Periferik sinir iletim hız dağılımının modern programlama dilleri ve veri analiz yöntemleri kullanılarak modellenmesi
Modeling of peripheral nerve conduction velocity distribution using modern programming languages and data analysis methods
Yazar: CİHAN ATAK
Danışman: DOÇ. DR. BARKIN İLHAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyofizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyofizik = Biophysics
Dizin: Aksiyon potansiyelleri = Action potentials ; Periferik sinirler = Peripheral nerves ; Programlama dilleri = Programming languages ; Sinir iletimi = Neural conduction ; Sinir lifleri = Nerve fibers ; Veri analizi = Data analysis

Özet:
Sinir İletim Hız Dağılımlarının (SİHD) belirlenmesine dayalı yöntemler, otoimmün faktörler, diyabet, enfeksiyonlar, tümörler gibi nedenlere bağlı gelişen nörolojik hastalıklarda tanı konulmasına yardımcı olan yöntemlerdir. Günümüzde, klinikte kullanılan standart sinir iletim hızı ölçümleri, bu ilgili patolojik durumlarda erken tanı ve sonrasındaki takip sürecinde görece zayıf kalmaktadır. SİHD hesaplamaları, standart iletim hızı ölçümlerine kıyasla çok daha detaylı sonuçlar sunmaktadır. SİHD, sinir üzerinde farklı hızlarda ileten lif gruplarının oransal bileşenlerini verebildiğinden, bu gruplardan herhangi birini tutan nöropatik durumların erken tanısına yardımcı olabilmektedir. SİHD hesaplamaları için önerilen çeşitli yöntemler literatürde 40 yıla yakın bir zamandır var olmasına rağmen, içerilen üst düzey matematik kavramlar ve ihtiyaç duyulan yüksek hesaplama gücü nedeniyle pratikte kullanımı sınırlı düzeyde kalmıştır. Son dönemlerde modern bilgisayar sistemlerinin bu hesaplamaları çok rahat yapar hale gelmiş olsa da herhangi bir açık-kaynaklı yazılımsal çözüm göze çarpmamaktadır.
SİHD'nın non-invazif olarak elde edilmesi ancak Bileşik Aksiyon Potansiyeli (BAP) kayıtlarının matematiksel analizi ile mümkün olmaktadır. Öyle ki, bu tez çalışmasında da bu doğrultuda, hız dağılımlarının oluşturulmasında iki noktadan BAP kayıtlarının konvolüsyonuna dayalı bir yöntem kullanılmıştır. Nöropatik hastalıklarda, sinir liflerinin miyelin yapılarının bozulması ve bu bozulmaların sinir iletimine olan kollektif etkileri ön planda olduğundan, sinir demetinin yapısında farklı tip liflerde miyelin varlığı kullanılan modelde dikkate alınmaktadır. Ek olarak, özellikle büyük veri setlerini içeren doğrusal sistemlerde çok sayıda veriye aynı anda işlem yapılmasını sağlayan modern işlemci mimarilerinin olası kullanımları irdelenmiş, grafik işlemci birimleri ile merkezi işlemci birimleri kullanımı arasındaki veri işleme hızları kıyaslanmıştır.
Bu tez çalışmasında, yukarıda bahsedilen hesaplama süreçlerinin gerçekleştirilmesine yönelik olarak, Python programlama dilinde PNBA ("Peripheral Nerve Bundle Analysis") adında bir yazılım kütüphanesi geliştirilmiştir. Bu kütüphane ve yardımcı program kodları yardımıyla, sinir lif sayısı, miyelinli ve miyelinsiz akson oranı gibi parametreler girilerek, sinir demetleri modellenebilmekte, oluşturulan bu modeller üzerinden tahmin ve analizler yapılabilmektedir. Ek olarak, aralarında belirli bir mesafe bulunan iki farklı noktadan alınan BAP kayıtları üzerinden sinir iletim hız dağılımları da hesaplanabilmektedir. PNBA kullanılarak geliştirilecek yazılımlar, kliniklerde uygulanan rutin ölçümlere uyarlanarak, nöropati olarak kendini gösteren çeşitli nörolojik hastalıkların erken tanı ve takibi için büyük oranda yol gösterici olabilecektir. Dolayısıyla, gelecekte iletim hız dağılımlarının gerçek zamanlı olarak hesaplanabileceği pratik cihazların yöntemsel temelleri oluşturmuştur.

Abstract:
Methods based on the determination of nerve conduction velocity distribution (NCVD) are methods that help diagnosis of neurological diseases that develop due to causes such as autoimmune factors, diabetes, infections or tumors. Currently, standard measurements of nerve conduction velocity used in clinical context remain relatively weak for early diagnosis and subsequent monitoring of those pathological conditions. NCVDs offer much more detailed results than standard conduction velocity measurements. Since NCVD can give proportional components of fiber groups that are conveyed at different velocities along the nerve, it can help early diagnosis of neuropathic conditions that occur on any of these groups. Although various methods for calculating NCVD calculations have been proposed during past 40 years, their practical usage has remained limited due to involved high-level mathematical concepts and immense computational cost. Although modern computer systems have evolved to a very convenient level to perform these calculations, no open-source software solution has yet emerged.
Non-invasive acquisition of NCVD is only possible via mathematical analysis of compound action potential (CAP) data. In this thesis study, a method based on convolution of CAP recordings from two distinct points along the nerve was used for estimating NCVDs. Since the degradation of myelin structure on nerve fibers is among the main causes of neuropathy, the very possibility of myelin presence on different types of fibers existing in nerve bundle is included in the model. In addition, modern processor architectures that allow concurrently processing large amounts of data, especially involving linear systems of moderate size as in our case, were comparatively examined on both graphics processor units (GPUs) and central processor units (CPUs).
In this thesis study, a software library called PNBA ("Peripheral Nerve Bundle Analysis") was developed in the Python programming language for the realization of the above-mentioned computational processes. With the help of this library and utility codes, parameters such as the number of nerve fibers, myelinated and non-myelinated axon ratio can be entered and nerve bundles can be modeled, and estimates and analyses can be made through the created models. In addition, nerve conduction velocity distributions can also be calculated using CAP records taken from two different locations along the nerve with a certain distance between them. Software that will be developed using PNBA could easily be adapted for routine measurements in clinics and could provide insight for early diagnosis and monitoring of various neurological diseases manifesting their selves as neuropathy. Therefore, the methodological foundation of future practical clinical devices for obtaining fast NCVDs on-the-fly was established.