شرح خبر

تئوری آشوب پردازش سیگنال
tools تئوری آشوب پردازش سیگنال

کاربرد نظریه آشوب در پزشکی،پردازش سیگنال پزشکی

  بیست و نهم آبان ١٣٩٥ ساعت ١٩:١٥ نظرات[1]
 

تئوری آشوب پردازش سیگنال

محققین از حوزه‌های مختلف علوم و مهندسی روش جدیدی برای توصیف پیچیدگی در طبیعت‌ گسترش داده‌اند. این روش با عنوان نظریه آشوب مطرح شده است. امروزه نظریه آشوب به عنوان یک روش قوی و مفید جهت بررسی سیستم­های پیچیده مطرح است و افق­های جدیدی را در فهم رفتار سیستم­های مکانیکی، سیستم­های صوتی، سیال­ها، سیستم­های شیمیائی، سیستم­های نوری، اکو سیستم­ها و سیستم­های زیستی باز کرده است، بطوریکه بسیاری آن را مهمترین کشف قرن بیستم بعد از نظریه نسبیت و مکانیک کوانتم می‌دانند. نشان داده شده است که شبکه عصبی انسان، قلب، عضله سیستم بویائی، سیستم تنفسی، سیستم عصبی-عضلانی انسان دارای رفتار آشوبگونه است. در سال­های اخیر بطور گسترده از نظریه آشوب برابی تبیین سیستم­های زیستی استفاده شده و کاربرد آن در طراحی خط مشی‌های تشخیص بیماریها، مدلسازی، و کنترل رو به گسترش است. همچنین کاربرد نظریه آشوب در حوزه­های مختلفی چون سیستم­های مخابراتی، سیستم­های الکترونیکی، معماری گسترش پیدا کرده است.

از پیشگامان نظریه آشوب، می­توان از لورنز یاد کرد که در امریکا به عنوان ریاضیدان و هواشناس مشهور شناخته می­شد. وی در تحقیقات خود به مطالعه بر روی الگوهای آب و هوایی می­پرداخت و دریافت که آب و هوا همواره آنگونه که پیش بینی می­شود، تغییر نمی­کند. تغییرات لحظه­ای در مقادیر اولیه متغیرها، در مدل ریاضی دوازده متغیره آب و هوای لورنز، منجر به تغییرات به میزان بسیار فاحش در الگوهای آب و هوایی می­شود. این وابستگی و حساسیت به شرایط اولیه به عنوان اثر پروانه­ای شناخته می­شود .

کاربرد بنیادین و جدید علم غیر خطی آشوب در زمینه‌های پزشکی نیز به کندی مورد قبول واقع شده است. هر یک از فرآیندهای تشخیصی، تحقیقی و دارو درمانی که در علم پزشکی کلاسیک وجود دارند و با اصول نیوتنی منتج از اثر علت و معلول شناخته شدند، از ریاضیات خطی بدست آمده اند. وابستگی کامل به تقسیم بندی بیماران بوسیله پارامترهای انعطاف ناپذیری مثل سن، جنسیت، وزن، قد و مشخصات فیزیولوژیکی و بیو شیمیایی منجر به تجویز رژیم‌های درمانی شده است که تنها معیار اصلی تشخیص پزشک؛ آسان بودن ارزیابی، سنجش و معیارهای درمانی است.


فیلد جدید بیولوژی تئوری، بستری مناسب برای پذیرش مدل های آشوبی دارد که منتج به انفجاری در پیدایش مکاتبی شده که بر این باورند که توانایی های ریاضیات خطی و قوانین علت و معلولی نیوتنی در علوم طبیعی نسبت به روش های نوین همچون مدل های آشوبی بسیار اندک است. پیکربندی­های فراکتال و سیستم های غیر خطی دیگر به این دلیل ساخته شده اند که نیاز به یک نگاه دیگر به فرآیندهای درمانی در مطالعات دینامیکی بیولوژی انسان، الزامی است.

با وجود گام های بلند در تبدیل کاربردهای اتفاقی به سیستم­های آشوبناک، جهان پزشکی هنوز هم خود را از ایجاد تغییر در وابستگی و اعتماد به راه حل­های فارماکوکینتیک درمانی بر اساس روابط علت و معلولی و سیستم های برون یابی خطی اقلیدسی، هم در تشخیص و هم در درمان بیزار می­داند.

این نظریه که یک شاخه در حال ظهور و پیشرفت روز افزون از ریاضیات است؛ از کاربرد در جریان های مختلف علمی بدست می­آید. در اصل، این فرضیه ادعا می­کند که تغییرات یا تفاوت های حتی کوچک و جزئی در ورودی اولیه، در طی یک دوره از زمان، می­تواند و باید، منجر به تفاوت فوق العاده ای در خروجی نهایی شود. در واقع، در هر کجا و هر زمان که از گرد کردن و یا مقادیر تقریبی برای محاسبه نتایج استفاده شود اشتباهات فاحشی در دنیای پزشکی در پی خواهد داشت (شکل 1-1). این در حالیست که در جهان پزشکی تقریباً تمام استنتاجات، رژیم های درمانی دارویی و درمان های بالینی، اساسا و انحصارا، بر اساس متوسط ها میانگین ها و تقریب ها می­باشند. داروها، میزان مصرف یا روش های جراحی، بر اساس تشخیصات هستند که خود بستگی به سن، وزن، قد و تقریبا همه مقادیر در تحقیقات بالینی و آزمایشگاهی دارند و این در حالیست که مقدار هر یک از عوامل ذکر شده نه بطور دقیق بلکه در یک محدوده از اعداد و با تقریب بیان می­شود.

شکل 1: آزمایش لورنز، تفاوت این منحنی­ ها فقط در تنها 000127/0 تغییر در شرایط اولیه است

کاربرد نظریه آشوب در پزشکی

کاربرد نظریه آشوب در قلب و عروق

قلب انسان نیز دارای یک الگوی آشوبناک است. زمان بین ضربانها ثابت باقی نمی­ماند و مقدار این ضربان به فعالیتی که شخص در حال انجام آن است بستگی دارد. ضربان قلب می­تواند تحت شرایط خاصی، سرعت بگیرد. در شرایط مختلف، ضربان قلب نامنظم و غیر قابل پیشبینی می­شود و در اغلب اوقات ضربان قلب به عنوان یک پدیده آشوبناک شناخته می­شود. تجزیه و تحلیل یک ضربان قلب به محققان پزشکی کمک می­کند تا به جای مواجهه با یک سیستم آشوبناک غیر قابل کنترل، راهکارهایی برای بهبود ضربان قلب غیر طبیعی پیدا کنند و آنرا دوباره در حالت پایدار قرار دهند .

با استفاده از ضبطECG   نرمال (شکل 2) در 100 سیکل و فقط اندازه گیری ارتفاع پیکQR، نوسانات بسیار گسترده­ای مشاهده می­گردد، که این مشاهده میزان اتفاقی بودن فعالیت الکتریکی قلب را نشان می­دهد. نتایج این تحقیق در شکل 3 به نمایش در آمده است. ارتفاع نامنظم که معرف ضربه­های الکتریکی هزارم ولت از گره سینوسی است به وضوح نشان می­دهد که رفتار اتفاقی و یا آشوبناک در این ارگان حیاتی معمول است و این امروزه به معنای سلامت قلب است. در واقع به بیان علمی­تر، سیگنال ECG فقط باید زمانی که حالت استاتیک دارد منظم باشد. به همین دلیل است که از قلب انسان مرده، سیگنال ECG ثبت شده خیلی صاف و منظم است. نتایج متناقض و نامتوازن در پروسه­های به ظاهر عادی، هنگامی که همان سیستم به عنوان یک سیستم آشوبناک مطالعه می­شود، نشان می­دهد که اعتماد به معادلات و روابط خطی و ساده­سازی­ها در مسائل با ماهیت غیرخطی چه مشکلات و پیامدهای جبران ناپذیری در پی دارد.

شکل 2:  یک سیگنال ECG نمونه

 


                                            شکل 3 : ارتفاعات پیک QR در سیگنال ECG نرمال طی 100 سیکل (نوسانات آشوبناک)

تحقیقات نشان داده است که کاهش انحراف معیار فاصله میان دو ضربان قلب می­تواند در یک گروه از افراد افزایش درصد مرگ و میر را پیش بینی کند. با اینحال این روش نمی‌تواند مشخص کند که یک فرد که برایش این کاهش انحراف معیار ضربان قلب اتفاق افتاده دچار آریتمی های مرگ آور می‌شود یا نمی­شود.

در یک گزارش، مشاهداتی همسان توسط کومارو پون و مریل، با آنالیز الکتروکاردیوگرافی افراد سالم و افراد با نارسایی شدید احتقانی قلب نشان می­دهد تغییرات کوتاه مدت  فاصله ضربان تا ضربان به طور مداوم و به شدت، در همه افراد سالم یک رفتار آشوبناک به نمایش گذاشته است درحالیکه غالبا در بیماران مبتلا به نارسایی احتقانی قلب نوسانات مورد مشاهده از یک رفتار غیر آشوبناک خبر می­دهند. دینامیک آشوبناک در داده های گردآوری شده از افراد بیمار هرچند نشان دهنده درجه بالایی از تغییرات تصادفی در طول زمان است ولی در نهایت یک فرم ضعیف­تر از آشوب در افراد سالم را نشان می­دهد. این یافته ها حاکی از آن است که آشوب در رفتار قلب در قلب های سالم بیشتر است و کاهش در آشوب نشان دهنده نارسایی احتقانی قلب می­باشد.

اندازه­گیری­های انجام گرفته با استفاده از ابزارهای دقیق­تر و حساس­تر، نشان می­دهد که ریتم طبیعی قلب  دارای تغییرات کوچک در فاصله زمانی بین ضربانات می­باشد . کومار گزارش می­دهد که در حالت عادی، فیزیولوژی و عملکرد قلب آشوبناک است و هنگامی که این ویژگی آشوبناکی کمتر شود، به نوعی یک اختلال در عملکرد قلب را نشان می­دهد.

انجام پروژه آشوب

تعلیق آزاد بیضه منجر به یک نوسان تصادفی در ارگان ها می­گردد. حرکت های غیر ارادی بالا، پایین، قدامی، خلفی، چپ یا راست، دایره و بیضی شکل بطور مداوم بر روی کیسه بیضه آویزان اثر می­گذارند و در عمل موجب یک سیستم خنک کنندگی آشوبناک می­شوند. گردش نامنظم غیر ارادی و آزادانه کیسه معلق این اجازه را می­دهد تا بهتر در معرض دمای محیط اطراف قرار گیرد  و محتویات آن خنک کاری شوند. کیسه بیضه یک مثال کلاسیک از سیستم طبیعی خنک کننده آشوبناک است و این به درستی ممکن است عامل اصلی مکانیسم تنظیم حرارت در سوخت و ساز فعال غدد جنسی باشد. وقتی که درجه حرارت پایین تر از سطح مطلوب برود، بیضه ها بطور غیر ارادی از طریق انقباض رفلکس عضلانی کشیده می­شوند و کیسه بیضه عقب کشیده شده و تحرکش کمتر می­شود و حرکتش به مراتب کمتر آشوبناک می­شود. این کنترل گردش نامنظم و پس از آن مهار سیستم خنک کننده با یک ماهیت آشوبناک، از خنک کنندگی مداوم جلوگیری می­کند.

 در برخی از تحقیقات نشان داده شده است نتیجه پوشاندن محکم و طولانی مدت کیسه بیضه ها کاهش میزان آشوبناکی در این سیستم خنک‌کاری است که باعث بیماری­های آزواسپرمی یا الیگو اسپرمی می‌شود.

کاربرد آشوب در پروژه های تشخیص سرطان سینه

غدد پستانی در پستان زنان نیز مشابه سیستم خنک کننده آشوبناک قسمت قبل برای تنظیم درجه حرارت می­باشند. تنها عضو غیر ارادی آزادانه دیگر در انسان به غیر از بیضه ها، غدد پستانی در زنان است. سینه ها نیز، بسیار شبیه به کیسه بیضه می­باشند که بطور طبیعی دارای حرکت نامنظم و اتفاقی است. تلاش برای محدود کردن این تحرک از طریق معمول و استفاده گسترده از سینه بندها، توانایی این خنک کاری آشوبناک را به خطر انداخته است و نتیجه اختلال در مکانیسم های تنظیم کننده درجه حرارت است. اهمیت این موضوع در حدی است که افزایش میزان ابتلا به سرطان سینه در برخی مطالعات به همین بحث مورد اشاره یعنی محدود کردن حرکات تصادفی طبیعی و نامنظم و غیر ارادی این ارگان نسبت داده شده است.

کاربرد آشوب در علم ژنتیک

همواره در سلامتی تنوع و گوناگونی است و در بیماری این گستره باریک تر است. محدودیت­ها را در بیماری می­توان جستجو کرد. مشکلات غده هیپوفیز، کوتاه قدی، رشد غیر عادی، آكندروپلازی از جمله اختلالات هورمونی و ژنتیکی شناخته شده اند.  مواجهه طولانی مدت به باکتری، توکسین­ها و یا مواد سمی نیز اثرات ژنتیکی ایجاد می‌کند، همانند چهره شیرگون در هانسن ها، چانه باریک در کار کردن با فسفر، پایین آمدن ارتفاع پل بینی بعلت سفلیس مادرزادی.

در واقع، بسیاری از افراد در شرایطی قرار گرفته اند که شباهت های ظاهری (چهره ای) را دیده اند. جمجمه سنجی اندازه گیری دقیق جمجمه می­باشد که به نظر می­رسد توسط آن بتوان کلید ایجاد بیماری و تشخیص آنرا پیدا کرد. با کمی نگهداری سوابق مناسب در یک نفر می­توان یک بیمار مبتلا به سفلیس، سرطان یا HIV را صرفاً با مشاهده چک لیست های رایج، تشخیص داد. با رویکرد دیگر که نهفته در تئوری آشوب است نیز می‌توان به تشخیص های مشابهی رسید. که توسط سنجش صفات قابل اندازه‌گیری مثل طول بدن و صورت و چگونگی تغییرات آن در نیل به سلامت طبیعی و یا افول آن که در بیماری منعکس شده است. با برونیابی نتایج، حتی می­توان جهش ­هایی که ایجاد تکامل می­کنند را نیز تفسیر نمود. تغییرات علت اصلی تداوم گونه ها است. جایگشت­های (ریاضی) خزانه ژنتیکی بی نهایت نیست، با توجه به اینکه الگوی ژن ها محدود و قابل شمارش هستند. هنگامی که خزانه ژن به مرحله اشباع نزدیک شود و یا رسیده باشد، جهش‌ها رخ می­دهند. با جهش­های خود بخودی، خزانه ژن های موجود کل، یک بار دیگر بیش از چند بار ضرب می­شوند و ترکیبات جدیدی از ژن­ها اجازه حیات پیدا می­کنند. در نتیجه زیست شناسی تکاملی به تخم ریزی گونه های جدید و زیرگونه ها اجازه حیات می­دهد.

نظریه ای که در اینجا ارئه شده است بیان می‌کند کودکی، پیری و یا بیماری (مادرزادی یا اکتسابی و مزمن) باعث کاهش مقاومت و تضعیف ایمنی بدن می‌شود. علاوه بر این ممکن است، عملکرد مغز به شدت در هر یک از شرایط ذکر شده در بالا به خطر بیافتد. از دست دادن حافظه، ناتوانی در کنترل اسفنگترها، پتانسیل ابتلا به عفونت ها، نشان می‌دهد که آشوبناکی مسبب اصلی سلامت در تکامل می­باشد. در اصل کاهش تغییرات آشوبناک باعث افزایش شانس بیماری خواهد شد.


انجام پروژه نرم افزاری


 




كليه حقوق اين اثر متعلق بهhttp://www.amuzeshyar.netميباشد.
هرگونه تقليد و نقل مطالب بدون ذكر منبع ممنوع می باشد.