مهندسی پزشکی زیستی
سال:1397 | دوره:12 | شماره:2 |تعداد مقالات:7

ثبت خارج سلولی فعالیت تک نورون های مغزی به عنوان روشی پرطرفدار در تحقیقات حوزه علوم اعصاب و مهندسی توان بخشی عصبی شناخته می شود. این ثبت ها شامل فعالیت همه نورون های اطراف الکترود می شود که برای استفاده بهتر از آن ها باید با روش های طبقه بندی اسپایک به فعالیت تک نورون ها رسید. بر اساس ویژگی های ساختاری نورون مانند درخت دندریتی آن و فاصله و جهت ثابتی که نسبت به الکترود ثبت دارد می توان نتیجه گرفت که شکل اسپایک تولیدی آن منحصر به فرد و ثابت است. با این حال انجام طبقه بندی پتانسیل عمل ها در مقادیر نسبت سیگنال به نویز پایین همواره با چالش هایی همراه است. طبقه بندی اسپایک های نورونی معمولا شامل سه بخش آشکارسازی، استخراج ویژگی و طبقه بندی می شود. در این مقاله روشی بر مبنای بهینه سازی ضرایب ویولت پیوسته در مرحله استخراج ویژگی ها ارایه شد که در مقادیر نسبت سیگنال به نویز پایین نیز کارایی خوبی دارد. در روش پیشنهادی بعد از محاسبه ضرایب ویولت پارامتری شده، با استفاده از معیارهای فاصله اقلیدسی و سطح زیر منحنی مشخصه عملگر گیرنده درطبقه بندی دو گروه، بهترین پارامترها برای افزایش تفکیک پذیری ویژگی ها انتخاب می شوند به طوری که ابتدا مقیاس مناسب با معیار فاصله اقلیدسی پیدا شده و در نهایت انتقال زمانی با معیار دوم انتخاب می شود. در این پژوهش برای خوشه بندی از الگوریتم ساده و در عین حال کارآمد k-means استفاده شده است. برای بررسی و ارزیابی روش پیشنهادی از سه مجموعه داده شبیه سازی شده استفاده گردید که در نه حالت مختلف نسبت سیگنال به نویز و با مدل سازی نویز زمینه از نویز حقیقی ثبت شده تهیه شده بودند. نتایج بهدست آمده از مرتب سازی داده های شبیه سازی شده نشان داد که بهینه سازی پارامترهای تبدیل ویولت پیوسته با روش پیشنهادی می تواند در ارتقای کارایی طبقه بندی اسپایک ها نسبت به روش آنالیز اجزای اصلی موثر واقع شود.

در چند دهه اخیر رابط مغز-رایانه مبتنی بر تصور حرکت به صورت گسترده برای کمک به افراد مبتلا به اختلال حرکتی، مورد توجه قرار گرفته است. مزیت این نوع رابط بعنوان سیستمی درون زاد، عدم نیازبه تحریک خارجی و کنترل طبیعی می باشد. یکی از مشکلات اصلی در کاربردی کردن این سیستم، نیاز به نصب تعداد زیادی الکترود برروی سر است که سبب افزایش هزینه تجهیزات، افزایش حجم محاسبات و همچنین سخت شدن استفاده از آن برای کاربر بخاطر زمانبر بودن نصب الکترودها می شود. تحقیقات اخیر در جهت کاهش تعداد الکترودهای موردنیاز با حفظ کارایی سیستم بوده است. هدف از این پژوهش بررسی ویژگی ها و انتخاب ترکیبی مناسب برای تشخیص تصور حرکت با استفاده از تنها دو کانال (C3وC4) برای ثبت سیگنال مغز بوده است. به این منظور از روش توان باند، پارامترهای حوزه زمان و مدل خودبازگشتی تطبیقی به عنوان ویژگی و از روش شناخته شده و ساده ی آنالیز افتراقی خطی جهت طبقه بندی استفاده شد. نتایج نشان داد که ویژگی های توان باند بیشترین سازگاری و اثربخشی را برای تفکیک دقیق وظایف تصور حرکتی چپ و راست دارند. همچنین الگوریتم پیشنهادی بصورت ترکیب ویژگی توان باند با پارامترهای حوزه زمان و مدل خودبازگشتی تطبیقی سبب بهبود عملکرد طبقه بندی گردید. نتایج روی داده های سومین دوره مسابقات رابط مغز-رایانه توانست جایگاه دوم را بین رقابت کنندگان اصلی مسابقه، با بیشینه STMI برابر 2582/0 به دست آورد. در پردازش نابرخط، وظایف تصور حرکتی دست چپ و راست با صحت متوسط برابر با 85 درصد و کاپای 70 درصد تشخیص داده شد، همچنین نتایج بیانگر انتقال اطلاعات خروجی گسسته 39/0 و پیوسته 45/0 و سطح زیرمنحنی عملیاتی دریافت کننده برابر 91/0 بود. نتایج این مقاله نشان می دهد که ویژگی های جدید، بطور برجسته در هنگام استفاده از ترکیب هر سه دسته ویژگی، به بهبود عملکرد طبقه بندی سیستم واسط مغز-رایانه دو کاناله منجر می شود و ضمن اینکه الگوریتم پیشنهاد یبرای افراد جدید نیز کارآیی قابل مقایسه ای را ارایه کرده است.

اختلال در ارتباطات عملکردی مربوط به شبکه حالت پیش فرض در مراحل اولیه بیماری آلزایمر گزارش شده است. به تازگی، ویژگی غیر ایستانی شبکه های مغزی، با توجه به اینکه ارتباطات عملکردی درون و ما بین این شبکه ها در طول زمان حتی در شرایطی که مغز انسان در حالت استراحت است تغییر می کند، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. بنابراین، برای مطالعه کامل تغییرات ارتباطات عملکردی در بیماری آلزایمر لازم است که تغییرات اساسی الگوی دینامیک آنها نیز بررسی شود. هدف از این مطالعه، بررسی الگوهای ارتباط عملکردی دینامیک درون شبکه حالت پیش فرض در بیماران آلزایمر نسبت به افراد سالم می باشد. در این مطالعه، روشی مبتنی بر رگرسیون منطقی تنک، برای تخمین ماتریس ارتباطات عملکردی از داده های تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی در حالت استراحت 24 بیمار آلزایمری و 37 فرد سالم استفاده می شود. برای تجزیه و تحلیل شبکه ارتباطات عملکردی دینامیک، نمره تغییرات زمانی الگوی عملکردی برای هر ناحیه مغزی تعریف می شود که می تواند چگونگی تغییرات الگوی عملکردی یک ناحیه مغزی در طول زمان با استفاده از ارتباطات عملکردی دینامیک آن ناحیه مغزی را کمی سازی نماید. نتایج مقایسه گروهی نشان می دهد که نمره تغییرات زمانی الگوی عملکردی برخی از مناطق اصلی شبکه حالت پیش فرض مانند قشر قدامی جلویی مغز میانی و قشر تمپورال جانبی در بیماران آلزایمری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. همچنین تجزیه و تحلیل متعارف ارتباطات عملکردی استاتیک نشان می دهد که الگوی ارتباطات عملکردی این نواحی در اثر بیماری آلزایمر مختل می شود. این یافته ها نشان می دهند که نواحی قشر قدامی جلویی مغز میانی و قشر تمپورال جانبی در بیماران آلزایمری احتمالا تمایل به سازماندهی مجدد الگوی عملکردی خود در راستای جبران کاهش کارایی عملکردی به خاطر بیماری آلزایمر دارند.

برای بیماران مبتلا به بیماری های مزمن ریوی، ریه مصنوعی که بطن راست وظیفه پمپاژ جریان خون به سمت آن را دارد، به عنوان پلی به سمت پیوند ریه محسوب می شود. عملکرد این دستگاه با چندین معیار از جمله کارآمدی دستگاه در تبادل گاز، عدم آسیب رسانی به سلول های خونی و امپدانس پایین در مقایسه با ریه طبیعی سنجیده می شود. در این مطالعه، جریان خون غیرنیوتنی حول آرایه هایی از فیبرهای توخالی، به عنوان مدلی از دسته فیبرهای موجود در ریه مصنوعی، به روش اجزای محدود، مبتنی بر متد گلرکین، بررسی عددی شد. دو نوع آرایش مربعی و قطری برای فیبرها درنظر گرفته شد تا اثر آرایش، ضمن بررسی اثر سرعت ورودی، برروی توزیع جریان، تنش برشی و غلظت اکسیژن تبادل شده بین سطح فیبرها و جریان خون بررسی شود. مشاهده شد که سرعت جریان و تنش برشی در آرایش قطری به مراتب بیشتر از آرایش مربعی است؛ به نحوی که برای بیشینه سرعت مورد بررسی (cm/s 87 /10) تنش برشی روی فیبرها در آرایش قطری حدود 5/3 برابر مقدار آن در آرایش مربعی است. همچنین، بین نتایج این تحلیل با نتایج مطالعات دیگری که در آنها از تبادل اکسیژن صرف نظر شده بود، اختلاف قابل توجهی دیده شد که مبین اهمیت مدل سازی تبادل گاز است. به عنوان ملاک کارآمدی دستگاه، از دید تبادل گاز، میزان دبی جرمی اکسیژن در خروجی دامنه حل مورد بررسی قرار گرفت. براین اساس، آرایش قطری در تبادل اکسیژن بسیار کارآمدتر است. اما، افت فشار بیشتری در عبور از دسته فیبرها، برای آرایش قطری نسبت به آرایش مربعی مشاهده شد. نتایج این شبیه سازی می تواند نقطه شروع مناسبی برای طراحی بهینه ریه مصنوعی باشد و در طراحی بهینه آزمایش های کلینیکی موثر واقع شود.

سرطان پستان دومین عامل مرگ زنان در جهان است. این بیماری هر چه زودتر تشخیص داده شود، احتمال موفقیت درمان آن بیشتر خواهد بود. امروزه بدلیل مشکلات تصویربرداری ماموگرافی، استفاده از تصاویر فراصوت برای تشخیص سرطان پستان در حال افزایش است. یکی از انواع سامانه های تصویر برداری پستان، ABUS است. این نوع تصویربرداری دارای مزایای زیادی نسبت به ماموگرافی و سایر روش های تصویربرداری فراصوت است. طراحی یک سامانه تشخیص به کمک کامپیوتر برای تحلیل تصاویر فراصوت در کنار رایج شدن این نوع تصویربرداری ضروری است. این سامانه ها معمولا دارای چهار بخش پیش پردازش، قطعه بندی، استخراج ویژگی و دسته بندی هستند. افزایش دقت قطعه بندی باعث افزایش دقت در کل سامانه می شود. در پژوهش های قبلی از روش های پویش حلزونی و کانتور فعال برای قطعه بندی توده ها در تصاویر سه بعدی استفاده شده است. در سال های اخیر استفاده محققان از یادگیری ژرف در زمینه های مختلف منجر به کسب نتایج قابل توجهی که با روش های سنتی پیشین ممکن نبود، شده است. در این پژوهش با استفاده از یک شبکه عصبی ژرف که از معماری U-net 3Dبهره می برد توده های سرطانی در تصاویر ABUS قطعه بندی شده اند. در این روش جهت بهبود عملکرد شبکه از رویکردی جدید برای پس پردازش استفاده شده است. مجموعه دادگان مورد استفاده از 32 بیمار جمع آوری شده است و شامل 50 توده ( 38 توده بدخیم و 12 توده خوش خیم) است. برای ارزیابی دقت قطعه بندی از معیار ضریب Dice استفاده شده است. میانگین دقت به دست آمده روی مجموعه دادگان مورد استفاده در این پژوهش 77/0 است.

در این مقاله، طراحی و شبیه سازی یک کنترل کننده دیجیتال قابل استفاده در یک سیستم تحریک الکتریکی قابل کاشت در مغز ارائه شده است. کنترل کننده دیجیتال ارائه شده در این مقاله دارای قابلیت تولید پالس های تحریک مربعی با امکان برنامه ریزی مقادیر عرض پالس، دامنه پالس، تک فازی یا دو فازی بودن آن و تقدم فاز کاتدی بر آندی یا بالعکس در صورت دو فازی بودن آن می باشد. همچنین امکان کنترل 16 سایت تحریک و تحریک چهار تا از آنها به طور هم زمان در این سیستم فراهم است. عرض پالس-های تحریک بین چهار میکرو ثانیه تا چهار میلی ثانیه و فاصله میان دو فاز، بین چهار میکرو ثانیه تا 512 میکرو ثانیه قابل برنامه ریزی است. همچنین، دامنه پالس ها می تواند مقادیری بین چهار میکرو آمپر تا یک میلی آمپر را اختیار کند. کنترل هر چهار سایت از 16 سایت موجود، توسط یک واحد تحریک کننده محلی (LDC) صورت می گیرد که داده های خود را از واحد کنترل کننده سراسری (GDC) دریافت می نماید. صحت عملکرد کدهای VHDL مدار طراحی شده ابتدا بر روی یک برد FPGA بررسی و سپس تراشه ASIC آن با تکنولوژی CMOS 0. 18 μ m جانمایی گشته است. ابعاد هر یک از بخش های تحریک کننده محلی در تراشه طراحی شده برابر با 160/19 میکرومتر مربع و ابعاد بخش تحریک کننده سراسری برابر با 246/4 میکرومتر مربع می باشد. همچنین توان مصرفی بخش-های کنترل کننده های محلی و سراسری به ترتیب عبارت است از 12 و 2/8 میکرو وات. به منظور سهولت در ارسال پارامترهای سیگنالهای تحریک توسط کاربر، یک واسط گرافیکی در محیط نرم افزار MATLAB طراحی شده است، که با ارسال متناوب دستور تولید پالس توسط آن می توان فرکانس پالس ها و یا تعداد و فاصله آنها را در یک قطار پالس تحریکی برنامه ریزی کرد.

پتانسیل برانگیخته ی حالت ماندگار حس های تنی (SSSEP) یکی از سیگنال های کنترلی برای رابط های مغز-رایانه (BCI) است که مبتنی بر انعکاس تحریک لرزشی پوست با فرکانس های مشخص در سیگنال های مغزی است. سیستم های BCI مبتنی بر SSSEP در مقایسه با سیستم های BCI مبتنی بر تحریک بینایی، خستگی بینایی ایجاد نمی کنند و به ویژه در بیمارهای با سندروم قفل شدگی یا اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) می توانند مورد استفاده قرار گیرند. تاکنون مطالعات کمی در زمینه ی SSSEP و کاربردهای آن در سیستم های BCI صورت گرفته که دلیل آن چالش برانگیز بودن پیاده سا زی سخت افزار این سیستم است. در این مقاله یک دستگاه ایجاد کننده ی تحریک لرزشی مبتنی بر عملگر موتور لرزشی پیشنهاد و ساخته شده است. این دستگاه دارای دو کانال خروجی مجزا برای اعمال تحریک لرزشی به دو نقطه ی متفاوت بدن است. فرکانس خروجی هر کانال در بازه ی 35-15 هرتز با گام یک هرتز تنظیم پذیر هستند. برای جلوگیری از انتشار نویز الکترومغناطیس، عملگرهای لرزشی و تمامی اجزای دستگاه، شیلد شده اند.