2017
UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE FÍSI CA
Development of an Algorithm for the
Automatic Detection of Artifacts in
Neonatal Electroencephalography
Filipe Gervásio Gonçalves Costa
Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica
Perfil em Sinais e Imagens Médicas
Dissertação orientada por:
Prof. Alexandre Andrade
Prof. Dr. Linda S. de Vries
3
“
W e m a y fe e l i l l p r e p ar e d t o fa c e t he fe a r ed c ha ng e s a he a d , ye t e a c h of
u s c a n lo ok b a c k a t ou r ow n li ve s a nd se e c ou nt le s s t im e s t ha t
s om e t hi ng fe lt s c a r y, ha r d a nd im p os s ib le . W e w er e s ur e w e w ou ld n’ t
m a ke it , a nd t he n w e d id . T his is r es il ie nc e - t he w il l ing ne s s t o p e rs is t ,
t o le a r n fr om t he e x p e r ie nc e , a nd t o tr y a g a in. ”
S a r i na B e ha r N a tk i n
i
Acknowledgements – P t. 1
T hi s f i r s t s e c t i o n o f t h e a c k n ow l e d g e me n t s i s d e d i c a t e d t o S u z a n n e O l i v e i r a -M a r t e n s a n d L e o n a r d v a n S c h e l v e n , me d i c a l p h y s i c i s t s i n t h e D e p a r t me n t -M e d i s c h e T e c h n ol o g i e e n K l i n i s c h e F y s i c a o f t h e U M C U t r e c h t . A s a n e n g i n e e r i n g s t u d e n t w o r ki n g i n a h o s p i t a l , I c a n n o t t h a n k y o u e n o u g h f o r yo ur t e c hn i c a l i n pu t a n d f o r y o u r o p e n mi n d w h e n e v e r I s h o w e d y o u my i d e a s . T ha nk y o u f o r t h e s u p p o r t y o u g a v e me i n my p r o j e c t , a l wa y s b a c k i n g u p my i de a s a nd he l p i n g me t a k i n g t h e m e v e n f u r t h e r . F o r q u e s t i on i n g t h e me t h o d s a n d he l pi ng me s e e w h a t c o u l d b e i mp r o v e d a n d w h a t t h e ne x t s t e p s h o u l d b e . A s f or s u p e r v i s i o n i n t h e mo r e t e c h n i c a l a n d e n gi n e e r - y p a r t s o f my p r o j e c t , I w i l l a l w a ys r e me mb e r y o u r p a r t i c i pa t i o n a s a v e r y i mp o r t a n t a n d s ol i d f o u n d a t i o n i n t he c ha l l e n g e I c a me a c r o s s a t t h e U M C U . T h a n k yo u .i i i
Acknowledgements – P t. 2
T he r e c o me s a t i me w h e n r e c o g n i t i o n i s n o t o n l y n e c e s s a r y , b u t du e . T hi s s e c t i o n i s d e d i c a t e d t o e v e r y p e r s o n t h a t h a s h e l p e d me t h r o u g h o u t t h i s pr o j e c t . S o, f i r s t o f a l l, t ha n k y o u a l l . T ha nk y o u , P r o f e s s o r A l ex a n d r e A n d r a d e , f o r h e l p i n g me a n d s u p p o r t i n g me e v e r s i nc e d a y o n e . W h e n I f i r s t a p p r o a c h e d y o u w i t h t h i s p r o j e c t y o u s h o w e d a n i mme d i a t e i n t e r e s t t h a t me a n t a l o t t o me , a n d t h a t i n t e r e s t h a s n e v e r f a d e d t hr o ug h ou t t h e l a s t y e a r . T ha nk y o u , D r . L i n d a d e V r i e s, f o r b r i n g i n g me t o U t r e c h t a n d f or i n tr o d u c i n g me to o ne o f the b est pr ojects I’ ve ever w or ked o n. Tha n k y ou for b eing a b le to s e e my e n g i n e e r i n g s k i l l s a n d a l l o w i n g me t o a p p l y t h e m i n t he c l i n i c a l w o r l d . O br i ga d o I n ê s , p o r s e r e s q u e m é s . P o r me c o m p r e e n d e r e s , me s mo q u a n d o n ã o é pr e c i s o di z e r a s c o i sa s . P o r s e r e s i g u a l a mi m. O br i ga d o Mã e , p e l o c o r a ç ã o . O br i ga d o P a i, p e la me n t e d e e n g e n h e i r o . O br i ga d o Ma r ta , p e l a s r e d e s , p e l a s c o n v e r s a s e p e l o s c a fé s. E s p e c ia l me nt e p e l os c a f é s . O br i ga d o a o C V p e l a c o mp a n h i a , p e la p a c iê n c i a , e p e l a v i l e z a . O br i ga d o à R o d r i g u e s p e l a me l h o r e q u i p a , e m t u do . O br i ga d o à P i n t o e à S o u s a p e l o s f i n s d e s e ma n a e m q u e me s e n t i e m c a s a . O br i ga d o a o P e s s oa l F i x o la s, p o r q u e u m “ B om d i a ! ” d i á r i o é s e mp r e a me l h or ma ne i r a d e c o me ç a r o d ia a s o r r i r . O br i ga d o à A n i c a , p o r s e r a A n i c a q u e t o d o s d e vi a m t e r . T ha nk y o u , B i l t s tr a a t Fa mi l y , f o r ma k i n g U t r e c h t my s e c o n d h o me , a n d f o r ma ki n g e ve r y d a y a n a d v e n t u r e . S h o u l d w e me e t t o n i gh t f o r i c e c r ea m a t R o b er t o ’ s ? T ha nk y o u , e v e r y b o d y i n t h e W K Z o f f i c e s : L a u r e n , f o r t h e a ma z i n g h e l p t hr o ug h ou t my p r o j e c t ; K r i s t i n , f or t h e c o f f e e s a n d f or t h e c h a t s ; N i e n k e , N a t h a l i e, L i s a , Ra y mo n d , K i m, N i n o , M e h me t , f o r b e i n g a g r ea t o f f i c e c o mpa n y ! L a s t l y , I w o u l d l i k e t o t h a n k t h e E r a s mu s + i n s t i t u t i o n , a s w e l l a s t h e D e p a r t me n t of N e o na t o l o g y a t t h e U M C U f o r t h e s u p p o r t t h r o u g h o u t my s t a y i n T h e N e t he r la n ds .v
Resumo
T o d os o s d i a s , b eb é s r e cé m - n a s c i d o s s ã o a d mi t i d o s e m i n ú me r a s U ni d a d e s d e C ui d a do s I n t e n s i v o s N e o n a t a i s ( U C I N ) . A s ca u s a s p a r a e s ta s a d mi s s õ e s p a s sa m pr i n c i pa l me n t e p o r n a s c i me n t o s p r e ma t u r o s o u o u t r o s t i po s d e c o mp l i c a ç õ e s dur a nt e o p a r t o , c o mo é o ca s o d a a s f ix ia . V i s t o q u e q u a i s q u e r c o mp l i c a ç õ e s d u r a n t e o p a r t o p o d e m l e v a r a A c i d e n t e s Va scular es Cer ebra is ( AVC’s) ou outr o tip o de da n os no cé r eb r o, os r ecé m -na s c i do s sã o a d mi t i d o s p o r p e r í o d o s d e t e mp o q u e p o d e m c h e g a r à s 72 h o r a s . N e s t e pe r í o d o de a d mi s s ã o , o s b e b é s d o h o s p i t a l p e d i á tr i c o d e U t r e c h t , no s Pa í s e s Ba i x o s, s ã o a c omp a n h a d o s p o r u ma e q u i p a d e mé d i c o s e e n f e r me i r o s s e mpr e p r e s e n t e , a o me s mo t e mp o q u e s ã o a lt a me n t e mo n i t o r i z a d o s , t a n t o e m t e r mo s da s u a a ti vi d a d e c e r e b r a l – a tr a v é s d e e l e t r o e n c e f a l o g r a f ia ( E E G ) – c o mo d e ou t r o s p a r â me t r os f i s i ol ó gi c o s , c o mo o r i t mo c a r d í a c o - e le t r oc a r d i og r a f i a ( E CG ) - , f u n ç ã o r e s pi r a tó r i a o u me s mo o x i g e na ç ã o c e r e b r a l a t r a vé s d e e s p e tr os c o p i a d o i nf r a ve r me l h o p r ó x i mo ( N e a r I n f r a - re d S p e c t ro sc o p y – N I R S) . D a da s a s l o n g a s a q u i s iç õ es d o s v á r i o s p a r â me t r o s f i s i ol ó g i c o s , d o s q u a i s a a t i v i d a de c er e b r a l me d i d a a tr a v é s d e E E G é t i d a e m e s p e c i a l f o c o n e s t a d i s s er ta ç ã o , é nor ma l q u e o c o r r a m p e r t u r b a ç õ e s n a s l e it u r a s, s e ja m e s s a s p e r t u r b a ç õ es de or i g e m f i s i o l ó g i c a o u n ã o . A s s i m s e n d o , o s a r t e f a c t o s, i. e . , o s p e r í o do s d e i nf or ma ç ã o d e E E G q u e n ã o r e pr e s e n t a m c o r r et a me n t e a a t i v i d a d e c e r eb r a l do i ndi ví d u o , c o r r o mp e m a i n t e g r i d a d e d a a q u i s iç ã o d e d a d o s , p o d e n d o me s mo l e v a r a d e c i s õ e s er r a d a s n o q u e d i z r e s p e i t o a o di a g n ó s t i c o d o p a c i e n t e o u a op ç õ e s t e r a pê ut i c a s . U m d o s g r a n d e s o b s t á c u l o s n e s t e c a mp o é o f a c t o d e mu i t o s a r t e f a c t o s t e r e m u m c a r á ct e r p e r ió d i c o e a l ta me n t e r í t mi c o e s er e m c o mu m me n t e i d e n t i f i c a do s c o mo c o n vu l s õ e s p e l o s a l g o r i t mo s d e d e t e ç ã o d e c o n v u l s õ e s , l e va n d o mu i t a s v e z e s à a dmi ni s t r a ç ã o d e me d i c a ç ã o e x c e s s i va e / o u e r r a da n o s pa c i e n t e s n a U C I N . A t u a l me n t e j á e x i st e m a l g o r i t mo s d e d e t e ç ã o d e a r t e f a c t o s e m E E G , os q u a is s e b a s e i a m pr i n c i p a l me n t e e m c a r a c t e r í s t i ca s e sp a c i a is d os s i n a i s d e E E G – à s q u a i s nã o é p os s í v e l r e c o r r er n e s t e c a s o, v i s t o q u e s e u s a m a pe n a s d o i s c a n a i s b i p o l a r e s – ou na Aná lise de Co mpo ne ntes In depe n dent es ( ICA), a q ua l sepa ra os sina is de E E G n os di f e r e n t e s c o mp o n e n t e s p r e s e n t e s n o s i n a l . C o mo j á f o i r e f e r i d o , c o m a pe na s doi s c a na i s d e E E G n ã o s e t o r n a v i á v e l a p l i c a r e s ta a n á l i s e p o r q u e o r e s ul ta do s e r ia d e ma s i a d o r e d u z i d o p a r a s e r p o s s í v e l a l c a nç a r u ma d e c i s ã o de c on f i a nç a . E st e s a l g o r i t mo s j á d e s e n v o l v i d o s f o c a m- s e p r i n c i p a l me n t e n o s a r t e f a c t os ma i s c o mu m me n t e p r e s e n t e s n o s d a d o s , c o mo o s d a a t i v i da d e oc u l a r , mu s c ul a r e c a r d ía c a . P os t o i s t o , o p r o j e t o d e s e n v o l v i d o n a p r e s e n t e d i s s e r t a ç ã o p r o põ e u m n ov o mé t o d o de d e t e ç ã o d e a r t e fa c t o s e m s i n a i s d e E E G n e o na t a l . A t u a l me n t e p o d e m s e r e nc o nt r a dos no E E G da U C I N s e t e ti pos di f e r e nt e s de a r t e fa c t os :- O nda s S i nus oi da i s – onda s q ue s e a s s e me l h a m e m t ud o à f unç ã o ma t e má t i c a s i nus oi da l e q ue t ê m u ma f r e q uê nc i a c a r a c t er ís t i c a e nt r e os 1 .5 H z e os 3 H z ;
v i - O nda s t i p o P E D ( P e ri o di c E p i le p t i f o rm D i sc ha r g e s ) – es ta s o n da s a s s e me l h a m- s e a o n d a s c a r a c t er í s ti c a s d e e p i s ó d i o s e p i l é t i c o s , ma s d e vi d o a o f a c t o de p os s uí r e m u ma f o r ma d i f e r e n t e e n ã o t e r e m c a us a f i s i o l ó g i c a c o n h e c i d a s ã o c ons i d e r a d a s c o mo a r t e f a ct o s ; - O nda s Z e ta – o n d a s d e l t a ( c om f r e q u ê n c i a i nf e r i o r a 4 H z ) c o m u ma f o r ma de s e r r a e q u e s e e n c o n t r a m n o E E G d u r a n t e p e r ío d o s de t e mp o r e d u z i do s ; - O s c i la ç õ e s d e A l ta F r eq u ê n c i a – e mb o r a n ã o t e n h a m u ma f r e q u ê n c i a pa r t i c ula r me n t e a l ta p a r a o s v a l or e s q u e o E E G p o d e a ti n g i r , e s t e s a r t e f a c t o s sã o c a r a c t er iz a d o s p o r u ma o n d a s i n u s o i d a l c o n s t a n t e c o m u ma f r e q u ê nc i a e nt r e o s 8 H z e os 1 1 H z ; - A t i vi d a d e M u s c u l a r – c o mo o n o me i n d i c a , a a t i v i d a d e mu s c u l a r n a ca b eç a do s r e c é m- n a s c i d o s p o d e i n f l u e n c i a r a l e i t ur a d o s e l é tr o d o s , i n t r o du z i n d o u ma a q ui s iç ã o c o m ma i o r f r e q uê n c i a e d e me n o r a mp l i t u d e ; - A t i vi d a d e Ca r d í a ca – o ca mp o e l é tr i c o d o b a t i me n t o c a r d í a c o é c o n d u z i d o a té a o e s c a l p e , o n d e s e e n c o n t r a m o s e l é t r o d o s a g u l h a , i n f l u e n c i a n do a l e i t u r a do s me s mos e l e v a n d o a u m s i n a l d e E E G q u e s e a s s e me l h a b a s ta nt e à de u m E C G ; - M ovi me n t o / D e s l o c a ç ã o d o s E lé t r o d o s – Q u a n d o o s b e b é s sã o mo vi d o s o u q ua n do s e a d mi n i s t r a a l g u m t i p o d e me d i c a ç ã o p od e h a ve r d e s l o c a me n t o do s e l é tr o dos c o l o c a d o s n o e s c a l p e e a l ei t u r a p o d e a t i n g i r va l o r e s d e ma s i a d o e l e v a d o s , q ue nã o t ê m j u s t i f i c a ç ã o f i si o l ó g i c a . D e s ta f o r ma , o a l g o r i t mo p a r a d e t e ç ã o d e a r t e f a c t o s d e s e n v o l v i d o f o c o u - s e pr i me i r a me n t e n a c r ia ç ã o d e s e t e a l g o r i t mo s i n d i v i d u a i s , ca d a u m e s p e c i a l i z a do na s ca r a c t er ís t i ca s d e ca d a u m d o s a r t e fa ct o s me n c i o n a d o s a c i ma . P a r a ca d a a l g or i t mo i n d i v i d u a l f o i c r i a d a u ma b a s e d e d a d o s d e E E G de c i n c o s u j e i t o s , q u e s e r vi u p a r a o t r e i n o e p a r a o t e s t e d e c a d a a l g o r i t mo . O E E G d e c a d a s uj e i t o t i n h a a pr ox i ma da me n t e 3 0 mi n u t o s e e r a m p e r í o d o s c o m u ma f o r t e p r e s e nç a d e a r t e f a c t os . E s t e s p e r í o d o s f o r a m s e l e c i o n a d o s e s p e c i a l me n t e p a r a e s t e p r o j e t o e t od os os a r t e f a c t o s p r e s e n t e s n o s d a d o s f o r a m ma r c a d o s ma n u a l me n t e p o r u ma mé di c a e s p e c i a l iz a d a , d e f o r ma a q u e o s a l g o r i t mo s t i v e s s e m u m g o l d e n s t a n d a r d pa r a q ue f o s s e p o s s í v e l c o mp a r a r o s s e u s r es u l t a d o s e o t i mi z a r ca da a l g o r i t mo . D e s ta f o r ma , f o r a m c o n s i d e r a d o s n e s t e p r o j e t o a q u i s iç õ e s d e E E G d e 2 8 s u j e i t o s di f e r e nt e s : c i n c o p a r a ca d a a l g o r i t mo , à e x c e ç ã o d o a l g o r i t mo p a r a a A t i v i d a d e M u s c ul a r q u e t e v e a p e n a s tr ê s s u j e i t o s e o d o M o v i me n t o , q u e nã o n e c e s s i t o u de ne n h u m. D ur a nt e o d e s e n v o l v i me n t o d e c a d a a l g o r i t mo f o r a m s e mp r e c o ns i d e r a d o s os r e s ul ta do s d e S e n s i b i l i d a d e e E s p e c i f i c i d a d e a t r a vé s da c o mp a r a ç ã o c o m a s ma r c a ç õ e s ma n u a i s d o g o l d e n s ta n d a rd da b a se d e d a d o s d e t r e i no e t e s t e, d e f o r ma a ot i mi z a r ca d a a l g o r i t mo e o b t e r s e mp r e o s me l h o r e s r e s u l ta d o s p o s s í v e i s . P a r a os tr ê s pr i me i r os a r t e fa c t os ( O nda s S inu s oi da i s , t i po P E D e Z e ta ) os a l gor i t mos b a s e ia m- s e no c á l c ul o da c or r e la ç ã o do s i na l c om u ma on da s ub s t it ut a q ue t e m u ma f or ma i gua l à do a r t e f a c t o e m q ue s t ã o. Q ua ndo a c or r e l a ç ã o f or s upe r i or a um de t e r mi na do va l or li mi t e de f i ni d o pe l o ut i l i z a d or , o a l gor i t mo c ons i d e r a a pr e s e nç a de s s e a r t e f a ct o, i ndi c a nd o - o n o r e s u l t a do f i na l . E s t e s va l or e s
vi i l i mi t e s s ã o d i f e r e n t e s p a r a c a da a l g o r i t mo d e vi d o à s c a r a c t er í s ti c a s d e ca d a a r t e f a c t o e à f o r ma c o mo c a d a a l g o r i t mo f o i d e s e n v ol v i d o . O a l g or i t mo p a r a a s O s c i la ç õ e s d e A l ta F r eq u ê n c i a t e m c o mo b a s e a c o mp r e s s ã o n o t e mp o d o s i n a l d e E E G , d e f o r ma a o b t e r u m s i n a l s e me l h a n t e a o d e a E E G ( E E G d e a mp l i t u d e i nt e gr a da ) , o q u a l p e r mi t e u ma i d e n t i f i c a ç ã o ma i s f á c i l d o a r t e fa c t o , mé t o d o e s t e q ue é ut i l iz a d o d e f o r ma s e me l h a n t e p a r a o a r t e f a c t o da A t i v i d a d e Ca r dí a ca . O a l g or i t mo p a r a a A t i v i d a d e M u s c u l a r b a s e ia - s e n u ma f u n ç ã o q u e c a l c u l a a d i s tâ nc i a e n t r e po nt o s c o n s e c u t i v o s , v i s t o q u e e s t e c o n s i s t e nu m s i n a l c o m me n o r a mp l i t u de , ma s c o m v a r i a ç õ e s d e v a l o r e s ma i s a b r u p t a s en t r e p o n t o s c o n s e c u t i v o s , p e r mi t i n d o i de nt i f i c a r o s p e r í o d o s d e s i n a l a r t e fa c t u a l. Po r f i m, o a l g o r i t mo p a r a o a r t e fa c t o de M ovi me n t o e / o u D e s l o c a ç ã o d o s E lé tr o d o s b a s e i a - s e n o v a l o r má x i mo a b s o l u t o q ue o E E G p o d e t o ma r . D e s ta f o r ma , n o i n í c i o d o a l g o r i t mo o u t i l i z a d o r de v e i nt r o duz i r a i d a d e d o s u j e i t o e m q u e s t ã o e p a r a ca d a va l o r ( e n t r e 2 3 e 4 2 s e ma n a s ge s t a c i ona i s) h a v e r á v a l o r e s má x i mo s e mí n i mos a c e i t e s n a li t e r a t ur a c o mo f i s i ol o gi c a me n t e n o r ma l . S e o E E G e st i v e r a ci ma o u a b a i x o ( r e s p e t i v a me n t e ) de s s e s l i mi t e s , é c o n s i d e r a d o c o mo a r t e f a c t ua l . A p ó s o d e s e n v o l v i me n t o d e t o d o s o s a l g o r i t mo s i n di v i d u a i s , e s t e s f o r a m c o mb i na d o s n u m s ó a l g o r i t mo d e d e t e ç ã o d e a r t e f a c t o s e m E G G n e o n a t a l. E s t e a l g or i t mo f i n a l r e q u e r a p e n a s q u e o u t i l iz a d o r i n d i q u e a i d a d e d o s u j e i t o e m q u e o E E G f o i a d q u i r i d o e q u e a r t e fa c t o é q u e p r e t e n d e d e t e t a r . D es ta f o r ma , o a l g o r i t mo a i n da nã o é t o t a l me n t e i n d e p e n d e n t e d o u t i l i z a d or , p o i s c o n f i a q u e o me s mo f a r á u ma r á p i da a v a l ia ç ã o v i s u a l d o s i na l a a n a l i sa r e q u e c o n s e g u e i d e n t i f i c a r q u a l o a r t e f a c t o pr e s e n t e n o E E G , p e r mi t i n d o a o a l g o r i t mo i d e n t i f i c a r c o m ma i or e x a ti d ã o os pe r í o d o s e m q u e o s a r t e f a c t o s s e i n i c i a m e t e r mi n a m. D e f or ma a a n a l i sa r o s r e s u l ta d o s f i n a i s d o a l g o r i t mo d e d e t e ç ã o d e a r t e fa c t o s , f or a m c a l c u l a d a s a s ta x a s d e V e r d a d e ir o s Po s i t i v o s , F a l s o s P o s i ti v o s e F a ls o s N e ga t i v os . O a l g o r i t mo f i n a l , e n gl o b a n d o t o d o s o s a l g o r i t mo s i n d i v i d u a i s , ob t e v e u ma t a xa de V e r d a d e i r o s P o s i t i v o s d e 9 2 , 4 % ± 7 , 5 % , u ma t a x a d e F a ls o s P o s i t i vo s de 3 4 , 9% ± 1 9 , 8 % e u ma t a x a d e F a ls o s N e g a ti v o s d e 7 , 7 % ± 7 , 5 % . C o mo s e p o d e o b s e r v a r p e la s p er c e n t a g e n s o b t i d a s, o a l g or i t mo c o n s e g u i u i de nt i f i c a r c o r r e ta me n t e ma i s d e 9 0 % d o s a r t ef a c t o s p r e s e n t e s n o s d a d o s , o q u e s e t r a duz nu ma d e t e ç ã o c o r r e ta e d e c o n f i a n ç a . A t a x a d o s F a l s o s P os i t i v o s a i nd a po de r á s e r f o c o d e o t i mi z a ç ã o , u ma v e z q u e é p a s sí v e l d e s e r r e d u z i d a a tr a v é s d e ma i s da d o s p a r a tr e i n a r e t e s ta r o s a l g o r i t mo s , c o n d uz i n d o e n t ã o a uma ma i o r pr e c i s ã o d o s v a l o r e s li mi t e q u e s e p a r a m o s p e r í o d o s a r t e f a c t ua i s da q u e l e s q ue c or r e s p ond e m a a t i v i d a d e c e r e b r a l v e r da d e i r a . J á a p e r c e n t a g e m d o s F a l s os N e ga t i v os , o u s e ja , a s v e z e s q u e o a l g o r i t mo n ã o d e t e t o u u m a r t e f a c t o q u a n d o e s t e e s t a va d e f a c t o p r e s e n t e n o s i n a l , n ã o é e x c e s s i v a me n t e a l ta e f o i c o n s i d e r a d a r e du z i da o s u f i c i e n t e p e l o p e s s o a l mé d i c o q u a n d o e s t e s r e s u l t a d o s l h e s f o r a m a pr e s e nt a d o s . O pr oj e t o a pr e s e nta do ne s t a di s s er ta ç ã o pr opõ e e nt ã o u m p r i me i r o pa s s o no de s e n vol vi me nt o do pr i me i r o a l g or i t mo q ue c ons i d e r a s e t e a r t e f a c t os di s t i n t os , pe l o q ue a i n da há t ó pi c os q ue me r e c e m ot i mi z a ç ã o – c o mo os va l or e s l i mi t e de f i ni dos - , ha ve n do t a mb é m a ne c e s s i da de d a i nc l us ã o de ma i s da d os de s uj e i t o s di f e r e nt e s pa r a pode r t r e i na r e t es ta r os a l gor i t mos i ndi vi d ua i s , de f or ma a e v i t a r o s ob r e - a j us t e dos mé t od os a os da dos di s poní ve i s .
vi i i
i x
Abstract
A r t i f a c ts - er r o n e o u s i n f o r ma t i o n i n t h e a c q u i s i t i o n o f t h e b r a i n a c t i v i t y – i n t he E E G r ea d i n g o f n e w b o r n s t h a t a r e a d mi t t e d i n t h e N I C U i s a ma j o r p r o b l e m t ha t ca n h a v e s e r i o u s c o n s e q u e n c e s , b o t h i n d i a g n o s t i c a n d t h e r a p e ut i c - r e la t e d de c i s i on s , a s s o me a r t i fa c t s ca n ea s i l y b e mi s t a k e n f o r s e i z ur e s , l e a di n g t o w r ong f ul a d mi n i s t r a t i o n o f me d i c a t i o n . T h e s e a r ti f a c ts ca n ha v e v a r i ou s o r i g i ns a nd i t s ma n u a l i d e n t i f i c a t i o n i n t h e E E G tr a ce i s h i g h l y t i me - c o n s u mi n g , r e a s o n w h y t he r e i s t h e n e e d t o d e v e l o p a n a l g o r i t h m t h a t c a n a u t o ma t i c a l l y d e t e c t t he a r t i fa c t s i n t h e E E G a c q u i s it i o n s . T he a l g o r i t h m d e v e l o p e d i n t h i s d i s s er ta t i o n p r o p o s e s t o d e t e c t s e v e n d i s t i n c t t ype s o f a r t i f a c ts c o mmo n l y f o u n d i n n e o n a t a l E E G : S i n u s w a v e s , PE D - L i k e w a v e s , Z e t a wa ve s , H i g h F r eq u e n c y O s c i l la t i o n s , E C G , E M G a n d M o v e me n t / E l e c t r o de D i s pla c e me n t a r t i fa c t s. E a c h o n e o f t h e s e a r ti f a c t s h a s i t s o w n s p e c i f i c f e a t u r e s t ha t a l l ow i t t o b e i d e n t i f i e d , u s u a l l y t h r o u g h a v i s ua l a s s e s s me n t o f t h e r a w E E G s i g na l , s o t h e o v e r a l l a l g o r i t h m i s b a s e d o n s e v e n i n d i vi d u a l a l go r i t h ms , e a c h f o c u s i n g o n o n e a r t i fa c t, h i g h l i g h t i n g t h o s e c h a r a c t e r i s t i c s a n d s e l e c t i n g t h e pe r i o ds of d a t a t ha t c o r r e s p o n d t o a r ti f a c t ua l E E G . E a c h i n d i v i d u a l a l g o r i t h m ha d a tr a i ni ng/ t e s t i n g s e t o f d a t a t ha t wa s s e l e c t e d b y a n e x pe r i e n c e d d o c t o r w h o ma nua l l y a n n o t a t e d a l l t h e a r t i f a c ts pr e s e n t i n t h e E E G s i g n a l , s o t h a t t h e a l g or i t hms c o u l d h a v e a g o ld e n s ta n d a r d t o c o mpa r e i t s r e s u l t s t o . P e r i od s o f 3 0 -mi n ut e E E G w er e c o n s i d e r e d f r o m 2 8 d i f f e r e n t s ub j e c t s a s a t r a i n i n g / t e s t i n g s e t o f da t a – f i ve f o r e a c h s u b j e c t , mi n u s E M G t h a t o n l y h a d t h r e e a n d M o v e me n t h a d no ne . T h e s e p e r i o d s w e r e s e l e c t e d d u e t o a s t r o n g p r e s e n t o f a r t i fa c t s i n i t . T he f i n a l d e t e c t i o n a l g o r i t h m ha d a Tr u e P o s i t i v e r a t e o f 9 2 . 4 % ( ± 7 . 5 % ) a n d a F a l s e N e ga ti v e r a t e o f 7 . 7 % ( ± 7 . 5 % ) . T h e a l go r i t h m s t i l l r eq u i r e s u s er i n p u t i n t h e s e l e c t i on o f w h i c h a r t i fa c t i s t o b e d e t e c t e d in t h e d a ta , b u t t h i s a l g o r i t hm i s t he f i r s t s t e p i n a me t h o d t h a t c o mp r i s e s t h i s ma n y d i f f e r e n t a r t i fa c t s i n t o o ne d e t e c t i o n t ool , r e a s o n w h y t h e r e i s st i l l r o o m f o r i mp r o v e me n t i n t h e me t h od s d e v e l o pe d . K e y wo r ds : A r t i f a ct D e t e c t i o n , N e o n a t a l E E G ;x i
Table of Contents
A c k no w l e d g e me n t s – P t. 1 . . . i A c k no w l e d g e me n t s – P t. 2 . . . i i i R e s u mo . . . v A b s t r a c t . . . i x T a b l e o f C o n t e n t s . . . x i L i s t of F i g u r e s . . . x i i i L i s t of T a b l e s . . . x v L i s t of A b b r e v ia t i o n s . . . x v i i 1 I nt r o d u c t i o n . . . 1 2 T he o r e t i c a l B a c k g r o u n d . . . 3 2 . 1 N e o n a t a l N e u r o- c a r e i n t h e N I C U . . . 3 2 . 2 N e o n a t a l E l e c tr o e n c e p h a l o g r a p h y . . . 4 2 . 3 A mp l i t u d e - i n t e g r a t e d E E G i n t h e N I C U . . . 4 2 . 4 E E G A r t i f a c ts . . . 7 3 S t a t e o f t h e A r t . . . 1 3 3 . 1 A r t i f a c t D e t e c ti o n . . . 1 3 3 . 2 S e i z u r e D e t e c t i o n . . . 1 5 3 . 3 A r t i f a c t R e mo v a l . . . 1 6 4 M e t h o d s . . . 1 7 4 . 1 E E G A c q u i s i t i o n . . . 1 7 4 . 2 M a n u a l ma r k i n g o f t h e a r t i fa c t s . . . 1 8 4 . 3 D e t e c t i o n M e t h o d . . . 1 9 4 . 4 T h r e s h o l d S e l e c t i o n . . . 2 5 4 . 5 A s s e mb l i n g t h e A l g o r i t h ms . . . 2 6 5 R e s u l t s . . . 2 9 5 . 1 S i n u s W a v e . . . 2 9 5 . 2 T h e o t h e r a l g o r i t h ms . . . 3 7 5 . 3 A s s e mb l i n g t h e A l g o r i t h ms . . . 4 3 6 D i s c u s s i o n . . . 4 7 7 C onc l us i on . . . 5 5 8 F ut ur e W or k . . . 5 7 9 R e f e r e nc e s . . . 5 9 1 0 A p pe n di c e s . . . ix i i i
List of Figures
F i g ur e 2 . 1 – S i g n a l p r o c e s s i n g f r o m t h e r a w E E G t o t h e a E E G . T h e s c a l e o n t he h or i z on t a l a x is r e ma i n s c o n s t a n t i n a l l p l o t s . S o u r c e : [ 1 4 ] . . . 5 F i g ur e 2. 2 - D i f f e r e n t tr a c e s o f t h e n e o n a t a l a E E G : A – C o n t i n u o u s N o r ma l V o l t a g e , B / C – D i s c o n t i n u o u s N o r ma l V o l t a g e , D - B u r s t s u p p r e s s i o n , E – C o n t i n u o us L ow V o l t a g e , F – Fl a t T r a c e . S o u r c e : p a t i e n t d a t a . . . . 6 F i g ur e 2. 3 - S e iz u r e pa t t er n d e t e c t e d i n t h e n e o n a t a l a E E G ( a b o v e ) , w i t h a r hy t h mi c a c t i vi t y v i s i b l e i n t h e E E G ( b e l o w ) . S o u r c e : [ 1 4] . . . 7 F i g ur e 2 . 4 – E C G a r t i f a c ts v i s ib l e o n b o t h l ef t a n d r i g h t r a w E E G tr a c e s . S o u r c e : p a t i e nt d a ta . . . . 8 F i g ur e 2. 5 – A r t i f a c ts d u e t o mu s c l e a c t i v i t y o n t h e l e f t r a w E E G ( a b ov e ) a n d H F O a r t i fa c t s o n t h e r i g h t r a w E E G ( b e l o w ) . S o u r c e : p a t i e n t d a ta . . . 9 F i g ur e 2 .6 – A r t i f a c ts d u e t o mo v e me n t w i t h l a r g e i n c r ea s e o f t h e a mp l i t u de . S ou r c e : p a t i e n t d a ta . . . . 9 F i g ur e 2 . 7 – S i n u s o i d a l a r t i fa c t s i n t h e r i g h t r a w E E G . S o u r c e : p a ti e n t d a ta . . . . 1 0 F i g ur e 2. 8 – P er i o d i c E p i l e p t i c D i s c ha r g e s i n b o t h r a w E E G t r a c e s, w i t h a c l ea r er s ha pe i n t h e r i g h t s i g n a l . S o u r c e : pa t i e n t d a ta . . . . 1 1 F i g ur e 2 . 9 – P E D - L i k e A r t i fa c t i n b o t h r a w E E G t r a c e s. S o u r c e : p a ti e n t d a ta . . . 1 1 F i g ur e 2 .1 0 – Z e ta wa v e s a r t i fa c t s v i s i b l e o n b o t h r a w E E G tr a c es . S o u r c e : p a ti e n t d a t a . . . . 1 2 F i g ur e 4 . 1 - E x a mp l e s o f c o r r e l a t i o n v a l u e s f o r d i f f e r e n t o v e r l a pp i n g s i n u s s i g n a l s . . . 2 1 F i g ur e 5 . 1 - Ra w E E G s i g n a l w i t h a n n o t a t e d a r t i fa c t s . . . 3 0 F i g ur e 5 . 2 - C o r r e la t i o n ma t r i x w i t h t h e s in fu n c t i o n . . . 3 0 F i g ur e 5 . 3 - C o r r e la t i o n ma t r i x w i t h t h e c o s fu n c t i o n . . . 3 1 F i g ur e 5 .4 - C o r r e la t i o n ma t r i x a f t e r t h e c o mb i n a t i o n o f t h e s in a n d c o s ma t r i c e s . . . 3 2 F i g ur e 5 . 5 - N o r ma l i z e d a r r a y w i t h t h e c o r r e la t i o n v a l ue s . . . 3 3 F i g ur e 5 . 6 - R O C c u r v e w i t h t h e S e n s i t i v i t y a n d S p e c i f i c i t y v a l u e s f or a l l t h r e s hol d s . . . 3 4 F i g ur e 5 . 7 – D e t e c t i ons a r r a y . . . 3 5 F i g ur e 5 . 8 - D e t e c t i ons a r r a y a f t er t he f unc t i on j o i n t _ pe a k s . . . 3 6 F i g ur e 5 . 9 - Ra w E E G s i gna l w i t h t w o P E D - L i ke a r t i f a c ts . . . 3 7x i v F i g ur e 5 . 10 - Ar r a y w i t h t h e d e t e c t i o n o f b o t h P E D - L i ke a r t i fa c t s . . . 3 7 F i g ur e 5 . 11 - Ra w E E G s i g n a l w i t h t w o Z e t a a r t i fa c t s . . . 3 8 F i g ur e 5 . 12 - Ar r a y w i t h t h e d e t e c t i o n o f b o t h Z e t a a r ti f a c ts . . . 3 8 F i g ur e 5 . 13 - Ra w E E G s i g n a l w i t h o n e H F O a r t i fa c t . . . 3 9 F i g ur e 5 . 14 - Ar r a y w i t h t h e d e t e c t i o n o f t h e o n e H F O a r ti f a c t . . . 3 9 F i g ur e 5 . 15 - Ra w E E G s i g n a l w i t h t w o E CG a r t i fa c t s . . . 4 0 F i g ur e 5 . 16 - Ar r a y w i t h t h e d e t e c t i o n o f b o t h E C G a r t i fa c t s . . . 4 0 F i g ur e 5 . 17 - Ra w E E G s i g n a l w i t h o n e E M G a r t i fa c t . . . 4 1 F i g ur e 5 . 18 - Ar r a y w i t h t h e d e t e c t i o n o f t h e o n e E M G a r t i f a ct . . . 4 1 F i g ur e 5 .1 9 - R a w E E G s i g n a l w i t h t w o d i s t i n c t p e r i od s o f a r t i fa c t s d u e t o M ove me n t o r E l e c tr o d e D i s p l a c e me n t . . . 4 2 F i g ur e 5 .2 0 - A r r a y w i t h t h e d e t e c t i o n o f b o t h p e r i o ds o f a r t i f a c ts d u e t o M o v e me n t o r E l e c tr o d e D i s p la c e me n t . . . 4 2
x v
List of Tables
T a b l e 4. 1 – N u mb e r o f a r t i fa c t u a l p e r i o d s i n e a c h s e t o f d a ta . . . 1 8 T a b l e 5. 1 - T h r e s h o l d v a l u e s f o r t h e d i f f e r e n t a r t i fa c t s . . . 3 4 T a b l e 5 . 2 - T y p e s o f a r t i fa c t s t ha t ea c h a l g o r it h m d e t e c t e d . . . 4 3 T a b l e 5. 3 - R e s u l t s o f a l l a l g o r i t h ms , f o r a ll su b j e c t s . . . 4 5 T a b l e 5. 4 - M ea n o f t h e r e s u l t s fr o m a l l a l g o r i t h ms . . . 4 6x vi i
List of Abbreviations
a E E G | A mp l i t u d e - I n t e g r a t e d E l e c tr o e n c e p h a l o g r a m B C I | Br a i n - C o mp u t e r I n t e r f a c e B S S | Bl i n d S o u r c e S e p a r a ti o n D W I | D i f f u s i o n - W e i g h t e d I ma g i n g C F M | C er e b r a l F u n c t i o n M o n i t o r E C G | E l e c tr o c a r d i o g r a p h y E E G | E l e c tr o e n c e p h a l o g r a p h y E M G | E l e c tr o my o g r a p h y E O G | E l e c tr o o c u l o g r a p h y F N | F a l s e N e g a t i v e G A | G e s ta t i o n a l A g e H F | H i gh F r e q u e n c y H F O | H i g h F r e q u e n c y O s c i l la t i o n s H I E | H ypo x i c - I s c h e mi c E n c e p h a l o p a t h y I C A | I n de p e n d e n t C o mp o n e n t A n a l y s i s L F | L o w F r e q u e n c y M R I | Ma g n e t i c R e s o n a n c e I ma g i n g N aN | N ot a N u mb e r N IC U | N e o n a ta l I n t e n s i v e C a r e U n i t N IR S | N ea r - I n f r a R e d S p e c t r o s c o py P C A | Pr i n c i p a l C o mp o n e n t A n a l y s i s P E D | P e r i o d i c E p i l e p t i c D i s c h a r g e s R O C | R e c e i v e r O p e r a t i n g C h a r a c t er i s ti c a E E G | A mp l i t u d e - I n t e g r a t e d E E G S T F T | S ho r t - T i me F o u r i e r T r a n s f o r m T N | T r ue N e g a t i v e T P | T r ue P os i t i ve U S | U l tr a s oun d W G A | W e e ks of G es ta t i ona l A ge1
1 Introduction
T he h u ma n b r a i n i s c o n s t a n t l y t r y i n g t o e x p l a i n i t s e l f . N e ur o s c i e n c e i s o n e o f t h e mo s t s t u d i e d f i e l d s o f s c i e n c e a n d y e t t h e r e is s o mu c h t h a t i s s ti l l u n d i s c o v e r e d . I n a n e f f o r t t o u nd e r s t a n d t h e h u ma n b r a i n , one mus t t a k e i n t o a c c o u n t e v e r y a s p e c t o f i t s ma t u r a t i o n a n d a l l t h e p r o c e s s e s t ha t l ea d t o t h e d e v e l o p me n t o f s u c h a c o mp l e x or g a n . T h i s i s w h y i t i s v e r y i mp or t a n t t o u n d e r s ta n d n o t o n l y t h e a d u l t , ma t u r e d b r a i n , b u t a l s o t h e ne w b o r n o n e - t e r m a n d p r e t e r m. I f s o me t i me s i t i s c o mp l i c a t e d e n o u g h t o e x p l a i n t h e me c h a n i s ms un de r l y i n g t h e a d u l t b r a i n , o n e c a n o n l y e x p e c t t o e n c o u n t e r j u s t a s ma n y ob s t a c l e s w i t h a n e w b o r n b r a i n , a n d t h e n s o me mo r e d ue t o t h e c o n s t a n t de ve l o p me n t a l p r o c e s s e s o c c u r r i n g . I n t h e i n f a n t s a d mi t t e d t o t h e N e o na ta l I nt e n s i v e C a r e U n i t ( N I C U ) , b r a i n a c t i v i t y i s mo n i t o r e d o v e r p e r i o d s o f s e v e r a l h o u r s - e v e n d a y s - t h r o u g h e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ph i c ( E E G ) a c q ui s i ti o n s , w h i c h a l l o w f o r a b e t t er u n d e r s t a n d i ng o f a l l t h e p r o c e s s e s t h a t ha ppe n i n t h a t t i me .Unf or tuna tely, a nd like a ny ot her ph ysiolo gi ca l para meter ’ s a cq uisition, i t is ve r y ha r d t o o b ta i n o n l y t h e i n t e n d e d i n f o r ma t i o n w i t ho u t a r t i f a ct s . I n t hi s di s s e r ta t i o n , a r t i fa c t s a r e de f i n e d a s p h y s i ol o g i c a l o r n o n - p h y s i o l o g i c a l f e a t ur e s [ 1 ] t h a t d i s r u p t t h e da ta a n d i n f l u e n c e t h e o v e r a l l t r a c e o n t h e a c q ui s i ti o n , p o s s i b l y l e a d i n g t o mi s i n t e r p r e t a t i o ns o r l a c k o f u n d e r s t a n d i n g on t h e r e a l a n d c o r r e c t i n f o r ma t i o n o f t h e h e a l t h st a t e o f t h e p a t i e nt . A s t h e N I C U i s n o e x c e p t i o n , n e o n a t a l E E G a c q u i s iti o n s a l s o i n c l u d e a r t i f a c ts t ha t s o me t i me s ma y p r e v e n t p r o p e r c o n c l u s i o n s o n d i a g n o s i s o r t he r a p e u t i c opt i o n s . T h i s i s t h e r ea s o n w hy t h e r e i s t h e n e e d t o d e v e l o p a me t h o d t h a t a u t o ma t i c a l l y d e t e c t s t h e s e a r t i f a c ts f r o m t h e d a t a a n d a v o i d s t h e ne e d f o r t he c l i n i c a l sta f f o r r e s ea r c h e r s t o h a v e t o r u n t h r o ug h a l l t h e d a ta a n d a n n o t a t e t he m ma n u a l l y , w h i c h i s v e r y t i r e s o me a n d h i g h l y t i me - c o n s u mi n g . A s a r t i fa c t s ca n v e r y o f t e n ma s k t h e t r u e E E G r ea d i n g o f t h e b r a i n’ s a c t i vi t y a n d l ea d t o mi s i n t e r p r e t a t i o n s , h a r mi n g t he d i a g n o s t i c p r o c e s s , o n e mu s t b e v e r y c a r e f u l w h e n a n a l y s i n g t h e r a w E E G . O n l y e x p e r i e n c e d c l i n i c i a n s c a n i n f e r c o n c l u s i o n s b a s e d o n t h e E E G a n d / o r t h e a mp l i t u d e -i nt e gr a t e d E E G ( a E E G ) tr a c e s , a s -i t r e q u -i r es a g r ea t d -i s c e r n-i n g c a p a c -i t y t o b e a b l e t o s e p a r a t e a r t i fa c t s fr o m n o r ma l b r a i n a c t i v i t y . I n t h e n o r ma l b r a i n a c t i v i t y c a t e g o r y , o n e mu s t a ls o i n c l u d e s e i z u r e s , a s t he y a r e p r e s e n t i n 4 % t o 4 8 % o f t h e n e w b o r n p o p u l a t i o n i n t h e N I C U [ 2 ] . T h e s e i z u r e d e t e c t i o n a l g o r i t h ms n o w a d a y s r el y mos t l y o n t he r h y t h mi c i t y o f t he s i gna l i n or de r t o i de nt i f y a n e pi l e pt i c e p i s ode , a nd u nf o r t u na t e l y, s o me a r t i fa c t s ha ve a s i mi l a r mor ph ol o gy a s s e iz ur e s a nd a r e c ha r a c t e r iz e d b y a hi g h de g r e e of r e pe t i t i ve ne s s . W he n on e c o ns i de r s t hi s fa c t , i t b e c o me s e a s y t o un de r s t a nd t he r e a s on w hy t he s e s e i z ur e de t e c t i on a l gor i t h ms ma y h a ve a hi g h r a t e of f a l s e pos i t i ve s [ 1] .
2 T hi s i s t h e mo t i v a t i o n f o r t hi s d i s s e r ta t i o n p r o j e c t : t o b e a b l e t o i d e n t i f y a r t i fa c t s i n E E G d a t a w i t h o u t r e l y i n g s o l e l y o n i t s r h y t h mi c i t y o r i t s r e p e t i t i v e pa t t e r n, b u t a l s o o n s o me mo r e a r t i fa c t - s p e c i f i c k n o w n f e a t u r e s , i n di v i d u a l t o e a c h di f f e r e n t t y p e o f a r t i f a ct c o n s i d e r e d . W i t h t h i s i n mi n d , t h e a l go r i t h m de ve l o p e d h e r e f o c u s e d o n e a c h a r t i fa c t s e p a r a t e l y , ma k i n g t he mo s t ou t o f t he c ha r a c t e r is t i c s t h a t w e r e p r e v i o u s l y s t u d i e d a n d i d e n t i f i e d .
Auto ma tic detectio n of differ ent a spects of th e neo na ta l b ra in’ s a ctivity is a lr ea d y b u i l t i n s o me d e v i c e s , b u t mo s t o f th e m f o c u s o n de t e c t i n g s e i z u r e e p i s od e s o r p e r i o d s o f h i g h e l e c t r o d e i mp e d a n c e , b o t h ve r y di f f e r e n t , a s t h e f or me r a ll o w s t h e c l i n i c i a n s t o a d j u s t me d i c a t i o n a n d ma k e t h e r a p e u t i c de c i s i on s , a n d t h e l a t t e r i n f o r ms w h a t p e r i o d s ma y n o t h a v e t he b e s t da t a q ua l i t y , r e g a r d l e s s o f b e i n g a c t u a l b r a i n a c t i v i ty or a r t i fa c t u a l p e r i o ds o f d a ta . T he de v e l o p me n t o f a me t h o d t h a t a u t o ma t i c a l l y d e t e c t s a r t i fa c t s i n n e o n a t a l E E G w ou l d a v o i d t i me - c o n s u mi n g v i s u a l a s se s s me n t o f a l l t h e da ta , w h i c h c a n c ove r a f e w d a y s , w h i l e a l s o b e i n g a n a d d i t i o n t o t h e s i g na l p r o c e s s i n g t ool s t ha t a lr e a d y e x i s t. A s t h i s i s t h e f i r s t a p p r o a c h o n t h e p r o j e c t , t h e a l g or i t h m w a s d e v e l o p e d i n a ba s i s o f t r ia l - a n d - er r or , cr e a ti n g n o v e l m e t h o d s of a n a l y s i s a n d a r t i f a ct de t e c t i o n , c o mp a r i n g t h o s e r e s u l t s w i t h ma n u a l a n n o t a t i o n s a n d c a l c u l a t i n g b a s i c r e s u l t s o f S e n s i t i v i t y a n d S p e c i f i c i t y , a n d t h e s e me t h o d s a r e a l l de s c r i b e d w i t h a h i g h e r l e v e l o f d e t a i l i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r – s e e M e t ho ds . O nc e e a c h a t t e mp t w a s d e v e l o p e d a n d i t s r e s ul t s w e r e a na l y s e d , t h e g o a l w a s t o u n de r s t a n d w h a t w a s b e i n g d o n e r i g h t a n d w h i c h a s p e c t s o f t h e me t h o d c o ul d b e i mp r o v e d , a l wa y s c o mp a r i n g r es u l t s w i t h i n t h e sa me a r t i f a c t’ s me t h o d s , i n o r d e r t o o p t i mi z e t h e d e t e c t i o n a l go r i t h m.
As one ca n und er sta nd, not a ll attempts for ea ch a r tifa ct’ s meth o d coul d b e d e t a i l e d i n t h i s r e p o r t , s o o n l y t h e s u c c e s s f u l a t t e mp t s a r e d e ta i l e d a n d onl y t ho s e r e s u l t s a r e i n c l u d e d i n t h e R e s u l t s c ha p t e r . F o l l o w i n g t h a t , a discussion of t he a lgor ith m’ s r esults is a lso include d, a s well as a Conclusio n f or t hi s d i s s e r ta t i o n a n d s o me t o p i c s t o r e f l e c t u p o n w h e n c o ns i d e r i ng t h e F ut ur e W o r k t h a t ca n s t i l l b e d o n e i n t h i s p r o j e c t .
3
2 Theoretical Background
2 . 1 N eo n ata l N eu ro - c a re in th e NI CU
I n or d e r t o b e s t mo n i t o r t h e c h a n g e s i n t h e h e a l t h c a r e o f n e o n a t e s , a s w e l l a s i mpr o v e t h e r e s o u r c e s f o r b e t t e r t h e r a p e u t i c o p t i o n s a n d r e s e a r c h i nve s t i ga t i o n s a s s o c i a t e d w i t h b i r t h a s p h y x i a , b r a i n h e mo r r h a g e a n d h y p o x i c -i s c h e m-i c b r a -i n -i n j u r y [ 3 ] , a va r -i e t y o f me a s u r -i n g t e c hn -i q u e s c a b e us e d . A s a n e xa mp l e , a n e w b o r n a d mi t t e d t o t h e N I C U c a n b e s u b mi t t e d t o E E G a c q ui s i ti o n s , a s w e l l a s c er e b r a l b l o o d o x y g e n a t i o n mo n i t o r i n g t h r o u g h N e a r I nf r a - R e d S p e c t r o s c o p y ( N I R S ) . O t h e r cr i t i ca l p hy s i o l o gi c a l p a r a me t e r s a r e a l s o me a s u r e d i n t h e N I C U , s u c h a s h e a r t r a t e a n d b l o o d p r e s s u r e [ 4 ] . G i v e n t he ne u r o l o g i c a l s t r es s a t b ir t h , t h e b r a i n ’ s el e c t r i ca l a c t i v i t y i s v e r y ca r e f u l l y mo ni t or e d t h r o u g h a E E G , w h i c h a l l o w s f o r – b u t n o t e x c l u s i v e l y - s ei z ur e de t e c t i o n t h r o u g h a mo n i t o r i n g s y s t e m [ 3 ] . Tw o - c h a n n e l E E G s uf f i c e s i n t h e c o n d i t i o n s o f t h e N I C U , a l l o w i n g f o r a n e a r l y d i a g n o s i s t h a t c o u l d o t h e r w i s e b e ma de l a t er o n , w h e n t h e c h i l d s t a r t e d t o d i s p l a y l ea r n i n g di f f i c u l t i e s . W hi l e t he a E E G d i s p l a y e d i n t h e C er e b r a l F u n c t i o n M o ni t or ( C F M) on l y h a s t w o c h a nn e l s , p r o v i d i n g l e s s i n f or ma t i o n t h a n a c o n v e n t i o n a l E E G w i t h 1 6 c h a nn e l s o r mo r e , o n e mu s t c o n s i d e r t h e b e n e f i t o f pl a c i n g o n l y f i v e e l e c t r o de s a t a n y t i me a n d l ea v i n g t h e m f o r l o n g - t i me a c q u i s i t i o n s . T h i s i s e s p e c i a l l y tr u e i n t h e ca s e o f p r e ma t u r e n e w b o r ns o r b a b i e s w i t h s up pr e s s e d b r a i n a c ti v i t y , w h e r e i n d i c a t o r s o f b r a i n i n j u r y ma y a r i s e d u r i n g s e v e r a l h o u r s or e ve n d a y s a f t e r b i r t h o r a n h y p o x i c - i s c h e mi c e v e n t , a l l o w i n g f o r a b e t t e r mo ni t or i n g o f t h e b r a i n ’ s r e c o v e r y o f t h e b a c k g r o u n d a c t i v i t y a n d r e s po ns e t o me di c a t i o n i n t h e p r e s e n c e of s e i z u r e s [ 4 ] . W he n i t c o me s t o b r a i n i ma g i n g , n e o n a t a l c e r e br a l u l t r a s o u n d ( U S ) i s us ua l l y c o n s i d e r e d i n o r d e r t o r u l e o u t a n y k i n d o f a n t e n a t a l i n j ur y o r s o me s o r t of i n t r a cr a n i a l h e mo r r h a g e , w h i l e M a g n e t i c R e s o n a nc e I ma g i n g ( M R I ) i s us e d t o d i a g n o s e mo r e s u b t l e w h i t e ma t t e r l es i on s i n t h e p r e t e r m i n f a n t a nd hy po x i c i s c h e mi c i n j u r y i n t h e f u l l - t e r m i n f a n t f o l l o w i n g p e r i n a t a l a s p h y x i a or ot h e r d i s o r d e r s s u c h a s me t a b o l i c d i s o r d e r s o r s tr o k e s [ 5 ] . A t t h e sa me t i me , D i f f u s i o n W e i g h t e d I ma g i n g ( D W I) ca n a l s o b e u s e f u l i n t h e d e t e c t i o n of c yt ot o x i c e d e ma , w h e n t h e M R I i f p r e f o r me d w i t h i n t h e f i r s t w e e k a f t e r de l i ve r y a n d p r e s u me d t i me o f i n s u l t .W hen co nsider ing t o mo nitor the ne wb or n’ s b rain a ctivity for longer pe r i o ds o f t i me , e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i c d a t a b e c o me s t h e b e s t a p p r oa c h . I n t hi s , o ne mu s t t a k e i n t o a c c o u n t t h e h e mi s p h e r i c a s y mme t r y , r e a s on w h y mos t a c q ui s i ti o n s t a k e i n t o a c c o un t b i l a t e r a l f r o n t o - p a r i e ta l e l e c tr o d e s [ 6 ] . E s pe c i a l l y i n i nf a nt s w i t h s uppr e s s e d br a i n a c t i vi t y t he a mpl i t u de ma y b e i nc r e a s e d due t o a r t e f a c ts a nd r e s ul t i n a dr i f t of t he b a s e li ne a c t i vi t y, w hi c h mus t a l s o b e ta ke n i nt o c o ns i de r a t i on, e s pe c i a l l y i n i nf a nt s w i t h s up pr e s s e d b r a i n a c t i vi t y, s o b ot h t he pa t t e r n a nd t he a mpl i t u de va l u e s mus t b e c ons i de r e d c a r e f ul l y i n or de r t o a voi d a n i n c or r e c t dia gn os i s .
4 T he mo s t i mp o r t a n t r ea s o n f o r t h e u s e o f c o n t i n u o us E E G i n t h e N I C U i s t he d e t e c t i o n o f s e i z u r e s, w h i c h c a n h a v e c l i n i c a l ma n i f e s t a t i o n s ( c l i ni c a l/ c o n v u l s i v e s e i z u r e s) or n o t ( n o n - c l i n i c a l / n o n - c o nv u l s i v e s e i z u r e s) , t he l a t t er b e i n g t h e h a r d e s t t o i d e n t i f y w i t h o u t E E G . T h e s e s e iz u r e s ma y b e t he r e s u l t o f a c u t e c e r e b r a l e d e ma o r s o me o t h e r k i n d o f i n j u r y , w h i c h c a n b e e x a c er ba t e d b y t h e s e iz u r e s [ 7 ] .
2 . 2 N eo n ata l E le c tro e nc e ph a lo g ra ph y
I n t h e N I C U o r i n a n y o t h e r h e a l t h - c a r e fa c i l it y , E E G is us u a l l y t h e b e st a p pr oa c h t o mo n i t o r t h e b r a i n ’ s a c ti v i t y , g i v e n t h a t i t i s a p ow e r f u l a n d n o n -i nva s -i v e t o o l f or d -i a g n o s -i s , r e s ea r c h a n d p r o g n o s -i s o n p o s s -i b l e -i n j u r -i e s t o t h e b r a i n . M o s t o f t h e t i me s , i n t h e N I C U , E E G r e c o r d i n g s b e g i n a s s o o n a f t e r b i r t h a s p o s s i b l e a f t e r b ir t h , a l l o w i n g f o r a b e t te r di s c er n me n t b e t w e e n n o r ma l a n d a b no r ma l a c t i v i t y t h r o u g h o u t t h e a d mi s s i o n a n d p o s s i b l e r e a c ti o n s t o t r ea t me nt [ 9 ] . G i ve n t h e d i f f e r e n t s t a t e s o f n e u r a l ma t u r a t i o n a n d d e v e l o p me nt , t h e ne o na t a l n e r v o u s s y s t e m i s d i f f e r e n t f r o m t h e p e d i a t r i c o n e , a s w e l l a s t h e a d ul t , w i t h mo s t o f t h e s e i z u r e s b e i n g s u b c l i n i c a l , a n i mp o r t a n t r ea s o n w h y c o nt i nu o u s E E G i s o f g r e a t v a l u e [ 1 0 ] . W h e n i t c o me s t o a n o r ma l p r e t e r m E E G , o n e mu s t t a k e i n t o a c c o un t t h a t t h e t h i r d t r i me s t e r o f p r e g n a nc y i s t h e one w i t h t h e b i g g e s t d e v e l o p me n t a l c h a n g e s i n t he b r a i n [ 9 ] , w h i c h a r e a l s o visib le in the ba b y’s E EG . In pr eter ms of u nd er 3 0 weeks of gesta tiona l a ge ( W G A) t h e d i f f e r e n t p a t t er n s o f sl e e p / w a k e c y c l i ng a r e n ot ye t c l ea r l y v i s i b l e, gi ve n t ha t t h e y s p e n d mo s t o f t h e i r t i me i n a s ta t e o f q u i e t sl e e p . I n t h e s e pa t i e nt s o n e c a n s e e i n t h e E E G tr a c e v a r i o u s d i s c o nt i n u o u s p a t t e r n s , d i f f e r e n t r hy t h mi c d e l t a , a l p h a a n d b e ta a c t i v i t y , a s w e ll a s e n e r g y b ur s t s a n d i n t e r v a l s b e t w e e n b u r s t s w i t h v a r ia b l e d u r a t i o n s [ 9 ] .2 . 3 A mp litu d e - in te g ra te d EE G in th e N ICU
E ve r y d a y e x t r e me l y p r e ma t u r e i n f a n t s a r e b o r n, a nd e v e n i n t e r m i nf a n t s , s o me c o mp l i c a t i o n s ma y a r i s e d u r i n g b i r t h , s uc h a s p e r i n a ta l a s p h y x i a . I n a l l of t he s e c a s e s , t h e e x i s t e n c e o f p r o p e r mo n i t o r i n g o f t h e n e w b o r n ’ s c e r e br a l f un c t i on i s c r i t i ca l , h e n c e t h e i n c r e a s i n g i n t e r e s t i n t h e d e v e l o p me nt o f t h e N ICU’ s eq uip me nt. W he n i t c o me s t o me a s u r i n g t h e b r a i n a c t i v i t y o f i n f a n t s t ha t a r e a d mi t t e d t o t he N I C U f o r s e v e r a l d a y s, on e ca n ’ t e x p e c t t o a n a l y z e a p p r o x i ma t e l y 7 2 ho ur s of d a ta t o c h e c k t h e E E G tr a c e a n d o n l y t h e n b e a b l e t o r u n a c o r r e c t di a gnos i s . I n or de r t o f a c i l i ta t e t he ob s er va t i on a nd ma ke t he de c i s i on - ma k i n g pr ocess fa ster , the N ICU’ s nowa da ys a lso consider aE EG as par t of b edside mo ni t or i n g .5 T hi s s i g n a l i s o b ta i n e d f r o m a n o r ma l E E G , b ut g o e s t h r o u g h a p r o c e s s o f f i l t e r i ng a n d t i me c o mp r e s s i o n ( F i g ur e 2 . 1 ) , d i s pla y i n g t h e d i f f e r e nc e b e t w e e n t h e ma x i mu m a n d mi n i mu m a mp l i t u d e i n t h e n or ma l E E G , a l l o w i n g f or a n e a s i er a n d q u i c k e r e v a l u a t i o n o f t h e a c t i v i t y i n t h e n e o n a t a l b r a i n [ 1 1 ] . T hi s mo d a l i t y o f d i s p l a y i n g e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i c d a t a is w i d e l y us e d i n ne ona t a l c a s e s o f h y p o x i c - i s c h e mi c e n c e p h a l o p a t h i e s ( H I E ) , s e iz u r e s, i nf e c t i o n s , a mo n g s t o t h e r s , a n d u s e s o n l y f i v e e l e c t r o d e s ( p r e f e r a b l y n e e d l e b e c a us e o f l o w e r i mp e d a n c e ) [ 7 ] , u n l i k e t h e A me r i c a n E l e c t r o p h y s i o l o g y G ui de l i n e [ 1 2 ] , t h a t fa v o r s t h e u s e o f 1 6 c h a n n e l s . T h e e l e c t r o d e s a r e p l a c e d i n b i - p a r i e ta l p o s i t i o n s - P 3 / F 3 a n d P 4 / F 4 a c c or d i n g t o t h e 1 0 / 2 0 s ys t e m [ 1 3 ] . T he d i s p l a y o f t h e i n f o r ma t i o n i s u s u a l l y ma d e i n a s e mi - l o g a r i t h mi c s c a l e – linear fr om 1 to 1 0 V a nd l oga r ith mic fr o m 1 0 to 1 00 V – ma x i miz ing the a b il i t y t o d e t e c t c h a n g e s i n t h e l o w e r fr e q u e n c i e s . T h e s i g n a l i n t h e a E E G i s a mpl i f i e d a n d b a n d - p a s s f i l t e r e d , w h i c h s u p p r e s s e s a c ti v i t y w i t h a f r e q u e nc y l ow e r t h a n 2 H z a n d h i g h e r t h a n 1 5 H z , in o r d e r t o mi ni mi z e a r ti f a c ts or i g i na t e d f r o m s w e a t i n g , mo v e me n t , mu s c l e a c t i v i t y a n d e l e c t r i ca l i nt e r f e r e n c e [ 1 4 ] . T h e s i g n a l c a n b e f u r t h e r pr o c e s s e d , w h i c h i n c l u d e s r e c t i f i ca t i o n , s mo o t h i n g a n d c o n s i d e r a b l e t i me c o mp r e s s i o n , i n or d e r t o s e e t he o v e r a l l e v o l u t i o n o f t h e t r a c e a n d b e t t e r ide n t i f y s p e c i f i c p a t t e r n s , s u c h a s s l e e p - wa k e c y c l e s a n d s e iz u r e s , t h e la tt e r b e i n g r e c o g n i z e d b y a s h i f t o f b ot h t he l o w e r a n d u p p e r ma r g i n s i n t h e a E E G . T he s i gna l di s pl a ye d o n t he b e ds i de mo ni t or c a n t he n b e v i s ua l l y e va l u a t e d a nd di f f e r e nt pa t t e r ns c a n b e r e c ogni z e d a nd c l a ss i f i e d , a c c or di ng t o [ 1 4] ( F i g ur e 2 . 2 ) :
A - C ont i nuo us N or ma l V ol t a ge ( C N V ) – c ont i nu ous a c t i vi t y w i t h a l ow e r
ma r gi n b e t w e e n 7 V a nd 1 0 V a nd uppe r ma r gi n b e t w e e n 2 5 V a nd 50 V ; F i g u r e 2 . 1 – S i g na l p r o c e s s i ng f r o m t h e r a w E E G t o t h e a E E G .
T h e s c a l e o n t h e h o r i z o nt a l a x i s r e m a i ns c o ns t a nt i n a l l p l o t s . S o u r c e : [ 1 4 ]
6 B /C - D i s c o n t i n u o u s N o r ma l V o l t a g e ( D N V ) – d i s c o n t i n u o u s b a c k g r o u n d w i t h va r i o u s r a n g e s o f a mp l i t u d e , b u t w i t h a l o w e r ma r g i n u n d e r 5 V a n d up pe r ma r g i n o v e r 1 0 V ; D - B u r st S u p p r e s s i o n ( B S) – d i s c o n t i n u o u s b a c k g r o u n d a c t i v i t y w i t h a mi n i mu m a c t i v i t y a r o u n d 0 V a n d b u r s ts t h a t a r e g r ea t er t h a n 2 5 V ; E - C o n t i n u o u s L o w V o l t a g e ( C L V ) – c o n t i n u o u s b a c k g r o un d a c t i v i t y b u t w i t h a n u p p e r ma r g i n a r o u n d 5 V ; F - F la t T r a c e ( F T ) – is o e l e c t r i c ( i n a c t i v e) b a c k g r o u n d a c t i v i t y . W i t h t h i s l o n g - d u r a t i o n d a ta v i s u a l iz a t i o n , a E E G i s a v e r y p o w e r f u l t o o l f or t h e d i a g n o s i s o f H I E , b u t it s a s s e s s me n t r eq u i r e s tr a i n i n g i n de t e c t i n g a c t ua l br a i n a c t i v i t y , g i v e n t h a t a r t i f a c ts ma y a r i s e a n d c on t a mi n a t e t h e a c t u a l da t a [ 1 5 ] . M o v e me n t , w h i c h h a s a mu c h h i g h e r a mp l i t u d e , ma y c o n t a mi n a t e t he da t a a n d b e s e e n i n t h e a E E G , a s w e l l a s mu s c u l a r s h i v e r i n g , s o me t i me s c a us e d d u r i n g h y p o t h e r mi a . A no t h e r t h i n g t h a t t h e c l i n i c a l s t a f f mu s t b e a b l e t o r e c og n i z e a r e s e iz u r e s, w h i c h a r e i d e n t i f i e d b y a n i n c r e a s e i n a mp l i t u d e , vi s i b l e i n t h e a E E G , a n d a p r og r e s s i v e c h a ng e i n f r e q ue n c y , vi s i b l e i n t h e E E G ( F i g ur e 2 . 3 ) . T h e s e s e iz u r e s a r e ca u s e d b y e x c e s si v e a n d s p o n t a ne o u s e l e c t r i ca l a c t i v i t y o f c l u s t e r s o f n e u r o n s t h a t a r e r e s p o n d i n g t o i n s t a b i l it i e s i n t he no r ma l b r a i n f u n c t i o n [ 1 ] . T he a E E G a l l ow s t he t i me - l oc ke d s ync hr oni z e d vi s u a l i z a t i on w i t h t he r a w E E G , t he f or me r ha vi ng a w i ndow o f a ppr ox i ma t e l y t hr e e ho ur s of r e c or d i ng a nd t he l a t t e r one of o nl y 1 0 s e c o nds . T hi s f or m o f di s pl a y e n a b l e s t he i de nt i f i c a t i on of a r t i f a c ts t ha t w e r e not de s c r ib e d i n t he n e w b or n pop u l a t i on [ 16 ] , w hi c h c oul d l e a d t o mi s i nt e r pr e t a t i ons on t he de ve l o p me nt of t he i nf a nt s , a s w e l l a s t he ir out c o me s [ 1 7] [ 1 8] . F i g u r e 2 . 2 - D i f f e r e nt t r a c e s o f t h e ne o na t a l a E E G : A – C o nt i n u o u s N o r m a l V o l t a g e , B / C – D i s c o nt i n u o u s N o r m a l V o l t a g e , D - B u r s t s u p p r e s s i o n, E – C o nt i n u o u s L o w V o l t a g e , F – F l a t T r a c e . S o u r c e : p a t i e nt d a t a .
7 U nf o r t u n a t e l y , a n d d e s p i t e a l l e f f o r t s t o mi n i mi z e t h e p r e s e n c e of a r ti f a c ts i n t he d a ta , t h e N I C U i t s e l f i s a s u b o p t i ma l en v i r o n me n t , a s t he r es e a r c h e r s ha ve l e s s c o n t r o l o v e r t h e c o n d i t i o n s o f t h e a c q u i s i t i o n , c r ea t i n g a h i g he r r i s k of r e c or d i n g a r t i fa c t u a l s i g n a l s [ 1 9 ] .
2 . 4 E E G A rtif ac ts
A s t h e a E E G i s t i me - c o mp r e s s e d , i t i s ma i n l y us e d t o e v a l u a t e t h e b a c kg r o u n d p a t t e r n , s l e e p - w a k e c y c l e s a n d t h e p r e s e n c e o f s e i z u r e e p i s o d e s , gi ve n t h e i r a mp l i t u d e s h i f t i n t h e a E E G , a s sh o w n i n F i g ur e 2 . 3 . I n t h e r a w E E G ho w e v e r , a r t i fa c t s a r e mo r e e a si l y s ee n , e s p e c i a l l y i n b a b i e s w i t h s u p pr e s s e d b r a i n a c t i v i t y , w h e r e a r t i fa ct u a l p h y s i o l o g i c a l o r n on -ph ys i ol o g i c a l i n f o r ma t i o n c a n h a v e a h i g h e r i n f l ue n c e a n d j u x t a p o s i t i o n i n the b ra in’ s a ctivity.I n or d e r t o f u r t h e r u n d e r s t a n d a r t i fa c t s a n d h o w t o i d e n t i f y t h e m, a b r i e f e x pl a n a t i o n o n e a c h t y p e i s f o l l o w e d .
2 . 4 . 1 E l e c t r o c a r d io g r a m
An electr oca r diogr a m ( E CG ) is the mea sur ement of t he hea r t’ s electr ica l a c t i vi t y a nd i s one of t he pa r a me t e r s a cq ui r e d i n t he N I C U . I n i nf a nt s w i t h hi ghl y s up pr e s s e d b r a i n a c t i vi ty , E C G a r ti f a c ts oc c ur w he n t he hi gh e l e c t r i c a l ca r dia c f i e l d a f f e c t s t he su r f a c e pot e nt i a l s o n t h e s ca l p, ne a r t he e l e c tr ode s , i nt e r f e r i ng w i t h t he E E G r ea di ng [ 2 0] [ 21 ] . A s on e c a n e x pe c t , t he mor e s uppr e s s e d t he b r a i n a c ti vi t y, t h e e a s i er i t is t o s e e t he F i g u r e 2 . 3 - S e i z u r e p a t t e r n d e t e c t e d i n t h e ne o na t a l a E E G ( a b o v e ) , w i t h a r h y t h m i c a c t i v i t y v i s i b l e i n t h e E E G ( b e l o w ) . S o u r c e : [ 1 4 ]
8
infa nt’ s E CG on the E EG . The time gr id o n the scr een a llows the visua l a s s es s me n t o f a h i g h l y p e r i o d i c s i g n a l o f sma l l e r a mp l i t u d e t h a t a s e iz u r e ( w hi c h i s a l s o p e r i o d i c b u t w i t h a n e v o l u t i o n i n f r e q u e n c y a n d/ o r a mpl i t u d e ) , a s on e c a n s e e i n F i g ur e 2 . 4 . 2 . 4 . 2 E l e c t r o m y o g r a m T he E E G a c t i v i t y c a n o f t e n d e t e c t e l e c t r o my o g r a p hi c ( E MG ) a c t i v i t y , pi c ke d u p b e c a u s e o f t h e mu s c l e s ’ e l e c tr i c a l a c t i v i t y [ 2 2 ] . T h i s a c t i vi t y ca n a lso occur due to the e yes’ muscle mo ve ment, b ut those a r tifa cts a r e not seen i n t he N I C U b e c a u s e o f t w o r e a s o n s : f i r s t, t h e i n f a nt s s p e n d mo s t o f t h e i r t i me w i t h t he i r e y e s c l o s e d , i n a s ta t e o f q u i e t s l e e p , a n d s e c o n d b e c a us e t h e e l e c t r o de s u s e d a r e u s u a ll y p a r i et a l l y p l a c e d , f a r a w a y f r o m t h e i n f l u e n c e o f the eye’ s mo ve ment.
T he s e a r t i fa c t s a r e u s u a ll y c h a r a c t er iz e d b y a s ma l l a mp l i t u d e i n s u p pr e s s e d i n f a n t s , a s w e l l a s a s i g n a l w i t h a s h a p e t h a t a p p e a r s t o b e mu c h mo r e l i k e a s t o c h a s ti c si g n a l a n d w i t h o u t a spe c i f i c f r e q u e n c y , a s i t c a n b e s e e n b y t h e u p p e r h a l f o f F i g ur e 2 . 5 ( i n t h e l ef t r a w E E G ) . F i g u r e 2 . 4 – E C G a r t i f a c t s v i s i b l e o n b o t h l e f t a nd r i g h t r a w E E G t r a c e s . S o u r c e : p a t i e nt d a t a .
9 2 . 4 . 3 M o v e m e nt a nd E l e c t r o de D i s p la c e me nt W he n t h e i n f a n t i s mo v e d o r t h e e l e c t r o d e s a r e di s p l a c e d , t he a r t i f a ct s t h a t a r e ma i n l y p r e s e n t i n t h e r a w E E G a r e c h a r a c t e r iz e d b y a h i g he r a mp l i t ud e t ha n a ny t h a n a n y b r a i n a c ti v i t y me a s u r e d , a n d i s u s u a ll y o v e r 1 0 0 V ( F ig ur e 2 . 6 ) , s o me t i me s r ea c h i n g 4 0 0 V . T h e s e a r t i fa c t s ca n a l s o b e de t e c t e d b y a
ver y irr egula r sha pe a nd b y some ti me poi nts tha t don’ t ha ve a n a ctua l value ( due to t he a mplifier ’ s sa tura tion) , a s the electr odes co uld n’ t r ea d infor ma tio n f r o m t he b r a i n ’ s a c t i v i t y d u e t o t h e mo v e me n t a t t h a t t i me . 2 . 4. 4 H i g h F r e q ue nc y O sc i ll at i o ns H i gh F r e q ue nc y O s c i l la t i ons ( H FO ) a r e s ma ll a mpl i t ud e w a ve s t ha t c a n oc c ur i n t he s up pr e s s e d E E G . T he y ha ve a w e l l de f i n e d s ha pe a n d d o n ot t r a ns la t e i nt o a ny s pe c i f i c br a i n pr oc e s s or kind o f a c t i vi t y, l i k e i n t h e l ow e r F i g u r e 2 . 5 – A r t i f a c t s d u e t o m u s c l e a c t i v i t y o n t h e le f t r a w E E G ( a b o v e ) a nd H F O a r t i f a c t s o n t h e r i g h t r a w E E G ( b e l o w ) . S o u r c e : p a t i e nt d a t a . F i g u r e 2 . 6 – A r t i f a c t s d u e t o m o v e m e nt w i t h l a r g e i n c r e a s e o f t h e a m p l i t u d e . S o u r c e : p a t i e nt d a t a .
1 0 ha l f of F i g ur e 2 . 5 , o n t h e r i g h t r a w E E G . T h i s t yp e o f a r t i fa c t u s u a l l y ha s a f r e q ue nc y r a n g e o f 8 – 1 1 H z , w h i c h i s h i g h e r t h a n t h e n o r ma l v e n t i l a t i o n f r e q ue nc y , h e n c e i t s n a me . W i t h i n t h i s r a n g e , t h e f r e q u e n c y c a n a l s o d e p e n d on t h e s u b j e c t . 2 . 4 . 5 S i n us o i d a l W a v e s S i nu s o i d a l W a v e s a r e si n e - s h a p e d w a v e s i n t h e E E G r e c or d i n gs [ 2 ] t ha t d o not h a ve a w e l l - d e f i n e d s o u r c e b u t a r e c ha r a c te r i s t i c t o t h e h e a d ’ s p o s i t i o n i n t he i nc u b a t o r a n d mi g h t b e r e la t e d t o r e s p i r a t i on , i n i nf a n t s w h o a r e o n a ve nt i l a t o r . T h e s e w a v e s c a n h a v e v a r ia b l e f r eq u e n c y ( b e t w e e n 1 . 5 a nd 3 H z ) a n d a mp l i t u d e , b u t a r e u s u a l l y s mo o t h a n d e a s i l y i d e n t i f i a b l e ( F i g ur e 2 . 7 – r i gh t r a w E E G ) . 2 . 4 . 6 P e r io d ic E p il e pt i f o r m D is c ha r g e s P e r i o d i c E p i l e p t i f o r m D i s c h a r g e s ( P E D ) a r e s p e c i f i c p e r i o di c E E G pa t t e r ns d e f i n e d a s a b is y n c h r o n o u s s h a r p w a ve c o mp l e x o c c u r r i n g i n p e r i o d i c i nt e r v a l s b e t w e e n 0 . 5 a n d 4 s e c o n d s [ 2 3 ] ( F i g ur e 2 . 8 ) . T h e y c a n b e l a t er a l iz e d , b i la t er a l or g e n e r a l iz e d a n d i n a d u l t s t y pi c a l l y o c c u r i n t h e s e t ti n g of s o me s o r t o f n e u r o l o g i c a l i n j u r y [ 2 4 ] , s u c h a s s tr o k e o r H IE . P E D s a r e n o t c o ns i d e r e d a r t i fa c t s, a s t h e i r or i g i n i s w e l l k n o w n a n d s t u d i e d [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] , b ut n one t h e l e s s , t h e s e p h y s i o l o g i c a l f e a t u r es a r e i n c l ud e d i n t h i s c h a p t e r b e c a us e t h e r e i s a t y p e o f a r t i fa c t – PE D - L i k e ( F i g ur e 2 .9 ) – t h a t is b e l i e v e d t o b e r e la t e d t o P E D d u e t o a s i mi l a r s ha p e b u t w i t h o u t t h e p e a k a t t h e e n d o f e v e r y c y c l e [ 2 ] . T h i s wa v e f o r m’ s o r i g i n i s u n k n o w n , a n d t h e r e f o r e c o ns i d e r e d a s a n a r t i fa c t on t he ne o na t a l E E G . F i g u r e 2 . 7 – S i nu s o i d a l a r t i f a c t s i n t h e r i g h t r a w E E G . S o u r c e : p a t i e nt d a t a .
