o analiză statistică a semnalelor de auscultație cervicală de la adulți cu protecție nesigură a căilor respiratorii
protocolul nostru de colectare a datelor, etapele de procesare a semnalului și tehnicile de extracție a caracteristicilor sunt identice cu lucrările noastre anterioare cu subiecți disfagici care nu aspiră (Dudik, JM, Kurosu, a, Coyle, JL, Sejdi și vibrații la adulți, în curs de revizuire). Pentru completitudine, întregul proces este inclus mai jos, cu modificări minore ale descrierii grupurilor noastre experimentale. Protocolul pentru studiu a fost aprobat de Consiliul de revizuire instituțională de la Universitatea din Pittsburgh.
colectarea datelor
aparatul nostru de înregistrare a constat dintr-un accelerometru tri-axial și un microfon de contact atașat la gâtul anterior al Participantului cu bandă dublă. Accelerometrul (ADXL 327, Analog Devices, Norwood, Massachusetts) a fost montat într-o carcasă din plastic personalizată și aplicat peste cartilajul cricoid așa cum s-a descris anterior pentru a oferi cea mai înaltă calitate a semnalului . Axele principale ale accelerometrului au fost aliniate aproximativ paralel cu coloana cervicală și perpendicular pe planul coronal și vor fi denumite axele superior-inferior și respectiv anterior-posterior. A treia axă nu a fost utilizată pentru acest studiu, deoarece un semnal comparabil nu a fost utilizat în studiul nostru asupra subiecților sănătoși . Senzorul a fost alimentat de o sursă de alimentare (model 1504, BK Precision, Yorba Linda, California) cu o ieșire de 3V, iar semnalele rezultate au fost filtrate de la 0,1 la 3000 Hz cu amplificare de zece ori (model P55, Grass Technologies, Warwick, Rhode Island). Semnalele de tensiune pentru fiecare axă a accelerometrului au fost ambele introduse într-un National Instruments 6210 DAQ și înregistrate la 20 kHz de programul LabView Signal Express (National Instruments, Austin, Texas). Această configurație s-a dovedit a fi eficientă în detectarea activității de înghițire în studiile anterioare . Microfonul (modelul C 411L, AKG, Viena, Austria) a fost plasat sub accelerometru și ușor spre partea laterală dreaptă a traheei, astfel încât să se evite contactul dintre cei doi senzori și să se prevină obstrucția vederii radiografice a căilor respiratorii superioare, dar să se înregistreze evenimente din aproximativ aceeași locație. Această locație a fost descrisă anterior ca fiind adecvată pentru colectarea semnalelor sonore de înghițire . Microfonul a fost alimentat de o sursă de alimentare (model B29L, AKG, Viena, Austria) și setat la impedanța ‘linie’ cu un volum de ‘9’ în timp ce semnalul de tensiune rezultat a fost trimis la DAQ menționat anterior. Acest semnal a fost lăsat nefiltrat, deoarece nu a fost încă găsită o limită superioară a lățimii de bandă a sunetelor de înghițire. Semnalul a fost eșantionat de Signal Express la 20 kHz. Acești senzori au fost atașați înainte și li s-a permis să colecteze date în timpul unei evaluări de înghițire videofluoroscopică, astfel încât au fost obținute și imagini videofluoroscopice concurente. Imaginile afișate de aparatul cu raze X (Ultimax system, Toshiba, Tustin, CA) au fost introduse pe o placă de captură video (AccuStream Express HD, Foresight Imaging, Chelmsford, MA) și înregistrate cu același program Labview.
un total de 76 de pacienți cu disfagie suspectată care au fost programați să fie supuși unei evaluări de înghițire videofluoroscopică la Centrul Medical al Universității din Pittsburgh (Pittsburgh, Pennsylvania) au servit drept eșantion. Participanții au fost recrutați din populația generală de spitalizare și ambulatoriu a persoanelor menționate la Serviciul de patologie a limbajului vorbirii pentru evaluarea instrumentală a funcției de înghițire orofaringiană cu videofluoroscopie (VFS). Ca urmare a prevalenței ridicate a comorbidităților multiple la pacienții cu disfagie și a interacțiunilor acestor afecțiuni cauzează disfagie, au existat puțini pacienți pentru care un singur diagnostic de internare sau dobândit în spital ar putea fi identificat ca fiind singura cauză a disfagiei lor. Printre cele mai frecvente diagnostice din cohorta noastră s-au numărat accident vascular cerebral (17), transplant de organe (13 plămâni, 3 inimă, ficat, rinichi sau organe multiple), disfagie nespecificată altfel (19), insuficiență respiratorie (7), boală neurologică fără accident vascular cerebral (6), cancer – pulmonar, esofagian, cap-gât (3) și pneumonie (8). Un total de 17 pacienți (10 bărbați, 7 femei, vârsta medie 67) au avut un diagnostic actual de accident vascular cerebral, în timp ce restul de 59 (40 bărbați, 19 femei, vârsta medie 61) au avut afecțiuni medicale care nu au legătură cu accidentul vascular cerebral. Acei pacienți care au avut antecedente de intervenții chirurgicale majore la nivelul capului sau gâtului, au fost echipați cu dispozitive de asistență care au obstrucționat gâtul anterior, cum ar fi un tub de traheostomie, sau nu au fost suficient de competenți pentru a-și da consimțământul în cunoștință de cauză, nu au fost incluși în studiu, dar nu au fost excluse alte afecțiuni. Pacienții cu disfagie nu au fost supuși unei proceduri standardizate de colectare a datelor, deoarece examinarea videofluoroscopiei este modificată în mod obișnuit de către examinator pentru a se potrivi fiecărui pacient. Această metodă de achiziție a datelor reprezintă mai îndeaproape mediul clinic real. Toate înghițirile analizate au fost limitate la cele făcute în timp ce capul participantului se afla într-o poziție neutră a capului. Înghițirile făcute cu manevre precum înghițirea efortului, înghițirea supraglotică sau manevra Mendelsohn au fost, de asemenea, excluse. Lichidele înghițite în timpul examinării au inclus Varibar lichid subțire refrigerat (5 CTX), cu consistență <5 cps, și Nectar Varibar, cu consistență de 300 cps, (Bracco, Milan, ITA) prezentat fie ca autoadministrat dintr-o cană în volume confortabile select selectate de pacient, fie administrat de examinator în volume de aproximativ 3 mL dintr-o lingură de 5 mL. Un total de 468 de înghițiri (128 de la pacienți cu accident vascular cerebral, 340 Fără) nu au avut decât o penetrare minoră a bolusului în laringe, în timp ce 53 de înghițiri (19 de la cei cu accident vascular cerebral, 34 Fără) au avut o penetrare sau reziduuri mai mari. Aceste grupuri pot fi clasificate ca având un scor de aspirație de penetrare de 3 sau mai puțin în primul grup sau un scor de 4 sau mai mare în al doilea, a cărui importanță este explicată în secțiunea următoare .
procesarea și analiza semnalului
datele înregistrate cu accelerometrul au suferit mai multe etape de procesare pentru a-și îmbunătăți calitatea semnalului. Un semnal înregistrat de la dispozitiv atunci când este prezentat fără intrare la o dată anterioară a fost utilizat pentru a genera un model auto-regresiv al zgomotului dispozitivului. Coeficienții acestui model au fost apoi utilizați pentru a genera un filtru de răspuns la impuls finit care a fost utilizat pentru a elimina zgomotul dispozitivului din semnalul înregistrat. Ulterior, Artefactele de mișcare și alte zgomote de joasă frecvență au fost eliminate din semnal prin utilizarea splinelor cel mai puțin pătrate. Mai exact, am folosit spline de ordinul patru cu un număr de noduri egal cu \(\frac {\text {\textit {NF}}_{l}}{f_{s}}\), unde N este numărul de puncte de date din eșantion, fs este frecvența inițială de eșantionare de 10 kHz a datelor noastre, iar f L este egal cu 3,77 sau 1,67 Hz pentru direcția superior-inferior sau respectiv anterior-posterior. Valorile pentru f l au fost calculate și optimizate în studiile anterioare. În cele din urmă, am încercat să minimalizăm impactul zgomotului în bandă largă asupra semnalului prin utilizarea tehnicilor de denoizare wavelet. Mai exact, am ales să folosim wavelets Meyer de ordinul zecea cu prag moale. Valoarea pragului nostru a fost aleasă pentru a fi egală \(\sigma \ sqrt {2 \ log n}\), unde N este numărul de eșantioane din setul de date, iar ecut, deviația standard estimată a zgomotului, este definită ca mediana coeficienților de undă eșantionați în jos împărțiți la 0,6745. Am aplicat aceleași tehnici de filtrare FIR și denoising wavelet la semnalul microfonului după recalcularea coeficienților corespunzători. Nu s-au aplicat spline sau alte tehnici de îndepărtare a frecvenței joase sunetelor de înghițire, deoarece nu am investigat dacă astfel de frecvențe conțineau informații sonore importante.
doi judecători, ambii patologi ai limbajului vorbirii cu experiență în cercetarea disfagiei și a căror fiabilitate inter – și intra-evaluator în măsurile utilizate în acest studiu au fost stabilite în cercetările publicate anterior, au inspectat vizual datele fluoroscopice pentru a măsura doi parametri: durata segmentelor de înghițire și gradul de penetrare sau aspirație a căilor respiratorii în timpul segmentelor de înghițire utilizând scala de aspirație de penetrare . Unul dintre acești judecători este un co-dezvoltator al scalei de aspirație de penetrare care a dezvoltat reguli de luare a deciziilor pentru selectarea cadrelor specifice care marchează debutul și compensarea duratei segmentului și în evaluarea gradului de protecție a căilor respiratorii în timpul înghițitului folosind scala de penetrare-aspirație în opt puncte. Apoi l-au instruit pe cel de-al doilea judecător în metodele de selecție a acestor cadre video. După antrenament, ambii judecători au evaluat un set de douăzeci și cinci de înghițiri video nefamiliare înregistrate, dintre care niciunul nu a fost inclus în datele participantului pentru prezentul studiu. Fiabilitatea judecății a fost evaluată utilizând coeficientul de corelație intraclass. Coeficienții de corelație intraclasă intra-evaluator și inter-evaluator au fost ambii 0,998. După stabilirea fiabilității acceptabile intra – și inter-evaluator pentru duratele segmentului și scorurile de penetrare-aspirație, al doilea judecător a evaluat apoi scorurile de debut al segmentului, offset de segment și scală de penetrare-aspirație pentru fiecare rândunică descrisă în studiul de față.
orbiți de datele accelerometriei, acești judecători au segmentat și etichetat fiecare rândunică individuală. Începutul (debutul) unui segment de înghițire a fost definit ca momentul în care marginea anterioară a bolusului înghițit s-a intersectat cu umbra aruncată pe imaginea cu raze X de marginea posterioară a ramusului mandibulei, în timp ce sfârșitul (offset) a fost momentul în care osul hioid a finalizat mișcarea asociată cu activitatea faringiană legată de înghițire și a revenit la poziția sa de repaus sau înainte de înghițire. Punctele de timp furnizate de această procedură au fost utilizate pentru segmentarea semnalelor vibratorii și acustice, obținând astfel date individuale de înghițire. Fiecare rândunică a fost, de asemenea, evaluată pe o scală standard de penetrare-aspirație clinică ordinală în 8 puncte (scală PA) și orice rândunică cu un rating de 3 sau mai mic a fost inclusă în analiza noastră ca o rândunică non-aspirantă. Scoruri de 3 sau mai mici pe această scală indică faptul că nici un material nu a intrat în căile respiratorii superioare (scor de 1), nici o penetrare superficială a laringelui fără (scor de 2) sau cu (scor de 3) unele reziduuri de material înghițit rămase în laringe după înghițire. Acest punct limită pentru scorurile sigure-nesigure, așa cum a fost ales, deoarece penetrarea laringiană mai profundă și, în special, aspirația în trahee, reprezentată de scoruri la scară de 4 și mai mari, s-au dovedit a apărea cu o frecvență neglijabilă la persoanele sănătoase și, în scopul studiului nostru, au fost considerate a fi înghițite nesigure. Aceste scoruri PA au fost apoi comparate cu semnalele obținute prin dispozitivele de auscultare cervicală .
odată ce semnalele de auscultație au fost filtrate și segmentate, am calculat mai multe caracteristici diferite pentru a caracteriza fiecare rândunică. În domeniul timpului, am investigat asimetria și kurtoza semnalului, care poate fi calculată cu formulele statistice tipice . De asemenea, am calculat mai multe caracteristici teoretice informaționale urmând procedura prezentată în publicațiile anterioare. Semnalele au fost normalizate la zero medie și varianță unitară, apoi împărțite în zece niveluri la distanțe egale, variind de la zero la nouă, care conțineau toate valorile semnalului înregistrat. Apoi am calculat caracteristica ratei de entropie a semnalelor. Acest lucru se găsește scăzând valoarea minimă a ratei de entropie normalizată a semnalului de la 1 pentru a produce o valoare care variază de la zero, pentru un semnal complet aleatoriu, la unul, pentru un semnal complet regulat . Rata de entropie normalizată se calculează ca
unde perc este procentul intrărilor unice din secvența dată L . SE este entropia Shannon a secvenței și se calculează ca
unde(J) este funcția de masă de probabilitate a secvenței date. Cuantificarea semnalului original la 100 de niveluri discrete în loc de zece ne-a permis să calculăm complexitatea Lempel-Ziv ca
unde k este numărul de secvențe unice din semnalul descompus și n este lungimea modelului .
am investigat, de asemenea, mai multe caracteristici în domeniul frecvenței. Frecvența centrală, denumită uneori Centroid spectral, a fost pur și simplu calculată luând transformata Fourier a semnalului și găsind media ponderată a tuturor componentelor de frecvență pozitivă:
unde x (n) este magnitudinea unei componente de frecvență și f(n) este frecvența acelei componente. În mod similar, frecvența de vârf s-a dovedit a fi componenta de frecvență Fourier cu cea mai mare energie spectrală. Am definit lățimea de bandă a semnalului ca deviația standard a transformatei sale Fourier .
în cele din urmă, am caracterizat semnalul nostru în domeniul frecvenței timpului. Contribuțiile anterioare au constatat că semnalele de înghițire sunt într-o oarecare măsură non-staționare , la care descompunerea wavelet este mai potrivită decât o simplă analiză Fourier . Am ales să descompunem semnalul nostru folosind undele Meyer de ordinul zecelea, deoarece acestea sunt continue, au o funcție de scalare cunoscută și seamănă mai mult cu semnalele de înghițire în domeniul timpului în comparație cu Gaussian sau alte forme de undă comune . Energia într-un anumit nivel de descompunere a fost definită ca
unde x reprezintă un vector al coeficienților de aproximare sau unul dintre vectorii care reprezintă coeficienții de detaliu. / / XV / / denotă norma euclidiană . Energia totală a semnalului este pur și simplu suma energiei la fiecare nivel de descompunere. De acolo, am putea calcula entropia wavelet ca:
unde Er este contribuția relativă a unui nivel de descompunere dat la energia totală din semnal și este dată ca
analiza statistică
după calcularea caracteristicilor relevante am efectuat diverse comparații statistice pe setul nostru de date. În primul rând, am încercat să testăm normalitatea datelor noastre cu testul Shapiro-Wilk, precum și egalitatea varianțelor prin testul Levene pentru a evalua viabilitatea utilizării testelor parametrice. Cu toate acestea, după separarea datelor pe baza variabilelor alese (scorul PA, sexul participantului, prezența accidentului vascular cerebral, vâscozitatea bolusului), am constatat că aproximativ 60% din distribuțiile noastre de caracteristici au îndeplinit aceste ipoteze. În acest moment, am ales să încorporăm teste non-parametrice pentru a analiza datele noastre.
am folosit testul Wilcoxon signed rank pentru a identifica diferențele în ceea ce privește fiecare caracteristică a tuturor celor trei semnale pentru înghițiri sigure (scoruri PA de 1-3) și nesigure (scoruri PA de 4-8) și stratificate de consistența bolusului ingerat. Pentru determinarea semnificației s-a folosit o valoare p de 0,05 la sută. Acest proces a fost repetat pentru a testa diferențele dintre pacienții disfagici cu și fără accident vascular cerebral în timpul înghițiturilor nesigure. Pentru a reflecta rezultatele studiilor noastre anterioare, am efectuat un alt set de teste de sumă de rang pentru a examina diferențele bazate pe sex în semnalele înregistrate din populația disfagică. În cele din urmă, efectele vâscozității bolusului asupra datelor noastre au fost examinate prin utilizarea testelor semnate Wilcoxon. Vârsta subiecților nu a fost utilizată ca variabilă, deoarece lucrările anterioare au arătat un efect semnificativ redus al vârstei asupra semnalelor de auscultare cervicală, chiar și pentru diferențe mari de vârstă .
estimările post-hoc ale puterii noastre statistice au fost efectuate în programul software GPower . Am folosit metoda de estimare a lui Lehmann cu o putere țintă de cel puțin 0,80. În formă matematică:
unde c este valoarea critică a statisticii testului și este egală cu 1,64, E() și V a r() sunt valoarea așteptată și, respectiv, operatorii de varianță, iar XV este funcția normală de distribuție cumulativă. W este statistica Mann-Whitney și este numărul de cazuri în care un punct de date dintr-un grup are un rang mai mic decât punctele de date din grupul alternativ. Cu mici variații între ele datorită dimensiunilor variabile ale populației, am constatat că comparațiile noastre au avut suficientă putere pentru a diferenția efectele de dimensiuni moderate(d=0,40 0,05).
