Обнаружение и моделирование переключений между режимами электрической активности головного мозга по данным магнитной энцефалографии (1104175), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Образование". (г.Дубна, 1996).Публикации:По теме диссертации опубликовано 3 статьи в журналах, изкоторых 2 из списка ВАК, глава в сборнике, посвященном задачамматематической биологии и биоинформатики, 20 тезисов и докладов всборниках материалов различных конференций.6Личный вклад автора:Представленные в диссертационной работе результатыполучены лично соискателем. Изложенные в диссертации выводысделаны соискателем на основе анализа собственных результатов,совместных работ, а также данных литературы.Структура и объем работы:Диссертация имеет объем 100 страниц и состоит из введения итрех глав, обсуждения результатов, выводов, списка литературы.Основное содержание работы:Во введении содержится обоснование выбранной темыисследования, ее актуальности как в области биофизики, так и для ееприложения в медицинской практике.
Здесь же представлены объектисследования, применяемые методы, структура диссертации.В первой главе представлены существующие методыдиагностики электрической активности головного мозга; описываетсяэкспериментальное оборудование, на котором были полученыисследуемые данные: магнитометр Magnes 2500 WH – 148 каналоврегистрации и градиометр CTF MEG System – 275 каналоврегистрации. Приборы установлены в Центре нейромагнетизмамедицинского факультета Нью-Йоркского университета. Дается обзорлитературы, посвященной математическому моделированию данныхэнцефалографии.
Также рассмотрены традиционные методыобработки данных МЭГ.Во второй главе представляются экспериментальные данныеМЭГ. Дано описание экспериментов с регистрацией спонтаннойактивности головного мозга как у пациентов, так и контрольныхиспытуемых. Экспериментальные данные представляют собой наборкривых, число которых равно числу каналов регистрации прибора, накоторых показана зависимость амплитуды магнитного поля отвремени в каждом из каналов. Поскольку датчики регистрациирасположены по поверхности головы в виде шлема, то весь массивданных представляет собой не просто набор временных рядов, ноимеет четкую пространственную структуру в каждый моментвремени.В данной работе особое внимание уделено записям спонтаннойактивности у пациентов с патологией тиннитус.
Под патологиейтиннитус подразумеваются субъективные слуховые ощущения,возникающие в ухе или голове без очевидных раздражителей –субъективный шум. Субъективный шум может восприниматься какзвон, треск, шорох и пр.На этих данных обнаружен новый эффект. При детальномрассмотренииэкспериментальнойзаписибылиотмечены7кратковременные (~1–1.5 сек) промежутки резкого возрастаниязначений магнитного поля и частоты до 90 Гц сигналов взначительной части каналов регистрации.
На рис.1 представленфрагмент экспериментального массива, содержащий промежуток,отличающийся от фоновой активности. Приведены одновременно всеканалы регистрации – 275 временных рядов за 12 секунд регистрации,соответствующие 6000 точкам отсчета.Рис.1 Фрагмент экспериментальной записи при патологии тиннитус,содержащий промежуток резкого возрастания значений магнитногополя и частоты. Представлены записи всех каналов одновременно.При этом наблюдается упрощение мгновенной картинымагнитного поля. На рис.2 показаны мгновенные амплитудные картымагнитного поля над поверхностью головы в разные моментывремени. Диаметры кружков соответствуют интенсивностимагнитного поля в местах расположения датчиков. Цвет кружковобозначает знак проекции вектора магнитного поля на направлениедатчика (нормали к поверхности головы): черный цвет соответствуетнаправлению поля внутрь головы, а белый – наружу.На рис.2а представлена типичная карта, соответствующаяспонтанной активности головного мозга; на рис.2б – амплитуднаякарта, соответствующая промежутку с упрощением картинымагнитного поля.
Магнитное поле, подобное амплитудной карте,показанной на рис.2б, с хорошей точностью может быть описаноодним эквивалентным токовым диполем. В случае тиннитуса этотдиполь оказывается расположенным в слуховой зоне коры головногомозга. Такое распределение магнитного поля было использовано какпространственный признак для поиска патологической активности.8Рис.2. Амплитудные карты магнитного поля над поверхностьюголовы в а) произвольный момент времени, б) момент в промежуткерезкого увеличения амплитуды магнитного поля и частоты.Наблюдается также упрощение динамического поведенияэкспериментального сигнала с отдельно взятого датчика в указанныепромежутки. Это подтверждается корреляционным анализомэкспериментального сигнала, который показал уменьшениекорреляционной размерности временного ряда в два раза припереходе на высокочастотный режим.
Обнаруженная активностьможет быть отнесена к разряду пароксизмальной, посколькувозникает внезапно, быстро достигает максимума и внезапнозаканчивается, при этом сильно отличается от фоновой активности.Спектры мощности Фурье экспериментов с выраженнойпароксизмальнойактивностьюдемонстрируютувеличениеспектральной мощности гамма диапазона (рис.3а). Заметное отличиенаблюдается на частотах выше 40 Гц, в отдельных случаях изменениязатрагивают область выше 80 Гц. Экспериментальные данные, несодержащие переключений на высокоамплитудный режим, неотличаются от контрольных экспериментов по спектральноймощности в области высоких частот (рис.3б).
Найденная в частиэкспериментов высокочастотная пароксизмальная активность слокализацией источника в слуховой области указывает на различиедиагностических групп пациентов со схожей симптоматикой исвидетельствует о значимости обработки и анализа высокочастотнойобласти экспериментальных данных МЭГ и ЭЭГ, которая до сих поростается плохо изученной.9а)б)Рис.3а) спектр мощности Фурье экспериментального массива с патологиейтиннитус со значительным изменением спектральной мощности вобласти высоких частот; б) спектр мощности Фурьеэкспериментального массива с патологией тиннитус без изменений вобласти высоких частот.10Для восстановления сигнала из области высоких частот быливзяты соответствующие гармоники, далее было найдено решениеобратной задачи, которое показало для всех экспериментов сизменением спектра высоких частот, что источники этой аномальнойвысокочастотной активности лежат в слуховой зоне коры головногомозга.Описанные случаи с тиннитусом являются уникальными в томсмысле, что искомый сигнал превышает спонтанную активность ивиден на эксперименте.
Кроме того, частотный диапазон этойактивности лежит в области частот, где в норме спектральнаямощность спонтанной активности затухает. Тем не менее,представленные выше «вспышки» были найдены вручную,просмотром большого объема данных. Это говорит о необходимостисоздания обобщенной методики обнаружения сигнала на фонеспонтанной активности.Поскольку датчики распределены по поверхности головы, тополучаемые данные представляют набор временных рядов с четкимраспределением в пространстве.
Предложена методика, основанная напроецировании данных на пространственный признак.В качестве пространственного признака возможно использовать:1) распределение поля в характерный момент проявления признакаискомой активности на экспериментальных данных;2) функцию из главных компонент разложения Карунена-Лоэва;3) пространственный паттерн, полученный усреднением помоментам подачи стимула в экспериментах с вызваннойактивностью.Для определения моментов проявления искомой активностибыло проведено проецирование временных рядов всех каналов Нk(t) завсе время регистрации (3х105 точек) на пространственный признакэтой активности.В качестве пространственного признака было взятораспределение амплитуды магнитного поля по поверхности головы(пространственный паттерн) в промежутке ее резкого увеличения –пространственный вектор h={hk}, где hk -- величина магнитного поля вk-м канале регистрации (рис.2б), количество k зависит от прибора (отчисла датчиков):148f (t ) hk H k t k 1(1)Таким образом, получается одномерная функция f(t) (рис.4) завремя всего эксперимента, локальные максимумы которойсоответствуют моментам упрощения магнитного поля.Методом отсечки был создан набор опорных точек, по которымэкспериментальные данные были очищены усреднением.
Прирешении обратной задачи оказалось, что источник найденной11активности с хорошей точностью попадает в слуховую зону корыголовного мозга, что согласуется с локализацией источникаопределенного непосредственно в момент максимума патологическойактивности.Рис.4. Проекция экспериментального массива напространственный паттерн, взятый в промежутке резкого увеличенияамплитуды магнитного поля и частоты.В общем случае для описания пространственной компонентыданных используется разложение экспериментальных данных поортогональному базису Карунена – Лоэва, которое предназначено дляпонижения размерности сложных пространственно-временных рядов,в частности при анализе данных МЭГ.
С помощью этогопреобразования по каждому эксперименту рассчитывается свойоптимальный базис собственных функций, каждая из которыхпредставляет собой пространственный паттерн магнитного поля.Собственные функции упорядочены по мере убывания ихэнергетического вклада в разложении сигнала.Таким образом, методика выделения сигнала состоит из четырехпоследовательных этапов:1) разложение Карунена-Лоэва, которое позволяет определитьдоминирующие в эксперименте активности;2) выбор одной из функций в качестве пространственногопризнака;3) определение моментов проявления искомой активности полокальным максимумам проекции – опорных точек;4) очищение сигнала усреднением по опорным точкам.12Предложенная методика была апробирована на контрольномэксперименте с вызванной активностью. В ходе этого экспериментаздоровому добровольцу подавался акустический стимул c частотой7,35 Гц.
Предварительно по моментам подачи стимула был выделенаудиторный отклик и получена подробная информация о структуремагнитного поля, возникающего в ответ на аудиторный стимул. Послеприменения к экспериментальным данным предлагаемой методикинайдено, что источники отклика на аудиторную стимуляциюлокализуются в слуховую зону коры головного мозга.Обнаружение патологической активности и дальнейшаялокализация ее источника традиционными способами усреднения вслучае, когда неизвестны моменты возникновения каких-либообъективных признаков патологии, не представляется возможным.Предлагаемая методика автоматически выявляет моменты появленияпатологической активности с выбранным пространственнымпризнаком на всем экспериментальном массиве, указываяисследователю точные промежутки эксперимента, на которыенеобходимо обратить особое внимание.Отработанная на контрольном эксперименте, методикаочищения сигнала без использования внешней объективнойинформации об искомой активности была применена кэкспериментальным данным записи спонтанной активности припатологии тиннитус для проверки первоначальных выводов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
