EEG Sinyallerinde Gamma Tepkisinin Tespiti
Detection of
Gamma
Responses
in
EEG Signals
D.
Ilhan
Tifekqi',
Sirel
Karakay2,
Orhan
Arikan'
Elektrik
ve
Elektronik
Muihendisligi
B6lumui
2Deneysel Psikoloji
Uzmanlik Alani
Bilkent
Universitesi, Ankara
Hacettepe
Universitesi, Beytepe-Ankara
ilhant@bilkent.edu.tr skarakas@hacettepe.edu.tr
oarikan@ee.bilkent.edu.tr
O etVe Geli,tirilen tespit
teknigi,
gamma tepkisinina*agida
listelenen genel olarak kabul
gormu,s
karakteristiklerine Erken gamma tepkisininvarliginin
tespit edilmesinde ozneldayanmaktadir:
yontemler kullanilagelmektedir. Bu
qali*mada,
EEGsinyalinin Gamma.tepkisi,
26 - 48 Hz frekans bandinda gamma frekans bandindaki zaman - frekans g6sterimindenolu*maktadir
[2-4 ].elde edilen oznitelikler kullanilarak otomatik gamma tepkisi
tespiti ger,ekle,tiren bir teknik geli,tirilmi,tir. Uretilen * Gamma tepkisi, uyaricidan sonraki 150 milisaniyelik sentetik veriler
incelendiginde, teknigin
ulrettigi
oznitelikler zaman diliminde kendini gostermektedir [2-4]. kullanilarak gamma olan ve olmayan durumlarinbirbirlerinden kolayca ayirt
edilebildigi
gozlemlenmi,tir. * Uyaricisonrasi
BEG sinyali, gamma tepkisinin Ger,ekEEG verileri uzerinde,teknigin
ve uzman goru,sununvarlmetnda
uyarici oncesinegirre
iyile,me siniflandirmalari arasindaki uyum %77 olarakger,ekle,mi,tir. gostermektedir.Gamma tepkisinin zaman - frekans (ZF) gosteriminden
Abstract
elde
edilenoznitelikler
kullanilarakEEG
sinyalindeki gammavarligina
karar verilmektedir. Inthe detection of the existence of the early gammaresponse,subjective methods have been used. In this study, an
Bolutm
2'de gamma tepkisi tespitteknimi,
yaratilanautomated gamma detectiontechnique is developedbased on sentetik birBEG sinyali uzerinden adim adim
anlatilmaktadir.
the features obtained from the time-frequency representation
Bolum
3'de teknigin sentetik sinyaller uzerindekiba*arimi,
of the EEG signal in the gamma frequency band. The
silnam
4'te ise gercek BEG veriler uzerindekibarsarim
technique easily discriminates the gamma response existing
sinanmi,tir.
andnon-existing cases for the generated synthetic data. The
classification of the
technique
and that of theexpert opinion
2. Gamma Tepkisi Tespit
Teknigi
coincide %77 for real EEG data.
Gamma tepkisinin onceki bolumde belirtilen ozellikleri
kullanilarak geli,tirilmi, olan OGT'nin ana adimlari
a*agida
1.
Giri,s
listelenmi,stir:
1. Tespitin
kolayla*tirilmasi
i,in on i,leme.On
i,leme,Beyindeki noro-elektriksel aktivitenin
gonstergesi
olanEEG
sinyalinin 26 - 48 Hzbandini
ge,iren sulzge,
ile elektroensefalogram (BEG) sinyalinin salinimsalsulzge,clenmesini
yesulzge,clenmi,s
bu sinyali gammabile,enlerden
olu,tugu
du,sunulmektedir [1].Degi,ik
frekans tepkisininoluvmassnzbekledinimiz
bir pencere ile bandlarini kaplayan bu salinimsal bile,enlerden gammaapirliklandirmayikapsamaktadir.
bile,eninin beynin bili,sel ve
kavrayi*sal
fonksiyonlari ile 2. Onirlemesi
gercekle,stirilmi,
EG sinyalinin Kisailintili
oldugu
belirtilmektedir [1, 3]. EEG sinyallerinde,Zamanli
Fourier
Doenul,slmu'nn
(KZFD)alinmasi
uyaricidan hemen sonra (150 milisaniyeye kadar) olu,an 3. Potansiyel gamma tepkisi
varDn
ndaolu,sacak
ZF gamma tepkisine erken, 150 ile 400 milisaniye arasindaduPzlemindki
doruklarinyerlerinin
belirlenmesi.olu*an
tepkiye de ge, gammatepkisi adi verilmektedir [5]. 4. Tespit edilenherdorugun
frekans aralininenmikleme
ile Buqali*mada
sadece erken gammatepkisianaliz edilecek ve belirlenmesi'erken' ibaresi bundan sonrakullanilmayacaktir. 5.
EEG
sinyalini, 4.adimda
belirlenen frekansaraliginda
Bazi deneklerin EEG sinyallerinde gamma bile,eni
suzge,leme
gozlemlenirken, bazi deneklerde gamma bile,enine 6.
A*agida
belirtilenKZFD'lerin
alinmasirastlanmamaktadir
[5]. Gamma tepkisininvarligina
genelde, * 5.adimda
elde edilen sinyalin KZFD'si: Sy(t,f)gamma frekans
bandindaki salinimsal
sinyalin genligininuyaricidan
sonra artmamiktarina bakilarak
karar * 5.adimda
elde edilen sinyalin, arama bolgesindekiverilmektedir. Bu
,cali,smada;
gamma tepkisininvarliginin
KZFDoizniteliklerini
vurgulamak amaciyla zamandaki tespiti amaciyla kullanilanoiznel yointemler
yerine pencere ileagirliklandirilmasi
sonrasi olu,san sinyalinkullanilabilecek
otomatik bir gamma tespit teknigi (OGT) KZFD'si: Sg. (t,f)7. Watershed imge bolutleme algoritmasi ([6]) sentetik sinyal i,in iki adet potansiyel gamma tepkisi tespit kullanilarak Sg.(t,
f)
'den potansiyel gammadestegi
edilmi,tir.i
.aretleyicisinin..
marker).Ig
(t,f) qikartilmasi EEGsinyali,
her birpotansiyel
gammatepkisi i,in
saret1eyicisinin
(marker)'g.
(t,ft)
,ikarti1masi
belirlenen($ekil Id)
[37.7- 46.4] ve [26-34.5] Hz frekans 8.Ig*
(t,f)
ve uyarici oncesi bolge sinirlari kullanilarak bandlarinda sulzge,lenmektedir. Algoritmanin herbirSy,
.t,fiqindestekiaretleyicisininoluturulmasipotansiyel
gammatepkisi
i,in ayni olan bundan sonrakiSj
(t, f) i~in destek i~aret1eyicisinin o1u~turu1masi adimlari sadecebirinci (frekans bandi [37.7-46.4] Hz olan) 9. Gamma tespitinde kullanilacak ZF alani nicel potansiyel gamma tepkisi (Yi (t) ) uzerinden anlatilacaktir.izniteliklerinin ,ikartilmasi (a) (b)
10.
Gammatepkisinin
varolup
olmadiginin
bir onceki350
adimda
qikartilan
lznite1iklerkullanilaraktespit
edilmesi 2 * 0|030 ~~~~~~~~~~35
Geli*tirilen
gammatespit
tekniginin
sinanmasiamaciyla
-130sentetikgammasinyalleri
yaratilmi*
vealgoritmaninadimlari 2 25businyalleruzerinden
a*agidaki
bolumlerdeanlatilmi*tir.
005 1 0 1(c) 50 (d)
2.1. Sentetik GammaSinyaliO1u,turulmasi 3
45
Gammatepkisinin
olmadigi
sentetik sinyaller, yaratilan Gauss 2 I 40 ..Ogurultusunun
26-48 Hzfrekans bandindasllzgeqlenmesi
ile0D
olu,turulmu,tur. Gammanin
oldugu
sinyalleri elde edebilmek 30 ... ... 0amaciyla,
sulzge,lenen gulrulltulye
merkezi 90milisaniyede
2-3 20 0~~~~~~~~~~~
pencerea~~ir1ik1andiri1mi~~, -1 -0.5 0 0.5 1 -1 Zaan say
bulunan tabanli kosinis pencere ile
agirliklandirilmi*,
Zaman, saniye frekansi 30-45 Hz arasinda rasgele se,ilen bir sinus dalgasieklenmi,tir. Bu ,ekilde, e,it sayida (19'ar adet) gamma 5k 1:
(a) y(t)
,sUzgeqten
geqirilmi*
sentetikBEG
tepkisinin varoldugu
veolmadigi
sentetik sinyalleruretilmi,tir. Businyallerdengammatepkisininvar
oldugu
bir sinyali,. (b) y(t) 'nin KZFDgenligi. (c) g(t), oni,senmi,tanesi teknik anlatilirken
kullanilmi*,
digerleri
ile elde edilen EEG sinyali (d) Oni,lenmi,
sinyalin KZFDgenligi,
sonu,larBoilum4'tesunulmu,tur. Sg(t,
f)
Tespitedilendoruklara ait frekans araliklari da,sekilde
,cizilmi*,tir.
2.2.
On
iElemeOGT'de kullanilanon i,leme,EEG sinyalinin (x(t) ) [26-48] y1(t) 'nin KZFD
genligi
Sy, (t, f)$ekil
2a'da, benzerHz bandinda suzge,lenmesi ( y(t) ) ve daha sonra tabanli
,ekilde
on
i,lenmi,
sinyalin KZFDgenligi
Sgl
(t,f)
,$ekil
kosinuls
pencere( w(t) )ile ,arpilmasi ile elde edilmektedir: 2b'degosterilmektedir.
Watershedimge bolutleme
algoritmasig(t)=w(t) x y(t) (1)
kullanilarak
g1(t)
'nin ZFdestegi
belirlenmektedir. Watershed Uyarici oncesi ve sonrasi tepkilerle ilgili ozniteliklerin algoritmasi, KZFDgenligindeki
yulksek
enerjili kisimlari,ikartilabilmesi amaciylatabanli
kosinlls
pencerenindestegi
-belirleyen
bir ikili(binary)
matris,
Ig1(t,f)
, uretmektedir50ile 300milisaniyearasindase,ilmistir. (
.ekil
2d).
Belirlenen bui.aretleyici Sgl(t,f)
ileqarpilinca,
2.3.
Oznitelik
Qlkartimi
gamma tepkisi adayi i,in maskelenmi, ZF gosterimi ortayaOnerilen
yontem;potansiyel
gammatepkisini,
oni*1emesi
qikmaktadir($ekil
2f):
tamamlanmi, sinyalinKZFD'sinin
genliginde
aramaktadir: Mg1(t,f)
=Sgl (t,f)
xIg1
(t,f)
(4)00 % lBenzer ,ekilde, uyarici oncesi sinyalin maskelenmi, ZF
Sg(t,f)=
fg(r)h(t
-r)ej2f
Tdr
(2) gosterimi Myl(t,f),
-0
HMyl
(t,
f)
=Sy,
(t,
f)
xIyl
(t,
f)
(5)
KZFD
penceresini
belirten
h(t),
bu
qali*mada
,eklinde
hesaplanmaktadir.
Bu denklemdeki
uyarici
h(I)
1- 2oncesi
iparetleyici,
Iyi
(t,
f),
gammaiparetleyicisinin
h(t)=
2+o-
e 2a(3)
¢
'
(
Ig,
(t,
f))
uyarici
oncesi
sinirlari
da
goz
ontine alinarak
olarak
alinmi*;
pencerenin
genisligi,
,57
milisaniye
genle,tirilmesi
(dilation) ile elde edilmektedir.
Uyarici
se,ilmi,tir.
oncesi
i,aretleyicisi ve
maskelenmi,
ZF
gosterimi
sirasiyla
$ekil
2c
ve e'de
verilmi,tir.
Suzge,cten ge,cirilmi,s
sentetik BEG sinyali ye bu sinyalin Gamma tepkisininvar1iginda,
uyaricioincesi
ye sonrasiKZFD
genligi sirasiyla $ekil
la ye b'degoisterilmi,stir.
On sinyallerin birbirinden ayirt edilebilmesi i,cin ,cok sayidakii,slenmi,s
sinyal, KZFD genligiyle beraber $ekilic ye
d'de alternatifoznite1ik1erden a,sagdaki1er se,i1mi,tir:
verilmi ,tir.
On i,senmi
sinyalin KZFD'sindeki her yerel En beiriay-smy
salyn omlzenerji
adacigi
potansiyel bir
gammatepkisini
i,saret
(a) (b) 2 3.97 0.89 9.03
50 50
,
402.02
2.4. SinirAgi
ileSiniflandirma
30 0.01 30 0.01 ;likart1lanoznitelikler kullanilarak bir sinir
agi
siniflandiricisi20-1 0 1 -1 0 1 (S20Snr
(SAS)
tasarlanmi*tir.
Sinir agisiniflandiricisi,
ooladrooo girdi olarak50 _ c 1 50
.d)
1anlatilan
UiCozniteligi
almakta, ,ikti olarak da gammaI 40 40 b
tepkisinin
varolup
olmadigini
belirlemektedir. Tasarlananco 30 |
0.5
3005
siniraginin sirasiyla
30 ve 15norona
sahip
iki adet sakli30 30 l lkatmanil l bulunmaktadir.
Turm
arakatmanlardahiperbolik
teget
20 0 20 0 aktarim
fonksiyonlari, ,ikti
katmaninda ise +1 ve-1'de
50 (e) x10-3 50 doyuma
ula*mi* dogrusal
fonksiyonkullanilmi*tir.
Qikti
40 15 40
degerinin
0.75'tenbulyulk
oldugu
durumlarda gamma-
10 0.02tepkisinin
varoldugu,
-0.75'tenku,ick
oldugu
durumlarda ise30 30 0.01 gamma tepkisinin var
olmadigi degerlendirilmi,tir.
20 0 20 0
-1 0 1 1 0 1
Zaman, saniye Zaman,saniye 3. Sentetik Veri
SonuVIari
,Sekil 2: Birinci
potansiyel
gammatepkisinin (a)
ve on Uretilen sentetik verilerinyarisinda
gamma tepkisi var (G+)ilenmi2: Biryainci
,slenmi,s sinyalinpotansiye gamma(b) KZFD genliklerifiken
diger
yarisinda gamma tepkisi bulunmamaktadir (G-). genlikieri: Sy1 (t,r,$ekil
3'te sentetik veriler i,in OGT'ninbuldugu
oznitelikler
Sg1
(t,f)
Uyarici oncesi (c) ve gamma tepkisi (d) ui, boyutlu (3B)olarak sunulmu,tur. 'arti' i,aretiilegosterilen i.aretleyici.eri: I. .t,foIg,
(t,f) (e) Uyarici6ncznitelikler
gammatepkisi olmayan,
'karo'bi,iminde
,saretleyicileri: 'Yi (t,f), Ig(t,f) (e) Uyarici OflCCS1
gosterilenler
ise gamma tepkisi olan sentetik sinyallere aittir.sinyalin (e) ve potansiyel gamma tepkisinin (f) Gamma tepkisinin var
oldugu
durumlakars1ia*tiriIdiginda,
maskelenmi, ZF gosterimleri:Myl
(t,f),
Mg(t,f).
gamma tepkisi olmayan sinyallere ait her ui,ozniteligin
de daha ku,cukdegerler aldigi
gozlemlenmektedir. Oznitelikleriniki durum i,in
dogrusal
ayrilabiliroldugu
a,iktir; dolayisiylaYe
- Pg- 1p (6) onerilen teknik, gamma tepkisininvarligini
tespitYe- edebilmektedir.
denklemiyle verilen ozniteliktir. Denklemde;
pg
Mgl
(t,f)
'nin tepedegerini,
pup
ve op iseMy
(t,f)
'in °sirasiyla ortalama ve standard sapma
degerlerini
50-belirtmektedir. 40 -
-Tepe orani, Ye, gamma tepkisi adayi ile uyarici oncesi 3E
sinyalin maskelenmi, ZF gosterimlerinin tepe
degerlerinin
a)-oraniolarakse,ilmi,tir: -
-o1,- - - k-
-Pg
0Y/p
(7)
Pp
2>~~~~~~~~~~~~~~~~~~0Denklemde, pp,
uyarici oncesisinyalin
maskelenmi, ZF 1.5 :: 108
gosteriminin
tepedegerini
gostermektedir.
6Kullanilan ui,cncu oznitelik, maskelenmi, ZF
2,
Tepe Oranl y Norm.lyilesme Orani gosterimlerininenerjilerinin
oranidir:JMg,
(t,f)2
dtdfFMY
(t, f)2
dtd 1$ekil
3: Sentetik veriler i in normalizeiyileEme,
tepe veEr
g ( f(8)
enerji
oranlarini
gisterir
3Boznitelik
sainzm
diyagrami.
|Ig,
(t,f)dtdf
L|y(t,
f)dtdf
jTeknigin anlatilmasinda kullanilan
sentetik
sinyal
i,in
4.
Gersek EEG Sinyal
Sonuslari
hesaplanan oznitelikler Tablo
1'de
listelenmi,tir. Se,ilen busentetiksinyalde, sadece birincipotansiyelgammager,ekbir
OGT;
Hacettepe
Universitesi
Deneysel
Psikoloji
gamma tepkisidir. Tablo
1'den
deanlai1lacagi
gibi gammaLabaratuvarinda, seyrek
uyariciparadigmasi
altindatepkisi olan birinci potansiyel sinyal i,in oznitelik
degerleri,
kaydedilen
EEGsinyalleri
uzerindesinanmi*tir.
gammatepkisi olmayan
digerine
goredahayulksektir.
4.1. DenekSonuclar
Tablo]1:
Potansiyal gamma tepkilerioiznitelikleri.
Iki farkli denekten
al1nmi,s
ger,cek BEG sinyalleri OGT ile Potansiyel Gamma TepkisiErl
analiz edilmi,stir. BEG sinyallerinin birinde gamma tepkisi Ye Yp r (G+) tespit edilirkendigerinde
gamma tepkisibu1unmami,stir
| I 1~1 6.84
1.15
15.34
(G-). Tespit$~~~~~~~~~~~ekil
4'te; solsonu,clari
sultunda
uzmanG+, sagtarafindan
sultunda
da G- denekdaonay1anmi,stir.
i,cinsirasiylagercek EEGsinyalleri (aveb), 26- 48 Hzfrekans sinyalinden olu,antest
kulmesi,
OGT'yesokulmu,
ve sonu, bandinda suzge,lenmi, sinyaller(cved) veKZFD'leri(eve olarak uzman siniflandirmasi ile %77 oraninda bir uyumf), OGT tarafindan bulunan potansiyal gamma tepkilerinin
saglanmi*tir.
maskelenmi, ZF gosterimleri (gveh) verilmi,tir. Uzmanin bazi EEG sinyallerinde gamma
tepkisinin
GAMMA(+) GAMMA(-)
varligiyla
ilgili gorul,ls,
OGT'ninkullandigi
KZFD'leri(a) (b) gozlemleyince
degi,mi,tir.
Uzmanin veteknigin
10 X 0tACUS,lE0SSAMAMS 10 0;
,ll
siniflandirmalari,
Tablo 3'te gosterilmi,tir.Uzmanin
gamma 0°X; <1ilei.lr.f;r 1<l >h ie W 0 trr5'\2S> 1)>tjivar
dedigi
16 denekicin
teknik,
gamma yok sonucullretmi*tir.
Benzer,ekilde
uzmanin gammayok
dedigi
810 -10 denek i,inteknik, gamma varkararina
varmi*tir.
OGT'nin-0.75 ile 0.75 arasinda ,ikti
degerleri
ureterektereddulte
(c) (d)
diu,tulgul
9adet denek i,inuzmandestegi
alinmi*tir.
0
KiiKTablo
3:BEG
verileriUlzerinde,
OGTye
uzmaninG+i=:
°~|~ '1
|1gjl |° 1ve1G-siniflandirmasiyaptigi
deneksayilari.
-1 -1 UZMAN
GORU$U
(e)(G+
G-50 G+~~~ ~
16G-0
~~~~
3020.20
5. Sonu.
(g) (h)50 50
B~EG
sinyalinin ZF goisteriminden elde edilen oizniteliklerI 40 40
kullanilarak
otomatikgamma tepkisi tespitiger,ekle,tiren
birp 30 30 teknik
geli0tirilmi$tir. Gergek
BEG
verileri uzerindeyapilan
birkiyaslamada, otomatik tespit
yointemi
uzmangoiru,sleriyle
20 0 05 1 20I 0 0.5 1 %77 oraninda uyusmu,tur.
zaman, saniye zaman, saniye
Siniflandirmada
kullanilabilecek farkli
oiznitelikler
uzerinde
yalinimalar
devam
etmektedir.
Farkli
ozniteliklerin
$ekil 4: (a) Gamma tepkisi olan (G+) EEG sinyali (b) geli,tirilmesiyle, OGTile uzman
goir,sileri arasindakiuyumun
Gamma tepkisi olmayan (C-) EEC sinyali. (c, d) [26-481Hz daha da
artacagi
beklenmektedir.frekans bandinda suzge,clenmi,s szraszyla G+
ve G- sinyalier.
Geli,stirilen
teknik bu,cali,smada
sadece erken gamma (e, OCT'nin szraszyla C+ ve C- i,in elde ettigiKZFD'ler, tepkisineuygulanmi*tir.
Uyarici oGncesi boilgenin
ayarlanmasi
(g-h) OCT'nin szraszyla C+ ve C- i,cin
buldugu
potansiyel
durumunda,
ayni
yoo ntemge,
gammabolgesine
de gammatepkilerinin maskelenmi20ZE gosterimleri. uygulanabilir.Gamma tepkisi olan (G+) denek i,cin [26 -
48]
Hzbandinda
suzge,lenmi,s
sinyalinuyaricidan sonra
uyarici
6.Kaynakda
oincesi
dulzeye go$re
yulksek
genlikli olarakeldeedildigi $ekil
[1]Ba,sar
B.,
Brain Function and Oscillations, Vol 1-2, 4c'denanla,silmaktadir.
Bu durum sinyalin KZFD'sinde de Springer-Verlag, Heidelberg, 1998.belirgin olarak goirlllmektedir. KZFD'deki
uyarici
sonrasi
[2]Gurtubay,
A. M., Labura, A., Malanda, A., Iriarte, J., enerJiyogunlnu
uyarci
ovncesine goire
G-durumunda
eldeArtieda,
J.,"Gamma
band
activity in an auditory oddballedilen KZFD'den farkli olarak belirgin bir
arti.
paradigm studied with the wavelet transform", Clin.goistermektedir
($ekil4eyef). Neurophysiol., Vol. 112, 1219-1228, 2001OGT'nin potansiyal gamma
tepkisi ye uyarici oncesi
[3]Karakas,
S.,Ba,sar-Erolu,
C., Ozesmi,,.,
Kafadar, H., sinyalinmaskelenmi,
ZFgsisterimlerini(sdrasiyla $eki14gyeBrzengin 0.
U., "Gamma response of the brain: a h) kullanarakhesapladyii
kzniteliklerin
(Tablo 2)G±
BEG
multifunctional
oscillation that
represents a bottom-up sinyali iain G- durumagotre
dahayalksek
degerler
aldegd
with
top-downprocessing", nt.
J. Psychphysiol., Vol. 39,goizlemlenmi
,tir. 137-150, 2001.Tablo 2: G+ ye G-BEGsinyalleri
i,cin
OGT'nin[4]
Karaka,s, S.,
BaMar,
.,"Early
gamma response
issensory hesapladricioznitelikler.
inorigin:
a conclusion based on cross-comparison ofresults from multiple
experimentalparadigms",
Int.
J.Y6stermektedi$ekil
vef)'p
Eeur
Psychphysiol., Vol. 31,132-31,
1998.O nn on
Yalegamma
Ypkisi
veruyarici
6ncesi[3]
Karaka,,
S.,Tuafek,i,
I.,
B,ci,
es,Q;mB.,Kamada
B. D.,
G+ 6.94 1.87 21.21 Dogutepe,
B.,
Brzengin 0.
U., Ozkan, A.,Arikan
0.,
G-
3.1k1
0.96 5.83 "Earlytime-locked gamma
response and
genderspecificty"-,
Int. J.Psychphysiol.,
inpress.[6] Vincent, L. and Soille P.
"Watersheds
in Digital Spaces: 4..SiieAtsanpflandirgi
Sznitelikleri
AnEfficient Algorithm
Based
onImmersion
22 adet gamma tepkisi olan (G+)