Synchronizace nahrávání u evokovaných potenciálů

Abstract

Výzkum mozkové aktivity v oblasti evokovaných potenciálů vyžaduje přesnou synchronizaci jednotlivých stimulů se záznamem elektroencefalografu (EEG). Tato časová synchronizace může být použita pro výzkum a správnou analýzu evokovaných potenciálů nebo pro výzkum v oblasti psychologických paradigmat. Za účelem přesné časové synchronizace mezi měřícím systémem EEG a výsledným záznamem EEG byla vytvořen prototyp systému na základě platformy Arduino. Pro účel této práce byly navrženy dvě verze metodologie systému pro časovou synchronizaci s EEG záznamem. Realizované metody umožňují zaznamenat zvukové nebo obrazové stimulace a registrace stisku tlačítka. První metoda pracuje na základě uživatelského datového protokolu (UDP) síťové komunikace. Tato komunikace využívá jednoduchý síťový časový protokol (SNTP). Alternativní metoda je založena na primárním přenosovém protokolu/protokolu síťové vrstvy (TCP/IP) a na synchronizaci strojového času mikroprocesoru Arduina. V této práci je popsána realizace a rozdílnost těchto metod. Součástí práce je i návrh a výroba elektronických obvodů pro snímání stimulů nebo registraci stisku tlačítka. Vytvořený prototyp systému je kompatibilní se systémem EGI pro měření 256 kanálového EEG. Realizované metody byly otestovány pomocí referenčního systému EGI AV tester, který je součástí systému EGI pro měření EEG. Na základě měření s EGI AV testerem bylo vytvořeno statistické vyhodnocení v prostředí MATLAB realizovaných metod. Prototyp systému byl testován na reálných experimentech, které byly schváleny etickou komisí Národního ústavu duševního zdraví NUDZ, ve kterém tyto experimenty zároveň i probíhají. Výsledky reálného experimentu byly vyhodnoceny pomocí výpočtu hodnoty odstupu signálu od rozptylu bázové hladiny (SNR) a porovnány se systémem současného řešení E-prime. Měření probíhalo na experimentálním 256 kanálovém EEG v elektricky izolované místnosti. Výsledkem práce je nezávislý prototyp systému pro časovou synchronizaci, který byl plně integrován do měřícího systému EEG od výrobce EGI. Prototyp systému pracuje nezávisle na zdroji stimulů. Na základě výsledků z měření se systémem EGI AV tester se jako nejpřesnější metoda osvědčila metoda využívající SNTP dotaz. Na základě výsledků statistického hodnocení hodnot SNR pracují metody SNTP dotazu a metody stávajícího řešení E-prime srovnatelně na hladině významnosti 5 %.

Research of the brain activity in the field of event related potentials requires accurate synchronization of each stimulus with EEG record. This time synchronization could be used for research and accurate identification of event related potentials or to study psychology paradigms. Arduino platform based system prototype was created for purpose of precise time synchronization between EEG recording system and the EEG record. Two methods were designed to address this issue. Created methods are capable to register sound stimuli, visual stimuli, and button presses. The first approach is via user datagram protocol (UDP) net communication using net simple network time protocol (SNTP). Alternative approach is using transmission control protocol/internet protocol (TCP/IP) net communication to synchronize CPU time of Arduino's microcontroller. This thesis describes the realization of those methods and their differences. This thesis also includes the design and realization of electronic circuits for registration sound, visual stimuli, and button presses. The created prototype is compatible with EGI system for recording 256 channel EEG. Created methods were tested with by EGI AV tester system which was used as a reference. The EGI AV tester system is an original part of EEG recording system by EGI. Statistic testing was applied on data collected from measuring with EGI AV tester in MATLAB environment to compare proposed methods. System prototype was tested on real experiment data at National institute of mental health (NIMH), which was approved by NIMH ethics committee. Results of real experiment were expressed by signal to noise ratio (SNR) value and compared with existing solution based on E-prime system. The measurements were recorded on experimental 256 channel EEG in an electrically isolated room. The main result of this thesis is an independent system prototype for time synchronization, which is fully integrated into the EGI measuring system for EEG. System prototype is operating independently of stimuli source. Final comparison based on EGI AV tester measuring shows that SNTP time query method is the most precise of tested methods. Existing solution based on E-prime system and SNTP time query method are producing very similar SNR values according to the statistic testing on 5 % significance level.