Ανάπτυξη μεθοδολογιών επεξεργασίας και αξιολόγησης εγκεφαλικών σημάτων από πειραματικές μετρήσεις

Abstract

Η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη μεθοδολογιών επεξεργασίας και αξιολόγησης εγκεφαλικών σημάτων προερχόμενα απο πειραματικές μετρήσεις Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες εφαρμόζονται σε σήματα Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ) ηρεμίας, σε Εγκεφαλικά Προκλητά Δυναμικά (Π.Δ.) και σε μία περίπτωση σε σήματα Ηλεκτρομυογραφήματος (ΗΜΓ) προσώπου. Παράλληλα γίνεται προσπάθεια μελέτης και αξιολόγησης της επίδρασης Η/Μ ακτινοβολίας διαφορετικών χαρακτηριστικών και παραμέτρων στα ηλεκτρικά σήματα του εγκεφάλου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα εγκεφαλικών σημάτων παρουσία Η/Μ ακτινοβολίας από προγενέστερα πειράματα, αλλά και από ένα πείραμα καταγραφής ΗΜΓ και ΗΕΓ χωρίς επίδραση Η/Μ ακτινοβολίας. Επιπλέον, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διεξήχθησαν και νέα πειράματα, σε συνεργασία με το Ερευνητικό Πανεπιστημιακό Ινστιτούτο Ψυχικής Υγιεινής. Τα πειράματα αυτά σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν με αρχικό στόχο τη μελέτη της επίδρασης σημάτων ευρυεκπομπής νέων τεχνολογιών στα εγκεφαλικά σήματα. Στη συνέχεια, τα δεδομένα που συνελέγησαν από τις πειραματικές μετρήσεις επεξεργάστηκαν και αναλύθηκαν με διάφορες τεχνικές. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν γνωστές και καθιερωμένες στατιστικές μέθοδοι για την ανάλυση της κορυφής P600 των εγκεφαλικών Π.Δ. που προήλθαν από τα πειράματα μελέτης της επίδρασης μονοχρωματικής ακτινοβολίας, εκπεμπόμενης από κινητό τηλέφωνο στις συχνότητες των 900 και 1800 MHz. Στόχος ήταν να εξεταστεί το μοτίβο ενεργοποίησης της κυματομορφής P600 καθώς και η εξάρτησή του από το φύλο και την ακτινοβολία, εφαρμόζοντας δύο διαφορετικές στατιστικές μεθόδους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κορυφή P600 ακολουθεί διακριτά μοτίβα ενεργοποίησης στα πρόσθια, κεντρικά και οπίσθια ηλεκτρόδια, ενώ διαφορές ανάμεσα στα δύο φύλα παρατηρήθηκαν ταυτόχρονα σε πολλά ηλεκτρόδια αυτών των εγκεφαλικών περιοχών. Τέλος, οι παραπάνω διαφορές φάνηκε να επηρεάζονται σημαντικά κι από την επίδραση της ακτινοβολίας. Τα δεδομένα των ίδιων πειραμάτων, υπό την επίδραση Η/Μ ακτινοβολίας στις συχνότητες των 900 και 1800 MHz, χρησιμοποιήθηκαν επίσης για τη μελέτη της συνδιακύμανσης ανάμεσα σε σήματα Π.Δ., χρησιμοποιώντας μεθόδους χρονολογικών σειρών και συγκεκριμένα τη μέθοδο της συνολοκλήρωσης. Συγκεκριμένα, ορίστηκε ο παράγοντας συνολοκλήρωσης ως η ικανότητα ενός σήματος Π.Δ. να συμμεταβάλλεται με άλλα αντίστοιχα σήματα Π.Δ. Στη συνέχεια ερευνήθηκε η εξάρτηση του παράγοντα αυτού από την ακτινοβολία, το φύλο αλλά και από τις θέσεις των ηλεκτροδίων στο κεφάλι. Τα ευρήματα που προέκυψαν απεκάλυψαν ότι οι γυναίκες έχουν σημαντικά υψηλότερο παράγοντα συνολοκλήρωσης από τους άντρες, ενώ σε όλα τα άτομα η παρουσία ακτινοβολίας ενίσχυσε την τιμή του παράγοντα αυτού. Τέλος, ο παράγοντας συνολοκλήρωσης εμφάνισε διαφοροποιήσεις σχετικές με τις τοποθεσίες του εγκεφάλου, δημιουργώντας διακριτά συμπλέγματα σε αυτόν. Στην πορεία της διατριβής διεξήχθη πείραμα υπό την επίδραση Η/Μ ακτινοβολίας εκπεμπόμενη από WiFi access point. Από τα δεδομένα που καταγράφηκαν υπολογίστηκε αρχικά το πλάτος του ΗΕΓ στο πεδίο της συχνότητας, με βάση τον Ταχύ Μετασχηματισμό Fourier. Οι ενέργειες των ηλεκτροδίων καταγραφής, που προέκυψαν με αυτό τον τρόπο, υποβλήθηκαν σε πολυπαραγοντική ανάλυση της διακύμανσης, μέσω της οποίας εξετάστηκε η επίδραση του φύλου, της πειραματικής συνθήκης και της αλληλεπίδρασης των δύο με τις ενέργειες αυτές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ακτινοβολία δεν επηρέασε καθόλου τις ενέργειες του άλφα και βήτα ρυθμού των ανδρών, ενώ προκάλεσε μείωση στις αντίστοιχες ενέργειες των γυναικών. Οι ενέργειες της δέλτα και θήτα μπάντας δεν παρουσίασαν καμία αξιοσημείωτη μεταβολή οφειλόμενη στο φύλο, την ακτινοβολία ή την αλληλεπίδρασή τους. Αντίθετα, υπήρξε σημαντική αλληλεπίδραση του φύλου και της ακτινοβολίας στις ενέργειες του άλφα και του βήτα ρυθμού. Ενδιαφέρον παρουσίασε το γεγονός ότι αυτό το μοτίβο παρατηρήθηκε σε αρκετά ηλεκτρόδια, τα οποία σχημάτιζαν δύο διακριτές περιοχές στον εγκέφαλο,η μία πρόσθια δεξιά κι η δεύτερη η ινιακή. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας μελέτης γίνεται προσπάθεια δημιουργίας ενός εργαλείου, το οποίο επεμβαίνοντας σε πρώιμο στάδιο σε αρχικές μετρήσεις εγκεφαλικών σημάτων, θα βοηθά στη σωστότερη αποθορυβοποίηση τους. Το εργαλείο αυτό βασίστηκε στη θεωρία των Γενετικών Αλγορίθμων και ουσιαστικά αναπτύχθηκε μία μέθοδος στάθμισης των δεδομένων που προέρχονται από πειράματα πολλών επαναλήψεων, με τρόπο τέτοιο ώστε να επιτευχθεί η κανονικότητα της κατανομής τους. Στο πλαίσιο αυτό, ελέγχθηκε το ενεργειακό περιεχόμενο σημάτων ΗΕΓ και ΗΜΓ, που ελήφθησαν από πείραμα χωρίς επίδραση Η/Μ ακτινοβολίας, ως προς την κατανομή των τιμών ενέργειας στις επαναλήψεις. Οι τιμές αυτές σταθμίστηκαν με συντελεστές που υπολογίστηκαν με χρήση των Γ.Α. κι έγινε εκ νέου έλεγχος της κατανομής των σταθμισμένων δεδομένων. Και στις δύο περιπτώσεις ο έλεγχος έγινε με τρεις διαφορετικές μεθόδους, ενώ τα αποτελέσματα που προέκυψαν συνηγορούν αφενός στην αναγκαιότητα ύπαρξης μίας τέτοιας μεθοδολογίας κι αφετέρου στην αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης διαδικασίας. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα από το πείραμα που υλοποιήθηκε υπό την επίδραση μη μονοχρωματικής ακτινοβολίας W-CDMA, για τα οποία υπολογίστηκαν και εφαρμόστηκαν κοινοί συντελεστές στάθμισης σε ολόκληρο το σήμα του ΗΕΓ. Η ιδέα επεκτάθηκε και στα Π.Δ., με τον εφαρμογή των ίδιων βαρών που υπολογίστηκαν από το ΗΕΓ ηρεμίας και στο σήμα που ακολουθούσε το ερέθισμα. Στόχος και πάλι ήταν η μετατροπή της κατανομής των τιμών των επανάληψεων, σε κάθε μία χρονική στιγμή, σε κανονική. Η ισχύς της μεθόδου ελέγχθηκε μέσω των τιμών των συντελεστών κύρτωσης και ασυμμετρίας και φάνηκε να έχει αποτέλεσμα, αλλά όχι σε όλες τις περιπτώσεις ατόμων και ηλεκτροδίων και ενίοτε μόνο στον ένα εκ των μέτρων ασυμμετρίας και κύρτωσης. Συγκεκριμένα, αποδείχθηκε ότι σε ό,τι αφορά το σήμα ΗΕΓ, η κατανομή των τιμών που προκύπτουν από τις πολλές επαναλήψεις σε κάθε χρονική στιγμή του είναι δυνατό να προσεγγίσει την κανονική, εφόσον γίνει στάθμιση όλων των δεδομένων με κοινούς συντελεστές βαρους. Από την άλλη πλευρά, η στάθμιση του σήματος των Π.Δ. με τους συντελεστές βαρύτητας που υπολογίστηκαν από το σήμα ΗΕΓ ηρεμίας βρήκε έστω μικρής κλίμακας εφαρμογή. Υπήρξαν πολλές περιπτώσεις ατόμων και ηλεκτροδίων όπου οι συντελεστές ασυμμετρίας και κύρτωσης παρουσίασαν βελτίωση έναντι αυτών που αντιστοιχούσαν στα αρχικά δεδομένα, παρόλο που η βελτίωση δεν ήταν αντίστοιχη με αυτή που συντελέστηκε στο σήμα ΗΕΓ. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συνολικά συμπεράσματα της διαριβής και η επιστημονική συνεισφορά της. Επίσης γίνεται αναφορά σε μελλοντικές προοπτικές της παρούσας διατριβής.

The present study aims to the development of processing methodologies and the evaluation of brain signals recorded during experimental measurements of EEG. The proposed methodology is applied to Electroencephalographic (EEG) signals, Event Related Potentials (ERP) and in one case to facial surface Electromyographic (EMG) signals. At the same time, an attempt to study and evaluate the effect of Electromagnetic Field (EMF) radiation of different characteristics and parameters on the electrical signals of the brain is being made. In this context, data acquired by previous experiments were used. Such data were brain signals recorded under the influence of EMF radiation and EMG and EEG measurements executed in an uncontaminated by EMF radiation environment. This “pool” of data was enriched by new experiments conducted during this study. The latter were designed and executed in collaboration with the University Mental Health Research Institute and their initial objective was to investigate the effect of broadband signals radiation, corresponding to the latest communication technologies, on the brain signals. The data collected from the aforementioned experimental measurements were processed and analyzed by various techniques. As a first approach, established and standard statistical methods were used to analyze the P600 component of ERPs recorded during an auditory memory task, in the presence and absence of monochromatic RF radiation, similar to that emitted by mobile phones, operating in 900 and 1800 MHz. The aim was to examine the patterns of activation of the P600 waveform of the ERPs, applying principal component analysis (PCA) and repeated measures ANOVA, and whether these patterns were RF and gender dependent. The results showed that the P600 component follows distinct patterns of activation in the anterior, central and posterior brain areas, while gender differences are observed simultaneously at several electrodes within these areas. Finally, the gender-related functional architecture with regard to the P600 component appears to be RF sensitive. In conclusion, the application of the PCA procedure provided an adequate model of the spatially distributed event-related dynamics that correspond to the P600 waveform. The same data, as described in the previous paragraph, were used to investigate the co-variance among ERP signals, using methods applied to time series and specifically the cointegration method. Within this framework, cointegration factor was defined as the ability of an ERP signal to co-vary with other ERP signals. Additionally, its dependance on different EMF conditions and gender, as well as the locations of the electrodes on the scalp, was investigated. The findings revealed that women have significantly higher cointegration factor than men, while all subjects have increased cointegration factors in the presence of EMF. What is more, the cointegration factor is location dependent, creating a distinct cluster of high cointegration capacity at the central and lateral electrodes of the scalp, in contrast to clusters of low cointegration capacity at the anterior and posterior electrodes. These findings seemed to have distinct similarities with those derived from standard methodologies of the ERPs. In the course of this thesis, a new experiment was conducted measuring brain signals of healthy volunteers, while performing an auditory memory task in the presence and absence of RF radiation, similar to that emitted by a WiFi access point operating at 2.4 GHz. For each subject, radiation condition and electrode, the amplitude in the frequency domain of the EEG signal was calculated, using the Fast Fourier transform. The presence of radiation had no effect on the energies of alpha and beta band of male subjects, while it reduced these energies of female subjects, resulting in significantly lower energies, as compared to those of males. Delta and theta band energies did not experience any noteworthy effect from gender, radiation condition and their interaction. Conversely, there was a significant interaction effect (gender x radiation) on the energies of alpha and beta rhythms. Interestingly, this pattern was observed for a number of electrodes, which formed two distinct clusters, one located at right- anterior and the second at occipital brain areas. These findings supported the idea that Wi-Fi signal may influence normal physiology through changes in gender related cortical excitability, as reflected by alpha and beta EEG frequencies. The last part of the present study implicates the development of a tool, which intends to improve the de- noising of brain signals’ measurements, by intervening at an early stage in them. This tool was based on the theory of Genetic Algorithms. In fact, a method of weighting data, which were recorded during experiments of many repetitions, was developed, so as to achieve the normality of their distribution. In this context, EEG and EMG signals, obtained from an experiment conducted in an environment clear of EMF were used. Initially, the distribution of the energy values of each repetition was checked in terms of normality. Subsequently, these values were weighted using the GAs and their distribution was checked once again. In both cases the test was performed using three different methods, while the results obtained suggest both to the need for such a methodology and to the effectiveness of the proposed procedure. Thereafter, the data acquired from an experiment that was implemented under the influence of non-monochromatic W-CDMA radiation, were processed. Common weights were calculated and applied to the entire EEG signal. This idea was extended to ERPs, by applying the same weights, calculated from the resting EEG signal, to the signal that followed the stimulus. The aim again was to transform the distribution of the values through iterations in each moment, into normal. The validity of the method was tested by means of the values of skewness and kurtosis coefficient. Generally the method appeared to have an effect, however not in all cases of subjects and electrodes, and sometimes only in one of the coefficients of skewness and kurtosis. More specifically, it was shown that regarding the EEG signal, the distribution of the values resulting from many repetitions at each moment, is possible to approach normality, upon weighting of all the data with common weight factors. On the other hand, weighting ERP signal with the factors calculated from the resting EEG signal showed a so be it small-scale effect. There have been many cases of subjects and electrodes where skewness and kurtosis coefficients found improved over those corresponding to the original data, although the improvement was not similar to that occurred in the EEG signal. The last chapter presents the overall conclusions of the thesis and its scientific contribution. Finally, references to the future perspectives of this thesis are being made.