XXV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica – CBEB 2016

SISTEMA CLASSIFICADOR DE RITMOS CEREBRAIS POR MEIO DE INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL

G. Botura Jr*, J.H. Espinelli * e M. A. Marques*

*Universidade Estadual Paulista – UNESP, Sorocaba, Brasil

e-mail: galdenoro@sorocaba.unesp.br

Resumo: A análise do perfil do sono por meio das porcentagens das ondas cerebrais dentro de um período de tempo e a possibilidade de visualização destes sinais permitem a obtenção de diagnósticos precisos e elaborados por profissionais da área. Este artigo tem por objetivo apresentar o desenvolvimento de um módulo de análise das ondas cerebrais que ocorrem durante o sono utilizando a plataforma de desenvolvimento de instrumentação virtual LabVIEW. O sistema apresenta os sinais de eletroencefalograma (EEG) recebidos (Fpz-Cz e Pz-Oz) em uma tela de interface, juntamente com as ondas cerebrais – alfa, beta, delta e teta, resultado do processamento realizado, bem como as porcentagem das ondas cerebrais em cada uma das épocas. Os testes, executados a partir de sinais de EEG gravados previamente, indicaram que, a partir dos gráficos da porcentagem das ondas cerebrais e da análise da transição entre as épocas, consegue-se realizar a análise pretendida de modo fácil e confiável. Palavras-chave: Análise do Sono, Ondas Cerebrais, Processamento, Instrumentação Virtual Abstract: Sleep profile analysis by the percentages of brain waves and viewing these signals allow accurate diagnoses and prepared by professionals. This paper presents the development of an analysis module sleep profile using virtual instrumentation development platform LabVIEW. The system displays the signals of electroencephalogram (EEG) received (Fpz-Cz and Pz, Oz) and brainwaves - alpha, beta, delta, and theta well as the percentage of brain waves in each of the times on an interface screen, as a result of processing performed. Tests conducted from EEG signals recorded previously indicated that, from the graphs the percentage of brain waves and analysis of transition between seasons, it is possible to make analysis easy and reliably. Keywords: Analysis of Sleep, Brain Waves, Processing, Virtual Instrumentation. Introdução

O sono é tão importante para o ser humano que representa um terço de sua vida [1], servindo para restaurar os níveis normais de atividade e equilíbrio entre as diferentes partes do sistema nervoso central [2], estando envolvido, também, com a conservação do metabolismo energético, com a cognição, com a termorregulação, com a maturação neural e a saúde mental de um indivíduo [3]. Apresenta estágios

alternantes e cada estágio possui padrões eletroencefalográficos característicos, segundo frequência e amplitude das ondas que são distintos daqueles observados durante a vigília [4, 5].

Antes do advento do Eletroencefalograma (EEG), inventado por Hans Berger em 1924, acreditava-se que o sono era uma etapa de baixa atividade cerebral de repouso. Em 1930, Berger obteve avanço nos estudos dos mecanismos de sono e vigília quando registrou a atividade elétrica encefálica, por meio de eletrodos de agulhas introduzidos no couro cabeludo, criando o eletroencefalograma. Estas atividades foram descritas como ondas cerebrais, identificadas como alfa, beta, teta e delta, consolidando o sono como uma etapa de alta atividade cerebral, imprescindíveis para a saúde humana [6].

Com relação às faixas de frequência, sua divisão originou a denominação das ondas cerebrais em: alfa, beta, delta e teta. As ondas alfa têm um espectro de frequência com variação entre 8-13 Hz, as ondas beta entre 13-30 Hz, as ondas delta entre 0,5-4 Hz e as ondas teta entre 4-8 Hz. Uma representação destas ondas é mostrada na Figura 1.

Figura 1: Ondas alfa, beta, delta e teta, com suas respectivas faixas de frequência. Fonte - http://mente-attiva.blogspot.com.br/2011/06/lelettroencefalogramma.html.

As ondas alfa caracterizam um estado de consciência

alerta, porém relaxado. Estão relacionadas à extroversão, criatividade, trabalho mental, bom humor e otimismo. Uma geração sadia de ondas alfa promove uma desenvoltura mental, ajuda na habilidade de coordenação e melhora a sensação de relaxamento, podendo-se rapidamente e eficientemente completar

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qualquer tarefa. As ondas beta são, frequentemente, de baixa amplitude e simétricas, associadas com a ansiedade e muita concentração. Ocorrem, normalmente, com os olhos abertos e quando se pensa sobre a solução de um problema analítico, julgamentos, tomando decisões ou processando informações sobre o mundo. Drogas, como barbitúricos, benzodiazepínicos, aumentam a ocorrência de ondas beta. As ondas delta, possuem menores frequências e maiores amplitudes. Encefalopatias, como sonambulismo, privação de sono, mal de Parkinson e esquizofrenia, além de diabetes, alcoolismo, depressão e ansiedade estão relacionadas com alterações do ritmo delta. As ondas teta são classificadas como de lenta atividade, além de terem conexão com a intuição, a fantasia, emoções e sensações. Aparecem, normalmente, entre a vigília e o sono e são relacionadas ao subconsciente da mente [7, 8].

Os estágios do sono são divididos em: Estágio 0 – Vigília - existe a presença de ondas alfa, desde que o indivíduo encontre-se de olhos fechados; Estágio 1 - o indivíduo se encontra entre o estado de vigília e o sono, com ondas no EEG de baixa voltagem e onda alfa presente em menos de 50% da época; Estágio 2 – existe presença de ondas de baixa voltagem, com interrupções de ondas de alta amplitude, ocorrendo ondas delta com mais de 75 uV no máximo 20% da época; Estágio 3 - acontece presença de ondas delta, de baixa frequência e alta amplitude, com mais de 75 uV em mais de 20% e em menos de 50% da época; Estágio 4 - existe presença de ondas delta com mais de 75 uV em mais de 50% da época; Estágio REM – apresenta sinais dessincronizados e semelhantes ao estágio 1, sem presença de ondas do vértex [9].

Este artigo apresenta a implementação de um sistema de análise utilizando o conceito conhecido como instrumentação virtual. Por meio desta abordagem é possível processar e analisar os sinais enquanto são adquiridos, visualizando os resultados com atrasos de poucos milissegundos em relação a sua aquisição.

Os testes realizados mostraram que o protótipo do instrumento foi plenamente capaz de apresentar os padrões de ondas esperados e viabilizar a análise de forma rápida. A interface amigável permite que profissionais a manipulem com facilidade e por ter sido idealizado como um módulo independente, poderá ser acoplado ou anexado a outros sistemas de auxílio ao diagnóstico.

Materiais e Métodos

O sistema de processamento e análise de ondas cerebrais foi desenvolvido a partir da proposta de sua incorporação a outros módulos previamente existentes nos equipamentos de auxílio ao diagnóstico. Assim, em seu projeto não se considerou incluir os módulos correspondentes a interface para aquisição e condicionamento dos sinais dos eletrodos colocados junto aos pacientes. O sistema utilizou o conceito de instrumentação virtual e o ambiente gráfico de

desenvolvimento LABView como plataforma para sua elaboração. “Instrumentos virtuais representam uma revolução nos sistemas de instrumentação tradicionais focados em hardware para sistemas centrados em software que exploram o poder computacional, a visualização gráfica e as funcionalidades de conectividade dos computadores, permitindo transformar um computador em um instrumento” [10]. Nesse ambiente, a programação é realizada de acordo com o modelo de fluxo de dados, utilizando linguagem gráfica de programação. Esta plataforma possui bibliotecas incorporadas nas mais diversas áreas, como: processamento de sinais e imagens. Os programas desenvolvidos são denominados de “VI”, podendo ser usados como subprogramas em qualquer outro que esteja sendo elaborado ou, simplesmente, serem executados isoladamente [11].

Após o uso de sub-Vis para leitura e conversão dos sinais dos EEG para os padrões utilizados pelo ambiente de desenvolvimento, a obtenção das ondas alfa no domínio do tempo foi alcançada aplicando-se filtros passa-banda com frequência de corte mínima de 8 Hz e máxima de 13 Hz sobre o sinal Pz-Oz recebido do EEG. Para o sinal de Fpz-Cz foram utilizados filtros passa- banda com frequências de corte mínimas e máximas de 13 e 30 Hz, respectivamente, para conseguir o sinal da onda beta no domínio do tempo, e de 4 Hz e 8 Hz para onda teta e 0,5 a 4 Hz para onda delta.

O sinal da onda alfa no domínio da frequência foi obtida por meio da sub-VI “FFT_waves” com a transformação do tipo Fast Fourier Transform (FFT) de pico com janela “Flat Top”. A Figura 2 apresenta a forma de obtenção do sinal alfa. As ondas beta, delta e teta foram obtidas seguindo o mesmo procedimento.

Figura 2: Detalhes da Programação para obtenção da onda alfa: (a) Configuração do filtro passa-banda; (b) topologia de filtragem utilizando filtro passa-banda para obter o sinal no domínio do tempo. (c) transformação para o domínio da frequência através da VI Fast Fourier Transform (FFT) com janela FFT de pico com janela Flat Top .

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A obtenção de porcentagens de ondas cerebrais para cada época, a partir do espectro de frequência, foi obtida usando-se o comando de repetição “For loop” com número de iterações igual ao tamanho da banda de frequências total da FFT e realizando-se a soma dos valores de amplitude do espectro e da amplitude de cada uma (Figura 3).

Figura 3: Detalhe da programação usada para obtenção de porcentagens de ondas cerebrais para cada época a partir do espectro de frequência. Resultados

O sistema foi desenvolvido de modo a disponibilizar ao usuário as informações através de uma interface gráfica constituída por duas abas, sendo uma com os sinais EEG e a outra com a porcentagem das ondas. Na primeira aba, na parte superior da tela estão apresentadas as informações relativas aos sinais sob análise, como o total de épocas e duração (em minutos). Nesta aba estão apresentadas também, o resultado do processamento realizado, as ondas cerebrais delta, teta, alfa e beta, bem como os sinais de EEG, Fpz-Cz e Pz-Oz, respectivamente. A escala x, única a todos os sinais desta aba, é dividida em épocas, como mostrado na Figura 4.

Na aba “% Ondas” (Figura 5) a tela apresenta as porcentagens das ondas delta, teta, alfa e beta individualmente, com relação às épocas – em uma escala que vai de 0 a 50 e abaixo das porcentagens individuais, a junção de todas elas.

Os testes foram executados a partir de fitas com durações de 8 horas e meia, de dois sinais de EEG bipolares, Fpz-Cz e Pz-Oz32, obtidos entre homens e mulheres caucasianas, saudáveis, de 21 a 35 anos, sem uso de nenhuma medicação, em um ambulatório no ano de 1989, usando um gravador modificado de fita cassete no período do sono – 22 horas do dia 25 de Abril às 6 e meia do dia 26 de Abril. Utilizou-se um período de 8 horas e meia, 510 minutos, 1020 épocas.

Figura 4: Tela de Interface - Aba “Sinais EEG”.

Figura 5: Tela de Interface - Aba “% Ondas”.

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As gravações foram feitas pelo PhysioBank [12], um grande e crescente banco de gravações digitais de sinais fisiológicos de qualidade para uso da comunidade de pesquisa biomédica. Os arquivos de dados do banco estão no formato EDF (Europea n Data Format), que, desde 1992 é o padrão para gravações de EEG e PSG em equipamentos comerciais e projetos de pesquisa

No caso analisado, as porcentagens de ondas delta, em toda extensão do sinal permaneceram entre 10% e 70%, o que pode significar que o individuo sob teste estivesse passando pelos estágios 2, 3 e 4 do sono. As porcentagens de ondas alfa em toda extensão do sinal, se encontrava abaixo de 50%, mostrando que o indivíduo passava pelo estágio 1 do sono, além da possibilidade do próprio sono REM. Conclusões

O processamento do sinal de EEG obtido a partir da gravação em fita de dois sinais de bipolares, Fpz-Cz e Pz-Oz32, se mostrou eficaz e as telas da interface desenvolvidas e apresentadas ao usuário, ou para um profissional da área, são amigáveis, em função da forma como as informações foram disponibilizadas, o que torna a ferramenta de fácil uso. A análise dos ritmos cerebrais, por meio do uso de sinais de EEG e instrumentação virtual para o seu processamento, em função da forma como foi idealizada e implementada, permite visualizar e armazenar para posterior análise as ondas alfa, beta, delta e teta, as transições de porcentagem das ondas cerebrais época a época, bem como a influência destas ondas no sono e do sono nelas, permitindo uma análise segura e confiável. Porém, para atestar a confiabilidade e exatidão dos resultados obtidos, novos testes precisam ser executados localmente e comparados com os resultados conseguidos por meio de equipamentos que possuam certificado de calibração. Uma vez isto feito, e em caso de necessidade, ajustes poderão facilmente ser efetuados no sistema desenvolvido, de modo a torná-lo pronto para uso.

O emprego de um ambiente de desenvolvimento voltado para a instrumentação virtual mostrou-se adequado, propiciando a criação de um instrumento, baseado em computadores pessoais, e capaz de ser acoplado a outros já existentes, podendo ainda, servir de referência inicial para o implementação de outros instrumentos virtuais, como: Eletrooculograma (EOG), Eletromiografia (EMG), Eletrocardiograma (ECG) ou qualquer outro em que os sinais a serem analisados necessitem de processamento e apresentação em uma interface gráfica. Um equipamento de grande versatilidade e flexibilidade em um único ambiente

computacional, permitindo que se abordem aspectos inovadores nos diagnósticos a serem realizados. Referências [1] Lopes, R. B., O Sono, Disponível em <

https://psicologado.com/psicologia-geral/introducao/o-sono >. Acesso em 26 de maio de 2016.

[2] Guyton, A. C.; Hall, J. E.; Tratado de fisiologia médica; Editora Guanabara Koogan; nona edição, 685-689, 1997.

[3] Kandel, E. R.; Schwartz, J. H.; Jessel, T. M.; Princípios da neurociência; Editora Manole; quarta edição, 936-947, 2003.

[4] Loomis, A. L.; Harvey, E. N.; Hobart, G. A.; Cerebral states during sleep as studied by human brain potentials. J. Exp. Psychol., 21:127-144, 1937.

[5] Loomis, A. L.; Harvey, E. N.; Hobart, G. A.; Distribution of disturbance patterns in the human electroencephalogram, with special reference to sleep. J.Neurophysiol., 1:413-430, 1938.

[6] Berger H.; Über das Elektroenkephalogram des Menschen. Arch. f. Psychiat. 87: 527-70., 1929.

[7] Dalgalarrondo, P; Psicopatologia e semiologia dos transtornos mentais, Porto Alegre: Artmed, 2. Ed. 2008.

[8] Sucholeiki, R, et al; Normal EEG Waveforms, Disponível em <http://emedicine.medscape.com/article/1139332- overview#showall>. Acesso em 26 de maio de 2016.

[9] Rechtschaffen, A; Kales, A.; Manual of standardized terminology, techniques, and scoring system for sleep stages of human subjects. Brain Information Service/Brain Research Institute, UCLA, Los Angeles, 1968.

[10] Botura Jr., G; Marigny, LR. ; Marques, MA.; Lemos, MA. ; Martins, E. Biometria por Íris Usando Instrumentação Virtual. Memorias del VI Congresso Latino Americano de Engenharia Biomédica CLAIB 2014. Paraná, AR: Universidad Nacional de Entre Ríos., 2014. v. 1. p. 621-624.

[11] Beyon, JY. LabVIEW programming, data acquisition and analysis. Prentice Hall PTR, 2000.

[12] Goldberger AL, Amaral LAN, Glass L, Hausdorff JM, Ivanov PCh, Mark RG, Mietus JE, Moody GB, Peng CK, Stanley HE. PhysioBank, PhysioToolkit, and PhysioNet: Components of a New Research Resource for Complex Physiologic Signals. Circulation 101(23):e215-e220 [Circulation Electronic Pages;http://circ.ahajournals.org/cgi/content/full/101/23/e215

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