阿尔茨海默病脑电信号多尺度时空定量特征研究

发布时间：2018-11-27 12:21

【摘要】：随着人口的老龄化,阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease, AD)的发病率日益增多,关于AD诊断的生物学标志物的研究倍受关注。近年来,对痴呆的基因、病理、影像等方面都取得了一定的进展。脑电信号是伴随人生始终的神经生理曲线,随时记录着人脑在感知、认知、思维的执行过程中的神经系统电活动行为,蕴藏着丰富的信息,对认知功能研究来说,应该是一种最佳的手段。然而目前临床对于脑电信号的分析仍依靠医生的肉眼识别和经验性判断,在AD的诊断和病情评估中还没有发挥出应有的作用。采用新的数学分析方法对脑电信号进行定量分析,提取有价值的客观定量信息和参数,对于AD的诊断、病情评估及电生理机制的研究具有重要意义。目的：本研究拟采用连续子变换(Contiuous wavelet transform, CWT)对轻、中、重度AD患者的自发状态下的脑电信号进行多尺度分析,与正常对照进行比较,提取AD脑电信号的时频特征,子波功率谱分布特征,以子波熵(wavelet entropy,WE)来衡量脑电信号的复杂程度,采用条件采样和相位平均技术(Conditional sampling and phase-average technique)提取分尺度的相位平均波形特征及不同导联脑电信号的同步相位差和波幅差。比较轻、中、重度AD患者与正常对照之间脑电信号时频特征、子波功率谱、子波熵、第9尺度相位平均波形的波长、不同导联的相位差和波幅差的差异,提取有助于AD诊断和病情评估的电生理指标。方法： 1.对轻、中、重度AD患者行详细病史采集,神经系统及全身查体,行简易智能精神状态量表(MMSE),画钟试验(CDT), Hachinski缺血量表(HIS),临床痴呆评定量表(CDR),日常生活能力量表(ADL)测评,所有患者均行头核磁共振检查,对中颞叶萎缩程度进行分级。对正常对照行病史采集、查体,行MMSE、MoCA、ADL量表测评。 2.采集轻、中、重度AD患者和正常对照,安静清醒闭目状态下的数字脑电信号,采样频率200Hz,选择无伪差的脑电信号,以20秒数据存为一个数据模块,用于脑电信号定量分析。 3.脑电信号的定量分析分5个部分 (1)采用连续子变换的方法对研究对象的脑电信号进行多尺度子波分析,共分析30个尺度,绘制子波系数等值线图,显示脑电信号的时频特征。 (2)根据子波系数计算脑电信号的分尺度功率,绘制不同导联分尺度功率随频率分布图,观察脑电信号的子波功率谱分布特征。 (3)根据脑电信号分尺度功率的百分比随尺度分布的特征,提取描述脑电信号复杂程度的定量指标——子波熵。 (4)以子波系数为检测对象,用条件采样方法检测第9尺度(对应频率中心10Hz)脑电信号,并对脑电信号的同类事件进行相位对齐叠加平均,获得该尺度脑电信号的相位平均波形。 (5)采用同步互相关分析方法,对不同导联同步采集的脑电信号相位平均波形进行时间相位分析,获得不同导联相位平均波形的相位差和波幅差。 4.统计学分析采用SPSS13.0统计软件包。计量资料以均数±标准差(X±S)表示。计数资料采用χ2检验。三组及以上计量资料比较采用单因素方差分析,Levene方差齐性检验,两两比较采用LSD；计量资料单因素之间相关性分析采用Pearson相关分析。显著性检验标准为α=0.05。结果： (1)正常对照尺度丰富,节律性活动明显,在10Hz,1Hz,0.1Hz附近三个频带上形成稳定的节律性活动,且不同尺度间脑电信号密切关联,而AD患者自发脑电信号的时频特征表现为,尺度单一,节律性活动不稳定,节律性活动在1Hz附近明显,失去正常脑电信号的多尺度间相互关联的时频结构特征,AD患者脑电信号的多尺度时频特征随病情的加重逐渐演变。 (2)正常对照自发脑电信号的子波功率谱随频率分布较宽,在0.1Hz、1Hz、10Hz附近存在3个低而宽的功率峰,而AD患者自发脑电信号的子波功率谱分布特征为频率分布较窄,1Hz附近的功率峰增高,而0.1Hz、10Hz附近的功率峰降低,且随病情的加重逐渐演变。 (3)轻、中、重度AD患者自发脑电信号不同导联的子波熵均低于正常对照(P0.01),且与AD患者MMSE评分呈正相关(P0.01),说明认知障碍的程度越重,脑电信号的子波熵越低,脑电信号的多尺度复杂程度越低。 (4)轻、中、重度AD患者自发脑电信号不同导联第9尺度相位平均波形的波长均大于正常对照(P0.01),且与AD患者MMSE评分呈负相关(P0.01)。说明认知功能障碍的程度越重,第9尺度相位平均波形的波长越长,在这一尺度范围内脑电信号的频率越慢。 (5)正常对照从枕部导联到额部导联存在明显的相位差和波幅差,枕部导联与额部导联的相位差大约π/2相位,而AD患者自发脑电信号不同导联第9尺度相位平均波形的相位差和波幅差较正常对照减少,重度AD患者脑电信号不同导联第9尺度相位平均波形的相位差和波幅差几乎为零,这一结果与AD患者脑电信号的a节律的泛化,a节律的前移相一致。结论：基于子波变换、子波功率谱、子波熵、条件采样和相位平均、同步互相关分析等技术建立的脑电信号多尺度分析方法适合于脑电信号的定量客观分析和AD的临床辅助诊断。通过对AD患者自发脑电信号的多尺度定量分析,结果表明AD患者脑电信号的时频特征、子波功率谱分布特征、子波熵、第9尺度相位平均波形的波长、不同导联第9尺度相位平均波形的相位差和波幅差等定量特征和参数可以作为辅助AD临床诊断和病情评估的神经电生理指标。
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【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R749.16

【参考文献】