WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA. im. Jarosława Dąbrowskiego WYDZIAŁ ELEKTRONIKI PRACA DYPLOMOWA

Transkrypt

1 WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA im. Jarosława Dąbrowskiego WYDZIAŁ ELEKTRONIKI PRACA DYPLOMOWA Analiza falkowa wzrokowych potencjałów wywołanych... (temat pracy) sierż. pchor. inż. Paweł Mieczysław STASIAKIEWICZ, s. Mieczysława... (stopień wojskowy, tytuł zawodowy, imiona i nazwisko, imię ojca dyplomanta) ELEKTRONIKA I TELEKOMUNIKACJA (kierunek studiów) Radionawigacja... (specjalność) STACJONARNE STUDIA DRUGIEGO STOPNIA - MAGISTERSKIE... (forma i rodzaj studiów)*) dr hab. inż. Andrzej P. Dobrowolski... (stopień wojskowy, tytuł i stopień naukowy, imię i nazwisko kierownika pracy) WARSZAWA 2016

2 Wprowadzenie W dzisiejszych czasach urządzenia i algorytmy coraz częściej wspierają człowieka w procesie podejmowania decyzji. Dotyczy to zarówno sytuacji, w których zdolności człowieka nie umożliwiają poprawnej oceny zjawiska, jak i również potrzeby standaryzacji metod i procedur. Jedną z wielu dziedzin, w których nauka odgrywa nieodłączną rolę jest medycyna. Już od najdawniejszych czasów człowiek próbował przyporządkować stanom chorobowym lekarstwa często na podstawie obserwacji przyrody w tym szczególnie zwierząt, które pewne gatunki roślin spożywały a inne omijały. Przeważnie osoby w podeszłym wieku podejmowały się leczenia współplemieńców, co wynikało z faktu, że posiadały największe doświadczenie, które potem przekazywane było z pokolenia na pokolenie. Tak i dzisiaj naukowcy poszukują nowych rozwiązań dla diagnostyki lub też udoskonalają już istniejące. Wypracowane metody stanowią podstawę do wykonania systemów umożliwiających pomiar oraz parametryzację wielkości fizycznych, które wspierają lekarzy w codziennej pracy. Niniejsza praca dotyczy rozpoznawania stanu pacjenta na podstawie wzrokowych potencjałów wywołanych. Aktualnie obowiązująca metoda diagnostyczna polega na parametryzacji sygnału w dziedzinie czasu. Ocena przebiegów jest subiektywna i często oparta na doświadczeniu, wiedzy oraz intuicji lekarza. Kolejnym problemem jest sposób parametryzacji sygnału. Cechy, które charakteryzują przebieg wzrokowego potencjału wywołanego nie opisują go jednoznacznie tj. wskaźniki można interpolować nieskończenie duża liczbą funkcji. Dlatego należy przechowywać wszystkie informacje z badania w bazie danych. W ramach niniejszej pracy do generacji cech zdecydowano się zastosować Dyskretną Transformację Falkową m. in. dlatego, że za jej pomocą będzie możliwa do zrealizowania kompresja sygnałów, co pewny zakresie jest zbieżne z zadaniem klasyfikacji. W efekcie opracowano algorytm, który umożliwi automatyczną klasyfikację stanu pacjenta. Procedura będzie szczególnie potrzebna do wspierania lekarzy, którzy dopiero nabierają doświadczenia w zawodzie. Jednak także może okazać się przydatna medykom z dużym doświadczeniem, ponieważ znacznie skrócą czas badania pacjentów. W ramach niniejszej pracy magisterskiej opisano badania nad klasyfikatorem wzrokowych potencjałów wywołanych. W rozdziale 1. scharakteryzowano wzrokowe potencjały wywołane, określono sposób ich pomiaru oraz wstępnego przetworzenia. W następnym rozdziale przedstawiono przeprowadzone badania wstępne z perspektywy własności korelacyjnych oraz przede wszystkim w kontekście możliwości dyskryminacyjnych. Rozdział 3. dotyczy wykonanej aplikacji umożliwiającej realizację badań, która składa się z bazy danych do archiwizowania wyników, moduł obliczeniowego oraz graficznego interfejsu użytkownika. W rozdziale 4. zawarto rezultaty weryfikacji poprawności pracy algorytmu klasyfikującego. W postaci dodatków opisano badania nad algorytmami: szybkiego splotu (Dodatek A) oraz algorytmu szybkiej transformacji Fouriera (Dodatek B). Całość pracy została zakończona podsumowaniem wyników.

3 1. Charakterystyka wzrokowych potencjałów wywołanych Potencjały wywołane (ang. Evoked Potentials) są reakcją na aktywację fizjologiczną receptorów lub są wynikiem elektrycznej stymulacji nerwów. Mają one cechy złożonych potencjałów czynnościowych przesyłanych w neuronach bez cech tłumiących. Wzrokowe potencjały wywołane (WPW, ang. VEP Visual Evoked Potentials) są wynikiem zmian aktywności mózgu na skutek działania zewnętrznego źródła stymulującego układ wzrokowy. Pierwotnie diagnostyka WPW polegała na rejestracji potencjałów elektrycznych pomiędzy powierzchnią rogówki (zewnętrzna warstwa gałki ocznej silnie skupiająca promienie świetlne) oka a elektrodą odniesienia umieszczoną w jego pobliżu. Badanie to nosiło nazwę elektroretinografia (ERG). Obecnie rozpoznanie jest prowadzone po przez rejestrację odpowiedzi korowych. Pomiar uwzględnia transmisję sygnału przez nerw wzrokowy i skrzyżowanie wzrokowe, aż do pola kory wzrokowej tj. 17-ego pola mózgu (znajduje się w części potylicznej mózgu). Występują dwie metody stymulacji za pomocą błysku (FVEP, ang. Flash VEP) oraz naprzemiennym wzorcem szachownicy (PSVEP, ang. Pattern Shift VEP lub PRVEP Pattern Reversal VEP). Metoda stymulowania błyskiem służy głównie do oceny trwałości funkcjonowania ścieżek wzrokowych aż do kory potylicznej. Procedura ta jest szczególnie potrzebna do badań nad pacjentami, których zdolność widzenia jest niewystarczająca do przeprowadzenia diagnozy metodą PSVEP. Z tego samego powodu ta technika jest wykorzystywana w stosunku do pacjentów, którzy nie są skłonni do obserwowania cechy przez dłuższy czas jak np. noworodki, dzieci, a także chorzy na ślepotę korową (brak zdolności widzenia z powodu uszkodzeń kory wzrokowej). Metoda stymulowania naprzemiennym wzorcem szachownicy służy przede wszystkim do rozpoznawania schorzeń występujących na drodze do skrzyżowania wzrokowego, takich jak np. stwardnienie rozsiane, które nie mogą być rozpoznane nawet podczas badań okulistycznych. Procedura wskazuje opóźnienia między potencjałami otrzymanymi po przez stymulację lewego lub prawego oka. Niestety tylko w połączeniu z badaniem ERG istnieje możliwość do lokalizacji uszkodzenia przewodnictwa odpowiedzi między siatkówką a korą wzrokową. Ze względu na szersze zastosowanie tej metody autor zadecydował, że obiektem badań nad klasyfikatorem będą wyniki otrzymane po przez stymulowanie pacjentów naprzemiennym wzorcem szachownicy.

4 1.1. Istota zjawiska Sensorem umożlwiającym człowiekowi odbiór fal elektromagnetycznych z zakresu optycznego (długość fali nm) jest oko, którego budowę przedstawiono na rys Narząd składa się z fotoreceptorów rozmieszczonych na siatkówce. Czopki służą do tzw. widzenia fotopowego (przy dobrym oświetleniu). Układ czopków zapewnia najwyższą ostrość wzroku oraz widzenie barwne. Drugim rodzajem receptorów są pręciki, które charakteryzują się wyższą czułością (100 pręcików połączonych z jednym neuronem) lecz także i bezwładnością. Za ich pomocą proces widzenia jest także możliwy przy bardzo niskim poziomie oświetlenia. Rys. 1.. Budowa oka Gdy komórki pręcikowe lub czopki zostaną pobudzone światłem, to chemiczna kompozycja pigmentu zmienia się chwilowo powodując przepolaryzowanie komórek nerwu wzrokowego. Następnie sygnał w postaci złożonego potencjału czynnościowego przesyłany jest po przez nerw wzrokowy, skrzyżowanie wzrokowe (SW), wzgórze wzrokowe aż do kory wzrokowej. Na rys 1.2. zilustrowano omówiony trakt wzrokowy. Ze względu na fakt, że neuron przewodzi złożony potencjał czynnościowy płynie przez niego zmienny w czasie prąd. Dlatego staje się źródłem fali elektromagnetycznej. Za pomocą przyłożonych elektrod do głowy człowieka można rejestrować aktywność mózgu, która jest wypadkowym polem elektromagnetycznym generowanym poprzez układ wzrokowy.

5 Rys. 1.. Ilustracja traktu wzrokowego 1.2. Cechy charakterystyczne WPW Sygnał wzrokowego potencjału wywołanego ma długość 1000 próbek. Dlatego osoba rejestrująca i analizująca wyniki parametryzuje przebieg w celu zmniejszenia wymiarowości przestrzeni cech. Najbardziej charakterystycznymi wskaźnikami dla badania PSVEP są latencje czyli momenty wystąpienia załamka. Występują załamki N-negatywne (maksima lokalne) oraz P-pozytywne (minima lokalne). Na rys przedstawiono przykładowy sygnał WPW z zaznaczonymi latencjami. Rys. 1.. Przykładowy sygnał WPW z zaznaczonymi latencjami

6 Wyróżnione parametry to załamki N75, P100 oraz N145. Liczba oznacza czas wystąpienia załamka w milisekundach. Załamek P100 niesie najwięcej informacji diagnostycznej. Szczególnie przydatny jest do oceny wyników badań pacjentów zdrowych, ponieważ w obrębie tej klasy parametr charakteryzuje się małą wariancją. Ze względu na fakt, że omówione powyżej parametry nie pozwalają na podjęcie jednoznacznej decyzji o stanie pacjenta wyznacza się szereg innych parametrów. Dodatkowe dwa parametry związane są z poziomami załamków. Wartość międzyszczytowa liczona jest między załamkami N75-P100 oraz N145-P100. Te wskaźniki wyznaczane są w taki sposób prawdopodobnie z tego powodu, że ostrość widzenia pacjenta wpływa na poziomy załamków. Dlatego rozpatrywanie poszczególnych wartości załamków w obrębie pacjentów chorych i zdrowych mogłoby charakteryzować się znaczną wariancją uniemożliwiając tym samym poprawną klasyfikację. Na rys 1.4. zilustrowano sposób pomiaru wartości międzyszczytowych. Rys. 1.. Przykładowy sygnał WPW z zaznaczonymi wartościami międzyszczytowymi Podczas badania wyznaczana jest także różnica latencji dla załamka N75 i P100 dla oka prawego i lewego. W ten sposób można zaobserwować różnicę w propagacji złożonego potencjału czynnościowego. Za pomocą tych parametrów można stwierdzić, że w trakcie oka lewego lub prawego nastąpiło uszkodzenie przewodnictwa. Parametr t N75 t P100 t N145 PP PP Miara Fishera 0,52 0,60 0,46 0,22 0,20 Tab. 1.. Zestawienie miar Fishera parametrów sygnału WPW W tabeli 1.1. zestawiono możliwości dyskryminacyjne parametrów charakteryzujących stan prawego lub lewego oka pacjenta. Wskaźnikiem predyspozycji do rozróżniania jest miara Fishera wyznaczona zgodnie z Na podstawie tabeli można stwierdzić, że za pomocą poszczególnych parametrów rozpoznanie stanu pacjenta jest obarczone dużym błędem. Klasy w znaczny sposób przenikają się. Z tego powodu lekarz zmuszony jest do rozpatrywania 7 wskaźników jednocześnie (wliczając dwa parametry dotyczące różnic latencji). Tym samym

7 podejmuje decyzje w oparciu o analizę danych 7-mio wymiarowych. Trudność wynikającą z tego, że takich informacji nie sposób zwizualizować (wykluczając wykresy gwiazdowe itp.) podkreśla potrzebę opracowania algorytmu wspierającego proces decyzyjny lekarza. Jak już podkreślono we wprowadzeniu parametry w dziedzinie czasu nie opisują sygnałów wzrokowych potencjałów wywołanych jednoznacznie. Na rys przeprowadzono przykładową interpolację dwiema funkcjami 5-ciu parametrów sygnału WPW (3-ch latencji oraz 2-ch wartości międzyszczytowych). Tak dobrane cechy mogą zostać interpolowane za pomocą nieskończonej liczby zależności. W konsekwencji w bazie danych konieczne jest przechowywanie 1000 próbek sygnałów oraz wartości parametrów. Rys. 1.. Interpolacja parametrów sygnału WPW W celach porównawczych przeprowadzono przykładową analizę falkową tego samego sygnału WPW. Dokonano dekompozycji za pomocą falki db8 oraz rekonstrukcji w oparciu o detale z 7, 8 oraz 9-ego poziomu. Rezultaty analizy zostały przedstawione na rys Jakość rekonstrukcji jest zadawalająca i może być jeszcze lepsza, gdy dokona się synchronizacji z siatką czas-skala. Do rekonstrukcji wykorzystano 56 liczb. W konsekwencji w bazie danych przebieg sygnału WPW może zajmować w zaokrągleniu 18 razy mniej pamięci. Rys. 1.. Kompresja sygnału WPW

8 Niestety można stwierdzić, że wprowadzone zostanie przekłamanie poziomów załamków, w tym przypadku szczególnie N145. Jednak jak to zostało pokazane w tab te parametry mają bardzo słabe możliwości dyskryminacyjne. Dlatego można sformułować hipotezę, że istnieje duże prawdopodobieństwo, że lekarz podjąłby tą samą decyzję w oparciu o sygnał oryginalny oraz zrekonstruowany Sposób pomiaru PSVEP Głównym problemem pomiaru wzrokowych potencjałów wywołanych jest sposób rozmieszczenia elektrod, który powinien zapewniać powtarzalność wyników rozróżniających przypadki chorobowe od prawidłowych. W rezultacie prac Haliday a z 1982 roku otrzymano konfigurację, która charakteryzuje się maksymalną wartością załąmka P100. Elektroda Oz rejestrująca zmienność potencjału w korze wzrokowej umieszczona jest 5 cm nad potylicą, elektroda referencyjna Cz przyłożona jest 12 cm nad grzbietem nosa. Takie rozmieszczenie elektrod zapewnia poprawną ocenę większości przypadków zdrowych pacjentów. Jednak w przypadku zmian patologicznych w drogach wzrokowych u pacjenta zaobserwowano asymetryczną aktywację nerwu wzrokowego. Dlatego zaleca się montaż dodatkowych symetrycznych elektrod po obu stronach wzdłuż środkowej linii oddalonych o 5 i 10 cm. Elektroda uziemiająca Fpz umieszczona jest na czole. Na rys zilustrowano miejsca montażu elektrod na głowie pacjenta oraz stymulujący obraz w postaci naprzemiennego wzorca szachownicy. Rys. 1.. Ilustracja montażu elektrod oraz wzorca z naprzemiennym wzorcem szachownicy

9 Pacjent obserwuje monitor z odległości około 1,5 m (czasami zaleca się odległości 0,7-1,0 m). Kąt widzenia pojedynczego pola powinien wynosić 30 sekund. Zaleca się, aby kontrast pomiędzy polami białymi i czarnymi wynosił od 50 do 80%. Częstotliwość przesuwu z zakresu 1-2Hz. Częstotliwość próbkowania stanowi 4 khz, a długość jednego przebiegu to 1000 próbek czyli jego czas trwania wynosi 250 ms. Czas rejestracji to 3 min. Każde oko bada się oddzielnie Podczas badania niezbędnym elementem jest wywiad chorobowy. Ważną informacją jest to jakie leki pacjent przyjmuje regularnie. Dla przykładu lek psychotropowy karbamazepina wydłuża latencję załamka P100. Ponadto w ramach badań realizowanych w miejscowości Sannita z 1995 roku stwierdzono, że stan psychiczny, a więc także i poziom glukozy we krwi ma wpływ na rezultat badania. Zaobserwowano wzrost o 7% latencji załamka P100 pomiędzy niskim i wysokim poziomem glukozy w surowicy. Na rys zilustrowano wstępne przetwarzania sygnału WPW. Poziom wzrokowych potencjałów wywołanych jest mały, rzędu mikrowoltów, dlatego na dokładność pomiarów mają wpływ zakłócenia zewnętrzne elektromagnetyczne (pracujące w pobliżu urządzenia) i elektrostatyczne (oświetlenie fluorescencyjne) oraz szumy cieplne powstające w całym torze pomiarowym. Rys. 1.. Wstępne przetworzenie sygnału WPW W układzie kondycjonującym następuje różnicowe wzmocnienie potencjałów pomierzonych w różnych punktach zgodnie z rozmieszczeniem elektrod na głowie pacjenta. Gdy zakłócenia w tych punktach będą miały podobną fazę i amplitudę nastąpi ich redukcja. Ze względu na

10 fakt, że wzmocnienie jest realizowane różnicowo otrzymuje się załamek pozytywny P100 zamiast negatywnego. Następnie przebiegi o długości 250 ms rejestrowane są przez 3 minuty. W efekcie uśrednionych zostaje 720 sygnałów. Taki zabieg ma na celu zmniejszyć poziom zakłóceń o charakterze addytywnego szumu białego. Zaburzenia tego typu mają rozkład normalny o zerowej wartości oczekiwanej. Dlatego sygnał po przetworzeniu przez blok Uśrednianie przebiegów, pomimo tego że poziom jest rzędu mikrowoltów może zostać wyciągnięty z poziomu szumów. Ostatnim etapem jest filtracja za pomocą filtru pasmowo przepustowego o paśmie z zakresu 1 do 100 Hz.