بخشی از مقاله
چکیده
یکی از تکنیکهای مهم تصویر برداری که در علوم اعصاب از اهمیت ویژهای برخوردار هستند طیف نگاری مادون قرمز نزدیک می باشد. این تکنیک ما را قادر به تعیین زمان و مکان فعالیتهای عصبی در حین انجام وظایف خاصی میکند. به دلیل غیر تهاجمی بودن این روش، برای مطالعه فعالیتهای الکتریکی مغز مبتنی بر تغییرات همودینامیک مغزی - اکسی و دی اکسی هموگلوبین - مورد استفاده قرار میگیرد.
با این وجود ممکن است نوسانات زیادی از جمله تداخلات فیزیولوژیکی مانند نوسانات فشار خون، تنفس و ضربان قلب همراه با سیگنالهای طیف نگاری مادون قرمز نزدیک اندازهگیری شود. حضور این نوسانات باعث بوجود آمدن تداخلاتی در سیگنال و اشتباه در تشخیص ویژگی مورد نظر میشود. در این مقاله از تبدیل موجک گسسته بعنوان یک فیلتر میان گذر با باند فرکانسی 0.003 تا 0.08 هرتز پرداخته شد. نتایج حاکی از آن بود که این روش باعث بهبود کیفیت سیگنالهای طیف مادون قرمز نزدیک و همچنین باعث کاهش قابل توجه تداخلات فیزیولوژیکی از سیگنال مورد نظر شد.
- 1 مقدمه
یکی از قویترین، تکنیکهای تصویر برداری برای بررسی فعالیتهای عملکردی مغز در بین روش های موجود تکنیک طیف نگاری مادون قرمز نزدیک است. با توجه به ویژگیهای غیر تهاجمی بودن، ارزان بودن، قابلیت حمل آسان و رزولوشن زمانی خوب این تکنیک، استفاده از این روش برای چندین دهه، مورد استفاده قرار گرفته است. این تکنیک در طیف گستردهای از مطالعات از جمله گروه افراد سالم، روانشناسی رشد، مطالعات علوم شناختی و کاربردهای کلینکی استفاده شده است .
فوتونهای نوری، در محدوده طیفی 600 - تا 900 نانومتر - از طریق فیبر نوری بر روی پوست سر تابیده میشود و توسط هموگلوبین در خون جذب میشود. فعالیتهای مغزی باعث تغییراتی در همودینامیک مغز میشود. با اندازهگیری فوتونهای نوری بازتاب شده از سطح سر و استفاده از قانون بیر لامبرت اصلاح شده میتوان تغییرات همودینامیک مغز را بدست آورد .[2, 3]
برای رسیدن فوتون به بافت مغزی، فوتونها باید از بین لایههایی مانند پوست سر و جمجه که روی هم قرار دارند عبور کنند و به بافت مغز برسند. بنابراین سیگنالهای اندازهگیری شده ترکیبی از فعالیتهای همودینامیک و تداخلات فیزیولوژیکی در ماده خاکستری و لایههای بافتی مغز است. از منابع اصلی این تداخلات فیزیولوژیکی میتوان به فعالیتهای قلبی1 - که عمدتا در قسمت شریانی قرار دارد - ، تنفس - 2 که در قسمت وریدی است و به علت تغییرات فشار داخل وریدی بر میزان سرعت بازگشت وریدی تأثیر می گذارد - و تغییرات فشار خون شریانی - تغییرات فشار خون خودبخودی، امواج مایر 3 با محدوده فرکانسی 0.1 هرتز و نوسانات فرکانسی بسیار پایین در حدود 0.04 هرتز - اشاره کرد .[4, 5] وجود هر یک از این پدیدهها باعث تداخلاتی در سیگنال همودینامیک مغزی میشود.
به همین دلیل برای بررسی عملکرد بهتر مغز و ارزیابی سیگنالهای همودینامیکی، کاهش اثرات تداخلات فیزیولوژیکی بسیار لازم و حیاتی میباشد .[6, 7] در این مطالعه هدف ما بررسی کاهش تداخلات فیزیولوژیکی در سیگنال همودینامیک مغزی میباشد که در طی آزمون ذهنی ریاضی ثبت گردیده است. به همین منظور از تبدیل موجک گسسته استفاده شده است.
-2 تئوری و روش
-1-2 افراد
8 داوطلب 5 - فرد سالم زن و 3 فرد سالم مرد با میانگین سنی - 26.1-2.7 در این مطالعه شرکت کردند. همه افراد حاضر در آزمایش سالم و بدون بیماریهای عصبی روانی بودند. رضایت آگاهانه از همه آنها قبل از انجام آزمایش گرفته شد.
-2-2 محرک
در این مطالعه یک آزمون ذهنی ریاضی مورد مطالعه قرار گرفت. از شرکت کنندگان خواسته شد که تعدادی عدد تک رقمی را از دو رقمی کم کنند. این آزمایش شامل 3 اجرا بود که در هر اجرا 6 آزمایش وجود داشت، در هر آزمایش محرک به مدت 12 ثانیه و هر 2 ثانیه یکبار به افراد نشان داده شد . سپس 28 ثانیه به عنوان استراحت در نظر گرفته شد و به فرد هیچ عددی نشان داده نشد. در طی این مدت تغییرات همودینامیک به حالت اولیه باز میگردد. به طور کلی مدت زمان لازم برای انجام هر اجرا 40 ثانیه به طول انجامید.
-3-2مجموعه دادهها
دادههای طیف نگاری مادون قرمز نزدیک با استفاده از دستگاه موج پیوسته 52 کاناله ثبت شد. این دستگاه توسط 17 منبع و 16 آشکارساز پشتیبانی میشود. فاصله بین منبع و آشکار ساز 3 سانتیمتر و فرکانس نمونه برداری 10 هرتز میباشد.
-4-2آنالیز دادهها
برای بسیاری از سیگنالها، آنالیز فوریه یک روش مناسب برای محتوای فرکانسی سیگنال است. اما مشکل بزرگ آنالیز فوریه این است که در سیگنالهای حوزه فرکانسی اطلاعات زمانی از بین میرود. اگر خواص سیگنال در طول زمان تغییر نکند - سیگنال ایستا باشد - این نقص فوریه مشکلی ایجاد نخواهد کرد . اما اکثر سیگنالهای مورد علاقه ما سیگنالهای غیر ایستا هستند. به همین دلیل تجزیه و تحلیل موجک میتواند یک روش مناسب برای پردازش سیگنالهای غیر ایستا باشد .[8]
تبدیل موجک یک تکنیک زمان-فرکانس است. این تکنیک بر اساس یک تابع مادر است که موجک مادر نامیده میشود. بر طبق تابع موجک مادر، سیگنال در استفاده از تبدیل موجک گسسته به سطوح مختلفی تجزیه میشود. هر سطوح شامل ضرایب تقریب - مقیاسهای بالا و فرکانس پایین - و جزئیات - مقیاسهای پایین و فرکانس بالا - میباشد .[9]
فرآیند فیلتر کردن سیگنال در دو مرحله تجزیه و بازسازی انجام میشود. در ابتدا دو فیلتر بالاگذر و پایین گذر بر سیگنال اعمال میشود در خروجی هر یک به ترتیب مولفه فرکانسی بالا - تقریب - 4 و فرکانس پایین - جزئیات - 5 بدست میآید. در مرحله بعدی ضرایب تقریب به عنوان سیگنال اصلی دوباره تجزیه خواهد شد. فرایند تجزیه میتواند تکرار شود و در هر مرحله یک باند فرکانسی از سیگنال اصلی جدا کند و بقیه سیگنال در ضرایب تقریب ذخیره شود.
بدین صورت یک سیگنال به تعداد زیادی از اجزا با وضوح پایینتر شکسته میشود به این حالت درخت تجزیه گفته می شود .[8] پس از تجزیه، میتوان سیگنال اصلی را بدون از دست رفتن اطلاعات توسط مولفههای بدست آمده بازسازی کرد. به این روند مرحله بازسازی و از نظر ریاضی به آن تبدیل معکوس موجک گفته میشود. به طور خلاصه این آنالیز شامل فیلتر کردن و کاهش نمونه برداری است .[8]
با در نظر گرفتن پهنای باند نایکویست و انتخاب تابع موجک مادر مناسب سیگنالهای اکسی و دی اکسی هموگلوبین به 11 سطح تجزیه شدند و سپس با حذف ضرایب مناسب، سیگنال دوباره بازسازی شد. در مرحله تجزیه سیگنال، 6 سطح اول آن مربوط به باند فرکانسی تداخلات فیزیولوژیکی - قلبی و تنفس - میباشد که با صفر کردن ضرایب در این سطوح، تداخلات فیزیولوژیکی مورد نظر کاهش پیدا میکند.
مقدار تغییرات سیگنال اکسی و دی اکسی هموگلوبین در کانال اول یک فرد به ترتیب در شکل 1 و 2 نمایش داده شده است. نمودار قرمز رنگ - خطوط توپر - سیگنال قبل از فیلتر کردن میباشد و نمودار آبی - خطوط نقطه چین - سیگنال را پس از فیلتر کردن نمایش میدهد. از آنالیز چگالی طیف توان جهت نمایش حذف باندهای فرکانسی مورد نظر استفاده شد.
-3نتایج
در این مطالعه کاهش تداخلات فیزیولوژیکی سیگنالهای اکسی و دی اکسی هموگلوبین بر روی کل افراد در طی آزمون ذهنی ریاضی با کمک تبدیل موجک مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که گفته شد وجود تداخلات فیزیولوژیکی در جمع آوری دادهها اجتناب ناپذیر بوده و باعث میشود دقت تشخیص عملکردی مغز پایین بیاید. از آنجا که تبدیل موجک می تواند به طور موثری ویژگیهای سیگنال مانند پیکهای تیز، نقطههای شکست را توصیف کند این تبدیل میتواند بهترین کارایی را در حذف تداخلات فیزیولوژیکی داشته باشد.
با انتخاب تابع موجک مادر مناسب - دابیچیز - 5 و تعیین سطوح تجزیه 11 - سطح - توانستیم اثر تداخلات موجود در سیگنال طیف نگاری مادون قرمز نزدیک را کاهش دهیم . شکل 3 و 4 به ترتیب چگالی طیف توان سیگنالهای اکسی و دی اکسی هموگلوبین شکل 1 و 2 را نمایش میدهد. همانطور که مشاهده میشود در هر دو سیگنالهای اکسی و دی اکسی هموگلوبین، فرکانس تداخلات قلبی معمولا در محدوده فرکانسی 0.8 تا 1.5 هرتز، فرکانس سیگنال تنفسی عمدتا در محدوده فرکانسی 0.2 تا 0.5 هرتز و فرکانس موج مایر در حدود 0.1 هرتز متمرکز شدهاند.
با این تفاوت که سیگنال اکسی هموگلوبین حساسیت بیشتری به تداخلات فیزیولوژیکی نسبت به سیگنال دی اکسی هموگلوبین دارد. برای مثال همانطور که در شکل 3 قابل مشاهده است نوسانات قلبی در فرکانس 1.4 هرتز در سیگنال اکسی هموگلوبین نسبت به دی اکسی هموگلوبین دارای نوسانات قویتری میباشد. پس از شناسایی تداخلات فیزیولوژیکی، از تبدیل موجک برای به حداقل رساندن این نوسانات استفاده شد. با توجه به آنالیز چگالی طیف توان یک کاهش قابل توجهی در فرکانس تداخلات قلبی در محدوده 0.8 تا 1.5 هرتز و فرکانس سیگنال تنفس در محدوده 0.2 تا 0.5 در هر دو شکل قابل مشاهده است.
