CC BY
8УДК 616.853:616.831-073.97-71
РАЗЛИЧИЯ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММ ПРИ НОРМОГЕНЕЗЕ И ЭПИЛЕПСИИ
Е. А. Яценко
Целью научного исследования явилась необходимость изучения результатов сравнительного анализа корреляционных зависимостей между каналами электроэнцефалограмм головного мозга групп людей без выраженной патологии центральной нервной системы и с различными формами эпилептических расстройств. Получено, что показатели согласованности сигналов головного мозга людей с эпилептическими заболеваниями принимают экстремальные значения при сравнении с аналогичными показателями при норме.
Ключевые слова: эпилепсия, корреляционный анализ, обработка электроэнцефалограмм.
ВВЕДЕНИЕ
Рост производительности вычислительных систем позволяет создавать новые автоматизированные методики диагностирования различных патологий. Данная работа направлена на установление новых различий между записями электроэнцефалограмм головного мозга человека при нормогенезе и эпилепсии с целью создания новых автоматизированных методов диагностирования.
Метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) играет важную роль при локализации патогенной активности головного мозга различного происхождения: травмы, сосудистые заболевания, эпилепсия, истерия и др. Многие научные коллективы заняты разработкой новых методов анализа записей ЭЭГ, в своих публикациях они освещают результаты применения различных методик [1-3]. В рамках статьи показано, что и сравнительно простой анализ корреляционных зависимостей записей каналов электроэнцефалограмм головного мозга человека может приводить к значимым результатам.
В современной медицинской практике наиболее широко применяется 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, лат), 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 работе представлен анализ данных, полученных при рефе-
рентном монтаже электродов. Референтный монтаж электродов подразумевает регистрацию электрической активности между электродом, расположенным над одной из описанных областей головного мозга, и так называемым референтом, электродом, располагающимся обычно на мочке уха.
Цель работы - изучить результаты сравнительного анализа корреляционных зависимостей между каналами электроэнцефалограмм головного мозга групп людей без выраженной патологии центральной нервной системы и с различными формами эпилептических расстройств.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
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: Рр1, Рр2, Р7, Р8; височной: Т3, Т5, Т4, Т6; теменной: Р2; затылочной: 01, 02. Для описания результатов предложена таблица (рис. 1), каждая ячейка которой соответствует определенному каналу. Изображение каналов в таблице близко к расположению электродов на поверхности головного мозга.
В существующей практике 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).
67
о
rN
О го
4
ф
а
(5*
I-
U ф
00
EEG DIFFERENCES IN NORMOGEN^ AND EPILEPTIC PATIENTS
E. A. Yatsenko
The study objective is a comparative analysis of EEG channels in no-pathology and various epilepsy disorder patients. It has been found that the EEG signal correlation in epileptic patients are extreme compared to that in healthy patients.
Keywords: epilepsy, correlation analysis, EEG processing.
Бр1 Fp2
Б7 Б3 Fz F4 F8
Т3 С3 Cz С4 Т4
Т5 Р3 Pz Р4 Т6
01 02
Рис. 1. Таблица каналов при референтом монтаже
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.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены корреляции каналов в состоянии покоя (П) - первый столбец с матрицами, при фотостимуляции (Ф) - второй столбец, и вследствие воздействия гипервентиляции (Г) - третий столбец. В первой строке представлены корреляции канала Рр1 с каналами Рр2, Р7, Р8,Т3, Т5, Т4, Т6,Р2, 01 и 02, во второй - канала Р8 с другими исследуемыми каналами, в третьей - Т3.
Корреляции каналов лобной области Рр1 и Р8 с соседними каналами: Р7 и Рр2, 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 ГВ 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
Кр1 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
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
Кр1 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 К8
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
Кр1 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 К8
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
покоя 0,75, при фотостимуляции - 0,70 и 0,99 вследствие воздействия ГВ.
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 вторичногенерализо-ванными приступами.
Корреляции каналов лобной области Рр1 и Р8 с соседними каналами Р7 и Рр2 в состоянии покоя для данного случая патологии составили 0,99; при фотостимуляции - 0,96 и 0,94; в период после ГВ 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 вследствие воздействия ГВ.
Приведенные значения отображают общую тенденцию, выявленную при обработке многих ЭЭГ здоровых людей (рис. 2): значения корреляций между каналами ЭЭГ вследствие воздействия фотостимуляции снижаются, а после ГВ 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 вследствие ГВ.
В работе оценивались связность каналов области локализации патогенной активности, как, например, (рис. 3, третья строка) корреляции канала левой височной области - Т3 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.
На рис. 4 представлены значения коэффициента корреляции канала левой височной области (Т3) с другими каналами при наличии и отсутствии функциональных нагрузок для случаев нормы и височной эпилепсии. Предложенный график иллюстрирует основные закономерности, выявленные в ходе исследования. Воздействие функциональных нагрузок отличается для случаев нормогенеза и эпилепсии. Значения коэффициентов корреляций между каналами записей
Кр1 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 Б8
0.99 0.87
0.98 0.71 0.10
0.97 0.70
0.99 0.98
0.99 0.99
Т3 0.86
0.75 0.99 0.09
0.98 0.70
Кр1 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 К8
0.92 0.90
0.86 0.93 0.87
0.91 0.89
0.92 0.88
0.95 0.92
Т3 0.84
0.88 0.95 0.83
0.96 0.89
Кр1 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 К8
0.30 0.58
0.46 0.59 0.52
0.33 0.45
0.44 0.29
0.42 0.30
Т3 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
1,2
Височная эпилепсия ВЭ Фотостимуляция Н Фотостимуляция
Норма
ВЭ После гипервентиляции Н После гипервентиляции
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
Т5
F 7
FP1
PZ
O1
T4
FP2
O2
Рис. 4. Зависимость коэффициента корреляции канала левой височной области (Т3) с другими каналами при наличии и отсутствии функциональных нагрузок для случаев нормы и височной эпилепсии
70
о
rN
О го
4
ф
а
(5*
I-
U ф
00
ЭЭГ здоровых испытуемых повышаются вследствие ГВ легких, в то время как у испытуемых второй группы наблюдается противоположная динамика при тех же условиях эксперимента.
Рис. 4 иллюстрирует еще одну выявленную закономерность.
Показатели согласованности сигналов головного мозга людей с эпилептическими заболеваниями принимают экстремальные значения при сравнении с аналогичными показателями при норме. Наибольшие значения коэффициентов получены при обработ-
ЛИТЕРАТУРА
1.Дмитриева Л. А., Зорина Д. ., Куперин Ю. А., Че-пилко С. С. Анализ сигналов ЭЭГ методом локальных показателей разбегания на реконструированных аттракторах с использованием разложений на эмпирические моды // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 1. С. 9-15.
2. Гавриленко А. В., Еловой С. Г., Яценко Е. А. Термодинамическая оценка электроэнцефалограмм человека // Вестник кибернетики. 2015. № 3. С. 198-202.
ке экспериментальных данных группы с заболеваниями в состоянии покоя, также наименьшие значения коэффициентов корреляции получены для данной группы, но уже последствии ГВ легких.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сравнительный анализ корреляционных зависимостей между каналами электроэнцефалограмм головного мозга групп людей без выраженной патологии и с различными формами эпилептических расстройств может использоваться в практической медицине.
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 СурГУ. 2013. Вып. 2. С. 81-83.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Яценко Елена Александровна - к. т. н., старший преподаватель кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Политехнического института, Сургутский государственный университет; е-mail: elisia@yandex.ru.
ABOUTTHE AUTHOR
Yatsenko Elena Aleksandrovna - PhD (Engineering), Senior Lecturer, Рера^те^ of Automated Data Processing and Control Systems, Polytechnic Institute, Surgut State University; e-mail: elisia@yandex.ru.
