張學(xué)星，劉軍濤，黨衛(wèi)民，高連勝，岳偉華，蔡新霞

（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北方基地），北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049；3.北京大學(xué)第六醫(yī)院北京大學(xué)精神衛(wèi)生研究所國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)精神衛(wèi)生學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)）國(guó)家精神心理疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心（北京大學(xué)第六醫(yī)院），北京 100191）

精神障礙是一類(lèi)常見(jiàn)的疾病，該類(lèi)疾病發(fā)病率高、復(fù)發(fā)率高、致殘率高，因此被認(rèn)為是21 世紀(jì)影響人類(lèi)健康的重要疾病之一，而精神障礙疾病的治療也愈加重要[1-2]。無(wú)抽搐電休克治療作為一種成熟的物理治療方法，起效迅速、療效顯著，因此被廣泛用于各種精神障礙疾病的臨床治療，如精神分裂癥、抑郁障礙和雙相障礙等[3]。

在臨床上MECT 治療的實(shí)施過(guò)程中，首先根據(jù)患者的具體情況給予適量的麻醉劑及肌肉松弛劑，然后通過(guò)電刺激在患者的大腦皮層人工誘發(fā)癲癇樣放電實(shí)現(xiàn)治療[4]。多數(shù)研究表明，MECT 引起的癲癇發(fā)作持續(xù)時(shí)間與治療效果密切相關(guān)，充分的發(fā)作應(yīng)持續(xù)至少25 s[5]才能夠?qū)崿F(xiàn)患者病情的有效改善，然而目前尚無(wú)有效的量化指標(biāo)來(lái)衡量MECT 的治療效果。文獻(xiàn)[6]提出額葉皮層腦電信號(hào)樣本熵可以用于評(píng)估抑郁癥的嚴(yán)重程度，樣本熵較大的患者往往病情更加嚴(yán)重，但目前的研究只關(guān)注全頻帶腦電信號(hào)的復(fù)雜度與精神障礙患者病情的關(guān)系，而缺乏對(duì)不同頻帶內(nèi)腦電信號(hào)復(fù)雜度的詳細(xì)研究。

該研究利用離散小波變換和樣本熵對(duì)臨床精神障礙患者M(jìn)ECT 治療中單通道頭皮腦電記錄進(jìn)行分析，分別計(jì)算精神障礙患者M(jìn)ECT 誘導(dǎo)充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)不同頻段的樣本熵，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、分析和討論，試圖為MECT 治療精神障礙疾病的療效評(píng)估和機(jī)制解釋提供一種新的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 研究對(duì)象

該研究的研究對(duì)象為來(lái)自北京大學(xué)第六醫(yī)院的部分住院接受MECT 治療的精神障礙患者，相應(yīng)研究通過(guò)了倫理審核，倫理審核編號(hào)為（2019）倫審第（42）號(hào)。所有患者根據(jù)國(guó)際疾病分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)第十版（ICD-10）診斷標(biāo)準(zhǔn)診斷為精神分裂癥、抑郁障礙和雙相障礙，而且臨床治療方案是藥物聯(lián)合MECT 治療、未見(jiàn)MECT 和麻醉禁忌癥。在該研究中，共收集了10 例精神障礙患者，其中精神分裂癥3 例、抑郁障礙5 例、雙相障礙2 例。在這10 例患者中男性4 人，女性6 人，平均年齡40.3±19.1 歲。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

該研究使用美國(guó)MECTA公司生產(chǎn)的SPECTRUM 5000Q 治療儀對(duì)精神障礙患者進(jìn)行MECT 治療，同時(shí)利用內(nèi)置的記錄系統(tǒng)以140 Hz 的采樣頻率采集患者額葉位點(diǎn)FPz 處的腦電信號(hào)，腦電信號(hào)采集電極按照國(guó)際10-20 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)放置，在數(shù)據(jù)采集中，選擇患者左側(cè)乳突作為參考。由精神科MECT 治療醫(yī)生判斷確定人工癲癇充分發(fā)作與非充分發(fā)作，采集10 個(gè)患者每個(gè)治療療程中的腦電信號(hào)，為了便于對(duì)比，選擇充分發(fā)作達(dá)到臨床治療要求的數(shù)據(jù)50 組，以及非充分發(fā)作的腦電數(shù)據(jù)50 組，利用Python 對(duì)所選擇的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 腦電數(shù)據(jù)分析

2.1 分析方法流程

由于腦電信號(hào)采集過(guò)程中存在工頻干擾等噪聲，首先對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行0.5 Hz 高頻濾波和50 Hz 凹陷濾波，并進(jìn)行128 Hz 降采樣。然后以db4 小波作為母小波，對(duì)預(yù)處理后的腦電信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，將原始信號(hào)分解到不同的頻段，針對(duì)各子帶小波系數(shù)計(jì)算樣本熵，以研究腦電信號(hào)各頻段信號(hào)的復(fù)雜度。分析方法的流程圖如圖1 所示。

圖1 分析方法流程圖

2.2 離散小波變換

小波變換通過(guò)使用可變尺寸的窗口實(shí)現(xiàn)更加靈活的時(shí)頻分析，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的分析和處理[7-8]。在小波變換中，使用長(zhǎng)時(shí)間窗可以獲得更好的低頻分辨率，而使用短時(shí)間窗可以獲得更好的高頻分辨率，適用于非平穩(wěn)信號(hào)的分析[9]。

對(duì)于所給定的信號(hào)x(t)，其連續(xù)小波變換（Continue Wavelet Transform,CWT）定義為：

式中，a為伸縮參數(shù)；b為平移參數(shù)；ψa,b(t)為母小波函數(shù)。

與連續(xù)小波變換對(duì)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)取值不同，離散小波變換（Discrete Wavelet Transform,DWT）將參數(shù)a和b的取值離散化，從而使得小波分析的效率更高[10]。通過(guò)參數(shù)離散化取值處理，所給定信號(hào)x(t)的離散小波變換定義為：

式中，j∈Z，k∈Z。為了實(shí)現(xiàn)離散小波變換，Mallet 等人開(kāi)發(fā)了一種高效算法，該算法使用一系列由低通和高通濾波器組成的正交鏡像濾波器來(lái)分解腦電信號(hào)，獲得相應(yīng)的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)[11]。EEG信號(hào)四階小波分解如圖2 所示。

圖2 EEG信號(hào)四階小波分解

選擇合適的母小波函數(shù)和分解層數(shù)對(duì)信號(hào)的DWT 分析非常重要，由于Daubechies 小波在EEG 信號(hào)相關(guān)的分析得到了廣泛應(yīng)用[12]，取得了很好的效果。在該研究中，選用db4 小波作為母小波并選用4階分解階數(shù)，腦電信號(hào)的4 階小波分解如圖2 所示，經(jīng)過(guò)4 階小波分解后得到的各層小波系數(shù)對(duì)應(yīng)頻帶頻率的分別如表1 所示。

表1 小波系數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率分布

考慮到頭皮腦電信號(hào)中大部分有意義的信息位于分解級(jí)別D2、D3、D4 和A4，因此，該研究計(jì)算小波系數(shù)D2、D3、D4 和A4 的樣本熵來(lái)研究腦電信號(hào)各頻段的復(fù)雜度特征。

2.3 樣本熵分析

樣本熵是在近似熵的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)提出的概念，其通過(guò)測(cè)量信號(hào)中新模式的產(chǎn)生概率來(lái)衡量信號(hào)的復(fù)雜性[13]。信號(hào)的樣本熵值越大，在信號(hào)中產(chǎn)生新模式的概率就越大，信號(hào)的復(fù)雜度也就越大[14]。反之，信號(hào)則表現(xiàn)出更強(qiáng)的規(guī)律性和穩(wěn)定性。

設(shè)長(zhǎng)度為n的信號(hào)序列x(t),t=1,2,…,n，其樣本熵的計(jì)算原理為：

1）從信號(hào)序列中從前往后依次選取m個(gè)樣本點(diǎn)，這m個(gè)樣本點(diǎn)可以組成一個(gè)m維矢量如下：

2）設(shè)d[xm(i),xm(j)] 是xm(i),xm(j)間的最大距離，即：

3）將計(jì)算過(guò)程中的閾值設(shè)為r，統(tǒng)計(jì)中d[xm(i),xm(j)] 數(shù)值小于閾值r的數(shù)目，將該數(shù)目除以距離的總數(shù)目n-m，并記為：

將原維數(shù)的值增大1 變?yōu)閙+1，然后重復(fù)步驟1）-3）計(jì)算得到：

5）樣本熵的值為：

式中，SampEn()m,r,n的值與m，r和n的取值相關(guān)，一般m取值為m=1 或者m=2，r取r=0.1～0.3×std（std 代表數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差）[15-16]。該研究中取m=2,r=0.2×std。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 精神障礙患者不同頻段樣本熵均值對(duì)比分析

臨床上將MECT 治療后大腦皮層出現(xiàn)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)25 s 的癲癇樣放電稱(chēng)為充分發(fā)作，否則稱(chēng)為非充分發(fā)作，充分發(fā)作才能實(shí)現(xiàn)精神障礙疾病的有效治療。在該研究中，充分發(fā)作時(shí)的腦電波形、充分發(fā)作后的腦電波形、非充分發(fā)作時(shí)的腦電波形、非充分發(fā)作后的腦電波形分別如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖3 MECT治療期間腦電信號(hào)

該研究針對(duì)10 位精神障礙患者M(jìn)ECT 誘導(dǎo)充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。首先對(duì)10 位患者的腦電信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，針對(duì)所得到的小波系數(shù)計(jì)算樣本熵，然后計(jì)算這10 位患者腦電信號(hào)不同小波系數(shù)樣本熵的平均值，得出充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后不同小波系數(shù)樣本熵的差異。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵差異最明顯，因此該文分別針對(duì)小波系數(shù)A4、D4、D3 和D2 的樣本熵進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 小波系數(shù)A4、D4、D3和D2樣本熵平均值

3.2 精神障礙患者腦電各小波系數(shù)樣本熵值對(duì)比分析

通過(guò)分析圖4 可以看出，小波系數(shù)A4、D4 和D3的樣本熵存在明顯差異，該文進(jìn)一步對(duì)各位精神障礙患者腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖5 所示。分析圖5 中小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值與發(fā)作類(lèi)型的關(guān)系可知，精神障礙患者充分發(fā)作后的樣本熵值明顯小于非充分發(fā)作后。

圖5 精神障礙患者腦電小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵的比較

3.3 統(tǒng)計(jì)分析和假設(shè)檢驗(yàn)

對(duì)MECT 誘導(dǎo)精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電小波系數(shù)A4、D4和D3樣本熵的差異顯著性作統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)，以驗(yàn)證該算法的可行性和準(zhǔn)確性。利用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，配對(duì)樣本t檢驗(yàn)的零假設(shè)H0認(rèn)為，充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值的均值沒(méi)有顯著性差異，具體檢驗(yàn)步驟如下：

首先，計(jì)算每位精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值的差值，得到差值序列；然后，計(jì)算差值序列的均值，如果該均值與0 存在顯著性差異，則兩組腦電信號(hào)A4、D4 和D3 的樣本熵值存在顯著性差異，否則不存在顯著性差異。

分別將10 位精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)表2可以看出，精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4 樣本熵值均值之間的差值為0.134 50，差值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.082 51，t值為5.155，自由度為9，顯著性P 為0.001＜0.01，因此拒絕原假設(shè)H0，精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后腦電信號(hào)小波系數(shù)A4 樣本熵值具有顯著性差異，小波系數(shù)D4、D3 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)得到的結(jié)果與小波系數(shù)A4 的結(jié)果一致。表明精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電信號(hào)確實(shí)存在差異，這種差異可以通過(guò)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和分析。該結(jié)果說(shuō)明額區(qū)腦電信號(hào)的低頻小波樣本熵可以有效地區(qū)分精神障礙患者充分發(fā)作后和非充分發(fā)作后的腦電信號(hào)，從而為精神障礙患者M(jìn)ECT 治療的臨床療效評(píng)估診斷提供量化的可靠依據(jù)。

表2 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析結(jié)果

3.4 結(jié)果討論

臨床數(shù)據(jù)分析結(jié)果證明，精神障礙患者充分發(fā)作后的額葉皮層腦電信號(hào)小波分解后的小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值顯著小于非充分發(fā)作后。腦電信號(hào)樣本熵值越大，其變化就越復(fù)雜和不規(guī)律。額葉皮層的腦電活動(dòng)與神經(jīng)調(diào)節(jié)密切相關(guān)，精神障礙疾病會(huì)擾亂中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使得額葉皮層的腦電活動(dòng)變化更加復(fù)雜。充分發(fā)作后的腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 樣本熵值更小，表明其復(fù)雜度更小，說(shuō)明相比于非充分發(fā)作，充分發(fā)作后精神障礙患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，精神狀態(tài)得到了有效改善，證明額葉皮層腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3樣本熵可以作為衡量MECT 治療效果的指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該研究利用離散小波變換和樣本熵的方法對(duì)精神障礙患者M(jìn)ECT 治療期間的額葉皮層腦電信號(hào)進(jìn)行了計(jì)算、分析和討論，結(jié)果表明，接受MECT 的精神障礙患者經(jīng)誘導(dǎo)人工癲癇充分發(fā)作后的額葉皮層腦電信號(hào)小波系數(shù)A4、D4 和D3 的樣本熵值與非充分發(fā)作后存在明顯差異，充分發(fā)作后明顯小于非充分發(fā)作后。對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行分析，精神障礙患者額葉皮層腦電信號(hào)低頻段樣本熵值的減小，表明患者腦電信號(hào)變得更加規(guī)律，復(fù)雜度明顯下降，精神狀態(tài)得到改善，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者精神障礙疾病的治療。這也符合目前認(rèn)識(shí)的精神障礙治療機(jī)制，證明了這種方法的準(zhǔn)確性和有效性，為MECT 治療的療效評(píng)估和臨床規(guī)劃提供有效的物理量化指標(biāo)作為參考。