近似熵应用于老年性痴呆患者脑电研究

【Abstract】 Here introduced is an analysis of the approximate entropy (Apen) characteristics of EEG ( electroencephalogram) of AD
(Alzheimer’s disease) patients and healthy persons of the same age in order to find the special parameters. First results showed that the approxi2 mate entropy of each lead of AD patients was significantly less than the corresponding one of the healthy persons. The relative reduction of amplitude was 10 % - 22 %. This points out that the approximate entropy could be used as the special parameters for AD patients. It is worthy to carryLeabharlann Baiduout fur2 ther studies.
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第2期
近似熵应用于老年性痴呆患者脑电研究
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新模式可能性的大小 , 也就是反映时间序列中新信 息发生率 , Ap En 越大 , 产生新模式的机会就越大 , 因而序列就越复杂 。研究表明 : 近似熵能够表征人 [3 ] 的生理状态变化情况 。由于近似熵的计算只要较 短的数据就可以得到稳健的估计值 , 因而对于非平 稳的生物信号特别有用 。 [4 ] 近似熵的算法 : ( 预先选定相似容限 r) : (1) 对 N 点序列 { xi } i = 1 , 2 , …N , 按序 列连续顺序组成一组 m 维矢量 : X ( i ) = [ x ( i ) , x ( i + 1) , …, x ( i + m - 1) ] ( 1) i = 1 ～ N - m + 1 ; 式中 m 是预先选定的模式维数 。 (2) 定义 X ( i ) 与 X ( j ) 之间的距离 d [ X ( i ) , X ( j) ] 为两者对应元素中差值最大的一个 , 即: d [ X ( i ) , X ( j) ] =
- m 的比值 , 记做 Ci
Ci ( r) =
m m
( r) , 即 :
1
N - m
{ [ d [ X ( i ) , X ( j) ] < r ] 的数目}
少的 15～25s 长度数据进行分析 。 采集后的 EEG 原始数据要进行预处理 : 首先 运用专家规则去除明显的干扰伪迹 , 即要考虑环境 电气可能产生的外界干扰和与导联位置有关 、由于 肌肉收缩 、眼睛眨动 、出汗 、声音刺激 、电极移动 等意外事件所造成的伪差以选取合适的数据段 。其 后 , 为方便数据检测和分析结果的可比性 , 需要将 数据进行归一化 , 所得数值范围在 0～1 之间 。 对老年性痴呆患者及其对照组的正常人的 16 导自发脑电进行近似熵分析 , 以 500 点的滑动窗对 数据的模式变化进行时间跟踪 , 结果如图 1 和图 2 。图 2 所示是对病例 17 的 7000 点数据跟踪结果 曲线 , 由于我们对数据的预先处理滤除了不稳定的 数据段 , 因此模式的变化相对比较平稳 。对病例和 正常人的分析对照 , 如表 1 所示 , 痴呆患者的近似 熵与正常人比较要小 , 各导联的降低幅度不尽相 同 ; 从整个患者集的 Ap En 数据进行归一化平均之 后的对比结果来看 , 降幅可以到 10 %～ 20 %左右 ( 表 2) 。
deviation) } 。
2 实验数据与分析结果
本课题的老年痴呆病例分别来自 : 天津医科大 学总医院老年病室 ( 提供 7 例 , 其中 3 例有门诊痴 呆量表检查数据 ) 和日本脑机能研究所 ( 提供 12 例) , 总共 19 例 。本文所举典型实验数据采自天津 医科大学总医院老年病室临床门诊的老年性痴呆病 人 ( 经长谷川心理量表测试得分在 18 分以下 3 例 , 与同年龄段正常老年人 ( 同一心理量表测试得分在 27 分以上 3 例 , 作为对照组 ) ; 实验设备为该院神 经内科所属脑电图室的荷兰丹迪公司产脑电图机 。 实验时要求被测者安静 、闭目 、静坐在屏蔽室内 , 按照 10 — 20 国际标准导联系统的设置 , 以 两 耳 (A1 、A2 ) 作为接地电极 , 采取前额 ( Fp1 、Fp2 ) 、 额 ( F3 、F4 ) 、侧额 ( F7 、F8 ) 、中央 ( C3 、C4 ) 、顶
1 ,2
Research of EEG of AD Patients by Applying Approximate Entropy ZHAO Li
Chunmei .
1
, WAN Baikun , QI Hongzhi , YANG
1
1
1 Tianjin University , Tianjin 300072 ; 2 Jinzhou Normal College , Jinzhou 121000
【 Key words】 EEG AD Approximate entropy
随着人类生活健康水平提高 , 平均寿命增长 , 社会老龄化进程加剧 , 痴呆患病率逐年上升 , 老年 性痴呆已成为老龄化社会的常见多发病症 。国际疾 病分类诊断标准第十次修订 ( ICD210) 对痴呆所作 的一般性描述为 : “痴呆是由脑部疾病所致的综合 症 , 它通常具有慢性或进行性的性质 , 出现多种高 级皮质功能的紊乱 , 其中包括记忆 、思维 、定向 、 理解 、计算 、学习能力 、语言和判断功能 , 意识是 清晰的 , 常伴有认知功能的损害 , 偶尔以情绪控制 [1 ] 和社会行为或动机的衰退为前驱症状” 。 痴呆可按病因分类为原发性痴呆 、继发性痴 呆 、血管型痴呆等 ; 按其对特异性治疗的反应又可 分为可治愈性痴呆和不可治愈性痴呆 ; 按其病理改 变的定位还可分为皮质性痴呆和皮质下痴呆等 。其 中原发性痴呆和血管型痴呆是老年痴呆的两个主要 病型 。本文主要研究原发性痴呆 , 或称早老性痴 呆 , 临 床 上 称 阿 尔 茨 海 默 氏 病 ( Alzheimer ’ s dis2
忆能力损害为主的中枢神经系统退行性疾病 。由于
AD 的病因根源和发病机理尚不甚清楚 , 病程潜伏
期长而又缺乏有效的早期诊断和预后手段 ; 待有明 显痴呆症状时 , 又几乎无法治愈 , 成为威胁老年人 健康水平和生活质量的一大隐患 。而目前临床对痴 呆的诊断主要靠心理学问卷调查 , 其结果受患者主 观因素影响较大 , 缺乏更为客观和特异性较强的诊 断指标 , 是老年性痴呆早期诊断亟待解决的难题 。 鉴于痴呆是由于脑功能障碍而产生的获得性智 能损害综合症 , 而脑电 ( EEG) 是大脑皮层神经电 活动在头皮感应信号 , 应能在一定程度上反映大脑 功能状况 。因此 , 本文试图从非线性动力学观点出 发 , 通过比较分析头皮各导联 EEG 信息传输状态 变化来寻找新的 AD 症客观诊断方法 。
( P3 、P4 ) 、颞 ( T3 、T4 ) 、后颞 ( T5 、T6 ) 、枕 ( O1 、 O2 ) 等 16 个导联的自发脑电数据 。采样频率为 168Hz , 采样精度为 12bit , 选取伪差和噪声污染较
k = 0～ m - 1
然都 ≤d) 。并对每一个 i 值计算 X ( i ) 与其余矢 量 X ( j) ( j = 1～ N - m + 1 , 但 j ≠i ) 间的距离 d [ X ( i ) , X ( j) ] 。 (3) 给 定 阈 值 r , 对 每 一 个 i 值 统 计 d [ X ( i ) , X ( j) ] 小于 r 的数目及此数目与距离总数 N
max [| x ( i + k ) - x ( j + k ) | ] ( 2) (此时 X ( i ) , X ( j) 中的其他对应元素间差值自
据研究 , 建议取 m = 2 , r = 011～012 SDx , { SDx 是 原始序列 { xi } i = 1 , 2 , …N 的标准差 , ( standard
Fp
1
Fp
2
F3
F4
C3
C4
P3
P4
正常人 111004 ± 011359 019092 ± 012234 019331 ± 010984 110943 ± 011090 019137 ± 011049 111823 ± 010618 018859 ± 010699 110061 ± 010908 患者 017813 ± 011536 017659 ± 011511 017669 ± 010936 018823 ± 010948 017994 ± 011220 019453 ± 010956 018214 ± 011229 018612 ± 011088
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北京生物医学工程 表1 典型痴呆患者近似熵与正常人的比较
第 22 卷
Ap En
1 近似熵
近似熵 ( Approximate entropy , Ap En ) 由 Pincus 于 1991 年 首先提出 , 近似熵反映当序列相邻的
m 个点所联成的折线段其模式互相近似的概率与
[2 ]
由 m + 1 个点所联成的折线段其模式相互近似的概 率之差 , 因而反映当维数由 m 增加到 m + 1 时产生
N →∞
( 5)
一般言之 , 此极限值以概率 1 存在 。实际工作 中 N 不可能为 ∞。当 N 为有限值时按上述步骤得 出的是序列长度为 N 时 Ap En 的估计值 。记做 m m +1 ( 6) Apen ( m , r , N ) = < ( r) - < ( r) Ap En 的值显然与 m , r 的取值有关 。Pincus 根
基金项目 : 天津市自然科学基金项目 ( 资助号 : No. 993607511) , 天津市重点学科建设基金资助 。 作者单位 : 1 天津大学精仪学院 (300072)
2 锦州师范学院 (121000) ) , 女 , 博士生 , 副教授 。 作者简介 : 赵丽 (1962 —
ease , 简称 AD 症) , 是一种以进行性认知障碍和记
( 3) i = 1 ～ N - m + 1 m (4) 先将 Ci ( r) 取对数 , 再求其对所有的 i
平均值 , 记做 <
m
( r) , 即 : 1
N - m +1
N - m +1 i =1
m < ( r) =
∑ln C
m i
( r)
( 4)
(5) 再把维数加 1 , 变成 m + 1 维 , 重复步骤 m+1 ( r) 和 <m + 1 ( r) 。 1～4 , 得 C i ( 6) 理论上 , 此序列的近似熵为 : m m +1 Apen ( m , r) = lim [ < ( r) - < ( r) ]
第 22 卷 第2期 2003 年 6月
北京生物医学工程 Beijing Biomedical Engineering
Vol122 No11 Jun. 2003
近似熵应用于老年性痴呆患者脑电研究
赵丽
1 ,2
万柏坤 綦宏志 杨春梅
1
1
1
摘 要 运用非线性动力学分析方法对老年痴呆 ( AD) 患者与同年龄正常人的脑电 ( EEG) 近似熵进行分 析 。初步表明 AD 患者头皮各个导联处近似熵均显著低于正常人值 。下降的相对幅值达 10 %～20 %左右 。研究结 果提示 : 可考虑试用近似熵作为 AD 临床诊断的特异性指标 , 值得进一步深入研究 。 关键词 EEG 老年痴呆 近似熵 中图分类号 R318104 文献标识码 A 文章编号 100223208 (2003) 0220140203