فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال چهارم شماره 4 (زمستان 1389)

  • تاریخ انتشار: 1389/12/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • دیاکو مردانبگی، محمدرضا ملاک زاده* صفحات 267-278
    در این مقاله به ساخت یک ردیاب حرکات چشم با ویژگی های تصویری، بی درنگ، ارزان و در عین حال کاربردی با نام                  Dias Eye Tracker اشاره می شود. این سیستم برقراری ارتباط معلولان با رایانه را بهبود می بخشد. آنچه سیستم مذکور را نسبت به سایر ردیاب های تحقیقاتی و ارزان قیمت مخصوص چشم متمایز ساخته، دقت در تشخیص نقطه دید، تنوع بخشهای کاربردی نرم افزار و همچنین سخت افزار سبک و بی سیم آن با قابلیت نصب بر روی سر است. در مقاله حاضر روش های استفاده شده در سیستم و همچنین نرم افزار و سخت افزار آن، معرفی شده است. همچنین دو روش استفاده شده برای ردیابی مردمک با یکدیگر مقایسه شده، عدم قطعیت بر روی نگاشت بکار رفته در این سیستم نیز تحلیل شده است. عملکرد این ردیاب چشم برای معلولان، با کمک سه پرسش نامه و بررسی پاسخ های افراد پس از اجرای سه فعالیت بخصوص با دستگاه، ارزیابی شده است. نتایج این ارزیابی عملکرد خوب این سیستم را در کمک به برقراری ارتباط با کامپیوتر نشان می دهد.
    کلیدواژگان: ارتباط متقابل با کامپیوتر، تعیین نقطه دید، ردیابی حرکات چشم
  • ایثار نژادقلی، محمدحسن مرادی*، فاطمه عبدالعلی صفحات 279-292
    تاکنون از روش های بسیاری برای طبقه بندی خودکار ضربان قلب استفاده شده است؛ اما تعداد بسیار اندکی از این روش ها در طبقه بندی مستقل از بیمار کارایی مناسبی داشته اند. در این مقاله، تیوری بازسازی فضای فاز برای طبقه بندی پنج نوع ضربان قلب (طبیعی، PVC، LBBB، RBBB و PB) در حالت مستقل از بیمار به کار رفته است. در روش اول و دوم ابتدا فضای فاز به دست آمده، مدلسازی شده و سپس با کمک طبقه بند بیزین کلاسیک، طبقه بندی انجام شده است. در روش اول مدل ترکیبی گوسین و و در روش دوم مدل بین به کار رفته است. در روش سوم، از بازسازی فضای فاز مستقیما برای تعلیم تخمین زننده شبکه عصبی با تاخیر زمانی استفاده شده؛ سپس طبقه بندی بر مبنای کمینه خطای پیش بینی، انجام شده است. نتایج هر سه روش در مقایسه با سایر روش های طبقه بندی مستقل از بیمار بهبود قابل توجهی داشته است. بهترین نتایج مربوط به روش اول است که صحت طبقه بندی 5/92% در حالت مستقل از بیمار را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: طبقه بندی خودکار ضربان قلب، طبقه بندی سیگنال الکتروکاردیوگرام مستقل از بیمار، بازسازی فضای فاز، مدل ترکیبی گوسین، شبکه عصبی با تاخیر زمانی
  • زهرا امینی، وحید ابوطالبی*، محمدتقی صادقی صفحات 293-306
    دراین مقاله سیستمی مبتنی بر بازشناسی آماری الگو جهت تفکیک سیگنال های حاوی P300 و فاقد آن، ارایه می شود. این سیستم- که بر روی دادگان P300-Speller مسابقات BCI 2005 کار می کند- از چهار بخش اصلی پیش پردازش، استخراج ویژگی، انتخاب ویژگی و طبقه‍بند تشکیل شده که تاکید اصلی این مقاله بر بخش استخراج ویژگی و بررسی کارایی ویژگی های مختلف است. در مرحله استخراج ویژگی، شش دسته ویژگی شامل قطعه بندی هوشمند، ضرایب موجک، الگوهای مکانی مشترک، ویژگی های شکلی- زمانی، ویژگی های فرکانسی و دسته ویژگی ترکیبی الگوهای مکانی مشترک و قطعه بندی، تعریف شدند که برخی از این ویژگی ها (مانند ویژگی های قطعه بندی هوشمند، الگوهای مکانی مشترک و ترکیبی) تا کنون یا مستقیما برای آشکارسازی P300 به کار نرفته بودند و یا در موارد بسیار معدودی از آنها استفاده شده بود. سپس ویژگی ها با معیارهای مختلفی  به صورت تک تک و گروهی ارزیابی شدند و در نهایت ترکیبی بهینه از مجموع این ویژگی ها به طبقه بند SWLDA داده شد. بدین ترتیب درصد صحت تشخیص مولفه P300 با این سیستم به 05/97% رسید که در قیاس با نتایج مطالعات قبلی در این حوزه، نتیجه برتری است.
    کلیدواژگان: طبقه بندی مولفه P300، سیستم های واسط مغز و رایانه (BCI)، بازشناسی آماری الگو، استخراج ویژگی، طبقه بند
  • زهره دهقانی بیدگلی، محمدحسین میران بیگی*، رسول ملک فر، احسان الله کبیر، طاهره خامه چیان صفحات 307-316
    در این تحقیق به بررسی بافتهای سرطانی چندین اندام بدن با استفاده از طیف سنجی رامان لیزری پرداخته ایم. در این راستا نمونه های مختلف بافتی با تشخیص های پاتولوژیک متفاوت (سالم و سرطانی) از یک آزمایشگاه پاتولوژی به امانت گرفته و با دو سیستم طیف سنجی رامان بررسی شدند. از آنجایی که یکی از اهداف این مطالعه مستقل ساختن تشخیص از نوع سیستم طیف سنجی است؛ الگوریتم هایی برای حذف تفاوتهای سیستمیک در طیف های بدست آمده از دو سیستم، ارایه شده است. پس از آن نوفه و فلورسانس موجود در طیف ها با موجک جدیدی که LWT آنرا ایجاد کرد، حذف و با چند طبقه بند مختلف، طبقه بندی شد. بهترین نتیجه حاکی از تمایز 83% بین نمونه سالم و سرطانی با استفاده از طبقه بند SVM است.
    کلیدواژگان: طیف سنجی رامان، تشخیص سرطان، طبقه بندی، استخراج ویژگی، LWT
  • مائده هادی نیا*، رضا جعفری صفحات 317-326
    در این مقاله از روش المان محدود مرتبه بالا برای بازسازی تصویر درمقطع نگاری نوری پخشی (DOT) استفاده شده است. مقطع نگاری نوری پخشی یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی برای تجسم و نمایش پیوسته بافت و میزان اکسیژن خون در مغز و سینه است. بازسازی تصویر در این روش به یک مساله معکوس منجر می شود که  شامل یک مساله پیشرو و یک الگوریتم تکراری است. مساله معکوس در سیستم های DOT، بدحالت است و دقت حل مساله معکوس به دقت مساله پیشرو وابسته است. ارایه مدلی دقیق برای مساله پیشرو که انتقال نور درون یک بافت با هندسه مشخص را مدلسازی کند و بتواند دقت تفکیک پذیری مکانی را نیز افزایش دهد؛ امری ضروری است. درصورت استفاده از روش المان محدود مرتبه یک در مدل سازی مساله پیشرو، دقت مساله پیشرو با افزایش تعداد المان ها افزایش می یابد؛ اما بدلیل بدحالتی مساله معکوس، در افزایش تعداد المان ها محدودیت وجود دارد. در این مقاله با استفاده از روش المان محدود مرتبه بالا و بدون افزایش تعداد المان ها دقت مساله پیشرو افزایش یافته است و تصویر در DOT بازسازی شده است. نتایج مساله پیشرو با جواب تحلیلی مقایسه شده و بازسازی تصویر برای دو نمونه جذب کننده ارایه شده است.
    کلیدواژگان: مقطع نگاری نوری پخشی، مساله پیشرو، روش المان محدود مرتبه بالا، بازسازی تصویر
  • وهاب نکوکار، عباس عرفانیان امیدوار* صفحات 327-336
    بالا بودن سطح مصرف انرژی متابولیک و نیروی زیاد وارد بر دسته واکر از عوامل محدودکننده در گام برداشتن افراد دچار ضایعه نخاعی با کمک تحریک الکتریکی عملکردی، محسوب می شود. فرد معلول در هنگام گام برداشتن برای حفظ تعادل و جبران کمبود گشتاورهای ایجاد شده در مفصل های پایین تنه، نیروی زیادی به دسته واکر وارد می کند. در این مقاله یک  مدل گام برداشتن فرد دارای ضایعه نخاعی با واکر در صفحه دو بعدی ارایه شده است. با استفاده از این مدل و کنترل بهینه الگوی تحریک عضلات طوری تعیین شده اند که علاوه بر کمینه بودن خطای ردیابی مسیر مرجع مفصل های پایین تنه، میزان تحریک الکتریکی عضلات پایین تنه و همچنین نیروی عکس العمل دسته واکر کمینه باشد. گشتاور لازم برای بالاتنه و دست ها نیز بر اساس همین تابع هزینه تعیین می شوند؛ اما مسیر مرجعی برای مفصل های آنها تعریف نشده است. نتایج نشان می دهد که نیروهای عکس العمل دسته واکر و زمین با مقادیر اندازه گیری شده، شباهت زیادی دارد و الگوی تحریک عضلات تولید شده در شبیه سازی با الگوهای تحریک گام برداشتن در مطالعات گذشته، مطابقت دارد.
    کلیدواژگان: تحریک الکتریکی عملکردی، کنترل بهینه، گام برداشتن، پاراپلژیک، مدل
  • حمید ابریشمی مقدم*، مریم مومنی، کامران کاظمی، راینهارد گرب، فابریس والوا صفحات 337-360

    مطالعه فرآیند رشد مغز در دوران نوزادی و کودکی از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا هرگونه اختلال در این فرآیند می تواند سبب بروز بیماری در فرد شود، بویژه اگر نوزاد به صورت نارس بدنیا آمده باشد. پیشرفت های اخیر در زمینه تصویربرداری تشدید مغناطیسی امکان اخذ تصاویری را با کیفیت و رزولوشن بالا از بافت های مغزی نوزادان فراهم ساخته است. با ناحیه بندی و استخراج بافت ها می توان به مدلسازی تغییرات در بافت مغزی پرداخت و بر مراحل رشد مغزی نوزادان و کودکان نظارت کرد. از طرف دیگر داشتن یک مدل نزدیک به واقعیت از سر شامل پوست، جمجمه و مغز می تواند در حل دقیقتر مساله معکوس مکانیابی منبع سیگنال های مغزی ثبت شده کمک کند و همچنین چگونگی انتشار امواج الکترومغناطیس را در سر نوزادان نشان دهد. در این مقاله مروری، در ابتدا اطلس های مغز به سه دسته اطلس های مبتنی بر یک فرد، اطلس های احتمالی و اطلس های آماری طبقه بندی می شوند. در ادامه اطلس های مغزی نوزادان در دسته بندی های مطرح شده، بیان و روش ایجاد و کاربرد هر کدام مطالعه می شود. در پایان ضمن بررسی نقاط ضعف و قوت اطلس های مغزی ساخته شده برای نوزادان تاکنون به تبیین فعالیت های جاری و روند تحقیقات آتی در این زمینه می پردازیم.

    کلیدواژگان: اطلس مغز نوزاد، اطلس مبتنی بر یک فرد، اطلس احتمالی، اطلس آماری، تصاویر تشدید مغناطیسی (MRI)
|
  • Diako Mardanbeigi, Mohammad Reza Mallakzadeh * Pages 267-278
    This paper investigates prototyping an online, low-cost, video based and applicable eye tracker, which is called "Dias Eye Tracker". Disabled people can use the proposed system to communicate with computer. What have made the system different from the other low-cost eye trackers, are the accuracy of gaze estimation, the different application parts of the software and the lightweight wireless hardware, which can be mounted on the user’s head. This paper introduces the software/hardware and the methods of the system. In addition, two methods of pupil tracking have been compared together, and an uncertainty analysis on the mapping function of the system has been done. The performance of the designed eye tracker has been evaluated by analyzing the answers to the three questionnaires, which were filled by disabled people after performing three specific tasks. The results show that the system performs well for interaction with computer.
    Keywords: Human-computer interaction, Gaze estimation, Eye tracking
  • Isar Nejadgholi, Mohammad Hasan Moradi *, Fateme Abdol Ali Pages 279-292
    Many methods for automatic heartbeat classification have been applied and reported in literature, but relatively little number of them concerned with patient independent classification because of the less significant results compared to patient dependent ones. In this work, Reconstructed Phase Space (RPS) theory is used to classify five heartbeat types (Normal, PVC, LBBB, RBBB and PB). In the first and second method, RPS is modeled by the Gaussian mixture model (GMM) and bins, respectively and then classified by classic Bayesian classifier. In the third method, RPS is directly used to train predictor time-delayed neural networks (TDNN) and classified based on minimum prediction error. All three methods highly outperform the results reported before for patient independent heartbeat classification. The best result is achieved using GMM-Bayes method with 92.5% accuracy for patient independent classification.
    Keywords: Automatic heart beat classification, Patient independent Electrocardiogram (ECG) classification, reconstructed phase space, Gaussian mixture model, Time-delayed Neural Network
  • Zahra Amini, Vahid Abootalebi *, Mohammad Taghi Sadeghi Pages 293-306
    The aim of this paper is to design a pattern recognition based system to detect P300 component in multi-channel electroencephalogram (EEG) trials. This system has two main blocks, feature extraction and classification. In feature extraction block, in addition to conventional features namely morphological, frequency and wavelet features, some new features included intelligent segmentation, common spatial pattern (CSP) and combined features (CSP + Segmentation) have also been used. Three criteria were used for evaluation and selection of a feature set by choosing a subset of the original features that contains most of essential information. Firstly, a statistical analysis has been applied for evaluating the fitness of each feature in discriminating between target and non target signals. Secondly, each of these six groups of features was evaluated by a Linear Discriminant Analysis (LDA) classifier. Furthermore by using Stepwise Linear Discriminant Analysis (SWLDA), the best set of features was selected. Among these six feature vectors, intelligent segmentation was seen to be most efficient in classification of these signals. In classification phase, two linear classifiers -LDA and SWLDA- were used. The algorithm was described here has tested with dataset II from the BCI competition 2005. In this research, the best result for P300 detection is 97.05% .This result have proven to be more accurate than the results of previous works carried out in this filed.
    Keywords: P300, Brain Computer Interface (BCI), Pattern recognition, Feature Extraction, Classification
  • Zohre Dehghani Bidgoli, Mohammad Hossein Miranbaygi *, Rasoul Malekfar, Ehsanollah Kabir, Tahere Khamechian Pages 307-316
    In this research, we investigated cancerous tissues from several organs of the human body using Raman spectroscopy. Different specimens with different pathologic labels (normal & cancerous) were borrowed from a pathology laboratory, and were investigated using two different Raman spectroscopy systems. Since one of the goals of this investigation was detection of cancer, independent of type of the system, we introduced some algorithms for removing systemic differences from the spectra. Then we removed noise and fluorescence signals using a new wavelet created with LWT. The best classification result was 83% in differentiating between normal and cancerous specimens using the SVM classifier
    Keywords: Raman spectroscopy, cancer detection, classifying, Feature Extraction, LWT
  • Maede Hadinia *, Reza Jafari Pages 317-326
    This paper presents image reconstruction in Diffuse Optical Tomography (DOT) using a high-order finite element method. DOT is a non-invasive imaging modality for visualizing and continuously monitoring tissue and blood oxygenation levels in brain and breast. Image reconstruction in DOT leads to an inverse problem consisting of a forward problem and an iterative algorithm. The inverse problem in DOT systems is ill posed and depends on the accuracy of the forward problem. An accurate model, that describes the light transmission in tissue is required and can increase the spatial resolution. Using first order finite elements in the forward problem, numerical results are converged to the exact solution with increasing the number of elements. However, increasing the number of elements may cause a critical issue in the ill-posed inverse problem. This paper focuses on applying the high-order finite element method without increasing the number of elements, and image reconstruction is accomplished. The forward problem results are compared with analytical solutions. Images of absorbers reconstructed using this method are presented.
    Keywords: Diffuse optical tomography, forward problem, high-order finite element, Image reconstruction
  • Vahab Nekoukar, Abbas Erfanian Omidvar * Pages 327-336
    One major limitation of walker-supported walking using functional electrical stimulation (FES) in paraplegic subjects is the high energy expenditure and the high upper body effort. Paraplegics should exert high amount of hand force to stabilize the body posture and to compensate lack of the sufficient torques at the lower extremity joints. In this paper, we introduce a 2-D musculoskeletal model of walker-assisted FES-supported walking of paraplegics. Using the developed model and an optimal controller, the stimulation patterns are determined such that the tracking errors of lower joint reference trajectories are minimized and the muscle activations and the handle reaction force (HRF) are reduced. Outputs of the optimal controller are stimulation patterns of the lower body muscles and torque acting on the upper body joints. The results show that the HRF and ground reaction force (GRF) generated by simulation are in agreement with the measured HRF and GRF. Moreover, the results indicate that the simulation-generated stimulation patterns of lower body muscles are in consist with the stimulation patterns reported in the literatures.
    Keywords: Functional electrical stimulation, optimal control, walking, paraplegic, model
  • Hamid Abrishami Moghaddam *, Maryam Momeni, Kamran Kazemi, Reinhard Grebe, Fabrice Wallois Pages 337-360

    Diagnostic follow-up of the brain development during the neonatal period and childhood is an important clinical task. Any disturbance of this process can cause pathological deviations, especially if the baby is born premature. Recent advances in magnetic resonance imaging allow obtaining high-resolution images of the neonatal brain. After segmenting the brains they can be used to reconstruct and model changes occurring during neonatal brain development. In addition such near-realistic model of the head, including the skin, skull and brain can be used to solve the inverse problem of determining the sources of registered signals from electrical brain activity. Although there exist numerous methods and various modeling schemes for adults, these cannot be used directly for neonates due to important differences in morphology. In this review article, neonatal brain atlases are divided into three categories: individual atlases, probabilistic atlases and stochastic atlases. In the following, existing neonatal brain atlases are placed in this classification and their methods of construction are presented. Furthermore, strengths and weaknesses of those neonatal brain atlases are analyzed and finally future research trends in this area are explained.

    Keywords: Neonatal brain atlases, individual atlases, probabilistic atlases, stochastic atlases, Magnetic Resonance Images