kỹ thuật xử lý có thể sử dụng cho các mục đích cụ thể (chúng cũng được gọi là các kỹ thuật tiền xử lý) như các phương pháp biến đổi trong các miền tần số và miền thời gian bao gồm các phương pháp lọc, lấy trị trung bình, ước lượng phổ và các phương pháp khác Thậm chí nếu như chúng ta có thể làm việc được với các dạng tín hiệu liên tục thì chúng ta cũng thường cảm thấy dễ dàng hơn khi thực hiện chúng dưới dạng tín hiệu số Với các tiến bộ phát triển của kỹ thuật số thì thuật ngữ cả phần mềm

và phần cứng làm cho kỹ thuật số xử lý ngày càng tốt hơn so với xử lý tương tự vì tính hiệu quả và độ linh hoạt của chúng Các kỹ thuật số có một vài các ưu điểm sau: hiệu suất của chúng nói chung là rất cao và nó có thể thực hiện các thuật toán phức tạp một cách dễ dàng và độ chính xác phụ thuộc vào các giá trị cắt bỏ và làm tròn Tất cả các tác động này có thể được dự tính trước bởi người thiết kế và nó không làm ảnh hưỏng lớn tới các giá trị không xác định được khác cụ thể như tuổi và nhiệt độ của các phần tử mà chúng có thể làm giảm hiệu suất làm việc của các thiết bị tương tự Hơn thế nữa các thông số thiết kế có thể thay đổi dễ dàng hơn bởi vì chúng liên quan nhiều tới phần mềm hơn là thay đổi các phần cứng

Một vài các phần tử cơ bản của các bộ thu nhận và xử lý tín hiệu sẽ cũng được

đề cập nhưng trước hết chúng ta sẽ cùng quan tâm tới một cấu trúc cơ bản của các thiết

bị y tế thống thường Sau đó, chúng ta sẽ lần lưọt phân tích cấu tạo và chức năng các mạch trong từng khối

 Cấu tạo cơ bản của các thiết bị y tế:

Thực tế, hiện nay có rất nhiều các loại thiết bị y tế Mỗi loại đảm bảo một chức năng riêng biệt Tuy nhiên, chúng đều tuân theo một nguyên tắc chung trong cấu tạo để đảm bảo chức năng chăm sóc sức khoẻ cộng đồng Hình 1.1 chỉ ra một sơ đồ khối về thông số của các thiết bị Các bộ cảm biến đo đạc các tín hiệu y sinh của người bệnh và thực hiện tạo ra các tín hiệu điện (thông thường là các tín hiệu điện áp biến thiên theo thời gian) mà có dạng tín hiệu tương tự của các tín hiệu thực tế

Hình 1.1 Các phần tử cơ bản của một hệ thống thiết bị y tế

Tập hợp các điện cực có thể được sử dụng để cảm nhận mỗi sự thay đổi về điện trên bề mặt cơ thể cụ thể như tín hiệu điện tim và điện não Các bộ cảm biến của các dạng khác nhau đều có khả nãng thực hiện việc biến đổi sang các dạng điện áp mà nó

cụ thể như đối với nhiệt độ của cơ thể và huyết áp thuộc động mạch Các tín hiệu điện tạo ra bởi các bộ cảm biến sẽ được đưa đến bộ xử lý mà tại đó nó thực hiện việc xử lý

và phân tích các tín hiệu Khối bộ xử lý thường bao gồm một bộ vi xử lý để thực hiện các công việc cần thiết Rất nhiều các thiết bị đều có khả năng hiển thị, lưu trữ và phân phối thông qua mạng các tín hiệu mà đó vừa là các tín hiệu mới được giữ lại tại bộ vi

xử lý lại vừa là các kết quả phân tích của các tín hiệu mới đó Trong một vài các thiết

bị, bộ xử lý thực hiện cả chức năng điều khiển Dựa trên các kết quả phân tích tín hiệu, các bộ xử lý có thể chỉ thị cho bộ điều khiển thực hiện can thiệp trực tiếp vào việc điều trị đối với bệnh nhân (điều khiển theo chu trình kín) hoặc nó có thể báo hiệu cho một người rằng đó là một vấn đề trục trặc, mà cần tới sự can thiệp của con người (điều khiển theo chu trình mở)

Xem xét hai dạng thiết bị: Loại đầu tiên là hệ thống các đơn vị theo dõi chuyên sâu (ICU- Intensive Care Unit), là một tập hợp lớn, các thiết bị theo dõi một số lượng lớn các bệnh nhân một cách tức thời; Loại thứ hai là máy điều hoà nhịp tim nhỏ tới mức

nó đặt được vào trong cơ thể bệnh, nhân hay nói một cách khác là các thiết bị thực hiện các quá trình điều trị cho bệnh nhân

Trường hợp đối với các ICU thì nó có tới vài bộ cảm biến được nối với mỗi bệnh nhân để thu nhận sự theo dõi cao độ và bộ xử lý (thực tế thường có nhiều hơn một bộ

xử lý) theo dõi và phân tích tất cả các tín hiệu Nếu bộ xử lý phát hiện ra một sự bất thường nào đó, nó sẽ thông báo cho nhân viên y tế, thường bằng các thiết bị báo bằng

âm thanh Một màn hình cho phép người nhân viên có thể nhìn thấy rõ các dữ liệu cụ thể như các tín hiệu điện tim của mỗi bệnh nhân và cũng như là các dữ liệu đã được lưu trữ từ bộ phân tích cụ thể như việc đọc ra các số liệu về tốc độ đập của tim và áp suất máu Một mạng máy tính sẽ nối với cổng ở cạnh bên của thiết bị và đưa tới một bộ điểu khiển trung tâm trong ICU Một mạng khác có thể nối hệ thống các ICU với các cơ sở

dữ liệu được phân bố ở xa trong bệnh viện Một ví dụ về thiết bị có chu trình kín thỉnh thoảng được sử dụng như là bơm tiêm Các bộ cảm biến theo dõi sự mất nước cũng như khối lượng nước tiêu thụ được của bệnh nhân Sau đó bộ xử lý chỉ thị cho bơm để tiêm một lượng nước chính xác vào người bệnh để duy trì sự cân bằng nước Vì vậy nó hoạt động như một thiết bị điều trị

Thông thường bộ xử lý là một mạch tổ hợp chuyên dụng được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng có công suất siêu thấp hơn là một bộ vi xử lỷ đa năng Bộ xử lý theo dõi các tín hiệu điện nhận từ tim và phân tích chúng để xác định xem chính trái tim còn đập không Nếu nó thấy rằng tim đập quá chậm so với tín hiệu kích thích của chính nó thì nó sẽ khởi động thiết bị điện kích thích (trong trường hợp này là bộ điều khiển) để phát ra một dòng điện đủ lớn xuyên qua các điện cực như là đã sử dụng đối với việc theo dõi Tác nhân kích thích này sẽ làm cho tim đập trở lại Vì vậy thiết bị này hoạt động như là một hệ thống phân phối điều độ theo chu trình kín Các máy điều hoà nhịp tim trước đây hoạt động theo dạng chu trình mở, nó chỉ đơn giản điều chỉnh tim lại một tốc

độ cố định mà không quan tâm tới việc tim có đập theo đúng các mức độ hoạt động chức năng của cơ thể hay không trong suốt thời gian sử dụng máy và những thiết bị này đã trở nên quá lạc hậu Thông thường, một thiết bị dựa trên bộ vi xử lý ngoài bộ phận đặt bên trên là máy điều hoà nhịp tim còn có thể thông tin cùng với nó thông qua thiết bị trao đổi thông tin từ xa và sau đó để hiển thị, ghi nhận hoạt động của các thông số Cụ thể như một thiết bị có thể thiết lập, các thông số hoạt động mới cụ thể như biên độ của dòng điện kích thích Thậm chí nó còn có các đời máy mà nó có thể trao đổi thông tin với các trung tâm điều trị thông qua mạng thoại

Ngoài ra, đối với các thiết bị thực hiện điều trị chuyên dụng thì các yêu cầu về cấu trúc các thành phần chi tiết sẽ có khác nhau Xét trong hình 1.1 thì thiết bị điều trị nằm tại khối điều khiển bệnh nhân Để có thể nắm được một vài cấu hình chung của các thiết bị y tế thực hiện các công đoạn trong một quá trình điều trị cho bệnh nhân, ta bắt đầu với từng khối một hay với các thiết bị tương ứng thực hiện chuyên dụng nhiệm

vụ của nó

 Bộ thu nhận tín hiệu

Sơ đồ khối mô tả cho một hệ thống thu nhận tín hiệu nói chung được mô tả trong hình 1.2 Một vài giá trị biên độ vật lý thường đo được từ các hệ thống sinh học Chúng bao gồm một số lượng các giá trị điện từ trường (các dòng điện, các mức chênh lệch điện thế, cường độ trường ) Các tín hiệu điện được phát hiện bởi các bộ cảm biến (chủ yếu là các điện cực) trong khi các biên độ của các đại lượng không điện lại được chuyển đổi nhờ các bộ cảm ứng biến đổi (tranducer) sang thành các dạng tín hiệu điện mà chúng

có thể được xử lý một cách dễ dàng, được truyền đi và được lưu trữ

sign

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của quá trình thu nhận tín hiệu số

Một khối xử lý tín hiệu tương tự thường đòi hỏi phải được khuếch đại lên và được lọc (nhằm làm cho các tín hiệu thoả mãn các yêu cầu của phần cứng cụ thể như dải động của bộ biến đổi AD nhằm bù lại cho một vài thông số không mong muốn của bộ cảm biến hoặc làm giảm một phần nào đó của các tín hiệu nhiễu xen vào, Hơn thế nữa, tín hiệu liên lục theo thời gian cần phải có băng tần giới hạn trước khi thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) Việc thực hiện này cần phải thực hiện để làm giảm ảnh hưởng của sự chồng phổ gây ra trong quá trình lấy mẫu tín hiệu Chúng ta cần phải ghi nhớ một điều là quá trình thực hiện thu nhận tín hiệu phải đảm bảo giữ gìn đầy đủ thông tin có trong dạng tín hiệu gốc Đây là một điểm cốt yếu khi ghi nhận các tín hiệu bệnh lý Do đó hệ thống thu nhận tín hiệu khối được tạo ra một giá trị méo dạng tín hiệu nào mà chúng có thể gây ra sự sai lầm hoặc có thể làm sai lệch các quyết định điều trị cuối cùng của bác sĩ Vì lý do này nên cần phải thiết kế các bộ lọc tương tự có đáp ứng tần số biên độ không đổi và có pha tuyến tính (pha không), ít nhất trong một băng thông, trên các tần số quan tâm Các đòi hỏi cụ thể tạo ra tín hiệu thu nhận trước khi đưa tới bộ biến đổi tương tự sang số (ADC)

Dạng tín hiệu tương tự sau khi được biến đổi từ tương tự sang số, ví dụ là chúng được biến đổi thành một chuỗi số, được rời rạc hóa theo cả thời gian và biên dộ thì chúng

có thể dễ dàng được quản lý bởi các bộ xử lý tín hiệu số Việc biến đổi các tín hiệu tương

tự sang dạng số một cách lý tưởng có thể được phân

chia thành hai bước như được chỉ ra trong hình 1.2: quá trình lấy mẫu đã biến đổi các tín hiệu tương tự sang dạng chuỗi tín hiệu rời rạc theo thời gian và các phẩn tử được lấy tên là các mẫu và một quá trình lượng tử mà quá trình này thực hiện gán các giá trị biên

độ của mỗi mẫu trong tập các giá trị rời rạc Cả hai qua trình xử lý đều làm thay đổi các thông số của tín hiệu

1.4 Vai trò của tín hiệu y sinh trong y học

Các tín hiệu y sinh có ý nghĩ hết sức to lớn trong quá trình chẩn đoán lâm sàng

và cận lâm sàng trong y học

Thông thường, nhịp tim có thể được đo bằng cách kiểm tra mạch đập Tuy nhiên, điện tâm đồ có thể hữu ích nếu xung là khó khăn để cảm thấy hoặc quá nhanh hoặc quá bất thường để đếm chính xác Điện tâm đồ có thể giúp bác sĩ xác định nhịp tim bất thường nhanh (nhịp tim nhanh), bất thường chậm (nhịp tim chậm) hoặc bất thường nhịp tim (loạn nhịp tim) Những điều kiện này có thể xảy ra khi bất kỳ một phần của trục trặc

hệ thống điện của tim Trong trường hợp khác, loại thuốc như thuốc chẹn beta, thuốc hướng thần hoặc các chất kích thích, có thể gây ra chứng loạn nhịp tim ECG thường có thể cho thấy bằng chứng của một cơn đau tim trước đó hoặc trong trong tiến trình Các

mô hình trên điện tâm đồ có thể chỉ ra đó là một phần của tim đã bị hư hỏng, cũng như mức độ thiệt hại ECG thực hiện trong khi đang có triệu chứng có thể giúp bác sĩ xác định liệu đau ngực là do giảm lưu lượng máu đến cơ tim, chẳng hạn như đau thắt ngực không ổn định Ngoài ra, điện tâm đồ có thể cung cấp manh mối về mở rộng của buồng hoặc bức thành của các khuyết tật tim, tim và các vấn đề tim mạch khác

Tương tự như vậy, việc thu nhận được tín hiệu điện não và tín hiệu điện cơ giúp cho các bác sĩ có thêm những căn cứ xác định trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh liên quan

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LOẠI TÍN HIỆU Y SINH THÔNG DỤNG

2.1 Tín hiệu điện tim ECG

2.1.1 Khái niệm về tín hiệu điện tim

Một trong các tín hiệu điện sinh học quan trọng và kinh điển nhất ứng dụng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh là tín hiệu điện tim đồ (hay còn gọi là điện tâm đồ, ký hiệu là ECG hay EKG)

Do trái tim trong hệ tuần hoàn là bộ phận có cấu tạo hoàn toàn bằng cơ Mỗi khi co lại trong quá trình bơm máu, nó sẽ tạo ra một điện trường sinh học và truyền qua khối dẫn liên hợp từ ngực, bụng tới bề mặt da Vì thế, chúng ta có thể đo được sự chênh lệch điện thế sinh học này từ bất kỳ 2 điểm nào trên bề mặt da Tín hiệu thu được tại mỗi cặp 2 điểm này được gọi là một đạo trình của tín hiệu điện tim đồ Biên độ và dạng sóng của tín hiệu ECG phụ thuộc vào cặp điện cực được đặt ở đâu trên bề mặt da của bệnh nhân

2.1.2 Đặc trưng của tín hiệu điện tim

Trước khi người ta phát minh ra kỹ thuật khuếch đại điện tử, Willem Einthoven đã thực hiện đo tín hiệu ECG từ những năm 1901 bằng một máy đo dòng một chiều dùng dây

từ tính Chiếc máy này sẽ tiếp xúc với bệnh nhân bằng hai sợi đây nối với hai que than được nhúng trong hai bình đựng dung dịch muối Hai tay hoặc hai chân của bệnh nhân sẽ được đặt trong hai bình này

Trên hình 2.1 minh họa lược đồ của một quá trình hình thành tín hiệu ECG do cơ tim

co bóp Điện thế qua màng bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III Chúng ta cần chú ý rằng, theo quá trình co cơ ở tâm nhĩ, các kích thích được truyền đến nút AV và sau đó là đến các tâm thất qua một mạng phức hợp các tế bào

cơ đặc biệt tạo nên hệ thống các bó dẫn Quá trình lan truyền sẽ chậm lại qua các bó dẫn và các sợi Purkinje cho phép tâm thất co lại sau khi tâm nhĩ đã co lại trong khoảng thời gian

đủ để hút đầy máu Đỉnh xung QRS trên tín hiệu ECG liên quan đến tốc độ khử cực rất nhanh của cơ tâm thất ngay trước khi nó co lại Sóng P sinh ra do quá trình khử cực tâm nhĩ, còn sóng T là từ quá trình tái khử cực của tâm thất

Dù được đo ở vị trí nào trên cơ thể, đỉnh sóng QRS của tín hiệu ECG thường nằm trong dải từ 500microV đến 5mV Biên độ này phụ thuộc vào vị trí đo và thể trang của bệnh nhân Do đó, hệ số khuếch đại cần thiết thường dùng là 103 lần Các bộ khuếch đại tín hiệu ECG thường có các tần số cắt ở mức -3dB đã chuẩn hóa là 0, 5Hz và 100Hz Nếu băng tần của tín hiệu ECG chưa được chuẩn hóa, việc đọc và hiểu tín hiệu ECG trên màn hiển thị sẽ khó khăn và dễ gây nhầm lẫn Hầu hết các bộ khuếch đại tín hiệu ECG hiện nay đều tích hợp thêm một bộ lọc triệt tần với tần số cắt là 50Hz hoặc 60Hz để giảm nhiễu công nghiệp

có thể xuất hiện ở đầu ra của bộ khuếch đại Bộ lọc triệt tần này sẽ làm cho tín hiệu ECG ở đầu ra hơi bị méo

Hình 2.1 Lược đồ của quá trình hình thành tín hiệu điện tim do cơ tim co bóp, điện thế qua màng bó dẫn trong tim người và quan hệ của chúng với dạng sóng ECG ở đạo trình III Một yêu cầu khác đối với các bộ khuếch đại tín hiệu ECG là chúng cần phải tránh được các hiện tượng sốc điện từ dòng một chiều Do vậy, các bộ khuếch đại cách ly dòng một chiều thường được sử dụng Khi đó chúng sẽ tạo ra trở kháng rất lớn giữa các bệnh nhân, điện cực đo và điểm đất ở đầu vào cũng như đầu ra bộ khuếch đại ECG Nó sẽ hạn chế dòng điện chạy qua cơ thể bệnh nhân tới bộ khuếch đại nếu bệnh nhân sơ ý chạm vào nguồn điện khi đang kết nối với hệ thống đo tín hiệu ECG Không chỉ các bộ khuếch đại tín hiệu ECG, các bộ khuếch đại tín hiệu điện sinh học khác như các hệ thống đo tín hiệu EEG, EMG, ERG, EOG, v.v cũng cần phải được cách ly điện như trên

2.1.3 Nhiễu trong tín hiệu điện tim

Sóng điện tim có biên độ nhỏ, cho nên rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu Các can nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim là:

- Nhiễu từ mạng cung cấp điện có tần số thay đổi ngẫu nhiên

- Nhiễu sóng cơ do bệnh nhân mất bình tĩnh khi đo gây ra

- Nhiễu do tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bệnh nhân gây ra

- Nhiễu tần số thấp gây trôi đường nền

- Nhiễu do tồn tại 2 nguồn tạo tín hiệu điện tim trong cùng một cơ thể như ghép tim hoặc do mang thai

Tuy nhiên qua khảo sát các loại nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng ghi tín hiệu điện tim, M Akay đã chỉ rõ rằng lọc nhiễu từ mạng cung cấp điện là cấp bách nhất vì tính chất phổ biến và khó kiểm soát của loại nhiễu này Các loại can nhiễu còn lại do

có dải tần ổn định nên có thể giải quyết triệt để bằng các bộ lọc cố định

2.2 Tín hiệu điện não EEG

2.2.1 Khái niệm về tín hiệu điện não

EEG là điện thế hoạt động của vỏ não phát ra EEG được phát hiện bởi Berger năm

1924 bằng 1 dụng cụ đo dòng điện với 1 điện cực bề mặt trên đầu con trai ông và ghi lại được 1 mẫu nhịp nhàng những dao động điện Tín hiệu này là phản hồi điện sinh học ngay tức khắc của tế bào não Ngày nay, người ta cho rằng tín hiệu EEG giống như như tín hiệu EEG lấy từ lưỡng cực trong lớp tế bào hình chóp Rất nhiều tế bào hình chóp và sợi thần kinh của nó được sắp xếp thẳng đứng Sự sắp xếp này được đưa ra 1 dendro-somatic lưỡng cực hoặc điện thế là cái dao động do tác nhân kích thích gây ra

Não bộ của con người là một tổ chức phức tạp, tinh vi nhất của hệ thần kinh Thông qua các giác quan như mắt, tai, da, bộ não tiếp thu các thông tin về thị giác, thính giác, xúc giác để từ đó nhận thức ra đối tượng, xử lý và giai đáp thông tin qua các hình thức vận động Do vậy bộ não giữ vai trò quan trọng trong hoạt động toàn diện, đa dạng của con người, giúp con người thích ứng với các hoàn cảnh xã hội Ngày nay, khi thế giới ngày càng phát triển thì các bênh về não cũng ngày càng phát triển như: các bệnh về động kinh, viêm não, u não … Do vậy, việc thu nhận và xử lí tín hiệu điện não sẽ giúp chúng ta chẩn đoán chính xác được các bệnh về não Vì thế, các bệnh nhân não sẽ có cơ hội được cứu chữa nhiều hơn

2.2.2 Nguồn gốc tín hiệu điện não

Vỏ não là nguồn gốc của các hoạt động điện của não thu được từ bề mặt của da đầu, các dạng khác nhau của hoạt động điện và dấn tới trường điện thế được tạo ra bởi các tế bào thần kinh vỏ não

Sự sắp xếp của các tế bào ở các khu vực khác nhau trên vỏ não là khác nhau, mỗi vùng có kiểu hình thái khác nhau Hầu hết các tế bào vỏ não được sắp xếp thành các cột, trong các cột này các neuron được phân bố dọc theo trục chính của các cây dạng nhánh, song song với mỗi cây khác và trực giao với bề mặt vỏ não

Vỏ não gồm các lớp khác nhau, các lớp này là không gian của cấu trúc các tế bào thần kinh đặc biệt, với các trạng thái và chức năng khác nhau trong đáp ứng xung điện Neuron pyramidal là thành phần cấu tạo chủ yếu của vỏ não Điện thế EEG ghi được từ các điện

cực được đặt tiếp xúc với lớp da đầu là sự tổng hợp các thay đổi về điện thế ngoài của tế bào Pyramidal Màng tế bào pyramidal không bao giờ trong trạng thái nghỉ bởi vì nó bị tác động liên tiếp bởi hoạt động sinh ra do các neuron khác có các liên kết synaptic Các liên kết synaptic có thể là kích thích hoặc ức chế sự thay đổi tương ứng tính thẩm thấu của màng

tế bào đối với ion K và ion Cl làm phát sinh dòng điện

Dòng điện sinh ra do điện thế của postsynaptic kích thích Điện thế postsynaptic kích thích là tổng hợp của dòng đi vào trong màng tế bào gây ra bởi các ion dương và dòng đi ra ngoài màng tế bào tạo dọc theo phần mở rộng của tế bào extra- synaptic Điện trường bên ngoài tế bảo là hàm của điện thế xuyên màng

Trong đó là điện thế bên ngoài màng, là bán kính của sợi trục hoặc tua gai, là điện thế xuyên màng, là độ dẫn môi trường bên trong tế bào, là độ dẫn của môi trường bên ngoài tế bào Mặc dù các điện thế bên ngoài tế bào riêng rẽ là nhỏ nhưng tổng điện thế của chúng cũng đáng kể đối với nhiều tế bào Điều này là do các neuron pyramidal được kích hoạt tức thời lớn hơn hoặc nhỏ hơn cách mà liên kết synaptic và các thành phần dọc trục của dòng bên ngoài màng được thêm vào, trong khi đó các thành phần nằm ngang lại có xu hướng làm giảm điện thế này Ngoài ra các nguồn khác cũng góp phần tạo ra tín hiệu EEG Sự giảm điện thế màng tế bào tới mức giới hạn xấp xỉ 10 mV nhỏ hơn điện thế tái khử cực tại trạng thái nghỉ của màng tế bào Điện thế hoạt động của các neuron não là nguồn gốc của EEG Nhưng chúng góp phần nhỏ trong việc tạo ra tín hiệu EEG ghi được tại bề mặt của não Do chúng thường hoạt động không đồng bộ trong cùng một thời gian đối với một số lượng lớn các sợi trục, các sợi trục này di chuyển theo nhiều hướng tương đối với bề mặt

vỏ não Nguyên nhân khác là phần của màng tế bảo bị khử cực bởi điện thế hoạt động tại các thời điểm cố định nhỏ hơn so với thành phần của màng tế bào được kích thích bởi một EPSP và điện thể hoạt động tồn tại trong thời gian ngắn hơn( cỡ 1 - 2ms) so với của EPSPs hoặc IPSPs là 10 – 250ms Qua các quan điểm trình bày ở trên thì EEG thu được tại bề mặt

da đầu có thể coi là kết quả của nhiều thành phần tích cực, trong đó điện thế của postsynaptic

từ tế bào pyramidal là thành phần chính tạo ra tín hiệu điện não

2.2.3 Đo và thu nhận tín hiệu điện não

Các hoạt động thần kinh điện đầu tiên được ghi lại bằng máy điện kế đơn giản Để khuếch đại sự thay đổi của các điểm một tấm gương được sử dụng để phản xạ ánh sáng được chiếu ra từ điện kế lên bức tường Sau đó, điện kế Arsonval được gắn vào một cuộn dây có thể di chuyển được, do đó ánh sáng tập trung trên gương sẽ bị phản xạ khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây này Điện kế mao dẫn được tạo ra bởi Lippmann và Marey Điện

kế dây rất nhạy và đo chính xác hơn được Einthoven giới thiệu vào năm 1903 Điện kế này trở thành dụng cụ đo chuẩn trong vài thập kỉ và được cho phép sử dụng ghi lại hình ảnh Các hệ thống đo tín hiệu EEG gồm số lượng lớn các điện cực tinh vi, các mạch khuếch đại vi sai (cho mỗi kênh), bộ lọc và đồng hồ ghi có mũi kim chỉ Tín hiệu EEG đa kênh

được ghi lại lên tấm giấy nhẵn hoặc giấy có ô lưới Ngay sau đó, hệ thống đo tín hiệu EEG này được tung ra thị trường, các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm kiếm hệ thống được máy tính hóa, hệ thống này số hóa và lưu trữ tín hiệu Do vậy để phân tích tín hiệu EEG, ban đầu phải hiểu rằng tín hiệu được chuyển sang dạng số Số hóa tín hiệu bao gồm các bước: lấy mẫu, lượng tử hóa, và mã hóa tín hiệu Khi số cực được sử dụng càng tăng thì số lượng dữ liệu càng lớn, tức số bít để mã hóa tín hiệu cũng nhiều hơn Hệ thống được máy tính hóa cho phép thiết lập các kiểu khác nhau, mô phỏng và lấy mẫu tần số và trong một số trường hợp 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

Quá trình biến đổi từ tín hiệu EEG tương tự sang dạng số được thực hiện bởi bộ chuyển đổi số tương tự đa kênh Dải tần hiệu quả cho tín hiệu EEG xấp xỉ 100Hz Do đó tần số lấy mẫu nhỏ nhất là 200 mẫu/s thỏa mãn qui tắc Nyquist là đủ để lấy mẫu tín hiệu EEG Trong một số ứng dụng các hoạt động của não được quan sát đòi hỏi độ phân giải cao hơn tần số lấy mẫu có thể lên tới 2000 mẫu/ s

Để duy trì thông tin chẩn đoán thì quá trình lượng tử hóa tín hiệu thông thường phải rất tốt Các hệ thống ghi tín hiệu EEG phổ biến sử dụng các mẫu tín hiệu dưới dạng 16bits Các điện cực ghi điện tim có độ chính xác cao chủ yếu được sử dụng để thu thập dữ liệu chất lượng cao

Các loại điện cực được sử dụng trong hệ thống ghi tín hiệu điện não như: Điện cực dùng một lần (dạng gel) Điện cực cró thể sử dụng nhiều lần( vàng, bạc, thép hoặc tin) Điện cực kẹp và chụp đầu điện cực được nhúng mặn Điện cực dạng kim: khi ghi đa kênh với số lượng lớn của các điện cực, thì điện cực dạng mũ chụp thường được dùng Thông thường điện cực dạng mũ chụp gồm đĩa Ag – AgCl có đường kính nhỏ hơn 3 mm, với các cực linh hoạt có thể gắn vào bộ khuếch đại Điện cực kim phải được cắm dưới vỏ não với độ sâu nhỏ nhất có thể Trở kháng cao giữa điện cực và da đầu cũng như các điện cực có trở kháng cao cũng có thể dẫn tới méo dạng tín hiệu

Do vậy các máy ghi điện não thương mại thông thường được trang bị bộ phận theo dõi trở kháng Để đảm bảo việc ghi tín hiệu điện não chính xác, trở kháng của điện cực phải nhỏ hơn 5 k , tốt nhất là 1k Cân bằng với các điện cực khác trong mũ Tương ứng với từng cấu trúc lớp và xoắn của não sự phân bố các điện cực lên da phù hợp

2.2.4 Các dạng tín hiệu điện não

a Các dạng tín hiệu điện não theo tần số

Năm 1924, nhà tâm thần học người Áo tên là Hans Berger là người đầu tiên ghi được EEG Ông nhận thấy trên bản ghi EEG bình thường, nhịp của các sóng điện não gồm

có vài loại Nhịp sóng dễ thấy nhất được Berger đặt tên cho là nhịp hay sóng alpha (alpha wave, alpha rhythm) Đôi khi người ta cũng gọi là nhịp Berger (Berger rhythm) nhằm vinh danh ông Các sóng này thường có biên độ khoảng 50 microvolts (mặc dù cũng có thể giao

động từ 5 tới 100 microvolts) và xuất hiện 8-13 lần trong 1 giây (8-13 Hertz) Sóng này thấy rõ nhất ở phần phía sau của não người, vốn là nơi xử lý các tín hiệu thị giác, tức là vùng chẩm (occipital region) Vì vậy, đôi khi người ta còn gọi nhịp alpha là nhịp trội ở phía sau (the posterior-dominant rhythm) Sóng alpha trở nên rõ nhất khi ta nhắm mắt lại Nó bị triệt tiêu khi ta mở mắt Như vậy sóng alpha là dấu hiệu cho biết não đang ở tình trạng không chú ý (inattentive brain), và đang chờ để được kích thích Thực tế là có một vài tác giả đã gọi nó là “nhịp chờ đợt” ("waiting rhythm") Nói một cách hình ảnh, ta có thể hình dung nó như là một người đang sốt ruột chờ đợi, với biểu hiện nhịp 2 chân hay gõ ngón tay trên mặt bàn, chờ đợi được vùng đứng dậy làm một việc gì đó Khi mà không còn phải chờ đợi nữa (bằng cách mở mắt hay tính nhẩm trong đầu), thì sóng alpha cũng biến mất Ở các phần vùng trán của não (frontal region), có một sóng nhanh hơn, gọi là sóng beta (beta wave) Nó xuất hiện 13-35 lần trong 1 giây, nhưng có biên độ dưới 30 microvolts Còn một loại sóng khác nữa, gọi là sóng theta (theta wave), thì có tần số 4-8 Hz, và thường thấy khi đang trong tình trạng buồn ngủ và trong các giai đoạn ngủ nông (light stages of sleep) Dạng sóng thứ tư là sóng delta (delta wave) thì hiếm khi ghi được trên người bình thường đang thức tỉnh, nhưng bình thường vẫn thấy khi ngủ sâu (deep sleep) hoặc vào lúc tỉnh giấc của trẻ nhỏ Sóng delta là sóng có biên độ cao nhất trong tất cả các sóng điện não Nói chung nếu nó xuất hiện trên một người lớn (trừ khi đang ngủ) thì chứng tỏ não có vấn đề nào đó:

ví dụ u não, động kinh, tăng áp lực nột sọ, khiếm khuyết về trí tuệ, hay hôn mê Khi đã xuất hiện, thì nó có khuynh hướng thay thế cho nhịp alpha Cả sóng beta lẫn sóng delta đều không bị ảnh hưởng bởi mở mắt hay nhắm mắt Chi tiết: Tần số của sóng tức là số lượng của sóng đó trong một đơn vị thời gian, ở đây là trong 1 giây Tần số của các sóng điện não

ở vào khoảng từ 0,5/giây cho tới vài trăm/giây Tuy nhiên các máy ghi EEG thường chỉ ghi được các sóng có tần số dưới 26/giây Các sóng được phân biệt bởi tần số, và được chia thành các loại sau: Alpha là những sóng có tần số trong khoảng từ 7,5 tới 13 sóng/giây (Hz) Thường thấy rõ alpha nhất là ở các vùng phía sau của đầu, cả 2 bên, nhưng thường bên bán cầu ưu thế thì có biên độ (chiều cao) cao hơn Alpha thường rõ lên khi nhắm mắt và thư giãn, và biến đi khi mở mắt hoặc thức tỉnh cảnh giác bởi bất cứ cơ chế nào (suy nghĩ, đếm) Đây là nhịp sóng chủ yếu thấy được trên người lớn bình thường và thư giãn – sóng hiện diện trong hầu hết các thời kỳ của cuộc đời, nhất là khi trên 30 tuổi, khi ấy sóng này chiếm

ưu thế trên đường ghi EEG lúc nghỉ ngơi

Beta là những sóng “nhanh” Tần số của nó là từ 14 Hz trở lên Sóng beta thường thấy ở cả 2 bán cầu, phân bố đối xứng hai bên, và rõ nhất là ở vùng trán Sóng sẽ nổi bật lên khi dùng thuốc an thần gây ngủ, nhất là khi dùng benzodiazepines và barbiturates Sóng

có thể mất hoặc suy giảm ở vùng có tổn thương vỏ não Nhịp beta thường được coi là nhịp bình thường Nó là nhịp chiếm ưu thế ở những bệnh nhân đang thức tỉnh cảnh giác hăọc lo

sợ, hoặc khi mở mắt

Theta là những sóng có tần số từ 3,5 tời 7,5 Hz, và được xếp vào loại sóng “chậm” Nó được coi là bất thường nếu thấy ở người lớn đang tỉnh táo, nhưng lại coi là hoàn toàn bình thường ở trẻ dưới 13 tuổi và đang ngủ Cũng có thể thấy theta tạo thành 1 vùng bất thường cục bộ trên những nơi có tổn thương dưới vỏ cục bộ; Có thể thấy sóng theta lan tỏa trong các bệnh lý não lan tỏa hay bệnh não do chuyển hóa, hoặc bệnh lý đường giữa nằm sâu (deep midline disorders) hoặc trong một số trường hợp não nước (hydrocephalus)

Delta là những sóng có nhịp từ 3 Hz trở xuống Nó có xu hướng là những sóng có biên độ cao nhất và là những sóng chậm nhất Nó hoàn toàn được coi là bình thường và là sóng ưu thế ở trẻ sơ sinh dưới 1 tuổi và ở giai đoạn 3 hoặc 4 (stages 3 and 4) của giấc ngủ

Nó có thể xuất hiện cục bộ khi có tổn thương dưới vỏ và phân bố rộng khắp khi có tổn thương lan tràn, trong bệnh não do chuyển hóa (metabolic encephalopathy), bệnh não nước (hydrocephalus) hay tổn thương đường giữa trong sâu (deep midline lesions) Nó thường trội nhất ở vùng trán ở người lớn (ví dụ FIRDA - Frontal Intermittent Rhythmic Delta – sóng delta có nhịp cách hồi ở vùng trán) và phân bố trội ở các vùng phía sau trên trẻ em (ví

dụ OIRDA - Occipital Intermittent Rhythmic Delta - sóng delta có nhịp cách hồi ở vùng chẩm)

b Các biến thể bình thường

Có một só sóng hoặc hình dạng sóng ít khi thấy xuất hiện, nhưng chúng không có nghĩa bất thường hay bệnh lý Nhưng chúng có thể làm cho ta diễn giải nhầm lẫn về bản ghi điện não đồ Trong các biến thể bình thường này, thường gặp nhất là nhịp mu (mu rhythm), biến thể tâm thần vận động (psychomotor variant), các sóng lambda, POSTS, các thoi (spindles), sóng của đỉnh sọ (vertex waves) và phức bộ K (K Complexes) a)Lambda

và POSTS: Lambda và POSTS tương tự nhau về hình dạng và có hình tam giác Chúng xuất hiện ở khu vực phía sau và cân xứng hai bên POSTS là biểu hiện của “sóng dương thoáng qua ở chẩm của giấc ngủ (positive occipital transients of sleep) và xuất hiện trong giấc ngủ giai đoạn 2 Lambda xuất hiện ở bệnh nhân tỉnh táo khi nhìn trừng trừng vào một

bề mặt trắng Cả hai loại này đều là dạng sóng bình thường, và xuất hiện đơn độc, hay kéo dài, hay thành một chuỗi ngắn b)Phức bộ K: phức bộ K (K Complexes) xuất hiện khi đang ngủ mà bị đánh thức – ta thấy nó khi có kích thích âm thanh hay các kích thích khác khi bệnh nhân đang ngủ Tiếp sau phức bộ K thường có đáp ứng thức tỉnh – cụ thể là một chuỗi các sóng theta có biên độ cao Tiếp sau phức bộ K, điện não đồ lại cho thấy biểu hiện giấc ngủ, hoặc trạng thái thức tỉnh c)Sóng V (V Waves): Sóng V xuất hiện ở vùng cạnh dọc giữa (parasaggital areas) của 2 bán cầu và có dạng một sóng nhọn (sharp waves) hoặc thậm chí là dạng gai (spikes), ở khu vực lưỡng đỉnh (biparietal regions), tức là đỉnh đầu (vertex), với pha ngược đảo nhau tại đường giữa, ở những đạo trình bắc ngang (tranverse montages) hoặc ở đỉnh sọ trên các đạo trình trước - sau (front-to-back) Các sóng này thấy có trong giấc ngủ giai đoạn 2 (stage 2 sleep), cùng với các thoi (spindles), phức bộ K, POSTS, v.v

d)Hoạt động điện MU (MU activity): hoạt động điện Mu là dạng nhịp trong đó các sóng có hình nhọn giống như hình rào chắn (wicket fence) với đỉnh nhọn và chân cong tròn Giữa 2 kênh, nhịp Mu có thể có pha nghịch đảo nhau Tần số nói chung vào khoảng một nửa của hoạt động điện nhanh hiện có

c Biến thể tâm thần – vận động (Psychomotor Variant):

Là loại nhịp hiếm gặp, nó xuất hiện giống như là sự hòa nhịp của 2 hay nhiều nhịp

cơ bản vào với nhau để tạo nên một dạng phức hợp Như thấy ở hình bên, nó có biên độ cao hơn so với xung quanh, và các sóng có hình dạng như dẫy núi (như các khía tạo hình chữ V) Loại nhịp này hoàn toàn không cân xứng 2 bên và thường bị nhầm với hoạt động điện kịch phát Tuy nhiên nó là loại hoạt động điện lành tính Nó cũng còn được biết dưới cái tên sau đây g)Nhịp 14 và 6 (Fourteen and Six Rhythm): Nhịp 14 và 6 rất hay thấy ở trẻ em

và thanh niên mới lớn Như thấy trên hình, các sóng 6 Hz và 14 Hz đôi khi uốn lượn theo cùng 1 hướng (lên hoặc xuống), và đôi khi thì lại đi theo hướng ngược nhau Nhịp kiểu này thấy được điển hình ở trạng thái ngủ hoặc buồn ngủ (ngủ gà gật), và thường thấy được trên bản ghi đơn cực (monopolar recordings)

d Các dạng sóng phức hợp (complex wave pattern) - ( dạng bệnh lý):

Các dạng sóng có tính đặc hiệu do hình dạng của chúng bao gồm:

+Gai và sóng (spike and wave): Dạng gai và sóng thấy có ở mọi lứa tuổi, nhưng thường nhất là ở trẻ em Nó bao gồm 1 gai (có thể là nguồn phát nằm ở vỏ não) và một sóng chậm (thường là delta) có biên độ cao, sóng chậm này được coi là có nguồn phát ở các cấu trúc của đồi thị, phức bộ này lặp đi lặp lại Chúng có thể xuất hiện đồng bộ (đồng thì – synchronously) và cân đối hai bên trong các bệnh động kinh toàn thể hóa (generalized epilepsies) hoặc khu trú trong bệnh động kinh cục bộ Trong những dạng gai và sóng toàn thể hóa, cơn vắng thực sự (true absense) hay là cơn nhỏ (petit mal) đặc trưng bằng gai-sóng

3 Hz, trong khi gai chậm – sóng (slow spike-wave) thường thấy hơn khi não bị tổn thương

và trong hội chứng Lennox-Gastaut Những gai và sóng nhanh hơn 3 Hz sẽ được trình bày trong phần dưới đây, phần về đa gai và sóng (polyspike-wave) b)Đa gai và sóng (polyspike and wave): là một dạng của gai sóng, trong đó mỗi một sóng chậm đi kèm với 2 hoặc nhiều gai Dạng thường gặp là dạng gai và sóng có tần số nhanh hơn 3 Hz – thường là 3.5 tới 4.5

Hz Dạng này thường có đi kèm với giật cơ (myoclonus) hoặc các cơn kịch phát giật cơ (myoclonic seizures) Đừng nhầm lẫn nó với gai sóng 6 Hz, vốn được coi là gai sóng không thực (phantom spike and wave) – là một biến thể của bình thường c)Các phóng điện dạng động kinh lệch bên theo chu kỳ (PLEDS - Periodic Lateralized Epileptiform Discharges):

là một dạng phóng điện đi kèm với tổn thương hay chấn thương não cấp tính Người ta thấy dạng sóng này rõ nhất khi tổn thương não cấp tính có kết hợp thêm với rối loạn chuyển hóa

Nó khởi đầu bằng những sóng nhọn xuất hiện một cách đều đặn, trên một nền tương đối bằng phẳng, ở 1 vùng hay 1 bên của não Sau đó nhịp của nó chậm dần lại và xuất hiện các

sóng chậm theo chu kỳ, và hoạt động điện cơ sở nằm giữa các phóng điện dạng động kinh này cũng khá dần lên Cuối cùng các sóng dạng động kinh kiểu này cũng biến mất hoàn toàn Kiểu PLEDS thường thấy khi có triệu chứng định khu nặng, hoặc là trên một bệnh nặng đang có xu hướng khá dần lên d)Các sóng 3 pha (triphasic waves): Sóng 3 pha là 3 sóng tạo viền cho mầu trắng trên hình minh họa Chúng thường xuất hiện khi có các hoạt động điện giả cơn kịch phát (pseudoparoxysmal activity) Các sóng này thấy có trong bệnh não do gan (hepatic encephalopathy), nhưng cũng có thể thấy trong các dạng bệnh não do chuyển hóa khác

e Bùng nổ và ức chế (burst supression):

Bùng nổ và ức chế là một dạng bùng nổ các sóng chậm và hỗn hợp (mixed waves) thường với biên độ cao, và xen kẽ luân phiên bằng đường đẳng điện Thường là có ở cả hai bên, nhưng không phải lúc nào cũng cân đối 2 bên Loại sóng này thường thấy sau một tổn thương não nặng, như sau đột quỵ thiếu máu não (postischemia), hay sau trạng thái thiếu oxy (postanoxia) Cũng có thể thấy tạm thời (thoáng qua) trong gây mê sâu, ở trạng thái trước khi EEG trở nên đẳng điện hoàn toàn

f EEG bình thường khi thức gồm:

+ Nhịp alpha: là đặc điểm nổi bật nhất của điện não đồ trưởng thành bình thường Nhịp alpha bình thường có các đặc điểm : Tần số: 8-12 Hz; Vị trí: ưu thế ở vùng sau; Hình dáng: có nhịp, đều, hình sin; Biên độ: thường 20-100 mV Phản ứng: tốt nhất khi nhắm mắt

và giảm khi mở mắt

+ Hoạt động beta: Tần số lớn hơn 13 Hz, thường 18-25 Hz; Vị trí: thường trán-trung tâm; Hình dáng: có nhịp, tăng giảm và cân xứng; Biên độ: thường 5-20 mV Phản ứng: thường tăng trong giai đoạn giấc ngủ I và II

+ Nhịp mu (rhythm en arceau or wicket rhythm): Tần số: 7-11 Hz Vị trí: thường trung tâm-đỉnh; Hình dáng: dạng cung hay “m”, thường không cân xứng và không đồng bộ hai bên, có thể chỉ ở một bên; Biên độ: thường thấp đến vừa; Phản ứng: giảm với vận động chi đối bên, có ý nghĩ vận động hay xúc giác Không phản ứng khi mở hay nhắm mắt

g Tín hiệu EEG khi ngủ

Giấc ngủ được chia làm hai loại lớn: Giấc ngủ không cử động mắt nhanh (NREM) Giấc ngủ cử động mắt nhanh (REM) Dựa vào những thay đổi trên EEG giấc ngủ NREM được chia thành 4 giai đoạn: I, II, III và IV Giấc ngủ NREM chiếm khoảng 75-90% thời gian ngủ (3-5% giai đoạn I, 50-60% GĐ II, và 10-20% GĐ III và IV) Giấc ngủ REM chiếm khoảng 10-25% thời gian ngủ

+ Giấc ngủ NREM - giai đoạn I

Với đặc điểm là buồn ngủ (drowsiness) Có các tính chất sau: Vận nhãn cuộn tròn chậm - Slow rolling eye movements (SREMs) Giảm nhịp alpha Hoạt động theta trung tâm hay trán trung tâm Tăng hoạt động beta Sóng nhọn dương vùng chẩm tạm thời của giấc ngủ

- Positive occipital sharp transients of sleep (POSTS) Sóng nhọn tạm thời ở đỉnh Tăng đồng

bộ do giấc ngủ

+ Giấc ngủ NREM - giai đoạn II:

Là giai đoạn giấc ngủ ưu thế trong giấc ngủ ban đêm bình thường EEG: thoi giấc ngủ và phức hợp K và các đặc điểm khác như giai đoạn I (ngoại trừ SERM

+ Giấc ngủ NREM-giai đoạn III và IV:

Còn gọi là giai đoạn “giấc ngủ sóng chậm” hay “giấc ngủ delta” Giai đoạn này thường không có vận động, tuy nhiên có thể ghi nhận một số vận động vào cuối giai đoạn + Giấc ngủ REM

Giấc ngủ REM được xác định bằng: Vận động mắt nhanh Mất trương lực cơ Mất đồng bộ trên EEG: hoạt động điện thế nhanh hơn và thấp hơn so với NREM Các sóng hình răng cưa: loại hoạt động theta đặt biệt ở vùng trung tâm, hình như răng cưa và thường ở sát vùng vận động mắt nhanh

2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu điện não

Nhiễu là những sóng hoặc những nhóm các sóng do lỗi kỹ thuật hoặc do các lỗi khác gây ra, và không phải do hoạt động điện của não gây ra Nhiễu là các rối loạn do khiếm khuyết kỹ thuật gây ra, thường đó là những lỗi có tính tạm thời Bao gồm do di động các điện cực làm cho mất tiếp xúc, các hoạt động điện của cơ che khuất điện não đồ, do cử động của đầu, chầy xước da đầu, ra mồ hôi, v.v… Nếu ta dùng độ phóng đại lớn, thì tất cả các biến loạn kể trên đều được phóng đại lên, bao gồm các nhiễu của mạch và điện tâm đồ, của điện cực và các cử động, nhiễu 60 Hz và nhiễu do mồ hôi, là loại nhiễu biểu hiện có dung dịch muối nằm giữa các điện cực làm cho nó bị đoản mạch

a Nhiễu do điện tâm đồ và do mạch (EKG and pulse artifacts):

Cả 2 loại nhiễu này đều có thể nhận biết được nhờ vào tính chất có chu kỳ của chúng Nhiễu điện tâm đồ cho thấy rõ phức bộ QRS theo chu kỳ, vì điện tâm đồ thì có tín hiệu điện lớn hơn nhiều so với điện não đồ Nhiễu do mạch là do mạch đập ở phía dưới của điện cực làm cho nó chuyển động theo chu kỳ Cả 2 loại nhiễu nàu đều dễ nhận diện, nhưng cũng có thể gây khó khăn cho đọc điện não

b Nhiễu do chuyển động của điện cực và các chuyển động khác:

Nhiễu do chuyển động của bệnh nhân thì có đường biểu thị đột ngột, và trong hầu hết trường hợp nó dốc ngược đột ngột So với các sóng EEG chuẩn thì các nhiễu đó có biên

độ cao và kéo dài về thời gian Một nhiễu kiểu “POP” là do chuyển dịch điện cực rất ngắn (nhanh), người mới vào nghề dễ nhầm lẫn nó với một gai (spike), tuy nhiên gai kiểu này chỉ thấy ở 2 kênh cạnh nhau và không thấy ở kênh thứ ba như những gai động kinh

c Nhiễu do dụng cụ truyền tĩnh mạch và nhiễu 60 Hz:

Những nhiễu này thường được thấy trong khi ghi điện não ở trong phòng săn sóc đặc biệt (ICU) và cả 2 đều là những giao thoa về điện Trên hình vẽ, nhiễu do dụng cụ

truyền là nhiễu có mầu đỏ; nó có tính chất chu kỳ, có biên độ thấp và dễ dàng nhận biết Nhiễu sáu mươi Hz thấy có ở những nơi điện cục tiếp xúc kém, nối đất không tốt, và có một thiết bị điện chuyên dùng đặt ở gần đó Nó gây nên những gai (spikes) có tần số 60 chu

kỳ giây – tạo thành vết mực in trên giấy chạy với tốc độ thông thường

2.3 Tín hiệu điện cơ EMG

2.3.1 Khái niệm về tín hiệu điện cơ

Một dạng tín hiệu điện sinh học quan trọng khác có giá trị chẩn đoán cao cho rất nhiều loại bệnh về cơ và thần kinh là tín hiệu điện cơ (EMG) Tín hiệu điện cơ (electromyogram(EMG)) là một dạng tín hiệu điện sinh học rất quan trọng có giá trị chẩn đoán cao cho rất nhiều bệnh về cơ và thần kinh Đo điện cơ là một hoạt động ghi lại hoạt động điện của cơ.Khi cơ hoạt động sẽ sinh ra dòng điện Dòng điện này thường tỉ lệ với mức độ hoạt động của cơ Đo điện cơ còn gọi là điện cơ đồ Đo điện cơ có thể được dùng

để phát hiện bất thường hoạt động điện của cơ xảy ra ở bất kỳ bệnh lý nào bao gồm bệnh loạn dưỡng cơ, viêm cơ, bệnh thần kinh gây đau, tổn thương thần kinh ngoại biên (tổn thương thần kinh cẳng tay, chân), xơ cứng cột bên teo cơ, nhược cơ, thoát vị đĩa đệm và các bệnh khác Chúng ta có thể đo được tín hiệu này từ bề mặt da với các điện cực tương tự với việc đo điện tâm đồ ECG Tuy nhiên kích thước của điện cực (diện tích bề mặt của điện cực) cần dùng phải nhỏ (thường < lmm2) Để đo tín hiệu điện cơ từ các sợi cơ riêng lẻ hay một đơn vị vận động đơn SMU (tập hợp từ một số sợi cơ riêng lẻ), người ta phải dùng đến các điện cực dạng kim xuyên qua da tới bề mặt của cơ cần đo Do vậy, phương pháp đo này cần đặc biệt quan tâm tới các yêu cầu về vô trùng Việc ghi nhận tín hiệu EMG thường được dùng để chẩn đoán một số nguyên nhân làm suy yếu cơ hoặc hiện tượng liệt trên cơ thể Các vấn đề về cơ và vận động như hiện tượng run rẩy hay co giật, tổn thương thần kinh cơ

do thương tích và một số bệnh lý khác

2.3.2 Nguồn gốc tín hiệu điện cơ

Trên cơ thể có một số loại cơ chính như là cơ vân, cơ tim và cơ trơn Cơ vân còn được chia thành cơ nhanh và cơ chậm (theo Guyton, 1991) Các cơ nhanh dùng cho những chuyển động nhanh, gồm có cặp cơ đôi ở cẳng chân, cơ thanh quản, cơ ngoài mắt Cơ chậm dùng cho việc điều khiển tư thế, dáng người để chống lại trọng lực, gồm các cơ như cơ dép, các cơ ngực, lưng và cổ Việc ghi lại tín hiệu EMG thường được thực hiên trên cơ vân cho

cả hai loai cơ nhanh và cơ chậm Ngoài ra người ta cũng thực hiện ghi đo tín hiệu EMG cho các cơ ít lộ diện hơn như cơ ngoài mắt để đi chuyển nhãn cầu, cơ mí mắt và các cơ dùng cho điều khiển thanh quản

Mỗi cơ vân cụ thể được chi phối bởi một nhóm tế bảo thần kinh vận động có gốc ở dây thần kinh cột sống Trong dây thần kinh cột sống, các Neuron vận động nhận tín hiệu kích thích và ức chế đầu vào từ các Neuron phản hồi lân cận trên sống cơ (phụ thuộc chiều dài cơ và tốc độ vận động của cơ), dây chằng Golgi và tế bào phản hồi Renshaw Các Axon

Neuron vận động riêng biệt điều khiển sự co thắt của một cơ cụ thể, được phân bố trên các nhóm nhỏ các sợi cơ gọi là một đơn vị vận động đơn (SMU) Các SMU hợp lại sẽ thành

cả cơ Kết nối giữa các đầu nhánh của một Axon vận động đơn lẻ với các đơn vị vận động đơn SMU được gọi là các tấm vận động (MEP) MEP là các tiếp hợp hóa học mà

ở đó chất truyền dẫn là Acetylcholine (ACh) được giải phóng ra và khuếch tán qua các khe trống ở mối nối đến các vùng thu nhận trên màng tế bào sát tiếp hợp

Khi một xung điện của Neuron vận động đi đến một MEP, nó kích hoạt quá trình Exoeytosis hay làm cạn hoàn toàn khoảng 300 lỗ trống chứa ACh trước Synap (có xấp xỉ khoảng 3.105 lỗ trống ở đầu của mỗi MEP, mỗi lỗ trống này có đường kính khoảng 40nm) Một lượng khoảng từ 107 đến 5x108 phân tử ACh cần để kích hoạt một điện thế hoạt động

cơ ACh khuếch tán qua khe Synap rộng từ 20 đến 30nm trong khoảng thời gian xấp xỉ 0, 5ms Tại đây, một số phân tử ACh kết hợp với các điểm tiếp nhận trên các đơn vị Protein hình thành nên các đường tiếp nhận ion dưới Synap Cứ năm đơn vị Protein phân tử khối lớn sẽ tạo thành một đường Ach gắn vào các đơn vị Protein sẽ làm giãn các đường này ra thêm 0.65nm Các đường dẫn ion mở rộng cho phép ion Na+ chảy vào Tuy nhiên, ion Cl-vẫn bị đẩy ra vì các điện tích âm cố định ở cửa vào của đường dẫn

Như thế, màng dưới Synap đã được khử cực bằng mật độ dòng JNA, tạo ra một điện thế hoạt động của cơ Điện thế qua màng có thể tăng lên đến +50mV, tạo thành một xung điện thế truyền qua tấm vận động - EPP Điện thế này sẽ được hình thành sau một khoảng thời gian xấp xỉ 8ms, thời gian này lâu hơn rất nhiều với điện thế hoạt động thần kinh Lượng ACh ở khe Synap và phần bám vào vùng thu nhận nhanh chóng giảm xuống do thủy phân bởi Enzyme Cholinesterase ở khe Synap và các thành phần trong phân tử của chúng

sẽ được tái sử dụng Một lượng nhỏ ACh thoát ra khỏi khe nhờ quá trình khuếch tán nhưng sau đó cũng bị thủy phân

Khi màng sau Synap ở ngay dưới MEP bị khử cực và cho đầu ra là một xung EPP có ngưỡng rất lớn, một điện thế hoạt động cơ sẽ phát ra và truyền đi theo màng ngoài của sợi

cơ này Đây chính là điện thế hoạt động tạo ra hiện tượng co cơ hoặc tổn hao sinh lực vận động Các loại điện thế hoạt động cơ thông thường được đo bên trong tế Bào ở MEP và ở điểm cách đầu MEP khoảng 2mm, như được minh họa trên hình 2.2 Điện thế hoạt động trong cơ xương được truyền đi với vận tốc từ 3 đến 5m/s, tồn tại trong khoảng từ 2 đến 15ms và phụ thuộc vào mỗi loại cơ Mức độ dao động của nó từ giá trị nghỉ khoảng -85mV đến giá trị đỉnh xấp xỉ +30mV Ở mặt da, điện thế này xuất hiện dưới dạng xung ba pha, có biên độ đỉnh từ 20𝜇V đến 2000𝜇V

Hình 2.2 Một dạng điện thế hoạt động cơ bình thường được đo bên trong

ở tế bào tấm vận động

Để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận sâu bên trong sợi cơ đều được kích thích và co rút cùng một lúc với cùng một cường độ thì dọc theo các sợi cơ sẽ có các sợi ngang dạng ống nhỏ xoáy sâu vào bên trong sợi cơ, gọi là các ống T Các ống T này có đầu mở để nhận dịch từ ngoải tế bào vào và cả hai đầu của ống đều nối với màng của sợi cơ Chúng dẫn truyền điện thế hoạt động cơ từ phía ngoài vào khu vực sâu bên trong sợi cơ ở tất cả các vị trí dọc theo sợi cơ

Chạy dọc theo phần bên ngoài của các cơ Myofibril co giãn, thành phần cấu thành nên sợi cơ là mạng lưới các công cơ gọi là Sarcoplasmic Reticulum (SR) Ta cần lưu ý rằng đầu cuối của mạng SR nằm đối diện với màng của các ống T Khi điện thế hoạt động cơ truyền sâu vào theo ống T, sự khử cực sẽ kích hoạt đầu mạng SR để giải phóng ra ion Ca2+vào khu vực xung quanh Protein co giãn của các cơ Myofibril: Khi ion Ca2+ gắn vào Protein Troponin C, Protein này đến lượt mình sẽ kích hoạt sự co cơ trở lại của các cơ Protein Actin

và cơ Myosin Một kích thích đồng bộ của tất cả các Neuron vận động phân bổ trên cơ được gọi là hiện tượng co giật, tức là độ căng của cơ giảm xuống một lượng nhỏ, sau đó tăng lên bất ngờ rồi lại giảm xuống dần đến không Đây là sự co cơ kéo dài được tạo ra từ quá trình

kích thích cơ từ hệ thần kinh một cách đều đặn Khi sự kích thích ngừng lại, cơ sẽ về trạng thái nghỉ

Quá trình nghỉ của cơ là một quá trình tích cực Các bơm ion Ca2+ đặt trên các ống dọc theo mạng SR sẽ chủ động truyền Ca2+ từ ngoài vào bên trong hệ thống SR Sự thiếu hụt Ca2+ ở lân cận Troponin C sẽ tạo ra quá trình nghỉ ngơi cho cơ Khi cơ nghỉ, nồng độ

Ca2+ vào khoảng 10-7 mol trong dịch cơ Myofibril Khi co giật nồng độ Ca2+ tăng lên gần 2.10-5 mol và trong trương hợp uốn ván, nó có thể lên tới 2.10-4 mol Ca2+ được giải phóng bằng một xung thần kinh vận động thu nhận từ các bơm trên mạng SR để hồi phục mức nồng độ ở trạng thái nghỉ trong khoảng thời gian 50ms

Giống như trường hợp các bơm Na+ ở màng tể bào thần kinh, các bơm Ca2+ ở cơ cần năng lượng trao đổi chất để hoạt động Thành phần Adenosine Triphosphatase (ATP) được tách ra thành Diphosphate để giải phóng năng lượng cần thiết cho bơm Ca2+ Các bơm này có thể làm tăng nồng độ Ca2+ lên đến 10-3 mol bên trong mạng SR Bên trong các ống của mạng SR, các ion Ca2+ được lưu trữ tạm thời và giống như một cái kẹp, nó sẽ gắn vào Protein Calsequestrin

Như đã lưu ý ở trên, các nhóm nhở sợi cơ được phân bố và chịu tác động điều khiển từ một sợi cơ nối với hệ thần kinh được gọi là một SMU Trong các cơ sử dụng cho các hoạt động tinh vi như cơ ở ngón tay hay lưỡi lượng sợi cơ thần kinh sẽ lớn hơn trên tổng số sợi cơ có trong một SMU Ví dụ, các cơ thanh quản dùng để nối chỉ có hai đến ba sợi cơ trong một SMU, trong khi các cơ lớn dùng cho các vận động đơn giản như cơ cẳng chân có đến vài trăm sợi cơ trong một SMU Để thực hiện các vận động tinh xảo, chỉ có số ít các Neuron vận động thực hiện kích thích trên cả cơ và chúng không kích thích đồng thời Pha kích thích cùa chúng là ngẫu nhiên để tạo ra quá trình co cơ một cách trơn tru Ở mức kích thích mạnh nhất, tần sổ kích thích trung bình của các Neuron vận động sẽ cao hơn nhưng pha vẫn

là ngẫu nhiên để giảm chu trình làm việc cho các SMU riêng lẻ Sự không đồng, bộ này làm cho các tín hiệu EMG mạnh trông giống như nhiễu trên màn hình CRT

Những bộ khuếch đại dùng cho ghi nhận tín hiệu điện cơ EMG trong lâm sàng cũng phải có những đặc tính kỹ thuật chặt chẽ giống như việc thu nhận các tín hiệu ECG, EEG hay các tín hiệu điện sinh học khác trên cơ thể người Các bộ khuếch đại tín hiệu EMG thường có hệ số khuếch đại vào mức vài nghìn cho tới vài chục nghìn lần Ngoài ra, chúng còn được ghép với các bộ lọc thông dải có tần số cắt ở mức -3dB tương ứng là 100Hz và 3 KHz

Tín hiệu EMG có thể được quan sát trong miền thời gian (hữu ích nhất là đo tín hiệu EMG từ sợi cơ đơn hoặc từ SMU) hoặc trong miền tần số (biến đổi FFT được thực hiện trên toàn bộ tín hiệu EMG thu được ở điều kiện chuẩn) hoặc trong cả hai miền thời gian – tần số Trong trường hợp sau, việc hiển thị thời gian - tần số sẽ cho thấy các chuỗi xung EMG là một hàm của thời gian Thành phần, tần số cao trong các hiển thị thời gian - tần số

cho thấy có nhiều SMU được kích thích ở mức độ cao Phân tích, trong miền thời gian - tần

số sẽ cho thấy các cặp cơ chủ vận – đối vận được điều khiển như thế nào đối với mỗi yêu cầu nhiệm vụ cụ thể của cơ

Một cách khác để phân tích đặc trưng hoạt động từ tín hiệu EMG trong miền thời gian là đưa tín hiệu EMG qua một mạch chuyển đổi RMS, ví dụ như IC AD637 Đầu ra của mạch

là điện áp dương, trơn và tỉ lệ với căn bậc hai của hàm trung bình thời gian Việc tính trung bình theo thời gian được thực hiện bằng một bộ lọc thông thấp Với các phương pháp hiển thị trong miền thời gian khác, tín hiệu EMG có thể được chỉnh lưu toàn sóng và được làm trơn bằng các bộ lọc thông thấp

2.3.3 Xử lý tín hiệu điện cơ

Tín hiệu EMG chưa được xử lý sẽ cho những thông tin không có giá trị vì nó không chính xác do có quá nhiều nhiễu can thiệp vào, đồng thời không thể giúp ta so sánh định lượng tín hiệu giữa các đối tượng Nếu các điện cực bị dịch chuyển thì tín hiệu thu được không thể giúp ta so sánh được định lượng trong cùng một đối tượng

*) Phân loại xử lý tín hiệu EMG

a EMG chưa qua xử lý

- Tín hiệu chưa qua xử lý có:

+ Biên độ từ 0-6 mV

+ Tần số từ 10-500 Hz

- Điện áp đỉnh - đỉnh

+ Đo bằng mV

+ Biểu hiện sự hoạt động đều đặn của cơ

- Sự phân tích là chất lượng hơn cả

+ Loại bỏ đi dải tín hiệu không được chọn, thường rất hẹp

+ Với tín hiệu EMG thông thường là từ 59-61 Hz

+ Sử dụng để loại bỏ nhiễu điện 60Hz

+ Nhưng ngoài ra còn bỏ đi dữ liệu đúng

+ Có quá nhiều nhiễu nên bộ lọc sẽ không có giá trị

- Lọc thông thấp

+ Cho những tần số đặc biệt đi qua

+ Thường đặt trong khoảng 20-300Hz