用近似熵方法監(jiān)測(cè)腦電信號(hào)分析麻醉深度

黃廣軼

(黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，黑龍江哈爾濱150036)

用近似熵方法監(jiān)測(cè)腦電信號(hào)分析麻醉深度

黃廣軼

(黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，黑龍江哈爾濱150036)

根據(jù)基本物理思想可以認(rèn)為，麻醉期間腦電信號(hào)的無(wú)序度將會(huì)降低，可以作為評(píng)估鎮(zhèn)靜程度的指標(biāo)。近似熵作為一種有效的復(fù)雜性分析方法，適合作為麻醉中腦電信號(hào)的復(fù)雜性測(cè)度，研究中分析了麻醉實(shí)驗(yàn)中記錄的40例腦電信號(hào)，計(jì)算了其近似熵測(cè)度的分布。結(jié)果表明，腦電信號(hào)近似熵可以對(duì)麻醉和清醒兩種狀態(tài)進(jìn)行劃分。

近似熵;麻醉深度;腦電信號(hào);鎮(zhèn)靜程度

0 引言

目前，評(píng)價(jià)麻醉深度主要靠自主神經(jīng)反應(yīng)，各種反應(yīng)針對(duì)麻醉狀態(tài)表現(xiàn)出的特異性不高，難以準(zhǔn)確反映麻醉深度。關(guān)于鎮(zhèn)靜程度的監(jiān)測(cè)，目前只有腦電雙頻指數(shù)BIS與聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位AEP兩種測(cè)度。相關(guān)研究表明AEP和BIS都能描述麻醉過(guò)程中的鎮(zhèn)靜抑制程度，都與人的意識(shí)狀態(tài)相關(guān)。研究表明，這兩種指標(biāo)在應(yīng)用中均具有很大的局限性，尤其是藥物依賴(lài)問(wèn)題。

本文中針對(duì)麻醉深度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的鎮(zhèn)靜程度監(jiān)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)進(jìn)行麻醉狀態(tài)下腦電信號(hào)的無(wú)序度分析，提取出以近似熵這一非線性動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性測(cè)度作為鎮(zhèn)靜程度的指標(biāo)，分析了手術(shù)過(guò)程中麻醉狀態(tài)下的腦電信號(hào)，為麻醉深度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了一個(gè)有效的鎮(zhèn)靜程度指標(biāo)。

1 麻醉狀態(tài)下腦電信號(hào)無(wú)序度分析的物理思想

從基本的物理思想上考慮腦神經(jīng)活動(dòng)的原理，可以假定麻醉作用將引起腦電信號(hào)發(fā)生以下兩項(xiàng)基本變化:(1)麻醉作用引起腦電信號(hào)在不同頻帶上能量分布的改變;(2)麻醉作用將使腦電信號(hào)簡(jiǎn)單化，即由無(wú)序向有序，由隨機(jī)性向確定性發(fā)生一定的轉(zhuǎn)化。

如果這些變化可以定量描述并在分析中得到，則可以通過(guò)比對(duì)，應(yīng)用閾值方法區(qū)分麻醉狀態(tài)和清醒狀態(tài)，成為有效的麻醉深度的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。本研究中采用近似熵這種系統(tǒng)復(fù)雜性測(cè)度。腦電信號(hào)在麻醉狀態(tài)下趨于簡(jiǎn)單、有序這一生理過(guò)程，是意識(shí)活動(dòng)降低的系統(tǒng)性表現(xiàn)，不依賴(lài)于特定的感官區(qū)域或中樞神經(jīng)機(jī)能。因而對(duì)特定神經(jīng)靶位敏感度較高的不同麻醉藥物，均可以利用腦電信號(hào)復(fù)雜度測(cè)度來(lái)評(píng)價(jià)其最終對(duì)中樞神經(jīng)意識(shí)活動(dòng)的整體抑制程度，從基本原理上克服了鎮(zhèn)靜程度指標(biāo)的藥物依賴(lài)性。

2 近似熵的計(jì)算方法

近似熵是立足于物理熵的概念描述非線性信號(hào)序列的無(wú)序度的測(cè)度，根據(jù)其計(jì)算原理可以認(rèn)為其適合作為腦電信號(hào)的無(wú)序度指標(biāo)。

設(shè) {xi，i=1，．．．N}為一時(shí)間序列，由總共N個(gè)點(diǎn)組成，按原次序生成一列m維矢量，N取現(xiàn)實(shí)序列中的實(shí)際值n。則此序列的近似熵為:

其中?m(r)為兩點(diǎn)間距離小于閾值r的距離數(shù)與總距離數(shù)比值的對(duì)數(shù)平均值。

按以上計(jì)算原理，近似熵描述了增加一個(gè)維度之后序列曲線產(chǎn)生新形態(tài)的近似幾率，序列曲線產(chǎn)生新形態(tài)的可能性越大，則表明曲線越復(fù)雜。

3 麻醉狀態(tài)下腦電信號(hào)的近似熵分析

本文針對(duì)獲取的40例麻醉手術(shù)的腦電監(jiān)測(cè)信號(hào)，計(jì)算手術(shù)過(guò)程中清醒和麻醉兩類(lèi)狀態(tài)下的腦電信號(hào)的近似熵值，其統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖1所示。

圖中可見(jiàn)，麻醉期間腦電信號(hào)的近似熵比清醒狀態(tài)下明顯要小，但存在一定的參差現(xiàn)象。單因素方差分析中，F(xiàn)=40．1957小于 Fα=0．001(1，61) =11．97，如表1，也可以認(rèn)為清醒和麻醉兩種狀態(tài)下腦電信號(hào)的近似熵為可區(qū)分的。

圖1 40例麻醉實(shí)驗(yàn)中清醒狀態(tài)與麻醉狀態(tài)腦電信號(hào)近似熵值分布

如果通過(guò)閾值方法對(duì)清醒和麻醉兩種狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，區(qū)分閾值為0．6420，清醒期/麻醉期的區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2，其中靈敏性87%和78%，特異性72%和86%，準(zhǔn)確性80%和82%，數(shù)據(jù)可見(jiàn)，近似熵具備區(qū)分清醒、麻醉兩狀態(tài)的能力，且計(jì)算所需的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量較少，本研究中為1280采樣點(diǎn)(10s)，計(jì)算時(shí)間經(jīng)優(yōu)化后可達(dá)秒級(jí)，這意味著可以盡可能減小現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中麻醉監(jiān)測(cè)操作對(duì)手術(shù)的影響。

表1 腦電信號(hào)無(wú)序度指標(biāo)的單因素方差分析

表2 閾值方法區(qū)分清醒狀態(tài)與麻醉狀態(tài)的分析結(jié)果

4 結(jié)論

基于麻醉狀態(tài)下，大腦活動(dòng)將明顯弱化并趨于簡(jiǎn)單有序這一基本生理現(xiàn)象，提出可以描述腦電信號(hào)規(guī)則程度的各種動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，即鎮(zhèn)靜程度的度量參數(shù)。本研究結(jié)果表明，近似熵參數(shù)在麻醉和清醒兩種狀態(tài)存在分布上的明顯差異，基本可認(rèn)為克服了腦電雙頻譜指數(shù)和聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位指數(shù)較大的藥物依賴(lài)性，可作為區(qū)分麻醉和清醒兩種狀態(tài)的指標(biāo)，并且所需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)序列較短，計(jì)算時(shí)間有明顯優(yōu)勢(shì)，更適合于在臨床麻醉深度監(jiān)測(cè)進(jìn)行應(yīng)用。

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