Sinir iletim hızı dağılımı tahmini tekniklerinin karşılaştırmalı analizi

Abstract

Sinir iletim hızı nörolojik hastalıkların teşhisi ve takibi için klinikte kullanılan en önemli parametrelerden birisidir. İletim hızı dağılımı (İHD) bu hastalıkların teşhisi ve takibi için daha fazla bilgi sağlayabilme potansiyeline sahiptir. İHD tahmini için literatürde birçok teknik bulunmaktadır. Ancak, bu tekniklerin bazıları deri yüzeyinden alınan sinyaller için hatasız modeller ortaya koyamamaktadırlar. Hatta bu tekniklerden bazılarının İHD tahmini için kullanılacak uyarılmış sinir lifi potansiyelinin oluşturulmasında karşılaştığı zorluklar bulunmaktadır.Bu çalışmada sinir demetleri için üç farklı İHD tahmini tekniği ele alınmıştır. Bu tahmin teknikleri hacim iletkeni teorisini temel alarak oluşturulmuştur. İHD tahmin teknikleri için farklı hızlara sahip sinirlerin ortak aktivitesi ile oluşturulan bileşik aksiyon potansiyelleri (BAP) kullanılmaktadır. Tekniklerden ikisinin (Cummins ve Barker) zaman alanında ve iteratif çözümü vardır. Cummins tekniğinde çözüm yapmak için matematiksel olarak oluşturulmuş tek lif aksiyon potansiyeli (TLAP) dalga formuna ihtiyaç vardır. Ancak, Barker tekniğinde TLAP dalga formu olarak yakın mesafeden ölçülen BAP dalga formu kullanılmaktadır. Üçüncü İDH tekniği (Hirose) frekans alanında dekonvolüsyon çözümü yapmaktadır. Ayrıca Hirose çözümü İHD tahmini için önceden bilinen bir TLAP dalga formu gerektirmemektedir.Bu çalışmanın amacı farklı İHD tahmini tekniklerinin performanslarını değerlendirmektir. Bu teknikleri karşılaştırmak için sıçan kuyruğunda sonucu bilinen fizyolojik değişim modelleri oluşturulmuştur. Yavaş ileten miyelinli sinirleri etkilemek için iskemi uygulaması, hızlı ileten miyelinli sinir liflerini etkilemek için ise soğuk uygulaması yapılmıştır.Cummins çözümü iletim hızı dağılımındaki yavaş ve hızlı ileten miyelinli sinir liflerine duyarlı, ancak TLAP için kararlı ve doğru bir matematiksel formüle ihtiyaç duymaktadır. Barker çözümünün sadece hızlı ileten miyelinli sinirlere duyarlı olduğu, ama yavaş ileten miyelinli sinirlere duyarlı olmadığı sonucuna varılmıştır. Bunun sebebi, İHD çözümü yapılırken yakından alınan BAP dalga formunun TLAP dalga formu olarak kullanılması ve farklı hız grupları için dalga süresinin değişmemesinden kaynaklandığı düşünülebilir. Hirose çözümünün hem hızlı hem de yavaş ileten miyelinli sinir liflerindeki sayısal değişmelere duyarlı olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, bu teknikle TLAP tahmini yapılabilmektedir. Azalan sıcaklıkla elde edilen TLAP dalga formlarının genliklerinde ve sürelerinde artma gözlenmektedir. Artan iskemi süresiyle TLAP genliğinde artma gözlenirken süresi değişmemektedir. Hirose tekniği üzerine yapılacak çalışmalarla sinir aksiyon potansiyeli dinamikleri hakkında daha ayrıntılı bilgi elde edile bilinir.

The nerve conduction velocity is a clinically valuable indicator in the diagnosis and assessment of neuromuscular disorders and neuropathies. The conduction velocity distribution (CVD) has the potential of providing more information to help asses these pathologies. Several techniques for the estimation of nerve conduction velocity distributions have been proposed in the literature. Some of these techniques do not make use of error-free models for the electrical signal recorded from skin surface. This causes to the application of biased CVD estimators. Moreover, those that describe the evoked nerve fiber signal through physical models have had difficulties in the estimation of the electrical source required for the CVD estimation techniques proposed.Tree non-invasive CVD estimation techniques are presented in this study for nerve bundles. These estimators are based on signal models developed with the use of volume conduction theory. Compound action potentials (CAP) generated by nerve fibers with different velocities are used for these techniques. Two of these techniques (Cummins and Barker) are in time domain and have iterative solutions. Cummins solution needs a mathematical formulation to generate single fiber action potential (SFAP) for estimation of CVD. However, Barker uses CAP wave recorded close to stimulation site as a SFAP because CAP waveform is similar to SFAP in short distance. On the other hand, the third technique (Hirose) is in frequency domain and it is a deconvolution estimator. Hirose solution does not require a priori SFAP waveform for CVD.The purpose of this work is to evaluate the performance of these CVD estimators. To compare these methods, modified physiological models were created on rat tails. Ischemia was applied to affect slow conducting myelinated fibers and cold exposure was used to affect fast conducting myelinated fibers.Cummins solution is sensitive for changing in slow and fast conducting myelinated fibers in CVD but it needs an accurate and stable mathematical formulation to generate SFAP for estimation of CVD. Barker solution is sensitive to fast conducting fibers in CVD but it does not detect the changes in slow conducting myelinated fibers. Because, SFAP waveform duration used in this method does not change for different velocity classes. Hirose solution is sensitive for changing in slow and fast conducting myelinated fibers in CVD. Moreover, it also provides SFAP waveform estimation. With decreasing temperature, estimated SFAP waveform peak to peak amplitude and duration increase linearly. Also, with increasing ischemia duration estimated SFAP peak to peak amplitude increases linearly and duration does not change. Future studies performed on Hirose solution may provide detailed information on nerve action potential dynamics.