Orientador: José Luiz Rybarczyk Filho / Resumo: O objetivo deste trabalho foi produzir um dispositivo coletor de biopotenciais por EEG de baixo custo. Como características o protótipo apresentou alta imunidade a ruído, faixa de frequência de trabalho e tensão, seguindo as especificações necessárias para a coleta dos sinais EEG. O circuito eletrônico e o roteamento foram desenvolvidos no software Eagle R e então a placa foi construída pelo método fotográfico com posterior corrosão por percloreto de ferro e solda-gem manual dos componentes. O circuito montado é composto por: amplificadores diferenciais configurados com um ganho na ordem de 169,66, filtros de frequência intercalados e um mi-crocontrolador ESP32@ que munido de conversor analógico-digital foi configurado para uma amostragem de 356 amostras por segundo e resolução de 12 bits, o que possibilitou leituras com passos de 2,198x10-4 V. Os filtros foram projetados para atuar na redução de ruidos contidos na faixa de 50 a 60Hz. O funcionamento do dispositivo móvel microcontrolado teve seu funciona-mento comprovado através do método de detecção de ondas alfa, ondas estas que alteram suas intensidade quando nos encontramos concentrados com os olhos abertos ou fechados. A captura de ondas alfa compreendidas entre 8 a 13 Hz foi validada nas seguintes condições: 1 minuto com os olhos fechados (alta atividade) e 1 minuto com os olhos abertos (baixa atividade). O dispositivo produzido mostrou-se promissor como uma alternativa de baixo custo e com simpli-cidade de produção, qu... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The objective of this work was to produce a low cost EEG biopotential collecting device. As characteristics the prototype presented high immunity to noise, working frequency range and voltage, following the specifications required for the collection of EEG signals. Electronic circuit and routing were developed in the Eagle R software and the plate was then constructed by the photographic method with subsequent iron perchloride corrosion and manual soldering of the components. The assembled circuit consists of: differential amplifiers configured with a gain of the order of 169.66, frequency filters interleaved and an ESP32 @ microcontroller which has an analog-to-digital converter configured for a sampling of 356 samples per second and resolution of 12 bits, which allowed for readings with steps of 2.198x10-4 V. The filters were designed to act in the reduction of noise contained in the range of 50 to 60Hz. The operation of the microcontrolled mobile device has proven its function through the method of detecting alpha waves, waves that change their intensity when we are concentrated with the eyes open or closed. The capture of alpha waves between 8 and 13 Hz was validated under the following conditions: 1 minute with eyes closed (high activity) and 1 minute with eyes open (low activity). The device produced was promising as a low-cost, simplified production alternative when compared to models available on the market for EEG signal capture. / Mestre

Ingeniero Civil Eléctrico / El sueño es un tema que ha tomado mucha fuerza en los últimos años sobre todo por su función neurofisiológica y reparadora. Dentro de los fenómenos fisiológicos más importantes del sueño se encuentra una actividad eléctrica registrada en el EEG (electroencefalograma) llamada Huso Sigma. Este patrón eléctrico se ha asociado por una parte a procesos involucrados en la consolidación de la memoria y por otra a desórdenes tales como retardo mental, hiperkinesia, desarrollo cognitivo, entre otros. Por lo tanto pesquisar y caracterizar este patrón es de suma importancia en el área de la medicina. El objetivo de esta tesis consiste en construir características morfológicas con el fin de caracterizar Husos Sigma y posteriormente detectarlos a través de un sistema de detección automático. Los Husos Sigmas corresponden a trenes de ondas distinguibles de la actividad de fondo del EEG, principalmente notorios en las derivaciones centrales, que comienzan con una baja amplitud, llegan a un máximo y luego decaen, teniendo duraciones típicas entre 0,5 a 2 [s]. El problema de detección consiste en lograr separar entre Husos Sigmas, correspondientes a trozos de señales marcadas por expertos que a su juicio consideran que son Husos Sigmas, de otras marcas hechas por un pre-detector y que no corresponden a Husos Sigmas. Para resolver el problema propuesto se propone un esquema: Descomposición Modal Empírica (EMD por Empirical Mode Decomposition en inglés) - detector de zonas - Matching Pursuit (MP). La EMD permite aislar la componente fusiforme que se busca caracterizar mediante MP en las zonas detectadas por el detector de zonas. El algoritmo MP se encuentra equipado con un diccionario de wavelets Morlet, cuya función es describir de manera sucinta cuando se trata de HS y de manera más compleja cuando se trata de no-HS. La creación del diccionario se hace en base a características extraídas del detector de zonas aplicado previamente. Luego de aplicar el método propuesto se extraen características basadas en el comportamiento morfológico de la componente seleccionada. Tras generar estas características se entrena una Máquina de Soporte Vectorial (SVM por Support Vector Machine en inglés) empleando un kernel Gaussiano. Los SVM se calibran para cada experimento realizado. El funcionamiento del sistema, considerando un largo mínimo del detector de zonas de 0,3 [s], es revisado en el punto de operación TVP=80% y FPR=30%. TVP significa tasa de verdaderos positivos y FPR tasa de falsos positivos. De este análisis se concluye que la aproximación morfológica es buena, sin embargo el método opera de manera similar en varios HS y no-HS. Realizando un análisis entre las características basado en información mutua se concluye que gran parte de la información se encuentra contenida en 3 características; sin embargo el desempeño de ocupar estas tres características en algunos puntos de operación se diferencia bastante con respecto al desempeño de un sistema que emplea todas las características creadas. Finalmente se sugieren nuevos pasos a seguir con el fin de mejorar el sistema propuesto.

Orientador: José Luiz Rybarckzyk Filho / Resumo: Humanos adultos têm a capacidade de realizar tarefas aritméticas com grande acurácia. É uma atividade que elenca vários processos cognitivos, portanto é um bom foco de estudo para a con- tribuição de conhecimentos na área de neurociências. O eletroencefalograma, um exame não invasivo e com boa capacidade de captar um evento no momento em que ele ocorre, é uma boa ferramenta para analisar a atividade aritmética no encéfalo. Muitos estudos já o fizeram rela- cionando essa atividade com as bandas alfa e teta. Como o uso de dispositivos mobile ainda é pouco usado em pesquisas e o sinal de eletroencefalograma é decomposto com a Transformada de Fourier, que tem a limitação de baixa resolução temporal, o objetivo do nosso estudo foi replicar os dados encontrados na literatura com um dispositivo de EEG mobile de baixo custo e decompor o sinal com auxílio do Matching Pursuit, que apresenta boa resolução temporal. Utilizamos o dispositivo mobile Emotiv Epoc de 14 eletrodos para captar o sinal de 60 voluntá- rios em duas condições: repouso e atividade aritmética de multiplicação de quatro números por outros quatro. O sinal obtido foi decomposto com auxílio do Matching Pursuit. Comparamos repouso com atividade e hemisfério direito com esquerdo. Obtivemos resultados similares aos estudos relacionados à atividade fásica. / Abstract: Adults have the ability to perform arithmetic tasks with great accuracy. Arithmetic task is an activity that demands several cognitive processes, so it is a good focus of study for the contribution of knowledge in the field of neuroscience. The electroencephalogram is a non- invasive exam with good capacity to capture an event at the moment it occurs, is a good tool to analyze the arithmetic activity in the brain. Many studies have already done this by relating this activity to the alpha and theta bands. The use of mobile devices is still uncommon in research and the electroencephalogram signal is decomposed with the Fourier Transform, which has the limitation of low temporal resolution. The purpose of our study was to replicate the data found in the literature with a Low cost mobile EEG and decompose the signal with Matching Pursuit, which has good temporal resolution. We used the Emotiv Epoc device with 14 electrodes to capture the signal of 60 volunteers in two conditions: rest and arithmetic activity of multiplying four numbers. The obtained signal was decomposed with Matching Pursuit, comparing rest with activity and right with left hemisphere. We obtained results similar to studies related to phasic activity. / Mestre

Este avaliou as características do EEG numa população de indivíduos nonagenários cognitivamente normais tanto através da analise visual como espectral. A amostra constituía de 42 sujeitos com idade que variava de 90 a101 anos (media de 92 DP 3,0 anos) clinica e cognitivamente saudáveis vivendo em seus lares e totalmente independentes oriundos do ambulatório do grupo de neurologia cognitiva do HC (acompanhantes) e da Casa Idoso. Eles foram submetidos a uma entrevista, exame neurológico, avaliação neuropsicológica e um EEG digital com programas capacitados a realizar analise espectral e de analise de coerência.Foi avaliado através da analise visual o PF (pico de freqüência) da banda alfa em áreas posteriores,a reatividade alfa a abertura ocular ,a presença de atividade lenta nas regiões temporais, a ocorrência de variantes benignas e de atividade epileptiforme espontânea. Através da analise espectral foi determinado o PF espectral da banda alfa nas regiões occipitais, e a coerência inter-hemisférica para a banda alfa entre os eletrodos P3P4 e O1O2. Os resultados deste estudo confirmam os vários trabalhos da literatura, que concluíram que em indivíduos idosos saudáveis a freqüência do ritmo alfa nas regiões posteriores do cérebro nunca foi menos que 8,0 Hz, e que as mulheres apresentam um pico de freqüência maior que os homens. A reatividade do ritmo alfa à abertura ocular foi observada em 41 sujeitos (97,61%) do total, e atividade lenta nas regiões temporais em 9 indivíduos (21,42%) com predomínio no hemisfério cerebral esquerdo. O valor médio para a coerência inter-hemisférica obtida para banda alfa em P3P4 e O1O2 foi respectivamente 0,61(DP 0,11) e 0,65( DP 0,13), e não foi detectado nenhuma diferença significa relacionada ao sexo, e nem uma redução deste valor com o envelhecimento. Conclusão: indivíduos idosos nonagenários cognitivamente normais apresentam um pico de freqüência para o ritmo alfa em áreas posteriores do encéfalo (eletrodos O1O2) igual ou maior que 8,0 Hz, e que valores abaixo desta faixa pode significar anormalidade e que as mulheres tem uma freqüência maior que os homens. A reatividade à abertura ocular do ritmo alfa permanece apesar da idade avançada e que sua ausência pode significar algum comprometimento funcional. A presença de alentecimento nas regiões temporais um achado que para muitos autores pode ser normal durante a senescência, foi observada neste estudo em somente 21% dos indivíduos, e não teve nenhuma correlação significativa com o perfil cognitivo e nem com o nível de escolaridade. A coerência para banda alfa em áreas posteriores (P3P4 e O1O2) não apresenta alteração importante durante o envelhecimento / This study evaluated the characteristics of the EEG in a population of cognitively normal nonagenarian individuals both through visual and spectral analysis.The sample consisted of 42 subjects ranging from 90 to 101 years (median of 92 years), clinically and cognitively healthy living in their homes and totally independent. In the outpatient clinic of the cognitive neurology group of the HC (companions) and of the Elderly House (Casa do Idoso). They were submitted to an interview, neurological examination, neuropsychological assessment and a digital EEG with programs capable of performing spectral analysis and coherence analysis. Through the spectral analysis it was evaluated the PF (peak frequency) of the alpha band in posterior areas, the alpha reactivity to ocular opening, the presence of slow activity in the temporal regions, the occurrence of benign variants and spontaneous epileptiform activity. Through the spectral analysis the spectral PF of the alpha band was determined in the occipital regions, and the interhemispheric coherence for the alpha band between the electrodes P3P4 and O1O2. The results of this study confirm a various studies in the literature, which concluded that in healthy elderly individuals the frequency of the alpha rhythm in the posterior regions of the brain was never less than 8.0 Hz, and that women presents a higher frequency peak than men. Reactivity of the alpha rhythm to ocular opening was observed in 41 subjects (97.61%) of the total, and slow activity in the temporal regions in 9 individuals (21.42%) with predominance in the left cerebral hemisphere. The mean value for the interhemispheric coherence obtained for the alpha band in P3P4 and O1O2 was 0.61 (SD 0.11) and 0.65 (SD 0.13), respectively, and no difference was detected related to sex, nor reduction of this value with aging. CONCLUSION: Cognitively normal nonagenarians (90 to 101 years of age) have a peak frequency of alpha rhythm in posterior brain areas (O1O2 electrodes) equal to or greater than 8.0 hz, and values below this range may be abnormal, and that women have a higher frequency than men. Reactivity ocular opening of the alpha rhythm remains despite advanced age and that its absence may also mean some functional impairment. The presence of slowing in the temporal regions, a finding that for many authors may be normal during senescence, was observed in this study in only 21% of the individuals, and had no significant correlation with the cognitive profile nor with the schooling level. The coherence for alpha band in posterior areas (P3P4 and O1O2) does not present significant alteration during the aging

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2017-08-22T13:26:59Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 5760621 bytes, checksum: f90e38633fae140744262e882dc7ae5d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-22T13:26:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 5760621 bytes, checksum: f90e38633fae140744262e882dc7ae5d (MD5) Previous issue date: 2017-03-10 / Agencia Boliviana Espacial / A epilepsia é uma das doenças neurológicas mais comuns definida como a predisposição a sofrer convulsões não provocadas. A Organização Mundial da Saúde estima que 50 milhões de pessoas estão sofrendo esta condição no mundo inteiro. O diagnóstico de epilepsia implica em um processo caro e longo baseado na opinião de especialistas com base em eletroencefalogramas (EEGs) e gravações de vídeo. Neste trabalho, foram desenvolvidos dois métodos para a predição automática de convulsões usando EEG e mineração de dados. O primeiro sistema desenvolvido é um método específico para cada paciente (patient-specific) que consiste em extrair características espectro-temporais de todos os canais de EEG, aplicar um algoritmo de redução de dimensão, recuperar o envelope do sinal e criar um modelo usando um classificador random forest. Testando este sistema com um grande banco de dados de epilepsia, atingimos 97% de especificidade e 99% de sensibilidade. Assim, a primeira proposta mostrou ter um grande potencial para colaborar com o diagnóstico em um contexto clínico. O segundo sistema desenvolvido é um método não específico do paciente (non-patient specific) que consiste em selecionar o sinal diferencial de dois eletrodos, aplicar um vetor de bancos de filtros para esse sinal, extrair atributos de séries temporais e criar um modelo preditivo usando uma árvore de decisão CART. O desempenho deste método foi de 95% de especificidade e 87% de sensibilidade. Estes valores não são tão altos quanto os de métodos propostos anteriormente. No entanto, a abordagem que propomos apresenta uma viabilidade muito maior para implementação em dispositivos que possam ser efetivamente utilizados por pacientes em larga escala. Isto porque somente dois elétrodos são utilizados e o modelo de predição é computacionalmente leve. Note-se que, ainda assim, o modelo xigerado apresenta um poder preditivo satisfatório e generaliza melhor que em trabalhos anteriores já que pode ser treinado com dados de um conjunto de pacientes e utilizado em pacientes distintos (non-patient specific). Ambas as propostas apresentadas aqui, utilizando abordagens distintas, demonstram ser alternativas de predição de convulsões com performances bastante satisfatórias sob diferentes circunstâncias e requisitos. / Epilepsy is one of the most common neurological diseases and is defined as the pre- disposition to suffer unprovoked seizures. The World Health Organization estimates that 50 million people are suffering this condition worldwide. Epilepsy diagnosis im- plies an expensive and long process based on the opinion of specialist personnel about electroencephalograms (EEGs) and video recordings. We have developed two meth- ods for automatic seizure detection using EEG and data mining. The first system is a patient-specific method that consists of extracting spectro-temporal features of 23 EEG channels, applying a dimension reduction algorithm, recovering the envelope of the signal, and creating a model using a random forest classifier. Testing this system against a large dataset, we reached 97% of specificity and 99% of sensitivity. Thus, our first proposal showed to have a great potential for diagnosis support in clinical context. The other developed system is a non-patient specific method that consists of selecting the differential signal of two electrodes, applying an array of filter banks to that signal, extracting time series features, and creating a predictive model using a decision tree. The performance of this method was 95% of specificity, and 87% of sensitivity. Although the performance is lower than previous propos- als, due to the design conditions and characteristics, our method allows an easier implementation with low hardware requirements. Both proposals presented here, using distinct approaches, demonstrate to be seizure prediction alternatives with very satisfactory performances under different circumstances and requirements.

Este avaliou as características do EEG numa população de indivíduos nonagenários cognitivamente normais tanto através da analise visual como espectral. A amostra constituía de 42 sujeitos com idade que variava de 90 a101 anos (media de 92 DP 3,0 anos) clinica e cognitivamente saudáveis vivendo em seus lares e totalmente independentes oriundos do ambulatório do grupo de neurologia cognitiva do HC (acompanhantes) e da Casa Idoso. Eles foram submetidos a uma entrevista, exame neurológico, avaliação neuropsicológica e um EEG digital com programas capacitados a realizar analise espectral e de analise de coerência.Foi avaliado através da analise visual o PF (pico de freqüência) da banda alfa em áreas posteriores,a reatividade alfa a abertura ocular ,a presença de atividade lenta nas regiões temporais, a ocorrência de variantes benignas e de atividade epileptiforme espontânea. Através da analise espectral foi determinado o PF espectral da banda alfa nas regiões occipitais, e a coerência inter-hemisférica para a banda alfa entre os eletrodos P3P4 e O1O2. Os resultados deste estudo confirmam os vários trabalhos da literatura, que concluíram que em indivíduos idosos saudáveis a freqüência do ritmo alfa nas regiões posteriores do cérebro nunca foi menos que 8,0 Hz, e que as mulheres apresentam um pico de freqüência maior que os homens. A reatividade do ritmo alfa à abertura ocular foi observada em 41 sujeitos (97,61%) do total, e atividade lenta nas regiões temporais em 9 indivíduos (21,42%) com predomínio no hemisfério cerebral esquerdo. O valor médio para a coerência inter-hemisférica obtida para banda alfa em P3P4 e O1O2 foi respectivamente 0,61(DP 0,11) e 0,65( DP 0,13), e não foi detectado nenhuma diferença significa relacionada ao sexo, e nem uma redução deste valor com o envelhecimento. Conclusão: indivíduos idosos nonagenários cognitivamente normais apresentam um pico de freqüência para o ritmo alfa em áreas posteriores do encéfalo (eletrodos O1O2) igual ou maior que 8,0 Hz, e que valores abaixo desta faixa pode significar anormalidade e que as mulheres tem uma freqüência maior que os homens. A reatividade à abertura ocular do ritmo alfa permanece apesar da idade avançada e que sua ausência pode significar algum comprometimento funcional. A presença de alentecimento nas regiões temporais um achado que para muitos autores pode ser normal durante a senescência, foi observada neste estudo em somente 21% dos indivíduos, e não teve nenhuma correlação significativa com o perfil cognitivo e nem com o nível de escolaridade. A coerência para banda alfa em áreas posteriores (P3P4 e O1O2) não apresenta alteração importante durante o envelhecimento / This study evaluated the characteristics of the EEG in a population of cognitively normal nonagenarian individuals both through visual and spectral analysis.The sample consisted of 42 subjects ranging from 90 to 101 years (median of 92 years), clinically and cognitively healthy living in their homes and totally independent. In the outpatient clinic of the cognitive neurology group of the HC (companions) and of the Elderly House (Casa do Idoso). They were submitted to an interview, neurological examination, neuropsychological assessment and a digital EEG with programs capable of performing spectral analysis and coherence analysis. Through the spectral analysis it was evaluated the PF (peak frequency) of the alpha band in posterior areas, the alpha reactivity to ocular opening, the presence of slow activity in the temporal regions, the occurrence of benign variants and spontaneous epileptiform activity. Through the spectral analysis the spectral PF of the alpha band was determined in the occipital regions, and the interhemispheric coherence for the alpha band between the electrodes P3P4 and O1O2. The results of this study confirm a various studies in the literature, which concluded that in healthy elderly individuals the frequency of the alpha rhythm in the posterior regions of the brain was never less than 8.0 Hz, and that women presents a higher frequency peak than men. Reactivity of the alpha rhythm to ocular opening was observed in 41 subjects (97.61%) of the total, and slow activity in the temporal regions in 9 individuals (21.42%) with predominance in the left cerebral hemisphere. The mean value for the interhemispheric coherence obtained for the alpha band in P3P4 and O1O2 was 0.61 (SD 0.11) and 0.65 (SD 0.13), respectively, and no difference was detected related to sex, nor reduction of this value with aging. CONCLUSION: Cognitively normal nonagenarians (90 to 101 years of age) have a peak frequency of alpha rhythm in posterior brain areas (O1O2 electrodes) equal to or greater than 8.0 hz, and values below this range may be abnormal, and that women have a higher frequency than men. Reactivity ocular opening of the alpha rhythm remains despite advanced age and that its absence may also mean some functional impairment. The presence of slowing in the temporal regions, a finding that for many authors may be normal during senescence, was observed in this study in only 21% of the individuals, and had no significant correlation with the cognitive profile nor with the schooling level. The coherence for alpha band in posterior areas (P3P4 and O1O2) does not present significant alteration during the aging