en statistisk analyse af cervikale auskultationssignaler fra voksne med usikker luftvejsbeskyttelse

vores dataindsamlingsprotokol, signalbehandlingstrin og funktionsekstraktionsteknikker er alle identiske med vores tidligere arbejde med ikke-aspirerende dysfagiske forsøgspersoner (Dudik, JM, Kurosu, a, Coyle, JL, Sejdi Karrus, E: virkningerne af dysfagi på at sluge lyde og vibrationer hos voksne, under gennemgang). For fuldstændighed er hele processen inkluderet nedenfor med mindre ændringer i beskrivelsen af vores eksperimentelle grupper. Protokollen til undersøgelsen blev godkendt af det institutionelle Gennemgangsudvalg ved University of Pittsburgh.

dataindsamling

vores optageudstyr bestod af et triaksialt accelerometer og en kontaktmikrofon fastgjort til deltagerens forreste hals med dobbeltsidet tape. Accelerometeret (327, analoge enheder, Massachusetts) blev monteret i en brugerdefineret plastkasse og anbragt over cricoidbrusk som tidligere beskrevet for at give den højeste signalkvalitet . De vigtigste accelerometerakser blev justeret omtrent parallelt med den cervikale rygsøjle og vinkelret på koronalplanet og vil blive omtalt som henholdsvis de overordnede-underordnede og forreste-bageste akser. Den tredje akse blev ikke brugt til denne undersøgelse, da et sammenligneligt signal ikke blev brugt i vores undersøgelse af raske forsøgspersoner . Sensoren blev drevet af en strømforsyning (model 1504, BK Precision, Yorba Linda, Californien) med en 3V-udgang, og de resulterende signaler blev bandpass filtreret fra 0,1 til 3000 HS med ti gange forstærkning (model P55, Grass Technologies, Rhode Island). Spændingssignalerne for hver akse i accelerometeret blev begge ført ind i en National Instruments 6210 DAK og registreret ved 20 KHS af Labse program Signalekspress (National Instruments, Austin, USA). Denne opsætning har vist sig at være effektiv til at detektere slukningsaktivitet i tidligere undersøgelser . Mikrofonen (model C 411l, AKG, Vienna, Østrig) blev placeret under accelerometeret og lidt mod højre sideside af luftrøret for at undgå kontakt mellem de to sensorer og forhindre hindring af det radiografiske billede af den øvre luftvej, men registrerer stadig begivenheder fra omtrent samme sted. Denne placering er tidligere blevet beskrevet for at være passende til indsamling af slugende lydsignaler . Mikrofonen blev drevet af en strømforsyning (model B29L, AKG, Vienna, Østrig) og indstillet til ‘line’ impedans med et volumen på ‘9’, mens det resulterende spændingssignal blev sendt til den tidligere nævnte DAK. Dette signal blev efterladt ufiltreret, da der endnu ikke er fundet en øvre grænse for båndbredden ved at sluge lyde. Signalet blev samplet af Signalekspress ved 20 KHS. Disse sensorer blev fastgjort før og fik lov til at indsamle data under en videofluoroskopisk slukningsvurdering, så der blev også opnået samtidige videofluoroskopibilleder. Billederne, der blev udført af røntgenmaskinen (Toshiba, Tustin, CA), blev input til et videooptagelseskort (Accustream Ekspres HD, Fremsynsbilleddannelse, Chelmsford, MA) og optaget med det samme laboratorie-program.

i alt 76 patienter med mistanke om dysfagi, der var planlagt til at gennemgå en videofluoroskopisk slukningsevaluering ved University of Pittsburgh Medical Center (Pittsburgh, Pennsylvania) tjente som prøve. Deltagerne blev rekrutteret fra den generelle ambulante og ambulante befolkning af personer, der blev henvist til Talesprogpatologitjenesten til instrumentel vurdering af oropharyngeal synkefunktion med videofluoroskopi (VFS). Som et resultat af den høje forekomst af flere comorbiditeter hos patienter med dysfagi og interaktionerne mellem disse tilstande forårsager dysfagi, var der få patienter, for hvilke en enkelt indlæggelse eller hospitalserhvervet diagnose kunne identificeres som den eneste årsag til deres dysfagi. Blandt de mest almindelige diagnoser i vores kohorte var slagtilfælde (17), organtransplantation (13 lunge, 3 hjerte, lever, nyre eller flere organer), dysfagi ikke andet specificeret (19), respirationssvigt (7), ikke-slagtilfælde neurologisk sygdom (6), kræft – lunge, spiserør, hovedhals (3) og lungebetændelse (8). I alt 17 patienter (10 mænd, 7 kvinder, gennemsnitsalder 67) havde en aktuel diagnose af slagtilfælde, mens de resterende 59 (40 mænd, 19 kvinder, gennemsnitsalder 61) havde medicinske tilstande, der ikke var relateret til slagtilfælde. De patienter, der tidligere havde haft større hoved-eller halskirurgi, var udstyret hjælpemidler, der forhindrede den forreste hals, såsom et trakeostomirør, eller ikke var tilstrækkeligt kompetente til at give informeret samtykke, blev ikke inkluderet i undersøgelsen, men ingen andre tilstande blev udelukket. Patienter med dysfagi gennemgik ikke en standardiseret dataindsamlingsprocedure, da videofluoroskopiundersøgelsen rutinemæssigt ændres af undersøgeren, så den passer til den enkelte patient. Denne metode til dataindsamling repræsenterer nærmere det faktiske kliniske miljø. Alle analyserede svaler var begrænset til dem, der blev foretaget, mens deltagerens hoved var i en neutral hovedposition. Svaler lavet med manøvrer som den anstrengende svale, supraglottisk svale eller Mendelsohn manøvre blev også udelukket. Væskerne, der blev slugt under undersøgelsen, omfattede kølet (5 kg C) Varibar tynd væske med <5 cps konsistens og Varibar nektar med 100 kg konsistens (Bracco, Milano, ITA) præsenteret som enten selvadministreret fra en kop i behagelige volumener, som patienten selv har valgt, eller administreret af undersøgeren i volumener på ca.3 mL fra en 5 mL ske. I alt 468 svaler (128 fra patienter med slagtilfælde, 340 uden) havde ikke mere end mindre penetration af bolus i strubehovedet, mens 53 svaler (19 fra dem med slagtilfælde, 34 uden) havde større penetration eller rest. Disse grupper kan klassificeres som at have en Penetrationsaspiration-score på 3 eller mindre i den første gruppe eller en score på 4 eller derover i den anden, hvis betydning forklares i det følgende afsnit .

signalbehandling og analyse

Data optaget med accelerometeret gennemgik flere behandlingstrin for at forbedre signalkvaliteten. Et signal optaget fra enheden, når det blev præsenteret uden input på en tidligere dato, blev brugt til at generere en auto-regressiv model af enhedens støj. Koefficienterne for denne model blev derefter brugt til at generere et endeligt impulsresponsfilter, der blev brugt til at fjerne enhedens støj fra det optagede signal. Bagefter blev bevægelsesartefakter og anden lavfrekvent støj fjernet fra signalet ved brug af mindst firkantede splines. Specifikt brugte vi fjerde ordens splines med et antal knuder lig med \(\frac {\tekst {\tekst {Nf}}_{l}}{F_{s}}\), hvor N er antallet af datapunkter i prøven, fs er den oprindelige 10 KHS prøveudtagningsfrekvens af vores data, og f l er lig med enten 3,77 eller 1,67 HS for henholdsvis overlegen-ringere eller forreste-posterior retning. Værdierne for f l blev beregnet og optimeret i tidligere undersøgelser. Endelig forsøgte vi at minimere virkningen af bredbåndsstøj på signalet ved at bruge bølger denoising teknikker. Specifikt valgte vi at bruge tiendeordens Meyer-bølger med blød tærskning. Værdien af vores tærskel blev valgt til at være lig med \(\sigma \ kvm {2 \ log N}\), hvor N er antallet af prøver i datasættet, og den estimerede standardafvigelse for støj defineres som medianen for de nedprøvede bølgekoefficienter divideret med 0,6745. Vi anvendte de samme GRANFILTRERINGS-og bølgetdenoiseringsteknikker på mikrofonsignalet efter at have beregnet de passende koefficienter igen. Ingen splines eller andre lavfrekvente fjernelsesteknikker blev anvendt på slukningslydene, fordi vi ikke havde undersøgt, om sådanne frekvenser indeholdt vigtig lydinformation.

to dommere, begge talesprogspatologer med dysfagi – forskningserfaring, og hvis Inter-og intra-rater pålidelighed i de foranstaltninger, der blev anvendt i denne undersøgelse, er blevet etableret i tidligere offentliggjort forskning, inspicerede visuelt de fluoroskopiske data for at måle to parametre: varigheden af synkesegmenterne og omfanget af luftvejspenetration eller aspiration under synkesegmenterne ved hjælp af penetrationsaspirationsskalaen . En af disse dommere er en medudvikler af penetration aspiration scale, der udviklede beslutningsregler for udvælgelse af specifikke rammer, der markerer segmentets varighed begyndelse og forskydning og i vurdering af omfanget af luftvejsbeskyttelse under svalen ved hjælp af otte-punkts penetration-aspirationsskala. De uddannede derefter den anden dommer i metoder til udvælgelse af disse videobilleder. Efter træning vurderede begge dommere et sæt på femogtyve ukendte videooptagne svaler, hvoraf ingen var inkluderet i deltagerdataene for den nuværende undersøgelse. Bedømmelsens pålidelighed blev evalueret ved hjælp af intraklassekorrelationskoefficienten. Korrelationskoefficienterne inden for rater og inter-rater intraclass var begge 0,998. Efter etablering af acceptabel intra-og inter-rater pålidelighed for segmentvarighed og penetration-aspiration score, den anden dommer evaluerede derefter segmentets begyndelse, segmentforskydning, og penetration-aspiration skala score for hver svale beskrevet i denne undersøgelse.

blindet til accelerometri data, disse dommere segmenteret og mærket hver enkelt sluge. Begyndelsen (begyndelsen) af et svalesegment blev defineret som det tidspunkt, hvor forkanten af den slugte bolus krydsede med skyggen, der blev kastet på røntgenbilledet ved den bageste kant af Ramus af mandiblen, mens slutningen (offset) var det tidspunkt, hvor hyoidbenet afsluttede bevægelse forbundet med synkerelateret pharyngeal aktivitet og vendte tilbage til sin hvilende eller præ-svale position. Tidspunkterne, der blev leveret ved denne procedure, blev brugt til at segmentere de vibrerende og akustiske signaler og derved opnå individuelle svaledata. Hver svale blev også bedømt på en standard 8-punkts ordinær klinisk penetration-aspirationsskala (PA-skala) og eventuelle svaler med en rating på 3 eller lavere blev inkluderet i vores Analyse som en ikke-aspirerende svale. Scoringer på 3 eller lavere på denne skala indikerer, at enten intet materiale kom ind i den øvre luftvej (score på 1) eller lav penetration af strubehovedet uden (score på 2) eller med (score på 3) Noget rest af slugt materiale tilbage i strubehovedet efter svalen. Dette afskæringspunkt for sikker-usikre score som valgt, fordi dybere laryngeal penetration, og især aspiration i luftrøret, repræsenteret ved skala score på 4 og højere, har vist sig at forekomme med ubetydelig hyppighed hos raske personer, og med henblik på vores undersøgelse, blev anset for at være ‘usikre’ svaler. Disse PA-score blev derefter sammenlignet med signaler erhvervet gennem de cervikale auskultationsanordninger .

når auskultationssignalerne blev filtreret og segmenteret, beregnede vi flere forskellige funktioner for at karakterisere hver svale. I tidsdomænet undersøgte vi signalets skævhed og kurtose, som kan beregnes med de typiske statistiske formler . Vi har også beregnet flere informationsteoretiske træk ved at følge proceduren beskrevet i tidligere publikationer. Signalerne blev normaliseret til nul middelværdi og enhedsvarians, derefter opdelt i ti lige adskilte niveauer, der spænder fra nul til ni, der indeholdt alle registrerede signalværdier. Vi beregnede derefter entropihastighedsfunktionen for signalerne. Dette findes ved at trække minimumsværdien af signalets normaliserede entropihastighed fra 1 for at producere en værdi, der spænder fra nul, for et helt tilfældigt signal, til en, for et helt regelmæssigt signal . Den normaliserede entropihastighed beregnes som

hvor perc er procentdelen af unikke poster i den givne sekvens L . SE er Shannon entropi af sekvensen og beregnes som

hvor Krost (j) er sandsynlighedsmassefunktionen for den givne sekvens. Kvantificering af det originale signal til 100 diskrete niveauer i stedet for ti tillod os at beregne Lempel-Civ-kompleksiteten som

hvor k er antallet af unikke sekvenser i det dekomponerede signal og n er mønsterlængden .

vi undersøgte også flere funktioner i frekvensdomænet. Centerfrekvensen, undertiden benævnt spektral centroid, blev simpelthen beregnet ved at tage Fourier-transformationen af signalet og finde det vægtede gennemsnit af alle de positive frekvenskomponenter:

hvor h(n) er størrelsen af en frekvenskomponent, og f(n) er frekvensen af den pågældende komponent. Tilsvarende blev topfrekvensen fundet at være Fourier-frekvenskomponenten med den største spektrale energi. Vi definerede båndbredden af signalet som standardafvigelsen for dets Fourier-transformation .

endelig karakteriserede vi vores signal i tidsfrekvensdomænet. Tidligere bidrag fandt, at slukningssignaler til en vis grad ikke er stationære , hvortil bølgnedbrydning er bedre egnet end en simpel Fourier-analyse . Vi valgte at nedbryde vores signal ved hjælp af Tiendeordens Meyer-bølger, fordi de er kontinuerlige , har en kendt skaleringsfunktion, og ligner mere slukningssignaler i tidsdomænet sammenlignet med gaussiske eller andre almindelige bølgeformer . Energien i et givet nedbrydningsniveau blev defineret som

hvor h repræsenterer en vektor af tilnærmelseskoefficienterne eller en af vektorerne, der repræsenterer detaljekoefficienterne. / / krit / / betegner den euklidiske norm . Signalets samlede energi er simpelthen summen af energien på hvert nedbrydningsniveau. Derfra kunne vi beregne bølgerne entropi som:

hvor Er er det relative bidrag fra et givet nedbrydningsniveau til den samlede energi i signalet og gives som

statistisk analyse

efter beregning af de relevante funktioner udførte vi forskellige statistiske sammenligninger på vores datasæt. For det første forsøgte vi at teste for normaliteten af vores data med Shapiro-vilk-testen samt ligestilling af afvigelser via Levene ‘ s test for at vurdere levedygtigheden af at bruge parametriske tests. Efter at have adskilt dataene baseret på vores valgte variabler (PA-score, deltagerens køn, tilstedeværelse af slagtilfælde, bolusviskositet) fandt vi imidlertid, at cirka 60% af vores funktionsfordelinger opfyldte disse antagelser. På dette tidspunkt valgte vi at inkorporere ikke-parametriske tests for at analysere vores data.

vi brugte signeret rank test til at identificere forskelle med hensyn til hver funktion af alle tre signaler for sikker (PA score på 1-3) og usikre (PA score på 4-8) svaler og stratificeret af konsistensen af den indtagne bolus. En p-værdi på 0,05 kr. blev anvendt til at bestemme signifikans. Denne proces blev gentaget for at teste for forskelle mellem dysfagiske patienter med og uden slagtilfælde under ‘usikre’ svaler. For at spejle resultaterne af vores tidligere undersøgelser udførte vi et andet Sæt rank sum-tests for at undersøge køn-baserede forskelle i signalerne registreret fra den dysfagiske befolkning. Endelig blev virkningerne af bolusviskositet på vores data undersøgt ved brug af signerede rangtest. Forsøgspersonernes alder blev ikke brugt som en variabel, da tidligere arbejde har vist ringe signifikant effekt af alder på cervikale auskultationssignaler, selv for store aldersforskelle .

Post hoc-estimater af vores statistiske magt blev udført i programmet Gkraft . Vi brugte Lehmanns estimeringsmetode med en målkraft på mindst 0,80. I matematisk form:

hvor c er den kritiske værdi af teststatistikken og er lig med 1,64, er E() og V A r() henholdsvis den forventede værdi og variansoperatorer, og KR.er den normale kumulative fordelingsfunktion. Er antallet af tilfælde, hvor et datapunkt fra en gruppe har en lavere rang end datapunkterne i den alternative gruppe. Med små variationer mellem dem på grund af de variable populationsstørrelser fandt vi, at vores sammenligninger havde tilstrækkelig kraft til at differentiere moderat størrelse (d=0,40 liter 0,05) effekter.