Điện não đồ mang cả tín hiệu nhận thức thần kinh và nhiễu điện 50 hoặc 60 Hz từ hệ thống dây điện gần đó. Vì sự nhiễu loạn này có thể làm biến dạng dữ liệu thần kinh, các nhà nghiên cứu thường áp dụng bộ lọc chắn dải (notch filter)—một bộ lọc dừng dải hẹp giúp triệt tiêu tần số cụ thể này trong khi vẫn giữ nguyên phần còn lại của phổ EEG.
Bộ lọc Notch là gì?
Bộ lọc notch là một bộ lọc xử lý tín hiệu có chức năng suy giảm mạnh một dải tần số hẹp trong khi cho phép các tần số dưới và trên dải đó đi qua với sự thay đổi tương đối ít. Vùng bị loại bỏ được gọi là dải dừng (stopband), và trung tâm của nó thường được gọi là tần số notch. Bởi vì dải dừng hẹp, bộ lọc này được thiết kế cho một sự nhiễu tập trung, đã biết trước hơn là cho nhiễu phổ rộng.
Trong EEG, thành phần gây nhiễu thường là sự nhiễm điện từ mạng điện lưới được đưa vào thông qua môi trường ghi, dây cáp, bộ khuếch đại hoặc sự khác biệt về trở kháng của điện cực. Bộ lọc notch có thể giảm thành phần 50 Hz hoặc 60 Hz nổi bật, tùy thuộc vào tiêu chuẩn điện địa phương và điều kiện ghi. Nó không loại bỏ mọi nguồn ảnh giả, và nó không phân biệt nhiễu điện với hoạt động của não bằng ý nghĩa; nó tác động lên nội dung tần số.
Cách một bộ lọc Notch hoạt động (và những gì nó không làm được)
Một bộ lọc notch hoạt động bằng cách tạo ra một điểm giảm mạnh trong cái mà các kỹ sư gọi là đáp ứng biên độ của bộ lọc, thực chất chỉ là một biểu đồ thể hiện mức độ mà bộ lọc cho phép mỗi tần số đi qua.
Ở hầu hết các tần số, đáp ứng nằm ở mức gần như tối đa, nghĩa là tín hiệu đi qua mà không bị thay đổi. Tại tần số mục tiêu, thường là 50 hoặc 60 hertz, đáp ứng giảm đột ngột, làm suy giảm dải tần số đó trong khi vẫn giữ nguyên hầu hết các tần số lân cận. Về mặt lý thuyết, kết quả là một tín hiệu sạch, trong đó tiếng ù của đường dây điện đã biến mất nhưng các dao động tự nhiên của não vẫn được giữ lại.
Những gì bộ lọc notch không làm được cũng quan trọng không kém. Nó không phải là một công cụ loại bỏ ảnh giả đa năng.
Nhiễu băng rộng, chẳng hạn như hoạt động của cơ lan rộng trên một dải tần số rộng khi nghiến chặt hàm, hoặc các độ lệch lớn do chớp mắt, sẽ đi thẳng qua bộ lọc notch vì nhiễu đó không bị giới hạn trong một dải hẹp.
Bộ lọc notch cũng không thực hiện phân tích phổ. Nó không chia tín hiệu thành các nhịp thành phần giống như cách phân tích thời gian-tần số thực hiện khi các nhà nghiên cứu muốn xem năng lượng trong các dải theta, alpha hoặc beta thay đổi như thế nào theo thời gian. Một bộ lọc notch chỉ đơn giản là loại bỏ một lát cắt hẹp của nội dung tần số và giữ nguyên phần còn lại của cấu trúc phổ chính xác tại vị trí cũ.
Khái niệm cơ bản về thiết kế bộ lọc Notch dải dừng
Thiết kế dải dừng bắt đầu bằng việc xác định rõ ràng tần số không mong muốn và lượng phổ lân cận có thể chấp nhận hy sinh. Một bộ lọc notch tập trung ở tần số 60 Hz với băng thông rất hẹp sẽ hoạt động khác với bộ lọc làm suy giảm dải 55–65 Hz. Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào tính ổn định của nhiễu, băng thông tín hiệu, tần số lấy mẫu và câu hỏi khoa học hoặc lâm sàng.
Hệ số phẩm chất, thường được viết là Q, thể hiện mối quan hệ giữa tần số trung tâm và băng thông. Bộ lọc Q cao có dải dừng hẹp so với tần số trung tâm của nó; thiết kế Q thấp hơn sẽ ảnh hưởng đến một vùng rộng hơn. Sự suy giảm lớn hơn và các bước chuyển tiếp sắc nét hơn có thể yêu cầu bậc bộ lọc cao hơn, nhưng bậc cao hơn cũng có thể làm tăng hiện tượng đổ chuông (ringing), chi phí tính toán và độ nhạy đối với các chi tiết triển khai.
Các thông số kỹ thuật thiết kế được đánh giá tốt nhất thông qua cả hành vi trong miền tần số và miền thời gian. Biểu đồ tần số cho thấy độ suy giảm, băng thông và độ gợn dải thông, trong khi đáp ứng xung hoặc đáp ứng bước hiển thị hiện tượng đổ chuông và hành vi quá độ. Đối với EEG, một cải tiến rõ rệt trong phổ cần được xem xét cùng với hình thái dạng sóng, thời gian sự kiện và bất kỳ quá trình trích xuất đặc trưng nào tiếp sau đó.
Bộ lọc Notch và Bộ lọc dải dừng: Sự khác biệt là gì?
Một bộ lọc notch thường được hiểu là một dạng hẹp của bộ lọc dải dừng. Cả hai đều làm suy giảm các tần số bên trong dải dừng và cho phép các tần số bên ngoài đi qua, nhưng bộ lọc notch thường nhắm vào một tần số cụ thể, cô lập hoặc một khoảng rất nhỏ.
Một bộ lọc dải dừng rộng có thể phù hợp khi nhiễu chiếm một vùng rộng hơn, được xác định rõ ràng. Bộ lọc notch mang tính bảo toàn hơn khi mục tiêu là loại bỏ một thành phần đường dây đơn lẻ trong khi vẫn giữ lại hoạt động lân cận. Trong EEG, tính bảo toàn rõ rệt đó không loại bỏ nhu cầu xem xét lại, vì một bộ lọc hẹp vẫn có thể ảnh hưởng đến các họa tần, pha hoặc các ước lượng phổ xung quanh mục tiêu.
Bảng so sánh sau đây tóm tắt sự khác biệt điển hình. Hành vi thực tế phụ thuộc vào đặc thông kỹ thuật và việc triển khai bộ lọc, do đó các nhãn phân loại không nên thay thế cho việc kiểm tra đường cong đáp ứng.
Đặc tính | Bộ lọc Notch | Bộ lọc dải dừng rộng | Ý nghĩa EEG điển hình |
|---|---|---|---|
Độ rộng dải dừng | Hẹp | Rộng hơn | Bộ lọc notch thường bảo toàn nhiều tần số lân cận hơn |
Mục tiêu chính | Một tần số đường dây hoặc khoảng nhỏ | Một dải tần số xác định | Mục tiêu phải khớp với nhiễu quan sát được |
Hệ số phẩm chất | Thường cao | Thường thấp hơn | Q cao hơn có thể giảm méo dạng dải lân cận |
Sử dụng phổ biến | Tiếng ù nguồn điện hoặc âm cộng hưởng | Nhiễu rộng hoặc dải không mong muốn | Việc lựa chọn phụ thuộc vào ảnh giả và câu hỏi nghiên cứu |
Do đó, sự khác biệt thực tế là một trong những tính chọn lọc. Bộ lọc notch không tự động an toàn hơn, và bộ lọc dải dừng rộng không tự động là quá mức; mỗi loại phải được đánh giá dựa trên các đặc tính tín hiệu quan trọng đối với bản ghi.
Sử dụng Bộ lọc Notch trong Xử lý Tín hiệu EEG
Tín hiệu EEG chứa các dao động điện áp biên độ thấp được tạo ra bởi hoạt động thần kinh phân tán, cùng với các ảnh giả sinh lý và môi trường. Bộ lọc notch có thể được sử dụng trong quá trình tiền xử lý khi đỉnh phổ hẹp nhất quán với nhiễu mạng điện lưới.
Đây là một thao tác trong một quy trình làm việc lớn hơn có thể bao gồm:
Tham chiếu lại (Rereferencing)
Đánh giá kênh lỗi
Hiệu chỉnh ảnh giả
Phân đoạn
Xử lý đường nền
Thời điểm lọc rất quan trọng. Áp dụng bộ lọc trước khi chia phân đoạn (epoching) có thể tạo ra các hiệu ứng biên tại các ranh giới của bản ghi liên tục, trong khi áp dụng riêng biệt cho các phân đoạn ngắn có thể tạo ra các đáp ứng quá độ và đáp ứng tần số khác nhau.
Các nhà nghiên cứu cũng phân biệt xử lý ngoại tuyến (offline) với xử lý thời gian thực: các phương pháp phi nhân quả hoặc pha không (zero-phase) có thể thực tế đối với dữ liệu đã lưu trữ nhưng không thể được sử dụng theo cùng một cách khi các quyết định cần được đưa ra ngay lập tức.
Một bộ lọc notch nên được đánh giá dựa trên mục tiêu phân tích. Nó có thể hợp lý để giảm đỉnh tần số đường dây ổn định, nhưng nó không thể sửa lỗi do chuyển động của điện cực, hoạt động của cơ, chuyển động của mắt, tiếp xúc kém hoặc nhiễu bộ khuếch đại băng rộng. Bối cảnh ghi EEG, sơ đồ vị trí điện cực (montage), điện cực tham chiếu, tốc độ lấy mẫu và hồ sơ ảnh giả đều ảnh hưởng đến việc liệu một bộ lọc tần số hẹp là hữu ích hay gây sai lệch.
Tần số bộ lọc Notch phổ biến (50Hz và 60Hz)
Các tần số notch quen thuộc nhất trong EEG là 50 Hz và 60 Hz, tương ứng rộng rãi với các hệ thống điện lưới khu vực. Mục tiêu chính xác được xác định bởi môi trường ghi, không phải bởi một sở thích chung. Một phổ tần số có thể cho biết thành phần đường dây nào đang hiện diện, mặc dù các họa tần và nhiễu đặc thù của thiết bị có thể làm phức tạp bức tranh.
Cài đặt 50 Hz hoặc 60 Hz cũng có thể ảnh hưởng đến các họa tần ở bội số của tần số cơ bản, tùy thuộc vào bộ lọc hoặc hệ thống thu nhận dữ liệu. Một bộ lọc tập trung vào tần số cơ bản không nhất thiết loại bỏ mọi họa tần trừ khi các tần số đó được giải quyết riêng biệt hoặc hệ thống có ghi nhận hành vi triệt tiêu họa tần. Việc loại bỏ họa tần có thể thay đổi thêm nội dung tín hiệu và nên được coi là một lựa chọn xử lý rõ ràng.
Các tần số dưới đây là các điểm tham chiếu phổ biến chứ không phải là một chỉ định hoàn chỉnh. Chúng mô tả lý do thông thường để chọn từng mục tiêu và cảnh báo chính liên quan đến nó.
Tần số mục tiêu | Nguồn phổ biến | Cảnh báo chính |
|---|---|---|
50 Hz | Nhiễu mạng điện ở các khu vực sử dụng nguồn điện khoảng 50 Hz | Có thể chồng lấn với nội dung tín hiệu kỹ thuật hoặc thần kinh tần số cao |
60 Hz | Nhiễu mạng điện ở các khu vực sử dụng nguồn điện khoảng 60 Hz | Cài đặt sai khu vực có thể khiến ảnh giả không được loại bỏ |
100 Hz | Họa tần thứ hai của 50 Hz hoặc một thành phần đường dây được quan sát riêng biệt | Việc loại bỏ nó có thể ảnh hưởng đến các phân tích hoạt động tần số cao hơn |
120 Hz | Họa tần thứ hai của 60 Hz hoặc nhiễu thiết bị liên quan | Đỉnh phổ nên được xác minh trước khi lọc |
Các giá trị này nên được ghi chép lại cùng với vị trí thu nhận, băng thông bộ lọc, độ suy giảm và liệu có bao gồm các họa tần hay không. Chỉ báo cáo "đã lọc notch" sẽ làm cho việc diễn giải và lặp lại nghiên cứu sau này trở nên khó khăn hơn.
Các lỗi thường gặp khi áp dụng bộ lọc Notch
Lỗi thường gặp nhất là xem bộ lọc notch như một bước làm sạch đa năng. Một bộ lọc hẹp có một mục tiêu cụ thể, vì vậy nó phải được liên kết với một nguồn nhiễu được quan sát hoặc có lý do chính đáng. Nếu ảnh giả không ổn định, rộng hoặc bị chi phối bởi các quá độ, một bộ lọc notch cố định có thể mang lại lợi ích hạn chế trong khi vẫn làm thay đổi tín hiệu.
Một sai lầm khác là bỏ qua mối quan hệ giữa việc lọc và phần còn lại của quy trình tiền xử lý. Thay đổi tham chiếu, tái lấy mẫu, ranh giới phân đoạn và loại bỏ ảnh giả đều có thể ảnh hưởng đến phổ ghi nhận được.
Một bộ lọc được áp dụng mà không kiểm tra bản ghi thô và các thông số thu nhận của nó có thể che giấu một vấn đề vốn dĩ sẽ được giải quyết tốt hơn thông qua bảo trì điện cực, bọc chống nhiễu, nối đất hoặc đánh giá chất lượng kênh.
Một chuỗi quy trình đánh giá nhỏ gọn có thể giúp đảm bảo quyết định lọc có thể được kiểm chứng:
Kiểm tra phổ chưa lọc và dạng sóng để tìm thành phần nhiễu hẹp, ổn định.
Xác nhận tần số điện lưới địa phương cũng như cài đặt lấy mẫu và bộ lọc của hệ thống ghi.
So sánh các băng thông tiềm năng bằng cách sử dụng cả độ suy giảm phổ và dạng sóng miền thời gian.
Ghi lại loại bộ lọc, bậc, tần số trung tâm, băng thông, chế độ pha và giai đoạn xử lý.
Nguy cơ méo tín hiệu
Các nhà nghiên cứu cho rằng bộ lọc notch, mặc dù được sử dụng rộng rãi, mang lại “nguy cơ gây ra những méo mó tín hiệu nghiêm trọng tiềm ẩn.”
Để kiểm tra điều này, một nghiên cứu năm 2019 đã xây dựng các tín hiệu thử nghiệm tổng hợp và cũng làm việc với các bản ghi EEG và MEG thực tế, bao gồm dữ liệu EEG được thu thập trong môi trường không được bọc chống nhiễu, nơi nhiễu đường dây điện đặc biệt mạnh. Sử dụng bộ lọc notch Butterworth, một thiết kế bộ lọc IIR phổ biến, họ phát hiện ra rằng nhiễu đường dây được loại bỏ hiệu quả. Nhiễu ở 50 hoặc 60 hertz biến mất khỏi phổ tần số đúng như mong đợi. Nhưng quá trình lọc tương tự đã gây ra những méo mó trong miền thời gian, nghĩa là hình dạng của dạng sóng theo thời gian đã bị thay đổi theo những cách vượt ra ngoài việc chỉ đơn thuần loại bỏ tần số không mong muốn.
Khi các thử nghiệm tương tự được chạy bằng cách sử dụng phương pháp nội suy phổ (spectrum interpolation) để thay thế, phương pháp này tương đương với khả năng loại bỏ nhiễu đường dây của bộ lọc notch, nhưng nghiên cứu báo cáo rằng nó cho thấy “ít méo mó hơn trong miền thời gian trong nhiều tình huống phổ biến.”
Ưu thế này không phải là vạn năng hay tuyệt đối. Nó xuất hiện trong nhiều tình huống phổ biến, điều này mở ra khả năng cho các trường hợp mà hai phương pháp có thể hoạt động tương tự nhau, hoặc nơi các yếu tố khác có thể làm thay đổi kết quả.
Tại sao loại bỏ nhiễu đường dây điện khỏi EEG xứng đáng có một giải pháp kỹ lưỡng hơn là chỉ cài đặt mặc định
Bộ lọc notch cung cấp một cách chính xác để làm suy giảm thành phần tần số hẹp, giúp nó phù hợp với các bản ghi EEG bị ảnh hưởng bởi nhiễu mạng điện ổn định. Tính hữu dụng của nó phụ thuộc vào việc xác định tần số chính xác, băng thông phù hợp, nhận thức về hiệu ứng pha và hiệu ứng biên, và so sánh với tín hiệu chưa lọc.
Được sử dụng như một bước đã được ghi chép lại trong các hoạt động tiền xử lý và chất lượng tín hiệu rộng hơn trong các thiết lập khoa học thần kinh, nó có thể giảm nhiễu mà không loại bỏ thông tin lân cận một cách không cần thiết.
Tài liệu tham khảo
Leske, S., & Dalal, S. S. (2019). Reducing power line noise in EEG and MEG data via spectrum interpolation. NeuroImage, 189, 763–776. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.01.026
Các câu hỏi thường gặp
Nhiệm vụ chính của bộ lọc notch trong các bản ghi EEG là gì?
Bộ lọc notch là một bộ lọc dải dừng hẹp giúp triệt tiêu một tần số cụ thể—thường là tiếng ù đường dây điện 50 hoặc 60 Hz—trong khi vẫn bảo tồn phần còn lại của phổ EEG. Nó chỉ nhắm vào nhiễu điện tần số cố định này, chứ không phải các ảnh giả băng rộng như hoạt động của cơ hoặc chớp mắt.
Tại sao các bộ lọc notch 50 Hz và 60 Hz lại phổ biến?
Các tần số này tương ứng rộng rãi với các tiêu chuẩn nguồn điện xoay chiều được sử dụng ở các khu vực khác nhau. Nhiễu điện từ môi trường ghi có thể xuất hiện dưới dạng một thành phần đường dây nổi bật tại một trong các tần số này và đôi khi tại các họa tần của nó.
Tại sao không sử dụng phân tích thành phần độc lập (ICA) để loại bỏ nhiễu đường dây?
ICA tách biệt các tín hiệu nguồn khác nhau trên các điện cực chứ không phải các dải tần số cụ thể, vì vậy nó không được thiết kế để nhắm vào một sóng hình sin tần số cố định, đơn lẻ như tiếng ù đường dây điện. Bộ lọc notch vẫn là công cụ tiêu chuẩn vì nó làm suy giảm trực tiếp tần số đó, trong khi ICA có thể không tách biệt được nhiễu đường dây thành một nguồn riêng lẻ.
Loại méo tín hiệu nào đã được quan sát trực tiếp với bộ lọc notch?
Một nghiên cứu sử dụng cả tín hiệu tổng hợp và dữ liệu EEG thực tế cho thấy bộ lọc notch Butterworth có thể gây ra hiện tượng méo miền thời gian, làm thay đổi hình dạng của dạng sóng ngoài việc chỉ đơn thuần loại bỏ tiếng ù. Những méo mó này được ghi nhận là có nguy cơ nghiêm trọng, mặc dù tác động chính xác đến các phép đo thần kinh cụ thể như ERP chưa được kiểm tra trong cùng nghiên cứu đó.
Cách an toàn nhất để sử dụng bộ lọc notch nếu bạn bắt buộc phải dùng là gì?
Nếu áp dụng bộ lọc notch, các thông số nhẹ nhàng hơn—chẳng hạn như băng thông rộng hơn một chút và độ suy giảm ít dốc hơn—có thể giảm nguy cơ đổ chuông miền thời gian quá mức, mặc dù tác hại chính xác đối với các phân tích tiếp theo chưa được định lượng trong dữ liệu được xem xét. Việc so sánh trực quan giữa các đường tín hiệu thô và đường tín hiệu đã lọc cũng như ghi lại từng bước tiền xử lý để phát hiện các méo mó không mong muốn cũng là một quyết định khôn ngoan.
Bộ lọc notch có thể loại bỏ hoạt động thực tế của não không?
Có. Nếu hoạt động thần kinh có ý nghĩa trùng lặp với tần số mục tiêu hoặc băng thông bị ảnh hưởng của nó, việc lọc có thể làm giảm hoạt động đó. Khả năng này đặc biệt liên quan khi phân tích các nhịp tần số cao hơn hoặc các họa tần gần notch.
Emotiv là một đơn vị dẫn đầu về công nghệ thần kinh, giúp thúc đẩy nghiên cứu khoa học thần kinh thông qua các công cụ EEG và dữ liệu não bộ dễ tiếp cận.
Christian Burgos
