Metoda wykorzystująca pojedynczy akcelerometr

Metoda ta bazuje na klasycznej obserwacji i ocenie drżenia kończyny górnej wykonywanej przez specjalistę. Do pomiaru amplitudy drżenia wykorzystuje się dwu lub trójosiowy, jednopunktowy akcelerometr umieszczony na dłoni bądź nadgarstku pacjenta (Rysunek 3-8).

63

Rysunek 3-8 Czujnik przyspieszenia, źródło: opracowanie własne

Badanie przeprowadza się przy stanowisku pozwalającym pacjentowi na swobodne wyprostowanie ramion w pozycji siedzącej. Zazwyczaj w czasie jednej serii pacjent wykonuje trzy zróżnicowane zadania, które pozwalają na ocenę drżenia spoczynkowego (ramiona położone swobodnie na blacie stołu), drżenia pozycyjnego (ramiona wyprostowane przed siebie) oraz drżenia kinetycznego, np. w trakcie rysowania spirali Archimedesa. Zarejestrowany sygnał przetworzony wstępnie przez sprzętową jednostkę centralną poddawany jest dalszej obróbce i analizie w dedykowanym oprogramowaniu.

Metoda ta jest stosowana w wielu ośrodkach badawczych i klinicznych, a wyniki z jej stosowania zostały przedstawione między innymi w pracach [44] [45] [46] [47]. Badania pilotażowe zostały także zrealizowane przez grupę badawczą Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Katedry Automatyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie w roku 2005 do oceny drżenia wśród osób z chorobą Parkinsona, a w kolejnych latach metoda ta była stosowana klinicznie, także do oceny drżenia u chorych z połowicznym kurczem twarzy [48].

Szczegółowy opis zastosowania metody z wykorzystaniem akcelerometru przedstawiono w pracy [35]. Przedmiotem badań była analiza i ocena składników widma o dominującej częstotliwości a także wyodrębnienie parametrów, które są przydatne w różnicowaniu drżeń. Badaniu poddano 44 pacjentów z drżeniem parkinsonowskim, 39 pacjentów z drżeniem samoistnym i 13 pacjentów z drżeniem móżdżkowym. Klasyfikację kliniczną drżenia przeprowadzono w oparciu o kryteria

64 opracowane przez Movement Disorders Society i Tremor Investigation Group. Grupa kontrolna składała się z 26 zdrowych osób. Do badań użyto dwuosiowego akcelerometru, który umieszczano na części grzbietowej ręki pacjenta. Na analizę zarejestrowanego materiału składały się:

 ocena kształtu widma,

 ocena częstotliwości dominujących składowych w widmie,

 odchylenie standardowe od częstotliwości środkowej,

 wskaźnik zawartości harmonicznych w widmie,

 przebieg zmian częstotliwości w czasie.

Analiza statystyczna wyznaczonych parametrów pozwoliła na wyodrębnienie grupy pacjentów z drżeniem patologicznym, gdzie obserwowano występowanie pojedynczej dominującej częstotliwości w widmie sygnału utrzymującej się przez cały czas badania. Grupa kontrolna charakteryzowała się natomiast szerokim widmem częstotliwości, które zmieniało się w czasie. Ponadto wykazano niższą częstotliwość dominujących częstotliwości w widmie, niższą częstotliwość środkową oraz mniejsze odchylenie standardowe od częstotliwości środkowej u osób z drżeniem patologicznym w porównaniu z grupą kontrolną. Autorzy pracy wnioskowali, że metoda ta pozwala na odróżnienie drżenia patologicznego od fizjologicznego oraz pomaga w różnicowaniu typów drżenia chorobowego.

Badania przeprowadzone przez interdyscyplinarną grupę badawczą Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Katedry Automatyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie miały na celu ocenę i konfigurację aparatury, przygotowanie dedykowanego stanowiska do badania drżenia w chorobach neurodegeneracyjnych oraz projekt aplikacji do wizualizacji i analizy zebranego materiału. Do rejestracji sygnału drżenia biomedycznego wykorzystano system BIOPAC Systems SS26L (Rysunek 3-9). Podstawą urządzenia jest główny moduł komunikujący się za pośrednictwem sieci LAN z komputerem sterującym.

65

Rysunek 3-9 System BIOPAC MP150 wraz z jednostką sterującą (komputerem klasy PC), źródło: www.biopac.com, 2012.09.01

Poniżej (Tabela 3-6) zestawiono kilka najważniejszych parametrów cechujących system BIOPAC Systems MP150 składający się z jednostki centralnej i modułów wejść/wyjść umożliwiających akwizycję sygnałów biomedycznych z różnego rodzaju czujników.

Parametr Wartość według producenta

Próbkowanie 200 kHz

Bufor wewnętrzny 6M próbek

Komunikacja Ethernet DLC (10Mb/sec)

Zasilanie 12 VDC

Impedancja wejściowa 1 MOhm Zakres napięć wejść (-10,10) V Rozdzielczość wejść 16 bitów

Wielkość 100 x 110 x 190 mm

Waga 1 kg

66 Rejestrację drżenia wykonano za pomocą trójosiowego czujnika przyspieszenia BIOPAC Systems SS26L (Rysunek 3-8). Według specyfikacji producenta jest on przewidziany do rejestracji wolnych ruchów (ruch kończyn podczas chodzenia) bądź ruchu drżenia. Jego podstawowe parametry zestawiono w poniższej tabeli (Tabela 3-7).

Parametr Wartość według producenta

Zakres ± 5G (400 mV/G)

Pasmo DC - 500 Hz (-3dB)

Nieliniowość 0,2 % z pełnej skali

Wielkość 33 x 28 x 19 mm

Waga 17 gram

Tabela 3-7 Podstawowe parametry czujnika przyspieszenia BIOPAC SS26L, źródło: http://www.biopac.com/

Badania pilotażowe objęły 32 osoby z różnymi typami schorzeń neurodegeneracyjnych. Każdy pacjent został poddany trzem kolejnym testom, rejestrującym drżenie spoczynkowe, pozycyjne i kinetyczne. Zaprojektowana aplikacja umożliwiła wstępne przetwarzanie oraz wizualizację sygnału (Rysunek 3-10) pozwalającą lekarzowi na szybką ocenę jego ogólnych parametrów (amplituda, nasilenie drżenia, zmiana drżenia w czasie) oraz stwierdzenie poprawności zapisu danych.

Rysunek 3-10 Wizualizacja zmian przyspieszenia w zapisie drżenie pacjenta z PD

Podstawowa analiza sygnału w dziedzinie czasu obejmowała wyznaczenie następujących parametrów:

67  moc sygnału, współczynnik P określony równaniem (3.6);

 współczynnik nasilenie drżenia w czasie trwania badania;

 współczynnik stabilności drżenia (suma wartości bezwzględnych odchyleń w każdym z zadanych przedziałów od średniej amplitudy całego sygnału); Moc sygnału w zadanym fragmencie:

𝑃(𝑛₁ 𝑛₂) ¹

𝑛₂ − 𝑛₁+ 1 ^{∑ 2}

2

= 1

(𝑛). (3.6)

gdzie: x - wektor sygnału

(𝑛₁ 𝑛₂) - próbki ograniczające fragment do obliczeń

Parametry wyznaczone z sygnału w dziedzinie częstotliwości (po przekształceniu sygnału szybką transformatą Fouriera) obejmowały natomiast:

 częstotliwość dominującą w sygnale (Rysunek 3-11);  amplituda dominującej składowej częstotliwościowej;

 energia sygnału dla dominującej składowej częstotliwościowej;

Rysunek 3-11 Wizualizacja dominującej częstotliwości w widmie drżenia pacjenta z PD, źródło: opracowanie własne

Na podstawie zebranych wyników wyznaczono korelację liniową otrzymanych współczynników z oceną wystawioną przez lekarza. Współczynniki cechujące się najwyższą korelacją, zestawione w poniżej tabeli (Tabela 3-8), pozwoliły na zbudowanie algorytmu oceniającego stopień nasilenia objawu.

68 Współczynnik korelacji

Typ drżenia amp. średnia amp. amp. fmax moc sygnału

kinetyczne 0,76 0,73 0,65 0,73

pozycyjne 0,80 0,65 0,49 0,65

spoczynkowe 0,75 0,71 0,75 0,71

Tabela 3-8 Korelacja parametrów analizy drżenia z oceną lekarza w metodzie z wykorzystaniem akcelerometru

Badanie to, w przeciwieństwie do metody wykorzystującej tablet cyfrowy, umożliwia przeprowadzenie testu wśród pacjentów z bardzo dużym stopniem nasilenia drżenia a także z zaburzeniem wzroku (metoda nie wymaga współpracy pacjenta). Opracowany algorytm pozwala na proste wykorzystanie metody do oceny nasilenia drżenia oraz na różnicowe rozpoznanie różnych typów schorzeń charakteryzujących się inną wartością częstotliwości drżenia. Niedogodnością tej metody jest duży rozmiar jednostki centralnej powodujący, że stanowisko to nie nadaje się do mobilnego wykorzystania.