癲癇患者腦磁圖的高頻振蕩量化算法研究*

柳 淵 孫 偉 嚴(yán)漢民* 林 芳

癲癇是常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，我國(guó)癲癇的患病率為7‰，據(jù)此估計(jì)，目前我國(guó)約有900萬(wàn)左右的癲癇患者，其中約30%的癲癇患者不能通過藥物治療獲得滿意效果[1]。癲癇患者中很大一部分能通過手術(shù)治療控制其發(fā)作，因此準(zhǔn)確的致癇灶部位的定位對(duì)于癲癇手術(shù)的成功具有舉足輕重的意義[2]。

近年來(lái)主要依靠腦電圖、醫(yī)學(xué)影像等技術(shù)來(lái)定位致癇灶，具有高時(shí)間分辨率和空間分辨率的腦磁圖(magnetoencephalography, MEG)在致癇灶的定位得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的腦電圖和腦磁圖分析方法一般只關(guān)注頻率＜40 Hz異常變化[3]，但過去十多年，許多研究者開始關(guān)注＞100 Hz的高頻振蕩(highfrequency oscillations, HFOs)。大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床數(shù)據(jù)分析表明：＞100 Hz的病態(tài)的高頻振蕩在確定癲癇發(fā)作啟動(dòng)區(qū)時(shí)具有很高的特異性，是當(dāng)前癲癇發(fā)病機(jī)制研究中的一個(gè)重要生物學(xué)指標(biāo)[4-7]。

高頻振蕩研究主要分析依靠外科手術(shù)植入的微電極和顱內(nèi)電極采集到的皮層腦電圖(electrocorticogram,ECoG)。但是皮層腦電圖檢查是有創(chuàng)的，而且只能采集到電極覆蓋皮層的電活動(dòng)，這限制了該種方法應(yīng)用的范圍。腦磁圖具有無(wú)創(chuàng)、高時(shí)間分辨率和空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，而且腦磁圖的探頭能夠覆蓋全腦，有效捕捉到大腦皮層的高頻振蕩[8-9]。國(guó)外的臨床研究也表明，腦磁圖的高頻振蕩和大腦皮層的致癇灶有著緊密的聯(lián)系[10-11]。但是這些研究都只是定性的分析了高頻振蕩，沒有對(duì)高頻振蕩進(jìn)行量化。本文引入了重心頻率來(lái)量化高頻振蕩，通過比較重心頻率的高低來(lái)評(píng)價(jià)高頻振蕩能量的高低，進(jìn)而探索高頻振蕩能量的高低與致癇灶之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文中使用的腦磁圖數(shù)據(jù)由我院腦磁圖室提供。①采集設(shè)備：Elekta Neuromag 306導(dǎo)腦磁圖儀；②數(shù)據(jù)特性：采樣頻率1000 Hz，濾波帶通0.1～330 Hz；③病例摘要：患者為女性，37歲，顳葉癲癇，致癇灶位于左顳；④數(shù)據(jù)預(yù)處理：使用Neuromag系統(tǒng)自帶的MaxFilter軟件，采用信號(hào)空間分割(signal space separation, SSP)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高信號(hào)的空間分辨率和信噪比[12-13]。

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 去除心電信號(hào)干擾

心電信號(hào)可以產(chǎn)生明顯的磁信號(hào)變化，這些變化會(huì)干擾腦磁圖信號(hào)，因此分析腦磁圖信號(hào)首先要消除心電干擾。從腦磁圖檢查中同步采集的心電圖信號(hào)中選取出QRS波和T波時(shí)段，手動(dòng)將腦磁圖信號(hào)中相應(yīng)時(shí)段的信號(hào)去除，然后將剩余的數(shù)據(jù)連接成新的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。由于心電信號(hào)和腦磁圖信號(hào)是同時(shí)采集的，這樣就能有效去除心電信號(hào)對(duì)分析結(jié)果的影響。

2.2 短時(shí)傅里葉變換處理

由于腦磁圖信號(hào)屬于時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)，其頻率特性隨時(shí)間的變化而變化，簡(jiǎn)單的傅里葉變換不能準(zhǔn)確的反映腦磁圖信號(hào)隨時(shí)間變化的頻譜特性。因此，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換(short time fourier transform, STFT)獲得腦磁圖信號(hào)的時(shí)頻特性，短時(shí)傅里葉變換的基本原理如公式1所示：

2.3 重心頻率計(jì)算

為了量化經(jīng)過短時(shí)傅里葉變換獲得的時(shí)頻特性，我們采用了重心頻率的概念來(lái)表征某個(gè)時(shí)刻頻譜能量的聚集頻率。重心頻率的計(jì)算方法如公式2所示：

其中mom為重心頻率，f為頻率，I為某一時(shí)刻的能量[14]，在選定的頻率范圍內(nèi)某一時(shí)刻重心頻率mom越高就表示在該頻率范圍內(nèi)該時(shí)刻的信號(hào)頻譜能量越往高頻率方向集中，高頻振蕩的能量越高。

3 結(jié)果

采用的腦磁圖數(shù)據(jù)由306個(gè)通道的數(shù)據(jù)組成，其中102個(gè)通道的數(shù)據(jù)由強(qiáng)度計(jì)采集，204個(gè)通道的數(shù)據(jù)由梯度計(jì)采集。將306個(gè)通道3個(gè)一組，平均分布，能夠覆蓋大腦皮層全部區(qū)域，其探頭的分布如圖1所示。

圖1 腦磁圖探頭分布圖

圖1為患者在靜息狀態(tài)下一次棘波發(fā)放時(shí)各個(gè)通道的數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)經(jīng)過5～45 Hz的帶通濾波器濾波，從中可以發(fā)現(xiàn)：位于左側(cè)致癇灶通道的數(shù)據(jù)波形有明顯的異常。主要處理位于該區(qū)域內(nèi)的通道的數(shù)據(jù)和位于對(duì)側(cè)的通道的數(shù)據(jù)，比較兩者高頻振蕩的能量差異。

由于梯度計(jì)采集到的腦磁圖信號(hào)能夠抑制環(huán)境噪音，而且梯度計(jì)信號(hào)空間分辨率更高[15]，因此選擇梯度計(jì)信號(hào)來(lái)進(jìn)行分析。

選擇其中3段(每段時(shí)長(zhǎng)600 s)靜息狀態(tài)下采集的腦磁圖數(shù)據(jù)，去除心電信號(hào)干擾后，經(jīng)短時(shí)傅里葉轉(zhuǎn)換變換處理后，采用公式2分別計(jì)算每個(gè)梯度計(jì)信號(hào)頻率在80～250 Hz范圍內(nèi)的重心頻率，比較同一時(shí)刻各個(gè)梯度計(jì)的重心頻率(如圖2所示)：

圖2 某一時(shí)段左顳梯度計(jì)和右顳梯度計(jì)重心頻率曲線

圖2中紅線所示為位于致癇灶的梯度計(jì)采集到信號(hào)的重心頻率曲線，藍(lán)線為位于對(duì)側(cè)的梯度計(jì)采集到信號(hào)的重心頻率曲線。研究發(fā)現(xiàn)，在該時(shí)段位于患側(cè)(即左顳)的梯度計(jì)的重心頻率明顯比健側(cè)(即右顳)高，這說(shuō)明患側(cè)的高頻振蕩能量高于健側(cè)。

同時(shí)，此項(xiàng)研究計(jì)算了10 s(10000個(gè)采樣點(diǎn))長(zhǎng)的數(shù)據(jù)的平均重心頻率，比較雙側(cè)梯度計(jì)的平均重心頻率，發(fā)現(xiàn)在大部分的時(shí)段，位于患側(cè)的梯度計(jì)的平均重心頻率高于健側(cè)，隨機(jī)選取數(shù)個(gè)時(shí)段2個(gè)梯度計(jì)的平均重心頻率，平均差值為3.98(見表1)。

表1 左顳、右顳梯度計(jì)的平均重心頻率對(duì)比(Hz)

4 討論

通過癲癇患者腦磁圖數(shù)據(jù)的驗(yàn)證表明，采用重心頻率能夠有效的量化信號(hào)中的高頻振蕩成分；比較不同皮層信號(hào)的重心頻率大小，能夠直觀的比較出高頻振蕩的能量差異，從而為臨床定位致癇灶提供一個(gè)重要的生物學(xué)指標(biāo)。相比較于皮層腦電圖，腦磁圖數(shù)據(jù)的采集是無(wú)創(chuàng)的，這極大地豐富了高頻振蕩定位致癇灶的臨床應(yīng)用范圍。與小波變換相比，短時(shí)傅里葉變換的時(shí)間分辨率和頻率分辨率是固定的，不存在交叉項(xiàng)的問題，極大的降低了重心頻率的計(jì)算難度。

綜上所述，采用高頻振蕩的量化算法具有計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠有效的區(qū)分信號(hào)的高頻振蕩差異，將其應(yīng)用到臨床腦磁圖數(shù)據(jù)的分析中，結(jié)合溯源算法為臨床致癇灶的定位提供一個(gè)重要的指標(biāo)。

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