Caso Practico Con Matlab y EEG

NORMA RAMIREZ HERNANDEZ

1

UNIVERSIDAD POLITEacuteCNICA DE MADRID

MAacuteSTER EN INGENIERIacuteA BIOMEacuteDICA MAacuteSTER EN TELEMEDICINA Y BIOINGENIERIacuteA

CASO PRAacuteCTICO 1 CLASE PRAacuteCTICA SENtildeAL EEG

EEG Adquisicioacuten y familiarizacioacuten con la sentildeal mediante la utilizacioacuten de herramientas comerciales de proceso

PROCESAMIENTO DE SENtildeALES BIOMEacuteDICAS 20102011

NOMBRE ALUMNO NORMA RAMIREZ HERNANDEZ REPORTE DE PRAacuteCTICA

Electroencefalografiacutea (EEG) es el registro de las eleacutectricas actividades a lo largo del cuero cabelludo producido por el disparo de las neuronas en el cerebro

La carga eleacutectrica del cerebro es la mantenida por miles de millones de neuronas Las neuronas son eleacutectricamente cargadas (o polarizadas) por las enzimas que bombean iones a traveacutes de sus membranas Cuando una neurona recibe una sentildeal de su vecino a traveacutes de un potencial de accioacuten que responde por la liberacioacuten de iones en el espacio exterior de la ceacutelula Iones de carga se repelen entre siacute y cuando muchos iones son expulsados de muchas neuronas al mismo tiempo pueden

empujar a sus vecinos que empujan a sus vecinos y asiacute sucesivamente en una ola Este proceso se conoce como la conduccioacuten de volumen Cuando la onda de los iones alcanza los electrodos en el cuero cabelludo que puede empujar o tirar de los electrones en el metal en los electrodos Como el metal conduce el empuje y atraccioacuten de los electrones con facilidad la diferencia de presioacuten o tensioacuten entre dos electrodos se puede medir por un voltiacutemetro Grabacioacuten de estas tensiones con el tiempo nos da la EEG

EEGLAB una herramientas interactiva Matlab para procesar EEG MEG Primero desarrollado sobre Matlab 53 bajo Linux EEGLAB corre sobre Matlab v5 y maacutes alto bajo Linux Unix Ventanas y el amigo OS X

(Matlab 7 + recomendado)

1 Instalar el toolbox EEGlab de Matlab

Se descomprimioacute pero en este caso fue en la carpeta CProgram FilesMATLABR2009btoolboxmatlab

Se incluyo la ruta y mostro la figura 1


2

2 Leer sentildeal EEG

o Leer la sentildeal EEG que se dejaraacute en el portal docente ldquoctrl_2_251109cntrdquo o Como se trata de una sentildeal capturada con un equipo Neuroscan utilizar

File-gt Import Data -gt From Neuroscan CNT file o OJO Data format 32 bits

PREGUNTA 1 iquestQUEacute DATOS MAacuteS RELEVANTES NOS DA EL PROGRAMA AL CARGAR EL FICHERO

Nuacutemero de canales 40 Cuadros 489520 Cuadros 1 Frecuencia 1000hz Tamantildeo de archivo 783Mb

3 Mostrar la sentildeal EEG y navegar por ella o Mostrar graacuteficamente la sentildeal

Plot -gt Channel Data (scroll) o Utilizar las flechas para navegar a lo largo de la sentildeal y los signos x- para cambiar la escala de la sentildeal hasta

que consiga visualizarse correctamente la sentildeal PREGUNTA 2 iquestQUEacute ESCALA HAS ELEGIDO PARA LA VISUALIZACIOacuteN DE LOS DATOS iquestQUEacute CANALES ELIMINARIacuteAS DEL REGISTRO iquestPOR QUEacute

Se observa que los canales PO2 A2 A1 VEOL VEOU HEOR y HEOL no contienen informacioacuten (son planos) por lo que sugiero se eliminen del registro

Comparando la izquierda observamos que al emplear una escala vertical pequentildea (26 μV) las sentildeales individuales se traslapan por lo que no se pueden distinguir bien Por otra parte empleando una escala grande (1000 μV) se separan las sentildeales individualmente pero su variacioacuten propia es tan pequentildea que no puede apreciarse adecuadamente Asiacute pues ya que son 40 canales sugiero desplegarlos en varias partes como se muestra en la figura de la derecha

4 Eliminar canales de la sentildeal o Si has detectado que alguacuten canal no es uacutetil para el registro puedes eliminarlo utilizando

Edit-gt Select Data Channel rate (pestantildea de los tres puntitos permite seleccionar canales manualmente)


3

Se observa que los canales PO2 A2 A1 VEOL VEOU HEOR y HEOL no contienen informacioacuten (son planos) por lo

que sugiero se eliminen del registro Quedando 33 canales en total

5 Importar posiciones de los electrodos y visualizarlas o El archivo CNT no contiene la informacioacuten sobre la

posicioacuten de los electrodos sino uacutenicamente las etiquetas de sus nombres Como el sistema de Neuroscan sigue el sistema 1020 se pueden importar estas posiciones utilizando

Edit ndashgt Channel Locations -gt Using BESAhellip o Visualizar la posicioacuten de los electrodos utilizando

Plot -gt Channel Locations -gt By number

PREGUNTA 3 HACER UNA CAPTURA DE PANTALLA CON LAS POSICIONES DE LOS ELECTRODOS iquestEN CUAacuteNTAS ZONAS CEREBRALES SE SITUAN LOS ELECTRODOS DEL CASCO SEGUacuteN SU NOMBRE Y SU POSICIOacuteN

Cada hemisferio posee varias cisuras que lo subdividen en

loacutebulos El loacutebulo frontal El loacutebulo parietal El loacutebulo occipital El loacutebulo temporal Respecto de las zonas cerebrales (loacutebulos) en donde se encuentran los electrodos Nos apoyamos en la Figura y se enlistan como

Fp1 Prefrontal izquierdo Fp2 Prefrontal derecho F7 F3 Frontales izquierdos F4 F8 Frontales derechos FZ Frontal iacutenter-hemisfeacuterica FT9 FT7 Frontales-Temporales izquierdos FT8 FT10 Frontales-Temporales derechos FC3 Frontal-Central izquierdo FC4 Frontal-Central derecho FCZ Frontal-Central iacutenter-hemisfeacuterica

T3 Temporal izquierdo T4 Temporal derecho C3 Central izquierdo C4 Central derecho CZ Central iacutenter-hemisfeacuterica TP7 Temporal-Parietal izquierdo TP8 Temporal-Parietal derecho CP3 Central-Parietal izquierdo CP4 Central-Parietal derecho CPZ Central-Parietal iacutenter-hemisfeacuterica

T5 Temporal izquierdo T6 Temporal derecho P3 Parietal izquierdo P4 Parietal derecho PZ Parietal iacutenter-hemisfeacuterica PO1 Parietal-Occipital izquierdo O1 Occipital izquierdo O2 Occipital derecho OZ Occipital iacutenter-hemisfeacuterica


4

6 Segmentacioacuten de la sentildeal

o Del mismo modo que antes se han eliminado canales de la sentildeal a visualizar ahora

podemos generar un nuevo Dataset que contenga soacutelo una parte de la sentildeal Edit-gt Select Data Time Range

o El registro que se ha entregado consta de dos partes diferenciadas por sus caracteriacutesticas en los ritmos cerebrales

PREGUNTA 4 iquestPOR QUEacute SE PRODUCE ESE CAMBIO EN LA SENtildeAL iquestCUAacuteL ES LA DIFERENCIA GENERA DOS DATASET QUE CONTENGAN ESTAS DOS PARTES DEL REGISTRO (Y DALES UN NOMBRE QUE LOS DIFERENCIE1) INDICA QUE INTERVALOS DE TIEMPO HAS ELEGIDO

Para poder visualizar las dos partes

que presentan caracteriacutesticas distintas en los ritmos cerebrales graficamos el registro completo (la eacutepoca completa de cerca de 500 s y con una escala en amplitud grande de 1000 v para poder apreciar los canales separados) como se muestra en la Figura (Visualizacioacuten del registro completo (eacutepoca de 489 s) se pueden apreciar los dos conjuntos de datos como se indica

1- La primera parte (parte baja) con cerca de una quinta parte de la eacutepoca (aproximadamentede 0-200 s) En este segmento casi todos los canales muestran mucha variacioacuten llegando incluso a traslaparse lo que nos indica que contiene muchos maacutes artefactos que el resto del registro La razoacuten de este comportamiento es probablemente debido al nerviosismo inicial del paciente que provoque casi todo

tipo de artefactos de origen bioloacutegico (parpadeo de ojos ECG movimientos oculares actividad muscular sudoracioacuten) asiacute como artefactos de origen externo como los movimientos corporales

2- La segunda parte (parte alta) con casi cuatro quintas partes de la eacutepoca (de 200 a 490 s) En este segmento casi todos los canales muestran una actividad mucho maacutes estable Comportamiento debido probablemente a que el paciente ya se encuentra relajado por lo que las sentildeales presentan menos artefactos

Rango de 0 - 100

Rango de 200-500

1 Pinchando en Datasets se puede acceder a todos los distintos conjuntos de datos que genereis


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7 Rechazar segmentos contaminados de la sentildeal (indicar los principales problemas de esas sentildeales)

o Del primero de los Dataset que obtengas selecciona el primero de ellos y navega por la sentildeal (plot) para indicar que artefactos encuentras en la sentildeal y a que se deben

o Para rechazar segmentos que no puedan ser filtrados utiliza la opcioacuten ldquoRejectrdquo PREGUNTA 5 INDICA LOS TIPOS DE ARTEFACTOS QUE SE ENCUENTRAN EN LA SENtildeAL Y SU MOTIVO INDICA EL INSTANTE DE TIEMPO DE UNO DE CADA UNO DE LOS ARTEFACTOS QUE ENCUENTRES La imagen a la izquierda muestra la segmentacion1 de 0-200 segundos En seguida se detalla electrodos en especiacutefico

bull T4 aparentemente en toda su extensioacuten es ruido como que esta mal colocado

Analizando el electrodo FP1 se obtiene lo siguiente

ORIGEN BIOLOGICO

bull PARPADEO DE OJOS Se caracterizan por unas deflexiones en forma de pico particularmente evidentes en los registros frontales Pueden difundirse hacia la regioacuten central y otras zonas de la cabeza No reconozco en este canal este artefacto

bull MOVIMIENTOS OCULARES Ocasionan ondas de baja frecuencia de polaridad variable en los electrodos frontales y temporales anteriores El artefacto se debe a las variaciones del campo eleacutectrico ocasionadas por el movimiento del globo ocular (EOG) En el electrodo FP1 se reconoce este artefacto en los siguientes instantes 19s 58s

bull ACTIVIDAD MUSCULAR Sentildeal de alta frecuencia que se manifiesta en puntas aisladas o en series que provienen de la sentildeal muscular EMG por contraccioacuten de varios muacutesculos del cuero cabelludo cara mandiacutebula y cuello En el electrodo FP1 se reconoce este artefacto en los siguientes instantes 55s 90s 169s 176 1691s


6

bull SUDORACIOacuteN Aparecen ondas de baja frecuencia de entre un cuarto y un tercio de hercio Se observan particularmente en los registros de las regiones temporales y frontal En el electrodo FP1 se reconoce este artefacto a lo largo del segmento seleccionado (los 200 segundos)

bull ECG Aparece en algunos individuos en los que la sentildeal cardiaca

llega menos debilitada a la zona del registro EEG por ejemplo en sujetos con cuello ancho y corto o que posean marcapasos Es maacutes patente si el electrodo de referencia se coloca en los mastoides Se reconoce faacutecilmente por su regularidad En el electrodo FP1 se reconoce este artefacto en los siguientes instantes 36 95 112 138 166 332 36 475 538 596 612 668 926 968 1033 1046 1069 1093 1163 1189 1223 1247 1294 1374 148 1487 1579 1595 1628 1643 1662 1687 172 1765 y 1809 segundos

ORIGEN EXTERNO

bull MOVIMIENTOS CORPORALES Actividad irregular generalmente de alto voltaje comparado con las amplitudes del EEG generada por los cambios de las distribuciones de los campos eleacutectricos estaacuteticos En el electrodo FP1 se reconoce este artefacto en los siguientes instantes 476 51 66 1285 s

bull ELECTRODOS Potenciales de varias formas de onda originados por la polarizacioacuten de la interface electrodo-tejido El sistema electrodo-pasta electroliacutetica produce fluctuaciones eleacutectricas por la evolucioacuten temporal de la interface o por los movimientos del cuerpo (temblores respiracioacuten pulso etc) Puede manifestarse de forma abrupta como consecuencia de un cambio repentino en la impedancia de la interfaz Pudiera ser estar contemplados en MOVIMIENTOS CORPORALES

bull 50 (60) Hz Representa una actividad consecuencia del acoplamiento de las redes de distribucioacuten con los sistemas de medida del EEG El acoplamiento de la fuente del artefacto con el amplificador puede ser capacitivo (interferencia electrostaacutetica) inductivo (interferencia electromagneacutetica) o resistivo

bull ACOPLAMIENTOS ELECTROMAGNEacuteTICOS Transitorios raacutepidos como consecuencia

de la puesta en marcha o parada de motores laacutemparas fluorescentes releacutes y otros instrumentos eleacutectricos En el electrodo FP1 se reconoce este artefacto en los siguientes instantes 276s 53s 812s 921s 1054s 125s 1539s 1959s


7

iquestQUEacute ES LO QUE HACE EL PROGRAMA CUANDO SE LE DA A REJECT bull Al reject elimina esa parte de la sentildeal en tiempo de TODOS los electrodos

Imagen Original (seccioacuten a eliminar)

Imagen eliminando parte de la sentildeal

PREGUNTA 6 iquestCOacuteMO MEJORARIacuteAS ESA FUNCIOacuteN (VOLUNTARIO)

bull En lugar de eliminar la informacion de todos los electrodos en la banda seleccionada afectar solo aquella en el(los) electrodos afectados reemplazando el artefacto por una liacutenea horizontal

bull Restarle el artefacto a la sentildeal de los electrodos afectados (aunque esto implica un proceso bastante complejo)

8 Eliminacioacuten de liacutenea de base 1 El EEGlab cuenta con una

funcioacuten de eliminacioacuten de liacutenea de base Tools -gt Remove baseline

PREGUNTA 7 iquestCOacuteMO CREES QUE ESTAacute IMPLEMENTADA ESTA FUNCIOacuteN

bull Por cercaniacutea en la liacutenea horizontal (Y) trata de unir las liacuteneas de una manera no loacutegica pues quedan sin par algunas de las sentildeales

9 Filtrar la sentildeal

a El EEGlab cuenta con funciones de filtrado implementadas Tools -gt Filter Data -gt Short IIR filter Tools -gt Filter Data -gt Basic FIR filter


8

PREGUNTA 8 APLICA AL SEGUNDO DE LOS DATASET GENERADOS UN FILTRO DE BANDA ELIMINADA (NOTCH) A 50 HZ CON LOS DOS TIPOS DE FILTROS Y COMENTA LAS DIFERENCIAS QUE ENCUENTRAS

a)Imagen Original con 33 electrodos b)Imagen aplicando el filtro SHORT IIR FILTER c)Imagen aplicando el filtro BASIC FIR FILTER Como se puede apreciar en b) se estaacute dejando pasar la frecuencia de 50Hz y esto pudiera confundirse (para miacute) como artefacto de actividad muscular

10 Potencia de la sentildeal PREGUNTA 9 GENERA DOS SEGMENTOS DE 5 SEGUNDOS DE CADA UNO DE LOS DOS DATASET DE LA PREGUNTA 4 QUE NO SE ENCUENTREN CONTAMINADOS POR NINGUN ARTEFACTO (INDICA LOS INSTANTES DE TIEMPO DE ESTOS DOS SEGMENTOS Y HAZ CAPTURA DE PANTALLA DE ELLOS) Y CALCULA SU CONTENIDO ESPECTRAL ANTES Y DESPUEacuteS DE APLICAR ELIMINACIOacuteN DE LIacuteNEA DE BASE COMENTA LAS DIFERENCIAS Partiendo de la imagen original (ctrl_2_251109) se habiacutea dividido en 2 partes con respecto a cambios de la sentildeal misma el primer segmento fue de 1s-200s Las siguientes figuras son segmentos de esta que no muestran contaminacioacuten alguna por artefactos sus rangos son 40s-45s y 72s-77s respectivamente


9

El segundo segmento corresponde al bloque de tiempo de 200s-500s Las siguientes figuras son segmentos de esta que no muestran contaminacioacuten alguna por artefactos sus rangos son 23s-28s y 281s-286s respectivamente

La imagen de la columna izquierda corresponde al antes de quitarle la liacutenea de base y la de la derecha a la de despueacutes en la liacutenea de comando del MATLAB sentildealando la liacutenea (electrodo) nos muestra que canal es En las figuras de contienen la liacutenea de base la potencia es mucho mayor que a las que se les suprimioacute ya que la liacutenea de base representa un valor promedio en cada una de las sentildeales


10

11 Trabajo voluntario

(podeis hacer alguna de las preguntas o todas para conseguir puntuacioacuten adicional) PREGUNTA EXTRA 1 SELECCIONA UN SEGMENTO DE SENtildeAL QUE CONTENGA UN ARTEFACTO OCULAR Y CALCULAR SU CONTENIDO ESPECTRAL COMPAacuteRALO CON UN SEGMENTO SIN ARTEFACTOS

Sentildeal original

Segmento de la sentildeal con artefacto ocular (5 s)

Contenido espectral de sentildeal con artefacto

Contenido espectral de sentildeal SIN artefacto

Se puede observar que aunque a simple vista son similares la potencia espectral es menor en algunos electrodos de la sentildeal que no tiene artefactos


11

PREGUNTA EXTRA 2 SELECCIONA UN SEGMENTO DE LA SENtildeAL E INTENTA HACER UN FILTRADO POR BANDAS (DELTA THETA ALPHA Y BETA) Y CALCULA LA POTENCIA DE CADA UNA DE ELLAS

ORIGINAL El segmento seleccionado fue uno que se considero sin artefacto con 5s de segmento

DELTA (hasta 35 Hz) ondas de baja frecuencia y alta intensidad Al aplicarle el filtrado praacutecticamente es igual sin la variacioacuten de ruido

THETA (35-75) se dan durante el proceso de maduracioacuten en toda la corteza cerebral aunque predomina en la regioacuten occipital y temporal y es maacutes raacutepida en la zona frontal

ALPHA

BETA


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PREGUNTA EXTRA 3 UTILIZA EL RESTO DE FUNCIONES DISPONIBLES EN EL INTERFAZ GRAacuteFICO EEGLAB Y COMENTA SU FUNCIONALIDAD (CAMBIO DE REFERENCIA CAMBIO DE LA FRECUENCIA DE MUESTREO O RECHAZO AUTOMAacuteTICO DE DATOS)

Me permite tomar otro canal de referencia y darle valores asi que agregara el canal con sus valores adjudicados

Es la velocidad de muestreo asiacute que si originalmente tiene dado 1000s y se lo cambio a 10 (demostrativo) la calidad seraacute menor Me permite visualmente quitar partes de la sentildeal que no son de intereacutes (azul sombreado) Se hizo cuando se explico ldquoREJECTrdquo


2

2 Leer sentildeal EEG

o Leer la sentildeal EEG que se dejaraacute en el portal docente ldquoctrl_2_251109cntrdquo o Como se trata de una sentildeal capturada con un equipo Neuroscan utilizar

File-gt Import Data -gt From Neuroscan CNT file o OJO Data format 32 bits

PREGUNTA 1 iquestQUEacute DATOS MAacuteS RELEVANTES NOS DA EL PROGRAMA AL CARGAR EL FICHERO

Nuacutemero de canales 40 Cuadros 489520 Cuadros 1 Frecuencia 1000hz Tamantildeo de archivo 783Mb

3 Mostrar la sentildeal EEG y navegar por ella o Mostrar graacuteficamente la sentildeal

Plot -gt Channel Data (scroll) o Utilizar las flechas para navegar a lo largo de la sentildeal y los signos x- para cambiar la escala de la sentildeal hasta

que consiga visualizarse correctamente la sentildeal PREGUNTA 2 iquestQUEacute ESCALA HAS ELEGIDO PARA LA VISUALIZACIOacuteN DE LOS DATOS iquestQUEacute CANALES ELIMINARIacuteAS DEL REGISTRO iquestPOR QUEacute

Se observa que los canales PO2 A2 A1 VEOL VEOU HEOR y HEOL no contienen informacioacuten (son planos) por lo que sugiero se eliminen del registro

Comparando la izquierda observamos que al emplear una escala vertical pequentildea (26 μV) las sentildeales individuales se traslapan por lo que no se pueden distinguir bien Por otra parte empleando una escala grande (1000 μV) se separan las sentildeales individualmente pero su variacioacuten propia es tan pequentildea que no puede apreciarse adecuadamente Asiacute pues ya que son 40 canales sugiero desplegarlos en varias partes como se muestra en la figura de la derecha

4 Eliminar canales de la sentildeal o Si has detectado que alguacuten canal no es uacutetil para el registro puedes eliminarlo utilizando

Edit-gt Select Data Channel rate (pestantildea de los tres puntitos permite seleccionar canales manualmente)


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Rango de 0 - 100

Rango de 200-500



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ORIGEN BIOLOGICO





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ORIGEN EXTERNO







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Sentildeal original






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ORIGEN BIOLOGICO





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Sentildeal original






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Rango de 0 - 100

Rango de 200-500



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ORIGEN BIOLOGICO





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ORIGEN EXTERNO







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Sentildeal original






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ALPHA

BETA


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ORIGEN BIOLOGICO





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ORIGEN EXTERNO







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Sentildeal original






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ALPHA

BETA


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ORIGEN EXTERNO







7














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Sentildeal original






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ALPHA

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Sentildeal original






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Sentildeal original






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Sentildeal original






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BETA


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Sentildeal original






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ALPHA

BETA


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