脑电信号分析与癫痫预测的研究

2. 兰州 军区乌 鲁木 齐总医 院癫 痫与功 能外 科中心 , 乌 鲁木 齐 830000)
中 图分 类号: R338. 8 ; R741. 044
文献标识码: A
文章 编号: 1006-2084( 2012) 09-1344-03
摘 要: 癫痫 是神经 系统 的常见 疾病, 具 有反复 发 作 和 难以 治 愈 的 特 征。 在此 介 绍 癫 痫发 作 预 测 Geva等[ 6] 用高压氧舱的方法
3 癫痫预测的方法 1975 年 Viglione 等[ 9] 开 始 了 癫 痫 预 测 的 研 究,
在 20 世纪 80 年代末到 90 年代初伴随着计算机技术 的发展, 混沌理论、相关 维等研 究方 法被应 用于 癫痫 的预测。现在, 国内外已经有学者提出将混沌理论 用于癫痫脑电 信号 分析[ 10] 。 对脑 电信 号 进行 分 析, 检测及预测癫痫发 作的 方法众 多[ 11-13] , 主 要为两 类: 线性分析方法( 如 时 域分 析、蓄 积 能量 ) 和非 线 性分 析方法( 如关联维、Lyapunov 指数) 。 3. 1 线性分 析方 法 线 性 分 析 方法 的 优 势 在 于计 算简 单, 主 要 对 脑 电 信 号 进 行 频 域 分 析。 Osorio 等[ 14] 用时频分 析方 法 研究 皮 质脑 电 信号 ( 包 括 125 段发作期和 205 段发作间 期) 样 本, 结果 表明 此方法 的预测准确率为 92% , 具有较 高的敏感 性和特 异性。 2001 年, Litt 等[ 15] 采 用相 互 交 错 的连 续 观 测 窗 口按 时间顺序来分析脑电信号, 计算样本脑电信号的累 加能量并分析在癫痫发作过程中脑电 能量变化, 探 测癫痫发作脑电预测的 可行性。他 们描述并 分析
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Research on Electroencephalogram Analysis and Epileptic Prediction HOU Feng1 , LIU Shao-ming2 . ( 1. Laboratory of Xinjiang Endemic and Ethnic Disease, Shihezi University, Shihezi 832000 , China; 2 . Center of Epilepsy and Functional Surgery, Urumqi General Hospital of Lanzhou Military District, Urumqi 830000 , China)
的可行 性、存在的 问题 以及癫 痫预 测可能 的应用 领域 。其预 测的 主要研 究方 法分 为 线性 动 力学 方 法 和非线性动力学方法。癫痫预测目的是对癫痫发作周期进行定量分析, 探索癫痫发作的周期变化规 律, 为癫痫预警装置的研发提供理论依据。
关键词: 癫痫预测; 癫痫发作; 脑电信号
诱发小鼠癫痫发作, 发现小 鼠在发作前有明显的逃 避行 为, 表明小鼠可以在发作前
了 80 个癫 痫发 作 样 本 ( 发 作 间 期 样 本 50 个, 发 作 前期样 本 30 个 ) 的累 积能 量变 化 趋 势, 结 果 显示 在 发作前十几分钟即可作出癫痫发作的预测, 准确率 为 89% 。2004 年 Gigola 等 [ 16] 用该 方法 对 4 例 癫痫 患者用 小波分 析方 法及 累 积 能量 方 法 分 析 其 13 次 发作 , 显 示在 发作 前 70 min 脑 电能量 就有 明显 的改 变。Harrison 等 [ 17] 于 2005 年 对 此 法 预 测 癫 痫 发 作 提出质 疑。
预测癫痫即将发作时提前服用抗癫痫药, 短程使用, 减轻药物的耐药性并降低药物的不良反应, 这一设 想已在小鼠身上实现[ 7] 。② 在癫痫手术方面, 通过 对脑电信号分析可以更 精确地进 行术前致 痫灶定
脑电或脑电 图 ( electroencephalogram, EEG) 主要 位。如果能在癫痫发 作过 程中找 到癫 痫最 早起始 区
反映大脑的电活动特性, 是从人类和动物的头皮上 域, 则可以更小地切除癫痫病灶, 最大程度地减少手
记录到的电位变化。大脑皮质Ⅲ层和Ⅳ层的锥体细 术给患者带来的伤害。③目前最常用的电刺激治疗
胞[ 3] 是头皮电位的主 要信 号源。多 种神 经元 的同步 癫痫 的方式 是每隔一 段时间 用高频电 信号刺激 中枢
Abstract: Epilepsy is a kind of common disease in the nervous system, with the features of recurrence and intractability. Here is to make a review on the feasibilities, existing problems and possible applications in epileptic seizure prediction. The main approaches for the epileptic prediction include: linear dynamics and non-linear dynamics. The aim of epilepsy prediction is to quantitatively analyze seizures cycle, and explore the cycle of seizures changes, to provide theoretical basis of the research and development of the early warning device.
性, 患者在发作时常会意识丧失, 这是意外病死率居
20 世纪 90 年代后, 有关学者在癫痫预测方面做
高不下的主要原因 [ 2] 。 手术 切除病 灶和 药物 治疗是 了大量的工作, 癫痫预 测意 义如下: ① 通过 对脑电 信
癫痫治疗的主要 手段, 能使 75% 的癫 痫 得到 控 制或 号进行分析, 有望研究 出一 种癫痫 发作 预警装 置, 对
癫痫的病因非常复杂, 发作机制至今也未能彻
底阐释清楚, 癫痫发 作的影 响因 素、诱因 众多。不 同 的癫痫类型 及 患 者 的个 体 差 异 都 增加 了 癫 痫 检 测、 分析、预测的难度, 这 些使 得已 有的癫 痫检 测、分 析、 预测方法 存 在 着 种种 不 足。 因此, 癫 痫 检 测、分 析、 预测方法在发展和取得进展的同时, 也遇到了一些 研究者的质疑, 目前, 癫痫 发作 检测、分析、预 测存 在 着许多尚待解决的问题。 4. 1 数据 的采 集 与 处 理 数据 的 采 集 在 之后 的 数 据分析过程中起着 关键 作用, 不同 的数 据采集、处 理 可能导致不同 的结果。目 前已有 的癫痫 分析 方法 中, 大多都在分析前对数据进行了不同程度的预处 理, 如 降噪、去伪 迹 等, 这 些 处理 都 会使 原 始 数据 的 部分 信 息 丢 失, 造 成 实 验结 果 的 偏 差, 影 响 实 验 结果。 4. 2 癫痫 种类 的 多 样 性与 个 体 差 异 癫 痫发 作 有 很多类型, 目前, 人们 所研 究的 癫痫分 析、检测、预 测 算法主要集中 在颞 叶 癫痫[ 19] , 对 其他 类 型的 癫痫 发 作研究较少。对同一个患者而言, 有研究表明, 不同 的发作可以被检测、预 测的 时间也 不相 同, 说明癫 痫 检 测 、预 测 的 复 杂 性 。 4. 3 头皮 脑电和 颅内脑电 在检测、预测 上是否 有一 致性 皮 质 脑 电信 号 特异 性 强、信 噪 比高, 检测、预 测的能力强, 皮质脑电分析的结果不一定能由头皮 脑电得到。在长程脑电检测中, 头皮脑电会受到眼 动、肌电等干扰, 如果 能在 影响脑 电分 析最 小的情 况 下去除这些伪迹, 这也是癫痫研究面临的重要问题。 况且, 目前癫痫的研究还处在回顾性研究层面, 这些 都是亟待解决的问题。 5 前景展望
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如果能发 明一种预 测癫痫 发作的仪 器或装 置能在癫 痫发作前检测并预测到癫痫发作, 减少脑电医师的 工作量并提高癫痫的诊断率, 还可使患者及时采取 必要的自我预防保护措施, 并可以对其进行局部小 剂量抗癫痫药物治疗, 将会减轻癫痫发作及患者的 痛苦, 也可为降低药物不良反应, 增加药物疗效的短 程治疗开创新途径[ 8] 。
3. 2 非线性 分析 方 法 这 些 年 人们 大 量 运 用 非线 性方法来预测癫痫的发作。 在 1956 年, Babloyanz 和 Destexhe 率先利用 非线 性方 法 描 述了 一 种特 殊 类型 的发作活动。他们计算脑电的关联维 和 Lyapunov 指 数, 发现癫痫活动时脑电数据的关联维值比正常活 动时明显降 低。而 Lai 等[ 18] 对 此 算 法 持怀 疑 态 度, 研究发现 Lyapunov 算法不适用于长程脑 电信号。另 外, 大脑是一个高维混沌系统且皮质脑电采样本身 存在较高噪声, 而 Lyapunov 算 法 只适 用 于极 低 噪声 条件, 这些导 致了 Lyapunov 算 法 在实 际 运用 过 程中 的局限性, 其准确性和可靠程度降低。 4 脑电分析存在的问题
癫痫是大量脑神经细胞群引起的脑皮质兴奋性 的作用。目前对脑电信号的研究主要集中在癫痫,
异常的神经 系 统 紊 乱 性 疾 病。 据 世 界 卫 生 组 织 统 脑-机接口和身份特征性识别的领域。
计, 其患病 率 为 0. 5% ～2% [ 1] 。 癫 痫 发作 具 有 突 然 2 脑电分析的临床意义
生理指 标就 已 发 生 微 妙 的 变 化 , 如 脑 血 流 量、氧 利 的发展, 其脑电数目大 量增 加, 尤 其是 在长 程脑电 检
用率、血 氧饱 和 度 和 心 电 图 中 R-R 间 期 的 变 化 等。 测, 术前定位癫痫灶等 造成 脑电医 师巨 大的工 作 量。
医学综 述 2012 年 5 月 第 18 卷第 9 期 Medical Recapitulate, May. 2012, Vol. 18, No. 9
激活放电经过同向树突, 突触和神经震荡等环节的 神经, 这种方式可以在一定程度上减少癫痫发作的
传递后, 在头皮上产生可以检测到的脑电节律活动。 次数, 但其具有较严重的不良反应。如果仅在预测
其活动由 德国精 神科 教授 Hans Berger 于 1929 年首 癫痫即将发 作 前给 予 电 刺 激, 则 可 以 减 少 患者 所 受
Key words: Epileptic prediction; Epileptic seizure; Electroencephalogram
感觉到癫痫即将发作; 同时 脑 电 监 测 到 小 鼠 EEG 的 异 常波, 这些结果为研究新的 治疗方法提供依据。时 至今 日, 脑电图以其高效的时间 分辨率和非损伤的检测 方法 在脑 功 能评 估 方 面发 挥 着 CT、磁共 振 成像 等 无法 替 代
治愈, 但也存在一些问题, 如药物治疗的部分患者在 患者而言, 提前预知癫痫发作可以使他提前采取保
长期治疗后可能出现耐药, 存在一些不良反应且患 护措施, 躲避可能的危险, 如果这种装置便于携带,
者依从性不好; 手术只能适用于少数患者, 对有些患 将会使患者的生活质量得到很大的提高。也可以在
者还有可能带来其他的并发症。据估计, 在癫痫患 者中 10% ～50% 是 药 物 治 疗 无 效 或 不 适 合 手 术 治 疗的[ 1] 。 1 脑电产生原理及研究现状
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医学 综述 2012 年 5 月第 18 卷第 9 期 Medical Recapitulate, May. 2012 , Vol. 18 , No. 9
脑电信号分析与癫痫预测的研究
侯 峰1△ ( 综述 ) , 刘绍明2※ ( 审 校)
( 1. 新疆 地方与 民族 高发病 实验 室, 新疆石 河子 大学, 新疆 石河子 832000;
次记录并描述。随着现代科学技术的进步, 脑电图 的刺激总量, 减少不良反应。④目前脑电信号分析
被广泛应用于临床神 经诊断 学、生理 学、心 理学 的研 究[ 4-5] 。大 量研 究 表 明 , 在 癫 痫 发 作 前 患 者 的 临 床
的基本方法 是 由 有 经验 的 脑 电 医 师通 过 目 检 完 成, 这需要丰富的领域知识和临床经验, 随着脑电应用