استخراج اطلاعات حركتي با استفاده از سيگنال‌هاي ثبت شده در مسيرهاي موتوري مغز به نخاع در گربه

دكتري

فراهم كردن سيگنال فرمان طبيعي و مقاوم در كنار اطلاعات بازخوردي مناسب يك چالش مهم براي توسعه¬ي پروتزهاي عصبي براي كاربردهاي كلينيكي است. هدف اصلي اين پروژه رمزگشايي اطلاعات حركتي راه رفتن از روي ثبت¬هاي عصبي از نواحي موتوري و سنسوري درون نخاع است. براي بررسي توزيع اطلاعات حركتي اندام تحتاني درون نواحي خاكستري بخش‌هاي مختلف نخاع آزمايش¬هاي ثبت موقت را انجام داديم. در اين آزمايش¬ها سه الكترود در شاخك‌هاي خلفي سمت راست بخش‌هاي مهره¬اي L4، L5، و L6 قرارداديم در حاليكه مفاصل اندام تحتاني هم جهت به‌صورت غيرفعال توسط آزمايشگر باز و بسته مي¬شدند. اطلاعات عصبي و حركتي را به‌صورت هم‌زمان ثبت و به‌صورت برون خط تحليل كرديم. نتايج اين آزمايش نشان داد كه براي حركت مفاصل ران، زانو، و مچ پا بيشترين اطلاعات و بهترين عملكرد رمزگشايي به ترتيب با استفاده از داده¬هاي ثبت شده از L4، L5، و L6 به دست مي‌آيد. براي رمزگشايي، يك مدل جديد مولد مبتني بر روابط بيزين بازگشتي ارائه كرديم با قابليت يادگيري تمايزي كه مي‌توان آن را به كمك ساختار شبكه¬ي عصبي بازگشتي پياده‌سازي نمود. قابليت رمزگشايي مدل ارائه شده را در مقايسه با مدل‌هاي فيلتر كالمن و شبكه عصبي بازگشتي معمولي ارزيابي كرده¬ايم. عملكرد رمزگشايي روي داده¬هاي آزمايش نشان داده كه شبكه¬ي عصبي پيشنهادي بطور قابل توجه (05/0 > p) مقادير R2 را به ترتيب به ميزان 03/0 و 11/0 در مقايسه با شبكه¬ي عصبي بازگشتي معمولي و فيلتر كالمن خطي بهبود بخشيد. براي استخراج اطلاعات حركتي از مسيرهاي موتوري و سنسوري درون نخاع آزمايش¬هاي ثبت دائم را انجام داديم. براي اين منظور آرايه¬هاي چهار و هشت كانالي طراحي و درون ستون خلفي و ستون كناري در بخش مهره¬اي L4 و در سمت چپ نخاع كاشتيم. دو نوع آزمايش حركت فعال و غيرفعال روي پنج عدد گربه بالغ از جنس نر و در روزهاي مختلف انجام داديم. در آزمايش فعال حيوان روي تردميل به‌صورت آزادانه راه مي‌رود در حاليكه در آزمايش غيرفعال پاي حيوان توسط آزمايشگر حركت داده مي‌شد. پتانسيل¬هاي ميدان محلي ثبت و از مدل رگرسيون الاستيك نت براي تخمين زواياي حركتي اندام تحتاني استفاده شد. نتايج نشان مي‌دهد كه هنگام حركت گربه روي تردميل، زواياي مفاصل ران، زانو و مچ پاي گربه را مي‌توان با استفاده از سيگنال‌هاي ثبت شده در مسيرهاي موتوري و سنسوري درون نخاع و با مقادير ضريب تشخيص (R2) 52/0، 33/0، و 34/0 رمزگشايي كرد. همچنين تحليل اطلاعات مشترك نشان مي‌دهد اطلاعات نواحي ستون خلفي و ستون كناري هنگام راه رفتن هوشيار گربه روي تردميل تفاوت قابل‌توجهي ندارند ولي هنگام آزمايش غيرفعال نواحي ستون خلفي در مقايسه با ستون كناري اطلاعات بيشتري نسبت به زواياي حركتي به دست مي¬دهند. اين تفاوت مي‌تواند نشانگر وجود اطلاعات موتوري در داده¬هايي كه در حالت حركت هوشيار ثبت كرديم باشد. همچنين در آزمايش‌هاي ديگري كه روي دو گربه انجام داديم و از هر دو طرف چپ و راست نخاع اطلاعات عصبي را براي رمزگشايي هر دو پا ثبت كرديم نشان داديم كه دقت رمزگشايي به‌دست‌آمده از دو طرف نخاع تقريباً برابر است و تفاوت قابل ملاحظه¬اي ندارند. در بررسي مدل‌هاي ماژولار و سلسله مراتبي نشان داديم سينرژي هاي حركتي را مي‌توان از روي ثبت¬هاي درون نخاعي رمزگشايي نمود. همچنين نشان داديم مدل‌هاي ماژولار با يادگيري دو مرحله اي علاوه بر امكان تركيب اطلاعات مختلف مي-توانند منجر به بهبود در عملكرد رمزگشايي شوند.

195824

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي پزشكي

دكتر عباس عرفانيان اميدوار