Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti."— Transkript prezentace:

1 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti ERP

2 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

3 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

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

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

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

7 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB • frekvence < 4Hz (0.1-3 Hz) • amplituda µV • výskyt - oboustranný, obvykle elektrody F3,C3 • u dětí do 1 roku je výskyt normální • u dospělého pouze u NREM III a IV fázi spánku, v bdělém stavu signalizuje poruchy (u lidí s poruchou pozornosti roste amplituda, pokud se snaží soustředit se) Delta aktivita

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

9 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB • frekvence >30 Hz, obvykle se udává Hz (v některých publikacích Hz) • výskyt po celém povrchu hlavy, mají nízkou amplitudu (  10 µV) • odráží stav aktivního zpracování informací v kortexu (pokud mozek zpracovává informace z různých oblastí, mají gama vlny obvykle frekvenci 40 Hz, pokud 40Hz chybí  neschopnost učit se) • vyskytují se např. při pohybu prstů, mohou souviset se stresem Gama vlny • doba trvání ms • amplituda obvykle 50µV • mají tvar písmene lambda • výskyt v týlní oblasti (O1, O2 elektrody) při sledování ostře osvětleného předmětu v zorném poli (barevné vzory), často jim předcházejí artefakty pohybu očí vrchol výskytu ve věku 2-15 let Lambda vlny

10 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Vývoj EEG aktivity • od narození do 1. roku dítěte – málo pravidelná delta aktivita (1- 3Hz), obvykle vysoké amplitudy, netlumí se otevřením očí • od jednoho do tří let – dominantní je theta rytmus (4-7Hz), vysoké amplitudy (ale nižší než předchozí delta), tlumení otevřením očí nedokonalé, ale může být částečně patné • rok věku – tzv. prealfa (6-8Hz, typicky 7Hz) - vysoká amplituda, blokuje se otevřením očí, začíná být symetrická v obou hemisférách, je měřitelná v temenní a týlní oblasti • 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.

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

12 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

13 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB

14 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

15 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.

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

17 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

18 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Potlačení základní EEG aktivity : –průměrováním jednotlivých epoch. 1.EEG signál je nejprve segmentován do tzv. epoch, což je oblast v okolí synchronizační značky reprezentující výskyt události (např. 0.5 s před značkou a 1s po výskytu značky). 2.Jednotlivé epochy se průměrují potlačuje se základní EEG aktivita, která se v jednotlivých epochách chová jako náhodný signál –metody tzv. „single-trial“ analýzy - jsou založeny dekompozici signálu (waveletová transformace, matching pursuit apod.) a nalezení koeficientů reprezentující ERP komponenty

19 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB ERP experiment a segmentace EEG na jednotlivé epochy Průměrování jednotlivých epoch Průměrování epoch

20 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

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

22 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Single-trial analýza ERP (Matching pursuit) Atom odpovídající komponentě P3

23 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

24 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.

25 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB –BCI systémy, které využívají ERP lze např. psát zprávy, řešit rozhodovací úlohy typu ano/ne apod. anone 6 Hz 15 Hz

26 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Nejčastěji používané ERP komponenty •Vlna P3 (P300) –3. pozitivní vlna v ERP záznamu s latencí přibližně 300 ms (latence se může měnit v rozmezí ms v závislosti na experimentu). Maximální amplitudy dosahuje P3 vlna je na elektrodě Pz.

27 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Vznik P3 vlny – několik teorií • aktualizace pracovní paměti - vlna vzniká v okamžiku, kdy je potřeba aktualizovat pracovní paměť. • překvapení nad výskytem méně frekventovaného stimulu • výskyt očekávaného stimulu.

28 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB •Ustálené zrakové evokované odezvy (steady state visual evoked potential) anone 6 Hz 15 Hz

29 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Příklad jednoduchého ERP experimentu – evokace vizuálního P300 potenciálu •měřená osoba osoba sleduje monitor, kde jsou zobrazovány dva znaky O a Q •znak je zobrazován po dobu 800ms, 200 ms je zobrazováno pouze černé pozadí •Znak O se zobrazuje přibližně 4x časteji (tzv. non-target stimul) než znak Q (target stimul) •Při zobrazení znaku Q dochází k evokaci vlny s latencí cca 300 ms - P3 komponenta O Q

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

31 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Segmentovaná EEG data pro znak O (nontarget) pro znak Q (target)

32 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Průměrovaná data pro znak O (nontarget) pro znak Q (target)

33 Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Single-trial analýza ERP (Matching pursuit) Atom odpovídající komponentě P3

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


Stáhnout ppt "Copyright © 2007 LICS | DCSE | FAS | UWB Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti."

Podobné prezentace


Reklamy Google