精神分裂癥患者腦電信號非線性動力學特征的研究

黃瑛，孫喜蓉，金瑩，龔恒芬

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精神分裂癥患者腦電信號非線性動力學特征的研究

黃瑛，孫喜蓉，金瑩，龔恒芬

目的：探討精神分裂癥患者腦電信號特征非線性動力學的特點。方法：40例精神分裂癥患者(病例組)利培酮治療3個月；入組時、治療1個月及3個月后分別給予腦電信號采集，計算非線性動力學特征關聯(lián)維數(shù)(D2)、柯爾莫戈洛夫熵(K2)和Lempel-Ziv (LZ)復雜度，并與40名正常對照者(對照組)比較。結果：除個別導聯(lián)外，病例組入組時及治療1個月后，各導聯(lián)電極的D2、K2與對照組相比顯著較高，LZ復雜度顯著降低(P均<0.05)；治療3個月后，除個別導聯(lián)外其他各導聯(lián)電極上D2、K2與治療前相比顯著降低，LZ復雜度顯著上升(P均<0.05)，且均與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義。結論：精神分裂癥患者腦電信號活動異常，治療一定時間后其信號活動逐漸趨于正常。

精神分裂癥； 腦電信號； 非線性動力學

精神分裂癥是常發(fā)生于青壯年人群的一種重型精神疾病，盡早確診并進行藥物治療對于患者康復并重返社會具有重要意義。腦電信號分析是我國目前精神疾病主要的檢測手段之一；在傳統(tǒng)時頻分析基礎上，近年來運用非線性動力學方法研究精神分裂癥患者腦電信號，并受到領域內廣泛關注[1-5]。其中較經典的3個非線性動力學特征包括：關聯(lián)維數(shù)(D2)、柯爾莫戈洛夫熵(K2)和Lempel-Ziv (LZ)復雜度。D2適用于實驗中與其他非線性特征共同使用進行參考，受到廣泛認可，但是這種算法對參數(shù)依賴程度高，計算過程耗時長。K2是非線性動力學中計算系統(tǒng)不規(guī)則程度熵的算法之一，近年來在精神分裂癥研究中受到關注[2]。LZ復雜度是復雜度范疇中的代表算法，適合用于分析同時具有非線性和非平穩(wěn)特征的時間序列的復雜度[6]。本研究對精神分裂癥患者腦電信號的D2、K2和LZ復雜度進行分析，并與正常人進行對比。現(xiàn)將結果報告如下。

1 對象和方法

1.1 對象 病例組：為2015年1～12月于我院門診確診并接受住院治療的精神分裂癥患者40例，均符合《國際疾病分類》第10版(ICD-10)輕、中度精神分裂癥的診斷標準，陽性及陰性癥狀量表總分(112±15)分；其中男22例，女18例；年齡19～45歲，平均(31.0±5.8)歲；病程8～16個月，平均(11.2±4.1)個月。根據中國人左右利手標準量表[7]選擇的入組者均為右利手，近1個月內未使用過影響認知功能的藥物，無聽力障礙；排除器質性、軀體疾病及精神活性物質所致精神障礙、器質性腦病史及目前有感染癥狀。

對照組：為同時選取的健康志愿者40名，男26名，女14名；年齡20～44歲，平均(29±6.9)歲。納入者均為右利手，智力正常；無器質性腦病及頭部外傷史，本人及其一級親屬中無精神疾病史；排除酒精依賴和藥物依賴；近期無遭遇重大生活事件，近1個月內無服藥史，目前無感染癥狀。

兩組間性別、年齡差異無統(tǒng)計學意義。所有入組者本人或法定監(jiān)護人對本研究知情同意并簽署知情同意書。

1.2 方法 入組后，給予病例組患者利培酮單藥治療，起始劑量為1 mg/d，1周內加量至2～4 mg/d，第2周內可逐漸加量至4～6 mg/d，此后根據個人情況維持或調整。

使用KT88-2400數(shù)字腦電信號采集儀(使用儀器及配套電極、電極膏均由秦皇島市康泰醫(yī)學系統(tǒng)有限公司生產，24導，型號KT88-2400)在兩組入組時及病例組治療后第1、3個月末進行腦電信號采集(包括患者精確的測量腦電波周期、波幅、頻率)。按照儀器使用說明書進行操作，采樣頻率設為200 Hz，使用10/20腦電記錄國際標準系統(tǒng)進行16導聯(lián)腦電信號記錄，以左右耳垂作為無關參考電極。采集時，外界環(huán)境保持安靜，研究對象保持靜止。非線性動力學特征提取使用濾波器對采集到的腦前置濾波電路去噪后，初步識別噪聲較大波形并予以排除，對進行了數(shù)據合理性檢查的數(shù)據段進行2～35 Hz的帶通濾波，再次運用小波變換方法去除噪聲，從而獲得純凈信號。根據操作指南，每個研究對象采集時間為1 min，隨機截取其中25 s的有效數(shù)據，使用Matlab軟件進行D2、K2和LZ復雜度計算[8]。D2是描述混沌自由度信息的參數(shù)，反映了動力學過程的復雜性；K2是描述信號復雜性和規(guī)律性的方法，它通過對以前數(shù)值的了解，來量化未來數(shù)值可預測性；LZ復雜度表明用計算機語言描述腦電信號的長度；所用計算機語言越長，其復雜度越高。

使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件；正態(tài)分布的計量資料組間的比較采用t檢驗和配對t檢驗。

2 結果

2.1 兩組腦電信號D2比較 除頂枕部外，其他各導聯(lián)病例組入組時及治療1個月與對照組相比D2顯著較高，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)；病例組治療3個月末與入組時相比D2顯著下降，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)，且與對照組相比差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。見表1。

2.2 兩組腦電信號K2比較 除右前額和右枕部外，其他各導聯(lián)病例組入組時及治療1個月末與對照組相比K2顯著較高，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)；病例組治療3個月末與入組時相比K2顯著下降，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)，且與對照組相比差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。見表2。

2.3 兩組腦電信號LZ復雜度比較 各導聯(lián)病例組入組時及治療1個月末與對照組相比LZ復雜度顯著降低，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)；病例組治療3個月末與入組時相比復雜度顯著上升，差異有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)；且與對照組相比差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)。見表3。

表1 兩組腦電信號D2比較

注：與入組時比較，*P<0.05;與對照組比較，△P<0.05

表2 兩組腦電信號K2比較

注：與入組前比較，*P<0.05;與對照組比較，△P<0.05

表3 兩組腦電信號LZ復雜度比較

注：與入組前比較，*P<0.05;與對照組相比，△P<0.05

3 討論

精神分裂癥是臨床上的一種重型精神疾病，盡早確診并在早期迅速開展治療能夠極大程度減輕患者痛苦，并改善患者生活質量。以往臨床上對于此類患者的確診，往往通過臨床表現(xiàn)或相關量表進行判斷，受患者主觀影響較大。此外，此類疾病還具有隱匿性，某些患者并未表現(xiàn)出明顯的臨床癥狀及體征，有可能造成漏診，影響對疾病的早發(fā)現(xiàn)和早治療。近年來，隨著非線性動力學方法在醫(yī)學領域的廣泛應用，通過研究精神分裂癥患者腦電信號以輔助確診，也越來越受到醫(yī)學界的關注。

本研究采用了較經典的3個非線性動力學特征——D2、K2和LZ復雜度對精神分裂癥患者治療前后變化進行了研究，結果顯示，除個別導聯(lián)外，在各導聯(lián)電極上病例組入組時及治療1個月后，其D2、K2與對照組相比均顯著增高，LZ復雜度顯著降低(P均< 0.05)。經過3個月治療后，與入組時相比，除個別導聯(lián)外其他各導聯(lián)電極上D2、K2顯著降低，LZ復雜度顯著上升(P均<0.05)，且與對照組差異無統(tǒng)計學意義。由于單純型精神分裂癥的癥狀是由于大腦皮質及皮質下結構的異常引起，而腦電信號能夠較為準確反映大腦生物電活動的變化，認識并監(jiān)測疾病的進展。此類患者腦電圖的改變在大腦額部廣泛存在，然后是顳部、中央區(qū)及枕部[9]。腦電波表現(xiàn)為患者額葉活動度低下，代謝功能減低，表現(xiàn)為D2、K2與正常者相比均顯著較高，LZ復雜度顯著較低。由于藥物治療此類疾病短期內效果尚不明顯，故治療1個月時，這些指標的改變并不明顯，即無法糾正患者病情，D2和K2仍較低，LZ復雜度仍較高。當治療3個月后，患者D2、K2和LZ復雜度均趨于正常，即D2和K2上升，LZ復雜度下降，可能是因為利培酮具有改善患者認知和語言的作用[10]。

此外，以往多數(shù)研究[11-13]表明，非線性動力學分析方法能夠較好的區(qū)分精神分裂癥患者和正常人的腦電信號；本研究進一步驗證了其可行性，這對于將非線性方法應用于臨床診斷和療效檢測提供了基礎。但其計算過程中二值粗?；嬖谛畔p失的可能性[14]，因此將其應用于精神分裂癥腦電信號處理中避免非線性復雜度分析中的信息損失仍需進一步研究。

綜上所述，精神分裂患者腦電信號活動異常，治療一定時間后其信號活動逐漸趨于正常。采用非線性動力學分析方法有助于區(qū)分精神分裂癥患者和正常人的腦電信號，可能有助于精神分裂癥的臨床診斷和檢測治療效果。

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Thecharicteristicsofnonlineardynamicofbrainelectricalsignalinpatientswithschizophrenia

HUANGYing,SUNXi-rong,JINYing,GONGHeng-fen.

ShanghaiPudongMentalHealthCenter,Shanghai200124,China

Objective：To explore the charicteristics of nonlinear dynamic of brain electrical signal in patients with schizophrenia.Method：Forty patients with schizophrenia were selected as the case group,and another forty healthy people as the control group.All the patient were treated with risperidone for 3 months.Their brain electrical signals were collected before and at the 1st and 3rd month after the treatment.The correlation dimension (D2) of nonlinear dynamic characteristics,Kolmogorov entropy (K2) and Lempel-Ziv complexity (LZ complexity) were calulated and compared with the control group.Results：Excepting for some electrodes,D2 and K2 of the other lead electrodes in the case group were significantly higher than in the control group,while the LZ complexity was significantly lower than the control group,before and at the 1st month after the treatment(allP<0.05).At the 3rd month after the treatment,excepting for some electrodes,D2 and K2 of the other lead electrodes in the case group were significantly lower，and the LZ complexity increased than before(allP<0.05).And all the three indicates were not different from the control group.Conclusion：The characteristics of nonlinear dynamic in patients with schizophrenia are innormal,and can be changed to normal gradually after treatment.

schizophrenia; brain electrical signal; nonlinear dynamics

上海市浦東新區(qū)衛(wèi)生系統(tǒng)優(yōu)秀青年醫(yī)學人才培養(yǎng)計劃(PWRq2014-29)

200124 上海市浦東新區(qū)精神衛(wèi)生中心

黃瑛，E-Mail： huangjiels1980@163.com

R749.3

: A

: 1005-3220(2017)04-0253-04

2016-09-06

2017-03-23)