Loading...

PhD Thesis in Electrical Engineering – Biomedical Engineering:Auditory "Change Detection" Analysis using Integrated Event-Related Potentials and fMRI in Chronic Tinnitus Subjects

Asadpour, Abdoreza | 2019

2145 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 52403 (05)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Electrical Engineering
  6. Advisor(s): Jahed, Mehran; Mahmoudian, Saeid
  7. Abstract:
  8. Tinnitus is commonly referred to the symptom of “ringing in the ear”, and it is scientifically described as the perception of sound in the absence of an acoustic event. This symptom is powerful enough to negatively affect sleep patterns and concentration. The symptoms affect more than forty-five million people only in the US and 10 to 20% of the world population. Management and treatment of subjective tinnitus is an ongoing focus of research activities. Ample evidence suggests that the mechanism of tinnitus involves maladaptive plasticity in both classic and non-classic auditory pathway. The non-classical pathway is referred to multi-modal sensory inputs to the auditory system, limbic system, and extralemniscal paths. One of the theories utilized is based on the auditory sensory-memory deficit and pre-attentive central auditory processing mechanisms.This study considered Mismatch Negativity (MMN) as a common index of auditory sensory or echoic memory, and context-dependent information processing primarily at the level of auditory cortices, and sound discrimination accuracy. Also, cognitive memory was assessed using visual and auditory P300 response with the oddball paradigm. Furthermore, in order to verify the potency of this approach, sound therapy and patients’ electroencephalogram (EEG) was investigated. For MMN evaluation, a Two-Sample Assuming Unequal Variances T-test with significance level of 0.05 was used between tinnitus and Normal Hearing (NH) control groups to determine if the groups have significant differences in the time features. Mean amplitudes of MMN peak in two groups, namely 5 deviants in 1 kHz central frequency and all deviants in 5 kHz frequency, showed lower meaningful MMN peak amplitude in tinnitus compared to the NH group. The Area Under the Curve (AUC) for all deviants in both central frequencies indicated lower mean AUC for tinnitus patients compared to normal control group. Simultaneous EEG-fMRI data was used to create the Dynamic Causal Model (DCM) for EEG and fMRI separately. DCM on fMRI data showed that in 5 kHz central frequency, only primary auditory cortex was active while in 1 kHz central frequency upper regions in the brain were active and these regions were confirmed using DCM for EEG data. T-test with significance level of 0.05 was applied on amplitude and latency of auditory and visual P300 for all EEG channels separately to compare tinnitus and normal hearing groups where the tinnitus group showed meaningful lower amplitude for auditory P300 peak in 3 EEG channels. Also, broadband sound therapy was applied to study the difference of brain activity, a) before fake treatment, b) after fake treatment and c) after the main treatment, using EEG and Visual Analog Scale (VAS) for evaluating Residual Inhibition (RI). Four features were extracted using 4-level wavelet decomposition with Symlet 8 as its mother wavelet. For the “After the main treatment” stage, the mean value of wavelet coefficients for the last wavelet level, which corresponded to delta band of EEG, was lower in the FC3 channel based on Two-Sample T-Test with significance level of 0.01, as compared to the same channel of the “before the treatment” stage, for cases in which decreased tinnitus loudness were reported. These results may indicate the need to search for treatments in defective cortical processes in which this study found
  9. Keywords:
  10. Tinnitus ; Electroencphalogram Signal ; Functional Magnetic Resonance Imaging (FMRI) ; Dynamic Causal Model ; P300 Wave ; Residual Inhibition ; Mismatch Negativity Wave ; Late Auditory Response (LAR)

 Digital Object List

 Bookmark

  • چکیده
  • فهرست جدول‌ها
  • فهرست شکل‌ها
  • فصل 1 : مقدمه
    • 1-1 انواع وزوز
    • 1-2 پرسشنامه‌ی وزوز گوش
    • 1-3 عوامل اصلی در ایجاد وزوز گوش
    • 1-4 وزوز گوش و از دست دادن شنوایی
    • 1-5 فرضیه‌های مرتبط با منشأ عصبی وزوز گوش
      • 1-5-1 سازماندهی دوباره‌ی نقشه‌ی فرکانسی شنوایی
      • 1-5-2 بازنمایی لبه‌های باند فرکانسی
      • 1-5-3 عدم بازدارندگی مرکزی
      • 1-5-4 بهره‌ی شنوایی
      • 1-5-5 مسیر وابران شنوایی
    • 1-6 درمان وزوز گوش
    • 1-7 پیش‌درآمدی در موضوع مدل‌سازی
    • 1-8 مقدمه‌ای بر سیگنال الکتروانسفالوگرام
    • 1-9 سیگنال fMRI و BOLD
  • فصل 2 : مرور کارهای قبلی
    • 2-1 مقدمه
    • 2-2 سیگنال الکتروانسفالوگرام کمّی
    • 2-3 پتانسیل‌های برانگیخته
      • 2-3-1 موارد عمومی مرتبط با پتانسیل‌های برانگیخته‌ی شنوایی
      • 2-3-2 پاسخ شنوایی ساقه‌ی مغز
        • 2-3-2-1 تحریک صوتی
      • 2-3-3 پاسخ با تأخیر میانی
        • 2-3-3-1 تحریک صوتی
        • 2-3-3-2 مولدهای عصبی MLR
      • 2-3-4 پاسخ شنوایی دیررس
        • 2-3-4-1 تحریک صوتی
        • 2-3-4-2 سیگنال ناهم‌خوان منفی
        • 2-3-4-3 پاسخ P300
        • 2-3-4-4 مولدهای عصبی LAR
    • 2-4 پاسخ‌های شنوایی ABR و MLR و وزوز گوش
    • 2-5 پاسخ شنوایی LLR و وزوز گوش
      • 2-5-1 موج N100
      • 2-5-2 موج ناهم‌خوان منفی
      • 2-5-3 موج P300
    • 2-6 پردازش و تحلیل سیگنال‌ها
      • 2-6-1 چرا استفاده از هر دو مودالیته
      • 2-6-2 یک‌پارچه‌سازی الکتروانسفالوگرام و fMRI
        • 2-6-2-1 روش‌های نامتقارن
        • 2-6-2-2 روش‌های متقارن
          • 2-6-2-2-1 بر مبنای مدل
          • 2-6-2-2-2 بر مبنای داده
      • 2-6-3 روش‌ حذف نویز در داده‌های همزمان
    • 2-7 مدل پتانسیل وابسته به رخداد
      • 2-7-1 مدل VAR
      • 2-7-2 مدل SEM
      • 2-7-3 علّیّت گرنجر و مدل‌های چند متغیره‌ی Autoregressive
        • 2-7-3-1 مدل چند متغیره‌ی Autoregressive
        • 2-7-3-2 مدل اولیه‌ی علّیّت گرنجر
      • 2-7-4 مدل‌سازی علّی دینامیک
        • 2-7-4-1 مدل‌سازی علّی دینامیک در سیگنال fMRI
        • 2-7-4-2 مدل‌سازی علّی دینامیک در سیگنال الکتروانسفالوگرام
    • 2-8 مدل‌های شبکه‌ی عصبی برای وزوز گوش
      • 2-8-1 فواید مدل کردن وزوز گوش
      • 2-8-2 مرور مدل‌های وزوز گوش
    • 2-9 جمع‌بندی
  • فصل 3 : روش پیشنهادی
    • 3-1 مقدمه
    • 3-2 متغیرها
      • 3-2-1 تعریف متغیرها
        • 3-2-1-1 وزوز گوش مزمن
        • 3-2-1-2 الکتروانسفالوگرام کمّی
        • 3-2-1-3 پتانسیل وابسته به رخداد
        • 3-2-1-4 موج ناهم‌خوان منفی
        • 3-2-1-5 پاسخ P300
        • 3-2-1-6 سیگنال BOLD
    • 3-3 ابزار ثبت سیگنال
    • 3-4 پروتکل ثبت در حالت اخذ سیگنال الکتروانسفالوگرام به تنهایی
      • 3-4-1 افراد شرکت‌کننده در آزمایش
      • 3-4-2 موج ناهم‌خوان منفی
        • 3-4-2-1 روش‌های استخراج
        • 3-4-2-2 روش پیشنهادی
      • 3-4-3 موج P300
      • 3-4-4 سیگنال الکتروانسفالوگرافی کمّی
    • 3-5 پروتکل برداشت همزمان الکتروانسفالوگرام و fMRI
      • 3-5-1 صداهای موجود در دستگاه fMRI
        • 3-5-1-1 اثر صدای سیم‌پیچ‌های برداشت
      • 3-5-2 روش‌های برداشت سیگنال در fMRI
        • 3-5-2-1 برداشت حجمی خوشه‌ای
        • 3-5-2-2 برداشت حجمی توزیع شده
      • 3-5-3 روش پیشنهادی
    • 3-6 جمع‌بندی
  • فصل 4 : نتایج
    • 4-1 مقدمه
    • 4-2 نمونه‏های ثبت شده
      • 4-2-1 آزمایش موج ناهم‌خوان منفی
      • 4-2-2 آزمایش موج P300
      • 4-2-3 آزمایش الکتروانسفالوگرام کمّی
      • 4-2-4 آزمایش برداشت همزمان الکتروانسفالوگرام و fMRI
    • 4-3 پیش‌پردازش‌ها
      • 4-3-1 موج ناهم‌خوان منفی
      • 4-3-2 موج P300
      • 4-3-3 الکتروانسفالوگرام کمّی
      • 4-3-4 برداشت همزمان الکتروانسفالوگرام و fMRI
    • 4-4 استخراج موج ناهم‌خوان منفی
      • 4-4-1 میانگین‌گیری سیگنال‌ها
      • 4-4-2 استخراج موج ناهم‌خوان منفی با استفاده از میانگین‌گیری
      • 4-4-3 استخراج ویژگی‌ها از موج ناهم‌خوان منفی
        • 4-4-3-1 جهت تقعر در تحریک مدت‌زمان
        • 4-4-3-2 جهت تقعر و علامت سیگنال استاندارد
        • 4-4-3-3 سطح زیر نمودار
        • 4-4-3-4 مقایسه‌ی آماری ویژگی‌های زمانی بین دو گروه
          • 4-4-3-4-1 ویژگی میزان تأخیر زمانی
          • 4-4-3-4-2 ویژگی میزان سطح ولتاژ
          • 4-4-3-4-3 ویژگی سطح زیر نمودار
        • 4-4-3-5 مقایسه‌ی آماری ویژگی‌های زمانی درون گروهی
          • 4-4-3-5-1 ویژگی میزان تأخیر زمانی
          • 4-4-3-5-2 ویژگی میزان سطح ولتاژ
          • 4-4-3-5-3 ویژگی سطح زیر نمودار
      • 4-4-4 جمع‌بندی
    • 4-5 استخراج ویژگی‌ها از موج P300
      • 4-5-1 مقایسه‌ی دامنه و تأخیر موج P300 بین دو گروه
      • 4-5-2 جمع‌بندی
        • 4-5-2-1 تغییر تحریک تصویری
    • 4-6 استخراج ویژگی‌ها از سیگنال الکتروانسفالوگرام کمّی
      • 4-6-1 تفکیک باند‌های سیگنال الکتروانسفالوگرام توسط تبدیل ویولت گسسته
      • 4-6-2 پایه‌ی ویولت مناسب برای تفکیک باندهای فرکانسی سیگنال مغزی در وزوز گوش
      • 4-6-3 استخراج ویژگی از ضرایب ویولت متناظر با هر باند فرکانسی سیگنال مغزی
      • 4-6-4 مقایسه باند‌های فرکانسی در بین نمونه‏های وزوز گوش
      • 4-6-5 جمع‌بندی
    • 4-7 موج ناهم‌خوان منفی در برداشت همزمان الکتروانسفالوگرام و fMRI
      • 4-7-1 نواحی فعال شده در تحریک‌های مختلف نسبت به حالت صفر
        • 4-7-1-1 تحریک‌های با فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز
        • 4-7-1-2 تحریک‌های با فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز
      • 4-7-2 نواحی فعال شده‌ی مغز در تحریک‌های غیر استاندارد نسبت به تحریک استاندارد
      • 4-7-3 مدل علّی دینامیک برای موج ناهم‌خوان منفی در داده‌ی fMRI
        • 4-7-3-1 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز در یک فرد نرمال
        • 4-7-3-2 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز در افراد نرمال
        • 4-7-3-3 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز برای فرد مبتلا به وزوز گوش
        • 4-7-3-4 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز در یک فرد سالم با شنوایی نرمال
        • 4-7-3-5 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز در افراد نرمال
        • 4-7-3-6 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز برای فرد مبتلا به وزوز گوش
      • 4-7-4 مدل علّی دینامیک برای موج ناهم‌خوان منفی در داده‌ی الکتروانسفالوگرام
        • 4-7-4-1 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز در یک فرد نرمال
        • 4-7-4-2 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز در افراد نرمال
        • 4-7-4-3 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز در فرد مبتلا به وزوز گوش
        • 4-7-4-4 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز در یک فرد نرمال
        • 4-7-4-5 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز در افراد سالم با شنوایی نرمال
        • 4-7-4-6 مدل علّی دینامیک در فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز در فرد مبتلا به وزوز گوش
      • 4-7-5 جمع‌بندی نتایج برداشت همزمان الکتروانسفالوگرام و fMRI
    • 4-8 جمع‌بندی
  • فصل 5 : نتیجه‌گیری و کارهای آینده
    • 5-1 کارهای مرتبط با موج ناهم‌خوان منفی
    • 5-2 کارهای مرتبط با موج P300
    • 5-3 کارهای مرتبط با الکتروانسفالوگرام کمّی
    • 5-4 محدودیت‌های مطالعه
  • مراجع
  • فهرست الفبایی واژگان تخصصی
    • پیوست 1 پتانسیل‌های برانگیخته‌ی الکتریکی
      • پ1-1 موارد عمومی مرتبط با پتانسیل‌های برانگیخته‌ی الکتریکی
      • پ1-2 مشکلات مرتبط با ثبت در تحریک الکتریکی
      • پ1-3 پاسخ شنوایی ساقه‌ی مغز به تحریک الکتریکی
      • پ1-4 پاسخ با تأخیر میانی به تحریک الکتریکی
    • پیوست 2 مسیر وابران شنوایی و وزوز
      • پ2-1 توقف دگرسو در تابش‌های صوتی-شنوایی
      • پ2-2 DPOAE
    • پیوست 3 اقدامات آماده‏سازی صورت گرفته در آزمایشگاه تحقیقات اعصاب شنوایی و وزوز گوش
      • پ3-1 اقدامات سخت افزاری
        • پ3-1-1 بررسی و تصحیح اتصالات
        • پ3-1-2 تعبیه سیستم صوتی و پخش‏کننده‏های صوتی مانند بلندگو و هدست
        • پ3-1-3 تعبیه سیستم دریافت پاسخ از افراد مورد آزمایش
        • پ3-1-4 تعبیه تغذیه توسط برق شهر برای سیستم سنکرون‏سازی تحریکات
        • پ3-1-5 بررسی عملکرد الکترودهای ثبت و تعمیر آنها
      • پ3-2 اقدامات نرم افزاری
        • پ3-2-1 تعیین تنظیمات بخش ثبت سیگنال
        • پ3-2-2 کدنویسی برنامه پرسشنامه سطح وزوز گوش
    • پیوست 4 پرسشنامه‌های داده شده به مبتلایان وزوز گوش
    • پیوست 5 نواحی فعال شده‌ی مغز در تحریک‌های غیر استاندارد نسبت به تحریک استاندارد
      • پ5-1 تحریک‌های با فرکانس مرکزی ۱ کیلوهرتز
      • پ5-2 تحریک‌های با فرکانس مرکزی ۵ کیلوهرتز
...see more