Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů

Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů

Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti ERP



Encefalograf (EEG) - vzniká součinností neuronů thalamu a kortexu (mozkové kůry). Hlavním zdrojem EEG je elektrická aktivita synapto-dendrických membrán v povrchových vrstvách kortexu.

EEG - většinou rytmické a má sinusoidní tvar. Skládá se z aktivity pozadí a tzv. evokovaných potenciálů (ERP)

Měření EEG

•na povrchu hlavy•systém elektrod, které se lepí, nebo speciální EEG čepice


Rozložení elektrod – systém 10-20


Aktivita pozadí

•měřitelná převážně v zadní části hlavy•frekvence 8-13 Hz•produkována mozkem, který je:

– zdravý (alfa se mění se nebo ztrácí s výskytem tumorů, traumat, encefalitidy apod.)–bdělý (ve spánku a v bezvědomí se rozpadá) –zralý (zhruba od 8 let pravidelná) –při zavřených očích (při otevřených očích se blokuje)

•amplituda 30-80 µV

Alfa aktivita


• frekvence 14-40Hz (nejčastěji 15-25Hz), někdo udává > 12Hz • amplituda 10-20 µV, někdy 20-30 µV• obvykle tvar sinusoidy• nemusí být synchronní nad oběma hemisférami • výskyt: • - nejčastěji frontálně (25-30Hz), - centrálně (14-22Hz) - týlně jako tzv. rychlá alfa varianta

• amplituda může být zvýšena při ospalosti, NREM-I, II, REM, farmakologickém ovlivnění – barbituráty, benzodiazepiny, u žen může být častější výskyt než u mužů

Beta aktivita


• frekvence < 4Hz (0.1-3 Hz)• amplituda 10-300 µV• výskyt - oboustranný, obvykle elektrody F3,C3• u dětí do 1 roku je výskyt normální • u dospělého pouze u NREM III a IV fázi spánku, v bdělém stavu signalizuje poruchy (u lidí s poruchou pozornosti roste amplituda, pokud se snaží soustředit se)

Delta aktivita


• frekvence 4-7 Hz• amplituda <30 µV• mezistav mezi spánkem a bdělostí • může se objevit při:

• vnitřním soustředění, • meditaci, • motlitbách

• má souvislost s kreativitou, intuicí, denním sněním, fantazií, vzpomínkami

Výskyt: většinou v oblasti spánkových laloků, amplituda může být vyšší v levé hemisféře • je běžnou součástí normálního záznamu (častěji se vyskytuje u dětí a adolescentů než u dospělých)• nemá převyšovat týlní alfa aktivitu o více než 50 %

Theta aktivita


• frekvence >30 Hz, obvykle se udává 36-44 Hz (v některých publikacích 30-60 Hz)• výskyt po celém povrchu hlavy, mají nízkou amplitudu ( 10 µV)• odráží stav aktivního zpracování informací v kortexu (pokud mozek zpracovává informace z různých oblastí, mají gama vlny obvykle frekvenci 40 Hz, pokud 40Hz chybí neschopnost učit se)• vyskytují se např. při pohybu prstů, mohou souviset se stresem

Gama vlny

• doba trvání 100-200ms • amplituda obvykle <20 µV, zřídka >50µV • mají tvar písmene lambda• výskyt v týlní oblasti (O1, O2 elektrody) při sledování ostře osvětleného předmětu v zorném poli (barevné vzory), často jim předcházejí artefakty pohybu očí vrchol výskytu ve věku 2-15 let

Lambda vlny


Vývoj EEG aktivity

• od narození do 1. roku dítěte – málo pravidelná delta aktivita (1- 3Hz), obvykle vysoké amplitudy, netlumí se otevřením očí• od jednoho do tří let – dominantní je theta rytmus (4-7Hz), vysoké amplitudy (ale nižší než předchozí delta), tlumení otevřením očí nedokonalé, ale může být částečně patné• 3.- 6. rok věku – tzv. prealfa (6-8Hz, typicky 7Hz) - vysoká amplituda, blokuje se otevřením očí, začíná být symetrická v obou hemisférách, je měřitelná v temenní a týlní oblasti • 5.-7. rok – začíná se objevovat pravidelná alfa aktivita (rytmus), amplituda 30-60µV, alfa rytmus je nepřímo úměrný pozornosti (s rostoucí pozorností klesá alfa) Beta aktivita se objevuje společně s alfou a je měřitelná převážně v čelních oblastech.


V EEG záznamu se kromě zmiňovaných vln objevují i tzv. artefakty, které nesouvisí s činností mozku. Nejčastěji se dělí podle původu na artefakty: • od pacienta, což jsou encefalografické záznamy biologického signálu jiného než EEG:

• artefakty z mrkání a jiných pohybů očí• svalové a pohybové artefakty• artefakty ze srdeční činnosti, tepové a z pocení• artefakty z pohybů jazyka • artefakty dentální

•tzv. interferenční artefakty, které vliv elektrické elektromagnetického pole od okolních přístrojů, např. síťový kmitočet 50Hz, zvonění mobilního telefonu, vypnutí/zapnutí osvětlení, ventilačního systému, klimatizace apod.

Artefakty


Evokované Potenciály (ERP – Event-related potentials)

• elektrická odezva mozku nebo mozkového kmene na rozdílné typy stimulací (vizuální, audio, senzorické stimulace)• jsou zaznamenávány podobným způsobem jako EEG (tj. elektrody umístěné na hlavě) • ERP mají tvar krátkodobých vln velmi nízké amplitudy, jejichž morfologie (tvar, latence, doba trvání) závisí na síle stimulu a na mentálním stavu měřeného subjektu (např. na únavě, pozornosti apod.) • v porovnání s EEG jsou to vlny relativně nízké, které vznikají na pozadí běžné EEG aktivity - EEG se v toto případě chová jako šum a je potřeba ho vhodným způsobem odstranit (např. průměrováním), • k určení ERP je nutné subjekt opakovaně stimulovat stejným podnětem a přesně synchronizovat okamžik stimulu s EEG záznamem



ERP lze rozdělit na • exogenní - odezva na fyzikální stimul (odezva senzorů) – nízká doba latence • endogenní – souvisí s kognitivním procesem – mají delší dobu latence ( > 300 ms)

podle druhu stimulace se ERP rozdělují na: • sluchové (auditory ERP) - stimuluje se obvykle krátkým pípnutím o určité frekvenci – odezvou je série vln, která určuje jakým způsobem se neuro informace šíří od sluchového nervu v uchu do mozkové kůry – elektrody se umísťují za levé a pravé ucho na vrchol hlavy


• zrakové (visual ERP) - stimuluje se obrazem ve tvaru šachovnice, kde políčka střídavě mění barvu, blikajícím obrazem apod. Sleduje se šíření informace očním nervem. Elektrody se umísťují v týlní oblasti hlavy.

•somatosenzorické – reakce na různé proudové impulsy, pohyb apod.


Průběh EEG signálu a synchronizační značky


ERP záznam

• normální EEG záznam + synchronizační značky, odpovídající výskytům jednotlivých událostí (stimulům)

• ERP vlny jsou v porovnání s EEG pozadím nízké (5μV u audio ERP, 20 μV u vizuálních ERP)

• k zobrazení ERP vlny je nutné potlačit základní EEG aktivitu obvykle složenou z α,β,γ vln


Potlačení základní EEG aktivity :

– průměrováním jednotlivých epoch.

1. EEG signál je nejprve segmentován do tzv. epoch, což je oblast v okolí synchronizační značky reprezentující výskyt události (např. 0.5 s před značkou a 1s po výskytu značky).

2. Jednotlivé epochy se průměrují potlačuje se základní EEG aktivita, která se v jednotlivých epochách chová jako náhodný signál

– metody tzv. „single-trial“ analýzy - jsou založeny dekompozici signálu (waveletová transformace, matching pursuit apod.) a nalezení koeficientů reprezentující ERP komponenty


ERP experiment a segmentace EEG na jednotlivé epochy

Průměrování jednotlivých epoch

Průměrování epoch


Single-trial analýza (Matching pursuit – princip)

• adaptivní metoda dekompozice signálu• signál je dekomponován na jednotlivé atomy, které jsou vyhledávány ve slovníku funkcí (často se využívá slovnít tzv. Gaborových funkcí


Gaborův atom

Vstupní signál


Single-trial analýza ERP (Matching pursuit)

Atom odpovídající komponentě P3


Aplikační oblasti ERP

• Klinická praxe – vyšetřování základních funkcí vizuálního, sluchového ,

somato-senzorického systému

– intraoperační monitorování (neurochirurgie) – základní vyšetření u komatózních pacientů


• Kriminalistika – „detektor lži“• Brain-computer interface

– umožňuje lidem komunikovat a ovládat vnější svět bez cesty prostřednictvím mozku a periferních nervů a svalů - vhodné pro jedince, kterým vlivem poruchy nervového systému (svalové ochrnutí, ztráta řeči apod.) není umožněn jiný způsob komunikace.


– BCI systémy, které využívají ERP lze např. psát zprávy, řešit rozhodovací úlohy typu ano/ne apod.

ano ne

6 Hz 15 Hz


Nejčastěji používané ERP komponenty

• Vlna P3 (P300)– 3. pozitivní vlna v ERP záznamu s latencí přibližně 300 ms

(latence se může měnit v rozmezí 300-500ms v závislosti na experimentu). Maximální amplitudy dosahuje P3 vlna je na elektrodě Pz.


Vznik P3 vlny – několik teorií• aktualizace pracovní paměti - vlna vzniká v okamžiku, kdy je potřeba aktualizovat pracovní paměť.

• překvapení nad výskytem méně frekventovaného stimulu • výskyt očekávaného stimulu.


• Ustálené zrakové evokované odezvy (steady state visual evoked potential)

ano ne

6 Hz 15 Hz


Příklad jednoduchého ERP experimentu –evokace vizuálního P300 potenciálu

• měřená osoba osoba sleduje monitor, kde jsou zobrazovány dva znaky O a Q

• znak je zobrazován po dobu 800ms, 200 ms je zobrazováno

pouze černé pozadí • Znak O se zobrazuje přibližně 4x časteji (tzv. non-target stimul)

než znak Q (target stimul)• Při zobrazení znaku Q dochází k evokaci vlny s latencí cca 300

ms - P3 komponenta

O Q


Průběh EEG signálu a synchronizační značky


Segmentovaná EEG data

pro znak O (nontarget)

pro znak Q (target)


Průměrovaná data

pro znak O (nontarget)

pro znak Q (target)


Single-trial analýza ERP (Matching pursuit)

Atom odpovídající komponentě P3


výzkum v oblasti ERP a BCI ve spolupráci s neurochirurgií FN Plzeň, KTV FPE ZČU, Dopravní fakultou ČVUT Praha bude zaměřen na: • návrh jednoduchého BCI pro komunikaci s komatózními pacienty, • npodprahové vnímání• motorické testy u dětí a souvislost s mozkovou aktivitou• monitorování pozornosti řidičů, reakce na náhlé změny v zorném poli • využití ERP v kriminalistice (detektor lži).

Výzkum v oblasti ERP na KIV

Date post:	10-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	elijah
View:	34 times
Download:	2 times

Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů

Documents