PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

download PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

of 12

Transcript of PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    1/12

    1

    Laborator3 EIM

    PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    1. Scopul lucrrii: lucrarea i propune ca obiective experimentale urmtoarele:

    familiarizarea cu modul n care se realizeaz nregistrarea activitiielectrice a creierului precum i ntelegerea sursei acestei activiti ;

    nregistrarea electroencefalogramei (EEG) n diferite situaii i corelareaevenimentelor electrice cu anumite activiti (ex. realizarea unui calcul

    mental);

    identificare i analiza undelor alfa, beta, delta i teta, componente a

    complexului EEG;

    2. Introducere. Concepte fiziologice

    Creierul se afl ntr-o formaiune osoas numit craniu, ce are rol de protecie. Un strat subire

    de piele numit scalp, acoper o mare parte din craniu. O mare parte din creier, aflat imediat

    sub craniu alctuiete encefalul (Fig. 1). Acesta este divizat n dou emisfere i fiecare emisfer

    este divizat la rndul ei n: lobii forntal, parietal, temporal i occipital. Stratul de celule ce

    formeaz partea exterioar a creierului se numete cortex sau materie cenuie i este formatdin axonii nemienilizai ai neuronilor. Cortexul are o grosime de 2-4mm i conine bilioane de

    conexiuni ntre neruroni.

    Fig. 5.1. Poriunile creierului

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    2/12

    2

    Printre funciile cortexului se numr: gndirea abstract, memoria, controlul voluntar sau

    involuntar al muchilor scheletici etc. Regiuni specifice din cortexul cerebral (Fig. 5.2)

    proceseaz sau genereaz diferite tipuri de informaii. Spre exemplu, lobul frontal genereaz

    impulsuri nervoase ce controleaz n mod voluntar contracia muchilor scheletici n timpul

    mersului pe jos sau a mersului pe biciclet. Lobul occipital proceseaz informaii vizuale, iarlobul temporal informaii auditive. Informaia legat de durerea la nivelul pielii sau de

    temperatur este prelucrat n lobul parietal. Activitatea electric, definit ca transmiterea

    impulsurilor electrice i recepionarea lor, dinspre i de ctre neuronii corticali (care alctuiesc

    cortexul), este ntotdeauna prezent, chiari n timpul somnului sau alte stri n care nivelul de

    contientizare este redus. Cu alte cuvinte, absena activitii electrice a creierului sugereaz

    moartea.

    Fig. 5.2. Cortexul cerebral

    n 1929, un fizician austriac, Hans Burger, a descoperit c prin plasarea unor electrozi pe scalp

    se pot detecta diferite tipare ale activitii electrice care nu reprezint doar artefacte generate de

    musculatura scalpului. Burger a numit nregistrarea activitii electrice a creierului,

    electroencefalogram EEG (electro = electric, encephalo = creieir, gram = nregistrare).

    Oamenii de tiin au nceput s studieze aceste unde ale creierului, iar detecia, amplificarea,

    nregistrarea i interpretarea tiparelor activitii electrice asociat cu funcionarea coretxului

    cerebral se numete electroencefalografie. Dispozitivul care realizeaz nregistrarea acestor

    tipare se numete electroencefalograf.

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    3/12

    3

    Semnalele EEG sunt nregistrate ca o serie de unde complexe. Patru unde periodice se

    regsesc ntr-o nregistrare EEG : alfa, beta, delta i teta. Aceste unde se caracterizeaz prin

    frecven i amplitudine. Amplitudinile nregistrate prin plasarea electrozilor pe scalp sunt de

    ordinul microvolilor (Tabel 5.1).

    Tabel 5.1

    Und Frecven (Hz) Amplitudine (V)

    Alfa 8-13 20-200

    Beta 13-30 5-10

    Delta 1-5 20-200

    Teta 4-8 10

    2.1 Unda Alfa

    n general, unda alfa este cea mai proeminent component a EEG-ului unui adult ce este

    relaxat cu ochii nchii. Fiecare regiune a creierului are o und alfa carecteristic, dar cele cu

    amplitudini cele mai mari sunt nregistrate n regiunile parietale i occipitale ale cortexului

    cerebral. Rezultatele din diferite studii indic urmtoarele:

    a) femeile tind s aib o medie mai mare a frecvenelor undei alfa dect brbaii;

    b) amplitudinea ritmului alfa este mai mare pentru subiecii care nu sunt ateni la stimulii

    externi;

    c) amplitudinea ritmului alfa variaz o dat cu atenia subiectului la sarcini mentale

    realizate cu ochii nchii;

    d) hiperventilaia : respiraie anormal, rapid, determin scderea nivelului de dioxid de

    carbon din snge i din fluidul cerebrospinal, i determin creterea nivelului pH-ului.

    Acestea determin creterea activitii neuronilor corticali, avnd ca efect creterea

    amplitudinii undei alfa;

    e) frecvena undei alfa poate afecta memorarea astfel poate fi cu 1Hz mai mare pentru

    subiecii ce au obinut punctaje mari la teste de memorie, fa de subiecii cu un punctajsczut;

    f) undele alfa tind s aib amplitudini mai mari pentru subiecii cu o personalitate

    extrovertit;

    g) amplitudinea ritmului alfa variaz cu dificultatea sarcinilor mentale realizate cu ochii

    nchii.

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    4/12

    4

    h) amplitudinea crete cnd subiecii sunt mai puin concentrai i este mai mare n

    intervalul orar 13:30-16:30.

    De regul, amplitudinea undei alfa se diminueaz atunci cnd subiecii deschid ochii i sunt

    ateni la stimulii externi, dei unii subieci antrenai n tehnici de relaxare pot menine amplitudini

    mari pentru ritmul alfa chiari atunci cnd au ochii deschii.

    2.2 Unda Beta

    Atunci cnd subiectul realizeaz efort mental contient (calcule matematice) sau cnd subiectul

    are ochii deschii i este atent la stimulii externi, ritmul alfa este nlocuit cu ritmul beta, de

    amplitudine mai mic dar de frecven mai mare. Aceast transformare se numete

    desincronizare a undei alfa i reprezint aducerea cortexului cerebral ntr-o stare de alert.

    Paradoxal, unda beta apare i n timpul somnului, mai precis n perioada REM (Rapid Eye

    movement) a somnului.

    Ritmul beta este cel mai bine nregistrat din regiunile precentrale ale coretxului frontal.

    2.3 Undele Delta i Teta

    Sunt unde de frecvene joase asociate cu starea de somnolen sau de somn pentru un adult

    normal. Pe msur ce o persoana devine somnoroas (se instaleaz starea de somnolen),

    ritmul alfa este nlocuit treptat de ritmul teta de frecven joas. n stare de somn, unda delta

    devine dominant. Periodic, n timpul somnului, ritmul delta este ntrerupt de episoade de somn

    paradoxal n timpul cruia subiectul doarme dar activitatea sa cerebral este cea a unui individ

    alert (apare ritmul beta).

    Fig. 5.3. Tiparele ritmurilor complexului EEG

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    5/12

    5

    3. Desfurarea lucrrii

    3.1 Componente hardware necesare.

    Pentru a nregistra activitatea EEG sunt necesare urmtoarele componente ale sistemuluiBiopac:

    unitatea de achiziie MP150; modulul UIM100C; 2 amplificatoare EEG100C; 110W/R/B cabluri pentru conectarea amplificatoarelor la electrozii plasai pe scalp electrozi de unic folosin; gel pentru electrozi.

    3.2 Conectarea componentelor hardware:

    se conecteaz modulele UIM100C, EEG100C la unitatea de achiziie MP150; se selecteaz adresele canalelor pentru amplificatoarele EEG100C; se seteaz amplificatoarele EEG100C astfel:

    Gain:5000 Mode: Norm35Hz LP: On HP: 1Hz;

    se conecteaz cablurile 110W/R/B/ la amplificatoare astfel: referina (cablul alb) se multiplic la fiecare amplificator EEG 100C cu ajutorul

    conectorilor Jump 100, pe intrarea Vin-;

    cablurile roii (corespunztoare electrozilor pozitivi) se conecteaz pe intrareaVin+ a amplificatoarelor EEG 100C;

    cablul negru (masa) se multiplic la fiecare amplificator EEG 100C cu ajutorulconectorilor Jump 100, pe intrarea GND;

    se conecteaz cablurile 110W/R/B/ la electrozii plasai pe scalp;

    3.3 Conectarea electrozilor:

    Exist dou metode pentru plasarea electrozilor n funcie de modul de nregistrare a EEG:

    nregistrare unipolar electrodul activ este plasat peste regiunea cortical deinteres iar electrodul referin este ataat de lobul urechii sau pe o alt partedistant din corp;

    nregistrare bipolar diferena de potenial dintre doi electrozi plasai pestezona cortical de interes este msurat fa de un al treilea electrod cereprezint referin. Aceast metod de nregistrare este mai localizat.

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    6/12

    6

    n Fig. 5.3 este prezentat o variant a plasrii electrozilor pe scalp pentru nregistrarea EEG.Poziia acestora i numrul lor variaz n funcie de ceea ce se urmrete a fi nregistrat.

    Fig. 5.3. Plasarea standard a electrozilor pe scalp

    Prin adugarea mai multor electrozi pe configuraia din Fig.5.3 se obine sistemul internaional

    standard 10-20 de plasarea a electrozilor pe scalp (21 de electrozi) (Fig. 5.4). Acest sistem afost dezvoltat pentru a standardiza condiiile de nregistrate astfel nct s fie posibilcompararea rezultatelor obinute pe un anumit subiect de-a lungul timpului i de asemeneapentru a putea compara rezultatele obinute pentru diferii subieci. Cifrele 10 i 20 se referla faptul c distanele dintre electrozii adiaceni sunt fie 10% sau 20% din dinstana frontal occipital sau dreapta stnga a scalpului.

    Fig. 5.4. Plasarea standard a electrozilor pe scalp n sistemul 10 - 20

    R- dreapta; Left - Stnga;

    F- Frontal; P - Pratietal;

    T-Temporal; O - Occipital

    E- Lobul urechii

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    7/12

    7

    Ca i n figura 5.3 fiecare liter identific un anumit lob: Frontal, Parietal,Temporal, Occipital, iarnumrul identific locaia pe emisfer. Litera C nu se refer la un aa numit lob central, ci estefolosit pentru orientare. Z se refer la elctrozii plasai pe linia median a craniului. Numerelepare identific electrozii din emisfera dreapt, pe cnd numerele impare identific pe cei plasai

    n emisfera stng.

    Pentru orientare, atunci cnd se plaseaz electrozii se folosesc dou puncte i anume, punctuldintre frunte si nas, i punctul cel mai de jos din partea occipital a craniului (o umflturosoas).

    Cnd se dorete o nregistrare mai detaliat a activitii cerebrale se folosesc mai mulielectrozi (se pot folosi peste 100 de electrozi). Acetia sunt adugai ntre spaiile dintreelectrozii din sistemul 10 - 20 obinndu-se un sistem a crui nume este definit de MCN(Modified Combinatorial Nomenclature). Sistemul MCN folosete 1, 3, 5, 7, 9 pentru emisferastng, ce reprezint 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, din dinstana frontal-occipital (Fig. 5.5)

    Fig. 5.5. Plasarea standard a electrozilor pe scalp sistemul MCN.

    n laboratorul de fa se va folosi o configuraie mult mai simpl dect cele prezentate anterior,conform figurii 5.6.

    Fig. 5.6. Plasarea electrozilor pe scalp pentru nregistrrile din laborator.

    Rou

    Rou

    Alb(referin)

    Negru (mas)

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    8/12

    8

    Sfaturi pentru a obine nregistrri optime:

    ndeprtai pe ct posibil prul de pe locul unde va fi plasat electrodul; aplicai presiune asupra electrodului timp de cel puin un minut; subiectul nu trebuie s se mite sau s clipeasc n timpul nregistrrilor

    deoarece orice micare va afecta cele patru ritmuri; dac electrozii nu se lipesc, ncercai alte locuri sau ali subieci; electrozii se plaseaz pe una din emisfere; electrodul ce reprezint masa se plaseaz pe frunte iar referina pe lobul urechii; se plaseaz o benti sau o casc peste electrozi pentru a menine o presiune

    constant peste acetia; mediul din imprejur trebuie s fie linitit pentru ca subiectul s se poat relaxa din

    punct de vedere mental.

    3.4 Setri software: cele deja cunoscute din laboratoarele anterioare; (frecvena deeantionare va fi setat la 500Hz)

    3.5 Achiziionarea datelor:

    Se vor realiza 5 aplicaii n care se va nregistra EEG n diferite condiii:

    Aplicaia 1. - subiectul este aezat relaxat pe un scaun cu ochii nchii; se apas butonul Start, dup ce subiectul se afl n poziia corespunztoare,i se achiziioneaz ECG timp de 10 de secunde;

    Aplicaia 2. - subiectul este aezat relaxat pe un scaun cu ochii deschii; se apas butonul Start, dup ce subiectul se afl n poziia corespunztoare,i se achiziioneaz ECG timp de 10 de secunde;

    Aplicaia 3 - subiectul este aezat relaxat pe un scaun cu ochii nchii; se apas butonul Start, dup ce subiectul se afl n poziia corespunztoare,i se achiziioneaz ECG timp de 10 de secunde;

    Aplicaia 4. - subiectul este aezat pe un scaun cu ochii nchii; un coleg va enuna o problem de calcul matematic; imediat ce problema a fost enunat se apas butonul Start; subiectul va trebui s se gndeasc la rezolvare fr a se mica sau vorbi;

    se va achiziiona timp de 10 secunde;Aplicaia 5. - subiectul este aezat pe un scaun cu ochii nchii; subiectul va trebui s hiperventileze (s respire repede i adnc) timp de 2

    minute; dup expirarea celor 2 minute se apas butonul Start i subiectul respir

    normal; se achiziioneaz timp de 10 secunde;

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    9/12

    9

    3.6 Analiza datelor:

    Din semnalul EEG brut achiziionat se obin undele alfa, beta, delta, teta folosind funciilepredefinite oferite de software-ul AcqKnowledge 3.9.1 (Transform->Specialized Analysis->Electroencephalograhy), prezentate mai jos:

    1. Delta Power Analysis

    Delta Power reprezint puterea total a semnalului EEG ce apare n banda de frecven aritmului delta. Acest parametru a fost folosit in diferite studii EEG ca indicator a strii desomn/treaz a subiectului sau a altor condiii. Prin examinarea variaiilor care apar n putereaspectral a undei delta, este posibil s se coreleze aceast putere cu factori externi.Funcia Delta Power Analysis mparte canalul EEG n ferestre fixe. Pentru fiecare fereastr secalculeaz densitatea spectrali se determin puterea total n banda de frecven a undeidelta.

    2. Derive Alpha RMS

    Contruiete o und alpha RMS (root mean square) dintr-un semnal alfa brut.

    3. Derive EEG Frequencz Band

    Aceast funcie aplic o serie de filtre IIR trece jos i trece sus pe semnalul EEG brut i segenereaz cele 4 unde standard: Alfa, Beta, Teta, Delta;

    4. Remove EOG Artifacts

    Unele nregistrri EEG presusup ca subiectul s realizeze diferite sarcini visuale cum ar fi cititulsau uitatul la televizor. Astfel semnal EEG va fi corupt de ctre semnaul EOG

    (electrooculogram) mult mai puternic, care este generat de micarea ochilor.Funcia separ semnalul EOG de semnalul EEG prin aplicarea unei variante a algoritmului ICA(Independent Component Analysis).

    Se folosesc funciile de mai sus pentru a obine cele patru ritmuri standard precum i unda AlfaRMS.

    A. Amplitudini ale EEG: alfa, beta , delta, teta

    a) se eticheteaz canalele astfel:CH1=EEG brut;

    CH2=alfa;CH3=beta;CH4=delta;CH5=teta;CH6=alfa RMS;

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    10/12

    10

    b) se seteaz csuele de msurtori astfelCanal Msurtoare

    CH2 stddevCH3 stddevCH4 stddevCH5 stddev

    c) se selecteaz poriunea de semnal corespunztoare Aplicaiei 1 i se noteaz valorilesttdev n Tabelul 5.2;

    d) se repet pasul c) pentru Aplicaia 2 i Aplicaia 3;

    B. Frecvene EEG: alfa, beta, delta, teta

    a) se seteaz csuele de msurtori astfel:Canal Msurtoare

    CH2 freqCH3 freq

    CH4 freqCH5 freqb) se selecteaz un ciclu al undei alfa corespunztoare Aplicaiei 1;c) se repet b) pentru alte dou cicluri;d) se repet b) i c) pentru unda beta;e) se repet b) i c) pentru unda delta;f) se repet b) i c) pentru unda teta;g) rezultatele se trec n tabelul 5.3.

    C.

    a) Se seteaz csuele de msurtori astfel:

    Canal MsurtoareCH1 stddevCH2 stddevCH2 meanCH6 freq

    b) Se realizeaz msurtorile de mai sus pentru Aplicaia 1; rezultatele se trec n tabelul5.4

    c) Se repet pasul b) pentru Aplicaia 2, Aplicaia 4 i Aplicaia 5;d) Se folosete lupa pentru a mri o seciune a segmentului de date pentru a msura

    frecvena ritmului alfa.

    Laborator 5 EIM

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    11/12

    11

    PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    Fi de evaluare

    I. Date i calcule:

    Profilul subiectului: Nume_______________________________ nlime_______Vrst ______ Sex : M / F

    A.

    Tabelul 5.2.

    RitmCanal Aplicaia 1 Aplicaia 2 Aplicaia 3

    AlfaCH2

    BetaCH3

    DeltaCH4

    TetaCH5

    B.

    Tabelul 5.3.

    RitmCanal Ciclul 1 Ciclul 2 Ciclul 3

    Medie

    AlfaCH2

    BetaCH3

    Delta CH4

    TetaCH5

    C.

  • 8/3/2019 PRINCIPIILE ELECTROENCEFALOGRAFIEI

    12/12

    12

    Tabelul 5.4.

    AplicaieEEG brut(CH1

    stddev)Alfa(CH2 stddev)

    Alfa RMS(CH6

    medie)

    1.

    2.

    4.

    5.

    D. Care este frecvena ritmului alfa pentru Aplicaia 1?..............Hz

    E. Se completeaz tabelul de mai jos cu valorile medii ale ritmului alfa RMS (media

    experimental) din tabelul 5.4. Coloana medie de control reprezint media ritmului alfa dinsegmentul de date corespunztor Aplicaiei 1.

    Tabelul 5.5.

    Aplicaie Condiii

    experimentale

    Medie

    experimental

    pentru unda

    alfa

    Medie de

    control

    pentru unda

    alfa

    Diferena

    (ME-MC)

    4Calcul mental

    5Revenire duphiperventilaie

    2 Ochii deschii