Contributii la Dezvoltarea de Sisteme Automate cu Aplicabilitate In Terapia Medicala

TITLUL TEZEI: CONTRIBUȚII LA DEZVOLTAREA DE SISTEME AUTOMATE CU APLICABILITATE ÎN TERAPIA MEDICALĂ

INTRODUCERE

Capitolul 1. Aplicații ale ingineriei în medicină

1.1 Componentele practicii medicale

1.1.1 Abordare sistemică a laturilor activității medicale

1.2 Necesitatea abordării sistemice a activităților medicale și a proceselor interne ale organismului uman

1.3 Ingineria medicală (bioingineria medicală)

1.3.1 Subdomeniile ingineriei medicale

1.4 Concluzii parțiale

Capitolul 2. Stadiul actual al sistemelor automate cu aplicabilitate în terapia medicală

2.1 Sisteme automate utilizate pentru asistarea și corectarea funcțiilor fiziologice

2.2 Sisteme automate utilizate în protezare

2.3 Sisteme automate utilizate în procedurile chirurgicale (preponderent minim invazive)

2.4 Sisteme automate utilizate în terapia prin biofeedback

2.4.1 Terapia prin biofeedback

2.4.2 Sisteme automate dedicate ariilor specifice biofedback-ului (circulație, durere, anxietate)

2.5 Concluzii parțiale

Capitolul 3. Contribuții la dezvoltarea unui echipament pentru înregistrarea activității electrice a creierului

3.1 Activitatea electrică a creierului

3.1.1 Nivelurile de activitate

3.1.1.1 Activitatea neuronală singulară

3.1.1.2 Activitatea neuronală locală

3.1.1.3 Activitatea neuronală regională

3.1.2 Modele de activitate

3.1.3 Activitatea spontană a creierului

3.1.3.1 Răspunsul în frecvență

3.1.3.2 Răspunsul în amplitudine

3.1.3.3 Resetarea fazei

3.1.4 Însumarea liniară a activităților oscilatorii independente

3.1.5 Activitatea ca răspuns la stimuli a creierului (potențialele evocate)

3.2 Contribuții la dezvoltarea unui echipament electroencefalografic personalizat cu componente dedicate stimulării acustice

3.2.1 Cerințe

3.2.2 Proiectarea electroencefalografului

3.2.2.1 Schema bloc

3.2.2.2 Schema detaliată (module componente)

3.2.3 Considerații practice pentru construcție

3.2.4 Teste de funcționare

3.3 Concluzii parțiale

Capitolul 4. Contribuții la dezvoltarea unui sistem automat destinat terapiei prin ajustarea parametrilor reglării homeostatice umane

4.1 Caracterizarea stării de echilibru homeostatic

4.1.1 Definirea homeostazei

4.1.2 Interpretarea procesului de reglare homeostatică din perspectiva teoriei sistemelor

4.2 Identificarea corelațiilor potențialelor evocate cu parametrii neurovegetativi

4.2.1 Justificarea necesității identificării corelațiilor potențialelor evocate cu parametrii neurovegetativi

4.3 Contribuții la dezvoltarea unui sistem automat destinat reducerii dezechilibrului homeostatic utilizând stimularea acustică binaurală

4.3.1 Contribuții privind stabilirea unor tipare și proceduri de testare pentru potențialele spontane, respectiv, evocate

4.3.2 Stabilirea parametrilor semnalului acustic stimulator

4.4 Colectarea datelor experimentale rezultate din stimulările acustice

4.4.1 Descrierea stimulilor acustici (procedura de stimulare)

4.4.2 Măsurarea densității spectrale a potențialului evocat

4.4.3 Prezentarea rezultatelor măsurătorilor

4.4.4 Corelarea potențialelor evocate cu celelalte rezultate ale măsurătorilor

4.5 Concluzii parțiale

Capitolul 5. CONCLUZII

5.1 Concluzii generale

5.2 Sinteză a contribuțiilor originale

5.3 Direcții posibile de continuare a cercetărilor

Anexe

Anexa 1 xxxxxxxxxxxxxxxx

Anexa 2 xxxxxxxxxxxxxxxx

Bibliografie

Webografie

Capitolul 1. Aplicații ale ingineriei în medicină

Societatea modernă folosește din ce în ce mai mult sistemele automate construite de om, în special pe cele numerice. Viața noastră este acum aproape de neconceput fără sprijinul echipamentelor de tehnologie a informației si a celor de comunicații. Ele nu ne fac doar viața mai ușoară ci chiar o salvează. Medicina modernă, în special chirurgia, ar avea un handicap major fără asistarea de către dispozitivele medicale. Dispozitivele medicale sunt rezultatul aplicării convergente a mai multor subdomenii ale ingineriei, cum ar fi cea electrica, optică, mecanică, etc.

Datorită implicației majore a ingineriei în medicină a fost posibilă modernizarea actului medical prin creșterea importantă a ratei de succes în procesul terapeutic, precum și reducerea gradului de invazivitate cu impact major în diminuarea traumatizării și reducerea timpilor de recuperarea a pacienților. În continuare vor fi definiți termenii de inginerie, medicină, de inginerie medicală cu subdomeniile corespunzătoare. Va fi, de asemeni, subliniată importanța și utilitatea abordării sistemice a practicii medicale (pentru dezvoltarea managementului medical și al sănătății) și a proceselor interne ale organismului uman atât pentru cunoașterea medicală cât și pentru dezvoltarea ingineriei medicale.

Ce este ingineria?

Ingineria reprezintă aplicarea cunoștințelor științifice, matematice și a experienței practice pentru a crea obiecte și procese utile. Persoanele ce se ocupă cu ingineria sunt numite ingineri. [w1]

Ingineria (de la ingenium din latină, însemnând "inteligență" și ingeniare, care înseamnă "a născoci, a concepe") este aplicarea cunoștințelor științifice, economice, sociale și practice cu scopul de a inventa, proiecta, construi, menține și îmbunătăți structuri, mașini , dispozitive, sisteme, materiale și procese. Disciplina inginerie este extrem de largă, și cuprinde o serie de subdomenii specializate de inginerie, fiecare cu un accent specific pe anumite domenii de aplicare ale științei și tehnologiei. [w2]

Ce este medicina?

Dicționarul explicativ al limbii române oferă pentru medicină următoarea definiție:

Medicina = “Știință care are ca obiect păstrarea și restabilirea sănătății și care studiază în acest scop procesele fizice, chimice și biologice ale vieții, structurile și funcțiile organismului, cauzele și mecanismele de producere a bolilor, precum și mijloacele de diagnosticare, tratare și prevenire a lor”. [w3]

1.1 Componentele practicii medicale

În continuare vor fi definite și prezentate grafic principalele componente ale vieții medicale. Reprezentarea grafică este o formă sintetică a abordării sistemice de natură informațională. Componentele abordate sunt majore, alte componente, cum ar fi monitorizarea ori protezarea, pot fi considerate subdomenii ale celor explicate mai jos cum ar fi diagnoza în cazul monitorizării, respectiv terapia în cazul protezării.

Pornind de la definiție medicinei, putem clasifica medicina în funcție de modul de abordare a stării de sănătate a organismului în trei componente majore:

1. Profilaxie (fig. 1.1) = ansamblul măsurilor medico-sanitare impuse pentru prevenirea apariției și a răspândirii bolilor. [w4]

În practica medicală contemporană accentul cade pe măsurile de tratament profilactic deoarece numărul cazurilor de îmbolnăvire scade dramatic,la fel și suferința oamenilor și costurile destinate sănătății. Impactul social al unei politici profilactice corecte și coerente este major și impune profilaxia în avangarda preocupărilor din managementul sănătății.

Fig. 1.1 Abordare sistemică sintetică a profilaxiei.

2. Diagnoză (fig. 1.2) = ansamblul de investigații clinice si paraclinice ce au ca obiectiv definirea stării patologice a unui pacient. [w5]

Fig. 1.2 Abordare sistemică sintetică a diagnozei.

3. Terapie (fig. 1.3) = ansamblul metodelor întrebuințate pentru a lupta împotriva unei boli având ca scop vindecarea. [w6]

Fig. 1.3 Abordare sistemică sintetică a terapiei.

Științele de graniță cu un rol important în dezvoltarea medicinei

Sunt mai multe științe de graniță implicate în dezvoltarea medicinei, două dintre acestea prezentând o utilitate deosebită in ceea ce privește subiectul tezei.

Din punctul de vedere al abordării sistemice un rol deosebit îl are biofizica, aceasta fiind deosebit de utilă în ceea ce privește elaborarea modelelor matematice și identificarea fenomenelor fizice.

Biofizica = studiază fenomenele fizice implicate în funcționarea sistemelor vii, știința ce utilizează principii fizico-chimice, precum si aparatul matematic asociat acestora pentru cercetarea fenomenelor lumii vii. [1]

Psihofizica = disciplină care studiază raporturile dintre fenomenele psihice și fizice pe bază de observație și de experiment. [w7]

Psihofizica a permis apariția tehnicilor de stimulare cerebrală și dezvoltarea teoriilor medicale holiste.

1.1.1 Abordare sistemică a proceselor implicate în activitatea medicală (Abordare sistemică a laturilor activității medicale)

Teoretic aceste trei laturi ale practicii medicale acoperă întreg spectrul practicii medicale. Se va încerca o forma de abordare sistemică detaliată exemplificativă a ceea ce înseamnă fiecare componentă, și în continuare un mod de relaționare sistemică intre cele trei componente.

Abordarea sistemică în practica medicală are un rol definitoriu în standardizarea proceselor și procedurilor, precum si reprezentarea lor în procesul de dezvoltare a instrumentației medicale. De asemeni, putem vorbi de o apropiere de sistemele informatice, care dețin un rol din ce în ce mai important în toate laturile practicii medicale. Se simplifică foarte mult și construcția de software cu aplicabilitate în acest domeniu.

Trebuie remarcat și rolul educațional și comercial (și nu numai) al abordării sistemice.

Un exemplu este utilitatea deosebită a abordării sistemice în ceea ce privește managementul spitalelor, a stabilirii bugetelor mediilor spitalicești precum și circuitul decizional al medicilor în raport cu pacienții.

Înainte de a aborda sistemic un proces medical este necesar a se stabili dacă acesta este un sistem – deci dacă răspunde pozitiv componentelor definite în conceptul de “sistem”.

Sistemul constă în mulțimea de elemente componente, în ansamblul relațiilor dintre aceste elemente structurate multinivelar si ierarhic si în constituirea unei integralități specifice, ireductibile la componentele sau chiar la relațiile individuale dintre ele. Sistemul este ireductibil la componentele sale, în măsura în care se constituie ca o totalitate de elemente interdependente. [2]

Sistemul cuprinde, citez ( Mielu Zlate – Introducere în psihologie, editura Polirom 2007, capitolul 2.1 Conceptul de „sistem” ) [3] :

„- trei categorii de mărimi (de intrare, de stare, de ieșire), cu topologia lor distinctă: raportul dintre mărimile de intrare, unele asimilabile, altele neasimilabile sau chiar perturbatoare, dau coeficientul de complexitate al sistemului; mărimile de stare sunt cele din interacțiunea cărora se creează o configurație diferențială sau difuză; mărimile de ieșire sunt constituite din produsele sistemului, din rezultatele apărute ca urmare a funcționalității lui concrete;

– relațiile dintre cele trei categorii de mărimi: acestea pot fi interstructurale (între structuri) sau intrastructurale (între elementele structurilor). Cea mai importantă relație dintr-un sistem este conexiunea inversă sau feed-back-ul, acesta constând în acțiunea mărimilor de ieșire asupra celor de intrare fie pentru a le îndepărta, fie pentru a le readuce la starea inițială;

– activitățile sau comportamentele (substanțiale, energetice, informaționale): modul în care sistemul interacționează cu mediul sau efectele acestei interacțiuni atât asupra sistemului, cat si asupra mediului;

– organizarea, dată de ansamblul proprietăților comportamentelor sistemului;

– structura, ca aspectul organizării constant în timp, baza comportamentului relativ permanent al sistemului;

– subsisteme, constituite din structuri si activități mai simple, dispunând, la rândul lor, de aceleași comportamente si particularități enumerate pana acum;

– stări distincte rezultate din valorile constitutive si calitative specifice caracteristicilor sistemului la un moment dat; din acest punct de vedere, considerând parametrii de stare ai sistemului la un moment dat obținem un profil de stare generalizat sau parțial, iar din parametrii de transformare se determină profilurile fizice constatative (care înregistrează transformările pe măsură ce se produc) sau predictiv-deductisistemică în practica medicală are un rol definitoriu în standardizarea proceselor și procedurilor, precum si reprezentarea lor în procesul de dezvoltare a instrumentației medicale. De asemeni, putem vorbi de o apropiere de sistemele informatice, care dețin un rol din ce în ce mai important în toate laturile practicii medicale. Se simplifică foarte mult și construcția de software cu aplicabilitate în acest domeniu.

Trebuie remarcat și rolul educațional și comercial (și nu numai) al abordării sistemice.

Un exemplu este utilitatea deosebită a abordării sistemice în ceea ce privește managementul spitalelor, a stabilirii bugetelor mediilor spitalicești precum și circuitul decizional al medicilor în raport cu pacienții.

Înainte de a aborda sistemic un proces medical este necesar a se stabili dacă acesta este un sistem – deci dacă răspunde pozitiv componentelor definite în conceptul de “sistem”.

Sistemul constă în mulțimea de elemente componente, în ansamblul relațiilor dintre aceste elemente structurate multinivelar si ierarhic si în constituirea unei integralități specifice, ireductibile la componentele sau chiar la relațiile individuale dintre ele. Sistemul este ireductibil la componentele sale, în măsura în care se constituie ca o totalitate de elemente interdependente. [2]

Sistemul cuprinde, citez ( Mielu Zlate – Introducere în psihologie, editura Polirom 2007, capitolul 2.1 Conceptul de „sistem” ) [3] :

„- trei categorii de mărimi (de intrare, de stare, de ieșire), cu topologia lor distinctă: raportul dintre mărimile de intrare, unele asimilabile, altele neasimilabile sau chiar perturbatoare, dau coeficientul de complexitate al sistemului; mărimile de stare sunt cele din interacțiunea cărora se creează o configurație diferențială sau difuză; mărimile de ieșire sunt constituite din produsele sistemului, din rezultatele apărute ca urmare a funcționalității lui concrete;

– relațiile dintre cele trei categorii de mărimi: acestea pot fi interstructurale (între structuri) sau intrastructurale (între elementele structurilor). Cea mai importantă relație dintr-un sistem este conexiunea inversă sau feed-back-ul, acesta constând în acțiunea mărimilor de ieșire asupra celor de intrare fie pentru a le îndepărta, fie pentru a le readuce la starea inițială;

– activitățile sau comportamentele (substanțiale, energetice, informaționale): modul în care sistemul interacționează cu mediul sau efectele acestei interacțiuni atât asupra sistemului, cat si asupra mediului;

– organizarea, dată de ansamblul proprietăților comportamentelor sistemului;

– structura, ca aspectul organizării constant în timp, baza comportamentului relativ permanent al sistemului;

– subsisteme, constituite din structuri si activități mai simple, dispunând, la rândul lor, de aceleași comportamente si particularități enumerate pana acum;

– stări distincte rezultate din valorile constitutive si calitative specifice caracteristicilor sistemului la un moment dat; din acest punct de vedere, considerând parametrii de stare ai sistemului la un moment dat obținem un profil de stare generalizat sau parțial, iar din parametrii de transformare se determină profilurile fizice constatative (care înregistrează transformările pe măsură ce se produc) sau predictiv-deductive (care anticipează transformările);

– finalități proprii, referitoare la utilizarea adecvată a influențelor din mediul extern în vederea realizării scopurilor, la menținerea unei stări de echilibru sau la trecerea la forme mai bune de organizare.” [3]

Orice sistem conține, în principal, trei subansambluri: substanțial (care vizează numărul si natura elementelor constitutive), structural (se referă la mulțimea si tipul relațiilor de interacțiune dintre elementele componente) si funcțional (are în vedere acțiunile realizate de sistem ca răspuns la solicitările mediului). Am putea spune că primul subansamblu reprezintă anatomia sistemului, cel de-al doilea fiziologia lui, iar ultimul, mecanismul de coechilibrare dinamică a sistemului cu întreg mediul ambiant. [3]

Plecând de la cele de mai sus putem să ne întrebăm dacă de exemplu o componenta fizică sau psihică a organismului uman împreună cu procesele ce o însoțesc reprezintă un sistem sau nu. Dacă răspunsul este afirmativ, atunci se poate construi modelul sistemului. Acesta, odată construit, putem stabili modul în care putem interacționa pentru a obține un anumit rezultat. Mai mult, putem să construim un algoritm procedural prin care pornind de la anumite stări, să trecem la o alte stări prin simpla repetare a algoritmului.

In figura 1.4, 1.5 și 1.6 sunt prezentate principalele laturi ale practicii medicale sub forma unor sisteme de tip informațional sau de tip „black-box” (din engleză – „cutie neagră”) cu mărimi de intrare și de ieșire evidențiate separat. Relația de cauzalitate este unidirecțională dinspre mărimile de intrare spre mărimile de ieșire existente pe aceeași linie.

De exemplu, existența unor boli transmisibile în proximitatea geografică a locurilor în care trăiește și își desfășoară activitatea o persoană conduce prin procesul de profilaxie la elaborarea unor reguli de prevenție specifice cum ar fi reguli stricte de igienă ori vaccinarea acelei persoane (figura 1.4). Putem spune că prin procesul de cauzalitate unidirecțional, profilaxia este o funcție. În acest mod putem chiar stabili o relație matematică între mărimile de intrare și cele de ieșire sub forma:

Profilaxie(existența unor boli transmisibile în proximitate) = măsuri de igienă, vaccinare (1.1)

În aceeași manieră putem extrapola abordarea de tip informațional către diagnoză și tratament. De exemplu nedistingerea sunetelor slabe ca intensitate ce pot fi percepute de către o persoană cu auz normal duce prin procesul de diagnoză la verdictul primar de hipoacuzie (figura 1.5). Stabilirea cauzelor hipoacuziei fac obiectul unor procese ulterioare de diagnoză.

Diagnoză(lipsa percepției sunetelor slabe ca intensitate) = hipoacuzie (1.2)

Din figura 1.6 putem spune că dacă se observă creșterea alarmantă a glicemiei a unui diabetic, prin procesul de terapie i se administrează acestuia hipoglicemiante orale sau insulină injectabil, în funcție de tipul de diabet de care suferă pacientul.

Terapie(creșterea alarmantă a glicemiei la un diabetic) = administrarea de hipoglicemiante specifice tipului de diabet (1.3)

Trecerea de la conceptul informațional la cel structural al laturilor medicale ar trebui să fie un obiectiv fundamental în managementul vieții medicale și al sănătății. Abordarea sistemică structurală este primul pas în elaborarea de proceduri eficiente ce ar putea să guverneze activitățile de natură medicală. Nu în ultimul rând, acest lucru ar putea să permită dezvoltatorilor de dispozitive medicale să își dirijeze producția in sensul creșterii calității actului medical și al acoperirii zonelor cu suport scăzut din partea ingineriei medicale și al cunoașterii insuficiente a actului medical de către specialiștii în inginerie medicală.

Fig. 1.4 Abordare sistemică exemplificativă a profilaxiei.

Fig. 1.5 Abordarea sistemică exemplificativă a diagnozei

Fig. 1.6 Abordarea sistemică exemplificativă a terapiei

1.2 Necesitatea abordării sistemice a activităților medicale și a proceselor interne ale organismului uman

In figura 1.7 am încercat să stabilesc o relație sistemică intre laturile practicii medicale și procesele de reglare internă ale organismului uman. Se observă că perturbațiile afectează procesul de reglare dar în același timp sunt și sursă de informații pentru stabilirea procedurilor de prevenție a bolilor. Eficiența și corectitudinea proceselor de reglare sunt observate prin diagnoză (mai precis prin subcomponenta de monitorizare). Procesul de diagnoză oferă informații necesare în terapie, atât pentru alegerea metodelor terapeutice cât și pentru evaluarea permanentă a eficienței procesului terapeutic.

În ceea ce privește dimensiunile timpilor de interacțiune, precum și gradul de reacție și tipul de reacție ales, sunt complet dependente de tipul de disfuncționalitate și gradul în care acesta pune în pericol funcțiile vitale ale organismului uman, și dacă pericolul este imediat sau nu.

Reglajul aplicat asupra proceselor interne ale organismului uman se referă la varietatea de moduri în care corpul uman menține o stare de echilibru interior. Inițierea proceselor de reglare are loc ca urmare a stimulilor care provoacă reacții la aceștia, fie în interiorul sistemului fie în mediul său extern. Procesul de reglare implică mecanisme necesare pentru monitorizarea și controlul continuu al anumitor stări și variabile cu ajutorul feedback-ului.

Identificarea factorilor de perturbație sunt moduri ale corpului prin care se indică faptul că există o întrerupere în procesul de autoreglare, în general, cauzat de o schimbare care apare pe plan intern sau extern. Răspunsurile apar în mod subconștient prin declanșarea mecanismelor de autoreglare, acțiuni care au ca scop gestionarea problemelor pe care le cauzează perturbația. Poluarea, căldura, frigul sunt exemple de stres provenite din mediul înconjurător, în timp ce schimbările ce au loc în nivelurile de electroliți, în respirația ori în ritmul cardiac sunt exemple de cauze interne.

Figura 1.7 Un mod de relaționare sistemică a componentelor practicii medicale.

Trebuie menționat faptul că întregul proces intern de reglare al organismului uman este automat și de el depinde funcționarea în parametri și menținerea stării de sănătate și, implicit, a vieții.

Se știe că unul din fondatorii teoriei generale a sistemelor este renumitul biolog Ludwig von Bertalanffy. Studiul organismelor vii a stat practic la baza definirii și reprezentării sistemelor. Abordarea sistemică a proceselor biologice, și, în particular, a proceselor organismului uman sunt deci normale și definitorii pentru explicarea și descrierea proceselor biologice.

În figura 1.8 se regăsesc toate elementele specifice sistemelor de reglare automata cu feedback (reacție – din limba engleză). Procesele interne sunt monitorizate cu ajutorul unor senzori care oferă informații despre starea acestor procese. Informațiile oferite de senzori sunt transportate de către sistemul nervos (prin intermediul căilor nervoase aferente) dacă este vorba despre informații de natură electrică, sau de către sistemul circulator (prin vasele de sânge) dacă este vorba despre informații de natură chimică (cum ar fi hormonii).

Informațiile provenite de la senzori sunt comparate cu mărimile (sau intervalele) de referință intrinseci ale organismului uman. Daca mărimea parametrului procesului oferit de către informația dată de senzor este diferită de cea de referință sau în afara intervalului de referință, atunci ia naștere stimulul. Stimulul este semnalul de alarmă dat către sistemul nervos central ce evidențiază faptul că procesul intern nu se derulează în parametri normali. Nu de puține ori senzorul, comparatorul și referința sunt parte a unei singure structuri fizice și poate fi localizat acolo unde poate monitoriza procesul – fizic poate fi localizat oriunde, chiar și în creier.

Sistemul nervos central (SNC) primește informația de alarmare prin stimuli. Aceștia ajung la centrul de decizie prin căile aferente nervoase ori circulatorii conectate la receptorii sistemului nervos. După recepționarea stimulului, centrul decizional va stabili o procedură de reabilitare a procesului ieșit din normalitate și va genera o serie de comenzi pentru a corecta abaterile. Algoritmul decizional este parte a sistemului nervos central și este moștenit genetic în cea mai mare parte. O parte a algoritmului este datorat experienței de viață a individului.

Figura 1.8 Descrierea sistemică a reglării variabilelor proceselor interne.

Comenzile centrului decizional se opresc atunci când stimulii dispar, deci, se atinge o stare de normalitate a procesului monitorizat. Același proces poate avea asociați mai mulți senzori specializați în monitorizarea diferitelor variabile ale procesului.

Comenzile sunt generate sub formă de informații electrice sau chimice și sunt transportate către elementele de execuție asociate procesului prin căile nervoase eferente (electric), respectiv prin vasele de sânge ale sistemului circulator (chimic). Efectorii (elementele de execuție) sunt organe care acționează sub comanda sistemului nervos central la stimuli externi sau interni primiți de organele receptoare. [w9] Ei pot fi, de exemplu, mușchi, glande endocrine, etc. Modul în care aceștia acționează asupra proceselor interne ale organismului uman vor fi abordate mai pe larg în capitolul 4.

Toate cele de mai sus au descris un sistem de reglare automată după abatere, utilizând feedback-ul negativ. Așa arată majoritatea sistemelor de reglare automată ce iau naștere în organismul uman odată cu ieșirea din normalitate a unui proces intern. În mod asemănător pot fi abordate sistemele ce iau naștere la apariția stimulilor generați de senzorii ce monitorizează variabilele mediului extern organismului.

1.3 Ingineria medicală

Ingineria Medicală cuprinde o gamă largă de activități, și se numește alternativ Bioinginerie medicală (în nomenclatorul CAEN de meserii) sau Inginerie biomedicală (in Statele Unite ale Americii). Este un domeniu multidisciplinar care integrează activitățile de inginerie profesionale cu o cunoaștere medicală de bază a corpului uman și o înțelegere a modului în care funcționează atunci când este sănătos, bolnav sau rănit. [w8]

Conform definiției dată de către BECON (Bioengineering Consortium), Bioingineria medicală integrează principiile fizicii, chimiei, matematicii și pe cele inginerești pentru studiul biologiei, medicinei, comportamentului sau sănătății. Bioingineria creează concepte fundamentale și cunoștințe de la nivel molecular până la nivel sistemic și dezvoltă noi produse biologice, materiale, procese, implanturi și produse informatice pentru prevenirea, diagnosticul și tratamentul bolilor, pentru reabilitarea pacientului și creșterea gradului de sănătate.[w12]

Bioingineria sau ingineria medicală s-a consacrat recent ca o disciplină de sine stătătoare, comparativ cu alte domenii inginerești; o asemenea evoluție este specifică domeniilor interdisciplinare care reușesc să se desprindă de celelalte specializări deja cunoscute. O mare parte din studiul bioingineriei constă în cercetare și dezvoltare într-un domeniu foarte larg de subdomenii. Aplicațiile bioinginerești principale includ realizarea de proteze biocompatibile, dispozitive medicale de diagnostic și tratament care variază de la echipamente clinice la microimplanturi, echipamente imagistice cum ar fi RMN-urile, biotehnologie cum ar fi regenerarea și creștere de țesuturi și medicamentele de biosinteză și sinteză. [w11]

1.3.1 Subdomeniile ingineriei medicale

Bioingineria este un domeniu interdisciplinar care este influențat de diferite domenii inginerești și medicale. Acest lucru este specific disciplinelor noi care au evoluat din aplicațiile extinse ale altor discipline într-un domeniu de sine stătător. Mulțumită acestei diversități, este tipic pentru bioinginerie să-și îndrepte atenția către un anumit subdomeniu sau un grup de subdomenii care sunt interconectate. The Biomedical Engineering Society (BMES) împarte subdomeniile ingineriei medicale astfel: [w12]

Electronică biomedicală

Electronica biomedicală se ocupă cu proiectarea și realizarea de dispozitive electronice cu aplicabilitate în practica medicală modernă. Aceste dispozitive variază în complexitate de la simplu, cum ar fi stimulatorii nervoși, pompele de perfuzie ori termometre electronice, la foarte complexe, cum ar fi sistemele de imagistica (RMN, tomograf), monitorizare pentru terapie intensivă și sisteme de telemetrie, lasere chirurgicale, plămâni și inimă artificiale utilizate în procedurile chirurgicale, aparatură pentru hemodializă și multe altele.

Biomecatronică

Biomecatronica este o știință interdisciplinară aplicată cu scopul de a integra elemente mecanice, electronice și părți de organisme biologice. Biomecatronica include aspecte legate de biologie, mecanică și electronică. Aceasta cuprinde, de asemenea, domeniile de robotică și neurologie. Scopul acestor experimente este de a facilita interacțiunea dispozitivelor cu țesutul muscular, schelet, și sistemul nervos. Rezultatul final este realizarea de dispozitive de protezare inteligente care vor permite controlul funcțiilor motorii umane pierdute sau afectate de traume, boli sau defecte din naștere.

Biomecanică

Biomecanica reprezintă aplicarea mecanicii clasice (statica, dinamica, fluide, solide, termodinamica) în biologie sau medicină. Acesta include studiul mișcării, deformării materialelor, deplasării fluidelor în interiorul corpului și în dispozitive, și transportul de constituenți chimici în mediile biologice și sintetice și membrane. Progresul în biomecanică a condus la dezvoltarea a inimii si a valvelor cardiace artificiale, precum și o mai bună înțelegere a funcțiilor cardiace si pulmonare, a vasele de sânge și capilare, a oaselor, a cartilajelor, a discurilor intervertebrale, a ligamentelor și tendoanelor sistemelor musculo-scheletice.

Bioinstrumentație

Bioinstrumentatie constă în aplicarea de produse electronice și de măsurare pentru a dezvolta dispozitive utilizate în diagnosticul și tratamentul bolii. Computerele sunt o parte esențială a bioinstrumentației, de la microprocesorul utilizat într-un instrument utilizabil într-o singură aplicație, folosit pentru a face o varietate de sarcini simple până la microcomputerul necesar pentru a procesa volumul mare de informații dintr-un sistem de imagistică medicală.

Biomateriale

Biomaterialele includ atât țesut viu cât și materiale artificiale utilizate pentru implantare. Înțelegerea proprietăților și comportamentului materiei vii este vitală în designul materialelor de implant. Selectarea materialului adecvat pentru implantarea în corpul uman poate fi una dintre cele mai dificile sarcini cu care se confruntă inginerul biomedical. Anumite aliaje metalice, ceramice, polimeri și compozite au fost folosite ca materiale implantabile. Biomateriale trebuie să fie non-toxice, non-cancerigene, chimic inerte, stabile, și mecanic suficient de puternice pentru a rezista forțelor la care sunt supuse de-a lungul întregii vieți. Biomateriale mai noi chiar incorporează celule vii pentru a oferi o compatibilitate adevărată biologică și mecanică cu țesutul viu.

Bionică

Bionica este punerea în aplicare a metodelor și sistemelor biologice ce se găsesc in natură pentru studiul și proiectarea de sisteme de inginerie și tehnologie modernă.

Ingineria tisulară

Ingineria tisulară este o componentă majoră a Biotehnologiei. Unul dintre rolurile ingineriei tisulare este de a crea organe artificiale (folosind materiale biocompatibile) pentru pacienții care au nevoie de transplant de organe. Bioinginerii cercetează noi metode de a crea astfel de organe. Cercetătorii au reușit să crească mandibule și trahei cu structuri asemănătoare cu cele biologice naturale din celule stem umane. De asemenea vezici urinare artificiale au fost crescute în laboratoare și transplantate cu succes pacienților. Organele bioartificiale care folosesc atât componente sintetice cât și biologice reprezintă un subiect de cercetare, cum ar fi dispozitivele care facilitează funcția hepatică prin folosirea celulelor hepatice într-un bioreactor artificial [w13].

Ingineria genetică

Ingineria genetică, recombinarea ADN, modificarea/manipularea genetică și separarea genelor sunt termeni folosiți pentru a descrie modificările posibile asupra genelor unui organism. Ingineria genetică este diferită de formele tradiționale de modificare a structurii genetice, unde genele organismului erau manipulate indirect. Ingineria genetică folosește tehnici de clonare și transformare moleculară pentru a schimba structura și caracteristicile genelor în mod direct. Tehnicile de inginerie genetică sunt folosite cu succes în numeroase aplicații. Câteva exemple sunt: îmbunătățirea tehnologiilor de realizare a recoltelor, obținerea insulinei sintetice folosind bacterii modificate genetic, obținerea eritropoietinei în celulele ovariene la hamsteri și modificarea genetică a șoarecilor de laborator pentru a simula cancerul pentru cercetare [4].

Ingineria clinică

Ingineria clinică este o ramură a bioingineriei medicale care se ocupă cu implementarea echipamentelor medicale și a tehnologiilor în spitale și clinici. Rolul principal al bioinginerilor din acest domeniu de activitate este cel de a antrena și superviza tehnicienii care lucrează cu aparatura medicală, dar și de a alege produsele/serviciile și de a asigura instalarea și folosirea lor adecvată prin colaborarea cu oficiali guvernamentali (inspectori), oferire de consultanță specializată pentru alți membrii ai structurii spitalului (medici, administratori, specialiști IT). Bioinginerii trebuie, de asemenea, să se consulte cu producătorii de dispozitive medicale în vederea îmbunătățirii dispozitivelor bazându-se pe experiența clinică, dar și să urmărească progresul tehnologic astfel încât să prevină îmbătrânirea morală a dispozitivelor medicale [5].

Imagistica medicală

Imagistica medicală este un subdomeniu important al dispozitivelor medicale. Rolul acestui domeniu este de a permite investigarea directă și indirectă a organelor care nu sunt vizibile ochiului uman, realizând o analiză a dimensiunilor acestora și a localizării lor în organism. Imagistica medicală presupune folosirea ultrasunetelor, magnetismului, radiațiilor UV, razelor X și a altor tehnici[w14].

Tehnologiile imagistice sunt esențiale pentru diagnoza medicală iar dispozitivele medicale folosite sunt aparate complexe cum ar fi cele utilizate în fluoroscopie, în rezonanța magnetică nucleară, în tomografia cu emisie de pozitroni (PET scan), în tomografia computerizată (CT scan), în ecografie, în microscopia optică ori în microscopia electronică.

Bioinginerie ortopedică

Bioingineria ortopedică este o specialitate ce are la bază ingineria și mecanica computațională care sunt aplicate pentru a înțelege funcțiile oaselor, articulațiilor și ale mușchilor, și pentru proiectarea de proteze artificiale ale acestora. Bioinginerii ortopedici analizează frecarea, ungerea și caracteristicile articulațiilor naturale și artificiale; ei efectuează analize de stres a sistemului musculo-scheletic; dezvoltă biomateriale artificiale (biologice și sintetice) de înlocuire a oaselor, cartilajelor, ligamentelor, tendoanelor, a meniscului și a discurilor intervertebrale. Bioingineria ortopedică continuă, de asemenea, studii fundamentale asupra funcției celulare, și transmiterea semnalului mecanic.

Ingineria reabilitării

Ingineria reabilitării este un domeniu de specialitate în plină dezvoltare a ingineriei biomedicale. Inginerii de reabilitare au ca scop sporirea capacităților și îmbunătățirea calității vieții pentru persoanele cu deficiențe fizice și/sau cognitive. Inginerii de reabilitare sunt implicați în protetica și în proiectarea tehnologiilor de asistență pentru îmbunătățirea stărilor de relaxare și de poziționare, mobilitate, și de comunicare specifice persoanelor cu dizabilități fizice. Inginerii de reabilitare dezvoltă, de asemenea, hardware-ul și software-ul de calculator necesar adaptării și asistării cognitive pentru a ajuta persoanele cu dificultăți de cunoaștere.

Fiziologia sistemelor

Fiziologia sistemelor descrie ramura ingineriei biomedicale în care strategiile de inginerie, tehnici și instrumente sunt folosite pentru a obține o înțelegere cuprinzătoare și integrată a funcțiilor organismelor vii variind de la bacterii la om. Modelarea pe calculator este utilizată în analiza datelor experimentale și în formularea descrierilor matematice ale evenimentelor fiziologice. In cercetare, modelele de predicție sunt folosite în proiectarea de noi experimente pentru a rafina cunoștințele noastre. Sistemele vii au sisteme de control de feedback care pot fi examinate cu tehnici de investigare extrem de avansate. Exemple sunt biochimia metabolismului și controlul mișcărilor membrelor.

Bionanotehnologie

Această disciplină indică fuziunea dintre cercetarea biologică cu diverse domenii ale nanotehnologiei. Conceptele îmbunătățite prin nanobiologie includ: nanodispozitive, nanoparticule, și fenomene la scara nanometrică care au loc în ucenicul de nanotehnologiei. Această abordare tehnică pentru biologie permite oamenilor de știința sa-si imagineze și să creeze sisteme, utilizate pentru cercetare biologică. Nanotehnologia folosește sistemele biologice ca sursa de inspirație pentru tehnologiile ce urmează a fi dezvoltate. Putem învăța din structura complexă și perfectă a sistemelor vii create in mod natural în milenii de evoluție.

Inginerie neuronală

Ingineria neuronală este o disciplină care folosește tehnici inginerești pentru a înțelege,a repara, a înlocui sau îmbunătăți sistemul neuronal. Bioinginerii care lucrează în acest domeniu sunt calificați special pentru a rezolva problemele care apar la interfața țesut neuronal-structuri artificiale.

De asemenea există o clasificare a subdomeniilor din bioinginerie prin asocierea cu domeniile inginerești mai cunoscute: [w11]

Inginerie chimică – include ingineria biochimică, celulară, moleculară și tisulară, biomateriale și biotransport.

Inginerie electrică – include ingineria bioelectrică și neuronală, bioinstrumentația, imagistica medicală, dispozitivele medicale. Acest domeniu tinde să acapareze și optica și ingineria optică – optică biomedicală, imagistica și dispozitivele medicale asociate.

Inginerie mecanică – include biomecanică, biotransport, dispozitive medicale specifice și modelarea sistemelor biologice, cum ar fi mecanica țesuturilor conjunctive.

Biotehnologie și farmaceutice [w11]

Biotehnologia este des considerat un termen ambiguu, câteodată folosit ca un termen similar cu bioingineria medicală; totuși acest termen denotă produse specifice care folosesc „sisteme biologice, organisme vii sau microorganisme”. Chiar și anumite dispozitive medicale complexe pot fi încadrate în această arie a biotehnologiei dacă la baza principiului lor de funcționare stă folosirea unor astfel de sisteme biologice. Biofarmaceuticele (de exemplu vaccinurile), ingineria genetică și anumite aplicații din agricultură sunt unele din principalele subdomenii ale biotehnologiei.

Farmaceuticele au legătură cu biotehnologia prin două căi indirecte: 1) anumite produse se încadrează în ambele domenii de activitate (biofarmaceuticele, antibioticele de biosinteză) și 2) împreună formează aria de bioinginerie medicală care nu se bazează pe dispozitive medicale.

Ingineria farmaceutică

Ingineria farmaceutică este considerată atât o ramură a bioingineriei medicale cât și o ramură a ingineriei chimice; în practică, este considerată un subdomeniu hibrid (așa cum sunt multe din domeniile bioingineriei medicale). În afară de obținerea de produse farmaceutice care folosesc în mod direct substanțe biologic active, chiar și obținerea de medicamente de sinteză necesită cunoștințe din bioinginerie având în vedere interacțiunile fiziologice pe care le provoacă folosirea unor astfel de medicamente[w15].

Dispozitivele medicale [w11]

Reprezintă un domeniu foarte larg incorporând majoritatea produselor medicale care nu-și ating scopul prin metode chimice (exemplu: substanțe farmaceutice) sau biologice (exemplu: vaccinurile) și nu implică metabolismul[w16].

Un dispozitiv medical este folosit în:

Diagnoza unor boli sau alte afecțiuni ale funcțiilor fiziologice.

În tratarea, atenuarea, sau prevenirea bolilor.

Câteva exemple sunt pace-makerele, pompele de infuzie, aparatul cord-pulmon, aparate de dializă, organe artificiale, implanturi, membre artificiale, lentile corective, implanturi cohleare, proteze oculare, proteze de reconstrucție facială și implanturi dentare.

Stereolitografia este un exemplu de tehnică folosită pentru realizarea matrițelor de creare a obiectelor medicale. În afară de crearea modelelor organelor sau ale corpului uman sau crearea dispozitivelor medicale, tehnicile inginerești sunt folosite și pentru cercetarea și dezvoltarea de noi aparate pentru terapii inovative, tratamente, monitorizare a pacientului și diagnosticarea timpurie a maladiilor complexe.

Implanturile [w11]

Un implant este un tip de dispozitiv medical folosit pentru a înlocui și a prelua funcțiile unei structuri biologice care lipsește (spre deosebire de un transplant – țesut biomedical transplantat). Suprafața implantului care intră în contact cu organismul poate fi realizată din materiale biocompatibile cum ar fi titaniu, silicon sau hidroxiapatită [w17] în funcție de cerințele funcționale. În anumite cazuri implanturile pot conține componente electronice, de exemplu pace-maker artificial sau implanturi cohleare. Anumite implanturi sunt bioactive, cum ar fi sistemele subcutanate de eliberare a medicamentelor.

1.4 Concluzii parțiale

Capitolul 2. Stadiul actual al sistemelor automate cu aplicabilitate în terapia medicală

Metode utilizate în terapia medicală

Metodele utilizate în practica medicală sunt multiple si pot fi structurate după mai multe criterii. Cel care este de interes în prezentul raport de cercetare este acela legat de gradul de invazivitate al metodei. Cum în profilaxie si diagnoză sunt utilizate pe scară largă metodele neinvazive, asistate de aparatură medicală avansată, interesantă este dezvoltarea de metode neinvazive în terapia medicală.

În continuare vor fi abordate metode utilizate în terapia medicală, structurate după gradul de invazivitate – criteriu care are un impact major asupra suferinței pacienților și al reușitei unei metode terapeutice.

Din punct de vedere al invazivitații există proceduri (metode) invazive, putin invazive si neinvazive. Rolul sistemelor automate, în special cele construite cu ajutorul electronicii medicale au drept scop fundamental, pe langa cresterea preciziei si a numărului posibilitaților de intervenție procedurală, reducerea gradului de invazivitate (exemplu = laparoscopia).

3.1 Proceduri neinvazive.

O procedură medicală este strict definită ca noninvazivă, atunci când nu există nici o incizie la nivelul pielii și nu există nici un contact cu mucoasa, sau intrare în interiorul organismului prin nici un fel de orificiu fie el artificial sau natural. De exemplu, palparea profundă și percuția sunt noninvazive, dar un examen rectal este invaziv. În mod similar, examinarea timpanului urechii, al cavității nazale sau schimbarea unui pansament la o rană nu se încadrează în definiția strictă a procedurilor neinvazive. Sunt multe proceduri neinvazive, variind de la simpla observare, la forme specializate de chirurgie, cum ar fi radiochirurgia. [w10]

De secole, medicii au utilizat multe metode simple neinvazive bazate pe parametrii fizici, cu scopul de a evalua buna functionare a organismului (examen fizic și de control), cum ar fi luarea pulsului, ascultarea sunetelor cardiace și pulmonare (folosind un stetoscop), examinarea temperaturii (folosind termometre), examinarea respiratorie, vasculară periferică, orală, abdominală, percuție și palpare, măsurarea tensiunii arteriale (folosind sfigmomanometrul), audiometrie, examenul oftalmologic și multe altele.

Descoperirea primelor tehnici moderne neinvazive bazate pe metode fizice, electrocardiografia și investigațiile cu raze X, datează de la sfârșitul secolului al 19-lea. Cum in terapie nu se poate lucra asistat fără echipament de monitorizare (utilizat și în diagnoză), vor fi prezentate in continuare si imagistica si semnalele electrice ce sunt utilizate atât in diagnoză cât și in terapie.

3.2 Proceduri minim invazive

O procedură invazivă minimă este orice procedură (chirurgicale sau altfel), care este mai puțin invazivă decât chirurgia deschisă folosită în același scop. O procedură invazivă minimă implică de obicei, utilizarea de dispozitive laparoscopice de manipulare și control de la distanță a instrumentelor cu observarea indirectă a procesului chirurgical prin intermediul unui endoscop sau dispozitive similare, si sunt realizate prin piele sau printr-o cavitate a corpului sau canal anatomic. Acest lucru poate duce la spitalizări de scurtă durată, sau permit tratamentul ambulatoriu. Cu toate acestea, siguranța și eficacitatea fiecărei proceduri trebuie să fie demonstrată cu studii randomizate controlate . Termenul a fost inventat de John EA Wickham în 1984, care a scris de el în British Medical Journal în 1987. O procedură invazivă minimă este diferită de o procedura noninvazivă, cum ar fi imagistica externă în loc de intervenția chirurgicală exploratorie. Când există pagube minime ale țesuturilor biologice la punctul de intrare al instrumentelor medicale, procedura se numeste minim invaziva .

3.2.1 Tehnica inciziei minimale

Tehnica inciziei chirurgicale minime este o tehnică de specialitate practicat de unii medici pentru a elimina mase sau excrescențe cu minim de cicatrici și timp de recuperare redus. Cei mai mulți chirurgi, de obicei, practică o incizie de 3/4 din întreaga lungime a masei ce trebuie accesată sau eliminată. Cu tehnica de incizie minima aceasta se reduce la 1/10 din dimensiunea masei de bază. Această tehnică este utilă pentru chisturi sau lipoame .

3.2.2 Beneficii

Procedurile minim invazive provoacă mai puțină durere si cicatrici, crește viteza de recuperare, și reduce incidența complicațiilor post-chirurgicale, cum ar fi adeziunile . Un alt avantaj major este utilizarea tehnicilor anestezice locale în multe din aceste situatii, sau eliminarea preanesteziilor.

3.2.3 Echipament

Echipamente medicale Speciale pot fi utilizate, cum ar fi fibra optică, camere video miniaturale și instrumente chirurgicale dirijate prin tuburi introduse în organism prin incizii mici. Imaginile din interiorul corpului sunt transmise la un monitor video extern și chirurgul are posibilitatea de a face un diagnostic, identificând vizual caracteristicile interne și acționând asupra lor chirurgical.

3.3 Proceduri invazive (chirurgie deschisă)

O procedură invazivă este una care penetrează ori rupe pielea sau intră într-o cavitate a corpului. Exemple de proceduri invazive includ pe cele care implică perforație, o incizie, un cateterism, sau alte pătrunderi în corp. Chirurgia este o procedură medicală invazivă tipică. O intervenție chirurgicală deschisă înseamnă tăierea pielii și a țesuturilor, astfel încât chirurgul are acces direct la structurile sau organele implicate. Structurile și țesuturile implicate pot fi văzute și pipăite, și acestea sunt direct expuse la aerul din sala de operație. Exemple ale chirurgiei deschise includ prelevarea de organe, cum ar fi vezica biliara (deși colecistectomia se face acum în cea mai mare parte laproscopic) sau rinichiul, și cele mai multe tipuri de chirurgie cardiacă și neurochirurgie . Chirurgia deschisă implică incizii mari, în care țesuturile sunt expuse la mediul extern organismului.

Instrumentație implicată în terapia medicală

Putem clasifica instrumentația implicată în terapia medicală în 2 mari categorii:

clasică (convențională) – utilizată în procedurile directe

bazată pe tehnologii avansate – utilizată în procedurile indirecte, având la bază elemente de tehnologie a informației, construite cu ajutorul electronicii medicale

Evoluțiile din domeniul tehnologiei electronicii au oferit aplicații noi și îmbunătățite, în special în zonele de înregistrare și de analiză a datelor și tehnologiei imagistice.

Ce este electronica medicala?

O ramură a electronicii în care instrumentele electronice și echipamentele sunt utilizate pentru aplicații medicale, cum ar fi cele de diagnostic, terapie, cercetare, controlul anesteziei, control cardiac, chirurgie, etc.

În esență putem vorbi despre electronică aplicată în medicină în dispozitive electrice medicale. Dispozitivele medicale au rol de diagnoză, terapie, asistare.

Dispozitivele medicale pot fi:

1. Dispozitive pentru diagnosticare – dispozitive care ajuta medicul să facă diagnosticarea pacientului.

2. Dispozitive terapeutice pot fi:

– Dispozitive utilizate pentru tratarea tulburărilor

– Dispozitive pentru a asista sau controla funcțiile fiziologice

Definiția dispozitivelor medicale de către UE (MDD 93/42/CEE)

Orice instrument, aparat, material sau alt articol, utilizate separat sau în combinație, inclusiv software-ul necesar pentru aplicarea lor corespunzătoare destinat de către producător să fie folosit în beneficiul ființelor umane cu scopul de:

– Diagnosticare, prevenire, monitorizare, tratament sau ameliorare a unei afecțiuni,

– Diagnosticare, monitorizare, tratament, ameliorare sau compensarea pentru o vătămare cu handicap,

– Investigarea, înlocuirea sau modificarea anatomiei sau a unui proces fiziologic care nu realizează acțiunea principală în sau pe organismul uman prin mijloace farmacologice, imunologice sau metabolice, dar care poate fi sprijinit în îndeplinirea funcției sale prin astfel de mijloace

În concluzie putem vorbi despre instrumente construite cu ajutorul electronicii medicale destinate tuturor celor 3 componente majore ale medicinei. Cazul ideal este acela în care putem utiliza aparatură din zona P-D-T ( fig. 4.1 ), sau (sub)componente care să facă parte din acest areal, gradul de dezvoltare, standardizare, scalabilitate și costurile ar fi optime.

Mai mult, putem să afirmăm faptul că utilizarea electronicii medicale duce invariabil la dezvoltarea de proceduri biomedicale noninvazive, indirecte, precise – la o rată de succes foarte mare, cu o suferință minimă din partea pacienților.

Fig. 4.1 “Întrepătrunderea” domeniilor medicale

Capitolul 3. Contribuții la dezvoltarea unui echipament pentru înregistrarea activității electrice a creierului

Electroencefalografia este o metodă electrofiziologică de explorare a sistemului nervos central, constând în înregistrarea biocurenților câmpurilor transcraniene la nivelul tegumentelor și înregistrarea grafică a acestora în timp sub forma de unde.

http://ro.wikipedia.org/wiki/Electroencefalografie

Electroencefalografia (EEG) reprezintă o tehnica de înregistrare si interpretare a activității electrice a creierului. Electroencefalograma (EEG) reprezintă înregistrarea, in timp, a activității electrice cerebrale. Captarea se face prin intermediul unor electrozi așezați pe scalp, cuplați la un aparat numit electroencefalograf.

Activitatea cerebrala se bazează pe conexiunile si comunicarea dintre neuroni, ce se realizează prin transmiterea unor mici semnale electrice, denumite impulsuri electrice. Acestea creează potențiale electrice care sunt recepționate de electrozi amplasați pe scalp, iar traseele înregistrate pe electroencefalograma reprezintă variația diferențelor de potențial dintre perechile de electrozi selectate de examinator.

Reprezentata grafic, activitatea electrica cerebrala se înscrie prin anumite succesiuni de unde sinusoidale sau ascuțite, sincrone sau asincrone, ritmice sau aparent aleatorii, ce permit caracterizarea traseului ca fiind fiziologic (normal) sau cu modificări lezionale ori iritative (patologic).

Fig.

Electroencefalograma se efectuează cu aparate speciale (electroencefalograf – EEG), in clinici specializate, interpretarea traseului fiind efectuata de medicul neurolog având competenta in neurofiziologie. Se pot efectua : examinare EEG standard, video EEG, înregistrare EEG ambulatorie sau polisomnografie.

Electroencefalograma standard presupune înregistrare in stare de veghe, la pacient relaxat, cu ochii închiși. Aceasta poate avea o durata intre 20 – 30 minute. In timpul examinării, medicul va poate solicita sa deschideți ochii, sa executați anumite mișcări, sa respirați profund sau se va testa reactivitatea la hiperventilație (respirație profunda, rapida), stimulare luminoasa intermitenta etc.

Este important ca scalpul sa fie curat in ziua examinării, fără geluri sau alte produse de coafat. Veti fi invitat sa va asezati pe un scaun sau pe un pat, cat mai relaxat posibil, nemiscat, cu ochii inchisi. Examinatorul va aplica pe scalpul dvs electrozii, mici discuri metalice, conductoare, ce sunt conectati prin fire la aparatul electroencefalograf. Rolul electroencefalografului este de a amplifica semnalul electric si de a-l modela in trasee ce sunt ulterior analizate pe monitor.

Electroencefalograma (EEG) reprezintă un examen important in diagnosticul epilepsiei. Si poate fi indicat in diagnosticul sindromului confuzional, starilor de lesin, traumatismelor cranio-cerebrale, tumorilor, infectiilor cerebrale, furnizand informatii despre existenta si localizarea unei leziuni cerebrale sau focar declansator pentru crizele epileptice. Electroencefalografia reprezinta un test adjuvant in diagnosticul de moarte cerebrala.
De asemenea, polisomnografia este utilizata pentru diagnosticul patologie de somn.

In cazul efectuarii unei electroencefalograme riscurile sunt minime, insa stimularea luminoasa intermitenta sau hiperventilatia pot produce crize epileptice si de aceea examinarea se efectueaza sub supervizarea unui medic ce poate recunoaste criza si va institui imediat masurile de siguranta si terapeutice adecvate.

Orice formă de investigație se bazează pe măsurători. Măsurătorile au ca scop punerea în evidență a unui fenomen, a evoluției unui proces. În cazul de față de interes sunt procesele care au loc la nivelul sistemului nervos central, in special al creierului. Aceste procese sunt corelate cu formele de undă ale semnalelor electrice de la nivelul creierului. Aceste semnale se pot regăsi într-o formă atenuată în amplitudine la nivelul scalpului, acest fapt permițând accesul la aceste semnale prin niște proceduri ne invazive, cum ar fi electroencefalografia. In continuare voi prezenta câteva caracteristici ale activității electrice ale creierului.

3.1 Activitatea electrică a creierului

Sistemul nervos central uman este format din două tipuri de celule, diferite ca structură și funcție: neuronii și celulele gliale.

Neuronul este alcătuit din corp celular și prelungiri (axon, dendrite).

Neuronii comunică între ei prin intermediul potențialelor de acțiune. Neuronii sunt alcătuiți din somă, dendrite (partea receptoare a neuronului) și axon. La nivelul membranei celulare, există un potențial transmembranar de aproximativ -70 mV. Neurotransmițătorii pot modifica permeabilitatea membranei (în special, pentru ionii de Na+ și K+), iar modificarea concentrației de ioni, datorată influxului/efluxului de ioni prin membrană, care duce la o depolarizare transmembranară, conduce la formarea unui potențial local la nivelul membranei. Dacă acest potențial local are o valoare peste o anumita valoare de prag, specifică neuronului, atunci se pot genera potențiale de acțiune. Așadar, potențialele de acțiune iau naștere în urma depolarizării membranei celulare. Potențialele de acțiune se propagă nedecremental de-a lungul axonului către alți neuroni. La nivelul sinapselor are loc transmiterea de impuls nervos de la un neuron la altul (Kandel et al, 1991).

Un alt tip de semnal electric este cel asociat comunicării dintre neuroni prin contacte sinaptice. Activarea sinapselor generează un potențial sinaptic, care permite transmiterea informației de la un neuron la altul. Potențialele postsinaptice pot fi inhibitorii sau excitatorii, cauzând hiperpolarizarea, respectiv depolarizarea membranei. Potențialele postsinaptice inhibitorii (IPSP) și potențialele postsinaptice excitatorii (EPSP) constituie principala sursa a semnalelor EEG măsurate la nivelul scalpului.

Așadar, activitatea electrică a creierului este datorată curenților ionici generați prin metode biochimice la nivel celular. Acești curenți ionici dau naștere la câmpuri electrice și magnetice ce pot fi măsurate la nivelul creierului, dar și în țesuturile adiacente. Comportarea acestor câmpuri poate fi descrisă cu ajutorul legilor fizicii deja cunoscute. Astfel, presupunând că știm sursele câmpurilor și modul în care ele sunt generate, putem simula distribuția de potențial de la suprafața craniului. Înțelegerea acestor aspecte referitoare la generarea semnalelor EEG este foarte importantă , deoarece știința își dorește abordarea subiectului din sens invers, adică intuirea modului de lucru al creierului, pe baza distribuției de potențial măsurate experimental, la suprafața creierului.

Câmpul potențial generat de un grup de neuroni este suma câmpurilor potențialelor individuale ale fiecărui neuron.

Un aranjament, des întâlnit printre grupurile de neuroni, este acela sub formă de palisade: axonii neuronilor sunt așezați paralel unul cu altul și perpendiculari pe suprafața corticală. Ca urmare, atunci când neuronii sunt stimulați, va apărea un curent laminar de-a lungul axonilor.

La nivelul sinapselor, în cazul unui potențial postsinaptic excitator (EPSP), curentul sinaptic este produs de ionii pozitivi. În cazul potențialului postsinaptic inhibitor (IPSP), curentul este produs de ionii negativi.

Celulele creierului comunica intre ele prin producerea de impulsuri electrice mici, văzute ca niște oscilații atunci când sunt măsurate de către electroencefalograf. Acestea se mai numesc și oscilații neuronale și pot fi observate de-a lungul sistemului nervos central precum și la toate nivelurile organismului uman unde exista activitate nervoasă. În general, oscilațiile pot fi caracterizate prin frecvență , amplitudine și fază . Aceste proprietăți ale semnalului pot fi puse in evidență prin înregistrări ale activității neuronale folosind analiza în timp și în frecvență . Pe scară largă, modificările de amplitudine ale oscilațiilor sunt considerate a rezulta din modificări de sincronizare în cadrul unui ansamblu neuronal, de asemenea, menționate ca sincronizare locală. În plus față de sincronizarea locală, activitatea oscilatorie a structurilor neuronale distante (neuroni singulari sau ansambluri neuronale) se poate sincroniza. Oscilațiile neuronale și de sincronizare au fost legate de mai multe funcții cognitive, cum ar fi transferul de informații, percepția, controlul funcțiilor motorii, memoria. [1] [2] [3]

Oscilațiile neuronale au fost cel mai larg studiate în activitatea neuronală generată de grupuri mari de neuroni. Activitatea pe scară largă poate măsurată prin tehnici cum ar fi electroencefalografia (EEG). În general, semnalele EEG au un conținut de spectral larg similar zgomotului roz , dar, de asemenea, reflectă o activitate oscilatorie în benzile de frecvențe specifice. Prima descoperită și cea mai cunoscută este banda de frecvențe de activitate alfa (8-12 Hz), care poate fi detectată la nivelul lobului occipital pe durata stării de veghe relaxate și crește atunci când ochii sunt închiși. [4] Alte benzi de frecvențe sunt: delta (1-4 Hz), teta (4-8 Hz), beta (13-30 Hz) și gamma (30-70 Hz). În cazul în care ritmurile sunt mai rapide, cum ar fi activitatea gamma, au fost legate de prelucrarea cognitiva. Într-adevăr, semnalele EEG se schimba în mod dramatic în timpul somnului și arată o tranziție de la frecvențe mai rapide, cum ar fi undele alfa, la frecvențe din ce în ce mai lente. De fapt, diferite etape de somn sunt de obicei caracterizate prin conținutul lor spectral. [5] De asemeni, diferite densități spectrale ale oscilațiilor neuronale au fost legate de stări cognitive, cum ar fi conștientizarea și conștiința . [6] [7]

Deși oscilațiile neuronale în activitatea creierului uman sunt în cea mai mare parte investigate folosind înregistrări EEG, acestea sunt, de asemenea, observate folosind tehnici mai invazive de înregistrare, cum ar fi introducerea de micro-electrozi în creier pentru măsurători la nivel microscopic. Neuronii pot genera modele ritmice ale potențialelor de acțiune sau ale impulsurilor (extrem de înguste). Unele tipuri de neuroni au tendința de a genera impulsuri de frecvențe discrete, așa-numitele rezonatoare.[8] Succesiunea perioadelor de întrerupere între trenurile de impulsuri este o altă formă de ritmicitate. Modelele de succesiune a impulsurilor sunt considerate fundamentale pentru informațiile de codificare din creier. Activitatea oscilatorie poate fi, de asemenea, observată în formă de oscilații ale potențialelor de la nivelul membranei neuronilor (de exemplu, în absența potențialului de acțiune). [9] În cazul în care numeroși neuroni ating un maxim de sincronizare, ele pot da naștere la creșteri ale oscilațiilor potențialului de câmp locale. Modelele cantitative pot estima puterea de oscilație neuronală în datele înregistrate. [10]

Oscilațiile neuronale sunt frecvent studiate matematic și aparțin domeniul "neurodinamicii", un domeniu de cercetare aparținând științelor cognitive , care pune un accent puternic asupra caracterului dinamic al activității neuronale în descrierea funcțiile creierului. [11] Neurodinamica consideră creierul un sistem dinamic și utilizează ecuații diferențiale pentru a descrie modul în care activitatea neuronală evoluează în timp. În special, aceasta urmărește modelele dinamice ale activității cerebrale a funcțiilor cognitive, cum ar fi percepția și memoria. În foarte formă abstractă , oscilațiile neuronale pot fi studiate analitic. Activitatea oscilatorie este, în general, studiată folosind simulări pe calculator ale unui model de calcul, cat mai apropiate și reprezentative pentru activitatea reală fiziologică.

Funcțiile activităților neuronale au diferite forme și variază în funcție de diferitele tipuri de activitate oscilatorie. Exemple sunt generarea de activitate ritmică, cum ar fi cea legata de activitatea cardiacă sau de caracteristici senzoriale ale percepției, cum ar fi forma și culoarea unui obiect. Oscilațiile neuronale joacă, de asemenea, un rol important în multe tulburări neurologice, cum ar fi sincronizarea excesiva in timpul convulsiilor, în epilepsie sau tremurul pacienților cu boala Parkinson. Activitatea oscilatorie poate fi de asemenea utilizată pentru a controla dispozitive externe prin utilizarea interfețelor creier-computer , în care subiecții pot controla un dispozitiv extern prin schimbarea amplitudinii unor anumite tipuri de activități ritmice ale creierului.

3.1.1 Nivelurile de activitate

Main article: ElectrophysiologyOscillatory activity is observed throughout the central nervous system at all levels of organization. Activitatea oscilatorie se observă de-a lungul sistemului nervos central , la toate nivelurile de organizare. Three different levels have been widely recognized: the micro-scale (activity of a single neuron), the meso-scale (activity of a local group of neurons) and the macro-scale (activity of different brain regions). [12] Trei niveluri diferite au fost larg recunoscute: singulară (activitatea unui singur neuron), locală (activitatea unui grup local de neuroni) și regională (activitatea la nivel de regiune a creierului). [12]

Tonic firing pattern of single neuron showing rhythmic spiking activity Figura 2.1 Activitate electrică ritmică generată de un singur neuron (microscopică) [Haken H (1996). Principles of brain functioning. Springer.]

3.1.1.1 Activitatea neuronală singular[ edit ] Microscopicsingularsă

Neurons generate action potentials resulting from changes in the electric membrane potential. Neuronii generează potențiale de acțiune care rezultă din modificări ale potențialului electric la nivelul membranei. Neurons can generate multiple action potentials in sequence forming so-called spike trains. Neuronii pot genera potențiale de acțiune în mai multe etape succesive care duc la așa-numitele trenuri de impulsuri. These spike trains are the basis for neural coding and information transfer in the brain. Aceste trenuri de impulsuri stau la baza codificării neuronale și transferului de informații în creier. Spike trains can form all kinds of patterns, such as rhythmic spiking and bursting , and often display oscillatory activity. [13] Oscillatory activity in single neurons can also be observed in sub-threshold fluctuations in membrane potential. Trenurile de impulsuri pot forma multiple tipuri de modele, și se manifestă de multe ori ca activitate oscilatorie. [13] Activități oscilatorii in neuroni singulari pot fi, de asemenea, observate în fluctuații ale potențialului de membrană. These rhythmic changes in membrane potential do not reach the critical threshold and therefore do not result in an action potential. Neuronal spiking can be classified by their activity patterns.

Impulsurile neuronale pot fi clasificate în funcție de modelele lor de activitate. The excitability of neurons can be subdivided in Class I and II. Gradul de excitabilitate al neuronilor poate fi împărțit în doua clase.Class I neurons can generate action potentials with arbitrarily low frequency depending on the input strength, whereas Class II neurons generate action potentials in a certain frequency band, which is relatively insensitive to changes in input strength. [8] Class II neurons are also more prone to display sub-threshold oscillations in membrane potential. Prima clasă duce la modificarea frecvențelor in funcție de puterea de excitabilitate, cea de a doua este independentă de puterea de intrare.

3.1.1.2 Activitatea neuronală local[ edit ] Mesoscopiclocallă

A group of neurons can also generate oscillatory activity. Un grup de neuroni poate genera, de asemenea, activitatea oscilatorie. Through synaptic interactions the firing patterns of different neurons may become synchronized and the rhythmic changes in electric potential caused by their action potentials will add up ( constructive interference ). Prin interacțiuni sinaptice modelele de „ardere” ale unor neuroni diferiți pot deveni sincronizate și schimbările ritmice de potențial electric cauzate de potențialul lor de acțiune vor duce la potențarea semnalului ( interferență constructivă ). That is, synchronized firing patterns result in synchronised input into other cortical areas, which gives rise to large-amplitude oscillations of the local field potential . Aceste semnale potențate pot deveni semnale de intrare pentru alte zone corticale, dând astfel naștere la oscilații de mare amplitudine ale potențialului local de câmp. These large-scale oscillations can also be measured outside the scalp using electroencephalography and magnetoencephalography .Aceste oscilații de mare amplitudine pot fi, de asemenea, măsurate în exteriorul scalpului folosind electroencefalografia și magnetoencefalografia. The electric potentials generated by single neurons are far too small to be picked outside the scalp and EEG or MEG activity always reflects the summation of the synchronous activity of thousands or millions of neurons that have similar spatial orientation. [14] Neurons in a neural ensemble rarely all fire at exactly the same moment, ie fully synchronized.Potențialele electrice generate de neuroni singulari sunt mult prea mici pentru a fi detectați și măsurați în afara scalpului. EEG sau MEG reflectă întotdeauna însumarea activității relativ sincrone a mii sau milioane de neuroni, care au orientarea spațială asemănătoare. [14] Ansambluri neuronale pot genera activitatea oscilatorie endogen prin interacțiuni locale între neuronii excitatorii și inhibitorii. In particular, inhibitory interneurons play an important role in producing neural ensemble synchrony by generating a narrow window for effective excitation and rhythmically modulating the firing rate of excitatory neurons. [15] În special, inhibitorii inter-neuroni joacă un rol important în producerea de sincronism la nivel de ansamblu neuronal prin generarea unei ferestre înguste de excitație eficientă și care modulează ritmic activitatea aparent haotică a neuronilor excitatorii. [15]

3.1.1.3 Activitatea neuronală regional[ edit ] Macroscopicrră

Neural oscillation can also arise from interactions between different brain areas. Time delays play an important role here. Oscilațiile neuronale pot lua naștere și din interacțiunile dintre zone cerebrale diferite. Deoarece toate zonele creierului sunt cuplate bidirecțional, aceste conexiuni între zonele creierului formează bucle de reacție (feedback). Reacția pozitivă tinde sa cauzeze o activitate oscilatorie cu frecvența invers proporțională cu timpul de întârziere al trenurilor de impulsuri. An example of such a feedback loop is the connections between the thalamus and cortex . Un exemplu de o astfel de bucla de feedback este conexiunea dintre talamus și cortex (figura 2.2). This thalamocortical network is able to generate oscillatory activity known as recurrent thalamo-cortical resonance . [16] The thalamocortical network plays an important role in the generation of alpha activity . [17] [18] Această rețea talamo-corticală este capabil de a genera o activitate oscilatorie cunoscută sub numele de rezonanță talamo-corticală recurentă. [16] Rețeaua talamo-corticală joacă un rol important în generarea de activitate alfa . [17] [18]

Figura 2.2 Stimularea cu feedback in rețeaua talamo-corticală [The Journal of Neuroscience, 1 October 2000, 20(19): 7478-7488]

3.1.2 Modele de activitate

Both single and groups of neurons can generate oscillatory activity spontaneously. Atât neuronii singulari precum și grupurile de neuroni pot genera activitate oscilatorie spontană. In addition, they may show oscillatory responses to perceptual input or motor output. În plus, acestea pot prezenta răspunsuri oscilatorii la semnalele rezultate din procesele de percepție sau de semnalele de ieșire destinate proceselor motorii. Some types of neurons will fire rhythmically in the absence of any synaptic input. Unele tipuri de neuroni pot declanșa activități ritmice în absența oricărei intrare sinaptice. Likewise, brain wide activity reveals oscillatory activity while subjects do not engage in any activity, so-called resting-state activity. De asemenea, activitatea oscilatorie globală a creierului este prezentă și în timp ce subiecții nu se angajează în nici o activitate, așa-numita stare de relaxare. These ongoing rhythms can change in different ways in response to perceptual input or motor output. Aceste ritmuri se pot schimba în moduri diferite, ca răspuns la intrarea perceptuală sau ieșirea motorie. Oscillatory activity may respond by increases or decreases in frequency and amplitude or show a temporary interruption, which is referred to as phase resetting. Activitatea oscilatorie poate răspunde prin creșteri sau scăderi ale frecvenței și amplitudinii sau să prezinte o întrerupere temporară, care este menționată ca „fază de resetare”. In addition, external activity may not interact with ongoing activity at all, resulting in an additive response. În plus, activitatea externă nu poate interacționa cu o activitate în curs de desfășurare, rezultatul fiind exclusiv o însumare.

3.1.3 [ edit ] Ongoing activityActivitatea spontană a creierului

Înregistrarea activității cerebrale spontane presupune înregistrarea potențialelor electrice de la nivelul scalpului, în absența oricărui stimul exterior.

Spontaneous activity is brain activity in the absence of an explicit task, such as sensory input or motor output, and hence also referred to as resting-state activity . Termenul de activitate spontană a creierului este folosit în electroencefalografie și magnetoencefalografie pentru acele componente de semnal care nu sunt asociate cu procesarea unui stimul sau apariția unor evenimente specifice, cum ar fi mișcarea unei părți a corpului, adică evenimente care nu fac obiectul potențialelor evocate, sau induse. Spontaneous activity is usually considered to be noise if one is interested in stimulus processing. Activitatea spontană este de obicei considerată a fi o „sursă de zgomot” în procesul de prelucrare a stimulilor. However, spontaneous activity is considered to play a crucial role during brain development, such as in network formation and synaptogenesis. Cu toate acestea, activitatea spontană este considerat a juca un rol crucial in timpul dezvoltării creierului, cum ar fi formarea rețelei neuronale și geneza sinaptică. Spontaneous activity may be informative regarding the current mental state of the person (eg wakefulness, alertness) and is often used in sleep research. Activitatea spontană poate avea caracter informativ în ceea ce privește starea mentală în derulare a persoanei (de exemplu – starea de veghe, vigilență) și este adesea folosit în cercetarea somnului. Certain types of oscillatory activity, such as alpha waves , are part of spontaneous activity. Anumite tipuri de activități oscilatorii, cum ar fi undele alfa , sunt parte a activității spontane. Statistical analysis of power fluctuations of alpha activity reveals a bimodal distribution, ie a high- and low-amplitude mode, and hence shows that resting-state activity does not just reflect a noise process. [34] In case of fMRI, spontaneous fluctuations in the Blood-oxygen-level dependent (BOLD) signal reveal correlation patterns that are linked to resting states networks, such as the default network . [35] The temporal evolution of resting state networks is correlated with fluctuations of oscillatory EEG activity in different frequency bands. [36]Analiza statistică a fluctuațiilor de tensiune a semnalului de activitate alfa relevă o distribuție bimodală, adică succesiuni de înaltă și joasă amplitudine și, prin urmare, arată că starea de repaus nu reflectă doar un proces zgomotos. Evoluția în timp a activităților din starea de repaus este corelată cu fluctuațiile de activitate oscilatorie EEG în benzi de frecvențe diferite . [36]

Ongoing brain activity may also have an important role in perception, as it may interact with activity related to incoming stimuli. Activitățile creierului in curs de desfășurare pot avea, de asemenea, un rol important în percepție, deoarece pot interacționa cu activitățile legate de stimulii de intrare. Indeed, EEG studies suggest that visual perception is dependent on both the phase and amplitude of cortical oscillations. Într-adevăr, studii EEG sugerează că percepția vizuală este dependentă atât de fază cât și de amplitudinea oscilațiilor corticale. For instance, the amplitude and phase of alpha activity at the moment of visual stimulation predicts whether a weak stimulus will be perceived by the subject. [37] [38] [39] De exemplu, amplitudinea și faza specifice activității alfa, la momentul de stimulare vizuala prezice dacă un stimul slab va fi perceput sau nu de către subiect. [37] [38] [39]

3.1.3.1 [ edit ] Frequency responseRăspunsul în frecvență

In response to input, a neuron or neuronal ensemble may change the frequency at which it oscillates. Ca răspuns la stimulii de intrare, un neuron sau un ansamblu neuronal își pot modifica frecvența semnalului oscilatoriu. Aceasta este o formă de modulație în frecvență (figura 2.3). This is very common in single neurons where the firing rate depends on the summed activity it receives. Modificări de frecvență sunt, de asemenea, frecvent observate în generatoarele de model de activitate centrală și se referă la stimulii datorați activități motorii, cum ar fi frecvența pașilor la mersul pe jos. Changes in frequency are not so common in oscillatory activity involving different brain areas, as the frequency of oscillatory activity is often related to the time delays between brain areas. Modificările în frecvență nu sunt atât de comune în activitatea oscilatorie care implică domenii diferite ale creierului, în general activitatea oscilatorie fiind legată de decalajele în timp a semnalelor între zonele creierului.

3.1.3.2 [ edit ] Amplitude responseRăspunsul în amplitudine

Next to evoked activity, neural activity related to stimulus processing may result in induced activity. Alături de activitatea evocată, activitatea neurală referitoare la prelucrarea stimulilor poate duce la activitatea indusă. Induced activity refers to modulation in ongoing brain activity induced by processing of stimuli or movement preparation. Activitatea indusă se referă la modularea activității spontane a creierului indusă prin prelucrarea unor stimuli sau activități motorii. Hence, they reflect an indirect response in contrast to evoked responses. Prin urmare, aceasta reflectă un răspuns indirect în contrast cu răspunsurile evocate. A well-studied type of induced activity is amplitude change in oscillatory activity. Un tip bine studiat de activitate indusă este schimbarea amplitudinii în activitatea oscilatorie (figura 2.4). For instance, gamma activity often increases during increased mental activity such as during object representation. [40] Because induced responses may have different phases across measurements and therefore would cancel out during averaging, they can only be obtained using time-frequency analysis . De exemplu, activitatea din spectrul gama de multe ori crește în timpul activității mentale, cum ar fi în timpul procesului de abstractizare a unui fenomen studiat. [40] Răspunsurile induse pot avea diferite faze în timpul măsurătorilor și, prin urmare, ar fi anulate într-un proces de măsurare a mediei, în concluzie, măsurătorile corecte ale acestora pot fi obținute numai prin analiza timp-frecventa . Induced activity generally reflects the activity of numerous neurons: amplitude changes in oscillatory activity are thought to arise from the synchronization of neural activity, for instance by synchronization of spike timing or membrane potential fluctuations of individual neurons. Activitatea indusă reflectă, în general, activitatea grupurilor de neuroni.Increases in oscillatory activity are therefore often referred to as event-related synchronization, while decreases are referred to as event-related desynchronization [41] Creșterile activității oscilatorii sunt, prin urmare, adesea menționate ca evenimente legate de sincronizare, în timp ce scăderile sunt corelate cu desincronizările. [41]

3.1.3.3 [ edit ] Phase resettingResetarea fazei

Another possibility is that input to a neuron or neuronal ensemble resets the phase of ongoing oscillations. [42] Phase resetting is very common in single neurons where spike timing is adjusted to neuronal input. O altă posibilitate este ca intrare pentru un neuron sau un ansamblu neuronal resetează faza unor oscilații spontane (figura 2.5). [42] Resetarea fazei este foarte comună în cazul neuronilor singulari unde mecanismul de distribuție constă în dependența de intervalul de timp dintre trenurile de impulsuri aplicate intrării neuronale. For instance, a neuron may start to spike at a fixed delay in response to periodic input, which is referred to as phase locking. [8] Phase resetting may also occur at the level of neuronal ensembles when the phases of multiple neurons are adjusted simultaneously. De exemplu, un neuron poate începe să genereze impulsuri la o întârziere prestabilită, ca răspuns la periodicitatea semnalelor de intrare, care este asemănătoare cu blocarea fază (PLL). [8] Resetarea fazei poate apărea, de asemenea, la nivelul unor ansambluri neuronale, atunci când fazele de neuroni sunt ajustate simultan. Phase resetting of ongoing ensemble oscillations gives an alternative explanation for event-related potentials obtained by averaging multiple EEG trials with respect to the onset of a stimulus or event. [43] That is, if the phase of ongoing oscillations is reset to a fixed phase over multiple trials, oscillations will no longer average out but add up to give rise to an event-related potential. Resetarea fazei ansamblului de oscilații spontane oferă o explicație alternativă pentru potențialele obținute prin mediere mai multor măsurători EEG cu privire la debutul unui stimul generat de un eveniment provocat. [43] Blocare sau resetarea fazei este, de asemenea, fundamentală pentru sincronizarea între neuroni singulari sau între regiuni diferite ale creierului. [7] [22] În acest caz, evoluția trenurilor de impulsuri ale neuronilor se blochează la faza activității oscilatorii ale altor neuroni în loc de stimulii externi (procesul PLL se propagă).

3.1.4 Însumarea liniară a activităților oscilatorii independente[ edit ] Additive responseÎnsumarea liniar

See also: evoked potential

The term evoked activity is used in electroencephalography and magnetoencephalography for responses in brain activity that are directly related to stimulus -related activity. Evoked potentials and event-related potentials are obtained from the electroencephalogram by stimulus-locked averaging, ie averaging different trials at fixed latencies around the presentation of a stimulus. Termenul de activitatea evocată este folosit în electroencefalografie și magnetoencefalografie pentru răspunsurile în activitatea creierului, care sunt direct legate de stimulii externi (figura 2.6). Aceste semnale se însumează liniar cu cele spontane, rezultatele acestor însumări dând naștere unor vii dezbateri asupra consecințelor acestor activități. Activitatea evocată este adesea considerată a fi independentă de activitatea spontană a creierului, deși aceasta este o dezbatere în curs de desfășurare. [44]

3.1.5 Activitatea ca răspuns la stimuli a creierului (potențialele evocate)

Studierea potențialelor evocate reprezintă măsurarea activității electrice în creier ca răspuns la stimularea vizuală, acustică sau tactilă. Stimulii livrați creierului prin fiecare dintre aceste 3 simțuri evocă semnale electrice specifice. Aceste semnale călătoresc de-a lungul nervilor și/sau prin măduva spinării către anumite regiuni ale creierului si sunt preluate de electrozi, amplificate, și afișate pentru a fi interpretate de către medic.

Diferite tipuri de studii de potențiale evocate

Studiile potențialelor evocate implica trei test majore care duc la măsurători ale răspunsului la stimuli vizuali, auditivi și electrici.

• Teste privind răspunsul vizual evocat. Acest test poate diagnostica probleme cu nervii optici care afectează vederea. Electrozii sunt plasați de-a lungul scalpului. Pacientul este rugat să se uite la un semnal luminos intermitent de forma unei table de șah pentru câteva minute pe un ecran, iar răspunsurile electrice din creier sunt înregistrate.

• Teste privind răspunsul auditiv evocat. Acest test poate diagnostica capacitatea de auz și poate indica prezența unor tumori cerebrale stem si scleroza multipla. Electrozii sunt plasați pe scalp si lobii urechii. Stimulii auditivi, cum ar fi zgomote și sunete controlate, sunt livrate la aparatele auditive.

• Teste privind răspunsul somato-senzorial evocat. Acest test poate detecta probleme cu măduva spinării, precum și amorțeală sau slăbiciune la nivelul extremităților. Pentru acest test, electrozii sunt conectați la încheietura mâinii, partea din spate a genunchiului, sau alte locații. Un stimul electric ușor este aplicat prin intermediul electrozilor. Electrozi de pe scalp determine întârzierea de timp de la momentul aplicării stimulului până la apariția activității cerebrale.

3.2 Contribuții la dezvoltarea unui echipament electroencefalografic personalizat cu componente dedicate stimulării acustice

Pentru a putea pune în evidență activitatea electrică de la nivelul scalpului este nevoie de utilizarea unui electroencefalograf. Destinația acestor măsurători este dimensionarea răspunsului electric al sistemului nervos central la stimulii acustici. Datorită faptului că de interes pentru această aplicație este doar densitatea spectrală a semnalului electric și evoluția acesteia în timp, am construit un electroencefalograf dedicat, personalizat, cu particularități ce vor fi expuse în continuare.

3.2.1 Cerințe

Caracteristicile tehnice pe care trebuie să le îndeplinească echipamentul se raportează la parametrii fizici ale semnalului electroencefalografic (EEG). Acesta este format din mai multe tipuri de unde, diferențiate în benzi de frecvență cu anumite intervale de amplitudine:

– undele alfa (α) (8 – 13 Hz, 10 – 120 μV, în relaxare)

– undele beta (β) (14 – 30 Hz, 5 – 30 μV, activitate mentală)

– undele teta (θ) (4 – 7 Hz, 30 – 70 μV, frecvent la copii)

– undele delta (δ) (0,5 – 3 Hz, 50 – 150 μV, în somn profund)

și alte unde tipice:

complexele K (amplitudine minimă de 100 μV, durată de 0,5 – 1 s, precedate și urmate de cel puțin 2 s de activitate encefalică de mică amplitudine),

fusuri electroencefalografice (unde de 12 – 16 Hz și durate de 0,5 – 1 s, cu anvelopă fusiformă),

descărcări epileptice (unde triunghiulare de maxim 1/12 s)

Ținând cont de aceste specificații ale semnalului de intrare și de posibilele perturbații, echipamentul trebuie să respecte următoarele cerințe:

nivelul acceptat al semnalului de intrare in zona pur liniară de amplificare cuprins între 1 μVvv și 150 μVvv

nivelul echivalent al densității spectrale de zgomot la intrare mai mic de 10 nV / √ Hz

curentul de intrare mai mic de 10 nA

câștigul trebuie sa fie in jur de 80 dB în banda utilă

banda de frecvență la -3 dB sa fie de 0,5 Hz – 70 Hz

rezoluția semnalului digital să fie de 16 bit pe eșantion

rata de eșantionare să fie selectabilă din driver la 8, 11.025, 16, 22.05, 32, 44.1, 48 ksamples/sec

complet compatibil cu specificațiile USB 2.0

să respecte normele de securitate in utilizare a echipamentelor medicale, inclusiv la nivelul interfeței cu pacientul

rata de rejecție a modului comun să fie mai mare de 120 dB

nivelul de distorsiuni al semnalului procesat să fie mai mic de 0,01%

3.2.2 Proiectarea electroencefalografului

3.2.2.1 Schema bloc

În figura 5.1 este schema aparatului de măsură electroencefalografic. Acesta conține electroencefalograful analogic cu un canal, convertoarele analogic/numeric și numeric/analogic, interfața USB, precum și izolatorul galvanic pentru date și convertorul izolator curent continuu/curent continuu pentru alimentarea din portul USB al calculatorului.

Semnalul preluat de la electrozii „1” și „2” trece printr-un filtru de radiofrecvență și este apoi aplicat unui amplificator de instrumentație. Intrarea in amplificatorul de instrumentație are in plus limitatoare de tensiune cu diode rapide de curent invers foarte mic.

Semnalul devine din diferențial – asimetric, după care este apoi amplificat și filtrat de 2 etaje de amplificare fiecare cu câștig de 26 dB și o frecvență de tăiere de aproximativ 70 Hz.

Semnalul, având acum un nivel de zeci – sute de mVvv – este transformat într-un semnal digital de 16 biți cu rata de eșantionare preselectabilă și transferat către interfața USB printr-un izolator galvanic de interfață.

Căștile sunt conectate direct la etajele tampon ale convertorului D/A și preiau semnalul digital de stimulare ce provine prin interfața USB de la computer.

Tensiunea de 5 V provenită din interfața USB de la computer este transferată printr-un convertor cc – cc care are rol și de izolator galvanic.

Tensiunea de la ieșirea convertorului este aplicată componentelor active ce au legătură galvanică cu interfața către pacient.

Circuitul informațional:

Figura 5.1 Dispozitiv hibrid de măsurare EEG și stimulare acustică – schema bloc.

3.2.2.2 Schema detaliată (module componente)

Condiționatorul de semnal de intrare.

În figura 5.2 se observă dimensionarea filtrelor de eliminare a componentelor de radiofrecvență (din spectrul de joasă frecventa radio de modulație în amplitudine):

filtrele de mod comun au frecvența de tăiere (la 3 dB):

f = 1/(R1*C2*2*pi) = 1/(R2*C3*2*pi) = 16 KHz (aproximativ) (5.1)

filtrul diferențial are frecvența de tăiere:

f = 1/((R1+R2)*C1*2*pi) = 800 Hz (aproximativ) (5.2)

diodele BAV199 au rol de limitator de tensiune.

Figura 5.2 Filtrele de rejecție RF și limitator de tensiune de la intrare

Amplificatorul de instrumentație

Amplificatorul de instrumentație este un circuit liniar de precizie care se poate folosi pentru amplificarea unor semnale de nivel mic într-un mediu zgomotos (prin mediu zgomotos înțelegând locul în care există radiație electromagnetică puternică ce poate perturba funcționarea normală a unor circuite electronice datorită semnalelor parazite induse în firele de conexiune ale circuitului).

Această formă de procesare a semnalelor prin care se obține diferența a două semnale, amplificată de un număr arbitrar de ori, se poate realiza cu performanțe mai modeste și cu ajutorul amplificatorului diferențial, studiat anterior. Acest circuit se mai numește și amplificator de diferență de tensiuni și prezintă următoarele limitări:

impedanțele de intrare pentru cele două semnale au valori finite. Acest fapt obligă culegerea semnalelor de la surse ideale, cu rezistență internă nulă.

rejecția modului comun este o funcție critică de rezistențele conectate în circuit. Variația valorilor celor patru rezistențe degradează mult rejecția modului comun.

pentru a regla amplificarea trebuie modificată simultan valoarea a două rezistențe, ceea ce

complică mult posibilitățile de echilibrare.

Circuitul care elimină aceste neajunsuri este amplificatorul de instrumentație, cu schema din figura 5.3.

Figura 5.3 Schema amplificatorului de instrumentație, realizat cu amplificatoare operaționale.

De obicei acest circuit este disponibil într-o unică prezentare (un singur circuit integrat). Rezistențele fixe sunt realizate cu mare grad de precizie iar amplificările celor două căi de semnal sunt bine împerecheate. Buna echilibrare și utilizarea unor amplificatoare operaționale de calitate, asigură valori ridicate ale rejecției modului comun (CMRR tipic este de 120dB).

Cele două semnale care trebuie prelucrate se aplică la intrările neinversoare ale AO de intrare (AO1 și AO2), ceea ce asigură impedanțe de intrare de valori foarte mari. Etajul de ieșire este un amplificator diferențial echilibrat. Cu ajutorul unei singure rezistențe, notată Rx, se ajustează amplificarea pentru ambele căi de semnal.

Pentru a determina expresia tensiunii de ieșire, pe figura 5.3 s-au trecut sensurile tensiunilor și curenților din circuit, considerându-se, arbitrar, că tensiunea cea mai pozitivă este u1. Această particularizare nu afectează deloc rezultatul analizei.

Se presupune că AO sunt ideale. Pentru condiții stabile în buclă închisă, tensiunea de la borna inversoare a fiecărui AO de la intrare este egală cu tensiunea de pe intrarea neinversoare. Deoarece rezistența Rx se conectează între cele două intrări inversoare ale AO1 ș i AO2, rezultă că tensiunile de la capetele acestei rezistențe sunt egale cu cele de intrare, căderea de tensiune pe Rx exprimându-se:

u x  u1− u2 (5.3)

Deoarece prin intrările AO ideal nu curge curent, ix va circula de la ieșirea AO1 spre ieșirea AO2, trecând prin R1, Rx și R2. Dacă se presupune R1=R2=R, căderile de tensiune datorate lui ix sunt egale și au valoarea:

și reprezintă tensiunile de intrare ale amplificatorului diferențial echilibrat realizat cu AO3. Folosind rezultatele obținute la amplificatorul diferențial echilibrat, tensiunea de ieșire se poate scrie sub forma:

Relația (5.9) pune în evidență modul în care se poate modifica amplificarea circuitului și anume prin modificarea valorii unei singure rezistențe (Rx).

Funcționarea liniară

Funcționarea liniară a circuitului este posibilă numai dacă toate cele trei amplificatoare operaționale lucrează liniar.

Funcționarea lui AO3 este liniară numai dacă tensiunea sa de ieșire este mai mică decât tensiunea de saturație. La fel și în cazul AO1 și AO2. Tensiunea de saturație este maximă la operaționalele de tipul „rail to rail input-output”.

Influența zgomotului

Amplificatorul de instrumentație se dovedește deosebit de util atunci când se cere amplificarea unor semnale de amplitudine mică iar în firele prin care se aduce semnalul la amplificator se induc semnale parazite (tensiuni de zgomot).

Să presupunem că trebuie amplificat semnalul de la o sursă ui, care are un capăt conectat la masă și că dispunem de un amplificator cu intrare simplă (intrarea între borna “caldă” și masă a amplificatorului) așa cum se arată în fig.6.2. Semnalul se transmite la amplificator printr-un cablu bifilar, neecranat, de o lungime suficient de mare ca semnalele induse să fie supărătoare (comparabile ca amplitudine cu mărimea semnalului util). In fiecare din firele cablului se induce o tensiune de zgomot nedorită, un. Dacă cele două fire sunt suficient de apropiate atunci cele două tensiuni induse au valori egale. Cu RF s-au notat rezistențele firelor din cablu.

Dacă traseul de masă este perfect, atunci nu apare buclă de masă și analiza se face pentru circuitul din figura 5.4 unde traseul desenat cu linie întreruptă nu există. În aceste condiții tensiunea de zgomot de pe firul superior se adună direct la tensiunea utilă iar amplificatorul va amplifica această sumă de tensiuni.

Figura 5.4 Ilustrarea modului de acțiune a zgomotului de mod comun și a buclei de masă.

Cazul cel mai general este cel ilustrat în figura 5.4, când există traseul desenat cu linie punctată. Situația prezentată corespunde unei legături de masă imperfecte, când între cele două puncte de masă există o mică diferență de potențial. Când un astfel de circuit se leagă în două puncte la masă, rezultă un circuit închis, numit buclă de masă, cu rezistența RG, prin care circulă curentul buclei de masă. Datorită lui, în circuit apare o tensiune parazită suplimentară care se adaugă la semnalul de intrare util, ui.

Figura 5.5 Ilustrarea modului de aplicare a unui semnal afectat de zgomot la intrarea unui amplificator de instrumentație.

Neajunsul creat de bucla de masă se elimină prin utilizarea unui amplificator de instrumentație ca cel din figura 5.5, deoarece acest amplificator nu are nici o intrare conectată la masă, ci are intrare diferențială.

Dacă se notează amplificarea diferențială în buclă închisă a circuitului cu A, atunci semnalul diferențial de la ieșire este:

Tensiunile de zgomot apar ca semnale de intrare de mod comun, adică uic=un. Fie Ac amplificarea de mod comun a circuitului. Tensiunea de ieșire de mod comun se scrie:

unde raportul A/Ac reprezintă factorul de rejecție a modului comun, CMRR. Cu această observație relația (5.13) devine:

In relația (5.14), ui/un reprezintă raportul dintre semnalul util și tensiunea de zgomot. Din acest motiv, ui/un se numește raport semnal-zgomot. Se observă că raportul semnal-zgomot de la ieșirea amplificatorului de instrumentație este de CMRR ori mai mare decât raportul semnal-zgomot de la intrare. Conform acestei observații, cu cât CMRR-ul unui amplificator de instrumentație este mai mare cu atât se atenuează mai mult influența zgomotelor asupra semnalului de ieșire.

Amplificatoarele operaționale utilizate în aplicația noastră sunt LMP7731 (acolo unde este necesară diafonia scăzuta specifică circuitelor singulare) respectiv LMP7732 (versiunea duală – unde este importantă dispersia tehnologică mică).

Amplificarea globala in amplificatorul de instrumentație este:

A = (1+R5/R3) + (1+R6/R4) = 20 (26 dB) (5.15)

Caracteristici electrice LMP7731(2)

(Typical values, TA = 25°C, VS = 5V) (Valori tipice, TA = 25 ° C, VS = 5V)

■ ■ Input voltage noise Tensiune (echivalentă) de intrare de zgomot

— – f = 3 Hz 3.3 nV/ √ Hz f = 3 Hz 3.3 NV / √ Hz

— – f = 1 kHz 2.9 nV/ √ Hz f = 1 kHz 2.9 NV / √ Hz

■ ■ CMRR 130 dB CMRR (rata de rejecție a modului comun) 130 dB

■ ■ Open loop gain 130 dB Câștigul în buclă deschisă 130 dB

■ ■ GBW 22 MHz GBW (banda de trecere cu câștig supraunitar) 22 MHz

■ ■ Slew rate 2.4 V/μs Slew rate (viteza de creștere) 2,4 V / μs

■ ■ THD @ f = 10 kHz, AV = +1, RL = 2 k Ω THD (distorsiunile armonice totale) @ f = 10 kHz, AV = 1, RL = 2 K Ω 0.001% 0,001%

■ ■ Supply current per channel 2.2 mA Curent de alimentare pe canal 2.2 mA

■ ■ Supply voltage range 1.8V to 5.5V tensiunea de alimentare de la 1.8V la 5.5V (sursă simplă)

■ ■ Operating temperature range −40°C to 125°C Temperatura de operare -40 ° C la 125 ° C

■ ■ Input bias current ±1.5 nA Prejudecată Curent de intrare ± 1,5 nA

■ ■ RRIO RRIO (rail to rail input and output)

Figura 5.6 Caracteristicile de zgomot echivalent la intrare (se remarcă zgomotul foarte scăzut la frecvențe foarte joase – in special în tensiune)INPUT BIAS CURRENT CANCELLATION [ Catalog National Semiconductor ]

FIGURE 1. Figura 5.7 Input Bias Current CancellationCircuitul proprietar National Semiconductor de anulare a curentului de polarizare de la intrare [ Catalog National Semiconductor ]

DIODES BETWEEN THE INPUTS

The LMP7731 has a set of anti-parallel diodes between the input pins as shown in Figure 5 . LMP7731 are un set de diode anti-paralele între pinii de intrare așa cum se arată în Figura 5. These diodes are present to protect the input stage of the amplifier. Aceste diode sunt prezente pentru a proteja etajul de intrare a amplificatorului. At the same time, they limit the amount of differential input voltage that is allowed on the input pins. În același timp, acestea limitează tensiunea de intrare diferențială, care este permisă pe pinii de intrare. The differential voltage between the input pins should be limited to ±3 diode drops or the input current needs to be limited to ±20 mA.Tensiunea diferențială dintre pinii de intrare ar trebui să fie limitată la ± 3 tensiuni de conducție directă a diodelor (aproximativ 700 mV) sau curentul de intrare să fie limitat la ± 20 mA pentru a nu distruge circuitul de protecție și implicit amplificatorul operațional.

FIGURE 5. Figura 5.8 Anti-Parallel Diodes between Inputs Diode anti – paralel între intrări [ Catalog National Semiconductor ]

Circuitul de integrare

Circuitul de integrare este circuitul la care între tensiunea de intrare, ui și cea de ieșire, uo se stabilește relația:

unde uo(0) reprezintă valoarea inițială a tensiunii de ieșire (calculată la momentul t=0). Pentru un condensator, între tensiunea la borne și curentul de încărcare există relația:

unde uC(0) este valoarea inițială a tensiunii de pe condensator.

Astfel tensiunea de la bornele condensatorului este proporțională cu integrala curentului și ecuația are forma relației (5.16). Deosebirea constă în faptul că, în timp ce în relaîia (5.16) mărimea de intrare și cea de ieșire sunt ambele tensiuni, în (5.17) doar ieșirea este tensiune, intrarea fiind curent. Ar fi necesar să se conecteze astfel condensatorul, eventual în combinație și cu alte circuite, încât curentul de intrare să se poată exprima în funcție de o tensiune.

Prin conectarea condensatorului în bucla de reacție negativă a unui AO în configurație de inversor (figura 5.9), curentul de încărcare al condensatorului, egal cu cel de intrare, se poate exprima în funcție de tensiunea de intrare și rezistența conectată în serie cu intrarea inversoare, astfel:

iC (t) = ui (t ) R (5.18)

Se înlocuiește (5.18) în (5.17), se ține seama de faptul că uo(t)= -uC(t)

și rezultă:

Dacă produsul RC este mult supraunitar, atunci tensiunea de ieșire este aproximativ egală cu componenta continuă a semnalului de intrare.

Figura 5.9 Structura de principiu a integratorului, realizat cu amplificator operațional.

In funcție de semnul tensiunii continue aplicate la intrare, un integrator transformă această tensiune într-o rampă crescătoare sau descrescătoare. Pentru că integratorul este sensibil la semnale de c.c., tensiunea de offset și curenții de polarizare a intrărilor, ambele semnale tot de c.c., pot determina trecerea ieșirii AO în saturație, chiar fără să se fi aplicat semnal la intrare. De aceea AO care se folosesc în circuitele de integrare trebuie să aibă valori extrem de mici ale tensiunii de offset și ale curenților de polarizare. Un tip special de AO folosit în astfel de situații este AO stabilizat prin chopper, la care se utilizează un procedeu de comutare mecanică pentru corectarea în mod continuu a efectelor offset-ului și curenților de polarizare.

În cazul echipamentului EEG prezentat aici, circuitul U2B are rolul de a anula componenta continuă a tensiunii de ieșire – așa numitul circuit „DC servo”. El este practic în buclă deschisă la semnal de curent continuu, și are amplificare nulă la frecvențe ridicate (condensatorul C4 are reactanță capacitivă aproape nulă – mult mai mică decât valoarea rezistenței R11).

CODECUL USB

An audio codec is a device or computer program capable of coding or decoding a digital data stream of audio.[1][2][3][4]

In software, an audio codec is a computer program implementing an algorithm that compresses and decompresses digital audio data according to a given audio file format or streaming media audio format. The object of the algorithm is to represent the high-fidelity audio signal with minimum number of bits while retaining the quality. This can effectively reduce the storage space and the bandwidth required for transmission of the stored audio file. Most codecs are implemented as libraries which interface to one or more multimedia players.

In hardware, audio codec refers to a single device that encodes analog audio as digital signals and decodes digital back into analog. In other words, it contains both an Analog-to-digital converter (ADC) and Digital-to-analog converter (DAC) running off the same clock. This is used in sound cards that support both audio in and out, for instance.

http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_codec

Jump up ^ "Using codecs". Microsoft. Retrieved 2009-12-21. 

Jump up ^ "About.com – Codec". About.com. Retrieved 2009-12-21. 

Jump up ^ "Glossary – Codec". Afterdawn.com. Retrieved 2009-12-21. 

Jump up ^ "Ubuntu Documentation – What is a codec?". Ubuntu Documentation Team. Retrieved 2009-12-21.

Codecul utilizat este un convertor D/A stereo 16 biți și A/D mono tot de 16 biți cu interfață USB – totul într-un singur chip. Intrarea analogică este urmată de un amplificator cu câștig variabil. Ieșirea din convertorul D/A are etaje tampon cu care poate controla direct o pereche de căști de audio frecvență.

Figura 5.10 PCM2912A – Audio CODEC cu interfață USB, intrare de microfon cu reglaj al amplificării și ieșire de căști stereo [ Catalog Texas Instruments ]

Specificații:

On-Chip USB Interface: – Oversampling Digital Filter

– With Full-Speed Transceivers – Passband Ripple: ±0.1 dB

– Fully Compliant with USB 2.0 Specification – Stop-Band Attenuation: –43 dB

– Certified By USB-IF – Single-Ended Voltage Output

– Partially Programmable Descriptors – Analog LPF Included

– Adaptive Isochronous Transfer for – Sidetone PGA, Output PGA, and HP

Playback Amplifier

– Asynchronous Isochronous Transfer for Multifunctions:

Record – Suspend, Playback, and Record Status Flag

– Bus Powered – Microphone Amplifier, Mute, and Gain

16-Bit Delta-Sigma ADC and DAC Control

Sampling Rate: Pop/Click Noise-Free

– 8, 11.025, 16, 22.05, 32, 44.1, 48 kHz Single Power-Supply: 5 V Typ (VBUS)

On-Chip Clock Generator: Package: 32-Pin TQFP

– With Single 6-MHz Clock Source

Mono ADC with Microphone Input

– Analog Performance at V USB Headset BUS = 5 V:

USB Headphone – THD+N: 0.01% USB Speaker

– SNR: 92 dB USB Featured Consumer Audio Product

– Dynamic Range: 90 dB USB Audio Interface Box

– Decimation Digital Filter USB Monitor

– Passband Ripple: ±0.05 dB Video Conference System

– Stop-Band Attenuation: –65 dB

– Single-Ended Voltage Input

– Antialiasing Filter Included The PCM2912A is the Texas Instruments single-chip,

– Digital HPF Included USB stereo audio codec with a USB 2.0-compliant

– Microphone Bias, Microphone Amplifier, full-speed protocol controller and an analog front-end (AFE) function for headset applications. The USB

and Input PGA protocol controller works with no software code, but

Stereo DAC With Headphone Output USB descriptors can be modified on request(1). The

– Analog Performance at VBUS = 5.0 V: PCM2912A employs SpAct™ architecture, TI’s

unique system that recovers the audio clock from – THD+N: 0.01% (RL > 10 kΩ) USB packet data. On-chip analog PLLs with SpAct

– THD+N: 0.02% (RL = 32 Ω) enables independent playback and record sampling

– SNR: 92 dB rates with low clock jitters.

– Dynamic Range: 90 dB

– PO: 13 mW (RL = 32 Ω)

– PO: 25 mW (RL = 16 Ω)

LP3878 – ADJ – Regulator pentru aplicații ce necesită alimentare de la 1V la 5V, 800 mA, zgomot mic, stabil la utilizarea condensatoarelor ceramice

Figura 5.11 LP3878 – ADJ – schema funcțională [ Catalog National Semiconductor ]

Specificații

■ 1.0V to 5.5V output

■ Designed for use with low ESR ceramic capacitors

■ Very low output noise

■ 8 Lead PSOP and LLP surface mount package

■ <10 μA quiescent current in shutdown

■ Low ground pin current at all loads

■ Over-temperature/over-current protection

■ -40°C to +125°C operating junction temperature range

General Description ADuM5000 – convertor DC – DC cu izolație de 2,5 KV

Figura 5.12 ADuM5000 – schema funcțională [ Catalog Analog Devices ]

Specificații

isoPower, integrated isolated dc-to-dc converter

Regulated 3.3 V or 5 V output

Up to 500 mW output power

16-lead SOIC package with 7.6 mm creepage

High temperature operation: 105°C maximum

Thermal overload protection

Safety and regulatory approvals

UL recognition

2500 V rms for 1 minute per UL 1577

CSA Component Acceptance Notice #5A

VDE certificate of conformity (pending)

IEC 60747-5-2 (VDE 0884, Part 2)

VIORM = 560 V peak

ADuM4160 – izolator digital USB 2.0 – separație de 5 KV

Figura 5.13 ADuM4160 – schema funcțională [ Catalog Analog Devices ]

Specificații

USB 2.0 compatible

Low and full speed data rate: 1.5 Mbps and 12 Mbps

Bidirectional communication

4.5 V to 5.5 V VBUS operation

7 mA maximum upstream supply current @ 1.5 Mbps

8 mA maximum upstream supply current @ 12 Mbps

2.3 mA maximum upstream idle current

Upstream short-circuit protection

Class 3A contact ESD performance per ANSI/ESD STM5.1-2007

High temperature operation: 105°C

High common-mode transient immunity: >25 kV/μs

16-lead SOIC wide-body package version

16-lead SOIC wide body enhanced creepage version

RoHS compliant

Safety and regulatory approvals (RI-16 package)

UL recognition: 5000 V rms for 1 minute per UL 1577

CSA Component Acceptance Notice #5A

IEC 60601-1: 250 V rms (reinforced)

IEC 60950-1: 400 V rms (reinforced)

VDE Certificate of Conformity

DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12

VIORM = 846 V peak

Figura 5.15 Electroencefalograf – schema detaliată

3.2.3 Considerații practice pentru construcție

Aparatul va fi montat intr-o carcasa de plastic pentru risc minim de interacțiune galvanică.

Conectoarele vor fi toate aurite pentru un maxim de conectivitate și stabilitate la coroziune și cu izolatori de teflon

Cablurile de interconectare vor fi de capacitate specifică mică și protecție la zgomot mare (ecran multiplu)

Cablajul imprimat va fi din sticlo-textolit și stratul de cupru de grosime mare

Componentele pasive vor fi de toleranță 0,1 % pentru rezistori, și de 1 % pentru condensatori

Va exista un comutator de pornire/oprire cu indicare optică a stării comutatorului (închis/deschis)

Figura 5.16 Aspectul exterior al condiționatorului de semnal.

Condiționatorul de semnal are conectorii din figura 5.16. Tresele active nu au terminație pe electrod, se termină la un cm de fișa de conectare la electrod.

Figura 5.17 Condiționatorul de semnal deschis.

In figura 5.17 se observă unele detalii constructive.

3.2.4 Teste de funcționare

In figura 5.19 se observă modul de testare pentru răspunsul la stimulii acustici prin măsurarea evoluției densității spectrale a potențialului evocat ce se suprapune peste potențialul spontan.

În figura 5.20 sunt evidențiate componentele software utilizate în măsurători. În urma stimulării apar modificări ale densității spectrale în zona frecvenței diferență intre frecvențele de stimulare. Măsurători intensive și repetate vor fi evidențiate în următorul raport de cercetare, de asemenea va fi filmat întregul proces de măsură.

Figura 5.18 Vedere de ansamblu ale echipamentelor utilizate.

Figura 5.19 Interconectarea echipamentelor pentru testare pe subiect uman.

Figura 5.20 Captură a imaginii de pe display în timpul măsurătorilor

Capitolul 4. Contribuții la dezvoltarea unui sistem automat destinat terapiei prin ajustarea parametrilor reglării homeostatice umane

4.1 Caracterizarea stării de echilibru homeostatic

Ca ființe umane, nu este greu să realizăm faptul că mediul intern al organismului este menținut separat de mediul său extern. Ideea a echilibrului între mediile interne și externe ale unui sistem viu a fost explicat inițial de fiziologul francez Claude Bernard în mijlocul anilor 1800. Bernard a descris această idee ca fiind procesul de menținere a mediului intern stabil, în ciuda condițiilor mediului extern ( Gross, 1998 ). Conceptul a fost extins ulterior de către fiziologul american Walter Bradford Cannon, atribuindui numele " homeostază ", care se traduce prin " starea de echilibru " sau " neschimbat. "

Multe variabile in interiorul corpului uman sau animal sunt menținute cu toleranță minimă pentru fluctuație. Capacitatea organismului de a își controla temperatura este exemplul care ne vine de cele mai multe ori în minte, dar sunt multe alte aspecte ale vieții animale, care sunt foarte bine controlate. Un exemplu de toleranță minimă este controlul pH-ului sângelui prin menținerea la un pH de 7,4, permițându-i o abatere de doar o zecime de unitate ( 7,3-7,5 ). Ieșirea din acest interval de toleranță poate face unele enzime nefunctionale si pot crea perturbații severe activitățile celulare. Alte evenimente sau variabile, care sunt controlate de procese homeostatice, includ tensiunea arterială, ritmului cardiac si nivelul de oxigen din sânge, printre multe altele.

Elementele de bază ale biologiei explică faptul că sistemele de control homeostatice conțin trei componente individuale, care lucrează împreună pentru a controla o variabilă în interiorul organismului. Cele trei părți ale sistemului sunt receptorul, centrul de control și efectorul. Receptorul sesizează o schimbare într-o anumită stare a mediului intern al organismului. Centrul de control interpretează această informație de la receptor și direcționează un răspuns către efector. Cea mai simplă ilustrare non-biologică al acestui proces este reglarea temperaturii în interiorul unei case. Termostatul este setat la 22°C, dar temperatura din casa scade la 19°C. Termometrul ( în acest caz – receptorul ) măsoară temperatura și recunoaște abaterea de la 22°C, centrul de control din cadrul termostatului stabilește modul de a corecta abaterea. Dispozitivul de încălzire ( în acest caz, efectorul ) este pornit și ridică temperatura înapoi la 22°C până când termometrul recunoaște temperatura setată și oprește dispozitivul de încălzire.

Același tip de corecție privind temperatura se produce, de asemenea, în corpul uman. Când temperatura acorpului uman se abate de la 37°C, o modificare este făcută în procesul de încălzire, conservarea căldurii sau răcirea corpului. De exemplu, la o scădere a temperaturii, o reacție a corpului uman este de a începe să " tremure ". Frisoanele sunt cauzate de activitatea crescută a mușchilor scheletici care utilizează energie și, prin urmare, generează căldură pentru a ajuta la protejarea temperaturii de bază interne a organelor vitale. Alternativ, când temperatura crește peste 37 ° C, glandele sudoripare încep procesul de transpirare abundentă a cărei umiditate duce la răcirea suprafeței pielii prin procesul de evaporare. Reglarea temperaturii este un tip de feedback negativ în cazul în care direcția de schimbare a variabilei, în acest caz temperatura, este contracarată de un răspuns fiziologic. Cu alte cuvinte, dacă temperatura este prea ridicată, organismul răspunde prin încercarea de a reduce temperatura.

Un alt sistem de reglare automată (SRA) după abatere bazat pe feedback negativ este implicat în reglarea cantității de glucoză în sânge, un proces care implică un echilibru realizat de hormoni pancreatici care stochează sau eliberează glucoză, atunci când este necesar. Nivelul de zahar din sânge este, de obicei, menținut la ~ 90 mg de glucose/100 ml de sânge ( Marieb, 1995). În cazul în care nivelul de glucoză în sânge este în creștere, celulele din pancreasul endocrin sunt stimulate pentru a produce și a secreta insulină in sange. Insulina este răspunzătoare de creșterea recaptării la nivel celular a glucozei, precum și stocarea glucozei sub formă de glicogen în ficat. Prin urmare, surplusul de glucoza nu este " pierdut ", dar în schimb este rezervat pentru un timp, și eliberat atunci când va fi nevoie. Într-o ocazie în cazul în care există prea puțină glucoză în sânge, un hormon numit glucagon este secretat de către pancreas. Glucagonul determină ficatul să transforme glicogenul din nou in glucoză si o elibereaza in sange ridicând astfel nivelul de glucoză din sânge. Prin urmare, atunci cand nivelul de glucoza din sânge este prea mare, insulina scade cantitatea de glucoză si atunci când nivelul de glucoză din sange este prea mic, glucagonul îl crește. Acest mecanism de feedback negativ contracarează un nivel inadecvat de ridicat sau scăzut de zahăr din sânge și permite un nivel relativ stabil de glucoză pentru a fi la dispoziția organismului pentru producerea de energie.

În cazul în care răspunsul fiziologic la o schimbare în variabilă servește pentru a îmbunătăți sau încuraja răspunsul în loc de a lucra în direcția opusă vorbim atunci de un SRA bazat pe feedback pozitiv. Având în vedere că mecanismele de feedback pozitiv au tendința de a exacerba schimbarea variabilei, de conducere mai departe în aceeași direcție, este rezonabil că aceste mecanisme nu sunt de obicei utilizate pentru menținerea echilibrului. În timp ce majoritatea mecanismelor implicate în homeostază sunt reglementate prin procese de feedback negativ, există exemple în care feedback-ul pozitiv joacă un rol important. Un astfel de exemplu este cel de reglare a coagulării sangelui în urma unei avarii la un vas de sânge. După apariția unei spărturi sau scurgeri la nivelul peretelui unui vas de sânge, trombocitele încep în curând să se atașeze la peretele rănitt si eliberează substanțe chimice care atrag mai multe trombocite. Prin urmare, un eveniment care cauzează recrutarea de trombocite determină în cele din urmă recrutarea de mai multe trombocite și creșterea numărului lor în avalanșă. Acumularea tuturor acestor trombocite începe procesul de formare a unui cheag pentru a sigila rana din peretele afectat.

Este important de menționat faptul că menținerea constantei mediului intern poate fi uneori alterată de ideea că există circumstanțe speciale care necesită abateri de la medie ce sunt considerate acceptabile într-un interval îngust. Una dintre aceste excepții este răspunsul organismului la infecții prin ridicarea intenționată a temperaturii corpului ( de exemplu – febră ), în încercarea de a ajuta organismul să se apere impotriva infecției. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, chiar și în cazul unei febre, organismul nu se abate foarte mult de la valoarea de referință de 37°C iar, dacă acest lucru se întâmplă, se intervine cu măsuri ce au rol hipotermic. Acest dezechilibru apare când organismul nu mai reacționează corect la dezechilibre.

Organismul uman este extrem de complex. El este capabil să depășească multe obstacole și diferite condiții perturbatoare. Capacitatea organismului de a se regla și de a menține un mediu intern relativ stabil, în ciuda condițiilor exterioare, acțiuni traumatice, aprovizionarea cu alimente sau alte evenimente în desfășurare întruchipează " înțelepciunea corpului ", denumită astfel de către fiziologul Walter Bradford Cannon atunci când a descris capacitatea sa de a ajunge la homeostază.

4.1.1 Definirea homeostazei

Homeostaza într-un sens general se referă la stabilitate, echilibru. Este încercarea organismului de a menține un mediu intern constant. Menținerea unui mediu intern stabil necesită monitorizarea constantă și ajustări dependente de schimbarea condițiilor. Această adaptare a sistemelor fiziologice în organism se numește reglare homeostatică.

Știința cere se ocupă de sistemele fiziologice poartă de numirea de fiziologie. Conform definiției:

Fiziologia ( din limba greacă: phisos- natură și logos-cunoaștere) se ocupă cu studiul funcțiilor mecanice, fizice și biochimice ale organismelor vii.

Fiziologia este o disciplină biologică complexă, ce cuprinde:

studierea organismelor din perspectiva a mai multor nivele de organizare, atât în ansamblu, cât și fiecare nivel particular ( diferitele sisteme de organe, organele, țesuturile și celulele);

studierea interacționării dintre un organism și mediul său;

studierea funcțiilor fiziologice importante a organismelor, precum nutriție, locomoție, reproducere, simțuri, etc.

În esență, în biologie, putem defini homeostaza ca fiind:

HOMEOSTAZĂ (biologie) = Capacitatea sau tendința unui organism sau celulă de a își menține echilibrul intern prin reglarea (ajustarea) proceselor fiziologice.

Unii definesc homeostaza ca STARE (de echilibru) [Cannon – în mod indirect], alții ca PROPIETATE (capacitate, tendiință, etc.) [o serie de dicționare cum ar fi Merriam-Webster], iar alții ca PROCES ce contribuie la menținerea echilibrului [Enciclopedia Brittanica – „any self-regulating process by which biological systems tend to maintain stability while adjusting to conditions that are optimal for survival”].

Acesta este motivul pentru care forma substantivală a homeostazei înseamna în general echilibru, des utilizate fiind formele adjectivale cum ar fi:

Reglare homeostatică

Proces homeostatic

Sistem homeostatic

Dezechilibru homeostatic, etc.

De aceea, atunci când vorbim despre homeostază ne vom referi la:

HOMEOSTAZA=stare normală de echibru dinamic al variabilelor proceselor interne al organismului uman (care este un sistem deschis).

Sistemul de reglare homeostatică este un SRA ce implică trei componente: 1) receptori (senzori, organe receptoare), 2) centrul de control și 3) efectori (elemente de execuție, organe efectoare).

Receptorul primește informații că ceva în mediu se schimbă. Centrul de control sau centru de integrare primește și prelucrează informații de la receptor. Și, în sfârșit, efectorul răspunde la comenzile din centrul de control pentru a obține descreșterea sau, mai rar, creșterea stimulului (proporțional cu decalajul față de referință). Acesta este un proces continuu care funcționează pentru a restabili și a menține homeostaza. De exemplu, în reglarea temperaturii corpului receptorii de temperatura sunt în piele, care comunica informațiile la nivelul creierului, care este centrul de control, și efectoarii sunt vasele noastre de sânge și sudoarea generată de glandele sudoripare din pielea noastră.

Deoarece mediul intern și extern al corpului sunt în continuă schimbare, trebuie să fie aduse modificări continue pentru a menține parametrii mediului intern aproape de mărimile de referință, homeostaza poate fi astfel considerată ca un echilibru sintetic.

Deoarece homeostaza este încercarea de a menține condițiile mediului intern prin limitarea fluctuațiilor, acesta trebuie să implice o serie de buclele de feedback negativ.

Atunci când se produce o schimbare de variabilă, există două tipuri principale de feedback în care reacționează sistemul:

• Feedback-ul negativ: o reacție prin care sistemul răspunde într-un mod care să inverseze direcția de schimbare. Deoarece acest lucru tinde să păstreze parametrii constanți, permite menținerea homeostaziei. De exemplu, atunci când crește concentrația de dioxid de carbon în corpul uman, plămânii primesc semnalizarea de creștere a activității lor și elimină prin expirații mai rapide și mai ample mai mult dioxid de carbon. Termoreglarea este un alt exemplu de feedback negativ. Atunci când temperatura corpului crește (sau scade), receptorii din piele și hipotalamus sesizează o schimbare, declanșând o comanda de la creier. Această comandă, la rândul său, duce prin efectori la o scădere a temperaturii corpului.

• Feedback pozitiv: un răspuns ce amplifică schimbarea de variabilă a mediului intern. Acest lucru are un efect destabilizatoare, astfel încât el nu conduce la homeostază. Feedback pozitiv este mai puțin frecvent în mod natural decât feedback-ul negativ, dar acesta are aplicațiile sale. De exemplu, la nivelul nervilor, depășirea unui prag de potențial electric declansează producerea de un potențial de acțiune mult mai mare. Coagularea sângelui prin acumularea în cascadă a trombocitelor este un exemplu de utilizare a feedback-ului pozitiv. Un alt exemplu este de secreția de oxitocină, care provoacă mișcări (contracții) ale uterului, care să conducă la nașterea unui copil.

Deși Feedback-ul pozitiv este necesar în homeostază, el poate fi și dăunător. Atunci când ai febră mare pot apare schimbări metabolice care pot împinge febra către valori din ce în ce mai mari. În rare cazuri temperatura corpului ajunge la 45 grade Celsius și proteinele celulare devin nefuncționale și, prin urmare, metabolismul celular se oprește, ducând la deces.

În concluzie, sistemele durabile necesita combinații ale ambele tipuri de feedback.

Fiziologia este în mare măsură studiul proceselor legate de homeostază. Unele dintre funcțiile organismului nu sunt în mod special asociate homeostazei (cum ar fi cele mai multe cazuri de contracție musculară), dar pentru ca toate procesele corporale să funcționeze, trebuie să existe un mediu intern adecvat. Homeostaza reprezintă practic o formă de studiu introductiv (studiul principiilor) în fiziologie.

4.1.2 Interpretarea procesului de reglare homeostatică din perspectiva teoriei sistemelor

Main article: ElectrophysiologyOscillatory activity is observed throughout the central nervous system at all levels of organization.

In figura 2.1 am încercat să stabilesc o relație sistemică intre laturile practicii medicale și procesului de reglare homeostatică. Se observă că perturbațiile afectează procesul de reglare dar în același timp este este și sursă de informații pentru stabilirea procedurilor de prevenție a bolilor. Eficiența și corectitudinea proceselor de reglare sunt observate prin diagnoză (mai precis prin subcomponenta de monitorizare). Procesul de diagnoză oferă informații necesare în terapie, atât pentru alegerea metodelor terapeutice cât și pentru evaluarea permanentă a eficienței procesului terapeutic.

În ceea ce privește dimensiunile timpilor de interacție, precum și gradul de reacție și tipul de reacție ales este complet dependent de tipul de disfuncționalitate și gradul în care acesta pune în pericol funcțiile vitale ale organismului uman, și dacă pericolul este imediat sau nu.

Figura 2.1 Abordare sistemică a relațiilor dintre practicile medicale si homeostază.

Reglajul homeostatic aplicat asupra proceselor interne ale organismului uman se referă la varietatea de moduri în care corpul uman menține o stare de echilibru interior. Inițierea proceselor homeostatice are loc ca urmare a stimulilor care provoaca stres, fie în interiorul sistemului fie în mediul său extern. Procesul de reglare homeostatică implică mecanisme necesare pentru monitorizarea și controlul continuu al anumitor stări cu ajutorul feedback-ului.

Identificarea factorilor de stres sunt moduri ale corpului prin care se indică faptul că există o întrerupere în procesul de homeostază, în general, cauzat de o schimbare care apare pe plan intern sau extern. Răspunsurile apar în mod subconștient prin declanșarea mecanismelor de regulare homeostatice, acțiuni care au ca scop gestionarea problemelor care cauzează perturbarea. Poluarea, căldura, frigul sunt exemple de stres provenite din mediul înconjurător, în timp ce schimbările în nivelurile de electroliți, respirația și ritmul cardiac sunt cauze interne.

Întreținerea homeostazei este realizabilă printr-o colaborare a sistemelor de organe. Deoarece corpul uman cuprinde miliarde de celule organizate, pentru a forma mai multe tipuri de țesuturi și organe, sistemele de organe înglobează mai multe organe pentru a efectua funcții asociate. De exemplu, funcția principală a sistemului digestiv este de a descompune substanțele nutritive pentru absorbția în fluxul sanguin ; cu toate acestea, aceasta se realizează prin mai multe structuri care lucrează împreună, cum ar fi stomacul, pancreasul și intestinul subțire. Transportul și distribuția de nutrienți ar fi imposibilă fără ajutor sistemului circulator, altfel totul ar rămâne la nivelul sistemului digestiv și organismul ar muri prin inaniție.

În figura 2.2 este abordat sistemic reglajul homeostatic. Se observă existența tuturor elementelor ce constituie un sistem. Procesul intern este monitorizat cu ajutorul senzorilor și este supus perturbațiilor. Informațiile preluate de la senzori sunt comparați în permanență cu valorile de referință (care sunt, de fapt, intervale de referință), iar dacă apar diferențe iau naștere stimulii. Aceștia ajung prin căile aferente la sistemul nervos central – care este elementul decizional.

Centrul de control primește, deasemeni, informații legate de unele perturbații (cele care trec de filtru, sau sunt modificate de acesta). Aceste informații corelate cu stimulii ce sosesc după procesul de comparare duc la decizii prin prelucrarea de către SNC. Deciziile se referă nu numai la comanda elementelor de execuție ci și la posibilitatea de a activa căi de tip feedforward pentru pregătirea organismului în a iniția alte procese ce trebuie să însoțească o activitate complexă pentru care există memoria unui tipar comportamental (de exemplu mersul pe bicicletă – centrul de control sesizează intenția la începutul pedalării și pregătește procesele specifice efortului intens pe o perioadă îndelungată).

Comanda este transmisă prin căile eferente către elementele de execuție. Acestea acționează asupra procesului până la oprirea stimulilor, deci până în momentul în care informațiile primite de la senzori se încadrează în intervalul de valori de referință în cazul feedback-ului negativ.

Figura 2.2 Exemplu de sistem de reglare homeostatică aplicat unui proces intern.

Fiecare sistem din organism contribuie la homeostaza altor sisteme precum și a întregului organism. Nici un sistem din organism nu funcționează izolat, bunăstarea întregului organism depinde de bunăstarea tuturor sistemelor și a subsistemelor organismului. O întrerupere într-un singur sistem, în general, are consecințe pentru mai multe sisteme din organism. În continuare am abordat pe scurt modul în care diferite sisteme ale organismului contribuie la menținerea homeostazei.

4.2 Identificarea corelațiilor potențialelor evocate cu parametrii neurovegetativi

Odată cu descoperirea undelor cerebrale, a urmat imediat și observarea faptului că activitatea electrică a creierului se modifică în funcție de ceea ce face persoana în cauză. De exemplu, undele cerebrale ale unei persoane care doarme sunt cu mult diferite de cele ale uneia care este trează. De-a lungul anilor, echipamente tot mai sensibile ne-au adus mai aproape de imaginea exactă a ceea ce reprezintă în realitate undele cerebrale: indicii foarte precise în legătură cu starea mentală sau sănătatea unei persoane. Trebuie să ținem seama că fiecare gând, fiecare sentiment generează un anumit tip de activitate a creierului și de aici ne putem da cu toții seama de bogăția de informații pe care ne-o poate aduce interpretarea măsurătorilor cerebrale. Se cunosc la ora actuală mai multe benzi de frecvențe pentru undele cerebrale: delta (0,5-4 Hz), theta (4-8 Hz), alpha (8-12 Hz), beta (12-16 Hz), beta înalte (16-32 Hz), complexul K (33-35 Hz), gamma (peste 40 Hz) etc.

4.2.1 Justificarea necesității identificării corelațiilor potențialelor evocate cu parametrii neurovegetativi

Studiile științifice indică o legătură directă între potențialul spontan al creierului unui om suferind față de cel al uni om în echilibru homeostatic. La fel și în ceea ce privește echilibrele și dezechilibrele de natura psihică sau psihologică. În timpul ascultării produselor audio, activitatea cerebrală se modifică: activitatea undelor beta scade și se produce o creștere a undelor alfa, theta si gama.

Cele mai întâlnite unde în terapia audio sunt undele de frecvență alfa. Acestea accelerează schimbările mentale pozitive, liniștesc mintea și ajută la reducerea hormonilor de stres din corp.

Undele gama în terapia audio indică o capacitate de concentrare crescută și sunt frecvent asociate cu generarea emoțiilor pozitive și reducerea sentimentelor depresive.

Într-o stare de relaxare profundă, creierul emite unde theta. Undele theta generate ca potențial evocat creează o stare de relaxare profundă, favorizează creativitatea și imaginația, orientarea către soluții și îmbunătățesc memoria.

Așadar, cercetările în domeniul neurologiei confirmă existența a cinci categorii de unde electrice cerebrale:

Undele cerebrale Gamma au cea mai mare frecvență: de la 30-40 Hz în sus și sunt implicate în activitatea mentală foarte intensă. Corespund stării obișnuite de veghe, în care atenția noastră este predominant orientată spre acțiuni exterioare. Au amplitudinea cea mai mică și frecvența cea mai mare dintre toate celelalte tipare de unde cerebrale.

Undele cerebrale Beta iau naștere în timpul orientării predominante a minții umane către satisfacerea nevoilor de subzistență, calculând, organizând, aranjând, conferind sensul universului nostru exterior. Acestea caracterizează perioadele de concentrare mentală, rezolvarea problemelor, analiza centrată pe diferite probleme zilnice. Au între 13-14 și 20-21 Hz. În timpul acestei emisii suntem treji și constienți. În condiții optime undele beta sunt asociate gândirii logice, rezolvării problemelor concrete și atenției active îndreptate asupra lumii înconjurătoare. Deși coexistă toate cele patru ritmuri cerebrale, în starea de veghe undele beta sunt predominante.

Sunt caracteristice activității conștiente și sunt produse de creier in starile normale de veghe. Un exces de unde cerebrale Beta este corelat cu stările psihologice de panică/stress, cu simptomele ei caracteristice: puls neregulat, respirație rapidă, lipsă de concentrare, etc.

Undele cerebrale Alfa sunt caracteristice stărilor de relaxare, meditație și vis și au o frecvență cuprinsă între cca. 8 și 13-14 Hz. Constituie “poarta” către subconștient. Aceste unde caracterizează o stare de calm și relaxare mentală, sau stări de visare cu ochii deschiși, indicând absența stimulării senzoriale.

Este deci o stare relaxantă, dar totuși dinamică asociată unei minți calme, liniștite și în care atenția poate fi focalizată cu succes atât în exterior, participând la rezolvarea situațiilor de tot felul, dar și în interior permițând aprofundarea unei stări de meditație dinamică.

La acest nivel, are loc percepția extrasenzorială și se produce reînnoirea energiilor celulare. Capătul de jos în frecvență al acestui nivel (8 Hz) este caracteristic unor stări precum cea de dinainte de somn. Undele alfa de jos mai sunt asociate cu o stare de pace și mulțumire și este tiparul predominant al stării de meditație obișnuite. Nivelul superior de 12-14 Hz descrie o stare de “super-învățare”, atunci când suntem foarte absorbiți de citirea unei cărți, sau ascultarea unei melodii, spre exemplu.

Undele cerebrale Theta prezintă frecvențe cuprinse între cca. 3-4 și 7-8 Hz. Apar în stări de somnolență, inconștiență, vis, când nu ne putem concentra, sau în stări de calm profund, relaxare, liniște, cum ar fi stările de trecere de la veghe la somn sau invers. Reflectă o stare a minții care permite vizualizarea benefică, dinamizarea constructivă a imaginației și inspirația creatoare. Ele sunt active în timpul visului și meditației profunde, fiind extrem de accentuate în timpul experiențelor-limită, a revelațiilor și a stărilor de funcționare excepțională a creierului.

Undele theta pot fi asociate subconștientului unde se află depozitate amintiri, senzații, emoții. Acestea apar mai ales în timpul somnului REM în care apar majoritatea viselor, în stările hipnotice. Daca sunt controlate, se pot manifesta și fenomene psihokinetice.

Putem fi totuși conștienți de această stare de calm și armonie, căci undele theta se manifestă mai ales în timpul reveriei cotidiene și meditației profunde. Când apar în starea de veghe acestea sunt răspunzatoare de cunoașterea intuitivă. Tot la acest nivel se poate accesa o stare catatonică, de “anestezie” fara anestezice pentru intervenții chirurgicale, stomatologice etc. Predominanta undelelor theta este asociată cu stări de creativitate crescută, memorie, vindecare, experiențe în care înțelegerea este spontană, instantanee. Geniile, persoanele care se bucură de foarte mult succes, artiștii trăiesc și creează frecvent în perioade de asociere cu existența acestor frecvențe a undelor theta în activitatea cerebrală.

Undele cerebrale Delta au cea mai mică frecvență, dar cea mai mare amplitudine. Apar în timpul somnului profund sau al stărilor de inconștiență și definesc cele mai profunde nivele ale relaxării psihosomatice pe care ființa umană le poate atinge. Frecvența lor este cuprinsă între cca. 0,5 și 3-4 Hz.

Undele delta caracterizează o stare de profundă uniune si armonie interioară și caracterizează somnul profund fără vise în care organismul se reface, stările de extaz mistic, în care au loc eliberări de neuro-transmițători care accelerează sau inhibă anumite procese din organism.

Prezența undelor delta este asociată cu procesul complet și amplu al regenerării fizice și al refacerii ori menținerii sănătații. Prezente în timpul somnului profund, ele rămân active atunci când toate celelalte unde cerebrale încetează să-și facă simțită prezența. Ele pot fi prezente și în timpul stărilor de veghe, în combinație cu alte tipuri de unde.

Undele delta sunt un fel de radar personal, trimițând și primind mesaje la nivel inconștient. Funcționează numai nivelele de bază ale creierului, care asigură funcționarea de întreținere a corpului.

Poți spune multe despre o persoană observându-i pur și simplu modelele undelor ei cerebrale. De exemplu, persoanele anxioase tind să producă o supra-abundență de unde beta înalte, în timp ce oamenii cu ADD / ADHD (Deficit de Atenție / Hiperactivitate / Impulsivitate) tind să producă o supra-abundență de unde cerebrale lente Alpha / Theta în modele haotice.

Stimularea cerebrală.

Cercetătorii au descoperit că undele cerebrale nu sunt numai o reprezentare a stărilor noastre mentale, ci ele pot fi influențate prin stimulări externe pentru a schimba stările mentale ale unei persoane sau chiar pentru a ajuta în tratarea unei largi varietăți de tulburări mentale. Stimularea cerebrală prin antrenarea undelor cerebrale (Brainwave Entrainment) se referă la răspunsul electric al creierului la diverse stimulări senzoriale ritmice, cum ar fi impulsuri sonore sau luminoase. Atunci când creierul primește un stimul prin urechi, ochi sau alte simțuri, acesta emite o undă electrică de răspuns, numită Răspuns Evocat Cortical.

Figura 3.1 Răspunsul evocat cortical (dreapta) la un stimul acustic (stânga) [ Walter, V. J. & Walter, W. G. "The central effects of rhythmic sensory stimulation." Electroencephalography and Clinical Neurophysiology,1,57-86. ]

Răspunsul Evocat Cortical.

Aceste răspunsuri electrice călătoresc prin creier pentru a deveni în cele din urmă, prin decodarea acestor semnale, ceea ce "vedem și auzim". Această activitate electrică se măsoară folosind electrozi sensibili atașați la nivelul scalpului cu ajutorul electroencefalografului.

Atunci când creierul primește un stimul ritmic, cum ar fi o bătaie ritmată într-o tobă, ritmul respectiv este reprodus în creier, sub forma acestor impulsuri electrice. În cazul în care ritmul devine rapid și destul de consistent, acesta incepe să semene cu ritmurile naturale ale creierului, numite unde cerebrale. Atunci când se produce acest lucru, creierul răspunde prin sincronizarea ciclurilor sale electrice cu acest ritm exterior. Acest fenomen este cunoscut sub numele de Răspuns de Urmărire a Frecvenței (Frequency Following Response sau FFR).

Răspuns de urmărire a frecvenței.

FFR poate fi foarte util datorită faptului că undele cerebrale sunt foarte mult legate de stările mentale. De exemplu, un semnal sonor ritmic de 4 Hz va produce un răspuns asemănător activității spontane specifice din timpul somnului în creierul celui care ascultă acel semnal. Același principiu poate fi aplicat multor stări mentale cum ar fi cele de concentrare, relaxare, creativitate, vis lucid etc.

Undele cerebrale dominante.

În orice moment, creierul emite toate sau majoritatea diferitelor tipuri de unde cerebrale. Cu toate acestea, există, de obicei, o frecvență dominantă, sau una care este mult mai puternică si predominantă față de celelalte. De fapt, de-a lungul anilor 60-70, frecvența dominantă a fost singura frecvență cerebrală considerată relevantă.

Ca urmare, stările mentale sunt de obicei descrise din punctul de vedere al frecvenței (frecvențelor) dominante. Deci, în general, când un program de stimulare cerebrală este descris ca fiind "Alpha", aceasta înseamnă că frecvența dominantă care rezultă în urma utilizării respectivului program va fi în domeniul frecvențelor Alpha.

Undele cerebrale non-dominante (secundare).

Ca urmare a progreselor în tehnologia EEG, acum putem detecta toate frecvențele și benzile undelor cerebrale în același timp, și le putem analiza în detaliu simultan. Uneori este necesară focalizarea atenției pe frecvențele secundare în vederea atingerii anumitor scopuri. De exemplu, o undă mai mare din gama frecvențelor Alpha în timp ce persoana respectivă se află predominant "în" Beta, este asociată cu un IQ ridicat. Când programele de stimulare cerebrală se concentrează pe aceste frecvențe non-dominante, aceasta nu afectează undele cerebrale dominante, ci crește activitatea într-o anumită bandă pentru a produce o stimulare a unor caracteristici compuse (împreună cu cele dominante dau rezultate extrem de specifice).

Potențialele evocate senzoriale.

Potentialele evocate senzoriale sunt înregistrate de sistemul nervos central după stimularea organelor de simț ( de exemplu, potențialele evocate vizuale provocate de o lumină intermitentă – stroboscop ), sau schimbarea imaginilor de pe un monitor , [6] potențialele evocate auditive provocate de un clic sau un ton stimulator generat prin căști ) sau potentialele evocate tactile sau somato-senzoriale provocat prin stimuli tactili sau stimulare electrică a unui nerv periferic senzorial sau mixt. Acestea au fost utilizate pe scară largă în medicina de diagnosticare clinică din 1970, și de asemenea, în monitorizarea neurofiziologică intraoperatorie, de asemenea cunoscut sub numele de neurofiziologie chirurgicală.

Există trei tipuri de potentiale evocate în utilizarea clinică pe scară largă : potențialele evocate auditive, de obicei înregistrate la nivelul scalpului , dar de origine la nivelul trunchiului cerebral ; potentiale evocate vizuale, și potențialele evocate somato-senzoriale , care sunt determinate de stimularea electrică a nervilor periferici.

Tipuri de stimulare cerebrală acustică.

Există mai multe modalități de a genera efecte asupra creierului prin stimulări audio: prin tonuri isochronice (bazate pe impulsuri sonore), batăi monoaurale și batăi binaurale.

1. Stimularea isochronică este realizată pe baza unor stimuli sau impulsuri ritmice și constante. Este considerată de mulți forma cea mai eficientă de stimulare și antrenare cerebrală. În esență, un ton Isochronic este un sunet generat pe bază de impulsuri distribuite uniform, care pornesc și se opresc cu o rată specifică pe secundă. Deoarece sunetele se opresc foarte repede, ele produc reacții extrem de puternice în creier, ceea ce duce la cea mai eficientă stimulare a creierului. De asemenea permite o stimulare diferențiată (disociată) a celor două emisfere, foarte necesară în anumite situații (de exemplu atunci când se dorește eliminarea efectelor anxietății). Pot fi utilizate mai multe forme de undă: dreptunghiulară, triunghiulară sau sinusoidală, fiecare cu efecte diferite asupra creierului ți implicit asupra stărilor mentale asociate.

Figura 3.2 Forma semnalului acustic de stimulare izocronică obținut prin modularea unui semnal triunghiular de frecvență de ordinul sutelor de Hz de către un semnal dreptunghiular de frecvență joasă ( de ordinul Hz – cea care se dorește în răspunsul evocat – în jur de 10 Hz)

2. Stimularea binaurală folosește combinații specifice de tonuri audio, ce induc sincronizarea undelor cerebrale la nivelul întregului creier, rezultând o stare de unitate a creierului în care cele două emisfere lucrează împreună în armonie și sincronie. Într-o descriere foarte simplă, modul de funcționare este următorul: atunci când producem la niște căști stereo un sunet de, să zicem, 400 HZ în urechea stângă și un alt sunet de 410 HZ în urechea dreaptă, creierul „aude” direct cu centrii săi de procesare a sunetului (deci nu prin urechi) un al treilea sunet cu o frecvență de 10 HZ (bătaie binaurală) care este diferența dintre cele două sunete de la nivelul urechilor. Această bătaie binaurală va determina creierul să funcționeze pe o frecvență dominată de 10 HZ (în exemplul nostru).

Figura 3.3 Forma semnalului acustic de stimulare binaurală obținut prin generarea unor semnale sinusoidale independent pe fiecare ureche de frecvențe de ordinul sutelor de Hz de cu o diferență între ele de frecvență joasă ( de ordinul Hz – cea care se dorește în răspunsul evocat – în jur de 10 Hz)

Bătăile binaurale sunt eficiente dacă sunetele produse în cele două urechi au frecvențe sub 1 KHz iar diferența dintre frecvențele celor două sunete să nu fie mai mare de 25 Hz, pentru în aces caz, sunetele vor fi percepute distinct în cele două urechi și nu vor produce cel de-al treilea ”sunet” (bătaia binaurală). Dovezile sugerează faptul că bătăile binaurale sunt generate în nucleii olivari superiori din creier, primul loc din sistemul auditiv în care sunt integrate contralateral (Oster 1973). Studiile mai arată că răspunsul de urmărire în frecvență își are orginea în collicus-ul inferior (Smith, Marsh&Brown, 1975, Owens&Atwater, 1995). Această activitate este condusă către cortex acolo unde poate fi înregistrată cu ajutorul electrozilor plasați pe scalp.

3. Stimularea monoaurală are un principiu de funcționare oarecum asemănător cu cea binaurală, cu deosebirea că cele două sunete ușor diferite sunt generate în fiecare ureche în parte individual. Bătăile monoaurale (ca și cele binaurale) au loc ca rezultat al însumării a două forme de undă care sunt atât de apropiate încât ele se adună și se scad una cu/din alta și sunt percepute ca o pulsație, sau bătaie.

Figura 3.4 Forma semnalului acustic de stimulare monoaurală obținut prin însumarea unor semnale asemănătoare cu cele din stimularea binaurală dar transmise la aceeasi ureche.

Bătăile monoaurale nu sunt procesate de către creier, astfel că acestea nu suferă de aceleași limitări ca cele binaurale. Adică ele pot fi produse la aproape orice frecvență (chiar și dincolo de 1 KHz) și pot fi de asemenea percepute dacă există o separare între ele mai mare de 25 Hz.

Totuși, bătăile monoaurale au unele dezavantaje. În primul rând, pentru ca bătăile monoaurale să-și mențină efectul complet, ambele tonuri trebuie să aibă aceeași amplitudine. În ale doilea rând, pentru a produce o stimulare semnificativă a undelor cerebrale, ele trebuie să aibă un volum corespunzător – destul de tare pentru ca cel care ascultă să audă o modulație observabilă între tonuri.

În ciuda limitărilor lor, bătăile monoaurale sunt foarte eficiente în producerea de entrainment al undelor cerebrale și au avantajul că produc efecte foarte asemănătoare cu bătăile binaurale atunci când sunt ascultate în căști audio.

Sincronizarea undelor cerebrale.

Din punct de vedere anatomic, creierul este impărțit în două părti principale: emisfera dreaptă și emisfera stangă.

Deși par identice, cele două jumătăți funționează ca două creiere aproape complet diferite. Emisferele sunt aproape complet separate, existând o legătură între ele doar prin corpul calos prin care circulă cam 300 de milioane de trasee nervoase. Funcționarea celor două emisfere este foarte diferită și asincronă. De obicei una din ele are o funcționare predominantă. Emisfera predominantă este răspunzătoare de modul în care decodoficăm și percepem realitatea. S-a constatat că există două tipuri de predominanță în funcționarea emisferelor cerebrale.

a. O predominantă de fond (fundamentală) care, am putea spune, este o caracteristică a personalității noastre. Permanent avem tendința de a procesa și interpreta realitatea rulând predominant circuitele neuronale doar ale uneia din emisfere. Aceasta creeză o viziune limitată, restrânsă a existenței.

b. O predomință periodică ce ține de anumite cicluri biologice și care determină amplificarea energiei și a circulației sanguine în una dintre emisfere cu o periodicitate de aproximativ 90-120 minute.

Aspectul cel mai important din punct de vedere practic în privința dominanței emisferei cerebrale este de a crea o stare de echilibru și armonie a acestor emisfere. S-a descoperit că în timpul fiecărui ciclu de schimbare a emisferei dominante există o perioadă în care activitatea cerebrală devine echilibrată între ambele emisfere. Cercetările ne sugerează faptul că acesta este momentul de maximă creativitate și eficiență. Două creiere sunt mai bune decât unul singur. Cele două emisfere sunt complementare și, atunci când lucrează împreună, produc apariția fenomenului de sinergie. Armonia emisferelor explică creșterea productivității, a performanței, a eficienței, a sentimentului general de competență, a încrederii în sine. Totodată, echilibrarea emisferelor cerebrale crește pragul ,,stress-abilității”, adică devii tot mai imun la factorii externi care sunt legați de stress.

Relația dintre modelele ondulatorii ale celor două emisfere este deosebit de importantă în procesul dezvoltării noastre mentale. Este posibil să existe două modele vibratorii identice care nu sunt sincronizate; ca atunci când amplitudinea maximă a unei unde corespunde momentului de amplitudine minimă al celeilalte unde. Într-un astfel de caz, cele două frecvențe se anulează reciproc, și amplitudinea totală scade foarte mult. Atunci când momentele de amplitudine maximă ale celor două unde coincid, ele se combină și cele două unde vor produce împreună o undă de două ori mai înaltă decât cea existentă la început. Astfel emisferele cerebrale operează sincron și amplitudinea undelor cerebrale din întregul cortex crește foarte mult. Aceasta determină puternice fluctuații energetice în întregul creier, existând în acele momente posibilitatea unei potențiale reorganizări mentale într-o ordine mai înaltă.

Dr. Lester Fehni, director al Institului de cercetare în domeniul biofeedback-ului din Princeton, a realizat numeroase studii asupra relației dintre activitatea undelor cerebrale și comportamentul uman. În urma acestor studii, el afirmă faptul că sincronizarea emisferelor cerebrale “determină o identificare cu experiența respectivă, o focalizare mentală excepțională. Apare o tendință de a te simți din ce în ce mai unificat cu experiența, devii însăși acea experiență. În plus, puterea de conștientizare se mărește foarte mult, astfel încât pot fi incluse mult mai multe experiențe în același timp. De asemenea, are loc o integrare senzorială a întregului creier, ca și cum ai deveni mai puțin calculat și ai acționa mai mult intuitiv.”

4.3 Contribuții la dezvoltarea unui sistem automat destinat reducerii dezechilibrului homeostatic utilizând stimularea acustică binaurală

In acest capitol voi prezenta un sistem automat care îșî propune să reducă dezechilibrul homeostatic uman printr-o metodă neinvazivă. Ținta acestui sistem este dezechilibrul care nu are drept cauză traumatismele, ingerările de substanțe toxice ori agresiunea unui agent patologic. Adresabilitatea se rezumă la dezechilibrul homeostatic datorat stresului și având patologie psihologică. Astfel de dezechilibre se manifestă prin maladii de natură funcțională cum ar fi distoniile neuro-vegetative.

În capitolele anterioare am ales ca sursă de informații despre starea de echilibru homeostatic activitatea electrică a creierului și cea a cordului. Analizând această stare, putem lua o decizie asupra modului în care putem reduce dezechilibrul homeostatic. Metoda de stimulare cerebrală prin semnale acustice este minim invazivă, cu efecte secundare minore și implică un algoritm de stimulare relativ simplu.

Am stabilit faptul că un astfel de SRA este un sistem adaptiv ce se poate aplica organismului uman ca sistem adaptabil. Prin accesul la starea de spirit, sistemul de reglare homeostatică devine un sistem adaptabil, sistemul care influențează starea de spirit devenind un sistem de adaptare (figurile 3.6 și 3.7 reluate mai jos).

Figura 5.1 Sistem automat pentru reducerea dezechilibrului homeostatic.

Sistemul de reglare automată este constituit dintr-un regulator, generator de semnal dotat cu un traductor electroacustic și aparate de măsură – unul electroencefalografic și celălalt electrocardiografic conectate la electrozi (senzori). Regulatorul analizează în permanență frecvența maximului densității spectrale a traseului electroencefalografic precum și frecvența ritmului sinuzal cardiac. După un set de reguli stabilite în capitolul 4, regulatorul comandă generatorului de semnal inceperea sau oprirea stimulării, precum și caracteristicile semnalului stimulator.

Figura 5.2 Schema logică a regulatorului.

Schema bloc detaliată a sitemului de reglare automată pe care îl propun este în figura 5.4. Prin comparație cu schema simplificată din figura 5.1, se pot identifica componentele regulatorului. Trebuie menționat faptul că din punct de vedere constructiv, regulatorul este un calculator personal (PC) echipat cu port serial USB 2.0. Algoritmul de reglare (set de reguli) este realizat printr-o aplicație software.

Condiționatorul de semnal electrocardiografic oferă în timp real mărimea frecvenței ritmului sinuzal cardiac intr-un format numeric prin interfață serială.

Schema logică de funcționare a regulatorului (setul de reguli) este prezentată în fig. 5.2. Principiul de funcționare este următorul:

Regulatorul monitorizează activitatea electrică a creierului de la nivelul scalpului și a cordului.

Aparatele de măsură furnizează în format numeric evoluția în timp a semnalului electroencefalografic și frecvența ritmului sinuzal cardiac.

Regulatorul face conversia în timp real în domeniul frecvență a semnalului electroencefalografic.

Apoi se face o comparație a frecvenței ritmului sinuzal cardiac cu frecvența maximă admisă în funcție de vârstă, unde trebuie respectată condiția (5.1) altfel stimularea este oprită sau nu începe.

SIN(t) < 60% (220 – vârsta în ani) (5.1)

Unde 220-vârsta reprezintă ritmul maxim sinuzal suportat de om, iar coeficientul de siguranță de 60% ia în calcul orice altă eventuală problemă care crește riscul de accidente cardiovasculare.

Stimularea decurge apoi conform algoritmului din figura 5.2 descris în capitolul 4.

Regulatorul comandă generatorul de semnal sub forma comenzilor de pornire/oprire și comandă caracteristicile semnalului acustic stimulator.

Operatorul uman ce controleaza regulatorul are acces manual la acesta și are prioritate la controlul sistemului de reglare automată pentru orice componentă a procesului de reglare.

Figura 5.4 Sistem automat detaliat pentru reducerea dezechilibrului homeostatic.

4.3.1 Contribuții privind stabilirea unor tipare și proceduri de testare pentru potențialele spontane, respectiv, evocate

În continuare vom înțelege prin homeostază exclusiv homeostaza umană (caz particular al homeostazei biologice). Pornind de la definiția homeostazei ca fiind capacitatea sau tendința unui organism sau celulă de a își menține echilibrul intern prin reglarea (ajustarea) proceselor fiziologice, putem observa ce reprezintă din punct de vedere sistemic. Capacitatea sau tendința înseamnă, de fapt, un set de reguli dupa care organismul poate reveni la starea de echilibru. Dacă ținem cont de abordarea „părintelui” termenului de homeostază putem concluziona faptul că:

homeostaza = stare normală de echibru dinamic al variabilelor proceselor interne al organismului uman

Procesul de reglare homeostatică nu este altceva decât derularea/aplicarea unor algoritmi în cadrul sistemelor ce iau naștere în jurul proceselor reglate. Rezultatul aplicării algoritmului îl reprezintă toate deciziile ce vor fi luate în momentul apariției și dispariției stimulilor. Stimulul apare ca informație de eroare rezultat din comparația datelor de intrare furnizate de senzorii conectați la proces ce sosesc prin canalele aferente (al sistemului nervos sau circulator) și mărimile de referință stocate în codul genetic sau în sistemul nervos. Baza de date de referință este în parte moștenită genetic (procesul de evoluție), în parte construită din experiența de viață a organismului.

stimulul = informație de eroare (abaterea față de valorea de referință / ieșirea din intervalul de referință)

Prima relație care se poate deduce este relația dintre reglarea homeostatică și stimulii interni:

starea procesului de reglare homeostatică = f (stimuli) (3.1)

Știm, deasemeni, că stimulii sunt dependenți de informațiile oferite de senzorii organismului uman, de variabilele procesului intern ce trebuie reglat, precum și de referința conținută în structura organismului:

stimulul = f (informații ale senzorilor , valori de referință) (3.2)

Unde:

Informațiile senzorilor = f (variabilele procesului) (3.3)

Rezultatul reglării homeostatice îl reprezintă comenzile generate de către sistemul nervos central ce este transmis prin căile eferente către elementele de execuție asociate procesului reglat (figura 3.5). Acestea acționează asupra variabilelor procesului până când stimulii devin nuli (reglare deterministă după abatere).

comenzi ale SNC = f (proces de reglare homeostatică , stimuli, perturbații) (3.4)

(SNC = sistemul nervos central)

Rezultatul reglării homeostatice este aducerea în parametri corect funcționali ai variabilelor procesului reglat. Se poate spune ca anularea abaterii variabilelor procesului este direct dependentă de acțiunea efectorilor (elementele de execuție):

anularea abaterii variabilelor = f (acțiunea elementelor de execuție) (3.5)

Unde:

acțiunea elementelor de execuție = f (comenzile SNC) (3.6)

Putem acum să observăm toate elementele care concură la realizarea echilibrului homeostatic. Cum scopul reglării este anularea abaterilor variabilelor procesului reglat, și ținând cont de relațiile (3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5) și (3.6) deducem următoarea dependență:

anularea abaterii variabilelor = f (procesul de reglare homeostatică , valori de referință , variabilele procesului , perturbații) (3.7)

Deci întreg procesul de reglare homeostatică este dependent de marimea variabilelor procesului, de baza de date de referință a organismului uman, de algoritmul de reglare (homeostaza) și perturbații (care acționează atât asupra procesului reglat cât și asupra componentelor sistemului de reglare homeostatică).

Figura 3.5 Identificarea surselor de eroare în sistemul de reglare homeostatică.

Cand intervine sistemul de reglare homeostatică ? Atunci când variabilele procesului au abateri față de valorile sau intervalele de referință ale organismului uman. Putem presupune două scenarii:

Scenariul I – considerăm componentele sistemului de reglare homeostatică perfect funcționale.

În acest caz, putem vorbi despre două surse majore de dezechilibru și anume:

Perturbațiile – prin acestea înțelegem atât condițiile de mediu, cât și agresiunea unor microorganisme.

Traumatismele – în orice formă în care acestea provoacă leziuni organice implicate în procesul reglat.

În ambele situații intervine sistemul de reglare homeostatică pentru a readuce organismul în stare de echilibru. Limitele sistemului apar în cazul în care perturbațiile ori traumatismele sunt majore, extreme, în acest caz apare o stare de dezechilibru permanent, ori decesul.

Scenariul I reprezintă starea normală de funcționare a sistemului de reglare homeostatică. În acest context, medicina intervine prin medicaente alopate (perturbații majore) sau procedee chirurgicale (traumatisme majore) pentru a ajuta la instaurarea echibrului.

Scenariul II – considerăm componentele sistemului de reglare homeostatică disfuncționale sau suferind de modificări organice.

În acest caz sistemul de reglare homeostatică nu mai poate aduce starea de echilibru, sau intervine asupra procesului chiar și atunci când nu este necesar. Scenariul II este, în general, temporar și este corectat prin metode invazive în cazul modificărilor organice. Problemele din scenariul II duc la dereglări funcționale majore, chiar în absența perturbațiilor sau a traumatismelor.

Ce probleme pot duce la apariția scenariului II ? Voi încerca să identific aceste probleme și consecințele lor:

Dereglarea organică sau funcțională a senzorilor => duce la măsurarea eronată a mărimilor variabilelor procesului reglat => apariția stimulilor artificiali, necorelați cu abaterile.

Dereglarea organică sau funcțională a comparatoarelor => duce la detectarea eronată a erorilor sosite pe căile aferente => apariția stimulilor artificiali, necorelați cu abaterile.

Baza de date de referință este alterată => apariția stimulilor artificiali, necorelați cu abaterile.

Alterarea poate fi permanentă – în acest caz avem de-a face, probabil, cu o moștenire genetică nefastă – acest fapt generează bolile moștenite genetic care au caracter cronic, permanent (aici un rol important îl are profilaxia).

Alterarea poate fi temporară – atunci putem vorbi despre corectarea temporară a modului în care sunt tratați stimulii.

Dereglarea organică sau funcțională a centrului decizional => duce la apariția de comenzi care nu sunt relaționate cu stimulii sau care nu respectă regulile de reglare (homeostaza) => apar disfuncții majore în procesele reglate, corecția fiind aproape imposibilă.

Dereglarea organică sau funcțională a efectorilor => comenzile provenite de la SNC, chiar corecte, nu pot modifica corespunzător mărimile variabilelor procesului reglat, corecția dupa abatere nu mai e respectată.

Dereglarea organică sau funcțională a căilor aferente (nervi sau componente ale sistemului circulator) => informațiile de la proces către centrul de decizie ajung alterate sau nu ajung deloc – dispare bucla de feedback

Dereglarea organică sau funcțională a căilor eferente (nervi sau componente ale sistemului circulator) => nu ajung comenzile la elementele de execuție – procesul nu poate fi reglat.

Alterarea algoritmului de reglare (a homeostazei) => afectează întreg sistemul de reglaj – în general această disfuncție este asociată cu alterarea centrului de control.

În cazul modificărilor organice se ajunge la metode terapeutice invazive, radicale – cum sunt metodele chirurgicale, laparoscopice, sau mai puțin invaziv – endoscopice. Cele mai multe probleme ce pot apare în cazul scenariului II duc la apariția stimulilor artificiali, necorelați cu abaterile mărimilor variabilelor procesului reglat. În aceste situații medicina apelează la tratamentul alopat ce blochează temporar receptorii centrului decizional care sunt conectați la căile aferente. Cunoscute sunt tratamentele ce blochează receptorii beta si/sau alfa (medicamentele beta/alfa-adrenolitice) în sensul ignorării prezenței adrenalinei (norepinefrinei) – aceasta fiind o comandă a centrului de control rezultat dintr-un stimul fals.

Un caz total aparte este disfuncția (alterarea funcțională) centrului de control (SNC = sistemul nervos central). Acesta deține algoritmul de reglare – homeostaza. În această situație este alterat însuși principiul reglării homeostatice – alterarea funcțională fiind chiar modificarea algoritmului de reglare. Cauzele acestor disfuncții sunt de multe ori perturbațiile sub formă de stress ale SNC, oboseala, sentimentele negative – mai ales cele post traumatice. Toate acestea se manifestă prin modificarea valorilor unor mărimi variabile din centrul decizional (de exemplu reducerea cantitativă a unor hormoni poate avea efecte dramatice – cazul serotoninei sau al endorfinelor). În aceste situații se intervine prin modificarea acestor valori cu ajutorul medicamentelor alopate/homeopate, psihoterapie și identificarea și înlăturarea stressului.

Multe din metodele aplicate în medicină reprezintă o abordare reducționistă a terapiei, nu de puține ori ignorând cauza fundamentală a disfuncțiilor. De exemplu – modificarea nivelului de serotonină, care este un neurotransmițător, este un efect intermediar în provocarea distoniilor neuro-vegetative – cauza fundamentală fiind stressul, iar cea secundară imediată fiind apariția stimulilor falși. Modificarea nivelului de serotonină apare mult mai târziu pe lista efectelor, ea fiind responsabilă (printre altele) de starea de buna dispoziție pe care o percepem. Problema reală putând fi și existența unui număr scăzut de receptori ai serotoninei – acest lucru prezentând o cauză organică.

Abordarea reducționistă pleacă de la premiza că dacă un organ este disfuncțional, acesta este rezultatul unor alte disfuncții la nivel suborganic. Dacă această teorie are aplicabilitate și dă rezultate pozitive în cazul problemelor organice, în cazul problemelor funcționale, teoria reducționistă nu mai este la fel de viabilă.

O altă abordare a terapiei este cea holistă. Holismul (din grecescul holos = întreg) repezintă o concepție susținând ireductibilitatea întregului la suma părților, în sensul că anumite caracteristici ale acestuia nu pot fi explicate în termenii proprietăților și relațiilor componentelor. Prezentă și în Antichitate, ideea întregului se impune, în epoca modernă, ca principiu alcătuitor și ordonator (ex. gestalt-ul care este un termen din psihologie. El provine din limba germană, unde Gestalt înseamnă o „formă, figură, configurație”. Nu există un echivalent perfect în limba română, deși "formă" ar putea constitui o traducere uzuală iar în psihologie sensul cuvîntului este adesea exprimat prin sinonimele "pattern" sau "configurație". ). O dată cu L. von Bertalanffy, principul holismul este ridicat la nivelul unei teorii generale a sistemelor. Perspectiva holistă și-a găsit numeroase aplicații în economie, sociologie, filozofia culturii etc. Holismul semantic este o concepție despre natura și testarea teoriilor științifice, dezvoltată de W. van Quine, conform căreia semnificația empirică nu se stabilește la nivelul enunțului, ci la nivelul întregului sistem de enunțuri.

Reducționismul este adesea vizualizat ca opusul holismului. Reducționismul în domeniul științei, spune că un sistem complex poate fi explicat prin reducere la părțile sale fundamentale.

În a doua jumătate a secolului XX, holismul a dus la sisteme de gândire și derivatele sale, ca științe ale haosului și complexității. Sisteme din biologie, psihologie sau sociologie sunt adesea atât de complexe încât comportamentul lor este, sau pare, "nou" sau "emergent": și nu se poate deduce doar din proprietățile elementelor componente. [30]

Holismul științifice susține faptul că comportamentul unui sistem nu poate fi perfect prezis, indiferent de cât de multe date sunt disponibile. Sistemele naturale pot produce comportamente surprinzătoare, neașteptate. Doar că aceste comportamente neașteptate sunt considerate de anumiți oameni de știință ca fiind rare, și deci lăsând abordarea deterministă reducționistă ca fiind predominantă. [31]

Teoria complexității (de asemenea, numită și "știința complexității"), este un moștenitor contemporan al sistemului de gândire holistic. Acesta cuprinde atât abordarea computațională cât și abordărea holistică, relaționate cu scopul înțelegerii sistemelor adaptive complexe.

Un caz concret de comportament neașteptat din punct de vedere computațional îl reprezintă distoniile neurovegetative. Aici avem de-a face cu un organism sănătos, ale cărui componente sunt sănătoase, există o absență notabilă a perturbațiilor și, totuși, avem un comportament neașteptat prin secreția în exces a adrenalinei în organism. Abordarea reducționistă în acest caz este inutilă. La fel și în cazul relațiilor psihosomatice, unde gândirea sau percepțiile conștiente duc la modificări somatice.

Cum starea psihică a unei persoane influențează puternic sistemul nervos somatic, putem concluziona faptul că modificând starea psihică se generează modificări în sistemul nervos somatic. Studii efectuate asupra patologiei funcționale (cum ar fi cele ale lui Gustav von Bergmann care a pus bazele medicinei psihosomatice) au fost observate multe tulburări condiționate neurologic. Exemple de astfel de tulburări sunt hipertensiunea arterială, tahicardia ventriculară, ulcerul duodenal, etc.

Multe din tulburările specifice patologiei funcționale au drept cauză majoritară sau exclusivă starea psihică a unei persoane. Modificările condiționate neurologic sunt de obicei rezultatul perturbațiilor externe, în special al stressului. Readucerea echilibrului psihic, recăpătarea capacității de relaxare duc la reducerea sau dispariția tulburărilor neurovegetative. Acest rezultat se obține prin psihoterapie, autoeducație sau prin stimularea simțurilor de orice natură după algoritmi empirici sau prin artă.

Prin accesul la starea de spirit, sistemul de reglare homeostatică devine un sistem adaptabil, sistemul care influențează starea de spirit devenind un sistem de adaptare.

Figura 3.6 Influențarea sistemului de reglare homeostatică (sistemul adaptabil) cu ajutorul unui sistem de adaptare cu capabilitate de influențare psihică.

Un astfel de sistem de adaptare este cel care produce senzații audiovizuale la care sistemul nervos central este sensibil. Acest fapt poate fi verificat urmărind cu ajutorul unui electroencefalograf modificarea traseului electroencefalografic al potențialului evocat simultan cu modificarea stării de spirit și a intensității unor tulburări funcționale.

Dispozitivul prezentat în raportul de cercetare II (fig. 3.8) este parte a unui sistem de adaptare bazat pe senzațiile acustice. S-a observat apariția potențialului evocat după stimularea acustică binaurală.

Efectul sunetului asupra organismului uman (fig. 3.7) poate fi măsurat obiectiv prin evoluția activității electrice a creierului și subiectiv prin evoluția stării de spirit și / sau percepția acestuia.

Figura 3.7 Efectul sunetului asupra organismului uman.

Din fig. 5.2 se observă faptul că existența codecului (codor și decodor în același timp din englezește – encoder/decoder) substituie utilizarea unui sistem de achiziții de date și permite, în același timp, și conversia numeric/analogică (CNA) pentru semnalele acustice generate de către computer. Computer-ul vede dispozitivul ca pe un dispozitiv audio USB (USB audio device) pentru care există driver oferit de către producătorul codecului, dar în același timp este recunoscut de sistemele de operare Windows recente.

Semnalul electroencefalografic este transformat în semnal digital de către convertorul analogic/numeric (CAN) inclus în codec, și transformat în semnal serial dupa standardele USB. El este prelucrat de către computer și afișat ca evoluție în timp printr-un osciloscop software ce are și componentă de transformare Fourier finită FFT ce permite monitorizarea evoluției densității spectrale a semnalului electroencefalografic în timp (3D FFT).

4.3.2 Stabilirea parametrilor semnalului acustic stimulator

Psihofizica, disciplina care se situează la granița dintre biofizica si psihologie, studiază relațiile existente între caracteristicile stimulilor si senzațiile produse de aceștia. Procesul de comunicare a omului cu mediul înconjurător implica patru elemente esențiale: stimulul, receptorul, senzația si percepția.

Stimulul, forma de energie care aparține unei sfere exterioare conștiinței, constituie un semnal pentru organele de simt în măsura în care anumite celule ale acestora sunt sensibile la existenta sa. De exemplu, undele electromagnetice cu lungimea de undă cuprinsă între 400 si 750 nm reprezintă stimuli pentru analizorul vizual uman, în timp ce undele electromagnetice din afara acestui domeniu, deși sunt de aceeași natura, nu pot fi detectate de către acesta. Vibrațiile mecanice cu frecventa cuprinsa între 16 – 20.000 Hz constituie stimuli pentru receptorul auditiv uman, pe când ultrasunetele, a căror frecventa este superioară valorii de 20.000 Hz, nu reprezintă semnale pentru acesta si deci nu pot avea pentru om aceeași valoare informaționala. În psihofizica se considera, în general, ca stimulul este de natura fizico-chimica, deși senzațiile pot fi provocate si de stimuli de alta natura. Exista o mare varietate de stimuli care pot fi recepționați de organele specializate ale organismului uman (optici, acustici, chimici, termici etc.). Pentru unii stimuli, cum ar fi stimulii electrici, nu exista însă organe specializate.

Receptorii sunt reprezentați de către celule specializate, sensibile la acțiunea stimulilor, integrate uneori în structuri complexe – analizoare – destinate prelucrării informației recepționate, în scopul obținerii de senzații si percepții. Din punct de vedere funcțional, receptorii pot fi considerați traductori care transforma energia stimulului în energia bioelectrica ce sta la baza generării influxului nervos. În acest fel, informația primita din mediul înconjurător prin intermediul stimulilor este tradusa în semnale specifice sistemului nervos, care sunt transmise pe căile nervoase până la centrii superiori, unde este generată percepția finală. O clasificare bazată pe proveniența stimulilor împarte receptorii în trei categorii:

– proprioceptorii, care primesc informații din propriul nostru corp (mușchi, tendoane, articulații etc.);

– interoceptorii, care furnizează informații asupra mediului intern (presiunea sângelui, concentrația unor substanțe în sânge etc.), informații care în general nu sunt conștientizate;

– exteroceptorii, care furnizează informații asupra mediului extern.

Din categoria exteroceptorilor fac parte organele de simț. Dintre acestea, analizorul vizual si analizorul auditiv formează structuri complexe, care sunt sisteme senzoriale. Un asemenea sistem senzorial este alcătuit din doua parți principale:

1) Sistemul periferic care include receptorul senzorial propriu-zis

2) Căile nervoase care prelucrează informația si ariile corticale specializate care sunt destinatarul informației.

De exemplu, în cazul sistemului auditiv partea periferica este reprezentata de urechea externa, urechea medie si de o parte a elementelor urechii interne. Partea periferica are rolul de a amplifica selectiv stimulul acustic, de a-l transmite cu o eficienta cât mai mare si de a efectua analiza sa în frecvență. Receptorul, în acest caz celulele ciliate interne, asigura traducerea mecano-electrică prin care stimulul mecanic reprezentat de unda acustica este transformat în semnalul electric care sta la baza propagării influxului nervos. Segmentul al doilea, reprezentat de căile nervoase aferente si de cele eferente, asigura comunicarea cu cortexul auditiv. De-a lungul acestor cai, neuronii pot fi dispuși în mai multe configurații, în serie sau paralel.

Senzația, de natura subiectiva, reprezintă o reflectare psihica a unor caracteristici separate ale stimulilor, caracteristici care acționează direct asupra organelor de simt sau asupra receptorilor. Senzația poate conține informații de ordin calitativ (culoare, tonalitatea unui sunet, timbrul sonor) sau cantitativ (intensitatea luminoasa, strălucirea, intensitatea unui sunet). Senzația nu poate permite însă cunoașterea caracteristicilor stimulilor în integralitatea lor.

Procesul psihic prin care fenomenele lumii înconjurătoare sunt integrate si cunoscute în totalitatea însușirilor lor este percepția. Percepția necesita intervenția creierului, a memoriei si a inteligentei, care asociază senzația unui stimul si împreuna dau posibilitatea identificării fenomenelor si a diferențierii lor în raport cu alte fenomene.

Senzația si percepția reprezintă o reflectare a unor fenomene obiective, fără a fi o reprezentare fidela a acestora. Senzațiile produse de aceiași stimuli diferă de la un subiect la celalalt si chiar la același subiect, în funcție de condițiile în care acesta se afla. Ele pot fi influențate de o serie de factori cum ar fi: experiența anterioara, starea psiho-afectivă, nivelul de cultura, starea fizica (oboseala, stres, adaptare etc.).

În figura 3.9 este prezentată o abordare sistemică a circulației informației provenite din surse sonore pana la nivelul creierului. Din punct de vedere al destinației informației putem pune în evidență două funcții – auditivă și vestibulară. De asemeni avem de-a face cu traductori acustico-electrici care transforma oscilațiile mecanice in oscilații electrice. Pregătirea semnalului de natura mecanică în vederea conversiei se face printr-un condiționator de semnal ce conține amplificatoare, limitatoare, filtre, adaptoare.

Pavilionul urechii captează sunetele din mediul extern și le transportă prin conductul auditiv extern până la nivelul membranei timpanice. Aceasta vibrează și transmite unda sonoră către lanțul osicular. Acesta din urmă transmite unda spre membrana ferestrei ovale și de aici la nivelul perilimfei. Dacă excitația sonoră depășește 80 dB, mușchiul scăriței se contractă reflex blocând transmiterea undelor sonore și protejând în acest mod auzul. Undele sonore periodice transmise de scăriță în fereastra ovală se transformă în vibrații spre membrana bazilară. De asemenea, lichidele urechii interne (endolimfa și perilimfa) se mișcă în același sens cu fereastra ovală. Aparatul neurosenzorial localizat la nivelul urechii interne ce poartă denumirea de organul Corti va transforma informația sonoră în curent bioelectric. Pe calea nervului acustic, impulsul electric se va transmite până la cortex, unde se va transforma în senzație de percepție.

Figura 3.9 Circulația informației acustice de la sursa sonoră până la percepție.

Deoarece psihofizica se ocupa cu studiul relațiilor cantitative dintre stimuli si senzațiile pe care aceștia le provoacă, apare problema evaluării acestor doua elemente prin stabilirea unor mărimi, a unor unități de măsura si a unor scări adecvate. Caracterizarea stimulului este în general mai simpla. Mărimile corespunzătoare acestuia, numite mărimi de excitare sau de stimulare, sunt exprimate prin caracteristicile si unitățile fizice consacrate. Astfel, un sunet poate fi definit prin nivelul sau de presiune acustica, exprimat în dB si prin frecventa sa, exprimata în Hz. Un semnal luminos poate fi caracterizat prin lungimea sa de unda, exprimata în metri, un semnal termic prin temperatura măsurata în grade Celsius etc.

Senzația, în schimb, nu este măsurabila obiectiv si evaluarea sa este posibila numai pe baza descrierii pe care o face subiectul supus stimulării. Caracterul subiectiv al răspunsului, variațiile individuale ale senzației produse de către un același stimul, au făcut necesara efectuarea unor studii statistice pe populații de oameni tineri si sănătoși. Într-un studiu de acest tip, subiectul este stimulat cu un factor excitant oarecare si i se cere sa descrie senzația pe care o încearcă. Descrierea senzației se face prin acordarea unui calificativ, de exemplu, în cazul unui stimul sonor, acesta poate fi: puternic, slab, grav, înalt etc. Stimulul este apoi modificat calitativ sau cantitativ si subiectului i se cere sa descrie noua senzație. Pentru a facilita descrierea, subiectului i se poate cere sa se concentreze asupra unei singure componente a stimulului, descriind senzația produsa de aceasta. De exemplu, subiectul trebuie sa se concentreze asupra componentei intensitate a unui sunet si sa compare senzațiile generate de doua valori diferite ale intensității aceluiași sunet. Componentele senzației care reflecta diferitele componente ale stimulului reprezintă mărimile de senzație. Deoarece o descriere prin intermediul unor calificative nu este suficienta pentru a se face o evaluare cantitativa, trebuie sa se construiască scări de senzație, în mod analog cu stabilirea scărilor pentru stimuli. În acustica, un asemenea exemplu este reprezentat de scara de decibeli, scara de excitație si scara de soni, scara de senzație.

Așa cum am propus în subcapitolul 3.2 încercăm să construim un sistem de adaptare care să modifice sistemul de reglare homeostatică (sistemul adaptabil). Observarea modificării densității spectrale a semnalului electroencefalografic este greu de făcut în cazul semnalelor de stimulare acustice complexe cum sunt muzica ori sunetele din natură – amândouă având capacități evidente de prodecere a unor modificări sensibile în starea de spirit a unei persoane. Din motive demonstrative și pentru a evidenția influența psihofizică prin percepție indirectă, și pentru a găsi o corelație a senzațiilor cu potențialul evocat (răspunsul electroencefalografic la stimulii acustici – în cazul nostru) am ales stimularea acustică binaurală. Acest mod de stimulare permite implementarea rapidă în sistemele informatice și se poate aplica imediat asupra informațiilor sonore de orice tip, inclusiv muzica – fapt ce permite îmbunătățirea procesului de stimulare printr-o experiență mai plăcută.

Tonurile binaurale sau pulsurile binaurale (din lat. bini – pereche, doi și auris – ureche), (eng. binaural beats), sunt artefacte ale activității creierului sau sunete aparente cauzate de stimuli fizici specifici. Acest efect a fost descoperit în 1839 de către savantul prusac Heinrich Wilhelm Dove, câștigând o mai mare apreciere din partea opiniei publice în secolul al 20-lea, care se baza pe afirmațiile ce veneau din partea comunității de medicină alternativă, care susținea că tonurile binaurale ar putea ajuta la inducerea relaxării, meditației, creativității și ale altor stări mentale dorite. Efectul asupra undelor cerebrale depinde de diferența de frecvență a fiecărui ton: de exemplu, dacă într-o ureche au fost redate tonuri de 300 Hz și 310 Hz în cealaltă, atunci tonul binaural ar avea o frecvență de 10 Hz.[54][55]

Un ton sonor va fi perceput, ca și cum cele două tonuri s-au îmbinat în mod natural, în afara creierului. Frecvențele tonurilor trebuie să fie mai joase de 1.000 de hertzi pentru ca tonul să fie remarcat. Diferența dintre cele două frecvențe trebuie să fie mică (mai mică sau egală cu 30 Hz) pentru ca efectul să se producă, în caz contrar, cele două tonuri vor fi auzite separat, și nici un ritm nu va fi perceput.

Pentru localizarea sunetului în spațiu, sistemul auditiv uman analizează diferențele de timp interaurale dintre cele două urechi în interiorul intervalelor de frecvență mici, numite benzi critice. Pentru frecvențe mai mici de 1,000 pînă la 1,500 Hz, diferențele de timp interaurale sunt evaluate din diferențele fazelor interaurale dintre semnalele celor două urechi.[64] Sunetul perceput este, de asemenea, evaluat din analiza ambelor semnale ale urechilor.

În cazul în care diferite tonuri pure (semnale sinusoidale de frecvențe diferite aplicate fiecărei urechi), vor exista faze dependente de timp și diferențe de timp între cele două urechi (vezi figura 3.10). Sunetul perceput depinde de diferența de frecvență dintre cele două semnalele ale urechilor astfel:

În cazul în care diferența de frecvență dintre semnalele urechilor este mai mică decât câțiva hertzi, sistemul auditiv poate urmări schimbările din diferențele de timp interaurale. Ca rezultat, este perceput un eveniment auditiv, care se deplasează prin cap. Direcția percepută corespunde diferenței de timp interaurale instantanee.

Pentru diferențe de frecvență ușor mai mari între semnalele urechilor (mai mult de 10 Hz), sistemul auditiv nu mai poate urmări schimbările în parametrii interaurali. Apare un eveniment auditiv difuz. Sunetul corespunde unei suprapuneri ale ambelor semnale ale urechilor, ceea ce înseamnă că amplitudinea și intensitatea sonoră se schimbă rapid.

Pentru diferențele de frecvență între semnalele urechilor de peste 30 Hz, începe să lucreze efectul de petrecere cocktail, și sistemul auditiv este capabil să analizeze semnalele urechilor prezentate în termeni de două surse de sunet diferite, în două locații diferite, și sunt percepute două semnale distincte (stereofonie).

Tonurile binaurale pot fi, de asemenea, experimentate fără căști, acestea apar atunci când sunt redate două tonuri diferite pure prin boxe diferite (stânga – dreapta). Sunetul este perceput destul de similar: cu evenimente auditive care se mișcă prin încăpere, la diferențe de joasă frecvență, iar sunetul difuz la diferențe de frecvență ușor mai ridicate. La diferențe de frecvență mai mari, apar sursele de sunet aparent localizate.[65] Cu toate acestea, este mult mai eficient de a folosi căști decât boxe.

Figura 3.10 Bătăile binaurale și decalajele de timp interaurale [domeniu public].

Senzația pulsurilor binaurale se crede că își are originea în nucleul olivar superior, o parte a trunchiului cerebral. Ele par a fi legate de capacitatea creierului de a localiza sursele de sunet, în trei dimensiuni și de a urmări sunetele în mișcare, care de asemenea implică neuronii coliculi inferiori (CI).[69] În ceea ce privește antrenarea, studiul de ritmicitate oferă perspective în înțelegerea de procesare a informației temporale în creierul uman. Ritmurile audio antrenează rapid raspunsurile motorii în stări de sincronizare stabil-constante, sub și peste pragurile conștiente de percepție. Regiunile activate includ zonele senzorimotoare primare și cingulare, zone bilaterale premotor operculare, bilaterale SII, cortexul ventral prefrontal și subcorticale, insula anterior, putamen și talamus. În cadrul cerebelului, regiunile vermale și emisferele anterioare ipsilaterale devin în mod semnificativ activate la mișcarea. Urmărind modulațiile temporale suplimentar activate predomină prefrontalul drept, cingularul anterior și regiunile intraparietale precum și emisferele cerebrale posterioare.[70] Un studiu de subiecți afazici, care au avut un accident vascular cerebral sever comparativ cu subiecții sănătoși, a arătat că subiectul afazic nu a putut auzi tonurile binaurale, în timp ce subiecții normali au putut.[71]

Tonurile binaurale pot influența funcții ale creierului și în alte moduri afară de cele legate de auz. Acest fenomen se numește "răspunsul ce urmărește frecvența". Conceptul este că dacă cineva primește un stimul cu o frecvență din gama undelor cerebrale, frecvența predominantă a undelor cerebrale se îndreaptă spre frecvența stimulilor (un proces numit antrenare).[72] În plus, tonurile binaurale au fost documentate în mod credibil în a fi legate de ambele, percepția spațială și recunoașterea auditivă stereo, și, în funcție de frecvența de răspunsul ce urmărește frecvența, de activare a diferitor locuri din creier.[73][74][75][76][77]

Când frecvența percepută a tonurilor corespunde intervalului de frecvențe delta, theta, alfa, beta sau gama, ale undelor cerebrale, undele cerebrale tind să se sincronizeze cu frecvența produsă de tonurile stimulatoare, sau cel puțin să se amplifice componentele cu această frecvență.[81] Spre exemplu, dacă o undă sinusoidală de 315 Hz este redată în urechea dreaptă și una de 325 Hz în urechea stângă, creierul este antrenat spre frecvența tonului de 10 Hz, în intervalul alfa. Deoarece intervalul alfa este asociat cu relaxarea, acesta are un efect relaxant, iar în cazul în care ar fi în intervalul theta, efectul ar fi unul de creștere a vigilenței. Un experiment prin stimularea cu sunete binaurale, utilizând frecvențele tonului în intervalul beta pe unii dintre participanți și intervalul delta/ theta asupra altor participanți, a dovedit o mai bună vigilență și stare de spirit la cei cu starea de alertă trează a intervalului de stimulare beta.[82][83]

Așa cum am spus și în descrierea tipurilor de unde cerebrale spontane putem să le clasificăm în funcție de frecvență:

> 40 Hz unde Gamma de obicei asociat cu: activitatea mentală crescută, inclusiv percepția, rezolvarea problemelor, teama și conștiința

13–39 Hz unde Beta de obicei asociat cu: gândirea activă, ocupată sau anxietatea și concentrarea activă, excitarea, cunoașterea și / sau paranoia

7–13 Hz unde Alpha de obicei asociat cu: relaxarea (în timp ce ești treaz), pre-somn și somnolență pre-trezire, somn REM, vise

8–12 Hz unde Mu de obicei asociat cu: ritmul Mu, ritmul senzorimotor

4–7 Hz unde Theta de obicei asociat cu: meditația/relaxarea profundă, somnul NREM

< 4 Hz unde Delta de obicei asociat cu: somnul profund fără vise, pierderea conștientizării corpului

(Limitele exacte între intervale variază între definiții și nu există nici un standard universal acceptat.)

Frecvența dominantă determină starea de spirit curentă a unei persoane. De exemplu, dacă în creier undele alfa sunt dominante, atunci vorbim despre o persoană relaxată dar trează). Cu toate acestea, alte frecvențe vor fi de asemenea prezente, deși cu amplitudini mai mici ale densității spectrale.

Antrenare creierului este mai eficientă dacă frecvența de antrenare este mai aproapiată de frecvența dominantă de pornire a utilizatorului (frecvența inițială spontană). Prin urmare, se sugerează să se înceapă cu o frecvență aproape de frecvența traseului electroencefalografic dominant a unei persoane (ar putea să fie de aproximativ 20 Hz sau mai puțin pentru o persoană trează) și apoi să descrească sau să crească lent spre frecvența dorită.

Unii oameni găsesc undele sinusoidale pure neplăcute, deci un zgomot roz sau un alt sunet de fundal (de exemplu, sunete naturale, cum ar fi sunetele râurilor) pot de asemenea fi considerate ca atare. Pe lângă faptul că, atâta timp cât ritmul se aude, creșterea volumului nu trebuie să îmbunătățească în mod necesar eficiența, de aceea, este sugerat a se folosi de obicei un volum scăzut. Una dintre teorii este de a reduce volumul atât de scăzut încât tonul nu ar trebui să fie chiar în mod clar audibil.

În plus față de scăderea frecvenței creierului pentru a relaxa ascultătorul, există și alte presupuse efecte controversate ale tonurilor binaurale. Spre exemplu, faptul că prin utilizarea frecvențelor specifice, o persoană poate stimula anumite glande pentru a produce hormonii doriți. Beta-endorfina a fost modulată în studii, folosind stimularea undelor cerebrale alfa-theta,[86] și dopamina cu tonurile binaurale.[54] Printre alte presupuse utilizări, sunt reducerea timpului de învățare și nevoile de somn (se crede că undele theta îmbunătățesc învățarea, întrucât copii, care au undele theta mai puternice și rămân în această stare pentru o perioada mai lunga de timp decat adulții, de obicei, învăța mai repede decât ei; iar unele persoane consideră că o jumătate de oră în starea theta poate reduce nevoia de somn. Stimularea undelor cerebrale alfa-theta a fost, de asemenea, folosită cu succes în tratarea dependențelor.[86][90][91] Pulsuri binaurale au fost folosite pentru recuperarea amintirilor reprimate, dar ca și în alte tehnici, aceasta poate duce la amintiri false.[92]

Ținând cont de informațiile expuse pâna acum, am ales ca metodă de stimulare acustică = stimularea binaurală. Referitor la forma semnalului stimulator, formele complexe, multi armonice, cu timbruri specifice, multi frecvență complică mult potențialul evocat, precum și identificarea acestuia. De aceea am ales ca formă de stimulare = semnalul sinusoidal. Frecvența semnalului stimulator trebuie să fie ușor de identificat, în zona de mare sesnsibilitate a auzului precum și în zona de maximă rezoluție pentru percepție optimă. Se știe din lumea muzicienilor faptul că frecvențele ce îndeplinesc condițiile de mai sus se află în jurul notei “ la” din octava a patra – adică 440Hz.

4.4 Colectarea datelor experimentale rezultate din stimulările acustice realizate cu sistemul automat prezentat

În continuare vor fi expuse date și informații legate de procedura de stimulare, metode utilizate în măsurători, precum și o analiză a rezultatelor experimentale obținute prin stimularea acustică a sistemului nervos central. Ne așteptăm ca rezultatele să aibă dimensiune obiectivă – potențialul evocat – și una calitativă – starea de spirit poststimulare.

4.4.1 Descrierea stimulilor acustici (procedura de stimulare)

Am ales pentru testare și demonstrație doua tipuri de unde cerebrale ce sunt associate cu starea de relaxare (undele alpha) și de relaxare profundă (undele theta) după scenariile de mai jos. Aceste scenarii conțin reguli după care se aplică stimulii ce trebuie să aibă ca rezultat potențiale evocate având frecvența situată în domeniile de frecvență alpha – 10Hz și theta – 5Hz cu scopul de a demonstra inducerea stării corespunzătoare – relaxare, respectiv, relaxare profundă.

Cum potențialele evocate au aceeași frecvență cu stimulul, se deduc regulile și parametrii semnalului acustic stimulator. Condițiile inițiale de testare reprezintă o stare de spirit obiectivă dedusă din densitatea spectrală a traseului electroencefalografic spontan.

SCENARIUL I – Dacă densitatea spectrală a semnalului electroencefalografic spontan este predominantă la frecvențe peste 20Hz (zona superioară beta) dar nu ajung în zona gamma (mai mici de 40Hz) atunci se va aplica un semnal stimulator binaural de forma:

Stănga – sinusoidal cu frecvența de 450Hz (pentru dreptaci) sau 440Hz (pentru stângaci) de nivel -20dB dacă nu există forme de hipoacuzie uni/bilaterală.

Dreapta – sinusoidal cu frecvența de 440Hz (pentru dreptaci) sau 450Hz (pentru stângaci) de nivel -20dB dacă nu există forme de hipoacuzie uni/bilaterală.

SCENARIUL II – Dacă densitatea spectrală a semnalului electroencefalografic spontan este predominantă la frecvențe sub 20Hz (zona inferioară beta sau superiară alpha) dar nu ajung în zona theta (mai mari de 10Hz) atunci se va aplica un semnal stimulator binaural de forma:

Stănga – sinusoidal cu frecvența de 445Hz (pentru dreptaci) sau 440Hz (pentru stângaci) de nivel -20dB dacă nu există forme de hipoacuzie uni/bilaterală.

Dreapta – sinusoidal cu frecvența de 440Hz (pentru dreptaci) sau 445Hz (pentru stângaci) de nivel -20dB dacă nu există forme de hipoacuzie uni/bilaterală.

SCENARIUL III – Dacă densitatea spectrală a semnalului electroencefalografic spontan este predominantă la frecvențe peste 40Hz (zona gamma) atunci se va aplica un semnal stimulator binaural de forma:

Stănga – sinusoidal cu frecvența de 460Hz (pentru dreptaci) sau 440Hz (pentru stângaci) de nivel -20dB dacă nu există forme de hipoacuzie uni/bilaterală.

Dreapta – sinusoidal cu frecvența de 440Hz (pentru dreptaci) sau 460Hz (pentru stângaci) de nivel -20dB dacă nu există forme de hipoacuzie uni/bilaterală.

SCENARIUL IV – Dacă densitatea spectrală a semnalului electroencefalografic spontan este predominantă la frecvențe sub 10Hz (zona inferioară alpha sau zona theta) atunci nu este necesară stimularea cu scopul relaxării, problemele nefiind de natură funcțională.

În figura 4.1 am prezentat schema logică a procedurii de stimulare din scenariile de mai sus. Se observă faptul că este vorba de un algoritm decizional bazat pe reguli.

Procedura de stimulare acustică binaurală.

Trebuie menționat faptul că subiecții umani ce vor fi supuși procedurii trebuie să fie persoane ce nu au antecedente în ceea ce privește crizele convulsive, nu sunt înregistrați cu forme de epilepsie, ori afecțiuni psihice (cum ar fi schizofrenia sau sindromul manifestării bipolare, etc.). Aceste probleme vor fi completate pe propria răspundere în partea introductivă a chestionarului de evaluare ce însoțește derularea procedurii.

Pașii ce trebuie parcurși în derularea procedurii sunt următorii:

Se completează de către subiect partea introductivă a chestionarului de evaluare.

Se completează de către coordonatorul testului partea introductivă a chestionarului de evaluare cu observații ce includ obligatoriu starea de spirit a pacientului, precum și ritmul sinuzal cardiac.

Se așează subiectul intr-o poziție confortabilă și i se aplică electrozii electroencefalografici cu respectarea normelor de securitate impotriva electrocutării.

Se face un traseu electroencefalografic al activității spontane dinainte de stimulare și se analizează densitatea spectrală folosind un algorit de tipul FFT (transformată Fourier rapidă). Durata măsurării activității spontane este de 1 minut.

Se identifică frecvența centrală a zonei de densitate spectrală maximă pentru a se stabili parametrii de stimulare (figura 4.1). Notăm această frecvență cu:

Fmax(U(ω)), unde U(ω) = FFT a tensiunii U(t) a semnalului EEG (4.1)

Dacă 10Hz < Fmax(U(ω)) < 20Hz atunci se trece la stimularea acustică ce are ca rezultat un potențial evocat din zona undelor theta – 5Hz. (scenariul II). Dupa acest proces de stimulare se așteaptă ca:

Fmax(U(ω)) = 5Hz (4.2)

Dacă 20Hz < Fmax(U(ω)) < 40Hz atunci se trece la stimularea acustică ce are ca rezultat un potențial evocat din zona undelor alpha – 10Hz. (scenariul I). Dupa acest proces de stimulare se așteaptă ca:

Fmax(U(ω)) = 10Hz (4.3)

Dacă 40Hz < Fmax(U(ω)) atunci se trece la stimularea acustică ce are ca rezultat un potențial evocat din zona undelor beta – 20Hz. (scenariul III) . Dupa acest proces de stimulare se așteaptă ca:

Fmax(U(ω)) = 20Hz (4.4)

Dupa procedura de stimulare de la punctul 8. se trece la punctul 7. (scenariul I) . Dupa acest proces de stimulare se așteaptă ca:

Fmax(U(ω)) = 10Hz (4.5)

Daca Fmax(U(ω)) < 10Hz atunci nu se face nici un fel de stimulare și se incheie procedura. (scenariul IV)

Notă. Procesul de stimulare constă in aplicarea în căști stereofonice timp de 10 minute a unui semnal sinusoidal pentru fiecare ureche conform descrierii din scenariile de mai sus. Nivelul de semnal este inițial de -20dB dar se adaptează in funcție de gradul de hipoacuzie și / sau confort al subiectului atât ca nivel global cât și ca balans.

Dacă rezultatele stimulării sunt date de relațiile (4.2), (4.3), (4.5) (adică atunci când frecvența centrală a zonei de densitate spectrală maximă este 5Hz sau 10Hz conform scenariului – figura 4.1) – atunci se trece la încheierea procedurii de stimulare. Se oprește generarea de semnale acustice în căsti, se deconectează electrozii EEG.

Se notează în chestionarele de evaluare noul ritm sinuzal cardiac și starea de relaxare pe care o resimte subiectul.

Componentele principale ale chestionarul de evaluare:

Datele personale ale subiectului (nume, vârstă, sex, ocupație)

Istoricul medical al subiectului cu interes pentru această procedură – stabilirea nivelului de rezistență la stres, exitența în istoric a crizelor convulsive, boli cronice relevante (epilepsie și alte boli neurologice, boli cardiace)

Cum se simte pacientul înainte de stimulare

Care este ritmul sinuzal cardiac înainte de stimulare

Cum se simte pacientul după stimulare

Care este ritmul sinuzal cardiac după stimulare

Stabilirea nivelului de rezistență la stres se face după testul online cu acces liber –

http://www.sanatate.org/teste/stres_chestionar.html și constă în următoarele întrebări:

Chestionarul de evaluare specific experimentului de față este următorul:

Care este numele dumneavoastră?

Care este prenumele dumneavoastră?

Care este vârsta dumneavoastră?

Care este sexul dumneavoastră?

Ce ocupație aveți?

Suferiți de epilepsie?

Suferiți de aritmii cardiace severe?

Aveți implantat un stimulator cardiac?

Suferiți de vreo boală neurologică severă (anevrism, scleroză în placi, crize convulsive, tremor, etc)?

Suferiți de vreo boală psihiatrică severă (personalitate bipolară, schizofrenie, etc.)?

RĂSPUNSURILE DE LA ÎNTREBĂRILE 6, 7, 8, 9, 10 AU CARACTER ELIMINATOR ÎN CEEA CE PRIVEȘTE ELIGIBILITATEA PARTICIPĂRII LA STIMULAREA ACUSTICĂ.

Suferiți de vreo boală psihologică (anxietate, fobii, sindrom compulsiv-obsesiv, etc.)?

Cre este rezistența dumneavoatră la stres (se aplică intrebările din chestionarul de rezistență la stres și se notează rezultatul)?

Pe o scară de la unu la cinci (unu este minim și cinci este maxim) – care este gradul dumneavoastră de relaxare în acest moment (înaintea stimulării)?

ÎN ACEST MOMENT, DACĂ SE IA DECIZIA DERULĂRII EXPERIMENTULUI SE MĂSOARĂ RITMUL SINUSAL CARDIAC

SE DERULEAZĂ PROCEDURA DE STIMULARE

SE MĂSOARĂ RITMUL CARDIAC POSTSTIMULARE

Pe o scară de la unu la cinci (unu este minim și cinci este maxim) – care este gradul dumneavoastră de relaxare în acest moment (după stimulare)?

4.4.2 Măsurarea densității spectrale a potențialului evocat

Time and frequency domain of the eeg signals

Now we have to find a way to transform the electroencephalographic signals in order to measure the power spectral density for a given finite time and frequency range.

Let’s start with definitions and a minimal set of mathematical equations useful to alertness monitoring based on EEG signals. The total active power of an electroencephalographic signal is the following time average:

Where:

For simplicity we will consider that in the entire time and frequency domain.

|Z| = 1 (3)

Based on the law of energy conservation, Parseval’s theorem applied to (1), (2) and using (3) is written as:

Where the energy spectral density ESD(f) is:

All of the above are true for continuous time waveforms, but in computer assisted applications we deal with discrete time signals. Also, the time and frequency domains are not infinite in real processes, so we have to find a different approach. The integral calculus is now reduced to a sum of a finite number of samples of the signals:

This is Parseval’s theorem applied to discrete time signals, where is the discrete Fourier transform DFT of the waveform’s sample , both of length N.

The power spectral density (PSD) describes how the power of a signal or time series is distributed over the different frequencies. The total power of an infinite continuous time signal was written in (1).

The power spectral density (measured in ) is the energy spectral density per unit time measured in the positive time interval is:

In order to rapidly compute de DFT with computer assisted applications, we will use the fast Fourier transform (FFT). There are many algorithms for FFT, selecting one of them is a matter of optimization during experiments.

The power spectrum (PS) is obtained integrating the power spectral density for a given frequency interval (included in the signal’s frequency range) :

THE ELECTROENCEPHALOGRAPHIC MONITORING PROCESS

Now we are able to figure out what data we need for a proper analysis. For alertness monitoring we need to know the power spectral density of the EEG signal for three given frequency bands – delta, theta and beta signals. So we have to define this three frequency bands in a friendly manner:

The delta frequency band = , the theta frequency band = and the beta frequency band = .

After previous explanation, we know that the power spectral density is relevant for an infinite time interval (4), or, at least, for a large time interval (6). Due to the fact that important modification in the frequency domain of the EEG signal is within minutes, we can choose to reveal the power spectral density during one minute.

That means we have to analyze the samples of the EEG signals during 60 seconds in time domain in order to get the power spectral density during this 60 seconds in 3 frequency ranges.

We established the fact that we use samples of the electroencephalographic signal in time domain due to analog to digital conversion. During 60 seconds the EEG signal consists of N samples where:

Where is the sampling frequency selected according to Nyquist–Shannon sampling theorem. In our case the upper frequency limit of the EEG signal is about 40Hz, so the sampling frequency has to be bigger than 80Hz. For high accuracy it is better to use a sampling frequency of 500Hz or higher, so the inputs of our calculus algorithm are packets of 500 * 60 = 3000 samples for each measure cycle.

For every set of 3000 samples we have to calculate the power spectral density for 3 frequency ranges as mentioned before. These three outputs are:

Where is the power spectral density during = 60 seconds = the duration of the electroencephalographic signal for which we evaluate de PSD, and in the frequency range delta where 0Hz < f < 4Hz.

Where is the power spectral density during = 60 seconds = the duration of the electroencephalographic signal for which we evaluate de PSD, and in the frequency range theta where 4Hz < f < 7Hz.

Where is the power spectral density during = 60 seconds = the duration of the electroencephalographic signal for which we evaluate de PSD, and in the frequency range beta where 15Hz < f < 30Hz.

The power spectral density is a mean of frequency domain samples during one minute in a given frequency range. Comparing directly these three PSDs is not appropriate due to the different maximum and average amplitude between EEG signals in different frequency ranges. This is due to the unequal brain activity in frequency domain and due to the method of acquiring EEG signals (on the temples the EEG signal does not represent the whole brain electrical activity, and certain frequencies are partially located on the temples in different percent of the whole band frequency signals).

Thus we have to compare fractions of the power signal density due to the above explanations:

compare to compare to (13)

Instead of comparing these fractions, it is more suitable to compare each power spectral density with a threshold independently to make o correct evaluation of the alertness status:

compare to a threshold multiplied by (14)

compare to a threshold multiplied by (15)

compare to a threshold multiplied by (16)

This way we can build a decisional algorithm based on rules using comparators (fig. 2). There are multiple scenarios, here are a few examples (thresholds are positive values):

Scenario 1 = “the operator is alert” if:

< (17)

< (18)

> (19)

Scenario 2 = “the operator is drowsy” if:

< (20)

> (21)

> (22)

Scenario 3 = “the operator is drowsy” if:

< (23)

> (24)

< (25)

Scenario 4 = “the operator is probably sleeping” if:

> (26)

> (27)

< (28)

And so on. There are combination of 3 taken by 1 + combination of 3 taken by 2 + combination of 3 taken by 3 = the number of different scenarios. For us only two states are of interest – the state of alertness and non-alertness so we can have an output of only to messages:

“The operator is alert” – scenario 1.

“The operator is not alert” – any other scenario presents the suspicion of non-alertness.

As a conclusion, if (17) and (18) and (19) are true, than we continue analyzing the next 60 seconds of the electroencephalographic signal. If any of the above is false, than we generate an alarm that will alert both the operator and his supervisor. The alarm may trigger modifications in operator’s access account to the operation network.

The flowchart of the process is presented in fig. 2. The input is the EEG signal collected via electrodes from the operator’s temples. The signal is amplified, filtered and denoised. After that, the analogic signal is converted into a digital one. The D/A convertor uses a sampling frequency of 500Hz and a bit depth of 10 bit per sample.

After recording 60 seconds of the digital signal, the waveform recorded is converted from the time domain to the frequency domain using fast Fourier transform (FFT) calculated in given frequency bands. The results are three power spectral densities corresponding to the frequency ranges delta, theta and beta.

The decisional element compares each PSD with each corresponding threshold. If the decision result is true, then the system (based on rules) continues to process the next 60 seconds of EEG recording. If false, then an alarm occurs and the process is stopped.

Analiza FFT se bazează pe faptul că semnalele din lumea reală pot fi descompuse în sume de sinusoide, fiecare cu amplitudine, frecvență si fază proprie. Procedeul cel mai utilizat pentru trecerea din domeniul timp în domeniul frecvență îl constituie Transformata Fourier Rapida –FFT și este o tehnică de analiză spectrală de mare precizie.

Punctul de pornire a transformatei Fourier rapidă (FFT) este transformata Fourier discrete (DFT) ce respectă următoarea relație de bază:

(4.6)

unde reprezintă valorile eșantionate ale semnalului (în domeniul timp) la intervalele echidistante de timp T/N, T fiind perioada, iar X(k) reprezintă valorile transformatei Fourier eșantionate în frecvență cu pasul în care este armonica fundamentală. Relația (1) este de fapt un sistem de N ecuații în necunoscutele X(k).

Vom presupune, de acum pe care N este o putere a lui 2, de exemplu, N = 2R pentru unele numere întregi r = 1, 2,. . ..

Algoritmul FFT se bazează pe faptul că algoritmul de calcul a N eșantioane DFT a unui semnal poate fi defalcat în doi algoritmi, fiecare implicănd N/2 eșantioane DFT. Acest proces poate fi continuat recursiv, până când vom termina cu 1 eșantion DFT.

FFT este de fapt o simplificare a algoritmului de calcul DFT cu scopul de a putea fi implementată cu ușurință pe computer, care la răndul său reprezenta o simplificare a CFT (transformata Fourier continuă) atunci când avem de a face cu semnale eșantionate, finite.

În cazul nostru este necesară măsurarea densității spectrale a semnalului electroencefalografic a activității spontane a creierului pentru a decide procedura de stimulare, precum și a celui post stimulare a potențialului evocat pentru a vedea rezultatul stimulării. Măsurarea densității spectrale se face prin utilizarea de aplicații software ce permit vizualizarea acesteia și evoluția acesteia în timp (3D FFT).

Figura 4.2 Semnal EEG în funcție de timp la inceputul procesului de stimulare.

Figura 4.3 Densitatea spectrală 2D a semnalului din figura 4.2 (slide-uri suprapuse).

Figura 4.4 Variația densității spectrale în timp la inceputul stimulării.

Figura 4.5 Semnal EEG în funcție de timp la sfârșitul procesului de stimulare.

Figura 4.6 Densitatea spectrală 2D a semnalului din figura 4.5 (slide-uri suprapuse).

Figura 4.7 Variația densității spectrale în timp la sfârșitul stimulării.

Măsurarea densității spectrale a potențialului evocat se face prin două metode fundamentale:

Prelucrarea off-line a semnalelor EEG înregistrate pe perioada celor 10 minute de stimulare acustică. Această metodă permite salvarea informațiilor intr-un format brut la rezoluția maximă pe care o permite convertorul analogic/numeric (CAN) în format .edf dacă e vorba de o înregistrare multicanal sau .wav (liniar PCM) dacă este vorba de un singur canal (cazul nostru). Pentru aceste înregistrări se pot face în mod repetat analize ulterioare prin diferite metode de conversie timp – frecvență oricât de precise și oricât de mari consumatoare de timp și resurse ar fi – avantaj major fața de analiza în timp real.

Această metodă am folosit-o în cazul nostru pentru a permite o evaluare precisă a densității spectrale și pentru a putea alege mai multe metode de analiză post stimulare. In figurile 4.2 si 4.5 sunt două fragmente de înregistrări wav ale traseului electroencefalografic amplitudine – timp. În figurile 4.4 și 4.7 sunt variațiile în timp ale densităților spectrale ale celor doua semnale înregistrate. Evoluția în timp se face din față în profunzime (3D FFT) – potențialul evocat se poate remarca spre sfărșitul procesului de stimulare (în spate).

Prelucrarea în timp real are avantajele observării evoluției permanente a formei densității spectrale a semnalului EEG și apariția potențialului evocat, problema este că eșantioanele reprezentate (rezoluția în timp) trebuie să fie suficient de rare pentru a nu umple cadrul de vizualizare 3D in timpul stimulării. Și aceste tipuri de software permit înregistrarea semnalelor în timp (.wav) dar au facilități de reglaj și procesare inferioare celor de la punctul 1. De obicei la acest tip de analiză se face salvarea imaginii (preferabil de tip bitmap) așa cum s-a facut și la punctul 1. în figurile 4.4 și 4.7. Diferența este ca pentru o evaluare precisă au fost alese anumite eșantioane din semnalul .wav – cel de inceput al apariției potențialului evocat (figura 4.2) și cel de sfârșit de stimulare (figura 4.7).

O combinație a acestor metode este ideală dar presupune folosirea de software comercial foarte scump, pe când variantele separate sunt freeware.

4.4.3 Prezentarea rezultatelor măsurătorilor

Rezultatele măsurătorilor conțin următoarele câmpuri (pentru un subiect supus experimentului):

Index n (de la 1 până la N=număr total de subiecți=in cazul nostru 25):

n = 1, 2, 3,….., N-1, N (4.7)

Date personale subiect

Vârstă (număr de ani), sex (f/m), nivel stare de relaxare prestimulare (r):

Vârsta = număr de ani, sex = f (feminin) sau m (masculin) (4.8)

Nivel de relaxare preststimulare (Rns)

Rns = 1,2,3,4,5 (1 = deloc relaxat, 2 = puțin relaxat, 3 = relaxat, 4 = foarte relaxat, 5 = somnolență, s = spontan (4.9)

Ritm sinusoidal cardiac = SINns (n=index, s=spontan) (4.10)

Fișier wav EEGns.wav înregistrat – 1 minut prestimulare:

EEGns.wav = Ueeg(t) unde Ueeg(t) = tensiunea traseului EEG, 0 < t < 60s, n = index, s = spontan (4.11)

Fișier bmp cu evoluția densității spectrale în timp pe un interval reprezentativ (sub 10s) din secvența de 1 minut prestimulare:

FFTns.bmp = Aeegns(f) ) unde Aeegns(f) = amplitudinea densității spectrale a traseului EEGns, n = index, s = spontan (4.12)

Fns = frecvența corespunzătoare maximului amplitudinea densității spectrale a traseului EEGns.wav:

Fns = MAX (Aeegns(f)) (4.13)

Fișier wav EEGne.wav înregistrat – 10 minute în timpul stimulării acustice

EEGne.wav = Ueeg(t) unde Ueeg(t) = tensiunea traseului EEG, 0 < t < 60s, n = index, e = evocat (4.14)

Fișier bmp cu evoluția densității spectrale în timp pe ultimele secunde din secvența de 10 minute de stimulare

FFTne.bmp = Aeeg(f) ) unde Aeeg(f) = amplitudinea densității spectrale a traseului EEGne, n = index, e = evocat (4.15)

Fne = frecvența corespunzătoare maximului amplitudinea densității spectrale a traseului EEGne.wav:

Fne = MAX (Aeegne(f)) (4.16)

Rezultat așteptat în ceea ce privește frecvența maximului densității spectrale a potențialului evocat (PEn)

PEn = da, dacă Fne = Fsn (4.17)

PEn = nu, dacă Fne diferit de Fsn (4.18)

Fsn = frecvența de stimulare conform procedurii (4.19)

Ritm sinusoidal cardiac = SINne (n=index, e=evocat) (4.20)

Nivel de relaxare poststimulare (Rne)

Rne = 1,2,3,4,5 (1 = deloc relaxat, 2 = puțin relaxat, 3 = relaxat, 4 = foarte relaxat, 5 = somnolență, e = evocat (4.21)

Observații. Un câmp în care se fac aprecieri cantitative și calitative atât asupra subiecților cât și asupra rezultatelor stimulării acustice. Observațiile includ rezultatele discuțiilor cu subiecții cu comentarii privind câmpurile subiective.

Tabel 4.1 Rezultatele experimentale – câmpurile alfa-numerice și fișiere.

Tabel 4.2 Rezultatele experimentale – valorile obținute în campurile alfa-numerice.

În tabelul 4.1 sunt prezentate rezultatele experimentale sub forma valorilor indexate conform regulilor de mai sus pentru 25 subiecți participanți la experiment. Forma de stocare a rezultatelor este una de tip matriceal (tabelar) – câmpurile fiind fie valori alfa – numerice, fie fișiere de tip wav (variația traseelor electroencefalografice în timp) la limita maximă de rezoluție și eșantionare a codecului, fie fișiere de tip bmp (captura graficului de variație a densității spectrale în funcție de timp).

Fișierele wav de forma EEGns.wav au rezoluția de 16 biți, rata de eșantionare de 48 kHz, un singur canal (mono) și durata de 1 minut.

Fișierele wav de forma EEGne.wav au rezoluția de 16 biți, rata de eșantionare de 48 kHz, un singur canal (mono) și durata de 10 minute.

Fișierele wav de forma FFTns.bmp ca și cele de forma FFTne.bmp au rezoluția de 24 biți, color, de dimensiune 1671 x 888 pixeli.

Toate valorile de mai sus sunt limitate de performanțele codecului și de modul în care aplicația de prezentare grafică 3D FFT face exportul de imagine.

Mai jos sunt prezentate în mod grafic rezultatele experimentale de prim interes pentru stimularea acustică și anume:

Autoevaluarea nivelului de relaxare pre/post-stimulare pe subiecți (Figura 4.8) – pentru aprecierea laturii subiective a experimentului

Ritmul sinuzal cardiac pre/post-stimulare pe subiecți (Figura 4.9)- pentru aprecierea laturii obiective a experimentului

Frecvența maximului desnității spectrale de frecvență pre/post-stimulare (Figura 4.10) – pentru punerea în evidență a apariției potențialului evocat Interpretarea acestor date, precum și corelarea acestora cu potențialul evocat se va face în subcapitolul 4.4.

Figura 4.8 Autoevaluarea nivelului de relaxare pre/post-stimulare pe subiecți.

Figura 4.9 Ritmul sinuzal cardiac pre/post-stimulare pe subiecți.

Figura 4.10 Frecvența maximului desnității spectrale de frecvență pre/post-stimulare.

La experiment au luat parte 25 de subiecți, din care 32% femei și 68% bărbați. Din punctul de vedere al vârstei, 8% sunt adolescenti (sub 18 ani), 70% adulți, 20% vâstnici (peste 55 ani).

4.4.4 Corelarea potențialelor evocate cu celelalte rezultate ale măsurătorilor

Să vedem acum în ce măsură apariția potențialelor evocate (figura 4.11) duc și la modificarea obiectivă așteptată a uneia din componentele neurovegetative (ritmul sinuzal cardiac) și modificarea subiectivă așteptată a stării de relaxare.

Figura 4.11 Sensul evoluției frecvenței maximului densității spectrale a semnalului electroencefalografic pre/post-stimulare.

Unde:

ΔFn = Fne – Fns (4.22)

Se observă faptul că apariția potențialului evocat Fne de frecvență egală cu frecvența diferență între cele doua semnale binaurale folosite în procesul de stimulare este valabil pentru toți cei 25 de subiecți supuși experimentului (tabelul 4.2).

Rata de apariție a potențialului evocat = 100% (4.23)

Dacă potențialul evocat este o certitudine și apare în mod normal ca răspuns la stimularea binaurală, nu același lucru putem spune și despre celelalte măsurători obiective sau subiective.

Parametrul de natură neurovegetativă pe care l-am ales pentru acest experiment este ritmul sinuzal cardiac a carui variație pre/post-stimulare este evidențiată în figura 4.12

Figura 4.12 Sensul evoluției ritmului sinuzal cardiac pre/post-stimulare.

Unde:

ΔSINn = SINne – SINns (4.24)

De așteptat era o scadere a ritmului sinuzal, frecvențele de stimulare fiind corespunzătoare caracteristicilor potențialelor spontane din stările de relaxare a organismului ce au ca trăsături comune un ritm cardiac scăzut.

Rata de scădere a ritmului sinuzal cardiac = 80% ( ΔSINn < 0 ) (4.25)

O rată de scădere semnificativă, bună din punct de vedere statistic, dar să vedem care este corelarea cu evoluția autoevaluării stării de relaxare pre/post-stimulare.

Figura 4.13 Sensul evoluției autoevaluării stării de relaxare pre/post-stimulare.

Unde:

ΔRn = Rne – Rns (4.26)

Se observă din figura 4.13 o rată de îmbunătățire a stării de relaxare destul de scăzută:

Rata de îmbunătățire a stării de relaxare = 60% ( ΔRn > 0 ) (4.27)

Un procent de 40% din subiecți nu percep nici un fel de modificare în starea de relaxare. Din fericire nu au existat subiecți care să perceapă o înrăutățire a stării de relaxare, dar procentul scăzut de îmbunătățire ar putea să fie și mai mic dacă luăm în considerare efectul placebo.

Evidențierea corelației dintre rezultatele obiective și cele subiective se poate face prin comparația din ΔSINn (obiectiv) și ΔRn (subiectiv) – vezi figura 4.14. În această figură trebuie să existe pentru fiecare subiect o corelație de tipul:

ΔSINn < 0 și ΔRn > 0 (4.28) rezultat corelat așteptat

ΔSINn > 0 și ΔRn < 0 (4.29) rezultat corelat neașteptat

ΔSINn = 0 și ΔRn = 0 (4.30) rezultat corelat neașteptat

ΔSINn < 0 și ΔRn < 0 (4.31) rezultat necorelat

ΔSINn > 0 și ΔRn > 0 (4.32) rezultat necorelat

ΔSINn < 0 și ΔRn = 0 (4.31) rezultat necorelat

ΔSINn > 0 și ΔRn = 0 (4.32) rezultat necorelat

ΔSINn = 0 și ΔRn < 0 (4.31) rezultat necorelat

ΔSINn = 0 și ΔRn > 0 (4.32) rezultat necorelat

Figura 4.14 Corelația dintre rezultatele obiective și cele subiective.

Ținând cont de datele din figura 4.14 și de relațiile (4.28), (4.29), (4.30) și (4.31) ajungem la următoarele concluzii:

Rata rezultatelor corelate așteptate = 56%

Rata rezultatelor corelate neașteptate = 4%

Rata rezultatelor necorelate = 40%

Putem concluziona faptul că rezultatele corelate reprezintă un procent de numai 60% din care 56% reprezintă rezultate așteptate – din care nu știm cât reprezintă efectul placebo. Chiar dacă numărul de subiecți (25) nu este suficient și nici reprezentativ, doar aproximativ jumătate (scăzând și un eventual efect placebo) din cei expuși la stimularea acustică au prezentat o relaxare a ritmului sinuzal cardiac și s-au autoevaluat ca fiind mai relaxați după stimulare.

Nu putem afirma faptul că experimentul este un succes, dar merită luată în considerare metoda – ca principiu – ca putând fi una benefică, sau cel puțin folosită ca punct de plecare în alte experimente atipice ce pleacă de la principiile din prezentul raport de cercetare.

c

BIBLIOGRAFIE

1. Biofizica – Conf. Dr. Constanta GANEA – Curs introductiv.

2. Vlăsceanu, 1982, p. 75.

3. Mielu Zlate – Introducere în psihologie, editura Polirom 2007, capitolul 2.1 Conceptul de „sistem”.

4. Universitatea de Medicina si Farmacie "Carol Davila", Disciplina Biofizica Medicala, Biologie celulară și histologie, Curs 5 „Tehnici de biologie moleculară și inginerie genetică.

5. Joseph F. Dyro, Clinical Engineering Handbook.

6.

WEBOGRAFIE

w1 http://ro.wikipedia.org/wiki/Inginerie

w2 http://en.wikipedia.org/wiki/Engineering

w3 http://dexonline.ro/definitie/medicina

w4 http://ro.wikipedia.org/wiki/Profilaxie

w5 http://ro.wikipedia.org/wiki/Diagnostic_medical

w6 http://www.sfatulmedicului.ro/dictionar-medical/terapie_2470

w7 http://www.webdex.ro/online/dictionar/psihofizic%C4%83

w8 http://www.science-engineering.net/engineering/united-kingdom/medical-engineering

w9 http://dexonline.ro/definitie/efector

w10 http://en.wikipedia.org/wiki/Invasiveness_of_surgical_procedures

w11 http://ro.wikipedia.org/wiki/Bioinginerie_medical%C4%83

w12 http://bmes.org/content.asp?contentid=40

w13 http://www.uchospitals.edu/news/1999/19990225-elad.html

w14 http://www.biomedcentral.com/bmcmedimaging/

w15 http://www.cnaa.md/nomenclature/medicine/140025/

w16 http://www.medicalnewstoday.com/categories/medical_devices

w17 http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=107

w18

Anexa 1. Stabilirea nivelului de rezistență la stres.

Nivelul de evaluare rezultat din chestionar este de natură numerică conform regulilor:

Scoruri în funcție de indicatorii de stres

Top of Form

Bottom of Form