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精神分裂症患者脑电信号非线性动力学特征的研究

时间:2024-08-31

黄瑛,孙喜蓉,金莹,龚恒芬

·学术交流·

精神分裂症患者脑电信号非线性动力学特征的研究

黄瑛,孙喜蓉,金莹,龚恒芬

目的:探讨精神分裂症患者脑电信号特征非线性动力学的特点。方法:40例精神分裂症患者(病例组)利培酮治疗3个月;入组时、治疗1个月及3个月后分别给予脑电信号采集,计算非线性动力学特征关联维数(D2)、柯尔莫戈洛夫熵(K2)和Lempel-Ziv (LZ)复杂度,并与40名正常对照者(对照组)比较。结果:除个别导联外,病例组入组时及治疗1个月后,各导联电极的D2、K2与对照组相比显著较高,LZ复杂度显著降低(P均<0.05);治疗3个月后,除个别导联外其他各导联电极上D2、K2与治疗前相比显著降低,LZ复杂度显著上升(P均<0.05),且均与对照组比较差异无统计学意义。结论:精神分裂症患者脑电信号活动异常,治疗一定时间后其信号活动逐渐趋于正常。

精神分裂症; 脑电信号; 非线性动力学

精神分裂症是常发生于青壮年人群的一种重型精神疾病,尽早确诊并进行药物治疗对于患者康复并重返社会具有重要意义。脑电信号分析是我国目前精神疾病主要的检测手段之一;在传统时频分析基础上,近年来运用非线性动力学方法研究精神分裂症患者脑电信号,并受到领域内广泛关注[1-5]。其中较经典的3个非线性动力学特征包括:关联维数(D2)、柯尔莫戈洛夫熵(K2)和Lempel-Ziv (LZ)复杂度。D2适用于实验中与其他非线性特征共同使用进行参考,受到广泛认可,但是这种算法对参数依赖程度高,计算过程耗时长。K2是非线性动力学中计算系统不规则程度熵的算法之一,近年来在精神分裂症研究中受到关注[2]。LZ复杂度是复杂度范畴中的代表算法,适合用于分析同时具有非线性和非平稳特征的时间序列的复杂度[6]。本研究对精神分裂症患者脑电信号的D2、K2和LZ复杂度进行分析,并与正常人进行对比。现将结果报告如下。

1 对象和方法

1.1 对象 病例组:为2015年1~12月于我院门诊确诊并接受住院治疗的精神分裂症患者40例,均符合《国际疾病分类》第10版(ICD-10)轻、中度精神分裂症的诊断标准,阳性及阴性症状量表总分(112±15)分;其中男22例,女18例;年龄19~45岁,平均(31.0±5.8)岁;病程8~16个月,平均(11.2±4.1)个月。根据中国人左右利手标准量表[7]选择的入组者均为右利手,近1个月内未使用过影响认知功能的药物,无听力障碍;排除器质性、躯体疾病及精神活性物质所致精神障碍、器质性脑病史及目前有感染症状。

对照组:为同时选取的健康志愿者40名,男26名,女14名;年龄20~44岁,平均(29±6.9)岁。纳入者均为右利手,智力正常;无器质性脑病及头部外伤史,本人及其一级亲属中无精神疾病史;排除酒精依赖和药物依赖;近期无遭遇重大生活事件,近1个月内无服药史,目前无感染症状。

两组间性别、年龄差异无统计学意义。所有入组者本人或法定监护人对本研究知情同意并签署知情同意书。

1.2 方法 入组后,给予病例组患者利培酮单药治疗,起始剂量为1 mg/d,1周内加量至2~4 mg/d,第2周内可逐渐加量至4~6 mg/d,此后根据个人情况维持或调整。

使用KT88-2400数字脑电信号采集仪(使用仪器及配套电极、电极膏均由秦皇岛市康泰医学系统有限公司生产,24导,型号KT88-2400)在两组入组时及病例组治疗后第1、3个月末进行脑电信号采集(包括患者精确的测量脑电波周期、波幅、频率)。按照仪器使用说明书进行操作,采样频率设为200 Hz,使用10/20脑电记录国际标准系统进行16导联脑电信号记录,以左右耳垂作为无关参考电极。采集时,外界环境保持安静,研究对象保持静止。非线性动力学特征提取使用滤波器对采集到的脑前置滤波电路去噪后,初步识别噪声较大波形并予以排除,对进行了数据合理性检查的数据段进行2~35 Hz的带通滤波,再次运用小波变换方法去除噪声,从而获得纯净信号。根据操作指南,每个研究对象采集时间为1 min,随机截取其中25 s的有效数据,使用Matlab软件进行D2、K2和LZ复杂度计算[8]。D2是描述混沌自由度信息的参数,反映了动力学过程的复杂性;K2是描述信号复杂性和规律性的方法,它通过对以前数值的了解,来量化未来数值可预测性;LZ复杂度表明用计算机语言描述脑电信号的长度;所用计算机语言越长,其复杂度越高。

使用SPSS 19.0统计软件;正态分布的计量资料组间的比较采用t检验和配对t检验。

2 结果

2.1 两组脑电信号D2比较 除顶枕部外,其他各导联病例组入组时及治疗1个月与对照组相比D2显著较高,差异有统计学意义(P均<0.05);病例组治疗3个月末与入组时相比D2显著下降,差异有统计学意义(P均<0.05),且与对照组相比差异无统计学意义(P均>0.05)。见表1。

2.2 两组脑电信号K2比较 除右前额和右枕部外,其他各导联病例组入组时及治疗1个月末与对照组相比K2显著较高,差异有统计学意义(P均<0.05);病例组治疗3个月末与入组时相比K2显著下降,差异有统计学意义(P均<0.05),且与对照组相比差异无统计学意义(P均>0.05)。见表2。

2.3 两组脑电信号LZ复杂度比较 各导联病例组入组时及治疗1个月末与对照组相比LZ复杂度显著降低,差异有统计学意义(P均<0.05);病例组治疗3个月末与入组时相比复杂度显著上升,差异有统计学意义(P均<0.05);且与对照组相比差异无统计学意义(P均>0.05)。见表3。

表1 两组脑电信号D2比较

注:与入组时比较,*P<0.05;与对照组比较,△P<0.05

表2 两组脑电信号K2比较

注:与入组前比较,*P<0.05;与对照组比较,△P<0.05

表3 两组脑电信号LZ复杂度比较

注:与入组前比较,*P<0.05;与对照组相比,△P<0.05

3 讨论

精神分裂症是临床上的一种重型精神疾病,尽早确诊并在早期迅速开展治疗能够极大程度减轻患者痛苦,并改善患者生活质量。以往临床上对于此类患者的确诊,往往通过临床表现或相关量表进行判断,受患者主观影响较大。此外,此类疾病还具有隐匿性,某些患者并未表现出明显的临床症状及体征,有可能造成漏诊,影响对疾病的早发现和早治疗。近年来,随着非线性动力学方法在医学领域的广泛应用,通过研究精神分裂症患者脑电信号以辅助确诊,也越来越受到医学界的关注。

本研究采用了较经典的3个非线性动力学特征——D2、K2和LZ复杂度对精神分裂症患者治疗前后变化进行了研究,结果显示,除个别导联外,在各导联电极上病例组入组时及治疗1个月后,其D2、K2与对照组相比均显著增高,LZ复杂度显著降低(P均< 0.05)。经过3个月治疗后,与入组时相比,除个别导联外其他各导联电极上D2、K2显著降低,LZ复杂度显著上升(P均<0.05),且与对照组差异无统计学意义。由于单纯型精神分裂症的症状是由于大脑皮质及皮质下结构的异常引起,而脑电信号能够较为准确反映大脑生物电活动的变化,认识并监测疾病的进展。此类患者脑电图的改变在大脑额部广泛存在,然后是颞部、中央区及枕部[9]。脑电波表现为患者额叶活动度低下,代谢功能减低,表现为D2、K2与正常者相比均显著较高,LZ复杂度显著较低。由于药物治疗此类疾病短期内效果尚不明显,故治疗1个月时,这些指标的改变并不明显,即无法纠正患者病情,D2和K2仍较低,LZ复杂度仍较高。当治疗3个月后,患者D2、K2和LZ复杂度均趋于正常,即D2和K2上升,LZ复杂度下降,可能是因为利培酮具有改善患者认知和语言的作用[10]。

此外,以往多数研究[11-13]表明,非线性动力学分析方法能够较好的区分精神分裂症患者和正常人的脑电信号;本研究进一步验证了其可行性,这对于将非线性方法应用于临床诊断和疗效检测提供了基础。但其计算过程中二值粗粒化存在信息损失的可能性[14],因此将其应用于精神分裂症脑电信号处理中避免非线性复杂度分析中的信息损失仍需进一步研究。

综上所述,精神分裂患者脑电信号活动异常,治疗一定时间后其信号活动逐渐趋于正常。采用非线性动力学分析方法有助于区分精神分裂症患者和正常人的脑电信号,可能有助于精神分裂症的临床诊断和检测治疗效果。

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Thecharicteristicsofnonlineardynamicofbrainelectricalsignalinpatientswithschizophrenia

HUANGYing,SUNXi-rong,JINYing,GONGHeng-fen.

ShanghaiPudongMentalHealthCenter,Shanghai200124,China

Objective:To explore the charicteristics of nonlinear dynamic of brain electrical signal in patients with schizophrenia.Method:Forty patients with schizophrenia were selected as the case group,and another forty healthy people as the control group.All the patient were treated with risperidone for 3 months.Their brain electrical signals were collected before and at the 1st and 3rd month after the treatment.The correlation dimension (D2) of nonlinear dynamic characteristics,Kolmogorov entropy (K2) and Lempel-Ziv complexity (LZ complexity) were calulated and compared with the control group.Results:Excepting for some electrodes,D2 and K2 of the other lead electrodes in the case group were significantly higher than in the control group,while the LZ complexity was significantly lower than the control group,before and at the 1st month after the treatment(allP<0.05).At the 3rd month after the treatment,excepting for some electrodes,D2 and K2 of the other lead electrodes in the case group were significantly lower,and the LZ complexity increased than before(allP<0.05).And all the three indicates were not different from the control group.Conclusion:The characteristics of nonlinear dynamic in patients with schizophrenia are innormal,and can be changed to normal gradually after treatment.

schizophrenia; brain electrical signal; nonlinear dynamics

上海市浦东新区卫生系统优秀青年医学人才培养计划(PWRq2014-29)

200124 上海市浦东新区精神卫生中心

黄瑛,E-Mail: huangjiels1980@163.com

R749.3

: A

: 1005-3220(2017)04-0253-04

2016-09-06

2017-03-23)

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