Mide tembelliği için elektrogastrografi (EGG) ve işlemsel elektrik uyarım (FES) sistemi tasarımı
Electrogastrography and functional electrical stimulation system design for gastroparesis
Yazar: NADİR AKİK
Danışman: PROF. DR. ATİLA YILMAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gastroparezi, mide felci olarak bilinen mide hareketlerinin yavaşlaması veya durması sonucu oluşan gecikmeli mide boşalması rahatsızlığıdır. Günümüzde hızla gelişen teknoloji sayesinde sağlık alanında da elektronik altyapıların kullanılması yaygınlaşmıştır. Elektrogastrografi hastanın karın cildine yerleştirilmiş yüzeysel elektrotlar yardımıyla midenin kasılırken oluşturduğu elektriksel aktivitesinin kaydedilmesidir. Kullanım kolaylığından dolayı invazif olmayan deriden EGG metodu daha yaygındır. Günümüzde EGG metodu donanım maliyeti ve sadece bu konuda özel eğitim almış kişilerin yapabileceği sinyallerin okuyup anlamlandırılma zorlukları sebebiyle belirli özel merkezlerde yapılabilmektedir. Kaydedilen veriler hastalıkların teşhisi konusunda yardımcı olabilmektedir ve tedavi sürecini hızlandırmaktadır. İşlevsel elektriksel uyarım sistemi yavaşlayan veya hızlanan mide hareketlerini düzenlemek amacıyla yüzeysel elektrotlar ile sabit değerde akım sürerek mide kaslarının düzenli kasılmalarını sağlayan sistemdir. İşlevsel elektriksel uyarım gastroparezi hastalığının tedavisinde diğer yöntemlere göre yeni uygulanmaya başlayan bir tedavi yöntemidir. 
Bu tezde yapılan çalışmada EGG metodu ile alınan diğer vücut sinyallerine göre çok düşük genlikte olan mide sinyalleri filtrelemeler ve sinyal işleme teknikleri ile yorumlanabilir hale getirilecektir. Mide sinyallerinin periyotları çok uzun olduğu için zaman alanında çok fazla veri sayısına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kadar çok verinin de zamanda incelenmesi elde edilecek bilgi konusunda duyarlılık kaybına sebebiyet vermektedir. Bu sebepten dolayı sinyal analizinde frekans alanında kullanılan teknikler uygulanmıştır. Temizlenen sinyaller tekrardan değerlendirilip mide hareketlerini düzenleyici yönde elektrik sinyallerinin uygun zaman ve değerlerde tetiklenmesi sağlanmıştır. 
Mide sinyalleri doğaları gereği çok düşük genlik ve frekansa sahiptirler. Bu sebeple hem vücuttan gelen sinyallerden etkilenip gürültülerden dolayı genlikteki bozulmalar hem de düşük frekanslı olması sebebiyle standart sinyal işleme teknikleri uygulandığında zaman-frekans çözünürlüğünün yeterli seviyelerde olmayıp detaylı bilgi alınamaması başlıca sinyal işleme zorluklarıdır.
Uzun bir periyota sahip mide sinyallerine Fourier dönüşümü uygulandığı zaman sinyalin içerdiği frekans bilgisi sinyalin tamamının ortalamasını içeren bir bilgi olmaktadır. Bu bilgi de zaman alanındaki kısa zaman değişimlerindeki sinyal akışında hassas karar verme işlemleri için yetersiz kalmaktadır. Kısa Zamanlı Fourier Dönüşümü uygulandığında ise zaman-frekans çözünürlüğü için dengenin çok iyi ayarlanması gerekmektedir. İncelenen sinyalin frekans alanındaki bant genişliği çok az olduğu için bu denge pratik anlamda uygulanabilir olmamaktadır. İlinti yöntemi ile sinyal incelendiğinde elde edilen bilgiler zaman alanında olmaktadır. Gerek hastalığın tespiti gerekse tedavi uygulanabilmesi için zaman alanının yanında frekans bilgisine de gerek vardır. Bu sebeple tek başına ilinti metodu da yetersiz kalmaktadır.
Mide sinyallerinin morfolojileri ile ilgili kaynaklarda yeterince bilgi olmadığı gözlenmiştir. Tez kapsamında dinamik şablon bulma algoritması ile kişiye özgü mide sinyali şablonu elde edilmeye çalışılıp, elde edilen şablon sinyali mide sinyalinin incelenmesi sırasında tekrardan kullanılıp detaylı bilgi elde edilmesi hedeflenmektedir. Dinamik şablon bulma algoritması uygulanırken her adımda bir önceki adımdan elde edilen bilgiler kullanılıp işlem sırasında hastaya ait mide sinyalinin tepe noktalarının gerçeğe en yakın şekilde bulunması hedeflenmiştir. Dinamik şablon uygulamasının en önemli özelliği hastanın mide sinyali incelenirken gerçek zamanlı olarak bilgilerin bulunup tedavi aşamasında kullanılabilmesidir. Yapılan işlemler sonucunda teşhis ve tedavi olarak iki farklı alanda yapılan araştırılmaların birleştirilmesiyle gastroparezi hastalarının teşhislerinde kolaylık sağlanıp tedavi yöntemi ile de daha rahat yaşam koşullarının sağlanması hedeflenmektedir.

Abstract:
Gastroparesis is a condition of delayed gastric emptying that occurs as a result of slowing or stopping stomach movements known as stomach paralysis. Today, due to the rapidly developing technology, the use of electronic infrastructures in the field of health has become widespread. Electrogastrography (EGG) is the recording of the electrical activity of the patient's abdomen with the aid of surface electrodes placed in the abdominal skin. Due to simplicity, the non-invasive EGG method is more common. Nowadays, the EGG method can only be performed in certain private centers due to the hardware cost and the difficulties in reading and understanding the signals for which expertise are required. Recorded data can help diagnose diseases and speed up the treatment process. The Functional Electrical Stimulation (FES) system is a system that provides constant contraction of the stomach muscles by applying constant currents with surface electrodes to regulate slowing or accelerating stomach movements. Functional electrical stimulation is a new treatment method in the treatment of gastroparesis according to other methods. 
In this thesis, through EGG method, one will be able to interpret the stomach signals which are very low in amplitude compared to other body signals with signal processing techniques and filters. Since the periods of the stomach signals are very long, many datas are required in the time domain. The examination of such a large number of intervals also causes loss of sensitivity in the information to be obtained. For this reason, the frequency domain techniques have been applied in signal analysis stage. The filtered signals were implemented in the hardware level and the electrical signals were triggered at appropriate times and levels to regulate digestive movements.
Stomach signals have very low amplitude and frequency due to their nature. For this reason, when standard signal processing techniques are applied due to both the deterioration in amplitude due to the noise from the body and the low frequency and the other noise sources, it is the main signal processing difficulties that the time-frequency resolution is not sufficient enough to obtain detailed information.
When the Fourier transform is applied to stomach signals with a long period, the frequency information contained in the signal is information that includes the all frequency spectrum spanning all time domain signal length. This information is also insufficient for sensitive decision making for short time variations in time domain signal stream. When the Short-Time Fourier Transform is applied, the time-frequency resolution needs to be adjusted properly. This tradeoff is practically problematic because the bandwidth of the signal examined is very small in the frequency domain. When the signal is analyzed by means of the method of correlation theory, the information obtained is also stated in the time domain. In addition to the time domain variations, the frequency information is also expected so that a proper and reliable treatment can be performed if the abnormality is detected. For this reason alone the method of correlation also remains inadequate.
There is insufficient information from sources of morphologies of stomach signals. Within the scope of the thesis, it is aimed to try to obtain a person specific stomach signal template by using dynamic template finding algorithm and to obtain detailed information by using it again while examining the stomach signal of the obtained template signal. When applying the dynamic template finding algorithm, the information obtained from the previous step of each step and to find the dominant frequency of the patient's stomach signal defining the closest gastroparesis time domain attributes during the contraction detection procedure is used. The most important feature of the dynamic template application is that it provides to find information in real time intervals while using the stomach signal and to use it more appropriate instants in the treatment phase.
As a result of these operations, diagnosis and treatment are combined so that the diagnosis of gastroparesis patients is facilitated together with the combined treatment method.