ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ ^^^^ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
УДК 615.47:615.012.6
МЕТОД ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОГО АНАЛИЗА СОВМЕСТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММ, ЭЛЕКТРОМИОГРАММ И МЕХАНИЧЕСКОГО ТРЕМОРА ПРИ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА
© 2015 г. О. С. Сушкова1, А. В. Габова2, А. В. Карабанов3, И. А. Кершнер4,
К. Ю. Обухов4, Ю. В. Обухов1
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7 2Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Российская Федерация, 117485, Москва, ул. Бутлерова, 5а 3Научный цент неврологии РАМН Российская Федерация, 125367, Москва, Волоколамское шос., 80 4Московский физико-технический институт (государственный университет) Российская Федерация, 141700, Долгопрудный Московской обл., Институтский пер. 7
E-mail: o.sushkova@mail.ru Поступила в редакцию 04.02.2015 г.
Описан новый метод анализа частотно-временной динамики фоновой электрической активности мозга, при помощи которого обнаружены три основных признака болезни Паркинсона (БП) в ранней стадии: межполушарная асимметрия частотно-временных характеристик электроэнцефалограммы в центральных отведениях моторной зоны коры головного мозга; возникновение ритма ЭЭГ в этих отведениях в частотном диапазоне 4—6 Гц и его связанность с электромиограммами и механическим тремором контралатеральных конечностей при дрожательной форме БП; дезорганизация доминирующего ритма, соответствующая общим представлениям о дезорганизации различных систем при БП.
Б01: 10.7868/80033849415100113
ВВЕДЕНИЕ
Диагностика доклинической стадии болезни Паркинсона (БП), на которой болезнь уже развивается, а клинические признаки еще не обнаруживаются, является актуальной задачей современной медицины и нейрофизиологии. Эту стадию изучают экспериментально на животных, провоцируя развитие заболевания [1]. В клинике провоцировать БП невозможно, поэтому клинические признаки БП изучают на самых ранних стадиях проявлений болезни с надеждой экстраполировать эти признаки на доклиническую стадию для выделения группы риска.
Правильная диагностика ранних клинических проявлений БП до сих пор является достаточно трудной задачей. Признаки самых ранних стадий этого заболевания весьма многочисленны [2], однако в большинстве случаев они лишь относительно специфичны, каждый из них может встречаться и при другой мозговой патологии. Наиболее информативным методом диагностики БП считает-
ся позитрон-эмиссионная томография, однако это очень дорогой метод, и он не может быть широко использован во врачебной практике для диагностики доклинической и начальной стадии. Электроэнцефалографические (ЭЭГ) исследования, так же как и исследования электромиографии (ЭМГ) мышц и механического тремора, проводят при использовании недорогих приборов по сравнению с установками нейровизуализации, и поэтому их могут широко применять для скрининга населения с целью диагностики ранних стадий и выделения групп риска на доклинической стадии БП.
Доступные и достаточно распространенные методы клинической ЭЭГ применяют при обследовании пациентов с БП уже в течение 50-летий, но до последнего времени успехи в этой области были достаточно скромными. Уже в первых работах было отмечено, что для пациентов с БП характерно снижение частоты доминирующего ритма ЭЭГ [3, 4]. Утверждалось также, что по мере про-грессирования заболевания происходит дальней-
шее изменение мощности и частоты ЭЭГ. Достаточно критическое отношение к данным, полученным при БП на основе традиционной клинической записи ЭЭГ, связано с тем, что электроэнцефалограмма отражает прежде всего электрические процессы, происходящие в коре головного мозга, и может лишь косвенно свидетельствовать о тех патологических процессах и функциональных перестройках, которые происходят в сложных корково-подкорковых сетях при развитии БП.
В настоящее время появились новые подходы к анализу ЭЭГ при которых используют различные варианты вейвлет-преобразований при разных патологиях мозга [5—7]. Такие подходы открывают новые возможности, так как позволяют подробно исследовать ЭЭГ в ее динамике. В работе [8] вейвлет-преобразование было применено для анализа ЭЭГ пациентов с БП в ранней стадии. Так же как в работах [9, 10], выполненных при помощи спектрального анализа, было отмечено достоверное снижение частоты доминирующего диапазона ЭЭГ. Однако наиболее интересным результатом была обнаруженная в предлагаемой работе дезорганизация, нестабильность во времени вейвлет-спектрограмм ЭЭГ, особенно ярко выраженная в доминирующем частотном диапазоне. Полученные результаты согласуются с хорошо известными данными, подтверждающими, что характерной чертой БП признается синдром дезинтеграции, проявляющийся на разных системных уровнях, прежде всего в моторных зонах коры головного мозга [9, 10].
В связи с такими представлениями об особенностях электрической активности мозга при БП были разработаны новые методы анализа, позволяющие оценивать частотно-временную и пространственно-временную динамику сигналов. Вейвлет-преобразование ЭЭГ начали использовать для анализа электрической активности мозга еще в 90-е годы [6, 11, 14]. Однако этот высоко информативный метод анализа до сих пор на практике достаточно широко не применяется, по-видимому, вследствие того, что в нем вейвлет-преобразования используют лишь для визуализации частотно-временной динамики ЭЭГ.
В работах [12, 13] проведен анализ тремора у пациентов с дрожательной формой БП и у здоровых испытуемых.
Количественная оценка частотно-временных спектрограмм ЭЭГ, таких как межполушарная асимметрия, наличие тета-ритма, степени дезорганизации и их связанность с механическим тремором, может быть полезным средством для диагностики на ранних стадиях БП. Ниже представлены методы количественной оценки вейвлет-спектрограмм (в первую очередь оценки межпо-лушарной асимметрии), степени их дезорганиза-
ции, и результаты совместного анализа ЭЭГ и механического тремора.
1. ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для совместных исследований ЭЭГ, ЭМГ и механического тремора использован 41-канальный многофункциональный комплекс для проведения нейрофизиологических измерений " Нейрон-спектр-5" фирмы Нейрософт. Полоса пропускания ЭЭГ сигналов составляла от 0.3 до 35 Гц, частота дискретизации составляла 500 Гц. Полоса пропускания ЭМГ сигналов составляла от 0.5 до 250 Гц, частота дискретизации — 500 Гц. Тремор измеряли пьезоэлектрическими акселерометрами, расположенными на тыльных сторонах ладоней. Частота дискретизации составляла 1378 Гц.
Проведен клинический и электрофизиологический анализ тремора у пациентов с эссенциальным тремором, дрожательной формой БП и у здоровых испытуемых. Использована методика акселеро-метрии для оценки вариабельности частоты и амплитуды дрожания. Сравнение временных диаграмм и спектральных составляющих тремора позволило выявить ряд характерных особенностей, важных для понимания его патогенеза и проведения дифференциальной диагностики этих заболеваний.
Для исследования были отобраны 15 больных, страдающих БП. Диагноз был поставлен при помощи клинико-диагностических критериев БП Банка Мозга Великобритании [15]. Возрастной интервал — с 60 лет до 74 лет, гендерные различия: восемь женщин и семь мужчин. Длительность заболевания: у 14 человек — менее года, а один человек болен полтора года. Для определения стадии заболевания использована шкала Хен-Яра [16], у 14 больных выявлена первая стадия, у одного больного — вторая стадия. Все больные были правшами. По принятой классификации форм заболевания: у 15 больных смешанная (акинети-ко-ригидно-дрожательная) форма БП, больные с акинетико-ригидной и дрожательной формами — ноль человек. Начало заболевания с тремора и брадикинезии с левой руки — восемь человек, с правой руки — семь человек. Для оценки двигательных нарушений была использована унифицированная рейтинговая шкала оценки болезни паркинсонизма — шкала UPDRS [17]. По шкале UPDRS у пяти человек — 10 баллов, у семи человек — 11 баллов, у трех человек — 12 баллов. На момент исследования противопаркинсониче-скую терапию пациенты не получали.
Рис. 1. Вейвлет-спектрограммы ЭЭГ отведения С3. Слева — контроль, справа — пациент на первой стадии БП.
2. АНАЛИЗ ЭЭГ ПРИ ПОМОЩИ
ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОРЛЕ
Известно, что характерная черта БП — синдром дезинтеграции, проявляющийся на разных системных уровнях (двигательные нарушения, вегетативная, нейрогуморальная дезинтеграция, эмоциональные и психические нарушения). Обнаруженные методом вейвлет-анализа изменения частотно-временной структуры ЭЭГ свидетельствовали о том, что дезинтеграция может проявляться также в динамике электрической активности мозга. В работе [9] проанализированы данные в основном у пациентов на второй и третьей стадиях заболевания (по шкале Хен-Яра). Ниже приведены результаты вейвлет-анализа ЭЭГ нелечен-ных пациентов на первой стадии БП при сравнении с контрольной группой и группой пациентов на второй и третьей стадиях.
Частотно-временная спектрограмма непрерывного вейвлет- преобразования Морле определяется по формуле:
£(т, Г) = \Щт, /)|2,
Ж(т,Т) = -Г
?-т Т
V (п) = -/=^ехР ехр
Г 2\ V рь;
(1)
(2)
(3)
где Бх(х, /) — спектральная плотность мощности, / — частота, Т — параметр сжатия, / = 1/Т, х(1) — исходный сигнал, I — время, т — величина сдвига по времени, W(x, Т) — вейвлет-преобразование функции х(1), п = (I — т)/Т — безразмерный период, у(п) — вейвлет-функция Морле, у*(п) — комплексно-сопряженная вейвлет-функция Морле, Шь, ¥с — параметры. Обычно принимают ¥ь = ¥с = 1.
Вейвлет-спектрограмма ЭЭГ состоит из серий пиков, отражающих изменения амплитуды спек-
тральных коэффициентов в различных частотных диапазонах. Это закономерно, поскольку ЭЭГ состоит из цугов колебаний различной частоты и длительности. На рис. 1 представлены вейвлет-преобразования ЭЭГ здорового испытуемого (слева) и пациента с БП на первой стадии по шкале Хен—Яра (справа).
Из рис. 1 видно, что как у нормальных испытуемых, так и у пациентов с БП вейвлет-спектро-граммы состоят из серии пологих пиков (примерно один-два в секунду) с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.