Αποτίμηση της αταξίας λειτουργικών δυναμικών ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος κατά τη διάρκεια ψυχοακουστικής διαδικασίας με τη χρήση του Διακριτού Μετασχηματισμού Κυματιδίου

Abstract

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η εξαγωγή μαθηματικών παραμέτρων μέσω της ψηφιακής επεξεργασίας σημάτων Hλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) που λήφθηκαν από 10 εθελοντές υπό την επίδραση συγκεκριμένου ψυχοακουστικού ερεθίσματος.Οι παράμετροι αυτές συσχετίζονται με αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ψυχοακουστική διαδικασία. Η μεθοδολογία επεξεργασίας των δεδομένων αναπτύχθηκε στο πλαίσιο τρέχουσας ερευνητικής δραστηριότητας που διεξάγεται από κοινού από το Εργαστήριο Βϊοιατρικών Προσομοιώσεων και Απεικονιστικής Τεχνόλογίας του E.M.Π. και το Εργαστήριο Ψυχοφυσιολογίας του Ερευνητικού Πανεπιστημιακού Ινστιτούτου Ψυχικής Υγιεινής-ΕΠΙΨΥ. O κύριος σκοπός της δραστηριότητας αυτής είναι η διαφορική εκτίμηση πιθανών αλλαγών, που σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική έκθεση, σε α) σήματα ηλεκτροεγκεφαλογράφηματος, β) σήματα προκλητών δυναμικών και γ) ψυχοακουστικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια ψυχοακουστικών πειραμάτων. Στα πλαίσια του πειράματος, ο εθελοντής καλείται να συμμετάσχει σε συγκεκριμένη ψυχοακουστική διαδικασία η οποία συνοδεύεται από καταγραφή ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Η διαδικασία αυτή έγκειται στην σύγκριση ενός παλμού αναφοράς που έχει σταθερή διάρκεια 500ms με έναν δεύτερο παλμό, η διάρκεια του οποίου μεταβάλλεται από 420ms μέχρι 620ms.Ο εθελοντής καλείται να αποφανθεί αν ο δεύτερος παλμός ήταν μεγαλύτερος σε χρονική διάρκεια σε σχέση με τον πρώτο.Με χρήση των πειραματικών δεδομένων, υπολογίζονται οι μετρικοί δείκτες που βασίζονται στο Διακριτό Μετασχηματισμό Κυματιδίου. Οι δείκτες αυτοί περιλαμβάνουν την Σχετική Ενέργεια κυματιδίου και την Εντροπία Shannon και με βάση αυτούς επιδιώκεται κατανόηση των υποκείμενων εγκεφαλικών λειτουργιών. Στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε προγραμματιστικό εργαλείο, σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB, με σκοπό την ανάγνωση και επεξεργασία των καταγραφόμενων σημάτων ΗΕΓ, που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία και τον υπολογισμό των μετρικών του Διακριτού Μετασχηματισμού Κυματιδίου. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια για ερμηνεία των αποτελεσμάτων της επεξεργασίας των σημάτων ΗΕΓ στηριζόμενη στη σημασία κάθε μετρικού δείκτη για την υποκείμενη εγκεφαλική λειτουργία όπως αυτή αποτυπώνεται στην παγκόσμια βιβλιογραφία. Τέλος, έγινε προσπάθεια για συσχέτιση των προαναφερθέντων αποτελεσμάτων, με αντίστοιχα αποτελέσματα, που προέκυψαν από την ψυχοακουστική επεξεργασία των απαντήσεων του εθελοντή σε δεδομένη ερώτηση. Σύμφωνα με την Κυματιδιακή Ανάλυση των ληφθέντων σημάτων ΗΕΓ, όταν η διάρκεια του δεύτερου παλμού είναι ίση με 560ms, εμφανίζεται μια απότομη πτώση στην Εντροπία η οποία οφείλεται στην επικράτηση της σχετικής ενέργειας του ρυθμού δέλτα και στις μεγάλες τιμές που αυτός παίρνει στο σημείο αυτό. Αξιοσημείωτη είναι η επικράτηση του ρυθμού αυτού καθ' όλη τη διάρκεια του ακουστικού πειράματος (για όλους τους παλμούς). Όσον αφορά τη μελέτη της τάξης του συστήματος στο επίπεδο των λοβών, οι μικρότερες τιμές εντροπίας παρατηρούνται στον κροταφικό λοβό (temporal lobe) και μεταξύ μετωπιαίου και κεντρικού λοβού (frontal-central lobes) ενώ οι μεγαλύτερες στον ινιακό (occipital) και βρεγματικό (paretial) λοβό. Τέλος, εξετάζοντας τα αποτελέσματα μακροσκοπικά, παρατηρείται ότι οι μικρότερες τιμές εντροπίας ανιχνεύονται σε ηλεκτρόδια που αντιστοιχούν στο δεξί τμήμα του εγκεφάλου. Τα αποτελέσματα της παραπάνω μελέτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διερεύνηση των πολύπλοκων μηχανισμών του ανθρώπινου εγκεφάλου που σχετίζονται με τη λήψη και την επεξεργασία της ακουστικής πληροφορίας.

The aim of the diploma thesis is the computation of mathematical parameters via the digital signal analysis of Electroencephalogram (EEG) signals which were obtained from 10 volunteers under a given psychoacoustic stimulus.These parameters are correlated to the corresponding results that were obtained during the psychoacoustic procedure. The data processing methodology was developed in the frame of ongoing research work being conducted by both Biomedical Simulations and Imaging Laboratory, NTUA and University Mental Health Research Institute. The main scope of the research workflow is the differential assessment of potential alternations, related to electromagnetic exposure, in a)electroencephalogram, b)event related potentials recordings and c)psychoacoustics parameters during peri-limen acoustic human study. In the frame of the experiment, the volunteer has to participate in a psychoacoustic procedure which is accompanied by record of EEG. This procedure lies in the comparison of a pulse of reference with a constant duration of 500ms with a second pulse whose duration varies from 420ms to 620ms.The volunteer has to decide if the second pulse was longer in duration than the first one.The metric indexes based on the Discrete Wavelet Transform (DWT) are in turn estimated based on the experimental data. These indexes include the Relative Energy and the Shannon Entropy and based on them, an attempt to comprehend the brain function is realized. In the frame of the diploma thesis, a Matlab based tool was developed in order to read and process the recorded EEG signals and calculate the DWT metrics. Following, a search in the international literature was conducted, in order to reveal the relationship between the computed metric indexes and the brain function, and then the corresponding results were interpreted. A potential correlation between these results and the results which were obtained from the psychoacoustic processing of the subjects' response to the predefined question related to the stimulus was finally described. According to the wavelet based EEG analysis when the duration of the second pulse is 560ms, there is a sharp drop in the Entropy which is due to the dominance of the relative energy in delta rhythm and its large values at that point. The dominance of this rhythm during the whole auditory experiment is noteworthy. As far as the order of the system in the lobes' level is concerned, the lowest values of entropy are noted in temporal lobe and between frontal and central lobes while the highest ones are noted in occipital and paretial lobe. Finally, macroscopically, the lowest values of entropy are detected in electrodes which correspond to the right part of the brain. These results can be quite useful to understand in depth the complex mechanisms of human brain which participate in the reception and processing of the acoustic information.