فهرست مطالب

مهندسی پزشکی زیستی - سال شانزدهم شماره 4 (زمستان 1401)

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال شانزدهم شماره 4 (زمستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/03/13
  • تعداد عناوین: 7
|
  • بررسی تاثیر نرخ بازسازی کلاژن و پارامترهای تخریب الاستین در رشد آنوریسم آئورت شکمی
    فائزه جهانی، ملیکه نبئی*، ژنشیانگ جیانگ، سونئیک بک صفحات 20-30
    آنوریسم آیورت شکمی بزرگ شدن تدریجی قطر آیورت است که در صورت پارگی می تواند زندگی بیمار را تهدید کند. فاکتورهای متعددی در خطرپارگی و رفتار آنوریسم تاثیرگذار هستند؛ یکی از عوامل مهم مشخصات هندسی و پارامترهای بیومکانیکی آنوریسم است که یافتن ارتباط آن با روند رشد آنوریسم کمک شایانی به نظارت بر روند درمانی، تصمیم گیری پیرامون فرایند درمان و غربالگری می کند. لذا نیاز است که خصوصیت های هندسی(شکل و اندازه) آنوریسم آیورت شکمی برای هر بیمار بطور اختصاصی جهت پیش بینی خطر پارگی آنوریسم و رفتار آن مورد بررسی قرار گرفته شود. مدل های رشد و بازسازی بر مبنای روش المان محدود به عنوان ابزاری جهت تشریح ویژگی های بیولوژیکی و پیش بینی پیشرفت و تکامل بیماری هستند که پتانسیل خود را در شرایط بروز آنورسیم آیورت شکمی نشان داده اند؛ در این مقاله از مدل رشد و بازسازی تابع تنش استفاده شد تا اشکال مختلفی از هندسه ی آنوریسم آیورت شکمی به کمک تابع آسیب الاستین و بازسازی کلاژن شبیه سازی گردد. نتایج شبیه سازی بر نقش میزان آسیب الاستین بر تغییرات هندسی آنوریسم و حساسیت بازسازی کلاژن بر توزیع تنش دیواره و سرعت انبساط تاکید کرد؛ بطوریکه با تغییر نرخ کلاژن از 0.07 تا 0.04 تنش دیواره تا 300 کیلوپاسکال افزایش یافت. نتایج نشان داد که توزیع تنش و گسترش موضعی با میزان آسیب الاستین مطابقت دارد؛ تابع آسیب الاستین در محل حداکثر قطر و ایجاد شکل های مختلف آنوریسم آیورت شکمی موثر است. همچنین تغییرات زمانی بر عملکرد تخریب الاستین تاثیر مستقیم دارد. تولید کلاژن ناشی از تنش ایجاد شده، از دست دادن الاستین را جبران می کند وسرعت رشد آنوریسم را کنترل می کند. در نهایت این مدل محاسباتی قابلیت این را دارد که در آینده بطور اختصاصی پیچیدگی های رشد آنوریسم آیورت شکمی برای هر بیمار را به کمک تغییرات هندسی آنوریسم، میزان آسیب الاستین و تولید دوباره ی کلاژن در دیواره ی رگ به تصویر بکشد.
    کلیدواژگان: مدل محاسباتی رشد و بازسازی، تابع آسیب الاستین، بازسازی کلاژن، رشد آنوریسم
  • پیشنهاد و تحلیل ریاضی یک مدل مرتبه کسری جدید برای توصیف انتقال بیماری کووید-19
    آرمان مرزبان، الهام امینی بروجنی* صفحات 31-40
    با توجه به اینکه مدلسازی ریاضی در توصیف و تحلیل رفتار بیماری های همه گیر کمک کننده است و از طرفی دقت و درجه آزادی در مدلسازی سیستمهای مرتبه کسری بیشتر از سیستمهای مرتبه صحیح است؛ در این مقاله با استفاده از حسابان مرتبه کسری مدل مرتبه صحیح موجود برای توصیف انتقال بیماری کووید 19 به حوزه سیستمهای مرتبه کسری بسط داده می شود. مثبت و محدود بودن پاسخ های مدل مرتبه کسری پیشنهادی با استفاده از قضیه ناحیه ثابت اثبات شده است و با استفاده از تیوری نقطه ثابت در فضای باناخ، وجود و یکتایی جواب مدل مرتبه کسری پیشنهادی اثبات می گردد. همچنین رفتار دو مدل مرتبه صحیح و مرتبه کسری پیشنهادی با بهره گیری از اطلاعات واقعی منتشر شده برای بیماری کووید 19 درکشور تایلند شبیه سازی و مورد ارزیابی قرار گرفته است. کارآیی و دقت بیشترمدل پیشنهادی مرتبه کسری در نتایج شبیه سازی تایید می گردد.
    کلیدواژگان: حسابان مرتبه کسری، کووید 19، مدلسازی ریاضی، وجود و یکتایی جواب
  • تخمین نرخ ضربان قلب جنین از سیگنال الکتروکاردیوگرام شکمی تک کاناله مبتنی بر تجزیه نامنفی ماتریس
    امیررضا اسدی، ابوذر غفاری* صفحات 41-50
    یکی از تکنیک های تخمین ضربان قلب جنین (FHR) استفاده از سیگنال الکتروکاردیوگرام (ECG) است. ECG رویکردی بسیار ایمن و ارزان می باشد و نسبت به روش های دیگر، برای مانیتورینگ از راه دور مناسب تر است. به این منظور، ثبت ECG شکمی مادر (AECG) مورد استفاده قرار می گیرد که علاوه بر ECG جنین (FECG) شامل سیگنال قلبی مادر (MECG)، فعالیت ماهیچه های مادر یا جنین، فعالیت های مغزی جنین و نویز ها است؛ بنابراین تخمین ضربان قلب جنین از روی سیگنال شکمی چالش های فراوانی دارد. در این پژوهش، نرخ ضربان قلب جنین از سیگنال AECG تک کاناله با استفاده از تجزیه ی نامنفی ماتریس (NMF) تخمین زده می شود. در این روش به منظور استفاده از اطلاعات حوزه ی زمان-فرکانس سیگنال شکمی، تبدیل فوریه ی زمان کوتاه (STFT) بر روی آن اعمال می شود و ماتریس STFT به عنوان ورودی NMF مورد استفاده قرار می گیرد. سطرهای ماتریس نامنفی حاصل از این تجزیه، حاوی محتوای سیگنال مادر، جنین و نویز می باشند که از آن ها برای تخمین پیک R و نرخ ضربان قلب جنین استفاده می شود. مزیت این روش، عملکرد خوب آن در ثبت هایی است که دامنه ی ECG مادر و جنین نزدیک به هم هستند و تفکیک QRS های آن ها از یکدیگر چالش برانگیر است. عملکرد الگوریتم پیشنهادی بر روی دو پایگاه داده ADFECGDB و PCDB با روش های پیشین تک کاناله از جمله مدل های یادگیری عمیق مقایسه شده است. تحلیل نتایج آماری بدست آمده نشان می دهد که روش پیشنهادی، تخمین ضربان قلب و پیک R سیگنال جنین را با دقت خوبی انجام می دهد. بنابراین روش پیشنهاد برای مانیتورینگ طولانی مدت جنین مناسب است.
    کلیدواژگان: الکتروکاردیوگرام شکمی مادر، مانیتورینگ جنین، تبدیل فوریه زمان کوتاه، تجزیه نامنفی ماتریس، پیک R جنین، نرخ ضربان قلب جنین
  • تحلیل عددی اثر تومور بر روی جریان هوا و مجرای تنفسی در سیستم تنفس فوقانی انسان
    شاهرخ شجاعی* صفحات 41-50
    همواره اثرات تغییرات ساختاری تومور بر مسیر هوای تنفسی مورد توجه محققان بوده است. به طوریکه این اثرات در موارد حاد منجر به خفگی بیمار خواهد شد. در این مطالعه تلاش خواهد شد به کمک نرم افزار انسیس یک مدل محاسباتی برای بررسی اثر تومور بر روی جریان هوا در ناحیه حنجره ارایه شود. مدل ارایه شده قادر است اثر حضور تومور بر سرعت و فشار هوا در سیستم هوایی فوقانی را به کمک شبیه سازی کامپیوتری محاسبه کند. در این پژوهش شبیه سازی جریان هوای پایا برای بازدم در سه دبی تنفسی L/min 15 و L/min 26 و L/min 30 در نظر گرفته شد. بیشترین حد سرعت در دبی تنفسی L/min 15 و L/min 26 و L/min 30 به ترتیب m/s 26/6 , m/s 58/10, m/s 14/12 در حنجره پدیدار می گردد. همچنین بیشترین فشار در نای رخ می دهد به طوریکه ماکزمیم فشار در دبی تنفسی L/min 15 و L/min 26 و L/min 30 به ترتیب با برابر Pa6/19 , Pa 01/51, Pa 8/65 است. از سوی دیگر بیشترین تغییرشکل در ناحیه تنگ شدگی مجرای تنفسی روی میدهد. همچنین با افزایش نرخ جریان میزان تغییر شکل نیز افزایش می یابد. ماکزمیم تغییر شکل روی جدار در دبی تنفسی L/min 15 و L/min 26 و L/min 30 به ترتیب با mm07/0mm , 2/0 mm , 27/0 برابر است. در این مدل تنفسی به دلیل حضور تومور، سرعت و تنش برشی روی جداره به بیشترین میزان خود در ناحیه حنجره می رسد. حضور تومور می تواند به مرور زمان منجر به مسدودی مسیر هوا و خفگی بیمار شود. همچنین خطر انسداد راه هوایی حتی در کاهش جزیی ظرفیت تنفسی افزایش می یابد. ارایه یک مدل عددی برای سیستم تنفسی می تواند در راستای رویکرد درمانی بهتر موثر باشد.
    کلیدواژگان: مدل عددی، سیستم تنفس فوقانی، تومور، تغییر شکل
  • برآورد نیروی تماسی زانو مبتنی بر واحد اندازه گیری اینرسی با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی
    علیرضا رضائی زنگنه، رامیلا عابدی آذر، حمیدرضا ناصرپور*، سید حامد حسینی نسب صفحات 51-60
    نیروی تماسی مفصل زانو نقش مهمی در بروز و پیشرفت بیماری استیوآرتریت زانو دارد که از آن به عنوان معیاری برای رصد فرآیند توانبخشی پس از جراحی آرتروپلاستی زانو و طراحی پروتز استفاده می شود. در حال حاضر، سنجش نیروی تماسی زانو مبتنی بر داده های استخراج شده از آزمایشگاه های تجزیه و تحلیل حرکت است. ترکیبی از شبکه های عصبی مصنوعی و فناوری حسگرهای پوشیدنی می تواند بر محدودیت های تحمیل شده در اندازه گیری نیروی تماسی مفصل توسط تجزیه و تحلیل های آزمایشگاهی غلبه کند. بنابراین، مطالعه حاضر با هدف بررسی پتانسیل یک شبکه عصبی تماما متصل در برآورد پیوسته نیروی تماسی مفصل زانو از طریق داده های مستخرج از سه واحد اندازه گیری اینرسی متصل به سگمنت های لگن، ران و ساق صورت گرفت. نیروهای عکس العمل زمین و داده های سه بعدی مارکرهای متصل به 10 داوطلب مرد سالم حین راه رفتن به ترتیب با نرخ نمونه برداری 1000و 200 هرتز ثبت شدند. با استفاده از یک مدل عمومی از نرم افزار اپن سیم و از طریق روش بهینه سازی استاتیکی، نیروی تماسی مفصل زانو برآورد شد و به عنوان سیگنال هدف شبکه عصبی در نظر گرفته شد. همچنین، داده های سه بعدی شتاب خطی و سرعت زاویه ای محاسبه شده توسط سه حسگر اینرسیایی به عنوان ویژگی های ورودی شبکه عصبی در نظر گرفته شدند و عملکرد شبکه در دو سطح درون و میان آزمودنی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که شبکه عصبی مورد استفاده در پژوهش حاضر پیش بینی پیوسته نیروی تماسی مفصل زانو را به ترتیب با دقت %89 و %79 در سطوح درون و میان آزمودنی امکان پذیر می سازد. نتایج این پژوهش نوید دهنده امکان به کارگیری حسگرهای اینرسیایی در پیش بینی پیوسته نیروی تماسی مفصل زانو در حین زندگی روزمره و فعالیت های ورزشی بی نیاز از تجهیزات گران قیمت آزمایشگاهی و دانش تخصصی است.
    کلیدواژگان: واحد اندازه گیری اینرسی نیروی تماسی زانو، آرتروز مفصل زانو، برآورد پیوسته، شبکه های عصبی مصنوعی، مدل سازی اسکلتی-عضلانی، اپن سیم
  • تشخیص بیماری COPD از طریق تحلیل صدای ریه با تمرکز بر ویژگی های زمانی و بکار گیری شبکه مبتنی بر توجه زمانی و گیت های بازگشتی دوطرفه
    داود سعادتی، ستار میرزاکوچکی* صفحات 61-70
    بررسی صدای اندام های بدن یکی از روش های تشخیص بیماری های مختلف است که توسط پزشکان برای تحلیل صداهای عارضه ای بکار گرفته میشود، از آنجایی که بیشتر مرگ و میر ناشی از بیماری، در کشورهای فقیری رخ میدهد که کمبود تجهیزات و متخصص دارند، ایجاد روش های تشخیصی مبتنی بر یادگیری ماشین و پردازش صوت که علاوه بر دردسترس بودن ، غیرتهاجمی و ارزان نیز میباشند با تشخیص زودهنگام میتوانند باعث نجات میلیون ها انسان شوند. در مطالعات پیشین غالبا ورودی های بازتاب کننده ی ویژگی های فرکانسی صوت مورد استفاده قرار گرفته است، دراین مقاله علاوه بر آن از یک نمایش بازگشتی استفاده میکنیم که ویژگی های زمانی صوت را بازتاب میکند و به عنوان ورودی به شبکه های کانولوشنی داده میشود تا از مزیت های یادگیری انتقالی آن بهره مند شویم، با اضافه کردن مکانیزم توجه زمانی و شبکه گیت های بازگشتی دوطرفه، توالی داده های صوتی که یک سری زمانی است مورد بررسی قرار میگیرد و هر یک از داده ها با توجه به ارزشی که دارند وزن دهی میشوند. داده های استفاده شده در این مقاله از پایگاه داده صدای ریه ICBHI است که در مقاله های بسیاری استفاده شده است. روش ارایه شده توانست در طبقه بندی صدای ریه به سه دسته ی سالم، بیماری انسداد مزمن ریوی(COPD) و سایر بیماری ها به دقت 97 درصد برسد که نتیجه بهتری نسبت به سایر روش های بکار رفته برای این پایگاه داده میباشد.
    کلیدواژگان: تشخیص بیماری، بیماری ریوی، پردازش صوت، نمایش بازگشتی، توجه زمانی، شبکه بازگشتی، یادگیری انتقالی، یادگیری ماشین
  • تعیین نرخ تبادل شیمیایی عامل های کنتراستCEST در تصویربرداری مولکولی تشدید مغناطیسی در شرایط حالت دائمی
    محمدرضا رضاییان* صفحات 300-310

    تبادل شیمیایی در اثر فرآیند انتقال اشباع از طریق اعمال پالس اشباع کننده الکترومغناطیسی به رشته پالس تصویربرداری اسکنر تشدید مغناطیسی اثر CEST نامیده می شود. اثر CEST عمدتا به زمان های استراحت، نرخ تبادل شیمیایی، غلظت عامل کنتراست و ویژگی های پالس اشباع کننده الکترومغناطیسی بستگی دارد. میزان وابستگی نرخ تبادل شیمیایی به برخی از شاخص های بالینی از جمله pH، دما و مصرف گلوکز امکان تشخیص غیر تهاجمی و زودهنگام برخی از بیماری ها را فراهم می کند. در این مقاله برای تعیین و اندازه گیری نرخ تبادل شیمیایی در قالب یک رابطه بسته ریاضی، تحلیل کمی از اثر CEST در قالب یک تابع هدف جدید ارایه می شود. اعمال روش های مبتنی برگرادیان بر روی تابع هدف محدب گونه پیشنهادی، توصیف جدیدی از دامنه بهینه پالس اشباع کننده الکترومغناطیسی مستطیلی ارایه می کند. معکوس-گیری از این توصیف، ضمن ارایه بیان تحلیلی جدیدی از نرخ تبادل، نمایش ساده تری برای عامل های کنتراست CEST دارای فرکانس تشدید بالا، در قالبی ناوابسته به میزان غلظت عامل کنتراست را فراهم می کند. ارزیابی تابع هدف و روابط پیشنهادی از طریق مقایسه با روش های معتبر برگرفته از حل معادلات بلاخ-مک کانل با استفاده از داده های پارامتری و واقعی انجام می-گیرد. متوسط مجذور خطای نسبی تابع هدف بر مبنای داده های پارامتری 25/7 درصد و برای روابط پیشنهادی دامنه بهینه پالس اشباع کننده الکترومغناطیسی و نرخ تبادل شیمیایی بااستفاده از داده های واقعی به ترتیب 3/6 و 2/4 درصد است.

    کلیدواژگان: انتقال اشباع، بهینه سازی، عامل کنتراست CEST، پردازش طبف CEST، نرخ تبادل شیمیایی، .، مغناطیس شوندگی
|
  • Impact of Collagen Turnover Rate and Elastin Degradation Parameters on the Enlargement of Abdominal Aortic Aneurysm
    Faeze Jahani, Malikeh Nabaei *, Zhenxiang Jiang, Seungik Baek Pages 20-30
    An abdominal aortic aneurysm is a gradual enlargement of the diameter of the aorta, which can threaten the patient's life if it ruptures. Several factors are effective in reducing aneurysm rupture risk and behavior. One of the important factors is the geometric characteristics of the aneurysm. It is necessary to examine the geometric characteristics (shape and maximum diameter) of abdominal aortic aneurysms for each patient to predict the risk of aneurysm rupture and its behavior. Growth and remodeling models based on the finite element method are tools for describing biological characteristics and predicting the progression of diseases such as abdominal aortic aneurysms. In this article, a stress-mediated growth and remodeling model was used to simulate different geometries of abdominal aortic aneurysms with the help of elastin damage function and collagen turnover. The simulation results emphasized the role of elastin damage on the geometrical changes of the aneurysm and the sensitivity of collagen turnover on wall stress distribution and expansion rate, so that with the change of the collagen rate from 0.07 to 0.04, the wall stress increased up to 300 kPa. The results showed that the stress distribution and local expansion correspond to the amount of elastin damage. The elastin damage function plays a key role in determining the location of the maximum diameter and in creating different forms of abdominal aortic aneurysms. Furthermore, time changes have a direct impact on elastin degradation. The remodeling of collagen, which was caused by increasing stress, compensated for the loss of elastin and controlled the expansion rate of the aneurysm. In the future, this computational model will have the ability to depict patient-specific abdominal aortic aneurysm growth with the help of the geometrical changes of the aneurysm, the amount of elastin damage, and collagen remodeling.
    Keywords: Growth, remodeling computational model, Damage function of elastin, Collagen turnover, Aneurysm growth
  • Proposal and Mathematical Analysis of a New Fractional-order Model to Describe the Transmission of COVID-19
    Arman Marzban, Elham Amini Boroujeni * Pages 31-40
    Considering that mathematical modeling is helpful in describing and analyzing the behavior of epidemic diseases. On the other hand, the accuracy and degree of freedom in modeling fractional order systems are more than that of integer order systems due to the presence of long-term memory property. This paper extends the existing integer order model of Covid-19 disease to fractional order systems using fractional order calculations.The proposed model’s positivity and bounded answers are proved using the invariant region theorem. Using the fixed point theory in Banach space, the existence and uniqueness of the solution of the proposed fractional order model are proved. The behavior of both integer and fractional order has been simulated and evaluated using real information published for Covid-19 in Thailand. The higher efficiency and accuracy of the proposed model of fractional order are confirmed in the simulation results.keywords: Covid-19, Fractional order Calculus, Mathematical modeling, The existence and uniqueness of the answer
    Keywords: COVID-19, Fractional order Calculus, Mathematical modeling, The existence, uniqueness of the answer
  • Estimation of Fetal Heart Rate from Single-Channel Abdominal Electrocardiogram Based on Non-Negative Matrix Factorization
    Amir Reza Asadi, Aboozar Ghaffari * Pages 41-50
    One of the procedures for estimating fetal heart rate (FHR) is the use of an electrocardiogram (ECG). The ECG is a safe, inexpensive, and convenient method that can be used for remote monitoring, so maternal abdominal ECG recording (AECG) is used. The AECG signal, in addition to the fetal ECG (FECG), includes the maternal ECG (MECG), maternal or fetal muscle activity, fetal brain activity, and noise, making it difficult to estimate the fetal heart rate based on the abdominal signal. In this study, the fetal heart rate is estimated from the single-channel AECG signal utilizing non-negative matrix factorization (NMF). In this method, the short-time Fourier transform (STFT) is used to obtain time-frequency information of the abdominal signal. Next, the NMF utilizes the STFT matrix as input. The rows of the non-negative matrix resulting from the NMF contain the content of maternal, fetal, and noise, which are used to detect R-peak and FHR. It performs well when MECG and FECG amplitudes are close together, which is one of the advantages of this method. The robustness and performance of the proposed algorithm have been compared with other state-of-the-art single-channel approaches, including deep learning models, on two databases, ADFECGDB and PCDB. Statistical analysis demonstrates that the proposed method is capable of estimating FHR and R-peak accurately. As a result, the proposed method is suitable for long-term fetal monitoring.
    Keywords: Maternal Abdominal ECG, Fetal Monitoring, Short-time Fourier Transform (STFT), Non-Negative Matrix Factorization(NMF), Fetal R-Peak.Fetal Heart Rate (FHR)
  • Numerical analysis of tumor effect on airflow and respiratory tract in the human upper respiratory system
    Shahrokh Shojaei * Pages 41-50
    The pathological effects of the tumor on the respiratory airway have always been the focus of researchers. So, these effects will lead to the suffocation of the patient in acute cases. This study presents a computational model to investigate the effect of a tumor on the airflow in the larynx area with the help of Ansys software. The presented model is able to numerically calculate the effect of tumor presence on airspeed and pressure in the upper air system. This study considered the simulation of steady airflow for exhalation in three respiratory flow rates of 15 L/min, 26 L/min, and 30 L/min. The maximum speed limit in the respiratory flow of L/min 15, L/min 26, and L/min 30, respectively, 6.26 m/s, 10.58 m/s, and 12.14 m/s, appears in the larynx. Also, the highest pressure occurs in the trachea, so the maximum pressure in the respiratory rate is 15 L/min, 26 L/min, and 30 L/min, respectively, equal 19.6 Pa, 51.01 Pa, and 65.8 Pa. On the other hand, most deformation occurs in the area of ​​narrowing of the respiratory tract. With the increase in the flow rate, the amount of deformation also increases. The maximum deformation on the wall at the respiratory flow rate of 15 L/min, 26 L/min, and 30 L/min is equal to 0.07mm, 0.2mm, and 0.27mm, respectively. Due to the presence of a tumor in this respiratory model, velocity and WSS reach their maximum in the larynx region. The presence of a tumor can gradually lead to airway obstruction. Moreover, the risk of airway obstruction increases even in a slight reduction in respiratory capacity. Providing a numerical model for the respiratory system can effectively lead to a better treatment approach.
    Keywords: numerical model, upper respiratory system, Tumor, deformation
  • IMU-Based Estimation of the Knee Contact Force using Artificial Neural Networks
    Alireza Rezaie Zangene, Ramila Abedi Azar, Hamidreza Naserpour *, Seyyed Hamed Hosseini Nasab Pages 51-60
    Knee joint contact force (KCF) plays a significant role in the occurrence and progression of knee osteoarthritis (KOA) disease. KCF can be used in monitoring rehabilitation progress after knee arthroplasty surgery and the design of prostheses. Currently, measuring KCF is dependent on the data extracted from gait laboratories. The combination of artificial neural networks (ANNs) and wearable technology can overcome the limitations imposed by lab-based analysis in measuring KCF. Therefore, the present study aimed to investigate the potential of a fully-connected neural network (FCNN) in predicting the KCF via three inertial measurement unit (IMU) sensors attached to the pelvis, thigh, and shank segments. Ten healthy male volunteers participated in this study. The 3D marker trajectories and ground reaction forces (GRF) were captured at 200 Hz and 1000 Hz sampling frequencies during level-ground walking. Using a generic OpenSim model, the KCF was estimated through static optimization. The resultant KCF estimated by the musculoskeletal model was then used as the target of the neural network, while linear acceleration and 3D angular velocity data captured by three IMUs were considered as the network inputs. The network performance was investigated at intra- and inter-subject levels. Based on our findings, the proposed network of this study enables the prediction of KCF with 89% and 79% accuracy (based on the Pearson correlation coefficient) at the intra- and inter-subject levels, respectively. The results of this study promise the possibility of using IMU sensors in predicting KCF outside the lab and during daily activities.
    Keywords: Inertial Measurement Unit, Knee Contact Force, knee osteoarthritis, Continuous estimation, Artificial neural networks, Musculoskeletal modeling, OpenSim
  • Diagnosing COPD disease through lung sound analysis with focus on temporal features and using a network based on temporal attention and bidirectional recurrent gates
    Davoud Saadati, Sattar Mirzakuchaki * Pages 61-70
    Analysis and examination of sound of organs can be utilized in order to diagnose various diseases and abnormal conditions. Diagnostic methods based on audio signal processing are non-invasive and inexpensive and can be especially useful in under-developed countries, where inadequate medical specialists and equipment has led to high fatality rates. Development of accessible methods based on machine learning can aid with early diagnosis. we used a convolutional network to attain the advantages of transfer learning. In previous studies, models have been proposed that feed spectrograms with frequency characteristics as inputs to the convolutional network. In this article, we propose a model which additionally employs a recurrent representation (Recurrence plot) that reflects the temporal characteristics of the sound. The audio data sequence is investigated by adding the temporal attention mechanism and the bi-directional recurrent gates for weighting data according to its informational value. Data used in this article is from the ICBHI lung sound database. The presented model was able to classify lung sounds into three categories: healthy, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), and other diseases with an accuracy of 97%, which shows the superiority of the proposed method compared to results obtained from previous methods on the same database.
    Keywords: Diagnosis, Lung disease, Sound processing, Recurrence Plot, Temporal attention, Recurrent network, Transfer learning, Machine Learning
  • Determining chemical exchange rate of the CEST contrast agents in the molecular magnetic resonance imaging at the steady-state conditions
    Mohamad Reza Rezaeian * Pages 300-310

    The chemical exchange due to saturation transfer by applying an electromagnetic radio frequency (RF) pulse to a magnetic resonance scanner is called the CEST effect. The CEST effect depends mainly on relaxation times, chemical exchange rate, concentration of the contrast agent and RF pulse properties. Dependence of chemical exchange rate on some clinical indicators such as pH, temperature and glucose consumption, allows diagnosis diseases non-invasively. The chemical exchange rate is determined through presenting new objective function of the CEST effect in the mathematical closed form quantitatively. A new description of the optimal amplitude of the rectangular RF pulse is obtained by applying gradient-based methods on the proposed convex objective function. Chemical exchange rate is proposed at the simple representation form independent to contrast agent by reversing the optimal amplitude description for large shift frequency contrast agents. Evaluation of the objective function and the proposed relations are performed by comparing them with valid methods derived solving Bloch-McConnell equations through parametric and real data. The mean relative square error of the objective function based on the parametric data is 7.25% and for the proposed the optimal amplitude and chemical exchange rate based on the real data are 6.3% and 4.2%, respectively.

    Keywords: Saturation transfer, Optimization, CEST Contrast agent, CEST spectrum processing, Chemical exchange rate, ., Magnetization transfer