AR譜在皮層癇樣腦電信號分析應用.pdf

1、癲癇領域的研究重點之一是外傷后癲癇(PTE)，PTE是人類常見的顱腦損傷后并發(fā)癥之一，其基本機制尤其是腦損傷后的慢性癲癇的發(fā)生、發(fā)展目前仍是知之甚少。前人的研究已證實，鐵離子皮層注射誘導的大鼠癲癇發(fā)作模型在癇樣發(fā)作模式上可能更接近臨床外傷后癲癇的表現(xiàn)。從動物模型監(jiān)測到的慢性自發(fā)性癇樣發(fā)作腦電波頻率有時候會持續(xù)數(shù)月并逐漸演變成癲癇各種發(fā)作形式。為了了解造成癲癇發(fā)作的機制，同時也為了更加準確地評估癲癇發(fā)生發(fā)展的過程，需要設計一個長期的監(jiān)測評

2、估和預測系統(tǒng)平臺，這個平臺既包含腦電監(jiān)測又能同步視頻監(jiān)測每次癇樣發(fā)作的各種形式，而且可以更好的評估癲癇的發(fā)作，甚至進行預測性腦電分析。
　　本研究目的之一是建立一個三通道無線電遙測系統(tǒng)，使用此系統(tǒng)能記錄從皮層表面監(jiān)測到的自發(fā)性腦電圖，如癇樣發(fā)作性的“尖峰”。此平臺可以監(jiān)測到鐵離子誘導的模型鼠的癲癇狀態(tài)持續(xù)數(shù)個月，允許連續(xù)記錄癇樣發(fā)作之前，發(fā)作間期，及發(fā)作后恢復期的各種腦電活動，并同步視頻監(jiān)測大鼠癲癇發(fā)作時的各種行為學表現(xiàn)。再進一步

3、行腦電分析，評估和預測癲癇發(fā)作。
　　本研究的目的之二:在這項研究中，通過監(jiān)測鐵離子誘導外傷性癲癇大鼠皮層腦電信號，并進行分析，借助NeuroScore軟件的功率譜的采集分析比較自回歸(AR)譜和快速傅里葉變換(FFT)，證明在一段時間內，AR譜在高頻信號分辨率方面優(yōu)于FFT?？偟腁R的功率譜和頻率分布的變化在一段長時間的癇樣發(fā)作持續(xù)監(jiān)測中有具有明顯優(yōu)勢比較AR譜和FFT，進而采用更完善的腦電分析方法以明確癲癇發(fā)作的癥狀學特征，為

4、進一步評估和預測癲癇發(fā)作提供技術支持。從臨床實際出發(fā)，可以進一步的在癲癇病人的腦電分析中進行AR譜和FFT的互補性研究和實踐。
　　本研究的目的之三:癲癇發(fā)作的監(jiān)測過程是一件耗時而效率不高的工作，臨床上往往很多時候不能提前預測癲癇的發(fā)作。本研究嘗試了應用功率譜中自回歸（AR）譜技術和快速傅里葉變換(FFT)技術進行正常人的頭皮腦電圖和癲癇病人癇性發(fā)作腦電圖的比較。從腦電信號功率譜的AR譜圖與FFT圖的對比獲知FFT功率譜是每一個信

5、號點求得的傅里葉變換，其功率譜是離散的，譜值波動劇烈，方差性能不好，分辨率低，譜線不平滑。AR譜的模型估計出的AR譜譜線平滑，分辨率高，方差性能得到改善。AR譜線近似于FFT功率譜線或者說反映出FFT功率譜的趨勢。一方面說明AR譜性能優(yōu)于FFT功率譜，另一方面也驗證了AR模型的正確性。臨床工作中，這種腦電功率譜的比較性研究，可以為臨床診療癲癇提供技術上的支持。
　　本實驗研究共分為三部分，各部分內容分述如下。
　　第一部分

6、無線遙測監(jiān)測外傷性大鼠癲癇模型的癇樣發(fā)作腦電
　　目的:建立研究癇樣發(fā)作腦電的監(jiān)測平臺，為進一步腦電評估做基礎。臨床工作中，經(jīng)常結合癲癇的病理生理和癇樣發(fā)作的行為學進行相關系列研究，進而提出針對中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關功能建立一個完整的、更全面的癲癇臨床評估系統(tǒng)。完整的三維視頻+無線遙測腦電圖系統(tǒng)，能夠滿足長時間同步進行EEG和視頻圖像的連續(xù)記錄，在此平臺上進一步行腦電分析，評估和預測癲癇發(fā)作。
　　方法:本研究著重于闡述建立一個三

7、通道無線電遙測系統(tǒng)。通過隨機分正常組，假手術組，和模型組。實驗過程包括皮層注射氯化亞鐵制作PTE動物模型，大鼠體內監(jiān)測電極、發(fā)射子置入，同步行“自由活動”模型鼠的腦電監(jiān)測和癇樣發(fā)作行為學視頻監(jiān)測。動物造模術后機體恢復即術后1，6和15天，每天約24小時同步遙測記錄造模后的腦電圖和視頻監(jiān)控大鼠的日?；顒?。
　　結果:結果表明，正常組，腦電信號的頻率范圍從5-10 Hz，波幅＜200μV，主要是低振幅α和β波和散射波θ。在假手術組中觀

8、察到的腦電波形無明顯變化。氯化亞鐵注射后，潛伏期為(50±18)秒。腦電波出現(xiàn)多種形式的癲癇樣放電。頻率達到30Hz，振幅超過250μv，抑制波出現(xiàn)在癲癇發(fā)作后。應用手術方法植入的遙測發(fā)射子，允許15天逐步記錄復蘇的動物的腦電信號。外科手術植入發(fā)射子遙測的記錄系統(tǒng)能夠獲得良好的皮層EEG信號痕跡。當同步監(jiān)測錄像顯示大鼠匍匐在地上、無四肢抽搐，不可見癲癇癇樣發(fā)作;傳統(tǒng)的目測方法不能證實大鼠處于癲癇發(fā)作狀態(tài)，借助DSI植入子遙測取得的清醒狀

9、態(tài)的腦電、能看到和癲癇發(fā)作期相同的腦電波，癲癇波的幅度超過了正常腦電的范圍，達到200μV以上;清醒動物的腦電揭示:動物行為正常時、腦部神經(jīng)元已經(jīng)有不正常的活動。
　　結論:第一部分研究建立一個三通道無線電遙測系統(tǒng)。皮層注射氯化亞鐵制作PTE動物模型，遙測系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)的同步集成，進而研究皮質癇樣腦電圖的波形，并較好的與癇樣行為、運動相結合。該集成視頻腦電系統(tǒng)的應用可以在不同的臨床研究領域使用，并符合動物倫理學相關要求。
　

10、　第二部分 AR譜在外傷性大鼠癲癇模型的皮層癇樣腦電信號分析
　　目的:在這項研究中，通過鐵離子誘導外傷性癲癇大鼠皮層腦電信號的分析，比較應用功率譜中自回歸（AR）譜技術和快速傅里葉變換(FFT)技術，采用更完善的腦電分析方法以明確癲癇發(fā)作的癥狀學獨有特征。為進一步評估和預測癲癇發(fā)作提供技術支持。
　　方法:在第一部分所建立的監(jiān)測腦電信號平臺基礎上，通過DSI植入式生理信號無線遙測系統(tǒng)，進行大鼠癲癇發(fā)作的監(jiān)測，并以Neuro

11、Score2.1版軟件(Transoma Medical，Arden Hills，MN)通過Threhold、Minimum Spike Duration、Maximum Spike Duration等判斷癲癇棘波，Minimum Spike Interval、Maximum Spike Interval、Train Join Interval等判斷癲癇波的簇放，進一步行功率譜中自回歸(AR)譜技術和快速傅里葉變換(FFT)技術分析比較

12、。
　　結果:FeCl2大鼠皮層注射后不久（50±18s，平均±標準誤差），即可觀察到癇樣放電的信號。頻率達到30Hz，波的振幅超過250μV。癇樣腦電發(fā)作開始于鐵注射后15±24 min，并持續(xù)10.3±0.73 h。間歇性的癇樣發(fā)作活動的持續(xù)很多一段時間（約8周）。自發(fā)性反復性癇樣發(fā)作開始在致癇后約2周，并持續(xù)到2個月左右。在對照組大鼠，AR采集的頻率譜集中在10 Hz以下。在PTE模型大鼠，發(fā)作間期活動經(jīng)常被觀察到，并在相應

13、的通道轉為到更高的頻率的功率譜(＞10 Hz)。
　　結論:研究結果表明，在一定時間內，對致癇大鼠皮層腦電信號分析，與FFT相比，采用AR功率譜具有較高的頻率分辨率。此外，在一段連續(xù)時間內，AR譜的總功率譜和頻率分布可以提供更便利的癲癇監(jiān)測變化的指標。這些研究結果表明，自回歸分析在FFT的癲癇病人的腦電圖分析中更好的補充。
　　第三部分 AR譜皮層腦電分析特征和臨床意義
　　目的:在Matlab平臺上應用Marple算

14、法建立正常人和癲癇病人腦電的自回歸AR模型;估計AR模型的階數(shù)及各個參數(shù);應用模型參數(shù)對兩類腦電進行頻譜估計。
　　方法:測取正常人額部和枕部的腦電，建立數(shù)據(jù)文件;對給出的顳葉癲癇病人同一腦區(qū)的腦電建立數(shù)據(jù)文件;對以上兩類腦電進行預處理，去除噪聲和剔除偽差;對以上兩類腦電建立AR模型;估計以上兩類腦電的AR譜，并與它們的FFT功率譜進行比較;分析比較正常人和癲癇病人在認知腦區(qū)腦電的AR模型、AR譜的特征。
　　結果:正常腦電

15、基線較為平穩(wěn)，相對基線的振幅較小;癲癇腦電基線不平穩(wěn)，相對基線的振幅較大。正常腦電多為α波，頻帶范圍為10-12Hz;癲癇腦電多為δ和θ波，頻帶范圍在0-5Hz。AR譜比FFT功率譜平滑，AR譜比FFT功率譜分辨率高。
　　結論:正常人額部枕部腦電基線較為平穩(wěn)，相對于基線的振幅較小，波線較密集;癲癇病人額部枕部腦電基線不平穩(wěn)，相對于基線的振幅較大，波線較稀疏。可以推斷大腦額部枕部為癲癇病人的發(fā)病區(qū)。正常人和癲癇病人額部枕部腦電的A

16、R譜及FFT功率譜有明顯差別，正常人額部枕部腦電的功率能量主要集中在10-12Hz，即α波段，只有很小一部分能量集中在0-5Hz;而癲癇病人額部枕部腦電的功率能量主要集中在0-5Hz，即δ和θ波段，只有很小一部分能量集中在10-12Hz。腦電的AR譜與FFT功率譜圖的對比顯示，F(xiàn)FT功率譜是每一個信號點求得的傅里葉變換，其功率譜是離散的，從圖中我們可以看到它的譜值上下跳動很劇烈，方差性能不好，分辨率低，譜線不平滑。AR模型估計出的AR譜