بخشی از مقاله
چکیده
طبق آمار بهداشت جهانی از میان امراض، صرع از آن جمله بیماریهایی است که حدود یک درصد مردم جهان از آن رنج می برند. سیگنالهاي الکتروآنسفالوگرافی به منظور تشخیص صرع جهت ثبت فعالیت الکتریکی مغز به کار می رود. صرع توسط وقوع مجدد حمله ناگهانی در سیگنال نوار مغزي مشخص می شود. در اکثر حالت ها، نمی توان در یک دوره کوتاه احتمال شروع حمله را پیش گویی کرد، بلکه نیازمند یک ثبت متوالی از نوار مغزي است. شکلی متداول از ثبت نوار که براي این منظور استفاده شده است ثبت سیار است که داده هاي نوار مغزي را براي یک دوره زمانی بسیار طولانی حتی تا یک هفته نگه می دارد. از آنجا که متدهاي رایج تحلیل بسیار خسته کننده و زمان بر هستند، سیستم هاي تشخیص خودکار نوار مغز صرعی زیادي در سال هاي اخیر توسعه یافته اند ولی درصد خطاي آنها بالا می باشد. بنابراین در این مقاله روشی مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی براي تشخیص این بیماري ارائه خواهد شد که بر اساس نتایج حاصل شده، دقت مناسبی را دارد.
کلمات کلیدي: بیماري صرع، شبکه عصبی مصنوعی، سیگنالهاي الکتروآنسفالوگرافی، نوار مغزي
-1 مقدمه
نزدیک به یک قرن است که علم ذهن (روانشناسی) به طور مستقل از علم ذهن (عصب شناسی) رشد کرده است. در این راستا، روانشناسان به کارکردهاي ذهنی و اینکه چگونه یاد می گیرند و تفکر می کنند، علاقمند بودند و در مقابل عصب شناسان به اینکه چگونه مغز وکارکردهاي آن رشد می کنند علاقمند بوده اند [1] با وجود پژوهشهاي گوناگون اگر ما بخواهیم درك خود را در مورد ظرفیت تولیدي مغز ارتقاء ببخشیم باید رویکرد گسترده علم عصب پایه را اتخاذ کنیم [2] با این اوصاف مطالعه کارکرد مغز، در پرتو شناسایی فرآیندهاي زیستی زیر بنایی آنها بهتر حاصل می شود.
فعالیت الکتریکی عصبی از تغییرات الگودار در پتانسیل الکتریکی در عرض غشا هاي سلولی تشکیل یافته است. تک تک سلولها پتانسیل هاي غشائی ایجاد می کنند که فقط در چند میکرومتري سلول قابل کشف است، اما مجموعه سلولهاي مغزي که بطور همزمان شلیک می کنند، ممکن است پتانسیل هایی به درجات میکروولت ایجاد کنند، که از روي جمجمه و پوست با آرایشی از الکترودها قابل کشف باشند. تغییرات منطقه اي در پتانسیل الکتریکی از ورا جمجمه اساس الکتروآنسفالوگرافی را به وجود می آورد، که عبارت از ثبت فعالیت الکتریکی مغزاست. الکتروآنسفالوگرام طبیعی
همایش ملی پژوهش هاي کاربردي در علوم و مهندسی
انسان، در واقع حاوي فعالیت موزون در فرکانس هاي 1 هرتز (یک سیکل در ثانیه) تا 50 هرتز است.[14] آشکارترین ریتم در بالغین ریتم آلفاي 9تا 10هرتز است که روي تمام لوپ هاي پس سري وجود دارد .[3]
1-2 الکتروآنسفالوگرام
الکتروانســفالوگرام، یــک شــاخص آرام عینــی از فعالیــت پویــاي مغــز نــه تنهــا از یــک مکــان خــاص، بلکــه تشــریح فضــایی کلــی از فعالیــت مجموعــه درونــی اســت .[4] الکتروآنســفالوگرافی کلاســیک تــرین روش رایــج تصویرســازي مغــز در 1929 توســط هــانس برگــر ابــداع شــد. فعالیــت الکتریکــی عامــل تعیــین کننــده در لایــه نــورونی بــالاترین نورونهــاي قشــر مغــز اســت.[12] الکترودهــایی کــه بــر روي پوســت جمجمــه شــخص قــرار مــی گیرنــد، فعالیــت الکتریکی این نورونها را اندازه گیري می کنند .[3]
نمونهاي از فعالیت الکتریکی ثبت شده از مغز نتایج حاصل از الکتروآنسفالوگرام را نمی توان به صورت مستقیم و تنها با شاهدهم سیگنال مورد بررسی و تفسیر قرار داد و از روي آن ناهنجاري را تشخیص داد. معمولاً طیف فرکانسی این سیگنال حاوي اطلاعات مفیدي است که کاربردهاي تشخیصی و تحقیقاتی زیادي دارد .[5]
-2 دامنه تحقیق
بقراط تشخیص داد که صرع یک پدیده ارگانیک (عضوي) مغز است ولی بسیاري از نویسندگان قدیمی تشنج را نتیجه اثر نیروهاي مافوق طبیعی در نظر می گرفتند. در واقع کلمه صرع از منشاء یک لغت یونانی (به معنی مورد خشم و غضب نیروهایی از جهان نیستی قرار گرفتن) می باشد. در اواخر قرن نوزدهم جکسون با تحلیل دقیق موارد بیماري مسیر شناخت صرع را مشخص کرد جکسون بر اساس مشاهدات خود تعریف جدید صرع را طراحی کرد »دیس شارژهاي ناگهانی، فراوان و غیر طبیعی نسج عصبی« علاوه بر این او نتیجه گرفت که این دیس شارژها با هر شدتی ناشی از هر نوع بیماري، در هر سنی و در اثر عوامل بسیاري اتفاق می افتند. تاکید او بر توصیف بالینی تشنج و اول از همه نحوه شروع آن، به پیدایش نظریه صرع فوکال با انتشار بعدي سلولهاي درحال دیس شارژ منجر شد. صرع علامت پیچیده اي بوده و ناشی از انواع پاتولوژیهاي مغزي اتفاق می افتد. صرع با دیس شارژهاي گاهگاهی ( حمله اي)، فراوان و غیر طبیعی سلولهاي عصبی مشخص می شود که با توجه به علائم بالینی، ثبت به وسیله نوار مغزي و یا هردو تشخیص داده می شود.[11] دیس شارژهاي حمله اي سلولهاي عصبی هنگامی اتفاق می افتد که آستانه تحریک غشاء سلولهاي عصبی بیش از حد جبران توسط مکانیسم هاي تثبیت کننده آستانه تحریک غشائی کاهش یابد. حمله ممکن است موضعی و محدود به محل شروع باشد یا اینکه به نواحی دیگر مغز گسترش یابد. هنگامیکه اندازه ناحیه درحال دیس شارژ کافی است تشنج علامت دار اتفاق می افتد وگرنه ممکن است اثرات آن به اختلال الکتریکی بدون علامت و موضعی محدود شود. تظاهر بالینی تشنج را ناحیه اي از مغز که درگیر است تعیین می کند. طبقه بندي بین المللی تشنجهاي صرعی ابتدا به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند:
الف) تشنجهايارسیلپ (موضعی) که عبارت از تشنجی است که از یک ناحیه نسبتاً کوچکی از مغز شروع می شود. ب) تشنجهاي ژنرالیزه (محلی) که عبارت از تشنجی است که بصورت دو طرفه متقارن بوده و شروع موضعی ندارد.
2 صفحه
همایش ملی پژوهش هاي کاربردي در علوم و مهندسی
به همین ترتیب تشنجها بر اساس علائم بالینی اصلی و یافته هاي الکتروآنسفالوگرافی طبقه بندي می شوند.
الف) تشنجهاي پارسیل (موضعی ) ساده: تشنجهاي پارسیل ساده توسط دیس شارژهاي کورتیکال موضعی ایجاد شده و متناسب با فونکسیون ناحیه اي از مغز که در حال دیس شارژ است و بدون اختلال هوشیاري علامت بالینی بوجود می آورند.[13] تشنجهاي پارسیل ساده ممکن است علائم یا نشانه هاي حرکتی، حسی، اتونوم، یا روانی و رفتاري، با ترکیبی از آنها را شامل شوند.
ب) تشنجهاي پارسیل کمپلکس (تشنجهاي سایکو موتور، لب گیجگاهی): فرق اساسی بین تشنجهاي پارسیل ساده و کمپلکس در این است که در نوع دوم اختلال هوشیاري وجود دارد ولی در نوع اول وجود ندارد.
-3 شبکه هاي عصبی مصنوعی
مطالعه بر روي شبکه هاي عصبی توسط مک کلاك و پیتس در سال 1943 آغـاز شـد شـبکه هـاي تـک لایـه، بـا توابـع اکتیواسیون آستانه اي، توسط روزنبلات در سال 1962 بنیانگذاري شدند که این نوع شبکه ها پرسـپترون نامیـده شـدند. در دهه 1960، به صورت تجربی نشان داده شد که پرسپترون ها قابلیت حل مسـائل فراوانـی را دارنـد، بـا وجـود اینکـه، بسیاري از مسائل پیچیده نیز توسط آنها قابل حل نبود. این محدودیت هـاي شـبکه هـاي پرسـپترون یـک لایـه توسـط مینسکی و پیرت در کتاب پرسپترون آنها به چاپ رسید. نتایج مطالعه این کتاب باعث شـد کـه شـبکه هـاي عصـبی بـه مدت دو دهه کمتر مورد توجه قرار گیرند. در اواسط دهه 1980، معرفی الگوریتم پس انتشار توسـط رملهـارت، هینـتن و ویلیامز در سال 1986 باعث شروع مطالعات جدید بر روي شبکه هاي عصبی شد. اهمیت ویژه این الگوریتم این بـود کـه شبکه هاي عصبی چند لایه توسط آن می توانستند آموزش داده شوند.[10]
شبکه هاي عصبی پرسپترون چند لایه یک نوع از شبکه هاي پیش رونده می باشند که شامل یک لایه ورودي، یک لایـه خروجی و تعداد دلخواه لایه مخفی می باشند. با وجود اینکه، از لحاظ تئوري هیچ محدودیتی در انتخاب تعداد لایه هـاي مخفی وجود ندارد. تعداد لایه هاي مخفی معمولا یک یا دو لایه در نظر گرفته می شوند. یک شـبکه عصـبی پرسـپترون با چهار لایه یعنی داراي سه لایه مخفی و یک لایه خروجی قابلیت حل هر مسئله اي را با هـر گونـه پیچیـدگی دارا مـی باشد. هر لایه به صورت کامل به لایه متوالی متصل می شود، همانطور که در شکل 1 نمایش داده شده است شبکه هـاي عصبی پرسپترون داراي کاربردهاي فراوانی می باشند که شامل آنالیز صدا، پردازش تصـویر، پـیش بینـی و پـیش گـویی، پیگردي چند هدفه و غیره می باشند.
شکل :1 طرح شماتیکی از یک شبکه پرسپترون چند لایه
3 صفحه
همایش ملی پژوهش هاي کاربردي در علوم و مهندسی
در طراحی یک شبکه عصبی پارامترهاي مختلفی وجود دارند به عنوان مثال، انتخاب تعداد لایه هـا و تعـداد نـرون هـاي مورد نیاز در هر لایه، یکی از پارامترهاي مهم در طراحی شبکه می باشد .[9]
3-1 ساختارهاي EN , PN
EN نوع خاصی از شبکه هاي عصبی بازگشتی است. این یک شبکه پس انتشار دو لایه با یک ارتباط بـازخورد از خروجـی لایه ي پنهان به ورودي آن است. این ارتباط بازخورد آن را قادر بـه تشـخیص و تولیـد الگـو هـاي زمـانی و همـین طـور الگوهاي مکانی می سازد.[8]
PN نوعی شبکه اساس شعاعی است. این یک شبکه تغذیه رو به جلو با دو لایه لایه ي میانی موسوم به لایه هـاي اسـاس شعاعی و رقابتی است. این دو لایه به ترتیب توابع فعالیت اساس شعاعی و رقابت را بکار می برند 6] و .[7
-4 موادها و روشها
جامعه آماري در این تحقیق شامل موارد زیر می باشد.
الف) دانشجویان دختر و پسر مقطع کارشناسی دانشگاه تبریز که مشغول به تحصیل بودند.
ب) تعدادي از بیماران مربوط به بخش نوار مغزي بخش اعصاب بیمارستان هلال احمر که جهت گرفتن نوار مغزي مراجعه کرده اند.
4-1 استفاده از نرم افزار کالبد جهت انجام داده برداري
نمونه گیري ها در هر دو حالت فرد سالم و بیمار و در حالت 12 کانله و با مونتاژتک قطبی با پایین ترین سطح باند 1.2 تا بالاترین سطح 35 هرتز نوار گرفته شد که می توان تعداد کانال آن را از 8 تا 24، مونتاژ آن را در حالتهاي 1 تا 8 قطبی، با پایین ترین سطح باند 0.16...3.2 و بالاترین سطح باند10...90 تغییر داد.
در این نرم افزار در 4 حالت چشم باز، چشم بسته، تنفس عمیق، تاباندن نور و با حالتهاي ترکیبی نوار مغزي گرفته شد. تشخیص استفاده از حالات برعهده نورولوژیست می باشد که برحسب تحریک بیماري و یا عدم آن از بیمار از این حالات استفاده می شود. همچنین امکان استفاده از نقشه مغزي جهت نمایش میزان عددي امواج آلفا، بتا، تتا نیز در این نرم افزارها وجود دارد.
سه مجموعه داده ي نوار مغز مربوط به سوژه هاي عادي و مبتلا به صرع به عنوان مجموعه داده ي آزمایشی براي سیستم پیشنهادي مبتنی بر شبکه عصبی استفاده شده اند. هر مجموعه داده شامل 150 قطعه نوار مغز تک کاناله، هر یک بطول 23 ثانیه می باشد. این قسمت ها پس از بررسی بصري براي آرتیفکت هایی مثلا ناشی از فعالیت عضله یا حرکات چشم، از نوارمغز هاي چند کاناله ي مداوم انتخاب و جدا شده اند. مجموعه ي داده ي اول، مربوط به سوژه هاي عادي از ثبت نوار مغز سطحی بوسیله ي قرار دادن الکترود هاي استاندارد شده، از 50 سوژه ي سالم بدست آمده است. سوژه ها در حالت بیداري و با چشمانی باز آرام و ثابت شدند. مجموعه ي دوم داده هاي نوار مغز از سیگنال هاي نوار مغز صرعی گرفته شده از 50 بیمار مبتلا به صرع مختلف و طی وقوع حملات صرع با الکترود هاي درون جمجمه اي
4 صفحه
همایش ملی پژوهش هاي کاربردي در علوم و مهندسی
تشکیل شده است. قسمت هاي نوار مغز صرعی از میان تمام نوارهاي ثبت شده اي که فعالیت حمله ي صرع را نشان می دهند انتخاب شده اند. نوار مغز صرعی درون جمجمه اي به این خاطر براي این سیستم طبقه بندي انتخاب شده است که دقیق ترین دسترسی به ظهور حملات را دارد. سیگنال هاي نوار مغز بوسیله ي یک سیستم تقویت کننده ي 128 کاناله با استفاده از یک مرجع مشترك متوسط ثبت شده اند. داده ها به طور مداوم (پس از یک تبدیل 12بیتی آنالوگ به دیجیتال) بر حافظه ي یک سیستم رایانه ي ثبت داده با نرخ نمونه گیري 173.61 هرتز با آرایش فیلتر نوار گذر در0.53-40هرتز نوشته می شوند. ثبت همه نوار مغزي ها بین ساعات 17 الی 20 صورت گرفت. الکترود هاي مخصوص ثبت استاندارد براساس سیستم 10-20 بین المللی در 21 محل روي جمجمه قرار گرفته و تثبیت آنها برروي سر، بوسیله کلاه مخصوص صورت گرفت. مقاومت الکترود ها در حد 5 کیلوهرتز نگه داشته و ثبت در حالت چشم بسته، بیدار و استراحت، به مدت 15 دقیقه در مورد آزمودنی صورت گرفت. آرایش الکترودها براساس مونتاژ دو قطبی و بصورت طولی بود دستگاه بوسیله فیلتر در محدوده 0.3-70 هرتز امواج ناخواسته را حذف می کرد. بعد از ثبت امواج، قسمتی از تراسه هر فرد به مدت 23 ثانیه انتخاب شد. انتخاب 23 ثانیه توسط نورولوژیست از قسمتهاي فاقد آرتیفکت و بطریق چشمی صورت گرفت جهت مقایسه عملکرد نواحی مختلف مغز با یکدیگر در یک فرد و یا در مقایسه عملکرد نواحی مشابه مغز در دو فرد، از مقایسه توان باندهاي فرکانسی مختلف استفاده شد.
4-2 انجام پیش پردازش بر روي داده ها
جهت استخراج ویژگی بایستی مراحل پیش پردازش بر روي هر اپوك صورت گیرد که مراحل آن به صورت زیر است: الف) اعمال فیلتر مدین با طول مناسب بر روي هر اپوك.
ب) بدست آوردن تفاضل اپوك اصلی از اپوك نرم شده (فیلتر میانه).
