文摘

健壮的最小的循环检测脑部微栓塞是一种有效的方法预防中风,这是全球死亡率的第二个原因。经颅多普勒超声被广泛认为是最方便检测微系统。最常见的标准检测是通过能量多普勒信号和依赖于一组经验常数阈值。另一方面,在过去的几年中,高阶统计是一个广泛的研究领域,因为他们代表了描述性统计离群值,可用于检测信号。在这项研究中,我们提出的新类型microembolic探测器基于窗口的计算第三时刻偏态和第四峰态的能量信号。能源embolus-free时期分布的能量并不改变和偏态和峰态信号不表现出任何高峰值。栓子的存在,能量分布是扭曲的,偏态和峰态信号表现出峰值,对应于后者栓子。应用于真实信号,检测微通过偏态和峰态信号超过检测标准方法。敏感性和特异性达到78%和91%,80%和90%的偏斜度和峰度探测器,分别。

1。介绍

突然强度增加经颅多普勒(TCD)信号中主要解释为签名造成脑栓子。通过脑栓子通过喂养大脑可能导致血管堵塞的血管,从而导致中风、全球死亡率的第二个原因。栓塞性中风占14%的中风(1]。因此,栓塞性中风代表主要的死亡威胁,因此最小的微栓塞的早期检测是一个重要的问题,必须找到健壮的解决方案。这个早期发现早期中风诊断的基础,从而避免其发生。如今,浴室被认为是最有效的栓塞中风的诊断系统。

虽然插子的信号的特征和物理性质,在浴室的信号,定义良好的,检测的任务插子的,尤其是小microembolic信号仍然构成了严峻挑战。的黄金标准方法检测通过栓子是突然的声响检测“唧唧喳喳”或“呻吟”由栓子以及视觉检测的时频表示(谱图)在浴室屏幕上生成。黄金标准的主要限制是无力的声音检测microembolic信号位于收缩阶段由于时间和频率掩蔽效应的音频文件。

标准检测栓子信号的信号处理方法是基于计算的能量谱图和应用常数阈值的栓子,根据瑞利理论(2),后向散射超声背散射的能量高于周围的血液。标准技术的主要限制驻留在无法检测小microembolic信号强度低于周围的背景血液主要在收缩期峰值。

目的检测最小的微栓塞,许多研究工作已经开展。我们列出了一些最守时的方法。介绍了频率过滤方法(3,4]。这项研究报告高检测灵敏度和特异性。随后,一个在线自动插子的基于频率滤波的信号检测算法是在开发5,6]。后者表现系统显示高敏感性和特异性的特定情况下(postcarotid内膜切除手术)。然而,在其他条件(房颤)系统的敏感性和特异性严重下降。此外,系统的性能在低能量microembolic信号检测可以说是低效率和低得多的敏感性和特异性。方法介绍了基于检测的突然变化(7]。非参数检测方法主要是傅里叶、能量和小波方法相比,参数自回归方法。新的参数方法被证明是高性能、高效的检测小微。然而,测试的方法合成模拟多普勒信号,从不在一组真实的信号。另一个高产的小波系统成立于(8]。该系统实现了高敏感性和特异性的结合。然而,系统的利率在低能量的情况下降低microembolic信号。提出了一种非凡的离线检测(9]。栓子的系统有极好的性能在高强度相对于背景血液混乱。然而,要注意到,这项研究并没有考虑弱栓子信号的检测。作者在10]介绍了另一个高度实现检测过程基于离散小波变换(DWT)。DWT允许主要的特异性和敏感性。尽管如此,DWT实现的一个主要缺陷是降低频率分辨率较低频率尺度,栓子信号的主要发现。在[11),作者提出利用自适应小波包插子的检测基础和neurofuzzy分类。自适应小波包的基础上被用于制造多普勒超声血流信号的稀疏表示。高度精确和健壮的表演产生的方法。但是相比其他方法只考虑灵敏度和特异性相关计算。提交的研究(12)要求分数傅里叶变换的使用而不是短时傅里叶变换,在浴室系统检测的标准方法。结果表明,不同的参数基于分数傅里叶变换的帮助更容易分析和栓子信号检测。尽管它的简单和可接受的结果,这种方法并不是证明可靠的体面的最小检测的微栓塞。的方法13)取得了很高的敏感性和特异性,但大型检测错误发生由于气体栓子展示小反射信号。

在大多数文章之前,信息的主要限制在于检测发生的时变而使用的阈值是恒定的。时变信息和阈值之间的匹配,可以提出两个解决方案。首先提出了一种时变阈值在[14,15)相匹配的时变趋势决定的信息。二是提出一个常数阈值相匹配的决策信息的时变趋势是移除。

在这部作品中,我们提出一个常数阈值之间的匹配方法和能量自由的时变趋势是基于高阶统计量的使用(HOS)窗口的能量多普勒信号。我们倾向于证明偏斜度和峰度作为两个固体microembolic信号检测时无症状的木瓜蛋白酶动脉病人用霍尔特TCD监测。

2。离线Microembolic检测单位

正如前面提到的,我们的目标是把微探测器更敏感和健壮的大多数标准探测器。

在这项研究中,典型的离线信号处理单元分解为三个单位:(我)单元,用于加载波文件,十秒信号分割,短时傅里叶变换(STFT)的计算,从STFT和瞬时能量计算(2)单元,用于标准能量检测的信号在单位获得的(3)单位C,分配给新能源检测技术基于偏斜度和峰度计算信号在单位获得的能量

2.1。单元一:多普勒信号提取、STFT和瞬时能量计算

我们想要测试的不同系统,描绘在图1,共享一个共同的结构。从SD卡插入从霍尔特系统和插入个人电脑,多普勒信号捡起并将在内存中。从这个多普勒数字信号,短时傅里叶变换的计算方法是,首先显示谱图和第二估计瞬间能量多普勒。计算STFT和瞬时能量进行重复在十秒片段提取多普勒信号。

大多数商业TCD超声系统是基于短时傅里叶变换。短时傅里叶变换是一种适应形式的傅里叶变换分析只有一小部分的信号,一种技术也称为信号的窗口或窗口的傅里叶变换(WFT)。短时傅里叶变换时使用多普勒信号的分析窗口是静止的。在现实中,将数据转换为频域结果时间信息的损失。通过应用一个信号的傅里叶变换,是不可能确定当一个特定的事件发生。STFT从而提出纠正这个缺陷。STFT将一个信号映射到一个二维函数的时间和频率。这表示被称为光谱图。

滑动窗口的STFT频率估计可以被正式写如下: 在哪里分析了多普勒信号,是一个滑动窗口,代表复杂的共轭。

当利用STFT过程插子的信号,它是非常重要的,STFT参数进行了优化。这三个工艺参数窗口大小,窗口类型和重叠率。尽管设置参数显著影响栓子检测系统基于STFT计算,工作在不同参数的影响已经被报道。在一个基本工作报告16]。作者评估变化的影响这三个参数对栓子信号的时间和频率分辨率,栓子信号出现时,栓子的力量与最大功率频率相对于背景的平均功率强度。基于[16)和实验优化的初步阶段后STFT参数,执行STFT在本研究使用14.6毫秒汉明窗重叠65%。

瞬时能量在一个固定的时间可以从STFT获得频率估计(1)

注意microembolus将返回的能量大于返回的数十亿红细胞(红血球),因为microembolus往往大于红细胞表面。因此,反散射能量函数作为一个可靠的指标存在栓子和microembolic签名可以被探测到。这证明为什么大多数探测器选择主要是基于能源标准。

2.2。单位B:标准Microembolic检测

我们比较的标准检测方法,提出的新方法,是基于直接插子的签名的检测信号的能量。一个常用的经验阈值。这个常数阈值可以是固定训练经验的用户对整个考试。这是病人、运营商和设备相关的。上面这个阈值设置的最大背景能量多普勒信号时没有栓子(17),即收缩期峰值。microembolic标准检测基于一个常数阈值在图表示2(一个)。

使用这种方法的主要限制驻留在时变的能源相比,一个常数阈值。匹配时变趋势之间的能量和阈值,可以提出两个解决方案:一个时变阈值在[14,15,18)相匹配的时变趋势决定信息或一个常数阈值相匹配的能源,同时消除时变趋势。

2.3。单位C:基于偏斜度和峰度Microembolic检测

正如前面提到的,这是一个threshold-oriented检测。如图2栓塞事件的弱,不可能与一个常数阈值检测。克服这个问题的方法之一是消除时变趋势瞬时多普勒能量。证明高阶统计偏态和峰态等合适的候选人来克服这个限制,考虑多普勒信号免费microembolic事件和假设统计分布位置不变,不管时间是即使的意思和方差随时间。假设存在两个高斯随机变量和。它可以显示偏态那和峰态那。在这个例子中偏斜度和峰度是静止的和对所有。可以验证这一结果无论分布形式时对所有时间值保持不变。唯一的变化发生在偏斜度和峰度的价值但不平稳性。因此,当一个microembolic每次事件发生的位置分布变化。直接后果是和。

因此,我们可以根据计算提出一种新的探测器偏态和峰态能量信号。使用滑动窗口计算执行在最优窗口长度和重叠率设置在培训阶段(见结果部分)。

偏态是三阶标准化的时刻。当计算瞬间(由滑动窗口)的能量是由以下方程:

峰度是四阶标准化的时刻。当计算瞬间的能量是由以下方程: 在哪里和是瞬时的平均值和标准偏差的能量表示预期的价值。

microembolic检测基于偏斜度和峰度信号用数字表示2 (b)和2 (c)。

为了完成检测偏态和峰态信号,必须设置一个阈值来捡起峰信号。我们决定建立一个基于数据阈值的偏态和峰态信号从它们各自的含义和和各自的标准偏差和。这个阈值被定义为偏态和峰度,是一个参数的值是使用一个优化调整训练阶段的方式提高了系统的灵敏度和特异性(指结果部分)。中表示数据的阈值2 (b)和2 (c)。

3所示。霍尔特系统和协议

浴室是一个非侵入性,非电离、廉价、便携,方便和安全技术,这使得它作为一个工具的检测脑部微栓塞。长时间探测器定位和短期有效的考试时间是主要的传统核心系统的局限性。经颅霍尔特(TCD-X Atys医疗、Soucieu jar,法国)如图3允许延长病人监护(高于5小时)与患者不再附加到浴室,不需要躺在床上,而是在自然条件下可以被监控。霍尔特是配备了使机器人化自动探测,帮助找到最好的TCD信号和自动跟踪它在整个录音。

数据库获得地区大学医疗中心(CHRU)德里尔(Oscar Lambret大道59000里尔,法国)。知情同意的霍尔特监视获得所有被监视的病人。录音是大脑中动脉的患者。超声波频率为1.5 MHz,脉冲重复频率(脉冲)是6.4 kHz,和超声波功率50 mW /厘米²。

临床检查后,在多普勒上执行一个类似的转换数字信号的多普勒信号被发送到一个扩音器。从音响多普勒信号和光谱图显示在屏幕上,我们手动检测和计数microembolic事件的数量,以构成我们检测的金标准。金本位是我们实验室的主题之间interagreement三个专家。然后,毫不掩饰自己的立场在时间和视觉商定microembolic事件指出。这个黄金标准用来评估不同探测器使用的结果和验证他们的表演。虽然黄金标准检测获得专家和非专家可能是一样的(所19),后者专家的经验是有用的区分microembolic信号和工件信号下讨论。我们还应该指出,听音频文件是由正常的播放速度,另一个在正常速度的一半,这允许我们检测微之前听不清由于众所周知的时间和频率掩蔽效应的音频文件。

4所示。结果

不同的探测器测试通过算法我们使用数值计算软件Matlab开发(美国马Mathworks,纳蒂克)。我们的数据库是由18所记录的信号分为两类。首先是培训阶段(8信号)致力于确定的最佳设置探测器使用。第二个是测试阶段(10信号)致力于评估使用的探测器性能的最佳设置下决定在训练阶段。

两个参数是用来评估探测器:(我)灵敏度(或检出率)计算为真阳性的数量检测/黄金标准检测的数量。真阳性检测是指检测栓子记录的黄金标准。(2)特异性计算1−误警率(远)后者是假阳性的数量检测/检测的总数。假阳性的检测是指检测栓子不是记录在金本位或换句话说一个没有穿过样品体积栓子。

4.1。训练阶段的结果

由于阈值应用于信号的能量达到标准的检测经验集通过用户的选择,不同的microembolic检测可以获得。为了克服这个我们初始化一个训练阶段预设最好的经验阈值用于测试阶段。使用3至9分贝值。表1显示了最好的经验阈值最大化的敏感性和特异性。

此外,由于偏斜度和峰度计算使用滑动窗口执行能量信号,实验测试在训练阶段初始化信号来确定最优长度的窗口和最优重叠比率。的最佳时间窗口长度是7.3毫秒,最佳重叠使用的是95%。另外,使用这些设置我们测试在训练阶段最好的基于数据的阈值和分别为偏态和峰态信号。的值介于3和7测试。表1显示了基于数据的最佳阈值的偏态和峰态信号最大化的敏感性和特异性。

4.2。测试阶段的结果

表2代表了三个不同的测试阶段结果能量探测器。经验阈值的标准能量检测器的敏感性是65%,特异性是60%。基于偏斜度的能量检测器计算的敏感性是78%,特异性是91%。对于能量探测器基于峰度计算的敏感性是80%,特异性是90%。

给出的结果表明,新的探测器相比,能够显著提高特异性检测标准(超过30%)。此外,新的探测器的灵敏度通过增加了13%,偏态探测器为15%,峰态探测器相比,通过标准探测器。这些结果断言检测的准确性和优越性基于偏斜度和峰度计算能量多普勒信号的标准检测直接应用在多普勒信号的能量。

5。讨论

获得的结果是很明显的。基于累积量的方法通过基于二阶统计的标准方法。原因解释这种优势在于居屋计划修改分布形式的敏感性。知道发生的microembolus叠加能量多普勒信号对这个信号的分布的变化,我们建议使用偏斜度和峰度作为microembolus检测的新工具。embolus-free时期多普勒信号能量的分布是固定的和它的偏斜度和峰度是永远不会被改变。他们并没有表现出任何变化。然而,在存在microembolus叠加能量信号,偏态和峰态信号改变和栓子是由于峰值的巅峰水平高于所有其他点的信号。这种检测可以比标准的方法。后测试一组真实信号,基于偏斜度和峰度检测提供了重要的改进包括很高的特异性达到91%和90%,分别比60%通过标准方法。此外,标准方法的灵敏度从65%增加到78%和80%基于偏斜度和峰度探测器,分别。

因此,我们可以肯定,偏态和峰态可以提供一个健壮的和更可靠的检测比标准检测方法,因此可以被认为是新的技术提高microembolic检测系统。

的事实,我们提出了两个探测器,基于偏斜度检测和其他峰度检测,方便给予注意,这两个探测器执行非常相似和产生非常接近的结果。唯一的区别,可以观察到的是,峰度信号显示在插子的小波动峰值检测而偏态信号波动在插子的山峰更强烈。这为峰度检测提供了一个小优势的检测阈值,可以更容易地和强劲。

6。结论

在本研究中,我们提出两个探测器基于计算偏态和峰态的能量多普勒信号,作为一个增强的大脑microembolus工具检测。相比直接执行的标准探测器探测的能量信号,基于偏斜度和峰度探测器允许增加的敏感性和特异性。

本研究强调标准microembolic能量探测器经验阈值仍然健壮的检测微带来严重的困难。它还表明,探测器将检测基于偏斜度和峰度计算能量允许更先进的检测微栓塞,前体的大栓子,并有很强的中风风险。因此使用这些简单明了的探测器将是一个额外的设施增加努力减少中风的发生。

即将到来的步骤将是试图增加的总体性能技术特别的敏感和验证了算法在更大的数据库。此外,我们在过程中,包括在整个检测系统、自动工件拒绝技术而不是使用手工技术。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是财务支持的博士生科学与技术学院的,黎巴嫩大学,黎巴嫩,国家科学研究委员会CNRS,黎巴嫩,法国健康卫生和医学研究所的法国。作者真诚地感谢Marilys《和Benoit吉伯特霍尔特浴室设备。他们也承认科琳Gautier霍尔特多普勒记录。