مهندسی پزشکی زیستی
سال:1397 | دوره:12 | شماره:4 |تعداد مقالات:7

تطبیق لکه های پروتئینی در تصاویر الکتروفورز ژل دو بعدی (2DGE) یکی از فرآیندهای اصلی در تحلیل این تصاویر است. به دلیل چالش های موجود در تصاویر 2DGE همچون حضور نویز و آرتیفکت، تطبیق لکه های پروتئینی تحت نظارت کاربران انجام می گیرد که این نظارت موجب ایجاد خطای انسانی می گردد. ازاین رو در این تحقیق، الگوریتمی جدید و خودکار برای تطبیق لکه های پروتئینی، مبتنی بر مدل های احتمالاتی ارایه شده است. به دلیل پیچیدگی مدل احتمالاتی پیشنهادی، برای حل روابط آن روش بیز وردشی بکارگرفته شده است. عملکرد الگوریتم پیشنهادی به کمک معیارهایی آماری بر روی مجموعه تصاویر واقعی و مصنوعی تهیه شده در این تحقیق مورد ارزیابی قرار گرفته است. براین اساس، لکه های پروتئینی توسط الگوریتم پیشنهادی در تصاویر واقعی با خطای زاویه ای 05/0 رادیان و خطای نقطه ی پایانی 46/1 پیکسل و در تصاویر مصنوعی با خطای زاویه ای 13/0 رادیان و خطای نقطه ی پایانی 90/0 پیکسل تطبیق داده شده اند. این نتایج نشان دهنده دقت و کارآیی بالاتر و خطای تطبیق پایین تر الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با دیگر روش های مورد بررسی می باشند.

آشکارسازی اسپایک های عصبی اولین گام برای تجزیه و تحلیل پتانسیل عمل واحدهای نورونی در ثبت خارج سلولی است. وجود نویز پس زمینه درثبت های خارج سلولی که عمدتا از جمع آثار پتانسیل عمل واحد های نورونی دورتر از منطقه ثبت ناشی می شود در بسیاری از اوقات آشکارسازی و تشخیص اسپایک های عصبی کم دامنه را دشوار می سازد. تاکنون محققین زیادی به این امر پرداخته اند و برای حل این مشکل الگوریتم های زیادی پیشنهاد شده است. در این مقاله ما یک الگوریتم خودکار برای آشکارسازی اسپایک های عصبی درسیگنال ثبت خارج سلولی آغشته به نویز پس زمینه ارائه کرده ایم. این الگوریتم از چهار مرحله تشکیل شده است: 1-فیلتر کردن میان گذر و استفاده از فیلتر بالاگذر تفاضلی، 2-اعمال فیلتر غیرخطی انرژی شانون، 3-تبدیل هیلبرت و 4-آستانه گذاری بر روی سیگنال حاصله. روش پیشنهادی با پنج روش شناخته شده در تشخیص اسپایک مقایسه شده است. این مقایسه را بر روی دو مجموعه داده ی شبیه سازی شده و یک مجموعه داده ی واقعی انجام داده ایم. نتایج نشانگر برتری روش پیشنهادی برای داده های شبیه سازی شده نسبت به سایر روش ها بوده که نشانگر مقاوم بودن الگوریتم پیشنهادی نسبت به نویز است. ضمنا برای داده ی واقعی، روش پیشنهادشده رتبه دوم را در میان کل روش ها دارا بوده است. استفاده از فیلتر غیرخطی انرژی شانون می تواند راه موثری برای تشخیص اسپایک های عصبی در سیگنال ثبت خارج سلولی آغشته به نویز به دست دهد.

سیستم های گردش خون مصنوعی نقش غیر قابل انکاری در تست و توسعه دستگاه های کمک بطنی، دریچه های قلبی، قلب های مصنوعی، ریه های مصنوعی، پیوند عروق و پمپ های بالنی داخل آئورتی دارند. همچنین در مهندسی بافت دریچه های قلبی و دیگر مطالعات مرتبط با سیستم قلب و عروق نیز می توان از سیستم های گردش خون مصنوعی بهره برد. یکی از ارکان اصلی این سیستم ها تولید جریان پالسی شبیه پالس جریان خون خروجی قلب می باشد که توسط پمپ پالسی تولید می شود. در این پژوهش یک سیستم گردش خون مصنوعی با قابلیت شبیه سازی فشار و جریان فیزیولوژیکی بدن انسان در حالت سالم و بیمار طراحی و ساخته شده است. در این سیستم تولید پالس فشار و جریان، بر عهده ی یک پمپ پالسی با قابلیت برنامه نویسی و تغییر الگوی حرکتی برای شبیه سازی بطن چپ می باشد که بعد از طراحی در نرم افزار سالیدوورک جهت استفاده در سیستم گردش خون مصنوعی ساخته شد. برای بررسی عملکرد سیستم، آزمایش های متعددی با مقادیر کمپلیانس شریانی و مقاومت محیطی متفاوت و تغییر الگوی حرکتی موتور پله ای، انجام شده است. نتایج حاصل از این آزمایش ها نشان می دهند تغییر الگوی حرکتی موتور پله ای از سرعت ثابت به سرعت متغییر و کنترل آن در یک سیکل (360 درجه) و همچنین با تغییر در مقادیر کمپلیانس شریانی و مقاومت محیطی می توان شکل موج های فشار و جریان فیزیولوژیک را تولید کرد. نتایج حاصل، عملکرد مورد قبول این سیستم را در شبیه سازی شرایط فیزیولوژیکی تایید می کنند. سیستم طراحی شده قابلیت نرم افزاری برای تولید شکل پالس های جریان متفاوت را دارا می باشد. لذا از این سیستم علاوه بر کاربردهای ذکر شده، در آزمایشگاه های سیالات زیستی و حتی برای بیوراکتورهای کشت سلولی و. . . نیز می توان استفاده کرد.

در حین فرایند بینایی، اطلاعات تولید شده توسط گیرنده های نوری استوانه ای و مخروطی پس از فشرده شدن در شبکیه، توسط سه مسیر جداگانه ی سلول های عقده ای به نام های مگنو، پاروو، و کونیو به مراکز پردازشی سطح بالاتر ارسال می شوند. شواهد مبتنی بر الکتروفیزیولوژی و سایکوفیزیک حاکی از آن است که این مسیرهای سه گانه، الگوهای خاصی از تخریب عملکردی را در بیماری اسکلروز چندگانه (MS) نشان می دهند. اگرچه fMRI می تواند مکانیابی دقیق فعالیت عصبی را در این مسیرها فراهم آورد، تاکنون هیچ مطالعه ای با استفاده از fMRI بر روی تخریب عملکرد این مسیرها در بیماران MS انجام نشده است. در این پژوهش به بررسی اختلالات ایجاد شده در عملکرد این مسیرها در بیماران MS پرداختیم. برای این منظور، سه محرک بینایی متفاوت با فرکانس های مکانی و زمانی خاص برای تحریک اختصاصی این سه مسیر تولید کردیم. این محرک ها به وسیله ی پرو^ک^~توری کالیبره شده که در خارج از اتاق اسکنر MRI قرار داشت، به فرد داخل اسکنر نشان داده می شد. با استفاده از یک پروتکل استاندارد، از دو گروه سالم و مبتلا به MS (هر گروه شامل 5 نفر) تصویربرداری fMRI انجام شد. در نهایت، پاسخ های به دست آمده در قشر بینایی و ناحیه ی هسته ی زانویی جانبی (LGN) به طور درون گروهی و برون گروهی مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج حاصله نشانگر الگوهایی از تخریب عملکردی در قشر بینایی و LGN در گروه MS بود. همچنین، از میان سه مسیر بینایی مگنو، پاروو، و کونیو در LGN، تنها در مسیر سلولی مگنو تخریب معنی دار عملکردی در بیماران MS مشاهده شد.

آندوسکوپی به کمک کپسول بیسیم یکی ازروش های غیر تهاجمی آسیب شناسی مسیر گوارشی انسان بشمار می رود که طی پیشروی کپسول در مسیر گوارشی با تصویربرداری از آن، ویدیوی آندوسکوپی ضبط می شود. در عمل حجم وسیعی از ویدیوهای آندوسکوپی با کیفیت های مختلف و زمان تصویربرداری طولانی از مسیر گوارشی اخذ می شود که این زمان به طور تقریبی 8 ساعت است و زمان بازنگری ویدیوی آندوسکوپی توسط پزشک متخصص مجرب حدود 2 ساعت و بیشتر به طول می انجامد. روش های خلاصه سازی ویدیو می توانند زمان بازنگری توسط پزشک و خطاهای تفسیر و بازنگری دستی توسط پزشک را کاهش دهند. در این پژوهش برای غلبه بر محدودیت های موجود در استخراج فریم های کلیدی روشی مبتنی بر بینایی ماشین به کمک خصوصیات منحصر بفرد تجزیه به مقادیر تکین انطباقی مبتنی بر پنجره لغزشی پیشنهاد می شود. با استفاده از این ویژگی ها قادریم که ویدیوی کپسول اندوسکوپی را خلاصه سازی کنیم. علاوه بر این به دلیل محدودیت های حجم و توان کپسول آندوسکوپی و فیزیک مسیرگوارشی، تصاویر کپسول دارای روشنایی پایین و غیر یکنواخت هستند که برای حل این مشکل از فیلتر انتشار تطبیقی استفاده می شود. نتایج آزمایشی بر روی کپسول بیسیم نشان می دهد که کاهش قابل ملاحظه ای در زمان بازنگری امکان پذیر است. ارزیابی های کمی و کیفی حاکی از خلاصه سازی موثر با استفاده از روش پیشنهادی هست که می تواند برای سایر کاربردهای بالینی از قبیل آموزش پزشکان جوان، آسیب شناسی به کمک کامپیوتر، تصمیم گیری سریع و مدیریت اطلاعات پزشکی مفید واقع شود.

تعادل، یکی از فاکتورهای حیاتی در بسیاری از فعالیت­ های روزمره، مانند حرکت می باشد. ایستادن روی یک صفحه­ ی ناپایدار، به تلاش مستمر و تقویت سیستم عصبی-اسکلتی نیازمند است. درگیری شناختی و اغتشاش سطح اتکا در ایستادن، از عوامل موثر بر از دست دادن تعادل هستند. هدف از انجام این مطالعه، بررسی توانایی تامین پایداری افراد در هنگام ایستادن در سطوح مختلف فیزیکی و شناختی می باشد. بدین منظور، دوازده زن جوان و سالم برای شرکت در شش حالت از آزمون (سه حالت سطح اتکا در دو حالت درگیری شناختی) انتخاب شدند. سه حالت سطح اتکا، شامل ایستادن روی سطح صاف زمین، ایستادن روی یک صفحه­ ی ناپایدار با حمایت فنر و ایستادن روی یک صفحه­ ی ناپایدار بدون حمایت فنر، می باشد. درگیری شناختی نیز در دو سطح، با سوال توجه پایدار و بدون آن، از طریق نمایش روی پرده و پاسخ­ دهی با کلیدهای بله/خیر صورت گرفت. از روش تحلیل حرکت به وسیله­ ی یک دوربین با سرعت بالا و نشان گرهای فعال در صفحه­ ی سهمی، برای اندازه­ گیری زوایای مفصلی استفاده شد. برای بررسی کمی پایداری، معیارهای خطی (مانند طول مسیر و جذر میانگین مربعی) و معیارهای غیرخطی (مانند بی­ نظمی تقریبی و بعد فراکتالی) محاسبه شدند. نتایج به دست آمده نشان دادند که در بررسی سازوکار مفاصل، در راستای تامین پایداری، مچ پا، در سطحی بالاتر از دو مفصل زانو و ران، تاثیرگذار می­ باشد. صرفا بی­ نظمی تقریبی، به تفاوت معنی­ داری بین سطوح مختلف دشواری فیزیکی، منتهی شده است. هم چنین، هم کاری بین مفاصل در دشواری متوسط سطح اتکا (صفحه­ ی ناپایدار با حمایت فنر) بیش تر مشاهده شد. عدم تطابق میزان دشواری بین آزمون­ های فیزیکی و شناختی، منجر به کم رنگ شدن نقش سوال­ های شناختی در این آزمایش شده است. از این رو، برای بروز اثر درگیری شناختی در ایستادن، باید بین دشواری وظیفه­ ی فیزیکی و شناختی، تناسبی برقرار باشد.

سرطان پروستات به عنوان یکی از مهم ترین بیماری های مردان شناخته می شود که تشخیص زودهنگام و به موقع درجه ی آن، به روند درمان و جلوگیری از سرایت به سایر بافت ها کمک شایانی خواهد کرد. به منظور تعیین درجه ی بیماری، نمونه برداری از بافت انجام شده و با بررسی ساختار پاتولوژی، نوع درجه تعیین می گردد. در جدیدترین نوع دسته بندی، بافت پروستات به پنج درجه تقسیم بندی می شود که درجه ی یک، خوش خیم ترین حالت و درجه ی پنج، نشان دهنده ی وخیم ترین درجه است. با توجه به زمان بر بودن طبقه بندی توسط انسان و رشد فناوری هوش مصنوعی، اخیرا این طبقه بندی ها توسط الگوریتم های هوشمند مختلفی انجام می شود. اگرچه امروزه روش های توان مندی به منظور توصیف و طبقه بندی تصاویر ابداع شده، اما وجود فاصله ی معنایی میان ادراک بینایی انسان و ویژگی های سطح پایین استخراج شده توسط الگوریتم ها، مهم ترین چالش برای دست یابی به دقت مطلوب شمرده می شود. در این مقاله، روش جدیدی با ترکیب ویژگی های آماری بافت تصویر و ویژگی های عمیق استخراج شده توسط شبکه ی عصبی کانولوشن عمیق ارائه می شود که در آن، استفاده از شبکه عصبی کانولوشن عمیق باعث حصول ویژگی هایی سطح بالا و عمیق از تصاویر پاتولوژی شده و با ترکیب آنان با ویژگی های آماری بافت، دقت طبقه بندی افزایش می یابد. به منظور ارزیابی، روش پیشنهادی بر روی پایگاه داده ی جامعه ی بین المللی آسیب شناسی اورولوژی، اعمال شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که روش پیشنهادی، به دقت بیشتری نسبت به سایر روش های مرسوم برای طبقه بندی تصاویر پاتولوژی دست یافته است.