Neuroinformatika metoda evokovanch potencil Zpracovn zznamu extrakce a

Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti

Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Encefalograf (EEG) - vzniká součinností neuronů thalamu a kortexu (mozkové kůry). Hlavním zdrojem EEG

Rozložení elektrod – systém 10 -20 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS

Aktivita pozadí Alfa aktivita • měřitelná převážně v zadní části hlavy • frekvence 8

Beta aktivita • frekvence 14 -40 Hz (nejčastěji 15 -25 Hz), někdo udává >

Delta aktivita • frekvence < 4 Hz (0. 1 -3 Hz) • amplituda 10

Theta aktivita • frekvence 4 -7 Hz • amplituda <30 µV • mezistav mezi

Gama vlny • frekvence >30 Hz, obvykle se udává 36 -44 Hz (v některých

Vývoj EEG aktivity • od narození do 1. roku dítěte – málo pravidelná delta

Artefakty V EEG záznamu se kromě zmiňovaných vln objevují i tzv. artefakty, které nesouvisí

Evokované Potenciály (ERP – Event-related potentials) • elektrická odezva mozku nebo mozkového kmene na

ERP lze rozdělit na • exogenní - odezva na fyzikální stimul (odezva senzorů) –

• zrakové (visual ERP) - stimuluje se obrazem ve tvaru šachovnice, kde políčka

Průběh EEG signálu a synchronizační značky Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS

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

Potlačení základní EEG aktivity : – průměrováním jednotlivých epoch. 1. 2. EEG signál je

Průměrování epoch ERP experiment a segmentace EEG na jednotlivé epochy Průměrování jednotlivých epoch Copyright

Single-trial analýza (Matching pursuit – princip) • adaptivní metoda dekompozice signálu • signál je

Vstupní signál Gaborův atom Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Single-trial analýza ERP (Matching pursuit) Atom odpovídající komponentě P 3 Copyright © 2007 LICS

Aplikační oblasti ERP • Klinická praxe – vyšetřování základních funkcí vizuálního, sluchového , somato-senzorického

• Kriminalistika – „detektor lži“ • Brain-computer interface – umožňuje lidem komunikovat a

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

Nejčastěji používané ERP komponenty • Vlna P 3 (P 300) – 3. pozitivní vlna

Vznik P 3 vlny – několik teorií • aktualizace pracovní paměti - vlna vzniká

• Ustálené zrakové evokované odezvy (steady state visual evoked potential) 6 Hz 15

Příklad jednoduchého ERP experimentu – evokace vizuálního P 300 potenciálu • měřená osoba sleduje

Segmentovaná EEG data pro znak O (nontarget) pro znak Q (target) Copyright © 2007

Průměrovaná data pro znak O (nontarget) pro znak Q (target) Copyright © 2007 LICS

Výzkum v oblasti ERP na KIV výzkum v oblasti ERP a BCI ve spolupráci

Slides: 34

Download presentation

Encefalograf (EEG) - vzniká součinností neuronů thalamu a kortexu (mozkové kůry). Hlavním zdrojem EEG je elektrická aktivita synapto-dendrických membrán v povrchových vrstvách kortexu. EEG - většinou rytmické a má sinusoidní tvar. Skládá se z aktivity pozadí a tzv. evokovaných potenciálů (ERP) Měření EEG • na povrchu hlavy • systém elektrod, které se lepí, nebo speciální EEG čepice Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Aktivita pozadí Alfa aktivita • měřitelná převážně v zadní části hlavy • frekvence 8 -13 Hz • produkována mozkem, který je: – zdravý (alfa se mění se nebo ztrácí s výskytem tumorů, traumat, encefalitidy apod. ) –bdělý (ve spánku a v bezvědomí se rozpadá) –zralý (zhruba od 8 let pravidelná) –při zavřených očích (při otevřených očích se blokuje) • amplituda 30 -80 µV Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Beta aktivita • frekvence 14 -40 Hz (nejčastěji 15 -25 Hz), někdo udává > 12 Hz • amplituda 10 -20 µV, někdy 20 -30 µV • obvykle tvar sinusoidy • nemusí být synchronní nad oběma hemisférami • výskyt: • - nejčastěji frontálně (25 -30 Hz), - centrálně (14 -22 Hz) - týlně jako tzv. rychlá alfa varianta • amplituda může být zvýšena při ospalosti, NREM-I, II, REM, farmakologickém ovlivnění – barbituráty, benzodiazepiny, u žen může být častější výskyt než u mužů Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Delta aktivita • frekvence < 4 Hz (0. 1 -3 Hz) • amplituda 10 -300 µV • výskyt - oboustranný, obvykle elektrody F 3, C 3 • u dětí do 1 roku je výskyt normální • u dospělého pouze u NREM III a IV fázi spánku, v bdělém stavu signalizuje poruchy (u lidí s poruchou pozornosti roste amplituda, pokud se snaží soustředit se) Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Theta aktivita • frekvence 4 -7 Hz • amplituda <30 µV • mezistav mezi spánkem a bdělostí • může se objevit při: • vnitřním soustředění, • meditaci, • motlitbách • má souvislost s kreativitou, intuicí, denním sněním, fantazií, vzpomínkami Výskyt: většinou v oblasti spánkových laloků, amplituda může být vyšší v levé hemisféře • je běžnou součástí normálního záznamu (častěji se vyskytuje u dětí a adolescentů než u dospělých) • nemá převyšovat týlní alfa aktivitu o více než 50 % Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Gama vlny • frekvence >30 Hz, obvykle se udává 36 -44 Hz (v některých publikacích 30 -60 Hz) • výskyt po celém povrchu hlavy, mají nízkou amplitudu ( 10 µV) • odráží stav aktivního zpracování informací v kortexu (pokud mozek zpracovává informace z různých oblastí, mají gama vlny obvykle frekvenci 40 Hz, pokud 40 Hz chybí neschopnost učit se) • vyskytují se např. při pohybu prstů, mohou souviset se stresem Lambda vlny • doba trvání 100 -200 ms • amplituda obvykle <20 µV, zřídka >50µV • mají tvar písmene lambda • výskyt v týlní oblasti (O 1, O 2 elektrody) při sledování ostře osvětleného předmětu v zorném poli (barevné vzory), často jim předcházejí artefakty pohybu očí vrchol výskytu ve věku 2 -15 let Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Vývoj EEG aktivity • od narození do 1. roku dítěte – málo pravidelná delta aktivita (1 3 Hz), obvykle vysoké amplitudy, netlumí se otevřením očí • od jednoho do tří let – dominantní je theta rytmus (4 -7 Hz), vysoké amplitudy (ale nižší než předchozí delta), tlumení otevřením očí nedokonalé, ale může být částečně patné • 3. - 6. rok věku – tzv. prealfa (6 -8 Hz, typicky 7 Hz) - vysoká amplituda, blokuje se otevřením očí, začíná být symetrická v obou hemisférách, je měřitelná v temenní a týlní oblasti • 5. -7. rok – začíná se objevovat pravidelná alfa aktivita (rytmus), amplituda 30 -60µV, alfa rytmus je nepřímo úměrný pozornosti (s rostoucí pozorností klesá alfa) Beta aktivita se objevuje společně s alfou a je měřitelná převážně v čelních oblastech. Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Artefakty V EEG záznamu se kromě zmiňovaných vln objevují i tzv. artefakty, které nesouvisí s činností mozku. Nejčastěji se dělí podle původu na artefakty: • od pacienta, což jsou encefalografické záznamy biologického signálu jiného než EEG: • artefakty z mrkání a jiných pohybů očí • svalové a pohybové artefakty • artefakty ze srdeční činnosti, tepové a z pocení • artefakty z pohybů jazyka • artefakty dentální • tzv. interferenční artefakty, které vliv elektrické elektromagnetického pole od okolních přístrojů, např. síťový kmitočet 50 Hz, zvonění mobilního telefonu, vypnutí/zapnutí osvětlení, ventilačního systému, klimatizace apod. Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Evokované Potenciály (ERP – Event-related potentials) • elektrická odezva mozku nebo mozkového kmene na rozdílné typy stimulací (vizuální, audio, senzorické stimulace) • jsou zaznamenávány podobným způsobem jako EEG (tj. elektrody umístěné na hlavě) • ERP mají tvar krátkodobých vln velmi nízké amplitudy, jejichž morfologie (tvar, latence, doba trvání) závisí na síle stimulu a na mentálním stavu měřeného subjektu (např. na únavě, pozornosti apod. ) • v porovnání s EEG jsou to vlny relativně nízké, které vznikají na pozadí běžné EEG aktivity - EEG se v toto případě chová jako šum a je potřeba ho vhodným způsobem odstranit (např. průměrováním), • k určení ERP je nutné subjekt opakovaně stimulovat stejným podnětem a přesně synchronizovat okamžik stimulu s EEG záznamem Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

ERP lze rozdělit na • exogenní - odezva na fyzikální stimul (odezva senzorů) – nízká doba latence • endogenní – souvisí s kognitivním procesem – mají delší dobu latence ( > 300 ms) podle druhu stimulace se ERP rozdělují na: • sluchové (auditory ERP) - stimuluje se obvykle krátkým pípnutím o určité frekvenci – odezvou je série vln, která určuje jakým způsobem se neuro informace šíří od sluchového nervu v uchu do mozkové kůry – elektrody se umísťují za levé a pravé ucho na vrchol hlavy Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

• zrakové (visual ERP) - stimuluje se obrazem ve tvaru šachovnice, kde políčka střídavě mění barvu, blikajícím obrazem apod. Sleduje se šíření informace očním nervem. Elektrody se umísťují v týlní oblasti hlavy. • somatosenzorické – reakce na různé proudové impulsy, pohyb apod. Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

ERP záznam • normální EEG záznam + synchronizační značky, odpovídající výskytům jednotlivých událostí (stimulům) • ERP vlny jsou v porovnání s EEG pozadím nízké (5μV u audio ERP, 20 μV u vizuálních ERP) • k zobrazení ERP vlny je nutné potlačit základní EEG aktivitu obvykle složenou z α, β, γ vln Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Potlačení základní EEG aktivity : – průměrováním jednotlivých epoch. 1. 2. EEG signál je nejprve segmentován do tzv. epoch, což je oblast v okolí synchronizační značky reprezentující výskyt události (např. 0. 5 s před značkou a 1 s po výskytu značky). Jednotlivé epochy se průměrují potlačuje se základní EEG aktivita, která se v jednotlivých epochách chová jako náhodný signál – metody tzv. „single-trial“ analýzy - jsou založeny dekompozici signálu (waveletová transformace, matching pursuit apod. ) a nalezení koeficientů reprezentující ERP komponenty Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Single-trial analýza (Matching pursuit – princip) • adaptivní metoda dekompozice signálu • signál je dekomponován na jednotlivé atomy, které jsou vyhledávány ve slovníku funkcí (často se využívá slovnít tzv. Gaborových funkcí Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Aplikační oblasti ERP • Klinická praxe – vyšetřování základních funkcí vizuálního, sluchového , somato-senzorického systému – intraoperační monitorování (neurochirurgie) – základní vyšetření u komatózních pacientů Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

• Kriminalistika – „detektor lži“ • Brain-computer interface – umožňuje lidem komunikovat a ovládat vnější svět bez cesty prostřednictvím mozku a periferních nervů a svalů - vhodné pro jedince, kterým vlivem poruchy nervového systému (svalové ochrnutí, ztráta řeči apod. ) není umožněn jiný způsob komunikace. Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Nejčastěji používané ERP komponenty • Vlna P 3 (P 300) – 3. pozitivní vlna v ERP záznamu s latencí přibližně 300 ms (latence se může měnit v rozmezí 300 -500 ms v závislosti na experimentu). Maximální amplitudy dosahuje P 3 vlna je na elektrodě Pz. Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Vznik P 3 vlny – několik teorií • aktualizace pracovní paměti - vlna vzniká v okamžiku, kdy je potřeba aktualizovat pracovní paměť. • překvapení nad výskytem méně frekventovaného stimulu • výskyt očekávaného stimulu. Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Příklad jednoduchého ERP experimentu – evokace vizuálního P 300 potenciálu • měřená osoba sleduje monitor, kde jsou zobrazovány dva znaky O a Q O Q • znak je zobrazován po dobu 800 ms, 200 ms je zobrazováno pouze černé pozadí • Znak O se zobrazuje přibližně 4 x časteji (tzv. non-target stimul) než znak Q (target stimul) • Při zobrazení znaku Q dochází k evokaci vlny s latencí cca 300 ms - P 3 komponenta Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Výzkum v oblasti ERP na KIV výzkum v oblasti ERP a BCI ve spolupráci s neurochirurgií FN Plzeň, KTV FPE ZČU, Dopravní fakultou ČVUT Praha bude zaměřen na: • návrh jednoduchého BCI pro komunikaci s komatózními pacienty, • npodprahové vnímání • motorické testy u dětí a souvislost s mozkovou aktivitou • monitorování pozornosti řidičů, reakce na náhlé změny v zorném poli • využití ERP v kriminalistice (detektor lži). Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

Related presentations