Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

ارائه روشی جدید در حوزه پردازش سیگنال‌های زیستی مبتنی بر جهت‌های قطب‌نما و بکارگیری آن بر روی سری‌زمانی رعشه

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو دکتری، گروه مهندسی پزشکی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی پزشکی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

3 استادیار، گروه روان‌شناسی و آموزش کودکان استثنایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده
طراحی سیستم‌های شناخت مبتنی بر پردازش داده‌های پزشکی علاوه‌بر مزیت غیرتهاجمی بودن در افزایش دانش، درک و فهم بالینی از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند. شناخت در زمینۀ بیماری پارکینسون، نخست به یک تشخیص دقیق از شدت رعشه بیماران نیاز دارد. از این‌رو، این مطالعه با هدف شناسایی یک الگوی توپولوژیک از سری‌زمانی رعشه در بیماران پارکینسونی سعی در تفکیک دو کلاس شدید و خفیف از سطح این اختلال را دارد. فرضیه مطلوب این است که توپولوژی نقاط بازسازی‌شده از سری‌زمانی رعشه در فضای فاز شامل اطلاعات غنی‌تری برای تحلیل سری-های‌زمانی غیرخطی و غیرایستا می‌باشد. با توجه به کمبود ابزارهای تحلیلی برای استخراج چنین اطلاعاتی، در این مطالعه رویکرد پردازشی جدیدی مبتنی بر تعقیب حالات اساسی تراژکتوری‌ فاز بازسازی‌شده از سری‌زمانی رعشه براساس جهت‌های قطب‌نما ارائه گردید. سپس، الگوی رفتاری مرتبط با شدت رعشه، در قالب یک تاکتیک مبتنی بر استخراج ویژگی‌های پویا محاسبه و در قالب یک تاکتیک سلسله‌مراتبی مبتنی بر تحلیل‌های آماری شناسایی شد. با استفاده از طبقه‌بند KNN به روش اعتبارسنجی Holdout نظارت‌ شده، کلاس رعشه شدید و خفیف برای داده‌های آموزش با صحت، 100% و برای داده‌های آزمایش با صحت 55/96% تفکیک شدند. یافته‌ها نشان داد که الگوی رفتاری متشکل از جهت‌های شمال، شرق و شمال‌غربی در تراژکتوری‌ فاز رعشه با شدت بیماری پارکینسون ارتباط دارد. به‌نحوی‌که، افزایش تغییرپذیری‌نسبی (ضریب‌تغییر)، همزمان با کاهش بی‌نظمیِ (آنتروپی‌شانون) جهت‌های منتخب در طول سری‌زمانی بیان‌گر بیمار مبتلا به رعشه شدید و بالعکس کاهش همزمان تغییرپذیری‌نسبی و افزایش بی‌نظمی در جهت‌های منتخب بیان‌گر رعشه خفیف بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Presenting a new method in the field of biomedical signal processing based on compass directions and applying it to tremor time series

نویسندگان English

Mahdi Zolfagharzadeh-Kermani 1
Saeid Rashidi 2
Maryam Asaseh 3
1 Ph.D. Student, Department of Biomedical Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Department of Biomedical Engineering, SR.C., Islamic .Azad University, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Department of Psychology and Education of Exceptional Children, SR.C., Islamic .Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

In addition to the advantage of being non-invasive, the design of diagnostic systems based on medical data processing has a special place in increasing knowledge, understanding, and clinical understanding. Cognitive systems in the field of Parkinson's disease first require an accurate diagnosis of the severity of tremor in patients. Therefore, this study aims to identify a topological pattern of tremor time series in Parkinson's patients and tries to distinguish between two severe and mild classes of the level of this disorder. The desired hypothesis is that the topology of points reconstructed from tremor time series in phase space contains richer information for the analysis of non-Gaussian, non-linear and non-stationary time series. Given the lack of analytical tools for extracting such information, in this study, a new processing approach based on following the basic states of the reconstructed phase trajectory of tremor time series based on compass directions was presented. Then, the behavioral pattern related to tremor severity was calculated in the form of a tactic based on dynamic feature extraction and identified in the form of a tactic based on statistical-competitive analysis. Using the KNN classifier with supervised Holdout validation, the severe and mild tremor classes were separated with 100% accuracy for the training data and 96.55% accuracy for the test data. The findings showed that a behavioral pattern consisting of north, east, and northwest directions in the tremor phase trajectory is associated with the severity of Parkinson's disease. Thus, an increase in relative variability (coefficient of variation), simultaneously with a decrease in the irregularity (Shannon entropy) of the selected directions during the time series, indicates a patient with severe tremor, and vice versa, a decrease in relative variability simultaneously with an increase in irregularity in the selected directions indicates mild tremor.

کلیدواژه‌ها English

Compass directions
Dynamical feature extraction
Phase space topology
Tremor time series
Diagnostic systems
دوره 19، شماره 1
بهار 1404
صفحه 67-80

  • تاریخ دریافت 03 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 07 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 29 شهریور 1404