Luận án Hệ thống xử lý tín hiệu điện não tự động phát hiện gai động kinh

Nội dung tài liệu: Luận án Hệ thống xử lý tín hiệu điện não tự động phát hiện gai động kinh

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ ANH ĐÀO HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ ANH ĐÀO HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN NÃO TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9510302.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN LINH TRUNG Hà Nội - 2019 i
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án do tôi thực hiện. Những kết quả từ các công trình của các tác giả khác mà tôi sử dụng trong luận án đều được trích dẫn rõ ràng, cụ thể. Các kết quả tính toán, mô phỏng là trung thực. Nếu có gì sai trái, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 5 tháng 11 năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Anh Đào ii
4. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự trân trọng, lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS. TS. Nguyễn Linh Trung, người đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Trong quá trình thực hiện đề tài, thầy là người luôn động viên, hỗ trợ và tận tình giúp đỡ những lúc tôi cảm thấy khó khăn và giúp tôi vượt qua trở ngại. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. TS. Karim Abed-Meraim, GS. TS Boualem Boashash và PGS. TS. Trần Đức Tân, Ths. Lê Trung Thành, TS. Nguyễn Việt Dũng, Ths. Nguyễn Văn Lý, TS. Lê Vũ Hà, Ths. Đinh Văn Việt, Ths. Nguyễn Thế Hoàng Anh, Ths. Trương Minh Chính, TS. Trần Thị Thúy Quỳnh những người đã góp phần hỗ trợ tôi về chuyên môn trong quá trình làm luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bác sĩ, TS. Hoàng Cẩm Tú, người đã tận tâm hỗ trợ tôi hoàn thành bộ dữ liệu sử dụng trong luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trường, Khoa Điện tử-Viễn thông, phòng Đào tạo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi; đặc biệt là sự quan tâm, động viên của TS. Nguyễn Hồng Thịnh, người đã thực sự quan tâm và đối xử với tôi như một thành viên của Trường Đại học Công nghệ. Tôi xin bày tỏ sự trân trọng, lòng biết ơn sâu sắc tới Đảng ủy, Ban Giám hiệu Nhà trường, Khoa Điện tử viễn thông, Phòng tổ chức cán bộ Trường Đại học Kỹ thuật Hậu cần Công an Nhân dân; đặc biệt là sự quan tâm, tạo điều kiện của PGS. TS. Nguyễn Đăng Tiến, TS. Nguyễn Văn Căn, TS. Đặng Việt Xô, TS. Đặng Văn Tuyên, TS. Phạm Thị Thúy Hằng và Ths. Phạm Xuân Cảnh đã hết sức hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình, đặc biệt là chồng tôi đã hỗ trợ tôi rất nhiều cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể học tập đạt kết quả tốt và thực hiện thành công luận án này. iii
5. Luận án này được hỗ trợ bởi: - Đề tài nghiên cứu khoa học mã số 102.02-2015.32 và đề tài mã số 102.04- 2019.14, Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (National Foundation for Science and Technology Development - NAFOSTED) - Dữ liệu điện não đồ sử dụng trong luận án được sử dụng từ kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học mã số QG.10.40, Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 5 tháng 11 năm 2019 Nguyễn Thị Anh Đào iv
6. MỤC LỤC Trang phụ bìa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Danh mục các bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Danh mục hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 MỞĐẦU....................................... 15 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ VÀ TỔNG QUAN ..................... 26 1.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2. Điện não đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3. Động kinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4. Chuẩn đo quốc tế 10-20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5. Cơ sở dữ liệu EEG sử dụng trong luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5.1. Đo đạc và thu thập dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.5.2. Tiền xử lý dữ liệu EEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.5.3. Cơ sở dữ liệu EEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.6. Ma trận đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.7. Đường cong ROC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.8. Các khái niệm cơ bản về ten-xơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.9. Phân tích ten-xơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.9.1. Phân tích CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.9.2. Phân tích Tucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.10.Xấp xỉ hạng thấp đa tuyến tính cho các ten-xơ . . . . . . . . . . . . . . 44 1.10.1. Phân tích CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.10.2. Phân tích Tucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.10.3. Phân tích ten-xơ với ràng buộc không âm . . . . . . . . . . . . 46 1.10.4. Phân tích CP với ràng buộc không âm . . . . . . . . . . . . . . 48 1.10.5. Phân tích Tucker với ràng buộc không âm . . . . . . . . . . . . 48 1
7. 1.11.Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐA BƯỚC TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH ĐƠN KÊNH ................................. 51 2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2. Hệ thống đa bước tự động phát hiện gai động kinh đơn kênh . . . . . . 52 2.2.1. Tiền xử lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.2. Trích xuất đặc trưng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.2.3. Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.4. Hệ chuyên gia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3. Đường cong ROC tổng hợp cho hệ thống đa bước . . . . . . . . . . . . 62 2.3.1. Sự phụ thuộc của SEN và p1 ¡ SPEq vào ngưỡng quyết định . . 62 2.3.2. Ước lượng đường cong ROC tổng hợp cho hệ thống đa bước . . 66 2.4. Mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.1. Dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.2. Ma trận đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.4.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.5. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐA BƯỚC TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN GAI ĐỘNG KINH ĐA KÊNH DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TEN-XƠ . . . . . . . . . . . . 80 3.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2. Phương pháp xấp xỉ hạng thấp đa tuyến tính đồng thời mở rộng cho các ten-xơ (SMLRAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.2.1. Mối liên hệ giữa SLRAM và phân tích ten-xơ . . . . . . . . . . 81 3.2.2. Xấp xỉ hạng thấp đa tuyến tính đồng thời mở rộng cho các ten-xơ 82 3.3. Hệ thống đa bước phát hiện gai động kinh đa kênh dựa trên phân tích ten-xơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.3.1. Biểu diễn dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3.2. Trích xuất đặc trưng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.3.3. Lựa chọn đặc trưng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3.4. Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4.1. Biểu diễn dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2
8. 3.4.2. Trích xuất đặc trưng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.4.3. Lựa chọn đặc trưng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4.4. Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.5. Phương pháp lựa chọn đặc trưng mới cho hệ thống đa bước phát hiện gai động kinh đa kênh dựa trên phân tích ten-xơ . . . . . . . . . . . . . 119 3.5.1. Phương pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.5.2. Mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.6. Kết nối với các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.6.1. Kết nối với phân tích thành phần đồng thời . . . . . . . . . . . . 125 3.6.2. Kết nối với phân tích không gian con đồng thời . . . . . . . . . 125 3.6.3. Kết nối với phân tích thành phần chính đa tuyến tính . . . . . . 126 3.7. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 PHỤ LỤC A. CHỨNG MINH ĐỊNH LÝ 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 PHỤ LỤC B. CHỨNG MINH HỆ QUẢ 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 PHỤ LỤC C. CHỨNG MINH HỆ QUẢ 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3
9. DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Giải thích 1 R Tập số thực 2 RN Không gian véc-tơ thực N chiều 3 chữ thường, chữ in nghiêng Đại lượng vô hướng hoặc chữ hoa in hoa, ví dụ a, N 4 chữ thường in đậm, ví dụ a Đại lượng véc-tơ, các thành phần của véc-tơ a được ký hiệu là ai 5 chữ in hoa in đậm, ví dụ U Ma trận, các thành phần của ma trận U được ký hiệu là uij 6 chữ in hoa nghiêng in đậm, ví Ten-xơ, các thành phần của ten-xơ X được ký dụ X hiệu là xi1i2:::in 7 ¥ Tích ngoại 8 b Tích Kronecker 9 d Tích Khatri-Rao 10 ¦ Tích Hadamard 11 xX; Yy Tích nội của ten-xơ X và ten-xơ Y 12 p¤q# Giả nghịch đảo của ma trận p¤q 13 trp¤q Trace của ma trận p¤q 14 }A} Chuẩn của ten-xơ A 15 }X}F Chuẩn Frobenius của ten-xơ X 16 xA; By Tích nội của ten-xơ A và ten-xơ B có cùng kích thước 17 A ` B Xếp chồng của ten-xơ A với ten-xơ B 18 pkq Mode (chế độ) của ma trận hoặc ten-xơ 4
10. 19 Apkq của ten-xơ A bậc n Mode-k (chế độ k) của ten-xơ A, k ¤ n 20 A ¢k U Phép nhân k-mode của ten-xơ A với ma trận U ¢ ¢ P I1 I2::: IN 21 xi1i2:::iN Phần tử của ten-xơ X R 22 λ Ten-xơ đường chéo 23 rankpUkq Hạng của ma trận Uk 24 G Ten-xơ lõi t ur 25 λi i1 Các phần tử đường chéo của ten-xơ lõi G 26 Λ Ma trận đường chéo 27 vecpUq Véc tơ hóa ma trận U 28 σ Độ lệch chuẩn 29 Σ Ma trận hiệp phương sai 30 γpfiq Điểm Fisher của đặc trưng fi 31 θ Ngưỡng quyết định 5