فهرست مطالب عنوان صفحه 1-مقدمه….. 21-1-تعریف وقفه تنفسی در خواب.. 21-2-دستگاه پالس اکسیمتر.. 41-3-ضرورت اندازه گیری نرخ تنفس.. 51-4-روش های اندازه گیری متغیرهای تنفسی.. 51-5-استفاده از سیگنال PPG برای تخمین نرخ تنفس.. 61-5-1- تعریف سیگنال فوتوپلتیسموگرام.. 61-5-2- رابطه سیگنال PPG و سیستم تنفسی.. 71-6-تعریف مسئله.. 81-7-نگاهی به فصول پایان نامه.. 92-پیشینه و مبانی نظری تحقیق.. 122-1- تاریخچه استفاده از سیگنال PPG به منظور استخراج اطلاعات تنفسی 122-2- روش های پردازش سیگنال PPG.. 142-2-1-آنالیز ویولت.. 152-2-2-مدلسازی خود برگشتی.. 202-2-3-کرتوسیس.. 222-3-روش های مختلف استخراج اطلاعات تنفسی از سیگنال PPG.. 232-3-1-جمع آوری داده.. 232-3-2-روش های حذف نویز حرکتی از سیگنال PPG.. 242-3-3-الگوریتم کاهش نویز حرکتی با استفاده ازتبدیل ویولت 242-4- روش های موجود برای استخراج اطلاعات تنفسی از سیگنال PPG 292-4-1-آنالیز مؤلفه های اصلی چند مقیاسی بهبود یافته.. 292-4-2-الگوریتم خودبازگشتی.. 342-4-3-الگوریتم Secondary wavelet feature decoupling. 372-4-4-الگوریتم Fix frequency complex demodulation. 432-4-5-الگوریتم دیجیتال فیلترینگ.. 462-4-6-الگوریتم empirical mode decomposition. 483-روش انجام پژوهش.. 533-1-جمع آوری داده از بیماران مبتلا به آپنه تنفسی در خواب 533-1-1-پلیسمنوگرافی.. 533-1-2-دستگاه پلیسمنوگرافی.. 543-2-روش پیشنهادی برای تخمین نرخ تنفس از سیگنال PPG افراد مبتلا به بیماری آپنه خواب.. 553-2-1-پیش پردازش و حذف نویز.. 563-2-2-استخراج نرخ تنفس از سیگنال PPG بازسازی شده با استفاده از مدل AR. 604-آزمایش ها و نتایج.. 644-1-نتایج حاصل از پیاده سازی روش پیشنهادی بر روی داده های واقعی 645-نتیجه گیری و پیشنهادات.. 685-1-نتیجه گیری.. 685-2-پیشنهادات آینده.. 696.فهرست منابع.. 70 فهرست جدول‌ها عنوان صفحه جدول2‑1: نتایج شبیه سازی روش حذف نویز سیگنال PPG با استفاده از ویولت. بهترین نتیجه برای هر ویولت مادر پررنگ نشان داده شده است.....................................................................................................................28جدول2‑2: نتایج اعمال الگوریتم MMSPCA بر روی سیگنال PPG #055..............................................................32جدول2‑3: میانگین خطای بین 3 دقیقه از سیگنال تنفسی استخراج شده از سیگنال PPG #055 و سیگنال تنفسی ثبت شده با کمربند سینهای...........................................................................................................................36جدول 4-1: نتایج اعمال روش پیشنهادی بر روی دادههای واقعی 29 فرد مورد آزمایش......................................65جدول 4-2: accuracy روش پیشنهادی به تفکیک شرایط سلامت و BMI افراد.....................................................66فهرست شکل‌ها عنوان صفحه شکل 1-1: باریک شدن راه هوایی در سیستم تنفس........................................................................................................3شکل 1‑2: در شکل سمت راست انواع پالس اکسیمتر نشان داده شده است و شکل سمت چپ اجزای یک پالس اکسیمتر را به تصویر کشیده است.4شکل 1‑3: مدولاسیون های سیستم تنفسی روی سیگنال PPG8شکل 2‑1: طیف چگالی توان سیگنال PPG، با توجه به پیک های تیز آن مدل AR برای آن مناسب است21شکل 2‑2: الگوریتم تبدیل ویولت25شکل 2‑3: مراحل الگوریتم حذف نویز با ویولت25شکل 2‑4: سیگنال PPG نمونه برداری شده با فرکانس 125 هرتز26شکل 2‑5: نویز حرکتی و down sample شده آن27شکل 2‑6: در شکل فوق به ترتیب سیگنال PPG بدون نویز، سیگنال تنفسی ثبت شده به طور همزمان با کمربند سینهای و در آخر سیگنال تنفسی استخراج شده با الگوریتم MMSPCA نشان داده شده است33شکل 2‑7: در شکل فوق به ترتیب طیف توان سیگنال PPG، سیگنال تنفسی ثبت شده به طور همزمان با کمربند سینه ای و در آخر سیگنال تنفسی استخراج شده با الگوریتم MMSPCA نشان داده شده .................33شکل 2‑8: در شکل فوق به ترتیب سیگنال PPG بدون نویز، سیگنال تنفسی ثبت شده به طور همزمان با کمربند سینهای و در آخر سیگنال تنفسی استخراج شده با الگوریتم MMSPCA نشان داده شده است34شکل 2‑9: مرحله اول الگوریتم AR35شکل 2‑10: قطب های مدل AR و محدوده دلخواه36شکل 2‑11: مراحل پیش پردازش 30 ثانیه از سیگنال PPG #055 قبل از اعمال مدل AR36شکل 2‑12: ویولت مادر مورلت37شکل 2‑13: ماکزیممهای یک سیگنال فرضی با دو ویژگی38 شکل2-14: ridge frequency perturbation 39شکل 2-15: ridge amplitude perturbation................................................................................................................39شکل 2-16: شکل بالا سیگنال PPG و سیگنال پایین طیف توان سیگنال PPG است............................................41شکل 2-17: اسکیلوگرام سیگنال PPG.............................................................................................................................41شکل 2-18: اسکیلوگرام RAP.............................................................................................................................................42شکل 2-19: طیف توان سیگنال خروجی الگوریتم SWFD............................................................................................42شکل 2‑20: سیگنال PPG #055 در بالا و سیگنال تنفسی ثبت شده به طور همزمان با آن به وسیله کمربند سینهای، که الگوریتم FFCDM روی آن اعمال شده، در پایین نشان داده شده است.44شکل 2‑21: طیف توان سیگنال PPG را به ترتیب در حالت اولیه و بعد از اعمال فیلتر پایین گذر و downsampling نشان داده شده است.45شکل 2‑22: نتیجه ی نهایی الگوریتم FFCDM، که طیف توان مدولاسیون فرکانسی را نشان می دهد و فرکانس پیک آن نشان دهنده ی فرکانس تنفس است.45شکل 2‑23: در شکل فوق 30 ثانیه از سیگنال PPG و سیگنال تنفسی ثبت شده به طور همزمان با آن به وسیله کمربند سینه ای نشان داده شده است .47شکل 2-24: شکل بالا سمت راست سیگنال تنفسی ثبت شده توسط کمربند سینهای را نشان میدهد و در زیر آن سیگنال به دست آمده بعد از اعمال الگوریتم دیجیتال فیلترینگ بر روی سیگنال PPG است ..................47شکل 2-25: IMFهای استخراج شده از سیگنال PPG..................................................................................................50شکل 2-26: طیف توان IMFهای استخراج شده.............................................................................................................51شکل 2-27: سیگنال حاصل از جمع IMFهای مورد نظر در شکل راست و طیف توان آن در چپ....................51شکل 3-1: دستگاه SOMNOscreen™ plus..................................................................................................................54شکل 3-2: محل اتصال سنسورهای دستگاه PSG به بدن بیمار..................................................................................54شکل 3-3: پالس اکسیمتر دستگاه SOMNOscreen™ plus......................................................................................55شکل 3-4: ضرایب جزئی و تقریبی تجزیه ویولت سیگنال 128 هرتز و باند فرکانسی هر ضریب........................57شکل3-5: مراحل تجزیه ویولت ..........................................................................................................................................58شکل 3-6: سیگنال PPG در بالا و ضرایب آن در حوزه ویولت.....................................................................................59شکل 3-7: در بالا سیگنال بازسازی شده PPG بر روی سیگنال اولیه رسم شده است و در پایین ضرایب حوزه ویولت سیگنال بازسازی شده نشان داده شده است......................................................................................................59شکل 3-8: در بالا سمت چپ سیگنال اصلی PPG و پایین سمت چپ سیگنال بازسازی شده PPG به همراه طیف توان مربوط به هر کدام در ستون مجاور نشان داده شده است........................................................................60شکل 3‑9: در شکل فوق به ترتیب 30 ثانیه از سیگنال PPG#055 و سیگنال تنفسی ثبت شده به طور همزمان با آن به وسیله کمربند سینهای، که الگوریتم پیشنهادی بر روی آن انجام شده، نشان داده شده است.61شکل 3‑10: (a) سیگنال PPG#055، (b) طیف توان سیگنال PPG#055، (c) سیگنال بازسازی شده بعد از اصلاح ضرایب ویولت سیگنال PPG اولیه، (d) طیف توان سیگنال بازسازی شده بعد از اصلاح ضرایب ویولت سیگنال PPG اولیه، (e) سیگنال تنفسی ثبت به طور همزمان با سیگنال PPG با کمربند سینه ای، (f) طیف توان سیگنال تنفسی ثبت به طور همزمان با سیگنال PPG با کمربند سینه ای.62شکل 4-1: مقایسه rmse روش پیشنهادی با پنج روش ذکر شده دیگر بر روی دسته دادهی ثابت 20 فرد مبتلا به آپنه تنفسی........................................................................................................................................................................66 1. مقدمه1-1. تعریف وقفه تنفسی در خواب[1]در سالهای اخیر خواب به عنوان یک پدیدهی الکتریکی شناخته شده است و پژوهشهای انجام شده در زمینه اختلالات خواب، اهمیت بهبود و درمان آنها را بیش از پیش مشخص کرده است. اختلالات در خواب میتواند به اختلال در وضع فیزیولوژیک بدن و یا مشکلات رفتاری و عاطفی در افراد منجر شود. یکی از رایجترین اختلالات خواب، وقفه تنفسی در خواب یا آپنه خواب است. آپنه خواب به دو نوع آپنه انسدادی خواب[2](OSA) و آپنه خواب مرکزی[3](CSA) دستهبندی میشود. آپنه[4] به معنی توقف کوتاه مدت تنفس است و آپنه خواب شرایطی را توصیف میکند که توقفهای تنفسی متعدد در طول خواب رخ میدهد. بر این اساس یکی از تعاریف اولیهی آپنه خواب، رخ دادن بیشتر از 10 ثانیه وقفه تنفسی در طول بیشتر از 5 ساعت خواب است[1]. به صورتی که تغییر مراحل خواب[5] در این افراد بیشتر از حالتی است که برای افراد سالم تعریف میشود[2].آپنه خواب مرکزی به شرایطی گفته میشود که در آن توقف جریان هوایی[6] بدون هیچ فعالیت تنفسی باشد[3] در مقابل آپنه انسدادی خواب در حالتی تعریف میشود که در هنگامرویدادهای تنفسی[7]، فعالیت تنفسی هم وجود داشته باشد[7-4]. گرچه این تعاریف کاملأ از هم متمایز هستند ولی در واقعیت OSA و CSA از لحاظ علائم بالینی و پاتوژنیز[8] همپوشانیهایی باهم دارند[9و8].یکی از دلایل عمدهی بروز آپنه تنفسی باریک شدن یا بسته شدن راه هوایی فوقانی[9] در سیستم تنفسی بیمار است(شکل 1-1). در طول آپنه، چون امکان تبادل گاز وجود ندارد، میزان اکسیژن اشباع در خون کاهش مییابد که باعث افزایش فعالیت اعصاب سمپاتیک یعنی افزایش ضربان قلب و فشار خون میشود. این موضوع زمانی ازلحاظ کلینیکی اهمیت دارد که اکسیژن اشباع در خون قبل از اپیزود آپنه به کمتر از 95 درصد سطح اشباع[10] برسد و برای بیشتر از 10ثانیه نیز در این شرایط باقی بماند[11و10]. تقریبا 5 درصد جمعیت کل جهان از این بیماری رنج میبرند و در کشورهای توسعه یافته این عدد در بین مردان با سن بیشتر از 70 سال به 30درصد میرسد.