ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Αποτίμηση δυναμικών α η επίδρασης νευρών ν κατά τη διάρκεια ψυ οακουστικής διαδικασίας με τη ρήση του Συνε ούς Μετασ ηματισμού Κυματιδίου ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Π. ΦΟΥΣΤΟΥΚΟΥ Επι έπουσα: Κ. Σπ. Νικήτα Κα η ήτρια Ε.Μ.Π. ΑΘΗΝΑ, ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2014

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Αποτίμηση δυναμικών α η επίδρασης νευρών ν κατά τη διάρκεια ψυ οακουστικής διαδικασίας με τη ρήση του Συνε ούς Μετασ ηματισμού Κυματιδίου ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Π. ΦΟΥΣΤΟΥΚΟΥ Επι έπουσα: Κ. Σπ. Νικήτα Κα η ήτρια Ε.Μ.Π. Ε κρί ηκε από την τριμε ή εξεταστική επιτροπή την 16/01/ Κ. Σπ. Νικήτα Κα η ήτρια Ε.Μ.Π... Γ. Κ. Ματσόπου ος Επ. Κα η ητής Ε.Μ.Π.... Δ.-Δ. Κουτσούρης Κα η ητής Ε.Μ.Π. ΑΘΗΝΑ, ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2014

4 ... Γεώρ ιος Π. Φουστούκος Διπ ματού ος Η εκτρο ό ος Μη ανικός και Μη ανικός Υπο ο ιστών Ε.Μ.Π. Copyright Γεώρ ιος Π. Φουστούκος, 2014 Με επιφύ αξη παντός δικαιώματος.all rights reserved. Απα ορεύεται η αντι ραφή, απο ήκευση και διανομή της παρούσας ερ ασίας, εξ ο οκ ήρου ή τμήματος αυτής, ια εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπ ση, απο ήκευση και διανομή ια σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπό εση να αναφέρεται η πη ή προέ ευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερ τήματα που αφορούν τη ρήση της ερ ασίας ια κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευ ύνονται προς τον συ ραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέ ονται σε αυτό το έ ραφο εκφράζουν τον συ ραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευ εί ότι αντιπροσ πεύουν τις επίσημες έσεις του Ε νικού Μετσό ιου Πο υτε νείου. 4

5 Περί ηψη Ο σκοπός της διπ ματικής ερ ασίας είναι η συσ έτιση τ ν παραμέτρ ν που προκύπτουν από την ψηφιακή επεξερ ασία σημάτ ν Hλεκτροεγκεφαλογραφήματος(ΗΕΓ), με αντίστοι α αποτε έσματα που προκύπτουν από την ψυ οφυσική επεξερ ασία της αντίδρασης 10 ε ε οντών σε δεδομένο ψυ οακουστικό ερέ ισμα. Η με οδο ο ία επεξερ ασίας τ ν δεδομέν ν, που α περι ραφεί στη συνέ εια, αναπτύ ηκε στο π αίσιο τρέ ουσας ερευνητικής δραστηριότητας που διεξά εται από κοινού από το Εργαστήριο Βιοϊατρικών Προσομοιώσεων και Απεικονιστικής Τεχνολογίας του E.M.Π. και το Εργαστήριο Ψυχοφυσιολογίας του Ερευνητικού Πανεπιστημιακού Ινστιτούτου Ψυχικής Υγιεινής-ΕΠΙΨΥ. O κύριος σκοπός της δραστηριότητας αυτής είναι η διαφορική εκτίμηση πι ανών α α ών, που σ ετίζονται με την η εκτρομα νητική έκ εση, σε α)σήματα ηλεκτροεγκεφαλογράφηματος, )σήματα προκλητών δυναμικών και )ψυχοακουστικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια ψυ οακουστικών πειραμάτ ν. Το ψυ οακουστικό ερέ ισμα, που οδη είται στον ε ε οντή, αρακτηρίζεται από δύο πα μούς, ο πρώτος εκ τ ν οποί ν έ ει στα ερή διάρκεια 500ms, ενώ η διάρκεια του δεύτερου μετα ά εται από 420ms μέ ρι 620ms. Με τη ρήση τ ν πειραματικών δεδομέν ν, υπο ο ίζονται οι μετρικοί δείκτες που ασίζονται στο Συνεχή Μετασχηματισμό Κυματιδίου. Οι δείκτες αυτοί περι αμ άνουν τη Συνάφεια Κυματιδίου, τον Τοπικό Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου, και τη Συνάρτηση Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου. Η ερεύνα στο π αίσιο της διπ ματικής ερ ασίας, ξεκίνησε με την ανάπτυξη του προ ραμματιστικού ερ α είου, σε ώσσα προ ραμματισμού MATLAB, με σκοπό την ανά ν ση και επεξερ ασία τ ν κατα ραφόμεν ν σημάτ ν ΗΕΓ, που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία. Στη συνέ εια, πρα ματοποιή ηκε μια αναζήτηση στην πα κόσμια ι ιο ραφία, της σημασίας κά ε μετρικού δείκτη ια την υποκείμενη ε κεφα ική ειτουρ ία, και έπειτα ερμηνεύ ηκαν κάποια από τα αποτε έσματα της επεξερ ασίας τ ν σημάτ ν ΗΕΓ. Τέ ος, έ ινε μια προσπά εια ια τη συσ έτιση τ ν παραπάν αποτε εσμάτ ν, με αντίστοι α αποτε- έσματα, που προέκυψαν από την ψυ οακουστική επεξερ ασία τ ν απαντήσε ν του ε ε οντή σε δεδομένη ερώτηση. Σύμφ να με την Κυματιδιακή Ανά υση σημάτ ν ΗΕΓ, όταν η διάρκεια του δεύτερου πα μού είναι ίση με 560ms, εμφανίζεται μια απότομη πτώση στη μέση Συνάφεια Κυματιδίου, στον μέσο Τοπικό Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου και στη μέση Συνάρτηση Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου. Το φαινόμενο αυτό σ ετίζεται με διάφορα στάδια μεί σης της συσ έτισης φάσης και π άτους μεταξύ τ ν διάφορ ν περιο ών του ε κεφά ου. Οι α α ές αυτές ανι νεύονται στους ρυ μούς δέλτα, θήτα, άλφα και βήτα, σε ό α σ εδόν τα η εκτρόδια. Ο ρυ μός γάμμα φαίνεται να επηρεάζεται σε ι ότερο α μό από τη ρονική διάρκεια του δεύτερου πα μού. Τε ικός σκοπός είναι μέσα από τη συσ έτιση τ ν δεδομέν ν που προκύπτουν από τους δύο αυτούς επιστημονικούς τομείς (δη. Κυματιδιακή Ανά υση και Ψυ οακουστική), να πρα ματοποιη εί μια ανί νευση η εκτροδί ν που αντιστοι ούν σε περιο ές του ε κεφά ου που ενερ οποιούνται κάτ από την επίδραση συ κεκριμέν ν ψυ οακουστικών ερε ισμάτ ν και η με έτη της α η επίδρασης τους. Τα αποτε έσματα της παραπάν με έτης μπορούν να ρησιμοποιη ούν ια τη διερεύνηση τ ν πο ύπ οκ ν μη ανισμών του αν ρώπινου ε κεφά ου, που σ ετίζονται με τη ήψη και την επεξερ ασία της ακουστικής π ηροφορίας. Λέξεις κ ειδιά: Η εκτρο κεφα ο ράφημα, Προκ ητά Δυναμικά, ρυ μός, ψυ οακουστικό ερέ ισμα, Ψυ- οφυσική Συνάρτηση, Ε ά ιστη Αντι ηπτή Διαφορά, Συνε ής Μετασ ηματισμός Κυματιδίου, Συνάφεια Κυματιδίου, Τοπικός Συντε εστής Συσ έτισης Κυματιδίου, Συνάρτηση Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου. 5

6 6

7 Abstract The aim of the thesis is to assess the potential correlation between Encephalogram(EEG) features which are computed using digital signal analysis techniques in conjunction with corresponding parameters that are obtained using psychophysical analysis of 10 subjects response to a predefined psychoacoustic stimuli. The data processing methodology which will be described, is developed in the frame of ongoing research work being conducted by Biomedical Simulations and Imaging Laboratory, NTUA and the University Mental Health Research Institute. The main scope of the research workflow will be the differential assessment of potential alternations, related to electromagnetic exposure, in a)electroencephalogram, b)event related potentials recordings and c)psychoacoustics parameters during peri-limen acoustic human study. The psychoacoustic stimulus which triggers the subject s brain, is characterized by two pulses, the first one has a constant duration of 500ms, when the duration of the second one, varies from 420ms to 620ms. The metric indexes which are estimated from the experimental data, are based on the Continuous Wavelet Transform(CWT). These include the Wavelet Coherence, the Wavelet Local Correlation Coefficient and the Cross Wavelet Correlation Function. The research in the frame of the thesis, began with the development of the MATLAB based tool, which reads and processes the recorded EEG signals. Following, a search in the international literature was conducted, in order to reveal the relationship between the computed metric indexes and the brain function, and then the corresponding results were interpreted. A potential correlation between these results and the results which were obtained from the psychoacoustic processing of the subjects response to the predefined question related to the stimulus was finally described. According to the wavelet based EEG analysis, when the duration of the second pulse is 560ms, there is a sharp drop in the mean Wavelet Coherence, Wavelet Local Correlation Coefficient and Cross Wavelet Correlation Function. This fact is associated with decreasing stages of amplitude and phase correlation among different regions of the brain. Changes are detected on delta, theta, alpha and beta rhythm, in almost all electrodes. The gamma rhythm seems to be less affected by the second s pulse duration. The final scope is, by using the data that are obtained by this interdisciplinary analysis (i.e. Wavelet Analysis and Psychoacoustics), to track electrodes which are related to human brain s functional regions that are being triggered under this specific psychoacoustic stimulation and also to investigate the interaction between them. These results can be quite useful to deeply understand the complex mechanisms of human brain which participate in the reception and processing of the acoustic information. Key Words: Encephalogram, Evoked Response Potential, rhythm, psychoacoustic stimulus, Psychometric Function, Just Noticeable Difference, Continuous Wavelet Transform, Wavelet Coherence, Wavelet Local Correlation Coefficient, Cross Wavelet Correlation Function. 7

8 8

9 Ευ αριστίες Η παρούσα διπ ματική ερ ασία πρα ματοποιή ηκε στο Ερ αστήριο Βιοϊατρικών Προσομοιώσε ν και Απεικονιστικής Τε νο ο ίας(biosim) του Ε.Μ.Π. την περίοδο Η εκπόνηση της διπ ματικής αυτής ερ ασίας έ ινε υπό την επί εψη της κα η ήτρια του Ε.Μ.Π. Κ νσταντίνας Νικήτα την οποία και έ να ευ αριστήσ που μου έδ σε τη δυνατότητα να πρα ματοποιήσ στο ερ αστήριο αυτό την πρώτη μου προσπά εια ια ερεύνα ς Η εκτρο ό ος Μη ανικός και Μη ανικώς Η/Υ, α ά και ια ό η τη στήριξή της κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της ερ ασίας. Θα ή ε α επίσης να ευ αριστήσ ερμά τους διδάκτορες, Μαρία Χριστοπού ου και Νίκο Τσιαπάρα ια την κα οδή ηση τους στη δύσκο η αυτή προσπά εια ια εξα ή σημαντικών αποτε- εσμάτ ν μέσ της ερ ασία αυτής α ά και ια τις καίριες επισημάνσεις τους κατά τη διάρκεια της έρευνας. Οι συμ ου ές και η εμπειρία τους, στά ηκαν κα οριστικοί παρά οντες ια την ορ ή ο οκ ήρ ση και παρουσίαση του παρόντος κειμένου. Τέ ος α ή ε α να ευ αριστήσ τη συμφοιτήτρια και συνερ άτη μου, Ε ένη Τσακιράκη με την οποία ερ αστήκαμε μαζί σε κάποιο κομμάτι της διπ ματικής αυτής ερ ασίας και αντα άξαμε απόψεις μέσα από μια διαδικασία α η ο οή ειας και α η οσυμπ ήρ σης. H παρούσα έρευνα έ ει συ ρηματοδοτη εί από την Ευρ παϊκή Έν ση(ευρ παϊκό Κοιν νικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από ε νικούς πόρους μέσ του Επι ειρησιακού Προ ράμματος Εκπαίδευση και Δια Βίου Μά ηση του Ε νικού Στρατη ικού Π αισίου Αναφοράς(ΕΣΠΑ) Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έρ ο: ΘΑΛΗΣ. Επένδυση στην κοιν νία της νώσης μέσ του Ευρ παϊκού Κοιν νικού Ταμείου. 9

10 10

11 Περιε όμενα 1 Εισα ή, Κίνητρο και Δομή της Ερ ασίας 17 2 Βασικές αρ ές κατα ραφής Η εκτροε κεφα ο ραφήματος Στοι εία Ε κεφα ικής Νευροφυσιο ο ίας Περι ραφή του σήματος ΗΕΓ και ειτουρ ία του Η εκτροε κεφα ο ράφου Στοι εία Ανατομίας Ε κεφά ου Βασικοί ρυ μοί του σήματος ΗΕΓ Βι ματικά Δυναμικά του Ε κεφά ου Βασικά συστατικά τ ν ι ματικών δυναμικών και η σημασία τους Βασικές αρ ές επεξερ ασίας σήματος ΗΕΓ Πειραματική ψυ οακουστική διαδικασία και ερ αστηριακός εξοπ ισμός Περι ραφή πειραματικής διαδικασίας Διαδικασία τοπο έτησης η εκτροδί ν στον ε ε οντή και ήψης σήματος Η εκτροε κεφα ο ραφήματος και Προκ ητών Δυναμικών Εισα ή στην Ψυ οακουστική Υποκειμενικό και Αντικειμενικό Κατώφ ι Με ο ο ίες Προσδιορισμού του Κατ φ ίου Κ ασικές Μέ οδοι Περι ραφή και προσδιορισμός της Ε ά ιστης Αντι ηπτής Διαφοράς Μέ οδοι ανα καστικής επι ο ής Προσαρμόσιμες τε ικές Θε ρία Ανί νευσης Σήματος Εξοπ ισμός του πειράματος Κυματιδιακή Ανά υση Έννοια Κυματιδίου Ιδιότητες Κυματιδίου Κεντρική συ νότητα Κυματιδίου Συνε ής Μετασ ηματισμός Κυματιδίου Ορισμός του Συνε ούς Μετασ ηματισμού Kυματιδίου Κ ίμακες και ψευδοσυ νότητες Ερμηνεία τ ν συντε εστών Κυματιδίου Κώνος επιρροής Εξομά υνση Μετρικοί Δείκτες Βασισμένοι στον Συνε ή Μετασ ηματισμό Κυματιδίου Κυματιδιακή Ισ ύς Κυματιδιακή Ετεροσυσ έτιση Συνάφεια Κυματιδίου Τοπικός Συντε εστής Συσ έτισης Κυματιδίου

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Συνάρτηση Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου Περι ραφή Επεξερ ασίας σημάτ ν ΗΕΓ 59 6 Παρουσίαση Αποτε εσμάτ ν, Συζήτηση και Με οντικές επεκτάσεις Συσ έτιση Μετρικών Δεικτών και Υποκείμεν ν Ε κεφα ικών Λειτουρ ιών Παρουσίαση και Ερμηνεία Αποτε εσμάτ ν Συζήτηση Με οντικές Επεκτάσεις Παράρτημα Αʹ Αποτε έσματα επεξερ ασίας σημάτ ν ΗΕΓ 69 Βι ιο ραφία 85 12

13 Κατά ο ος σ ημάτ ν 2.1 Σ ηματική αναπαράσταση νευρών ν Σ ηματική αναπαράσταση ορ άν σης κυτταρικής μεμ ράνης Μορφή δυναμικού δράσης νευρικού κυττάρου Βασική αρ ή δημιουρ ίας δυναμικών δράσης Σ ηματική αναπαράσταση τ ν τεσσάρ ν ασικών ο ών του ε κεφά ου Εξιδανικευμένο σήμα ΗΕΓ όπου είναι διακριτά ασικά συστατικά του σήματος Ακουστική πα μοσειρά ια μια επανά ηψη που ρησιμοποιείται στην πειραματική διαδικασία Σύστημα τοπο έτησης η εκτροδί ν Παράδει μα εφαρμο ής της με όδου τ ν ορί ν σε υπο ετικό πείραμα κα ορισμού κατ φ ίου Ψυ οφυσική συνάρτηση όπ ς σ εδιάστηκε ια τον ε ε οντή 7 του πειράματος Χάραξη τ ν ψυ οφυσικών συναρτήσε ν τ ν 10 ε ε οντών και η κατά η η προσαρμο ή τους σε επι ε μένες ο ιστικές ψυ ομετρικές συναρτήσεις (α) Πίνακας ερε ίσματος-απάντησης ο οποίος απεικονίζει τις τέσσερις πι ανές ενα - ακτικές ια κά ε επανά ηψη. ( )Οι τέσσερις ενα ακτικές της απάντησης όπ ς κα ορίζονται από το κριτήριο που αντιστοι εί στην κά ετη ραμμή Σ ηματικό διά ραμμα του συστήματος παρα ής του ερε ίσματος και κατα ραφής του σήματος ΗΕΓ Φανταστικό και Πρα ματικό μέρος του μητρικού κυματιδίου cmor Δεδομένα π άτους και φάσης που προκύπτουν από τον υπο ο ισμό τ ν συντε εστών Κυματιδίου Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη Coscalogram Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη W COH Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη W LCC Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη CW CF Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό άμμα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ά φα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό δέ τα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό

14 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Αʹ.1 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό άμμα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.2 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.3 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ά φα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.4 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.5 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό δέ τα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.6 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής του Τοπικού Συντε εστή Συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό άμμα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.7 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής του Τοπικού Συντε εστή Συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.8 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής του Τοπικού Συντε εστή Συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό ά φα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.9 Γραφική παράσταση της μέσης τιμής του Τοπικού Συντε εστή Συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.10Γραφική παράσταση της μέσης τιμής του Τοπικού Συντε εστή Συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό δέ τα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.11Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάρτησης Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό άμμα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.12Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάρτησης Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.13Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάρτησης Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό ά φα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.14Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάρτησης Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια τα 32 η εκτρόδια Αʹ.15Γραφική παράσταση της μέσης τιμής της Συνάρτησης Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου στον ρυ μό δέ τα, ια τα 32 η εκτρόδια

15 Κατά ο ος πινάκ ν 2.1 Βασικοί ρυ μοί σήματος ΗΕΓ Ακο ου ία τιμών διάρκειας του δεύτερου πα μού δοκιμής ια κά ε επανά ηψη Ακο ου ία τιμών της διάρκειας του δεύτερου πα μού δοκιμής ια κά ε επανά ηψη ε έ ου, κατά τη διαδικασία της εξοικεί σης Αποτε έσματα απαντήσε ν του ε ε οντή Τιμές και διακύμανση της ε ά ιστης αντι ηπτής διαφοράς ια τις δυο τε νικές εκτίμησης Κ ίμακες και Ψευδοσυ νότητες ια το κυματίδιο cmor Τε ικές κ ίμακες υπο ο ισμού του Μετασ ηματισμού Κυματιδίου και οι αντίστοι- ες ψευδοσυ νότητες τους

16 16

17 Κεφά αιο 1 Εισα ή, Κίνητρο και Δομή της Ερ ασίας Ο συνδυασμός τ ν δεδομέν ν που προκύπτουν, αφενός από την Ψυχοακουστική επεξερ ασία τ ν απαντήσε ν τ ν ε ε οντών κατά την διάρκεια ψυ οακουστικών πειραμάτ ν και αφετέρου από την επισκόπηση ή την ψηφιακή επεξερ ασία του κατα ραφόμενου κατά την διάρκεια του πειράματος, σήματος Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος(ΗΕΓ), είναι μια τε νική που εφαρμόζεται εδώ και μερικά ρόνια από κάποιες ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο. Αν και ς τε νική δεν είναι ευρέ ς εφαρμόσιμη, σε σημείο να ε ρείται αρκετά προ ρημένη, υπάρ ουν παραδεί ματα δημοσιεύσε ν τα οποία κυρί ς εστιάζουν στη με έτη του τρόπου ήψης και κατανόησης της ακουστικής π ηροφορία από διάφορες ομάδες ε ε οντών, υ ιών ή μη. Οι Bertoli, Smurzynski και Probst([1]) παραδεί ματος άρη, το 2001 με έτησαν τις δυσκο- ίες που αντιμετ πίζουν στην κατανόηση του ό ου, οι άν ρ ποι με α ύτερης η ικίας και το κατά πόσο η δυσκο ία αυτή οφεί εται στη μει μένη ρονική ανά υση(temporal resolution) του συστήματος ακοής τους. Για τον σκοπό αυτό, διεξή αν τόσο ψυ οακουστική εκτίμηση όσο και εκτίμηση με τη ρήση του σήματος ΗΕΓ, του κατ φ ίου πάν από το οποίο ένα η ητικό κενό, μέσα σε έναν κα αρό ημιτονικό τόνο, είναι ανα ν ρίσιμο και σύ κριναν τα αποτε έσματα τ ν δύο με όδ ν. Αρ ότερα, οι Uther, Jansen, Huotilainen, Ilmoniemi και Näätänen([2]) το 2003 με έτησαν και πά ι τη ρονική ανά υση του συστήματος ακοής με τη ρήση ερε ίσματος που ασιζόταν στην ανα νώριση η ητικού κενού σε ημιτονοειδής τόνους, ρησιμοποιώντας τόσο το σήμα Η εκτροε κεφα ο ραφήματος όσο και το σήμα Μα νετοε κεφα ο ραφήματος. Οι συ κεκριμένοι ερευνητές ρησιμοποίησαν επίσης τις απαντήσεις τ ν ε ε οντών κατά τη διάρκεια του ψυ οακουστικού πειράματος ια υπο ο ίσουν τον ρόνο απόκρισης(reaction time) και το ποσοστό επιτυ ίας(hit rate) τ ν ε ε οντών στην ανα νώριση του κενού αυτού, συνδυάζοντας και πά ι τις δύο τε νικές. Επίσης, και πά ι το 2003, οι Micheyl, Carlyon, Shtyrov, Hauk, Dodson και Püllvermuller([3]) με έτησαν το φαινόμενο της ψευδαίσ ησης συνέ ειας που δημιουρ είται σε ε ε οντές όταν το κενό μεταξύ δύο διαδο ικών πα μών εμίζεται με όρυ ο ίδιας συ νότητας με αυτή τ ν πα μών. Και σε αυτή την περίπτ ση οι με ετητές εξή α αν και συνδύασαν τόσο δεδομένα που προκύπτουν από την ψυ οακουστική αντίδραση τ ν ε ε οντών, όσο και δεδομένα που προέκυψαν από την με έτη του κατα ραφόμενου σήματος Η εκτροε κεφα ο ραφήματος. Έπειτα, το 2009 οι Mitsudo, Nakajima, Remijn, Takeichi, Goto και Tobimatsu([4]) ασ ο ή ηκαν με τη με έτη της αφομοί σης της ακουστικής π ηροφορίας, με τη ρήση ψυ οακουστικού ερε ίσματος που αποτε ούταν από δύο πα μούς, εκ τ ν οποί ν ο ένας ήταν στα ερής διάρκειας και ο ά ος μετα ητής. Οι ερευνητές στη με έτη αυτή παρατήρησαν την ύπαρξη ή μη συ κεκριμέν ν ασικών συστατικών Προκ ητών Δυναμικών(ΠΔ) στα κατα ραφόμενα σήματα ΗΕΓ κατά τη διάρκεια δύο διαφορετικών συνεδριών. Στην πρώτη από αυτές, οι ε ε οντές απαντούσαν ποιον από τους δύο εξέ α αν ς πα μό με α ύτερης διάρκειας, παρά ντας με αυτόν τον τρόπο και ψυ οακουστικά δε- 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ, ΚΙΝΗΤΡΟ ΚΑΙ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ δομένα, και στη δεύτερη άκου αν πα ητικά το ερέ ισμα. Τέ ος, το 2013 οι Bennemann, Freigang, Schröger, Rübsamen και Richter([5]) ασ ο ή ηκαν με τη διαφοροποίηση στον τρόπο κατανόησης της ακουστικής π ηροφορίας, ανά ο α με τη ρική έση της πη ής του η ητικού σήματος. Για το σκοπό αυτό, δημιούρ ησαν ακουστικά ερε ίσματα σε διαφορετικές έσεις ύρ από το κεφά ι του ασ ενούς(υπο ο ισμένες σε μοίρες) και υπο ό ισαν τόσο με ψυ οακουστικές με όδους, όσο και με τη ρήση τ ν κατα ραφόμεν ν σημάτ ν ΗΕΓ, το κατώφ ι (και πά ι σε μοίρες) πάν από το οποίο δύο ίδιοι ή οι εκ αμ άνονται από τον ε ε οντή ς διαφορετικοί, ό ο της διαφορετικής έσης της πη ής παρα ής τους. Στη συνέ εια συνέκριναν και πά ι τα αποτε έσματα τ ν δύο με όδ ν. Η παρούσα διπ ματική ερ ασία αναπτύ ηκε στο π αίσιο τρέ ουσας ερευνητικής δραστηριότητας που αμ άνει ώρα στο Εργαστήριο Βϊοιατρικών Προσομοιώσεων και Απεικονιστικής Τεχνόλογίας του E.M.Π.. O κύριος σκοπός της δραστηριότητας αυτής είναι η διαφορική εκτίμηση πι ανών α α ών, που σ ετίζονται με την η εκτρομα νητική έκ εση, σε α)σήματα ηλεκτροεγκεφαλογράφηματος, )σήματα προκλητών δυναμικών και )ψυχοακουστικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια ψυ οακουστικών πειραμάτ ν. Το κίνητρό ια την εκπόνηση της, προέκυψε μετά την ενασ ό ηση με τις παραπάν με έτες, κυρί ς ια ένα ασικό ό ο. Παρά την προσπά εια τ ν ερευνητών να εξά ουν σημαντική π ηροφορία από το σήμα Η εκτροε κεφα ο ραφήματος, αρκούνταν στην απ ή επισκόπηση του ή στον υπο ο ισμό διαφορών σημάτ ν. Κατά την προσ πική μου εώρηση, η ρήση ενός πιο εκτεταμένου μα ηματικού ερ α είου, όπ ς είναι ο Μετασ ηματισμός Κυματιδίου είναι σε έση να αναδείξει σημαντικές επτομέρειες του σήματος που σε συνδυασμό με τα αποτε έσματα από την ψυ οακουστική επεξερ ασία τ ν απαντήσε ν τ ν ε ε οντών, μπορούν να οδη ήσουν σε μια α ύτερη κατανόηση τ ν υποκείμεν ν ε κεφα ικών μη ανισμών ήψης και κατανόησης της ακουστικής π ηροφορίας. Πρα ματικά, η ρήση ενός μετασ ηματισμού διαφορετικού από τον Μετασ ηματισμό Fourier, με ταυτό ρονα ψυ οακουστικά αποτε έσματα, είναι κάτι σπάνιο στη μέ ρι τώρα ι ιο ραφία και το κενό αυτό προσπα εί η παρούσα ερ ασία να συμπ ηρώσει. Η ερεύνα στα π αίσια της παρούσας διπ ματικής ερ ασίας, ξεκίνησε με την ανάπτυξη του προ ραμματιστικού κώδικα, σε ώσσα προ ραμματισμού MATLAB, με σκοπό την ανά ν ση και επεξερ ασία τ ν κατα ραφόμεν ν σημάτ ν ΗΕΓ, που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία. Η επεξερ ασία, ασίστηκε στον υπο ο ισμό Μετρικών Δεικτών που ασίζονται στους Συντε εστές Κυματιδίου, που υπο ο ίστηκαν με τη ρήση του Συνε ούς Μετασ ηματισμού Κυματιδίου. Στη συνέ εια, πρα ματοποιή ηκε μια αναζήτηση στην πα κόσμια ι ιο ραφία, της σημασίας κά ε μετρικού δείκτη ια την υποκείμενη ε κεφα ική ειτουρ ία, και έπειτα ερμηνεύ ηκαν κάποια από τα αποτε έσματα της ασισμένης στην Κυματιδιακή Ανά υση επεξερ ασίας τ ν σημάτ ν ΗΕΓ. Τέ ος, έ ινε μια προσπά εια ια τη συσ έτιση τ ν παραπάν αποτε εσμάτ ν, με αντίστοι α αποτε έσματα, που προέκυψαν από την ψυ οακουστική επεξερ ασίας τ ν απαντήσε ν του ε ε οντή σε δεδομένη ερώτηση. Η ψυ οακουστική αυτή επεξερ ασία εί ε ήδη ά ει ώρα, ια την ίδια ομάδα ε ε οντών, στο [6] και τα αποτε έσματα της ρησιμοποιή ηκαν και στην παρούσα ερ ασία. Η δομή οιπόν της διπ ματικής ερ ασίας μετά το εισα ικό αυτό κεφά αιο διαρ ρώνεται ς εξής: Στο Κεφά αιο 2 ίνεται μια περι ραφή τ ν ασικών αρ ών κατα ραφής σήματος Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας. Αρ ικά, περι ράφεται ο τρόπος παρα ής η εκτρικών δυναμικών από τα νευρικά κύτταρα και το πώς τα δυναμικά αυτά α ροίζονται και κατα ράφονται από τον Ηλεκτροεγκεφαλογράφο. Στη συνέ εια, αναφέρονται τα βασικά ανατομικά χαρακτηριστικά του εγκεφάλου και περι ράφονται οι βασικοί ρυθμοί ενός τυπικού σήματος ΗΕΓ. Τέ ος, ίνεται μια αναφορά στα Προκλητά Δυναμικά και τα ασικά συστατικά που ανήκουν σε αυτά, α ά και μια σύντομη περι ραφή τ ν βασικών αρχών επεξεργασίας τ ν σημάτ ν ΗΕΓ. Στο Κεφά αιο 3 ίνεται μια περι ραφή της πειραματικής ψυ οακουστικής διαδικασίας και του ερ αστηριακού εξοπ ισμού του πειράματος. Αρ ικά, πρα ματοποείται μια περι ραφή του ακουστικού ερε ίσματος και της διαδικασίας στην οποία υπο ά εται ο ε ε οντής. Στη συνέ εια, περι ράφεται το σύστημα τοπο έτησης τ ν η εκτροδί ν στο κεφά ι του ε ε οντή 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ, ΚΙΝΗΤΡΟ ΚΑΙ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ και πρα ματοποείται επίσης μια εισα ή στις ασικές έννοιες της ψυ οακουστικής. Έπειτα, αναφέρεται η Ελάχιστη Αντιληπτή Διαφορά και οι διάφορες τε νικές υπο ο ισμού της. Τέ- ος, αφού ά ει ώρα μια σύντομη αναφορά στη Θεωρία Ανίχνευσης Σήματος, περι ράφεται ανα υτικά ο εξοπλισμός του εργαστηρίου. Στο Κεφά αιο 4 ίνεται μια περι ραφή της Κυματιδιακής Ανάλυσης και του Μετασχηματισμού Κυματιδίου, του ασικού δη αδή μα ηματικού μετασ ηματισμού που ρησιμοποιή ηκε ια την εξα ή π ηροφορίας από τα σήματα ΗΕΓ. Αρ ικά, παρατί ενται ασικές έννοιες απαραίτητες ια την κατανόηση του μετασ ηματισμού. Αφού περι ραφεί και το ρησιμοποιούμενο Κυματίδιο, ίνεται μια ανα υτική μα ηματική περι ραφή του Συνεχούς Μετασχηματισμού Κυματιδίου(ΣΜΚ). Τέ ος ορίζονται και εξη ούνται οι μετρικοί δείκτες που πρόκειται να υπο- ο ιστούν από τα πειραματικά δεδομένα, με την ρήση του ΣΜΚ. Στο Κεφά αιο 5 ίνεται μια περι ραφή της ασισμένης στη Κυματιδιακή Ανά υση επεξεργασίας, στην οποία υπο ή ηκαν τα σήματα ΗΕΓ. Στο Κεφά αιο 6 ίνεται μια περιγραφή και ερμηνεία τ ν αποτε εσμάτ ν που προέκυψαν, και ξεκινά μια συζήτηση ύρ από αυτά, αφού δο εί πρώτα το κατά η ο ι ιο ραφικό υπό α ρο, ενώ στο τέ ος του αναφέρονται πι ανές μελλοντικές επεκτάσεις της παρούσας ερ ασίας. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξερ ασίας τ ν σημάτ ν ΗΕΓ. 19

20 Κεφά αιο 2 Βασικές αρ ές κατα ραφής Η εκτροε κεφα ο ραφήματος Πριν την περι ραφή της πειραματικής διαδικασίας και την ανά υση της ε ρίας του Mετασ ηματισμού Κυματιδίου είναι σημαντικό να αναφερ ούν ασικές αρ ές και ιδιότητες του σήματος η εκτροε κεφα ο ραφήματος και τ ν υποκείμεν ν μη ανισμών που εκφράζονται μέσ αυτού. Το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα(ΗΕΓ) ορίζεται ς η κατα ραφή τ ν διαφόρ ν δυναμικού πάν στην εξ τερική δερματική επιφάνεια του αν ρώπινου κρανίου, ό της ε κεφα ικής δραστηριότητας[7]. 2.1 Στοι εία Ε κεφα ικής Νευροφυσιο ο ίας Πριν την ανά υση του σήματος ΗΕΓ κρίνεται ανα καίο να περι ραφεί η δομή και η ειτουρ ία τ ν νευρών ν, δη αδή τ ν νευρικών κυττάρ ν του αν ρώπινου ε κεφά ου. Ένα νευρώνας αποτε είται από τρία μέρη: το κυρίως νευρικό κύτταρο ή σώμα και τις αποφυάδες τους που ονομάζονται νευρίτες και ρίζονται σε δύο κατη ορίες[7]: 1. Νευράξονες: Ο νευράξονας είναι μια νηματοειδής προέκταση του κυρί ς νευρικού κυττάρου. Οι νευρικές ώσεις που παρά ονται στο κυτταρικό σώμα οδεύουν κατά μήκος του άξονα κατευ υνόμενες προς την από ηξη του. Οι άξονες αυτοί κατα ή ουν στην προσυναπτική μεμ ράνη που συμμετέ ει στον σ ηματισμό της σύναψης, της περιο ής δη αδή που αυτός έρ εται σε η εκτρο ημική επαφή με τους ά ους νευρώνες ια να τους μεταδώσει τα παρα- όμενα σήματα. 2. Δενδρίτες: Οι δενδρίτες είναι διακ αδισμένες απο ήξεις τ ν νευρών ν. Αυτοί ρίσκονται σε η εκτρο ημική επαφή μέσ ν συνάψε ν με τις απο ήξεις διαφόρ ν ά ν αξόν ν, που προέρ ονται από ειτονικούς ή απομακρυσμένους νευρώνες. Οι δενδρίτες, μέσ τ ν μετασυναπτικών μεμ ρανών, συ έ ουν τα σήματα που εκπέμπονται από τις αξονικές απο ήξεις και τα μεταδίδουν στο αντίστοι ο κυτταρικό σώμα του νευρώνα στον οποίο ανήκουν. Η σύναψη, όπου όπ ς αναφέρ ηκε διαρ ρώνεται η σύνδεση δύο νευρών ν, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διότι εκεί πρα ματοποιείται η μετα ί αση της δράσης από την προσυναπτική στη μετασυναπτική μεμ ράνη μέσ μιας πο ύ επτής σ ισμής, που τις ρίζει η οποία ονομάζεται συναπτικό χάσμα. Υπάρ ει η περίπτ ση η σύναψη αυτή να ρίσκεται πο ύ κοντά ή πάν στο σώμα του νευρώνα α ά ακόμα και η περίπτ ση στην ίδια σύναψη να συμμετέ ουν τρεις νευρώνες ταυτό ρονα, οπότε οι απο ήξεις δύο νευρών ν οδεύουν στο ίδιο σημείο ενός δενδρίτη. Μια σ ηματική αναπαράσταση νευρών ν με τους δενδρίτες, τους άξονες και τις συνάψεις του φαίνονται στο Σ ήμα 2.1[9]. 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ Ο όκ ηρος ο νευρώνας μαζί με τον άξονα και τους δενδρίτες κα ύπτεται από την κυτταρική μεμβράνη. Η κυτταρική αυτή μεμ ράνη είναι ένα διπ ό διμοριακό στρώμα από μόρια ιπιδί ν, μέσα στο οποίο υπάρ ουν τοπο ετημένα ε καρσί ς πο ά διαφορετικά είδη πρ τεϊνικών μορί ν. Τα ιπίδια του διμοριακού στρώματος είναι κυρί ς φωσφολιπίδια, τα οποία αποτε ούνται από μια υδρόφι η κεφα ή, η οποία είναι συνδεδεμένη σε δύο υδρο οναν ρακικές α υσίδες που αποτε ούν το υδρόφο ο τμήμα του μορίου. Όταν τα φ σφο ιπίδια ρε ούν σε ένα υδατικό μέσο ορ ανώνονται σε διπο ικό στρώμα, έτσι ώστε οι υδροφο ικές ουρές να είναι όσο το δυνατόν μακρύτερα από το υδατικό μέσο και οι υδρόφι ες κεφα ές τοπο ετούνται μεταξύ του ύδατος και τ ν υδρόφο ν ουρών. Ένα τέτοιο διμοριακό στρώμα είναι ουσιαστικά αδιαπέραστo από τα περισσότερα ιο ο ικώς ενερ ά μόρια, όπ ς αμινοξέα και σάκ αρα κα ώς επίσης και από ιόντα. Στην πρα ματικότητα όμ ς η μεμ ράνη είναι ημιπερατή, διότι οι πρ τεΐνες οι οποίες είναι ενσ ματ μένες στο διμοριακό ιπιδικό της στρώμα, την κάνουν διαπερατή σε πο ές ουσίες και είναι υπεύ υνες ια τη ειτουρ ική δραστηριότητα της ζ ντανής μεμ ράνης. Κάποιες από τις πρ τεΐνες αυτές ειτουρ ούν ς δίοδοι Σ ήμα 2.1: Σ ηματική αναπαράσταση νευρών ν[8]. ιόντ ν, προσφέροντας το κατά η ο περι ά ον ώστε ιόντα, μαζί με τα μόρια νερού που τα ακο- ου ούν να διέρ ονται από μέσα τους. Αυτές οι δίοδοι μά ιστα μπορούν να ριστούν σε διόδους ε ε όμενες από τάση, σε ημικά ε ε όμενες διόδους και σε μη ε ε όμενες διόδους και παίζουν τεράστια σημασία ια τη ειτουρ ία τ ν νευρικών κυττάρ ν. Μια σ ηματική αναπαράσταση της ορ άν σης της κυτταρικής μεμ ράνης φαίνεται στο Σ ήμα 2.2. Κατά μήκος της κυτταρικής μεμ ράνης διατηρείται, σε κατάσταση ηρεμίας μια διαφορά η εκτρικού δυναμικού, τέτοια ώστε το εσ τερικό του κυττάρου να ρίσκεται σε αρνητικό δυναμικό ς προς τον εξ τερικό ώρο. Στην περίπτ ση τ ν νευρικών κυττάρ ν το δυναμικό ηρεμίας είναι της τάξης τ ν ί ν δεκάδ ν mv, περίπου 70mV, και οφεί εται στην άνιση κατανομή τ ν ιόντ ν στις δύο π ευρές της κυτταρικής μεμ ράνης η οποία διατηρείται από τη ειτουρ ία τ ν ενερ ών ιοντικών αντ ιών. Τα δυναμικά τα οποία μετρούμε στην επιφάνεια του κεφα ιού μεταξύ δύο η εκτροδί ν, οφεί ονται ουσιαστικά σε τέτοια ρεύματα ιόντ ν κυτταρικών μεμ ρανών νευρών ν, οι οποίοι συμμετέ ουν στην εκάστοτε ε κεφα ική δραστηριότητα. Τα ρεύματα αυτά δια έονται από την πη ή δημιουρ ίας τους έ ς την εξ τερική δερματική επιφάνεια, διότι ο ε κεφα ικός ιστός, οι μήνι ες, το κρανίο και το δέρμα ά ουν το η εκτρικό ρεύμα. Υπάρ ουν δύο είδη δυναμικών που σ ετίζονται με τη μετάδοση π η- 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ Σ ήμα 2.2: Σ ηματική αναπαράσταση ορ άν σης κυτταρικής μεμ ράνης 1. ροφορίας μεταξύ τ ν νευρών ν[7]: 1. Δυναμικό δράσης(action potential): Προκα είται όταν το διαμεμ ρανικό δυναμικό στο σώμα του νευρώνα, ς συνο ικό ά ροισμα τ ν ερε ισμάτ ν που καταφ άνουν από τους δενδρίτες, α άξει από την τιμή ηρεμίας και περάσει ένα ορισμένο κατώφ ι(συνή ς περίπου -50mV ). Τότε συμ αίνει ακαριαία ενερ οποίηση του νευρώνα, αποπό ση της κυτταρικής μεμ ράνης στη ρίζα όπου ο άξονας ξεκινά από το σώμα(αξονικό οφίδιο[10]), και την εμφάνιση μιας αι μής δυναμικού ς τα 30mV, με επακό ου η επιστροφή στην αρ ική κατάσταση ηρεμίας αφού πρώτα συμ εί επαναπό ση και υπερπό ση. Αυτή η κρουστική ώση, διαδίδεται τα ύτατα κατά μήκος του άξονα και είναι υπεύ υνη ια την ρευματική ροή μέσα και έξ από την κυτταρική μεμ ράνη. Η μορφή ενός δυναμικού δράσης φαίνεται στο Σ ήμα Μετασυναπτικό δυναμικό δράσης(post synaptic potential-psp): Οι δενδρίτες είναι διακ αδισμένες απο ήξεις τ ν νευρών ν. Αυτοί ρίσκονται σε η εκτρο ημική επαφή μέσ ν συνάψε ν με τις απο ήξεις διαφόρ ν ά ν αξόν ν, που προέρ ονται από ειτονικούς ή απομακρυσμένους νευρώνες. Οι δενδρίτες, μέσ τ ν μετασυναπτικών μεμ ρανών, συ έ ουν τα σήματα που εκπέμπονται από τις αξονικές απο ήξεις και τα μεταδίδουν στο αντίστοι ο κυτταρικό σώμα του νευρώνα στον οποίο ανήκουν. 2.2 Περι ραφή του σήματος ΗΕΓ και ειτουρ ία του Η εκτροε κεφα ο ράφου Παρό ο που η διάρκεια του δυναμικού δράσης είναι μόνο περίπου ένα ms, τα μετασυναπτικά δυναμικά συνή ς διαρκούν 10 έ ς και εκατοντάδες ms. Επιπρόσ ετα, τα μετασυναπτικά δυναμικά περιορίζονται σε με ά ο α μό στους δενδρίτες και στο κυρί ς σώμα του κυττάρου και εμφανίζονται στι μιαία ρίς να ταξιδεύουν κατά μήκος του άξονα με ένα συ κεκριμένο ρυ μό, όπ ς συμ αίνει στα δυναμικά δράσης. Κάτ από συ κεκριμένες προϋπο έσεις, ό οι αυτοί οι παρά οντες επιτρέπουν την ά ροιση τ ν μετασυναπτικών δυναμικών, παρά την ακυρ τική συμ ο ή τους, με αποτέ εσμα να είναι δυνατή η κατα ραφή τους από με ά η απόσταση ( ια παράδει μα στο δέρμα του κεφα ιού)[9].αν και έ ει πρα ματοποιη εί πο ύ ί η ερεύνα στα ιοφυσικά φαινόμενα που δημιουρ ούν τα δυναμικά δράσης που μετρούνται στο κρανίο, το Σ ήμα 2.4 παρουσιάζει τη μέ ρι

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ Σ ήμα 2.3: Μορφή δυναμικού δράσης νευρικού κυττάρου 2. τώρα επικρατούσα υπό εση. Μό ις ένας διεγερτικός νευροδιαβιβαστής απε ευ ερ εί στους δενδρίτες που ρίσκονται στην κορυφή ενός πυραμιδοειδούς κυττάρου του ε κεφα ικού φ οιού, όπ ς φαίνεται και πά ι στο Σ ήμα 2.4(Α), ρεύμα ιόντ ν ρέει από τον εξ κυττάριο ώρο στο εσ τερικό του κυττάρου, το οποίο οδη εί στην ύπαρξη συνο ικού αρνητικού δυναμικού έξ από τον κύτταρο, στον ώρο που ρίσκονται οι δενδρίτες της κορυφής. Για να κ είσει το η εκτρικό κύκ μα που δημιουρ είται, ρεύμα α ρέει επίσης προς τα έξ από του δενδρίτες της άσης και το κυρί ς σώμα του κυττάρου, οδη ώντας σε ένα συνο ικό θετικό δυναμικό στην περιο ή αυτή. Η η εκτραρνητικότητα τ ν δενδριτών της άσης και η η εκτρο ετικότητα του κυρί ς σώματος του νευρικού κυττάρου, δημιουρ ούν ένα μικρό ηλεκτρικό δίπολο. Το δίπο ο που δημιουρ εί ένας μόνο νευρώνας είναι πο ύ ασ ενές, ε ονός που κα ιστά αδύνατη την κατα ραφή του από ένα η εκτρόδιο που τοπο ετείται στο δέρμα του κεφα ιού, α ά και πά ι κάτ από συ κεκριμένες προϋπο έσεις τα δίπο α πο ών νευρών ν α ροίζονται κα ιστώντας δυνατή την κατα ραφή της συνο ικής τάσης με τη ρήση εξ τερικών η εκτροδί ν. Προκειμένου οι α ροιζόμενες τάσεις να είναι δυνατό να κατα ραφούν, πρέπει αυτές να εμφανίζονται περίπου την ίδια ρονική στι μή σε ό ους του ι ιάδες ή και εκατοντάδες νευρώνες και τα δίπο α κά ε ενός νευρώνα ξε ριστά να είναι ρικά ευ υ ραμμισμένα. Αν οι διάφοροι νευρώνες ρίσκονται σε τυ αίους προσανατο ισμούς μεταξύ τους, τότε η η εκτρο ετικότητα του ενός μπορεί να είναι δίπ α στην η εκτραρνητικότητα του ά ου με αποτέ εσμα να πρα ματοποιείται ακυρ τική συμ ο ή. Όμοια, εάν ένας νευρώνας αμ άνει διε ερτικό νευροδια ι αστή και ένας ά ος έναν ανασταλτικό νευροδιαβιβαστή τότε τα δίπο α που δημιουρ ούνται από τους αντίστοι ους νευρώνες είναι αντί ετης φοράς και α η οακυρώνονται. Ωστόσο, αν ό οι οι νευρώνες έ ουν τον ίδιο προσανατο ισμό και ό οι δέ ονται την ίδια είσοδο, τότε τα δίπο α τους α ροίζονται και η α ροιζόμενη αυτή τάση κα ίσταται μετρήσιμη από το δέρμα του κεφα ιού. Αυτό συμ αίνει κυρί ς στα πυραμιδοειδή κύτταρα του ε κεφα ικού φ οιού, το οποία είναι ευ υ ραμμισμένα κά ετα στην επιφάνεια του φ οιού όπ ς φαίνεται στο Σ ήμα 2.4(Β). Η ά ροιση τ ν μεμον μέν ν διπό ν είναι πο ύ πο ύπ οκη στην πρα ματικότητα ό του ότι

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ Σ ήμα 2.4: Βασική αρ ή δημιουρ ίας δυναμικών δράσης.(α)σ ηματικό πυραμιδοειδούς κυττάρου κατά τη διάρκεια νευροδια ί ασης.axon from psesynaptic cells: Άξονας προσυναπτικών κυττάρ ν, Apical Dendrite: Δενδρίτης κορυφής, Basal Dendrites: Δενδρίτης άσης, Cell Body: Κυρί ς σώμα κυττάρου, Postsynaptic Cell Axon: Άξονας μετασυναπτικού κυττάρου.(b)αναδιπ μένη επιφάνεια ε κεφα ικού φ οιού η οποία περιέ ει πο ά πυραμιδοειδή κύτταρα. Stimulated region of Cortex: Ενερ οποιημένη περιο ή του ε κεφα- ικού φ οιού. (C)Απεικόνιση της έσης και του προσανατο ισμού του ισοδύναμου τρέ οντος διπό ου. Cortex: Ε κεφα ικός Φ οιός, Skull: Κρανίο, Equivalent Current Dipole: Ισοδύναμο τρέ ον δίπο ο[9]. ο ε κεφα ικός φ οιός δεν είναι επίπεδος, α ά αντί ετα εμφανίζει πο ές αναδιπ ώσεις. Παρό α αυτά, έ ει αποδει τεί ότι το ά ροισμα πο ών διαφορετικών διπό ν ισοδυναμεί με ένα δίπο ο το οποίο δημιουρ είται από την εξα ή του μέσου όρου τ ν προσανατο ισμών τ ν μεμον μέν ν διπό ν. Το δίπο ο αυτό ονομάζεται ισοδύναμο τρέχων διπόλο(equivalent current dipole). Είναι σημαντικό να σημει εί ότι κά ε φορά που τα δίπο α εμφανίζουν νία μεταξύ τους με α ύτερη τ ν 90 0, ακυρώνουν το ένα το ά ο με την π ήρη ακύρ ση να εμφανίζεται στις Για παράδει μα τα κύτταρα Purkinje στον φ οιό της παρε κεφα ίδας είναι π ήρ ς ευ υ ραμμισμένα το ένα με το ά ο και τοπο ετημένα κά ετα στην επιφάνεια του φ οιού, α ά η επιφάνεια εμφανίζει τόσο υψη ή αναδίπ ση έτσι ώστε δίπο α σε ένα πο ύ μικρό μέρος του φ οιού της παρε κεφα ίδας α η οακυρώνονται σ εδόν π ήρ ς από ένα ειτονικό μέρος, κα ιστώντας δύσκο η έ ς και αδύνατη την κατα ραφή της δραστηριότητας της παρε κεφα ίδας, από τα η εκτρόδια στο δέρμα του κεφα ιού. Όταν ένα δίπο ο ρε εί μέσα σε ένα α ώ ιμο μέσο, όπ ς ο ε κέφα ος, το ρεύμα ρέει μέσα από αυτό το μέσο μέ ρι να φτάσει στην επιφάνεια του. Αυτό ονομάζεται αγωγιμότητα όγκου(volume conduction) και απεικονίζεται στο Σ ήμα 2.4(C). Η τάση που ανι νεύεται σε κά ε σημείο της επιφάνειας του κρανίου οφεί εται στη έση και τον προσανατο ισμό του διπό ου-πη ή κα ώς επίσης και από στην αντίσταση και το σ ήμα τ ν διαφόρ ν συνιστ σών του κεφα ιού (ε κέφα ος, κρανίο και δέρμα κεφα ής όπ ς επίσης και οι κοι ότητες τ ν ματιών οι οποίες έ ουν επίσης επίδραση στη μέτρηση τ ν δυναμικών που δημιουρ ούνται στον προμετ πιαίο ε κεφα ικό φ οιό). 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ Ο η εκτρισμός δεν ρέει απευ είας μεταξύ τ ν δύο πό ν του διπό ου, σε ένα α ώ ιμο μέσο α ά αντί ετα εξαπ ώνεται μέσα στον α ό. Επομέν ς τα παρα όμενα δυναμικά δράσης εξαπ ώνονται κα ώς κινούνται μέσα στον ε κέφα ο. Επίσης, επειδή ο η εκτρισμός τείνει να ακο ου εί το μονοπάτι της ε ά ιστης αντίστασης, το δυναμικό δράσης τείνει να εξαπ ώνεται π ευρικά όταν συναντά την υψη ή αντίσταση του κρανίου. Αυτοί είναι οι δύο κύριοι ό οι που δημιουρ ούν ένα ό μα στην κατανομή τάσης στην επιφάνεια και ένα δυναμικό δράσης που παρά εται σε ένα σημείο του ε κεφά ου μπορεί, να οδη ήσει σε σημαντικές μετρούμενες τάσεις σε μακρινά σημεία του δέρματος του κεφα ιού. Υπάρ ουν παρό α αυτά α όρι μοι οι οποίοι μειώνουν τον ό μα αυτό, είτε μέσ εκτίμησης της ροής ρεύματος είτε μέσ αφαίρεσης του ο ώματος με σκοπό να εκτιμη εί η κατανομή τάσης στην επιφάνεια του ε κεφά ου. Αυτοί οι α όρι μοι μπορεί να είναι πο ύ ρήσιμοι α ά μπορούν να εξα είψουν μόνο μια πη ή ο ώματος όπ ς π.. το κρανίο. Επίσης είναι σημαντικό να σημει εί ότι ο η εκτρισμός ρέει με τα ύτητα κοντά στην τα ύτητα του φ τός. Για τον ό ο αυτό η κατα ραφόμενη τάση στο δέρμα του κεφα ιού μια συ κεκριμένη ρονική στι μή αντικατοπτρίζει τη ειτουρ ία του ε κεφά ου μόνο τη συ κεκριμένη ρονική στι μή. Ό οι οι παραπάν μη ανισμοί ά ροισης τ ν δυναμικών που προέρ ονται από κά ε μεμον μένο νευρώνα δημιουρ ούν ένα δίκτυο δίκτυο ανεξερεύνητης ακόμη πο υπ οκότητας, το οποίο είναι υπεύ υνο ια αυτό που ονομάζεται εγκεφαλική λειτουργία την οποία μόνο μερικώς μπορούμε να με ετήσουμε[7]. Ένα ερ α είο ια τη με έτη αυτή είναι και η καταγραφή Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Τα μετρούμενα η εκτρικά σήματα είναι ασ ενή, από περίπου 1μV έ ς και 100μV. Εξαρ ής υπάρ ει η απαίτηση ια ενίσ υση τ ν αμ ανόμεν ν σημάτ ν. Προκειμένου το αμ ανόμενο σήμα να παρέ ει μια κα ύτερη εικόνα ια την υποκείμενη ε κεφα ική δραστηριότητα, υπάρ ει επίσης η ανά κη ια πυκνότερη κά υψη του κρανίου με η εκτρόδια. Αυτό οδη εί σε κα ύτερη ανάλυση (resolution) στο τε ικό σήμα. Το πρώτο στάδιο ια τη ήψη του σήματος ΗΕΓ είναι τα η εκτρόδια τα οποία αποτε ούν του αισ ητήρες της διάταξης, όπου μετατρέπουν το ρεύμα ιόντ ν στο αν ρώπινο σώμα σε ρεύμα η εκτρονί ν στα κα ώδια τα οποία οδη ούν το ρεύμα σε επόμενα στάδια επεξερ ασίας. Η επαφή τους με το δέρμα ίνεται μέσ κο ώδους ουσίας ή μέσ ενός μικρού δακτυ ιδιού το οποίο από τη μια π ευρά προσκο άται στο δέρμα και από την ά η στο κυρί ς η εκτρόδιο. Τα σημεία στα οποία α τοπο ετη ούν τα η εκτρόδια, το δέρμα α πρέπει να κα αριστεί κα ά με οινόπνευμα ια να πετύ- ουμε αμη ή αντίσταση επαφής, κάτ τ ν 5Ω. To η εκτρόδιο έρ εται σε απευ είας επαφή με τον υποκείμενο η εκτρο ύτη που ρησιμοποιείται. Έτσι είναι δυνατή η κίνηση ιόντ ν μέσ του συνόρου η εκτροδίου-η εκτρο ύτη μέ ρι να επανέ ει ισορροπία.η ισορροπία αυτή είναι συνάρτηση της ιοντικής συ κέντρ σης που υπάρ ει στις δύο π ευρές του συνόρου. Δημιουρ ούνται τε ικά δύο φορτισμένα στρώματα στις δυο π ευρές του συνόρου, ένα στη μετα ική επιφάνεια και ένα πάν στις υ ρές ουσίες ύρ από το η εκτρόδιο, εμφανίζοντας έτσι μια διαφορά δυναμικού η οποία εμποδίζει τη συνέ ιση της κίνησης τ ν ιόντ ν, α ά είναι και ταυτο ρόν ς ευαίσ ητη στις μετα ο- ές της συ κέντρ σης τ ν ιόντ ν. Όταν μέσα στον ε κέφα ο α υπάρξει σήμα δη αδή ροή ιόντ ν, αυτό α προκα έσει μετα ο ή της ιοντικής συ κέντρ σης και αυτόματη μετα ο ή της διαφοράς δυναμικού τ ν στρ μάτ ν, άρα και ροή η εκτρονί ν από την π ευρά του α ώ ιμου η εκτροδίου. Είναι επι υμητό η τάση στο σύνορο να επηρεάζεται μόνο από τα ιοντικά ρεύματα του αν ρώπινου κεφα ιού και ό ι από ερμοκρασιακές μετα ο ές ή μη ανικές κινήσεις τ ν η εκτροδί ν. Αυτό επιτυ άνεται όταν προσδίδουμε με α ύτερη ευ έρεια κινήσε ν στα ιόντα της συνοριακής περιο- ής. Την απαίτηση αυτή ικανοποιούν η εκτρόδια αποτε ούμενα από τον συνδυασμό ενός μετά ου με το αντίστοι ο ά ας του. Ένα από τα συνη έστερα η εκτρόδια είναι αυτό που κατασκευάζεται από άργυρο (Ag) και χλωριούχο άργυρο (AgCl) που ρησιμοποιείται με η εκτρο ύτη που περιέ ει κυρί ς ανιόντα χλωρίου (Cl ). Όπ ς α περι ραφεί και στη συνέ εια στην παρούσα πειραματική διαδικασία τα η εκτρόδια τοπο ετούνται με την ειδική κάσκα στο κεφά ι του εξεταζόμενου με άση το Σύστημα Επίσης αξίζει να σημει εί ότι σε πειράματα ψυ οφυσικής όπ ς το παρόν ίνονται μονοπο ικές 25

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ μετρήσεις. Δη αδή το μετρούμενο σήμα προκύπτει ς διαφορά ενός ενερ ού η εκτροδίου, δη αδή ενός η εκτροδίου που ρίσκεται πάν από μια ενερ ή περιο ή του ε κεφά ου και ενός ανενερ ού η εκτροδίου, δη αδή ενός η εκτροδίου το οποίο ρίσκεται σε σημεία όπ ς το αυτί, ο αιμός ή τα εν μένα με α ώ ιμο δρόμο αυτιά. Το σημείο αυτό επι έ εται και είναι κοινό ια ό ες τις μετρήσεις και δεν εμφανίζει κάποια ε κεφα ική δραστηριότητα. Στη συνέ εια το αμ ανόμενο σήμα οδη είται σε μια ενισ υτική α μίδα η οποία περιέ ει και διατάξεις φι τραρίσματος. Εκεί κά ε σήμα ενισ ύεται από διατάξεις προενισ υτών ώστε να μπορεί να μετρη εί με ευ έρεια κα ώς επίσης πρα ματοποιείται και μια απόρριψη κοινού ορύ ου. Στη συνέ εια το ανα ο ικό σήμα οδη είται σε αναλογικοψηφιακό μετατροπέα(α/d converter). Σε σύ ρονα συστήματα η μετατροπή αυτή ίνεται από ειδικές κάρτες ανάκτησης δεδομένων(data dcquisition) και στη συνέ εια οδη είται στον η εκτρονικό υπο ο ιστή ια περαιτέρ επεξερ ασία ή απο ήκευση. Επίσης ο υπο ο ιστής είναι αυτός που ε έ ει και τον συ ρονισμό της παρο ής ερε ισμάτ ν με την κατα ραφή του σήματος ΗΕΓ. 2.3 Στοι εία Ανατομίας Ε κεφά ου Από την π ευρά της ανατομίας, ο ε κέφα ος μπορεί να διαιρε εί σε τρία κύρια τμήματα: εγκέφαλο(cerebrum), παρεγκεφαλίδα(cerebellum) και εγκεφαλικό στέλεχος(brain stem). Ο ε κέφα ος αποτε είται από το αριστερό και δεξί ημισφαίριο, με ένα ισ υρά συσπώμενο επιφανειακό στρώμα: τον εγκεφαλικό φλοιό(cerebral cortex). O φ οιός αποτε εί κυρίαρ ο μέρος του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος(ΚΝΣ). Ο ε κέφα ος κατέ ει τα κέντρα της κίνησης, της συνειδητής νώσης της αίσ ησης, της πο ύπ οκης ανά υσης και έκφρασης τ ν συναισ ημάτ ν και της συμπεριφοράς. Η παρε κεφα ίδα κα ορίζει τις ε ε οντικές κινήσεις τ ν μυών και τη διατήρηση της ισορροπίας. Το ε κεφα ικό στέ ε ος ε έ ει την αναπνοή, τη ρύ μιση της καρδιάς, τους ιορυ μούς, την έκκριση ορμονών κ.α.[11]. Ο ε κέφα ος διαιρείται επίσης σε 4 ο ούς, κα ένας από τους οποίους είναι υπεύ υνος ια μια ομάδα ε κεφα ικών ειτουρ ιών. Οι ο οί και οι αντίστοι ες ε κεφα ικές τους ειτουρ ίες είναι οι εξής[12]: 1. Μετωπιαίος λοβός(frontal lobe): Ο ο ός αυτός ε ρείται ότι ρυ μίζει τη σκέψη, το σ εδιασμό, τη στρατη ική, τη δημιουρ ικότητα, τον προ ραμματισμό ατομικών ανα κών, το συναίσ ημα κα ώς και την εκούσια κίνηση. 2. Βρεγματικός λοβός(parietal lobe): Ο ο ός ε ρείται υπεύ υνος ια την αίσ ηση του πόνου, το ά ι μα, τη εύση, τη ερμοκρασία, την πίεση και την ιδιοδεκτική αίσ ηση(proprioception). Σ ετίζεται ακόμα με τα μα ηματικά και τη ο ική. 3. Κροταφικός λοβός(temporal lobe): Ο ο ός αυτός κυρί ς σ ετίζεται με την ακουστική αίσ ηση. Παίζει ρό ο ακόμα στη μνήμη και στην επεξερ ασία τ ν συναισ ημάτ ν. 4. Ινιακός λοβός(occipital lobe): O ο ός αυτός σ ετίζεται κυρί ς με την επεξερ άσία της οπτικής π ηροφορίας. Η ανατομική έση τ ν ασικών αυτών ο ών αυτών φαίνεται στο Σ ήμα Βασικοί ρυ μοί του σήματος ΗΕΓ Η με έτη του σήματος ΗΕΓ, ασίζεται στη διάκριση τ ν συ νοτικών περιο ών στα αμ ανόμενα σήματα, τ ν ε όμεν ν ρυθμών. Βασικό αρακτηριστικό τους είναι οι συ νότητες από τις οποίες αυτοί αποτε ούνται, το φασματικό δη αδή τους περιε όμενο. Οι κυριότεροι ρυ μοί είναι οι 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ άλφα,βήτα, γάμμα,θήτα και δέλτα. Οι συ νότητες και τα συνή η π άτη τ ν οποί ν φαίνονται στον Πίνακα 2.1. Η εμφάνιση τ ν ρυ μών αυτών έ ει συσ ετιστεί με διάφορα επίπεδα α άρ σης, Σ ήμα 2.5: Σ ηματική αναπαράσταση τ ν τεσσάρ ν ασικών ο ών του ε κεφά ου 3. Πίνακας 2.1: Βασικοί ρυ μοί σήματος ΗΕΓ. Ρυ μός Περιο ή Συ νοτήτ ν(hz) Π άτος (μv) Δέ τα έ ς Θήτα <30 Ά φα Αρ ός Βήτα <20 Τα ύς Βήτα <20 Γάμμα > ε ρή ορσης ύπνου κ.τ.. Για παράδει μα[7]: 1. Ρυθμός α: Ο ρυ μός αυτός εμφανίζεται στο 75% περίπου τ ν ενη ίκ ν, ενώ το κ είσιμο ή το άνοι μα τ ν ματιών προκα εί αντίστοι α αύξηση ή μεί ση του ρυ μού αυτού. Επίσης, η μεί ση της δραστηριότητας του ρυ μού α έ ει συσ ετιστεί με αισ ητηριακό ερε ισμό ή πνευματική δραστηριότητα. 2. Ρυθμός β: Ο ρυ μός αυτός είναι ο κυρίαρ ος ρυ μός που επικρατεί στη φάση της ε ρή ορσης ενός φυσιο ο ικού ατόμου

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ 3. Ρυθμός γ: Ο ρυ μός αυτός εμφανίζεται σε ό ους του ε κεφα ικούς ο ούς ταυτό ρονα και σ ετίζεται με την επεξερ ασία π ουσί ν σε π ηροφορία ερε ισμάτ ν, με την συντονισμένη ειτουρ ία ο όκ ηρου του ε κεφά ου. Υπάρ ουν ενδείξεις επίσης, ότι ο ρυ μός αυτός συνδέεται με την ισ υρή μνήμη, την αντί ηψη και τον αυτοέ ε ο Ρυθμός δ: Ο ρυ μός δέ τα συσ ετίζεται με τον ύπνο στον φυσιο ο ικό άν ρ πο και είναι επίσης και ο κύριος ρυ μός που εντοπίζεται στα νεο έννητα μέ ρι το δεύτερο έτος της η ικίας τους. 5. Ρυθμός θ: Ο ρυ μός αυτός συνδέεται με μη ανισμούς καταστο ής, είτε με την είσοδο στη φάση α άρ σης. Εμφανίζεται επίσης σε συνδυασμό με τον ρυ μό ήτα σε φάσεις αυξημένης προσο ής. 2.5 Βι ματικά Δυναμικά του Ε κεφά ου Εκτός από τη με έτη τ ν ασικών ρυ μών στο σήμα ΗΕΓ, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει και η με έτη τ ν ε κεφα ικών διερ ασιών οι οποίες προκα ούνται σε συ κεκριμένα ε ονότα. Ονομάζουμε Βιωματικά Δυναμικά ή ΒΔ(Event Related Potentials-ERP) τις διαφορές δυναμικού που μετρούμε, συνή ς στη δερματική επιφάνεια του κεφα ιού, οι οποίες προκα ούνται ς προετοιμασία ή ς απόκριση σε συ κεκριμένο ε ονός το οποίο συμ αίνει είτε στον εξ τερικό φυσικό κόσμο, είτε αμ άνει ώρα ς ψυ οφυσική διαδικασία. Τα δυναμικά αυτά διακρίνονται σε δύο κατη ορίες. Στα Προκλητά Δυναμικά ή ΠΔ(Evoked Potentials-EP), όταν το ερέ ισμα, το ε ονός προέρ εται από τον εξ τερικό κόσμο και σε Εκπεμπόμενα Δυναμικά(Emitted Potentials) όταν αυτά σ ετίζονται με μια ψυ ο ο ική διαδικασία[7]. Εφόσον τα ΠΔ αντικατοπτρίζουν ε κεφα ική δραστηριότητα σ ετιζόμενη με ένα εξ τερικό ερέ ισμα, είναι αυτά τα οποία μπορούμε να με ετήσουμε μέσ προδια ε ραμμέν ν πειραματικών διαδικασιών στο ερ αστήριο. Διακρίνουμε τρεις διαφορετικές κατη ορίες προκ ητών δυναμικών ανά ο α με το είδος του εξ τερικού ερε ίσματος που τα προκα εί[7]: 1. Οπτικά προκλητά δυναμικά (Visual Evoked Potentials-VEP): Τα δυναμικά αυτά προκα ούνται από οπτικό ερε ισμό, όπ ς εμφάνιση μιας συ κεκριμένης εικόνας, α α ή ρ μάτ ν, άμψεις κ.ά. 2. Ακουστικά προκλητά δυναμικά (Auditory Evoked Potentials-AEP) Τα δυναμικά αυτά προκα ούνται από ακουστικό ερε ισμό, π.. ή ους, έξεις, τόνους διαφόρ ν συ νοτήτ ν και έντασης. 3. Σωματοαισθητικά προκλητά δυναμικά (Somatosensory Evoked Potentials): Τα δυναμικά αυτά προκα ούνται όταν ένα μικρής διάρκειας και έντασης η εκτρικό ρεύμα ερε ίσει κάποιο συ- κεκριμένο νεύρο. Τα ΠΔ μπορούν επίσης να κατη οριοποιη ούν και με άση τον ρόνο εμφάνισης τους μετά το ερέ ισμα ο οποίος ονομάζεται και λανθάνων χρόνος εμφάνισης τους. Στην περίπτ ση τ ν ακουστικών προκ ητών δυναμικών υπάρ ει η εξής διάκριση[7]: 1. Πρώιμα δυναμικά (early, fast): Τα δυναμικά αυτά αντιστοι ούν σε ρονικά διαστήματα 2 έ ς 12ms από την στι μή που ορη είται ο εξ τερικός ερε ισμός και αρακτηρίζονται από π άτη της τάξης του 0.1 έ ς 0.5μV και συ νότητα 100 έ ς 1000Hz. Τα πρώιμα δυναμικά σ ετίζονται με τη δια ί αση τ ν νευρ νικών ώσε ν κατά μήκος του ακουστικού ή του οπτικού νεύρου

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ 2. Μέσα δυναμικά (middle): Tα δυναμικά αυτά σ ετίζονται με ρονικά διαστήματα από 12 έ ς 50ms από τη στι μή που ορη είται ο εξ τερικός ερε ισμός. 3. Ύστερα δυναμικά (late): Τα δυναμικά αυτά σ ετίζονται με ρονικά διαστήματα 50 έ ς 800ms από τη στι μή που ορη είται ο εξ τερικός ερε ισμός και αρακτηρίζονται από π άτη 1 έ ς 20μV και συ νότητες 0.1Hz έ ς 5 Hz. Τα δυναμικά αυτά αντανακ ούν την ε κεφα ική δραστηριότητα περιο ών του φ οιού ς αντίδραση της άφιξης της εξ τερικής π ηροφορίας. Μια τε ευταία κατη οριοποίηση τ ν ΠΔ τα δια ρίζει σε ενδο ενή και εξ ενή. Τα εξ ενή σ ετίζονται άμεσα με τη φύση του εκ υτικού ερε ίσματος δη αδή την ένταση, τη συ νότητα του και την ακεραιότητα τ ν αισ ητικών οδών. Αντί ετα τα ενδο ενή ΠΔ εξαρτώνται ουσιαστικά από την ψυ ο ο ική κατάσταση του ατόμου και από τα ψυ ο ο ικά ν ρίσματα του απ ού ή συμπ όκου ερε ίσματος, δη αδή αν το ερέ ισμα είναι ν στό ή ά ν στο, αν προκα εί δυσφορία ή ευ αρίστηση, αν είναι σημασιο ο ικά ορ ό ή ά ος, ενδιαφέρον ή αδιάφορο κ.τ.. Ο αν άν ν ρόνος εμφάνισης τ ν ενδο ενών δυναμικών ρίσκεται συνή ς ανάμεσα στα 100 με 500ms. 2.6 Βασικά συστατικά τ ν ι ματικών δυναμικών και η σημασία τους Η μέτρηση τ ν ι ματικών δυναμικών πρα ματοποιείται με τη ρήση του Η εκτροε κεφα ο- ράφου, όπ ς ακρι ώς αμ άνεται και το ασικό σήμα ΗΕΓ. Παρό α αυτά, τα π άτος τ ν προς μέτρηση δυναμικών είναι μικρό σε σ έση με τα σήματα που μετρώνται κατά τη διάρκεια μιας κοινής η εκτροε κεφα ο ραφικής μέτρησης. Αυτό συμ αίνει μιας και κατά τη διάρκεια τ ν μετρήσε ν, εκτός από τις περιο ές του ε κεφά ου που δέ ονται και επεξερ άζονται το ερέ ισμα και ό ες οι υπό οιπες περιο ές του ε κεφά ου, που ε έ ουν τη ενικότερη ειτουρ ία του ορ ανισμού ρίσκονται και αυτές σε ειτουρ εία με αποτέ εσμα το επι υμητό σήμα να ρίσκεται υ ισμένο μέσα στο συνο ικό σήμα που ο η εκτροε κεφα ο ράφος κατα ράφει. Το τμήμα της διαφοράς δυναμικού που αντιστοι εί στο σήμα που κατα ράφεται και στην περίπτ ση που δεν υπάρ ει κάποιο εκ υτικό ε ονός ονομάζεται συμ ατικό σήμα ΗΕΓ, και αποτε εί φυσικά ένα είδος ορύ ου στη μέτρηση τ ν ΒΔ. Ένα σύνο ο παρό α αυτά με όδ ν ψηφιακής και ανα ο ικής επεξερ ασία σήματος κα ιστά δυνατή τη με έτη τ ν ΒΔ, αν και η με έτη αυτή ξεκίνησε με κα υστέρηση σε σ έση με τη με έτη στου συμ ατικού σήματος ΗΕΓ[7]. Η με έτη τ ν κυματομορφών BΔ διεξά εται στηριζόμενη κυρί ς στα ε όμενα συστατικά (components) του ι ματικού κύματος δυναμικού. Τα συστατικά είναι μερικές κυματομορφές του ασικού σήματος, τμήματα του δη αδή, τα οποία κα ορίζονται άση κορυφώσε ν(αρνητικών ή ετικών) του π άτους δυναμικού, της ρονικής στι μής στην οποία κατά προσέ ιση αμ άνει ώρα η κορύφ ση και του ρονικού εύρους το οποίο κατα αμ άνει η μερική κυματομορφή που περιέ ει τη συ κεκριμένη κορύφ ση. Το π άτος του συστατικού μετριέται με άση την ισοηλεκτρική γραμμή τ ν 0V ή το επίπεδο δυναμικού στην έναρξη της διαδικασίας μέτρησης ή κάποια ά η προ ενέστερη κορύφ ση. Οι ρόνοι, αντίστοι α, εκφράζονται συνή ς με αρ ή τη ρονική στι μή που αμ άνει ώρα το εκ υτικό ε ονός του συνο ικού ΒΔ. Επιπρόσ ετα, ενδιαφέρον παρουσιάζει το εμ αδόν που περικ είεται από τη ραμμή αναφοράς και τη μερική κυματομορφή του δυναμικού του συστατικού, ειδικά στη περίπτ ση που δεν υπάρ ει κάποιο σαφώς δια ρισμένη κορύφ ση, α ά ένα μά ον συνε ές προφί συ κεκριμένης πο ικότητας με οριο ετημένα ρονικά όρια. Στην περίπτ ση τ ν ακουστικών προκ ητών δυναμικών έ ουν αρακτηριστεί οι μερικές κυματομορφές ς εξής[7]: 1. Για τα πρώιμα δυναμικά, 2-12ms μετά τη στι μή που αμ άνει ώρα το εκ υτικό ερέ ισμα, επτά διαδο ικές κορυφώσεις αρι μούμενες από το I έ ς το VII. 29

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ 2. Για του μέσου ρόνου δυναμικά (12-50ms) υπάρ ουν συστατικά N o, P o, N a, P a, N b. Οι κορυφώσεις N o, P o αμ άνουν ώρα πριν τα 20ms, οι δε N a, P a, N b περίπου στα 20, 30 και 40ms αντίστοι α. 3. Για τα ύστερα δυναμικά (50ms και πέρα) αναφέρονται τα συστατικά N 100, P 200, N 200, P 300, N 400, όπου Ν ή Ρ σημαίνει αρνητική ή ετική κορύφ ση και ο δείκτης αναφέρεται στον αν άνοντα ρόνο, κατά προσέ ιση, του με ίστου σε ms. Τα συστατικά που αμ άνουν ώρα πριν από τα 100ms, συνή ς ανήκουν στα εξ ενή δυναμικά. Όπ ς αναφέρ ηκε και πριν σ ετίζονται με την ακεραιότητα τ ν αισ ητικών οδών και ια αυτό έ ουν με ά ο ενδιαφέρον και κ ινικές εφαρμο ές στη Νευρο ο ία. Χρησιμοποιούνται στη διά ν ση νευρο ο ικών νόσ ν, π.. απομυε ινικές ασ ένειες, ε κεφα ικοί ό κοι κ.ά., ειδικότερα δε, τα ακουστικά δυναμικά σε ασ ένειες σ ετιζόμενες με τον οπίσ ιo κρανιακό ό ρο. Επίσης, τα ακουστικά ΠΔ επιτρέπουν τη μη επεμ ατική διά ν ση ε αττ μάτ ν ακοής σε μη συνερ άσιμα άτομα. Τα ενδο ενή ΠΔ συμπίπτουν με τα πέραν τ ν 70ms μετρούμενα δυναμικά. Αυτά τα δυναμικά έ ουν άμεση σ έση με τα διάφορα στάδια νοητικής επεξερ ασίας τ ν εξ τερικών συναισ ημάτ ν στο Κεντρικό Νευρικό Σύστημα(ΚΝΣ). Μέσ της με έτης τ ν δυναμικών αυτών, τόσο στο φαινομενο ο ικό επίπεδο όσο και σε α ύτερο αιτιακό επίπεδο, κατακτά η ιατρική έρευνα νέες νώσεις σε σ έση με τις πο ύπ οκες και δυσπρόσιτες διαδικασίες του αν ρώπινου ε κεφά ου[7]. Τα ΠΔ, ς μετρήσιμες ποσότητες που εξά ονται κάτ από αυστηρά ε ε όμενες πειραματικές συν ήκες προσφέρονται ς σημαντικός παρά οντας στην προώ ηση της ψυ ιατρικής έρευνας και κ ινικής εφαρμο ής, τόσο στις δια ν στικές διαδικασίες όσο και στην ψυ οφαρμακο ο ία. Στη συνέ εια([7]) α αναφερ ούν ειδικότερα τα πιο σημαντικά ια την ψυ ιατρική ερεύνα ενδο ενή συστατικά τ ν ΠΔ: 1. N 100 : Πρόκειται ια την αρνητική κορύφ ση του μετρούμενου δυναμικού 70 έ ς 140ms μετά την παρο ή του εκ υτικού ερε ίσματος. Έ ει συνδε εί με τη ειτουρ ία της προσο ής και της επι ο ής π ηροφοριών. Οι περισσότερες ερ ασίες τείνουν στην παραδο ή ότι η κορύφ ση N 100 παρά εται στο ειδικό α αμοφ οιικό σύστημα και αντικατοπτρίζει την άμεση ε ρή ορση του ειδικού αισ ητικού συστήματος ό του ερε ίσματος. Επηρεάζεται και από εξ ενείς παρά οντες του ερε ίσματος όπ ς η ένταση, η διάρκεια και η συ νότητα. Ενδε ομέν ς, εκφράζει μια πο απ ότητα συναφών μη ανισμών, αφού στη ρονική περιο ή του φαίνεται να συνυπάρ ουν από 3 εώς 6 ταυτο ρόν ς ενερ ά συστατικά. 2. P 300 : Περι ράφει τη ετική κορύφ ση του μετρούμενου δυναμικού από 240 έ ς 500ms μετά το ερέ ισμα. Θε ρείται ότι αποτε είται από δύο υποσυστατικά το P 300 (P 3a ), που εκφράζει την εκούσια αντίδραση προσανατο ισμού, και το P 300b (P 3b ), το οποίο εμφανίζεται στο ρονικό διάστημα 300 εώς 500ms και ε ρείται μέτρο τ ν ε ε όμεν ν, σκόπιμ ν, διαδικασιών επεξερ ασίας ερε ισμάτ ν. Έ ει προτα εί η κατη οριοποίηση τ ν πο ών μετα ητών που επηρεάζουν το P 300 σε τρεις ομάδες παρα όντ ν Α,Β και Γ έτσι ώστε να ισ ύει σε ποιοτικό επίπεδο η σ έση: P 300 = A (B + Γ ) (2.1) όπου Α είναι η ποσότητα της π ηροφορίας που περιέ ει ο ερε ισμός, Β η υποκειμενική εκτίμηση της πι ανότητας εμφάνισης του συ κεκριμένου ερε ίσματος και Γ το νόημα του ερε ίσματος όσον αφορά την πο υπ οκότητα, την αξία του, και τη δυσκο ία της αποστο ής με την οποία συνδέεται το ερέ ισμα αυτό. Είναι επίσης ισ υρή η σύνδεση του συστατικού αυτού με τη μνήμη. 3. N 400 : Πρόκειται ια την αρνητική κορύφ ση στο διά ραμμα τ ν ΠΔ η οποία αμ άνει ώρα περίπου στα 400ms μετά το ερέ ισμα. Παρουσιάζεται κυρί ς στις κεντρο ρε ματικές απα- ές και προκύπτει όταν υπάρ ει σημασιο ο ική απόκ ιση μεταξύ τ ν προσ αμ ανομέν ν 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ ερε ισμάτ ν. Είναι σημαντικό ια την εξέταση μη ανισμών που σ ετίζονται με τη ώσσα, το εννοιο ο ικό και συντακτικό της περιε όμενο. Τέ ος στην Ψυ ιατρική παρουσιάζουν επίσης ενδιαφέρον τα ε όμενα Βραδέα Δυναμικά(Slow Potentials) τα οποία ανήκουν και αυτά στα ΠΔ. Έ ουν ρονική εξέ ιξη της τάξης του δευτερο έπτου. Χαρακτηριστικό είναι το CNV (Contingent Negative Variation), που είναι ένα αρ ό αρνητικό κύμα δυναμικού, το οποίο εμφανίζεται εν αναμονή ενός επερ όμενου ε ονότος. Ένα παράδει μα εξιδανικευμένου σήματος ΗΕΓ όπου διάφορα συστατικά είναι ορατά φαίνεται στο Σ ήμα 2.6. Σ ήμα 2.6: Εξιδανικευμένο σήμα ΗΕΓ όπου είναι διακριτά ασικά συστατικά του σήματος. Όπου N 1,P 1,P 2,N 2,P 3 είναι αντίστοι α τα συστατικά N 100,P 100,P 200,N 200,P Βασικές αρ ές επεξερ ασίας σήματος ΗΕΓ Η διαδικασία ήψης του σήματος ΗΕΓ οδη εί στην παρουσία έντονου ορύ ου, στο σήμα. Ο όρυ ος αυτός προέρ εται από διάφορες πη ές ορύ ου οι πιο ασικές τον οποί ν είναι οι εξής[8]: 1. Θόρυ ος ό της επαφής τ ν η εκτροδί ν. 2. Θόρυ ος παρεμ ο ής η εκτροφόρ ν κα δί ν. 3. Θόρυ ος ό της κίνησης τ ν ματιών. 4. Η εκτρονικός όρυ ος από τα μη ανήματα ήψης του σήματος. 5. Θόρυ ος ό της αντίστασης επαφής η εκτροδίου-δέρματος. 6. Θόρυ ος ό της ρήσης ο ονών και ά ν συσκευών στον ώρο ήψης του σήματος. Για τον ό ο αυτό είναι απαραίτητο να ηφ ούν κάποια μέτρα, κατά την πειραματική διαδικασία που έ ουν σκοπό όσο τον δυνατόν να εξα είψουν τις πη ές αυτές ορύ ου. Αρ ικά, η ήψη του σήματος ίνεται σε ώρο όσο το δυνατόν προστατευμένο από εξ τερικά η εκτρικά πεδία. Στην κα ύτερη περίπτ ση η μέτρηση ίνεται σε ηλεκτρομαγνητικά θωρακισμένο δωμάτιο(κλωβός Faraday). Εκτός όμ ς από αυτό είναι ανα καίο να πρα ματοποιη εί και μια επεξερ ασία του σήματος ΗΕΓ με τη ρήση με όδ ν επεξερ ασίας σήματος. Οι ασικότερες εκ τ ν οποί ν είναι:

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ 1. Χρήση ψηφιακών ή αναλογικών φίλτρων: Στην κατη ορία αυτή ανήκει το φι τράρισμα με τη ρήση α υπερατών, υψιπερατών ή φί τρ ν σ ισμής που σκοπό έ ει να καταπιέσει ορισμένες ανεπι ύμητες συ νότητες του αμ ανόμενου σήματος που ανήκουν σε συ κεκριμένες πη ές ορύ ου. 2. Εξαγωγή του μέσου όρου (averaging) : Κατά τη διαδικασία αυτή το προτυποιημένο σήμα αμ άνεται αρκετές φορές και το τε ικό σήμα προκύπτει ς μέσος όρος ό ν αυτών τ ν αμ ανόμεν ν σημάτ ν. Με την παραδο ή ότι ο όρυ ος μπορεί να ε ρη εί ασυσ έτιστη τυ αία διαδικασία εξα είφεται κατά τον υπο ο ισμό του μέσου όρου. 3. Χρήση διαφόρων ειδών προσαρμοστικών φίλτρων. Συ κεκριμένες κατη ορίες φί τρ ν μπορούν επίσης να ρησιμοποιη ούν, εκτός από την απο ορυ- οποίηση, και ια την εξα ή σημαντικών αρακτηριστικών του σήματος, όπ ς ια παράδει μα εντοπισμό συ κεκριμέν ν κυματομορφών. Σε αυτή την κατη ορία ανήκουν π.. τα φί τρα διαφόρισης. 32

33 Κεφά αιο 3 Πειραματική ψυ οακουστική διαδικασία και ερ αστηριακός εξοπ ισμός Η πειραματική διαδικασία έ ει σκοπό τη συσ έτιση τ ν αποτε εσμάτ ν της επεξερ ασίας σημάτ ν ΗΕΓ με αντίστοι α αποτε έσματα που προκύπτουν από την ψυ οακουστική ανά υση τ ν απαντήσε ν του ε ε οντή σε κάποια συ κεκριμένη ερώτηση που αφορά σε αρακτηριστικά του ή ητικού πα μού που ακούει. Για τον σκοπό αυτό, το πείραμα αποτε είται από δύο διακριτά μέρη. Το πρώτος μέρος σ ετίζεται με τη ήψη του σήματος ΗΕΓ, η οποία περι αμ άνει τόσο την κατα ραφή του συμ ατικού σήματος ΗΕΓ όσο και την κατα ραφή προκ ητών δυναμικών που εμφανίζονται ς αντίδραση του ε κεφά ου στο η ητικό ερέ ισμα. Το δεύτερο μέρος σ ετίζεται με την κατα ραφή τ ν απαντήσε ν ε ε οντή σε υπο α όμενη ερώτηση με σκοπό τη μέτρηση διάφορ ν ψυ οφυσικών παραμέτρ ν. 3.1 Περι ραφή πειραματικής διαδικασίας Πριν την έναρξη της πειραματικής διαδικασίας εφαρμόζεται στον εξεταζόμενο η κάσκα ΗΕΓ η οποία δια έτει στα ερά τοπο ετημένα 32 ηλεκτρόδια και κατά η α ακουστικά ια την οδή ηση της ακουστικής πα μοσειράς. Για την κατα ραφή τ ν προκ ητών δυναμικών και του συμ ατικού ΗΕΓ σ εδιάστηκε ς ερέ ισμα μια ακουστική πα μοσειρά η οποία οδη είται στα ακουστικά του ε ε οντή. Η μορφή της πα μοσειράς αυτής ια μια επανά ηψη και οι αντίστοι οι ρόνοι κατα ραφής σήματος ΗΕΓ, φαίνονται στο Σ ήμα 3.1[6]. Ανα υτικά, κατά την έναρξη κά ε επανά ηψης προη ούνται 1000ms σι πής πριν από τον πρώτο πα μό. Ο πρώτος αυτός πα μός είναι συ νότητας f 1 = 1000Hz και στα ερής διάρκειας t = 500ms και κα είται παλμός αναφοράς. Στη συνέ εια ακο ου εί ένα διάστημα μεταξύ αυτού και του επόμενου πα μού που κα είται Inter-Stimuli Interval ή ISI το οποίο είναι ίσο με 1000ms. Έπειτα ακού εται ο δεύτερος πα μός που κα είται παλμός δοκιμής και είναι ίδιας συ νότητας με τον πα μό αναφοράς. Η διάρκεια του πα μού δοκιμής t είναι μετα ητή και δίδεται από τον εξής τύπο[6]: { t +i t i = {0, 1, 2,, 6} = (3.1) j t j = {0, 1, 2, 3, 4} και αμ άνει τις ακό ου ες 11 τιμές ια τη διάρκειά του: {420, 440, 460, 480, 500, 520, 540, 560, 580, 600, 620} (3.2) 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Σ ήμα 3.1: Ακουστική πα μοσειρά ια μια επανά ηψη που ρησιμοποιείται στην πειραματική διαδικασία[6]. Στη συνέ εια έπονται 2000ms σι πής που ακο ου ούνται από έναν τρίτο πα μό συ νότητας 500Hz και διάρκειας 100ms. Μετά το τέ ος αυτού του πα μού, μεσο α ούν 1000ms σι πής και ακο ου- εί ένας τέταρτος πα μός με ίδια αρακτηριστικά με τον τρίτο. Ο σκοπός της ακουστικής αυτής διαδικασίας είναι ο προσδιορισμός της ελάχιστης αντιληπτής διαφοράς(jnd) στη διάρκεια τ ν δύο πρώτ ν πα μών. Η ακρι ής σημασία της παραμέτρου αυτής α εξη η εί στην Παρά ραφο 3.4. Για τον σκοπό αυτό ο ε ε οντής κα είται να συ κρίνει σε διάρκεια τους δύο πρώτους πα μούς αναφοράς και δοκιμής. Μετά την παύση του τέταρτου πα μού, ο ε ε οντής κα είται να απαντήσει στην ερώτηση: Είναι ο δεύτερος παλμός μεγαλύτερης διάρκειας από τον πρώτο; ([6])και να δώσει ένα ποσοστό(%) ε αιότητας στην απάντηση που δίνει. Εδώ αξίζει να σημει εί, ότι το εύρος τ ν τιμών της διάρκειας του δεύτερου πα μού κα ορίστηκε με άση προκαταρκτική με έτη περιορισμένης κ ίμακας του απέδειξε ότι το με α ύτερο ποσοστό τ ν ε ε οντών εί ε με α ύτερη ευκο ία να διακρίνει διαφορά στη διάρκεια τ ν πα μών όταν ο πα μός δοκιμής ήταν μικρότερης διάρκειας. Ο ό ος αυτός οδή ησε στην επι ο ή του άν ορίου διάρκειας του δεύτερου πα μού στα 620ms το οποίο ρίσκεται σε με α ύτερη απόσταση από τη διάρκεια του πα μού αναφοράς τ ν 500ms. Η επι ο ή της διάρκειας του πα μού ίνεται σε κά ε επανά ηψη με ψευδοτυ αίο τρόπο, ο οποίος προκα ορίζεται μια φορά και ισ ύει ια ό ους του ε ε οντές σε ό ες τις πειραματικές συνεδρίες. Κά ε μια απο τις 11 διαφορετικές τιμές διάρκειας του δεύτερου πα μού, οδη είται στον ε ε οντή 10(δέκα) φορές με αποτέ εσμα ο συνο ικός αρι μός επανα ήψε ν ανα συνεδρία να είναι 110. Η ακο ου ία τ ν τιμών ια τη διάρκεια του δεύτερου πα μού φαίνεται στον Πίνακα 3.1[6]. Το δεί μα της προκαταρκτικής με έτης που ρησιμοποιή ηκε στην παρούσα ερ ασία αποτε- είται από 10 υ ιείς ενή ικες ε ε οντές(5 υναίκες και 5 άνδρες) με μέση η ικία 31.1 έτη και τυπική απόκ ιση 4.2 έτη[6]. Η ακουστική πειραματική διαδικασία εξη είται στους ε ε οντές πριν την έναρξη της συνεδρίας. Στη συνέ εια, πρα ματοποιούνται 20(είκοσι) επανα ήψεις ε έ ου με σκοπό της εξοικεί ση του ε ε οντή με την πειραματική διαδικασία. Κατά τις επανα ήψεις αυτές ρησιμοποιείται πα μός αναφοράς με συ νότητα f 1 = 2000Hz και διάρκεια t test = 400ms. Το εύρος της διάρκειας του δεύτερου πα μού κυμαίνεται στο διάστημα ms. Η ακο ου ία τ ν τιμών ια την διάρκεια του πα μού δοκιμής κατά τη διαδικασία της εξοικεί σης φαίνεται στον Πίνακα 3.2[6]. 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Πίνακας 3.1: Ακο ου ία τιμών της διάρκειας του δεύτερου πα μού δοκιμής ια κά ε επανά ηψη. Η διάρκεια του δεύτερου πα μού δίνεται σε sec[6]. (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (Ν, t ) (1,0.56) (12,0.48) (23,0.42) (34,0.52) (45,0.52) (56,0.58) (67,0.62) (78,0.58) (89,0.54) (100,0.54) (2,0.56) (13,0.46) (24,0.56) (35,0.42) (46,0.60) (57,0.48) (68,0.50) (79,0.58) (90,0.54) (101,0.62) (3,0.44) (14,0.42) (25,0.50) (36,0.56) (47,0.42) (58,0.58) (69,0.42) (80,0.50) (91,0.54) (102,0.60) (4,0.42) (15,0.60) (26,0.56) (37,0.46) (48,0.44) (59,0.42) (70,0.48) (81,0.50) (92,0.42) (103,0.52) (5,0.48) (16,0.48) (27,0.46) (38,0.46) (49,0.60) (60,0.56) (71,0.54) (82,0.42) (93,0.62) (104,0.62) (6,0.42) (17,0.56) (28,0.48) (39,0.62) (50,0.52) (62,0.58) (73,0.44) (84,0.46) (95,0.44) (106,0.54) (7,0.50) (18,0.60) (29,0.50) (40,0.56) (51,0.52) (62,0.58) (73,0.44) (84,0.46) (95,0.44) (106,0.54) (8,0.52) (19,0.62) (30,0.50) (41,0.44) (52,0.54) (63,0.50) (74,0.44) (85,0.48) (96,0.52) (107,0.54) (9,0.48) (20,0.60) (31,0.48) (42,0.50) (53,0.54) (64,0.58) (75,0.58) (86,0.46) (97,0.44) (108,0.58) (10,0.46) (21,0.46) (32,0.56) (43,0.52) (54,0.56) (65,0.52) (76,0.52) (87,0.44) (98,0.62) (109,0.46) (11,0.44) (22,0.50) (33,0.62) (44,0.54) (55,0.58) (66,0.60) (77,0.48) (88,0.60) (99,0.60) (110,0.46) Πίνακας 3.2: Ακο ου ία τιμών της διάρκειας του δεύτερου πα μού δοκιμής ια κά ε επανά ηψη ε έ ου, κατά τη διαδικασία της εξοικεί σης. Η διάρκεια του δέυτερου πα μού δίνεται σε sec[6]. N, t test N, t test (1,0.60) (11,0.40) (2,0.44) (12,0.48) (3,0.30) (13,0.32) (4,0.50) (14,0.38) (5,0.46) (15,0.56) (6,0.36) (16,0.42) (7,0.34) (17,0.58) (8,0.52) (18,0.40) (9,0.54) (19,0.44) (10,0.6) (20,0.38) 3.2 Διαδικασία τοπο έτησης η εκτροδί ν στον ε ε οντή και ήψης σήματος Η εκτροε κεφα ο ραφήματος και Προκ ητών Δυναμικών Όπ ς αναφέρ ηκε παραπάν κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας αμ άνεται σήμα ΗΕΓ από την κάσκα που είναι τοπο ετημένη στο κεφά ι του ε ε οντή. Προκειμένου οι κατα- ραφές σήματος να είναι μονοσήμαντα μεταφράσιμες από ό α τα ερ αστήρια, η τοπο έτηση τ ν η εκτροδί ν έ ει προτυποποιη εί πα κοσμί ς. Το δημοφι έστερο σενάριο που ακο ου είται είναι το Διεθνές Σύστημα για την Τοποθέτηση Ηλεκτροδίων 10-20[6]. Το σύστημα ασίζεται στη σ έση μεταξύ της τοπο έτησης ενός η εκτροδίου και της υποκείμενης περιο ής ε κεφα ικού φ οιού. Κά ε περιο ή αρακτηρίζεται από ένα ράμμα( ια τον προσδιορισμό του ο- ού) και έναν αρι μό ή ένα δεύτερο ράμμα ια τον προσδιορισμό της έσης του ημισφαιρίου. Τα ρησιμοποιούμενα ράμματα είναι[6]: F - Μετ πικός ο ός(frontal lobe), Τ -Κροταφικός ο- ός(temporal lobe), C -Κεντρικός ο ός(central lobe), P -Βρε ματικός ο ός(parietal lobe), O - Ινιακός ο ός(occipital lobe). Οι ζυ οί αρι μοί (2,4,6,8) αναφέρονται στο δεξί ημισφαίριο και οι 35

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ μονοί αρι μοί (1,3,5,7) αναφέρονται στο αριστερό ημισφαίριο. Το ράμμα Ζ αναφέρεται σε η εκτρόδιο που τοπο ετείται στη μεσαία ραμμή του κρανίου. Όσο μικρότερος είναι ο αρι μός, τόσο πιο κοντά ρίσκεται η έση αυτή στη μεσαία ραμμή του κρανίου. Ο συνδυασμός Fp αντιστοι εί στο μετ πικό πο ικό η εκτρόδιο. Για την τοπο έτηση τ ν η εκτροδί ν, κα ορίζονται: το ρίνιο το οποίο ορίζεται ς το ορο έσιο μεταξύ του μετώπου και της μύτης και το ινίο το οποίο ορίζεται ς την καμπυ ότητα στο όπισ εν μέρος του κρανίου. Το σύστημα ασίζεται στις ακρι είς μετρήσεις του κρανίου, κάνοντας ρήση τ ν δύο διακριτών ορο εσί ν. Πιο συ κεκριμένα, ρησιμοποιείται το ημιπεριφεριακό τόξο του κρανίου σε τρία επίπεδα: ο ε ιαίο, στεφανιαίο και ε κάρσιο. Κατά το Σύστημα 10-20, το 10% και 20% αναφέρονται σε αποστάσεις μεταξύ η εκτροδί ν, οι οποίες προκύπτουν από ασικές μετρήσεις: απόστασης ρινίου-ινίου, πρ τιαίου σημείου και περιφέρειας του κεφα ιού. Οι μονάδες μέτρησης που ρησιμοποιούνται είναι εκατοστά, Σύμφ να με το Σύστημα 10-20, τα η εκτρόδια τοπο ετούνται ακο ου ώντας τα εξής ήματα[6]: 1. μέτρηση στο ο ε ιαίο επίπεδο της απόστασης ρινίου-ινίου. Στο 10% την απόστασης πάν από το ρινίο και το ινίο, τοπο ετούνται τα δύο πρώτα η εκτρόδια. Το υπό οιπο 80% της απόστασης διαιρείται ώστε κά ε η εκτρόδιο να απέ ει από το επόμενο το 20% της απόστασης. 2. μέτρηση στο στεφανιαίο επίπεδο της απόστασης μεταξύ τ ν δύο σημεί ν της προεξο ής του ανοί ματος τ ν αυτιών. Στο 10% της απόστασης αυτής, πάν από τα σημεία προεξο ής του ανοί ματος τ ν αυτιών, τοπο ετούνται τα δύο επόμενα η εκτρόδια. Το υπό οιπο 80% της απόστασης διαιρείται ομοί ς με το πρώτα ήμα. 3. μέτρηση στο ε κάρσιο επίπεδο της απόστασης μεταξύ τ ν δύο πρώτον η εκτροδί ν του πρώτου ήματος. Στο 10% της απόστασης, τοπο ετούνται τα επόμενα δύο η εκτρόδια. Το υπό οιπο 80% της απόστασης διαιρείται ομοί ς με το πρώτο ήμα. Η αρ ική διατύπ ση του Συστήματος περι αμ άνει 19 η εκτρόδια όπ ς φαίνεται στο Σ ήμα 3.2. Στη συνέ εια το σύστημα τοπο έτησης η εκτροδί ν αυτό επεκτά ηκε με σκοπό να τοπο ετη- Σ ήμα 3.2: Σύστημα τοπο έτησης η εκτροδί ν 10-20[6]. ούν περισσότερα η εκτρόδια στο κεφά ι όταν υπήρ ε η ανά κη ια πυκνότερη δει ματο ηψία τ ν δυναμικών επιφανείας του κεφα ιού. Μια επέκταση αυτών, αποτε εί και το σύστημα δει ματο ηψίας τ ν 32 η εκτροδί ν που ρησιμοποιή ηκε και στον παρόν πείραμα. Η διάρκεια κατα ραφής τ ν σημάτ ν ασικού ΗΕΓ και ΠΔ απεικονίζεται στο Σ ήμα 3.1. Στη σκια ραφημένη περιο ή με κρί ρώμα, η διάρκεια κατα ραφής τ ν σημάτ ν ρίζεται σε τρία ασικά διαστήματα[6]: 1. ΗΕΓ (η εκτροε κεφα ο ράφημα). 36

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ 2. Χρονικά διάστημα που περι αμ άνει το υπο σύ κριση ζεύ ος πα μών(α). 3. Χρονικό διάστημα μετά το ερέ ισμα (post-trigger). Τα δύο πρώτα ρονικά διαστήματα είναι μετα ητής διάρκειας σε κά ε επανά ηψη, ώστε η συνο ική κατα ραφή του σήματος που ορίζεται ς το ά ροισμα τ ν τριών διαστημάτ ν( μ σκια ραφημένη περιο ή) να είναι στα ερής διάρκειας ίσης με 5700ms. Αναφέρ ηκε ότι η διάρκεια του πα μού δοκιμής t μετα ά εται αμ άνοντας ε ά ιστη τιμή 420ms και μέ ιστη τιμή 620ms. Επομέν ς, το ρονικό διάστημα Α μετα ά εται μεταξύ τ ν τιμών 3920ms και 4120ms, ια τις αντίστοι ες τιμές t. Επειδή η συνο ική κατα ραφή είναι στα ερής διάρκειας(5700ms), η διάρκεια του ΗΕΓ που κατα ράφεται πριν τον πα μό αναφοράς είναι μετα ητή με οριακές τιμές 780ms( ια t =420ms) και 580ms( ια t =620ms). Η διάρκεια του post-trigger διαστήματος είναι στα ερή και ανεξάρτητη της διάρκειας του πα μού δοκιμής και ίση με 1000ms. Η περίοδος δει ματο ηψίας του συστήματος ήψης του σήματος είναι T s = 1ms,οδη ώντας σε διακριτό σήμα μήκους N = 5700 δει μάτ ν. Από τα 32 κανά ια της κάσκας που εφαρμόστηκε στο κεφά ι του ε ε οντή, κατα ράφονται 32 σήματα που σ ετίζονται με την υποκείμενη ε κεφα ική ειτουρ ία κατά την πειραματική διαδικασία. Εδώ αξίζει να σημει εί ότι μιας και η ανά υση που α ακο ου ήσει, α ασιστεί στον Μετασ ηματισμό Κυματιδίου, δεν υπάρ ει άμεση ανά κη ια τον υπο ο ισμό του μέσου όρου(averaging) τ ν μετρούμεν ν σημάτ ν ΗΕΓ, με σκοπό την απόρριψη του ορύ ου κατά τη μέτρηση. Η διαδικασία αυτή αρακτηρίζεται ς ιδιαίτερης μετα είρισης στη συ κεκριμένη πειραματική διαδικασία, δεδομένου του μετα ητού μήκους του μετρούμενου σήματος ΗΕΓ που προη είται του πα μού αναφοράς. 3.3 Εισα ή στην Ψυ οακουστική Η ψυχοφυσική(psychophysics) είναι ο κ άδος εκείνος της επιστήμης που ασ ο είται με το πώς αντι αμ άνεται ο αν ρώπινος ορ ανισμός το φυσικό ερέθισμα(physical stimuli) που καταφ άνει στα αισ ητήρια όρ ανα του. Ο κ άδος της ψυ οφυσικής, που ασ ο είται με την αντί ηψη του ή ου ονομάζεται ψυχοακουστική(psychoacoustics)[13]. Προκειμένου να ίνει ξεκά αρη η έννοια της παραπάν έξης κρίνεται ανα καίο να ίνει ένας δια ρισμός μεταξύ του φυσικού ερε ίσματος και της ψυ ο ο ικής αντίδρασης σε αυτό. Ο ή ος, ια παράδει μα, που καταφ άνει στο αν ρώπινο αυτί αποτε εί το φυσικό ερέ ισμα α ά αυτό που στην πρα ματικότητα κανείς ακούει είναι η αντίδραση σε αυτόν. Αν εί ε ρε εί μια ένα προς ένα αντιστοί ηση μεταξύ τ ν φυσικών παραμέτρ ν του ή ου και του πώς αυτοί ίνονται αντι ηπτοί, τότε η αντίδραση σε κά ε ή ο α μπορούσε να ποσοτικοποιη εί με τις ασικές αρ ές του ή ου. Αυτό έ αια αυτόματα α σήμαινε ότι ό οι οι φυσικοί ή οι α ήταν δυνατόν να ίνουν αντι ηπτοί και ότι κά ε μικρή α α ή στην ένταση του ή ου α οδη ούσε σε διαφορετική του αντί ηψη. Αυτό δεν είναι όμ ς η πρα ματικότητα, με αποτέ εσμα να υπάρ ει άμεση ανά κη ια με έτη του τρόπου με τον οποίο αντι αμ άνεται κανείς τον ή ο α ά και τον μη ανισμών του συστήματος ακοής και του ε κεφά ου με άση τους οποίους πρα ματοποιείται η αντί ηψη αυτή Υποκειμενικό και Αντικειμενικό Κατώφ ι Ο όρος υποσυνείδητος μπορεί να προσδιοριστεί αφού πρώτα οριστεί το κατώφ ι συνειδητοποίησης (ουδός), δη αδή ένα κατώτατο όριο που δια ρίζει το συνειδητό από ασυνείδητο[6]. Τα ερε ίσματα που παρουσιάζονται στους αν ρώπους και είναι κάτ από τα όρια του συνειδητού κατ φ ίου μπορούν να επηρεάσουν τη σκέψη, τη συμπεριφορά ακόμα και τις αποφάσεις τους. Η αντί ηψη αυτή δεν είναι νέα κα ώς στο [14] αναφέρεται ότι ο άν ρ πος μπορεί να αντι αμ άνεται μικρές διαφορές στην πίεση στο δέρμα, ρίς συνειδητή νώση της διαφορετικής αίσ ησης. Εντούτοις, το 1957, ο Vicary, ήταν ο πρώτος που ανέφερε την επίδραση τ ν υποσυνείδητ ν μηνυμάτ ν 37

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ στη συμπεριφορά τ ν αν ρώπ ν, ο σ εδιασμός όμ ς της με έτης αυτής αρ ότερα αμφισ ητή ηκε έντονα[15]. Π ή ος με ετών έ ουν διεξα εί τις τε ευταίες δεκαετίες, ειδικά στον τομέα της κοιν νικής με έτης ια την απόδειξη ότι η διέ ερση μπορεί να ρησιμοποιη εί ια την επιρροή της αντί ηψης του αν ρώπου, τ ν κινήτρ ν, ακόμη και της συμπεριφοράς[6]. Προκειμένου να με ετη εί η επίδραση ενός υποσυνείδητου ερε ίσματος στους εξεταζόμενους, ορίζονται από τους πειραματικούς ψυ ο ό ους το υποκειμενικό και αντικειμενικό κατώφλι, τα οποία κα ορίζουν τη συνειδητή αντί ηψη του ερε ίσματος. Η διάκριση στα κατώφ ια έ ει πρα ματοποιη εί στο [16] και είναι η ακό ου η: 1. Yποκειμενικό Kατώφλι: κα ορίζεται με όρους της αποτυ ίας του εξεταζόμενου να αναφέρει συνειδητή αντί ηψη της διέ ερσης. Το υποκειμενικό κατώφ ι δη αδή είναι το όριο στο οποίο ο εξεταζόμενος υποστηρίζει ότι ακρι ώς ή με κάποια πι ανότητα αρ ίζει να αντι αμ άνεται το ερέ ισμα. 2. Aντικειμενικό Kατώφλι: κα ορίζεται με όρους της ανικανότητας του εξεταζόμενου να διακρίνει, ακόμη και κάνοντας εικασίες, την παρουσία της διέ ερσης. Είναι προφανές, ότι η μέτρηση της αντικειμενικής συνειδητοποίησης προσφέρει ένα αμη ότερο κατώτερο όριο ια τη συνειδητοποίηση από τη μέτρηση της υποκειμενικής συνειδητοποίησης. Κατά συνέπεια, εάν μπορεί να αποδει τεί ότι το ερέ ισμα παρουσιάζεται πάν από το αντικειμενικό κατώφ ι του εξεταζόμενου και ταυτό ρονα κάτ από το υποκειμενικό κατώφ ι του και επίσης εάν μπορεί να αποδει τεί η ύπαρξη κάποιας επίδρασης στη συμπεριφορά του εξεταζόμενου, σύμφ νη με την εμφάνιση της διέ ερσης που όμ ς δεν εμφανίζεται ε είψει της, τότε υπάρ ει ένδειξη υποσυνείδητης αντί ηψης και επιρροής[6] Με ο ο ίες Προσδιορισμού του Κατ φ ίου Ο κα ορισμός της σ έσης μεταξύ του φυσικού ερε ίσματος και της αντί ηψης του εξεταζόμενου αποτε εί πρ ταρ ικό στό ο. Οι με οδο ο ίες που ρησιμοποιούνται ια τον κα ορισμό αυτό παρουσιάζουν στον εξεταζόμενο μία σειρά από κα ώς ορισμένα ερε ίσματα, ν στά στον εξεταστή ς προς την ένταση, το ά ος ή τη διάρκεια. Ο εξεταζόμενος κα είται να απαντήσει σε σαφές ερώτημα σ ετικό με το φυσικό ερέ ισμα, κα ορίζοντας σταδιακά το αντικειμενικό κατώφ ι συνειδητοποίησης. Ενα ακτικά, με την παρουσίαση δύο ή ν, ορίζεται η ελάχιστη αντιληπτή διαφορά(just Noticeable Difference JND) η οποία αντιστοι εί στη μικρότερη διαφορά που εντοπίζεται μεταξύ του ήχου αναφοράς(reference tone) και του ήχου δοκιμής(test tone). Ο ή ος δοκιμής μετα ά εται ς προς τον ή ο αναφοράς σε ένταση, ά ος ή διάρκεια. Με τον τρόπο αυτό, κα ορίζεται το κατώφλι διαφοράς(difference Limen DL). Αξίζει να σημει εί η διαφοροποίηση μεταξύ της αισ ητήριας ικανότητας ή ευαισ ησίας(αυτό που ο εξεταζόμενος πρα ματικά ακούει), η οποία κυρί ς αποτε εί το αντικείμενο ενδιαφέροντος, και της προδιά εσης στην απάντηση(ο τρόπος που ο εξεταζόμενος απαντά), η οποία αντικατοπτρίζει την προδιάθεση/τάση(bias) και τα κριτήρια που επηρεάζουν την απάντηση του εξεταζόμενου. Η επι ο ή τ ν με οδο ο ιών και τε νικών κα ορισμού του κατ φ ίου πρα ματοποιείται με νώμονα την ε α ιστοποίηση της προδιάθεσης στην απάντηση(response bias). Ο ανα νώστης μπορεί να αναζητήσει επτομέρειες που αφορούν στα ψυ- οακουστικά πειράματα στο [17]. Στη συνέ εια, παρουσιάζονται οι κ ασικές μέ οδοι ψυ οφυσικής, οι μέ οδοι ανα καστικής επι ο ής και οι προσαρμόσιμες τε νικές, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη μέ οδο τ ν στα ερών ερε ισμάτ ν που α ρησιμοποιη εί σαν πειραματική μέ οδος στα π αίσια της παρούσας διπ ματικής ερ ασίας Κ ασικές Μέ οδοι Οι κ ασικές μέ οδοι που ρησιμοποιούνται στη ι ιο ραφία είναι η μέθοδος των ορίων(method of limits), η μέθοδος της προσαρμογής(method of adjustment) και η μέθοδος των σταθερών ερεθι- 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ σμάτων(method of constant stimuli). Κατά τη μέθοδο των ορίων, το ερέ ισμα ε έ εται από υτα από τoν εξεταστή και ο εξεταζόμενος απαντά σε μία απ ή ερώτηση ύστερα από κά ε επανάληψη(trial). Κατά την αύξουσα μέ οδο τ ν ορί ν, μια ιδιότητα του ερε ίσματος ξεκινά από ένα επίπεδο τόσο αμη ό που το ερέ ισμα δεν μπορεί να εντοπιστεί, στη συνέ εια αυτό το επίπεδο σταδιακά αυξάνεται έ ς ότου ο εξεταζόμενος να το εντοπίζει. Κατά τη φ ίνουσα μέ οδο τ ν ορί ν, η διαδικασία αντιστρέφεται. Σε κά ε περίπτ ση, το κατώφ ι ε ρείται ότι εντοπίζεται στο επίπεδο όπου το ερέ ισμα μό ις ίνεται αντι ηπτό[6]. Κατά τη διάρκεια τ ν πειραμάτ ν, οι αύξουσα και φ ίνουσα εφαρμο ές της με όδου ρησιμοποιούνται ενα ακτικά και υπο ο ίζεται ο μέσος όρος τ ν κατ φ ί ν. Ένα πι ανό μειονέκτημα της με όδου είναι ότι ο εξεταζόμενος μπορεί να συνη ίσει να αναφέρει ότι αντι αμ άνεται το ερέ ισμα και ίσ ς συνε ίζει να αποκρίνεται με τον ίδιο τρόπο ακόμη και μετά το κατώφ ι(σφάλμα εξοικείωσης habituation). Αντιστρόφ ς, ο εξεταζόμενος μπορεί επίσης να αδημονεί ότι το ερέ ισμα πρόκειται να ίνει αντι ηπτό ή μη και ίσ ς να κάνει πρό ρη κρίση(σφάλμα πρόβλεψης expectation). Αυτά τα σφά ματα μπορούν να ε α ιστοποιη ούν ρησιμοποιώντας ίσο αρι μό αυξουσών και φ ινουσών επανα ήψε ν ια κά ε κα ορισμό του κατ φ ίου. Αυτές οι επανα ήψεις, μπορεί να παρουσιάζονται ενα ακτικά ή τυ αία. Ένας δεύτερος τρόπος ια την ε α ιστοποίηση αυτών τ ν σφα μάτ ν είναι η διαφοροποίηση τ ν επιπέδ ν έναρξης κά ε επανά ηψης. Μία αρακτηριστική εφαρμο ή της με όδου στην οποία εφαρμόζονται και οι δύο τακτικές, απεικονίζεται στο Σ ήμα 3.3. Το σύμ ο ο ( ) αντιπροσ πεύει αρνητική απάντηση του εξεταζόμενου και το σύμ ο ο (+) ετική απάντησή του στην ερώτηση: μπορείτε να ακούσετε τον ή ο;. Η μέθοδος της προσαρμογής δια- Σ ήμα 3.3: Παράδει μα εφαρμο ής της με όδου τ ν ορί ν σε υπο ετικό πείραμα κα ορισμού κατ φ ίου[13]. φέρει από τη μέ οδο τ ν ορί ν ς προς δύο μέρη. Καταρ άς, ο εξεταζόμενος ε έ ει το επίπεδο του μετα ητού ερε ίσματος ξεκινώντας με μία τιμή που είναι σαφώς με α ύτερη ή μικρότερη από μια τιμή αναφοράς και το μετα ά ει έ ς ότου να μείνει ικανοποιημένος από την ισότητα τ ν δύο. 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Επιπ έον, το επίπεδο του ερε ίσματος διαφοροποιείται με συνε ή τρόπο και ό ι σε διακριτά ήματα. Η διαφορά μεταξύ του μετα ητού ερε ίσματος και του ερε ίσματος αναφοράς κατα ράφεται κατόπιν κά ε προσαρμο ής και το σφά μα απο ηκεύεται ια αρκετές επανα ήψεις. Στο τέ ος, ο μέσος όρος υπο ο ίζεται παρέ οντας το μέσο σφά μα, το οποίο μπορεί να ε ρη εί το μέτρο της ευαισ ησίας. Κατά τη μέθοδο των σταθερών ερεθισμάτων[6] τα επίπεδα μιας ιδιότητας του ερε ίσματος δε σ ετίζονται από την προη ούμενη και επόμενη επανά ηψη, α ά παρουσιάζονται στον εξεταζόμενο με τυ αίο τρόπο[13]. Χρησιμοποιείται ένα εύρος τιμών τ ν επιπέδ ν το οποίο περικ είει το κατώφ ι και έ ει επι ε εί με άση προη ούμενη εμπειρία ή πι οτική με έτη. Συνεπώς, ο εξεταζόμενος δεν είναι ικανός να προ έψει το επίπεδο του ερε ίσματος της επόμενης επανά ηψης, με αποτέ εσμα να μειώνονται τα σφά ματα της εξοικεί σης και της πρό εψης. Σε ένα πείραμα διαφορικής ευαισθησίας(differential sensitivity), ο εξεταζόμενος κα είται να συ κρίνει τις ιδιότητες δύο ερε ισμάτ ν και να αποτα εί ια την ισότητα ή τη διαφορά τους. Η μέ οδος επιτρέπει την π ήρη δει ματο ηψία της ψυ οφυσικής συνάρτησης. Η ψυ οφυσική συνάρτηση απεικονίζει τη πι ανότητα(% ποσοστό) τ ν απαντήσε ν ια διαφορετικά επίπεδα ερε ίσματος. Πιο συ κεκριμένα όπ ς αναφέρ ηκε και στη Παρά ραφο 3.1, o ε ε οντής ακούει δυο πα μούς και κα είται να απαντήσει στην ερώτηση: Ήταν ο δεύτερος πα μός με α ύτερης διάρκειας με ένα ναι ή ό ι δεδομένου ότι ο πρώτος πα μός είναι στα ερής διάρκειας. Μιας και μια συ κεκριμένη διάρκεια του δεύτερου πα μού οδη είται στον ε ε οντής 10 φορές η ψυ οφυσική συνάρτηση αράσσεται ς εξής. Στον άξονα τ ν τετμημέν ν τοπο ετείται η διάρκεια του δεύτερου πα μού και στον άξονα τ ν τετα μέν ν τοπο ετείται το ποσοστό τ ν απαντήσε ν που ήταν ετικές. Η ψυ οφυσική συνάρτηση, όπ ς σ εδιάστηκε με την παραπάν διαδικασία π.. ια τον ε ε οντή 7 του πειράματος φαίνεται στο Σ ήμα 3.4. Χρησιμοποιώ- Σ ήμα 3.4: Ψυ οφυσική συνάρτηση όπ ς σ εδιάστηκε ια τον ε ε οντή 7 του πειράματος. ντας επανα ήψεις ε έ ου ( catch trial) κατά τις οποίες ο ή ος δοκιμής δε διαφέρει από τον ή ο 40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ αναφοράς, μειώνεται σημαντικά η προδιά εση στην απάντηση, παρέ οντας εκτίμηση της εικασίας και διορ ώνοντας παρά η α την απόδοση του εξεταζόμενου κατά τις πρα ματικές επανα ήψεις. Ο αποδοτικός δια ρισμός της ευαισ ησίας από την προδιά εση στην απάντηση πρα ματοποιείται με άση τη Θεωρία Ανίχνευσης Σήματος(Signal Detection Theory), η οποία παρουσιάζεται στη συνέ εια του κεφα αίου. Σε σ έση με τη μέ οδο τ ν ορί ν και τη μέ οδο της προσαρμο ής, η μέ οδος τ ν στα ερών ερε ισμάτ ν έ ει το π εονέκτημα με α ύτερης ακρί ειας μέτρησης[13] και της άμεσης εκτίμησης της εικασίας στην απάντηση του εξεταζόμενου. Εντούτοις, το κύριο μειονέκτημα είναι ο με ά ος αρι μός επανα ήψε ν που απαιτείται[6], κουράζοντας τον εξεταζόμενο και μειώνοντας το κίνητρό του να ανταποκρι εί στη πειραματική διαδικασία. Στο π αίσιο της διπ ματικής αυτής ερ ασίας, ρησιμοποιείται η μέ οδος τ ν στα ερών ερε ισμάτ ν με εφαρμο ή σε πείραμα διαφορικής ευαισ ησίας, ς προς τη διάρκεια τ ν υπό σύ κριση πα μών. 3.4 Περι ραφή και προσδιορισμός της Ε ά ιστης Αντι ηπτής Διαφοράς Μετά τη άραξη της ψυ οφυσικής συνάρτησης πρα ματοποιείται εντοπισμός συ κεκριμέν ν σημεί ν ενδιαφέροντος. Αρ ικά, το πρώτο σημείο που εντοπίζεται είναι αυτό που αντιστοι εί στο 50%. Επειδή στο συ κεκριμένο σημείο το 50% τ ν απαντήσε ν ήταν ετικές και το 50% τ ν απαντήσε ν ήταν αρνητικές ε ρούμε ότι το μήκος αυτό του πα μού είναι το μήκος όπου οι δύο πα μοί ακού ονται από τον ε ε οντή σαν να είναι ίσοι σε διάρκεια. Για το ό ο αυτό το σημείο αυτό ονομάζεται σημείο υποκειμενικής ισότητας(point of subjective equality) ή PSE[13]. Επίσης σε πειράματα αυτού του είδους το σημείο 75% ε ρείται ότι είναι το κατώφλι(threshold) πάν από το οποίο ο δεύτερος πα μός ακού εται με α ύτερος σε διάρκεια. Η ελάχιστη αντιληπτή διαφορά(just noticeable difference-jnd) ή κατώφλι διαφοράς(difference lumen-dl) τότε προκύπτει με δύο διαφορετικές τε νικές: 1. Τεχνική Α: Ως διαφορά μεταξύ του μήκους του πα μού που αντιστοι εί στο κατώφ ι και του μήκους που αντιστοι εί στο PSE[13].Για παράδει μα στη περίπτ ση του ε ε οντή 7 τα αποτε έσματα τ ν απαντήσε ν του φαίνονται στον Πίνακα 3.3. Στον πίνακα αυτό ο αρι μός 1 Πίνακας 3.3: Αποτε έσματα απαντήσε ν του ε ε οντή 7. Επανά ηψη σημαίνει ετική απάντηση και 0 σημαίνει αρνητική απάντηση. Από τη με έτη της ψυ οφυσικής συνάρτησης όπ ς παρουσιάστηκε στο Σ ήμα 3.4, ρίσκουμε ότι: L P SE 472ms (3.3) 41

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ και άρα L 75% 485ms (3.4) DL = ms (3.5) 2. Τεχνική Β: Η τε νική αυτή έ ει εφαρμοστεί στη ι ιο ραφία και είναι πανομοιότυπη ια ό ες τις με όδους[6]. Η τε νική αυτή περι αμ άνει, μια ο ιστική ψυ οφυσική συνάρτηση Ψ(x) = exp( (x α)/β) (3.6) η οποία ρησιμοποιείται ια τον υπο ο ισμό της εκτίμησης μέ ιστης πι ανοφάνειας τ ν DL και PSE, όπου η μετα ητη x υποδεικνύει τη διάρκεια του πα μού δοκιμής. Το PSE ισούται με α και το DL ισούται σε κά ε περίπτ ση με β log( ). Για την αποτίμηση τ ν απαντήσε ν τ ν 10 ε ε οντών, οι εκτιμήσεις τ ν DL που αντιστοι ούν στον κα ένα ε έ ονται με τη σ εδίαση στο ίδιο διά ραμμα τ ν δεδομέν ν της αντίστοι ης ψυ οφυσικής συνάρτησης, ώστε να ε ε εί αν η προσαρμο ή είναι επιτρεπτή. Το Σ ήμα 3.5 φαίνονται οι ψυ ομετρικές συναρτήσεις ια τους 10 ε ε οντές του πειράματος και η κατά η η προσαρμο ή τους σε ο ιστικές ψυ ομετρικές συναρτήσεις Με τη ρήση τ ν παραπάν δύο τε νικών προκύπτει ο Πίνακας 3.4, ο οποίος παρουσιάζει τα αποτε έσματα της εκτίμησης της DL ια κά ε έναν από τους 10 ε ε οντές. Η ε ά ιστη αντι ηπτή Πίνακας 3.4: Τιμές και διακύμανση της ε ά ιστης αντι ηπτής διαφοράς ια τις δυο τε νικές εκτίμησης Α και Β. Ε ε οντής Εκτίμηση DL A [msec] Εκτίμηση DL B [msec] Μέση τιμή του DL[msec] Τυπική απόκ ιση του DL[msec] διαφορά είναι μια παράμετρος ιδιαίτερης σημασίας δεδομένου ότι προσφέρει μια εικόνα της ευαισ ησίας του ε ε οντή. Η ευαισ ησία αυτή δεν σ ετίζεται με τη φυσική ευαισ ησία του συστήματος ακοής του αν ρώπινου ορ ανισμού α ά όπ ς αναφέρ ηκε και προη ούμενα έ ει να κάνει με την ψυ οακουστική του αντί ηψη. 42

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Σ ήμα 3.5: Χάραξη τ ν ψυ οφυσικών συναρτήσε ν τ ν 10 ε ε οντών και η κατά η η προσαρμο ή τους σε επι ε μένες ο ιστικές ψυ ομετρικές συναρτήσεις[6] Μέ οδοι ανα καστικής επι ο ής Σε αντί εση με τις περισσότερες με όδους οι οποίες ασίζονται στη ΝΑΙ/ΟΧΙ προσέ ιση, οι μέθοδοι αναγκαστικής επιλογής(forced choice methods) παρουσιάζουν στον εξεταζόμενο δύο ή περισσότερες ενα ακτικές από τις οποίες κα είται να επι έξει. Ανά ο α με τον αρι μό N τ ν ενα ακτικών που δίνονται στον εξεταζόμενο, οι μέ οδοι ονομάζονται Ν interval forced choice methods(ν ΙFC) ή Ν alternative forced choice methods(n AFC) Προσαρμόσιμες τε ικές Σύμφ να με τις προσαρμόσιμες τεχνικές(adaptive procedures), το επίπεδο στο οποίο το ερέ ισμα παρουσιάζεται στον εξεταζόμενο σε δεδομένη επανά ηψη, εξαρτάται από την απάντησή του στη προη ούμενη επανά ηψη[13]. Η προσέ ιση τ ν προσαρμόσιμ ν τε νικών με ιστοποιεί την 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ απόδοση της με όδου, διότι οι περισσότερες επανα ήψεις ρίσκονται κοντά στο κατώφ ι. Επίσης, δεν απαιτείται π ηροφορία σ ετική με τη έση του κατ φ ίου, δεδομένου ότι οι προσαρμόσιμες τε- νικές το προσε ίζουν, ανεξάρτητα από το σημείο έναρξης και περι αμ άνουν μετα ητά ήματα που είναι συ νά αρ ικά με ά α και στη συνέ εια μειώνονται ώστε να προσε ίσουν το κατώφ ι. Με αυτό τον τρόπο, με ιστοποιούνται απόδοση και ακρί εια. 3.5 Θε ρία Ανί νευσης Σήματος Η Θεωρία Ανίχνευσης Σήματος(Signal Detection Theory)[13], παρέ ει τη έ τιστη προσέ ιση ια το δια ρισμό τ ν επιπτώσε ν της ευαισ ησίας από εκείν ν της προδιά εσης στην απάντηση. Σε ένα υπο ετικό πειραματικό σενάριο, ζητείται από τον εξεταζόμενο να απαντήσει ναι όταν ακούει έναν ή ο και ό ι όταν ο ή ος δεν ακού εται. Χρησιμοποιείται με ά ος αρι μός επανα ήψε ν ια κά ε επίπεδο έντασης του ή ου κα ώς και επαναλήψεις ελέγχου( catch trials) κατά τις οποίες ο ή ος στη πρα ματικότητα δεν παρουσιάζεται. Συνεπώς, υπάρ ουν τέσσερις διαφορετικές ενα ακτικές ια κά ε επανά ηψη. Δύο από τις ακό ου ες είναι ορ ές: 1. Μία επιτυχία (hit) συμ αίνει όταν ο ή ος είναι παρών(present: P) και ο εξεταζόμενος απαντά ναι. 2. Μία ορθή απόρριψη (correct rejection) συμ αίνει όταν ο ή ος είναι απών(absent: A) και ο εξεταζόμενος απαντά ό ι. Οι επόμενες δύο ενα ακτικές είναι αν ασμένες. 3. Μία αποτυχία (miss) συμ αίνει όταν o ή ος είναι παρών α ά ο εξεταζόμενος απαντά ό ι. 4. Μία λανθασμένη επιβεβαίωση (false alarm) συμ αίνει όταν o ή ος είναι απών α ά ο εξεταζόμενος απαντά ναι. Σ ηματικά, οι ενα ακτικές που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία απεικονίζονται στο Σ ήμα 3.6(α). Το Σ ήμα 3.6( ) απεικονίζονται οι κατανομές Α(Absent) και P(Present) οι οποίες αντιπροσ πεύουν τις συναρτήσεις πι ανότητας του απόντα ήχου(a) και του παρόντα ήχου(p). Ο δια ρισμός τ ν δύο κατανομών αποτε εί μέτρο της ευαισ ησίας, κα ώς εξαρτάται μόνο από την ενέρ εια τ ν σημάτ ν και την ευαισ ησία του ακουστικού συστήματος. Ο δια ρισμός μετράται με το δείκτη d, ο οποίος ισούται με τη διαφορά μεταξύ τ ν μέσ ν (x) τ ν Α και Ρ κατανομών διαιρώντας με την τυπική απόκ ιση (σ): d = x p x a σ Το κριτήριο με το οποίο ο εξεταζόμενος απαντά στα ερ τήματα αντιπροσ πεύεται από την κά ετη ραμμή που διαπερνά και τις δύο κατανομές (Σ ήμα 3.6( )). Στη δεξιά π ευρά της κά ετης ραμμής, ο εξεταζόμενος απαντά ναι και αριστερά της κά ετης ραμμής απαντά ό ι. Η επιτυ ία, η ορ ή απόρριψη, η αποτυ ία και η αν ασμένη επι ε αί ση ορίζονται σύμφ να με το Σ ήμα 2.8( ). (3.7) 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Σ ήμα 3.6: (α) Πίνακας ερε ίσματος-απάντησης ο οποίος απεικονίζει τις τέσσερις πι ανές ενα ακτικές ια κά ε επανά ηψη. Οι ορ ές απαντήσεις μπορεί να είναι hits ή correct rejections, ενώ οι αν ασμένες μπορεί να είναι misses ή false alarms. ( ) Οι τέσσερις ενα ακτικές της απάντησης όπ ς κα ορίζονται από το κριτήριο που αντιστοι εί στην κά ετη ραμμή[13]. 3.6 Εξοπ ισμός του πειράματος Το σύστημα ενίσ υσης και κατα ραφής του σήματος ΗΕΓ ρίσκεται ε κατεστημένο στο ερ- αστήριο Ψυ οφυσιο ο ίας του Ερευνητικού Πανεπιστημιακού Ινστιτούτου Ψυ ικής Υ ιεινής (ΕΠΙΨΥ). Ο εξεταζόμενος κά εται αναπαυτικά σε έναν η εκτρομα νητικά ρακισμένο ώρο (Κ ός Faraday). H π ήρης περι ραφή του ο οκ ηρ μένου συστήματος ια την κατα ραφή τ ν σημάτ ν ΗΕΓ και την παρα ή της ακουστικής πα μοσειράς φαίνεται με επτομέρεια στο Σ ήμα 3.7[6]. Για την παρούσα πειραματική διαδικασία, η κεραία SPA/2000/80/8/0/V δεν ακτινο ο εί. Πριν την έναρξη της πειραματικής συνεδρίας εφαρμόζεται στον εξεταζόμενο ή κάσκα ΗΕΓ της εταιρίας Electro-cap. H προενίσ υση του σήματος πρα ματοποιείται από προενισ υτή 32 κανα ιών της εταιρίας Braintronics και συ κεκριμένα το μοντέ ο ISO-1032CE, ο οποίος τοπο ετείται στο εσ τερικό του κ ού Faraday, ώστε να παρέ ει την πρώτη α μίδα ενίσ υσης, στα σήματα που προκύπτουν από τα η εκτρόδια πριν αυτά οδη η ούν εκτός του κ ού. Εξ τερικά της αί ουσας εξέτασης, τοπο ετείται ο ενισ υτής 32 κανα ιών του σήματος, DIFF/ISO 1032 Control Unit (Braintronics). Εκεί ρίσκεται επίσης και το σύστημα υπο ο ιστών ια την παρα ή του ακουστικού ερε ίσματος και την κατα ραφή τ ν σημάτ ν από τα 32 η εκτρόδια. To σύστημα ενίσ υσης και κατα ραφής της Braintronics ανήκει στον υπάρ οντα εξοπ ισμό του ΕΠΙΨΥ και περι ράφεται εν συντομία στη συνέ εια με τη οή εια του σ ηματικού δια ράμματος του Σ ήματος 3.7. Τα 32 σήματα που προκύπτουν από την έξοδο του ενισ υτή οδη ούνται στον διπ ό συνδετήρα εισόδου-εξόδου(i/o CB-68LP-National Instruments) o οποίος συνδέεται με την ψηφιακή συσκευή εισόδου εξόδου USB(USB 6501-National Instruments). H έξοδος του I/O CB-68LP οδη είται σε ένα η εκτρονικό υπο ο ιστή(η/υ Master), ενώ η έξοδος του USB 6501 οδη είται σε ένα δεύτερο η εκτρονικό υπο ο ιστή(η/υ Slave). Δεδομένου ότι ο Η/Υ Master ρησιμοποιείται ια την κατα ραφή τ ν ενισ υμέν ν σημάτ ν από τα 32 η εκτρόδια δια έτει μια κάρτα ανάκτησης ψηφιακών δεδομέν ν(daq PCI-6255-National Instruments). H κατα ραφή και απο ήκευση τ ν σημάτ ν τ ν η εκτροδί ν ίνεται με κατά η ο ο ισμικό που έ ει υ οποιη εί στην π ατφόρμα LABVIEW 8.5(National Instruments). Μέσ της ψηφιακής συσκευής USB 6501 και του τοπικού δικτύου(ethernet HUB), οι Η/Υ Master και Slave επικοιν νούν, μέσ κατά η ου σήματος σκανδα ισμού(trigger), ια τον συ ρονισμό τους και τον κα ορισμό του επι υμητού ρόνου κατα ραφής του σήματος ΗΕΓ. Σημειώνεται ότι η συ νότητα δει ματο ηψίας είναι 1000Ηz[6]. 45

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΨΥΧΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Σ ήμα 3.7: Σ ηματικό διά ραμμα του συστήματος παρα ής του ερε ίσματος και κατα ραφής του σήματος ΗΕΓ[6]. 46

47 Κεφά αιο 4 Κυματιδιακή Ανά υση Το σήμα Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος(ΗΕΓ), όπ ς και σ εδόν ό α τα ιο ο ικά σήματα, είναι ένα μη στάσιμο σήμα(non-stationary). Για το ό ο αυτό, πέρα από την π ηροφορία που αφορά τις συ νότητες που εμφανίζονται μέσα στο σήμα, υπάρ ει η ανά κη να ν ρίζουμε και σε ποια ρονική στι μή εμφανίζεται η κά ε συ νότητα στο πεδίο του ρόνου. Μέσα από την παραπάν διαπίστ ση είναι φανερό ότι ο Μετασχηματισμός Fourier(Fourier Transform-FT) δεν είναι το κατά η ο ερ α είο ια την ανά υση σημάτ ν αυτής της κατη ορίας. Όπ ς είναι ν στό o Mετασ ηματισμός Fourier παρέ ει π ηροφορία μόνο ια το ποιες είναι οι συ νότητες που απαρτίζουν ένα σήμα α ά δεν δίνει τη δυνατότητα ια εντοπισμό τους στο πεδίο του ρόνου(time localization). Η ανά κη αυτή μας οδη εί στη ρήση ενός μετασ ηματισμού ο οποίος α είναι μια αναπαράσταση τόσο στο πεδίο του ρόνου όσο και στο πεδίο της συ νότητας. Ένα τέτοιο είδος μετασ ηματισμού είναι ο Μετασχηματισμός Κυματιδίου(Wavelet Transform-WT), ο οποίος και α ρησιμοποιη εί στην παρούσα ερ ασία. Οι ασικές αρ ές του μετασ ηματισμού αυτού μπορούν να κατανοη ούν ξεκινώντας από τον Mετασχηματισμό Fourier Mικρής Xρονικής Διάρκειας(Short Time Fourier Transform-STFT), μιας και ο WT αναπτύ ηκε ια να ξεπεραστούν ορισμένες από τις δυσκο ίες που αντιμετώπιζε η ρήση του STFT σε έματα ανά υσης στο πεδίο του ρόνου ή της συ νότητας[18]. Πιο συ κεκριμένα, ο WT μας δίνει την δυνατότητα να ν ρίζουμε ποιες συ νότητες του σήματος εμφανίζονται σε ποια ρονικά διαστήματα ενώ είναι α έ αιο, σύμφ να με αρ ή της απροσδιοριστίας του Heisenberg, ποια συ νότητα εμφανίζεται σε ποια ρονική στι μή. Αξίζει επίσης να σημει εί ότι η ανά υση αυτή δεν είναι στα ερή α ά μετα ά εται, με αποτέ εσμα υψη ότερες συ νότητες να είναι πιο εύκο ο να εντοπιστούν. Κατά την ανάπτυξη τ ν ασικών εννοιών του WT στη έση του όρου συχνότητα(frequency) α ρησιμοποιείται ο όρος κλίμακα(scale). Η ακρι ής σημασία του όρου αυτού α ίνει πιο ξεκά αρη στη συνέ εια και προς το παρόν είναι αρκετό να επισημαν εί ότι η κ ίμακα είναι το αντίστροφο της συ νότητας[18]. Η επέκταση του FT ια στάσιμα(stationary) σε μη-στάσιμα σήματα ασίζεται στη εώρηση ότι ένα μη-στάσιμο σήμα μπορεί να ε ρη εί ότι αποτε είται από περισσότερα ί ν δει μάτ ν στάσιμα σήματα και σε αυτά να εφαρμοστεί ο FT. Το αρ ικό σήμα διαιρείται σε διαστήματα, με τη ρήση μια συνάρτησης παραθύρωσης w(window function). Το μέ ε ος του παρα ύρου αυτού εξαρτάται από το αρι μό τ ν τμημάτ ν που το αρ ικό σήμα μπορεί να ριστεί ώστε κά ε τμήμα να ε ρείται στάσιμο σήμα. Έστ ένα σήμα x(t) ο STFT του σήματος αυτού ορίζεται ς[19]: ST F T x (τ, f) = [x(t) w (t τ)] e j2πωt dt (4.1) όπου το σύμ ο ο υποδη ώνει τη συζυ ή συμμετρία και w(t) είναι η συνάρτηση παρα ύρ σης. Υπεν υμίζεται εδώ ότι ο Mετασ ηματισμός Fourier(FT) ια ένα σήμα x(t) ς[19]: X(f) = x(t) e j2πωt dt (4.2) 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Από την παραπάν σ έση είναι φανερό ότι ο STFT δεν είναι τίποτα ά ο από τον FT του αρ ικού σήματος, πο απ ασιασμένο με τη συνάρτηση παρα ύρ σης. Είναι επίσης σημαντικό να σημει εί ότι το αποτέ εσμα του μετασ ηματισμού αυτού οδη εί σε μια συνάρτηση δύο μετα ητών, τόσο της συ νότητας f, όσο και της μετατόπισης τ της ρησιμοποιούμενης συνάρτησης παρα ύρου. Η αδυναμία του STFT που οδή ησε στην ανάπτυξη σε μετέπειτα στάδιο του WT σ ετίζεται με αυτό που προη ούμενα αναφέρ ηκε ς αρ ή της απροσδιοριστίας του Heisenberg ([19]). Η ανάλυση(resolution) στο πεδίο του ρόνου και η ανά υση στο πεδίο της συ νότητας είναι δύο με έ η αντικρουόμενα δημιουρ ώντας έτσι μια ανά κη ια συμ ι ασμό μεταξύ του να ν ρίζουμε σε ποια ρονική στι μή και ποια ακρι ώς συ νότητα εμφανίζεται στο σήμα. Το πρό ημα του STFT σ ετίζεται με το μέ ε ος της συνάρτησης παρα ύρ σης. Εδώ πρέπει να αναφερ εί ότι το μέ ε ος ενός παρα ύρου αναφέρεται με τον τε νικό όρο εύρος(support) παρα ύρου. Πιο συ κεκριμένα, όπ ς είναι ν στό ο FT δεν εμφανίζει κάποιο πρό ημα με την ανά υση στο πεδίο της συ νότητας μιας και ν ρίζουμε ακρι ώς ποιες συ νότητες είναι παρούσες στο σήμα. Όμοια, δεν υπάρ ει κανένα πρό ημα με την ανά υση ρόνου στο πεδίο του ρόνου μιας και ν ρίζουμε ακρι ώς την τιμή του σήματος σε κά ε ρονική στι μή. Αντί ετα η ανά υση της συ νότητας στο πεδίο του ρόνου και η ανά υση ρόνου στο πεδίο της συ νότητας είναι μηδενικές μιας και δεν έ ουμε καμία π ηροφορία ια αυτά με τη ρήση του FT. Ακόμα και πυρήνας(kernel) e j2πωt είναι άπειρης διάστασης οδη- ώντας σε ιδανική ανά υση συ νότητας. Σε αντί εση, στον STFT το ρησιμοποιούμενο παρά υρο είναι πεπερασμένης διάστασης, κα ύπτει δη αδή ένα τμήμα μόνο του αρ ικού σήματος, ε ονός που οδη εί σε μια φτ ότερη ανά υση συ νότητας, με την έννοια ότι δεν ν ρίζει κανείς π έον την ακρι ή συ νότητα που εμφανίζεται α ά αντί ετα, μια μπάντα συ νοτήτ ν που εντοπίζονται στο αρ ικό σήμα. Χρήση παρα ύρ ν μικρότερου εύρους οδη ούν σε κα ύτερη ανά υση ρόνου και φτ ότερη ανά υση συ νότητας, ενώ ρήση παρα ύρ ν με α ύτερου εύρους οδη εί σε κα ύτερη ανά υση συ νότητας και φτ ότερη ανά υση ρόνου[19]. Όταν κανείς ρησιμοποιεί τον STFT σαν ερ α είο ια την ανά υση σημάτ ν ΗΕΓ ρίσκεται αντιμέτ πος με το παραπάν δί ημα σε σ έση με το μέ ε ος της συνάρτησης παρα ύρ σης. Σε αυτό το σημείο ο WT είναι ο κατά η ος μετασ ηματισμός που δίνει τη ύση, μέ ρι κάποιο σημείο, στο παραπάν πρό ημα της ανά υσης. Η άση του Mετασχηματισμού Κυματιδίου ρίσκεται σε αυτό που ονομάζεται[19] πολυκλιμακωτή ανάλυση(multiresol-ution analysis), η οποία όπ ς υποδη ώνεται και από το όνομα της ανα ύει το σήμα σε πο ές διαφορετικές κ ίμακες υπερνικώντας το πρό ημα της στα ερής σε κά ε συ νότητα ανά υσης του STFT. Η πο υκ ιμακ τή ανά υση οδη εί παρό α αυτά σε πο ύ ικανοποιητική ανά υση ρόνου και φτ ότερη ανά υση συ- νότητας σε υψη ές συ νότητες και ικανοποιητική ανά υση συ νότητας και φτ ότερη ανά υση ρόνου σε αμη ές συ νότητες. Το αποτέ εσμα αυτό είναι κατά η ο ια εφαρμο ή κυρί ς σε σήματα τα οποία εμφανίζουν αμη ές συ νότητες ια με ά α ρονικά διαστήματα και υψη ές συ- νότητες ια σύντομο ρόνο. Το σήμα ΗΕΓ όπ ς και τα περισσότερα ιο ο ικά σήματα εμπίπτουν σε αυτήν την κατη ορία, αφού τα ασικό ΗΕΓ σήμα είναι αμη όσυ νο και με ά ης ρονικής διάρκειας και αντί ετα τα προκλητά δυναμικά(πδ) αρακτηρίζονται σαν σήματα υψη όσυ να τα οποία διαρκούν κάποια μόνο ms μετά την αντίδραση του ε κεφά ου σε κάποιο ερέ ισμα. 4.1 Έννοια Κυματιδίου Ο όρος μητρικό κυματίδιο που ρησιμοποιή ηκε στον προη ούμενο ορισμό, οφεί ει το όνομα του σε δύο ασικές του ιδιότητες. Αρ ικά, ο όρος κυματίδιο έ ει την έννοια του μικρού κύματος, όπου ο όρος μικρός ρησιμοποιείται μιας και η συνάρτηση του κυματιδίου είναι πεπερασμένου εύρους. Ο όρος μητρικό ρησιμοποιείται μιας και η ίδια συνάρτηση με διαφορετικό εύρος είναι αυτή που ρησιμοποιείται σε κά ε διαφορετική κ ίμακα του μετασ ηματισμού. Σε κά ε κ ίμακα, το αρ- ικό μητρικό κυματίδιο είναι αυτό που κ ιμακώνεται και α άζει το εύρος του διατηρώντας όμ ς στα ερό το αρ ικό πρότυπο, διατηρεί δη αδή την ίδια μορφή. Αυτή η κ ιμάκ ση είναι που αποτε εί και ασική διαφορά μεταξύ του WT και του STFT, αφού στην πρώτη περίπτ ση το ρησιμοποιού- 48

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ μενο παρά υρο, που στην ουσία είναι το κ ιμακ μένο μητρικό κυματίδιο, είναι μετα ητού μήκους. Το ρησιμοποιούμενο κυματίδιο ενερ εί κατά τον υπο ο ισμό του WT ς εξής. Όταν το αρ ικό σήμα περιέ ει μια συνιστώσα που αντιστοι εί στην κ ίμακα s και στη ρονική έση τ τότε το ινόμενο του σήματος με το κυματίδιο δίνει σ ετικά με ά η τιμή ενώ σε κά ε ά η περίπτ ση δίνει μικρές ή και μηδενικές τιμές. Με αυτόν τον τρόπο ο WT δίνει τη δυνατότητα να ανα ν ριστεί μέσα στο αρ ικό σήμα κά ε συνιστώσα του και ταυτό ρονα διατηρεί π ηροφορία και ια τη ρονική στι μή που αυτή εμφανίζεται Ιδιότητες Κυματιδίου Τα κυματίδια που ρησιμοποιούνται ια τον υπο ο ισμό του WT, έ ουν κάποιες ασικές ιδιότητες οι οποίες είναι και ανα καίες ια την ανά υση και ανακατασκευή του υπο ο ιζόμενου σήματος. Οι ιδιότητες αυτές εξασφα ίζουν ότι δεν α α εί σημαντικό μέρος της π ηροφορίας που φέρει το σήμα όταν α υπο ο ιστεί ο μετασ ηματισμός. Οι πιο ασικές ιδιότητες τ ν ρησιμοποιούμεν ν κυματιδί ν είναι η ορθοκανονικότητα(orthonormality), η επιτρεπτότητα(admissibility) και η κανονικότητα(regularity). 1. Ορθοκανονικότητα: Έστ δυο εκδόσεις του μητρικού σ ματιδίου ψ(t) οι οποίες διαφέρουν κατά μια ακέραια μετατόπιση και ορίζονται ς ψ n (t) = ψ(t n) και ψ κ (t) = ψ(t κ) (4.3) To κυματίδιο αυτό α έ εται ότι ικανοποιεί τη συν ήκη της ορ οκανονικότητας όταν ισ ύει ότι: ψ n (t), ψ κ (t) = δ κ n (4.4) όπου ο τε εστής, υποδη ώνει το εσ τερικό ινόμενο και η συνάρτηση δn κ είναι το δέ τα του Kronecker το οποίο ορίζεται ς: { δn κ 1 n = κ = (4.5) 0 n κ 2. Επιτρεπτότητα: Έ ει αποδει εί ότι ό ες οι τετρα νικά ο οκ ηρώσιμες συναρτήσεις ψ(t) που ικανοποιούν τη συν ήκη δεκτικότητας Ψ(ω) 2 dω < + (4.6) ω μπορούν να ρησιμοποιη ούν ια την ανά υση και έπειτα ια την ανακατασκευή ενός σήματος ρίς την απώ εια π ηροφορίας, όπου το Ψ(ω) είναι ο μετασ ηματισμός Fourier του σήματος ψ(t). Η ιδιότητα αυτή υποδη ώνει ότι ο μετασ ηματισμός Fourier εξαφανίζεται ύρ από τη μηδενική συ νότητα, δη αδή ότι Ψ(ω) = 0 για ω = 0 (4.7) Η παραπάν σ έση σημαίνει ότι τα κυματίδια α πρέπει να έ ουν φάσμα ζ νοπερατής μορφής. Η μηδενική τιμή του μετασ ηματισμού Fourier στη μηδενική συ νότητα σημαίνει επίσης ότι η μέση τιμή του κυματιδίου στο πεδίο του ρόνου α είναι επίσης μηδενική. Δη αδή ψ(t)dt = 0 (4.8) το οποίο με τη σειρά του σημαίνει ότι η συνάρτηση α πρέπει να τα αντώνεται. 49

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 3. Κανονικότητα: Όπ ς έ ει αναφερ εί και προη ούμενα ο Μετασ ηματισμός Κυματιδίου μιας συνάρτησης μιας μετα ητής είναι συνάρτηση δύο μετα ητών. Το ινόμενο εύρους-διάρκειας του μετασ ηματισμού είναι το τετρά νο αυτού το σήματος εισόδου, μια ιδιότητα η οποία δεν είναι τις περισσότερες φορές επι υμητή. Για τον ό ο αυτό, εφαρμόζονται πιο αυστηρές προδια ραφές στον ρησιμοποιούμενο κυματίδιο έτσι ώστε αυτό να μειώνεται ρή ορα όσο η κ ίμακα s αυξάνεται. Οι προδια ραφές αυτές ονομάζονται συν ήκες κανονικότητας και απαιτούν το κυματίδιο να έ ει κάποιου είδους ομα ότητα τόσο στον ρόνο όσο και στη συ νότητα. Αν και η κανονικότητα είναι πο ύ σύν ετη ιδέα, α ίνει προσπά εια ια την επεξή ηση της μέσα από την έννοια τ ν εκλιπόντων ροπών(vanishing moments). Αν αναπτύξουμε τον Μετασ ηματισμό Κυματιδίου σε σειρά Taylor ύρ από το σημείο t = 0 μέ ρι την τάξη n (και έστ τ = 0 ια απ ότητα), έ ουμε ότι: W T (s, 0) = 1 n t [ x (p) p (0) s p! ψ( t )dt + O(n + 1)] (4.9) s p=0 όπου x p είναι η p τάξης παρά ός του σήματος x(t) και O(n+1) σημαίνουν όροι υψη ότερης τάξης. Αν τώρα ορίσουμε σαν τη ροπή του κυματιδίου σαν M p M p = t p ψ(t)dt (4.10) μπορούμε να ξανα ράψουμε την παραπάν σ έση σαν W T (s, 0) = 1 s [x(0)m 0 s + x(1) 1! M 1s 2 + x(2) 2! M 2s x(n) n! M ns n+1 + O(s n+2 )] (4.11) Από την ιδιότητα της επιτρεπτότητας έ ουμε είδη ότι η μηδενικής τάξης ροπή M 0 = 0, έτσι ο πρώτος όρος της παραπάν σ έσης είναι μηδενικός. Αν απαιτήσουμε και οι υπό οιπες ροπές μέ ρι την τάξη n να είναι επίσης μηδενικές τότε οι συντε εστές Κυματιδίου W T (s, τ) ενός ομα ού σήματος x(t) α φ ίνουν τόσο ρή ορα όσο το s n+2. Αυτή η απαίτηση είναι ν στή ς ιδιότητα τ ν εκ ιπόντ ν ροπών ή τάξη προσέ ισης. Αν ένα κυματίδιο έ ει N τέτοιες ροπές, τότε η τάξη προσέ ισης του Μετασ ηματισμού Κυματιδίου είναι επίσης N. Στην πράξη δεν απαιτείται οι ροπές αυτές να είναι ακρι ώς μηδενικές α ά και μια μικρή τιμή τους είναι συνή ς ικανοποιητική. Στην παρούσα ερ ασία ρησιμοποιή ηκε το κυματίδιο cmor1-1. H ραφική παράσταση του πρα ματικού και του φανταστικού μέρους του μητρικού κυματιδίου φαίνεται στο Σ ήμα Κεντρική συ νότητα Κυματιδίου H κεντρική συ νότητα κά ε κυματιδίου είναι η συ νότητα εκείνη στην οποία εμφανίζεται το κέντρο συμμετρίας στο φάσμα του και στην περίπτ ση του κυματιδίου της οικο ένειας Morlet είναι το σημείο εκείνο στο φάσμα όπου αντιστοι εί στον υψη ότερο σημείο της Gaussian συνάρτησης στο πεδίο της συ νότητας. Πιο συ κεκριμένα το Morlet κυματίδιο ορίζεται ς: ψ(t) = g(t) e j2πf ct (4.12) όπου g(t) = πf b e t 2 f b (4.13) είναι η Gaussian συνάρτηση. Στον παραπάν ορισμό η συ νότητα f c αποτε εί την κεντρική συ νότητα του κυματιδίου και η συ νότητα f b είναι η συ νότητα που κα ορίζει το εύρος του φάσματος του κυματιδίου. Για το ρησιμοποιούμενο κυματίδιο cmor1-1 ισ ύει ότι: f c = 1, f b = 1 (4.14) 50

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σ ήμα 4.1: Φανταστικό και Πρα ματικό μέρος του μητρικού κυματιδίου cmor Συνε ής Μετασ ηματισμός Κυματιδίου Στη συνέ εια ακο ου εί ο ορισμός και μια περι ραφή ασικών εννοιών και ιδιοτήτ ν που σ ετίζονται με τον Συνε ή Μετασ ηματισμό Κυματιδίου Ορισμός του Συνε ούς Μετασ ηματισμού Kυματιδίου Ο Συνεχής Μετασχηματισμός Κυματιδίου-ΣΜΚ(Continuous Wavelet Transform- CWT), ια ένα συνε ές σήμα x(t),ορίζεται ς[20]: CW T x (τ, s) = Ψ x (τ, s) = 1 s x(t) ψ ( t τ )dt (4.15) s όπου παρατηρούμε ότι και πά ι το αποτέ εσμα του μετασ ηματισμού είναι ένα σήμα δύο μετα ητών τ και s τ ν παραμέτρ ν μετατόπισης(transalation) και κλίμακας(scale). H συνάρτηση ψ(t) ονομάζεται μητρικό κυματίδιο(mother wavelet). Η μετα ητή της μετατόπισης ρησιμοποιείται με την ίδια έννοια που ρησιμοποιείται και στον STFT, σ ετίζεται δη αδή με τη έση του παρα ύρου όσο αυτή α άζει μέσα στο αρ ικό σήμα. Ο όρος αυτός αντιστοι εί στην π ηροφορία στο πεδίο του ρόνου. Σε αντί εση με τα προη ούμενα δεν υπάρ ει σε αυτόν τον ορισμό η έννοια της συ- νότητας α ά αντί ετα η έννοια της κ ίμακας, η οποία είναι όπ ς αναφέρ ηκε και προη ούμενα το αντίστροφο της συ νότητας Κ ίμακες και ψευδοσυ νότητες Έ ει ήδη αναφερ εί προη ούμενα ότι κατά τον ορισμό του ΣΜΚ, δεν εμφανίζεται η έννοια της συ νότητας α ά η έννοια της κ ίμακας. Παρό α αυτά, ανά ο α με το ρησιμοποιούμενο κά ε φορά κυματίδιο υπάρ ει η δυνατότητα να αντιστοι ίσουμε κά ε κ ίμακα σε μια αντίστοι η συ νότητα. Η νέα αυτή συ νότητα, επειδή ακρι ώς προκύπτει από την αντιστοί ηση, ονομάζεται ψευδοσυχνότητα(pseudo-frequency). Στην οικο ένεια τ ν Morlet κυματιδί ν, παραδεί ματος άρη ισ ύει η 51

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ παρακάτ σ έση μεταξύ της κεντρικής του συ νότητας,της κ ίμακας και της ψευδοσυ νότητας: f = f c s (4.16) Κατά την ανά υση σημάτ ν με τη ρήση του ΣΜΚ, είναι επίσης σημαντικό να προσδιοριστούν οι κ ίμακες στις οποίες α υπο ο ιστούν οι συντε εστές Κυματιδίου. Για την πιο ρή ορη επεξερ- ασία του σήματος σε Η/Υ είναι κα ύτερο οι κ ίμακες να εκφράζονται σαν δυνάμεις του 2. Πιο συ κεκριμένα οι κ ίμακες ράφονται στη μορφή[21]: όπου s = s 0 2 jdj, j = 0, 1,, J (4.17) J = dj 1 log 2 ( Ndt s 0 ) (4.18) Στον παραπάν ορισμό, s 0 είναι η μικρότερη κ ίμακα στην οποία υπο ο ίζεται ο μετασ ηματισμός και J είναι αντίστοι α η με α ύτερη. Το s 0 ορίζεται ώστε η ισοδύναμη ψευδοσυ νότητα Fourier σε αυτήν την κ ίμακα να είναι ίση με 2dt, όπου dt είναι η συ νότητα δει ματο ηψίας του σήματος ΗΕΓ. Το dj είναι μια παράμετρος που σ ετίζεται με το εύρος του φάσματος της συνάρτησης κυματιδίου. Για την οικο ένεια τ ν Morlet κυματιδί ν επι έ εται ια να έ ουμε μια ικανοποιητική ανά υση: dj = 0.5 (4.19) Επίσης, N είναι ο αρι μός τ ν δει μάτ ν του αμ ανόμενου σήματος ΗΕΓ. Για το συ κεκριμένο σήμα που ήφ ηκε κατά την πειραματική αυτή διαδικασία ισ ύει ότι: N = 5700, dt = 1 (4.20) Το αποτέ εσμα της εφαρμο ής του παραπάν τύπου ια τις τιμές αυτές τ ν παραμέτρ ν κα ώς και οι αντίστοι ες ψευδοσυ νότητες ια το κυματίδιο cmor1-1 φαίνονται στον Πίνακα 4.1. Κατά την με έτη σημάτ ν ΗΕΓ, οι συ νότητες στις οποίες υπάρ ει αξιοποιήσιμη π ηροφορία κυμαίνονται μεταξύ 0.5Hz κατώτερη και 100Hz ανώτερη. Για τον σκοπό αυτό, στην τε ική ανά υση επι έ ουμε από τις παραπάν κ ίμακες μόνο αυτές που αντιστοι ούν σε ψευδοσυ νότητες που ρίσκονται μεταξύ αυτών τ ν ορί ν Οι τε ικές κ ίμακες στις οποίες υπο ο ίζεται ο Μετασ ηματισμός Κυματιδίου φαίνονται στον Πίνακα Ερμηνεία τ ν συντε εστών Κυματιδίου Ο Μετασ ηματισμός Κυματιδίου, όταν τα ρησιμοποιούμενο κυματίδιο είναι μι αδική συνάρτηση, είναι μι αδικός αρι μός. Η π ηροφορία που παρέ ει είναι τόσο π ηροφορία φάσης όσο και π άτους. Στην παρούσα ερ ασία, αφού το ρησιμοποιούμενο κυματίδιο είναι το Complex Morlet μετά το τέ ος της ανά υσης προκύπτουν δύο πίνακες, ένας που περιέ ει την π ηροφορία του π άτους και ένα της φάσης. Στο Σ ήμα 4.2 φαίνεται η π ηροφορία π άτους και φάσης που παρέ ει ο Mετασ ηματισμός Κυματιδίου ια δύο ΗΕΓ σήματα τα οποία αποκτή ηκαν κατά την πειραματική διαδικασία Κώνος επιρροής Ο τρόπος ήψης του σήματος ΗΕΓ, οδη εί σε ρονικές σειρές πεπερασμένου μήκους ε ονός που οδη εί σε ά η στην αρ ή και στο τέ ος του υπο ο ιζόμενου Μετασ ηματισμού Κυματιδίου. Ένας τρόπος ια υπερνικήσουμε την αδυναμία αυτή του μετασ ηματισμού είναι να επεκτείνουμε 52

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Πίνακας 4.1: Κ ίμακες και Ψευδοσυ νότητες ια το κυματίδιο cmor1-1 Κ ίμακες Ψευδοσυ νότητες (Hz) το τέ ος και την αρ ή του σήματος(padding) με μηδενικά, να υπο ο ιστεί ο μετασ ηματισμός και στη συνέ εια να εξαιρε ούν κάποιοι από τους συντε εστές. Συνή ς επεκτείνεται το αρ ικό σήμα στην κοντινότερη δύναμη του 2, ώστε να αποφύ ουμε τα φαινόμενα τ ν άκρ ν α ά και ια να επιτα ύνουμε τον υπο ο ισμό του μετασ ηματισμού στον H/Y. Η τοπο έτηση όμ ς τ ν μηδενικών αυτών οδη εί σε ασυνέ ειες στα άκρα του σήματος, και όσο ο υπο ο ισμός προ ρά σε υψη ότερες κ ίμακες μειώνει το π άτος τ ν συντε εστών μιας και ό ο περισσότερα μηδενικά ρησιμοποιούνται στην ανά υση. O κώνος επιρροής(cone of influence) είναι η περιο ή εκείνη του φάσματος Κυματιδίου στην οποία τα φαινόμενα άκρ ν είναι σημαντικά και συνή ς ορίζεται σαν τον χρόνο e-αναδίπλωσης(e-folding time) ια την αυτοσυσ έτιση της Κυματιδιακής ισ ύος σε κά ε κ ίμακα. Ο ρόνος e-αναδίπ σης επι έ εται έτσι ώστε η Κυματιδιακή ισ ύς σε μία ασυνέ εια στο άκρο πέφτει κατά έναν παρά οντα e 2 και εξασφα ίζει ότι τα φαινόμενα άκρ ν α είναι αμε ητέα πέρα από αυτό το σημείο. Είναι εύκο α αντι ηπτό, ότι ο κώνος επιρροής εξαρτάται και από το ρησιμοποιούμενο κυματίδιο και τα αρακτηριστικά του. Στα παρόν πείραμα από τα 5700 δεί ματα του πίνακα τ ν συντε εστών Κυματιδίου, ακόμα και αν δεν ίνεται επέκταση του σήματος με μηδενικά, ρησιμοποιούμε στον υπο ο ισμό τ ν διαφόρ ν μετρικών μόνα τα δεί ματα 501 έ ς 5200, εξαιρώντας τα υπό οιπα δεί ματα, ια να αποφύ ουμε τα φαινόμενα τ ν άκρ ν[21]. 53

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Πίνακας 4.2: Τε ικές κ ίμακες υπο ο ισμού του Μετασ ηματισμού Κυματιδίου και οι αντίστοι ες ψευδοσυ νότητες τους. Κ ίμακες Ψευδοσυ νότητες (Hz) Εξομά υνση Η εξομάλυνση(smoothing) του Μετασ ηματισμού Κυματιδίου είναι μια διαδικασία η οποία πρα ματοποιείται μετά τον υπο ο ισμό τ ν συντε εστών Κυματιδίου η οποία είναι απαραίτητη ια τον εξής ό ο. Τα σήματα τα οποία ανα ύονται με τη ρήση του μετασ ηματισμού εμφανίζουν έντονες μετα ο ές, κυρί ς ό ο της παρουσίας έντονου ορύ ου, ε ονός που μπορεί να οδη ήσει σε με- ά ές διακυμάνσεις στους συντε εστές Κυματιδίου. Η ρήση κάποιου είδους εξομά υνσης μειώνει τη διακύμανση του ορύ ου, και αυξάνει τα επίπεδα σημαντικότητας τ ν κορυφών που εμφανίζονται στο φάσμα κυματιδίου(w n ). Η εξομά υνση αυτή μπορεί να πρα ματοποιη εί είτε στον ρόνο είτε στην κ ίμακα. Στην παρούσα ερ ασία η εξομά υνση πρα ματοποιείται στον ρόνο με τη ρήση ενός φί τρου κινητής μέσης τιμής(moving-average filter) 21 δει μάτ ν στο πεδίο του ρόνου, έτσι το νέο φάσμα που προκύπτει δίνεται από την παρακάτ εξίσ ση[21]: W 2 n(s) = 1 n 2 n n 2 n=n 1 W n (s) 2 (4.21) 4.3 Μετρικοί Δείκτες Βασισμένοι στον Συνε ή Μετασ ηματισμό Κυματιδίου Στη συνέ εια παρουσιάζονται ορισμένοι δείκτες που μετρικές που υπο ο ίζονται με τη ρήση τ ν συντε εστών Κυματιδίου κα ώς και τι αυτές υποδεικνύουν σε σ έση με το αρ ικό σήμα. 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σ ήμα 4.2: Δεδομένα π άτους και φάσης που προκύπτουν από τον υπο ο ισμό τ ν συντε- εστών Κυματιδίου. Αριστερά και δεξιά φαίνονται αντίστοι α τα σήματα ΗΕΓ που ανήκουν στον ε ε οντή 7 και μετρή ηκαν από το η εκτρόδιο με αρι μό 1 κατά τις επανα ήψεις 101 και 102. Όπου CWT είναι o ΣΜΚ και όπου Modulus και Angle τα δεδομένα π άτους και φάσης αντίστοι α Κυματιδιακή Ισ ύς Έστ X ένα ρονικό σήμα και W (s, τ) ο Μετασ ηματισμός Κυματιδίου του σήματος. Τότε η κυματιδιακή ισ ύς του σήματος ονομάζεται και Scalogram και ορίζεται ς[22]: Scal(s, τ) = W (s, τ) 2 (4.22) Ο δείκτης αυτός περι ράφει τη διακύμανση του σήματος στο επίπεδο κ ίμακας- ρόνου Κυματιδιακή Ετεροσυσ έτιση Έστ δύο σήματα, και αντίστοι α W x και W y οι Κυματιδιακοί Μετασ ηματισμοί τους. Για να μπορέσουμε να εξετάσουμε τη συνδιακύμανση(covariance) τ ν δύο αυτών σημάτ ν ορίζεται η Κυματιδιακή Ετεροσυσχέτιση τ ν σημάτ ν αυτών. Η ισ ύς αυτή είναι ένα μέτρο της συσ έτισης(correlation) τ ν δύο αυτών σημάτ ν ρησιμοποιώντας το ινόμενο τ ν συντε εστών Κυματιδίου τους ς[22]: W xy (s, τ) = W x (s, τ) W y (s, τ) (4.23) όπου και πά ι ο αστερίσκος υποδη ώνει τη συζυ ία μι αδικού αρι μού. Ο δείκτης W xy 2 ονομάζεται coscalogram και το ράφημα του απεικονίζει τις ρονικές στι μές που τα δύο σήματα συσ ετίζονται στο επίπεδο ρόνου-κ ίμακας. Στο Σ ήμα 4.3 φαίνονται αποτε έσματα από τα δεδομένα του πειράματος του ε ε οντή 7 ια τον μετρικό δείκτη Coscalogram με τη ρήση του προ ράμματος MATLAB. 55

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σ ήμα 4.3: Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη Coscalogram, με ρήση τ ν σημάτ ν ΗΕΓ του ε ε οντή 7 από τα η εκτρόδια 1 και 2 κατά την 102 η επανά ηψη Συνάφεια Κυματιδίου Για ίνει δυνατή η ποσοτικοποίηση της σ έσης μεταξύ δύο σημάτ ν ο δείκτης της Συνάφειας Κυματιδίου(Wavelet Coherence-WCOH) ρησιμοποιείται και αποτε εί μέτρο της συσχέτισης πρώτης τάξης(first-order relationship) τ ν δύο σημάτ ν. Ο δείκτης αυτός ορίζεται ς[22]: W COH(s, τ) = S(W xy (s, τ)) S(Wxx (s, τ))s(w yy (s, τ)) (4.24) όπου W xx (s, τ) = W x (s, τ) W x (s, τ), W yy (s, τ) = W y (s, τ) W y (s, τ) (4.25) και ο τε εστής S() είναι αυτός που επιτε εί την κατά η η εξομά υνση όπ ς παρουσιάστηκε στη Παρά ραφο Στο Σ ήμα 4.4 φαίνονται αποτε έσματα ια τον μετρικό δείκτη W COH από δεδομένα του ε ε οντή 7 με τη ρήση του προ ράμματος MATLAB Τοπικός Συντε εστής Συσ έτισης Κυματιδίου Για να είναι δυνατή η ποσοτικοποίηση της συσχέτισης φάσης(phase correlation) δύο σημάτ ν ρησιμοποιείται ακόμα ένας δείκτης που ονομάζεται Τοπικός Συντελεστής Συσχέτισης Κυματιδίου(Wavelet Local Correlation Coefficient-WLCC) και ορίζεται ς[22]: W LCC(s, τ) = Re[W xy (s, τ)] W x (s, τ) W y (s, τ) (4.26) όπου ο τε εστής Re() υποδη ώνει το πρα ματικό μέρος του μι αδικού αρι μού. Στο Σ ήμα 4.5 φαίνονται αποτε έσματα από τα δεδομένα του πειράματος του ε ε οντή 7 ια τον μετρικό δείκτη WLCC με τη ρήση του προ ράμματος MATLAB. 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Σ ήμα 4.4: Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη W COH, με ρήση τ ν σημάτ ν ΗΕΓ του ε ε οντή 7 από τα η εκτρόδια 1 και 2 κατά την 102 η επανά ηψη. Σ ήμα 4.5: Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη W LCC, με ρήση τ ν σημάτ ν ΗΕΓ του ε ε οντή 7 από τα η εκτρόδια 1 και 2 κατά την 102 η επανά ηψη Συνάρτηση Ετερο-συσ έτισης Κυματιδίου Η ποσοτικοποίηση της συσχέτισης πλάτους(amplitude correlation) δύο σημάτ ν το επίπεδο κ ίμακας ρόνου ίνεται με τη ρήση της Συνάρτησης Ετερο-συσχέτισης κυματιδίου(cross Wavelet Correlation Function-CWCF)ο οποίος ορίζεται ς[22]: CW CF (s, τ) = 2 W xy (s, τ) 2 W x (s, τ) 4 + W y (s, τ) 4 (4.27) Ο δείκτης αυτός κυμαίνεται από 0 έ ς 1 όπου το 0 υποδη ώνει καμία συσ έτιση μεταξύ τ ν σημάτ ν και το 1 υποδη ώνει έντονη συσ έτιση μεταξύ τ ν δύο σημάτ ν. Στο Σ ήμα 4.6 φαίνονται 57

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΚΥΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ αποτε έσματα ια τον μετρικό δείκτη CW CF από δεδομένα του ε ε οντή 7 με τη ρήση του προ ράμματος MATLAB. Σ ήμα 4.6: Χρ ματικός άρτης του μετρικού δείκτη CW CF, με ρήση τ ν σημάτ ν ΗΕΓ του ε ε οντή 7 από τα η εκτρόδια 1 και 2 κατά την 102 η επανά ηψη. 58

59 Κεφά αιο 5 Περι ραφή Επεξερ ασίας σημάτ ν ΗΕΓ Όπ ς έ ει ήδη περι ραφεί σε προη ούμενο κεφά αιο, κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας κατα ράφεται σήμα ΗΕΓ από τον κά ε ε ε οντή, ρησιμοποιώντας κάσκα 32 ηλεκτροδίων. Το συνο ικό ρονικό διάστημα της κατα ραφής είναι 5700ms, το οποίο δεδομένης της συ νότητας δει ματο ηψίας ίσης με 1000Hz, οδη εί σε σήματα 5700 δειγμάτων ανά επανά ηψη. Επίσης, κά ε μια από τις έντεκα προκα ορισμένες στά μες του πα μού δοκιμής επανα αμ άνεται δέκα φορές οδη- ώντας σε 110 επαναλήψεις του πειράματος, ανά συνεδρία. Το σύνο ο τ ν ε ε οντών υπεν υμίζεται εδώ ότι αποτε είται από 10 ε ε οντές. Από τα παραπάν, είναι φανερό ότι ο ό κος τ ν δεδομέν ν είναι με ά ος, ε ονός που απαιτεί ειδική επεξερ ασία τους ια την εξα ή π ηροφορίας από το σήμα. Η επεξερ ασία τ ν σημάτ ν ΗΕΓ πρα ματοποιείται με τη ρήση της μα ηματικής π ατφόρμας MATLAB και η διαδικασία που ακο ου είται αρ ικά είναι η εξής: 1. Επι ο ή από το αρ είο τ ν σημάτ ν που κατα ράφονται ια έναν ε ε οντή, μιας επανά ηψης μήκους 5700 δει μάτ ν. 2. Υπο ο ισμός του Συνεχούς Μετασχηματισμού Κυματιδίου με τη ρήση του MATLAB. 3. Υπο ο ισμός τ ν μετρικών δεικτών της Συνάφειας Κυματιδίου, του Τοπικού Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου και της Συνάρτησης Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου, από τους Συντε- εστές Κυματιδίου όπ ς περι ράφηκαν στη Παρά ραφο 4.3. Για κά ε ένα η εκτρόδιο από τα 32, υπο ο ίζονται οι μετρικοί δείκτες ια ό α τα πι ανά ζεύ η που αυτό δημιουρ εί με κά ε ά ο η εκτρόδιο. Κά ε ένα η εκτρόδιο οιπόν δημιουρ εί με κά ε ένα από τα υπό οιπα η εκτρόδια 31 ζεύ η η εκτροδί ν. 4. Επανά ηψη της διαδικασίας ια κά ε επανά ηψη κά ε ε ε οντή. Σε αυτό το σημείο, σημειώνεται ότι η ρήση του Συνε ούς Μετασ ηματισμού Κυματιδίου οδη εί στη παρα ή δισδιάστατ ν πινάκ ν ια κα ένα απο τους παραπάν μετρικούς δείκτες(όπ ς είναι φανερό και από τα Σ ήματα 4.4 έ ς 4.6), όπου η μια τους διάσταση είναι ίση με τον αρι μό τ ν δει μάτ ν τους στο πεδίο του ρόνου(στην παρούσα περίπτ ση 5700) και η ά η τους διάσταση είναι ίση με τον αρι μό τ ν κ ιμάκ ν στις οποίες υπο ο ίστηκε ο μετασ ηματισμός(στην παρούσα περίπτ ση 15). Στο επόμενο ήμα της διαδικασίας ίνεται ένας δια ρισμός τ ν συντε εστών Κυματιδίου με άση τον αντίστοι ο ασικό ρυ μό τους σήματος ΗΕΓ στον οποίο ανήκουν. Αυτό πρα ματοποιείται μέσ της αντιστοί ησης τ ν κ ιμάκ ν σε ψευδοσυ νότητες και την ανα νώριση του ρυ μού στον οποίο κά ε συ νότητα ανήκει με άση τον Πίνακα 2.1. Έτσι οι 15 κ ίμακες υπο ο ισμού 59

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΗΜΑΤΩΝ ΗΕΓ του μετασ ηματισμού δια ρίζονται σε διαστήματα που αντιστοι ούν στους ρυ μούς ά φα, ήτα, άμμα, δέ τα και ήτα. Τα αποτε έσματα που α παρουσιαστούν στη συνέ εια, ασίζονται στην απεικόνιση τ ν διάφορ ν μετρικών δεικτών, σε κά ε ρυ μό, συναρτήσει της διάρκειας του πα μού δοκιμής. Ωστόσο, σε κάποιους μετρικούς δείκτες, ια την εξα ή αποτε εσμάτ ν α ρησιμοποιη ούν και ραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν τους διάφορους μετρικούς δείκτες, σε κά ε ρυ μό συναρτήσει της διάρκειας του πα μού δοκιμής, ρίζοντας όμ ς τα 32 η εκτρόδια, ανά ο α με τη έση τους στο κεφά ι του ε ε οντή, σε ε κεφα ικούς ο ούς. Για το πρώτο είδος ραφικών παραστάσε ν, που αφορά την απεικόνιση τ ν διαφόρ ν μετρικών δεικτών, σε κά ε ρυ μό, συναρτήσει της διάρκειας του πα μού δοκιμής, η διαδικασία επεξερ ασίας τ ν δεδομέν ν συνε ίζεται ς εξής: 1. Εξα ή του μέσου όρου τόσο στη ρονική διάσταση όσο και στη διάσταση κ ίμακας ια κά ε έναν μετρικό δείκτη, σε κά ε ένα από τους ρυ μούς, ια κά ε ζεύ ος η εκτροδί ν, σε κά ε επανά ηψη, κά ε ε ε οντή. 2. Eξα ή του μέσου όρου τ ν 31 ζευ ών που κά ε η εκτρόδιο συμμετέ ει, σε κά ε ένα μετρικό δείκτη, σε κά ε ένα ρυ μό, σε κά ε επανά ηψη κά ε ε ε οντή. 3. Εξα ή του μέσου όρου τ ν 10 επανα ήψε ν κά ε ρονικής διάρκεια του πα μού δοκιμής, σε κά ε ένα μετρικό δείκτη, σε κά ε ρυ μό, σε κά ε η εκτρόδιο, κά ε ε ε οντή. 4. Εξα ή του μέσου τ ν 10 ε ε οντών σε κά ε έναν μετρικό δείκτη, σε κά ε ρυ μό, σε κά ε η εκτρόδιο σε κά ε ρονική διάρκεια του πα μού δοκιμής. Για το δεύτερο είδος ραφικών παραστάσε ν, που αφορά την απεικόνιση τ ν μετρικών δεικτών ια κά ε έναν μετρικό δείκτη, σε κά ε ρυ μό συναρτήσει της διάρκειας του πα μού δοκιμής, ρίζοντας όμ ς τα η εκτρόδια στους διάφορους ε κεφα ικούς ο ούς, η διαδικασία επεξερ ασίας τ ν δεδομέν ν συνε ίζεται ς εξής: 1. Εξα ή του μέσου όρου τόσο στη ρονική διάσταση όσο και στη διάσταση κ ίμακας ια κά ε έναν μετρικό δείκτη, σε κά ε ένα από τους ρυ μούς, ια κά ε ζεύ ος η εκτροδί ν, σε κά ε επανά ηψη, κά ε ε ε οντή. 2. Eξα ή του μέσου όρου τ ν 31 ζευ ών που κά ε η εκτρόδιο συμμετέ ει, σε κά ε ένα μετρικό δείκτη, σε κά ε επανά ηψη κά ε ε ε οντή. 3. Εξα ή του μέσου όρου τ ν 10 επανα ήψε ν κά ε ρονικής διάρκεια του πα μού δοκιμής, σε κά ε ένα μετρικό δείκτη, σε κά ε η εκτρόδιο, κά ε ε ε οντή. 4. Δια ρισμός τ ν 32 η εκτροδί ν με άση τη έση τους στο κεφά ι του ε ε οντή σε ο ούς και εξα ή του μέσου όρου αυτών που ανήκουν στον ίδιο ο ό, σε κά ε έναν μετρικό δείκτη, σε κά ε ρονική διάρκεια του πα μού δοκιμής, σε κά ε ε ε οντή. 5. Εξα ή του μέσου τ ν 10 ε ε οντών σε κά ε έναν μετρικό δείκτη, σε κά ε ο ό, σε κά ε ρονική διάρκεια του πα μού δοκιμής. Εδώ ε ρείται άξιο να σημει εί, ότι παρό ο που στη διάκριση του ε κεφά ου σε ασικούς ο ούς δεν ίνεται κάπου αναφορά σε κεντρικό λοβό ς ξε ριστή ειτουρ ική περιο ή, αναφερόμαστε σε αυτόν ομαδοποιώντας τα η εκτρόδια που ρίσκονται κοντά στην κεντρική εγκεφαλική αύλακα(central sulcus) Τα αποτε έσματα της επεξερ ασίας τ ν σημάτ ν ΗΕΓ ια κά ε μετρικό δείκτη, σε κά ε έναν ρυ μό συναρτήσει της ρονικής διάρκειας του πα μού δοκιμής, φαίνονται στα Σ ήματα Αʹ.3 έ ς Αʹ.14, του Παραρτήματος Α. 60

61 Κεφά αιο 6 Παρουσίαση Αποτε εσμάτ ν, Συζήτηση και Με οντικές επεκτάσεις 6.1 Συσ έτιση Μετρικών Δεικτών και Υποκείμεν ν Ε κεφα ικών Λειτουρ ιών Πριν την ερμηνεία τ ν αποτε εσμάτ ν και την εξα ή συμπερασμάτ ν, που προκύπτουν από την παρατήρηση τ ν δύο συνό ν ραφικών παραστάσε ν είναι σημαντικό να παρουσιαστεί μια συσ έτιση τ ν μετρικών δεικτών με την υποκείμενη ε κεφα ική ειτουρ ία. Αρ ικά, η μέ οδος υπο ο ισμού του μετρικού δείκτης της Κυματιδιακής Συνάφειας(WCOH) ρησιμοποιείται ια να εξετάσει αν δύο συ νοτικές συνιστώσες δύο διαφορετικών σημάτ ν (π.. δύο κανα ιών ΗΕΓ), διατηρούν στα ερή τη διαφορά φάσης τους. Η στα ερότητα αυτή στη διαφορά φάσης, παρατηρούμενη σε κάποια συ κεκριμένη περιο ή συ νοτήτ ν υποδεικνύει ότι οι αντίστοι οι ρυ μοί στα δύο διαφορετικά κανά ια ΗΕΓ έ ουν κοινή προέ ευση ή α η επιδρούν μεταξύ τους. Πιο συ κεκριμένα, η ιδέα του συ ρονισμού τ ν δυναμικών στον ε κέφα ο ς ασικό μη ανισμό της επικοιν νίας τ ν νευρών ν, είναι αποτέ εσμα της ασικής ιδέα τ ν N.E. Vvedensky και A.A. Ukhtomsky[23]. Στην αρ ή του αιώνα προτά ηκε ότι ο αρι μός τ ν κύκ ν διέ ερσης στη μονάδα του ρόνου, δη αδή η συ νότητα εκφόρτισης, είναι μια σημαντική παράμετρος, η οποία αρακτηρίζει τη ειτουρ ική κατάσταση μια νευρ νικής δομής(παράμετρος της λειτουργικής αστάθειας). Ο A.A. Ukhtomsky πρότεινε, επίσης, ότι η ταύτιση της ειτουρ ικής αστά ειας δύο δομών είναι αυτή που ευνοεί τη ειτουρ ική τους σύνδεση. Επεκτείνοντας αυτές τις ιδέες, οι M.N. Livanov (1977)([24])και V.S. Rusinov (1973)([23]) πρότειναν ότι οι ασικοί ρυ μοί του ΗΕΓ αντικατοπτρίζουν την παράμετρο της ειτουρ ικής αστά ειας. Επομέν ς, ο συ ρονισμός τ ν σημάτ ν ΗΕΓ μπορεί να υποδείξει τη ειτουρ ική σύνδεση μεταξύ δύο ή και περισσότερ ν περιο ών του ε κεφα ικού φ οιού. Στο κεντρικό νευρικό σύστημα, τα νευρικά κύττρα ρίσκονται σε μια συνε ή τα άντ ση του δυναμικού της κυτταρικής μεμ ράνης τους, ε ονός που τα κα ιστά ισοδύναμα με νευρικούς ταλαντωτές. Κατα τον συ ρονισμό οιπόν τ ν σημάτ ν ΗΕΓ, σήματα από τον ένα νευρικό τα αντ τή επανα αμ ανόμενα φτάνουν στον ά ο τα αντ τή σε μια και στα ερή φάση, αυτήν του κύκ ου διέ ερσης. Όταν η φάση αυτή είναι η κατά η η, τότε το κατώφ ι διέ ερσης του δεύτερου τα αντ τή πέφτει, υπο οη ώντας την αντίδραση του νευρώνα και το ξεκίνημα μιας συντονισμένης δραστηριότητας με τον πρώτο νευρώνα. Αντί ετα, αν η φάση δεν είναι η κατά η η τότε το μήνυμα δεν μπορεί να ηφ εί και η σύνδεση τότε σταματά. Έτσι τόσο η συ νοτική ταύτιση, 61

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ, ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ όσο και η κατά η η φασική σ έση κα ορίζει την επικοιν νία μεταξύ τ ν νευρών ν. Σε αυτήν τη διαδικασία, η φασική σ έση είναι αυτή που δρα ς διακόπτης της σύνδεσης δύο νευρών ν α ά και της κατεύ υνσης μεταφοράς τους μηνύματος(και οι δύο νευρώνες ρίσκονται σε μια διαδικασία δια ό ου και ο κα ένας από αυτούς μπορεί να είναι πομπός ή δέκτης του μηνύματος). Συνή ς, στις κατα ραφές σήματος ΗΕΓ η συνάφεια είναι υψη ή μεταξύ κοντινών η εκτροδί ν και πέφτει δραματικά με την αύξηση της απόστασης τ ν η εκτροδί ν, το οποίο ίσ ς εξη είται ό α ιμότητας ό κου. Όμ ς, εάν ένας ρυ μός επικρατεί στο σήμα ΗΕΓ, ο α μός της συνερ- ασίας μεταξύ τ ν διαφόρ ν περιο ών αυξάνει σημαντικά, με αποτέ εσμα η συνάφεια να εμφανίζει με ά ες τιμές σε πιο με ά ες περιο ές του ε κεφα ικού φ οιού. Σε μερικές περιπτώσεις μά ιστα, η εξάρτηση της συνάφειας με την απόσταση δεν είναι α μιαία. Αυτό μπορεί να έ ει ς αποτέ εσμα την εμφάνιση υψη ής τιμής συνάφειας μεταξύ περιο ών αρκετά απομακρυσμέν ν, ακόμα και αν η συνάφεια με ενδιάμεσες περιο ές είναι αμη ή. Το ε ονός αυτό υποδεικνύει ότι η συ ρονισμός τ ν ρυ μών του σήματος ΗΕΓ δεν είναι άμεσο και μόνο αποτέ εσμα της α ιμότητας ό κου α ά σ ετίζεται επίσης με την α η επίδραση απομακρυσμέν ν περιο ών που συμμετέ ουν στην κοινή επεξερ ασία π ηροφορίας[25]. Η ασική ιδέα πίσ από αυτήν τη εώρηση είναι ότι η ομοιότητα στα παρα όμενα σήματα από μια ε κεφα ική περιο ή, σημαίνει και ομοιότητα στον τρόπο ειτουρ ίας τ ν περιο ών αυτών[26]. Στην παρούσα ερ ασία, εκτός από τον υπο ο ισμό της συνάφειας, πρα ματοποιείται ακόμα με- α ύτερη ανά υση τ ν κατα ραφόμεν ν σημάτ ν ΗΕΓ. Αρ ικά, υπο ο ίζεται ο μετρικός δείκτης του Τοπικού Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου ο οποίος αποτε εί ένα μέτρο της συσχέτισης φάσης τ ν δύο σημάτ ν. Με ετά δη αδή και αντικατοπτρίζει, το κατά πόσον οι α α ές που συμ αίνουν στη φάση ενός σήματος από ένα κανά ι ΗΕΓ, συσ ετίζονται με τις α α ές σε ένα δεύτερο κανά ι, παρέ οντας π ηροφορία ια την πι ανή α η επίδραση και συνεπώς την ταυτό ρονη ενερ οποίηση διαφόρ ν ε κεφα ικών περιο ών. Η π ηροφορία αυτή σε συνδυασμό με τον υπο ο ισμό του μετρικού δείκτη της Συνάρτησης Ετερο-Συσχέτισης Κυματιδίου,ο οποίoς αντικατοπτρίζει τη συσχέτιση πλάτους, το κατά πόσον δη αδή η περιβάλλουσα(envelope) τ ν δύο διαφορετικών σημάτ ν συσ ετίζεται, επιτρέπει την πιο α ιά με έτη της παρουσίας συ κεκριμέν ν όμοι ν μοτίβων(patterns) στα σήματα που παρά ονται από κά ε νευρ νική περιο ή. 6.2 Παρουσίαση και Ερμηνεία Αποτε εσμάτ ν Τα αποτε έσματα που προκύπτουν από την παρατήρηση τ ν Σ ημάτ ν Αʹ.1 έ ς Αʹ.15 είναι τα εξής: Μετρικός δείκτης Συνάφειας Κυματιδίου(WCOH): Οι τιμές του μετρικού δείκτη αυτού κυμαίνονται στο εξής διάστημα: W COH (6.1) Αξίζει επίσης να σημει εί ότι μεταξύ τ ν ασικών ρυ μών( άμμα, ήτα, ά φα, ήτα, δέ τα), τις με α ύτερες τιμές Συνάφειας Κυματιδίου τις εμφανίζει ο ρυ μός ήτα, ενώ τις αμη ότερες ο ρυ μός άμμα. Από παρατήρηση τ ν Σ ημάτ ν Αʹ.1 έ ς και Αʹ.5 εξά εται επίσης το παρακάτ ασικό συμπέρασμα. Στους ρυ μούς ήτα, ά φα, ήτα, δέ τα παρατηρείται ολικό ελάχιστο της Συνάφειας Κυματιδίου, σε ό α τα η εκτρόδια, όταν η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 560 ms. Αντίστοι ο μοτί ο, δεν παρατηρείται τόσο έντονα ια τον ρυ μό άμμα, παρό ο που το σημείο αυτό είναι τοπικό ή ο ικό ε ά ιστο σε κάποια από τα 32 η εκτρόδια. Όσον αφορά τον ρυ μό άμμα, η επισκόπηση του Σ ήματος Αʹ.1 οδη εί στην παρακάτ παρατήρηση. Στα 30 από τα 32 η εκτρόδια του ρυ μού αυτού(εξαιρoύνται τα η εκτρόδια F 8 και O1) παρατηρούμε μια πτώση της τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου με αντίστοι η 62

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ, ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ κορύφ ση, όταν η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 440ms, η οποία ακο ου είται από μια αύξηση της τιμής της με αντίστοι η κορύφ ση, όταν η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 460ms. Το ε ονός αυτό δημιουρ εί ένα οδοντ τό μοτί ο κοντά στην αρ ή τ ν ραφικών αυτών παραστάσε ν. Μια επιπρόσ ετη παρατήρηση προκύπτει ια τον ρυ μό ήτα, από την επισκόπηση του Σ ήματος Αʹ.2. Το ο ικό ε ά ιστο στο σημείο όπου η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 560ms, ακο ου είται από μια αύξηση της τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου και την εμφάνιση ο ικού με ίστου, όταν η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 580ms. Παρόμοιο οιπόν μοτί ο με την περίπτ ση του ρυ μού άμμα εμφανίζεται εδώ κοντά στο τέ ος τ ν ραφικών αυτών παραστάσε ν. Μια τε ευταία παρατήρηση προκύπτει επίσης ια τον ρυ μό άμμα σε σ έση με τους υπό- οιπους ρυ μούς από την επισκόπηση τ ν Σ ημάτ ν 6.1 έ ς 6.5, όπου απεικονίζουν τη μέση τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου ια κά ε ρυ μό, ομαδοποιώντας τα 32 η εκτρόδια σε ασικούς ε κεφα ικούς ο ούς. Στους ρυ μούς ήτα, ά φα, ήτα, δέ τα είναι φανερό ότι οι τιμές της Συνάφειας Κυματιδίου στους διάφορους ο ούς είναι σ ετικά κοντινές. Από την παρατήρηση όμ ς του αντίστοι ου σ ήματος ια τον ρυ μό άμμα, είναι διακριτές έντονες διαφορές μεταξύ τ ν ο ών οι οποίες διατηρούνται ια κά ε διάρκεια του πα μού δοκιμής. Μετρικός δείκτης Τοπικού Συντελεσή Συσχέτισης Κυματιδίου(WLCC): Οι τιμές του μετρικού δείκτη αυτού κυμαίνονται στο εξής διάστημα: W LCC (6.2) Από παρατήρηση τ ν Σ ημάτ ν Αʹ.6 έ ς και Αʹ.10 εξά εται και πά ι το παρακάτ συμπέρασμα. Στους ρυ μούς ήτα, ά φα, ήτα, δέ τα παρατηρείται ελάχιστο του Τοπικού Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου όταν η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 560 ms. Πιο συ κεκριμένα στον ρυ μό ήτα είναι ο ικό ε ά ιστο σε 29 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρούνται τα F 8, T 8 και P z ) και τοπικό ε ά ιστο σε 31 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το P z ). Στον ρυ μό ά φα είναι ο ικό ε ά ιστο στα 31 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το P z ). Στον ρυ μό ήτα είναι ο ικό ε ά ιστο στα 29 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το F 8, το P 8 και το P z ) και τοπικό ε ά ιστο σε 31 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το P z ). Στον ρυ μό δέ τα είναι ο ικό ε ά ιστο σε 29 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρούνται το P 8, το F 8 και το P z ) και τοπικό ε ά ιστο σε 30 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρούνται το F 8 και το P z ). Εδώ πρέπει να σημει εί ότι το μοτί ο αυτό δεν είναι τόσο ξεκά αρο όσο είναι στους αντίστοι ους ρυ μούς της Συνάφειας Κυματιδίου. Σε αντί εση στόσο με τη Συνάφεια Κυματιδίου, το μοτί ο εμφανίζεται επαρκώς και στον ρυ μό άμμα αφού το σημείο όπου ο πα μό δοκιμής είναι διάρκειας ίσης με 560ms, εμφανίζεται σαν ολικό ελάχιστο σε 26 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρούνται τα F c6, F 8, P 8, T 8, C4 και P z ) και σαν τοπικό ε ά ιστο σε 31 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το P z ). Στον ρυ μό άμμα, επίσης, όπ ς είναι φανερό από το Σ ήμα Αʹ.6, παρατηρείται σε 29 από τα 32 η εκτρόδια το οδοντ τό μοτί ο που περι ράφηκε και στην περίπτ ση της Συνάφειας Κυματιδίου, μεταξύ τ ν σημεί ν όπου η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίσή με 440ms και 460ms, στην περίπτ ση του Τοπικού Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου όμ ς, εμφανίζεται και σε 26 από τα 32 η εκτρόδια του ρυ μού ήτα, όπ ς είναι φανερό από το Σ ήμα Αʹ.7. Μετρικός δείκτης Συνάρτησης Ετεροσυσχέτισης Κυματιδίου(CWCF): Οι τιμές του μετρικού δείκτη αυτού κυμαίνονται στο εξής διάστημα: CW CF (6.3) Από παρατήρηση τ ν Σ ημάτ ν Αʹ.11 έ ς και Αʹ.15 εξά εται και ια αυτόν το μετρικό δείκτη παρακάτ συμπέρασμα. Στους ρυ μούς ήτα, ά φα, ήτα, δέ τα παρατηρείται ελάχιστο 63

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ, ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ της Συνάρτησης Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου όταν η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 560 ms. Πιο συ κεκριμένα στον ρυ μό ήτα είναι τοπικό ε ά ιστο σε 28 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρούνται το F 8, το A1, το P 3 και το Oz), σε κάποια εκ τ ν οποί ν είναι και ο ικό ε ά ιστο. Στον ρυ μό ά φα είναι τοπικό ε ά ιστο στα 31 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το F 8), σε κάποια εκ τ ν οποί ν είναι μά ιστα και ο ικό ε ά ιστο. Στον ρυ μό ήτα είναι τοπικό ε ά ιστο και στα 32 η εκτρόδια, σε κάποια εκ τ ν οποί ν είναι και ο ικό ε ά ιστο. Στον ρυ μό δέ τα είναι ο ικό ε ά ιστο σε 30 από τα 32 η εκτρόδια(εξαιρείται το P 8 και το P z ), ενώ είναι τοπικό ε ά ιστο και στα 32 η εκτρόδια. Εδώ πρέπει να σημει εί ότι το μοτί ο αυτό και πά ι δεν είναι τόσο ξεκά αρο όσο είναι στους αντίστοι ους ρυ μούς της Συνάφειας Κυματιδίου. Αντίστοι ο μοτί ο δεν παρατηρείται ια τον ρυ μό άμμα, παρό ο που το σημείο αυτό είναι τοπικό ε ά ιστο σε κάποια από τα 32 η εκτρόδια. Στους ρυ μούς άμμα, ά φα, και ήτα εμφανίζεται και πά ι σε κάποια η εκτρόδια το οδοντ τό μοτί ο μεταξύ τ ν σημεί ν που η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 440ms και 460ms όπ ς είναι φανερό από τα Σ ήματα Αʹ.11, Αʹ.13 και Αʹ.14. Επιπρόσ ετα, στην περίπτ ση της Συνάρτηση Ετεροσυσχέτισης Κυματιδίου, στους ρυ μούς άμμα ήτα, ά φα, ήτα και δέ τα εμφανίζονται και πά ι κορυφώσεις στο σημείο όπου η διάρκεια του πα μού δοκιμής είναι ίση με 580ms, όπ ς ακρι ώς περι ράφηκαν και στην περίπτ ση της Συνάφειας Κυματιδίου. Τέ ος,όπ ς είναι φανερό από τα Σ ήματα Αʹ.12 έ ς Αʹ.15, στους ρυ μούς ήτα,ά φα, ήτα και δέ τα εμφανίζονται σημαντικές κορυφώσεις και στο σημείο όπου ο πά μός δοκιμής είναι ίσος με 480ms, ο οποίες μά ιστα σε κάποια η εκτρόδια ξεπερνούν τις κορυφώσεις στα σημεία όπου ο πα μός δοκιμής είναι ίσος με 560ms. Σ ήμα 6.1: Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό άμμα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό. 6.3 Συζήτηση Από τα διάφορα σημεία τ ν ραφικών παραστάσε ν που συμμετέ ουν ια την εξα ή τ ν διάφορ ν μοτί ν, το σημείο το οποίο σ ο ιασμός του κρίνεται απαραίτητος είναι αυτό όπου ο πα - 64

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ, ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ Σ ήμα 6.2: Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ήτα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό. Σ ήμα 6.3: Ρα δό ραμμα της μέσης τιμής της Συνάφειας Κυματιδίου στον ρυ μό ά φα, ια κά ε ασικό ε κεφα ικό ο ό. μός δοκιμής είναι ίσος με 560ms. Στου περισσότερους μετρικούς δείκτες, ρυ μούς και η εκτρόδια παρουσιάζονται ο ικά ή τοπικά ε ά ιστα στο συ κεκριμένο σημείο. Η πτώση στη Συνάφεια Κυματιδίου υποδεικνύει ότι τα παρα όμενα σήματα από τις διάφορες ομάδες νευρών ν δεν παρουσιάζουν κάποια στα ερή διαφορά φάσης, το οποία αν συνδυαστεί με το ε ονός ότι έ ουμε και αντίστοι η πτώση στον Τοπικό Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου σημαίνει επίσης ότι η συνάρτηση φάσης τ ν παρα όμεν ν σημάτ ν δεν εμφανίζει συσ έτιση. Η διαφορά φάσης οιπόν στα παρα όμενα από κά ε νευρ νική περιο ή σήματα, ό ι μόνο δεν είναι στα ερή, α ά α άζει και με διαφορετικά τρόπο. Το ε ονός αυτό, σύμφ να με όσα αναφέρ ηκαν στην Παρά ραφο 6.1 αποτε εί ασική ένδειξη ότι οι διάφορες νευρ νικές περιο ές δεν ρίσκονται σε α η επίδραση. Τέ ος, η πτώση και στη Συνάρτηση Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου, δεί νει και την απουσία συσ έτισης π άτους στα παρα όμενα από κά ε περιο ή σήματα. Ό α αυτά σε συνδυασμό, αποτε ούν στοι εία ια να κατα- ήξει κανείς ίσ ς στο συμπέρασμα, ότι στο σημείο αυτό η μεταφορά π ηροφορίας πρα ματοποιείται 65