Bioingegneria

EEG

Pubblicato il da Marco
21
Ott

Il contenuto registrato da un EEG è dato dalla somma della propagazione dei potenziali generati a livello corticale, sia eccitatori che inibitori, quindi non è un potenziale d’azione di per sè, ma sono i potenziali d’azione post sinaptici, eccitatori ed inibitori, ad essere rilevati.
Il contenuto registrato da un EEG è dato dalla somma della propagazione dei potenziali generati a livello corticale, sia eccitatori che inibitori, quindi non è un potenziale d’azione di per sè, ma sono i potenziali d’azione post sinaptici, eccitatori ed inibitori, ad essere rilevati.

È confermato che vengono rilevati questi potenziali in quanto a livello di caratteristiche, sia temporali che spaziali, sono quelli che hanno durata maggiore, che permettono di avere un segnale realmente registrabile. Sarebbe difficile andare a rilevare potenziali generati da piccole popolazioni neuronali e associati a fenomeni di durata notevolmente ridotta. In tali casi la registrazione di tali potenziali avviene tramite tecniche invasive, che non sono utilizzate per la diagnosi, ma in ambito chirurgico. Di fatto, nella diagnostica clinica si utilizza fondamentalmente l’EEG.

Esistono anche altre tecniche oltre ad EEG e alle metodiche invasive; esistono delle particolari tipologie di elettrodi, comunque applicati sullo scalpo ma più invasivi che penetrano all’interno dello scalpo e permettono di registrare segnali con caratteristiche diverse da quelli registrabili dell’EEG di superficie, ma non sono usati in ambito clinico.

Considerando la tecnica EEG classica, i sensori che verranno utilizzati per la rivelazione dei segnali elettrici sono degli elettrodi che generalmente vengono montati su una cuffia, per facilitarne il funzionamento. La posizione degli elettrodi non è arbitraria ma rispetta lo standard internazionale 10-20.

Perché si chiama standard internazionale 10-20?

Perché si considera la distanza complessiva naso-inion e quindi si posiziona il primo elettrodo ad una distanza del 10% della distanza complessiva, e poi si posizionano i rimanenti ad una distanza del 20% della complessiva, fino all’area occipitale che di nuovo è il 10% rispetto alla complessiva. Si fa cosi in modo di coprire il 100% della distanza naso-inion, questo avviene per tutta la superficie dello scalpo, in modo tale da avere una mappatura completa di tutte le aree cerebrali. Gli elettrodi sono rinominati secondo un protocollo specifico: la lettera indica il lobo cerebrale, a seconda se si riferisca all’emisfero destro o al sinistro. Sulla linea mediana al posto del numero viene utilizzata la lettera “z” che sta ad indicare “zero”.

Le lettere F, T, C, P e O rappresentano i lobi frontali, temporali, centrali, parietali e occipitali, rispettivamente. Si noti che non esiste lobo centrale; la lettera “C” viene utilizzato solo per scopi di identificazione. A “z” (zero) si riferisce ad un elettrodo posto sulla linea mediana. I numeri (2,4,6,8) si riferiscono alla posizione dell’elettrodo sull’emisfero destro, mentre i numeri dispari (1,3,5,7) si riferiscono a quelli dell’emisfero sinistro. Inoltre, il codice della lettera A, Pg e Fp identifica i lobi delle orecchie, il sito polare nasofaringeo e frontale polare rispettivamente.

Altro standard, questo è uno standard esteso, con una mappatura più fitta rispetto al sistema 10-20, viene utilizzato per la ricerca, in cui si può arrivare ad acquisire segnali elettroencefalografici anche con 256 elettrodi, nella pratica clinica viene utilizzato lo standard 10-20.

Gli elettrodi A registrano un potenziale 0 e verranno pertanto utilizzati come elettrodi di riferimento. Ricordate quando avevamo discusso degli amplificatori, avevamo visto che l’acquisizione riguarda sempre una coppia di elettrodi. Nella registrazione monopolare si considera un elettrodo attivo, posto su una regione in cui ci sono variazione nel potenziale d’interesse, ed un altro posto su una regione che dovrebbe essere a potenziale 0.

Le misure biometriche sono molto problematiche in quanto viene acquisito anche del rumore dall’esterno, più il rumore generato dalla strumentazione, che non appare molto differente dal segnale biologico, anche per ampiezza, questo complica la registrazione.

Generalmente come elettrodi di riferimento possono essere considerati gli elettrodi posti sulla linea mediana, oppure, in alcuni esperimenti, vengono utilizzati gli elettrodi posti sull’emisfero sinistro con riferimento al lobo sinistro, e gli elettrodi sull’emisfero destro riferiti all’elettrodo posto sul lobo destro. Per voi che siete medici lo standard da seguire è lo standard internazionale 10-20. Perché è necessario uno standard? Per avere misure confrontabili. Nella ricerca, ripeto, è possibile testare altri tipi di montaggio.

Registrazione bipolare: il montaggio bipolare può essere realizzato o in fase di acquisizione con la stessa strumentazione, in tal caso vado a collegare elettrodi vicini all’amplificatore e li acquisisco rispetto ad un riferimento, oppure acquisisco in modalità monopolare e successivamente, durante l’elaborazione del segnale, vado ad effettuare il montaggio bipolare. Quindi l’operazione del montaggio può essere eseguita anche come post-processing.

Quali sono vantaggi e svantaggi di acquisizione monopolare e bipolare?

L’acquisizione bipolare, a livello di riduzione del rumore è più vantaggiosa, perché nel momento in cui i due elettrodi che si trovano in due posizioni vicine acquisiscono la stessa quantità di rumore, posso eliminare il rumore che si presenta in quantità uguale in corrispondenza dei due elettrodi. Questo non è fattibile nel caso della registrazione monopolare perché l’elettrodo di riferimento non è vicino all’elettrodo che acquisisce il segnale, però nel caso della reg. bipolare ottengo un segnale risultante, perdendo informazioni sulla posizione, in quanto il segnale viene da due posizioni vicine, e pertanto è difficile attribuirlo ad un elettrodo specifico. Quindi in base al tipo di applicazione, è l’operatore che decide che tipo di montaggio effettuare. Esistono diverse tipologie di elettrodi impiegabili nella rilevazione dei segnali elettroencefalografici.

Elettrodi di argento, cloruro d’argento oppure elettrodi a coppetta d’oro, entrambi sono elettrodi che vengono interfacciati con il cuoio capelluto attraverso una pasta elettrolitica, un gel in genere, che ha la funzione di migliorare la conducibilità dell’elettrodo e quindi l’acquisizione del segnale. Il gel serve anche per minimizzare eventuali spostamenti dell’elettrodo e quindi a ridurre gli artefatti da movimento dell’elettrodo.

Riguardo il miglioramento della conducibilità, questo avviene in particolar modo perché abbassa l’impedenza tra elettrodo e sistema di acquisizione. L’impedenza viene definita come la capacità di far circolare corrente in un mezzo, è intesa come somma di un contributo dato dalla resistenza e un contributo dato dalla reattanza. In generale i diversi strati che il segnale deve attraversare non sono modellabili con delle resistenze, se fossero tutte resistenze il passaggio di corrente attraverso i vari strati sarebbe più semplice, ma dato che ci sono le capacitanze, il passaggio di corrente viene ostacolato. Per cercare di favorire il passaggio di corrente possiamo appunto usare questo gel che fa abbassare il valore di impedenza. Si cerca di mantenere il valore di impedenza al di sotto dei 5 Kohm, quindi predomina la parte resistiva.

Per quanto riguarda gli elettrodi, sono di tipo passivo, cioè non ricevono alimentazione elettrica. Però esistono degli elettrodi di tipo attivo, sono elettrodi che contengono non solo il sensore ma anche altri circuiti che effettuano una pre-amplificazione del segnale in situ, vengono utilizzati in applicazioni quali ad esempio il telemonitoraggio.

Nella registrazione classica del segnale l’elettrodo è collegato ad un sistema di acquisizione chiamato EEG amplifier, a sua volta collegato al calcolatore per la visualizzazione dei tracciati e di tutti i dati raccolti. In alcuni casi invece sono stati realizzati elettrodi attivi per l’appunto, In seguito dell’amplificazione il segnale viene sempre trasferito a valle al resto della strumentazione.

Quali sono vantaggi e svantaggi degli elettrodi attivi? Il vantaggio principale è che cosi come possono esserci artefatti dovuti allo spostamento degli elettrodi sullo scalpo, si possono avere dei disturbi al segnale durante il percorso di propagazione nel percorso dall’elettrodo alla strumentazione, cioè nei cavi. Generalmente si usano dei cavi schermati che limitano questo tipo di disturbi, però, di fatto, può succedere che le interferenze dei segnali di disturbo, di ampiezza anche abbastanza elevata, possano accoppiarsi al segnale e di conseguenza dovranno essere rimossi per preservare l’informazione d’interesse.

Questa catena di misura fondamentale si completa di altri elementi, generalmente, se non è un dispositivo che si alimenta a batterie, abbiamo tutta la circuteria di alimentazione e, nel momento in cui il circuito viene alimentato da rete elettrica, il circuito deve essere isolato dal rumore proveniente dall’alimentazione, quindi ci saranno dei dispositivi che garantiscono che non ci sia continuità elettrica tra paziente e rete di alimentazione. A valle del convertitore analogico digitale vi è il DSP (processore di segnali digitali) una sorta di microcalcolatore che serve proprio ad elaborazioni elementari sui segnali digitali, non è un microprocessore come quello presente all’interno dei calcolatori, perché le CPU dei calcolatori sono destinate a operazioni general porpouse, quindi operazioni di diverso tipo, invece questo è un processore specifico per l’elaborazione dei segnali. Ci può essere un DSP come anche dispositivi più semplici chiamati controllori. Il DSP serve a regolare i parametri di acquisizione e serve a trasmettere poi i dati in digitale in uscita dal convertitore analogico digitale al PC. In tal caso lo strumento presenta un interfaccia USB. Il DSP può effettuare anche operazioni di filtraggio, ma serve in questo caso principalmente per controllare l’acquisizione dei segnali dalla catena di misura e la loro trasmissione mediante USB al calcolatore.

L’EEG amplifier viene collegato al PC, il quale elabora i dati ottenuti mediante un software specifico, che viene poi visualizzato a video. Quindi questo “scatolotto”, nel caso in cui sia a 16 canali, presenterà 16 amplificatori, 16 filtri 16 convertitori analogico digitali, che permette di fare un’acquisizione in parallelo di 16 canali. Questo strumento viene poi collegato tramite opportune interfacce al calcolatore (nell’esempio tramite USB) per effettuare operazioni tramite software, il software permette di gestire il DSP e quindi l’acquisizione, permette di effettuare elaborazione dei dati tramite le tecniche che vedremo e la loro memorizzazione.

DAC sta ad indicare un convertitore analogico-digitale, seve a generare un segnale in uscita, è un segnale che può essere utilizzato, l’uscita del convertitore analogico digitale prende i dati subito dopo l’uscita è utile se uno vuole usare i dati grezzi, non codificati secondo lo standard USB, per esempio viene utilizzato per sincronizzare più EEG amplifier tra di loro, sono dei segnali di uscita intermedi che vengono utilizzati solo qualora servono. Ad esempio tramite questo dispositivo abbiamo un acquisizione a 16 canali, se si vuole avere un’acquisizione a 32 canali, si possono collegare 2 dispositivi tra di loro in modo che vengano sincronizzati. Tali strumenti presentano due porte sync-in e sync-out che permettono il collegamento tra gli strumenti e la loro sincronizzazione. Tali uscite oltre all’USB sono:

  • sync-in
  • sync-out
  • DAC out

Calib OUT, è un segnale di calibrazione che viene utilizzato per verificare il funzionamento dello strumento e quindi non viene usata generalmente dall’operatore.Ci sono quindi delle uscite che non vengono utilizzate dagli operatori. Qui ci sono le specifiche tecniche di un amplificatore EEG, che come abbiamo visto non è solo amplificatore, con questo termine si intende tutto lo strumento

Possiamo vedere:

  • che segnali è in grado di acquisire, non solo segnali EEG ma anche ECG ed EMG, è quindi un sistema portatile che permette di monitorare diversi tipi di potenziale, questo perché le caratteristiche di ogni elemento della catena di misura rispetta i criteri di acquisizione di questi segnali.
  • Poi ci sono le informazioni relative ad i filtri passabanda, sono indicate le frequenze di taglio passa alto e passa basso, nel caso dell’EEG si tratta di 2-30 Hz, nel caso di ECG/EMG si tratta di 0.5-100Hz.
  • La sensibilità
  • Altra caratteristica importante riguarda il convertitore analogico digitale, vi dice che la frequenza di campionamento massimo è di 256 Hz, e come livelli di quantizzazione, come bit utilizzati per la codifica dei diversi livelli, dispone di 16 bit. Quindi saranno 2 alla 16 livelli di quantizzazione.

Questi parametri sono modificabili dall’interfaccia dello strumento, quando impostiamo che dobbiamo acquisire segnali elettroencefalografici e automaticamente lo strumento va a regolare i parametri dei filtri e quindi fa passare quella banda.

Nel caso dei biopotenziali elettrici vi sono delle componenti di rumore che possono alterare il segnale. Dobbiamo differenziare artefatti di tipo fisiologico da artefatti di tipo non fisiologico. Quali potrebbero essere gli artefatti fisiologici nel caso dell’EEG? Ad esempio i movimenti degli occhi, i segnali elettromiografici generati dalla contrazione dei muscoli del collo e da quelli mimici, anche il segnale EEG può essere un artefatto, se non usiamo un buon riferimento, pensiamo che a volte l’elettrodo di riferimento viene posto sul collo, ovviamente si genereranno artefatti. Accanto a questi disturbi fisiologici, difficili da eliminare nella catena di acquisizione, vi sono degli artefatti di natura non fisiologica, artefatti dovuti allo spostamento dell’elettrodo, al movimento dei cavi che collegano elettrodo e dispositivo, interferenze provenienti dall’esterno, interferenze provenienti dalla rete di alimentazione, ovviamente se si utilizzasse un’apparecchiatura a batterie si eliminerebbe tale ultima fonte di disturbo, ma questo è molto raro. Il disturbo proveniente dalla rete di alimentazione ha una frequenza di 50 Hz, 70 Hz negli USA. La tecnica usata per eliminare questo disturbo è il filtro Notch, un filtro elimina banda. Al di la degli artefatti che possono contaminare il segnale elettroencefalografico, vi è un’altra problematica, in quanto l’elettrodo non è posto nelle vicinanze del luogo in cui viene generato il segnale, ma viene posto ad una certa distanza, perché la rilevazione è superficiale. I segnali, prima di arrivare all’elettrodo devono attraversare una serie di strati, e tali strati vado ad alterare il segnale stesso.

Il primo effetto è che tali strati si comportano come se fossero un filtro passa basso, tale fenomeno è stato studiato tramite dei modelli in questi ultimi anni. Quello che succede in pratica è che questi strati bloccano le frequenze più alte di tale segnale, quello che noi riusciamo a registrare è un segnale a bassa frequenza; oggi si cerca di registrare segnali anche a frequenze fino a 1000 Hz, in casi particolari, soprattutto in pazienti epilettici, il problema di acquisizione in questi casi è proprio questo, per quanto si possano utilizzare strumenti performanti, sensori particolarmente accurati, che riescono addirittura a penetrare parte dello scalpo, il limite principale è rappresentato proprio dalla riduzione delle alte frequenze.

Secondo problema: tali strati, determinano un effetto che in letteratura inglese viene detto “smearing out”, che si traduce grossolanamente come “spalmaggio”. Cioè, il segnale non si propaga in maniera diretta, ma ci sono una serie di riflessioni per ogni tessuto che attraversa, ognuno di questa strati avrà determinate caratteristiche di riflessività, e quindi ci sarà un mixing di segnali provenienti da sorgenti diverse, e quindi succede che un elettrodo che si trova sopra una determinata zona non è detto che registri solo l’attività generata dalle popolazioni neuronali che si trovano sotto di lui, ma è probabile che registri anche parte dell’attività generata da popolazioni neuronali limitrofe. Quindi l’acquisizione EEG per questo è la più complessa. Tale problema si trova anche nell’acquisizione dei segnali elettromiografici, quello che viene registrato dall’elettrodo proviene da unità motorie che si trovano tra loro vicine.

La risoluzione temporale dell’EEG è nell’ordine dei millisecondi, quindi molto buona, la risoluzione spaziale invece a causa di queste problematiche, sia per gli artefatti, sia per il fenomeno di “smearing out” non è molto buona, è infatti nell’ordine dei centimetri. La risoluzione spaziale dell’EEG rispetto ad altre metodiche è più bassa. Se questi strati non creassero un problema, la trasmissione del segnale avverrebbe lungo una linea retta, invece una parte del segnale viene riflessa.

Gli accorgimenti a livello tecnico, a livello di dispositivi per la riduzione del rumore li abbiamo esaminati quando abbiamo parlato della riduzione del rumore, abbiamo i filtri, l’amplificatore differenziale, il gel, e i cavi schermati. Questi accorgimenti tecnici portano a minimizzare il rumore, ma non ad eliminarlo del tutto, una quantità di disturbi rimane nel segnale EEG. Di conseguenza si cerca di intervenire a livello software, quindi a livello di elaborazione. Per quanto riguarda la riduzione del rumore e la risoluzione spaziale del segnale, esistono diverse tecniche. Queste tecniche verranno presentate ora, vengono implementate nello stadio di pre-processing di un generico sistema di elaborazione, e in particolare, sono delle tecniche che vi presento per i segnali EEG, ma che di fatto possono essere applicate a qualsiasi tipo di segnale o di immagine. Vediamo alcune di queste tecniche: possono essere classificate in tecniche di reiezione e di rimozione.

Possono essere utilizzati dei filtri in sequenza per eliminare questi disturbi o dei filtri spaziali. Si tratta di filtri digitali che possono essere utilizzati per eliminare artefatti di tipo oculare, che sono a bassa frequenza, artefatti di tipo muscolare, che sono a frequenze più elevate rispetto a quelle dell’EEG, e il filtro notch che viene utilizzato per attenuare il disturbo della rete di alimentazione. Generalmente, abbiamo visto che alcuni di questi filtri passa banda e notch, sono già presenti nella catena di acquisizione, vengono anche implementati via software per rafforzare i filtri hardware. Quindi li troviamo presenti sia in versione analogica che digitale, in quanto in digitale si riescono ad realizzare dei filtri di ordine superiore rispetto a quelli via hardware, via hardware non possiamo realizzare delle riduzioni a 16, 32, perché si avrebbero dei circuiti troppo complessi, quindi si realizza un primo stadio di filtraggio analogico, non molto performante ma funzionale, e poi a livello digitale si usano filtri più performanti.

Reiezione degli artefatti

si riferisce al processo di eliminazione di artefatti dal tracciato EEG, effettuato da un operatore. Nel caso della reiezione, viene eliminato completamente il segnale, non si cerca di ripulirlo ma viene proprio eliminato, quindi si perde l’informazione. La reiezione può essere manuale o automatica, quella manuale è una procedura soggettiva, l’operatore decide quali parti del segnale eliminare, ed è una procedura che richiede tempo, sta alla capacità dell’operatore individuare l’artefatto ed eliminarlo. Nel caso della reiezione automatica invece, esistono delle tecniche di elaborazione che non vedremo nel dettaglio, che permettono tramite la macchina di eliminare gli artefatti. È la macchina che decide quali segmenti del segnale eliminare. Il vantaggio è rappresentato dal fatto che è una procedura oggettiva, che richiede tempi più bassi di elaborazione, lo svantaggio è che il sistema può sbagliare ad identificare l’artefatto, non eliminandolo, o peggio eliminando una porzione di segnale che non conteneva artefatti.

Rimozione degli artefatti

La rimozione degli artefatti è una procedura un po’ diversa, una volta individuato l’artefatto si cerca di capire in che modo rimuoverlo dal segnale, senza eliminare del tutto il segnale. Una delle procedure più utilizzate consiste nella rimozione del segnale elettro-oculografico dall’EEG, perché generalmente viene acquisito il segnale elettro-oculografico, quindi si acquisisce un segnale di riferimento e poi si ripulisce il segnale andando a sottrarre il segnale elettro-oculografico acquisito. Il segnale viene praticamente ripulito. Non sempre è possibile effettuare una rimozione degli artefatti con tali tecniche, pertanto a volte è necessario eliminare del tutto l’artefatto tramite la reiezione.

Questo è un esempio dove abbiamo segnali provenienti da alcuni elettrodi che sono stati contaminati da un artefatto oculare, che naturalmente risulta più evidente negli elettrodi più vicini all’occhio. Andando ad applicare la formula precedente si ottiene il segnale EEG ripulito dalle variazioni di disturbo causate dal segnale oculare.

filtro spaziale

Questi filtri cercano di migliorare sempre il rapporto segnale/rumore ma soprattutto di migliorare la risoluzione spaziale, quindi di ridurre quei fenomeni di spalmaggio di cui abbiamo parlato prima. Esistono differenti tipi di filtri spaziali, cercano di ripulire il segnale sfruttando le informazioni acquisite tramite gli elettrodi vicini all’elettrodo di riferimento. Questo principio viene applicato anche ai filtri spaziali nelle immagini, dove più che i filtri di frequenza vengono utilizzati questo tipo di filtri.

Un primo filtro spaziale, il più semplice, è il “Common Average Reference” (CAR), in tale filtro, se noi consideriamo un elettrodo, il segnale filtrato, sarà dato dal segnale originario in ingresso al filtro meno la media dei segnali provenienti da tutti gli altri elettrodi. Questo perché in teoria un segnale di disturbo dovrebbe presentarsi in comune su più elettrodi. Si fa la media di tutti i segnali acquisiti in un dato intervallo di registrazione.

Laplaciano superficiale

invece che considerare tutti gli elettrodi coinvolti nella registrazione, vado a considerare solo gli elettrodi vicini, i 4 elettrodi vicini all’elettrodo di riferimento, posto al centro. Quindi vado a sottrarre all’elettrodo di riferimento la media dei segnali acquisiti dai 4 elettrodi vicini. Tale filtro dovrebbe permettere l’individuazione di un’attività più precisa rispetto alla tecnica CAR, in quanto utilizzo un’area più piccola invece che tutta la superfice registrante.

analisi delle componenti indipendenti

anche questo è un filtro spaziale, introdotto di recente, la teoria matematica è stata sviluppata a fine anni 90. Nel caso dei segnali EEG che abbiamo oltre al problema degli artefatti il problema di mixing. Nel caso delle registrazioni audio tale problema è denominato “cocktail party problem”, perché se in una stanza in cui tutti parlano posizioniamo dei microfoni, questi andranno ad acquisire non una singola voce ma un mix delle voci più vicine al microfono, magari c’è una voce predominante ma ne saranno presenti anche altre. Per i segnali EEG avviene un discorso analogo. Abbiamo sensori vicini che vanno ad acquisire l’attività elettrica cerebrale generata da popolazioni cerebrali vicine, e non sappiamo come tale attività generata da diverse popolazioni neuronali si combini, tale tecnica l’ICA, che è basata su tecniche di tipo statistico, a partire dai segnali EEG rilevati dagli elettrodi, si pone come obbiettivo di scomporre tali segnali nelle componenti originarie. Il modello su cui si basa è semplice, ma la sua applicazione è complessa.

Il modello dice che i segnali che noi andiamo a misurare, sono dati dalla combinazione lineare delle sorgenti s(t):

x(t) = As(t)

Secondo il modello ICA conosco solo i segnali registrati, non ho nessuna informazione sulle sorgenti.

 

 

 

Marco