بخشی از مقاله
چکیده
امروزه فتوپلتیسموگرافی به عنوان یک تکنیک بسیار مفید برای تحلیل و ارزیابی شرایط زیستی و فیزیولوژیکی به کار میرود. روشهای موجود برای تحلیل سیگنالهای حاصل از این تکنیک معمولا بر اساس خواص حوزه زمان و یا فرکانس یا شکل موج این سیگنالها کار میکنند. در طرح حاضر بجای استفاده از سیگنال تک طول موجی فتوپلتیسموگرافی رایج، از تغییرات اختلاف زمانی بین دو سیگنال فتوپلتیسموگرافی غیر همسان استفاده شده است و این تغییرات به عنوان ویژگیهای جدید و نوآورانه مطرح گردیده است.
برای این منظور ابتدا دو سیگنال فتوپلتیسموگرافی با طول موجهای مختلف به طور همزمان از یک نقطه پوست ثبت شده و سپس اختلاف زمانی بین نقاط ماکزیمم این دو سیگنال در هر ضربه قلب به دست آمد. این کار طی دو آزمایش فیزیولوژیکی متفاوت انجام شده و کارایی روش پیشنهادی مورد ارزیابی قرار گرفت.
این ارزیابی با استفاده از آزمون استنباطی t-test با مقدار P کمتر از %5 انجام شد. نتایج بدست آمده حاکی از این بود که اختلاف های زمانی دوسیگنال در حالات مختلف فیزیولوژیکی تغییرات معنی داری داشت و در نتیجه میتوان گفت که این ویژگیهای جدید، با ضریب اطمینان بسیار بالا برای ارزیابیها و اندازهگیریهای زیستی قابل استفاده میباشند.
-1 مقدمه
فتوپلتیسموگرافی - PPG - عبارت است از ثبت تغییرات حجم خون یک عضو از بدن در هر ضربه قلب. این کار به وسیلهی سنسور های نوری انجام میشود. این تکنیکمعمولاً همراه پالس اکسی متر برای سنجس غلظت اکسیژن محلول در خون و با تاباندن نور به بخشی از پوست و اندازه گیری میزان جذب نور عبوری - یا برگشتی - انجام میپذیرد. فتوپلتیسموگرافی در حقیقت بر اساس تعیین مشخصات نوری یک ناحیه معین از پوست تعریف میشود.
در روشهای معمول فتوپلتیسموگرافی، مقداری نور با یک طول موج مشخص - که عمدتا نور نامرئی مادون قرمز است - به پوست تابانده میشود و قسمتی از نور که وابسته به مقدار حجم خون موجود در این قسمت از پوست است، جذب میگردد. به این نوع فتوپلتیسموگرافی معمولی، فتوپلتیسموگرافی تک طول موجی گفته می-شود. در هر ضربه قلب، مقدار نور جذب شده با تغییرات حجم خون نسبت مستقیمی دارد. تغییرات حجم خون را میتوان با اندازه گیری این نور جذب شده و با استفاده از مشخصات نوری بافت و خون محاسبه کرد.
در طبیت نیز میتوان این اثر را با چشم غیر مسلح مشاهده نمود. پوست با خون کم، سفید به نظر میرسد ولی با خون بیشتر، تیرهتر میشود. در واقع PPG مفهومی نزدیک به همین قضیه است ولی با رزلوشن و حساسیت بالاتر.
روش های اندازه گیری جدید از تجهیزات پیچیده تری بهره میبرند که باعث افزایش دقت و اعتبار نتایج این روش شده است، با این وجود باید به خاطر داشت که در فتوپلتیسموگرافی تک طول موجی، فقط اندازه گیری-های نسبی ممکن بوده و تنها حجم خون است که تغییر کرده و قابل ثبت میباشد. سیگنال اندازه گیری شده تغییرات حجم خون در سیاهرگها و ضربان خون شریانی را در مویرگها نشان میدهد.
پارامترهای متغیر دیگری نیز که به PPG بر میگردند وجود دارد. با توجه به اینکه سیگنال های PPG حاوی اطلاعات مهمی در زمینه های فیزیولوژیکی و بیولوژیکی - زیست شناسی - بوده و نرخ ضربان قلب و تغییرات آن، تنفس [2]، سفتی شریانها [3] ، میزان اکسیژن موجود در خون[4] ، میزان فشار خون[5] و ... را از تجزیه و تحلیل آن می توان استخراج نمود؛ لذا با تحلیل سیگنال PPG ثبت شده می توان به برخی از بیماری های قلبی و عروقی [6]، میزان هموگلوبین موجود در خون [7]، مقاومت عروق [8]، اطلاعات بیومتریک[9]، احساسات انسانی [10] و غیره نیز پی برد.
در همین راستا نحوه استخراج ویژگیها و تجزیه و تحلیل آنها از حساسترین و مهمترین مسائل در این زمینه می باشد که با عنایت به این مهم برای تحلیل این نوع سیگنال ها روش های متعددی پیشنهاد شده است. از جمله روش بردار ویژه [11]، استخراج ویژگی با استفاده از مشتق دوم [12]، شناسایی سیستم و مدل سازی [13]، استخراج ویژگی از طول موج و دامنه فرکانس [14, 15]، توابع گوسی [16] و ... نیز مطرح هستند.
اکثر ویژگیهایی که در حال حاضر برای بررسی سیگنالهای PPG مورد استفاده قرار میگیرند به سه دسته ویژگیهای حوزه زمان و فرکانس، ویژگیهای شکل شناسی و نسبت دامنه سیگنالها تقسیم میشوند .[16] این ویژگیها در کاربردهای زیادی استفاده شدهاند ولی به دلیل مشکلاتی نظیر حساسیت زیاد به نویزهای حرکتی و بستگی داشتن به دامنه سیگنال، برای کاربردهای حساسی چون تشخیص خواب آلودگی مناسب نیستند. به همین دلیل در طرح حاضر ویژگی اختلاف زمانی به دلیل عدم وابستگی به دامنه سیگنال و مقاومت مناسب در برابر آرتیفکتهای حرکتی، به عنوان یک ویژگی جدید و کارا معرفی گردیده است.
مواد و روشها سیستم حسگر و ثبت داده
این سیستم که قبلا توسط نویسنده طی مقاله [16] معرفی گردیده، شامل سنسوری است که توانایی ثبت دو سیگنال PPG همزمان با طول موجهای 940 و 660 نانومتر را دارا میباشد. سنسور مذکور توسط رابط USB قابل اتصال به رایانه بوده توسط یک برنامه که خاص این منظور در محیط MATLAB آماده شده پشتیبانی میگردد. شمای کلی سیستم و نحوه اتصال آن به انگشت، در شکل 1 قابل مشاهده است.
شکل .1 شمای کلی سیستم حسگر و نحوه اتصال آن به انگشت و رایانه
آزمایشها
برای ارزیابی ویژگی اختلاف زمانی سیگنالهای PPG دو آزمایش مختلف در حالتهای فیزولوژیکی متفاوت طراحی شد. این آزمایشها عبارت بودن از:
.1 هوشیاری و خواب
.2 حبس نفس برای انجام آزمایشهای مذکور، حسگر به انگشت اشاره دست چپ افراد متصل شد. در آزمایش اول، سیگنالPPG دوطول موجی هر فرد ابتدا در حال بیداری و سپس یکبار دیگر در حالی که فرد در خواب عمیق بود ثبت گردید. زمان ثبت سیگنال در هر کدام از مراحل فوق یک دقیقه بود. برای آزمایش دوم، از هر فرد خواسته شد تا روی یک صندلی به صورت بیتحرک و راحت بنشیند و سپس سیگنال طی مراحل زیر ثبت گردید. ابتدا زمانی که شخص تنفس عادی داشت سیگنال به مدت یک دقیقه ثبت شد. سپس از فرد خواسته شد تا نفس خود را تا حد امکان حبس کند و سیگنال در این حالت نیز ثبت گردید. این آزمایشها بر روی تعداد پانزده نفر فرد سالم در محدوده سنی 25 تا 40 انجام شد.
پیش پردازشها
قبل از اینکه مرحله اصلی پردازش، یعنی استخراج اختلافهای زمانی روی سیگنالهای ثبت شده انجام شود، نیاز به انجام بعضی مراحل پیش پردازشی وجود داشت. این مراحل عبارت بودند از: فیلتر کردن سیگنال، حذف مولفه DC از سیگنال ثبت شده و نرمالیزه کردن.
با توجه به اینکه سیگنالهای PPG همگام با ضربان قلب تولید میشوند، بدیهی است که فرکانس اصلی آن نیز با فرکانس کاری قلب یکسان میباشد. یعنی میتوان گفت که چون قلب تقریبا در هر ثانیه یکبار ضربان دارد، فرکانس سیگنالهای PPG نزدیک به یک هرتز خواهد بود. در نتیجه برای حذف نویز از سیگنال PPG، یک فیلتر پایین گذر با فرکانس 5 هرتز مناسب خواهد بود. با توجه به این استدلال، در این مقاله برای از بین بردن نویزها از یک فیلتر پایین گذر 5 هرتز استفاده گردید.
سیگنالهای PPG دارای دو مولفه AC و DC هستند. با دانستن این موضوع که ویژگیهای اختلاف زمانی تنها به مولفه AC بستگی دارند، مولفه DC سیگنالهای ثبت شده با استفاده از رابطه - 1 - حذف گردید.
- 1 - X = x − E - x -
در اینجا، X سیگنالی است که مولفهی DC آن حذف شده است. همچنین x و E - x - به ترتیب نشانگر سیگنال ثبت شده خام و مقدار متوسط آن میباشند.
به دلیل اینکه ویژگیهای اختلاف زمانی هیچگونه وابستگی به تغییرات دامنه سیگنال ندارند و برای سهولت استخراج و مشاهده این ویژگیها، عمل نرمالیزه کردن روی سیگنالهای ثبت شده انجام گردید. این مرحله با استفاده از روش نرمال کردن داده در بازه صفر و یک انجام شد. رابطه - 2 - نشان دهنده این عمل میباشد.
در اینجا، Xn، X، Min - X - و Max - X - به ترتیب نمایشگر سیگنال نرمال شده، سیگنال بدست آمده از فرمول - 1 - ، مقدار کمینه و مقدار بیشینه سیگنال میباشند.
