癫痫脑电信息的分析研究

癫痫脑电信息的分析研究第1页/共38页2本文所要解决的问题将近似熵用于临床癫痫患者脑电信号分析，探讨理论分析方法在临床上的实用价值；用似然同步、近似熵分析痫样放电大鼠皮层和海马脑电信号，探讨癫痫大鼠在不同脑功能状态下、脑功能状态转换时的不同脑区及其之间的功能改变。第2页/共38页3内容提要Ⅰ.研究背景Ⅱ.临床癫痫患者脑电信号分析Ⅲ.癫痫大鼠脑电信号分析实验及数据预处理近似熵分析似然同步分析Ⅳ.工作总结和展望Ⅴ.致谢第3页/共38页4Ⅰ.研究背景癫痫（Epilepsy）是由于脑部神经细胞群异常放电引起的一过性脑功能紊乱综合症，是一种严重且较顽固的慢性疑难性脑部疾病，其发作时表现为大脑神经元群兴奋性增高以及过度同步化放电，并导致短暂性中枢神经系统功能失常。

研究意义癫痫的发病率高（约5‰），危害大；癫痫EEG有其特征，但在临床上从EEG的中获得的信息有限，需要深入挖掘；动物模型可以做到有创分析，可以完成临床不能进行的一些研究

第4页/共38页

癫痫脑电信号中常见的特征波有第5页/共38页6癫痫脑电信号的分析方法线性分析时域分析频域分析时频分析非线性分析关联维数（Correlationdimension）李亚普诺夫指数（Lyapunovexponent）复杂度（Complexity）算法复杂度近似熵

同步分析似然同步（Synchronizationlikelihood）匹配追踪算法第6页/共38页7近似熵（Pincus，1991)：

用一个非负数来表示一个时间序列的复杂性方法，越复杂的时间序列对应的近似熵越大。算法优点计算所需数据短（100～5000点）抗噪及抗野点能力强（特别是对偶尔产生的瞬态强干扰）适用于确定性信号及随机信号

本文采用洪波等（1999）提出的快速算法，其计算速度提高了5倍

（1）

（3）（2）（4）（5）第7页/共38页8似然同步（Stam，2002)：是一种一个时间序列和另一个或多个时间序列间动态相互作用的测量方法

算法优点既能测量线性又能测量非线性的相互作用能够反映这种相互作用随时间的变化,适用于不稳定的时间序列用似然同步分析各脑区、各节律间同步性差异及状态转化时的变化未见报道

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）第8页/共38页9Ⅱ.临床癫痫患者脑电信号近似熵分析数据来源：四川大学华西医学中心神经内科提供的临床癫痫患者的Video-EEG数据及相关临床信息

数据点及相似容限的选取

不同r时ApEn与N的对应关系无痫样放电的EEG信号参数为：(表示标准差)，点的滑动窗，重叠240点不同r时ApEn与N的对应关系无痫样放电的EEG信号第9页/共38页10分析所用数据的选取无痫样放电的EEG片断

相邻且有痫样放电的EEG片断

第10页/共38页11分析结果采用上述参数对10例临床癫痫患者计算有无痫样放电脑电信号的相邻600个点（3秒）的近似熵平均值结果如图。有无痫样放电EEG的ApEn比较

结果显示:无痫样放电时脑电信号的近似熵显著大于有痫样放电时脑电信号的近似熵（p=0.002<0.01）第11页/共38页12动态近似熵计算:

当患者的脑电信号中有痫样放电时，其对应的近似熵有较大幅度的降低

约40s有痫样放电EEG信号的动态近似熵第12页/共38页13结论癫痫患者脑电信号中有痫样放电时近似熵显著降低，可以通过计算近似熵将痫样放电从癫痫患者的背景脑电信号中区分出来；脑电信号随时间演化的近似熵分析可以反映癫痫患者脑电信号中癫痫波的动态发放情况；近似熵分析可用于脑电信号复杂度的实时监测。Paper

（1）LIUYan-su(刘衍素);XIAYang;XUHong-ru;ZHOUDong;Yaodezhong.NonlinearAnalysisofClinicalEpilepticEEGbyApproximateEntropy.JournalofElectronicScienceandTechnologyofChina.2005;3(1):72-74

第13页/共38页14Ⅲ.癫痫大鼠脑电信号分析匹罗卡品痫样放电大鼠模型制备麻醉大鼠；皮层和海马电极包埋：

记录脑电信号（以对侧耳根为参考、右下肢为接地电极）约30分钟；匹罗卡品腹腔注射制备痫样放电实验大鼠模型；连续记录脑电信号约5~6小时；电极位置验证皮层：前囟后2.5mm，旁开2.5mm，硬膜下0.5mm海马：前囟后3.8mm，旁开2.0mm，硬膜下2.6mm第14页/共38页15数据采集及预处理

RM6240C型生理信号采集处理系统采集完成（800Hz采样率，30Hz低通滤波，1s（0.16Hz）时间常数，50Hz陷波开）；数据分段：无痫样放电、连续性痫样放电、周期性痫样放电（如图）；0.5Hz~30Hz的带通滤波；200Hz的离线采样。第15页/共38页无痫样放电时的脑电信号连续性痫样放电时的脑电信号周期性痫样放电时的脑电信号第16页/共38页17近似熵分析方法及参数选择同临床癫痫患者脑电信号分析0.5~30Hz脑电信号分析结果分频段（δ：0.5~4.5Hz、θ：4.5~8Hz、α：8~12Hz、σ：12~16Hz、β：16~30Hz）脑电信号分析结果第17页/共38页180.5~30Hz脑电信号分析结果（1）相同脑功能状态下各脑区脑电信号的近似熵之间不存在显著性差异（p>0.05）;（2）不同脑功能状态间转换时没有痫样放电与连续性痫样放电

连续性痫样放电与周期性痫样放电

LC

*ApEnnon>ApEncontinuous

ApEncontinuous=ApEnperiod

LH

*ApEnnon>ApEncontinuous

ApEncontinuous=ApEnperiod

RC

*ApEnnon>ApEncontinuous

ApEncontinuous=ApEnperiod

RH

*ApEnnon>ApEncontinuous

ApEncontinuous=ApEnperiod

注：*P<0.01

第18页/共38页19由表可见：不同脑功能状态间转换时无痫样放电连续性痫样放电连续性痫样放电周期性痫样放电ApEn显著降低（p<0.01）ApEn无显著性差异（p>0.05）复杂的混沌状态简单的同步活动1、该两种状态间神经元群的活动可能无差异；2、ApEn可能不能反映该状态间神经元群活动的差异。验证了临床癫痫患者脑电信号的ApEn分析结果第19页/共38页20（3）随时间演化的近似熵分析

三种脑功能状态下约45s脑电信号的近似熵随时间的演化第20页/共38页21分频段分析不同脑功能状态间转换时无痫样放电连续性痫样放电连续性痫样放电周期性痫样放电左右ECoG的ApEnδ显著增加（p<0.01）左右ECoG和EHG的高节律（ασβ）的ApEn显著降低（p<0.05）左右ECoG和EHG的ApEnδ显著降低（p<0.01）其余节律的ApEn无显著变化（p>0.05）脑功能状态转换时的ApEn主要取决于较高节律ApEn的变化癫痫波发放终止可能与低节律脑电活动同步增加有关δ节律快波（2～4.5Hz）成分的相对含量显著增多（p<0.05）能量分析脑功能状态转换时的ApEn主要取决于较高节律ApEn的变化δ节律的快波（2～4.5Hz）成分增多？第21页/共38页22近似熵分析总结：0.5~30Hz的分析：证实了痫样放电时相关脑区神经元群活动从复杂的混沌状态趋向于简单的同步活动；随时间演化的ApEn分析进一步证明了近似熵可以鉴别背景脑电信号和痫样放电；分频段的分析（不同脑功能状态间转换时）：连续性痫样放电时ECoG中δ节律的快波成分显著增多；可以推测在脑功能状态发生转换时各脑区脑电信号ApEn的变化主要取决于高节律ApEn的变化；痫样放电的终止，可能与低节律脑电活动的同步性增强有关；由①、③，我们推测δ节律在痫样放电过程中可能起着更重要的作用。第22页/共38页23似然同步分析参数取值：窗口宽度（数据长度）根据数据处理的实际需要选取；并将计算结果在时间及空间上进行平均；0.5~30Hz脑电信号分析结果分频段脑电信号分析结果第23页/共38页240.5~30Hz脑电信号分析结果无痫样放电与连续性痫样放电

连续性痫样放电与周期性痫样放电

LC—LH

**Synon<Sycontinuous

**Sycontinuous>SyperiodRC—RH

*Synon<Sycontinuous

Sycontinuous=SyperiodLC—RC

*Synon<Sycontinuous

Sycontinuous=SyperiodLH—RH

**Synon<Sycontinuous

**Sycontinuous>Syperiod

注：**P<0.01；*P<0.05

（1）相同脑功能状态：脑区间的同步性无显著性差异（p>0.05）（2）不同脑功能状态之间转换：脑区间的同步性有显著性差异（p<0.05）注：**P<0.01；*P<0.05

第24页/共38页25由表可见：不同脑功能状态间转换时无痫样放电连续性痫样放电连续性痫样放电周期性痫样放电LC—LH、LH—RH（p<0.01）

RC—RH、LC—RC（p<0.05）的同步性均显著增强LC—LH、LH—RH的同步性显著降低（p<0.01）RC—RH、LC—RC的同步性无显著差异（p>0.05）反映了痫样放电的产生是由大量神经元群过度同步放电所致。

由匹罗卡品诱导的痫样放电活动中，左侧海马可能起着更重要的作用（左侧优势现象）第25页/共38页26（3）随时间演化的似然同步分析约33s三种脑功能状态的似然同步随时间的演化第26页/共38页27（1）相同脑功能状态分频段脑电信号分析结果无痫样放电

连续性痫样放电

周期性痫样放电

δ与θ

Syδ＝Syθ

*Syδ<Syθ

Syδ＝Syθ

δ与α

**Syδ>Syα

*Syδ<Syα

Syδ=Syα

δ与σ

**Syδ>Syσ

Syδ=Syσ

Syδ=Syσδ与β

**Syδ>Syβ

Syδ=Syβ

Syδ=Syβ

注：**P<0.01；*P<0.05第27页/共38页28由表可见：相同脑功能状态无痫样放电连续性痫样放电周期性痫样放电δ节律的同步性显著高于α、σ、β节律的同步性δ节律的同步性显著低于θ、α节律的同步性各节律的同步性间无显著性差异在痫样放电前δ节律可能已先于其它节律产生了类似于痫样放电的同步现象痫样放电过程中较高节律的同步化可能占优势δ节律与其它节律的同步性差异可以区分不同的脑功能状态第28页/共38页29（2）不同脑功能状态间转换时无痫样放电与连续性痫样放电

连续性痫样放电与周期性痫样放电

δ节律

**Synon<Sycontinuous

Sycontinuous=Syperiod

θ节律

**Synon<Sycontinuous

**Sycontinuous>Syperiodα节律

**Synon<Sycontinuous

*Sycontinuous>Syperiodσ节律

**Synon<Sycontinuous

*Sycontinuous>Syperiod

β节律

**Synon<Sycontinuous

*Sycontinuous>Syperiod注：**P<0.01；*P<0.05

第29页/共38页30由表可见：不同脑功能状态间转换时无痫样放电连续性痫样放电连续性痫样放电周期性痫样放电左右皮层和海马脑电信号各节律的同步性均显著增强δ节律的同步性无显著性变化其余各节律的同步性均显著降低

低节律（δ、θ）段的同步性增强的程度低于高节律（α、σ、β）段在痫样放电过程中脑电信号高节律（α、σ、β）同步性增强可能占主导地位

在痫样放电后期，高节律脑电活动的复杂度增加早于痫样放电的终止结合相同脑功能状态下的分析结果第30页/共38页31似然同步分析总结：0.5~30Hz的分析痫样放电的产生是由大量神经元群过度同步放电所致；皮罗卡品诱发的痫样放电大鼠模型具有左侧优势现象；可以动态地刻画痫样放电过程中脑区间的同步性演化过程；分频段分析（1）相同脑功能状态下痫样放电前δ节律可能已先于其它节律产生了类似于痫样放电的同步现象；痫样放电过程中较高节律的同步化可能占优势；δ节律与其它节律的同步性差异可以区分不同的脑功能状态。（2）不同脑功能状态间转换时痫样放电过程中脑电信号高节律（α、σ、β）同步性增强可能占主导地位；δ节律在痫样放电结束过程中可能起着重要作用；第31页/共38页32Paper（1）YangXia;HongmeiYan;YansuLiu（刘衍素）;DezhongYao;AndrewC.NChen.Hippocampus:theoriginofpilocarpine-inducedepilepsy.12thECCNcongress.Stockholm.2005.5.（录用）（2）XiaYang;LiuYansu（刘衍素）;YanHongmei;WuHongyi;YouZili;YaoDezhong.SynchronizationanalysisofEEGsignalbetweencortexandhippocampusofpilocarpine-inducedepilepticrat.27thAnnualIternationalConferenceoftheIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety(EMBS).ShangHai2005.9.(Submit)（3）痫样放电大鼠颅内脑电信号的同步分析（4）癫痫大鼠颅内脑电信号不同节律的同步分析第32页/共38页33本文的创新点不同频段脑电信号的近似熵分析；似然同步用于大鼠模型脑电信号分析；研究结果提示在该模型中，可能存在痫样放电的左侧优势现象，这一现象在癫痫动物模型研究中尚未见报道，值得进一步研究。第33页/共38页34Ⅳ.工作总结和展望本文工作总结1.将近似熵分析方法应用于临床癫痫患者的脑电信号分析，结果显示近似熵分析能够用于癫痫患者的背景脑电信号和痫样放电的鉴别检测；2.成功建立了匹罗卡品诱发痫样放电大鼠模型，在本实验室首次探索了痫样放电大鼠模型的实验研究，为进一步深入开展癫痫电生理实验研究奠定了基础；3.通过近似熵、似然同步方法分析痫样放电大鼠模型的脑电信号，提示这两种方法都可以刻画痫样放电过程中脑电信号的非线性动力学过程。第34页/共38页35对今后工作的展望1.δ节律脑电信号在痫样放电过程中的作用有待于进一步研究；2.结合分子生物学研究手段，研究匹罗卡品