陳爽爽 周衛(wèi)東 袁 琦 袁莎莎 栗學(xué)麗
(山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250100)
癲癇是一種腦部疾患,以腦部神經(jīng)元反復(fù)突然過(guò)度放電所致的間歇性中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失調(diào)為特征。長(zhǎng)程腦電(EEG)檢查是臨床上常用的癲癇檢查手段,對(duì)癲癇腦電圖的分析有助于醫(yī)生發(fā)現(xiàn)病人的病灶并進(jìn)行相應(yīng)的治療,該工作目前主要由醫(yī)療工作者根據(jù)腦電圖通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)來(lái)完成。但人工觀察和檢測(cè)長(zhǎng)程EEG 是一項(xiàng)復(fù)雜而又耗時(shí)的工作,且往往要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)做出判斷。因此,腦電圖的自動(dòng)檢測(cè)與分類就越發(fā)顯得迫切與重要[1]。
自20 世紀(jì)60 年代起,自動(dòng)癲癇檢測(cè)技術(shù)就受到了廣泛的關(guān)注和研究,這一領(lǐng)域的眾多學(xué)者提出了多種自動(dòng)檢測(cè)的方法[1-2]。由于癲癇發(fā)作時(shí),大腦會(huì)產(chǎn)生尖波、棘波、慢波、尖慢綜合波、棘慢綜合波等多種形式的波形,且癲癇發(fā)作期波形變化比間歇期劇烈,眾多學(xué)者利用腦電波的時(shí)頻特性來(lái)進(jìn)行特征提取,通過(guò)模擬醫(yī)務(wù)工作者視覺(jué)評(píng)判的過(guò)程,達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)癲癇發(fā)作的目的[3]。EEG 波形的時(shí)頻特性主要包括:1)相對(duì)能量[1],指信號(hào)經(jīng)小波分層后某層的能量和所有層的能量和之比;2)擬態(tài)法的特征[4],提取波形的部分參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,此種方法應(yīng)用的較為廣泛;3)模板匹配[5],提前選取典型癲癇腦電波形作為模板,將檢出的波形與癲癇腦電模板進(jìn)行匹配識(shí)別。無(wú)論采用何種方法,通常要求棘波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)有較高的正確率,較低的漏檢率和誤檢率。
與皮層腦電不同,顱內(nèi)腦電包含較少的干擾,但是卻包含了種類較多、頻率較高的癲癇樣放電成分,這給癲癇自動(dòng)檢測(cè)增加了難度[6]。本研究提出一種采用多特征的顱內(nèi)EEG 癲癇檢測(cè)方法。依靠發(fā)作期EEG 多個(gè)特征的統(tǒng)計(jì)概率,通過(guò)貝葉斯概率公式計(jì)算得出患者癲癇發(fā)作的可能性,再通過(guò)設(shè)定閾值的方法,達(dá)到一個(gè)較為滿意的靈敏度和誤檢率。在癲癇檢測(cè)的過(guò)程中,采用微分方差、相對(duì)能量、波動(dòng)指數(shù)多種特征相結(jié)合,從而提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。
實(shí)驗(yàn)所使用數(shù)據(jù)來(lái)自德國(guó)Freiburg 醫(yī)學(xué)院癲癇研究中心,均為對(duì)難治愈型癲癇患者在術(shù)前監(jiān)護(hù)中采集到的顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)由21 例癲癇患者的6 個(gè)導(dǎo)聯(lián)腦電數(shù)據(jù)組成,且每一位患者均有3 個(gè)導(dǎo)聯(lián)處于發(fā)作病灶區(qū),3 個(gè)導(dǎo)聯(lián)處于非病灶區(qū)。共87 次癲癇發(fā)作,持續(xù)509 h 的發(fā)作間期以及持續(xù)73 h 的發(fā)作前期。每一位患者的腦電記錄中至少包括50 min 的發(fā)作前期的數(shù)據(jù)及10 h 以上發(fā)作間期的數(shù)據(jù)。腦電數(shù)據(jù)由Neurofile NT 數(shù)字視頻腦電監(jiān)護(hù)儀記錄,采樣頻率為256 Hz,16 位A/D 轉(zhuǎn)換器,且用0.5 ~120 Hz 的帶通濾波器對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理。
首先對(duì)長(zhǎng)程腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)分段,每段4 s,共計(jì)1 024 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后,利用Daubechies-4 小波進(jìn)行5 層的小波離散變換。經(jīng)研究表明,癲癇EEG經(jīng)常發(fā)生在3 ~30 Hz 范圍內(nèi)[8],也就是腦電信號(hào)的θ 頻段、α 頻段和β 頻段,所以本次實(shí)驗(yàn)中,僅在這3個(gè)頻段即第3 ~第5 層上進(jìn)行特征的提取。
數(shù)據(jù)進(jìn)行分層后,對(duì)每段各層的數(shù)據(jù)進(jìn)行半波處理,目的是去除疊加在腦電信號(hào)上的小振幅快波。根據(jù)Gotman 提出的半波處理的方法[2-3],首先對(duì)預(yù)處理后的EEG 數(shù)據(jù)根據(jù)振幅極值趨勢(shì)進(jìn)行分段處理;然后,對(duì)重新分段的數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行重組,組成半波。
對(duì)預(yù)處理過(guò)后的腦電信號(hào)進(jìn)行特征提取。根據(jù)癲癇發(fā)作時(shí)EEG 時(shí)頻域的變化,提取微分方差、相對(duì)能量和波動(dòng)指數(shù)來(lái)量化腦電信號(hào)的特征。
微分代表參數(shù)變化率,利用微分的這種特性,來(lái)判別癲癇波和背景波。由于癲癇波與背景波空間上的相近性,自動(dòng)癲癇檢測(cè)時(shí)需要將兩者分離開。而窗口方差就是一種簡(jiǎn)單但是有效的分離癲癇波和背景波的方法[7]。微分算子放大了癲癇波并且抑制了背景波,使得利用窗口方差檢測(cè)癲癇更加有效。
首先,對(duì)一段腦電信號(hào)S(t)進(jìn)行微分并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理
式中,D'表示微分算子;a 表示標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù),實(shí)驗(yàn)中,采用a =100 000。然后對(duì)所得到的標(biāo)準(zhǔn)化后的微分Y(t)取方差,即得到微分方差
相對(duì)能量指的是信號(hào)經(jīng)小波分層后某層的能量和所有層的能量和的比[1]。也就是說(shuō),指定層的相對(duì)能量本質(zhì)上是指該層所包含能量與總能量的比值。預(yù)處理后第l 層的能量為
式中,n 代表預(yù)處理后每段數(shù)據(jù)的數(shù)量,l 代表小波層的位置,Δt 代表時(shí)間間隔。第l 層的相對(duì)能量er(l)可以表示為
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的臨床觀察,癲癇發(fā)作時(shí)腦電信號(hào)的波動(dòng)會(huì)比未發(fā)作的間歇期劇烈,因此選擇波動(dòng)指數(shù)來(lái)衡量信號(hào)的變化強(qiáng)度[9-10]。波動(dòng)指數(shù)可以表示為
式中,ai為第n 段腦電數(shù)據(jù)小波變換后第i 層的幅度,M 為信號(hào)的長(zhǎng)度。
實(shí)驗(yàn)表明,癲癇發(fā)作期的波動(dòng)指數(shù)通常比未發(fā)作的間歇期大,為此使用相對(duì)波動(dòng)指數(shù)來(lái)衡量腦電信號(hào)相對(duì)于背景的變化強(qiáng)度,其定義為當(dāng)前被分析的腦電序列的波動(dòng)指數(shù)與其背景的波動(dòng)指數(shù)之比。背景定義為比當(dāng)前段EEG 早60 s 的一段長(zhǎng)達(dá)120 s的腦電信號(hào)[6]。因?yàn)榘d癇發(fā)作是一個(gè)逐漸變化的過(guò)程,選取120 s 是為了保證對(duì)波動(dòng)指數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的估計(jì)。
貝葉斯公式用來(lái)描述兩個(gè)條件概率之間的關(guān)系。針對(duì)癲癇檢測(cè)問(wèn)題,貝葉斯公式可描述為
式(6)和式(7)分別為癲癇發(fā)作期和間歇期的貝葉斯公式。公式中的各項(xiàng)可以表述為:
1)P(seiz | feat)為某特征下癲癇發(fā)作的概率;P(nonseiz | feat)為某特征下無(wú)癲癇發(fā)作的概率。
2)P(feat | seiz)為癲癇發(fā)作狀態(tài)下某特征出現(xiàn)的概率;P(feat | nonseiz)為癲癇未發(fā)作狀態(tài)下某特征出現(xiàn)的概率。
3)P(feat)為癲癇發(fā)作和未發(fā)作狀態(tài)下,某特征出現(xiàn)的概率。
4)P(seiz)為癲癇發(fā)作概率;P(nonseiz)為癲癇未發(fā)作概率。
這些參數(shù)中,后三項(xiàng)均基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出。癲癇檢測(cè)時(shí),計(jì)算P(seiz | feat)得到判斷癲癇發(fā)作與否的概率。在本次實(shí)驗(yàn)中,利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到的先驗(yàn)概率和條件概率來(lái)?yè)Q算出檢測(cè)癲癇發(fā)作的后驗(yàn)概率,并以此作為癲癇是否發(fā)作的指示。
預(yù)處理后的EEG 數(shù)據(jù)首先被分解成為發(fā)作和未發(fā)作兩部分從而分別存儲(chǔ)。將每段腦電信號(hào)(4 s)進(jìn)行5 層小波分解后計(jì)算第3 層、4 層和5 層分量的微分方差、相對(duì)能量和波動(dòng)指數(shù)特征,然后將這些特征數(shù)據(jù)按照數(shù)目均分成5 部分,進(jìn)行排列組合,從而可以得到125 種特征組合。用某一組合所包含的數(shù)據(jù)段數(shù)除以發(fā)作期總數(shù)據(jù)段數(shù),即可得到癲癇發(fā)作時(shí)該組合特征的概率P(feat|seiz)。同理,用某一組合所包含的數(shù)據(jù)段數(shù)除以無(wú)癲癇發(fā)作的總數(shù)據(jù)段數(shù),即可得到無(wú)癲癇發(fā)作時(shí)該組合特征的概率P(feat|nonseiz)。
在單導(dǎo)聯(lián)中,將第i 層的P(feat|seiz)標(biāo)記為P(SEIZ_i),將該導(dǎo)聯(lián)腦電信號(hào)小波分解后第3 層、4 層和5 層分量的PSEIZ_i相加,得到該導(dǎo)聯(lián)某特征發(fā)生的概率和PSEIZ_CHAN;然后將該段腦電各個(gè)導(dǎo)聯(lián)特征發(fā)生的概率相加得到PSEIZ_EPCH。采用多種特征相結(jié)合,是為了增加癲癇發(fā)作檢測(cè)的準(zhǔn)確性。而采用多導(dǎo)聯(lián)多層概率疊加的方法是為了突出癲癇發(fā)作期的特征,從而使自動(dòng)檢測(cè)更加準(zhǔn)確。同時(shí),注意這里的PSEIZ_EPCH已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的概率,而是一種由概率求出來(lái)的和值。在計(jì)算過(guò)程中,貝葉斯公式所要用到的P(feat)可由下式得到:
設(shè)定一個(gè)可調(diào)的閾值PTH,當(dāng)PSEIZ_EPCH大于此閾值,表明出現(xiàn)癲癇發(fā)作的可能性較大。通過(guò)調(diào)節(jié)PTH閾值,既可調(diào)節(jié)癲癇檢測(cè)的靈敏度、特異性和誤檢率。
貝葉斯分類器的輸出因存在干擾,并不是一個(gè)漸變的過(guò)程。因此,在進(jìn)行判別前,對(duì)分類器得出的概率進(jìn)行平滑處理。使用移動(dòng)平滑濾波器(MAF),它的實(shí)現(xiàn)方式為
式中,x 表示平滑濾波器的輸入變量;y 表示平滑濾波器的輸出變量;2N +1 表示平滑濾波器的長(zhǎng)度,也就是進(jìn)行移動(dòng)平均的數(shù)目。
經(jīng)過(guò)對(duì)PSEIZ_EPCH平滑濾波,一些偶發(fā)的較短時(shí)間的干擾得以消除。若平滑后的PSEIZ_EPCH大于閾值PTH,則將該段判定為癲癇發(fā)作。反之若小于該閾值,則將該段判為間歇期腦電。閾值PTH可由一經(jīng)驗(yàn)公式確定:
PTH=訓(xùn)練數(shù)據(jù)的分類器輸出均值-調(diào)節(jié)系數(shù)×分類器輸出的方差 (10)調(diào)節(jié)系數(shù)在0 和1 之間,實(shí)驗(yàn)中取為0.25。
將所提出的方法應(yīng)用到臨床長(zhǎng)程腦電的癲癇波的檢測(cè)中,實(shí)驗(yàn)在AMD Athlon processor 2.71 GHz、1.00 GB 內(nèi) 存 計(jì) 算 機(jī) 上 進(jìn) 行,使 用 Matlab R2011a 軟件進(jìn)行編程。實(shí)驗(yàn)中,將腦電數(shù)據(jù)按時(shí)間進(jìn)行連續(xù)分段,每段1 024點(diǎn),并隨機(jī)分成兩組,一組用來(lái)訓(xùn)練,一組用來(lái)測(cè)試。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括:254 段癲癇發(fā)作腦電和5 400段間歇期腦電。測(cè)試數(shù)據(jù)包括:1 803 段癲癇發(fā)作腦電和55 304段間歇期腦電。首先將每段數(shù)據(jù)進(jìn)行5 層小波變換。然后,對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取,分別求取發(fā)作期和間歇期腦電的先驗(yàn)概率和條件概率,得到125 種特征組合的分布概率。測(cè)試時(shí),對(duì)分段后的測(cè)試數(shù)據(jù)提取特征,得到該段腦電癲癇發(fā)作的概率和,從而通過(guò)閾值判斷,判斷該段腦電是否含有癲癇波。
圖1 給出了所用微分方差、相對(duì)能量和波動(dòng)指數(shù)等3 種特征在癲癇發(fā)作期與間歇期的腦電特征值的對(duì)比圖,可以看出癲癇腦電的波動(dòng)指數(shù)、相對(duì)能量和微分方差要明顯高于間歇期腦電。圖中100 組特征數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,經(jīng)t 檢驗(yàn),3 種特征癲癇腦電和間歇期腦電之間均具有顯著性差異(P <0.001)。這些差異表明這3 種特征有助于區(qū)分癲癇腦電和間歇期腦電,可用于癲癇腦電的檢測(cè)。
圖1 癲癇腦電和間歇期腦電特征對(duì)比圖。(a)微分方差;(b)相對(duì)能量;(c)波動(dòng)指數(shù)。Fig. 1 Feature comparison of seizure and nonseizure EEG epochs. (a)Differential variance;(b)Relative energy;(c)Fluctuation index.
表1 癲癇腦電和間歇期腦電特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果(均值 ± 標(biāo)準(zhǔn))Tab.1 The statistical results of features of seizure and non-seizure EEG epochs (mean ± SD)
采用靈敏度(sensitivity)、特異性(specificity)和誤檢率(false detection rate)對(duì)提出的顱內(nèi)自動(dòng)癲癇檢測(cè)方法進(jìn)行評(píng)估。靈敏度定義為正確檢測(cè)的陽(yáng)性樣本占測(cè)試樣本集中陽(yáng)性樣本總數(shù)的比值;特異性定義為正確檢測(cè)的陰性樣本占測(cè)試樣本集中陰性樣本總數(shù)的比值;誤檢率為平均每小時(shí)的錯(cuò)誤檢測(cè)次數(shù)。癲癇腦電檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2,對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)可以達(dá)到靈敏度94.2 %,特異性為95.6 %,誤檢率1.16 次/h。
表2 顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)癲癇檢測(cè)結(jié)果Tab. 2 Results of epileptic seizure detection from intracranial EEG
目前,已有多種自動(dòng)檢測(cè)方法應(yīng)用于癲癇腦電檢測(cè)研究(見表3)。Khan and Gotman 提出了一種利用小波相對(duì)能量、方差函數(shù)和相對(duì)幅度作為特征的癲癇檢測(cè)方法[1]。該方法對(duì)來(lái)自11 位患者含有66 次癲癇發(fā)作的長(zhǎng)程腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),獲得了87%的靈敏度。Majumdar 等利用窗口微分方差方法檢測(cè)15 人59 h 癲癇腦電,所取得的癲癇檢測(cè)靈敏度為91.5%[7]。Chua 等提出的患者相關(guān)檢測(cè)方法對(duì)15 人63 次癲癇發(fā)作的檢測(cè)靈敏度為78%[11]。Raghunathan 等人的多級(jí)癲癇檢測(cè)方法對(duì)5 個(gè)患者24 次癲癇發(fā)作檢測(cè),所取得的靈敏度為87.5%。本方法對(duì)18 個(gè)患者66 次癲癇發(fā)作的長(zhǎng)程腦電數(shù)據(jù)檢測(cè)的靈敏度達(dá)到了94.2%,與上述結(jié)果相比,獲得了更高的檢測(cè)靈敏度。
表3 顱內(nèi)腦電癲癇檢測(cè)方法的結(jié)果比較Tab.3 Result comparison of different seizure detection methods with intracranial EEG
本檢測(cè)方法使用了3 種腦電特征:微分方差、相對(duì)能量和波動(dòng)指數(shù)。其中,微分方差特征有效地利用微分運(yùn)算處理腦電信號(hào),更加突出了癲癇腦電的特征波,使得發(fā)作期的癲癇波與不發(fā)作的背景波之間的差異更加明顯,然后通過(guò)計(jì)算方差得到兩類腦電信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征。當(dāng)癲癇發(fā)作時(shí),腦電信號(hào)呈現(xiàn)出高幅的節(jié)律波,并且其能量主要集中在有限頻帶內(nèi)。相對(duì)能量特征正是利用該現(xiàn)象,通過(guò)計(jì)算個(gè)別頻帶能量與總能量的比值來(lái)區(qū)別癲癇發(fā)作期與未發(fā)作的間歇期。此外,癲癇發(fā)作時(shí)腦電信號(hào)的波動(dòng)會(huì)比未發(fā)作的間歇期劇烈,而波動(dòng)指數(shù)直觀地描述了信號(hào)的變化強(qiáng)度。本研究通過(guò)計(jì)算相對(duì)于背景波的波動(dòng)指數(shù),進(jìn)一步突出了癲癇波的波動(dòng)特性,有利于對(duì)癲癇發(fā)作的檢測(cè)。聯(lián)合微分方差、相對(duì)能量和波動(dòng)指數(shù)這3 種特征,通過(guò)貝葉斯公式計(jì)算待檢腦電信號(hào)為癲癇波的概率,實(shí)現(xiàn)癲癇檢測(cè),獲得了94.2%的檢測(cè)靈敏度。
檢測(cè)方法所選用的3 種腦電特征均為線性特征,具有運(yùn)算復(fù)雜度低的特點(diǎn),有利于癲癇腦電的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。
本研究所設(shè)計(jì)的分類器可直接用于新的腦電數(shù)據(jù)的檢測(cè)。如果靈敏度偏低,則需對(duì)部分新數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)發(fā)作期和間歇期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),求得癲癇腦電的先驗(yàn)概率和條件概率,然后對(duì)其余數(shù)據(jù)進(jìn)行分類檢測(cè)。
本研究探討了利用多特征對(duì)癲癇腦電信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的方法。通過(guò)對(duì)癲癇患者的長(zhǎng)程顱內(nèi)腦電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估,結(jié)果說(shuō)明了本研究所選微分方差、相對(duì)能量和波動(dòng)指數(shù)特征可以較好地描述癲癇發(fā)作,區(qū)分發(fā)作期和間歇期的腦電信號(hào),實(shí)現(xiàn)癲癇自動(dòng)檢測(cè)。多特征聯(lián)合提高了癲癇檢測(cè)的性能。貝葉斯分類器結(jié)合可以調(diào)節(jié)的閾值,使得檢測(cè)結(jié)果具有較高的靈敏度和較低的誤檢率。所提出的癲癇波自動(dòng)檢測(cè)的方法具有較好的臨床應(yīng)用潛力,值得進(jìn)一步研究和探討。
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