a statistical analysis of kohdunkaulan auskultation signals from adults with unforganous Airways protection

meidän tiedonkeruuprotokolla, signaalinkäsittelyn vaiheet ja feature extraction techniques are all identtic to our previous work with non-aspirating dysfagic subjects (Dudik, JM, Kurosu, a, Coyle, Jl, Sejdić, E: the effects of dysfagia on swallowing sounds and tärinää aikuisilla, tarkastelun alla). Täydellisyyden vuoksi koko prosessi on mukana alla pienin muutoksin koeryhmiemme kuvaukseen. Pittsburghin yliopiston Institutional Review Board hyväksyi tutkimuksen protokollan.

tiedonkeruu

tallennuslaitteemme koostui kolmiaksiaalisesta kiihtyvyysmittarista ja kontaktimikrofonista, joka oli kiinnitetty osallistujan etukaulaan kaksipuolisella teipillä. Kiihtyvyysanturi (ADXL 327, Analog Devices, Norwood, Massachusetts) asennettiin mukautettuun muovikoteloon ja kiinnitettiin cricoid-rustoon edellä kuvatulla tavalla parhaan signaalilaadun aikaansaamiseksi . Pääkiihtyvyysakselit kohdistettiin suunnilleen kaularangan suuntaisesti ja kohtisuoraan koronatasoon nähden,ja niitä kutsutaan superior-inferior-ja anterior-posterior-akseleiksi. Kolmatta akselia ei käytetty tässä tutkimuksessa, koska vastaavaa signaalia ei käytetty tutkimuksessamme terveillä koehenkilöillä . Anturin voimanlähteenä oli 3V-ulostulolla varustettu virtalähde (Malli 1504, BK Precision, Yorba Linda, Kalifornia), ja tuloksena olleet signaalit suodatettiin 0,1-3000 Hz: n taajuudelta kymmenkertaisella vahvistuksella (malli P55, Grass Technologies, Warwick, Rhode Island). Jännitesignaalit kiihtyvyysanturin jokaiselle akselille syötettiin sekä kansallisiin instrumentteihin 6210 DAQ että LabView-ohjelman Signal Expressin (National Instruments, Austin, Texas) 20 kHz: n tarkkuudella. Tämä asetelma on osoittautunut tehokkaaksi nielemisaktiivisuuden havaitsemiseksi aiemmissa tutkimuksissa . Mikrofoni (malli C 411L, AKG, Wien, Itävalta) oli sijoitettu kiihtyvyysmittarin alapuolelle ja hieman henkitorven oikealle sivulle, jotta vältettäisiin kahden anturin välinen kosketus ja estettäisiin ylähengitysteiden röntgenkuvan tukkeutuminen, mutta silti tallennettaisiin tapahtumat suunnilleen samasta paikasta. Tätä paikkaa on aiemmin kuvailtu soveltuvaksi nielevien äänisignaalien keräämiseen . Mikrofoni oli powered by virtalähde (Malli B29L, AKG, Wien, Itävalta) ja asetettu ‘line’ impedanssi, jonka tilavuus on ‘9’, kun tuloksena jännite signaali lähetettiin aiemmin mainittu DAQ. Signaali jätettiin suodattamatta, sillä nielemisäänien kaistanleveydelle ei ole vielä löydetty ylärajaa. Signal Express otti signaalista näytteen 20 kHz: n taajuudella. Nämä anturit kiinnitettiin ennen ja niiden annettiin kerätä tietoja videofluoroskooppisen nielemisarvion aikana, joten saatiin myös samanaikaisia videofluoroskopiakuvia. Röntgenlaitteella (Ultimax system, Toshiba, Tustin, CA) tuotetut kuvat syötettiin videokaappauskortille (AccuStream Express HD, Foresight Imaging, Chelmsford, MA) ja tallennettiin samalla Labview-ohjelmalla.

näytteenä oli yhteensä 76 potilasta, joilla epäiltiin nielemisvaikeuksia ja joille oli määrä tehdä videofluoroskooppinen nielemisarviointi Pittsburghin yliopiston lääketieteellisessä keskuksessa (Pittsburgh, Pennsylvania). Osallistujat rekrytoitiin Puhekielipatologiapalveluun osoitetusta yleisestä laitoshoito-ja avohoitopopulaatiosta suunielun nielemisen instrumentaalista arviointia varten videofluoroskopialla (VFS). Koska dysfagiapotilailla esiintyy usein useita samanaikaisia sairauksia ja näiden sairauksien yhteisvaikutukset aiheuttavat nielemishäiriöitä, oli vain harvoja potilaita, joille yksi sairaalaan tai sairaalaan hankittu diagnoosi voitiin osoittaa niiden nielemishäiriöiden ainoaksi syyksi. Kohorttimme yleisimpiä diagnooseja olivat aivohalvaus (17), elinsiirto (13 keuhko -, 3 sydän -, maksa -, munuais-tai useita elimiä), nielemisvaikeudet, joita ei ole mainittu muualla (19), hengitysvajaus (7), muu neurologinen sairaus kuin aivohalvaus (6), syöpä-keuhko -, ruokatorvi -, pää-niska – (3) ja keuhkokuume (8). Yhteensä 17 potilaalla (10 miestä, 7 naista, keski-ikä 67) oli tämänhetkinen aivoinfarkti, kun taas lopuilla 59 potilaalla (40 miestä, 19 naista, keski-ikä 61) oli aivoinfarktiin liittymättömiä sairauksia. Tutkimukseen ei otettu mukaan potilaita, joille oli aiemmin tehty suuri pään tai kaulan alueen leikkaus, joilla oli etukaulaa tukkivat apuvälineet, kuten trakeostomiaputki, tai jotka eivät olleet riittävän päteviä antamaan tietoon perustuvaa suostumusta, mutta muita ehtoja ei suljettu pois. Dysfagiaa sairastaville potilaille ei tehty standardoitua tiedonkeruumenetelmää, koska tutkija muuttaa videofluoroskopiatutkimusta rutiininomaisesti kullekin potilaalle sopivaksi. Tämä tiedonhankintamenetelmä kuvaa tarkemmin todellista kliinistä ympäristöä. Kaikki analysoidut Pääskyt rajoittuivat niihin, jotka tehtiin osallistujan pään ollessa neutraalissa pääasennossa. Pääskyset, jotka tehtiin esimerkiksi vaivaisella pääskysellä, supraglottisella pääskysellä tai Mendelsohn-ohjauksella, jätettiin myös pois. Tutkimuksen aikana niellyt nesteet sisälsivät jäähdytettyä (5 °c) Varibar Thin-nestettä, jonka koostumus oli <5 cps, ja varibar-nektaria, jonka koostumus oli ≈300 cps, (Bracco, Milan, ITA), joka esitettiin joko itse annosteltuna mukista potilaan itse valitsemina mukavina tilavuuksina tai noin 3 mL: n tilavuuksina 5 mL: n lusikasta. Yhteensä 468 pääskystä (128 aivoinfarktipotilaalta, 340 nieltynä) oli tunkeutunut vain vähän kurkunpäähän, kun taas 53: lla (19 aivoinfarktipotilaalta, 34 nieltynä) oli suurempi penetraatio tai jäämä. Nämä ryhmät voidaan luokitella siten, että niiden Penetraatio-Aspiraatiopistearvo on ensimmäisessä ryhmässä enintään 3 tai toisessa 4 tai suurempi, minkä merkitys selitetään seuraavassa jaksossa .

signaalinkäsittely ja-analyysi

kiihtyvyysmittarilla tallennetut tiedot on käsitelty useita vaiheita signaalin laadun parantamiseksi. Laitteesta tallennettua signaalia, kun se esitettiin ilman syöttöä edeltävänä päivänä, käytettiin tuottamaan automaattisesti regressiivinen malli laitteen kohinasta. Tämän mallin kertoimia käytettiin sitten tuottamaan äärellinen impulssivastesuodatin, jota käytettiin poistamaan laitteen kohina tallennetusta signaalista. Sen jälkeen liikkeistä ja muusta matalataajuisesta kohinasta poistettiin signaalia käyttämällä pienimmän neliösumman splinejä. Erityisesti käytimme neljännen kertaluvun splinejä, joiden solmumäärä on \(\frac {\text {NF}}_{l}}{f_{s}}\), jossa N on näytteen datapisteiden lukumäärä, fs on alkuperäinen 10 kHz näytteenottotaajuus ja f l on joko 3,77 tai 1,67 Hz ylemmän-alemman tai anterior-taka-suunnan osalta. F l: n arvot laskettiin ja optimoitiin aiemmissa tutkimuksissa. Lopuksi yritimme minimoida laajakaistamelun vaikutuksen signaaliin hyödyntämällä wavelet denoising tekniikoita. Erityisesti päätimme käyttää kymmenennen tilauksen Meyerin waveletteja, joissa on pehmeä puinti. Kynnyksemme arvoksi valittiin \(\sigma \sqrt {2\log n}\), jossa N on näytteiden määrä tietojoukossa ja σ, kohinan arvioitu keskihajonta, määritellään alaspäin otettujen aaltokertoimien mediaani jaettuna 0,6745: llä. Sovellimme samaa FIR suodatus ja wavelet denoising tekniikoita mikrofonin signaalin jälkeen uudelleen laskettaessa asianmukaiset kertoimet. Nieleviin ääniin ei sovellettu splinejä tai muita matalataajuisia poistotekniikoita, koska emme olleet tutkineet, sisältävätkö tällaiset taajuudet tärkeitä äänitietoja.

kaksi tuomaria, molemmat puhekielipatologeja, joilla on nielemishäiriöitä tutkivaa kokemusta ja joiden keskinäisen ja sisäisen luotettavuuden tässä tutkimuksessa käytetyissä mittauksissa on osoitettu aiemmissa julkaistuissa tutkimuksissa, tarkastivat silmämääräisesti fluoroskooppiset tiedot kahden parametrin mittaamiseksi.: nielemisosien kesto ja hengitysteihin tunkeutumisen tai aspiraation laajuus nielemisjaksojen aikana käyttäen penetraatio-aspiraatioasteikkoa . Yksi näistä tuomareista on penetraatio-aspiraatioasteikon kehittäjä, joka kehitti päätöksentekosäännöt tiettyjen kehysten valitsemiseksi merkitsemällä segmentin keston alkamis-ja siirtymisvaiheet ja arvioimalla hengitystiesuojan laajuutta nielun aikana käyttäen kahdeksanpisteistä penetraatio-aspiraatioasteikkoa. Sitten he kouluttivat toisen tuomarin näiden videonauhojen valintamenetelmiin. Koulutuksen jälkeen molemmat tuomarit arvioivat 25 tuntemattoman videolle tallennetun pääskysen joukon, joista yksikään ei sisältynyt tämän tutkimuksen osallistujatietoihin. Arvostelukyvyn luotettavuutta arvioitiin käyttäen peruskorrelaatiokerrointa. Raterin sisäinen ja raterin välinen lasien välinen korrelaatiokerroin olivat molemmat 0,998. Hyväksyttyjen segmenttien kestojen ja penetraatio – aspiraatiopisteiden sisäisen ja keskinäisen luotettavuuden määrittämisen jälkeen toinen tuomari arvioi kunkin tässä tutkimuksessa kuvatun pääskysen segmentin alkamispisteet, segmentin offset ja penetraatio-aspiraatioasteikon pisteet.

sokaistuina kiihtyvyysmittaustiedoille nämä tuomarit segmentoivat ja merkitsivät jokaisen yksittäisen pääskysen. Pääskysen segmentin alkamisajaksi (alkamisajaksi) määriteltiin aika, jolloin niellyn boluksen etureuna leikkasi röntgenkuvassa olevan varjon alaleuan Ramuksen takareunan kohdalla, kun taas lopussa (offset) oli aika, jolloin kieliluu suoritti nielemisen aiheuttamaan nieluun liittyvän liikkeen ja palasi lepo-tai nielemistä edeltävään asentoon. Tällä menetelmällä saatuja aikapisteitä käytettiin täry-ja äänisignaalien segmentointiin, jolloin saatiin yksittäisiä nielytietoja. Jokainen pääskynen arvioitiin myös normaalilla 8-pisteisellä ordinaalisella kliinisellä penetraatio-aspiraatioasteikolla (PA-asteikolla) ja kaikki Pääskyt, joiden luokitus oli 3 tai pienempi, sisällytettiin analyysiimme ei-imevänä pääskynä. Tällä asteikolla 3 tai pienempi pistemäärä osoittaa, että joko mitään ainetta ei ole päässyt ylähengitysteihin (pistemäärä 1) tai että kurkunpää on tunkeutunut heikosti ilman (pistemäärä 2) tai siten, että (pistemäärä 3) kurkunpäähän on jäänyt nieltyä ainesta nielyn jälkeen. Tämä raja piste turvallinen-vaarallinen pisteet valittu, koska syvempi kurkunpään tunkeutuminen, ja erityisesti aspiraatio henkitorveen, edustaa asteikolla pisteet 4 ja korkeampi, on havaittu esiintyvän vähäpätöinen esiintymistiheys terveillä henkilöillä, ja varten tutkimuksemme, pidettiin ‘vaarallinen’ Pääskyt. Näitä PA-tuloksia verrattiin sitten kohdunkaulan auskultointilaitteiden kautta hankittuihin signaaleihin .

kun auskultaatiosignaalit oli suodatettu ja segmentoitu, laskimme useita eri ominaisuuksia luonnehtiaksemme kutakin pääskystä. Aika-alueella tutkittiin signaalin vinoutta ja kurtoosia, jotka voidaan laskea tyypillisillä tilastollisilla kaavoilla . Laskimme myös useita informaatioteoreettisia piirteitä noudattamalla aiemmissa julkaisuissa esitettyä menettelyä. Signaalit normalisoitiin nollaan keskiarvoon ja yksikkövarianssiin, minkä jälkeen ne jaettiin kymmeneen tasaväliseen tasoon, jotka vaihtelivat nollasta yhdeksään, jotka sisälsivät kaikki tallennetut signaaliarvot. Tämän jälkeen laskettiin signaalien entropian nopeusominaisuus. Tämä havaitaan vähentämällä signaalin normalisoidun entropian nopeuden vähimmäisarvo 1: stä, jolloin saadaan arvo, joka vaihtelee nollasta täysin satunnaiseen signaaliin, yhteen täysin säännölliseen signaaliin . Normalisoitu entropiaaste lasketaan seuraavasti

jossa perc on prosenttiosuus yksittäisistä merkinnöistä annetussa järjestyksessä L . SE on sekvenssin Shannonin entropia ja lasketaan seuraavasti

missä ρ (j) on annetun jonon todennäköisyysmassafunktio. Quantizing alkuperäisen signaalin 100 diskreetti tasoilla sijasta kymmenen avulla voimme laskea Lempel-Ziv monimutkaisuus

missä k on hajoavan signaalin ainutkertaisten sekvenssien lukumäärä ja n kuvion pituus .

tutkimme myös useita taajuusalueen ominaisuuksia. Keskitaajuus, jota joskus kutsutaan spektriseksi centroidiksi, laskettiin yksinkertaisesti ottamalla signaalin Fourier-muunnos ja löytämällä kaikkien positiivisten taajuuskomponenttien painotettu keskiarvo:

jossa x (n) on taajuuskomponentin suuruus ja f(n) on kyseisen komponentin taajuus. Samoin huipputaajuudeksi todettiin Fourier ‘ n taajuuskomponentti, jolla oli suurin spektrienergia. Määrittelimme signaalin kaistanleveyden sen Fourier-muunnoksen keskihajonnaksi .

lopuksi määrittelimme signaalimme aika-taajuusalueella. Aiemmin todettiin , että nieleminen signaalit ovat jossain määrin ei-paikallaan, johon wavelet hajoaminen sopii paremmin kuin yksinkertainen Fourier-analyysi . Päätimme hajottaa signaalin käyttämällä kymmenennen tilauksen Meyer waveletit, koska ne ovat jatkuvia , on tunnettu skaalaus toiminto, ja enemmän muistuttavat nieleminen signaaleja aika verkkotunnuksen verrattuna Gaussin tai muita yhteisiä aaltoluvun muotoja . Tietyn hajoamistason energia määriteltiin seuraavasti

missä x edustaa likiarvokertoimien vektoria tai yhtä yksityiskohtakertoimia edustavaa vektoria. / / ∗ / tarkoittaa Euklidista normia . Signaalin kokonaisenergia on yksinkertaisesti energian summa kullakin hajoamistasolla. Sieltä voisimme laskea aaltoluvun entropian kuten:

missä Er on tietyn hajoamistason suhteellinen osuus signaalin kokonaisenergiasta ja annetaan

tilastoanalyysi

olennaisten ominaisuuksien laskemisen jälkeen teimme erilaisia tilastollisia vertailuja aineistollemme. Ensin yritimme testata tietojemme normaaliutta Shapiro-Wilk-testillä sekä varianssien tasa-arvoa Levenen testillä arvioidaksemme parametristen testien käyttökelpoisuutta. Kuitenkin eroteltuamme tiedot valittujen muuttujien perusteella (PA-pisteet, osallistujan sukupuoli, aivohalvauksen esiintyminen, boluksen viskositeetti) huomasimme, että noin 60% ominaisuusjakaumistamme täytti nämä oletukset. Tässä vaiheessa päätimme sisällyttää ei-parametriset testit analysoimaan tietojamme.

käytimme Wilcoxonin allekirjoittamaa sijoitustestiä tunnistaaksemme erot kaikissa kolmessa ominaisuudessa turvallisten (PA-pisteet 1-3) ja vaarallisten (PA-pisteet 4-8) pääskyjen osalta ja ositimme nautitun boluksen johdonmukaisuuden. Merkitsevyyden määrittämiseen käytettiin p-arvoa ≤0, 05. Tämä prosessi toistettiin, jotta voitiin testata eroja dysfagisten potilaiden välillä, joilla oli aivohalvaus ja joita ei ollut aivoinfarktin aikana. Peilataksemme aikaisempien tutkimustemme tuloksia teimme toisen joukon rank sum-testejä tutkiaksemme sukupuoleen perustuvia eroja dysfagisesta populaatiosta tallennetuissa signaaleissa. Lopuksi boluksen viskositeetin vaikutuksia aineistoomme tutkittiin Wilcoxonin signeeratuilla testeillä. Tutkittavien ikää ei hyödynnetty muuttujana, sillä aiemmissa tutkimuksissa ikä ei ole juurikaan vaikuttanut kohdunkaulan auskultaatiosignaaleihin suurillakaan ikäeroilla .

tilastollisen tehomme jälkiarvioinnit tehtiin GPower-ohjelmassa . Käytimme Lehmannin arviointimenetelmää, jonka tavoiteteho oli vähintään 0,80. Matemaattisessa muodossa:

missä c on testin statistin kriittinen arvo ja on yhtä suuri kuin 1,64, vastaavasti odotusarvo-ja varianssi-operaattorit ovat E() ja V a r() Ja Φ on normaali kumulatiivinen jakaumafunktio. W on Mann-Whitneyn tilasto ja se on niiden tapausten lukumäärä, joissa yhden ryhmän datapisteellä on alempi sijoitus kuin vaihtoehtoisen ryhmän datapisteillä. Koska niiden välillä oli pieniä vaihteluja populaatiokokojen vaihtelun vuoksi, havaitsimme, että vertailuissamme oli riittävästi tehoa kohtalaisen kokoisten (d=0,40±0,05) vaikutusten erottamiseen.