Диссертация (Система скрининговой ранней диагностики паркинсонизма на основе анализа параметров мониторинга сигналов многоканальных электроэнцефалограмм, электромиограмм и мышечного тремора), страница 11

Ось абсцисс – частота (Гц), осьординат – сумма амплитуд экстремумов (мкВ2/Гц), ∆f = 1 Гц, ∆t = 10 сек.На Рисунке 2.21 представлены интегральные гистограммы частотныхраспределений локальных максимумов для сигнала ЭЭГ (черная линия),сигнала ОЭМГ (зеленая линия) и сигнала мышечного тремора (красная линия).Слева – для отведения С3 «больного» левого полушария, сигнала ОЭМГ«больной» правой руки (EMG2), сигнала мышечного тремора «больной»правой руки (RH). Справа – для отведения С4 «здорового» правого полушария,сигнала ОЭМГ «здоровой» левой руки (EMG1), сигнала мышечного тремора«здоровой» левой руки (LH).

Показано, что слева экстремумы в «больной»моторной зоне левого полушария связаны с экстремумами мышечного тремораи огибающей ЭМГ. Напротив, в еще «здоровом» правом полушарии мозга(справа) такой связанности нет. Следует отметить, что величина экстремумовмышечного тремора в «больной» правой руке в несколько раз больше таковой в«здоровой» левой руке. Наличие ритма ЭЭГ в низкочастотном диапазоне 4-671Гц, так называемого тета-ритма, и его межполушарная асимметрия, являетсяпризнаком паркинсонизма на ранней стадии.Анализ многоканальной ЭЭГ, ЭМГ и мышечного тремора показываетчастотную связанность ритмов в тета-диапазоне (4-6 Гц) и, следовательно, тетаритм ЭЭГ является признаком паркинсонизма.Такимобразом,разработанновыйметоданализасигналовэлектроэнцефалограмм, мышечного тремора и огибающей электромиограмм,основанныйнаанализечастотно-временныхраспределенийлокальныхмаксимумов их вейвлет-спектрограмм.

С его помощью были обнаружены, поменьшей мере, три основных признака паркинсонизма на ранней стадии: 1)межполушарная асимметрия частотно-временных характеристик ЭЭГцентральныхотведенияхмоторнойзоныкорыголовногомозга;в2)возникновение ритма ЭЭГ в этих отведениях в частотном диапазоне 4-6 Гц иегосвязанностьсэлектромиограммамимышечнымтреморомконтралатеральных конечностей при дрожательной форме паркинсонизма(признаки P1, P2); 3) дезорганизация доминирующего ритма, соответствующаяобщим представлениям о дезорганизации различных систем [10] припаркинсонизме (признаки P3, P4). Были получены количественные оценкидезорганизации доминирующего ритма в центральных отведениях.С помощью вейвлет-преобразования и его дальнейшего количественногоанализа в работе был обнаружен ряд специфических особенностей частотновременной организации ЭЭГ на ранней стадии паркинсонизма.2.2. Модель количественных признаков ранней стадии болезниПаркинсонаПоскольку БП на 1-й стадии по шкале Хен-Яра (см.

Таблицу 1)характеризуется односторонними проявлениями заболевания, следует ожидать,что и ЭЭГ должна характеризоваться межполушарной асимметрией. В этой72связи целесообразно в модели количественных признаков паркинсонизма наранней стадии учитывать межполушарную асимметрию ЭЭГ.Таким образом, сформируем из признаков P1, P2, P3, P4, P5 модельколичественныхоценокэлектрофизиологическихпризнаковPiпо8симметричным парам отведений ЭЭГ n:Pi (n) ϵ {P1(n), P2(n), P3(n), P4(n), P5}(2.25)где Pi – электрофизиологический признак; i ϵ {1, 2, 3, 4, 5} – номер признака; n=1,…,8 – номер пары отведений ЭЭГ; n ϵ {<Fp1,Fp2>, <F7,F8>, <F3,F4>,<T3,T4>, <C3,C4>, <P3,P4>, <T5,T6>, <O1,O2>}.Электрофизиологические признаки:P1= Aθ(j) / Aα(j) и P2= Aθ(j*) / Aα(j*) – отношения амплитуд тета (4-6Гц) и альфа (8-12 Гц) пиков частотных гистограмм экстремумов вейвлетспектрограмм в контралатеральном «больной» конечности отведении j и в«здоровом» отведении j* для выявления межполушарной асимметрии частотновременных характеристик ЭЭГ;P3= r(j) / r(j*) – отношение средних коэффициентов корреляции rдинамических частотных гистограмм доминирующего ритма (более 6 Гц)контралатерального «больной» конечности отведения j к «здоровому»отведению j*;P4= σ(j) / σ(j*) – отношение среднеквадратичных отклонений σраспределениякоэффициентовкорреляциидинамическихчастотныхгистограмм доминирующего ритма (более 6 Гц) контралатерального «больной»конечности отведения j к «здоровому» отведению j*;P5= max(TL/TR,TR/TL) – отношение большей амплитуды мышечноготремора в «больной» конечности к меньшей амплитуде в «здоровой» вдиапазоне частот 4-6 Гц.В диссертационной работе параметры ЭМГ не были учтены в моделиколичественныхэлектрофизиологическихпризнаковпаркинсонизмапо73следующей причине.

Время записи испытуемого является одним из главныхфакторовсистемскрининганаселения.Записьэлектроэнцефалограмм,электромиограмм и мышечного тремора пациента длилась не более 2,5 минут(подробная методика записей ЭЭГ, ЭМГ и мышечного тремора будет описана вглаве 4). Однако, как показано ранее в работе [96], для статистическойнадежности получаемых параметров огибающей ЭМГ в процессе одногообследования должно регистрироваться до 20 одноминутных реализаций, чтосущественно превышает время записи ЭЭГ. Опытным путем обнаружено, чтоувеличение времени записи приводит к изменению ЭЭГ вследствие усталостипациента вплоть до засыпания и, соответственно, к изменению электрическойактивности мозга и мышечного тремора конечностей.

Кроме того, параметрыЭМГ и мышечного тремор являются скоррелированными величинами. В этойсвязи мы полагаем достаточным учет только мышечного тремора в моделипризнаков паркинсонизма.Полученные записи ЭМГ использовались при совместном анализемногоканальных ЭЭГ, ЭМГ и мышечного тремора с тем, чтобы подтвердитьчастотную связанность ЭЭГ, ЭМГ и мышечного тремора.В пространстве признаков Pi можно рассчитать эвклидово расстояние Rот испытуемого до абстрактного идеального объекта:R  ( Pi  Pi (идеал)) 2 )1/ 2 ,(2.26)iгдеPi(идеал) = {0, 0, 1, 1, 1},(2.27)где цифры {0, 0, 1, 1, 1} – это «идеальные» значения электрофизиологическихпризнаков для «здорового» объекта, а именно:74отношения амплитуд тета (4-6 Гц) Aθ и альфа (8-12 Гц) Aα пиковчастотных гистограмм экстремумов вейвлет-спектрограмм в симметричныхпарах отведений равны 0, так как тета пика в частотной гистограммеэкстремумов нет, то есть Aθ / Aα = 0, следовательно, P1 = 0 и, следовательно, P2= 0;отношение средних коэффициентов корреляции r динамическихчастотных гистограмм доминирующего ритма (более 6 Гц) равно 1, так каксредние коэффициенты корреляции r в симметричных парах отведений равны,то есть r(j) = r(j*), следовательно, P3 = 1;отношение среднеквадратичных отклонений σ распределениякоэффициентовкорреляциидинамическихчастотныхгистограммдоминирующего ритма (более 6 Гц) равно 1, так как среднеквадратичныеотклонения σ в симметричных парах отведений равны, то есть σ(j) = σ(j*),следовательно, P4 = 1;отношение амплитуды мышечного тремора в одной конечности камплитуде в другой равно 1, так как значения мышечного тремора в обеихконечностях одинаковы, то есть T(L) = T(R), следовательно, P5 = 1.Выбор точки отсчета Pi(идеал) в эвклидовом признаковом пространстве Рiне является принципиальным для оценки расстояния между больным иконтрольным испытуемым.Предлагаемый набор признаков ЭЭГ и мышечного тремора отражаетхарактерную для паркинсонизма на 1-й стадии Хен-Яра асимметриюхарактеристик ЭЭГ и амплитуды мышечного тремора конечностей, наличиехарактерных для паркинсонизма тета-ритма и дезорганизации ЭЭГ.

Такимобразом, была предложена модель электрофизиологических количественныхпризнаков ранней стадии болезни Паркинсона, отражающая характерную дляпаркинсонизма на 1-й стадии Хен-Яра асимметрию характеристик ЭЭГ имышечного тремора конечностей, наличие характерных для паркинсонизматета-ритма и дезорганизации ЭЭГ. Модель была получена на результатахисследований 31 пациента с дрожательной и дрожательно-ригидной формой БП75на 1-й стадии по шкале Хен-Яра и 18 человек из контрольной группыиспытуемых.2.3. Выводы по главе 2В диссертационной работе:1.Разработан новый метод анализа частотно-временной динамикифоновой электрической активности мозга, с помощью которого обнаружены,по меньшей мере, три основных признака паркинсонизма на ранней стадии: 1)межполушарная асимметрия частотно-временных характеристик ЭЭГцентральныхотведенияхмоторнойзоныкорыголовногомозга;в2)возникновение ритма ЭЭГ в этих отведениях в частотном диапазоне 4-6 Гц иегосвязанностьсэлектромиограммамиимышечнымтреморомконтралатеральных конечностей при дрожательной форме паркинсонизма; 3)дезорганизациядоминирующегоритма,соответствующаяобщимпредставлениям о дезорганизации различных систем [10] при БП.2.Получены количественные оценки дезорганизации доминирующегоритма в центральных отведениях.3.Предложенамодельэлектрофизиологическихколичественныхпризнаков ранней стадии болезни Паркинсона, отражающая характерную дляпаркинсонизма на ранней стадии асимметрию характеристик ЭЭГ и мышечноготремора конечностей, наличие характерных для паркинсонизма тета-ритма идезорганизации ЭЭГ.76ГЛАВА 3.

АЛГОРИТМЫ И КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ОЦЕНКИЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И МОТОРНЫХ КОЛИЧЕСТВЕННЫХПРИЗНАКОВ РАННЕЙ СТАДИИ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА3.1. Алгоритм выделения признаков паркинсонизма в сигналахэлектроэнцефалограмм, электромиограмм и мышечного тремораНа Рисунке 3.1 представлена блок-схема разработанного алгоритмавыделения признаков паркинсонизма в сигналах электроэнцефалограмм,электромиограмм и мышечного тремора.Рисунок 3.1. Блок-схема алгоритма выделения признаков паркинсонизма всигналах электроэнцефалограмм, электромиограмм и мышечного тремора.77Исходные данныеИсходные данные сигналов ЭЭГ, ЭМГ и МТ хранятся в формате txt и edf.В этих файлах помимо самих сигналов хранятся такие данные как: имяпациента, дата записи, возраст пациента, установленные фильтры, частотадискретизации и длина записи.Блок № 1.Осуществлялась следующая предварительная обработка сигналов:1.Удаление выбросов в сигналах при помощи метода Хьюбера Х84[120].Это правило с кодовым номером Х84 гласит: удалять следует все, чтовыходит за уровень в 5.2 медианы отклонений, отсчитываемый от медианы(Рисунок 3.2) [120].Рисунок 3.2.

Определение Ψ-функции правила удаления выбросов Х84,основанного на медиане и медиане отклонений.MAD представляет собой медиану абсолютных значений остатков,образующихся при вычитании значений xi (i= 1,...,n, где n – количество точек всигнале) из медианы (3.1).

Для медианы она служит естественным аналогоммасштаба, и в правилах она является естественной основой.78(3.1) = med (| med ( ) − |) ,=1,…,2.=1,…,Для удаления сетевой наводки был использован фильтр сбесконечной импульсной характеристикой второго порядка (цифровой БИХфильтр) (функция iirnotch в MATLAB) 50, 100, 150, 200 Гц. Коэффициентдобротности 35.3.СигналыфильтровалисьполосовымфильтромБаттервортачетвертого порядка. При этом применялась двухэтапная фильтрация – впрямом, а затем в обратном направлении сигнала, для устранения фазовыхискажений сигнала при фильтрации. Для сигналов ЭЭГ и мышечного тремораприменялся фильтр с полосой пропускания от 2 до 240 Гц, а для сигналов ЭМГот 60 до 240 Гц.Рассмотрим фильтрация фильтром Баттерворта.Производится синтез дискретного фильтра Баттерворта n-го порядка,имеющего амплитудно-частотную характеристику фильтра нижних частот инормированную частоту среза Wn [121].