مدل‌سازي، پيش‌بيني و كنترل صرع با بهره‌گيري از تئوري‌هاي ديناميك غير‌خطي و كنترل

دكتري تخصصي

حدود يك درصد از جمعيت جهان به بيماري صرع مبتلا هستند و از اين ميان، نزديك به يك سوم آنها به درمان‌هاي دارويي مقاومند. يك راهكار نوين، كنترل بيماري صرع به كمك روش‌هاي تحريك عصبي است. اين رساله در نظر دارد تا با مدل‌سازي حملات صرعي، توسعه يك الگوريتم پيش‌بيني و پيشنهاد يك روش كنترلي جهت بهينه‌سازي روش‌هاي تحريك عصبي بازدارنده تشنج، گامي در جهت كمك به بيماران صرعي بردارد. توصيف ديناميك مغز از ديدگاه سيستم‌هاي ديناميكي مي‌تواند به درك بهتري از رفتارهاي پيچيده مغز از جمله حملات صرعي منجر شود. لذا در اين رساله پس از معرفي و بيان پيشينه تحقيق، ابتدا رفتار ديناميكي يك مدل برهمكنش قشرمغز و تالاموس بررسي مي‌شود. اين مدل شامل ورودي‌هاي حسي و ورودي‌هاي قشر مغز است كه مي‌توانند رفتار ديناميكي مدل را تحت تاثير قرار دهند. با توجه به ايده نگاه به تشنج‌ها به عنوان يك پديده رزونانسي، پاسخ مدل در اثر تحريكات هارمونيك مختلف مورد توجه قرار گرفته تا اثر فركانس و شدت تحريك بر سيگنال‌ قشر مغزي مشخص گردد. نشان داده مي‌شود كه امكان جهش دامنه نوسانات و هيسترزيس در اثر خميدگي منحني پاسخ فركانسي وجود دارد. نتايج حاصل از اين مطالعه ايده گذار بين حالت تشنج و حالت عادي در بيماران مبتلا به صرع در اثر رزونانس غيرخطي مغز را تقويت مي‌كند. با توجه به اين ايده در فصل بعد به منشا ديناميكي الگوي اسپايك-موج در مغز پرداخته مي‌شود. اين الگو، ويژگي متمايز سيگنال‌هاي مغزي در تعدادي از اختلالات صرعي مغز از جمله صرع غائب كودكان و صرع حساس به نور است. در اين قسمت اين تئوري مطرح مي‌شود كه اين‌گونه تشنج‌ها را نيز مي‌توان از ديدگاه ديناميكي بجاي يك سيكل حدي، يك پديده رزونانسي در نظر گرفت. بر اين اساس و به كمك مفهوم رزونانس اتفاقي، يك مدل محاسباتي ارائه مي‌شود كه مي‌تواند گذار خود به خود بين حالت‌هاي طبيعي و تشنج مغز را شبيه‌سازي كند. همچنين به كمك اين مدل سعي مي‌شود تا برخي يافته‌هاي آزمايشگاهي و باليني تفسير شوند. افزون بر اين، بر اساس نتايج اين قسمت، يك مدل تالاموكورتيكال توسعه مي‌يابد كه مي‌تواند پاسخ ناهنجار مغز به محرك‌هاي متناوب بصري در بيماران مبتلا به صرع حساس به نور را شبيه‌‌سازي كند. در ادامه، بر پايه معيارهايي كه از قسمت مدل‌سازي استخراج مي‌شود، الگوريتمي جهت پيش‌بيني تشنج‌ها ارائه و كارآيي آن با استفاده از داده‌هاي سيگنال‌هاي مغزي چهارده بيمار، نشان داده مي‌شود. در نهايت مدل ارائه شده براي شبيه‌سازي تشنج، به گونه‌اي توسعه داده مي‌شود كه بتوان سيگنال‌هاي مغزي واقعي را به عنوان ورودي به آن اعمال كرد. با اضافه كردن ورودي كنترلي به اين مدل، اثر پارامترهاي كنترل حلقه باز شامل فركانس و دامنه تحريك‌هاي پالسي بررسي شده و در انتها يك روش كنترل حلقه بسته كه كارآيي بسيار بهتري از نظر تلاش كنترلي نسبت به كنترل حلقه باز دارد؛ ارائه شده است. اين كاهش در مصرف انرژي از لحاظ عملي داراي اهميت است و عوارض جانبي تحريك الكتريكي را كاهش و عمر باتري در محرك‌‌هاي كاشتني در مغز را افزايش مي‌دهد.

195365

دانشگاه علم و صنعت ايران

طراحي كاربردي - ارتعاشات و كنترل

دكتر اميرحسين دوائي مركزي