CC BY
1УДК 616.8-073.97+ 616.853-073.97
АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ КАНАЛОВ ЗАПИСЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЗДОРОВЫХ ЛЮДЕЙ И ЛЮДЕЙ, СТРАДАЮЩИХ ЭПИЛЕПСИЕЙ
Яценко Е.А., Гавриленко А.В.
Сургутский государственный университет elisia@yandex.ru, gavrilenko.anna.v@gmail.com
В работе представлены результаты анализа связностей каналов электроэнцефалограмм головного мозга здоровых людей и людей, страдающих эпилепсией. Показано, что и сравнительно простой анализ корреляционных зависимостей записей каналов электроэнцефалограмм головного мозга человека может приводить к значимым результатам.
Ключевые слова: электроэнцефалограмма, корреляционная зависимость, эпилепсия.
EEG CHANNEL RELATION ANALYSIS IN HEALTHY AND EPILEPTIC PATIENTS
Yatsenko Ye. А., Gavrilenko A.V.
Surgut State University elisia@yandex.ru, gavrilenko.anna.v@gmail.com
The paper analyzes EEG channel connectivity in healthy and epileptic patients. It is shown that a relatively simple correlation analysis of EEG signals can lead to significant results.
Keywords: EEG, correlation, epilepsy.
Не смотря на появление новых перспективных методик (магниторезонансная томография, метод электроэнцефалографии (ЭЭГ), компьютерная томография), прочно занял свое место в системе диагностирования и мониторинга динамики большого диапазона заболеваний. В современной науке ведется множество исследований как в области медицины, так и в области кибернетики и математического моделирования, направленных на расширение диагностических возможностей ЭЭГ. Для обработки ЭЭГ применяют и новаторские подходы [1-3], в рамках данной статьи показано, что и сравнительно простой анализ корреляционных зависимостей записей каналов электроэнцефалограмм головного мозга человека может приводить к значимым результатам.
Наиболее широко применимой в современной медицинской практике является установка электродов по схеме 10/20, включающей 21 электрод. В зависимости от области расположения электроды обозначаются буквами: F -лобная (frontalis лат.), С - центральная (centralis лат.), T - височная (temporalis лат.), P - теменная (parietalis), O - затылочная (occipitalis лат.) Электроды,
расположенные над правым полушарием головного мозга, обозначаются четными цифрами, над левым - нечетными. Электрическая активность может регистрироваться между парами электродов, расположенными в описанных областях, например, F8-T4, что соответствует биполярному монтажу. В данной работе представлен анализ данных, полученных при референтном монтаже электродов. Референтный монтаж электродов подразумевает регистрацию электрической активности между электродом, расположенным над одной из описанных областей головного мозга, и так называемым референтом, электродом, обычно, располагающимся на мочке ухе.
В рамках данного исследования для анализа корреляционных зависимостей были выбраны записи каналов ЭЭГ пациентов двух групп: здоровые и с эпилепсией. Из 19 каналов референтного монтажа проанализированы зависимости между четырьмя каналами лобной области: Fp1, Fp2, F7, F8; височной: T3, T5, T4, T6; теменной: Pz и затылочной: O1, O2. Для описания результатов предложена таблица (рис. 1), каждая ячейка соответствует определенному каналу. Изображение каналов в таблице близко к расположению электродов на поверхности головного мозга.
Fp1 Fp2
Б7 Б3 Fz F4 F8
13 C3 Cz C4 14
15 P3 Pz P4 16
O1 O2
Рис. 1.
аблица каналов при референтом монтаже
Как показала практика диагностирования посредством анализа ЭЭГ регистрация ЭЭГ покоя (фоновой электроэнцефалограммы) во многих случаях не позволяет выявить патологические изменения биоэлектрической активности головного мозга, и производится запись реактивной ЭЭГ. Применяется обязательный комплекс функциональных нагрузок и дополнительные нагрузки. К обязательным функциональным нагрузкам относится ритмическая фотостимуляция (РФС).
С помощью стандартного фотостимулятора подаются вспышки света с энергией 0,24-0,35 Дж и длительностью 50 мкс. Частота вспышек плавно изменяется от 2 до 36 Гц с интервалами между сериями 5-7 с.
У здоровых людей наблюдается реакция усвоения ритма в диапазоне от 8 до 25 Гц, т. е. в полосе собственных частот электроэнцефалограммы. Могут иметь место гармоники или субгармоники, не выходящие за полосу собственных частот ЭЭГ. У пациентов с эпилептическими заболеваниями фотостимуляция может вызывать припадки.
К дополнительным нагрузкам относятся гипервентиляция (ГВ) -интенсивное глубокое дыхание с частотой 20 дыханий в минуту в течение трех минут или до появления эпилептической активности, которая может появиться у пациентов с соответствующим заболеванием. У здоровых людей ГВ значительных изменений на ЭЭГ не вызывает.
На рис. 2 представлены корреляции каналов в состоянии покоя (П) -первый столбец с матрицами, при фотостимуляции (Ф) - второй столбец, и в следствии воздействия гипервентиляции (Г) - третий столбец. В первой строке представлены корреляции канала Fp1 с каналами Fp2, F7, F8, T3, T5, T4, T6, Pz, 01 и O2, во второй - канала F8 с другими исследуемыми каналами, в третьей -Т3.
Корреляции каналов лобной области Fp1 и F8 с соседними каналами: F7 и Fp2, в состоянии покоя для случая номрогенеза составили 0.81 и 0.92, при фотостимуляции они не на много ниже: 0.80 и 0.72, в период после гипервентиляции легких зафиксированы наивысшие значения: 0.98 и 0.99.
Значения коэффициентов корреляции для каналов височной области, Т3 и Т5 в рассматриваемом случае отсутствия заболеваний составили в состоянии покоя: 0.75, при фотостимуляции - 0.70 и 0.99 в последствии воздействия гипервентиляции.
На рис. 3 представлены, как и на рис. 2, корреляции 11 каналов ЭЭГ для трех состояний испытуемого. Испытуемый в данном случае имеет заболевание фокальной височной эпилепсией с вторичногенерализованными приступами.
Корреляции каналов лобной области Fp1 и F8 с соседними каналами: F7 и Fp2, в состоянии покоя для данного случая паталогии составили 0.99, при фотостимуляции: 0.96 и 0.94, в период после гипервентиляции легких зафиксированы наивысшие значения: 0.73 и 0.77.
Значения коэффициентов корреляции для каналов височной области, Т3 и Т5 в рассматриваемом случае составили в состоянии покоя: 0.75, при фотостимуляции - 0.88 и 0.55 в последствии воздействия гипервентиляции.
Fp1 0.90
0.81 0.71
0.77 0.71
0.71 0.75 0.77
0.65 0.83
0.71 0.92
0.83 Б8
Fp1 0.74
0.80 0.20
0.59 0.38
0.60 0.58 0.60
0.58 0.61
0.20 0.78
0.54 F8
Fp1 0.99
0.98 0.99
0.97 0.97
0.96 0.95 0.97
0.96 0.97
0.99 0.99
0.90 F8
0.56 0.93
0.74 0.71 0.82
0.75 0.76
0.77 0.72
0.68 0.56
Т3 0.68
0.75 0.70 0.77
0.66 0.82
0.21 0.92
0.57 0.57 0.60
0.61 0.57
0.59 0.58
0.60 0.21
Т3 0.45
0.70 0.56 0.67
0.62 0.67
0.98 0.99
0.98 0.97 0.99
0.98 0.99
0.95 0.96
0.95 0.97
Т3 0.98
0.99 0.94 0.98
0.95 0.97
П Ф Г
Рис. 2. Корреляции каналов лобной, височной, теменной и затылочной
областей. Норма
Приведенные значения отображают общую тенденцию, выявленную при обработке многих ЭЭГ здоровых людей (рис. 2): значения корреляций между каналами ЭЭГ в следствии воздействия фотостимуляции снижаются, а после гипервентиляции достигают максимальных величин. Для случаев эпилептических заболеваний, например, рис. 3, различия коэффициентов корреляции в состоянии покоя и фотоститмуляции не имеют столь выраженных различий, для отдельных пар каланов регистрируется даже незначительное повышение показателя согласованности при воздействии вспышками света. Ярким отличием в результатах расчетов корреляций для каналов ЭЭГ людей, больных эпилепсией, от здоровых является резкий спад коэффициентов в последствии гипервентиляции.
Fp1 0.99
0.99 0.99
0.99 0.85
0.98 0.98 0.08
0.97 0.69
0.99 0.99
0.99 F8
0.99 0.87
0.98 0.71 0.10
0.97 0.70
0.99 0.98
0.99 0.99
T3 0.86
0.75 0.99 0.09
0.98 0.70
Fp1 0.93
0.96 0.95
0.92 0.87
0.86 0.93 0.84
0.91 0.89
0.95 0.94
0.95 F8
0.92 0.90
0.86 0.93 0.87
0.91 0.89
0.92 0.88
0.95 0.92
T3 0.84
0.88 0.95 0.83
0.96 0.89
Fp1 0.84
0.73 0.71
0.44 0.70
0.59 0.66 0.67
0.32 0.60
0.71 0.77
0.51 F8
0.30 0.58
0.46 0.59 0.52
0.33 0.45
0.44 0.29
0.42 0.30
T3 0.44
0.55 0.30 0.41
0.20 0.40
П Ф Г
Рис. 3. Корреляции каналов лобной, височной, теменной и затылочной областей. Фокальная височная эпилепсия с вторичногенерализованными
приступами.
В работе оценивались связность каналов области локализации патогенной активности, как например, рис. 3. третья строка, корреляции канала левой височной области - T3 для случая височной эпилепсии. Сопоставление значений коэффициентов с аналогичными для случая нормы (рис.2, третья строка) приводит к сделанным ранее выводам и отображает общую тенденцию, выявленную в данном исследовании.
Литература
1. Гавриленко А.В., Еловой С.Г., Яценко Е.А. Термодинамическая оценка электроэнцефалограмм человека. // Вестник кибернетики. 2015 № 3. с. 199-202.
2. Яценко Е.А. Анализ записей каналов электроэнцефалограмм. // Вестник Сургутского государственного университета. Вып. 4 / 2014. С. 83 - 84.
3. Гавриленко Т.В., Яценко Е.А., Девицын И.Н., Быковских Д.А. Применение вейвлет-преобразований и метода фазовых плоскостей в обработке электроэнцефалограмм головного мозга человека с целью определения патогенеза. // Вестник Сургутского государственного университета. Вып. 2 2013. С. 81 - 83.
