一種新的人長潛伏期體感誘發(fā)電位提取方法

王 穎 王志芳 謝正祥

(濟寧醫(yī)學院信息工程學院,山東 日照 276800)

體感誘發(fā)電位即軀體感覺誘發(fā)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(fā)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(shù),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(fā)電位信號的綜合,損失了每次誘發(fā)電位信號的細節(jié)。目前,國內(nèi)報道的誘發(fā)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(jié)果〔3〕,有的所依據(jù)的理論公式未經(jīng)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(tǒng) SEP提取的疊加平均理論缺陷和分析當前國內(nèi)外關(guān)于單次提取工作的基礎(chǔ)上,根據(jù)腦電信號本身特性及允許在提取誘發(fā)腦電信號的電極原位獲得作為參考信號的自發(fā)腦電信號的特定環(huán)境下,提出 SEP單次提取的 “自參考自相關(guān)自適應干擾對消的理論和技術(shù)” (AAA-ICT)〔6〕,可在不損失每次誘發(fā)電位信號細節(jié)的同時,去除掉 DC,實現(xiàn)誘發(fā)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(shè) (1)背景腦電(B-EES)是混沌信號,具有無限循環(huán)而不完全重復的特征,但在一定精度范圍內(nèi),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(fā)送后的一段(稱為誘發(fā)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(fā)腦電信號中所含的背景腦電信號,從而僅余下與刺激有關(guān)的誘發(fā)成分 SEP。(2)SEP與 B-EES是加性關(guān)系。(3)對 SEP的特性不做任何先驗性的假設(shè)。

1.1.2 誘發(fā)電位提取的特定環(huán)境 誘發(fā)電位(EP)提取的環(huán)境有以下特點:刺激(誘發(fā))信號的產(chǎn)生是可控的,非連續(xù)產(chǎn)生的。腦電信號是一直連續(xù)產(chǎn)生的。未發(fā)送刺激信號時的腦電信號稱為自發(fā)腦電信號(S-EES)〔8〕,發(fā)送刺激后產(chǎn)生的腦電信號稱為誘發(fā)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(fā)腦電信號的獲取環(huán)境完全一致的自參考信號的思想和技術(shù)是本方法能成功的核心關(guān)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(fā)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(guān)運算,選擇并輸出 X(n)與 REF(q)的最大相關(guān)的信號段 REFm(n);Ⅱ.根據(jù)最小能量原理,由 X(n)與 REFm(n)自適應選擇調(diào)節(jié)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(fā)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(guān):求取參考信號 REF(q)中的與誘發(fā)腦電信號X(n)具有最大相關(guān)的信號段 REFm(n)〔3〕。假設(shè) 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(guān)運算,獲得一個相關(guān)系數(shù)序列 R(p),其中

相關(guān)系數(shù)序列為

式中m即為X(n)與REF(q)中具有最大相關(guān)系數(shù)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(guān)稱之為(滑動)自相關(guān)。

(3)自適應:由 REFm(n)與 X(n)根據(jù)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(tǒng)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(jù)最小能量原理(令上式對 W求一階導數(shù)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(nèi)的干擾信號,得到誘發(fā)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(jīng)通路正常,無軀體神經(jīng)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(yī)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(shè)計基于 AAA-ICT的SEP單次提取方法來提取體感誘發(fā)電位(SEP)。實驗過程中,受試者取坐位、閉眼狀態(tài),刺激電極采用表面盤狀電極,置于腕部正中神經(jīng)體表處,刺激信號為方波信號〔4〕,波寬 0.1～0.9 ms,連續(xù)刺激 20次為一組(表1)。記錄長潛伏期體感誘發(fā)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(fā)電位信號,采集過程中保持周圍環(huán)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(jié) 果

2.1 單例受試者的自參考自相關(guān)自適應干擾對消技術(shù)的結(jié)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(shù)字為五個主要波形 P1、N1、P2、N2、P3的特征參數(shù)測量結(jié)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(shù)字 2表示這是第 2次刺激的情況。

圖2 最大相關(guān)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(jié)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(tǒng)的疊加平均結(jié)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(jié)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(jié)果和下部的圖對比發(fā)現(xiàn),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(fā)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(jié)果對比

2.3 單個個體 20次刺激的單次結(jié)果 以一個受試者的長潛伏期體感誘發(fā)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(jié)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(jié)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(jié)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(chǎn)生的誘發(fā)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(jié)果,但也包含誘發(fā)反應成分的均值,即此刺激產(chǎn)生的誘發(fā)電位的共有成分,這是其合理內(nèi)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(tǒng)方法比較,含有更豐富的細節(jié)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(tǒng)的疊加平均有更廣的應用前景和研究價值。

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