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UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI BRESCIA Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Studio sperimentale sul ruolo dello real-time Fuzzy BCI (Brain-Computer Interface)

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Presentazione sul tema: "UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI BRESCIA Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Studio sperimentale sul ruolo dello real-time Fuzzy BCI (Brain-Computer Interface)"— Transcript della presentazione:

1 UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI BRESCIA Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Studio sperimentale sul ruolo dello real-time Fuzzy BCI (Brain-Computer Interface) in pazienti con la sindrome Locked-in Tesi di Laurea RELATORE: Prof. Alessandro Padovani CORRELATORE: Prof. Nicola Latronico LAUREANDO: Andriy Oliynyk MATRICOLA N° ANNO ACCADEMICO

2 Definizione: La sindrome “Locked-in" (LIS) è una malattia neurologica di de- efferentazione motoria selettiva sopranucleare con apertura oculare protratta, tetraplegia, anartria, funzione cognitiva conservata e codice comunicativo di base, mediante movimenti oculari verticali o ammiccamento delle palpebre. Cenni storici: Alessandro Dumas - ‘Il Conte di Montecristo’ Emile Zola – ‘Thérèse Raquin’ Darolles (neurologo francese) Plum F. and Posner J.B. (The Diagnosis of Stupor and Coma. Davis, F.A., Philadelphia, PA.) 2

3 Sintomatologia Classica Tetraplegia, anartria, paralisi degli ultimi nervi cranici, coscienza integra, comunicazione attraverso i movimenti oculari Parziale/Incompleta Presenza di alcune attività motorie oltre a quella delle palpebre e degli occhi Totale/Completa Paziente completamente immobile con oftalmoplegia completa e impossibilitato a comunicare Classificazione (modificata da Bauer 1979) 3

4 CauseMeccanismi Vascolari Ischemia, spasmo vascolare od occlusione dell'arteria basilare, emorragia pontina o subaracnoidea. Traumatiche Trauma cranico, lesioni del tronco encefalico o del mesencefalo, dissezione dell'asse vertebro-basilare, contusione del tronco cerebrale, ascessi pontini Tumore Tumori del tronco encefalico con infiltrazione pontina Neurodegenerativa Sclerosi Laterale Amiotrofica (stadi avanzati) Alterazioni metaboliche Mielinolisi pontina centrale, prolungata ipoglicemia Autoimmune La sindrome di Guillain-Barré, Sclerosi Multipla, reazione al vaccino Inflammatiria Encefalite troncale da Herpes Simplex/Zoster Tossica Medicinali per l’anestesia generale, miorilassanti, sostanze organo-fosforici, droghe. Cause e meccanismi /l’origine multifattoriale/ 4

5 Andamento e prognosi  Non esiste un protocollo standard di trattamenti.  Il ritorno a condizioni di buona capacità motoria è molto rara.  La prognosi – sfavorevole, ma migliore per le forme non vascolari.  Sopravvivenza: media – 42 mesi; 20% dei pazienti - oltre 10 anni, in singoli casi - diverse decadi.  Possibilità di comunicare: perdita irreversibile. 5

6 L'interfaccia Cervello-Computer Ma...  costo elevato;  bassa velocità di trasmissione;  bassa accuratezza nel riconoscimento degli eventi cerebrali;  bassa accuratezza nella classificazione;  stanchezza nel paziente;... etc. / Oliynyk A., 2014 / un sistema che permette all’uomo di comunicare e interagire con l’esterno tramite i soli processi cerebrali, senza l’ausilio dei processi motori. 6

7 Lo sviluppo del metodo e delle vie di comunicazione alternative in pazienti affetti da sindrome “Locked-in”. a)migliorare gli input cognitivi; b)migliorare l’elaborazione del segnale; c)creare l’interfaccia più intuitiva ed utilizzabile nella pratica clinica quotidiana. 7

8 Soggetti Paziente 1 / femmina, 66 anni, CLIS / Spinale e sporadico SLA da 4 anni prima dello studio. Un anno prima della sessione sperimentale, è entrata in uno stato Locked-in completo, rendendo impossibile la comunicazione con il movimenti degli occhi o con altri ausilii esterni. Punteggio 0/48 nell'ALSFRS-R. Funzioni cognitive parzialmente intatte. Paziente 2 / maschio, 72 anni, LIS / SLA bulbare. Alimentato artificialmente attraverso gastrostomia endoscopica percutanea e 1 anno fa ha cominciato ad essere ventilato artificialmente. Punteggio 0/48, nell' ALSFRS-R. Controllo residuale dello sguardo e parziale uso di una mano per segnalare le risposte (twitch). Approvato dall' Internal Review Board della Facoltà di Medicina dell’Università di Tübinga (Germania) 8

9 “Berlino è la Capitale della Germania“ “Berlino è la capitale della Spagna“ Pensando SI CS 1 + Pensando No CS 2 US Risposta Condizionata EEG “Berlino è la Capitale della Germania“ Pensando SI CS 1 - Risposta Condizionata EEG Condizionamento Semantico Classico 9

10 Rappresentazione grafica del disegno sperimentale - Paziente 1 (CLIS): 37 sessione - Paziente 2 (LIS): 8 sessione È consistito in 2 settimane. 10

11 Paziente 1 Paziente 2 Posizione degli elettrodi nel sistema di registrazione [http://www.beteredingen.nl (creative commons license)]. Registrazione EEG EASYCAP ed elettrodi di alta qualità sinterizzati Ag/AgCl per la registrazione dell'EEG 11

12 Signal processing /metodo Fuzzy BCI/ 1. Filtro digitale bandpass Butterworth 2. Filtro Notch toto AbAb |H(f)| 2 Frequency = Frequency = ff dB 3. Filtro spaziale Common Average Reference (CAR) 4. Multivariate Centering. 5. De-trending. 6. Down-sampling / Sottocampionamento. 7. Feature extraction. 8. Singular Value Decomposition. 9. Fuzzy Clustering. 10. Power Spectral Density. 11. Regressione Lineare Multipla. 12. Analisi statistiche. 13. LabVIEW™ (National Instruments, USA). Il metodo è registrato a SIAE il 13/05/2011, no ; ordine D

13 Acquisizione del segnale 13

14 Pre-processing Butterworth bandpass filtering (0,3-40 Hz) + De-trending Smoothing and averaging. Down-sampling and interpolation with spline Spatial CAR-filtering 14

15 Le medie dell ` EEG registrate al canale Fz (A) e F3 (B) nel Paziente 1 (CLIS) dopo classificazione AB Media CS 1 − blu CS 2 rosso La risposta corticale Fz F3 Dopo processing Fz F3 L'analisi dello spettro Fz F3 15

16 Le medie dell ` EEG registrate al canale Fz (A) e F3 (B) nel Paziente 2 (LIS) A Medie CS 1 − blu CS 2 rosso La risposta corticale Fz F3 Dopo processing Fz F3 l'analisi dello spettro Fz F3 16 Si nota più grande differenza

17 I Risultati della Classificazione L’accuratezza media: 49.80% 50.35% 63.81% L’accuratezza media: 47.95% 49.05% 67.14% 17

18 La parte dell'Interfaccia Grafica del Utente (GUI) A.Scree-plot di importanti Componenti Principali selezionate automaticamente. B.Scatter-plot delle prime due Componenti Principali con i punteggi più alti. C.Parametri importanti della classificazione per eseguire procedureonline e offline. D.3D Scatter-plots dei primi tre Componenti Principali con due clusters distinti, corrispondenti alle condizioni CS 1 - e CS 2 (Patient 1, CLIS). AB C D 18

19 Collegamenti reciproci funzionali tra diverse aree cerebrali in condizione CS 1 - EEG lead# legami positivi* # legami negativi* F Fz 232 F4 53 Cz 3021 C5 724 C C T C C4 94 C6 155 T8 189 Cp Cp3 111 Cp Cpz 129 Cp Cp4 238 Cp6 266 P P P1 177 Pz 1219 P2 431 P4 82 P6 610 Po7 314 Po Poz 1612 Po Po Oz 2011 Cz T7 F3 F3 – Motor Planning Cz – l'integrazione sensorimotoria T7 – Espressione Verbale *- Regressione Lineare Multipla 19

20 1.Un BCI cognitivo che si basa su condizionamento semantico classico e segnali cerebrali piuttosto che su sistemi periferici, potrebbe rappresentare un aiuto nella comunicazione per i pazienti neurologici completamente paralizzati colpiti da LIS. 2.In pazienti con LIS i canali dell’EEG sulla corteccia premotoria danno più informazioni per Fuzzy BCI, rispetto alle zone somatosensoriali o ad altre aree cerebrali. 3.La metodologia sviluppata ha un’accuratezza di classificazione degli eventi cognitivi superiore rispetto ad altri metodi attuali (come la trasformazione wavelet o SVM). 4.Il Fuzzy BCI rappresenta uno strumento grafico intuitivo che potrebbe essere facile da utilizzare nella pratica quotidiana delle unità neurologiche. 20

21 1.Bonfanti A., Zambra G., Borghi T., Spinelli A.S., Angotzi G.N., Baranauskas G., Maggiolini E., Semprini M., Vato A., Oliynyk A., Torazza D., Budai R., Skrap M., Tomasino B. & Fadiga L. 2009, ‘A compact 8-channel system for multi- unit recordings with an autoclavable headstage developed for human brain tumor boundary detection’, Annual Meeting of the Society for Neuroscience, Chicago, IL, USA, October 17-21, C. Lettieri, S. Rinaldo, G. Pauletto, L. Verriello, R. Budai, S. Biguzzi, M. Mondani, C. Conti, L. Fadiga, A. Oliynyk, M. Skrap // Effects of dissociative anesthesia on basal ganglia activity in patients underwent to Deep Brain Stimulation. Proc. Congresso Nazionale della Società Italiana di Neurofisiologia Clinica. Siena, Italy, May, –P Salmas P., Oliynyk A., Caselli L., Coudè G., Fadiga L. Functional properties of premotor area F5a: a single-unit study // Proc. 40th annual meeting of Society of Neuroscience. San Diego, USA, November 13-17, 2010 [PDF].PDF 4.R. Eleopra, C. Lettieri, S. Rinaldo, M. Mondani, L. Verriello, G. Pauletto, R. Budai, L. Fadiga, A. Oliynyk, M. Skrap. Pallidal neuronal activity in dystonic patients: A quantitative analysis // Proc. 15 th International Congress of Parkinson’s Disease and Movement Disorders. Toronto, ON, Canada, June 5-9, –P Andriy Oliynyk and Claudio Bonifazzi. FSPS™ software per la classificazione automatica online delle scariche neuronali // Proc. NIDays, Rome, ^ed. –P [PDF].PDF 6.C.Lettieri, S.Rinaldo, G.Devigili, G.Pauletto, L.Verriello, R.Budai, L.Fadiga, A.Oliynyk, M.Mondani, S.D'Auria, M.Skrap, R.Eleopra. Deep brain stimulation: subthalamic nucleus electrophysiological activity in awake and anesthetized patients // Clin Neurophysiol Jun 7 [PDF].PDF 7.A.Oliynyk, C.Bonifazzi, F.Montani and L.Fadiga. Automatic Online Spike Sorting with Singular Value Decomposition and Fuzzy C-mean Clustering // BMC Neurosci Aug 8;13(1):96 [Pubmed][PDF].PubmedPDF 8.Fadiga L, Caselli L, Craighero L, Gesierich B, Oliynyk A, Tia B, Viaro R. Activity in ventral premotor cortex is modulated by vision of own hand in action // PeerJ , 2;1:e88 [Pubmed][PDF].PubmedPDF 21

22 Grazie per l’attenzione ! Prof. Alessandro Padovani Prof. Nicola Latronico Prof. Luciano Fadiga Dott. Claudio Bonifazzi Prof. Lorenzo Chiari Prof. Elisa Magosso Prof. Niels Birbaumer Dott. Adrian Furdea Prof. Mattew DiamondIng.Gianluigi Delucca Ing.Daniele De Massari Prof. Luciano Fadiga Stefano Panzeri Michele Restuccia 22


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