选择最优算法的实时估计β频带能量在DBS外科手术患者的帕金森病

文摘

脑深部电刺激(DBS)是一种外科手术治疗患者的运动障碍的帕金森病(PD)。DBS涉及的应用控制电刺激大脑结构。电极的植入DBS是由一个微创立体定向手术,神经影像学和微电极记录(MER)是用于定位目标大脑结构。底丘脑核(STN)通常是选择刺激电极的植入DBS疗法。在手术,术中执行验证定位STN的背外侧区。PD患者显示出高功率的乐队(13赫兹至35赫兹频率)MER信号,主要在STN的背外侧区。在这个工作中,不同的功率谱密度方法进行了分析,目的是选择一个最小化计算时间用于实时在DBS外科手术。尤其是,三个非参数和参数方法的结果比较,每个都有不同的参数。得出最优方法来执行实时光谱β区间估计与汉明窗MER信号是韦尔奇的1.5秒和50%重叠。

1。介绍

帕金森病(PD)是一种常见的神经退行性疾病。许多成功的药物治疗方法和策略开发治疗PD的电机和nonmotor表现。然而,随着PD的发展,往往很难治疗,通常因为电动机的并发症。在这些情况下,脑深部电刺激(DBS)是用于治疗帕金森病的治疗。最近,星展银行也被用于早期PD (1]。

DBS涉及的应用控制电刺激对于一个给定的大脑结构通过植入刺激电极。电极的植入DBS是由一个微创立体定向手术,神经影像学和微电极记录(MER)是用于定位目标大脑结构(图1)。

神经影像学研究,计算机断层扫描(CT)和磁共振影像(MRI),用于手术植入网站的规划和验证。MER获得通过记录神经元电活动期间使用微脑电图技术植入手术和使用它们进行术中验证的电极位置。MER信号记录在手术过程中所产生的各种信号的总和几个神经过程和元素。细胞外活动被MER可分为三类:局部场潜在的(联赛)< 300 Hz,多部件活动(邮件用户代理)> 300赫兹,和单机制活动。

对于PD,丘脑核(STN)经常被选为目标大脑结构(图1)[2]。在植入手术,术中执行验证定位STN的背外侧区(图1)。对于这些验证,使用MER的时序特征。为了定位STN, MER信号直观地分析并试图识别电极的位置位于每一刻的植入手术。这种验证方法需要一个训练有素的医疗团队。

一些研究人员([3- - - - - -5)表明,STN MER的人类与PD揭示了高功率乐队(13赫兹之间的频率和35赫兹),主要分布在皮层下核背外侧区。此外,这是同一地区为PD患者提供最佳的疗效进行DBS在STN (4]。因此,研究进行了获取频率信息,这可能是有价值的定位电极植入网站(6]。执行信号处理在手术室检索频率信息意味着有一个互补与当前使用的工具,提供的医疗团队更多信息选择最好的刺激。

从数学的角度来看,为了能够从MER检索频率信息,并且由于信号是随机的,其中只有一段是可用的,必须考虑功率谱的估计(7]。有不同的功率谱密度(PSD)的方法估计的随机信号。在文献中,韦尔奇的算法1 s汉明窗和50%重叠主要是用作PSD MER信号的估计方法([5,8- - - - - -12])。

然而,对于带功率实时检测在DBS外科手术,有必要探索算法最小化PSD计算时间。在这个工作中,不同的PSD方法进行了分析与选择的目的,允许的计算乐队的力量MER实时信号在DBS电极植入手术。部分2描述了使用的数据来自患者植入大脑刺激器和它细节信号处理方法。部分3描述结果。最后,讨论和结论部分4和5,分别。

2。材料和方法

2.1。病人和数据收集

在这项研究中,MER录音从双边手术进行PD患者9日接受刺激电极的植入DBS STN的使用。手术干预发生在拉菲医院,西班牙的瓦伦西亚。

“MicroGuide”系统的录音了(AlphaOmega工程、拿撒勒、以色列)。是通过polyamide-coated钨微电极记录下来的神经生理学活动(αω)。信号被放大10000倍,它过滤了200和6000赫兹之间的带通滤波器,使用四阶巴特沃斯滤波器的低截止频率和二阶高截止频率。采样频率是12 kHz,使用了一个12位模拟/数字转换器。

过滤的录音高通滤波器截止频率在200赫兹意味着这些信号是邮件用户代理而不是联赛。然而,这种选择的过滤器,有助于避免电噪音的录音在手术室5]。尽管记录不包括低频信号乐队,部分3所示。2描述了该方法用于分析乐队。

在电极植入手术,两个平行的即在每个大脑半球被搬到小的离散步骤0.2毫米从8毫米以上计算目标(背外侧STN的中心)。在每个深度记录时间变量(0.43秒和278.92秒之间)。在这项研究中进行的(6)认为,当使用功率谱密度对STN检测、记录不得少于1秒。出于这个原因,记录短于1 s被丢弃。因此,记录时间1.56秒和278.92秒之间平均值为48.54,标准差为26.94年代。

2.2。信号处理

信号处理和数据分析与MATLAB软件进行V8.5 R2015a (Mathworks,纳蒂克,妈,美国)使用信号处理工具箱。比较不同的谱估计的结果研究,使用MATLAB进行统计分析统计工具箱。

2.2.1。信号的稳定性

据其他作者([5,6,8]),由于手术电极头运动和/或神经病变,有必要从MER选择最稳定的部分记录在每个深度。

评估信号稳定、战略概述(5)之后,但均方根计算之前添加一个能量阈值条件。

首先,信号值的模量超过150μV取而代之的是零(60的动作电位有典型值μV,可能达到100μV (9),但有长部分的信号在一些特别不稳定的高能录音)。然后,每个信号分为连续的50毫秒,每个段的均方根计算。信号的一部分被认为是稳定当RMS值的所有部分满足以下条件: SD在哪里的标准差RMS的50毫秒的信号。

这种稳定性分析拒绝罕见的事件,如故障(虚假的电子信号峰值所引起的电能)或细胞损伤,但不拒绝振荡活动大于1赫兹(5]。最长的每个信号的稳定部分选择继续分析,丢弃剩余的录音。

2.2.2。整流和滤波

MER信号叠加产生的多个电源对应几个神经过程。自从收购了与高通网络滤波器截止频率在200赫兹,这项工作邮件用户代理信号使用的信号;也就是说,它们是由后台活动,从神经元动作电位接近记录电极。

由于这种收购战略,不可能执行直接范围低于200赫兹频率分析,这是本研究的兴趣(带频率:13赫兹35赫兹)。

在[13),结果表明,MER信号获得使用高通滤波器可以恢复其通过提取低频振荡组件的信封,因为有一个低频调制在高频信号的振幅(邮件用户代理)。为了执行频率分析在低频率范围,这种调制信息需要检索。

在这项研究中,提出的策略(13)之后。低频信封可以计算出一个两步过程:提取信号的瞬时功率的绝对值运算符使用低通滤波器和平滑。此外,包络信号的均值减去,考虑到一些信号的功率谱估计方法假设为零的意思。一个非零意味着信号的功率谱零频率脉冲;如果意思是相对较大的,可能掩盖了组件低振幅、低频率的频谱。尽管估计不是一个精确值,去除均值提供更好的估计,尤其是对低频率(7]。

总结,获得信封,这些步骤是:(我)全波整流:每个信号样本的绝对值。(2)提取的意思。(3)平滑得到信封:第四阶巴特沃斯低通滤波器:截止频率在100赫兹。

2.3。功率谱估计

在研究MER的力量获得信号([5,8- - - - - -12]),有一个系统使用韦尔奇的方法1 s汉明窗和50%重叠。然而,为了能够做一个在植入手术,术中验证电极位置带实时功率检测必须达到,即短时间成为可能。因此,有必要探索算法最小化PSD计算时间。

在这个工作中,不同的PSD方法进行了分析与选择的目的,允许的计算乐队的力量MER实时信号在DBS电极植入手术。

首先,它是决定比较不同的功率谱估计方法以识别其他的方法也可以使用。为此,用不同的方法进行谱估计后,进行统计分析,找到他们之间的显著差异。然后计算时间的一些方法进行了比较。

在所有谱估计,参数调整,以达到0.1赫兹的频率分辨率。

2.3.1。非参数估计方法

功率谱的非参数方法估计只基于可用的数据,不做任何假设的系统生成。由于分析信号特征,似乎适合使用这样一种评估方法。

在这项研究中,三个分析了PSD估计的非参数方法,如下所述。

周期图。这是最基本的非参数方法基于傅里叶变换的计算。根据定义,周期图不一致的估计量(7]。因此,尽管实际的频谱信号是未知的,它可以假定这个估计不方便。然而,因为它是其他方法的基础上,它是决定评价结果。

韦尔奇的方法。将录音分成段计算周期图之前减少了估计方差。此外,这些片段的长度影响的频率分辨率估计(14]。韦尔奇的方法是基于这个过程:重叠的部分可以增加部分(减少方差)没有减少它的长度为了不失去决议。如果段短,估计方差更糟的决议,但更好(更少)。

在这项研究中,三个不同的窗口大小比较的结果,总是50%的重叠:(我)0.5秒的汉明窗。(2)秒的汉明窗。这是最常用的窗口长度的参考书目。(3)1.5秒的汉明窗。

多窗口方法。这种方法减少方差使用不同的窗户但是所有具有相同长度的信号7]。因为长度不是减少,使用获得的总偏差小于信号段。时间带宽(西北)参数平衡这个估计分辨率和方差。当NW增加时,方差减少,但每个估计具有较高的频谱泄漏和由此产生的谱估计有更多的偏见。

使用这种方法,有必要定义一组使用的windows和NW参数,这是有关窗户的数量。在这部作品中,离散长窗户,汤森提出的,总是使用。为了选择西北值,值中使用的参考书目([15,16)考虑在内,典型值是2和6之间。是决定分析结果的估计量与典型的极端值的西北。因此,多窗口的方法进行了分析与NW = 2和NW = 6。

2.3.2。参数估计方法

尽管MER信号特征似乎并没有被一个简单的参数模型描述为他们来自一个系统的复杂性,一个自回归模型(AR)决定。

的AR模型提供了一个平衡的偏差和方差(17]。小订单,光谱可能不是估计(大偏差),但它会减少方差。大订单,频谱将表现出更低的偏见但可能有很大的差异。

AR模型与伯格系数。伯格的AR模型系数计算的方法选择。关于模型的秩序,这是决定比较两个不同订单的AR模型。两个订单是选择在其他的研究中使用的值的边缘([18,19])。然后估计使用AR模型功率谱,4日订单,和AR模型,15日的顺序。

2.4。谱估计的统计比较

进行统计分析比较不同的谱估计的结果进行了研究。为此,所有的信号来自于28日轨迹被使用(每个轨迹包含几个信号,每个不同的记录深度)。总共有1010信号。

以来几乎没有样品和样本的分布是未知的,这是决定使用弗里德曼的非参数方法。这个测试应用于两个矩阵。在这两种情况下,每一列代表一种功率谱估计的方法,每一行代表一个信号,这是记录在一个特定的深度,与一个特定的微电极,在一个特定的半球,在一个特定的病人。

在一个输入矩阵,矩阵的每个元素包含平均水平乐队的力量。在其他情况下,而不是填充矩阵与权力的价值观,这是完成的频率值乐队的最高权力。

获得的意义价值对比两种方法,一种特别的方法为多个比较,基于Tukey-Kramer标准,使用。水平的意义= 0.05;也就是说,置信区间为95%。

2.5。计算成本的比较

因为这个工作的最终目标是将这些评估方法应用到一个术中植入刺激电极的验证最优位置,有必要信号实时处理。因此,处理速度是一个重要的因素要考虑。

4的计算时间的估计相比,使用电脑的英特尔®™核心i7 - 6700总部处理器,16 GB SDRAM DDR3L、和运行64位Windows 10家。选择的计算方法计算成本是那些更适合计算的谱估计。

3所示。结果

3.1。稳定性分析

稳定性分析的一个例子是图所示2。在这种情况下,大量增加在第二18原始信号的振幅可以观察到。这部分被认为是虚假的算法由于其均方根值大于上部稳定阈值如上所述。

应用这种稳定性分析的结果对所有轨迹,从他们每个人得到稳定的部分。稳定的信号的长度为21.08±12.18,最小和最大值的1.55和102.11年代,分别。

3.2。整流和滤波

获得的低频信号,调节高频MER录音,之前解释的方法应用在稳定的信号。

由于全波整流,只有积极的信号值。然而,信号的均值然后减去一些样品可能负值。后续过滤,四阶巴特沃斯低通滤波器截止频率在100赫兹软化信号,消除一些原始的山峰。一个这样的例子如图处理3。

3.3。功率谱估计方法的比较

以来的实际光谱信号是未知的,结果只能是评估通过比较获得的估计的方法。的偏见,估计不能没有知识的实际光谱,但变化的差异的不同方法或与不同的参数可以看到相同的方法。鉴于在研究MER的力量获得信号([5,8- - - - - -12]),有一个系统使用韦尔奇的方法1 s汉明窗和50%重叠;该方法在这项研究是作为一个参考。

这种比较的目的是识别其他的方法也可以用于该应用程序。

3.3.1。定性的比较

为了执行一个定性比较,功率谱估计的一个信号,与不同的方法计算,如图4。我们的目标是做一个视觉比较,将有助于理解本节之后的统计结果。提供的定性比较这些结果与韦尔奇与1 s的汉明窗(图方法4 (d)):(我)周期图。图4(一)显示了这种估计方法相比图的变化4 (d)。(2)韦尔奇的方法。0.5秒的汉明窗(图4 (b)),可以看出,频谱非常光滑;也就是说,它不存在差异很大。这同意增加部分的数量提高估计的方差。然而,这种改善意味着一些损失频率分辨率。增加部分的长度可以提高频率分辨率。1.5年代汉明窗(图4 (c))、频谱不太光滑,如预期。(3)多窗口方法。多窗口NW = 2,频谱(图4 (e))显示了一些变化。然而,当与周期图相比,变化在这种情况下更低。考虑到这一事实windows使用的数量 ,它可以认为这些不足以显著降低谱估计的方差。多窗口NW = 6(图4 (f)),方差小于NW = 3,这是符合事实,增加窗户的数量提高了这个特性。windows使用的数量 。然而,这仍大大高于方差估计韦尔奇的估计。

从这些估计的观察,关于与伯格的AR模型系数,在AR模型的情况下,4日秩序,谱(图4 (g))展示了如何使用这个参数方法意味着过度简化的系统研究。估计谱完全光滑,有无限的频率分辨率,但其形状不匹配的另一个方法,这可能表明偏差非常大(尽管实际的频谱是未知的,它更有可能类似的非参数方法而不是这种方法)。AR模型,15日(图4 (h)),对比显示了过度简化的系统研究。

3.3.2。定量比较

统计比较的谱估计进行了两个不同的数据集:平均功率和最高权力。

的比较 乐队平均功率。图5比较了不同的PSD研究根据估计的估计方法乐队平均功率。在这个图中,1 s的值对应于韦尔奇的方法被选中的窗口。可以看出,该方法显著不同的AR模型,而不是其他的方法。

表1总结了值的所有成对的比较方法。可以看出几种非参数PSD方法没有显示显著差异。的计算周期图没有明显不同于韦尔奇与0.5秒窗口的方法 ,1 s窗口 多窗口NW = 6 。另一方面,韦尔奇的方法,它可以使用1.5秒时强调,窗口,获得的估计并不明显不同于同1 s窗口 ,但他们不同于同0.5年代窗口 。另一方面,多窗口估计彼此之间的差异不显著 韦尔奇的方法和1 s窗口(MTNW = 2: ;MTNW = 6: )和1.5年代窗口(MTNW = 2: ;MTNW = 6: )。

在参数估计方面,正如所料,目视检查后获得光谱,提出的基于AR模型的估计与所有其他的方法显著差异和相互之间 。

比较的 带频率值最高的权力。图6比较了不同的PSD研究根据的频率估计方法乐队的最高权力。在这个图中,再一次,1 s的值对应于韦尔奇的方法被选中的窗口。

表2总结了值在所有成对比较的方法。在这个比较中,周期图没有显著差异的多窗口方法(MTNW = 2: ;MTNW = 6: )和第四阶AR模型 ,但它提供了与所有其他方法的显著差异。韦尔奇的方法1 s窗口没有明显不同于韦尔奇与1.5秒窗口的方法 对其他所有人,但却明显不同。多窗口估计,在前面的比较,彼此之间不存在显著差异 也与韦尔奇的方法与1.5秒窗口(MTNW = 2: ;MTNW = 6: ),但它显示了差异与韦尔奇的方法1 s窗口(MTNW = 2: ;MTNW = 6: )。

对于参数估计,与前面的比较,AR模型相互之间呈现显著差异 。

3.3.3。计算成本的比较

因为这个工作的最终目标是为术中应用这些方法验证移植的最佳位置,有必要信号实时处理。因此,处理速度是要考虑的一个因素。

4的计算时间的估计进行了比较。选择的计算方法计算成本是那些,从之前的比较,显示更适合计算的谱估计,也就是说,韦尔奇的方法1和1.5年代窗口和多窗口方法与NW = 2和NW = 6。计算时间的评估做了信号从病人1,左半球,后中的电极,其持续时间 年代。

每一种所需的计算时间的方法总结了PSD的评估表3。

4所示。讨论

比较是为了选择最好的方法来执行一个术中验证,考虑频率特性的MER录音PD患者实时执行。

首先,它是必要的,以比较不同的功率谱估计方法以识别方法,可以用于该应用程序。以来的实际功率谱分析信号是未知的,不可能来评估一个估计量是多么接近理想。因此,不同估计进行了比较,以作为参考使用的主要方法参考书目([5,8- - - - - -12]),韦尔奇的方法1 s汉明窗和50%重叠。

估计的偏差不能没有知识的光谱,但变化的差异的不同方法或与不同的参数可以看到相同的方法。参数和非参数方法被认为是。

关于参数的方法,获得的结果AR模型确认前面的假设,没有做更深层次的研究,这些都不是最优处理MER录音。他们的结果是不仅显著不同于其他方法的结果,但他们也不同。

关于非参数估计,尽管定性比较显示特定的形态相似性方法,定量分析表明,他们可能显著不同。

特定情况下的周期图,提出了相似之处与其他非参数方法的比较;然而,我们必须记住,这不是一个一致的估计和观察高方差的定性分析。虽然它的一些结果可能不是明显不同于其他的估计,我们认为它不方便继续处理不一致的估计量,因为其他选项可用。

另一方面,对于大多数使用方法参考书目(韦尔奇的方法1 s汉明窗和50%重叠),比较的结果表明,有显著差异,至少在其中一个比较,与所有其他的测试方法,除了韦尔奇与windows 1.5的方法。这意味着它有显著差异的情况下0.5 windows,但考虑到定性对比可以发现这些差异的原因。韦尔奇的方法1 s窗口与小方差方法,但足够的决议是为了不丢掉所有的山峰。估计用同样的方法但其他窗口大小形态相似,但0.5 windows提供了光谱没有山峰。有短的windows允许的方法进一步软化,但这可能导致错过了山峰,应该考虑。这可以解释为什么结果与0.5 windows不匹配的其他窗口大小比较的频率值最大的力量乐队。

韦尔奇的方法,结果表明,1和1.5年代windows提供的结果没有显著不同。因为这方法1 windows是最常用的参考书目和考虑到没有显著差异,1.5秒的一个窗口,与其中一个合作的可能性估计朦胧地可以考虑。

至于球方法,首先,这些估计它们之间不存在显著差异的两个比较。另一方面,定性的比较,可以看出,这些方法提供更多的变量结果比韦尔奇的方法。定量比较表明,他们不存在显著差异,韦尔奇与windows 1.5的方法。如果这个结果分析了考虑前款规定的解释,研究球方法的使用MER录音也可以考虑。

根据执行的统计分析方法,可以考虑PSD估计MER录音与NW = 2球和NW = 6和韦尔奇的1和1.5年代的汉明窗。

然而,为了能够做一个在植入手术,术中验证电极位置带实时功率检测必须达到,即短时间成为可能。因此,有必要探索算法最小化PSD计算时间。

为了选择一个方法,然后,计算每一个都被认为是成本。计算结果表明,多窗口方法更昂贵的比韦尔奇。此外,比较表明,韦尔奇的方法与1.5 windows是最快的:35%的速度比韦尔奇1 s windows和速度超过了617% 。

5。结论

在这项研究中,比较了不同PSD评估方法,考虑一个特定的应用程序。MER信号处理,特别是它的频率信息可以作为术中验证工具的最佳电极放置在DBS在PD电极植入手术的病人。最常用的谱估计方法在文献中是韦尔奇1 s汉明窗和50%重叠。

在这项研究中我们比较不同的谱估计和计算成本考虑在内。最后,根据讨论,我们建议韦尔奇的方法与1.5年代汉明窗和50%重叠,最合适的实时PSD是信号的PD患者的估计量。

虽然选择是基于的想法执行术中实时验证,没有在线应用的方法。进一步测试所选方法的实用程序,它将适合生成一套硬件,登记的信号可以在实际的模拟好像是手术室,和带实时电力检测可以实现,而信号被阅读。此外,它将需要想象一个方便的方式来展示这个频率信息,所以它可以很容易地阅读和理解的医疗队。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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