فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال چهارم شماره 2 (تابستان 1389)

  • تاریخ انتشار: 1389/08/08
  • تعداد عناوین: 7
|
  • محمود امیری، فریبا بهرامی، مهیار جان احمدی صفحه 83

    در این مقاله، به مدلسازی عملکردی نقش آستروسیت ها که دسته مهمی از سلول های گلیال به شمار می روند به عنوان تنظیم کننده های سیناپسی در همزمان شدن فعالیت سلول های عصبی پرداخته می شود. ایده اصلی استفاده همزمان از مدل های جمعیت نورونی کورتیکال و تالاموکورتیکال ارائه شده توسط سافژینسکی و همکاران (2004) با در نظر گرفتن ایده بازخورد داخلی مطرح شده به وسیله آیزمیدیسو همکاران (2009) از یک سو و گنجاندن مدل محاسباتی آستروسیت ها در این مدل ها، از سوی دیگر است. در همین راستا با گنجاندن نقش آستروسیت ها در تنظیم و کنترل فعالیت سیناپس؛ مدل های کورتیکال و تالاموکورتیکال منطبق بر واقعیت فیزیولوژی توسعه داده شده و تکمیل می شوند. به این ترتیب عملکرد آستروسیت ها در حالت طبیعی (سالم) و بیماری (نقص درانجام عملکرد خود) در همزمان سازی فعالیت جمعیت های نورونی بررسی می شود. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که آستروسیت های سالم با پایش درست فعالیت سیناپسی و اعمال سیگنال کنترلی مناسب می توانند تغییرات ورودی تحریکی به سلول های عصبی را تا حد زیادی جبران کنند. در حالی که آستروسیت های بیمار نمی توانند در تنظیم فعالیت سیناپسی وظیفه خود را به درستی انجام دهند و در نتیجه نمی توانند از بروز همزمان شدن غیرطبیعی و بیش ازحد سلول های عصبی جلوگیری کنند. بنابراین با توجه به نتایج مدل های تکمیل شده، پیشنهاد می شود که امکان استفاده از مواد موثر بر آستروسیت ها به عنوان یک کاندید جدید در درمان بیمارهای مرتبط با همزمان شدن غیرطبیعی سلول های عصبی (همچون بیماری صرع) مورد بررسی بیشتر و عمیق تر قرار گیرد.

    کلیدواژگان: آستروسیت، مدلسازی عملکردی، بیماری صرع، مدل کورتیکال و تالاموکورتیکال، همزمان شدگی فعالیت نورون ها
  • فریده ابراهیمی، محمد میکائیلی صفحه 97

    سیگنال های زیستی مختلف شامل EEG، EOGو EMGبه منظور تشخیص اختلالات خواب در آزمایشگاه های خواب ثبت می شوند. تحلیل اطلاعات ثبت شده در زمان خواب به وسیله متخصص خواب، به صورت شهودی انجام می شود. طبقه بندی شهودی مراحل خواب به دلیل طولانی بودن ثبت ها، کار زمان بر و خسته کننده ای است. تحلیل خودکار خواب می تواند این امر را تسهیل کند. مهم ترین گام برای طبقه بندی خودکار مراحل خواب، استخراج ویژگی های مناسب است. در این تحقیق دو دسته ویژگی از سیگنال EEGاستخراج شدند: دسته اول ویژگی هایی هستند که از روی ضرایب تبدیل بسته های موجک (WPT) محاسبه شده اند و دسته دوم شامل تعدادی از ویژگی های فرکانسی و یک ویژگی زمانی یعنی دامنه سیگنال EEGهستند. در ادامه این دو مجموعه از ویژگی ها به طور مجزا به وسیله شبکه های عصبی SOMبه فضای دوبعدی نگاشته شدند. نگاشت به دست آمده نشان داد که این ویژگی ها در جدا کردن خودکار مراحل خواب بسیار مفیدند. اطلاعات استخراج شده از EEGبیداری و خواب عمیق به دو ناحیه کاملا مجزا نگاشته شدند. این نگاشت همچنین نشان داد که سیگنالEEGبه تنهایی برای جدا کردن کامل مراحل خواب کافی نیست زیرا وقتی اطلاعات مستخرج از سیگنال EEGدر خواب REMو مرحله 1 از خواب NREMبه ناحیه یکسان نگاشت شدند، اطلاعات استخراج شده از سیگنال EEGدر مرحله 2 خواب با سایر مراحل همپوشانی دارد که این نتایج منطبق با تعاریف فیزیولوژی مراحل خواب است.

    کلیدواژگان: مراحل خواب، استخراج ویژگی، تبدیل بسته موجک، طیف توان، شبکه عصبی SOM
  • مهدی برج خانی، فرزاد توحیدخواه صفحه 109

    نوشتن از مهارت های حرکتی پیچیده در انسان به شمار می رود. مدل هایی که تاکنون در این زمینه ارائه شده اند؛ مدل هایی پائین به بالا هستند و در آنها توجه کمتری به جنبه های بیولوژیکی حرکات صورت گرفته است. همچنین مدلی کیفی از فرایند نوشتن که عملکرد نواحی مختلف مغزی را حین انجام این فرایند توجیه کند، وجود ندارد. در این مقاله با استناد به یافته های نورولوژیکی و فیزیولوژیکی، عملکرد نواحی مختلف مغزی در فرایند نوشتن شرح داده شده است. سپس شواهدی مبنی بر وجود پیش بینی در نوشتن و وجود مدلی درونی ازدینامیک اندام های بدن نظیر دست ارائه شده است. با توجه به شواهد موجود، مدلسازی فرایند نوشتن با استفاده از روش کنترل پیش بین امکان پذیر است. نتایج نشان دادند مدلسازی این فرایند با استفاده از کنترل کننده پیش بین مبتنی بر مدل، شباهت زیادی با واقعیت و ماهیت این مهارت انسانی دارد. از مزایای این مدل، می توان به این موارد اشاره کرد: انطباق بالای آن با اصول بیولوژیکی شناخته شده، مدلسازی پیش بینی در نوشتن، همبستگی بسیار زیاد مشخصه های استاتیکی و دینامیکی حروف تولیدی با نمونه های انسانی.

    کلیدواژگان: فرایند نوشتن، مدل درونی، مخچه، کنترل پیش بین، پیش بینی
  • محمد مهدی رمضانی، احمدرضا شرافت صفحه 123

    در این مقاله با استفاده از کورنتروپی، روشی موثر برای دسته بندی سیگنال الکترومایوگرام سطحی به منظور کنترل پروتزهای مایوالکتریک ارائه شده است. چون سیگنال الکترومایوگرام سطحی در دامنه های پائین نیرو ماهیتی غیرگوسی دارد درحالی که اغتشاش محیط گوسی فرض می شود، از کورنتروپی برای استخراج ویژگی از این سیگنال استفاده می کنیم؛ زیرا کورنتروپی تنها دربرگیرنده اطلاعات مربوط به مولفه های غیرگوسی است و تخمین آن از نمونه های محدود بسیار ساده است. سپس با به کارگیری ویژگی های استخراج شده، از طبقه بندی کننده آنالیز تفکیک خطی برای دسته بندی سیگنال الکترومایوگرام سطحی استفاده می کنیم. نتایج به دست آمده با استفاده از روش پیشنهادی این مقاله، در مقایسه با نتایج سایر روش های پیشرفته شناسایی الگوی سیگنال الکترومایوگرام سطحی هم بهبود یافته و هم محاسبات کمتری دارد.

    کلیدواژگان: پروتز مایوالکتریک، تشخیص الگو، سیگنال الکترومایوگرام سطحی، طبقه بندی، کرنل گوسی، کورنتروپی
  • سعید رشیدی، علی فلاح، فرزاد توحیدخواه صفحه 135

    تاکنون روش های بسیاری برای براورد میزان شباهت یا اختلاف سیگنال های زمانی معرفی شده اند. الگوریتم DTWاز جمله راهکارهای قدرتمندیست که علاوه بر توانائی فوق در زمینه های طبقه بندی، داده کاوی و تطابق ناحیه ای دو سیگنال نیز مورد توجه است. DTWبر پایه بهینه سازی فواصل نقاط دو سیگنال و با انبساط و انقباض محور زمان در هر نقطه قادر به یافتن نقاط متناظر است. در این مقاله با اصلاح قیود محلی حاکم بر DTWروشی برای ارزیابی میزان شباهت کلی یا ناحیه ای دو سیگنال پیشنهاد می شود. الگوریتم مطرح شده در این مقاله علاوه بر افزایش دقت و قابلیت بالاتر در سنجش فاصله سیگنال ها و طبقه بندی با خطای کمتر، نسبت به تغییرات ساختاری و منبع تولید سیگنال زمانی نیز مقاوم تر از DTWمرسوم بوده و قابلیت تعمیم پذیری بیشتری از خود نشان می دهد. با استفاده از یک پایگاه دادگان ترکیبی متشکل از افراد ترک (از کشور ترکیه)، چینی و انگلیسی زبان و اعمال روش پیشنهادی مبتنی بر طبقه بندی کننده های فیشر، پنجره پارزن و ماشین بردار پشتیبان در مسئله تصدیق امضاء نشان داده می شود که ضمن کاهش 3/12% خطای طبقه بندی الگوها، در شرایط سطح آستانه عمومی خطای EERدر گروه جاعلان تصادفی و ماهر به ترتیب برابر 46/1% و 51/3% به دست آمده است.

    کلیدواژگان: پیچش زمانی پویا، تصدیق امضای پویا، داده کاوی، سازگاری، سیگنال زمانی
  • پریسا گیفان، حمید بهنام، زهرا علیزاده ثانی صفحه 149

    روش های کاهش بعد غیرخطی، در ده ها خیر بار دیگر مورد توجه محافل علمی قرار گرفته اند.با تمرکز محققان علم کامپیوتر بر این مسئله، در چند سال اخیر مجموعه ای از ابزارها به وجود آمده اند که کاربردهای آنها در داده کاوی، پردازش تصویر، طبقه بندی، تحلیل ونمایاندن دادگان رو به افزایش است.در این میان یادگیری منیفلد ابزاری قدرتمند برای کاهش بعد غیرخطی دادگان است. پارامترهای ذاتی سیستم که عامل اصلی تمایز دادگان از یکدیگرند با استفاده از این ابزار شناسایی شده و کل مجموعه بر روی منیفلدی که بیان کننده ارتباط واقعی پارامترهاست، قرار می گیرد. بدین ترتیب ارتباط بین دادگان در فضایی با بعد کمتر بیان می شود. یکی از کاربردهای موفق این روش ها در تحلیل تصاویر است. با این دیدگاه فرض می شود هر تصویر داده ای در بعد بالا بوده که هر پیکسل یک بعد از فضا را اشغال می کند. درصورتی که این مجموعه تصاویر از شیئی خاص اخذ شده باشند که براساس پارامترهای کمی با یکدیگر تفاوت دارند؛ می توان با استفاده از ابزارهای مناسب یادگیری منیفلد، این مجموعه تصاویر را در فضایی با بعد کمتر به گونه ای نگاشت کرد که ارتباط ذاتی پارامترها حفظ شود.در این تحقیق چگونگی به کارگیری این ابزار برای تحلیل مجموعه تصاویر اکوکاردیوگرافی مورد بررسی قرار می گیرد. از آنجا که تصاویر اکوکاردیوگرافی اخذ شده از یک بیمار براساس پارامترهای کمی از جمله حرکت تناوبی قلب و نویز متفاوت هستند، با استفاده از الگوریتم مناسب یادگیری منیفلد، مجموعه تصاویر در فضای دوبعدی فرونشانده می شوند و ارتباط بین فریم های متوالی در فضای جدید تعیین می شود. در این تحقیق با استفاده از دو الگوریتم LLEو ISOMAP، پس از نگاشت چند دوره تناوب تصاویر در فضای دوبعدی، تصاویر مشابه در کنار یکدیگر قرار گرفته و رابطه بین تصاویر بر اساس خاصیت تناوبی ضربان قلب نمایان می شود. نتایج حاکی از ضعف الگوریتم ISOMAPو قدرت الگوریتم LLEدر حفظ ارتباط واقعی تصاویر اکوکاردیوگرافی در فضای دوبعدی است. در نهایت، کاهش نویز تصاویر به صورت میانگین گیری تصاویر مشابه بر روی منیفلد حاصل از الگوریتم LLEبه عنوان یک کاربرد مفید معرفی می شود.

    کلیدواژگان: یادگیری منیفلد، تصاویر اکوکاردیوگرافی، الگوریتم LLE، الگوریتم ISOMAP، کاهش نویز
  • جعفر آی، سعید سرکار، محمد علی عقابیان صفحه 161

    بررسی های مختلف نشان داده اند که میدان های الکترومغناطیسی قوی اثرات سوئی برسلامت انسان دارند. دستگاه MRIاز مهم ترین تجهیزاتیست که در پزشکی برای تشخیص در بیماری های مختلف استفاده می شود. اساس کار این دستگاه مبتنی بر امواج الکترومغناطیس است که امکان ایجاد نارسایی در دستگاه های مختلف بدن از جمله کبد می شود. بر این اساس در این مقاله اثر امواج MRIبر بافت کبد موش صحرایی بررسی شده است. بدین منظور 22 موش صحرایی نر بالغ 60 روزه به وزن g 20± 200از نژاد ویستار انتخاب شدند و به تعداد برابر در دو گروه آزمون و شاهد قرار گرفتند. گروه آزمون به مدت 30 دقیقه تحت تاثیر امواج دستگاه MRIبا شدت T5/1 همراه با امواج RFقرار گرفتند و گروه شاهد در زمان مشابه تحت تاثیر امواج دستگاه MRIبا شدت مشابه اما بدون امواج RFقرار گرفتند. پس از بیهوش کردن حیوانات برای اندازه گیری سطح فاکتورهای بیلی روبین تام، بیلی روبین مستقیم، فسفاتاز قلیایی، آلبومین سرم و پروتئین تام، کلسترول تام و HDL، LDL، AST، ALTخونگیری از قلب انجام شد. پس از اطمینان از بیهوشی کامل حیوانات، کبد از بدن خارج شده و پس از انجام عملیات آماده سازی بافت، اسلایدها با استفاده از روش سریال سکشن برای مطالعات هیستومتری (اندازه قطر سلول ها، اندازه قطر هسته) تهیه شدند و با استفاده از میکروسکوپ الیمپوس مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج حاکی از افزایش معنادار (05/0p<) در HDL، بیلی روبین تام، بیلی روبین مستقیم،ALT، ASTو آنزیم فسفاتاز قلیایی و کاهش معنادار (05/0p<) در آلبومین سرم و پروتئین تام، کلسترول تام و LDLدر گروه آزمون نسبت به گروه شاهد بود. همچنین تفاوت معناداری در اندازه قطر هپاتوسیت ها و هسته هپاتوسیت ها در بین دو گروه مشاهده نشد. نتایج این مقاله نشان داد امواج الکترومغناطیس حاصل از دستگاه MRIبر عملکرد و آنزیم های کبد موش های صحرائی بدون تغییر هیستومتری سلول ها موثر بوده است. با توجه به این اثرات دستگاه MRI، پیشنهاد می شود تحقیق مشابهی بر روی سرم خونی انسان انجام شود.

    کلیدواژگان: کبد، میدان الکترو مغناطیس، MRI، موش صحرایی، فاکتورهای خون، هیستومتری
|
  • Mahmoud Amiri, Fariba Bahrami, Mahyar Janahmadi Page 83

    Based on the neurophysiologic findings, astrocytes provide not only structural and metabolic supports for the nervous system but also they are active partners in neuronal activities and synaptic transmissions. In the present study, we improved two biologically plausible cortical and thalamocortical neural population models (CPM and TCPM), which were developed previously by Suffczynski and colleagues, by integrating the functional role of astrocytes in the synaptic transmission in the models. In other words, the original CPM and TCPM are modified to integrate neuronastrocyte interaction considering the idea of internal feedback proposed by Iasemidis and collaborators. Using the modified CPM and TCPM, it is demonstrated that healthy astrocytes provide appropriate feedback control for regulating the neural activities. As a result, we observed that the astrocytes are able to compensate for the variations in the cortical excitatory input and maintain the normal level of synchronized behavior. Next, it is hypothesized that malfunction of astrocytes in the regulatory feedback loop can be one of the probable causes of seizures. That is, pathologic astrocytes are not any more able to regulate and/or compensate the excessive increase of the cortical excitatory input. Consequently, disruption of the homeostatic or signaling function of astrocytes may initiate the hypersynchronous firing of neurons. Our results confirm the hypothesis and suggest that the neuronastrocyte interaction may represent a novel target to develop effective therapeutic strategies to control seizures.

    Keywords: Astrocyte, Functional modeling, Epilepsy, cortical, thalamocortical models, Neural synchronization
  • Faride Ebrahimi, Mohammad Mikaili Page 97

    Different biological signals including EEG, EOG, and EMG are recorded in sleep labs to diagnose sleep disorders. Data recorded during sleep is usually analyzed by sleep specialists visually. Since the sleep data is usually recorded for a long time period- namely a whole night- its visual inspection and classification is a very demanding and time consuming task so automatic analysis can definitely facilitate that. The key to automatic sleep staging is to extract suitable features. In the current study two classes of features are extracted from EEG signal. The first group is the features calculated from the coefficients of wavelet packet transformation (WPT) and the second group consists of a number of frequency features and a time feature, the amplitude of EEG signal itself. These two sets of features were separately mapped on a two dimensional space by SOM neural networks. The mappings indicated that these features are highly discriminative in separating sleep stages automatically. The data extracted from awake and deep sleep EEGs were mapped on two totally different regions. The mapping also indicated that EEG signal is not enough to separate stages thoroughly, as extracted data from EEG during REM and the first stage of NREM are mapped on the same region. Data extracted from EEG signals in the second stage overlapped with other stages which are in agreement with physiological definition of sleep stages.

    Keywords: Sleep stages, feature extraction, Wavelet packet transformation (WPT), Power spectrum, SOM neural network
  • Mehdi Borjkhani, Farzad Towhidkhah Page 109

    Writing is one of the high practiced and complex movement skills of human. Most of the proposed models for writing are bottom-up models, and therefore they could not reflect the biological aspects of movements in this process. Also there is not any model for illustrating the role of different parts of the brain in this task. In this paper we are going to describe some neurological and physiological aspects of the brain operation in the writing task. Then some evidence of prediction in writing and existence of internal models for limbs such as hand are presented. According to these, modeling of writing using model predictive control (MPC) is possible. Based on the presented simulations and experimental results it seems that the modeling of writing by MPC is very similar to the real skill, The proposed model has some advantages such as being consistent with the biological evidence, modeling prediction in writing and high correlation of the statical and dynamical features of the generated letters with those written by human.

    Keywords: Writing process, Internal model, Cerebellum, Model predictive control, Prediction
  • Mohammad Mehdi Ramezani, Ahmad Reza Sharafat Page 123

    In this paper, we propose a novel approach for classification of surface electromyogram (sEMG) signal with a view to controlling myoelectric prosthetic devices. The sEMG signal generated during isometric contraction is modeled by a stochastic process whose probability density function (PDF) is non- Gaussian for low levels of applied force. Since the PDF of ambient noise is assumed to be Gaussian, we extract correntropy features, as they contain information on non-Gaussian components (the sEMG signal) only; and utilize the linear discriminant analysis (LDA) to classify the sEMG signal using correntropy features. Our proposed method has lower classification error and requires much less computations as compared to other existing advanced methods.

    Keywords: classification, Correntropy, Gaussain kernel, Myoelectric prosthesis, Pattern Recognition, Surface Electromyogram Signal
  • Saeed Rashidi, Ali Fallah, Farzad Towhidkhah Page 135

    Many methods are introduced for estimating the similarities or differences of time signals. One of theses methods, DTW algorithm, is also a utility for other domains including classification, data mining and matching regions between two time signals. DTW algorithm minimizes points distance between two signals by contracting or expanding the time axes to find the corresponding points. In this paper, with modification of the local constraints in DTW, a powerful method is proposed for measuring the global or local similarities between two signals. In addition to increasing the accuracy of signals distance measurements and decreasing the classification error, proposed algorithm is more stable than classic DTW against variations of structure and time signal source. The proposed method for dynamic signature verification was applied to a dataset of signatures from Turkish, Chinese and English people. The results of the experiments based on Fisher, Parzen Window and Support Vectors Machine classifications, showed that equal error rate (EER) is 1.46% and 3.51% with universal threshold for random and skilled forgeries, respectively.

    Keywords: Consistency, data mining, Dynamic signature verification, Dynamic time warping, Time Signal
  • Parisa Gifani, Hamid Behnam, Zahra Alizadeh Sani Page 149

    Dimensionality reduction is an important task in machine learning, to simplify data mining, image processing, classification and visualization of high-dimensional data by mitigating undesired properties of high-dimensional spaces. Manifold learning is a relatively new approach to nonlinear dimensionality reduction. Algorithms for manifold learning are based on the intuition that the dimensionality of many data sets may be artificially high and each data point can be described as a function of only a few underlying parameters. Using this tool, intrinsic parameters of the system database, which are main distinction factors of data sets, are recognized and all of them lie on a manifold that shows the real relationship of parameters. One of the successful applications of these methods is in image analysis field. By this approach, each image is a data in high dimensional space that the pixels are its dimensions. Because echocardiography images obtained from a patient are different in quantitative parameters such as heartbeat periodic motion and noise, image sets are reduced to two-dimensional space by a proper manifold learning. In this article, after mapping echocardiography images in two-dimensional space, by using LLE and Isomap algorithms, similar images placed side by side and the relationships between the images according to the cyclic property of heartbeat became evident. The Results showed the weakness of Isomap algorithm and power of LLE algorithm in preserving the relation between consecutive frames. De-noising is an important application which extracted from this research.

    Keywords: Manifold learning, Echocardiography images, LLE, Isomap, De-noising
  • Jafar Ai, Saeed Sarkar, Mohammad Ali Oghabian Page 161

    Various reviews have shown that strong electromagnetic fields have negative effects on human health. This study focused on the effect of MRI radiation on liver functional test histometery of liver in adult male rats. For this purpose, we used an MRI device that could produce 1.5 T electromagnetic radiations, and chose 22 Wistar rats as laboratory animal models. Rats were divided into two equal groups. The first group exposed to 1.5T electromagnetic radiation and RF radiation during a 30- minute MRI scan as experimental group. The control group experienced 1.5T electromagnetic radiation exposure without RF radiation by the same MRI device. The rats were anesthetized and blood samples were obtained from cardiac chambers to measure the serum levels of LDL, HDL, ALT, AST, ALP, total cholesterol, total protein, albumin, total billirobin, and direct bilirobin. Livers were then removed and the specimens fixed. Serial sections (5 μm thick) were prepared from livers and the diameter of hepatocytes and their nuclei were measured. The findings of the present study indicate that, there was a significant increase (P<0.5) in amount of HDL, ALT, AST, ALP, total billirobin, direct bilirobin and there was a significant decrease (P<0.5) in amount of total cholesterol, LDL, total protein, and albumin in experimental group by comparison with control group. But no significant differences were seen in the diameter of hepatocytes and their nuclei between both groups. The electromagnetic radiations of MRI device may influence the level of liver enzymes and liver function without any histomorphologically changes. Conducting clinical trial studies with human subjects is recommended.

    Keywords: Liver, Electromagnetic radiations, MRI, Rat, Blood factors, Histometery