دانلود مقاله تحلیل سیگنالهای الکتروآنسفالوگرافی برای تشخیص بیماری صرع با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی

word قابل ویرایش
10 صفحه
5700 تومان

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. سیگنالهای الکتروآنسفالوگرافی به منظور تشخیص صرع جهت ثبت فعالیت الکتریکی مغز به کار می رود. صرع توسط وقوع مجدد حمله ناگهانی در سیگنال نوار مغزی 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 مغزی است. شکلی متداول از ثبت نوار که برای این منظور استفاده شده است ثبت سیار است که داده های نوار مغزی را برای یک دوره زمانی بسیار طولانی حتی تا یک هفته نگه می دارد. از آنجا که متدهای رایج تحلیل بسیار خسته کننده و زمان بر هستند، سیستم های تشخیص خودکار نوار مغز صرعی زیادی در سال های اخیر توسعه یافته اند ولی درصد خطای آنها بالا می باشد. بنابراین در این مقاله روشی مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی برای تشخیص این بیماری ارائه خواهد شد که بر اساس نتایج حاصل شده، دقت مناسبی را دارد.

کلمات کلیدی: بیماری صرع، شبکه عصبی مصنوعی، سیگنالهای الکتروآنسفالوگرافی، نوار مغزی

-۱ 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 کارکردهای ذهنی و اینکه چگونه یاد می گیرند و تفکر می کنند، علاقمند بودند و در مقابل عصب شناسان به اینکه چگونه مغز وکارکردهای آن رشد می کنند علاقمند بوده اند [۱] با وجود پژوهشهای گوناگون اگر ما بخواهیم درک خود را در مورد ظرفیت تولیدی مغز ارتقاء ببخشیم باید رویکرد گسترده علم عصب پایه را اتخاذ کنیم [۲] با این اوصاف مطالعه کارکرد مغز، در پرتو شناسایی فرآیندهای زیستی زیر بنایی آنها بهتر حاصل می شود.

فعالیت الکتریکی عصبی از تغییرات الگودار در پتانسیل الکتریکی در عرض غشا های سلولی تشکیل یافته است. تک تک سلولها پتانسیل های غشائی ایجاد می کنند که فقط در چند میکرومتری سلول قابل کشف است، اما مجموعه سلولهای مغزی که بطور همزمان شلیک می کنند، ممکن است پتانسیل هایی به درجات میکروولت ایجاد کنند، که از روی جمجمه و پوست با آرایشی از الکترودها قابل کشف باشند. تغییرات منطقه ای 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 های کاربردی در علوم و مهندسی

انسان، در واقع حاوی فعالیت موزون در فرکانس های ۱ هرتز (یک سیکل در ثانیه) تا ۵۰ هرتز است.[۱۴] آشکارترین ریتم در بالغین ریتم آلفای ۹تا ۱۰هرتز است که روی تمام لوپ های پس سری وجود دارد .[۳]

۱-۲ الکتروآنسفالوگرام

الکتروانســفالوگرام، یــک شــاخص آرام عینــی از فعالیــت پویــای مغــز نــه تنهــا از یــک مکــان خــاص، بلکــه تشــریح فضــایی کلــی از فعالیــت مجموعــه درونــی اســت .[۴] الکتروآنســفالوگرافی کلاســیک تــرین روش رایــج تصویرســازی مغــز در ۱۹۲۹ توســط هــانس برگــر ابــداع شــد. فعالیــت الکتریکــی عامــل تعیــین کننــده در لایــه نــورونی بــالاترین نورونهــای قشــر مغــز اســت.[۱۲] الکترودهــایی کــه بــر روی پوســت جمجمــه شــخص قــرار مــی گیرنــد، فعالیــت الکتریکی این نورونها را اندازه گیری می کنند .[۳]

نمونهای 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 روی آن ناهنجاری را تشخیص داد. معمولاً طیف فرکانسی این سیگنال حاوی اطلاعات مفیدی است که کاربردهای تشخیصی و تحقیقاتی زیادی دارد .[۵]

-۲ دامنه تحقیق

بقراط تشخیص داد که صرع یک پدیده ارگانیک (عضوی) مغز است ولی بسیاری از نویسندگان قدیمی تشنج را نتیجه اثر نیروهای 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 بیماری مسیر شناخت صرع را مشخص کرد جکسون بر اساس مشاهدات خود تعریف جدید صرع را طراحی کرد »دیس شارژهای ناگهانی، فراوان و غیر طبیعی نسج عصبی« علاوه بر این او نتیجه گرفت که این دیس شارژها با هر شدتی ناشی از هر نوع بیماری، در هر سنی و در اثر عوامل بسیاری اتفاق می افتند. تاکید او بر توصیف بالینی تشنج و اول از همه نحوه شروع آن، به پیدایش نظریه صرع فوکال با انتشار بعدی سلولهای درحال دیس شارژ منجر شد. صرع علامت پیچیده ای بوده و ناشی از انواع پاتولوژیهای مغزی اتفاق می افتد. صرع با دیس شارژهای گاهگاهی ( حمله ای)، فراوان و غیر طبیعی سلولهای عصبی مشخص می شود که با توجه به علائم بالینی، ثبت به وسیله نوار مغزی و یا هردو تشخیص داده می شود.[۱۱] دیس شارژهای حمله ای سلولهای عصبی هنگامی اتفاق می افتد که آستانه تحریک غشاء سلولهای عصبی بیش از حد جبران توسط مکانیسم های 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 ای از مغز که درگیر است تعیین می کند. طبقه بندی بین المللی تشنجهای صرعی ابتدا به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند:

الف) تشنجهایارسیلپ (موضعی) که عبارت از تشنجی است که از یک ناحیه نسبتاً کوچکی از مغز شروع می شود. ب) تشنجهای ژنرالیزه (محلی) که عبارت از تشنجی است که بصورت دو طرفه متقارن بوده و شروع موضعی ندارد.

۲ صفحه

همایش ملی پژوهش های کاربردی در علوم و مهندسی

به همین ترتیب تشنجها بر اساس علائم بالینی اصلی و یافته های الکتروآنسفالوگرافی طبقه بندی می شوند.

الف) تشنجهای پارسیل (موضعی ) ساده: تشنجهای پارسیل ساده توسط دیس شارژهای کورتیکال موضعی ایجاد شده و متناسب با فونکسیون ناحیه ای از مغز که در حال دیس شارژ است و بدون اختلال هوشیاری علامت بالینی بوجود می آورند.[۱۳] تشنجهای پارسیل ساده ممکن است علائم یا نشانه های حرکتی، حسی، اتونوم، یا روانی و رفتاری، با ترکیبی از آنها را شامل شوند.

ب) تشنجهای پارسیل کمپلکس (تشنجهای سایکو موتور، لب گیجگاهی): فرق اساسی بین تشنجهای پارسیل ساده و کمپلکس در این است که در نوع دوم اختلال هوشیاری وجود دارد ولی در نوع اول وجود ندارد.

-۳ شبکه های عصبی مصنوعی

مطالعه بر روی شبکه های عصبی توسط مک کلاک و پیتس در سال ۱۹۴۳ آغـاز شـد شـبکه هـای تـک لایـه، بـا توابـع اکتیواسیون آستانه ای، توسط روزنبلات در سال ۱۹۶۲ بنیانگذاری شدند که این نوع شبکه ها پرسـپترون نامیـده شـدند. در دهه ۱۹۶۰، به صورت تجربی نشان داده شد که پرسپترون ها قابلیت حل مسـائل فراوانـی را دارنـد، بـا وجـود اینکـه، بسیاری از مسائل پیچیده نیز توسط آنها قابل حل نبود. این محدودیت هـای شـبکه هـای پرسـپترون یـک لایـه توسـط مینسکی و پیرت در کتاب پرسپترون آنها به چاپ رسید. نتایج مطالعه این کتاب باعث شـد کـه شـبکه هـای عصـبی بـه مدت دو دهه کمتر مورد توجه قرار گیرند. در اواسط دهه ۱۹۸۰، معرفی الگوریتم پس انتشار توسـط رملهـارت، هینـتن و ویلیامز در سال ۱۹۸۶ باعث شروع مطالعات جدید بر روی شبکه های عصبی شد. اهمیت ویژه این الگوریتم این بـود کـه شبکه های عصبی چند لایه توسط آن می توانستند آموزش داده شوند.[۱۰]

شبکه های عصبی پرسپترون چند لایه یک نوع از شبکه های پیش رونده می باشند که شامل یک لایه ورودی، یک لایـه خروجی و تعداد دلخواه لایه مخفی می باشند. با وجود اینکه، از لحاظ تئوری هیچ محدودیتی در انتخاب تعداد لایه هـای مخفی وجود ندارد. تعداد لایه های مخفی معمولا یک یا دو لایه در نظر گرفته می شوند. یک شـبکه عصـبی پرسـپترون با چهار لایه یعنی دارای سه لایه مخفی و یک لایه خروجی قابلیت حل هر مسئله ای را با هـر گونـه پیچیـدگی دارا مـی باشد. هر لایه به صورت کامل به لایه متوالی متصل می شود، همانطور که در شکل ۱ نمایش داده شده است شبکه هـای عصبی پرسپترون دارای کاربردهای فراوانی می باشند که شامل آنالیز صدا، پردازش تصـویر، پـیش بینـی و پـیش گـویی، پیگردی چند هدفه و غیره می باشند.

شکل :۱ طرح شماتیکی از یک شبکه پرسپترون چند لایه

۳ صفحه

همایش ملی پژوهش های کاربردی در علوم و مهندسی

در طراحی یک شبکه عصبی پارامترهای مختلفی وجود دارند به عنوان مثال، انتخاب تعداد لایه هـا و تعـداد نـرون هـای مورد نیاز در هر لایه، یکی از پارامترهای مهم در طراحی شبکه می باشد .[۹]

۳-۱ ساختارهای EN , PN

EN نوع خاصی از شبکه های عصبی بازگشتی است. این یک شبکه پس انتشار دو لایه با یک ارتباط بـازخورد از خروجـی لایه ی پنهان به ورودی آن است. این ارتباط بازخورد آن را قادر بـه تشـخیص و تولیـد الگـو هـای زمـانی و همـین طـور الگوهای مکانی می سازد.[۸]

PN نوعی شبکه اساس شعاعی است. این یک شبکه تغذیه رو به جلو با دو لایه لایه ی میانی موسوم به لایه هـای اسـاس شعاعی و رقابتی است. این دو لایه به ترتیب توابع فعالیت اساس شعاعی و رقابت را بکار می برند ۶] و .[۷

-۴ موادها و روشها

جامعه آماری در این تحقیق شامل موارد زیر می باشد.

الف) دانشجویان دختر و پسر مقطع کارشناسی دانشگاه تبریز که مشغول به تحصیل بودند.

ب) تعدادی از بیماران مربوط به بخش نوار مغزی بخش اعصاب بیمارستان هلال احمر که جهت گرفتن نوار مغزی مراجعه کرده اند.

۴-۱ استفاده از نرم افزار کالبد جهت انجام داده برداری

نمونه گیری ها در هر دو حالت فرد سالم و بیمار و در حالت ۱۲ کانله و با مونتاژتک قطبی با پایین ترین سطح باند ۱٫۲ تا بالاترین سطح ۳۵ هرتز نوار گرفته شد که می توان تعداد کانال آن را از ۸ تا ۲۴، مونتاژ آن را در حالتهای ۱ تا ۸ قطبی، با پایین ترین سطح باند ۰٫۱۶…۳٫۲ و بالاترین سطح باند۱۰…۹۰ تغییر داد.

در این نرم افزار در ۴ حالت چشم باز، چشم بسته، تنفس عمیق، تاباندن نور و با حالتهای ترکیبی نوار مغزی گرفته شد. تشخیص استفاده از حالات برعهده نورولوژیست می باشد که برحسب تحریک بیماری و یا عدم آن از بیمار از این حالات استفاده می شود. همچنین امکان استفاده از نقشه مغزی جهت نمایش میزان عددی امواج آلفا، بتا، تتا نیز در این نرم افزارها وجود دارد.

سه مجموعه داده ی نوار مغز مربوط به سوژه های عادی و مبتلا به صرع به عنوان مجموعه داده ی آزمایشی برای سیستم پیشنهادی مبتنی بر شبکه عصبی استفاده شده اند. هر مجموعه داده شامل ۱۵۰ قطعه نوار مغز تک کاناله، هر یک بطول ۲۳ ثانیه می باشد. این قسمت ها پس از بررسی بصری برای آرتیفکت هایی مثلا ناشی از فعالیت عضله یا حرکات چشم، از نوارمغز های چند کاناله ی مداوم انتخاب و جدا شده اند. مجموعه ی داده ی اول، مربوط به سوژه های عادی از ثبت نوار مغز سطحی بوسیله ی قرار دادن الکترود های استاندارد شده، از ۵۰ سوژه ی سالم بدست آمده است. سوژه ها در حالت بیداری و با چشمانی باز آرام و ثابت شدند. مجموعه ی دوم داده های نوار مغز از سیگنال های نوار مغز صرعی گرفته شده از ۵۰ بیمار مبتلا به صرع مختلف و طی وقوع حملات صرع با الکترود های درون جمجمه ای

۴ صفحه

همایش ملی پژوهش های کاربردی در علوم و مهندسی

تشکیل شده است. قسمت های نوار مغز صرعی از میان تمام نوارهای ثبت شده ای که فعالیت حمله ی صرع را نشان می دهند انتخاب شده اند. نوار مغز صرعی درون جمجمه ای به این خاطر برای این سیستم طبقه بندی انتخاب شده است که دقیق ترین دسترسی به ظهور حملات را دارد. سیگنال های نوار مغز بوسیله ی یک سیستم تقویت کننده ی ۱۲۸ کاناله با استفاده از یک مرجع مشترک متوسط ثبت شده اند. داده ها به طور مداوم (پس از یک تبدیل ۱۲بیتی آنالوگ به دیجیتال) بر حافظه ی یک سیستم رایانه ی ثبت داده با نرخ نمونه گیری ۱۷۳٫۶۱ هرتز با آرایش فیلتر نوار گذر در۰٫۵۳-۴۰هرتز نوشته می شوند. ثبت همه نوار مغزی ها بین ساعات ۱۷ الی ۲۰ صورت گرفت. الکترود های مخصوص ثبت استاندارد براساس سیستم ۱۰-۲۰ بین المللی در ۲۱ محل روی جمجمه قرار گرفته و تثبیت آنها برروی سر، بوسیله کلاه مخصوص صورت گرفت. مقاومت الکترود ها در حد ۵ کیلوهرتز نگه داشته و ثبت در حالت چشم بسته، بیدار و استراحت، به مدت ۱۵ دقیقه در مورد آزمودنی صورت گرفت. آرایش الکترودها براساس مونتاژ دو قطبی و بصورت طولی بود دستگاه بوسیله فیلتر در محدوده ۰٫۳-۷۰ هرتز امواج ناخواسته را حذف می کرد. بعد از ثبت امواج، قسمتی از تراسه هر فرد به مدت ۲۳ ثانیه انتخاب شد. انتخاب ۲۳ ثانیه توسط نورولوژیست از قسمتهای 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 باندهای فرکانسی مختلف استفاده شد.

۴-۲ انجام پیش پردازش بر روی داده ها

جهت استخراج ویژگی بایستی مراحل پیش پردازش بر روی هر اپوک صورت گیرد که مراحل آن به صورت زیر است: الف) اعمال فیلتر مدین با طول مناسب بر روی هر اپوک.

ب) بدست آوردن تفاضل اپوک اصلی از اپوک نرم شده (فیلتر میانه).

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 5700 تومان در 10 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد