局灶性缺血脑损伤EEG信号的复杂度研究

局灶性缺血脑损伤EEG信号的复杂度研究 l, 生物医学工程学杂志 JBioraedEng 局灶性缺血脑损伤EEG信号的复杂度研究 塑鲞一_-__--_-__一??.一 (西安文通太学生枷医举工程研完所,西安71qq49) ;. 内容摘要建立了一个局灶性缺血脑损伤实验模型,缺血前到缺血3O分钟缺血区域与正常区 域的EEG,分析了其复杂度.发现缺血引起EEG复杂度发生明显的变化,在整个缺血实验过程中,缺血 区域的EEG复杂度小于正常区域两个区域EEG复杂度之差呈增大速率渐低的增长趋势,损伤发生 时,损伤区域的EEG复杂度小干正常值用复杂度分析的结果与我们对同一实验的离散Gabor谱分析 结果及HE染色分析和热体克蛋白(HSP)分折结果相一致.EEG复杂度对局灶性缺血脑损伤十分敏 感,可以对损伤程度进行诊断,对损伤区域进行定位,有望进一步成为 临床应用的一个指标 关键词局灶性缺血脑损伤EEG复杂度艟E UsingComplexityMeasurementtoStudytheEEGSignalof FocallschemicCerebralInjury ZhangJiwuZhengChongxu (BiomedicalE.g~?neem?nglnni拙?xr&日 JiggingUniversity.xt?n#710049) AbstractInthispaper,amode1forSDratfocalischemiccerebra1injuryispresented.Basedon thisexperimentmode1,werecordedtheEEGofischemicregionandnormalregionfrombeforeischem[a tOafterischemia3Ominutes.WeanalyzedthecomplexityoftheseEEGsignals,andfoundthatthe EEGcomplexitywasverysensitivetofocalischemiccerebralinjury.TheEEGcomplexityonischemie regionwas1essthanthatonnormalregion.ThedifferenceinEEGcomplexitybetweentworegionsin— creasedwiththedecreasingvelocityWheninsulttookplace,theEEGcomplexitywas1es3thanthat beforeisehemai.ThesereslutsagreetothoseweobtainedbyDiscreteGahorSpectrogramanalysisand HeatShockProtein(HSP)expression.Theisehemicandnormalregionscanb eclearlydistinguishedby analyzingtheirEEGcomplexity,andtheextentcanalsobedetectedinthisway. KeywordsFoca1isehem[aCerebraIinjuryEEGComplexity 1概述 „脑的质量仅占人体的2,但其正常需求 的血液占心输出量的2O.耗氧量占整个机体 中耗氧量的2O,不管任何原因导致脑缺血或 *敦育部博士点基金(97069837)和西安交通大学博士学 位基金(DFXJU1997一”资助项目 缺氧,都会产生一系列严重后果.研究表明.脑 缺血/缺氧几分种即可引起脑神经功能障碍,完 全缺血/缺氧超过半个小时,即可发生不可逆脑 损伤, 缺血型瞄血管疾病一直是神经科学领域研 究的热点,缺血,缺氧脑损伤的早期诊断是及时 正确治疗,改善预后,减少病残和死亡的关键. 局灶性缺血脑损伤啦早期无刨定位技术,则更 @ 生物医学工程学杂志第16卷 是一个临床意义极大却尚未解决的问题. 脑电信号比起目前其他一些诊断技术(如 脑脊液抽取及脑切片有创伤,CT和MRI虽无 创伤.却无法进行未形成确切病灶前的功能检 测,其影像显示晚于脑电信号异常),具有早期 诊断和无创伤的优点,在完全缺血/缺氧早期 (可早到十几秒中之内),脑电图即出现异常,挟 波(高频信号)减弱或消失,慢波(低频信号)活 动增加,全脑波幅降低.脑电信号在缺血/缺氧 脑损伤的诊断中有不可替代的重要作用. 脑电信号在缺血/缺氧脑损伤的临床应用 中也存在着一些急待克服的缺点:(1)波幅受个 体差异,电极安放位置,阻抗,麻醉等因素影响, 确定性差,只能定性而不能定量}(2)定位分析 困难,无法确定缺血的动脉分布;(3)对预后的 判断较差}(4)信.息量相对较小;(5)主要靠医生 目测进行诊断,人为因素影响很大.而且工作烦 冗.这些不足极大的限制了脑电信号在缺血缺 氧脑损伤诊断中应用]. 近年来,随着科学技术的发展.研究手段的 提高,国外许多研究机构致力于缺血/缺氧脑损 伤的基础研究,其中美国的JonhHopkins大学 的Thakor教授在全脑缺氧脑损伤方面的研究 最具代表性.他们从八十年代末期开始对全脑 缺氧脑损伤与脑电信号进行了研究.主要用猫 和乳猪作为实验对象,建立了全脑脑缺氧的模 型,应用信号处理技术对脑的体感诱发电位 (SomatosensoryEyokedPotential,SEP)和脑 电图(Electroencephalogram,EEG)进行了分 析]. 目前,局灶性缺血脑损伤的脑电分析研究, 尤其是早期无创损伤定位技术,国内外仍缺乏 资料.本文建立了SD大鼠单侧大脑缺血损失 模型.对取得的EEG信号采用复杂性测度进行 分折,计算出缺血前,缺血即刻,缺血后15min 和3Omin不同时刻缺血区域与非缺血区域的 EEG复杂度.结果表明,在发生局灶性缺血脑 损伤的早期.缺血区域与非缺血区域的EEG复 杂度即有易于识别的特征,可以清楚地对损伤 区域进行定位,并可反映出损伤程度. 2实验 2.1建立SD大鼠局灶性缺血脑损伤实验模 型 选用SD大鼠1O只,雌雄不拘,体重250土 20g.用2的戊巴比妥钠麻醉剂腹腔注射(O.8 mi/250g).行气管切开术并插管以维持自然呼 吸.分离左颈总动脉约0.8cm,于近心端处结 扎,切开动脉顺行插管,用于灌注生理盐水,调 整灌注压,以造成大脑局灶性缺血,同时可阻止 侧支循环供血.灌流量调至7,8滴/min.缺血 时间为30min. 2.2EEG数据采集 用美国产CADWELL32生理电位记录仪, 采样频率200Hz,滤波器通带为0.73,7OHz, 使用5OHz陷波滤波器.灵敏度为1Ov. 在SD-大鼠脑C3,C4位置各钻一直径0.8 mm小孔,大鼠取俯卧位,用立体定向仪将两个 银球电极分别置于两孔内,触及硬脑膜.取大脑 皮层电位,参考电极置于鼻子,地电极置于舌 头,极间阻抗小于5kn.测试环境温度26土 3?. 3复杂度的定义 从80年代中期开始,很多人用混沌动力学 的奇异吸引子理论研究脑电,如用Kolmogorov 熵.李氏指数和分维等参数方法.但混沌动力学 中讨论的问题都是低维的吸引子,而脑电的变 化是大量神经细胞活动的统计结果,长时间记 录会产生裉多复杂因素,无法简单地应用线 性混沌动力学的框架来研究,于是有人提出了 利用非线性动力学复杂性测度来研究脑电 图. 复杂性这个概念早在五十年代由Von Neumann提出来过.他认为这是本世纪物理学 需要解决的重大问题.以后由Komogorov:提 第l期张继武等.局灶性缺血脑损伤EEG信号冉勺复杂度研究 出具体的意见,后由Kasper和Schustern给出 简单的算法.这种算法可以得出时间序列的信 息含量. Komogorov的复杂度定义是产生某给定 “0,l”序列最少的计算机程序的比特数.这个定 义到现在还没有证明它的存在性,但已普遍接 受,在这里就不讨论数学的详细细节了. Kasper和Schuster给出的复杂度算法如 下 (1)首先将已知数列{x,X”,)重构, 令大于数列平均值的)【l为”l”,令小于数列平 均值的xi为0”,得到一个”0,1”序列; (2)对上面所得的0,l”序列中所形成的一 串字符S={S,S,…,S.}后再加一个字符 s+或一串字符{+.,+_.?+s),我们称 这再加的一个或一串字符为Q,得到sQ一{S+ S”…SsD+.)或SQ一{S,S一…SS|n+-, S+...Ss).令S为SQ减去最后一个字 符所得的字符串,若Q属于SQv中已有的”字 句”+则把这个字符加在其后,称之为.复制”,若 不属于.则称之为”插入,”插入”时用一个”?” 将前后分开{ (3)把?”前面的所有字符看作S,重复如 上步骤; 例如:”0,1?序列”0010”的复杂度可由下面 的步骤取得: 第一个字符永远是插入:0?, S=0,Q—O,SQ=00,SQv=0,Q属于字句 SQv,0?0, S:0,Q一01,SQ一001,SQv一00,Q不属 于SQv,0?01, S=001,Q一0,SQ=0010,SQv一001,Q属 于SQv,0?01?0. (4)至此+我们得到一个用”?”分成段的字 符串.所分成段的数目定义为复杂度c(n).上 面这个序列的复杂度为c(4)一3. 据Lempel和Ziv的研究,几乎所有数 列的复杂度c(n)都趋向一个定值b(n).即 Jimc(n)一b(n)一(1) …logln 所以,b(n)是随机序列的渐进行为,我们可以 用它来使c(n)归一化,成为相对复杂度 c(n)一(2) 当时间序列为一完全随机序列时,C(n)=1,当 时间序列为一周期序列时+C(n)一O. 4局灶性缺血脑损伤EEC,的复杂度分 析 根据复杂度的定义,测定一个时间序列的 复杂度可以看成是确定这个序列所需的信息 量”).既然复杂度与信息量有着明确的关系,而 脑的主要功能是信息处理,那么我们就可以用 其来研究EEG.国内吴祥宝与徐京华于1991年 首先把Lempel和Ziv的复杂度定义以及Kas— par和Schuster算法引入到脑电时间序列的研 究中来+计算脑电的复杂度,提出用复杂性测度 研究人大脑皮层的信息传输”“,分析了300 多例精神病人的EEG的复杂度+找出了其与正 常人的显着区别. EEG是大脑皮层大量神经元细胞电活动 的结果,那么,当大脑局灶性缺血时,初期的应 急兴奋反应,以及缺血性损伤导致的神经元细 胞的凋亡,必会引起EEG信号的变化,使EEG 信号的信息含量发生变化.固此,我们考虑用复 杂度来分析SD大鼠局灶性缺血时的EEG信 号. 我们分别取大鼠—tbrain?,EEG eomplexlth~of_nSDrntwithleftbrainfocnl Isclu~miaatdlR~emmomenb 5分析与讨论 从上面的实验分析结果可以看出:正常状 即刻.左脑EEG的复杂度为0.5894,右脑EEG 复杂度为0.6437,大脑两侧的EEG复杂度都急 剧升高,两侧EEG复杂度相差0.0543;缺血15 rain时,左脑(缺血区域)的EEG复杂度为0. 4131,右脑(正常区域)的EEG复杂度为0. 5105,缺血区域与正常区域有明显的差别.两侧 EEG复杂度相差0.094}缺血30rain时,左脑 (缺血区域)的EEG复杂度为0.3288,右脑(正 常区域)的EEG复杂度为0.4394,两侧EEG复 杂度相差0.1106 左右脑EEG复杂度在缺血开始即刻急剧 升高后,又都逐步降低值得一提的是,在左脑 缺血30rain时,左脑EEG复杂度(O.3288)降 到低于缺血前的正常值(O.3777). 我们将整个过程左右脑EEG复杂度之差 绘成曲线(见图3),可以清晰地看出.在左脑局 灶性缺血的前30mln,缺血侧与正常侧EEG复 杂度之差呈增长趋势,差值越来越大,但差值增 长趋势渐小,即曲线趋于平坦,曲率渐小. 圈3左瞻缺血的sD大?在缺血不同时劐的 左右瞻EEG蔓杂度之差 FIB3redltfere~cebeiw~ntheIeftand啦htbruit??EEG complexitstesof?nSDr_twithleftbrainfocal „hchemhntdlRer~tmoments 态左右脑的EEG复杂度相同}当左脑开始缺血 时.由于机体对损伤的应急反应.大晤急剧兴 奋.神经元细胞电活动加剧.处于一种无序放电 第1期张蛙武等.局灶性缺血脑损伤EEG信号的复杂度研究 状态.表现为EEG复杂度升高;当缺血15min 时,机体对损伤刺激有所适应,神经元细胞放电 逐渐有序,两侧大脑的EEG复杂度有所减小, 而左侧大脑由于缺血,神经元细胞的活动受到 抑制.甚至可能有部分细胞凋亡,其EEG复杂 度减小的程度较大,使左右脑EEG复杂度之差 增大}当缺血30min,右脑进一步适应了损伤刺 激,而且也由于左脑缺血使其受累,神经元细胞 的活动受到抑制,EEG复杂度降低,而左脑则 由于缺血一定时间后,大部分神经元细胞的活 动受到抑制,也有部分神经元细胞凋亡.EEG 复杂度进一步降低,小于正常状态左脑的EEG 复杂度,左右脑EEG复杂度相差更大 结合图2和图3.可以看出:(1)局灶性缺血 发生早期,映血区域与正常区域EEG复杂度之 差增大}(2)缺血区域EEG复杂度低于正常区 域;(3)当缺血区域发生损伤时,其EEG复杂度 降到低于正常值. 在图2中,引起右脑复杂度变化的因素有两 个:(1)左脑缺血的刺激使其兴奋,复杂度升高; (2)而缺血后大脑逐渐适应这种刺激,这种适应 性使复杂度又逐渐降低引起左脑复杂度变化 的因素有三个:因素(1),(2)同右脑的(1)和 (2),这两个相同的因素使两侧大脑EEG复杂 度有一致的变化趋势,此外,(3)左脑的神经元 细胞由于缺血,其放电活动受到抑制.以至左脑 EEG复杂度低于右脑.那么,左右脑EEG复杂 度之差(图3)就是消除了前两个相同因素的影 响.纯粹是左脑由于缺血对脑神经电活动的抑 制以及缺血损伤引起的变化图3表明,随着缺 血时间的增加,左脑EEG复杂度受的影响越来 越大.表现为图3中的差值增大可以这样分析. 随着时间的变化,左脑受缺血的影响程度增加. 左右脑EEG复杂度的差值应越来越大.这正如 图3所示如果实验进一步做下去,在一种极端 情况下.左脑完全损伤.右脑完全适应左脑缺血 引起的刺激但没有损伤.这个差值应变成一个 常数(在图中成为一条水平直线),等于正常值 0.3744左右,如果进,步继续下去,右脑受影响 也开始损伤,则差值开始变小(在图中成为表现 为斜率为负),直到右脑完全损伤,差值成为零 实际上,一般情况下,在左脑尚未完全损伤时, 右脑就也开始出现损伤了,因此,没有达到极限 情况时,缺血区域与正常区域EEG复杂度之差 就趋于一个常数了(曲线斜率为零),而图3中曲 线的斜率迅速趋近于零(迅速接紧于一条水平 直线),正符合这种分析. 在实验中,对同一只大鼠,在记录EEG的 同时,我们还交叉记录了各时刻点的SEP,用 离散Gabor谱分析了其时频特性.得到一些清 晰的特征(见文献D43)其结果也表明,在我们 的实验中,SD大鼠在左脑缺血即刻左右脑都有 兴奋表现(时频中心向底频方向移动)}映血15 rain时,左脑的诱发脑电受到抑制,表现为时频 中心向底频方向移动;缺血30rain时,左脑 SEP时频中心在频率方向远远小于缺血前的 正常值,而右脑则出现了损伤的前兆.这一分析 结果与本文中用复杂度对自发膪电的分析结果 无论从损伤程度还是损伤区域都完全一致. 另外,在我们的实验中,缺血30rain后.将 大鼠猝死.对大脑的HE染色分析和热休克蛋 白(HSP)分析结果证实,SD大鼠左大脑发生轻 度损伤,这与本文分析得出的损伤区域和损伤 程度一致 与其他分析方法以及免疫组化分析结果的 对照中,我们可以得到这样的结论:EEG复杂 度对局灶性缺血脑损伤是敏感而有效的,可用 于损伤程度的诊断和损伤区域的定位,其具有 直观定量,可以定位的优点,有可能成为诊断 局灶性缺血脑损伤的一个临床指征. 但是,由于自发脑电受思维的影响.那么在 人身上使用此技术还需要大量的临床研究来进 一 步确定 (F转第45页;Co~rtinued鲫Pal~e45) 第1期甄斌等.示渡法血压测量的实现与讨论 tlvestudyofindirectsystolic-diastolicandllteRnhrachial arterypressurewithsimuhdondirectascendingaortic pressure唧sunms.AmHeartJ,1982I103 4YamakoshiK,ShiazuH.ShihetaMtfa1.Newoscillo- metricmethodrindirectmeasul~mentsystolicand meanarterialp~ssureinhamanfinger.Med8LBiolEng8L Comput.1982?2O,.307 5王穗巨,橱原茂.田孝文等.用示渡法实现动脉血压的自动 检测.医疗器械,1987I122),79 陈龙虎.张增坤,卢广文等一种指套式教宇血压计的研 制.中国医疗嚣赣杂志,1992I16(4)t211 邹理和.数字信号处理(上).国防工韭出版社,1985 甄斌,孙咏梅,巩欣湖等.便携式血压HOITER景境的 研制.中国医疗器械杂志,1996;20(6),鞠8 (收稿:1997-01—23惨回:1997—1I-21) (?接第lltCowainuedPage41) 参考文献 1曹起龙.临睐脑电生理检测进展及其在脑血管疾病中的应 用国外医学脯血管疾病分册,1994I2(1):3 2季晓韩.脑血管疾病的诱发电位研究.国外医学瞄血管戎 病丹册.1994I2(1):24 3ThakorV.XintongGOrthonormal(WalshandFour~r) modelsofevokedpotentialsinneurologicaliniu.IEEE TransBomedEng.1993?40l213 4ThekorNV0,.Muld~solutionwaveleta丑alysisofe. yokedpotent~l*.1EETra?OnBME,1993?40,1088 5ThakorV?Xim-ongG.Nonlinearchangeslmbrain?sre— spomseinthee,ccRt0finjuryasdetectedbyadsptlvecoher— eBceestinmtlmaofevokedpotentials.[EEETraRBBiomed Eng1995I42.42 6VzlbhavaGoeal,ThakorNV.Dominantfrequencyana{ysis ofEEGrevealsbrain?sresponseduringinjuryandI~CO~一 cry.IEEETransBiomedEngt1996?43I1~183 7替京 1987I36(2):842 10LempdA.ZivJ.Ontheconap[ex[tyfinitesequences- IEEETraasOAlnfomadonTheory,1976?22(1),78. 11吴祥宝等.生物物理.1991?7(1),108 12XuIH,WuXB.scknceinCllLua,Seri~sB,1994?37, 1455 l3像京华,童勤业,刘仁.大脑皮层信息恃辅和糖神分裂 症.生物物理,1996I12<1):103 14ZhangJiwu-ZhengCo~gxunal—TheStudyofn0血_ vaslveearlydetectingthefocalcerebratisehemia.IEEE TransDnBiomedicalE<已投出) „收瞢:1997—03—27)