Ανάπτυξη Μεθόδων Ανάλυσης Ενεργειακού Περιεχομένου Δεδομένων Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και Ηλεκτρομυογραφήματος

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να ελεγχθεί αν η κατανομή των τιμών της ενέργειας ανά ερώτηση σημάτων που προέρχονται από μετρήσεις ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και ηλεκτρομυογραφήματος προσεγγίζει την Κανονική. Η μελέτη που ακολουθεί βασίστηκε σε δεδομένα που προέκυψαν από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο Αιγινήτειο Νοσοκομείο κατά τις οποίες 55 υγιή άτομα υποβλήθηκαν στο test ερωτο-απαντήσεων Hayling. Με χρήση κατάλληλου λογισμικού υπολογίστηκε καταρχάς η ενέργεια των σημάτων αυτών. Στη συνέχεια, ελέγχθηκε αν η κατανομή των τιμών της ενέργειας που αντιστοιχεί σε κάθε ερώτηση προσέγγιζε την Κανονική. Ο έλεγχος αυτός έγινε με τρεις διαφορετικούς τρόπους: μέσω υπολογισμού βασικών στατιστικών μεγεθών, μέσω της χρήσης του ιστογράμματος συχνοτήτων και μέσω του test Kolmogorov-Smirnov. Από τους παραπάνω ελέγχους διαπιστώθηκε ότι η εν λόγω κατανομή διέφερε από την Κανονική. Στη συνέχεια, με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων υπολογίστηκαν βάρη για κάθε μία τιμή ενέργειας ανά ερώτηση. Οι αρχικές τιμές μετατράπηκαν σε σταθμισμένες μέσω του πολλαπλασιασμού τους με τα βάρη που προέκυψαν. Ακολούθησε μελέτη της κατανομής των σταθμισμένων τιμών, χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν και στα αρχικά δεδομένα. Διαπιστώθηκε ότι πράγματι η κατανομή των σταθμισμένων δεδομένων προσέγγιζε ικανοποιητικά την Κανονική. Πιο αναλυτικά, στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικά στοιχεία θεωρίας σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία του νευρώνα καθώς και το μηχανισμό παραγωγής και διάδοσης των δυναμικών της κυτταρικής μεμβράνης. Ακολούθως, περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των σημάτων που προέρχονται από ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, ηλεκτρομυογράφημα και προκλητά δυναμικά όπως επίσης και οι μέθοδοι λήψης και καταγραφής των σημάτων αυτών. Επίσης, γίνεται σύντομη αναφορά στα βιολογικά σήματα γενικά και στην ενέργειά τους. Στο επόμενο κεφάλαιο, αναπτύσσονται οι Γενετικοί Αλγόριθμοι. Αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους και περιγράφονται τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και οι εφαρμογές τους. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των μετρήσεων. Δίνονται όλες οι απαραίτητες πληροφορίες για τους συμμετέχοντες στο πείραμα και αναλύεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε. Τέλος περιγράφεται το ακουστικό test Hayling. Στο 4ο κεφάλαιο παρατίθεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά την επεξεργασία των μετρήσεων. Συγκεκριμένα περιγράφεται ο τρόπος υπολογισμού της ενέργειας των σημάτων που μετρήθηκαν και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο της Κανονικής Κατανομής. Επιπλέον αναλύεται η εφαρμογή και η υλοποίηση των Γενετικών Αλγορίθμων. Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται συνοπτικά, κυρίως μέσω γραφημάτων, τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής και τα συμπεράσματα που προκύπτουν.

The purpose of the present thesis is to study whether the distribution of the values of the energy per question of electroencephalographic and electromyographic signals tends to follow a Normal Distribution. The research that follows is based on data that came from measurements which were taken at the Eginition Hospital where 55 healthy individuals were submitted to Hayling question-answer tests. Initially, the energy of these measurements was calculated using proper software. Then, the distribution of the values of the energy that corresponds to each question was studied through 3 different ways: the calculation of basic statistics, by using frequency histogram and the Kolmogorov-Smirnov Test. It was noted that this distribution didn’t tend to follow the Normal Distribution. Then, for each value of energy per question, weights were calculated by using Genetic Algorithms. The raw data were transformed to weighted data by their multiplication to the weights that were produced. The distribution of the weighted data was studied with the exact same way that was used for the raw data. It was observed that that the distribution of the weighted data tended indeed to follow the Normal Distribution. In more details, in the first chapter, some basic features concerning the structure and the function of the neurons, as well as the generation and the propagation of the potentials of the cellular membranes are presented. Moreover, fundamentals of the electroencephalographic and electromyographic signals and signals coming from event related potentials, including recording techniques of these signals are described. In addition, significant theory about the biological signals and their energy is shortly referred. The next chapter is about the Genetic Algorithms. Their basic characteristics, their advantages and disadvantages and their applications are analyzed. In the third chapter, the experimental setup that was used for the implementation of the measurements is described. All the necessary information about the participants of the experiment and the procedure followed are given. In the end, the acoustic Hayling test is described. In the fourth chapter, the process that was applied in the measured data is analyzed. Specifically, it is explained how the energy of the signals was calculated and how its Normal Distribution was tested. Furthermore, the application and the implementation of the Genetic Algorithms is presented. In the last chapter, the results that come up are presented, using mostly graphic display ways.