高頻振蕩的采集和分析方法的研究*

柳 淵 孫 偉 嚴(yán)漢民*

高頻振蕩(high frequency oscillations，HFO)是腦電磁信號(hào)中的高頻信號(hào)，頻率在80～500 Hz，是神經(jīng)系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象，也是理解大腦信息處理機(jī)制的重要突破口[1]。近年來(lái)，高頻振蕩的研究已逐漸受到研究者的關(guān)注，分析腦電圖中高頻振蕩能夠有效的幫助臨床進(jìn)行致癇區(qū)定位并指導(dǎo)癲癇手術(shù)[2]。

根據(jù)頻率的高低，HFO可以分為ripple(80～250 Hz)和fast ripple(FR)(250～500 Hz)[3]。目前，尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道大腦能自發(fā)產(chǎn)生生理性的FR，一般只在癲癇患者的皮層腦電圖中能夠發(fā)現(xiàn)FR，因此認(rèn)為FR是和癲癇相關(guān)的，是病理性的[4-5]。

Ripple可分為生理性ripple和病理性ripple，研究表明，海馬區(qū)域的生理性ripple和記憶鞏固過(guò)程有關(guān)[6]。一般來(lái)說(shuō)，生理性的HFO的發(fā)生都局限在大腦特定區(qū)域，而病理性高頻振蕩(pathologic high frequency oscillations，pHFO)能產(chǎn)生于大腦皮質(zhì)的任何區(qū)域，在確定癲癇發(fā)作啟動(dòng)區(qū)時(shí)具有很高的特異性，但目前尚無(wú)一種可靠的判別標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分病理性和生理性HFO。本文將主要總結(jié)當(dāng)前研究中的癲癇患者高頻信號(hào)的采集、高頻振蕩的提取及量化分析方法[7-8]。

1 含高頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集方法

目前的文獻(xiàn)報(bào)道顯示，與頻率較低的gamma振蕩研究不同，當(dāng)前自發(fā)的HFO研究所采用的數(shù)據(jù)都是通過(guò)有創(chuàng)的顱內(nèi)電極采集到的，尚未見(jiàn)采用無(wú)創(chuàng)的頭皮腦電圖和腦磁圖的數(shù)據(jù)用于自發(fā)ripple和FR研究的報(bào)道[4,9-11]。

在早期的研究中，大量的經(jīng)顱內(nèi)微電極采集到的腦電數(shù)據(jù)顯示，腦電中HFO是一個(gè)極其短暫的過(guò)程，一般ripple的持續(xù)時(shí)間為19～360 ms，F(xiàn)R的持續(xù)時(shí)間為25～214 ms，其振蕩幅度ripple一般為120～1050 μV，F(xiàn)R為566～1250 μV，而且FR振蕩只能在與腦組織接觸面積＜1 mm2的微電極采集的電信號(hào)中探測(cè)到[10-11]。近年來(lái)有文獻(xiàn)報(bào)道，能夠采用顱內(nèi)大電極(與腦組織接觸面積＞1 mm2)采集到發(fā)作間期的ripple和FR振蕩[12-13]。

采用何種電極來(lái)采集腦電數(shù)據(jù)才能更有效安全的確定致癇灶依舊是當(dāng)前研究討論的熱點(diǎn)問(wèn)題。采用顱內(nèi)大電極記錄腦電數(shù)據(jù)，能夠采集到皮層多個(gè)位置的腦電數(shù)據(jù)，這對(duì)于從宏觀角度研究癲癇發(fā)作機(jī)制具有十分重要的意義；采用微電極記錄的數(shù)據(jù)能夠更好的在細(xì)胞層面研究癲癇發(fā)作時(shí)神經(jīng)細(xì)胞之間的相互作用，但是相比較顱內(nèi)大電極只是覆蓋在大腦皮層上，微電極的植入需要穿透皮層，因此對(duì)植入者造成的損傷更大，在臨床中的使用就更為謹(jǐn)慎。

皮層腦電圖和腦磁圖探測(cè)大腦皮層的面積較大，由于大量神經(jīng)元放電相位并不一致，經(jīng)過(guò)疊加后，HFO就會(huì)變的極其微弱，以當(dāng)前的技術(shù)還不能有效的記錄到如此微弱的信號(hào)。近年來(lái)有文獻(xiàn)報(bào)道，采用無(wú)創(chuàng)皮層腦電圖和腦磁圖能夠有效的探測(cè)到頻率＜200 Hz的高γ的振蕩及伴隨棘波出現(xiàn)的節(jié)律性的ripple振蕩[14-16]。相信隨著測(cè)量及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，無(wú)創(chuàng)的皮層腦電圖和腦磁圖必定能夠在HFO的研究中發(fā)揮更大的作用。

2 高頻振蕩的檢測(cè)方法

將HFO作為致癇灶的生物標(biāo)記在臨床上進(jìn)行應(yīng)用推廣，能否實(shí)現(xiàn)其有效檢測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。當(dāng)前HFO的檢測(cè)方法可以分為：①人工檢測(cè)。目前認(rèn)為準(zhǔn)確率最高，是判定高頻振蕩的金標(biāo)準(zhǔn)[17]。但是此種方法完全依賴于人工判別，耗時(shí)費(fèi)力，而且，不同的分析人員可能會(huì)得出不同的結(jié)論；②帶監(jiān)督的自動(dòng)檢測(cè)。一般采用高靈敏度、低特異性的自動(dòng)檢測(cè)算法，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行人工檢測(cè)；③不帶監(jiān)督的自動(dòng)檢測(cè)。完全依靠算法進(jìn)行的自動(dòng)檢測(cè)，是HFO檢測(cè)方法研究的方向。

HFO自動(dòng)檢測(cè)方法的流程如圖1所示，其一般步驟為：原始的腦電數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)帶通濾波器過(guò)濾后只保留感興趣的頻段信息，然后根據(jù)整個(gè)數(shù)據(jù)的能量計(jì)算出一個(gè)閾值能量，并將數(shù)據(jù)分割成相同時(shí)長(zhǎng)的小段，分別計(jì)算每段數(shù)據(jù)的能量，如果能量高于閾值能量的就可以認(rèn)定為是疑似HFO[12-13,18-20]。當(dāng)前較常用的檢測(cè)方法都是在此方法的基礎(chǔ)上通過(guò)部分改進(jìn)而來(lái)的，其靈敏度、特異度和準(zhǔn)確率還有待提高。

圖1 HFO自動(dòng)檢測(cè)的一般流程

3 高頻振蕩的分析和定性方法

圖2 應(yīng)用不同小波變換的時(shí)頻圖

HFO的進(jìn)一步研究需要對(duì)檢測(cè)到的HFO進(jìn)行分析和定量。由于腦電信號(hào)是一種時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)，其頻率特性隨時(shí)間的變化而變化，傳統(tǒng)的時(shí)域或頻域方法只能對(duì)整個(gè)頻率或時(shí)間跨度內(nèi)的波形或頻率特性進(jìn)行分析，無(wú)法準(zhǔn)確的對(duì)HFO進(jìn)行量化。時(shí)頻分析作為一種有效的分析方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，而小波變換由于其時(shí)間分辨率和頻率分辨率可變的特性在時(shí)頻分析中得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前已經(jīng)有多種小波變換應(yīng)用于HFO的分析中，由于各種小波的特性不同，計(jì)算得出的結(jié)果會(huì)略有差異，但是都能有效的對(duì)HFO進(jìn)行量化[21-22]。如圖2所示，兩段HFO分別應(yīng)用了DoG小波(B1-B2)、Morlet小波(C1-C2)、Morse小波(D1-D2)和Wigner-Ville小波(E1-E2)進(jìn)行時(shí)頻分析得到的結(jié)果。

日前的研究表明，大腦的振蕩并不是孤立存在的，不同頻段之間的振蕩是相互聯(lián)系的，因此跨區(qū)域、跨頻段振蕩之間的聯(lián)系正得到越來(lái)越多研究者的重視[23]。

4 展望

隨著多通道高采樣頻率的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)步，HFO的研究正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的研究表明，HFO與癲癇的形成和發(fā)作有非常密切的聯(lián)系，作為一種新的癲癇標(biāo)志物，HFO可以有效的反映癲癇的電活動(dòng)，指導(dǎo)臨床致癇灶的定位；采用微電極可以采集到少量神經(jīng)元產(chǎn)生的HFO，對(duì)于在細(xì)胞層面研究癲癇的發(fā)生機(jī)制具有十分重要的意義。

目前，該領(lǐng)域研究尚存在一些問(wèn)題。①當(dāng)前數(shù)據(jù)的采集幾乎都是有創(chuàng)的，無(wú)創(chuàng)方法采集的數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足HFO研究的要求，只能將其研究適應(yīng)人群局限為必需進(jìn)行開(kāi)顱植入電極的患者，限制了此種方法應(yīng)用的范圍；②HFO的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)還不是很成熟，特異性和靈敏性都未能滿足臨床進(jìn)行普遍應(yīng)用的水平；③當(dāng)前對(duì)于如何區(qū)分生理性HFO和pHFO的研究還不夠充分，還可以應(yīng)用更高效的數(shù)學(xué)方法對(duì)HFO進(jìn)行有效分析和準(zhǔn)確定量，生理性HFO和pHFO的區(qū)分將更加明確。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，HFO研究中的這些問(wèn)題必然能夠得到有效的解決，使其在腦功能的研究中得到更廣泛的應(yīng)用。

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