腦電信號復雜度及全局域同步化在評價阿爾茨海默病認知障礙中的作用研究.pdf

1、隨著社會的進步，人口老齡化已經(jīng)日益嚴峻。阿爾茨海默病(Alzheimer'sDisease，AD)是老年群體中最為常見也是嚴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2011年統(tǒng)計調(diào)查得出:年齡高于70歲的老年人超過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呈指數(shù)增加，年齡超過65歲后患AD疾病的幾率每5年增加一倍。近年來隨著對AD疾病在基因?qū)W、病理學及其臨床影像學方面的研究，關于AD診斷學的標準也越來越受

2、關注。一個可靠的診斷方法能為AD患者提供堅實的輔導基礎、定護理計劃并能夠開展對癥治療。同樣，快速準確的診斷方法有助于排除有類似于認知障礙的患者患有AD疾病的可能性，并能夠為該類患者提供了巨大的援助，考慮其他類型的疾病如抑郁癥等，有時也可為治療提供有效依據(jù)。腦電圖(EEG)對于研究AD患者的認知功能是一種較好的手段。
　　腦電圖記錄的腦電信號是伴隨人體神經(jīng)生理電信號的曲線，隨時記錄著人體大腦在神經(jīng)系統(tǒng)電活動中感知、認知、思維的執(zhí)行行

3、為，包含著豐富的生物電信息并且對于研究認知功能來講是一種十分方便可行的手段。與基因檢測和病理學檢測以及臨床影像學的各項檢查相比，腦電圖的優(yōu)點是可以長期監(jiān)測、操作快速方便、時間分辨率高而且價格便宜等，非常適合廣泛的應用于臨床篩查診斷。在以往的臨床應用中，臨床醫(yī)生仍用肉眼識別并憑借經(jīng)驗性判斷和感性認識來給出腦電信號判斷結(jié)論。腦電圖對于AD疾病的的臨床診斷和預后評估并沒有真正發(fā)揮出其原應有的作用。關于腦電圖電信號的產(chǎn)生機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，腦電圖是將分布于不同腦區(qū)的不同種類的神經(jīng)細胞的電活動通過不同的電導方式收集并匯總到記錄儀器中，腦電信號是一種高密度高復雜度的電信號。其主要的特點是腦電信號是多分辨性、多尺度的非線性電信號。人腦的神經(jīng)電信號是自然界中最復雜的非線性神經(jīng)信號，這種高度復雜的非線性的電信號是導致腦電信號無法被預測的基本原因。在自然界中，自然科學的任何理論和方法都無法完整而

5、精確地模擬出人體神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的電生理活動，而腦電圖正是這種工具能夠客觀的記錄了腦電活動的過程，因而腦電圖是研究腦內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的各項生理功能以及病理過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)達以及其非線性的特點將必然導致人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)腦電圖信號的多尺度性。人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的腦電信號多尺度主要是指腦電圖包含多種尺度的標準，有時候腦電圖時間尺度很小，可以達到很小的數(shù)量級例如毫秒，而有時候尺度卻很大。另外腦電圖的多尺度還意味著人體神經(jīng)

6、電生理信號可以與人體神經(jīng)系統(tǒng)多種空間解剖結(jié)構尺度的大小有關，小的范圍可以與神經(jīng)元上的突觸有關，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題時，并不是“傅立葉”線性多頻率波疊加理論可以完全解決的，這種極端復雜的非線性曲線所有的特點造成其腦電圖多尺度的自由度是無限多的。另外人體內(nèi)腦電信號還具備多分辨性，所謂多分辨性主要指腦電信號的瞬時相對幅值差別很大，在人體腦內(nèi)的自發(fā)腦皮質(zhì)電信號活動的電壓一般比誘發(fā)電位高幾

7、個數(shù)量級，而這種差別本身在腦電圖記錄儀器上是不容易被覺察的，因而需要從腦電信號中提取誘發(fā)電位的信號并采用特殊的方法來進行信號分析。在腦電圖的記錄過程中腦電信號的瞬時幅值和演變過程在極短的時間內(nèi)差別巨大，因此要采用特殊的方法進行處理和分析。同時也正是這些瞬息萬變的電信號包含了人體腦內(nèi)千變?nèi)f化的生理活動信息。腦電圖在診斷AD患者認知障礙中已被用來作為一種輔助手段，在評價與認知功能缺損患者的診斷中尤為重要。除了視覺腦電圖分析外，應用數(shù)值表示的

8、“數(shù)字腦電圖”開展了腦電圖的定量分析領域，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算以及各種頻段的功率活動范圍構成了腦電活動。在腦電圖分析中的連貫性及相對于其腦電活動的兩個區(qū)域之間的關系評估，使得腦電信號可以評估兩個區(qū)域之間的連接。這種分析反映了神經(jīng)網(wǎng)絡在皮質(zhì)功能之間的互動。但是，在臨床應用中對于腦電信號的分析并沒有定量和標準的判斷依據(jù)，僅依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗及觀察，使腦電圖在AD的診斷和病情評估中沒有充分體現(xiàn)出其應有的

9、重要作用。
　　大腦是一個非因果、時變、非線性的復雜有源系統(tǒng)，EEG信號和大腦神經(jīng)元的活動均具有非線性動力學特點，因此，在評定EEG信號的動力學結(jié)構時，傳統(tǒng)線性分析方法已經(jīng)難以準確評定EEG信號的動力學結(jié)構，這就沒法揭示大腦活動的本質(zhì)特征。而非線性動力學的分析方法可以對EEG信號進行有效的提取和分析，這為更深入地研究大腦活動的過程及特征開辟了新的途徑。觀測腦電信號復雜度和全局域同步化(GFS)變化均屬于非線性的EEG信號分析方法。

10、
　　本研究先采用Lempel和ZIV提出的二值法來計算腦電信號的復雜度，對處理得到的數(shù)據(jù)進行各導聯(lián)腦電信號Lemple-Zie復雜度計算，分析比較各組之間腦電復雜度特點。研究對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相聯(lián)系，得出相對客觀、可信的結(jié)論。
　　本研究還對腦電信號頻域進行了全局域同步化計算來分析其功能同步性，腦電圖全局域同步化是一種新應用的腦電信號分析方法，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)學分析方法對腦電信號進行定量分析，提取有價值的客觀定量信息和參數(shù)，對于AD的診斷、病情評估及電生理機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被用于評價AD病人的癥狀嚴重程度，應用相關分析、聚類分析和一致性分析來評價GFS值和AD患者MoCA評

12、分二者的關系。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評分和CDR得分有較好的相關性。GFS值在3個beta頻段和全頻段與MoCA評分有明顯的相關性，在delta頻段與CDR評分相關性較好。k均值聚類計算顯示GFS值和MoCA評分有較好的一致性。
　　目的:本研究以不同認知障礙的AD患者與健康老年人為研究對象，通過腦電圖非線性分析比較并研究不同認知程度的

13、AD患者與正常老年對照組相比的腦電圖信號的特點。對處理得到的數(shù)據(jù)進行各導聯(lián)腦電信號Lemple-Zie復雜度計算，分析比較各組之間腦電復雜度特點。通過對腦電圖全局域同步化，采用新的數(shù)學分析方法對腦電信號進行定量分析，提取有價值的客觀定量信息和參數(shù)，對于AD的診斷、病情評估及電生理機制的研究具有重要意義，本研究還探索了GFS值的檢測在AD患者的認知功能下降的嚴重程度測量中的作用及其臨床意義。在此基礎上本研究目的在于構建簡便并確切的腦電信號

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

15、計算GFS值。通過蒙特利爾認知評估量表(MoCA)和臨床認知障礙評定量表(CDR)對AD患者認知狀況的嚴重程度進行評估。通過關聯(lián)分析，聚類分析和一致性分析三種分析方法來比較分析GFS值和MoCA評分在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的LZC值相比較結(jié)果顯示，正常老年組各導聯(lián)的LZC值明顯高于AD組各導聯(lián)的LZC值。AD患者組的LZC值在各個導聯(lián)處均明顯低于正常老年組，包括左腦半球各導聯(lián)的LZC平

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

17、正常老年組各導聯(lián)），經(jīng)計算統(tǒng)計得出各導聯(lián)均有明顯下降，其中T6導聯(lián)下降幅度最小為17.2％。分析AD組腦電圖各導聯(lián)LZC值發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P1、FP2、F7、F8導聯(lián)即前額區(qū)和前顳區(qū)的LZC值與其他各導聯(lián)相比明顯降低，其減低差異具有顯著的統(tǒng)計學意義p＜0.05;另外，在分析AD組患者的大腦半球腦電圖信號LZC值發(fā)現(xiàn)，左右大腦半球并無差異(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)的腦電圖電信號復雜度LZC結(jié)果顯

18、示左右側(cè)額區(qū)的LZC值并無統(tǒng)計學差異(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)計學意義p＜0.05。在AD組患者的左右腦區(qū)腦電圖電信號復雜度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)計學差異，p＜0.05。檢測GFS值和MoCA評估分數(shù)之間的相關性，用以反映二者之間的關系以及AD患者認知障礙的嚴重程

19、度。在所有受試者中(AD患者和正常老年健康個體，n=74)。認知障礙MoCA評分與GFS值α，β1，β2，β3，全波段呈正相關。所有受試者中（AD患者和正常老年健康個體，n=74）的認知障礙CDR分數(shù)與GFS值α，β1，β2，β3，全波段呈負相關。對于AD患者組(n=37)，GFS值與MoCA評分呈正相關，與CDR認知障礙評分呈負相關。本研究中采用聚類分析主要用來區(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評分得分少于14）的測試帶分布在區(qū)間Ⅰ(0.35-0.47)和12例AD-MCI患者評估分布在區(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％。對于AD患者GFS值和MoCA認知障礙評估方法的一致性值是.913(κ=0.913，P＜0.001)。通過配對x2檢驗我們發(fā)現(xiàn)通過GFS值評價AD患者的嚴重性與MoCA評分的方法之間沒有顯著差異。與健康對照組相比，AD患者的β1，β2，β3，和全頻段的GFS值較低。AD患者組與健康對照組兩組之間的GFS值與MoCA評分在β3導聯(lián)和全導聯(lián)之間呈正相關。
　　結(jié)論:本研究通

22、過對AD患者及正常老年對照組自發(fā)腦電信號的多尺度定量分析得到結(jié)果表明，AD患者組的LZC值在各個導聯(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評分呈正相關和CDR得分呈負相關。目前的結(jié)果表明，腦電圖電信號復雜度LZC值可以用于區(qū)分AD患者和健康老年人，GFS可以作為指標用來判斷AD患者認知下降或損害的程度。腦電圖的GFS法可以很好的區(qū)分開AD患者中的AD-MCI和AD-SCI，適合于臨床應用。<