Σχεδίαση και ανάπτυξη ενός ηλεκτροεγγεφαλογράφου ενεργητικών ηλεκτροδίων κατάλληλου για απεικόνιση προκλητών δυναμικών σταθερής κατάστασης (SSEP). Μελέτη και εφαρμογές.

Abstract

Ως οπτικά και σωματο-αισθητικά προκλητά δυναμικά σταθερής κατάστασης (Steady State Visually Evoked Potentials (SSVEP) ορίζονται τα σήματα τα οποία παράγει ο εγκέφαλος ανταποκρινόμενος σε οπτικά ερεθίσματα. Όταν ο αμφιβληστροειδής δεχτεί ένα οπτικό ερέθισμα με συχνότητα από 3.5 Hz έως 75 Hz, [1] τότε ο εγκέφαλος παράγει ηλεκτρικά σήματα αντίστοιχης συχνότητας (ή πολλαπλάσια αυτής). Στην έρευνα στην περιοχή της Ηλεκτρογκεφαλογραφία σε σχέση με τη οπτική αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως. Λόγω του εξαιρετικής αναλογίας του λόγου σήματος προς θόρυβο (signal-to-noise ratio [2]) και της σχετικής ανοσίας σε εξωγενείς παράγοντες τα οπτικά και σωματο-αισθητικά προκλητά δυναμικά σταθερής κατάστασης (SSVEP's) είναι εξαιρετικά χρήσιμα στην έρευνα [3]. Τα μέσα για την ταξινομιση και τον χαρακτηρισμό των των επιλεγμένων συχνοτήτων των δυναμικών διεργασιών του νεοφλοιού επίσης δίνονται από τα σήματα SSVEP. Τόσο κατανεμημένες όσο και τοπικά στατικές πηγές, που παρουσιάζουν χαρακτηριστικά κυματικών φαινομένων παράγουν σήματα SSVEP. Σύμφωνα με τον R. Bickford [4] τα ηλεκτροεγκεφαλογραφικά σήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές όπως: • παρακολούθηση – προειδοποίηση, κώματος και εγκεφαλικού θανάτου • εντοπισμό περιοχών με βλάβη λόγω χτυπημάτων στο κεφάλι, εγκεφαλικών επεισοδίων, καρκινικών όγκων κλπ. • παρακολούθηση γνωστικών εμπλοκών • δημιουργία καταστάσεων βιοανάδρασης • διερεύνηση επιληψιών και εντοπισμό της πηγής των κρίσεων • δοκιμή φαρμάκων για συμπτώματα σπασμών • διερεύνηση διαταραχών ύπνου και φυσιολογίας. Οι συσκευές που συλλαμβάνουν τα σήματα αυτά – οι ηλεκτροεγκεφαλογράφοι (EEG) - είναι συνήθως σύνθετες και ακριβές συσκευές δύσκολες στη χρήση. Λόγω του μεγάλου όγκου των παραγόμενων δεδομένων, οι φορητοί δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιούνται για μεγάλα χρονικά διαστήματα λόγω της έλλειψης αποθηκευτικού χώρου ικανού όγκου. Υπάρχει δε έλλειψη συσκευών ικανών να λειτουργούν για μεγάλα χρονικά διαστήματα και να μεταδίδουν δεδομένα σε πραγματικό χρόνο για χρήση σε εφαρμογές όπως εντοπισμό ή πρόβλεψη επιληπτικών κρίσεων. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, • μελετήσαμε τα χαρακτηριστικά των ηλεκτροεγκεφαλογράφων και των σημάτων SSEVP, • μελετήσαμε τις αρχές λειτουργίας και τις βασικές τεχνικές μέτρησης των σημάτων της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας • αναπτύξαμε (σχεδίαση και κατασκευή) ένα χαμηλού κόστους, φορητό, εύκολο στη χρήση Ηλεκτροεγκεφαλογράφο, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως από ερευνητικές ομάδες. • δοκιμάσαμε και αξιολογήσαμε την συσκευή αυτή.

Steady State Visually Evoked Potentials (SSVEP) are defined as signals produced by the brain as responses to visual stimulation at certain frequencies. When a visual stimulus ranging from 3.5 Hz to 75 Hz, [1] stimulates the retina then an electrical activity of the same frequency (or multiples of it) is generated by the brain. Electroencephalographic (EEG) research regarding vision uses widely this technique. Because of their excellent signal-to-noise ratio [2] and relative immunity to artifacts, SSVEP's are extremely useful in research [3].The means for the characterization of preferred frequencies of neocortical dynamic processes are also provided by the SSVEP’s. Distributed sources and stationery localized sources, that exhibit characteristics of wave phenomena, generate SSVEP. According to R. Bickford [4] Electroencephalographic signals can be used in various applications e.g.: • monitor alertness, coma and brain death; • locate areas of damage following head injury, stroke, tumor, etc.; • test afferent pathways (by evoked potentials); • monitor cognitive engagement (alpha rhythm); • produce biofeedback situations, alpha, etc.; • investigate epilepsy and locate seizure origin; • assist in experimental cortical excision of epileptic focus; • test drugs for convulsive effects; • investigate sleep disorder and physiology. EEG signal capturing devices are complex, expensive and very often difficult to use. Because of the great volume of produced data, the portable ones are also incapable of working long periods due to lack of storage capacity. There is lack of low cost, accurate devices capable of working for long periods and transmitting data in real time for applications such as epilepsy detection/prediction. As a result, in the context of this thesis, we have a) investigated the characteristics of EEEG and SSVEP signals; b) studied the principles of the major measurement techniques of EEG signals; c) designed and developed a low cost, portable and efficient EEG signal capturing device which can be widely used from research teams at the a minimum cost; and d) evaluated the device.