6 th lecture. Msc Bioinformatics and Neuroinformatics Brain signal recording and analysis

Transcript

1 6 th lecture Msc Bioinformatics and Neuroinformatics Brain signal recording and analysis

2 Προδιαγραφές EEG Κανάλια εισόδου και εξόδου Αντίσταση εισόδου A/D: Δυνατότητα μετατροπής Low pass φίλτρα High pass φίλτρα

3 Διαδικασία καταγραφής βιολογικών σημάτων Η καταγραφή βιολογικών σημάτων είναι μία διαδικασία που χρειάζεται ιδιαίτερη ακρίβεια και προσοχή καθώς είναι πολύ σημαντική η αξιοπιστία των μετρήσεων. Σύστημα καταγραφής σήματος

4 Στάδια υλοποίησης και καταγραφής ενός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος.

5 Στάδια υλοποίησης και καταγραφής ενός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος Συνδέουμε τα ηλεκτρόδια στον ασθενή με τη μέθοδο 10-20, και στη συνέχεια χρησιμοποιούμε ενισχυτές για να ενισχύσουμε το ηλεκτρικό σήμα που εμφανίζεται λόγω της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Στη συνέχεια, το σήμα περνάει από αναλογικά παθητικά φίλτρα (RC) και μέσω μετατροπέα A/D το σήμα μετατρέπεται από αναλογικό σε ψηφιακό. Το επόμενο στάδιο έπειτα από την ψηφιοποίηση του σήματος είναι η εισαγωγή του σε υπολογιστή, όπου και χρησιμοποιούνται ψηφιακά φίλτρα προκειμένου να εξάγουμε τους εγκεφαλικούς ρυθμούς. Τέλος τα αποτελέσματα αυτά εμφανίζονται σε μια οθόνη.

6 Ενίσχυση Tα ηλεκτρικά σήματα που λαμβάνουμε από τον φλοιό του εγκεφάλου έχουν μέση τάση 50 μv, έτσι κρίνεται απαραίτητη η ενίσχυση του σήματος για να μπορέσουμε να το διαβάσουμε. Η ενίσχυση του σήματος επιτυγχάνεται με ενισχυτές. Για τον ηλεκτροεγκεφαλογράφο, που το σήμα έχει πλάτος της τάξης των μv, χρησιμοποιούμε δύο είδη ενισχυτών Τον operational amplifier Τον instrumentation amplifier.

7 Operational Amplifier Είναι ένας ενισχυτής με διαφορική είσοδο και μια έξοδο. Ο ενισχυτής αυτός μπορεί να παράγει ένα δυναμικό εξόδου εκατοντάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου του.

8 Instrumentation Amplifier Είναι ένας τύπος διαφορικού ενισχυτή που χρησιμοποιεί τρεις operational amplifiers. Με τη διάταξη αυτή μειώνεται η ανάγκη για πρόσθετη αντίσταση εισόδου και τα πολύ μικρά σήματα ενισχύονται καλύτερα και με χαμηλότερα επίπεδα θορύβου.

9 Ενίσχυση Εξαιτίας του χαμηλού επιπέδου του σήματος, λόγω της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου, οι κοινές τάσεις που αναπτύσσονται επάνω στο σώμα από διάφορα εξωτερικά αίτια, μπορεί να προκαλέσουν σημαντικές παρεμβολές. Για το λόγο αυτό απαιτείται οι παραπάνω ενισχυτές να έχουν χαμηλό θόρυβο και υψηλό λόγο απόρριψης κοινού σήματος (CMRR). Για την καταγραφή ενός ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος υπάρχουν δύο τεχνικές καταγραφής που εφαρμόζονται, η μονοπολική και η διπολική

10 Μονοπολική ενίσχυση Ο ένας ακροδέκτης κάθε ενισχυτή συνδέεται με το ίδιο ηλεκτρόδιο, και όλα τα άλλα ηλεκτρόδια λαμβάνουν μετρήσεις σε σχέση με αυτό το κοινό ηλεκτρόδιο. Το ηλεκτρόδιο αναφοράς τοποθετείται σε σημείο της νοητής ευθείας που χωρίζει το κρανίο σε δύο συμμετρικά μέρη ή σε περιοχές που θεωρείται ότι δεν έχουν σχέση με εγκεφαλική λειτουργία και λέγεται ότι αντιστοιχούν σε ανενεργά σημεία, όπως π.χ. στο αυτί.

11 Διπολική ενίσχυση Και οι δύο ακροδέκτες κάθε ενισχυτή συνδέονται με ηλεκτρόδια τα οποία βρίσκονται πάνω από εγκεφαλικές περιοχές οι οποίες ενδεχομένως θα παρουσιάσουν δραστηριότητα και λέγεται ότι αντιστοιχούν σε ενεργά σημεία. Τα ηλεκτρόδια συνδέονται σειριακά σε ισάριθμους ενισχυτές.

12 Αναλογικά Φίλτρα Προκειμένου να έχουμε μια ακριβή καταγραφή ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος θα πρέπει να έχουμε όσο το δυνατόν μικρότερο θόρυβο, που οφείλεται είτε σε εξωτερικούς παράγοντες (δίκτυο διανομής) είτε σε θόρυβο που προκαλείται από τον άνθρωπο (χτύπος καρδιάς). Οποιος θόρυβος δε αποκόπτεται κατά την ενίσχυση με χρήση ενισχυτών με υψηλό λόγο απόρριψης κοινού σήματος, CMRR, αποκόπτεται από τα αναλογικά παθητικά φίλτρα.

13 Αναλογικά Φίλτρα Τα αναλογικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για να απομακρύνουν ανεπιθύμητα σήματα, δηλαδή σήματα θορύβου, που εισάγονται κατά τη διάρκεια καταγραφής του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Στον EEG χρησιμοποιούνται αναλογικά παθητικά φίλτρα RC, που αποτελούνται από αντιστάσεις και πυκνωτές. Τα φίλτρα αυτής της κατηγορίας δεν χρειάζονται κάποια πηγή τάσης ώστε να ενισχύουν τα εισερχόμενα σήματα και μπορούν να δεχθούν απείρως ισχυρές τάσεις και ρεύματα.

14 Αναλογικά φίλτρα Χαμηλοπερατά φίλτρα Τα φίλτρα αυτά επιτρέπουν τη διέλευση σημάτων συχνότητας μικρότερης από μιας συχνότητας αποκοπής fc, αποτρέποντας τη διέλευση υψηλότερων συχνοτήτων. Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκαν αυτά τα φίλτρα είναι για την αποκοπή του θορύβου λόγο του δικτύου διανομής..

15 Αναλογικά φίλτρα Υψιπερατά φίλτρα Τα φίλτρα έχουν την ακριβώς αντίθετη λειτουργία από τα χαμηλοπερατά. Επιτρέπουν τη διέλευση σημάτων συχνότητας μεγαλύτερης από μιας fc, απορρίπτοντας όσα έχουν χαμηλότερη. Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκαν υψιπερατά φίλτρα είναι για την αποκοπή της DC συνιστώσας που εμφανίζεται κατά την καταγραφή του ηλεκτροεγκεφαλογραφικού σήματος.

16 Μετατροπέας A/D Για να μπορέσουμε να εξαγάγουμε κάποια συμπεράσματα από το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα πρέπει να εξετάσουμε τους εγκεφαλικούς ρυθμούς. Για να δούμε αυτούς τους ρυθμούς πρέπει να επεξεργαστούμε ψηφιακά το εγκεφαλογράφημα. Αυτό επιτυγχάνεται δειγματολειπτώντας και κβαντίζοντας το σήμα με τη βοήθεια ενός μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC).

17 Μετατροπέας A/D Η μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό διενεργείται από τη συσκευή ADC (Analog to Digital Converter μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό). Η συσκευή ADC αποτελείται από ένα κύκλωμα δειγματοληψίας, από έναν κβαντιστή και από έναν κωδικοποιητή. Εναλλασσόμενο ρεύμα (Alternatinc Current, AC) Συνεχές ρεύμα (Direct Current, DC)

18

19 Ψηφιακά Φίλτρα Αφού μετατρέψουμε τα σήματα από αναλογικά σε ψηφιακά, τα επεξεργαζόμαστε με ψηφιακά φίλτρα προκειμένου να εξάγουμε τους εγκεφαλικούς ρυθμούς. Κάποιοι από τους λόγους που μετατρέπουμε το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό και το επεξεργαζόμαστε με ψηφιακά φίλτρα είναι ότι σε αντίθεση με τα αναλογικά φίλτρα, τα ψηφιακά φίλτρα είναι σε θέση να προγραμματιστούν, δηλαδή η λειτουργία τους καθορίζεται από ένα πρόγραμμα στη μνήμη του υπολογιστή.

20 Ψηφιακά Φίλτρα Αυτό σημαίνει ότι το ψηφιακό φίλτρο μπορεί να αλλαχθεί εύκολα χωρίς να επηρεαστεί το κύκλωμα. Επιπλέον τα ψηφιακά φίλτρα μπορούν να χειριστούν χαμηλής συχνότητας σήματα επακριβώς. Καθώς η ανάπτυξη της DSP τεχνολογίας συνεχίζει να αυξάνεται, τα ψηφιακά φίλτρα είναι σε θέση να εφαρμοστούν σε υψηλής συχνότητας σήματα στην RF (ράδιο συχνότητα) περιοχή, η οποία στο παρελθόν ήταν η αποκλειστικότητα της αναλογικής τεχνολογίας.

21 Ψηφιακά Φίλτρα Τα ψηφιακά φίλτρα διακρίνονται σε Αναδρομικά (IIR) Μη αναδρομικά φίλτρα (FIR)

22 Αναδρομικά (IIR) Ψηφιακά Φίλτρα Ένα αναδρομικό φίλτρο (IIR) είναι αυτό, το οποίο χρησιμοποιεί ως εισαγόμενες τιμές προηγούμενες εισαγόμενες και προηγούμενες εξαγόμενες τιμές. Αυτές, όπως και οι προηγούμενες εισαγόμενες τιμές, αποθηκεύονται στη μνήμη του επεξεργαστή. Τα φίλτρα αυτά υπερτερούν στην ταχύτητα φιλτραρίσματος της πληροφορίες, υστερούν όμως σημαντικά στην ακρίβεια του τελικού αποτελέσματος καθώς εισάγουν μικρή παραμόρφωση.

23 Μη Αναδρομικά Ψηφιακά Φίλτρα (FIR) Ένα μη αναδρομικό φίλτρο (FIR) είναι αυτό το οποίο χρησιμοποιεί σαν εισαγόμενες τιμές μόνο προηγούμενες εισαγόμενες τιμές. Τα φίλτρα αυτά υπερτερούν στο γεγονός ότι δεν εισάγουν καθόλου παραμόρφωση, ωστόσο απαιτούν μεγάλο αριθμό υπολογισμών για την εξαγωγή του αποτελέσματος.

24 Το σύστημα MP 150 Το σύστημα MP είναι ένα υπολογιστικό σύστημα απόκτησης δεδομένων, το οποίο λειτουργεί ακριβώς όπως τα συστήματα καταγραφής σημάτων και οι συσκευές προβολής δεδομένων. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα του συστήματος αυτού είναι ότι ξεπερνά συνήθεις πρακτικές δυσκολίες και περιορισμούς (όπως η ταχύτητα ή το πλάτος του χαρτιού). Η μονάδα απόκτησης-συλλογής δεδομένων (MP150) είναι το βασικό τμήμα του συστήματος MP, καθώς εκεί γίνεται η μετατροπή των αναλογικών σημάτων εισόδου σε ψηφιακά σήματα, στα οποία μπορεί να γίνει περαιτέρω επεξεργασία στον υπολογιστή.

25

26 Το σύστημα MP 150 H συλλογή των δεδομένων αφορά εισερχόμενα σήματα, τα οποία στέλνονται στον υπολογιστή, όπου (α) προβάλλονται στην οθόνη (β) αποθηκεύονται στη μνήμη ή στο σκληρό δίσκο. Τα σήματα αυτά αποθηκεύονται και παραμένουν διαθέσιμα, έτσι ώστε να είναι δυνατή η μελλοντική τους εξέταση και επεξεργασία.

27 Το σύστημα MP 150 Το σύστημα MP παρέχει τη δυνατότητα γραφικής και αριθμητικής αναπαράστασης των δεδομένων, με σκοπό τη μελέτη αυτών με τη χρήση άλλων, κατάλληλων προγραμμάτων. Το MP150 διαθέτει στο εσωτερικό του ένα μικροεπεξεργαστή, με τη βοήθεια του οποίου ελέγχει τη συλλογή δεδομένων, αλλά και την επικοινωνία του συστήματος με τον υπολογιστή.

28 Το σύστημα MP 150 Υπάρχουν 16 αναλογικά κανάλια εισόδου, δύο αναλογικά κανάλια εξόδου, 16 ψηφιακά κανάλια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως έξοδοι είτε ως είσοδοι και μια εξωτερική είσοδος. Με την κατάλληλη επιλογή υλικού και ρυθμίσεων, το σύστημα MP μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

29 Εφαρμογές Η χρήση των συστημάτων MP καλύπτει ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ECG) Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) Ηλεκτρομυογράφημα (EMG) Κίνηση ματιών (EOG) Προκλητά δυναμικά (Evoked Response)

30 Εφαρμογές Φαρμακολογία in vitro (in vitro Pharmacology) Ψυχοφυσιολογία (Psychophysiology) Πνευμονική λειτουργία (Pulmonary function) Καρδιαγγειακή αιμοδυναμική (Cardiovascular hemodynamics) Μελέτη ύπνου (Sleep studies)

31 Διεπαφές του Mp150 Universal Interface Module Το UIM100C (Universal Interface Module) αποτελεί τη διεπαφή (interface) μεταξύ του MP150 και των εξωτερικών συσκευών. Είναι ένα διακριτό υποσύστημα, το οποίο μπορεί να επιτελέσει συγκεκριμένες λειτουργίες. Το UIM100C χρησιμοποιείται για να εισάγει προενισχυμένα σήματα (συνήθως μεγαλύτερα από ±1volt peak-peak) ή ακόμα και ψηφιακά σήματα στη μονάδα συλλογής δεδομένων MP150.

32 Διεπαφές του Mp150 Universal Interface Module Η μονάδα UIM100C, χρησιμοποιείται μόνο για να συνδέει αναλογικές εξόδους στο σύστημα MP. Παρέχει ικανό αριθμό καλωδίων, που επιτρέπουν σε κάθε διεπαφή UIM100C την απευθείας σύνδεση με υποδοχές αναλογικού σήματος. Η μονάδα διεπαφής UIM100C είναι σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι συμβατή με ένα ευρύ φάσμα συσκευών εισόδου, συμπεριλαμβανομένων των ενισχυτών σήματος (όπως για παράδειγμα το ECG100C της ίδιας εταιρίας

33 Διεπαφές του Mp150 Universal Interface Module Η σύνδεση της μονάδας διεπαφής UIM100C και της μονάδας απόκτησης δεδομένων MP150 πραγματοποιείται μέσω δύο καλωδίων: Ένα για αναλογικά σήματα Ένα για ψηφιακά σήματα Στο σύστημα αυτό είναι δυνατό να προσαρμόσουμε έως και δεκαεπτά μονάδες

34 Electroencephalogram Amplifier module (EEG 100C) Εκτός από τη μονάδα διεπαφής UIM100C, είναι δυνατό να τοποθετηθούν στο MP150 πολλές διαφορετικές μονάδες ενίσχυσης σήματος, ανάλογα με το είδος της εφαρμογής που εξετάζεται με το σύστημα αυτό. Τοποθετούμε μονάδα ενίσχυσης ECG, αν μελετάμε ηλεκτροκαρδιογράφημα, EEG ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, EGG, αν μελετάμε ηλεκτρογαστρογράφημα, EMG, αν θέλουμε να ασχοληθούμε με ηλεκτρομυογράφημα κλπ.

35

36 Electroencephalogram Amplifier module (EEG2-R) Στην περίπτωση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, χρησιμοποιούμε τη μονάδα ενίσχυσης EEG2-R (Electroencephalogram Amplifier module). Πρόκειται για έναν υψηλής απόδοσης ενισχυτή βιοδυναμικού, με ένα κανάλι, ο οποίος είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να ενισχύει σήματα που προέρχονται από τη νευρωνική δραστηριότητα του εγκεφάλου.

37 Εφαρμογές του εγκεφαλογραφήματος Μελέτη επιληψίας Μελέτη παθολογίας όγκων Μελέτη ύπνου Προκλητά δυναμικά Μελέτη νόησης

38 Electroencephalogram Amplifier module (EEG2-R) Το EEG2-R συνδέεται απευθείας σε οποιοδήποτε σύστημα με ηλεκτρόδια αργύρου χλωριούχου αργύρου (Ag - AgCl). Απαραίτητη είναι η χρήση αγώγιμου gel, το οποίο προσφέρει καλύτερη σύνδεση των ηλεκτροδίων καθώς η ύπαρξη των μαλλιών, πάνω στο δέρμα του κεφαλιού, εμποδίζει τη σωστή επαφή των ηλεκτροδίων με το δέρμα και την καλή λειτουργία.

39

40 Electroencephalogram Amplifier module (EEG2-R) Οι μονάδες όπως το EEG2-R είναι κατασκευασμένες για να λειτουργούν στα 50 Hz ή 60 Hz, έτσι ώστε να λειτουργούν καλά με τη συχνότητα του ρεύματος του δικτύου (στην Ελλάδα είναι 50 Hz). Η ρύθμιση αυτή έχει σκοπό τη μείωση του θορύβου, που οφείλεται σε διάφορα παρεμβαλλόμενα σήματα.

41 Το λογισμικό Acqknowledge Το λογισμικό (Acqknowledge) καταγράφει το σήμα που λάβαμε από το MP150 Το Acqknowledge διαθέτει ένα εύχρηστο γραφικό περιβάλλον, το οποίο παρέχει πολλές δυνατότητες όσον αφορά την καταγραφή, επεξεργασία και ανάλυση του σήματος.

42 Περιβάλλον λογισμικού Acqknowledge

43 Το λογισμικό Acqknowledge Το λογισμικό Acqknowledge επιτρέπει την επεξεργασία των δεδομένων, καθώς και τον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο αυτά θα εμφανίζονται στην οθόνη του υπολογιστή μας. Οι βασικότερες λειτουργίες του είναι οι εξής: Έλεγχος τη διαδικασία συλλογής των δεδομένων Εκτέλεση υπολογισμών σε πραγματικό χρόνο (π.χ. ψηφιακό φιλτράρισμα) Εκτέλεση μετασχηματισμών (όπως o FFT και μαθηματικές συναρτήσεις) Διαχείριση εντολών αρχείων (όπως αποθήκευση, εκτύπωση κλπ)

44 Το λογισμικό Acqknowledge Οι επιλογές που διαθέτει το Acqknowledge καθορίζουν τα βασικά χαρακτηριστικά των δεδομένων που θα συλλέξουμε με το ΜP, όπως για παράδειγμα το χρονικό διάστημα κατά το οποίο θα γίνει η συλλογή των δεδομένων, καθώς και το είδος αυτών. Όλες οι παράμετροι της συλλογής των δεδομένων εμπεριέχονται στο μενού MP. Οι υπόλοιπες εντολές της γραμμής μενού (File, Edit, Transform, Display, Help) αναφέρονται σε λειτουργίες που εφαρμόζονται με σκοπό την ανάλυση, την προβολή, την επεξεργασία και το μετασχηματισμό των δεδομένων.

45 Περιβάλλον λογισμικού Acqknowledge

46 Το λογισμικό Acqknowledge Θέτουμε τα κατάλληλα όρια στις συχνότητες, έτσι ώστε παράλληλα με την καταγραφή του ΗΕΓ, ώστε να μπορέσουμε να παρατηρήσουμε τη ρυθμική δραστηριότητα του εγκεφάλου. Επιλέγοντας Calc αυτή τη φορά αντί για Analog και ακολουθώντας το μονοπάτι MP150 Set Up Channels Setup, ορίσαμε, στα κατάλληλα πεδία Low και High του Filter Setup, το κατώτατο και ανώτατο όριο της συχνότητας που θέλαμε να καταγράψουμε στα διάφορα κανάλια.

47 Το λογισμικό Acqknowledge Για την παρατήρηση των κυμάτων χωριστά και τη ρυθμική δραστηριότητα του εγκεφάλου επιλέγω Calc αντί για Analog και ακολουθώ το μονοπάτι MP150 Set Up Channels Setup, Ορίζω στα κατάλληλα πεδία Low και High του Filter Setup, το κατώτατο και ανώτατο όριο της συχνότητας που θέλαμε να καταγράψουμε στα διάφορα κανάλια.

48 Περιβάλλον λογισμικού Acqknowledge

49 Το λογισμικό Acqknowledge Οι περιοχές συχνοτήτων που θέλω να παρατηρήσω είναι 8-13 Hz για το κύμα άλφα, Hz για το κύμα βήτα, 4-8 Hz για το κύμα θήτα και 1-4 Hz για το κύμα δέλτα. Στο πεδίο Presets, επιλέγω για κάθε κανάλι, την αντίστοιχη ονομασία (EEG Alpha, EEG Beta, EEG Theta και EEG Delta).

50 Περιβάλλον λογισμικού Acqknowledge

51 Το λογισμικό Acqknowledge Ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία, μπορέσαμε να παρατηρήσουμε τη καταγραφή του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, όπως προέκυψε με τη χρήση ηλεκτροδίων, καθώς και την ταυτόχρονη καταγραφή των ρυθμών άλφα, βήτα, θήτα και δέλτα, σε διαφορετικά κανάλια

52