logo-IBA logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ZPRACOVÁNÍ A ANALÝZA BIOSIGNÁLŮ ELEKTROENCEFALOGRAM levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ELEKTROENCEFALOGRAM þELEKTROENCEFALOGRAM (EEG) je (grafická) reprezentace časové závislosti rozdílu elektrických potenciálů, snímaných z elektrod umístěných zpravidla na povrchu hlavy (skalpu), výjimečně přímo z kůry mozkové (elektrokortikogram), které vznikají jako důsledek spontánní elektrické aktivity mozku. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz PROČ ELEKTROENCEFALOGRAM? þdiagnostika centrální nervové soustavy þřízení prostředí èneuroprotetika èinterface mozek x počítač è (Brain-Computer Interface – BCI) levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þELEKTROENCEFALOGRAM (EEG) (mozkové vlny) umožňuje hodnotit různé formy poškození mozku, onemocnění epilepsií případně další poruchy centrální nervové soustavy. Podle legislativy v mnoha zemích se záznam EEG používá k definici mozkové smrti. První záznam EEG, získaný Hansem Bergerem v 1924. The first EEG recording, obtained by Hans Berger in 1929. ELEKTROENCEFALOGRAM levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þ2 hemisféry – na nich 4 laloky – čelní (frontální), temenní (parietální), týlní (occipitální), spánkový (temporální) þ 1020br MOZEK · ZÁKLADNÍ ČÍSLA levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz EEG – SVODOVÝ SYSTÉM 1020top Systém 10/20 je založen na vztahu mezi pozicemi elektrod a pod nimi ležící mozkovou kůrou. Pozice jednotlivých elektrod jsou definovány podle poměru 10/20% mezi kořenem nosu a týlní jamkou a mezi ušními lalůčky. Identifikace elektrod je založena na označení písmenem F (frontální), Fp (frontopolární), T (temporální), C (centrální), P (parietální) a O (occipitální) a zpravidla číslem – sudá čísla (2, 4, 6, 8) označují pozice nad pravou hemisférou, lichá čísla (1, 3, 5, 7) nad levou hemisférou, (čím menší hodnota, tím blíže ke středu). Písmeno z označuje elektrody v centrální linii. 1020side dr.Jaspers od 1958 levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz EEG-cap EEG – SVODOVÝ SYSTÉM levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ • ČVUT V PRAZE eeg_move levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz rezimy unipolární – větší vlny, větší dynamika; horší lokalizace než u bipolárního zapojení; REŽIMY SNÍMÁNÍ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þaktivita èrytmická qmonomorfní (dominantní frekvence) qpolymorfní (více frekvenčních složek) èarytmická (sled vln) þojedinělé útvary èlambda vlna - trvání ~ 100 ms, výskyt v okcipitální krajině; èhrot - trvání do max. 80 ms, kromě tvaru se hodnotí i souvislosti; èkomplex hrot-vlna – vlna pomalá, trvání 200 – 500 ms èkomplex mnohačetných hrotů a pomalých vln spike EEG · VLASTNOSTI SIGNÁLU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz HROT - VLNA epilepsie_prechodne levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz KOMPLEX HROT - VLNA epilepsie_3s_komplex levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þRYTMY þ þdelta (0-4 Hz) – þu dospělého bdícího vždy patologie, u dětí kolem 4 měsíců jsou 4 Hz v normě; þu dětí v prepubertě ojediněle osamocené vlny delta 75 – 100 μV v kombinaci s alfou výskyt ve spánku, velikost až 100 μV; þčím je amplituda větší, resp. rozsah frekvencí užší, tím je patologie významnější delta EEG · VLASTNOSTI SIGNÁLU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þRYTMY þ þtheta (4-8 Hz) – þnapětí až do 150 μV; þv oblastech centrální, temporální, parietální do 15 μV normál; þpatologie – je-li theta alespoň 2x vyšší než alfa nebo 30 μV, není-li alfa þtheta i delta stoupá u psychotestů s otevřenýma očima; þzřídka je rytmický theta EEG · VLASTNOSTI SIGNÁLU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz theta levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz temp_theta levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þRYTMY þ þalfa (8-13 Hz) – v bdělém stavu max. nad zadními oblastmi mozkových hemisfér, nejlépe zavřené oči, před usnutím; tlumí se otevřením očí a duševní činností; od narození slepé osoby nemají alfa rytmus þvelikost signálu 20-50 μV, trvání jednotlivých vln 80- 125 ms; þu 85% zdravých osob ve věku 20 – 60 let je frekvence 9,5-10,5 Hz, vyšší kmitočet je normální, pokles pod 8 Hz je patologický; þpodle zastoupení v záznamu se rozlišuje – dominantní, subdominantní, smíšený a řídký alfa rytmus alpha EEG · VLASTNOSTI SIGNÁLU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz alfa levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þRYTMY þ þmí (mu) (7-11 Hz) – napětí pod 50 μV; charakteristický arkádový nebo hřebenový tvar – tvar písmene m či u, zřejmě nemá podstatný patologický význam, častěji se ale vyskytuje u psychicky narušených jedinců þsigma (~14 Hz) – spánková vřeténka (III. spánkové stadium) ve frontální a frontocentrální oblasti; velikost 30 – 40 μV EEG · VLASTNOSTI SIGNÁLU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þRYTMY þ þbeta (13 – 30 Hz, někdy 18 – 32 Hz) – symetrický výskyt, dozadu ubývá, typické při soustředění na vnější podněty, při duševní činnosti a při afektech; velikost do 30 μV, trvání jednotlivých vln 40 – 50 ms þgama (nad 30 Hz) beta EEG · VLASTNOSTI SIGNÁLU levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ZMĚNY V EEG SIGNÁLU PŘI ANESTÉZII levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BISPECTRAL INDEX (BIS) þIt was introduced by Aspect Medical Systems, Inc. in 1994[1] as a novel measure of the level of consciousness by algorithmic analysis of a patient's electroencephalogram during general anaesthesia. This is used in conjunction with other physiologic monitoring such as electromyography to establish the Guedel's classification in order to prevent surgical awareness. þThe efficacy of BIS index monitoring is not without controversy.[3] Some controlled studies have found that using the BIS reduced the incidence of memory but this was not confirmed in several very large multicenter studies on awareness. [4][5] levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BISPECTRAL INDEX (BIS) þExplanation þThe BIS monitor provides a single dimensionless number, the BIS value, which ranges from 0 to 100. A BIS value of 0 equals EEG silence, near 100 is the expected value in a fully awake adult, and between 40 and 60 indicates a level for general anaesthesia recommended by the manufacturer. þThe BIS monitor thus gives the anaesthetist an indication of how "deep" under anaesthesia the patient is.BIS is one of several techniques which purport to monitor depth of anaesthesia. BIS monitors can replace or supplement Guedel's classification system for determining depth of anesthesia. þTitrating anaesthetic agents to a specific bispectral index during general anaesthesia in adults (and children over 1 year old) allows the anaesthetist to adjust the amount of anaesthetic agent to the need of the patient, possibly resulting in faster recovery from anaesthesia (although often the reverse may occur, as the patient may be anaesthetised to a lower BIS level than is necessary for the surgery or procedure--this is called "treating the BIS," and may result in a deeper level of anaesthesia than required). þThe BIS monitor may reduce the incidence of intraoperative awareness in high risk procedures or patients [6] and may have an additional role in predicting recovery from severe brain injury although this is far from clear at present. þThe introduction of BIS to the intensive care environment allows physicians and nurses to titrate sedative drugs safely, and to monitor the patient (together with measurement of intracranial pressure) during therapeutic burst suppression. The monitoring of EEG in ICU patients has been employed in one form or other for more than two decades. þBIS monitoring is also being used during transport of critically ill patients in ambulances, helicopters and other vehicles. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BISPECTRAL INDEX (BIS) þCalculation of BIS þThe essence of BIS is to take a complex signal (the EEG), analyse it, and process the result into a single number. Several other systems claim to be able to perform the same thing. This calculation is very computer-intensive. The recent availability of cheap, fast computer processors has enabled great advances in this field. þWhen a subject is awake, the cerebral cortex is very active, and the EEG reflects vigorous activity. When asleep or under general anaesthesia, the pattern of activity changes. Overall, there is less activity (the "power" is less), there is a change from higher-frequency signals to lower-frequency signals (which can be shown by Fourier analysis), and there is a tendency for signal correlation from different parts of the cortex to become more random. þThe bispectral index of an electroencephalogram is a weighted sum of electroencephalographic subparameters including a time domain, a frequency domain, and higher order spectral information (Bispectral Analysis).The developers of the BIS monitor collected many (around 1000) EEG records from healthy adult volunteers at specific clinically important end points and hypnotic drug concentrations.They then fitted bispectral and power spectral variables in a multivariate statistical model to produce a BIS number. þAs with other types of EEG analysis, the calculation algorithm that the BIS monitor uses is proprietary. Therefore, although the principles of BIS and other monitors are well known, the exact method in each case is not. þAnaesthesia depth in infants þSome studies show a greater incidence of anaesthesia awareness in children, when compared to adults.The correlation between bispectral index in children over one year and state of consciousness has already been proven, although in younger patients the monitor is unreliable because of the differences between immature infant EEG patterns and the adult EEG patterns that the BIS algorithm utilises. levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz BISPECTRAL INDEX (BIS) þBIS relevance þThe BIS is an electroencephalogram-derived multivariant scale that correlates with the metabolic ratio of glucose (Akire M., Anesthesiology 1998). From this metabolic activity the brain obtains its functionality, the ability to capture information from outside and inside the body and integrate that information into conscious perception, with the ability to remember it later. Both loss of consciousness and awakening from anaesthesia are correlated with this scale (Flashion R, et al. Anesthesiology 97). þThe bispectral index has not been proven to measure the level of consciousness, independently of the cause of reduced consciousness (whether this be drugs, metabolic disease, hypothermia, head trauma, hypovolemia, natural sleep and so on). Not all unconscious patients will have a low BIS value, although the general clinical state may be very different from one to the other, and the prognosis may also differ. þThe bispectral index is prone to artifacts. Its numbers cannot be relied upon in all situations, including brain death, circulatory arrest or hypothermia.[7] þA monitor of the Autonomic Nervous System (such as the ANSiscope) may be more appropriate for purposely assessing the reaction to noxious stimuli during surgery. However, a monitor of the central nervous system may be more appropriate for monitoring consciousness. After the publication of the B-Aware Trial (P. Myles, K. Leslie et al. Lancet 2004) BIS is suggested as a parameter that allows the anaesthetist to reduce the risk of anaesthesia awareness during surgery for a 'high risk' group[8]. þHowever, this result was not reproduced by a recently published randomized control trial, the "B-Unaware Trial".[9] In it, the use of BIS monitoring was not associated with a lower incidence of anesthesia awareness. þ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz hyperventilace levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þdrift izolinie – vysoká vlny, trvání 2-3 s (Ž0,5 Hz); þartefakty z dýchacích pohybů – periody od 4 s; þartefakty pulsové – zpravidla je-li elektroda nad artérií; þartefakty EKG – hroty v období komplexů QRS – nízká amplituda, průšvih u kardiostimulátorů; EEG · VLASTNOSTI RUŠENÍ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz kardiostim1 levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz drift levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz DRIFT IZOLINIE õ POMALÉ POHYBY OČÍ eye_movement levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz MRKÁNÍ mrkání levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz EEGxECG EKG ARTEFAKTY levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þartefakty vyvolané pohyby očních bulbů – ve frontálních svodech, frekvence odpovídá delta až alfa vlnám (většinou pod 3 Hz); þvf artefakty – myopotenciály velkých svalů (30-50 Hz) EEG · VLASTNOSTI RUŠENÍ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz VZORKOVÁNÍ þfrekvenční obsah èspontánní EEG (0-70 Hz) èevokované potenciály (potenciály mozkového kmene až do 3 kHz) þ spodní hranice vzorkovací frekvence fvz=125 Hz þA/D převod nejčastěji 12 bitů, lze najít i hrubší kvantování, vyjímečně i 8 bitů; þdynamický rozsah ± 500 μVÞ 1 μV ~ 4 úrovně při kvatování na 12 bitů levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ANALÝZA EEG þ3 hlavní oblasti zájmu: þspontánní nezáchvatová aktivita (neparoxysmální, background) þspontánní záchvatová aktivita (paroxysmální) þ(evokované potenciály) levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz ANALÝZA EEG SPONTÁNNÍ NEZÁCHVATOVITÁ AKTIVITA þaktivita bez výrazných časových změn (normální spontánní aktivita při bdění a v klidu, alfa a beta rytmy, kontinuální pomalé rytmy, polymorfní pomalá aktivita, …); þaktivita s pomalými změnami v čase þ (spánková aktivita, aktivita při změnách polohy, aktivita v komatu, aktivita při hyperventilaci, …); þaktivita intermitentního typu (přerušovaná) (sigma aktivita, mí aktivita, přerušované pomalé rytmy) levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þgrafoelementy èhroty, ostré vlny, komplexy hrot/vlna èrytmické formace hrot/vlna 3/s èpřechodné stavy ve spánku èjednotlivé polyfázové vlnky èparoxysmální pomalé vlny è : è : ANALÝZA EEG SPONTÁNNÍ NEZÁCHVATOVITÁ AKTIVITA levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þfrekvenční oblast þčasová oblast þmapování sp_map_s map_svody ANALÝZA EEG ZPŮSOB ZOBRAZENÍ levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz þfrekvenční analýza èstacionární analýza – testy stacionarity, FFT, neparametrické a parametrické metody ènestacionární analýza – časový vývoj frekvenčního spektra, časově-frekvenční transformace, …. þanalýza v časové oblasti èdetekce grafoelementů - mimetické metody, korelační analýza, … þmapování èmetody zpracování obrazů - korekce neostrostí, analýza vzájemných souvislostí, lokalizace zdrojů, modely, … ANALÝZA EEG POUŽÍVANÉ PROSTŘEDKY levy-panel-IBA-se-zavojem logo-IBA-transparent logo-MU © Institut biostatistiky a analýz EEG õ VLASTNOSTI SIGNÁLU RYTMY þdelta (0-4 Hz) þ delta alfa (8-13 Hz) theta (4-8 Hz) theta alpha beta beta (13 – 30 Hz, někdy 18 – 32 Hz) gama (nad 30 Hz)