一種新的人長潛伏期體感誘發電位提取方法

王 穎 王志芳 謝正祥

(濟寧醫學院信息工程學院,山東 日照 276800)

體感誘發電位即軀體感覺誘發電位 (SEP)〔1〕。目前臨床上常用疊加平均法提取人長潛伏期體感誘發電位,該方法存在理論缺陷,即 SEP中含有背景腦電的疊加平均成分和直流(DC)成分,特別是DC成分是不能平均掉的,只能用干擾對消技術,通過疊加平均方法提取到的 SEP是幾十次甚至上百次的誘發電位信號的綜合,損失了每次誘發電位信號的細節。目前,國內報道的誘發電位單次提取工作中,有的屬于少次提取〔2〕,有的要依賴疊加平均的結果〔3〕,有的所依據的理論公式未經嚴格證明〔4〕,有的可證明該公式恒等于 1〔5〕。我們在分析傳統 SEP提取的疊加平均理論缺陷和分析當前國內外關于單次提取工作的基礎上,根據腦電信號本身特性及允許在提取誘發腦電信號的電極原位獲得作為參考信號的自發腦電信號的特定環境下,提出 SEP單次提取的 “自參考自相關自適應干擾對消的理論和技術” (AAA-ICT)〔6〕,可在不損失每次誘發電位信號細節的同時,去除掉 DC,實現誘發電位的單次提取。

1 材料與方法

1.1 AAA-ICT方法

1.1.1 AAA-ICT的基本假設 (1)背景腦電(B-EES)是混沌信號,具有無限循環而不完全重復的特征,但在一定精度范圍內,有大致的重復性〔7〕。因此,總可以找到 B-EES中的一段信號,與刺激信號發送后的一段(稱為誘發腦電信號)有足夠的相似性,因而可用來最大限度地對消掉誘發腦電信號中所含的背景腦電信號,從而僅余下與刺激有關的誘發成分 SEP。(2)SEP與 B-EES是加性關系。(3)對 SEP的特性不做任何先驗性的假設。

1.1.2 誘發電位提取的特定環境 誘發電位(EP)提取的環境有以下特點:刺激(誘發)信號的產生是可控的,非連續產生的。腦電信號是一直連續產生的。未發送刺激信號時的腦電信號稱為自發腦電信號(S-EES)〔8〕,發送刺激后產生的腦電信號稱為誘發腦電信號(E-EES)。EES是在頭皮上用特制的電極獲取的。作為參考信號的S-EES與 E-EES可以分時獲取。這就允許在獲取 E-EES的同一電極位置獲取足夠長時間的參考信號。因此,我們稱這樣在同一電極處獲取的參考信號為自參考信號(auto-reference)。獲得與誘發腦電信號的獲取環境完全一致的自參考信號的思想和技術是本方法能成功的核心關鍵。

1.1.3 AAA-ICT基本思想 AAA-ICT的基本原理如圖 1。圖中,參考信號獲取的虛線,表示與誘發腦電信號X(n)來自同一套電極。主要有 3個步驟。Ⅰ.從 REF(q)的起點(q=0)開始,X(n)與 REF(q)的等長序列 REFi(n)進行逐點滑動相關運算,選擇并輸出 X(n)與 REF(q)的最大相關的信號段 REFm(n);Ⅱ.根據最小能量原理,由 X(n)與 REFm(n)自適應選擇調節因子 W并輸出 W*REFm(n);Ⅲ.完成 X(n)與 W*REFm(n)的對消,最后輸出EP(n)。為使方法具有一般的意義,未使用特定誘發電位符號。

圖1 AAA-ICT原理圖

1.1.4 AAA-ICT基本運算 (1)自參考:我們把從同一處電極位置獲取的參考信號稱為自參考信號。(2)自相關:求取參考信號 REF(q)中的與誘發腦電信號X(n)具有最大相關的信號段 REFm(n)〔3〕。假設 REF(q)長度為 Q,X(n)的長度為 N,且 Q＞＞N,如圖 2。從 REF(q)的起點(q=0)開始,每次取與X(n)的等長序列REFi(q)進行相關運算,獲得一個相關系數序列 R(p),其中

相關系數序列為

式中m即為X(n)與REF(q)中具有最大相關系數的序列REFm(n)的起點。REFm(n)與 X(n)有最大相似性。這種從同一套電極獲取的信號之間的滑動相關稱之為(滑動)自相關。

(3)自適應:由 REFm(n)與 X(n)根據最小能量原理,求取對消因子 W。

REFm(n)保證了與X(n)的波形的最大統計相似性,但不保證有最小方差(即最小能量誤差)。為了最大對消背景腦電信號,用最小能量原理,求取對消因子 W〔5〕。

根據最小能量原理(令上式對 W求一階導數并令之等于0),

可得

(4)干擾對消:將(7)求出的對消因子 W代入(4)式,可以最大限度地對消包括 B-EES在內的干擾信號,得到誘發電位信號EP(n)。

1.2 實驗方法 選擇體感通路正常的受試者(指體感神經通路正常,無軀體神經傳導通路的疾病,年齡在 60～80歲之間的老年受試者,這些受試者均為重慶醫科大學的退休老師),使用改進的重慶貝澳公司 Bio-2000電生理儀硬件平臺。用 Delphi語言自行設計基于 AAA-ICT的SEP單次提取方法來提取體感誘發電位(SEP)。實驗過程中,受試者取坐位、閉眼狀態,刺激電極采用表面盤狀電極,置于腕部正中神經體表處,刺激信號為方波信號〔4〕,波寬 0.1～0.9 ms,連續刺激 20次為一組(表1)。記錄長潛伏期體感誘發電位(LLSEP)時〔9〕,記錄電極置于Cz(頭部中央中點)處,參考電極均置于耳垂,前額接地〔6〕。放置電極處的頭皮以無水酒精去脂。電極提前涂以導電膏,保證電極與皮膚間接觸電阻小于5kΩ。受試對象全身放松,閉眼靜臥 15 min后開始采集誘發電位信號,采集過程中保持周圍環境安靜,采集對象肢體無任何的活動。

表1 一受試者的 20次LLSEP的 5個特征波形的潛伏期和幅度(x±s)

2 結 果

2.1 單例受試者的自參考自相關自適應干擾對消技術的結果見圖 3,上部表示最佳參考信號(B-EES)與 E-EES的對消情況,中部是單次提取的 LLSEP,下部是 LLSEP的疊加提取信號(即將提取到的單次信號再疊加得到的信號)。圖中的數字為五個主要波形 P1、N1、P2、N2、P3的特征參數測量結果,以(潛伏期,幅度)的格式表示,潛伏期單位為 ms,幅度單位為 μV。分度單位示于右上角,X軸分度為 ms/D(millisecond/degree),Y軸分度為 μV/D(microvoltage/degree)μV。右下角的數字 2表示這是第 2次刺激的情況。

圖2 最大相關序列 REFm(n)求取原理圖

2.2 20次單次提取LLSEP的重疊、疊加提取信號和疊加平均結果對比 見圖 4,最上部的是代表 20次單次提取的重疊圖,中部是 20次單次提取的疊加平均信號,而最下部的是傳統的疊加平均結果。由上部 20次重疊的圖我們可以看出單次提取的重復性還是比較好,波形比較明顯。我們把 20次單次提取結果再做疊加平均即得到中部的圖形,疊加提取信號。把單次疊加后的結果和下部的圖對比發現,波形的基本形狀類似,但二者的潛伏期和波幅還是存在一定的差異,疊加平均只是粗略地將誘發電位的共有成分提取出來,其中還包含殘余的腦電成分,波幅比疊加提取的要大,而單次提取信號再進行疊加平均后,雖然平均掉了部分差異,但將部分殘余腦電成分去除掉了。

圖3 基于AAA-ICT的干擾對消示意圖

圖4 LLSEP的 20次單次提取重疊、疊加單次提取和疊加平均結果對比

2.3 單個個體 20次刺激的單次結果 以一個受試者的長潛伏期體感誘發電位為例,圖 5是 20次單次提取的波形圖,20次LLSEP的五個特征波形(這五個特征波形類似于 P1,N1,P1,N2,P3)的潛伏期和幅度的測量結果的例子見表 1,潛伏期變化小,幅度(相對于基線測量)變化大。如果用無量綱的量RD表示可比的變異程度,并定義:

RD=SD/Mean (8)

圖5 20次單次提取結果

則可知潛伏期變化最小的是P3的潛伏期(15.3%),幅度變化最大的是P2的幅度(66.3%)。為避免基線漂移影響幅度的測量,臨床常用極差(波峰與波谷之差)來量度波幅,如表 1的 N1-P2表示波峰 N1的幅度與波谷 P2的幅度之差,P2-N2表示波谷P2的幅度與波峰N2的幅度之差。

長潛伏期各個波的潛伏期和波幅 20次單次提取的結果均存在差異,如 P1的潛伏期變化范圍 41.9～129.8 ms,變異程度是 27.3%,而潛伏期變化范圍是 2.6～26.6μV,變異程度為52.7%,各次刺激產生的誘發電位的潛伏期和幅度也不同。

3 討 論

疊加平均SEP雖包含背景干擾的疊加平均結果,但也包含誘發反應成分的均值,即此刺激產生的誘發電位的共有成分,這是其合理內涵。但是,疊加單次提取對每一次刺激的SEP的潛伏期和波幅差異都有更細致的描述,與傳統方法比較,含有更豐富的細節成分,而且疊加單次提取對消了背景腦電中的DC成分,因此單次提取和單次疊加沒有對消掉不同刺激間SEP潛伏期和波幅的差異〔9〕。利用 AAA-ICT單次提取 SEP比傳統的疊加平均有更廣的應用前景和研究價值。

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