無抽搐電休克治療中腦電的小波樣本熵分析

張學(xué)星，劉軍濤，黨衛(wèi)民，高連勝，岳偉華，蔡新霞

（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北方基地），北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049；3.北京大學(xué)第六醫(yī)院北京大學(xué)精神衛(wèi)生研究所國家衛(wèi)生健康委員會(huì)精神衛(wèi)生學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)）國家精神心理疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心（北京大學(xué)第六醫(yī)院），北京 100191）

精神障礙是一類常見的疾病，該類疾病發(fā)病率高、復(fù)發(fā)率高、致殘率高，因此被認(rèn)為是21 世紀(jì)影響人類健康的重要疾病之一，而精神障礙疾病的治療也愈加重要[1-2]。無抽搐電休克治療作為一種成熟的物理治療方法，起效迅速、療效顯著，因此被廣泛用于各種精神障礙疾病的臨床治療，如精神分裂癥、抑郁障礙和雙相障礙等[3]。

在臨床上MECT 治療的實(shí)施過程中，首先根據(jù)患者的具體情況給予適量的麻醉劑及肌肉松弛劑，然后通過電刺激在患者的大腦皮層人工誘發(fā)癲癇樣放電實(shí)現(xiàn)治療[4]。多數(shù)研究表明，MECT 引起的癲癇發(fā)作持續(xù)時(shí)間與治療效果密切相關(guān)，充分的發(fā)作應(yīng)持續(xù)至少25 s[5]才能夠?qū)崿F(xiàn)患者病情的有效改善，然而目前尚無有效的量化指標(biāo)來衡量MECT 的治療效果。文獻(xiàn)[6]提出額葉皮層腦電信號(hào)樣本熵可以用于評(píng)估抑郁癥的嚴(yán)重程度，樣本熵較大的患者往往病情更加嚴(yán)重，但目前的研究只關(guān)注全頻帶腦電信號(hào)的復(fù)雜度與精神障礙患者病情的關(guān)系，而缺乏對(duì)不同頻帶內(nèi)腦電信號(hào)復(fù)雜度的詳細(xì)研究。

該研究利用離散小波變換和樣本熵對(duì)臨床精神障礙患者M(jìn)ECT 治療中單通道頭皮腦電記錄進(jìn)行分析，分別計(jì)算精神障礙患者M(jìn)ECT 誘導(dǎo)充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)不同頻段的樣本熵，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、分析和討論，試圖為MECT 治療精神障礙疾病的療效評(píng)估和機(jī)制解釋提供一種新的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 研究對(duì)象

該研究的研究對(duì)象為來自北京大學(xué)第六醫(yī)院的部分住院接受MECT 治療的精神障礙患者，相應(yīng)研究通過了倫理審核，倫理審核編號(hào)為（2019）倫審第（42）號(hào)。所有患者根據(jù)國際疾病分類標(biāo)準(zhǔn)第十版（ICD-10）診斷標(biāo)準(zhǔn)診斷為精神分裂癥、抑郁障礙和雙相障礙，而且臨床治療方案是藥物聯(lián)合MECT 治療、未見MECT 和麻醉禁忌癥。在該研究中，共收集了10 例精神障礙患者，其中精神分裂癥3 例、抑郁障礙5 例、雙相障礙2 例。在這10 例患者中男性4 人，女性6 人，平均年齡40.3±19.1 歲。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

該研究使用美國MECTA公司生產(chǎn)的SPECTRUM 5000Q 治療儀對(duì)精神障礙患者進(jìn)行MECT 治療，同時(shí)利用內(nèi)置的記錄系統(tǒng)以140 Hz 的采樣頻率采集患者額葉位點(diǎn)FPz 處的腦電信號(hào)，腦電信號(hào)采集電極按照國際10-20 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)放置，在數(shù)據(jù)采集中，選擇患者左側(cè)乳突作為參考。由精神科MECT 治療醫(yī)生判斷確定人工癲癇充分發(fā)作與非充分發(fā)作，采集10 個(gè)患者每個(gè)治療療程中的腦電信號(hào)，為了便于對(duì)比，選擇充分發(fā)作達(dá)到臨床治療要求的數(shù)據(jù)50 組，以及非充分發(fā)作的腦電數(shù)據(jù)50 組，利用Python 對(duì)所選擇的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 腦電數(shù)據(jù)分析

2.1 分析方法流程

由于腦電信號(hào)采集過程中存在工頻干擾等噪聲，首先對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行0.5 Hz 高頻濾波和50 Hz 凹陷濾波，并進(jìn)行128 Hz 降采樣。然后以db4 小波作為母小波，對(duì)預(yù)處理后的腦電信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，將原始信號(hào)分解到不同的頻段，針對(duì)各子帶小波系數(shù)計(jì)算樣本熵，以研究腦電信號(hào)各頻段信號(hào)的復(fù)雜度。分析方法的流程圖如圖1 所示。

圖1 分析方法流程圖

2.2 離散小波變換

小波變換通過使用可變尺寸的窗口實(shí)現(xiàn)更加靈活的時(shí)頻分析，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的分析和處理[7-8]。在小波變換中，使用長(zhǎng)時(shí)間窗可以獲得更好的低頻分辨率，而使用短時(shí)間窗可以獲得更好的高頻分辨率，適用于非平穩(wěn)信號(hào)的分析[9]。

對(duì)于所給定的信號(hào)x(t)，其連續(xù)小波變換（Continue Wavelet Transform,CWT）定義為：

式中，a為伸縮參數(shù)；b為平移參數(shù)；ψa,b(t)為母小波函數(shù)。

與連續(xù)小波變換對(duì)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)取值不同，離散小波變換（Discrete Wavelet Transform,DWT）將參數(shù)a和b的取值離散化，從而使得小波分析的效率更高[10]。通過參數(shù)離散化取值處理，所給定信號(hào)x(t)的離散小波變換定義為：

式中，j∈Z，k∈Z。為了實(shí)現(xiàn)離散小波變換，Mallet 等人開發(fā)了一種高效算法，該算法使用一系列由低通和高通濾波器組成的正交鏡像濾波器來分解腦電信號(hào)，獲得相應(yīng)的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)[11]。EEG信號(hào)四階小波分解如圖2 所示。

圖2 EEG信號(hào)四階小波分解

選擇合適的母小波函數(shù)和分解層數(shù)對(duì)信號(hào)的DWT 分析非常重要，由于Daubechies 小波在EEG 信號(hào)相關(guān)的分析得到了廣泛應(yīng)用[12]，取得了很好的效果。在該研究中，選用db4 小波作為母小波并選用4階分解階數(shù)，腦電信號(hào)的4 階小波分解如圖2 所示，經(jīng)過4 階小波分解后得到的各層小波系數(shù)對(duì)應(yīng)頻帶頻率的分別如表1 所示。

表1 小波系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率分布

考慮到頭皮腦電信號(hào)中大部分有意義的信息位于分解級(jí)別D2、D3、D4 和A4，因此，該研究計(jì)算小波系數(shù)D2、D3、D4 和A4 的樣本熵來研究腦電信號(hào)各頻段的復(fù)雜度特征。

2.3 樣本熵分析

樣本熵是在近似熵的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)提出的概念，其通過測(cè)量信號(hào)中新模式的產(chǎn)生概率來衡量信號(hào)的復(fù)雜性[13]。信號(hào)的樣本熵值越大，在信號(hào)中產(chǎn)生新模式的概率就越大，信號(hào)的復(fù)雜度也就越大[14]。反之，信號(hào)則表現(xiàn)出更強(qiáng)的規(guī)律性和穩(wěn)定性。

設(shè)長(zhǎng)度為n的信號(hào)序列x(t),t=1,2,…,n，其樣本熵的計(jì)算原理為：

1）從信號(hào)序列中從前往后依次選取m個(gè)樣本點(diǎn)，這m個(gè)樣本點(diǎn)可以組成一個(gè)m維矢量如下：

2）設(shè)d[xm(i),xm(j)] 是xm(i),xm(j)間的最大距離，即：

3）將計(jì)算過程中的閾值設(shè)為r，統(tǒng)計(jì)中d[xm(i),xm(j)] 數(shù)值小于閾值r的數(shù)目，將該數(shù)目除以距離的總數(shù)目n-m，并記為：

將原維數(shù)的值增大1 變?yōu)閙+1，然后重復(fù)步驟1）-3）計(jì)算得到：

5）樣本熵的值為：

式中，SampEn()m,r,n的值與m，r和n的取值相關(guān)，一般m取值為m=1 或者m=2，r取r=0.1～0.3×std（std 代表數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差）[15-16]。該研究中取m=2,r=0.2×std。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 精神障礙患者不同頻段樣本熵均值對(duì)比分析

臨床上將MECT 治療后大腦皮層出現(xiàn)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過25 s 的癲癇樣放電稱為充分發(fā)作，否則稱為非充分發(fā)作，充分發(fā)作才能實(shí)現(xiàn)精神障礙疾病的有效治療。在該研究中，充分發(fā)作時(shí)的腦電波形、充分發(fā)作后的腦電波形、非充分發(fā)作時(shí)的腦電波形、非充分發(fā)作后的腦電波形分別如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖3 MECT治療期間腦電信號(hào)

該研究針對(duì)10 位精神障礙患者M(jìn)ECT 誘導(dǎo)充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。首先對(duì)10 位患者的腦電信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，針對(duì)所得到的小波系數(shù)計(jì)算樣本熵，然后計(jì)算這10 位患者腦電信號(hào)不同小波系數(shù)樣本熵的平均值，得出充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后不同小波系數(shù)樣本熵的差異。通過實(shí)驗(yàn)分析得到小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵差異最明顯，因此該文分別針對(duì)小波系數(shù)A4、D4、D3 和D2 的樣本熵進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 小波系數(shù)A4、D4、D3和D2樣本熵平均值

3.2 精神障礙患者腦電各小波系數(shù)樣本熵值對(duì)比分析

通過分析圖4 可以看出，小波系數(shù)A4、D4 和D3的樣本熵存在明顯差異，該文進(jìn)一步對(duì)各位精神障礙患者腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖5 所示。分析圖5 中小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值與發(fā)作類型的關(guān)系可知，精神障礙患者充分發(fā)作后的樣本熵值明顯小于非充分發(fā)作后。

圖5 精神障礙患者腦電小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵的比較

3.3 統(tǒng)計(jì)分析和假設(shè)檢驗(yàn)

對(duì)MECT 誘導(dǎo)精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電小波系數(shù)A4、D4和D3樣本熵的差異顯著性作統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)，以驗(yàn)證該算法的可行性和準(zhǔn)確性。利用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，配對(duì)樣本t檢驗(yàn)的零假設(shè)H0認(rèn)為，充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值的均值沒有顯著性差異，具體檢驗(yàn)步驟如下：

首先，計(jì)算每位精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值的差值，得到差值序列；然后，計(jì)算差值序列的均值，如果該均值與0 存在顯著性差異，則兩組腦電信號(hào)A4、D4 和D3 的樣本熵值存在顯著性差異，否則不存在顯著性差異。

分別將10 位精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)表2可以看出，精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4 樣本熵值均值之間的差值為0.134 50，差值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.082 51，t值為5.155，自由度為9，顯著性P 為0.001＜0.01，因此拒絕原假設(shè)H0，精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4 樣本熵值具有顯著性差異，小波系數(shù)D4、D3 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)得到的結(jié)果與小波系數(shù)A4 的結(jié)果一致。表明精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電信號(hào)確實(shí)存在差異，這種差異可以通過小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和分析。該結(jié)果說明額區(qū)腦電信號(hào)的低頻小波樣本熵可以有效地區(qū)分精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電信號(hào)，從而為精神障礙患者M(jìn)ECT 治療的臨床療效評(píng)估診斷提供量化的可靠依據(jù)。

表2 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析結(jié)果

3.4 結(jié)果討論

臨床數(shù)據(jù)分析結(jié)果證明，精神障礙患者充分發(fā)作后的額葉皮層腦電信號(hào)小波分解后的小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值顯著小于非充分發(fā)作后。腦電信號(hào)樣本熵值越大，其變化就越復(fù)雜和不規(guī)律。額葉皮層的腦電活動(dòng)與神經(jīng)調(diào)節(jié)密切相關(guān)，精神障礙疾病會(huì)擾亂中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使得額葉皮層的腦電活動(dòng)變化更加復(fù)雜。充分發(fā)作后的腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值更小，表明其復(fù)雜度更小，說明相比于非充分發(fā)作，充分發(fā)作后精神障礙患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，精神狀態(tài)得到了有效改善，證明額葉皮層腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3樣本熵可以作為衡量MECT 治療效果的指標(biāo)。

4 結(jié)束語

該研究利用離散小波變換和樣本熵的方法對(duì)精神障礙患者M(jìn)ECT 治療期間的額葉皮層腦電信號(hào)進(jìn)行了計(jì)算、分析和討論，結(jié)果表明，接受MECT 的精神障礙患者經(jīng)誘導(dǎo)人工癲癇充分發(fā)作后的額葉皮層腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值與非充分發(fā)作后存在明顯差異，充分發(fā)作后明顯小于非充分發(fā)作后。對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行分析，精神障礙患者額葉皮層腦電信號(hào)低頻段樣本熵值的減小，表明患者腦電信號(hào)變得更加規(guī)律，復(fù)雜度明顯下降，精神狀態(tài)得到改善，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者精神障礙疾病的治療。這也符合目前認(rèn)識(shí)的精神障礙治療機(jī)制，證明了這種方法的準(zhǔn)確性和有效性，為MECT 治療的療效評(píng)估和臨床規(guī)劃提供有效的物理量化指標(biāo)作為參考。