Ανάπτυξη μεθοδολογίας μελέτης και αξιολόγησης της επίδρασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στα ηλεκτρικά σήματα του εγκεφάλου

Abstract

The purpose of the present thesis is to develop a methodology for the study and the evaluation of the effect of electromagnetic radiation on the brain signal. The comprehension of the brain functions comprises a challenge for the scientists. The electroencephalogram (EEG), i.e. the recording of the brain electrical signals, is the main way of getting information about the brain functions non- interventionally. It is obvious that the accurate recording of the brain signals is necessary for further analysis. Moreover the public concern about the possible health effects of the electromagnetic fields increases as the sources of electromagnetic radiation expand. The current literature indicates that some aspects of cognitive function and some direct measures of brain physiology may be affected by exposure to electromagnetic fields. The survey of the radiation effects is firstly based on the study of the experimental setup used for the measurements and its proper operation. Two experimental setups were implemented during the present thesis. The experimental setups consisted of the recording part, including the electrodes, the electroencephalograph, the amplifiers and the recording system, and the radiation part which was the system that produces the emitted electromagnetic field. Software interfaces were constructed in order to accomplish psychological tests and to save the data that were recorded. The experimental systems were subjected to electromagnetic compatibility tests in order to analyze the interference that some types of radiation signals may cause to the measurements that represent the brain signal. The first experimental setup was used in two experiments during which 39 subjects were subjected to a psychological test under the effect of two types of radiation signals. The recorded data were organized in databases and were processed under several techniques. The EEG energy was a magnitude under study and the analysis of the EEG signal at the frequency domain offered useful information. The standard analysis for the Event Related Potentials (ERPs) also revealed interesting findings. The more complicated technique of the wavelets transform provided time-frequency analysis of the signal which was useful in order to combine the time specified ERPs with their spectral energy. The recorded data transformations and the statistical analysis revealed the effects of the radiation or the interaction of other factors with the radiation on some magnitudes of the signal. The factors that seem to influence the EEG signal were related to the gender of the participating subjects and the parameters of the experiment such as the stimuli used.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη μεθοδολογίας μελέτης και αξιολόγησης της επίδρασης Η/Μ ακτινοβολίας στα ηλεκτρικά σήματα του εγκεφάλου. Για το σκοπό αυτό υλοποιήθηκαν πειραματικές διατάξεις για την καταγραφή εγκεφαλικών σημάτων παρουσία Η/Μ ακτινοβολίας. Διεξήχθησαν επίσης πειράματα, σε συνεργασία με το Αιγινήτειο νοσοκομείο, και έγινε επεξεργασία των δεδομένων, που συνελέγησαν από τις πειραματικές μετρήσεις, με διάφορες τεχνικές. Τα αποτελέσματα αυτής της επεξεργασίας αναλύθηκαν στατιστικά και προέκυψαν σχετικά συμπεράσματα. Αρχικά περιγράφεται η δομή των νευρικών κυττάρων με εστίαση στη δημιουργία και μετάδοση των ηλεκτρικών σημάτων, και παρουσιάζεται αναλυτικά η λειτουργία του εγκεφαλογράφου και ο τρόπος καταγραφής του εγκεφαλικού σήματος. Αναπτύσσονται τα κύρια χαρακτηριστικά του ηλεκτροεγκεφαλικού σήματος όπως οι φασματικές συνιστώσες και οι βασικές κορυφώσεις σε σχέση με το χρόνο (συντελεστές) των προκλητών δυναμικών και παρουσιάζεται μια επιγραμματική αναφορά στη βιολογική σημασία τους. Επίσης εξηγούνται οι τεχνικές αποθορυβοποίησης των σημάτων με σκοπό την απομόνωση των προκλητών δυναμικών από το συνοδό ‘θόρυβο’. Έπειτα περιγράφονται όλα τα στάδια σχεδιασμού, υλοποίησης και ελέγχου λειτουργίας των πειραματικών διατάξεων που εγκαταστάθηκαν σε κλωβό Faraday στο χώρο του Αιγινήτειου νοσοκομείου για την καταγραφή των εγκεφαλικών ηλεκτρικών σημάτων χωρίς και με την παρουσία Η/Μ ακτινοβολίας. Αναπτύσσονται επίσης οι δοκιμασίες (tests) ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (Electromagnetic Compatibility, EMC) στα οποία υποβλήθηκαν οι παραπάνω διατάξεις με σκοπό την συνεπή λειτουργία τους σε διάφορα ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλοντα. Ακολουθεί η περιγραφή των νευροψυχολογικών δοκιμασιών που μπορούν να διεξαχθούν με βάση τις πειραματικές διατάξεις που υλοποιήθηκαν. Αναλύεται η πειραματική διαδικασία στην οποία υπεβλήθησαν συνολικά 39 άτομα, κατά τη διάρκεια δύο πειραμάτων καθώς και η οργάνωση των δεδομένων που καταγράφηκαν. Όσον αφορά στην επεξεργασία των δεδομένων πρώτα περιγράφονται οι μέθοδοι επεξεργασίας του ηλεκτροεγκεφαλικού σήματος που καταγράφεται εν ηρεμία. Αναλύεται η εφαρμογή του μετασχηματισμού Fourier στα εγκεφαλικά σήματα και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αυτής της επεξεργασίας. Έπειτα περιγράφονται οι μέθοδοι επεξεργασίας των δεδομένων του ηλεκτροεγκεφαλικού σήματος στο τμήμα του που αφορά στα προκλητά δυναμικά, δηλαδή της ηλεκτροεγκεφαλικής δραστηριότητας που συμβαδίζει χρονικά με την επίδραση ενός εξωτερικού ερεθίσματος. Αρχικά αναλύονται τα αποτελέσματα της κλασικής επεξεργασίας όπου μελετώνται οι διαφοροποιήσεις των βασικών κορυφώσεων του σήματος σε σχέση με το χρόνο (συντελεστές εγκεφαλικών προκλητών δυναμικών) υπό την επίδραση της ακτινοβολίας και αποκαλύπτεται η αλληλεπίδραση κι άλλων παραγόντων (φύση ερεθισμού, φύλο εξετασθέντων). Στη συνέχεια αναπτύσσεται το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο της μεθόδου επεξεργασίας των wavelets και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής της συγκεκριμένης μεθόδου στα πειραματικά δεδομένα που αφορούν στο σήμα των προκλητών δυναμικών. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα της παρούσας μελέτης και η συνεισφορά της στο επιστημονικό πεδίο στο οποίο εντάσσεται. Επίσης γίνεται αναφορά σε μελλοντικές πιθανές προεκτάσεις της παρούσας διατριβής.