ZALEŻNOŚCI WIDMOWO-FAZOWE POMIĘDZY WZDŁUŻNYM RUCHEM OKA A PULSOWANIEM NACZYŃ TĘTNICZYCH



Podobne dokumenty
Ćwiczenie: "Ruch harmoniczny i fale"

LABORATORIUM PODSTAW TELEKOMUNIKACJI

STA T T A YSTYKA Korelacja

Ćwiczenie nr 2 Zbiory rozmyte logika rozmyta Rozmywanie, wnioskowanie, baza reguł, wyostrzanie

RAPORT Z 1 BADANIA POZIOMU SATYSFAKCJI KLIENTÓW URZĘDU MIEJSKIEGO W KOLUSZKACH

PRZETWORNIK NAPIĘCIE - CZĘSTOTLIWOŚĆ W UKŁADZIE ILORAZOWYM

SPRAWOZDANIE Z REALIZACJI XXXII BADAŃ BIEGŁOŚCI I BADAŃ PORÓWNAWCZYCH HAŁASU W ŚRODOWISKU Warszawa kwiecień 2012r.

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Wyniki badań dla trasy kolejowej Warszawa - Poznań.

Podejmowanie decyzji. Piotr Wachowiak

Zagadnienia transportowe

Zakład Ubezpieczeń Społecznych Departament Statystyki i Prognoz Aktuarialnych

Załącznik nr 2 Testy logiczne służące sprawdzeniu jakości danych uczestników projektów współfinansowanych z EFS

ST SPECYFIKACJA TECHNICZNA ROBOTY GEODEZYJNE. Specyfikacje techniczne ST Roboty geodezyjne

ZAPYTANIE OFERTOWE W SPRAWIE ZAMÓWIENIA LINIA DO CIĘCIA POPRZECZNEGO. Krzęcin,

7. REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Karta pracy: Ćwiczenie 5.

WYZNACZANIE PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO ZA POMOCĄ WAHADŁA REWERSYJNEGO I MATEMATYCZNEGO

LABORATORIUM TECHNOLOGII NAPRAW WERYFIKACJA TULEJI CYLINDROWYCH SILNIKA SPALINOWEGO

Harmonogramowanie projektów Zarządzanie czasem

Strategia rozwoju kariery zawodowej - Twój scenariusz (program nagrania).

Matematyka:Matematyka I - ćwiczenia/granice funkcji

I. LOGICZNE STRUKTURY DRZEWIASTE

ZASADY WYPEŁNIANIA ANKIETY 2. ZATRUDNIENIE NA CZĘŚĆ ETATU LUB PRZEZ CZĘŚĆ OKRESU OCENY

Tester pilotów 315/433/868 MHz

Zakres pomiaru (Ω) Rozdzielczość (Ω) Dokładność pomiaru

Podstawowe pojęcia: Populacja. Populacja skończona zawiera skończoną liczbę jednostek statystycznych

Pomiar prędkości dźwięku w metalach

Ć W I C Z E N I E N R O-10

D wysokościowych

Test F- Snedecora. będzie zmienną losową chi-kwadrat o k 1 stopniach swobody a χ

Pomiary geofizyczne w otworach

Metrologia cieplna i przepływowa

PROCEDURA EWALUACJI WEWNĘTRZNEJ W SZKOLE PODSTAWOWEJ IM. JANA PAWŁA II W GRZĘDZICACH

III. GOSPODARSTWA DOMOWE, RODZINY I GOSPODARSTWA ZBIOROWE

D ODTWORZENIE TRASY I PUNKTÓW WYSOKOŚCIOWYCH

Temat: Czy świetlówki energooszczędne są oszczędne i sprzyjają ochronie środowiska? Imię i nazwisko

SPECYFIKACJA TECHNICZNA 2. PRACE GEODEZYJNE

Bojszowy, dnia r. Znak sprawy: GZOZ/P1/2010 WYJAŚNIENIE TREŚCI SIWZ

Centrum Konsultingowo-Wdrożeniowe INTER-EKO Sp. z o.o.

Pomiary napięć i prądów w obwodach prądu stałego

Algorytmy graficzne. Podstawy kompresji danych fragment wykładu. Marcin Wilczewski

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA SYSTEMY WBUDOWANE

Sprawozdanie z działalności Rady Nadzorczej TESGAS S.A. w 2008 roku.

TEST WIADOMOŚCI: Równania i układy równań

ZARZĄDZENIE Nr 61/2015 Rektora Uniwersytetu Wrocławskiego z dnia 7 maja 2015 r.

Waldemar Szuchta Naczelnik Urzędu Skarbowego Wrocław Fabryczna we Wrocławiu

WBO 2016 PARK WOJSZYCE UPORZĄDKOWANIE TERENU

Tester pilotów 315/433/868 MHz MHz

Regulamin konkursu na logo programu Start In Poland

STATUT KOŁA NAUKOWEGO KLUB INWESTORA

INSTRUKCJA OBSŁUGI WD2250A. WATOMIERZ 0.3W-2250W firmy MCP

SYSTEMY TRANSAKCYJNE (TraderTeam.pl: Rafa Jaworski, Marek Matuszek) Lekcja XVII

DE-WZP JJ.3 Warszawa,

Techniczne nauki М.М.Zheplinska, A.S.Bessarab Narodowy uniwersytet spożywczych technologii, Кijow STOSOWANIE PARY WODNEJ SKRAPLANIA KAWITACJI

Koszty obciążenia społeczeństwa. Ewa Oćwieja Marta Ryczko Koło Naukowe Ekonomiki Zdrowia IZP UJ CM 2012

1 Przedmiot Umowy 1. Przedmiotem umowy jest sukcesywna dostawa: publikacji książkowych i nutowych wydanych przez. (dalej zwanych: Publikacjami).

PK Panie i Panowie Dyrektorzy Izb Skarbowych Dyrektorzy Urzędów Kontroli Skarbowej wszyscy

Udoskonalona wentylacja komory suszenia

UCHWAŁA NR XVII/132/2016 RADY MIASTA OLEŚNICY. z dnia 29 stycznia 2016 r.

Ustawienie wózka w pojeździe komunikacji miejskiej - badania. Prawidłowe ustawienie

Regulamin w konkurencjach solowych

Regresja i korelacja. Statystyka w medycynie. Dr inż. Janusz Majewski Katedra Informatyki

Statystyczna analiza danych w programie STATISTICA. Dariusz Gozdowski. Katedra Doświadczalnictwa i Bioinformatyki Wydział Rolnictwa i Biologii SGGW

Wały napędowe półosie napędowe przeguby wałów i półosi

KRAJOWY REJESTR SĄDOWY. Stan na dzień godz. 14:59:36 Numer KRS:

SPECYFIKACJA TECHNICZNA WYKONANIA I ODBIORU ROBÓT BUDOWLANYCH GEODEZJA

SPECYFIKACJA TECHNICZNA WYKONANIA I ODBIORU ROBÓT BUDOWLANYCH ROBOTY W ZAKRESIE STOLARKI BUDOWLANEJ

Projekt MES. Wykonali: Lidia Orkowska Mateusz Wróbel Adam Wysocki WBMIZ, MIBM, IMe

TEST dla stanowisk robotniczych sprawdzający wiedzę z zakresu bhp

PODSTAWY DZIAŁANIA UKŁADÓW CYFROWYCH

Kalkulacyjny układ kosztów

Projekty uchwał dla Zwyczajnego Walnego Zgromadzenia

Od redakcji. Symbolem oznaczono zadania wykraczające poza zakres materiału omówionego w podręczniku Fizyka z plusem cz. 2.

Przygotowały: Magdalena Golińska Ewa Karaś

PLANIMETRIA. Poziom podstawowy

UCHWAŁA NR podjęta przez Nadzwyczajne Walne Zgromadzenie spółki pod firmą Star Fitness Spółka Akcyjna w Poznaniu w dniu roku

2.Prawo zachowania masy

SPECYFIKACJA TECHNICZNA D GEODEZYJNA OBSŁUGA BUDOWY

Protokół częściowego* / końcowego* odbioru prac. w ramach Etapu zarządczego nr (WZÓR) CZĘŚĆ I (DANE OGÓLNE)

Biuro Administracyjno-Gospodarcze Warszawa, dnia r. UR.BAG.AGG UK.2

JTW SP. Z OO. Zapytanie ofertowe. Zakup i dostosowanie licencji systemu B2B część 1

ANALIZA ANKIETY EWALUACYJNEJ. Zajęć z zakresu poradnictwa i wsparcia indywidualnego oraz grupowego w zakresie podniesienia kompetencji życiowych

2) Drugim Roku Programu rozumie się przez to okres od 1 stycznia 2017 roku do 31 grudnia 2017 roku.

Uniwersytet Warszawski Teoria gier dr Olga Kiuila LEKCJA 5

Kategoria środka technicznego

Załącznik nr 4 WZÓR - UMOWA NR...

12. Wyznaczenie relacji diagnostycznej oceny stanu wytrzymało ci badanych materiałów kompozytowych

UCHWAŁA NR podjęta przez Nadzwyczajne Walne Zgromadzenie spółki pod firmą Star Fitness Spółka Akcyjna w Poznaniu w dniu 11 marca 2013 roku

RAPORT z diagnozy Matematyka na starcie

RAPORT Z EWALUACJI WEWNĘTRZNEJ

3. BADA IE WYDAJ OŚCI SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ

W. Guzicki Zadanie 23 z Informatora Maturalnego poziom rozszerzony 1

Projekt edukacyjny. " Warszawa w okresie I i II wojny światowej" Regulamin

Trenuj przed sprawdzianem! Matematyka Test 4

KONKURSY MATEMATYCZNE. Treść zadań

Przykłady wybranych fragmentów prac egzaminacyjnych z komentarzami Technik ochrony fizycznej osób i mienia 515[01]

Załącznik Szczegółowy opis przedmiotu zamówienia na CZĘŚĆ II

WZÓR SKARGI EUROPEJSKI TRYBUNAŁ PRAW CZŁOWIEKA. Rada Europy. Strasburg, Francja SKARGA. na podstawie Artykułu 34 Europejskiej Konwencji Praw Człowieka

Transkrypt:

ZALEŻNOŚCI WIDMOWO-FAZOWE POMIĘDZY WZDŁUŻNYM RUCHEM OKA A PULSOWANIEM NACZYŃ TĘTNICZYCH SPECTRAL AND PHASE DEPENDENCIES BETWEEN AXIAL EYE DISPLACEMENTS AND PULSATION OF BLOOD VESSELS Monika E. Danielewska 1*, D. Robert Iskander 2 1 Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Instytut Fizyki, 50-370 Wrocław, Wybrzeże Wyspiańskiego 27 2 Politechnika Wrocławska, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Instytut Inżynierii Biomedycznej i Pomiarowej, 50-377 Wrocław, Plac Grunwaldzki 13 * e-mail: monika.danielewska@pwr.wroc.pl STRESZCZENIE Celem niniejszej pracy jest synchroniczna rejestracja wzdłużnych przemieszczeń wierzchołka rogówki oka LCAD (ang. Longitudinal Corneal Apex Displacement), pulsowania naczyń tętniczych oraz analiza amplitudowo-fazowa zarejestrowanych sygnałów przy zastosowaniu metod estymacji widma i fazy. Sygnał LCAD lewego oka mierzono nieinwazyjnie za pomocą ultradźwiękowego czujnika do pomiaru odległości, a sygnał pulsu rejestrowano przy pomocy pulsoksymetru umieszczonego na płatku ucha. Wyniki uzyskane dla kontrolnej grupy zdrowych ochotników wykazały, iż amplitudy składowych częstotliwościowych zawarte w widmach sygnałów LCAD i pulsu mogą stanowić cechę indywidualną osoby badanej. Ponadto, wartości opóźnień czasowych pomiędzy sygnałami LCAD i pulsu, reprezentowanymi przez podstawową częstotliwość związaną z rytmem serca, są parametrami powtarzalnymi dla danej osoby. Zaproponowana analiza zależności fazowych i amplitudowych sygnałów tętna gałkowego i pulsowania naczyń tętniczych może być pomocna w wyjaśnieniu zjawiska propagacji fali ciśnienia krwi do oka, co może być w przyszłości przydatne w oszacowaniu nowych aspektów hemodynamicznych w diagnostyce jaskry przy normalnym ciśnieniu. ABSTRACT The goal of the study is to measure longitudinal corneal apex displacements (LCAD) synchronically with blood pulsation, and the spectral and phase analyses of these signals. LCAD was noninvasively registered using an ultrasonic distance sensor, while a blood pulse signal was measured using a pulse oximeter placed on an earlobe. Results obtained for a control group of healthy subjects showed that amplitudes of frequency content of LCAD and pulse spectra might be an individual feature of each person. Time delays calculated between considered signals for the fundamental frequency related to the heart rate were found to be reproducible person s parameters. Spectral and phase analyses of LCAD and pulse could be used to explain the process of blood pressure wave propagation to the eyeball. Also, further calculations of time delays between LCAD and cardiovascular signals might give more information about the ocular circulation and be useful in diagnosing of the normal tension glaucoma. Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 72

Słowa kluczowe: wzdłużne przemieszczenia rogówki oka, fala pulsu, opóźnienia czasowe, analiza widmowa Keywords: longitudinal corneal displacements, blood pulsation, time delays, spectral analysis 1. Wstęp Zmiany ciśnienia wewnątrzgałkowego IOP (ang. Intraocular Pressure), jak również pulsacyjny przepływ krwi w naczyniach gałki ocznej, przyczyniają się do występowania zjawiska określanego, jako tętno gałkowe [1]. Krążenie oczne jest ściśle uwarunkowane aktywnością układu sercowonaczyniowego. Stąd praca serca jest jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na pulsowanie oka [2, 3]. Wynikiem tętna gałkowego są pulsacyjne przemieszczenia powierzchni rogówki i twardówki oka, związane ze zmianami objętości gałki ocznej, a także aktywnością sercowonaczyniową [4]. Badanie zależności pomiędzy tętnem gałkowym a pulsowaniem naczyń tętniczych może być pomocne w diagnozowaniu chorób oka o podłożu naczyniowym. Analiza widmowa tętna gałkowego przeprowadzona przez Evans a dla grupy osób zdrowych i chorych na jaskrę wykazała, iż amplitudy składowych harmonicznych tętna gałkowego, związanych z rytmem serca, są niższe u osób chorujących na jaskrę w porównaniu do zdrowych ochotników [5]. Stąd analiza częstotliwościowa oraz fazowa wzdłużnych przemieszczeń rogówki oka oraz sygnałów pracy serca może dostarczyć nowe informacje na temat propagacji fali ciśnienia krwi do oka oraz pomóc w oszacowaniu nowych parametrów hemodynamicznych pod kątem diagnostyki jaskry. Celem niniejszej pracy był nieinwazyjny pomiar wzdłużnych przemieszczeń rogówki oka, przy użyciu ultradźwiękowego systemu do pomiaru odległości, przeprowadzony synchronicznie z pulsacyjnym przepływem krwi przez naczynie tętnicze. Dodatkowo celem pracy była analiza opóźnień czasowych zarejestrowanych sygnałów przy zastosowaniu kilku metod estymacji fazy. 2. Metoda pomiaru i analizy Badania przeprowadzono w kontrolnej grupie 9 osób w wieku od 26 do 63 lat; 6 kobiet (średnia ± SD, 29 ± 2 lata) oraz 3 mężczyzn (średnia ± SD, 45 ± 17 lat), zgodnie z uzyskaną zgodą Komisji Bioetycznej Nr KB 503/2011. Kryteria, które wykluczały osoby z badania to: choroby sercowo-naczyniowe, zabiegi chirurgiczne oka oraz obrzęk i uszkodzenia mechaniczne rogówki, których obecność stwierdzona została przez okulistę podczas badania w lampie szczelinowej. Początkowym etapem badań był pomiar wartości ciśnienia wewnątrzgałkowego przy zastosowaniu tonometru bezkontaktowego (Reichert, Inc, Depew, NY, USA). Odnotowano prawidłową wartość ciśnienia u wszystkich badanych osób (średnia ± SD, 13,7 ± 2,1 mmhg). Następnie, u każdej osoby przeprowadzono dziesięciokrotnie synchroniczny pomiar sygnału wzdłużnych przemieszczeń wierzchołka rogówki lewego oka LCAD oraz pulsu. Sygnał LCAD mierzono nieinwazyjnie za pomocą ultradźwiękowego czujnika odległości, pracującego z częstotliwością 0,8 MHz. Zaproponowana ultradźwiękowa metoda pomiarowa stosowana była we wcześniejszych badaniach nad dynamiką przedniego odcinka gałki ocznej [4]. Czoło głowicy umieszczono przed powierzchnią rogówki w odległości około 12 15 mm w specjalnie skonstruowanym układzie minimalizującym ruch głowy pacjenta. Ultradźwiękowy system do pomiaru odległości pozwala mierzyć przemieszczenia rogówki z dokładnością około 2 µm [6]. Pulsacyjny przepływ krwi rejestrowano synchronicznie za pomocą pulsoksymetru umieszczonego na płatku ucha. W celu stabilizacji czynności oddechowej osoba badana oddychała zgodnie z metronomem z częstotliwością 0,5 Hz. Podczas pomiaru trwającego 10 s osoba badana proszona była o powstrzymanie się od mrugania. Sygnały, które zawierały mrugnięcia nie były brane pod uwagę. Wszystkie rejestrowane sygnały próbkowano z częstotliwością 100 Hz. Ustawienie dwóch głowic ultradźwiękowych naprzeciw obu oczu badanej osoby powoduje przysłonięcie jej pola widzenia i utratę fiksacji na wybrany punkt. Dlatego też pomiar sygnału LCAD dokonano tylko dla lewego oka, aby badana osoba mogła swobodnie patrzeć okiem niemierzonym Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 73

na wybrany punkt fiksacji. Ponadto, obuoczny pomiar przemieszczeń rogówek osób zdrowych, za pomocą czujników ultradźwiękowych wykazał, iż charakterystyki pulsowania rogówek obu oczu są wysoko skorelowane i zgodne w fazie [7]. Wszystkie osoby uczestniczące w pomiarach zostały zapoznane z protokołem pomiarowym oraz podpisały imienną zgodę na uczestnictwo w badaniach. 3. Symulacje numeryczne na sygnałach okresowych oraz o zmiennej częstotliwości w czasie 3.1. Wybór metod estymacji fazy W celu weryfikacji metody estymacji fazy dla sygnałów rzeczywistych przeprowadzono w pierwszym etapie symulacje na dwóch sygnałach okresowych o częstotliwościach z zakresu od 0,1 do 4 Hz, które przesuwano względem siebie z krokiem 0,01 s, od wartości 0,01 do 0,5 s. Dla każdego zadanego przesunięcia czasowego pomiędzy wygenerowanymi sygnałami okresowymi, estymowano opóźnienie pomiędzy nimi, stosując cztery metody: funkcję korelacji wzajemnej CC (ang. Cross-Correlation function) [8], transformatę Hilberta HT (ang. Hilbert Transform) [9], uogólnioną funkcję korelacji wzajemnej GCC (ang. Generalised Cross-Correlation) [10] oraz metodę sumy błędów średniokwadratowych SSE (ang. Sum of Squared Erros). Obliczenia opóźnień czasowych wykonano dla różnych częstotliwości sygnałów w zakresie od 0,1 do 4 Hz. Wyniki symulacji przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Symulacje numeryczne obrazujące estymowane opóźnienia czasowe dla różnych częstotliwości sygnałów okresowych oraz zadanych różnych opóźnień pomiędzy tymi sygnałami, dla czterech testowanych funkcji estymacji fazy CC Cross-Correlation, HT Hilbert Transform, GCC Generalised Cross-Correlation, SSE Sum of Squared Errors Idealnym wynikiem powinna być płaszczyzna o nachyleniu jednostkowym w stosunku do zadanego opóźnienia czasowego. Otrzymane wyniki wskazują, iż najbardziej obiecującymi metodami obliczeń opóźnień czasowych dla badanego zakresu częstotliwości i wartości opóźnień czasowych są GCC oraz SSE. Natomiast wszystkie prezentowane metody sprawdzają się dla wąskiego zakresu częstotliwości, odpowiadającego rytmowi pracy serca w sygnałach rzeczywistych (od około 0,9 do około 1,3 Hz). Z racji tego, iż rejestrowane sygnały rzeczywiste (LCAD oraz puls) są sygnałami niestacjonarnymi, postanowiono przeprowadzić dodatkowe symulacje numeryczne na sygnałach o zbliżonej charakterystyce przebiegu czasowego do sygnałów rzeczywistych. W tym celu wygenerowano dwa sygnały o liniowo zmiennej częstotliwości (sygnały typu chirp) w zakresie od 0,9 do 1,3 Hz, z dodanym niezależnym od sygnałów szumem gaussowskim, opóźnionych względem siebie o wartość Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 74

równą 0,3 s. Długość generowanych sygnałów chirp wynosiła 10 s, a wybrana długość okna czasowego w, w obrębie którego estymowano zadane pomiędzy nimi opóźnienie czasowe, odpowiadała okresowi najniższej częstotliwości sygnałów (w = 1,1 s). Dla różnych wartości opóźnienia czasowego między sygnałami chirp oraz współczynnika sygnału do szumu SNR (ang. Signal to Noise Ratio) od około 10 do 20 db (od 40 do 40 db) oszacowano wartości błędu średniokwadratowego estymowanego metodami: CC, HT, GCC i SSE. Wyboru estymatora o najmniejszym błędzie średniokwadratowym MSE (ang. Mean Squared Error) spośród czterech testowanych estymatorów opóźnień czasowych dokonano, stosując symulacje metodą Monte Carlo. Wartości współczynnika poziomu błędów średniokwadratowych, dla estymowanych opóźnień czasowych pomiędzy dwoma wygenerowanymi sygnałami typu chirp w funkcji współczynnika SNR wyznaczono, powtarzając niezależne obliczenia 200-krotnie. W interesującym przedziale współczynnika SNR dla sygnałów biomedycznych (10 20 db) zaobserwowano, iż najniższe wartości log(mse) równe 40 db osiągają estymatory CC i SSE. W związku z powyższym jako główne estymatory do dalszej analizy wzajemnych zależności fazowych pomiędzy zarejestrowanymi sygnałami pulsowania rogówki oka oraz fali pulsu, dla podstawowej składowej częstotliwościowej sygnałów związanej z pracą serca (około 1,3 Hz), posłużyły metody CC oraz SSE. Należy przy tym podkreślić, iż w przypadku, kiedy rozważane są zależności fazowe pomiędzy pojedynczymi składowymi harmonicznymi tych sygnałów, analiza fazowa dotyczy estymacji opóźnień czasowych. Otrzymane dane pomiarowe poddano analizie numerycznej przy użyciu programu Matlab (MathWorks, Inc. Natic, MA). Początkowym etapem analizy sygnałów była filtracja w zakresie od 0,1 do 20 Hz. Tym samym usunięte zostały z zarejestrowanych sygnałów częstotliwości niezwiązane z podstawową pracą serca. Do oceny zawartości widmowej sygnałów wzdłużnych przemieszczeń rogówki oraz pulsowania naczyń tętniczych wykorzystano transformatę Fouriera. W związku z niestacjonarnością badanych sygnałów, w celu zobrazowania zmian ich widm częstotliwościowych w czasie, zastosowano także analizę czasowo-częstotliwościową (okienkową transformatę Fouriera). Badanie zgodności fazowej pomiędzy poszczególnymi składowymi częstotliwościowymi, zawartymi w zarejestrowanych sygnałach LCAD i pulsu wykonano za pomocą funkcji koherencji wzajemnej [8]. Na niestacjonarność mierzonych sygnałów największy wpływ ma zmienność rytmu serca oraz czynność oddechowa, co przekłada się pośrednio na zmienność opóźnień fazowych w czasie pomiędzy dwoma sygnałami [11]. Dotychczas uzyskane wyniki wartości opóźnień czasowych, obliczane na całych długościach sygnałów, nie były jednoznaczne [12]. Stąd interesujące stało się zbadanie zmienności opóźnień fazowych analizowanych sygnałów pulsowania rogówki oka oraz naczyń tętniczych w odcinkach czasowych, przez zastosowanie tzw. okienkowania sygnałów. Wybór długości okna czasowego jest jednym z ważniejszych etapów analizy. Jego długość przekłada się znacząco na wynik zmienności opóźnień czasowych pomiędzy dwoma sygnałami. Odpowiednio wąskie okno czasowe pozwala wydobyć drobne zmiany w wartościach opóźnień pomiędzy sygnałami. Ponadto, dla każdej składowej harmonicznej długość okna czasowego będzie inna ze względu na większą zmienność w czasie wyższych składowych harmonicznych. 3.2. Estymacja opóźnień czasowych dla podstawowej składowej częstotliwościowej sygnałów LCAD i pulsu związanej z rytmem serca W niniejszej pracy zaprezentowano wyniki analizy zmienności fazowej sygnałów LCAD i pulsu dla podstawowej częstotliwości związanej z rytmem serca, dla której empirycznie przyjęto długość okna równą okresowi podstawowej częstotliwości rytmu serca wybranej na podstawie widma Fouriera indywidualnie dla każdej osoby badanej. Następnie okno czasowe było przesuwane z krokiem 0,01 s wzdłuż sygnałów reprezentowanych przez wybraną składową harmoniczną. Po każdym przesunięciu okna obliczano w jego obrębie wartość opóźnienia czasowego przy użyciu wybranych metod CC i SSE. Uzyskane indywidualnie dla każdej pozycji okna wartości opóźnień czasowych zostały uśrednione dla każdej z metod, stanowiąc ostateczny estymator fazy pomiędzy analizowanymi sygnałami. Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 75

4. Wyniki Przykładowe reprezentatywne przebiegi czasowe oraz częstotliwościowe synchronicznie zarejestrowanych sygnałów wzdłużnych przemieszczeń wierzchołka rogówki oka (LCAD) oraz pulsu dla Osoby I (mężczyzna, 47 lat) oraz Osoby II (kobieta, 30 lat) pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Przykładowe charakterystyki czasowe i częstotliwościowe wzdłużnych przemieszczeń rogówki lewego oka (LCAD) oraz pulsu dla dwóch wybranych osób Na podstawie uzyskanych wyników średnie wzdłużne przemieszczenia rogówki oka wynoszą około 15 μm. Widmo sygnału LCAD zawiera składowe harmoniczne, które występują również w widmie fali pulsu. Amplituda w widmie prędkości sygnału LCAD została znormalizowana w taki sposób, iż oznacza średnią wartość prędkości wzdłużnych przemieszczeń rogówki. Największą amplitudę przemieszczeń w prezentowanym widmie posiada podstawowa częstotliwość odpowiadająca pracy serca (około 1,2 Hz). Pozostałe składowe harmoniczne są jej kolejnymi wielokrotnościami. Charakterystyki częstotliwościowe analizowanych sygnałów LCAD i pulsu wykazują duże podobieństwo. Zaobserwowano, że ilość składowych harmonicznych oraz ich amplitudy mogą być cechę indywidualną danego pacjenta, co w przyszłości może stanowić parametr różnicujący. Opierając się na wartościach koherencji, obliczonej pomiędzy LCAD i pulsem, można wnioskować, iż istnieje wysoka zgodność fazowa, sięgająca 90% (wartości koherencji bliskie jedności), pomiędzy składowymi częstotliwościowymi zawartymi w obu sygnałach. Przykładowy wykres funkcji koherencji wzajemnej pomiędzy sygnałami LCAD i pulsu dla Osoby I pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Koherencja wzajemna pomiędzy sygnałami LCAD lewego oka a pulsem Osoby I Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 76

Na rysunku 4 zobrazowano obliczone średnie wartości opóźnień czasowych pomiędzy sygnałem LCAD a pulsem dla podstawowej częstotliwości związanej z rytmem serca dla wszystkich przebadanych osób. Rysunek 4A przedstawia wyniki korelacji otrzymanych wartości opóźnień dla zastosowanych dwóch metod estymacji fazy CC i SSE. W celu porównania otrzymanych wyników opóźnień czasowych dla metod CC i SSE na rysunku 4B przedstawiono wykres Blanda-Altmana [13]. Rys. 4. Analiza korelacji (A) oraz wykres Blanda-Altmana (B) zależności fazowych pomiędzy sygnałem wzdłużnych przemieszczeń rogówki oka (LCAD) a pulsem, obliczonych za pomocą metod CC oraz SSE Na podstawie zastosowanej w obliczeniach regresji ortogonalnej oraz wyliczonej wartości współczynnika korelacji (r = 0,44; p = 0,019) można stwierdzić, iż istnieje statystycznie znacząca korelacja pomiędzy wartościami opóźnień czasowych obliczonych za pomocą metod CC oraz SSE. 5. Wnioski Zaprezentowane w niniejszej pracy sygnały wzdłużnych przemieszczeń rogówki oka oraz pulsowania naczyń tętniczych wykazują niestacjonarność [14], co wiąże się z zastosowaniem niestandardowych narzędzi w obliczeniach numerycznych. Pomimo, iż na podstawie symulacji sztucznie wygenerowanych sygnałów wybrano spośród kilku metod jedynie dwie (CC i SSE), o najbardziej zgodnych wynikach opóźnień czasowych, ich praktycznie zastosowanie w przypadku sygnałów rzeczywistych wykazało dobrą korelację. Na podstawie otrzymanych wyników wnioskuje się, że istnieje korelacja pomiędzy pulsacyjnym przepływem krwi przez naczynia tętnicze a odpowiedzią w postaci wzdłużnych przemieszczeń rogówki oka. Idea zastosowania znanych metod estymacji fazy, liczonych zarówno w dziedzinie czasu [8], jak i w dziedzinie częstotliwości [10] czy w przestrzeni Hilberta [9], w wąskich oknach czasowych badanych sygnałów przemieszczeń rogówki i pulsu, pozwoliła na obserwację zmian wartości opóźnień czasowych pomiędzy tymi sygnałami w czasie. Estymowane wartości opóźnień czasowych obliczone pomiędzy sygnałami LCAD i pulsu, reprezentowanymi przez podstawową częstotliwość związaną z rytmem serca, charakteryzują się wysoką powtarzalnością dla danej osoby. Zaproponowana nieinwazyjna metoda pomiaru tętna gałkowego oraz estymacja zależności fazowych pomiędzy sygnałem pulsowania rogówki oka a falą pulsu mogą wnieść nowe informacje do istniejącego stanu wiedzy na temat zjawiska tętna gałkowego oraz jego zależności od aktywności sercowo-naczyniowej. 6. Podziękowania Autorzy składają podziękowania anonimowym recenzentom za konstruktywne uwagi, które przyczyniły się do podniesienia wartości merytorycznej pracy. Badania przedstawione w niniejszej pracy realizowane są w ramach programu Ventures Fundacji na rzecz Nauki Polskiej nr VENTURES/2011-7/4, pt. Analiza zależności fazowych pomiędzy tętnem gałkowym a aktywnością układu sercowo-naczyniowego jako narzędzie diagnostyczne jaskry i stanu ukrwienia oka. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007 2013. Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 77

LITERATURA [1] R.B. Northrop, S.S. Nilakhe: A non-touch ocular pulse measurement system for the diagnosis of carotid occlusions, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 24, 1977, s. 139 148. [2] D. Trew, C. James, S. Thomas, R. Sutton, S. Smith: Factors influencing the ocular pulse the heart rate, Graefes Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology, vol. 229, 1991, s. 553 556. [3] T. Bosley, M. Cohen, W. Gee, J. Reed III: Amplitude of the Ocular Pneumoplethysmography waveform is correlated with cardiac output, Stroke, vol. 24, 1993, s. 6 9. [4] M. Kowalska, H. Kasprzak, D.R. Iskander, M. Danielewska, D. Mas: Ultrasonic in-vivo measurement of ocular surface expansion, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 58, 2011, s. 674 680. [5] D.W. Evans, S.L. Hosking, S.J. Embleton, A.J. Morgan, J.D. Barlett: Spectral content of the intraocular pressure pulse wave: glaucoma patients versus normal subject, Graefes Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology, vol. 240, 2002, s. 475 480. [6] H.T. Kasprzak, D.R. Iskander: Ultrasonic measurement of fine head movements in a standard ophthalmic headrest, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 59, 2010, s. 164 170. [7] M.A. Kowalska, H. Kasprzak, D.R. Iskander: Ultrasonic measurement of binocular longitudinal corneal apex movements and their correlation to cardiopulmonary system, Biocybernetics and Biomedical Engineering, vol. 28, 2008, s. 35 43. [8] G.C. Carter: Coherence and time delay estimation, Proceedings of the IEEE, vol. 75, 1987, s. 236 255. [9] A. Grennberg, M. Sandell: Estimation of subsample time delay differences in narrowband ultrasonic echoes using the Hilbert Transform Correlation, IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 41, 1994, s. 588 595. [10] C.H. Knapp, G.C. Carter: The generalized correlation method for estimation of time delay, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 24, 1976, s. 320 327. [11] A. Angelone, N.A. Coulter: Respiratory sinus arrhythmia: a frequency dependent phenomenon, Journal of Applied Physiology, vol. 19, 1964, s. 479 482. [12] M. Danielewska, M. Kowalska, H. Kasprzak: Phase dependencies between longitudinal corneal apex displacement of human eye and cardiovascular system, Proceedings of the SPIE, vol. 7141, 2008, s. 714117 1 6. [13] J.M. Bland, D.G. Altman: Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement, Lancet, vol. 1, 1986, s. 307 310. [14] H. Kasprzak, D.R. Iskander: Spectral characteristics of longitudinal corneal apex velocities and their relation to the cardiopulmonary system, Eye, vol. 21, 2007, s. 1212 1219. otrzymano / submitted: 12.03.2013r. wersja poprawiona / revised version: 27.05.2013r. zaakceptowano / accepted: 19.06.3013r. Acta Bio-Optica et Informatica Medica Inżynieria Biomedyczna, vol. 19, nr 2, 2013 78