Detection of Focal Epileptic Seizure Using NIRS Signal Based on Discrete Wavelet Transform

Background: Despite the large number of research and significant advances in neuroscience, the hemodynamic activities of epilepsy have been rarely investigated due to high costs, need for contrast agents in fMRI and PET, lack of signals during epileptic seizure and un-portability of the equipment. Recently, Near-infrared spectroscopy (NIRS) system has attracted a large number of researchers. This system does not have the above-mentioned problems and provides a better temporal resolution than the other equipment; however, it cannot be compared to PET or fMRI, in terms of spatial resolution. The project was conducted with a feasibility study to detect epileptic seizures and extraction of epileptic dynamics using a time multiplex system at 2 wavelengths of 740 and 850 nm. Analyzing the frequency and temporal-domains of 8 patients with focal epilepsy in temporal area during the time of sleeping, we can identify the most difference between epileptic and normal conditions in low-frequencies at the high order Daubechies wavelet transform of hemodynamic components. The main challenge is the significant resemblances between epileptic dynamic and motion artifact in low frequencies. Finally, using the most appropriate features such as Shannon entropy and the new index that we named “upgraded cumulants” showing proper separability under t test and also by using different classifiers, the best result was achieved with the help of SVM classifier with an accuracy of 78.57%

Review of recent progress toward a fiberless, whole-scalp diffuse optical tomography system

The development of a whole-scalp, high sampling-density diffuse optical tomography (DOT) system is a critical next step in the evolution of the field of diffuse optics. To achieve this with optical fiber bundles is extremely challenging, simply because of the sheer number of bundles required, and the associated challenges of weight and ergonomics. Dispensing with optical fiber bundles and moving to head-mounted optoelectronics can potentially facilitate the advent of a new generation of wearable, whole-scalp technologies that will open up a range of new experimental and clinical applications for diffuse optical measurements. Here, we present a concise review of the significant progress that has been made toward achieving a wearable, fiberless, high-density, whole-scalp DOT system. We identify the key limitations of current technologies and discuss the possible opportunities for future development

Controllable Front-End Circuit for Geiger Mode Avalanche Photodiode

RÉSUMÉ L'objectif de recherche principal de ce mémoire est de concevoir et d’implémenter un circuit intégré visant à contrôler une photodiode à avalanche (Avalanche photodiode - APD) fonctionnant dans les deux modes : linéaire et Geiger. L'amélioration des performances liées à l'exécution de cette structure, comprenant la maximisation du taux de comptage des photons, la réduction de la consommation de puissance, ainsi que celle du bruit des circuits impliqués est parmi les principaux objectifs. Également, la surveillance en temps réel des caractéristiques d'une APD, en termes de tension de polarisation, de température, de rapport signal/bruit, de gain et du contrôle des effets thermiques, est considérée. En raison de l’obtention d’un gain de courant trop faible dans le mode linéaire des APD, empêchant donc la détection de photons simples, le mode d’opération Geiger des APD a été choisi pour le système de comptage de photons conçu. De plus, puisque l'opération en mode Geiger exige un arrêt externe, le circuit Quench-Reset est utilisé pour détecter l'arrivée de photons, en détectant l'impulsion produite à l'arrivée d’un photon, et en réinitialisant l'APD afin de le préparer pour détecter le prochaine photon. Un circuit rapide Quench-Reset a été conçu en technologie CMOS 0.18 µm, simulé puis fabriqué par la fonderie TSMC via les services de CMC Microsystems. Un assemblage (wire-bounding) spécial a été réalisé au laboratoire d’assemblage de Polytechnique (LASEM), affilié au laboratoire Polystim. L’interface du contrôle numérique du circuit intégré a été implémentée sur une plateforme FPGA hors puce. Un circuit imprimé (PCB) de test recevant le FPGA a été complété afin de tester et caractériser le circuit intégré fabriqué. Le circuit numérique est responsable du contrôle de l'effet de la température sur l'exécution de circuit APD en surveillant le gain dans les modes de fonctionnement linéaire et Geiger. L'effet thermique est contrôlé en changeant la tension de polarisation de circuit APD. Le code est développé dans Modelsim et mis en application dans un FPGA Igloo de la compagnie Actel. Le moment d'extinction du circuit APD se situe entre 1 et 4 ns, tandis que le temps de réinitialisation est dans la gamme de 1 - 3 ns. La valeur la plus appropriée du temps hold off est unique pour chaque système et dépend de la nature, de la densité et de la durée de vie des maintient de photons associés à chaque APD; ainsi, le système est conçu de sorte à obtenir un temps hold off contrôlable dans la gamme de 4ns à 2μs. L’interface de contrôle du gain pour rester indépendant des variations de la température est en mesure de faire le travail dans les modes linéaire et Geiger de circuit APD avec une variation de 10%.----------ABSTRACT The research objective of this master’s thesis is to design and implement an integrated high-speed photon counting interface to be integrated within an Avalanche Photodiode (APD) operating in both linear and Geiger modes. Improving the main performance metrics of the structure including maximizing photon counting rate, and minimizing both the power consumption and the system noise are among the objectives. Also, real-time monitoring of APD characteristics in terms of bias voltage, temperature, signal-to-noise ratio, gain, and extending control of thermal effects on APD performance are considered. Due to having the too-low achievable current gain in linear mode APD, and therefore not being sensitive enough to detect single photons, Geiger mode APD has been selected for photon counting systems. Furthermore, since Geiger-mode operation requires an external stop, the Quench-Reset circuit is employed to detect photon arrival, count the pulse generated at photon arrival, and reset the APD in order to make it ready for the next photon detection. A high-speed quench-reset circuit is designed, implemented with 0.18 µm CMOS process, laid out and simulated and then fabricated by TSMC through CMC Microsystems. Special wire bonding was done by LASEM facilities affiliated to Polystim laboratory. The control scheme of the whole system was implemented in an off-chip FPGA platform. For the sake of test and measurement, a PCB is made and test bench for digital part is implemented in FPGA. The scheme is responsible for controlling the effect of temperature on the APD performance by monitoring the gain in both linear and Geiger modes of operation. The thermal effect is controlled through changing the bias voltage of APD. The code is tested in Modelsim and implemented to Igloo FPGA from Actel company. The chip was then tested using equipment available with Polystim and was characterized in terms of the performance metrics in question. The quench time for the designed circuit is in the range (1 – 4)ns while the reset time is in the range (1 – 3)ns. The most suitable value for hold-off time is unique for each system and it depends on the nature, density and lifetime of the traps of each specific APD; therefore the system is designed to have the controllable hold-off time in the range of 4ns - 2μs. The temperature-independent gain control system is capable of controlling the gain for both linear-mode and Geiger-mode APD in 10% variation

Einfluss einer Placebo-kontrollierten tDCS-/rTMS-Applikation auf präfrontale Aktivierungsmuster in einer Stichprobe hochimpulsiver Probanden während einer Flankeraufgabe

Diese Studie untersuchte, ob eine non-invasive Hirnstimulation mittels elektromagnetischer Modalitäten (tDCS und rTMS) bei gesunden hoch- oder niedrigimpulsiven Probanden zu einer anhaltenden kortikalen Aktivierung während eines Tests für exekutive Funktionen und Inhibitionskontrolle führt. In zwei innerhalb von 14 Tagen aufeinanderfolgenden Sitzungen wurden im Cross-over-design einmal ein Protokoll aus kathodaler transkranieller Gleichstromstimulation und intermittierender theta-burst-Magnetstimulation und beim anderen Mal Placebo-Protokolle kombiniert im Bereich des rechten dorsolateralen präfrontalen Kortexes (DLPFC) eingesetzt (Nitsche and Paulus 2000; Nitsche and Paulus 2007; Huang et al. 2005). Anschließend erfolgte an beiden Tagen die Lösung einer Parallelversion einer Eriksen-Flanker-Aufgabe am Computer unter einer kombinierten EEG-/NIRS-Messung. Diese sollte dabei die kortikalen Vorgänge aufzeichnen, aus denen dann auf veränderte Aktivierungsmuster des präfrontalen Kortex geschlossen werden könnte (Fallgatter, Ehlis, Wagener, et al. 2004; Obrig et al. 1996). Die Grundlage der Auswertung der vorliegenden Arbeit basierte auf dem NIRS-Datensatz der oxygenierten Hämoglobinwerte, die sowohl eine Aussage über die Aktivierung der Gehirnregion treffen können als auch Verhaltensdaten (richtig oder falsche Antwort, Go- oder NoGo-Task) enthielten. Beide Gruppen unterschieden sich nicht in Alter, Geschlecht, Händigkeit, Muttersprache oder Bildungslevel. Die Auswertung der NIRS ergab keine signifikanten Unterschiede der kortikalen Aktivität zwischen den Stimulationsprotokollen. Die Gruppen unterschieden sich nicht in der mit NIRS gemessenen hämodynamischen Antwort im Bereich der beiden DLPFC. Bei 34 von 60 Probanden fehlten valide Mittelwerte der falsch gelösten Inhibitionsaufgaben von einer oder beiden Sitzungen. Dies war aufgrund zu geringer Fehlerhäufigkeit in diesen Aufgaben. Eine gemeinsame Auswertung der in dieser Arbeit nicht untersuchten Daten von EEG, Flanker-Task und Fragebögen ist notwendig, um eine abschließende Beurteilung der neurophysiologischen Unterschiede der Gruppen bezüglich exekutiver Funktionen und Inhibitiosnleistungen, sowie der Effektivität des eingesetzten Stimulationsprotokolls treffen zu können. Diese Studie diente als Vorarbeit zu Folgestudien, welche therapeutische Protokolle für erwachsene ADHS-Patienten mittels Neurofeedbacktraining und non-invasiver Hirnstimulation testen sollen. Dieses würde das Spektrum an nicht-medikamentösen Therapeutika der ADHS erweitern

Implantable Micro-Device for Epilepsy Seizure Detection and Subsequent Treatment

RÉSUMÉ L’émergence des micro-dispositifs implantables est une voie prometteuse pour le traitement de troubles neurologiques. Ces systèmes biomédicaux ont été exploités comme traitements non-conventionnels sur des patients chez qui les remèdes habituels sont inefficaces. Les récents progrès qui ont été faits sur les interfaces neuronales directes ont permis aux chercheurs d’analyser l’activité EEG intracérébrale (icEEG) en temps réel pour des fins de traitements. Cette thèse présente un dispositif implantable à base de microsystèmes pouvant capter efficacement des signaux neuronaux, détecter des crises d’épilepsie et y apporter un traitement afin de l’arrêter. Les contributions principales présentées ici ont été rapportées dans cinq articles scientifiques, publiés ou acceptés pour publication dans les revues IEEE, et plusieurs autres tels que «Low Power Electronics» et «Emerging Technologies in Computing». Le microsystème proposé inclus un circuit intégré (CI) à faible consommation énergétique permettant la détection de crises d’épilepsie en temps réel. Cet CI comporte une pré-amplification initiale et un détecteur de crises d’épilepsie. Le pré-amplificateur est constitué d’une nouvelle topologie de stabilisateur d’hacheur réduisant le bruit et la puissance dissipée. Les CI fabriqués ont été testés sur des enregistrements d’icEEG provenant de sept patients épileptiques réfractaires au traitement antiépileptique. Le délai moyen de la détection d’une crise est de 13,5 secondes, soit avant le début des manifestations cliniques évidentes. La consommation totale d’énergie mesurée de cette puce est de 51 μW. Un neurostimulateur à boucle fermée (NSBF), quant à lui, détecte automatiquement les crises en se basant sur les signaux icEEG captés par des électrodes intracrâniennes et permet une rétroaction par une stimulation électrique au même endroit afin d’interrompre ces crises. La puce de détection de crises et le stimulateur électrique à base sur FPGA ont été assemblés à des électrodes afin de compléter la prothèse proposée. Ce NSBF a été validé en utilisant des enregistrements d’icEEG de dix patients souffrant d’épilepsie réfractaire. Les résultats révèlent une performance excellente pour la détection précoce de crises et pour l’auto-déclenchement subséquent d’une stimulation électrique. La consommation énergétique totale du NSBF est de 16 mW. Une autre alternative à la stimulation électrique est l’injection locale de médicaments, un traitement prometteur de l’épilepsie. Un système local de livraison de médicament basé sur un nouveau détecteur asynchrone des crises est présenté.----------ABSTRACT Emerging implantable microdevices hold great promise for the treatment of patients with neurological conditions. These biomedical systems have been exploited as unconventional treatment for the conventionally untreatable patients. Recent progress in brain-machine-interface activities has led the researchers to analyze the intracerebral EEG (icEEG) recording in real-time and deliver subsequent treatments. We present in this thesis a long-term safe and reliable low-power microsystem-based implantable device to perform efficient neural signal recording, seizure detection and subsequent treatment for epilepsy. The main contributions presented in this thesis are reported in five journal manuscripts, published or accepted for publication in IEEE Journals, and many others such as Low Power Electronics, and Emerging Technologies in Computing. The proposed microsystem includes a low-power integrated circuit (IC) intended for real-time epileptic seizure detection. This IC integrates a front-end preamplifier and epileptic seizure detector. The preamplifier is based on a new chopper stabilizer topology that reduces noise and power dissipation. The fabricated IC was tested using icEEG recordings from seven patients with drug-resistant epilepsy. The average seizure detection delay was 13.5 sec, well before the onset of clinical manifestations. The measured total power consumption of this chip is 51 µW. A closed-loop neurostimulator (CLNS) is next introduced, which is dedicated to automatically detect seizure based on icEEG recordings from intracranial electrode contacts and provide an electrical stimulation feedback to the same contacts in order to disrupt these seizures. The seizure detector chip and a dedicated FPGA-based electrical stimulator were assembled together with common recording electrodes to complete the proposed prosthesis. This CLNS was validated offline using recording from ten patients with refractory epilepsy, and showed excellent performance for early detection of seizures and subsequent self-triggering electrical stimulation. Total power consumption of the CLNS is 16 mW. Alternatively, focal drug injection is the promising treatment for epilepsy. A responsive focal drug delivery system based on a new asynchronous seizure detector is also presented. The later system with data-dependent computation reduces up to 49% power consumption compared to the previous synchronous neurostimulator

An examination of conceptual knowledge using near-infrared spectroscopy and electroencephalography

Traditionally, models of conceptual knowledge have relied upon amodal theories that largely overlook how environmental stimuli are converted into amodal representations and how perceptions reactivate these representations and translate them back into subjective modal experiences. Developed more recently, grounded cognition theories propose that physical experiences and conceptual knowledge rely, at least in part, on the same brain regions. Thus, conceptual knowledge is hypothesized to be experienced through the reactivation of the same brain regions that are activated during physical experiences with the environment. Furthermore, if these grounded hypotheses are correct, researchers should be able to observe predictable influences of grounded information on brain activity as well as participant response latencies and accuracy in experimental conditions. To this end, three experiments were conducted testing these hypotheses using semantic categorization tasks while simultaneous recordings were taken using functional near infrared spectroscopy (NIRS) and electroencephalography. It was hypothesized that the influence of automatically reactivated grounded information would be facilitatory (i.e., resulting in faster and more accurate responses for semantically richer words) when it was task congruent, but would be inhibitory (i.e., resulting in slower and less accurate responses for semantically richer words) when it was task incongruent, thus illustrating the automatic simulation of grounded information in the processing and retrieval of conceptual knowledge. NIRS was employed to monitor event-related patterns of prefrontal cortex (PFC) hemodynamics associated with these tasks. It was hypothesized that trials with high levels of task-relevant semantic information would be discernably different than those with low levels or those trials high in task-incongruent information. That is, given the high levels of task-relevant semantic information, these trials should be comparatively easier, thus requiring less activity in the PFC, resulting in less pronounced hemodynamic responses. Electroencephalography was employed to monitor the full-scalp event-related patterns of brain activity associated with the experimental tasks. It was hypothesized that event-related potential deflections and scalp topography would be able to discern qualitatively and quantitatively different patterns of activity as a function of the amount and relevance of grounded information obtained through physical and emotional experiences with the word stimuli’s referents. The behavioural, accuracy, and electroencephalography data generally support these hypotheses. When a stimulus’s grounded information is high and task relevant, participants responded more quickly and accurately, and had discernably different patterns of brain activity than when a stimulus’s grounded information was low and task relevant. When a stimulus’s grounded information was high and task-irrelevant, participants were slower and less accurate, and exhibited patterns of brain activity that reflected both the additional semantic information and the additional processing necessary to reconcile the task incongruence. Unfortunately, data obtained from NIRS failed to illustrate meaningful condition differences. Possible reasons for this are discussed in detail in Chapter 3. Collectively, the data presented in this dissertation serve to advance and extend the claims made by grounded cognition theorists by illustrating the automatic simulation of information obtained through interactions with the environment. Further research is required to extend this work to other brain regions and to develop NIRS methods that can address these research questions