Pracownia Podstaw Analizy Sygnaªów Biologicznych

Pracownia Podstaw Analizy Sygnaªów Biologicznych
Instytut Biocybernetyki i In»ynierii Biomedycznej
Prof. nadzw. dr hab. W.Klonowski
mgr in». Michaª Pierzchalski, mgr in». Paweª St¦pie«, dr Robert St¦pie«
16 grudnia 2011
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
1 / 23
Empirical Mode Decomposition
Analiza testów psychometrycznych i
posturogracznych osób chorych na
chorob¦ Parkinsona przy u»yciu metody
Empirical Mode Decomposition
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
2 / 23
Empirical Mode Decomposition
empirycznego
(ang.
sition, EMD)
rozkªadu
na
sygnaªy
Empirical Mode Decompo-
jest stosunkowo nowym narz¦-
dziem umo»liwiaj¡cym rozªo»enie sygnaªu na
500
signal
skªadowe
imf1
Metoda
monokomponenty, opracowanym przez Normentowana w nast¦puj¡cych krokach:
2500
2
0
1000
1500
2000
0
-2
2
-2
2
0
0
imf2
-2
1.1
-2
1.1
0
0
-1.1
0.21
imf3
dena Huanga w 1996 roku. Zostaªa zaimple-
2
-1.1
0.21
0
0
identykacja w sygnale najszybszych
imf4
-0.21
0.1
-0.21
0.1
0
0
-0.1
0.02
imf5
oscylacji;
0
-0.02
0.01
imf6
odj¦cie tych oscylacji od sygnaªu;
iteracja na ró»nicy do coraz to ni»szych
-0.02
0.01
0
0
-0.01
0.02
imf7
cz¦stotliwo±ci.
-0.1
0.02
0
-0.01
0.02
0
0
res.
-0.02
0.02
-0.02
0.02
0
0
-0.02
500
PPASB (IBIB PAN)
INCF
1000
1500
16 grudnia 2011
2000
-0.02
2500
3 / 23
Test psychomotoryczny
1
Zespóª prof. dr hab. med. E.Gorzela«czyka
(Uniwersytet
Kazimierza
Bydgoszcz)
testów
Wielkiego,
opracowaª
maj¡cy
wzorzec
sprawdza¢
psychomotoryczne pacjenta.
3
2
zdolno±ci
4
Test polega
5
na narysowaniu przez pacjenta serii gur
na
tablecie
w
odpowiedniej
kolejno±ci
6
7
8
9
10
11
wedªug wzorca (strzaªkami oznaczono punkt
pocz¡tkowy
i
kierunek
rysowania
danej
12
13
gury).
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
4 / 23
Test psychomotoryczny - dane
Testy wykonano na dwóch grupach pacjentów osoby poddane zabiegowi
palidotomii (grupa pierwsza 27 przypadków) i osoby poddane zabiegowi
talamotomii (grupa druga 27 przypadków).
przed i po operacji.
Ka»dego pacjenta badano
Ka»dej grupie przyporz¡dkowano odpowiedni¡ grup¦
kontroln¡, po 27 przypadków ka»da, skªadaj¡c¡ si¦ z osób zdrowych w tych
samych kategoriach wiekowych co osoby chore w danej grupie.
Testy
kliniczne wykazaªy popraw¦ stanu badanych pacjentów. Obliczona zostaªa
wariancja synchronizacji mi¦dzy modami 3 i 4 obu sygnaªów.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
5 / 23
Test psychomotoryczny - wyniki
0.154
0.145
0.152
0.140
0.135
wariancja SPLV
wariancja SPLV
0.150
0.148
0.146
0.144
0.130
0.125
0.120
0.142
0.115
0.140
0.110
0.138
Przed
Po
Palidot om ia
0.105
Zdrowi
Przed
Po
Talam ot om ia
Zdrowi
Wariancja wspóªczynnika synchronizacji modów EMD przy rysowaniu
wszystkich gur dla cierpi¡cych na chorob¦ Parkinsona
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
6 / 23
Posturograa
Dane posturograczne uzyskiwane s¡ ze specjalnej platformy reaguj¡cej na
balans ciaªa pacjenta przez pomiar wspóªrz¦dnych (x,y) ±rodka ci¦»ko±ci lub
±rodka nacisku.
Badania wykonano na 6 osobach cierpi¡cych na chorob¦
Parkinsona oraz na 6 osobach z grupy kontrolnej. Dane otrzymali±my od prof.
dr hab. J.Bªaszczyka z Instytut Biologii Do±wiadczalnej im. M. Nenckiego
PAN. Ka»d¡ osob¦ zbadano zaróno przy otwartych jak i zamkni¦tych oczach.
Sygnaªy zostaªy rozªo»one na trzy mody. Do analizy synchronizacji wybrano
mod drugi oraz trzeci.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
7 / 23
Posturograa - wyniki
0.090
0.085
0.085
0.080
0.080
SPLV variance
SPLV variance
0.090
0.075
0.070
0.075
0.070
0.065
0.065
0.060
0.060
0.055
Parkinson
EC
0.055
Cont rol
Parkinson
EO
Cont rol
Wariancja wspóªczynnika synchronizacji modów EMD danych
posturogracznych osób cierpi¡cych na chorob¦ Parkinsona i grupy
kontrolnej przy oczach zamkni¦tych oraz otwartych.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
8 / 23
EMD
0.050
0.050
0.048
0.048
0.046
0.046
SPLV variance
SPLV variance
Posturograa - bez
0.044
0.042
0.040
0.044
0.042
0.040
0.038
0.038
0.036
0.036
Parkinson
EC
Cont rol
Parkinson
EO
Cont rol
Wariancja wspóªczynnika synchronizacji sygnaªów posturogracznych osób
cierpi¡cych na chorob¦ Parkinsona i grupy kontrolnej przy oczach
zamkni¦tych oraz otwartych obliczona bez rozkªadu sygnaªów na skªadowe
za pomoc¡ EMD.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
9 / 23
Podsumowanie
Przedstawione wyniki pokazuj¡, »e analiza synchronizacji poª¡czaona
z metod¡ EMD jest obiecuj¡cym narz¦dziem przy diagnozie choroby
Parkinsona.
Zauwa»one zostaªy istotne statystycznie ró»nice w wynikach
synchronizacji mi¦dzy osobami chorymi a grup¡ kontroln¡ w te±cie
psychomotorycznym. Ró»nice te zmalaªy po zabiegu chirurgicznym
±wiadcz¡c o poprawie zdolno±ci motorycznych.
Analiza testów posturogracznych wykazaªa, »e przy otwartych oczach
wariancja wspóªczynnika synchronizacji modów EMD u osób chorych
na chorob¦ Parkinsona jest znacznie mniejsza ni» w kontrolnej grupie
osób zdrowych. Otrzymane wyniki wydaj¡ si¦ ±wiadczy¢ o pogorszonej
koordynacji wzrokowo-ruchowej u cierpi¡cych na chorob¦ Parkinsona.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
10 / 23
Metody symboliczne i wymiar fraktalny Higuchi'ego
Analiza sygnaªu HRV u chorych z
zaburzeniami rytmu serca metodami
symbolicznymi i metod¡ wymiaru
fraktalnego
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
11 / 23
Wymiar fraktalny Higuchi'ego
Wymiar fraktalny Higuchi'ego
D
f
z
jest obliczany bezpo±rednio
sygnaªu
dziwnych
bez
rekonstrukcji
atraktorów
wielowymiarowej
fazowej.
on
Przyjmuje
warto±ci
od
1
nieskomplikowanej
funkcyjnej
krzywej
w
przestrzeni
do
dla
krzywej
2
wypeªniaj¡cej
dla
caª¡
pªaszczyzn¦. Cz¦±¢ uªamkowa
jest
miar¡
zªo»ono±ci
badanego sygnaªu
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
12 / 23
Wymiar fraktalny Higuchi'ego
1
X
2
X
3
(1), X (2), X (3), . . . , X (N )
m : X (m), X (m + k ), X (m + 2k ), . . . , X (m + N −m k )
k
k



 [ N −k m ]

N
−


Lm (k ) =
∑ |X (m + ik ) − X (m + (i − 1)k | [ N −m ]k /k
 i=

k
1
1
5
k
∑ Lm (k )
m
=1
L(k ) =
k
−Df
L(k ) ∝ k
6
ln(L(k ))
4
= Df · ln k1 + b̄
dla m = (1, 2, ..., k), gdzie m punkt pocz¡tkowy, k przesuni¦cie
czasowe,
N −m k
= int ( N −k m )
PPASB (IBIB PAN)
cz¦±¢ caªkowita liczby rzeczywistej
INCF
16 grudnia 2011
13 / 23
METODA SYMBOLICZNA - Kodowanie sygnaªu HRV
Korzystaj¡c ze schematu ró»nicowego oblicza si¦ ró»nice pierwszego rz¦du
z ci¡gu interwaªów RR, które nast¦pnie koduje si¦ w ci¡g symboli nale»¡cych
do dwuelementowego zbioru {0,1}
( )=
s i
n
1
0
if [x (i +
if [x (i +
)−x (i )]≥0
)−x (i )]<0
1
1
W takiej reprezentacji, symbol 0 odpowiada przyspieszeniu rytmu serca,
gdy» ujemna warto±¢ pochodnej odpowiada skracaniu si¦ kolejnych interwaªów RR. Symbol 1 opisuje sytuacje gdy dªugo±¢ interwaªów RR ro±nie
lub nie ulega zmianie, odpowiada to spowolnieniu lub braku zmian rytmu
serca.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
14 / 23
O-widmo
Monosekwencje o dªugo±ci 2 dominuj¡ w O-widmach obliczonych dla
szeregów RR
O-widmo rytmu zatokowego jest znacz¡co szersze ni» dla migotania
przedsionków
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
15 / 23
Izoprenalina- TP
Izoprenalina wstrzykni¦ta w 94. i 214. sek.;±rodek - Df, okno = 100,
t2
Df = 530s , Df = 1.83; spód - Df, okno = 50, t 1Df = 246s , Df = 1.89,
t 2D = 481s , Df = 1.74
f
2
1
2
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
16 / 23
Izoprenalina MP i TP
Izoprenalina wstyrzykni¦ta w 341. sek.; góra - HRV; ±rodek - Df,
okno = 100, t 1
Df = 395s , Df = 1.82; spód - Df, okno = 50, t 1Df = 345s ,
Df = 1.70
1
1
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
17 / 23
Adenozyna MP
Adenozyna wstrzykni¦ta w 123. sek; góra - HRV; ±rodek - Df, okno = 100,
t1
Df = 160s , Df = 1.93; spód - Df, okno = 50, t 1Df = 159s , Df = 1.89
1
PPASB (IBIB PAN)
1
INCF
16 grudnia 2011
18 / 23
Rytm zatokowy
Krzywe Liczno±ci L[00] i L[11] s¡ rozdzielone. Asymetria mi¦dzy cyklami
przyspieszania i spowalniania rytmu serca jest widoczna. ‘redni iloraz
liczno±ci L[00]/L[11] dla 6 przypadków : 0,73
PPASB (IBIB PAN)
INCF
± 0,09
16 grudnia 2011
19 / 23
Migotanie przedsionków
Krzywe liczno±ci L[00] i L[11] le»¡ blisko siebie a asymetria mi¦dzy
trendami przyspieszania i spowalniania jest sªaba. ‘redni stosunek liczno±ci
L[00]/L[11] dla 12 przypadków : 1,01
PPASB (IBIB PAN)
INCF
± 0,04
16 grudnia 2011
20 / 23
Migotanie przedsionków i rytm zatokowy
Krzywe liczno±¢ wyra¹nie rozdzielaj¡ si¦ gdy rytm zatokowy jest
przywracany. ‘redni iloraz L[00]/L[11] dla 5 przypadków: 0,93
PPASB (IBIB PAN)
INCF
± 0,15
16 grudnia 2011
21 / 23
Podsumowanie
Odpowied¹ ukªadu sercowo-naczyniowego na do»ylne podanie
adenozyny albo izoprenaliny jest widoczna w zmianach wymiaru
fraktalnego sygnaªu HRV.
Proponowane metody pozwalaj¡ na ±ledzenie nieregularnej aktywno±ci
serca i na odró»nienie migotania przedsionków od rytmu zatokowego.
Metody nie ró»nicuj¡ pomi¦dzy migotaniem a trzepotaniem
przedsionków.
Czuªo±¢ na zmiany w sygnale HRV mo»e by¢ regulowana poprzez
zmiane okna czasowgo.
Obie metody nie wymagaj¡ regularnego próbkowania i u»ywania
interpolacji.
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
22 / 23
Koniec
DZI†KUJ† ZA UWAG†
PPASB (IBIB PAN)
INCF
16 grudnia 2011
23 / 23