فهرست مطالب

مهندسی پزشکی زیستی - سال دهم شماره 1 (بهار 1395)

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال دهم شماره 1 (بهار 1395)

  • تاریخ انتشار: 1395/03/23
  • تعداد عناوین: 8
|
  • مقاله کامل پژوهشی
  • مریم توکلی نجف آبادی، وحید ابوطالبی، فرزانه شایق بروجنی صفحات 1-10
    هدف این مقاله، ارزیابی روش ترکیبی آنالیز همبستگی کانونی- فیلتر تطبیقی حداقل مربعات بازگشتی (CCA-RLS) در حذف آرتیفکت چشمی (EOG) از سیگنال مغزی (EEG) و مقایسه آن با روش‏های آنالیز مولفه های مستقل (ICA)، آنالیز همبستگی کانونی(CCA)، فیلتر تطبیقی حداقل مربعات بازگشتی (RLS) و روش ترکیبی ICA-RLS است. برای این منظور، بعد از تجزیه سیگنال نویزی توسط CCA، مولفه شامل آرتیفکت EOG با محاسبه مقدار کرتوزیس شناسایی شده و با استفاده از فیلتر RLS، فیلتر شد؛ سپس با ترکیب مولفه ها، سیگنال حذف نویز شده بازسازی شد. برای مقایسه کمی روش‏ها از دو معیار ارزیابی میانگین مجذور مربعات خطا (MSE) و نسبت سیگنال به نویز (SNR) برای داده های شبیه‏سازی شده استفاده شده است. متوسط مقادیر MSE وSNR برای 5 نفر در 4 کانال مختلف محاسبه شد. داده های استفاده شده از مجموعه داده های مسابقات BCI2008 انتخاب شدند. با توجه به نتایج به‏دست آمده، روش ترکیبی پیشنهادی CCA-RLS ، عملکرد بهتری نسبت به سایر روش‏های استفاده شده در این مقاله دارد.
    کلیدواژگان: آرتیفکت EOG، روش CCA-RLS، فیلتر RLS، سیگنال EEG
  • مصیب مبشری، منیژه مختاری دیزجی، فریده زوشنعلی صفحات 11-23
    با توجه به حساسیت بازده عملکرد سیستولیک بطن چپ به زاویه ی چرخش قلب، در این مطالعه زاویه سه بعدی مسیر حرکت سه بعدی عضله میوکارد با استفاده همزمان از تصاویر دو بعدی از نمای محور کوتاه و نمای محور طولی دیواره بطن چپ برآورد شد. تصاویر متوالی اکوکاردیوگرافی دو بعدی با حداقل رزلوشن زمانی 14 میلی ثانیه از دو نمای محور کوتاه و طولی 19 مرد سالم ثبت و آنالیز شد. با استفاده از سیگنال الکتروکاردیوگرام هر فرد، تصاویر اکوکاردیوگرافی در دو نمای ثبت شده، همزمان شدند. حرکت دیواره سپتوم بین بطنی در سه سطح بیس، مید و اپکس توسط الگوریتم تطبیق بلوک با پردازش تصاویر متوالی اکوکاردیوگرافی در طول سه سیکل قلبی و از دو نمای ثبت شده برآورد شد. بستگی زوایای دوران برآورد شده از دو نمای محور طولی و محور کوتاه با زاویه ی سه بعدی مسیر حرکت در سطوح بیس، مید و اپکس بررسی گردید. زاویه مسیر حرکت سه بعدی قلب و زوایا ی دو بعدی دوران در دو نمای محور کوتاه و طولی دیواره سپتوم بین بطنی به ترتیب در سگمان بیس 01/3±33/16، 38/3±61/10 و 30/3±11/15 درجه، در سگمان مید 95/4±77/22، 96/2±78/7 و 66/2±72/16 درجه و در سگمان اپکس 81/5±60/14، 48/5±37/10 و 32/3±79/8 درجه برآورد شد. با توجه به حساسیت زاویه ی سه بعدی به تغییرات حرکت در هر سه بعد، این زاویه برای بررسی رفتار بیومکانیکی عضله میوکارد پیشنهاد می شود.
    کلیدواژگان: زاویه سه بعدی، عضله میوکارد، الگوریتم تطبیق بلوک
  • مرجان بهرامی نسب صفحات 25-40
    پروتز های زانو، به عنوان یکی از محصولات پزشکی برای عملکرد مطلوب در دراز مدت (عدم شل شدگی و جراحی مجدد)، هنوز نیازمند راهکارهای طراحی هستند. در مطالعه حاضر، طرح کسر عاملی کامل از طراحی آزمایشات، به همراه تحلیل المان محدود، استفاده شد تا اثر شکل داخلی قطعه فمورال پروتز زانو بر پایداری مکانیکی ایمپلنت و تنش های بیومکانیکی ایجاد شده در خود ایمپلنت، سیمان استخوانی و استخوان مجاور، بررسی شود. سپس از روش واسپاس، که یکی از روش های انتخاب چند شاخصه است، برای رتبه بندی طرح ها استفاده شد. نتایج تحلیل واریانس، نشان داد که هندسه شکل داخلی قطعه فمورال بر عملکرد پروتز زانو اثر گذار است؛ به طوری که از میان عوامل در نظر گرفته شده، زاویه بین برش های پایینی و جلویی، زاویه بین برش های پایینی و پشتی و همچنین ضخامت سیمان استخوان، به عنوان تاثیر گذارترین عوامل شناسایی شدند. به علاوه با تحلیل آماری، مدل ریاضی پیش بینی کننده مربوط به هر یک از معیارهای سنجش عملکرد نیز برآورد شدند. نتایج رتبه بندی و تحلیل حساسیت نشان داد، که طرح های برتر اغلب لایه ضخیم تری از سیمان دارند. این مطالعه همچنین نشان داد که هندسه فعلی قطعه فمورال، بهترین طرح نیست و اصلاح آن، می تواند عملکرد پروتز را در بلند مدت بهبود دهد.
    کلیدواژگان: پروتز زانو، سیمان استخوان، هندسه داخلی، طراحی آزمایشات، تحلیل المان محدود
  • حمید آزادی، محمدعلی خلیلزاده، محمدرضا اکبرزاده توتونچی، حمیدرضا کبروی، فریبرز رضایی طلب، نینا شاهسون پور، امیر ضیافتی، علیرضا نوعی صفحات 41-47
    در سال های اخیر، محققین تلاش های زیادی برای تشخیص بیماری پارکینسون از طریق یافتن ارتباط آن با سیگنال گفتار افراد انجام داده اند. همچنین پژوهش هایی در تعیین شدت بیماری و ارتباط آن با اختلالات صوتی انجام شده است. هدف این مقاله، ارزیابی و مقایسه توانایی دسته ویژگی های مختلف استخراجی از سیگنال گفتار، در تشخیص بیماری پارکینسون است. برای این منظور، 12 دسته ویژگی از سیگنال گفتار ارزیابی شده اند، تحلیل صدا روی قسمت آواسازی افراد انجام شده و واج /آ/ توسط افراد بیان شده است. با انتخاب بهترین ویژگی ها از هر دسته، که شامل 132 ویژگی است، به روش تسکین و اعمال آن به طبقه بندی کننده ماشین بردار پشتیبان، مقایسه ای بین دسته ویژگی های مختلف انجام شد. همچنین با ترکیب ویژگی های منتخب از هر دسته، صحت تفکیک بسیار خوب 95.93 درصد، در جداسازی گروه سالم از بیمار به دست آمد. نتایج حاصل از این پژوهش، می تواند گامی بسیار مهم در تشخیص غیرتهاجمی بیماری پارکینسون باشد.
    کلیدواژگان: بیماری پارکینسون، سیگنال گفتار، روش انتخاب ویژگی تسکین، طبقه بندی کننده ماشین بردار پشتیبان
  • سیده زهرا اسلامی راد، رضا قلی پور پیوندی صفحات 49-57
    دستگاه تصویربرداری گسیل پوزیترون برای تشخیص تغییرات فیزیولو‍‍‍ژیک بدن استفادها می شود. بنابراین هدف اصلی در مطالعات پت، به دست آوردن تصاویر با کیفیت خوب و جزئیات فانتومی است که به وسیله پت تصویربرداری شده است. کارایی دستگاه پت و در نتیجه کیفیت تصویر خروجی، به پارامترهای قدرت تفکیک مکانی، کسر پراکندگی، حساسیت، RMS کنتراست و سیگنال به نویز بستگی دارد، که دستگاه بر اساس آن ارزیابی می شود. در این مقاله، ابتدا مشخصات و نحوه تصویربرداری دستگاه IRI-MicroPET بررسی شد. سپس، الگوریتم های بازسازی تصویر (MLEM، SART و FBP) روی سینوگرام های حاصل، اعمال شده و کارایی و کیفیت تصاویر به دست آمده ارزیابی شد. قدرت تفکیک مکانی شعاعی و تانژانتی برای F18 در مرکز میدان دید، به ترتیب برابر باmm 81/1 وmm 90/1 شد. کسر پراکندگی برای فانتوم موش و پنجره انرژی keV 700-300، برابر با 1/7 % و حساسیت برابر با 74/1 % در پنجره زمانی ns 4 شد. در نهایت، کیفیت تصاویر با پارامترهایRMS کنتراست و نسبت سیگنال به نویز مقایسه شد که، الگوریتم MLEM برتر از الگوریتم های بازسازی دیگر بود. نتایج حاصل از سیستم IRI-MicroPET، با نتایج به دست آمده از پت های حیوانی تجاری موجود مقایسه شد. نتایج، نشان دهنده توافق خوبی بین داده ها است.
    کلیدواژگان: دستگاهIRI-microPET، بازسازی تصاویر، ارزیابی کیفیت تصاویر، کارایی، مقایسه داده ها
  • معصومه رحیمی، محمد حسن مرادی، فرناز قاسمی صفحات 59-68
    هدف این مقاله، بررسی ارتباطات موثر مغزی بر اساس روش تابع انتقال جهت دار (DTF) است. این ارتباطات برای داده های ثبت شده، از ترکیب حالت های توجه و هوشیاری، که چهار دسته توجه-هوشیاری، توجه-عدم هوشیاری، عدم توجه-هوشیاری و عدم توجه-عدم هوشیاری را ایجاد کرده اند، به دست آمدند. از روی ماتریس های به دست آمده برای هر دسته، شاخص هایی مرسوم در حوزه DTF، معرفی و محاسبه شدند. سپس شاخص های این چهار دسته، برای بررسی وجود اختلاف معنادار از نظر ارتباطات موثر، با یکدیگر مقایسه شدند. برای به دست آوردن روابط علی خطی میان کانال ها به روش DTF، از مدل خود کاهشی چندمتغیره استفاده شد. برای بررسی دقیق تر، سیگنال ها به چهار باند فرکانسی پایه تقسیم شده و با آزمون اندازه های تکراری دوطرفه، وجود اختلاف معنادار در دسته ها و باندها بررسی شد. براساس نتایج، از 12 شاخص به دست آمده، دو شاخص و به تنهایی قادر به نمایش تمایز میان 5 حالت از 6 حالت ممکن از ترکیبات دوتایی دسته ها هستند. تنها حالتی که هیچ کدام از شاخص ها، تفاوت معناداری برای آن نشان ندادند، حالت عدم توجه-هوشیاری و عدم توجه-عدم هوشیاری بود.
    کلیدواژگان: ارتباطات موثر، تابع انتقال جهت دار، استخراج ویژگی، آزمون اندازه های تکراری
  • علیرضا رضایی، سارا بلباسی صفحات 69-83
    در مقاله حال حاضر، با آنالیز سیگنال های صوتی قلب به طراحی الگوریتمی ترکیبی پرداخته شده که متشکل از استخراج ویژگی بر اساس تکنیک آشوب، کاهش ابعاد توسط آنالیز اجزای اصلی و دسته بندی خروجی ها با اتکاء بر شبکه های عصبی-فازی تطبیقی می باشد. عدم قطعیت و خطای بالا در تشخیص روزنه بین بطنی از عدیده مشکلات روش های پیشین است که در این زمینه مطرح بوده و به سبب اهمیت تشخیص خودکار این عارضه قلبی، نیاز است تا طراحی وفقی و به دور از بروز خطا باشد. انتقال فضای ویژگی ها با نگاشت آنها توسط الگوریتم آنالیز اجزای اصلی در دو گام، با انتخاب تعداد 18 تا 25 ویژگی از میان حدود 50 ویژگی استخراج شده، ورودی طبقه بندی پیشنهادی را می سازد. طبقه بند پیشنهادی، سیستم شبکه عصبی فازی تطبیقی با امکان پیش بینی بروز بیماری قلبی است که با ورود داده ها، در تعداد تکرارهای محدود در سطح قابل قبولی خروجی ها را پیش بینی می نماید. داده ها از پایگاه دادهUmichدانشگاهمیشیگاندریافت شده و شامل نمونه های از بیماری روزنه بین بطنی است. نسبت تقسیم داده ها در مرحله یادگیری و آزمایش، 9/0 به 1/0 (ارزیابی متقاطع) است و از شیوه اعتبارسنجی K-fold استفاده شده است. محاسبه معیارهایی چون دقت، حساسیت و نیز عدم قطعیت توسط مفهوم آنتروپی در الگوریتم ترکیبی حاکی از عملکرد مناسب روش پیشنهادی است.
    کلیدواژگان: بیماری روزنه بین بطنی، تشخیص خودکار، ویژگی های آشوب، آنالیز اجزای اصلی و سیستم شبکه عصبی فازی تطبیقی
  • مقاله پژوهشی مروری
  • حسین بانکی کشکی، محمد تفضلی شادپور صفحات 85-97
    همزمان با ارتقای فناوری های پزشکی و نیاز به تربیت نیروهای فنی متخصص در این زمینه، حوزه آکادمیک مهندسی پزشکی به عنوان بسترسازی آموزشی این نیاز به وجود آمده است. مهندسی پزشکی که پیش تر در دانشکده های دیگر به صورت ادامه برخی از رشته های مهندسی یا زیرشاخه آن تدریس می شد، با گسترش و پیشرفت رشته و کاربردهای آن به تدریج به یک رشته با دانشکده های مستقل تبدیل شد. به دلیل جدید و نوپا بودن رشته مهندسی پزشکی و کاربرد وسیع آن در حوزه سلامت و پزشکی، در مدت زمان کوتاه به پیشرفت های چشم گیری دست یافته است؛ از این رو ضروری است که مراکز آموزشی فعال در حوزه مهندسی پزشکی هر چند مدت یک بار بررسی دقیقی درباره وضعیت آموزشی و پژوهشی این رشته در جهان و مقایسه آن با وضع موجود در کشور خود به عمل آورند تا امکان هم گامی و رقابت در حوزه آموزشی، پژوهشی و صنعتی، با توجه به نیازهای بومی، میسر شود. در این مقاله، وضعیت آموزشی و پژوهشی رشته مهندسی پزشکی در 50 دانشگاه برتر به تفکیک قاره های جهان در سال 2016 بررسی شده است. 17 دانشگاه از آمریکا، 19دانشگاه از اروپا و 14دانشگاه از آسیا و استرالیا بر اساس رتبه بندی سه موسسه Times، QS و CWUR انتخاب شده و مطالعه شده اند. نتایج بررسی ها در دو بخش آموزشی و پژوهشی ارائه شده است. در بخش آموزشی رشته های ارائه شده در مقاطع سه گانه، وضعیت مستقل شدن دانشکده های مهندسی پزشکی، سال تاسیس و تعداد هیئت علمی دانشکده های مستقل و... ارائه شده اند. بخش پژوهشی شامل زمینه های پژوهشی رایج رشته مهندسی پزشکی، وضعیت پژوهش در هر دانشگاه و هر قاره است.
    کلیدواژگان: مهندسی پزشکی، زمینه های پژوهشی، آموزش، رشته ها
|
  • Maryam Tavakoli Najafabadi, Vahid Abootalebi, Farzaneh Shayegh Pages 1-10
    The purpose of this article is to evaluate the efficiency of Canonical Correlation Analysis- Recursive Least Square (CCA-RLS)hybridmethod in ElectroOcluGram (EOG) artifact removal from ElectroEncephaloGram (EEG) signal and compare it with Independent Component Analysis (ICA), Canonical Correlation Analysis (CCA), Recursive Least Square (RLS)methods and ICA-RLS hybrid method. After decomposition of the noisy signal by CCA, the noisy components aredetected based ontheir kurtosis, and are filtered by RLS. As the result,the enhanced signal is reconstructed by mixing the original noise-free components and filtered components. In order to compare the methods quantitatively, two evaluation criteria, namely Mean Square Error (MSE) and Signal to Noise Ratio (SNR) are used.The MSE and SNR average values were calculated for five subject in four different channels. EEG data are taken from BCI2008. According to the results,the combination of CCA-RLS method has better performance compareto the other methods used in this paper.
    Keywords: EOG artifact, CCA-RLS method, RLS filter, EEG Signal
  • Pages 11-23
    Heart torsion is one of the biomechanical parameters that are sensitive to changes in both regional and global left ventricular (LV) function. In this study, angle of myocardium’s trajectory in three dimensions (Ф) was estimated by simultaneous use of two dimensional long apical and short axis views of LV septum sequential images. Then correlation of 3D angle and 2D rotation angle from long (χ) and short (θ) axis views respectively was estimated and compared at three levels of base, mid and apex of interventricular septum wall. Sequential two dimensional echocardiography images of long and short axis views with minimum temporal resolution 14 ms of 19 healthy men was recorded and analyzed. Interventricular septum wall motion at three levels of base, mid and apex were estimated using sequential images processing of echocardiography in long and short axis views with block matching algorithm throughout three cardiac cycles. Then correlation of 2D angle of rotation from long (χ) and short (θ) axis views was analyzed with three dimentional angular of myocardium’s trajectory (Ф) at three levels of base, mid and apex of interventricular septum wall. Ф, θ and χ angles at base level 16.33±3.01, 10.61±3.38 and 15.11±3.30 degrees, mid level 22.77±4.95, 7.78±2.96 and 16.72±2.66 degrees and apex level of interventricular septum wall 14.60±5.81, 10.37±5.48 and 8.79±3.32 degrees were extracted respectively. Regard to sensitivity of 3D angle to variation of motion in each of three dimensions, it is suggested for examination of biomechanical behavior myocardium in different pathologic conditions.
    Keywords: 3D angle, Myocardium, Block matching algorithm
  • Marjan Bahraminasab Pages 25-40
    Knee implants still lacks sufficient design solutions to ensure improved long term performance without aseptic loosening and the subsequent revision surgery.The present paper, used full factorial design of experiment (DOE) method along with finite element analysis (FEA) to assess the influence of internal contours of femoral component on mechanical stability of the prosthesis, and the biomechanical stresses experienced by the femoral component, bone cement and the adjoining bone with preservation of the external contours.The WASPAS approach, as a multi criteria decision analysis (MCDA) technique, was then used to rank the alternative designs. The results of analysis of variance showed that the internal shape of femoral component contours influenced the performance measureswhere the angle between the distal and anterior cuts, the angle between the distal and posterior cuts, and the cement thickness were highlysignificant. The predictive mathematical models of each performance measureswre also estimated through statistical analysis. The ranking order and the following sensitivity analysis revealed that the top designs mostly had higher cement thickness and the original design was not the top choice for femoral component which by improving the current designbetter long term performance can be achieved.
    Keywords: cemented knee implant, interface geometry, design of experiments, finite element analysis
  • Pages 41-47
    In recent years, researchers have tried hardly to diagnose Parkinson's disease through finding its relation with the patient's speech signal. Also, many studies have been performed on determining the intensity of the disease and its relation with vocal impairment measures. In this paper, we aim to assess and compare the ability of extracting different feature sets from speech signal in order to Parkinson's disease diagnosis. Therefore, 132 features were used to measure vocal impairments from the voice signal of individuals vocalizing phoneme /a/. Then, we used RELIEF feature selection method and applied it to Support Vector Machine (SVM) classifier to choose the best feature of each class. A comparison was made between different feature sets, and finally discrimination percent 95.93 was reached to separate patients from the healthy ones using the combination of selected features. Results obtained from this research can be a very important step toward diagnosing Parkinson's disease non-invasively.
    Keywords: Parkinson's Disease, Speech signal processing, RELIEF feature selection, Support Vector Machine
  • Seyedeh Zahra Islami Rad Pages 49-57
    Positron emission tomography (PET) system is used in order to diagnose physiology changes in the body. Thus, the goal of the PET studies is to obtain a good quality and detailed image of organs by the PET scanner. The PET system performance and output image quality depend on the parameters including spatial resolution, scatter fraction, sensitivity, RMS contrast and SNR which the system was evaluated based on them. In this paper, system features and tomography method for the IRI-microPET system are considered, firstly. Then, image reconstruction algorithms (MLEM, SART, and FBP) were performed on sinogram and the performance and the acquired images quality were evaluated. The radial and tangential resolutions of 1.81 mm and 1.90 mm for 18F at the center of FOV were measured. The scatter fraction of 7.1% for the mouse phantom and the sensitivity of 1.74% in 4 ns timing window was measured. Finally, images quality was compared by RMS contrast and SNR factors, which MLEM algorithm has superiorityin comparison with the other reconstructed algorithms.The acquired results from IRI-MicroPET system were compared with available commercial animal PET scanner which the results show the good agreement between data.
    Keywords: IRI-MicroPET, Design, construction, evaluation, quality control, data comparison
  • Masoumeh Rahimi, Mohammad Hasan Moradi, Farnaz Ghassemi Pages 59-68
    The aim of this paper is to study brain effective connectivity based on directed transform function (DTF) using granger causality method. This connectivity was calculated for recorded data in different states of attention and consciousness, forming four different classes: attention-consciousness, attention-unconsciousness, inattention-consciousness, and inattention-unconsciousness. Some common indices were extracted and calculated from the connectivity matrices. Indices of these four classes were compared to see whether there is a significant difference among them or not. The Multivariate Autoregressive (MVAR) model was used to obtain the linear causal relations between channels. Furthermore, signals were divided into four frequency bands for more accurate investigation, and the existence of significant difference was investigated with two-way repeated measures test. Results indicated that and among twelve indices could show a significant difference (p
    Keywords: effective connectivity, directed transform function, feature extraction, repeated measures test
  • Pages 69-83
    In this paper, a hybrid algorithm has been developed by analyzing the audio signals of the heart, that consists of extracting features based on chaos technique, reducing dimensions and analyzing the main components and classifying outputs by relying on comparative neuro-fuzzy networks. Uncertainty and high error in the diagnosis of inter-ventricular openings are one of the common problems with the previous methods. Due to the importance of the auto-diagnosis of this heart condition, it is necessary to be well-designed and far from error. Transmission of feature spaces to their mapping by the main component analysis algorithm is made by two steps, selecting the number of 18 to 25 attributes among about 50 extracted attributes that these informations are input of the class. The proposed classification classifies the adaptive fuzzy neural network system with the possibility of predicting the incidence of heart disease, which predicts the number of repetitions at the acceptable level of outputs by entering the data. The data are from the Umich database at the University of Michigan and include samples from the ventricular aperture. The ratio of data split in the learning and testing phase is from 0.9 to 0.1 (cross-check), and the K-fold validation method is used. Calculation of criteria such as accuracy, sensitivity and uncertainty by the concept of entropy in a hybrid algorithm suggests the proper performance of the proposed method.
    Keywords: Disease between ventricular aperture, automatic detection, chaos characteristics, principal component analysis, adaptive fuzzy neural network system
  • Hossein Banki-Koshki, Mohammad Tafazoli Shadpoor Pages 85-97
    Along with advancement in medical technologies, the academic field of Biomedical Engineering (BME) was developed. BME which was once considered as a subdivision of other disciplines, has gradually become an independent discipline with established departments. The extended medical and biological applications of the new discipline resulted in itsrapid progress. It is essential for academic centers to examine novel education and research areas of biomedical engineering every few years. In this paper we presented educational and research status of biomedical engineering among world's 50 top universities from different continents. We used three world university rankings (Time, QS, CWUR) to select top universities in 2016. Overally we studied 17 universities from America, 19 universities from Europe and 14 universities from Asia and Oceania. The undergraduate and postgraduate educational programs were presented and the independency status of biomedical engineering departments were studied using four models and results were compared among universities from different continents. The foundation year and number of academic staff of BME departmentswere further shown.Moreover, the BME researchfiledswere shown and compared among top universities from different contients and the most prevalent research areas were presented.
    Keywords: biomedical engineering, research areas, majors, degrees