Universidade Federal do Rio de Janeiro
IMPLEMENTAÇÃO DE ALGORITMO MLS PARA A
ESTIMULAÇÃO AUDITIVA
Daniel Dahis
2016
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IMPLEMENTAÇÃO DE ALGORITMO MLS PARA A ESTIMULAÇÃO AUDITIVA
Daniel Dahis
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Mauricio Cagy, D.Sc
Rio de Janeiro
Setembro de 2016
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IMPLEMENTAÇÃO DE ALGORITMO MLS PARA A ESTIMULAÇÃO AUDITIVA
Daniel Dahis
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRÔNICO E DE COMPUTAÇÃO
Autor:
_________________________________________________ Daniel Dahis
Orientador:
_________________________________________________ Prof. Mauricio Cagy, D.Sc.
Examinador:
_________________________________________________ Prof Carlos José Ribas D'Avila, D.Sc.
Examinador:
_________________________________________________ Prof. Luiz Wagner Pereira Biscainho, D.Sc.
Rio de Janeiro – RJ, Brasil
Setembro de 2016
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Dahis, Daniel
Implementação de algoritmo MLS para estimulação auditiva / Daniel Dahis. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
IX, 56 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Mauricio Cagy, D.Sc.
Projeto de Graduação – UFRJ / POLI / Engenharia Eletrônica e Computação 2016.
Referencias Bibliográficas: p. 55-56.
1. Desenvolvimento Exame de Potencial Evocado Auditivo Alternativo 2. Potenciais Evocados. 3. MLS. I. Cagy, Mauricio. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia Eletrônica e de Computação. III. Implementação de algoritmo MLS para estimulação auditiva.
Este trabalho é dedicado a meus avós paternos Isaac e Ettel e meus avós maternos Judith e Arieh. Sei que todos eles me acompanham em minhas jornadas e me guio seguindo seus ensinamentos. Agradeço também aos meus irmãos Michel e Ilan e meus pais David e Geni por sempre me estimularem a seguir meus sonhos e chegar mais longe.
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AGRADECIMENTO
Agradeço aos professores que tive desde pequeno, tanto na faculdade quanto na
escola. Eles me ensinaram muito, e a partir de suas aulas também descobri que o
aprendizado do aluno vai além do que se escreve no caderno. Em especial, obrigado ao
Professor Mauricio Cagy, meu orientador acadêmico, que teve papel fundamental na
construção deste trabalho..
Um muito obrigado aos meus amigos que sempre acompanham minhas
aventuras e desafios, sejam eles de qualquer tipo. Obrigado a minha namorada Caroline
que, sempre junto, me estimulou a seguir meus desejos pela área biomédica. Com muita
paciência e carinho, tem me ouvido, me apoiado e me ajudado em muitas etapas muito
importantes nos últimos anos.
Agradeço finalmente a meus pais, que me deram muito papel e caneta quando eu
era pequeno, e me mostraram o caminho da criatividade, da honestidade e do esforço,
sempre me ajudando em tudo e bem próximos em todos os momentos da minha vida. E
também aos meus irmãos Michel e Ilan, companheiros de sempre que posso contar em
qualquer momento de minha vida.
Agradeço a Deus por ter me dado a possibilidade de aplicar meus
conhecimentos em favor da melhora da saúde humana.
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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletrônico e de Computação.
IMPLEMENTAÇÃO DE ALGORITMO MLS PARA A ESTIMULAÇÃO AUDITIVA
Daniel Dahis
Setembro/2016
Orientador: Maurício Cagy, D.Sc.
Hoje em dia, o exame de potencial evocado auditivo de média latência realiza-se
por meio de estímulos auditivos periódicos direcionados ao ouvido do paciente
enquanto o equipamento eletroencefalográfico registra a atividade eletrofisiológica do
mesmo. Neste modelo, é necessário que o paciente fique imóvel durante todo o
procedimento, o qual demanda muito tempo, pois possui uma frequência máxima de
estimulação (o trato auditivo é aproximado a um sistema linear). Este trabalho propõe o
desenvolvimento de um método alternativo desta modalidade de exame. Para isso,
utiliza-se o algoritmo MLS (Maximum Length Sequences) que permite a estimulação
auditiva de maneira aperiódica. Por meio deste, espera-se que o exame fique mais
rápido em comparação com a metodologia empregada atualmente. Mesmo ocorrendo a
sobreposição de respostas evocadas, é possível estimar o potencial padrão por meio do
uso do método de deconvolução. Os resultados obtidos neste trabalho deram-se através
de uma simulação e um teste piloto em um paciente. Verificou-se que todos os
resultados provenientes do teste piloto tiveram forte influencia da sequência auditiva de
estimulação. Ocorreu um significativo cross-talk entre computador (que envia os pulsos
auditivos) e EEG. Isso, por um lado, comprometeu a estimativa esperada de potencial
evocado auditivo, mas, por outro, demonstrou que a sincronização entre equipamentos
foi bem sucedida.
Palavras-Chave: Potenciais Evocados Auditivos,MLAEP, Exame, MLS, EEG.
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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fullfillment of
the requirements for the degree of Electronic and Computer Engineer.
IMPLEMENTATION OF A MLS ALGORITHM FOR AUDITORY ESTIMULATION.
Daniel Dahis
September/2016
Advisor: Maurício Cagy, D.Sc.
Nowadays, audio exams based on evoked potentials of medium latency operate through
periodic stimulation directed to the patient's ear while the electroencephalographic
equipment records his electrophysiological activity is applied. In this model the patient
is required to stand still throughout the procedure, which demands much time, due to a
maximum frequency of stimulation (the auditory tract of the patient is approximated to
a linear system). This work proposes the development of an alternative method for this
exam. For this purpose, it is used the MLS algorithm (Maximum Length Sequences)
which allows aperiodic auditory stimulation. Hereby, it is expected that the examination
will be speeded up w.r.t the current methodology. Even if overlapping evoked potentials
occur, it is possible to estimate the standard potential by using the deconvolution
method. The results of this work are based on a simulation and a pilot test with a
patient. It was found that all results of the pilot test suffer strong influence from the
auditory stimulation sequence. There was a strong cross-talk between computer (which
sends auditory pulses) and EEG, which on the one hand compromised the expected
estimation of auditory evoked potential, but on the other showed that the
synchronization between devices was successfully accomplished.
Keywords: Auditory Evoked Potentials, MLAEP, Exam, MLS, EEG
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SUMÁRIO
PARTE I - INTRODUÇÃO
1. Introdução ao Trabalho........................................................................ 2
1.1 Motivação do Trabalho................................................................ 3
1.2 Objetivo do Trabalho................................................................... 3
PARTE II - ASPECTOS TEÓRICOS
2. Exames Auditivos Atuais..................................................................... 5
2.1 Exames Responsivos.................................................................... 5
2.2 Exames Automáticos.................................................................... 7
3. Eletroencefalografia............................................................................. 11
3.1 Eletrofisiologia............................................................................. 11
3.2 Eletroencefalograma.................................................................... 13
3.3 Potenciais Evocados..................................................................... 14
4.O Algoritmo MLS................................................................................. 24
4.1 MLS-AEP..................................................................................... 25
5. Exame Auditivo de Potencial Evocado de Média Latência................. 31
5.1 Protocolo Atual............................................................................ 31
5.2 Estimulação Não Periódica Via MLS.......................................... 31
PARTE III - RESULTADOS
6. Resultados............................................................................................ 37
6.1 Simulação..................................................................................... 37
6.2 Sinais Reais.................................................................................. 44
7. Discussão............................................................................................. 51
8. Conclusões........................................................................................... 54
9. Bibliografia....................................................................................................... 55
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1. Introdução ao Trabalho
O ser humano vem, há muito tempo, tentando desenvolver métodos que
funcionem para detecção precoce e/ou tratamento da deficiência auditiva, condição que
afeta muitas pessoas ao redor do mundo. Nesse sentido, diversas pesquisas [22] são
realizadas todos os anos visando a desenvolver novos métodos de análise e prevenção
desta classe de doenças.
Por isso, o desenvolvimento de novas metodologias que ajudem a detectar
precocemente irregularidades auditivas que sejam de realização rápida e de baixo custo,
figuram como soluções urgentes [23] e importantíssimas para as políticas públicas de
todos os países do globo.
Atualmente, uma classe de exames auditivos (exames de Potencial Evocado
Auditivo, explicados mais adiante) demanda uma série de condições incômodas para
serem realizados, como a imobilidade do paciente e longos períodos de tempo de
exame. Isso é um obstáculo, visto que estes são utilizados principalmente em recém-
nascidos, cuja imobilidade não se consegue garantir por tanto tempo. Isso decorre do
fato de o exame atual consistir em uma longa sequência de estímulos auditivos
aplicados periodicamente, de modo a se estimar a resposta evocada auditiva, que é
captada pelo eletroencefalógrafo superposta ao eletroencefalograma espontâneo.
Usualmente, o intervalo entre estímulos é definido pela latência das ondas de interesse
na resposta evocada, de modo que um estímulo é disparado somente após um período
mínimo necessário para a ocorrência e cessação destas componentes da resposta
evocada no paciente.
Assim, visando à redução do período de exame sem a redução do número de
estímulos aplicados, e, portanto, mantendo a qualidade da forma de onda estimada, uma
solução direta seria a possibilidade de se aplicar uma sequência de estimulação em que
a ocorrência de um novo estímulo não requeira aguardar a cessação das respostas de
interesse. Nesse sentido, a implementação da teoria de Sequências de Comprimento
Máximo (Maximum-Length Sequences – MLS) [15] figura como uma oportunidade de
melhora neste cenário. Por meio de sua implementação, é possível utilizar estímulos
com intervalos pseudo-aleatórios que não necessariamente respeitem o período mínimo
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necessário para a resposta auditiva produzida pós-estímulo cessar. Com isso, na teoria, é
possível acelerar o exame.
1.1 Objetivo
Este trabalho objetiva desenvolver um método alternativo de estimulação por
cliques para exame de potencial auditivo empregando MLS. Nesse sentido, tendo em
vista a geração de sequências pseudo-aleatórias via MLS, que resultam em uma série de
cliques gerados pela placa de som do próprio computador responsável pela coleta de
sinais eletroencefalográficos (EEG), os objetivos específicos deste estudo concernem ao
desenvolvimento de um dispositivo de geração de pulsos de sincronização entre os
cliques e o EEG, bem como de um algoritmo de alinhamento da sequência MLS com
base nos instantes dos cliques, deconvolução do sinal coletado pela MLS e estimação da
morfologia do potencial evocado auditivo. Para isso, lançar-se-á mão de dados
simulados, bem como de sinais reais coletados de um teste piloto.
1.2 Motivação do Trabalho
O desenvolvimento deste projeto final, foi fruto de basicamente duas razões.
Primeiramente, este estudo fez parte de projeto de Iniciação Científica realizado no
Bloco H do campus do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Laboratório de Processamento de Imagens e Sinais (LAPIS), orientado pelo
professor Maurício Cagy, durante os semestres 2015.2 e 2016.1. Em segundo lugar,
tem-se em vista a participação do Engenheiro Eletrônico e de Computação na missão de
utilizar seus conhecimentos para elaborar métodos inovadores e mais efetivos na
detecção de doenças e patologias no nosso mundo.
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2. Exames Auditivos Atuais
No mundo inteiro, são diversas as metodologias utilizadas, nos dias de hoje, que
visam à detecção de deformidades auditivas. Aqui no Brasil, segundo o Hospital de São
Paulo Sírio-Libanes [3], existem, atualmente, nove exames auditivos diferentes. São
eles:
• Audiometria Tonal Limiar Convencional
• Audiometria de Alta Frequência
• Audiometria Vocal
• Imitanciometria
• Emissões Otoacústicas Evocadas
• Potencial Evocado Auditivo de Tronco Encefálico (PEATE)
• Emissões Otoacústicas e a Audiometria baseada Potencial Evocado Auditivo de
Tronco Encefálico (BERA)
• Avaliação Infantil - Técnica Suzuki & Ogiba
• Audiometria Tonal Limiar em Campo Livre
Cada um desses exames tem uma finalidade e implementação específica na
mensuração auditiva. Pode-se fazer uma divisão desse grupo em dois tipos:
Responsivos e Automáticos. Os exames responsivos são aqueles que, por meio de
estímulos sonoros, realizam o diagnóstico baseando-se nas respostas conscientes e de
maneira responsiva, ativa por parte dos pacientes. Já os automáticos são os exames que
realizam o diagnóstico baseando-se em respostas automáticas e não conscientes da parte
dos pacientes. A seguir, brevemente, apresentam-se os exames que compõem cada uma
das categorias acima.
2.1 Exames Responsivos
2.1.1 Audiometria Tonal Limiar Convencional
Este exame de audição tem por finalidade medir o nível mínimo de intensidade
sonora percebida. É utilizado para detectar o grau e tipo de surdez para posterior
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tratamento com medicamento, cirurgia ou recuperação da audição com uso de aparelho
auditivo. É um teste realizado em uma cabine acústica com fones de ouvido.
2.1.2 Audiometria de Alta Frequência
Tem por finalidade mensurar o nível mínimo percebido de intensidade sonora
nas frequências de 10, 12,5 e 16 kHz. É realizada em uma cabine acústica com fones
calibrados para emitir sons extremamente agudos. Utilizada para detectar alteração
auditiva precoce e monitorar indivíduos submetidos a tratamento com drogas
ototóxicas. É realizado em cabine acústica com fones de ouvido especiais para emitir
sons de alta frequência.
2.1.3 Audiometria Vocal
Avalia a capacidade de detectar e entender os sons da fala, sendo utilizado para
auxiliar no diagnóstico de doenças do ouvido e na indicação de aparelho auditivo. É um
teste que depende da colaboração do indivíduo (Figura 1). Este teste é realizado em
cabine acústica com fones de ouvido convencionais.
! Figura 1 - Exame de audiometria Vocal
Fonte: http://www.clinicacomunicacao.com.br Acesso em 14 de abril de 2016
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2.1.4 Avaliação Infantil - Técnica Suzuki & Ogiba
É semelhante à audiometria tonal limiar, mas sem fone de ouvido. Os sons são
emitidos e a criança tem ajuda de um brinquedo luminoso para responder, facilitando
sua compreensão e resposta ao teste. Possibilita uma interpretação mais fidedigna dos
resultados. A Figura 2 ilustra o material utilizado durante este exame.
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Figura 2 Avaliação Infantil - Brinquedo que auxília o teste em crianças.Técnica Suzuki e Ogiba
Fonte: http://www.mentronik.com.br/reforco-visual.html Acesso em 14 de abril de 2016
2.1.5 Audiometria Tonal Limiar em Campo Livre
Semelhante à audiometria tonal limiar, mas sem fones de ouvido, é utilizada
para avaliar os limiares auditivos de usuários de aparelho de amplificação sonora.
2.2 Exames Automáticos Os Exames automáticos podem, por sua vez, também ser divididos em dois
subgrupos: não-eletrofisiológicos, os quais não utilizam a mensuração dos sinais
eletrofisiológicos para traçar seu diagnóstico; e eletrofisiológicos, que utilizam a
mensuração dos sinais eletrofisiológicos para desenvolver seu diagnóstico.
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2.2.1 Exames Não Eletrofisiológicos 2.2.1.1 Imitanciometria
Esta avaliação inclui dois testes:
• Timpanometria – O exame é realizado usando-se uma pequena sonda revestida por
uma borracha macia, que é inserida no canal auditivo ao mesmo tempo em que o
indivíduo ouve um som. Dessa forma, é feita a análise da pressão da orelha média. É
utilizado para auxílio no diagnóstico de alterações do tímpano e ossículos do ouvido.
A Figura 3 ilustra o procedimento em um paciente.
• Reflexo acústico – Para avaliar o reflexo estapediano são fornecidos sons semelhantes
à audiometria tonal por meio de fone de ouvido. Automaticamente, é registrada uma
resposta que indica presença ou ausência desse reflexo. Auxilia no diagnóstico da
otosclerose, alterações do nervo facial, do nervo auditivo etc.
! Figura 3 - Exame de Imitanciometria
Fonte: http://www.mentronik.com.br/reforco-visual.html Acesso em 14 de abril de 2016
2.2.1.2 Emissões Otoacústicas Evocadas (EOA)
Existem dois tipos de EOA, dependendo do estímulo usado: por transiente e por
produto de distorção. São respostas auditivas geradas pelas células ciliadas externas, da
cóclea, e estão presentes em 98% dos indivíduos com audição normal, ou seja, limiares
melhores ou iguais a 35 dBNA.
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Este procedimento é também indicado como o "teste da orelhinha" para
identificar problema auditivo coclear congênito, recomendado para todos os recém-
nascidos. É um procedimento simples, rápido (10-15 minutos) e não invasivo. Um fone
que é colocado no conduto auditivo externo emite um som suave. A resposta, gerada na
orelha interna, é captada pelo microfone, acoplado a esse fone. Em neonatos, o exame é
feito durante sono natural, pois o ruído (movimentação, respiração ruidosa, choro etc.)
interfere na captação das respostas (Figura 4).
! Figura 4 - Emissões Otoacústicas Evocadas Fonte: http://http://portaldosbebes.fob.usp.br/
Acesso em 14 de abril de 2016
2.2.2 Exames Eletrofisiológicos
2.2.2.1 Potencial Evocado Auditivo de Tronco Encefálico (PEATE)
Este exame analisa a resposta elétrica gerada pela transmissão do estímulo
auditivo a partir no nervo auditivo até o tronco encefálico. A análise do tempo de
transmissão da resposta indica se a condução retrococlear está normal ou em que porção
há comprometimento (nervo auditivo, tronco encefálico baixo ou tronco encefálico
alto). Estes procedimentos são indicados para pacientes que não colaboram na avaliação
comportamental (audiometria). Portanto, têm excelente aplicação no diagnóstico
audiológico em recém-nascidos e bebês.
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2.2.2.2 Audiometria Baseada em PEATE - BERA
É uma subclasse de exame do PEATE. No caso do BERA, analisa-se um trecho
específico do sinal do PEATE (a chamada onda V), como será melhor explicado adiante
neste trabalho. Além disso, é evidente que esta metodologia também é implementada
em pacientes não cooperativos, como crianças e bebês.
Uma vez enunciados e devidamente classificados os mais diversos tipos de
exames auditivos, pode-se partir para um aprofundamento teórico no campo dos exames
elétrofisiológicos. É sobre esta classe de exames, mais especificamente os exames de
Potencial Evocado Autiditivos (AEP), que este trabalho se desenvolve. Para isso, é
necessário aprofundar na teoria utilizada na detecção e medição dos resultados destes
exames eletrofisiológicos, a eletroencefalografia.
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3. Eletroencefalografia A eletroencefalografia é o estudo dos registros gráficos dos potenciais elétricos
encefálicos. Esse estudo é realizado utilizando o equipamento denominado
eletroencefalógrafo (EEG).
Durante o procedimento, eletrodos são posicionados no couro cabeludo do
paciente de forma a medir as variações potenciais cerebrais (que são captadas na
superfície do mesmo). Baseando-se no resultado apresentado pelo EEG, podem-se
definir regiões onde existem deficiências eletrofisiológicas, ou em outras palavras,
regiões patológicas [27].
Para entender um pouco mais a fundo o que são os potenciais elétricos medidos
por este equipamento, deve-se compreender, primeiro, um pouco sobre a eletrofisiologia
cerebral.
3.1 Eletrofisiologia
O sistema nervoso central é composto basicamente por neurônios e células da
glia. Normalmente, as células da glia se posicionam entre os neurônios de maneira a
ajudar no transporte de impulsos elétricos entre os mesmos. Os neurônios são
compostos por dendritos, corpo, axônio e o terminal do axônio, como mostrado na
Figura5.
! Figura 5
A composição e transmissão de impulsos nervosos dos neurônios. Fonte: "Sincronização de disparos em redes neuronais com plasticidade sináptica. “Rafael R. Borges , Kelly C. Iarosz, Antonio M. Batista, Revista Brasileira de Ensino de Física Vol 37, no. 2 , São Paulo
06/15. Acesso em 21 de abril de 2016
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A transição entre um neurônio e outro é chamada de sinapse e é lá onde ocorre a
propagação elétrica dos impulsos nervosos. Todas as interações elétricas se dão por
meio de processos bioquímicos que envolvem íons. A concentração iônica em
determinada região determinará o potencial eletrofisiológico da região. Neste sentido, o
transporte elétrico se dá através de correntes iônicas que fluem de regiões com
diferentes potenciais elétricos.
No caso dos neurônios, existem potenciais elétricos inertes dentro do meio
celular e fora deste. Quando ocorrem descargas elétricas de modo a estimular um
neurônio (sinapses), o que ocorre são inversões, em determinadas regiões neuronais, da
polaridade, tanto internamente quanto externamente ao meio celular. Com isso, devido
às propriedades de correntes eletrofisiológicas apresentadas no parágrafo anterior,
surgem correntes externas e internas ao meio celular. A Figura 6 ilustra como este
processo ocorre.
! Figura 6
Mecanismos básicos na geração de potenciais eletrofisiológicos. Fonte: Eletroencephalography 5th ed. - E.Niedermeyer , F. da Silva (Lippincott ,2005),
Chapter 2, figure 2.4 Acesso em 21 de abril de 2016
Na figura acima, percebe-se que, por meio da sinapse, mudanças nos potenciais
elétricos dentro e fora do meio celular ocorrem, produzindo assim correntes
eletrofisiológicas (geradas pela diferença de potenciais elétricos).
Entretanto, o que realmente o EEG capta quando está operando, na prática, são
os potenciais elétricos do meio extra celular. Para isso, sempre será usado um potencial
de referência e um potencial de interesse. A diferença entre eles é que gera o sinal que
se costuma observar nos resultados do exame.
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3.2 Eletroencefalograma (EEG) Assim como explicado na seção prévia, o EEG opera realizando medidas dos
potenciais elétricos extra celulares. Um exame eletroencefalográfico, normalmente,
segue os seguintes procedimentos [6]:
1) O paciente recosta-se sobre uma cadeira ou cama.
2) Entre 16 e 25 eletrodos são posicionados em seu couro cabeludo.
3) O EEG começa a gravar os resultados da atividade neuronal. Durante todo o
procedimento, o paciente deve ficar o mais estável possível, pois qualquer movimento
pode gerar ruído no resultado. A Figura 7 ilustra o procedimento.
! Figura 7 -
Figura Ilustrativa de um Exame Eletroencefalográfico Fonte: https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/s2012/cwm55/cwm55_mj294/
Acesso em 21 de abril de 2016
Hoje em dia, esse aparelho é usado no diagnóstico de várias doenças do sistema
nervoso central, e é fundamental para ajudar no tratamento de vários pacientes pelo
mundo. No caso de exames audiométricos, o EEG é usado como mecanismo de
medição da atividade elétrica cerebral automática após estímulos sonoros. Na prática, o
que é medido pelo equipamento são os chamados potenciais evocados auditivos. Para
compreendermos um pouco melhor o que eles são exatamente, é importante primeiro,
entender mais a fundo o que são os chamados potenciais evocados [7].
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3.3 Potenciais Evocados Potenciais Evocados [7] são respostas eletrofisiológicas a determinados
estímulos sensoriais. Por exemplo, estímulos de som, de visão ou de tato produzem esse
fenômeno cerebral. Muito comuns entre os exames auditivos dentro da clínica diária
estão os métodos que medem os Potenciais Evocados Auditivos (AEP), Potenciais
Evocados Visuais (VEP) e Potenciais Evocados Somatossensitivos (SEP).
Estas respostas evocadas têm muita importância e relevância na medição de
diversas funcionalidades do sistema nervoso dos seres humanos. Alguns estudos [8], por
exemplo, indicam que o resultado da medição desses potenciais, tanto para exames
audiométricos quanto para sensoriais ou visuais, sofrem variações dependendo da idade
do paciente. Para pacientes nas primeiras semanas de vida, verifica-se uma grande
diferença na forma do sinal de potencial evocado quando comparada com a de pacientes
com idades mais avançadas (Figura 8).
Estas modificações se devem basicamente ao desenvolvimento do aparelho
cerebral, que ocorre entre a trigésima semana de vida até a quadragésima semana de
vida no recém-nascido.
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! Figura 8
Quadro comparativo dos potenciais evocados auditivos de curta latência (BAEP) nas primeiras semanas de vida de pacientes neonatos.
Fonte: Eletroencephalography, 5th Ed, Chapter 55, Figure 55.4.
Os potenciais evocados são muito utilizados no diagnóstico e como recurso de
prognóstico, pois permitem correlacionar medições eletrofisiológicas com capacidades
funcionais dos pacientes. É possível distinguir os potenciais evocados em três
modalidades: Visuais, Somatossensitivos e Auditivos. A seguir, aprofunda-se o estudo
em cada um deles.
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3.3.1 Visuais (VEP)
Os Potenciais Evocados Visuais foram os primeiros a serem utilizados na clinica
médica para adultos. O VEP, dentre outras aplicações, é utilizado em crianças com o
objetivo de medir diversas anormalidades na função visual, tais como:
- Acuidade visual [9]
- Presença de Doenças de Mielina [10]
- Presença de Tumores Óticos [11]
- Disfunções Cognitivas Cerebrais
Conforme os VEP são estimulados na área cortical (mais externa do cérebro), e
uma vez que esta área é responsável pela intermediação de atividades cognitivas, este
método é indicado sempre que é desejado verificar qualquer desordem na cognição do
paciente. Na Figura 9, pode-se observar a comparação entre um sinal VEP normal
registrado pelo EEG e um sinal VEP anormal.
! Figura 9
Comparação VEP - normal e anormal Fonte: http://www.msunites.com/evoked-potentials-testing/
Acesso em 22 de abril de 2016
3.3.2 Somatossensitivos (SEP)
Os potenciais evocados somatossensitivos são medidos a partir do sistema
nervoso periférico e central em resposta à estimulação de nervos periféricos. Essa classe
de potenciais é utilizada para a verificação da funcionalidade das vias somatossensitivas
[9].
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Normalmente , o exame que envolve a mensuração dos SEP é aplicado em áreas
do punho, joelho e no tornozelo do paciente, nos nervos medianos, peroneal e posterior
tibial, respectivamente. Um resultado anormal no exame é indicação de problemas que
podem estar relacionados a nervos periféricos, plexus, raiz espinhal, coluna espinhal,
tronco cerebral, projeções talamocortical ou até o córtex somatossensorial.
Um exame comum para medição da funcionalidade do nervo médio, por
exemplo, consiste em estimulações periódicas elétricas no punho do paciente. Os pulsos
de estímulos são pulsos retangulares de 100-300 microssegundos de duração. Estes
estímulos não podem ser em uma frequência elevada pois deformam o sinal de resposta;
nesse sentido, usa-se atualmente a frequência de 3-6 pulsos por segundo. A Figura 10
exemplifica sinais captados de um exame de potencial somatossensitivo.
! Figura 10
Exemplo de SEP de nervo mediano. Fonte: American Encephalography Society , 1994
Acesso em 24/04/2016
3.3.3 Auditivos (AEP)
Os Potenciais Evocados Auditivos são respostas elétricas geradas da transição da
cóclea ao córtex provenientes de estímulos sonoros. A análise desses potenciais
evocados desempenha um papel fundamental na detecção do funcionamento do
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aparelho auditivo, sendo útil no apontamento de irregularidades específicas destas vias,
como lesões no sistema nervoso central e problemas de mielina, entre outros.
Assim como os outros potenciais apresentados previamente, essas respostas são
automáticas (não dependem da resposta consciente do paciente) e, por isso, são muito
utilizadas em pacientes recém nascidos e crianças.
Os AEP podem ser de divididos em, basicamente, três segmentos: Potencial
Evocado Auditivo de Tronco Encefálico (PEATE), Potencial Evocado Auditivo de
Média Latência (MLAEP) e Potencial Evocado Auditivo de Longa Latência (LLAEP).
[10].
Cada um destes segmentos pode ser associado à resposta de uma área diferente
do trato auditivo humano. Em outras palavras, cada um destes trechos diz respeito às
respostas correspondentes desde o estímulo sonoro até a cognição. Neste sentido, o
PEATE corresponde à região de captura do som (tronco encefálico), o MLAEP está
associado às estruturas subcorticais e cortéx primário, e o LLAEP compreende,
portanto, as estruturas corticais associativas (responsáveis pela cognição). Cada uma
dessas partes tem origem em pontos diferentes do sistema nervoso e convém um breve
aprofundamento em cada uma delas.
3.3.3.1 PEATE
O PEATE corresponde ao sinal elétrico gerado entre 0 e 12ms [11] após o
estímulo sonoro. Como o próprio nome já diz, ele fornece informação sobre a
funcionalidade da passagem entre a cóclea e o tronco encefálico. Além disso, como o
sinal deste tipo possui ondas definidas que correspondem a cada área da passagem
acústica do aparelho auditivo, pode-se localizar facilmente onde e quais são as
deficiências específicas nos pacientes que se submetem ao exame. Na Figura 11,
visualiza-se um PEATE normal onde é possível verificar a presença das ondas I, II, III,
IV e V, as quais correspondem às passagens exatas em cada parte do aparelho auditivo
funcional.
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! Figura 11
Componentes do PEATE , ondas I, III e V Fonte: Eletroencephalography 5th Ed. , Chapter 55, Figure 55.1
Assim como explicado, cada onda tem a sua correspondente região no aparelho acústico humano, de maneira a explicitar um possível diagnóstico do paciente [11]:
• Onda I - Componente referente à extremidade distal no nervo acústico (8o par craniano).
• Onda II - Alterações no fluxo de corrente nos poros acústicos internos ou nervo auditivo na entrada do tronco encefálico.
• Onda III - Núcleo coclear ou trapezoidal. • Onda IV - Lemniscos laterais , células ventrais do lemnisco. • Onda V - Colículo inferior ventrolateral e lemnisco lateral ventral.
Uma subcategoria ainda do PEATE é o BERA e uma breve explicação sobre sua utilização segue a seguir.
3.3.3.1.1 PEATE-BERA
O BERA (Brainstem Evoked Response Audiometry) é uma subclasse dentro dos
exames de PEATE, que está focada em mensurar a onda V do PEATE, com vistas a
audiometria.
A onda V, assim como explicado na seção prévia, faz correspondência ao
funcionamento do colíluso inferior ventrolateral e do lemnisco lateral ventral. Ela
corresponde à onda destacada na figura a seguir:
!19
! Figura 12
A Onda V do PEATE de um paciente sem deficiências Fonte: Eletroencephalography 5th Ed. , Chapter 55, Figure 53.16
É sobre esta conformação que o BERA se baseia para fornecer os resultados
durante o procedimento examinatório.
3.3.3.2 MLAEP Potenciais evocados de média latência correspondem à parte dos AEP que ocorre
de 12 a 50 ms após o estímulo acústico. Os MLAEP podem ser classificados em dois
tipos: Transientes e Permanentes. O primeiro se refere aos potenciais evocados de média
latência que são gerados a partir de estímulos devidamente intervalados de maneira que
possibilite uma resposta única e livre de sobreposições (Figura 13). Já a segunda
classificação refere-se aos MLAEP que são gerados a partir de estímulos cujo período
de intervalo é menor do que o necessário para se obter uma resposta de apenas um único
estímulo. Portanto, neste caso, há superposição de MLAEPs sucessivos (Figura 14).
Se, por um lado, o PEATE denota formas de onda que se relacionam diretamente
com a funcionalidade de alguns órgãos que recebem os estímulos sonoros por parte do
corpo humano, o MLAEP está relacionado a funcionalidades da estrutura subcortical
logo após (em relação ao caminho natural do fluxo de estímulos nervosos) o tronco
encefálico e do córtex auditivo primário.
!20
! Figura 13
Ondas MLAEP “Transientes" Fonte:http://clinicalgate.com/central-nervous-system-monitoring-2/
Acesso em 16 de maio de 2016
! Figura 14
Ondas MLAEP “Permantentes" : Comparação entre um paciente normal (A), um paciente com o lobo temporal comprometido (B) e um paciente com lesão na área central do cérebro “midbrain” (C).
Fonte: Eletroencephalography 5th Ed. , Chapter 53, Figure 53.19
3.3.3.3 LLAEP
O potencial evocado de longa latência está intimamente correlacionado aos
processos cognitivos que acontecem na região cortical. Eles correspondem à parcela dos
AEP que ocorrem a partir de 50 ms após o estímulo acústico.
As ondas características deste potencial são:
• P300: Intimamente relacionado com a ocorrência de algum evento de interesse.
• N400: Obtido pela estimulação linguística, quando há inconsistência semântica.
Em suma, um AEP normal, é definido segundo a figura a seguir:
!21
! Figura 15
Potencial Auditivo Evocado Completo, segregado em três fases: PEATE, MLAEP, LLAEP. Fonte: http://www.lookfordiagnosis.com
Cada uma das fases correspondentes ao AEP já rendeu diversos estudos e
análises pelos mais diversos campos do conhecimento [25]. É interessante compreender
que os exames de medição de potenciais auditivos (de curta, média e longa latência)
demandam uma série de condições procedimentais que são muito importantes de
compreender, pois servirão de motivação para a proposição deste projeto.
Pode-se apontar, associada ao procedimento, a necessidade de extrema paciência
e imobilidade do paciente, pois como os potenciais evocados são de baixa amplitude
comparados ao eletroencefalograma espontâneo, requer-se um elevado número de
estímulos para se estimar sua forma de onda, e qualquer movimentação pode gerar
problemas nos resultados.
Além disso, este procedimento de captação dos AEPs é realizado através da
emissão de estímulos auditivos periódicos suficientemente intervalados [12] de modo a
cessar uma resposta evocada antes da emissão de um novo estímulo. A cada clique
auditivo, uma resposta (Figura 15) é gerada pelo trato auditivo do paciente e captada
pelo EEG. Por meio deste mecanismo de periodicidade definida, evita-se que haja
sobreposição dos potenciais evocados do paciente gerados após cada clique sonoro .
Se, por um lado, isso é benéfico para obter respostas “limpas" (sem superposição
do potencial evocado pelo estímulo sonoro seguinte), por outro é fácil notar a existência
de uma frequência limite de estímulos sonoros auditivos que permita esse processo
ocorrer. Normalmente [13], dependendo do AEP de interesse, são usadas frequências de
cliques sonoros de 10-40Hz, com limite de 50-60Hz para o PEATE, uma vez que a
resposta ao pulso sonoro dura 20 ms. Com isso, estes exames carecem de longos
períodos de tempo (cerca de 30 minutos).
!22
Portanto, da maneira que é aplicada hoje, esta classe de exame possui algumas
características que podem ser consideradas "gargalos" de aplicabilidade. Resumindo, os
problemas correlacionados são:
- Alto consumo de tempo de exame.
- Imobilidade do paciente durante o procedimento.
- Limite de frequência de cliques sonoros durante o exame.
O objetivo geral deste trabalho é contribuir na busca de um método alternativo
que acelere este procedimento sem, é claro, perder informações dos sinais de interesse.
Propõe-se, a seguir, uma arquitetura de exame que implemente um tipo de estimulação
baseada em um algoritmo ainda investigado na literatura que pode ser uma solução para
os problemas apontados: o algoritmo MLS [26] (Maximum-Length Sequences), que, por
permitir uma taxa média de estimulação mais elevada, reduz o tempo de exame,
diminuindo o incômodo causado no paciente.
4. O Algoritmo MLS
O MLS (Maximum Length Sequences) é um método desenvolvido no campo de
processamento de sinais que consiste na geração de um sinal com energia bem
distribuída por todo o espectro de frequências, similar ao ruído branco, porém periódico,
com um período longo e taxa de variação de repetição baixa. É considerado
pseudoaleatório e aperiódico [15] dentro de um período da sequência. Originalmente,
este sinal é produzido por pulsos que variam entre os valores de -1 e +1. Como
exemplificado em trabalhos anteriores [16], a soma total da sequência MLS é igual a -1.
O tamanho de uma sequência desta categoria é dado por P = 2n -1, onde n
(inteiro) é a ordem do MLS e P, o tamanho de um período.
As sequências MLS têm diversas propriedades que favorecem seu uso. Entre
elas, pode-se destacar que, se uma MLS for usada como sinal de entrada de um sistema
linear invariante no tempo, a correlação cruzada entre entrada e saída do sistema é a
própria resposta ao impulso do mesmo; além disso, a técnica MLS rejeita componentes
DC do sinal amostrado.
!23
A aplicabilidade das MLS varia dependendo do campo de conhecimento. No
caso de acústica, por exemplo, ela é usada para a obtenção da resposta em frequência de
alto-falantes.
4.1 MLS - AEP A técnica MLS também se demonstra muito útil na medição dos potenciais
evocados auditivos. Como explicado previamente, os potenciais evocados auditivos de
tronco encefálico são produzidos atualmente através de estímulos (cliques) periódicos
ao trato auditivo do paciente. Neste sentido, considera-se o trato auditivo como um
sistema linear que responde a cada clique. É simples perceber, portanto, que o que se
está medindo quando se fala de potenciais evocados de tronco encefálico nada mais é
que uma aproximação da Resposta ao Impulso do trato auditivo do paciente
(aproximado a um sistema linear invariante no tempo).
No caso da implementação do algoritmo MLS para os exames de potencial
evocado auditivo, a sequência MLS é transformada, assim como poderá ser visto mais a
frente neste texto (figura 17), em uma sequência que contém apenas +1 (estímulos
auditivos) e -1 (sem estímulos auditivos).
Atualmente, a metodologia de exame usualmente utilizada é a de repetição de
estímulos (cliques) e, em seguida, a estimação da resposta auditiva. Uma vez que os
sinais evocados têm amplitude muitas vezes menor do que a do próprio EEG
espontâneo, é preciso usar alguma metodologia que produza um resultado que aumente
a razão sinal- ruído da forma de onda estimada. Este processo se dá com base na média
coerente de todas as épocas pós-estímulo (sincronizadas com os estímulos), de modo
que o eletroencefalograma espontâneo, que não é correlacionado com os estímulos, seja
atenuado, e o resultado aproxime a forma de onda real do potencial evocado.
Seja um processo dado por y(t) = x(t) + n(t), em que x(t) é o sinal de interesse
consistente, e n(t) é um ruído aleatório de média zero; a média coerente [16] de um
conjunto de N épocas de y(t) será dada por y(t) = ( 1 / N )·Σx(t) + ( 1 / N )·Σn(t). À
medida que o número de épocas aumenta, a variância do ruído n(t) tende a decair na
proporção de N vezes, enquanto que a parcela x(t) se mantém a mesma, elevando-se a
razão sinal-ruído. A figura a seguir exemplifica este fenômeno.
!24
! Figura 16
Comparação entre resultados utilizando diferentes quantidades de amostras pelo método de médias coerente.
Fonte: Processamento de Sinais Biológicos no Domínio do Tempo. Adriano de Oliveira Andrade, Dezembro de 1998. Universidade Federal de Uberlândia.
Este trabalho focará na aplicabilidade do MLS em um subtipo dos AEP's, os
potenciais evocados auditivos de média latência e, a partir deste ponto, toda a teoria
desenvolvida estará relacionada com este tipo de potenciais. O que se propõe com o
MLS é justamente estimular o paciente através de cliques não periódicos que
possibilitem a diminuição do tempo de exame. Assim, com o uso do algoritmo
envolvendo MLS, espera-se poder estimular o paciente sem ter de esperar a resposta
evocada por cada clique cessar. Com isso, naturalmente, os potenciais evocados de cada
clique ficariam sobrepostos durante a medição com EEG; porém, como se trata de MLS,
o qual tem as suas propriedades bem definidas e conhecidas, pode-se separar estes
!25
sinais resposta por meio da deconvolução de maneira a produzir respostas amostrais aos
cliques tão precisas quanto se tem nos dias de hoje. A figura 17 representa bem isso.
! Figura 17
Quadro comparativo entre o modelo de estímulo convencional periódico e usando MLS Adaptado de “Technical Communications Auditory Evoked Potentials with Middle Latency Response
Chirp” 2006 . Institute of Sound and Vibration Research, University of Southamptom.
Como é possível perceber na Figura 17, no gráfico da esquerda, os estímulos
periódicos geram uma resposta definida e suficientemente intervalada (segundo gráfico
da esquerda). Quando a resposta de um estímulo "cessa", é aplicado outro estímulo e
segue-se assim. Já na parte direita da foto, pode-se ver um "trem" de estímulos que não
respeitam esta regra. A figura logo abaixo já mostra os potenciais evocados auditivos
sobrepostos. E por fim, na última figura da direita o sinal final já deconvoluído.
Percebe-se que o segundo método consegue as mesmas respostas que o primeiro, porém
em velocidade maior.
!26
No caso deste trabalho, que visa à estimulação auditiva valendo-se das
propriedades desta técnica, durante a estimulação auditiva por meio de uma sequência
MLS, transformam-se os pulsos -1's em 0's, enquanto os valores +1 serão convertidos
nos cliques da estimulação auditiva. Para recuperar o potencial evocado por meio da
deconvolução, utilizam-se as sequências originárias (compostas por +1 e -1), acrescidas
de 0's devidamente distribuídos na matriz de deconvolução (tornando-a esparsa), de
modo que o número de amostras da sequência acrescida de 0's iguale-se à da época de
sinal.
Assim como explicado previamente, o sinal de resposta de um estímulo auditivo
pelo método MLS estará somado a outras respostas por conta de a repetição dos
estímulos ser pseudoaleatória e não respeitar o tempo mínimo para cessar uma resposta
auditiva antiga antes de iniciar outra. Para se separar essa aglutinação de sinais, usa-se
um método de deconvolução [17].
Algumas das propriedades das sequências MLS são apresentadas a seguir. Uma
sequência MLS tem tamanho finito L=2ˆm -1, e é dada por uma distribuição de -1 e +1
cuja soma é igual a -1, assim como apresentado a seguir:
! (1)
e tem função autocorrelação dada por:
! (2)
a qual é igual a L para o caso onde k=0, e -1 em caso contrário.
Uma sequência MLS pode facilmente ser gerada a partir de um deslocamento de
bits (shift register) de n bits [19]. Se uma sequência MLS é apresentada a um sistema
linear invariante no tempo com resposta ao impulso conhecida h[i], i=0,....., L-1, a
resposta deste sistema será dada da forma:
! (3)
Em outras palavras, pode-se escrever a equação acima da forma matricial como sendo:
mls(i)mls(i − k) = L−1
⎧⎨⎩i=−L
L−1
∑
y[k]= h[i]mls[k − i]i=0
L−1
∑ = mls[k]∗h[k]
!27
! (4)
na qual a matriz MLS (ML) é L x L e será dada pelos deslocamentos MLS da seguinte
forma:
! (5)
Para aplicações MLS de potencial auditivo de média latência, define-se uma
matriz MLS alterada M'L, composta por apenas zeros e uns; a operação necessária para
isso utiliza uma matriz de apoio UL composta apenas de +1 de tamanho também LxL:
! (6)
O problema de encontrar a resposta ao impulso do meio auditivo h[i],
i=0,1,......,L-1 é equivalente ao problema de encontrar o inverso da matriz M'L. A inversa
desta matriz é exatamente ML, e pode ser verificado que:
! (7)
e, uma vez que ML UL = -UL :
! (8)
y[0]..
y[L −1]
⎡
⎣
⎢⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥⎥
= ML
h[0]..
h[L −1]
⎡
⎣
⎢⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥⎥
ML =
mls[0] mls[1] ! mls[L − 2] mls[L −1]mls[1] mls[2] ! mls[L −1] mls[0]! ! ! !
mls[L − 2] mls[L −1] ! mls[L − 4] mls[L − 3]mls[L −1] mls[0] ! mls[L − 3] mls[L − 2]
⎡
⎣
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
M 'L =12ML −UL[ ]
ML iM'L = ML
12(ML −UL )
⎡⎣⎢
⎤⎦⎥
ML iM'L =
12MLML −
12MLUL
ML iML' = 1
2
L −1!
−1 L
⎡
⎣
⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥
= (L +1)2
IL
!28
em que IL é uma matriz unitária LxL. Portanto, temos que o sistema final é definido por:
! (9)
Por meio da equação acima e do procedimento como um todo, é possível estimar
a "resposta ao impulso" do trato auditivo, aproximado por um sistema linear invariante
no tempo.
4.1.1 Aplicação do MLS para um caso de Ruído de Banda Estreita Vale salientar ainda, que muitas vezes, durante o processo de mensuração do
potencial evocado auditivo de média latência por meio do procedimento convencional
ou não, pode-se encontrar possíveis dificuldades que se relacionam à existência de
correlações entre ruídos e frequência de estímulo. Nesse sentido, uma vez que o
paciente se posiciona para fazer o exame, assim como explicado previamente, ele se
deita e fecha os olhos. Essa posição torna favorável a eliciação de sinais EEG na banda
alfa, que são muito parecidos com senoides de frequência constante [18]. Se, por algum
acaso, a frequência dos estímulos sonoros coincidirem com a frequência destas senoides
(ruído) ou forem harmonicamente relacionadas, é possível que se crie uma espécie de
correlação entre estímulo e sinal de resposta que prejudicará o sistema e gerará
resultados errados durante a estimação. Por isso, é muito importante garantir a
descorrelação entre estímulos e ruídos de banda estreita. Para isso, a ferramenta que é
usada é a criação de um sinal MLS com shifts pseudo-aleatórios circulares na sequência
MLS de maneira a dificultar qualquer possível relação com as frequências de sinais
ruidosos.
Além desse mecanismo, assim como apresentado previamente, outro método
que visa a garantir a segurança das informações de sinal de interesse é a utilização do
método de médias coerentes, que aumenta a razão sinal-ruído.
5.0 Exame Auditivo de Potencial Evocado de Média Latência
5.1 Protocolo Usual
h[0]!
h[L −1]
⎡
⎣
⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥== 2(L +1)
ML
y[0]!
y[L −1]
⎡
⎣
⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥
!29
Atualmente, este tipo de exame é composto por uma arquitetura
consideravelmente simples. Ela é basicamente composta por um equipamento que tem a
mescla de um computador e um EEG. O equipamento funciona como uma fonte de
cliques auditivos periódicos, e também capta e realiza o processamento das respostas
evocadas do paciente. A figura a seguir ajuda a entender como ele funciona.
!
Figura 18 Teste BAEP
Fonte: http://www.indiamart.com/proddetail/baer-test-7053651055.html Acesso em 23/05/2016
No caso deste trabalho, visando à implementação de um programa de estímulos
aleatórios que estejam vinculados às propriedades do MLS faz-se necessário propor
outro tipo de protocolo que suporte com segurança esta implementação. Para
compreender o protocolo proposto, será necessário antes conhecer o que exatamente
deve ocorrer para obter-se um exame que implementa o algoritmo.
5.2 Estimulação Não Periódica via MLS
A estimulação auditiva usual é realizada de maneira periódica, sendo que,
comumente, um mesmo sistema digital é responsável pela geração dos estímulos e pela
aquisição do sinal EEG. No sistema proposto de geração de estimulação não periódica
via MLS, será empregado um sistema comercial de captação de sinais EEG, adaptado
!30
para implementar taxas de amostragens compatíveis com Potenciais Evocados (4,5 kHz
ou 9,0 kHz, com 8 ou 4 derivações, respectivamente).
Nesse sentido, não se faz viável a incorporação do módulo de estimulação no
próprio dispositivo de captação de sinais. Não obstante, este possui uma entrada de
trigger digital, que pode ser usada para a sincronização entre o sinal EEG e os estímulos
aplicados (tipo clique). Assim, o diferencial do presente projeto é a implementação de
um módulo de geração de cliques não periódicos bem como os respectivos pulsos
digitais a serem empregados como entrada de trigger no eletroencefalógrafo.
Inicialmente, abordou-se a possibilidade de implementar tal módulo com o uso
de microcontroladores, particularmente, o nanocomputador Raspberry Pi. Este
equipamento apresenta baixo custo se comparado com computadores comuns, e possui
razoável capacidade de processamento, compatível com as demandas deste projeto.
Neste sentido, desenvolveu-se um programa em ambiente Lazarus (linguagem Free
Pascal) sob o sistema operacional Raspbian (versão análoga à distribuição Debian do
Linux, voltada para o Raspberry Pi), visando à geração dos cliques de áudio e pulsos
digitais, bem como uma interface via rede (Ethernet) para o controle deste módulo pelo
software principal de aquisição de dados, que se comunica com o eletroencefalógrafo
via rede Ethernet.
Assim, tal implementação requereu o emprego de um roteador Ethernet, para
que o computador em que é executado o programa principal se comunicasse tanto com
o eletroencefalógrafo quanto com o Raspberry Pi (Figura 19).
!31
! Figura 19
Arquitetura Inicial de implementação do sistema de estimulação não periódica. Fonte: Autoria própria
Contudo, o modo como a API (Interface de Programação de Aplicativos) de
áudio do Linux é implementada não permite a geração de pulsos digitais de maneira
concomitante com as dados de áudio, o que exigiu o desenvolvimento de um circuito
analógico de detecção de cliques e geração de pulsos digitais. Além disso, após a
implementação do programa de geração dos cliques, notou-se que o ruído de fundo do
áudio resultante apresentava níveis incompatíveis com a estimulação auditiva requerida
(isto decorre do fato de a geração de áudio no Raspberry Pi ser via PWM – Modulação
por Largura de Pulso).
Assim, já tendo em vista a necessidade de implementar o circuito analógico de
detecção dos cliques, optou-se por uma abordagem alternativa, ainda mais simples, em
que a geração dos cliques é realizada pelo próprio computador principal, o que elimina
o emprego tanto do Raspberry Pi quanto do roteador (Figura 20).
!32
! Figura 20
Arquitetura prática de implementação do sistema de estimulação não periódica. Fonte: Autoria própria
Em relação à implementação inicialmente prevista, este desenho implica, como
único inconveniente, a necessidade de o computador principal encontrar-se próximo do
indivíduo examinado, uma vez que os estímulos auditivos são gerados por sua placa de
som.
O circuito detector de sinais foi construído utilizando conceitos de eletrônica
analógica e digital aplicados a processamento de sinais. Assim como explicado no
capítulo prévio, o objetivo deste aparelho é acionar o EEG de maneira a "avisá-lo" de
que, em determinado momento, um clique foi gerado pelo computador e enviado ao
paciente como estímulo. Essa interface se dá através da conexão da saída do detector
com a entrada de trigger do EEG.
Na prática, este circuito é definido por duas placas: uma contendo o TL082 e o
TCL393, e outra com o TDA2822. O TL082 é um amplificador de tensão, o TLC393 é
um comparador e o TDA2822 é um amplificador de áudio. A Figura 21 demonstra o
esquemático deste circuito.
EEGComputador
Detector
Paciente
!33
! Figura 21
Esquemático do Circuito Detector de Sinais
Este circuito faz a conversão dos pulsos de áudio (cliques) enviado aos fones de
ouvido do paciente em pulsos detectáveis pelo canal de trigger do EEG.
!34
6.0 Resultados
Esta seção apresentará as simulações realizadas e os resultados práticos do
exame simulado dentro do laboratório. 6.1 Simulação Visando a analisar o desempenho do algoritmo de geração de MLS e
estimulação aperiódica, dados simulados foram gerados com base em uma forma de
onda padrão – contendo BAEP, MLAEP e parte do LLAEP – e considerando o EEG
como um ruído colorido de banda estreita (centrada na banda alfa – 10 Hz com largura
de banda de 25%); para isso, empregou-se o ambiente de computação numérica Matlab.
Tal procedimento foi elaborado de maneira a simular a resposta do paciente virtual para
sequências MLS de diferentes ordens (3, 4 e 5) embutidas em épocas de 250 ms de
duração. Assim, considerando-se que cada sequência possui 2N – 1 amostras (com 2N – 1
delas com valor +1, e as demais, -1), em que N é a ordem da sequência, e que apenas os
valores +1 são transduzidos em cliques de estimulação auditiva, estas ordens implicam
uma taxa média de estimulação de 16, 32 e 64 cliques por segundo. Além disso, na
simulação, comparam-se os resultados que empregam ou não um shift circular aleatório
das sequências ao longo das épocas, tal como proposto em Cagy e Infantosi (2014) [20]
com vistas à aplicação de um detector estatístico de potenciais evocados embebidos em
EEG de banda estreita (Detector de Potências Evocados). Neste sentido, apresentam-se
abaixo três figuras ilustrando simulações que não usam este mecanismo e três que usam.
Nas Figuras 22, 23 e 24 (MLS de ordem 3,4 e 5, respectivamente, sem emprego
do shift circular aleatório), o sinal “PE padrão” (p.ex. Figura 22b) é convoluído com o
“trem de impulsos” não-periódicos (valores +1 da sequência MLS – figura 22a) gerando
uma resposta evocada que exibe superposição das ondas características (“PE conv.” –
Figura 22c). Depois, já se considerando o sinal simulado contendo PE e EEG
aditivamente, a média coerente de todas as épocas de modo simples (sem deconvolução)
é apresentada na Figura 22d (“Sem deconv.”), na qual nota-se o mesmo efeito de
superposição do gráfico anterior. Por outro lado, empregando-se uma matriz de
deconvolução estabelecida com base na MLS empregada na estimulação, a estimativa
do potencial evocado aglutinado é exibida na Figura 22e (“Com deconv.”). Por fim, a
figura 22f (“Jitter”) ilustra o efeito deletério decorrente de desvios aleatórios na
!36
detecção dos instantes de ocorrência dos cliques, e, portanto, com erro na geração da
matriz de deconvolução.
! Figura 22
Simulação para MLS de ordem 3 e sem shift aleatório.
!37
! Figura 24
Simulação para MLS de ordem 5 e sem shift aleatório.
É possível perceber, nas três simulações acima que a média coerente das épocas
sem emprego da deconvolução (item “d” – “Sem deconv.”) aproximam-se da mera
convolução do PE padrão com a sequência MLS (item “c” – "PE conv."). Isso é
esperado, uma vez que, não havendo shift circular aleatório ao longo das épocas, a
sequência MLS é a mesma em todas elas. Por outro lado, ao se empregarem tais shifts
circulares, o gráfico “Com deconv.” (Figuras 25e, 26e e 27e) não se assemelha mais ao
gráfico “PE conv.”, pois este apresenta apenas a aplicação da sequência MLS inicial,
!39
enquanto que aquele envolve a média coerente de épocas que empregam sequências
diferentes. As Figuras 25, 26 e 27 apresentam as simulações do MLS com shift
aleatório.
! Figura 25
Simulação para MLS de ordem 3 e com shift aleatório.
!40
! Figura 27
Simulação para MLS de ordem 5 e com shift aleatório.
É importante ressaltar que o processo de deconvolução é feito em todas as
épocas, usando ou não o shift aleatório. Essa deconvolução produz, no caso de ruídos de
banda estreita, transições abruptas no sinal em instantes de tempo que dependem da
própria seqüência MLS utilizada. Quando a MLS é sempre a mesma (caso sem o shift
aleatório), essas transições ocorrem sempre no mesmo instante de tempo para todas as
épocas, de modo que, na média coerente, tais transições tendem a se cancelar ou atenuar
umas às outras, já que essas transições são ora positivas ora negativas. Quando a MLS
varia ao longo das épocas, cada época vai apresentar essas transições em instantes
diferentes (podendo inclusive haver épocas com instantes coincidentes, mas será um
!42
número menor do que se fossem todas no mesmo instante), de modo que a atenuação
dessas transições na média coerente não fica tão satisfatória. (Exemplo - Figura27e,
entre os instantes 0,1 e 0,15 s).
6.2 Sinais Reais
O experimento com sinais reais consistiu na medição das respostas evocadas do
professor Mauricio Cagy quando submetido a estimulação auditiva. Utilizou-se um
EEG com quatro canais ligados por meio de eletrodos à cabeça do "paciente". O canal
1, inserido no campo 23 do aparelho, foi conectado na posição FZ da cabeça. O canal 2,
no campo 24 do aparelho, foi conectado na posição PZ da cabeça. O canal 3, no campo
25 do aparelho, foi conectado na posição A1 da cabeça e por fim o canal 4 , no campo
26 do aparelho, foi conectado na posição A2 da cabeça do paciente. A figura a seguir
ajuda a entender as posições do crânio.
! Figura 28
Sistema padrão de colocação de eletrodos para registro de sinal de EEG Fonte: Aluizio Netto, COPPE , "FOTO-ESTIMULADOR PROGRAMÁVEL PARA ESTUDO DE
POTENCIAL EVOCADO VISUAL", (2012), pág.13
O computador utilizado, possuía instalado um programa que tanto realiza a
estimulação auditiva do paciente quanto realiza a captação e o arquivamento dos
resultados captados pelo EEG. A Figura 22 demonstra um print deste programa.
!43
! Figura 29
Print do programa do Computador , responsável pelo processamento de dados Fonte: Computador Maurício Cagy
Por fim, assim como explicado anteriormente, foram utilizados dois módulos
eletrônicos que desempenharam o papel de amplificação de sinal e sincronização entre
os estímulos do computador e o EEG (Figuras 30 e 31).
! Figura 30
Módulo de distribuição auditiva por fone de ouvidos. TL393 e TDA2822. Fonte: Desenvolvimento do Projeto
!44
! Figura 31
Módulo amplificador de tensão TL082 (utilizado para a sincronização do EEG). Fonte: Desenvolvimento do Projeto
A figuras 32 e 33 demonstram o momento de realização do experimento:
! Figura 32
Momento de realização do Experimento - Visão Geral. Fonte: Desenvolvimento do Projeto
!45
!
Figura 33 Momento de realização do Experimento - Visão Software.
Fonte: Desenvolvimento do Projeto
Foram realizadas cinco coletas de sinal EEG, armazenadas em arquivos
diferentes. No teste 1, foi coletada apenas atividade EEG espontânea, isto é, sem a
utilização do fone de ouvido, e, portanto, sem ocorrência de qualquer estímulo. Os
testes 2 e 3 mediram a resposta do trato auditivo à estimulação periódica (7 e 9 cliques
por segundo, respectivamente) por meio de fone de ouvido. Os testes 4 e 5 mensuraram
a atividade auditiva enquanto aconteciam estímulos aperiódicos MLS (ordens 4 e 5,
respectivamente) por fone de ouvido.
As figuras a seguir (Figuras 34, 35, 36, 37 e 38) mostram os resultados obtidos
após o processamento dos sinais coletados. Este processamento deu-se por meio de um
programa desenvolvido em Matlab que implementa um filtro passa-altas (Butterworth
de 2a ordem) com frequência de corte em 0,1 Hz e um filtro passa-baixas, (também
Butterworth de 2a ordem) com frequência de corte de 800 Hz. Além disso, tanto no caso
de estimulação periódica quanto no de estimulação aperiódica, a rotina de
processamento detectou os pulsos de trigger para sincronização das épocas e realizou a
média coerente das mesmas. Ademais, no caso de estimulação aperiódica, o processo de
deconvolução precedeu a média coerente.
!46
Nestas figuras, cada linha colorida corresponde à resposta estimada a partir de
uma das derivações do eletroencefalógrafo. Pode-se notar que as cinco figuras
apresentam muita similaridade. Tanto quando não há estímulos (Figura 34) quanto
quando ele é periódico (Figuras 35 e 36) ou aperiódico (Figuras 37 e 38), pode-se notar
a existência de um pulso de amplitude elevada seguido por ondas de amplitude
reduzida. Apesar de parecer um pouco com a forma de onda do Potencial Evocado
Auditivo, estas ondas não o são. O que aconteceu claramente durante o experimento foi
"cross-talk" entre o sinal trigger e o EEG durante o experimento. Isto é, os pulsos de
trigger, cuja única finalidade era sincronizar a estimulação auditiva ao EEG
apresentaram forte acoplamento elétrico nos sinais captados pelos amplificadores de
EEG, influenciando nos resultados capturados pelo equipamento. Com isso, tornou-se
possível verificar que cada pulso sonoro emitido pelo computador apareceu na captação
dos resultados com alta amplitude, comprometendo a resolução do sinal processado que
deveria mostrar potenciais evocados de amplitudes dezenas de vezes menores do que a
amplitude do pulso de cross-talk.
! Figura 34
Resultado do processamento do Teste 1 - Paciente sem fone de ouvido porém com estímulos auditivos acontecendo.
!47
! Figura 35
Resultado do processamento do Teste 2 - Paciente sendo estimulado periodicamente.
! Figura 36
Resultado do processamento do Teste 3 - Paciente sendo estimulado periodicamente, novamente.
!48
! Figura 37
Resultado do processamento do Teste 4 - Paciente sendo estimulado via sequência MLS de cliques.
! Figura 38
Resultado do processamento do Teste 5 - Paciente sendo estimulado via sequência MLS de cliques, novamente.
!49
7.0 Discussão Com base nos resultados para sinais simulados, é possível analisar a influência
de dois fatores: a utilização de shift circular aleatório na MLS ao longo de épocas
consecutivas, e a ordem da sequência MLS. Ao se compararem as simulações em que
não foi utilizado o shift (itens “d” e “e” das Figuras 22, 23 e 24), é possível perceber que
quanto maior a ordem da sequência MLS, melhor será a estimativa de potencial
evocado auditivo. É importante notar que, no contexto desta simulação, considera-se a
resposta do trato neural auditivo equivalente à resposta ao impulso de um sistema linear,
o que não é estritamente verdadeiro. Quanto maior a ordem da MLS empregada em
épocas de mesma duração, mais elevada é a taxa média de estimulação, implicando
maior razão sinal-ruído (EEG espontâneo é mais atenuado no processo de média
coerente) e, com isso, melhor estimativa do PE (mais próximo do PE ideal padrão).
Com relação ao emprego do shift circular aleatório, ao se compararem as Figuras
24 (sem emprego do shift circular) e 27 (com emprego do shift), nota-se que a primeira
consegue aproximar melhor a morfologia estimada com o PE padrão, enquanto que a
segunda exibe descontinuidades ao longo da época de sinal. Tal como explicado na
Seção 6.1, o processo de deconvolução de épocas com sequências MLS resulta na
“reorganização” das respostas evocadas que haviam sido superpostas, mas também
numa “desorganização” do ruído de fundo (EEG espontâneo) que acompanha a resposta
evocada. No caso de um ruído de banda estreita (ver Seção 4.1.2), tal desorganização se
manifesta na forma de descontinuidades sincronizadas com os instantes característicos
da MLS. No caso em que não se emprega o shift circular, portanto, tais
descontinuidades ocorrem sempre nos mesmos instante para todas as épocas, embora
com polaridades e amplitudes aleatórias, de modo que o processo de média coerente
tende a atenuar tais descontinuidades. Por outro lado, ao se empregar o shift circular
aleatório, os instantes de ocorrência das descontinuidades diferem entre as épocas do
sinal, não tendo a média coerente o mesmo potencial de atenuá-las.
Cabe salientar que o emprego dos shifts circulares aleatórios foi proposto em
[24] para aplicação com métodos de Detecção Objetiva de Resposta (ORD). Estes
métodos consistem em testes estatísticos para avaliar o efeito da estimulação
intermitente sobre o sinal captado pelo EEG. Tais técnicas baseiam-se na determinação
!50
da distribuição de probabilidade da estimativa sob a hipótese nula (H0) de ausência de
resposta, assumindo-se que o EEG espontâneo apresenta distribuição gaussiana. Uma
vez que o valor estimado exceda o valor crítico para um nível de significância α,
baseado na distribuição específica do método, pode-se rejeitar H0 com uma
probabilidade de erro inferior a α. Contudo, para o caso de EEG de banda estreita,
situação comum em protocolos de coleta de EEG com olhos fechados (proeminência de
ondas alfa – em torno de 10 Hz, Figura 39), a correlação existente entre épocas
subseqüentes de sinal prejudica a determinação dos valores críticos de tais testes.
Portanto, embora tais shifts sejam, até certo ponto, deletérios para a estimativa da forma
de onda do Potencial Evocado, eles são fundamentais para a validade da estatística
embutida nos testes ORD, principalmente nos que são implementados no domínio do
tempo, assim como o Detector de Potenciais Evocados (EPD)[24].
Figura 39
Exemplo de onda alfa - sua componente de frequência principal localiza-se em torno da frequência de 10 Hertz.
Fonte: http://www.yogaetmeditationparis.fr/linfluence-de-nadi-shodana-sur-le-cerveau/
Ao se compararem os resultados da simulação com os de sinais reais, fica claro
que estes não retrataram o que era esperado, não se conseguindo estimar uma forma de
onda condizente com os Potenciais Evocados Auditivos. Isto se deveu, tal como
explicado anteriormente, ao mau desempenho do eletroencefalógrafo utilizado neste
estudo, que exibiu forte cross-talk entre o canal de trigger e os canais
eletroencefalográficos, mascarando as respostas fisiológicas de interesse. Para ilustrar
este efeito, basta verificar a figura 34 na qual o EEG captou ondas de estimulação
mesmo o paciente estando sem o fone de ouvido vestido. Não obstante, no que se refere
à avaliação do dispositivo de sincronização entre o equipamento de estimulação e o
EEG, bem como do algoritmo de alinhamento da MLS para implementação da
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deconvolução, os resultados obtidos permitem inferir um funcionamento adequado.
Uma vez que o pulso de cross-talk é, evidentemente, sincronizado com o estímulo
auditivo, o mesmo pode figurar, apenas para referência nesta avaliação, como tendo
desempenhado o “papel do PE auditivo”, de modo que a reconstrução de tais pulsos na
forma de onda resultante atestam o funcionamento do método.
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8.0 Conclusões Neste trabalho, conseguiu-se desenvolver um dispositivo de geração de pulsos
de sincronização entre os cliques de estimulação auditiva via MLS e o EEG, assim
como um algoritmo de alinhamento da sequência MLS com base nos instantes dos
cliques e a deconvolução do sinal coletado pela MLS. Por conta da existência de cross-
talk do pulso de trigger nos sinais eletroencefalográficos, a estimação do potencial
evocado não foi satisfatoriamente realizada, ficando como um possível trabalho futuro
de forma a concluir o objetivo proposto neste estudo: criar um método alternativo de
estimulação por cliques para exames de potencial auditivo empregando MLS. Além
disso, figura como proposta de trabalho futuro o desenvolvimento de algoritmo de
processamento do sinal reconstruído visando à redução das descontinuidades
decorrentes do processo de deconvolução sobre o EEG de banda estreita.
!53
9. Bibliografia [1]Website: O Perfil da Deficiência Auditiva no Brasil. Fonte:http://www.inbraud.org.br/o-perfil-da-deficiencia-auditiva-no-brasil/ Acesso em 3/04/2016.
[2]Website: World Health Organization - Deafness and Loss Fonte: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs300/en/ Acesso em 3/04/2016.
[3]Website: Hospital Sirio-Libanes https://www.hospitalsiriolibanes.org.br/hospital/especialidades/centro-otorrinolaringologia/Paginas/exames.aspx Acesso em 10/04/2016
[4]Artigo: North Western University Journal http://www.brainvolts.northwestern.edu/documents/Kraus_Nichol_Encyclo_Neurosci_AEPs.pdf Acesso em 21/04/2016
[5]Artigo: Harvard Health Publications http://www.health.harvard.edu/mind-and-mood/electroencephalogram-eeg Acesso em 21/04/2016
[6]Website: John Hopkings Medicine http://www.hopkinsmedicine.org/healthlibrary/test_procedures/neurological/electroencephalogram_eeg_92,p07655/ Acesso em 21/04/2016
[7]Livro: E. Niedermeyer, F.da Silva, Eletroencephalografy 5th Ed., chapter 55 , Evoked Potentials in Infancy and Childhood, Lippincot 2005, pp. 700–764.
[8]Artigo: Auditory Brainstem Response: reference-values for age, Luana Araujo, Marcia Rumi, Rosana Giaffredo, Marisa Frasson. Universidade Federal de Sao Paulo - U N I F E S P , A p r. 2 0 1 4 . F o n t e : h t t p : / / w w w. s c i e l o . b r / s c i e l o . p h p ?script=sci_arttext&pid=S2317-17822014000200117
[9]Artigo: General Principles of Somato Sensorial Evoked Potentials, Adam D.Legatt. http://emedicine.medscape.com/article/1139906-overview , Acesso em 24/04/2016
[10]Livro: Universidade do Porto, acervo aberto , https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/11199/1/Texto%20integral.pdf Acesso em 27/04/2016
[11]Livro: E. Niedermeyer, F.da Silva, Eletroencephalografy 5th Ed., chapter 53 , Evoked Potentials in Infancy and Childhood, Lippincot 2005, pp. 650–688.
[12]Artigo: An Optimal Aperiodic Stimulation For Brainstem Auditory Evoked Potencials Estimation Article, Amine M.Nait-Ali, Student Member IEEE, Universite Paris 12 - Val de Marne. Fonte: http://ieeexplore.ieee.org/document/756991/
[13]Artigo: Re-examination of the Effects of Periodic and Aperiodic Stimulation on the Auditory-Evoked Vertex Response. Autores: David A.Nelson and Frank M. Lassman., 1977, Department of Otolaryngology, Univeristy of Minesota.
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[14]Livro: Teorema da Amostragem, Teorema de Nyquist. Maria Cristina Felippetto de Castro , Capitulo 3, Fundamento da Comunicação de Dados. http://www.feng.pucrs.br/~decastro/TPI/TPI_Cap3_parte2.pdf Acesso em 01/05/2016
[15]Website: Definição de “Maximum Length Sequences” http://www.acoustic-glossary.co.uk/definitions-m.htm#mks Acesso em 17/05/2016
[16]Artigo: Processamento de Sinais Biológicos no Domínio do Tempo. Autores:Adriano de Oliveira Andrade, Dezembro de 1998. Universidade Federal de Uberlândia.
[17]Artigo: Maximum Length Sequences - A Fast Method for Measuring Brain-Stem-Evoked Responses. U.Eyshold , Chr.Schreiner . Audiology, 1982, Universidade Gottingen.
[18]Website: Normal EEG Waveforms. Roy Sucholeiki, MD, Selim R Benbadis. Fonte: h t t p : / / e m e d i c i n e . m e d s c a p e . c o m / a r t i c l e / 1 1 3 9 3 3 2 - o v e r v i e w ?p a = C w F C z o 4 N a d s A D w PA D s A 8 4 0 o 8 b M 9 s a g P h T f R C F g U C 5 E % 2 F 8 Q% 2 B 6 d W 6 V P G Y t S O 5 % 2 F L c R t B A r 5 N V I u p B W G p j t K x E g U 4 T V%2FDMAtBBAsM6eN9kpLn%2Fas%3D Acesso em 17/05/2016
[19]Artigo: Davis, W.D.T.: Generation and properties of maximum length sequences. Control 1966: 302-433.
[20]Artigo: Cagy M., Infantosi A.F.C., “Detecting Evoked Responses Under Stimulation Driven by Maximum-Length Sequences”, IFMBE Proceedings, v. 45, p. 501-504, 2014 [ISSN 1680-0737 Springer], 6th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering– MBEC2014 [ISBN 978-3- 319-11127- 8 ] , Dubrovnik , Croa t ia 7 -11 Sep , 2014 (do i : 10.1007/978-3-319-11128- 5_125).
[21]Website: Notch Filter - http://www.dspguide.com/ch19/3.htm Acesso em 24/08/2016
[22]Website: Hearing Health Foundation - Researching Hearing Loss - http://hearinghealthfoundation.org/researching-hearing-loss Acesso em 29/08/2016
[23]Website: American Academy of Audiology - Custumer Reports h t t p : / / w w w . a u d i o l o g y . o r g / s i t e s / d e f a u l t / f i l e s / n e w s /20160727_ConsumerReportResponse.pdf Acesso em 29/08/2016
[24]Artigo: Response Detection in Norrow Band EEG Using Signal-Driven Non-Periodic Stimulation- Cagy M., Infantosi A.F.C. Biomedical Engineering Program, Coppe UFRJ, Rio de Janeiro.
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[25]Website: Diversos Estudos sobre Potenciais Evocados Auditivos, Referência : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4391208/ Acesso em 31/08/2016
[26]Artigo: Maximum Length Sequences. Referência : http://www.commsp.ee.ic.ac.uk/~mrt102/projects/mls/MLS%20Theory.pdf
[27]Livro: Atlas of EEG Patterns, John M. Stern, Jerome Engel, Jr., Lippicot Williams and Walkings, pg.122
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