Analiza falkowa wzrokowych potencjałów wywołanych

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
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.
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.
1.1. Istota zjawiska
Sensorem umożlwiającym człowiekowi odbiór fal elektromagnetycznych z zakresu
optycznego (długość fali 400-700 nm) jest oko, którego budowę przedstawiono na rys. 1.1.
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.
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. 1.3. przedstawiono przykładowy sygnał
WPW z zaznaczonymi latencjami.
Rys. 1. . Przykładowy sygnał WPW z zaznaczonymi latencjami
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
Miara
Fishera
tN75
tP100
tN145
PP75-100
PP45-100
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 3.2.4. 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
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. 1.5. 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. 1.6.
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
Niestety można stwierdzić, że wprowadzone zostanie przekłamanie poziomów załamków,
w tym przypadku szczególnie N145. Jednak jak to zostało pokazane w tab. 1.1. 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.
1.3. 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. 1.7. 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
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. 1.8. 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
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.