en statistisk analys av cervikala auskultationssignaler från vuxna med osäkert luftvägsskydd
vårt datainsamlingsprotokoll, signalbehandlingssteg och extraktionstekniker för funktioner är alla identiska med vårt tidigare arbete med icke-aspirerande dysfagiska ämnen (Dudik, JM, Kurosu, a, Coyle, JL, Sejdi Ukrai, E: effekterna av dysfagi på att svälja ljud och vibrationer hos vuxna, under granskning). För fullständighet ingår hela processen nedan med mindre ändringar i beskrivningen av våra experimentgrupper. Protokollet för studien godkändes av Institutional Review Board vid University of Pittsburgh.
datainsamling
vår inspelningsutrustning bestod av en tri-axiell accelerometer och en kontaktmikrofon fäst vid deltagarens främre hals med dubbelsidig tejp. Accelerometern (ADXL 327, Analog Devices, Norwood, Massachusetts) monterades i ett anpassat plastfodral och fästes över cricoidbrosket som tidigare beskrivits för att ge högsta signalkvalitet . Huvudaccelerometeraxlarna var inriktade ungefär parallellt med livmoderhalsen och vinkelrätt mot koronalplanet och kommer att kallas överlägsen-underlägsen respektive främre-bakre axlar. Den tredje axeln användes inte för denna studie eftersom en jämförbar signal inte användes i vår studie av friska försökspersoner . Sensorn drivs av en strömförsörjning (modell 1504, BK Precision, Yorba Linda, Kalifornien) med en 3V-utgång, och de resulterande signalerna filtrerades bandpass från 0,1 till 3000 Hz med tio gånger förstärkning (modell P55, Grass Technologies, Warwick, Rhode Island). Spänningssignalerna för varje axel på accelerometern matades båda in i en National Instruments 6210 DAQ och registrerades vid 20 kHz av LabView-programmet Signal Express (National Instruments, Austin, Texas). Denna inställning har visat sig vara effektiv vid detektering av sväljningsaktivitet i tidigare studier . Mikrofonen (Modell C 411L, AKG, Wien, Österrike) placerades under accelerometern och något mot höger sida av luftstrupen för att undvika kontakt mellan de två sensorerna och förhindra obstruktion av den radiografiska vyn av övre luftvägarna, men registrerar fortfarande händelser från ungefär samma plats. Denna plats har tidigare beskrivits för att vara lämplig för att samla sväljande ljudsignaler . Mikrofonen drivs av en strömförsörjning (modell B29L, AKG, Wien, Österrike) och inställd på ‘linje’ impedans med en volym på ‘9’ medan den resulterande spänningssignalen skickades till den tidigare nämnda DAQ. Denna signal lämnades ofiltrerad, eftersom en övre gräns för bandbredden för att svälja ljud ännu inte har hittats. Signalen samplades av Signal Express vid 20 kHz. Dessa sensorer fästes före och fick samla in data under en videofluoroskopisk sväljningsbedömning, så samtidiga videofluoroskopibilder erhölls också. Bilderna som utmatas av röntgenmaskinen (Ultimax system, Toshiba, Tustin, CA) inmatades till ett videokort (AccuStream Express HD, Foresight Imaging, Chelmsford, MA) och spelades in med samma Labview-program.
totalt 76 patienter med misstänkt dysfagi som var planerade att genomgå en videofluoroskopisk sväljningsutvärdering vid University of Pittsburgh Medical Center (Pittsburgh, Pennsylvania) fungerade som provet. Deltagarna rekryterades från den allmänna slutenvården och öppenvården av personer som hänvisades till Speech Language Pathology service för instrumentell bedömning av orofaryngeal sväljfunktion med videofluoroskopi (VFS). Som ett resultat av den höga förekomsten av multipla komorbiditeter hos patienter med dysfagi och interaktioner mellan dessa tillstånd orsakar dysfagi, det fanns få patienter för vilka en enda inläggning eller sjukhusförvärvad diagnos kunde identifieras som den enda orsaken till deras dysfagi. Bland de vanligaste diagnoserna i vår kohort var stroke (17), organtransplantation (13 lung, 3 hjärta, lever, njure eller flera organ), dysfagi som inte anges på annat sätt (19), andningssvikt (7), icke-stroke neurologisk sjukdom (6), cancer – lung, esofagus, huvud-hals (3) och lunginflammation (8). Totalt 17 patienter (10 män, 7 kvinnor, medelålder 67) hade en aktuell diagnos av stroke medan de återstående 59 (40 män, 19 kvinnor, medelålder 61) hade medicinska tillstånd som inte var relaterade till stroke. De patienter som hade en historia av större huvud-eller nackkirurgi, var utrustade hjälpmedel som hindrade den främre halsen, såsom ett trakeostomirör, eller inte var tillräckligt kompetenta för att ge informerat samtycke inkluderades inte i studien, men inga andra villkor uteslöts. Patienter med dysfagi genomgick inte ett standardiserat datainsamlingsförfarande, eftersom videofluoroskopiundersökningen rutinmässigt modifieras av undersökaren för att passa den enskilda patienten. Denna metod för datainsamling representerar närmare den faktiska kliniska miljön. Alla analyserade svalor var begränsade till de som gjordes medan deltagarens huvud var i ett neutralt huvudläge. Svalor gjorda med manövrer som ansträngd svälja, supraglottisk svälja eller Mendelsohn manöver utesluts också. Vätskorna som svaldes under undersökningen inkluderade kyld (5 msk C) Varibar tunn vätska, med <5 cps konsistens, och Varibar nektar, med 300 cps konsistens, (Bracco, Milano, ita) presenterad som antingen självadministrerad från en kopp i bekväma volymer självvald av patienten eller administrerad av undersökaren i volymer om cirka 3 mL från en 5 mL sked. Totalt 468 svalor (128 från patienter med stroke, 340 utan) hade inte mer än mindre penetration av bolus i struphuvudet medan 53 svalor (19 från de med stroke, 34 utan) hade större penetration eller rester. Dessa grupper kan klassificeras som att ha en Penetration Aspiration-poäng på 3 eller mindre i den första gruppen eller en poäng på 4 eller högre i den andra, vars betydelse förklaras i följande avsnitt .
signalbehandling och analys
Data som registrerats med accelerometern genomgick flera bearbetningssteg för att förbättra sin signalkvalitet. En signal inspelad från enheten när den presenterades utan ingång på ett tidigare datum användes för att generera en automatisk regressiv modell av enhetens brus. Koefficienterna för denna modell användes sedan för att generera ett ändligt impulsresponsfilter som användes för att ta bort enhetens brus från den inspelade signalen. Därefter avlägsnades rörelseartefakter och annat lågfrekvent brus från signalen genom användning av minst kvadratiska splines. Specifikt använde vi fjärde ordningens splines med ett antal knutar lika med \(\frac {\text {\textit {Nf}}_{L}}{f_{s}}\), där N är antalet datapunkter i provet, fs är den ursprungliga 10 kHz samplingsfrekvensen för våra data, och f l är lika med antingen 3,77 eller 1,67 Hz för överlägsen-underlägsen respektive främre-bakre riktningen. Värdena för f l beräknades och optimerades i tidigare studier. Slutligen försökte vi minimera effekten av bredbandsbuller på signalen genom att använda wavelet-denoiseringstekniker. Specifikt valde vi att använda tionde ordningens Meyer wavelets med mjuk tröskelvärde. Värdet på vår tröskel valdes till lika med \(\sigma\sqrt {2\ log n}\), där N är antalet prover i datamängden och den beräknade standardavvikelsen för bruset, definieras som medianen för de nedprovade wavelet-koefficienterna dividerat med 0,6745. Vi tillämpade samma FIR-filtrerings-och wavelet-denoiseringstekniker på mikrofonsignalen efter omberäkning av lämpliga koefficienter. Inga splines eller andra lågfrekventa borttagningstekniker tillämpades på sväljljuden eftersom vi inte hade undersökt om sådana frekvenser innehöll viktig ljudinformation.
två domare, både tal språk patologer med dysfagi forskningserfarenhet och vars Inter – och intra-rater tillförlitlighet i de åtgärder som används i denna studie har fastställts i tidigare publicerad forskning, visuellt inspekterade fluoroskopiska data för att mäta två parametrar: varaktigheten av sväljningssegmenten och omfattningen av luftvägspenetration eller aspiration under sväljningssegmenten med hjälp av penetrationsspirationsskalan . En av dessa domare är en medutvecklare av penetration aspiration scale som utvecklade beslutsregler för val av specifika ramar som markerar segmentets varaktighet debut och offset och i betyg av omfattningen av luftvägsskydd under sväljningen med hjälp av åtta-punkts penetration-aspiration scale. De utbildade sedan den andra domaren i metoder för val av dessa videoramar. Efter träning utvärderade båda domarna en uppsättning tjugofem okända videoinspelade svalor, varav ingen ingick i deltagardata för den aktuella studien. Domens tillförlitlighet utvärderades med hjälp av intraklasskorrelationskoefficienten. Intra-rater och inter-rater intraklasskorrelationskoefficienterna var båda 0,998. Efter etablering av acceptabel intra-och Inter-rater-tillförlitlighet för segmentlängder och penetrations-aspirationspoäng utvärderade den andra domaren sedan segmentets start -, segmentförskjutnings-och penetrations-aspirationsskala för varje svälja som beskrivs i föreliggande studie.
blindad för accelerometridata segmenterade dessa domare och märkte varje enskild svälja. Början (början) av ett svalsegment definierades som den tid då den främre kanten av den svalkade bolusen korsades med skuggan som kastades på röntgenbilden av den bakre gränsen till underkäkens ramus medan slutet (offset) var den tid då hyoidbenet fullbordade rörelse i samband med sväljningsrelaterad svalgaktivitet och återvände till sin vilo-eller försvallningsposition. De tidpunkter som tillhandahålls av denna procedur användes för att segmentera vibrations-och akustiska signaler och därigenom erhålla individuella sväljdata. Varje svälja bedömdes också på en standard 8-punkts ordinär klinisk penetrations-aspirationsskala (PA-skala) och eventuella svalor med en rating på 3 eller lägre inkluderades i vår analys som en icke-aspirerande svälja. Poäng av 3 eller lägre på denna skala indikerar att antingen inget material kom in i övre luftvägarna (poäng av 1) eller grunt penetration av struphuvudet utan (poäng av 2) eller med (poäng av 3) någon rest av svalnat material kvar i struphuvudet efter sväljningen. Denna Brytpunkt för säker-osäkra poäng som valts eftersom djupare laryngeal penetration, och särskilt aspiration i luftstrupen, representerad av skalpoäng på 4 och högre, har visat sig förekomma med försumbar frekvens hos friska personer, och för syftet med Vår studie, ansågs vara ‘osäkra’ svalor. Dessa pa-poäng jämfördes sedan med signaler som förvärvades genom de cervikala auskultationsanordningarna .
när auskultationssignalerna filtrerades och segmenterades beräknade vi flera olika funktioner för att karakterisera varje svälja. I tidsdomänen undersökte vi signalens skevhet och kurtos, som kan beräknas med de typiska statistiska formlerna . Vi beräknade också flera informationsteoretiska funktioner genom att följa proceduren som beskrivs i tidigare publikationer. Signalerna normaliserades till noll medel-och enhetsvarians och delades sedan in i tio lika fördelade nivåer, från noll till nio, som innehöll alla inspelade signalvärden. Vi beräknade sedan entropihastigheten hos signalerna. Detta hittas genom att subtrahera minimivärdet för den normaliserade entropihastigheten för signalen från 1 för att producera ett värde som sträcker sig från noll, för en helt slumpmässig signal, till en, för en helt vanlig signal . Den normaliserade entropihastigheten beräknas som
där perc är procentandelen av unika poster i den givna sekvensen L . SE är Shannon entropi av sekvensen och beräknas som
där den angivna sekvensens sannolikhetsmassfunktion(J) är den angivna sekvensens sannolikhetsmassfunktion. Kvantisering av den ursprungliga signalen till 100 diskreta nivåer istället för tio gjorde det möjligt för oss att beräkna Lempel-Ziv-komplexiteten som
där k är antalet unika sekvenser i den sönderdelade signalen och n är mönsterlängden .
vi undersökte också flera funktioner i frekvensdomänen. Centrumfrekvensen, ibland kallad spektral centroid, beräknades helt enkelt genom att ta Fouriertransformen av signalen och hitta det vägda genomsnittet av alla positiva frekvenskomponenter:
där x (n) är storleken på en frekvenskomponent och f(n) är frekvensen för den komponenten. På samma sätt befanns toppfrekvensen vara fourierfrekvenskomponenten med den största spektralenergin. Vi definierade signalens bandbredd som standardavvikelsen för dess Fourier-Transformation .
slutligen karakteriserade vi vår signal i tidsfrekvensdomänen. Tidigare bidrag fann att sväljningssignaler till viss del är icke-stationära , till vilka wavelet-sönderdelning är bättre lämpad än en enkel Fourieranalys . Vi valde att sönderdela vår signal med tionde ordningens Meyer wavelets eftersom de är kontinuerliga, har en känd skalningsfunktion och mer liknar sväljningssignaler i tidsdomänen jämfört med gaussiska eller andra vanliga wavelet-former . Energin i en given nedbrytningsnivå definierades som
där x representerar en vektor av approximationskoefficienterna eller en av vektorerna som representerar detaljkoefficienterna. / / 2 / / betecknar den euklidiska normen . Signalens totala energi är helt enkelt summan av energin vid varje sönderdelningsnivå. Därifrån kunde vi beräkna wavelet entropi som:
där Er är det relativa bidraget från en given sönderdelningsnivå till den totala energin i signalen och ges som
statistisk analys
efter beräkning av relevanta funktioner utförde vi olika statistiska jämförelser på vår datamängd. Först försökte vi testa för normaliteten av våra data med Shapiro-Wilk-testet såväl som variansernas jämlikhet via Levene-testet för att bedöma lönsamheten för att använda parametriska tester. Men efter att ha separerat data baserat på våra valda variabler (PA-poäng, deltagarens kön, närvaro av stroke, bolusviskositet) fann vi att cirka 60% av våra funktionsfördelningar uppfyllde dessa antaganden. Vid denna tidpunkt valde vi att införliva icke-parametriska tester för att analysera våra data.
vi använde Wilcoxon signed rank test för att identifiera skillnader med avseende på varje funktion i alla tre signalerna för säkra (PA-poäng på 1-3) och osäkra (PA-poäng på 4-8) svalor och stratifierade av konsistensen hos den intagade bolusen. Ett p-värde på 0,05 användes för att bestämma betydelsen. Denna process upprepades för att testa för skillnader mellan dysfagiska patienter med och utan stroke under ‘osäkra’ svalor. För att spegla resultaten från våra tidigare studier utförde vi en annan uppsättning rank sum-test för att undersöka könsbaserade skillnader i signalerna registrerade från den dysfagiska befolkningen. Slutligen undersöktes effekterna av bolusviskositet på våra data genom användning av Wilcoxon signerade rank-test. Försökspersonernas ålder användes inte som en variabel eftersom tidigare arbete har visat liten signifikant effekt av ålder på cervikala auskultationssignaler även för stora åldersskillnader .
post hoc-uppskattningar av vår statistiska effekt utfördes i gpower-programvaran. Vi använde Lehmanns uppskattningsmetod med en målkraft på minst 0,80. I matematisk form:
där c är det kritiska värdet för teststatistiken och är lika med 1,64, är E() och V a r() de förväntade värdena respektive variansoperatörerna, och exportorienterade är den normala kumulativa fördelningsfunktionen. W är Mann-Whitney-statistiken och är antalet fall där en datapunkt från en grupp har en lägre rang än datapunkterna i den alternativa gruppen. Med små variationer mellan dem på grund av de variabla populationsstorlekarna fann vi att våra jämförelser hade tillräcklig kraft för att skilja mellan måttligt stora (d=0.40 0.05 0.05) effekter.
