03.Registrazione elettrofisiologica15
-
Upload
elena-vanica -
Category
Documents
-
view
10 -
download
0
description
Transcript of 03.Registrazione elettrofisiologica15
-
11
REGISTRAZIONE
ELETTROFISIOLOGICA
Corso di Laurea Magistrale inNeuroscienze e Riabilitazione
Neuropsicologica (M-1C)A.A. 2014-2015
Dott.ssa Michela Sarlo
2
-
23
Il biosegnale
Potenziali bioelettrici prodotti dallattivit elettrochimica delle cellule dellorganismo (ad es. EMG, ECG)
Segnali bioelettrici di altra natura (ad es. conduttanza cutanea)
Segnali biofisici di natura non elettrica (ad es. PA)
4
Potenziali bioelettrici
Variazioni nella distribuzione di ioni allinterno e allesterno di cellule specializzate
Somma dei potenziali dazione (o pre- e post-sinaptici) di centinaia/migliaia di cellule, che si diffondono attraverso i fluidi interstiziali fino alla superficie
-
35
Elettrologia di base
Corrente (I) = movimento di cariche elettriche (elettroni) dal polo negativo al positivo, attraverso un conduttore - misurata in ampere()
Differenza di potenziale, o tensione, o voltaggio (V), o (E) = concentrazione di cariche elettriche opposte in due punti (poli) - misurata in volt (V)
Current and Voltage 5 min
6
Elettrologia di base
Corrente (I) = quantit di carica elettrica che scorre nellunit di tempo - misurata in ampere()
Differenza di potenziale, o tensione, o voltaggio (V), o (E) = forza che spinge la carica elettrica - misurata in volt (V)
-
47
Cenni di elettrologia
Resistenza (R) = resistenza offerta al passaggio della corrente - misurata in ohm ()
Legge di Ohm:V = I x R
8
Cenni di elettrologia
Electricity is like water (but don't mix them )
-
59
Cenni di elettrologia
La corrente in un circuito direttamente proporzionale al voltaggio e inversamente proporzionale alla resistenza
10
Cenni di elettrologia
Corrente continua (DC) = il flusso unidirezionale e di intensit costante
Corrente alternata (AC) = il flusso varia periodicamente in ampiezza e in direzione - i poli cambiano alternativamente di segno (v. ad es. segnale sinusoidale)
AC/DC Current
-
611
Segnale sinusoidale
12
Parametri principali
Ampiezza (a) = quantifica la tensione massima del segnale - misurata in volt (V) come base-picco; picco-picco
Periodo (T) = tempo necessario per compiere 1 ciclo completo (sec o msec)
Frequenza (f) = reciproco del periodo -misurata in hertz (Hz), o cicli al secondo f = 1/T T = 1/f
-
713
Ampiezza
14
Periodo
-
815
Frequenza
16
-
917
La catena di registrazione
Soggetto elettroditrasduttore
amplificatore
poligrafo computer
18
La catena di registrazione
Applicazione dei biosensori (elettrodi, o trasduttori se necessario) sui siti di interesse
Amplificazione e filtraggio del segnale Registrazione del segnale (formato analogico o
digitale)
-
10
19
Gli elettrodi
Buon conduttore in grado di prelevare il biosegnale: stabile e inerte (problemi di bias o offset potential; polarizzazione)
Argento/Cloruro dargento (Ag/AgCl) Di superficie
20
Elettrodi di superficie
-
11
21
Collarini bi-adesivi
22
Elettrodi usa-e-getta
-
12
23
Applicazione degli elettrodi
Individuazione dei siti specifici di applicazione Dimensioni e distanza reciproca degli
elettrodi rispettare la stessa distanza tra una prova e laltra
per permettere il confronto quantitativo
24
Applicazione degli elettrodi
Pulizia della pelle e dermoabrasione(impedenza < 5-10 K)
Gel o pasta elettroconduttrice
-
13
25
Montaggio
Montaggio monopolare: un sito attivo ed uno elettricamente neutro (di riferimento)
Montaggio bipolare: due siti attivi
V1
V2
V3
siti attivisito di riferimento
(neutro)1 2 3
V1 V2 V3
1 2 3 4 5 6siti attivi
26
Trasduttori
Convertono i biosegnali non direttamente rilevabili come differenza di potenziale in potenziali elettrici
Rilevano fenomeni meccanici (ad es. respiro), termici (ad es. temperatura), pressori (ad es. pressione arteriosa)
-
14
27
Amplificazione del segnale
Aumentare lampiezza del segnale (da uV-mV a V) lasciandone inalterate le caratteristiche salienti
guadagno = fattore di moltiplicazione lineare
gain = Vout/ Vin
28
Calcolo del guadagno di amplificazione
gain = Vout/ Vin
Vin = 1 mV (ECG):gain = 1 V/ 1 mV == 1000 mV / 1 mV == 1000
-
15
29
Calcolo del guadagno di amplificazione
gain = Vout/ Vin
Vin = 50 uV (EEG):gain = 1 V/ 50 uV == 1000000 uV / 50 uV == 20000
30
Rapporto segnale-rumore
Signal-to-noise-ratio Massima informazione dal segnale bioelettrico e
minima contaminazione e distorsione Rumore = segnale elettrico indesiderato
altri biosegnali apparato di registrazione ambiente di registrazione
-
16
31
Filtraggio del segnale
Si basa sul principio che il segnale pu essere distinto dal rumore sulla base di alcune caratteristiche
Ha lo scopo di attenuare/eliminare il RUMORE: specifiche frequenze al di fuori del range cui appartiene il segnale di interesse e di permettere il passaggio di quelle desiderate on-line o off-line
Induce cambiamenti di ampiezza in funzione della frequenza (attenuare = ridurre lampiezza)
32
Filtri
Frequenza di taglio = frequenza alla quale il segnale viene attenuato di circa il 30%
Taglia-alto (o passa-basso): elimina frequenze superiori a quella di taglio
-
17
33
Filtri
Passa-alto (o taglia-basso): elimina frequenze inferiori a quella di taglio (spesso indicati come costante di tempo, Kt) Ft = 0.159 / Kt (sec); Kt (sec) = 0.159 / Ft
34
Costante di Tempo (Kt)
Analogia dellascensore
-
18
35
Calcolo della costante di tempo
Ft = 0.159 / Kt (sec)
Kt = 30 msec (ECG):Kt = 0.03 secFt = 0.159 / 0.03 = 5.3 Hz
3636
Passa-banda
Band-stop: notch filter (50 Hz)
Filtri
-
19
37
Filtro digitale
0.16-35 Hz
0.16-3 Hz
38
Notch filterSegnale contaminato da corrente di rete (50 Hz)
-
20
39
Notch filter
40
-
21
41
Amplificatori
Amplificatori in DC non usano filtri passa-alto e trasmettono fedelmente i
segnali a bassa frequenza (v. respiro, livello di conduttanza cutanea, potenziali corticali lenti)
problemi: instabilit dellisoelettrica Amplificatori in AC
fanno uso di filtri che bloccano la corrente continua e ostacolano le basse frequenze
42
Amplificazione differenziale
Circuito elettronico che amplifica la differenzatra due misure di voltaggio rilevate rispetto ad un riferimento comune, solitamente definito terra
Il segnale viene rilevato da 2 siti, ciascuno riferito alla terra: il circuito elettronico sottrae i 2 segnali e amplifica la differenza - ogni segnale comune ai 2 siti viene eliminato (v. rumore)
Lelettrodo di terra necessario per fornire un riferimento comune allinput differenziale
-
22
43
Amplificazione differenziale
44
Amplificazione differenziale
-
23
45
Amplificazione differenziale
46
Registrazione del segnale
Modalit analogica: rappresenta in modo continuo le variazioni di ampiezza in funzione del tempo (poligrafo)
Modalit digitale: converte il segnale continuo in un formato discreto, numerico (computer)
-
24
47
Fisiopoligrafo
48
Lie Detector??
-
25
4949
Computer
50
Conversione analogico-digitale
Il segnale viene convertito in sequenze numeriche: ciascun numero rappresenta lampiezza del segnale in uno specifico intervallo di tempo
La sequenza numerica costituisce il segnale digitale; il segnale analogico viene in tal modo campionato
Discretizzazione nel tempo e in ampiezza Quanto spesso? Con quale accuratezza?
-
26
51
Conversione analogico-digitale
Convertitore (scheda)
Adattatore (interfaccia)
52
Conversione analogico-digitale
-
27
53
Frequenza di campionamento
Indica ogni quanto viene campionato il segnale Deve essere sufficientemente alta da
permettere di riprodurre il segnale analogico senza distorsioni: almeno il doppio della frequenza pi alta del segnale
di interesse meglio da 4 a 8 volte pi alta Aliasing
54
Campionamento corretto
-
28
55
Sottocampionamento
aliasing
56
Conversione analogico-digitale
-
29
57
Risoluzione del segnale digitale
La risoluzione data dal numero di valori discreti che la scheda A/D pu produrre sul range di voltaggio - solitamente si esprime in bit
58
Risoluzione del segnale digitale
-
30
59
Risoluzione del segnale digitale
60
Risoluzione del segnale digitale
La risoluzione si pu anche esprimere in Volt = range di voltaggio (ad es., 5 V) diviso il numero di valori discreti della scheda (ad es., 65536 per 16 bit)
Risoluzione della scheda, range e guadagno determinano leffettiva risoluzione rispetto al segnale dingresso
-
31
61
Risoluzione del segnale digitale
Range di voltaggio sufficientemente ampio da coprire le variazioni di ampiezza del segnale (dato un certo guadagno) ad es. 5 V
Questo range distribuito sui punti che la scheda A/D ha a disposizione ad es. 65536(16-bit)
La risoluzione determina laccuratezza del campionamento (la differenza di voltaggio minima che pu essere registrata)
62
Risoluzione: esempio
Scheda A/D: 16 bit = 216 = 65536 possibili valori (cio pu discriminare 65536 diversi valori di ampiezza)
Range: 10 V = 20 V 20 V / 65536 = 0.000305 V = 305 uV Con un guadagno di 20000: 305 uV/20000 =
0.01 uVminima modificazione registrabile
-
32
63
Artefatti di registrazione
Un artefatto uninterferenza proveniente da sorgenti non direttamente associate al segnale di interesse
Artefatti elettrici Prodotti dalle apparecchiature utilizzate nella catena
di registrazione (elettrodi, cavi, amplificatore, computer, monitor, proiettori, videoregistratori, ecc.) corrente di rete (50 Hz)
Prodotti da altri biosegnali
64
Artefatti di registrazione
Artefatti meccanici Costituiti da tutti i tipi di movimento (soggetto,
elettrodi, cavi) Artefatti termici
Prodotti da alterazioni della temperatura e dal surriscaldamento delle apparecchiature di registrazione
-
33
65
Analisi dei dati
Qualit del segnale eliminazione artefatti massimizzazione del rapporto segnale/rumore tecniche specifiche per ogni segnale fisiologico
Riduzione dei dati Quantificazione e estrazione dei parametri
Analisi statistica
garbage in, garbage out
66
Cosa incide sulla qualit del segnale
Alta impedenza della pelle attenuazione del biosegnale e captazione di rumore
elettrico (50 Hz) soluzione: corretta dermoabrasione, con impedenza
inferiore a 10-5 K Bias o offset potential degli elettrodi
differenza di potenziale prodotta allinterfaccia tra elettrodo e gel elettroconduttore
soluzione: elettrodi in Ag/AgCl
-
34
67
Cosa incide sulla qualit del segnale
Polarizzazione con uso prolungato, distribuzione ineguale di ioni
sulla superficie dei 2 elettrodi soluzione: elettrodi in Ag/AgCl
Artefatti da corrente di rete soluzione: impedenza inferiore a 10-5 K,
allontanamento sorgenti elettriche, notch filter Contaminazione da altri biosegnali
soluzione: uso adeguato di filtri Aliasing
soluzione: adeguata frequenza di campionamento
68
Cosa incide sulla qualit del segnale
Scarsa risoluzione in ampiezza o saturazione del segnale soluzione: adeguato equilibrio tra guadagno,
risoluzione della scheda A/D e range di voltaggio impostato
-
35
69
Analisi dei dati
Le misure psicofisiologiche sono tipicamente indirette, soggette a trasformazione rispetto alla sorgente interna parziale distorsione del segnale artefatti
La maggior parte delle misure psicofisiologiche sono determinate dallinterazione di pi fattori
70
Analisi dei dati
La maggior parte delle misure psicofisiologiche sono intrinsecamente rumorose procedure di averaging
Misure continue vs. misure discrete forniscono informazioni sul sistema fisiologico in
ogni momento vs. solo in specifici momenti registrazioni continuative (ad es., EEG, EMG) vs. di
eventi ciclici (ad es., FC) o elicitati appositamente (ad es., startle blink)
-
36
71
Riduzione dei dati
Quantificazione: estrazione di un numero ridotto di valori numerici dai dati registrati, che verranno usati nellanalisi statistica identificazione di una particolare caratteristica
considerata rappresentativa di un particolare evento fisiologico (ad es., componente ERP)
misurazione dei parametri di questa caratteristica dimensione temporale (onset, latenza di picco) dimensione spaziale (corrispondenza con una particolare
struttura anatomica) intensit (ampiezza di picco, area, frequenza di risposta)
72
Riduzione dei dati
Identificazione di una baseline per esprimere le misurazioni fisiologiche come modificazioni rispetto ad unattivit di riferimento
Livello di baseline: il livello della variabile fisiologica subito prima che inizi la manipolazione sperimentale assenza di attivit misurabile attivit precedente la stimolazione
-
37
73
Laboratorio di psicofisiologia
74
Esempio diapplicazione elettrodi