Digitalizacja położenia elektrod dla techniki hr EEG

Digitalizacja położenia elektrod dla techniki lir EEG

Tomasz Zyss'’2

1 Klinika Psychiatrii Dorosłych Collegium M edicum UJ, Kraków

" Pracowania EEG i Potencjałów Wywołanych Kli niki N eurologii, Szpital Uniw ersytecki, Kraków

Streszczenie

Zaprezentowano technikę digitalizacji położenia elektrod EEG -

pozw alającą na dokładne określanie realnej lokalizacji elektrod na głowie człowieka.

Wstęp

M odelowe w artości położeń idealnych elektrod EEG zwyczajow o w yliczane są dla głowy prezentowanej jako kula (rx=ry=rz). Tym czasem głowa ma nieregularny kształt przypom inający sferoidę, gdzie promień na każdej osi jest sobie nierów ny (rx^ ry^ r 2).

Osiągnięciem wprowadzonego jako standard układu 10-20 było

uniezależnienie rozlokowywania elektrod od bezwzględnych wymiarów głowy, które wykazują znaczne w ahania międzyosobnicze, a ponadto ulegają zm ianie w przebiegu życia osobniczego każdego człowieka. Procenty odległości na powierzchni głowy pozw alają na w miarę powtarzalne rozm ieszczanie elektrod u tej samej osoby w sytuacji kolejnych badań EEG. U m ożliw iają ponadto rozmieszczanie elektrod nad tymi samymi obszaram i głow y - niezależnie od tego czy głow a je st m ała czy też duża [2, 6, 11, 12].

Układ GSN

W ostatnich latach pojawiły się rozw iązania lokalizacji położenia elektrod będące pew ną alternatyw ą do powszechnie stosowanego układu 10-20. Jednym z nich jest zaproponow any przez Goelza i Roeslera układ „rów noodległościow y” (equidistant electrode postion system ) - polegający na w ykorzystaniu m ożliwie równych odległości łukow ych m iędzy poszczególnym i elektrodam i. Układ ten został stworzony w oparciu o pomysł triangulacji powierzchni głowy - podobnie jak ma się to w przypadku telefonii komórkowej. W stw orzeniu uśrednionej

sieci elektrod (the geodesis sensor net’s average electrodes; GSN system ) pom ogła firm a Electrical Geodesis [4]. W chwili obecnej system GSN stanowi bardziej pew ną ciekawostkę naukową, niż układ m ogący być zagrożeniem dla układu 10-20 [Ryc. 1 ].

Rozm ieszczanie dużej ilości elektrod sposobem ręcznym je st oczywiście niem ożliwe. Z jed nej strony przeszkodą byłaby precyzja rozlokowywania. Z drugiej strony czepki gum owe i elektrody grzybkowe nie nad ają się do zastosow ania w technice EEG dużych/w ysokich rozdzielczości (high resolution EEG = hrEEG). Duże podstawki (stopki) elektrod zajm u ją zbyt dużo miejsca, aby móc je rozm ieścić w ilości kilkudziesięciu, a nie m ówiąc kilkuset sztuk na powierzchni głowy.

W tym celu posługiw ać się m ożna specjalnym i czepkami

wieloelektrodowym i [5]. Elastyczny materiał czepka, w którym um ieszczone są elektrody, zapewnia zachow anie stałych odległości kątowych niezależnie od wym iarów głowy, na którą czepek jest zakładany [Ryc. 2].

Dla elektrod dostępne są dane o realnych koordynatach [7, 8], które następnie są do wykorzystania w specjalnych program ach do cyfrow ego EEG i m apowania czynności bioelektrycznej [Ryc. 3].

Jakość w ykonania czepków wieloelektrodowych, jak również dokładność ich zakładania, ogranicza w pewnym zakresie m ożliwość w ykorzystania metod tabelkowych.

R y c. 1. System ele ktrod w ró w noo dle głoś ciow ym (e quid istan t) uk ład zie GSN

R y c. 2. C ze pek 128-e lektrodow y firm y E lektro-C ap

R y c. 3 . Plik *.txt z realnym i ko ordyna tam i kartezja ńskim i (X Y Z ) 35 7 e lektro d w roz szerzo nym układz ie 5-5 w g O os ten w e ld a

Badania w łasnego czepka Elektro-Cap wykazały jedn ak, iż jak ość czy dokładność w ykonania czepka pozostaw ia wiele do życzenia. I tak linia łam ania na rysunku 4 łączy elektrody mające znacznik liczbowy 1 (leżące na linii

parasagitalnej odległej o 10% odległości liniowej od osi strzałkow ej X), które powinny znajdow ać się na jednej linii. Tymczasem elektrody znajdują się w rzeczywistości na krzywej łamanej [Ryc. 4].

R yc . 4. E lek trod y z głów n ych pła szczy zn X Y Z

„Tabelkow e” system y rozlokow ywania elektrod nie n ad ają się rów nież do definiowania położenia elektrod niestandardowych - jakim i są np. matryce elektrodowe [1], lub też elektrod lokowanych w punktach trudnych do zdefiniowania przy pomocy układu 10-20 [Ryc. 5].

R y c. 5. 64 e lek trody do elek troko rty kog rafii (E C oG ) zb udow ane na pro stok ątne j m atry cy 8x8 z odległo ściam i m ięd zye lektrodo w ym i 5 m m

Technika digitalizacji elektrod

Rozwiązaniem poruszanych powyżej problem ów je st w ykorzystanie metody digitalizacji, która polega na wykorzystaniu specjalnych urządzeń -

em itujących pole m agnetyczne lub ultradźwięki, i um ożliwiających

lokalizowanie położenia elektrody z dokładnością do 2-3 mm [11, 12].

Przykładem urządzenia um ożliw iającego lokalizację elektrod je st digitizer F astrak firm y Polhem us [9].

Centralna jedn ostka elektroniczna systemu generuje przy pomocy specjalnego nadajnika (transm iter) niskoczęstotliwe pole elektromagnetyczne. N adajnik ten um ieszczany je st w pobliżu głowy pacjenta. Generowane pole jest z kolei rejestrow ane przy pom ocy 1-3 specjalnych odbiorników (receiver), które trzeba um ieścić bezpośrednio na powierzchni głowy pacjenta. Czwartym odbiornikiem jest pióro elektroniczne (stylus), którym wskazuje się na punkt/elektrodę z pow ierzchni głow y - m ający być poddany digitalizacji [13,

14].

Pom iary położenia elektrody dokonywane są na zasadzie triangulacji przestrzennej znanej z techniki GPS [Ryc. 7].

g łó wna jed n o stka elektro n iczna

/

o db iornik

R yc . 6. U rzą dz e nie Fa stra k typu

pióro elektro n iczne

digitize r firm y Polhem us

O program ow anie własne digitizera Fastrak digitizer jest mało przyjaznym użytkownikowi programem. Parametry położenia odbiorników - wyliczone z rachunku m acierzowego - są prezentow ane zbiorczo w oknie oprogram ow ania [Ryc. 8].

m z z z a M r o B B i i i f n i w i m i i i i i f f l i m i i 11 1 m\' i i r ш а в е . . л я д 0<M«Quiput USB Ct>rpmir<c*!tor»5 t c u t i i t h t d

usa Doio Ti k Dtelw irpe Ixg ^ry — _{Pipr*“ --- —}

f1' o rd c H с ю d 1 <• MCII

,

J

Coniiniei* 1 ( Dtftati ! Gi4!hiK> Ъо1кИод£|1а.. j f* Ourpii'^srrc* j

L«*g Tib: Г r,ri:v

Цгт.лг.М Dde “ 1 No leg Fik Suliwod

jQplbtw ĘEPflOM J J> Lned jjrgip __j

R y c. 8. O kno o prog ra m ow an ia Fastrack

Istnieją jed nak specjalistyczne oprogram ow ania, które um ożliw iają przestrzenną w izualizację wyników pomiarów elektrod EEG dla zastosowań neurofizjologicznych. N ie prezentują one położenia trzech odbiorników „kulistych”, a jedyn ie punkt wskazywany przez elektroniczne pióro.

Przykładem oprogram ow ań współpracujących z digitizerem Fastrak może być EETrak holenderskiej firmy ANT [3] oraz Locator am erykańskiej firmy Source Signal Imaging [10].

Położenie elektrod je st w obydwu program ach w yliczane w koordynatach kartezjańskich XYZ.

W program ie EEtrak digitalizacji dokonuje się na elektrodach

Plik elektrodowy m ożna łączyć z danymi zawartym i w plikach <head model> (*.vol).

Sposób w izualizacji elektrod jest w oprogram ow aniu EETrak znacznie lepszy niż w program ie Locator. Znacznie trudniejsze je st natom iast przygotowywanie plików elektrodowych, które miałyby zawierać dowolnie określoną liczbę elektrod. Plik elektrodowy je st plikiem ASCI i może być ręcznie edytowany. W artości liczbowe koordynat XYZ zdigitalizow anych elektrod m ogą być funkcją copy-paste przenoszone do odpowiednich oprogram owań dedykow anych cyfrowej analizie sygnału EEG [Ryc. 9].

R y c. 9. O kn a o pro gram o w a nia E E T rak

Poza program em EETrak - przy pom ocy edytora tekstowego (np. notepad) przygotow uje się specjalny plik zawierający inform acje o ilości elektrod, o wybranej jedno stce pom iaru odległości (mm), o położeniu elektrod i ich nazwie. Predefiniując położenie elektrod nie musimy posiłkować się żadnymi tabelarycznymi czy jakim ikolw iek przybliżonym i w artościam i. Położenie każdej elektrody może być zdefiniowane jak o [0, 0, 0]. W procesie digitalizow ania każda elektroda otrzym a adekw atną realną w artość zg odną z jej rzeczywistym położeniem w kartezjańskiej przestrzeni XYZ.

Okno program u EETrak prezentuje wyniki zarów no w postaci

num erycznej i zw izualizowanej.

W oprogram ow aniu Locator lepsza jest m etoda przygotow ywania plików

z niestandardow ym zestawem elektrod. Już bowiem w ew nątrz tego

oprogram owania znajduje się specjalny edytor tego rodzaju plików.

Okno Locatora ma nieco mniej m ożliwości niż ma to miejsce w przypadku EETrak. Elektrody m ogą być zaprezentow ane różnoczasow o tylko

w jednej projekcji (w EETrak - w m aksymalnie aż 4 projekcjach). Elektrody m ożna również obracać w trzech stopniach swobody - w raz z m ożliw ością przybliżenia wizerunku elektrod [Ryc. 10].

R yc . 10. O kna o p rog ram o w an ia L ocator

O ba oprogram owania dysponują m ożliw ością autom atycznego eksportu wartości zdigitalizowanych elektrod do oprogram ow ań cyfrowego EEG

dostarczanych przez te sam e firmy. W przypadku posługiw ania się

oprogram ow aniem do EEG innych firm przeniesienie wyników pom iarów m ożliwe je st na drodze ręcznej lub półautom atycznej (przez otwieranie odpowiednich plików system owych).

System y digitalizacji umożliwiają:

1) w yznaczanie przestrzennych (3D) koordynat elektrod rozlokow anych ju ż na powierzchni głowy,

2) pozycjonow anie elektrody po wcześniejszym określeniu miejsca

3) wyznaczenie konturów głowy pacjenta w koordynatach przestrzennych dla celów korelacji z danym i pozyskanymi z technik neuroobrazowania.

Piśmiennictwo

1. A d-T ech M edical Instrum en t C o rporation, w w w .adtechm edica l.com

2. A m erican E le ctroe nc ep ha lo grap hic Society (1991) G u ide line s fo r sta nd ard e lec tro d e position no m en clatu re. J. Clin. N e urophy siol. 8: 200-20 2.

3. A.N .T. So ftw are BV: E E T ra k E lectrode D igitizer. G e ttin g Started G uide , ww w .ant- softw are.nl

4. EGI G eo des ic E E G System , w w w .egi.com

5. E le ctro-C a p Internationa l Inc.: E le ctro-C ap . w w w .e lectro -c ap.com

6. N u w er M R., L ehm ann D., L opes de Silv a F. (1999) IFCN g uide line s fo r to po graph ic and frequen cy a nalysis o f E E G s and E Ps. EEG. Clin. N e urop hys iol., Su pp l. 52: 15-20.

7. O o sten ve ld R.: E lec tro de placem e nt for E E G an d E R P m easurem ent. w w w .s m i.au c.dk /~ ro be rto /e lec tro de .h tm

8. O o s ten ve ld R., Praam s tra P. (2 001) T h e five perce nt e lectrodc system for high-reso lutio n E E G and E R P m e asurem e nts. Clin. N eiirophysiol. 112: 713 -719 .

9. Po lhe m u s Inc orporated: 3spac e Fastrak use r m anual, w w w .p olhe m us .com

10. Sou rce Signal Im aging, Inc.: E M SE ® Suite. U ser M anual versio n 5.0 Locator. w w w .s ou rce sig nal.com

11. Z ys s T. (2 00 4) R o zs zerzo ny układ 5-5 lokalizacji elek trod do E E G - po d s ta w ą tec hniki H R- E EG . XI K r ajow a K on fer enc ja „K om pute row e w sp o m a g an ie b ad a ń na ukow ych. X I K K Ko w b a n ’20 04 - M ateriały. W rocław - Po la nica Z dró j, s. 87-92.

12. Z y ss T. (2 00 4 ) W p row adz enie do techniki E EG duż ych ro zd zielc zości. P rz eg ląd E le ktr ote ch niczn y, 12: 1205-1209.

13. Z yss T. (20 05) E lek trom ag nety czn y digitize r Polhem u s do do kła dne j lokalizacji położen ia ele ktrod E EG . XV Ju bileu sz ow e Sy m pozju m PTZ E. C iechoc inek , s. 21 7-219 .

14. Z y ss T. ( 2 0 0 5 ) „G eo m e tria” e lektro d E E G ora z ich digitalizac ja. XII K rajow a K onferenc ja „K o m pu te ro w e w s p om a ga nie b ada ń naukowych. X I I K K Ko w b a n ’ 2 0 0 5 . W ro cław - Po la nica Z dró j, s. 2 8 3 - 2 8 8 .

A d res do k o re s po n d en c ji: T o m a s z Z yss K linik a Psychiatrii D oros łych C o lle gium M e diu m UJ ul. K o pernik a 21 a 31-501 Kraków tel. (48) 60 2 335 245 e-m ail: m zzyss @ cyf-kr.edu.pl