03.registrazione elettrofisiologica15

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REGISTRAZIONE

ELETTROFISIOLOGICA

Corso di Laurea Magistrale inNeuroscienze e Riabilitazione

Neuropsicologica (M-1C)A.A. 2014-2015

Dott.ssa Michela Sarlo

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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)

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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

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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

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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)

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Cenni di elettrologia

Resistenza (R) = resistenza offerta al passaggio della corrente - misurata in ohm ()

Legge di Ohm:V = I x R

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Electricity is like water (but don't mix them )

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La corrente in un circuito direttamente proporzionale al voltaggio e inversamente proporzionale alla resistenza

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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

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Segnale sinusoidale

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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

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Ampiezza

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Periodo

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Frequenza

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La catena di registrazione

Soggetto elettroditrasduttore

amplificatore

poligrafo computer

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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)

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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

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Elettrodi di superficie

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Collarini bi-adesivi

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Elettrodi usa-e-getta

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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

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Applicazione degli elettrodi

Pulizia della pelle e dermoabrasione(impedenza < 5-10 K)

Gel o pasta elettroconduttrice

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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

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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)

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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

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Calcolo del guadagno di amplificazione

gain = Vout/ Vin

Vin = 1 mV (ECG):gain = 1 V/ 1 mV == 1000 mV / 1 mV == 1000

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Calcolo del guadagno di amplificazione

gain = Vout/ Vin

Vin = 50 uV (EEG):gain = 1 V/ 50 uV == 1000000 uV / 50 uV == 20000

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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

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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)

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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

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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

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Costante di Tempo (Kt)

Analogia dellascensore

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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

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Passa-banda

Band-stop: notch filter (50 Hz)

Filtri

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Filtro digitale

0.16-35 Hz

0.16-3 Hz

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Notch filterSegnale contaminato da corrente di rete (50 Hz)

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Notch filter

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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

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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

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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)

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Fisiopoligrafo

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Lie Detector??

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Computer

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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?

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Convertitore (scheda)

Adattatore (interfaccia)

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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

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Campionamento corretto

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Sottocampionamento

aliasing

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Scarsa risoluzione in ampiezza o saturazione del segnale soluzione: adeguato equilibrio tra guadagno,

risoluzione della scheda A/D e range di voltaggio impostato

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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

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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)

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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)

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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

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Laboratorio di psicofisiologia

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Esempio diapplicazione elettrodi

03.registrazione elettrofisiologica15

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