腦電波中腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)在不同特征人群中的分布特點(diǎn)研究

吳一兵

腦電圖檢查是一種無創(chuàng)、安全的檢查手段，可作為多種疾病的輔助檢查手段，如昏迷、腦腫瘤、癲癇、腦震蕩、腦血栓、腦炎等［1］。目前，腦電波信號(hào)采集技術(shù)已較為成熟，但對從腦電波中破譯、解碼出有價(jià)值的腦功能定量特征數(shù)據(jù)分析還處于初級(jí)階段。近年來國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知功能、疼痛、情緒等均可引起腦電波明顯改變，故腦電波可能成為反映認(rèn)知功能、疼痛程度、情緒狀態(tài)的臨床指標(biāo)［2-4］。筆者前期研究以小波算法為核心，從尺度窗口、復(fù)雜度及時(shí)域3個(gè)維度解析腦電波信號(hào)，測量大樣本量健康人群腦電波信號(hào)并提取大腦發(fā)育、焦慮、抑郁、疼痛，鎮(zhèn)靜、抑制、興奮、學(xué)習(xí)、記憶、老化等24項(xiàng)客觀定量特征指標(biāo)，并建立了常模值，實(shí)現(xiàn)了對認(rèn)知功能、腦能力、性格情緒、睡眠質(zhì)量、用腦習(xí)慣、身心壓力等方面客觀定量分析［5］。既往研究表明，腦耗能、腦混沌、困倦、腦惰性、警覺度、內(nèi)專注、外專注、腦抑制、腦內(nèi)斂、記憶加工、反應(yīng)速度、左右腦偏側(cè)等指數(shù)與大腦認(rèn)知功能密切相關(guān)［6-9］。 本研究擬使用小波算法從腦電波中提取腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)并建立常模值，旨在分析腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)在不同特征人群中的分布特點(diǎn)。

1 對象與方法

1.1 對象來源

1.1.1 建模對象 2013年6月—2018年5月，從學(xué)校、企業(yè)或機(jī)構(gòu)、社區(qū)、大型展會(huì)選取健康人20 806例，其中學(xué)校2 820例，企業(yè)或機(jī)構(gòu)12 745例，社區(qū)1 966例，大型展會(huì) 3 275例；年齡＜7歲238例，7～9歲553例，10～13歲1 167例，14～24歲 2 345例，25～39歲 6 686例，40～65歲 7 754例，66～80歲1 608例，＞80歲455例。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）伴有精神疾病、中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)疾病者；（2）長期服用阿片類藥物者；（3）伴有呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、代謝性疾病者；（4）不能配合本研究者。所有建模對象或監(jiān)護(hù)人同意參加并簽署知情同意書。

1.1.2 研究對象 2017年2—12月，選取北京市某重點(diǎn)大學(xué)學(xué)生517例（A組），腦病患兒118例（B組），自閉癥兒童30例〔C組，其中參加正常兒童教育15例（C1組）、參加特殊兒童教育15例（C2組）〕，語言障礙兒童65例（D組），北京市某醫(yī)院肝性腦病患者68例（E組），北京市某醫(yī)院確診的心臟病患者1 237（F組），北京市某醫(yī)院手術(shù)室全身麻醉患者94例（G組），北京市某醫(yī)院癌癥患者32例（H組）。分別從建模對象中選取年齡、性別相匹配的健康人作為對照-A組517例、對照-B組118例、對照-C組30例、對照-D組65例、對照-E組68例、對照-F組1 237例、對照-H組32例，另選取北京市某醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)病房（ICU）昏迷患者135例作為對照-G組。所有患者或家屬知情并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 腦電信號(hào)采集 采用HXD-I多功能組合式監(jiān)護(hù)儀采集所有受試者腦電波，具體如下：清潔受試者前額及耳后乳突皮膚，參照國際通用頭皮電極定位10/20系統(tǒng)法，將無創(chuàng)腦電電極分別置于前額雙眉中心點(diǎn)上方約2 cm（FZ）、雙側(cè)眉弓上方（左側(cè)FP1，右側(cè)FP2），參考電極置于雙側(cè)乳突位（左側(cè)C1，右側(cè)C2）；連續(xù)記錄6 min腦電信號(hào)；然后采用北京易飛華通科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的小波算法腦電分析軟件包1.0版處理采集到的腦電信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算反應(yīng)速度、記憶加工、警覺度、困倦、腦惰性、腦耗能、腦混沌、腦內(nèi)斂、腦排空、腦疲勞、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)源性焦慮、內(nèi)專注、外專注、左右腦偏側(cè)指數(shù)［5］。

1.2.2 常模值建立 收集建模對象的腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)，由于數(shù)據(jù)呈偏態(tài)分布，故采用百分等級(jí)常模，以90百分位數(shù)作為常模臨界值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以（x ±s）表示，多組間比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用q檢驗(yàn)；非正態(tài)分布的計(jì)量資料以M（QR）表示，兩組或多組間比較采用秩和檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同年齡段健康人群腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)分布趨勢 繪制不同年齡段健康人群腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)分布趨勢圖，結(jié)果顯示，隨著年齡增長，反應(yīng)速度、記憶加工、警覺度、腦抑制、外專注指數(shù)呈“反U字形”趨勢，腦惰性、腦耗能、腦混沌、腦疲勞、內(nèi)源性焦慮、內(nèi)專注指數(shù)呈“U字形”趨勢，困倦、腦穩(wěn)定指數(shù)呈先下降后上升趨勢，腦內(nèi)斂、腦排空、左右腦偏側(cè)指數(shù)呈緩慢上升趨勢，見圖1。

2.2 不同特征人群腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)比較

2.2.1 重點(diǎn)大學(xué)學(xué)生 A組記憶加工、腦內(nèi)斂指數(shù)高于對照-A組，腦惰性指數(shù)低于對照-A組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表1）。

2.2.2 腦病患兒 B組腦耗能、腦疲勞指數(shù)高于對照-B組，腦內(nèi)斂、腦抑制指數(shù)低于對照-B組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表2）。

表1 對照-A組和A組記憶加工、腦惰性、腦內(nèi)斂指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 1 Comparison working memory function index，cognitive efficiency index and selective attention index between control-A group and A group

表2 對照-B組和B組腦耗能、腦內(nèi)斂、腦疲勞、腦抑制指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 2 Comparison of mental metabolic workload index，selective attention index，mental fatigue index and mental inhibition index between control-B group and B group

2.2.3 自閉癥兒童 對照-C組、C1組、C2組腦耗能、腦混沌、腦疲勞、左右腦偏側(cè)指數(shù)比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；C1組和C2組腦耗能、腦混沌、腦疲勞指數(shù)高于對照-C組，C2組腦耗能、腦混沌、腦疲勞指數(shù)高于C1組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；C1組左右腦偏側(cè)指數(shù)高于對照-C組和C2組，C2組左右腦偏側(cè)指數(shù)低于對照-C組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表3）。

2.2.4 語言障礙兒童 D組腦惰性、腦排空、腦疲勞、外專注指數(shù)高于對照-D組，記憶加工、腦抑制指數(shù)低于對照-D組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表4）。

圖1 不同年齡段健康人群腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)分布趨勢Figure 1 Distribution trends of cognitive index of brain functional state in brain waves in healthy population with different age

2.2.5 肝性腦病患者 E組反應(yīng)速度、記憶加工、警覺度、腦惰性、腦耗能、腦內(nèi)斂、外專注指數(shù)低于對照-E組，困倦、腦排空、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)專注指數(shù)高于對照-E組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表5）。

2.2.6 心臟病患者 F組腦排空、內(nèi)專注、內(nèi)外專注和指數(shù)高于對照-F組，腦內(nèi)斂指數(shù)低于對照-F組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表6）。

表3 對照-C組、C1組、C2組腦耗能、腦混沌、腦疲勞、左右腦偏側(cè)指數(shù)比較（x± s）Table 3 Comparison of mental metabolic workload index，mental refractory period index，mental fatigue index，left/right brain utilization index in control-C group，C1 group and C2 group

表4 對照-D組和D組記憶加工、腦惰性、腦排空、腦疲勞、腦抑制、外專注指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 4 Comparison of working memory function index，cognitive efficiency index，implicit cognition index，mental fatigue index，mental inhibition index，situational awareness index between control-D group and D group

表6 對照-F組和F組腦內(nèi)斂、腦排空、內(nèi)專注、內(nèi)外專注和指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 6 Comparison of selective attention index，implicit cognition index，default mode activation index，default mode activation and situational awareness index between control-F group and F group

表5 對照-E組和E組反應(yīng)速度、記憶加工、警覺度、困倦、腦惰性、腦耗能、腦內(nèi)斂、腦排空、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)專注、外專注指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 5 Comparison of mental flexibility rate index，working memory function index，external apprehension index，mental somnolence index，cognitive efficiency index，mental metabolic workload index，selective attention index，implicit cognition index，mental resilience index，mental inhibition index，internal concentration index and external concentration index between control-E group and E group

表7 對照-G組和G組記憶加工、困倦、腦惰性、腦耗能、腦內(nèi)斂、腦排空、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)源性焦慮、內(nèi)專注指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 7 Comparison of working memory function index，mental somnolence index，cognitive efficiency index，mental metabolic workload index，selective attention index，implicit cognition index，mental resilience index，mental inhibition index，intrinsic anxiety and internal concentration index between control-G group and G group

2.2.7 全身麻醉患者 G組記憶加工、困倦、腦內(nèi)斂指數(shù)高于對照-G組，腦惰性、腦耗能、腦排空、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)源性焦慮、內(nèi)專注指數(shù)低于對照-G組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01，見表7）。

2.2.8 癌癥患者 H組腦惰性、外專注、左右腦偏側(cè)指數(shù)低于對照-H組，腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)專注指數(shù)高于對照-H組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，見表8）。

表8 對照-H組和H組腦惰性、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)專注、外專注、左右腦偏側(cè)指數(shù)比較〔M（QR）〕Table 8 Comparison of cognitive efficiency index，mental resilience index，mental inhibition index，default mode activation index，situational awareness index，left/right brain utilization index between control-G group and G group

3 討論

認(rèn)知是指個(gè)體認(rèn)識(shí)和理解事物的心理過程，包括感知、注意、學(xué)習(xí)和記憶、思維和語言等［10］。認(rèn)知障礙是指認(rèn)知功能中的一項(xiàng)或多項(xiàng)受損，可分為認(rèn)知功能衰退、認(rèn)知功能缺損或認(rèn)知?dú)埣?，其是一個(gè)長期發(fā)展的過程。既往研究結(jié)果顯示，認(rèn)知障礙后期特別是癡呆患者，經(jīng)治療雖能延緩認(rèn)知功能衰退進(jìn)程，但損傷多不能逆轉(zhuǎn)，故早期干預(yù)輕度認(rèn)知障礙具有重要意義［11］。神經(jīng)心理學(xué)量表、神經(jīng)影像學(xué)檢查是既往評估大腦認(rèn)知功能的常用手段［12］，但其存在操作時(shí)間較長、步驟復(fù)雜、易受受試者主觀理解能力影響等缺點(diǎn)，且大型檢查設(shè)備推廣普及難度較大。本研究通過小波算法提取腦電數(shù)據(jù)中與認(rèn)知功能相關(guān)的指標(biāo)，可快捷、客觀、定量、準(zhǔn)確測量大腦認(rèn)知功能。正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像（PET-CT）、功能性磁共振成像（fMRI）、腦磁圖（MEG）、腦電圖等多種先進(jìn)的大腦功能檢測手段發(fā)現(xiàn)，大腦前額葉與大腦認(rèn)知功能密切相關(guān)［12］。因此，本研究采用雙導(dǎo)腦電電極主要監(jiān)測來自前額葉的腦電信號(hào)，以客觀定量反映大腦認(rèn)知功能。

小波算法是一種時(shí)-頻域的分析方法，是將時(shí)域的一維信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間-振幅-頻率的三維空間，其基本方法是選擇滿足時(shí)域積分為零的函數(shù)作為基本小波（小波基），然后通過縮放、平移基本小波生成一函數(shù)族，該函數(shù)族可構(gòu)成函數(shù)空間的1個(gè)框架，將待分析的信號(hào)向該框架上投影可得到分解。原時(shí)間域上的信號(hào)在小波的變換域上得到一個(gè)表示，一些在原時(shí)間域上因混迭而不易觀察的信號(hào)特征可能會(huì)在變換域的某個(gè)尺度上明顯體現(xiàn)［13］。目前，國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)小波分析理論是分析、計(jì)算腦電波的合適算法，與常規(guī)腦電圖及傅里葉變換相比，小波算法能分析醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的絕大多數(shù)非穩(wěn)定信號(hào)，尤其是腦電信號(hào)，故能更多地反映大腦信息［13］。

本研究結(jié)果顯示，隨著年齡增長，反應(yīng)速度、記憶加工、警覺度、腦抑制、外專注指數(shù)呈“反U字形”趨勢，腦惰性、腦耗能、腦混沌、腦疲勞、內(nèi)源性焦慮、內(nèi)專注指數(shù)呈“U字形”趨勢，困倦、腦穩(wěn)定指數(shù)呈先下降后上升趨勢，腦內(nèi)斂、腦排空、左右腦偏側(cè)指數(shù)呈緩慢上升趨勢，提示腦電波中腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)分布趨勢符合人體生命周期中的客觀變化規(guī)律。

本研究結(jié)果還顯示，A組記憶加工、腦內(nèi)斂指數(shù)高于對照-A組，腦惰性指數(shù)低于對照-A組，提示重點(diǎn)大學(xué)學(xué)生大腦思維更加勤奮，記憶加工能力、大腦興奮的自我控制能力更強(qiáng)。B組腦耗能、腦疲勞指數(shù)高于對照-B組，腦內(nèi)斂、腦抑制指數(shù)低于對照B組；C1組和C2組腦耗能、腦混沌、腦疲勞指數(shù)高于對照-C組，C2組腦耗能、腦混沌、腦疲勞指數(shù)高于C1組；C1組左右腦偏側(cè)指數(shù)高于對照-C組和C2組，C2組左右腦偏側(cè)指數(shù)低于對照-C組；D組腦惰性、腦排空、腦疲勞、外專注指數(shù)高于對照-D組，記憶加工、腦抑制指數(shù)低于對照-D組，提示癲癇、自閉癥及語言障礙等均可能影響兒童大腦認(rèn)知功能發(fā)育，表現(xiàn)為大腦思維效率、專注能力、記憶加工能力不同程度下降，且大腦易疲勞。E組反應(yīng)速度、記憶加工、警覺度、腦惰性、腦耗能、腦內(nèi)斂、外專注指數(shù)低于對照-E組，困倦、腦排空、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)專注指數(shù)高于對照-E組；F組腦排空、內(nèi)專注、內(nèi)外專注和指數(shù)高于對照-F組，腦內(nèi)斂指數(shù)低于對照-F組；H組腦惰性、外專注、左右腦偏側(cè)指數(shù)低于對照-H組，腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)專注指數(shù)高于對照-H組，提示肝性腦病、心臟病及癌癥均可能導(dǎo)致患者認(rèn)知功能損傷［14-16］。G組記憶加工、困倦、腦內(nèi)斂指數(shù)高于對照-G組，腦惰性、腦耗能、腦排空、腦穩(wěn)定、腦抑制、內(nèi)源性焦慮、內(nèi)專注指數(shù)低于對照-G組，究其原因可能與麻醉藥引起腦血流減少、腦代謝降低有關(guān)。

綜上所述，腦電波中腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)較符合人體生命周期中的客觀變化規(guī)律，且在不同特征人群中呈特異性變化。因此，未來腦功能狀態(tài)認(rèn)知指數(shù)有望能定量、客觀地指導(dǎo)醫(yī)生和個(gè)人精準(zhǔn)化管理大腦狀態(tài)，幫助不同年齡段人群掌握大腦的健康和效率狀態(tài)。