شنبه, 03 فروردين 1392 ساعت 22:27

تعیین عمق نهایی هیپنوتیزم با سیگنال الکتروانسفالوگرام

نوشته شده توسط

 تعيين ميزان هوشياري و عمق در بسياري از حالتهاي مغزي نظير خواب، بيهوشي و آگاهي از محيط کاربرد دارد و تاکنون انجام گرفته است. بسياري از شرکتهاي سازنده اتومبيل به دنبال سيستمي مي­گردنند که ميزان هوشياري و آگاهي از محيط را براي راننده تعيين و در صورت کم شدن يا خواب آلودگي اعلام خطر نمايد. در بررسي پديده خواب نيز سيستمهاي تشخيص مراحل خواب با کاربردهاي گوناگون تاکنون پياده سازي شده اند. در مورد پديده بيهوشي نيز محققاني در حال بررسي سيستمهاي تشخيص ميزان بيهوشي و عمق آن مي باشند و ادعا شده است اين سيستمها بصورت تجاري نيز موجود مي باشد. در مورد عمق هاي خواب و بيهوشي علائم کلينيکي و باليني وجود دارد که پزشکان از آنها براي تعيين مراحل عمق استفاده مي کنند. براي مثال در خواب، ايجاد ريتم آلفا در مراحل اوليه بستن چشمها و سپس کاهش اين ريتم و توليد کمپلکس K در مرحله اول خواب و سپس توليد ريتمهاي فرکانس بالا در مرحله REM و در نهايت توليد ريتهاي آهسته در خواب عميق از اين جمله اند.

در هيپنوتيزم تاکنون علامت و يا ريتم خاصي براي عمق هاي چند گانه کرازيلنک گزارش نشده است. افزايش يا کاهشهاي گزارش شده براي ريتمها مشخصه خاص يا منحصر به فرد نيست تا از روي آن عمق موجود در هيپنوتيزم از روي EEG تعيين شود. براي بررسي اين مسئله در پردازش EEG ما داراي معلم نيستيم. در شروع هيپنوتيزم مي دانيم که در حالت هوشياري نرمال هستيم و پس از اتمام القاي هيپنوتيزم نيز با توجه به نمره مقياس که بعدا بدست مي­آيد مي توان گفت که فرد در چه مرحله از هيپنوتيزم مي باشد. در مراحل مياني از ابتدا تا انتها معيار کلينيکي دقيقي براي تعين لحظه اي عمق وجود ندارد و بنابراين داده ها برچسب عمق ندارند. در اينحالت تنها روش قابل استفاده و مفيدي که مي تواند براي بررسي عمق استفاده شود روشهاي خوشه يابي مي باشد.

 

رابطه بين هيپنوتيزم پذيري و عمق هيپنوتيزم

در کارهاي کلينيکي و بنابر تقسيم بندي کراسيلنک عمق هيپنوتيزم داراي چهار مرحله است که اين مراحل بشرح ذيل هستند:

  1. مرحله هيپنوتيزم آلودگي
  2. مرحله خلسه سبك
  3. مرحله خلسه مياني
  4. مرحله خلسه عميق

بيشتر افراد بعد از بستن چشمان بر اثر القا تظاهرات کلينيکي مرحله اول را دارند (لرزش كره چشم، ريلاكس شدن فيزيكي و...) و بنابراين اين مرحله بين افراد مشترک است. افراد با هيپنوتيزم پذيري کم معمولا در خلسه سبک مي مانند و عميق تر نمي شوند. افراد با هيپنوتيزم پذيري متوسط معمولا در خلسه مياني و افراد با هيپنوتيزم پذيري زياد وارد خلسه عميق مي شوند. براي تشخيص عمق چون علامتي يا شاهدي در سيگنال EEG وجود ندارد و فقط از مشاهده کلينيکي شخص استفاده مي شود و بدليل اينکه اين مشاهده در بعضي مراحل مشابه است (مثل ايجاد رخوت که از خلسه سبک شروع مي شود ودر خلسه مياني و عميق نيز وجود دارد) از نمره هيپنوتيزم پذيري شخص براي تعيين عمق هيپنوتيزم استفاده مي شود. افرادي که در عمق بيشتري باشند فعاليتهاي القاشده در هيپنوتيزم را بهتر انجام مي دهند. با توجه به اين محدوديت براي تعيين عمق خلسه در اين قسمت از نمره هيپنوتيزم پذيري افراد استفاده شده است. واضح است که با توجه به نمره، عمق نهايي شخص قابل تعيين است و درباره مراحل مياني و نحوه حرکت دراين مراحل اطلاعاتي قابل حصول نيست.

 

ثبت سيگنال در حالت هيپنوتيزم و داده ها

براي بررسي تغييرات هوشياري و عمق هيپنوتيزم لازم است که سيگنال EEG تحت حالت هيپنوتيزم ثبت شود. براي اينکار مطابق استاندارد استنفورد- واترلو نواري که حدود 45 دقيقه مي باشد و تمام مراحل اين استاندارد را در بر دارد. در اين نوار در حدود 15 دقيقه اول القاي هيپنوتيزم است که به شخص در حالت نرمال هوشياري شروع به دادن القاهايي براي هيپنوتيزم شدن مي کند. پس از اين مرحله اوليه براي تعيين نمره هيپنوتيزم پذيري کارهای مختلفی از فرد خواسته می شود. پس از اتمام، نمره هيپنوتيزم پذيري و عمق هيپنوتيزم شخص از روي ارزيابي انجام اين اعمال تعيين مي­شود. در اين قسمت سيگنال EEG از همه کانالها در تمام مدت 45 دقيقه ثبت شده است.

با توجه به اينکه شخص در فاز اوليه هيپنوتيزم به عمق نهايي ميرود و کارهاي بعدي تاثير زيادي بر عمق ندارند و براي ارزيابي عمق مطرح مي شوند، در پردازشها، از 15 دقيقه ابتدايي سيگنال براي ارزيابي عمق هيپنوتيزم استفاده شده است و با توجه به اينکه براي تمام افراد از نوار استفاده شده است زمان القا براي همه يکسان بوده است. از سيگنال EEG که در 19 کانال ثبت شده است و ويژگي هاي بعد فرکتال با روش هايوچي، 6 باند طيف فرکانسي و همدوسي استخراج شده است.

 

تعيين عمق نهايي با سيگنال

نکته قابل توجه ديگري که مي تواند مورد توجه قرار گيرد اين است که آيا مي توان انتهاي عمق را براي هر شخص تعيين کرد يا خير؟ به عبارت ديگر بعد از مرحله القاي هيپنوتيزم به شخص آيا مي توان عمق هيپنوتيزم(نمره هيپنوتيزم پذيري) را براي شخص تعيين کرد يا خير. براي انجام اين کار از سيگنال ويژگي هاي ذيل استخراج شده است:

  1. بعد فرکتال با روش هايوچي
  2. بعد فرکتال به روش پتروشن
  3. ميانگين ضرايب طيف توان در 6 باند فرکانسي با مدل AR مرتبه 10
  4. طيف نسبي براي 6 باند فرکانسي
  5. پوش ضرايب ويولت در 7 باند فرکانسي با روش wavelet Packet
  6. طيف مرتبه بالا با روش مستقيم در تمام نواحي مشترک 6 باند(21 حالت)
  7. آنتروپي ويولت
  8. همدوسي نيم کره اي
  9. غير يکساني نيم کره هاي بعد فرکتال
  10. بعد فرکتال حذف تغييرات آهسته شده

 

براي ويژگي هاي گفته شده با روش فوق طبقه بندي انجام شده است، خروجي نمره هيپنوتيزم پذيري و در صد تشخيص صحيح نمره بر مبناي 10 نمره اختلاف در نظر گرفته شده است. در استاندارد واترلو- استفورد اين نمره با عمق شخص ارتباط نزديکي دارد.

 

نتايج تعيين عمق نهايي با سيگنال EEG

براي ويژگي هاي گفته شده با روش فوق طبقه بندي انجام شده است و نتايج طبقه بندي به همراه طول پنجره اي بهترين نتيجه را دارد در جدول1 آورده شده است. در اين جدول خروجي نمره هيپنوتيزم پذيري و در صد تشخيص صحيح نمره بر مبناي 10 نمره اختلاف در نظر گرفته شده است. در استاندارد واترلو- استفورد اين نمره با عمق شخص ارتباط نزديکي دارد.

در جدول2 نتايج مربوط به شبکه MLP با ساختارهاي مختلف نشان داده شده است. در اين شبکه داده هاي ورودي به نمره هيپنوتيزم پذيري شخص مرتبط شده اند. عمق (نمره) از روي ميانگين گيري بروي کل داده هاي 900 ثانيه اي شخص بدست آمده است. در اين حالت استفاده از طول کمتر از 900 ثانيه فايده اي ندارد و بنابراين ميانگين گيري در پنجره هايي با طول کمتر انجام نگرفته است. براي بررسي بيشتر اثر روش بدون معلم در تعيين عمق از روش خوشه يابي Kmeans نيزاستفاده شده است. تمام مراحل طبقه بندي و تفکيک مشابه قبل است با اين تفاوت که کار خوشه يابي را بجاي SOM الگوريتم Kmeans  انجام مي دهد. نتايج اين روش از نتايج روش SOM مقداري کمتر و يا در بعضي ويژگي ها مساوي است ولي از روش MLP بيشتر است. اين نشان مي دهد که در حل اين مسئله  روشهاي بدون معلم بهتر از روشهاي با معلم جواب مي دهند.Kmeans  با تعداد مراکزخوشه هاي کمتري نسبت به نرونهاي SOM در عمل جوابگو بوده است که اين شايد بدليل اين است که در SOM نرونها به تنهايي نماينده گروه يا خوشه نيستد.

به نظر امکان بررسي ديناميک سيگنال درطول زمان و مقايسه آن با ديگر افراد در روش  SOMو Kmeans از نقاط قوت اين روشها مي باشد. در روش MLP فقط سعي شده است رابطه اي بين فضاي ويژگي و نمره براي هر فرد برقرار شود که اين نگاشت داراي خطاي زيادي بوده است. بررسي مسير حرکت در فضاي ورودي به نوعي بررسي ديناميک زماني سيگنال نيز مي باشد. بايد دقت داشت که در اين مسئله بردار ورودي در هر زمان ويژگيهاي 19 کانال سيگنال EEG از جمجمه است که شبکه بر اساس توزيع الگوي مکاني سعي در تفکيک حالتهاي مختلف از هم دارد. در شبکه SOM  اين توزيع مکاني در کنار روند تغييرات زماني مورد بررسي قرار گرفته است که در نتيجه از روش MLP کاراتر شده است.

 

نتيجه گيري

در مقايسه با قسمت پيش بيني هيپنوتيزم ويژگي هاي مناسب در اينجا نيز جوابهاي خوبي داده اند. بهترين نتايج مربوط به ويژگيهاي همدوسي، آنتروپي ويولت، بعد فرکتال و طيف توان نسبي است. نتايج اين ويژگي ها بالاي 80 در صد و زير 90% مي باشد(جدول 1). نکته جالب نتايج ويژگي بعد فرکتال حذف تغييرات آهسته شده است که در قسمت قبل نتايج خوبي نداشت ولي در اينجا نتيجه آن بالاي 80% است. دليل اين امر اين است که در اين ويژگي مقدار dc و تمايل سيگنال حذف شده است و در نتيجه تنها ديناميک آن باقيمانده است. در قسمت قبل بدليل طول کم سيگنال، بررسي ديناميک جوابگو نبود ولي در اينجا با توجه به روند تغييرات سيگنال در زمان کار تفکيک انجام مي شود و بنابراين اين ويژگي در نتايج کارا ديده مي شود. نتيجه اين ويژگي خود مويد بررسي ديناميک سيگنال در روش SOM در اين قسمت است.

در مقايسه با نتايج ديگران بايد گفت که تاکنون بجز آقاي ري که سعي در تفکيک افرادLow  و High از روش سيگنال EEG حالت هيپنوتيزم کرده است، بقيه بررسي آماري بروي سيگنالهاي حالت هيپنوتيزم کرده اند و کاهش و افزايش ويژگها در کانالها را در روند هيپنوتيزم شدن بررسي کرده اند. بنابراين تنها مقايسه امکان پذير مقايسه با نتايج آقاي ري مي باشد. ايشان در تحقيق خود از 18 نفر (11 نفر High و 7 نفر Low) استفاده کرده اند و سعي در تفکيک افراد اين دو گروه با روشهاي شبکه عصبي MLP و تفکيک کننده هاي خطي داشته اند. نتايج اين محققان با شبکه عصبي حدود 94% و براي تفکيک خطي 72% بوده است. ويژگي آنها نيز طيف توان و بطور اخص باند تتا بوده است. روش اعتبار سنجي آنها مشابه روش اعمالي براي جدول 5-5 بوده است(يعني سيگنال اصلي به دو مجموعه آزمون و طراحي شکسته شده و سپس با سيگنال طراحي مدل ساخته شده و با سيگنال آزمون مدل اعتبار سنجي شده است). نتايج بالاي اين افراد در مقايسه با نتايج ما يکي بدليل تفکيک دو گروه آنها در مقايسه با اين کار که 3 گروه تفکيک مي شوند است . ديگري در اختلاف در روش اعتبار سنجي مي باشد. در اينجا ما سعي کرده ايم که سيستمي بسازيم که اگر فرد جديدي وارد مي شود نيز بتواند او را شناسايي کتد و نتايج اعتبار سنجي ما با اين روش بوده است در حالي که نتايج آقاي ري بر مبناي بررسي تفکيک پذير بودن سيگنال EEG در دو گروه بوده است(از داده تمام افراد براي ساخت مدل و اعتبار سنجي استفاده شده است).

 

جدول 1: تعيين عمق نهايي هيپنوتيزم بر مبناي نمره هيپنوتيزم پذيري با داده 32 نفربا اعتبار سنجي LOO و با روشSOM وبراي ساختارهاي مختلف. در هرخانه جدول اولين سطر ميانگين و واريانس تخمين نمره هيپنوتيزم پذيري، دومين سطر نتيجه تشخيص بر مبناي 10 نمره اختلاف و سومين سطر طول پنجره مقايسه است.

ويژگي/ساختار

4*4

5*5

6*6

7*7

بعدفرکتال(هايوچي)

9.2+0.35

74.5+4.7

100

8+0.34

78.3+4.3

106

8.4+0.31

77.7+4

104

8.7+0.32

77.5+4.7

100

بعدفرکتال(پتروشن)

9.5+0.34

73+4.3

102

8.7+0.33

77.4+4.6

106

8.9+0.31

76.3+4.3

104

8.8+0.34

77+4.6

102

طيف توان

8.8+0.37

72.3+4.1

16

8+0.36

75.2+4.1

16

7.5+0.32

76.5+3.9

14

7.1+0.35

77.1+4.2

16

طيف توان نسبي

7.4+0.39

79.3+4.2

10

7.4+0.37

79.3+3.9

8

7+0.36

80.7+4.2

8

7.1+0.36

80.5+3.8

8

ويولت

8.9+0.38

70.8+4.5

8

8.3+0.35

74.5+4.7

8

7.8+0.34

77.2+5.1

6

7.5+0.33

78.2+4.1

8

BIS

9.7+0.35

67.6+4.2

6

9+0.38

68.2+4.5

4

8.2+0.36

70.4+4.7

6

8.3+0.35

69.9+4.6

6

آنتروپي ويولت

8.8+0.33

78.4+3.9

16

7.4+0.31

82.9+4.1

16

7.8+0.29

82+4

14

8.1+0.30

81.4+4.7

16

همدوسي

7.5+0.31

80+4

108

6.1+0.34

84.2+3.8

106

7.1+0.30

83.5+3.5

106

6.9+0.34

83.8+4

100

غيريکساني بعد فرکتال به روش هايوچي

11.2+0.35

62.4+4.6

28

10+0.36

63.2+4.5

24

9.5+0.33

64.5+4.7

26

8.9+0.32

65.1+4.8

24

بعد فرکتال حذف تغييرات آهسته شده

8.6+0.36

81.9+3.9

84

6.2+0.33

85.4+3.9

84

6.9+0.34

84.1+4.2

82

6.7+0.35

84.6+4.1

80

متوسط نتايج ساختارها بر روي ويژگيها

8.96

74.02

7.91

76.86

7.91

77.29

7.81

77.51

 

 

جدول 2: تعيين عمق نهايي هيپنوتيزم بر مبناي نمره هيپنوتيزم پذيري با داده 32 نفربا اعتبار سنجي LOO و با روش MLP وبراي ساختارهاي مختلف. در هرخانه جدول اولين سطر ميانگين و واريانس تخمين نمره هيپنوتيزم پذيري و دومين سطر نتيجه تشخيص بر مبناي 10 نمره اختلاف است.

ويژگي/ساختار

1*5*5

1*5*10

10*10

بعدفرکتال(هايوچي)

9.9+0.38

71.8+5.2

9.1+0.40

73.2+5

8.9+0.41

74.5+5.1

بعدفرکتال(پتروشن)

10+0.40

71.5+5.4

9.3+0.41

73.8+5.1

9.1+0.42

73.7+5.2

طيف توان

10.5+0.42

70.2+5.1

9.4+0.43

72.9+5.4

9.1+0.40

73.4+5.6

طيف توان نسبي

9.2+0.41

72.1+5

8.8+0.42

73.8+5.6

8.5+0.39

74.2+5.2

ويولت

9.9+0.44

70.9+5.1

9.5+0.40

71.6+5.3

8.9+0.41

73.1+5

BIS

10.2+0.41

69.1+5.6

9.8+0.45

70.3+5.7

9.5+0.42

72.4+5.4

آنتروپي ويولت

9.2+0.38

73.5+4.9

8.8+0.42

74.4+4.9

8.7+0.41

74.1+4.8

همدوسي

8.7+0.36

77.2+4.8

8.1+0.39

78.4+4.7

8.3+0.39

77.8+4.8

غيريکساني بعد فرکتال به روش هايوچي

12.3+0.37

52.8+5.6

11.5+0.41

55+5.6

10.8+0.39

57.9+5.3

بعد فرکتال حذف تغييرات آهسته شده

11.7+0.38

60.8+5.5

10.9+0.38

62.5+5.5

10.5+0.40

63.2+5.2

متوسط نتايج ساختارها بر روي ويژگيها

10.16

68.99

9.52

70.59

9.23

71.43

 

جدول 3: تعيين عمق نهايي هيپنوتيزم بر مبناي نمره هيپنوتيزم پذيري با داده 32 نفربا اعتبار سنجي LOO و با روشKmeans وبراي ساختارهاي مختلف. در هرخانه جدول اولين سطر ميانگين و واريانس تخمين نمره هيپنوتيزم پذيري، دومين سطر نتيجه تشخيص بر مبناي 10 نمره اختلاف و سومين سطر طول پنجره مقايسه است.

ويژگي/تعداد خوشه

16

18

20

22

بعدفرکتال(هايوچي)

9.5+0.31

74.2+4.9

102

8.8+0.32

76.5+4.5

104

8.1+0.30

78.1+4.2

104

8.3+0.32

77.7+4.7

102

بعدفرکتال(پتروشن)

9.6+0.34

73+4.5

106

8.9+0.31

77.8+4.4

102

9.2+0.33

75.4+4.6

104

9+0.31

76.9+4.2

104

طيف توان

9.1+0.36

70.8+4.3

16

8.4+0.34

73.5+4.2

18

7.9+0.37

75.9+4.4

16

7.7+0.35

76.4+4.5

14

طيف توان نسبي

8.7+0.36

77.4+4.6

12

7.9+0.38

78.7+4.1

10

7.2+0.36

80.3+4.7

8

7.3+0.37

80.1+4.5

10

ويولت

9.3+0.35

69.3+4.6

6

8.8+0.37

73.7+4.9

8

7.6+0.36

77.4+4.6

8

7.6+0.36

77.8+4.8

10

BIS

9.5+0.37

68.9+4.4

6

8.8+0.38

69.9+4.5

4

8.+0.36

71.1+4.9

6

8.2+0.38

70.9+4.9

6

آنتروپي ويولت

9.4+0.35

77.1+4.6

14

8.4+0.37

80.6+4.5

14

8.1+0.36

81.8+4.3

16

8.2+0.37

81.1+4

16

همدوسي

7.8+0.32

79.2+4.6

108

7.1+0.34

82.6+4.2

108

6.3+0.35

84.1+3.9

108

6.8+0.36

83.2+4.1

106

غيريکساني بعد فرکتال به روش هايوچي

10.9+0.34

63.5+4.1

26

9.5+0.31

64.3+4.4

24

9.1+0.33

65.7+4.9

24

8.9+0.36

65.9+4.8

26

بعد فرکتال حذف تغييرات آهسته شده

7.5+0.33

82.4+3.8

80

6.7+0.29

84.1+4.2

82

6.3+0.30

84.9+4.4

84

6.9+0.31

84.1+4.5

80

متوسط نتايج ساختارها بر روي ويژگيها

9.13

73.58

8.33

76.17

7.78

77.47

7.89

77.41