腦電信號(hào)復(fù)雜度及全局域同步化在評(píng)價(jià)阿爾茨海默病認(rèn)知障礙中的作用研究.pdf

1、隨著社會(huì)的進(jìn)步，人口老齡化已經(jīng)日益嚴(yán)峻。阿爾茨海默病(Alzheimer'sDisease，AD)是老年群體中最為常見(jiàn)也是嚴(yán)重威脅老年人生活質(zhì)量的疾病之一。阿爾茨海默病協(xié)會(huì)2011年統(tǒng)計(jì)調(diào)查得出:年齡高于70歲的老年人超過(guò)70％都患有不同程度的癡呆癥。有研究表明AD的發(fā)病率隨著年齡的增長(zhǎng)呈指數(shù)增加，年齡超過(guò)65歲后患AD疾病的幾率每5年增加一倍。近年來(lái)隨著對(duì)AD疾病在基因?qū)W、病理學(xué)及其臨床影像學(xué)方面的研究，關(guān)于AD診斷學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越受

2、關(guān)注。一個(gè)可靠的診斷方法能為AD患者提供堅(jiān)實(shí)的輔導(dǎo)基礎(chǔ)、定護(hù)理計(jì)劃并能夠開(kāi)展對(duì)癥治療。同樣，快速準(zhǔn)確的診斷方法有助于排除有類似于認(rèn)知障礙的患者患有AD疾病的可能性，并能夠?yàn)樵擃惢颊咛峁┝司薮蟮脑?，考慮其他類型的疾病如抑郁癥等，有時(shí)也可為治療提供有效依據(jù)。腦電圖(EEG)對(duì)于研究AD患者的認(rèn)知功能是一種較好的手段。
　　腦電圖記錄的腦電信號(hào)是伴隨人體神經(jīng)生理電信號(hào)的曲線，隨時(shí)記錄著人體大腦在神經(jīng)系統(tǒng)電活動(dòng)中感知、認(rèn)知、思維的執(zhí)行行

3、為，包含著豐富的生物電信息并且對(duì)于研究認(rèn)知功能來(lái)講是一種十分方便可行的手段。與基因檢測(cè)和病理學(xué)檢測(cè)以及臨床影像學(xué)的各項(xiàng)檢查相比，腦電圖的優(yōu)點(diǎn)是可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、操作快速方便、時(shí)間分辨率高而且價(jià)格便宜等，非常適合廣泛的應(yīng)用于臨床篩查診斷。在以往的臨床應(yīng)用中，臨床醫(yī)生仍用肉眼識(shí)別并憑借經(jīng)驗(yàn)性判斷和感性認(rèn)識(shí)來(lái)給出腦電信號(hào)判斷結(jié)論。腦電圖對(duì)于AD疾病的的臨床診斷和預(yù)后評(píng)估并沒(méi)有真正發(fā)揮出其原應(yīng)有的作用。關(guān)于腦電圖電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制在目前仍然處于研究階

4、段。在腦內(nèi)存在著大量神經(jīng)元活動(dòng)的信息，這些神經(jīng)元在特定的組織內(nèi)以不同形式參與著腦內(nèi)的活動(dòng)，腦電圖是將分布于不同腦區(qū)的不同種類的神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)通過(guò)不同的電導(dǎo)方式收集并匯總到記錄儀器中，腦電信號(hào)是一種高密度高復(fù)雜度的電信號(hào)。其主要的特點(diǎn)是腦電信號(hào)是多分辨性、多尺度的非線性電信號(hào)。人腦的神經(jīng)電信號(hào)是自然界中最復(fù)雜的非線性神經(jīng)信號(hào)，這種高度復(fù)雜的非線性的電信號(hào)是導(dǎo)致腦電信號(hào)無(wú)法被預(yù)測(cè)的基本原因。在自然界中，自然科學(xué)的任何理論和方法都無(wú)法完整而

5、精確地模擬出人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電生理活動(dòng)，而腦電圖正是這種工具能夠客觀的記錄了腦電活動(dòng)的過(guò)程，因而腦電圖是研究腦內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的各項(xiàng)生理功能以及病理過(guò)程的方便有力的工具之一。正是由于人腦內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)高度發(fā)達(dá)以及其非線性的特點(diǎn)將必然導(dǎo)致人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)腦電圖信號(hào)的多尺度性。人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的腦電信號(hào)多尺度主要是指腦電圖包含多種尺度的標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)候腦電圖時(shí)間尺度很小，可以達(dá)到很小的數(shù)量級(jí)例如毫秒，而有時(shí)候尺度卻很大。另外腦電圖的多尺度還意味著人體神經(jīng)

6、電生理信號(hào)可以與人體神經(jīng)系統(tǒng)多種空間解剖結(jié)構(gòu)尺度的大小有關(guān)，小的范圍可以與神經(jīng)元上的突觸有關(guān)，而大的尺度可能涉及大腦及其特定功能區(qū)域。
　　在解決腦電圖的多尺度性問(wèn)題時(shí)，并不是“傅立葉”線性多頻率波疊加理論可以完全解決的，這種極端復(fù)雜的非線性曲線所有的特點(diǎn)造成其腦電圖多尺度的自由度是無(wú)限多的。另外人體內(nèi)腦電信號(hào)還具備多分辨性，所謂多分辨性主要指腦電信號(hào)的瞬時(shí)相對(duì)幅值差別很大，在人體腦內(nèi)的自發(fā)腦皮質(zhì)電信號(hào)活動(dòng)的電壓一般比誘發(fā)電位高幾

7、個(gè)數(shù)量級(jí)，而這種差別本身在腦電圖記錄儀器上是不容易被覺(jué)察的，因而需要從腦電信號(hào)中提取誘發(fā)電位的信號(hào)并采用特殊的方法來(lái)進(jìn)行信號(hào)分析。在腦電圖的記錄過(guò)程中腦電信號(hào)的瞬時(shí)幅值和演變過(guò)程在極短的時(shí)間內(nèi)差別巨大，因此要采用特殊的方法進(jìn)行處理和分析。同時(shí)也正是這些瞬息萬(wàn)變的電信號(hào)包含了人體腦內(nèi)千變?nèi)f化的生理活動(dòng)信息。腦電圖在診斷AD患者認(rèn)知障礙中已被用來(lái)作為一種輔助手段，在評(píng)價(jià)與認(rèn)知功能缺損患者的診斷中尤為重要。除了視覺(jué)腦電圖分析外，應(yīng)用數(shù)值表示的

8、“數(shù)字腦電圖”開(kāi)展了腦電圖的定量分析領(lǐng)域，其中腦電頻段功率和連貫性分析最為常用。腦電圖波段功率分析計(jì)算以及各種頻段的功率活動(dòng)范圍構(gòu)成了腦電活動(dòng)。在腦電圖分析中的連貫性及相對(duì)于其腦電活動(dòng)的兩個(gè)區(qū)域之間的關(guān)系評(píng)估，使得腦電信號(hào)可以評(píng)估兩個(gè)區(qū)域之間的連接。這種分析反映了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在皮質(zhì)功能之間的互動(dòng)。但是，在臨床應(yīng)用中對(duì)于腦電信號(hào)的分析并沒(méi)有定量和標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)，僅依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)及觀察，使腦電圖在AD的診斷和病情評(píng)估中沒(méi)有充分體現(xiàn)出其應(yīng)有的

9、重要作用。
　　大腦是一個(gè)非因果、時(shí)變、非線性的復(fù)雜有源系統(tǒng)，EEG信號(hào)和大腦神經(jīng)元的活動(dòng)均具有非線性動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，因此，在評(píng)定EEG信號(hào)的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)，傳統(tǒng)線性分析方法已經(jīng)難以準(zhǔn)確評(píng)定EEG信號(hào)的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，這就沒(méi)法揭示大腦活動(dòng)的本質(zhì)特征。而非線性動(dòng)力學(xué)的分析方法可以對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行有效的提取和分析，這為更深入地研究大腦活動(dòng)的過(guò)程及特征開(kāi)辟了新的途徑。觀測(cè)腦電信號(hào)復(fù)雜度和全局域同步化(GFS)變化均屬于非線性的EEG信號(hào)分析方法。

10、
　　本研究先采用Lempel和ZIV提出的二值法來(lái)計(jì)算腦電信號(hào)的復(fù)雜度，對(duì)處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各導(dǎo)聯(lián)腦電信號(hào)Lemple-Zie復(fù)雜度計(jì)算，分析比較各組之間腦電復(fù)雜度特點(diǎn)。研究對(duì)象均具有明確的病理、生理背景，能夠?qū)⑺玫腖ZC值與被試的病理生理基礎(chǔ)相聯(lián)系，得出相對(duì)客觀、可信的結(jié)論。
　　本研究還對(duì)腦電信號(hào)頻域進(jìn)行了全局域同步化計(jì)算來(lái)分析其功能同步性，腦電圖全局域同步化是一種新應(yīng)用的腦電信號(hào)分析方法，它可與衡量功能頻域的腦電圖

11、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同步。采用新的數(shù)學(xué)分析方法對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行定量分析，提取有價(jià)值的客觀定量信息和參數(shù)，對(duì)于AD的診斷、病情評(píng)估及電生理機(jī)制的研究具有重要意義。腦電資料采自37位AD患者和37位同齡健康老年人。計(jì)算腦電圖頻段的GFS值，包括delta，theta，alpha, beta1，beta2，beta3，gamma及全頻段。MoCA和CDR被用于評(píng)價(jià)AD病人的癥狀嚴(yán)重程度，應(yīng)用相關(guān)分析、聚類分析和一致性分析來(lái)評(píng)價(jià)GFS值和AD患者M(jìn)oCA評(píng)

12、分二者的關(guān)系。AD患者beta1、beta2，、beta3和全頻段的GFS值較健康老年人降低，并且所有觀察者的GFS-值均與MoCA評(píng)分和CDR得分有較好的相關(guān)性。GFS值在3個(gè)beta頻段和全頻段與MoCA評(píng)分有明顯的相關(guān)性，在delta頻段與CDR評(píng)分相關(guān)性較好。k均值聚類計(jì)算顯示GFS值和MoCA評(píng)分有較好的一致性。
　　目的:本研究以不同認(rèn)知障礙的AD患者與健康老年人為研究對(duì)象，通過(guò)腦電圖非線性分析比較并研究不同認(rèn)知程度的

13、AD患者與正常老年對(duì)照組相比的腦電圖信號(hào)的特點(diǎn)。對(duì)處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各導(dǎo)聯(lián)腦電信號(hào)Lemple-Zie復(fù)雜度計(jì)算，分析比較各組之間腦電復(fù)雜度特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)腦電圖全局域同步化，采用新的數(shù)學(xué)分析方法對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行定量分析，提取有價(jià)值的客觀定量信息和參數(shù)，對(duì)于AD的診斷、病情評(píng)估及電生理機(jī)制的研究具有重要意義，本研究還探索了GFS值的檢測(cè)在AD患者的認(rèn)知功能下降的嚴(yán)重程度測(cè)量中的作用及其臨床意義。在此基礎(chǔ)上本研究目的在于構(gòu)建簡(jiǎn)便并確切的腦電信號(hào)

14、評(píng)價(jià)方法，為臨床阿爾茨海默病患者認(rèn)知功能障礙早期診斷及病程評(píng)估提供客觀指標(biāo)。
　　方法:本研究在AD患者中選取不同認(rèn)知程度的患者37例并同時(shí)選取37名年齡匹配的健康人作為對(duì)照。受試者在安靜環(huán)境下閉目進(jìn)行腦電圖(Electroencephalogram，EEG)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間為3分鐘，然后選擇基線平穩(wěn)的腦電信號(hào)在MATLAB7.0軟件平臺(tái)上分析比較各組之問(wèn)腦電復(fù)雜度特點(diǎn)。根據(jù)腦電圖頻段包括δ，θ，α，β1，β2，β3，γ，和全頻段來(lái)

15、計(jì)算GFS值。通過(guò)蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(MoCA)和臨床認(rèn)知障礙評(píng)定量表(CDR)對(duì)AD患者認(rèn)知狀況的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，聚類分析和一致性分析三種分析方法來(lái)比較分析GFS值和MoCA評(píng)分在AD患者與健康人之間的區(qū)別。
　　結(jié)果:AD患者與正常老年組腦電信號(hào)的LZC值相比較結(jié)果顯示，正常老年組各導(dǎo)聯(lián)的LZC值明顯高于AD組各導(dǎo)聯(lián)的LZC值。AD患者組的LZC值在各個(gè)導(dǎo)聯(lián)處均明顯低于正常老年組，包括左腦半球各導(dǎo)聯(lián)的LZC平

16、均值;右腦半球各導(dǎo)聯(lián)的LZC平均值;左額區(qū)的FP1和F3導(dǎo)聯(lián)平均值;右額區(qū)的FP2和F4導(dǎo)聯(lián)平均值;左右顳區(qū)的F7、T3、T5、F8、T4、T6各導(dǎo)聯(lián)的LZC平均值。觀察各導(dǎo)聯(lián)的LZC值發(fā)現(xiàn)在左右前顳區(qū)F7、F8導(dǎo)聯(lián)，左右中顳區(qū)T3、T4導(dǎo)聯(lián)，左右額區(qū)F3、F4導(dǎo)聯(lián)和C3、P3導(dǎo)聯(lián)的LZC值在AD患者和正常老年對(duì)照組中均有明顯的下降。計(jì)算LZC值降幅的公式為:下降百分比=LZC值（正常老年組各導(dǎo)聯(lián)）-LZC值(AD組各導(dǎo)聯(lián))/LZC值（

17、正常老年組各導(dǎo)聯(lián)），經(jīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)得出各導(dǎo)聯(lián)均有明顯下降，其中T6導(dǎo)聯(lián)下降幅度最小為17.2％。分析AD組腦電圖各導(dǎo)聯(lián)LZC值發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P1、FP2、F7、F8導(dǎo)聯(lián)即前額區(qū)和前顳區(qū)的LZC值與其他各導(dǎo)聯(lián)相比明顯降低，其減低差異具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義p＜0.05;另外，在分析AD組患者的大腦半球腦電圖信號(hào)LZC值發(fā)現(xiàn)，左右大腦半球并無(wú)差異(p＞0.05），p值為0.381大于0.05;同樣的比較AD組患者左右側(cè)額區(qū)的腦電圖電信號(hào)復(fù)雜度LZC結(jié)果顯

18、示左右側(cè)額區(qū)的LZC值并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p＞0.05），p值為0.139大于0.05;與此不同的是在右側(cè)顳區(qū)的LZC值明顯高于左側(cè)顳區(qū)，p值為0.029，有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義p＜0.05。在AD組患者的左右腦區(qū)腦電圖電信號(hào)復(fù)雜度LZC值降幅分析中發(fā)現(xiàn)，右側(cè)腦區(qū)的降幅明顯低于左側(cè)腦區(qū)（右側(cè)腦半球，右側(cè)額區(qū)和右側(cè)顳區(qū)），有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，p＜0.05。檢測(cè)GFS值和MoCA評(píng)估分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性，用以反映二者之間的關(guān)系以及AD患者認(rèn)知障礙的嚴(yán)重程

19、度。在所有受試者中(AD患者和正常老年健康個(gè)體，n=74)。認(rèn)知障礙MoCA評(píng)分與GFS值α，β1，β2，β3，全波段呈正相關(guān)。所有受試者中（AD患者和正常老年健康個(gè)體，n=74）的認(rèn)知障礙CDR分?jǐn)?shù)與GFS值α，β1，β2，β3，全波段呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于AD患者組(n=37)，GFS值與MoCA評(píng)分呈正相關(guān)，與CDR認(rèn)知障礙評(píng)分呈負(fù)相關(guān)。本研究中采用聚類分析主要用來(lái)區(qū)分AD-MCI和AD-SCI的AD患者之間的差異。研究中AD患者GFS值

20、（β1，β2和β3）產(chǎn)生三維圖，37例AD患者的beta值映射在這3個(gè)通道生成三維腦電圖。結(jié)果表明，總22例AD-SCI患者（24例AD患者的MoCA評(píng)分得分少于14）的測(cè)試帶分布在區(qū)間Ⅰ(0.35-0.47)和12例AD-MCI患者評(píng)估分布在區(qū)間Ⅱ（0.50-0.59）。本研究中采用特定的收斂區(qū)間，Ⅰ和Ⅱ與MoCA評(píng)分相比得到聚類分析結(jié)果。22例AD-SCI患者GSF值與MoCA的得分一致，靈敏度為91.7％(22/24)。12例AD

21、-MCI患者GSF值與MoCA的得分一致，靈敏度為92.3％。對(duì)于AD患者GFS值和MoCA認(rèn)知障礙評(píng)估方法的一致性值是.913(κ=0.913，P＜0.001)。通過(guò)配對(duì)x2檢驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)GFS值評(píng)價(jià)AD患者的嚴(yán)重性與MoCA評(píng)分的方法之間沒(méi)有顯著差異。與健康對(duì)照組相比，AD患者的β1，β2，β3，和全頻段的GFS值較低。AD患者組與健康對(duì)照組兩組之間的GFS值與MoCA評(píng)分在β3導(dǎo)聯(lián)和全導(dǎo)聯(lián)之間呈正相關(guān)。
　　結(jié)論:本研究通

22、過(guò)對(duì)AD患者及正常老年對(duì)照組自發(fā)腦電信號(hào)的多尺度定量分析得到結(jié)果表明，AD患者組的LZC值在各個(gè)導(dǎo)聯(lián)處均明顯低于正常老年組，AD患者與正常健康人相比GFS明顯降低。GFS值也與MoCA評(píng)分呈正相關(guān)和CDR得分呈負(fù)相關(guān)。目前的結(jié)果表明，腦電圖電信號(hào)復(fù)雜度LZC值可以用于區(qū)分AD患者和健康老年人，GFS可以作為指標(biāo)用來(lái)判斷AD患者認(rèn)知下降或損害的程度。腦電圖的GFS法可以很好的區(qū)分開(kāi)AD患者中的AD-MCI和AD-SCI，適合于臨床應(yīng)用。<