Università degli studi di Catania
Dip. Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni
Biosegnali
Corso Intelligenza Artificiale
09 – Novembre– 2006
Ing. A. Travaglianti
Biosegnali
I biosegnali sono segnali elettrici prodotti dal corpo umano e servono a veicolare
Informazioni lungo il corpo umano stesso.
Questi segnali sono generalmente trasmessi dai nervi mediante un potenziale
d’azione, tale potenziale è dovuto alla variazione della concentrazione di ioni.
L’ampiezza del potenziale d’azione può sfiorare i 100 mV.
Il tratto con pendenza positiva
corrisponde
ad
una
depolarizzazione molto elevata,
mentre
il
tratto
successivo
rappresenta una iperpolarizzazione
della membrana nervosa.
Studio dei biosegnali
EEG
Elettroencefalogramma
MEG
Magnetoencefalogramma
ECG
Elettrocardiagramma
EMG
Elettromiografia
EOG
Elettrooculografia
TMS
Stimolazione Magnaticatranscranica
Fisiologia umana: provenienza dei segnali EEG
Il neurone : Il neurone è una cellula eccitabile in grado di ricevere, elaborare e
trasmettere informazioni alle cellule adiacenti per mezzo di impulsi (potenziali
d’azione o spike).
Strutturalmente il neurone presenta un corpo cellulare o soma contenente il
nucleo della cellula separato dal resto della cellula, da esso partono i dendriti e
l’assone (figura 1).
Fisiologia umana: provenienza dei segnali EEG
A livello della corteccia cerebrale i due tipi di cellule più importanti sono le
cellule:
• Piramidali :hanno corpi cellulari grandi di forma piramidale e possiedono
lunghi Dendriti. I campi generati dalle cellule piramidali sono campi “aperti” e le
correnti extracellulare possono essere registrati mediante elettrodi posti sullo
scalpo (EEG).
• Non piramidali : sono piccole, di forma stellata e hanno assoni corti che si
proiettano su neuroni locali. I campi da esse generati sono campi “chiusi” e non
si sommano, quindi le correnti intra ed extracellulari non producono campi
elettrici e magnetici.
EEG
I potenziali rilevabili tramite EEG sono quelli associati a correnti all'interno
dell'encefalo che fluiscono perpendicolarmente rispetto allo scalpo.
Una tecnica complementare all'EEG è la magnetoencefalografia (MEG), che
permette di misurare le correnti che fluiscono parallelamente allo scalpo.
Variazioni durante l'età
L'EEG varia durante l'età, in particolar modo dalla nascita fino all'adolescenza.
Durante l'età adulta il tracciato rimane costante, per tornare a modificarsi
durante la vecchiaia.Il tracciato del bambino è molto differenziato da quello
dell'adulto.
EEG
Metodo diagnostico
Essendo di esecuzione facile e non invasivo, l'EEG rappresenta un esame di
base in neurologia. Ha il suo valore diagnostico maggiore nella diagnosi delle
epilessie, nel caso di malattie infiammatorie come meningiti ed encefaliti oppure
nelle encefalopatie.
Altre volte l'EEG può indicare un processo focale come un tumore o un'ischemia
cerebrale, nella maggior parte dei casi senza però essere in grado di
determinare il tipo di lesione.
EEG: Sistema Internazionale 10-20
Gli elettrodi vengono applicati in base a coordinate standard, il
cosiddetto Sistema Internazionale 10-20 introdotto dalla
International Federation of Electroencephalography nel 1958.
Parametri EEG
I parametri fondamentali dell’EEG sono:
• La frequenza (misurata in Hz, numero di onde al sec)
• L’ampiezza (misurata in μV) delle oscillazioni dipotenziale, o onde EEG
.
In base a tali parametri si distinguono onde a diversa frequenza: alfa,
beta, delta e teta.
La variazione in ampiezza di tali onde si correla specificamente ad
eventi fisiologici (sonno, stimolazioni sensoriali etc.) e patologici (tumori,
ematomi, epilessia etc.)
Ampiezza dell’onda
Periodo dell’onda
Studio dell’ EEG
L'elettroencefalogramma (EEG) registra l'attività elettrica cerebrale tramite
elettrodi di superficie posizionati sulla testa secondo uno schema fisso
(standard 10-20).
L'EEG e la MEG hanno una natura oscillatoria.
Ampiezze : EEG da 20 a 100 mV
MEG da 50 a 900 fT.Frequenze : da 1 a 70 Hz.
Gran parte dei tracciati EEG e MEG sembrano
altamente casuali e, non essendo spesso riconducibili
a particolari stati mentali, vengono semplicemente
considerati come attività spontanea o di fondo.
Onde EEG
Ritmo
Frequenza
Hz
Ampiezza
(mV)
Stati mentali, livelli di coscienza
delta
0,5-3
20-200
Condizioni patologiche
teta
3-7
5-100
Sonno profondo
alfa
8-13
10-200
Rilassamento mentale
beta
14-30
1-20
Attenzione, concentrazione
gamma
>30
1-20
Attenzione, concentrazione
Onde EEG
Veglia
• bassa ampiezza alta
frequenza
Stadio 1
• per la maggior parte onde teta
Stadio 2
• complessi K
• fusi del sonno
Stadio 3
• compaiono le onde delta
Stadio 4
• maggioranza di onde delta
Sonno REM
• simile allo stadio 1, ma con
rapidi movimenti oculari
Elaborazione dei segnali EEG
é il segnale cerebrale e occupa una banda 0.1 – 40 Hz.
è dovuto essenzialmente alle contrazioni muscolari ed ha uno spettro
centrato sui 70Hz
è dovuto all’interferenza di rete cioè ha uno spettro centrato sui
50Hz
ha una rappresentazione spettrale ottenuta dalla somma degli spettri
precedenti
Amplificazione dei segnali EEG
Il parametro che specifica la capacità di un amplificatore di essere insensibile alle
sorgenti comuni di rumore prende il nome Common Mode Rejection Ratio (CMRR).
Magnatoencefalografia MEG
E’ un tecnica complementare all’EEG, consente di studiare la funzionalità
cerebrale tramite la misura del campo magnetico generato dalle correnti
cerebrali. Uno dei vantaggi di questa tecnica risiede nella possibilità di
identificare le aree cerebrali attivate durante specifici processi cerebrali con
grande risoluzione temporale e buona risoluzione spaziale, in quanto i campi
magnetici non sono distorti come quelli elettrici nell’attraversare il cervello, il
cranio e il cuoio capelluto.
Sensori magnatici: SQUID
Visto che i campi magnetici prodotti dal cervello sono estremamente piccoli
(circa 1 miliardesimo del campo magnetico della terra, da 50 a 900 fT), la MEG
si basa su sensori ultrasensibili chiamati SQUID (Superconducting QUantum
Interference Device),
Attivazione elettrica del cuore, ECG
L’attivazione elettrica delle cellule del muscolo cardiaco (miociti) ha
luogo mediante gli stessi meccanismi di attivazione elettrica delle cellule
nervose. L’ampiezza del potenziale d’azione delle cellule cardiache e
nervose è tra l’altro simile (100 mV), tuttavia la durata degli impulsi
elettrici nel muscolo cardiaco è di due ordini di grandezza superiore
rispetto a quella dei potenziali d’azione che si hanno nel muscolo
scheletrico e nelle cellule nervose.
Segnali ECG
Segnali ECG
Onda P: è la prima onda che si genera nel ciclo, corrisponde alla
depolarizzazione degli atri. É di piccole dimensioni, poiché la contrazione degli
atri non è cosi potente. La sua durata varia tra i 60 e i 100 ms.
Complesso QRS: si tratta di un insieme di tre onde che si susseguono l'una
all'altra e corrisponde alla depolarizzazione dei ventricoli. L'onda Q è negativa e
di piccole dimensioni; la R è un picco molto alto positivo; la S è una onda
negativa anch'essa di piccole dimensioni. La durata dell'intero complesso è
compresa tra i 60 e 90 ms.
Onda T: è l'ultima onda ad apparire e rappresenta la ripolarizzazione dei
ventricoli. Non sempre è identificabile, perché può anche essere di valore molto
piccolo.
Onda U: è un'onda che non sempre è possibile apprezzare in un tracciato.
Heart rate variability HRV
La Heart Rate Variability (HRV) e' una tecnica per misurare ed analizzare la
variabilita' della frequenza cardiaca, l’HRV viene valutato in risposta a fattori
quali il ritmo del respiro, gli stati emozionali, lo stato di ansia, stress, rabbia,
rilasssamento, pensieri, etc. La HRV e' correlata alla interazione fra il Sistema
Nervoso Simpatico e Parasimpatico.
tacogramma RR
La distanza temporale fra un battito cardiaco ed il successivo viene chiamato
tempo R-R e viene espresso in millisecondi (ms). Il tacogramma viene
raccolto normalmente nell'arco di 4-5 minuti (cioe' vengono conteggiati circa
300 battiti cardiaci in tutto).
Bande di frequenza del segnale RR
1) VLF ( 0.01 e 0.04 Hz ) La banda VLF e' dovuta in parte all'attivita' del
Sistema Nervoso Simpatico, inoltre dai cambiamenti nella termoregolazione, ed
in ambito psicologico, e' influenzata dalle preoccupazioni e dai pensieri
ossessivi (worry and rumination)
2) LF ( 0.04 e 0.15 Hz ) La banda delle LF viene considerata principalmente
dovuta all'attivita' del Sistema Nervoso Simpatico, e all'attivita' di regolazione
dei barocettori.
3) HF ( 0.15 e 0.4 Hz ). La banda delle HF viene considerata espressione
dell'attivita' del Sistema Nervoso Parasimpatico e del Vagale. Questa zona di
frequenze subisce una elevata influenza da parte del ritmo e profondita' della
respirazione.
Entrambi questi parametri esprimono il grado complessivo della variabilita' della
frequenza cardiaca, quindi la attivita' complessiva del Simpatico +
Parasimpatico. Il rapporto invece fra Simpatico e Parasimpatico viene invece
misurato dal rapporto fra LF/HF
Analisi non lineare dell’HRV: “Poincarè plot”
I segnali HRV possono anche essere visti come segnali con proprietà non
lineari in quanto essi sono generati da meccanismi di regolazione complessi.
Nella seguente figura, vengono mostrate, la serie temporale di un segnale HRV
(a), il relativo spettro di potenza (b) ed il tracciato di Poincarè, per un soggetto
in salute e per un soggetto con insufficienza renale.
Il Pincarè plot è un metodo
geometrico per per analizzare la
dinamica
dell’HRV.
E’
una
correlazione grafica tra intervalli
R-R consecutivi
Anomalie cardiache
• Tachicardia: La frequenza del battito cardiaco supera i 100 b/m
• Aritmia sinusale: La frequenza cardiaca in condizioni di riposo non è
regolare.
• Blocco seno-atriale: L'impulso che si origina nel nodo seno-atriale non
possa diffondersi completamente nel resto del miocardio.
• Ischemia e infarto miocardico: Quando si verifica una insufficiente
irrorazione sanguigna del miocardio, questo deprime i suoi processi
metabolici in quanto c'è mancanza di ossigeno, si produce un eccesso
ristagnante di anidride carbonica e il materiale nutritizio viene a mancare. In
questi casi la ripolarizzazione delle membrane si verifica solo parzialmente o
non si verifica più. Sul tracciato ECG l'infarto e l'ischemia sono caratterizzati
da anomalie riguardanti le onde Q, i segmenti ST e le onde T.
EOG
Cornea: è la porzione anteriore della tonaca fibrosa dell'occhio.
Cristallino: rappresenta la "lente" dell'occhio.
Iride: è una formazione circolare, pigmentata, localizzata dietro la cornea e
davanti al cristallino.
Retina: è la membrana più interna dell'occhio.
Sistemi eye tracking
• sistemi ottici: i quali tipicamente utilizzano la riflessione infrarossa
• sistemi elettrici: che sfruttano la registrazione elettrooculografica EOG
I muscoli: EMG
Le fibre muscolari sono organizzate in gruppi, ciascuno raggiunto dalle ramificazioni
terminali di un singolo motoneurone. le fibre da esso innervate costituiscono l’unità
motoria
Tecniche elettromiografiche
L’attività elettrica dei muscoli può essere misurata tramite l’elettromiografia
(EMG). I segnali EMG si originano dall’attività elettrica delle singole unità
motorie.
• EMG interferenziale: vengono utilizzati elettrodi applicati alla superficie
cutanea.
• EMG unitaria: vengono utilizzati elettrodi ad aghi inseriti nel muscolo.
Nel primo caso si registra l’attività complessiva del muscolo, mentre risulta
limitata la discriminazione delle singole unità; nel caso degli elettrodi ad aghi,
invece, è possibile indagare in maniera precisa l’attività delle singole unità
motorie, con l’inconveniente, però di essere una tecnica invasiva.
Spettro di potenza
Esiste una certa corrispondenza, in condizioni isometriche, tra andamenti di
valori elettromiografici ed elettromeccanici in esercizi affaticanti: quanto più
aumenta la fatica muscolare, tanto più diminuiscono il contenuto in frequenza
e la forza espressa dal muscolo.
Stimolazione magnetica transcranica: TMS
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una metodica di stimolazione
non invasiva del cervello.
L’apparecchiatura è costituita da un generatore di corrente di elevata intensità e
da una sonda mobile la quale viene posta a diretto contatto dello scalpo del
paziente. Quando attivato, il generatore di corrente produce un campo elettrico
che viene veicolato lungo la sonda. Il campo elettrico a sua volta produce un
campo magnetico che ha la proprietà di poter passare attraverso le strutture
dello scalpo senza alcuna dispersione.
Il sistema è capace di produrre campi magnetici
fino a 2,5 Tesla, in un tempo inferiore ai 200 μsec.
Ambito di utilizzo della TMS
Permette di individuare patologie che comportano un’alterazione della
funzionalità di diverse strutture nervose. In particolar modo consente di
stabilire se esistano delle lesioni di diversa natura (infiammatoria, ischemica,
compressiva, tumorale) lungo la via motoria.
Esempi di stimolazione TMS
Ampiezza picco-picco
Risposta all’interstimolo
Intervallo interstimolo
Latenza
Campionamento di un segnale
Campionamento di un segnale
Teorema del campionamento
Teorema del campionamento uniforme (Shannon): un segnale analogico
e rappresentato dai suoi campioni presi con passo costante T ,ovvero
con cadenza fc = 1/T , se:
• 1. il segnale
e a banda rigorosamente limitata, cio`e il suo spettro
soddisfa la condizione:
• 2. la cadenza di campionamento è maggiore o uguale a quella di Nyquist,
cioè: fc > 2B, dove B è la banda del segnale.
Filtri
Infinite Impulse Response (IIR): n = 0, b è uno scalare. Filtri AR o autoregressivi
Finite Impulse Response (FIR): m = 0, a è uno scalare. Filtri MA o moving
avarage
Se entrambi n, m sono diversi da zero si parla di filtri ARMA.
Esempi di Filtraggio
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Discrete Fourier Transform
t = (0:1/100:10-1/100);
x = sin(2*pi*15*t) + sin(2*pi*40*t);
plot(t(1:100),x(1:100))
y = fft(x); % Compute DFT of x
m = abs(y); p = unwrap(angle(y));
f = (0:length(y)-1)*99/length(y);
plot(f,m); title('Magnitude');
set(gca,'XTick',[15 40 60 85]);
Magnitude
600
500
400
300
200
100
0
15
40
60
85
Principali filtri digitali IIR (MATLAB)
Bessel (analog only)
[b,a] = besself(n,Wn,options)
Butterworth
[b,a] = butter(n,Wn,options)
Chebyshev Type I
[b,a] = cheby1(n,Rp,Wn,options)
Chebyshev Type II
[b,a] = cheby2(n,Rs,Wn,options)
Elliptic
[b,a] = ellip(n,Rp,Rs,Wn,options)
Wn è la frequenza di cutoff normalizzata alla frequenza di nyquist . Per esempio se
la frequenza di campionamento fs è 1000 Hz, se si vuole filtrare a 300 Hz si ha
Wn = 300/500 = 0.6.
Principali filtri digitali IIR (MATLAB)
Butter filter
Elliptic filter
Chebyshev filter 1
Chebyshev filter 2
Bessel filter
Filtri FIR
Principali vantaggi dei filtri FIR:
• Hanno una fase lineare
• Sono sempre stabili
• Sono filtri lineari
• Allo startup hanno un transiente finito.
Un principale svantaggio dei filtri FIR è che essi richiedono un ordine elevato
rispetto ai filtri IIR
In matlab I principali filtri FIR sono: fir1, fir2, firls, remez, fircls, fircls1, and firrcos
Analisi spettrale
La densità spettrale di potenza indica come la potenza del segnale si distribuisce
Alle varie frequenze che compongono il segnale stesso.
w = 2pf/fs, where fs is
the sampling
frequency.
La quantità Pxx è definita come densità spettrale di potenza e l’unità di misura è
Watts/rad/sample (Watt/rad) o watts/hertz.
Esempio di analisi spettrale
Periodogram method
randn('state',0)
fs = 1000;
% Sampling frequency
t = (0:fs/10)./fs; % One-tenth of a second worth of samples
A = [1 2];
% Sinusoid amplitudes
f = [150;140]; % Sinusoid frequencies
xn = A*sin(2*pi*f*t) + 0.1*randn(size(t));
periodogram(xn,rectwin(length(xn)),1024,fs);
periodogram(xn,hamming(length(xn)),1024,fs);