Electooculografia

Universitatea Tehnică a Moldovei 

Catedra Microelectronică şi Dispozitive Semiconductoare 
 

Proiect De Curs

MDCPAM 

Tema: Electooculografia 
 

Conducatorul proiectului, lector superior A. Iavorschi 
 
 

A efectuat studentul grupei ISBM-071, Lîsenco Dumitru 

Termenul de prezentare a proiectului, 21 ianuarie 2011 

Cuprins: 

1. Introducere ............................................................................. pag. 3 

2. Noțiuni de bază ...................................................................... pag. 4

     2.1 Procesarea ................................................................... pag. 7 

3. Măsurarea clinică a semnalului EOG .................................... pag. 10

     3.1 Metoda Standard ......................................................... pag. 10

     3.2 Teste Adiționale .......................................................... pag. 12

     3.2a Oscilațiile rapide ....................................................... pag. 12 

4. Note practice .................................................................... pag. 13

4.1 Iluminat ...................................................................... pag. 13

 
4. Concluzie .............................................................................. pag. 14

5. Bibliografie ........................................................................... pag. 15 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Introducere

Mișcarea ochilor este o formă voluntară sau involuntară de mișcare, care ajută la dobîndirea, fixarea și urmărirea stimului vizual. În plus, această mișcare poate compensa o careva mișcare a corpului.

Studiile recente au demonstrat apariția mișcărilor anormale ale ochilor în cazul bolilor neurodegenerative și stări modificate de conștiență (greață, intoxicație) la adulți sănătoși.

Măsurarea  mișcării ochilor poate juca un rol important în studiul progresării bolilor neurodegenerative și stării de vigilență la adulți sănătoși. Există cîteva metode de măsurare a mișcării ochilor, Infrared detection technique, Video-oculography(VOG), Scleral eye coil(plasarea unei lentile speciale pe ochi, care induce curent deplasîndu-se în cîmp magnetic) și EOG. Printre metodele numite anterior, electrooculografia este metoda cea mai avansată în studiul mișcării anormale ale ochilor^[1]. 
 

Potențialul electric de repaus în ochi este creat prin diferența de potențial dintre cornee și fundus.

Acest potențial în marea majoritate este creat de epiteliul pigmentat al retinei (RPE), și se schimbă în dependență de iluminarea retinei. Potențialul scade pe 8-10 minute la întuneric. Iluminările ulterioare ale retinei cauzează  o scădere a potențialului de repaus pe 60-75 secunde, urmată de o creștere lentă timp de 7-14 minute (răspuns la lumină). Aceste fenomene iau naștere  la schimbarea permiabilității ionice a membranei bazale a RPE. 

Electrooculograma clinică  măsoară indirect amplitudinea minimală a potențialului de repaus în întuneric și apoi maximul său după creșterea luminozității. ”Comportamentul” potențialului corneo-retinal într-un ochi sănătos, în condiții definite, poate fi prevăzut, însă shimbarea de la întuneric la lumină inițiază un raspuns îndelungat, aproximativ de 2 ore, în formă de oscilații sinusoidale amortizate. 

Răspunsul la lumină  este afectat  în tulburări difuze ale RPE și a stratului de fotoreceptori al retinei, caracterizate de atrofia coroido-retinală  sau boli inflamatorii. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Noțiuni de bază

În acest capitol se vor relata noțiunile de bază ce trebuie cunoscute și care se vor întîlni în lucrare. Așadar, corpul uman are un careva potențial electric. Acest potențial este creat din unitățile structurale ce formează toate țesuturile vii – celule. La rîndul său, în celule există procese ce generează acest potențial – schimbul de ioni. 

Celula este unitatea de bază, structurală și funcțională, a tuturor organismelor vii^[2] 

Potențial de repaus - Potentialul de membrană al unei celule vii în absența stimularii. Pentru celulele excitabile (celule nervoase și musculare) valoarea sa este de la -55 mV pana la -100 mV, interiorul celulei fiind întotdeauna încarcat electric negativ. Celulele non-excitabile (ex.: celule gliale) pot prezenta, de asemenea, un p. de r. Cauzele p. de r. sunt repartiția inegală a ionilor prin membrana celulară și o permeabilitate crescuta a membranei pentru K, deoarece în repaus canalele specifice acestui cation sunt deschise. De aceea, p. de r. este în esență un potențial de K. Pompa de sodiu, care antrenează o deplasare de sarcini pozitive în afara celulei nu contribuie decît cu -10 mV pînă la -20 mV la producerea p. de r.  

Achiziția semnalului unei singure celule este dificilă și inutilă în cazul necesității măsurării potențialului unui țesut întreg. Pentru aceasta există tehnici, care diferă în dependență de țesutul studiat(EEG, EMG, ECG, EOG). 

2.1Anatomia ochiului^[3]

Omul vede nu cu ochii, ci prin intermediul acestora, de unde informaţia se transmite prin nervul optic, chiasmă, tractele optice în anumite zone ale lobului occipital al scoarţei creierului, unde se formează acel tablou a lumii exterioare, pe care o vedem. Toate aceste organe constituie analizatorul nostru vizual sau sistemul vizual. 
 
Posesia a doi ochi ne permite să facem vederea noastră stereoscopică (adică să formăm imaginea tridimensională). Partea dreaptă a retinei a fiecărui ochi transmite prin nervul optic "partea dreaptă" a imaginii în partea dreaptă a creierului, analogic funcţionează şi partea stângă a retinei. După care două părţi ale imaginii – dreapta şi stânga – sunt unite de creier. 
 
Astfel că fiecare ochi percepe tabloul "său", în cazul dereglării mişcării în comun a ochiului drept şi a celui stâng poate fi dereglată vederea binoculară. Cu alte cuvinte vi se va dubla imaginea sau veţi vedea în acelaşi timp două tablouri complet diferite. 
 
 
Construcţia ochiului 
 
Ochiul poate fi numit un aparat optic complicat. Sarcina lui principală este de a "transmite" imaginea corectă nervului optic. 
 
Funcţiile principale ale ochiului:

• sistemul optic, care proiectează imaginea;
• sistemul de primire şi "codare" a informaţiei primite pentru creier;
• sistemul de "deservire" a asigurării necesităţii vitale.

Corneea este o membrană transparentă care acoperă partea anterioară a ochiului. Ea nu are vase sangvine, însă posedă o putere mare de refracţie. Intră în sistemul optic al ochiului. Corneea are hotar comun cu membrana exterioare netransparentă a ochiului – sclera. 
 
Camera anterioare a ochiului reprezintă un spaţiu între cornee şi iris. Aceasta este umplută cu lichid intraocular. 
 
Irisul reprezintă după formă un cerc cu o gaură în mijloc (pupila). Irisul este constituit din muşchi, datorită cărora mărimea pupilei se schimbă. Ea intră în sistemul vascular al membranei ochiului. Irisul este responsabil pentru culoarea ochişor (daca este de culoare albastră – înseamnă că sunt puţine celule de pigment, iar dacă sunt căprui – atunci sunt multe). Efectuează aceeaşi funcţie ca şi diafragma în aparatul de fotografiat, reglează fluxul de lumină. 
 
Pupila reprezintă o gaură în iris. Mărimile acesteia depind de obicei de nivelul iluminării. Cu cât este mai multă lumină cu atât pupila este mai mică. 
 
Cristalinul este o "lentilă naturală" a ochiului. Este transparent, elastic – poate să-şi schimbe forma, aproape instantaneu "reglând focalizarea", datorită căruia omul vede bine atât aproape cât şi departe. Este amplasat în capsulă şi se menţine cu ajutorul zonei ciliare. Cristalinul, la fel ca şi corneea, intră în sistemul optic al ochiului. 
 
Corpul vitros este o substanţă transparentă gelatinoasă, amplasată în partea posterioară a ochiului. Corpul vitros menţine forma globului ocular, participă la schimbul de substanţe intraocular. Intră în sistemul optic al ochiului. 
 
Retina este constituită din fotoreceptori (aceştia sunt sensibili la lumină) şi celule nervoase. Celulele-receptori amplasaţi în retină se împart în două tipuri: conuri şi baghete. În aceste celule, care produc fermentul de rodopsin, are loc transformarea energiei luminii (fotoni) în energie electrică a ţesutului nervos, adică reacţia fotochimică. 
 
Baghetele posedă o fotosensibilitate înaltă şi ne permit să vedem la lumină proastă, de asemeni ele sunt responsabile pentru vederea periferică. Conurile dimpotrivă, necesită multă lumină pentru activitatea sa, însă tocmai acestea ne permit să observăm detaliile mici (sunt responsabile pentru vederea centrală), oferă posibilitatea de a diferenţia culorile. Aglomerările cele mai mari ale conurilor se află în gropiţa centrală (maculă), răspunzătoare pentru cea mai înaltă acuitate a vederii. Retina aderează pe membrana vasculară, însă nu uniform pe toată suprafaţa. Anume în aceste porţiuni are tendinţa să se secţioneze în cazul diferitor afecţiuni ale retinei. 
 
Sclera este o membrană exterioară netransparentă a globului ocular, care trece în partea anterioară a globului ocular în cornee transparentă. 6 muşchi oculomotori se fixează de scler. În ea se găsesc o cantitate mică terminaţii nervoase şi capilare. 
 
Membrana vasculară – acoperă secţiunea posterioară a sclerei de care aderă retina, cu care este strâns legată. Membrana vasculară este responsabilă pentru alimentaţia sangvină a structurilor intraoculare. În cazul afecţiunilor retinei membrana vasculară deseori este implicată în procesul patologic. În membrana vasculară nu sunt terminaţii nervoase, de aceea în cazul afecţiunii acesteia nu apar dureri, care semnalează de obicei anumite neregularităţi. 
 
Nervul optic – cu ajutorul acestuia semnalele de la terminaţiile nervoase sunt transmise creierului. 
 
Structura corneei 
 
Cunoaşterea structurii corneei va prinde bine acelor persoane, care vor să înţeleagă cum are loc corecţia cu laser-eximer şi de ce ea decurge anume astfel, şi celor care vor suporta o intervenţie chirurgicală la cornee.

Stratul epiteliului - este suprafaţa de protecţie a stratului, în cazul lezării se restabileşte. Deoarece cornee este un strat fără capilare, pentru "livrarea oxigenului" răspunde epiteliul, care îl extrage din membrana lacrimală, care acoperă suprafaţa ochiului. Epiteliul de asemeni reglează intrarea lichidului în interiorul ochiului. 
 
Membrana lui Bowman – este amplasată imediat sub epiteliu, este responsabilă pentru protecţie şi participă la alimentarea corneei. În cazul lezării nu poate fi restabilită. 
 
Stroma – partea cai mai voluminoasă a corneei. Partea principală a acesteia – fibre de colagen, amplasate în straturi orizontale. De asemeni conţine celule care sunt responsabile pentru restabilire. 
 
Membrana Descemetov – desparte stroma de endoteliu. Posedă o elasticitate sporită, este rezistentă în cazul lezărilor. 
 
Endoteliul – este responsabil pentru transparenţa corneei şi participă la alimentarea acesteia. Se restabileşte foarte greu. Execută o funcţie foarte importantă a "sondei active", care este responsabilă pentru faptul ca surplusul de lichid să nu se adună în cornee (de altfel va avea loc edemaţierea). Astfel endoteliul menţine transparenţa corneei. 
 
Cantitatea celulelor endoteliale scade în timpul vieţii de la 3500 celule pe mm2 la naştere până la 1500-2000 celule pe mm2 la vârsta înaintată. Scăderea desnităţii acestor celule poate fi cauzată de diverse afecţiuni, traume, intervenţii chirurgicale, etc. În cazul densităţii mai mici de 800 de celule pe mm2, corneea devine edemaţiată şi îşi pierde transparenţa. Al şaselea strat al corneei deseori este numit membrană lacrimală de pe suprafaţa epiteliului, care de asemeni are un rol important în paticularităţile optice ale ochiului. 
 

2.2 Procesarea

Tendințele moderne implică  procesarea digitală a semnalului. Aceasta se practică din considerente de comoditate, aplicabilitate, flexibilitate. Pentru a digitaliza semnalul, este necesar de o tranformare analog-digitală.  Dispozitivul electronic destinat acestei operații este un ADC.

O conversie A/D constă  din următorii pași (fig.1): 
 

Fig. 1 Conversia A/D 
 
 

1. Discretizarea. Aceasta este transformarea unui semnal continuu în timp  în semnal discret în timp  obţinut prin “luarea” "mostrelor" (valorilor) din semnalul continuu în timp. 

 

2. Quantificare. Aceasta este transformarea unui semnal  discret în timp  cu valori continuie în semnal discret în timp  cu valori discrete (digital).

 

3. Codificare. În procesul de codificare, fiecare valoare distincta xq (n)  este reprezentată cu  o succesiune de n-biţi  de cifre binare^[4].

Exemplu de un semnal sinusoidal de amplitudinea de 1V și frecvența 1 Hz, discretizat cu o frecvența de 10 Hz^[5]. (fig.2) 

Fig. 2 Exemplu de discretizare a unui semnal 
 

Exemplu de același semnal, discretizat cu o frecvența de 2 Hz(fig.3)

Fig.3 Semnal discretizat cu o frecvența de 2 Hz 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Observăm faptul că dacă  frecvența de discretizare nu este aleasă corect, semnalul original este interpretat incorect, ceea ce este inacceptabil.

Să studiem încă  un caz, cînd semnalul este discretizat cu o frecvență de 4/3 Hz. În așa mod, semnalul la ieșire, va rezulta o sinusoidă de 1/3 Hz. Este evident că semnalul original în acest caz este subeșantionat, deoarece nu au fost culese puncte de discretizare suficiente(fig.4).

Fig. 4 Subeșantionarea semnalului discretizat 

Această condiție de subeșantionare se numește dedublare. 

Pentru excluderea acestor efecte, este introdus criteriul Nyquist:

Rata Nyquist este rata minimală  de discretizare necesară pentru a evita dedublarea, egală  cu dublul frecvenței maxime conținute în semnal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Măsurarea clinică a semnalului EOG^[6]

Potențialul RPE cauzează partea din față a ochiului să fie electric pozitivă, iar partea dorsală – electric negativă. În rezultat, potențialul măsurat dintre doi electrozi plasați pe piele pe fiecare parte a ochiului, se va schimba în dependență de mișcarea ochiului în dreapta sau stînga. În standardul descris în această lucrare, au fost definite mișcări ale ochilor, pentru a monitoriza schimbările în potențialul dintre cornee și fundus. Dacă subiectul testat privește alternant la ținte fixate sub un unghi, potențialul măsurat pe piele prezintă o undă dreptunghiulară, a cărei amplitudine va fi proporțională cu potențialul dintree cornee și fundus. Pe parcursul unui ciclu lumină/întuneric, acest potențial măsurat indirect se va schimba la fel ca și potențialele sursă, în așa mod ca raportul Arden va fi o aproximație apropiată la schimbările medii în RPE. 

3.1 Metoda Standard

Aici se va expune metoda clinică  standard de colectare a semnalului EOG.

Pupile Se vor aplica picături pentru dilatarea înaintea oricărei acțiuni, pentru a pupilelor să se dilate aproape complet către începutul testului. Marimea lor trebuie să fie stabilită înainte și dupa finisarea testului.

Electrozi Dupa prepararea pielii, plasați eletrozii aproape de canthus-ul fiecărui ochi (fig.1). Electrodul ”rece” poate fi plasat pe frunte. Impedanța dintr orice pereche de electrozi nu trebuie să depășească valoarea de 5 kΩ. Fiecare electrod este conectat la intrările unui amplificator cu o bandă de frecvență de 0.1-38 Hz, pentru a înregistra saccadele, care apar ca unde dreptunghiulare.

Stimulator Ganzfeld Acesta trebuie să fie comfortabil pentru cap/bărbie, și două surse de lumină fixatoare de culoare roșie, plasate la 15 grade din dreapta și stînga față de centru. Lumina de fixare trebuie să fie destul de puternică cînd lumina de fond de adaptare este aprinsă, și slabă în întuneric.

Pre-adaptare Subiectul testat trebuie să stea la lumina zilei cît mai mult timp înainte de test, și nu trebuie să fie expus unor schimbări mari în iluminat în această perioadă.

Pregătirea pacientului testat Explicați procedura – 15 minute întuneric, 15 minute lumină, alternarea luminilor de fixație în mod ritmic, pentru 10 secunde fiecare, cînd luminile se schimbă, pacientul va trebui să deplaseze privirea print-o singură mișcare, fără întoarcerea capului și fără anticipare. Practicați procedura cu sistemul de înregistrare aprins și antrenați subiectul dacă acesta mișcă capul, anticipează schimarea luminilor, etc.

Faza de întuneric În întuneric total pentru 15 minute, cu excepția luminilor slabe de fixare, alternați acestea din urmă fiecare secundă pentru 10 secunde și fiecare minut, și înregistrați potențialul EOG ce rezultă. Subiectul testat trebuie să privească tot timpul, dacă aceasta este posibil, la stimulator și trebuie prevenit înaintea începutului fiecărei măsurări, pentru a asigura atenția acestuia. Operatorul trebuie să aibă în față rezultatele curente ale înregistrării, pentru a monitoriza respectarea regulilor de către subiect și a erorilor comise.

Faza luminoasă Aprindeți lumina ganzfeld de fon cu valoarea de 100 cd/m². Dacă este necesar, aprindeți această lumină treptat, de exemplu pe parcursul a 20 secunde, pentru confortul pacientului. Continuați înregistrările pentru fiecare minut. 
 
 
 

Exemple de înregistrări ale semnalelor (fig.2) și a înregistrării totale a investigației(fig.3):

Fig. 2 Înregistrare idealizată a saccadelor (sus) și exemplu de înregistrare cu amplicator și filtru trece sus, la 0.5 și 0.1 Hz. Depașirea semnalului normal este greu de recunoscut cu filtru de la 0.5 Hz

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Fig. 3 Exemplu idealizat al EOG(sus) și o înregistrare practică(jos). Săgețile indică jgheabul de întuneric(DT) și vîrful luminos(LP). Curbele DT și LP trebuie estimate înainte de a calcula raportul Arden. 
 
 
 

3.2 Teste Adiționale

Metoda de înregistrare expusă anterior, este o procedură de bază. În unele cazuri, este necesar de a măsura așa-numitele ”Oscilații rapide” în conjuncție cu EOG clinică.

     3.2a Oscilațiile rapide

Oscilațiile rapide (OR) au polaritatea opusă raspunsului la creșterea luminozității în EOG clinică standard. La apariția luminii, există o scădere a potențialului de repaus, care se recuperează 30-40 secunde după aceasta. Această scădere este condiționată de diminuarea CL^- intracelular, care la rîndul său rezultă o micșorare a transportului de Cl^- prin membrana bazolaterală și în rezultat, hiperpolarizarea membranei bazale a RPE.

Oscilațiile rapide sunt înregistrate cu aceeași parametri ca și în cazul EOG clinice. Însă, înregistrarea trebuie efectuată cuntinuu, subiectul efectuînd saccade orizontale o data pe secundă. Alternarea întunericului cu lumina pentru fiecare 60 secunde, induce OR (FO), care sunt aproate sinusoidale. În timpul intervalului de lumină, apare un jgheab, ce crește înapoi dupa 30-40s. Intervalul ulterior de întuneric, rezultă o ”creștere întunecoasă”, dupa 30-40 secunde urmată de apariția răspunsului la întuneric. Numărul total de intervale întuneric-lumină trebuie să fie cel puțin 4, fiecare a cîte 60 secunde, în total 8 minute de test. Adaptarea priliminară nu este necesară, deoarece nu afectează rezultatul investigării OR.

Figura 4 prezintă un grafic idealizat al ciclului de oscilații rapide, din care informația de interes prezintă raportul DR:LT (Creșterea întunecată la jhgeab de lumină). Amplitudinea normală a raportului este între 1.05 și 1.30. Însă fiecare laborator ar trebui să obțină datele proprii, deoarece este cunoscut că nivelurile înalte de glucoză în sînge măresc amplitudinea OR.

Fig. 4 Reprezentarea idealizată  a OR. 
 
 
 
 
 

4 Note practice

Respectarea regulilor procedurii de către pacienți Subiecții testați pot avea dificultăți la efectuarea mișcărilor saccadice dacă ei nu au vedere centrală bună sau suferă de diplopie ori mișcări disconjugate ale ochilor, au nystagmus, sunt minori, ori au careva handicap care nu le permite să ia poziția necesară pentru test. Unii pacienți suferă de claustrofobie sau teamă de întuneric, și deci testul trebuie efectuat în așa mod ca să minimizeze aceste probleme. În majoritatea cazurilor, antrenarea și controlul pacientului pot rezolva problemele de neînțelegere.

Diplopia Pentru unii subiecți testați, luminile de fixație uneori sunt prea aproape. Lor li se propune să privească între perechea de imagini în cazuri de diplopie intratabilă. Dacă tulburarea retinei este bilaterală, se poate accepta bandajarea unui ochi pentru a trece testul.