（生物物理学专业论文）利用广义复杂度对癫痫病发作进行预测方法的研究.pdf

| 1 i l r l l l ll llll ll i t rr r l l li lrrrllll y 18 9 2 4 3 3 目录 一、摘要 中文论著摘要1 英文论著摘要4 二、英文缩略词表7 三、论文8 肓i 言8日i j 吾”8 材料与方法9 结果与讨论2 0 结论3 0 四、本研究创新的自我评价3 2 五、参考文献3 3 六、附录 综述3 5 致谢一4 5 个人简介4 6 中文论著摘要 利用广义复杂度对癫痫病发作进行预测的方法的研究 目的 近年来，复杂度作为非线性研究领域中的热点问题，被越来越多地应用在脑 电信号处理领域，如近似熵、k o l m o g o r o v 熵和l e m p e l & z i v 复杂度等。而广义复 杂度凭借着其对连续信号分析的优势，越来越多的应用在脑电信号和心电信号等 领域。广义复杂度是通过计算出一个字符串中各种字符的关联程度而确定这一字 符串的字符间的复杂程度的。这一字符串中的字符种类可以是两种，也可以是更 多种。因此本研究选择用广义复杂度的运算方法对癫痫病的发作进行预测。本研 究是通过对癫痫病患者的脑电图信号的分析，将具有癫痫病发病的脑电图的图像 信号还原成数字信号，对这些数字信号进行分析，按照广义复杂度的计算方法， 利用m a t l a b 软件计算，选择最佳的广义复杂度的计算量( 不同的阶数或者不同字 符关联情况) ，计算出该脑电信号的广义复杂度，分析在整个取样区间的脑电复杂 度的变化情况，得出癫痫病发病前脑电信号复杂度发生变化的结论，选择预测指 标。通过观察癫痫病患者的脑电信号的复杂度的变化情况，对癫痫病的发病进行 预测，使患者在发病前有所准备，提高癫痫病患者的生活质量，降低癫痫病患者 的生命危险。 乃活 本文选用网上公开的f d m ( f r e i b u r gc e n t e rf o rd a t aa n a l y s i sa n dm o d e l i n g ) 数 据库( h t t p ：w w w f d m u n i f r c i b u r g d e g r o u p s t i m e s e r i e s e p i e e g d a t a ) 作为研究样 本。该样本中一共收集了2 1 名患有癫痫病的病人，在其癫痫病发作前、发作期间、 发作后的脑电信号，并且每名患者脑电信号的记录时间都是2 4 个小时。由于癫痫 病具有发作性的特点，所以采集癫痫病人的脑电信号是一个比较困难的工作，特 别是要检测到患者发病前的脑电信号的难度更加大。这样的样本对本研究提供了 非常好的依据。应用m a t l a b 软件，对癫痫病患者的在发病期间的脑电图数据进行 分析，将具有癫痫病发病的脑电图的图像信号还原成数字信号，将这些数字信号 按照广义复杂度的方法，计算出各个区间的广义复杂度值。在计算过程中，主要 运用m a t l a b 软件进行算法的编程和计算。选择好相应的复杂度计算量，求出各组 癫痫病发病时候脑电图数据的复杂度。对脑电图数据的复杂度进行观察和计算， 得出癫痫病发病前脑电图数据复杂度的变化状态，选择一个适当的预测指标，当 指标符合预测数值时就可以得出预测结论。实现了对癫痫病患者发病的预测。 结果 通过对2 1 名癫痫病患者在癫痫病发病期间及其前后的脑电图的数字信号的 广义复杂度的计算，观察这些信号在该患者发病的前期、中期、后期的广义复杂 度的变化情况，实现了对癫痫病发病的预测。用m a t l a b 软件计算出每一名癫痫病 患者在各自发病期间及前后的脑电图的数字信号的复杂度，得出复杂度的数据， 通过观察这些数据，能够明显的看出，每一名患者在发病期间的脑电图的复杂度 有了明显的变化，而且这种改变并不是仅仅局限在该患者的发病区间，而是在发 病前的一到两分钟内就有所改变，利用癫痫病发病前脑电图复杂度有明显变化的 这一特点，可以实现对癫痫病发病的预测。在癫痫病发病脑电图复杂度的数据中， 可以选择一个预测指标，当复杂度变化满足预测指标要求是，得出预测结果。因 此实现了对癫痫病发病的一个短期的预测，时间多数在2 分钟之内，尽管时间很 短，但是对于癫痫病患者的生命安全起到了非常重要的作用。 结论宝口匕 脑电图是脑神经细胞群电生理活动在大脑皮层的总体反应。实验表明，脑电 所现实的性质是复杂系统共性表达的性质，因此可以用复杂系统的非线性理论来 研究脑电波的行为。癫痫病发病时，脑神经细胞群电生理活动发生了不规则的变 化，进而体现在脑电图的数据复杂度上也发生了较明显的改变。通过对2 1 名癫痫 病患者脑电图的复杂度分析，发现癫痫病在发病前，脑电图信号的复杂度发生了 较明显的改变。本文提出了一种基于广义复杂度的癫痫发作预测方法，并将该方 法运用到f d m 数据库，对2 1 名病人癫痫病发作的数据进行预测研究，平均准确 率可达9 4 3 。实验结果表明，本文所提出的方法可以有效地预测到癫痫发作。 2 尽管预测时间平均为几十秒的数量级，但对于癫痫患者及时地采取预防措施仍有 着重要的意义，可以为预防和控制癫痫发作提供重要的临床应用价值。利用这一 特性，可以通过对脑电图的复杂度的分析，对癫痫病发病进行预测。有效地提高 癫痫病患者的生活质量，降低癫痫病患者的生命危险。 关键词 脑电图；复杂度；广义复杂度；癫痫病；预测。 3 英文论著摘要 f o r e c a s t i n gm e t h o d s o f e p i l e p t i cs e i z u r e sb yu s i n g g e n e r a l i z e dc o m p l e x i t y o b j e c t i v e i nr e c e n ty e a r s ，嬲ah o ti s s u ei nt h en o n l i n e a rr e s e a r c h , c o m p l e x i t yi si n c r e a s i n g l y u s e di na n a l y s i n ge e g ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ) s i g n a l s ，s u c ha sa p r o x i m a t ee n t r o p h y , k o l m o g o r o ve n t r o p h ya n dl e m p e l & z i vc o m p l e x i t y , e t c w h i l s tt h eu s a g eo f g e n e r a l i z e dc o m p l e x i t yi s e l e v a t e db e c a u s eo fi t s a d v a n t a g ei n t h ea n a l y s i so f c o n t i n u o u ss i g n a l g e n e r a l i z e dc o m p l e x i t yd e f i n e st h ed e g r e eo fc o m p l e x i t ya m o n g c h a r a c t e r si nas t r i n go fc h a r a c t e r st h r o u g hc o m p u t i n gt h ed e g r e eo fc o r r e l a t i o no ft h e m t w oo rm o r et y p e so fc h a r a c t e r sc a ne x i s ti n t h i s s t r i n g p r e d i c t i n gt h es e i z u r e so f e p i l e p s yb ym e a n so fc o m p u t a t i o no fg e n e r a l i z e dc o m p l e x i t ya n da n a l y z i n gt h e e p i l e p t i cp a t i e n t s e e g ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ) s i g n a l s ，w h i c ha r er e s t o r e dt ot h e o r i g i n a ld i g i t a ls i g n a l s ，w e w i l la n a l y z et h e s ed i g i t a l s i g n a l sb yu s i n gg e n e r a l i z e d c o m p l e x i t yc o m p u t a t i o nw i t hm a t l a bs o f t w a r e w ew i l l s e l e c tt h e b e s tv a l u eo f g e n e r a l i z e dc o m p l e x i t y ( r e l a t e dc o n d i t i o n so fd i f f e r e n to r d e r so rd i f f e r e n tc h a r a c t e r ) t o c a l c u l a t et h e c o m p l e x i t yo ft h ee e gs i g n a l s ，a n ds e l e c tp r e d i c t i v ei n d i c a t o r s b y o b s e r v i n gt h ec h a n g e so fe e gs i g n a l sc o m p l e x i t yo fe p i l e p t i cp a t i e n t s ，w ec a np r e d i c t t h ee p i l e p t i cs e i z u r e s ，w h i c hc a nm a k ep a t i e n t sh a v ep r e p a r a t i o nb e f o r e s e i z u r e ， i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e i rl i v e s ，a n dr e d u c et h el i f er i s ko fe p i l e p t i cp a t i e n t s m e t h o d s t h i sa r t i c l eu s e st h eo p e n s o u r c ed a t a b a s eo n l i n e ( h t t p ：l l w w w f d m u n i f r c i b u r g d e - g r o u p s t i m e s e r i e s e p i e e g d a t a ) 一t h ef d m ( f r e i b u r gc e n t e rf o rd a t aa n a l y s i sa n d m o d e l i n g ) a sas a m p l e 2 1e p i l e p t i cp a t i e n t sa r ec o l l e c t e di nt h i ss a m p l e t h ee e g s i g n a li sr e c o r d e db e f o r e ，d u r i n ga n da f t e rt h es p a s mo ft h ed i s e a s e ，a n dt h ed u r a t i o no f 4 t h er e c o r d i n gi s2 4h o u r s g a t h e r i n gt h ee e g s i g n a lo fe p i l e t i cp a t i e n t si sar a t h e r d i f f i c u l tt a s kb e c a u s eo ft h ep a r o x y s m a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ed i s e a s e ，e s p e c i a l l yt o c o l l e c tt h ee e g s i g n a lb e f o r et h es p a s mo ft h ed i s e a s e t h e r e f o r e ，t h i ss a m p l ep r o v i d e s a l le x c e l l e n tb a s i sf o rt h er e s e a r c h a n a l y z i n gt h ed a t ao fp a t i e n t s e e gi r rt h ep e r i o do f e p i l e p s ys e i z u r eb yu s i n gm a t l a bs o f t w a r ea n dr e s t o r i n gt h ee e gi m a g es i g n a l so f e p i l e p t i cs e i z u r et ot h eo r i g i n a ld i g i t a ls i g n a l s ，w eu s et h e s ed i g i t a ls i g n a l st oc a l c u l a t e t h ec o m p l e x i t yo fe v e r yi n t e r v a lb ym e a n so f g e n e r a l i z e dc o m p l e x i t yc o m p u t a t i o n i n t h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o n , w em a i n l ya p p l ym a t l a bs o f t w a r et op r o g r a ma n dc a l c u l a t i o n o ft h ea l g o r i t h m w ew i l ls e l e c tc o r r e s p o n d i n gc o m p l e x i t yv a l u e ，a n df i n do u tt h e c o m p l e x i t yo f e a c hg r o u p se e gd a t ai nt h ep e r i o do fe p i l e p s ys e i z u r e o b s e r v i n ga n d c a l c u l a t i n gt h ec o m p l e x i t yo fe e gd a t a ，w ec a ng e tt h ec h a n g i n gs t a t eo fc o m p l e x i t yo f p a t i e n t s e e gd a t ab e f o r et h ee p i l e p t i cs e i z u r e ，a n dc h o o s eap r o p e rp r e d i c t i v ei n d i c a t o r i ft h ei n d i c a t o rm e e t st h ep r e d i c t e dv a l u e ，w ec a nd r a wap r e d i c t i v ec o n c l u s i o n t h e n w er e a l i z e t h ep r e d i c t i o no fs e i z u r e so f e p i l e p t i cp a t i e n t s r e s u l t s t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no fc o m p l e x i t yo f2 1e p i l e p t i cp a t i e n t s e e gd i g i t a ls i g n a l i nt h ep e r i o do fs e i z u r e ，w eo b s e r v et h ec h a n g i n gs t a t eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h e s e s i g n a l s ，a n dr e a l i z et h ep r e d i c t i o no fe p i l e p t i cs e i z u r e w eu s em a t l a bs o f t w a r et of i n d o u tc o m p l e x i t yo fe v e r ye p i l e p t i cp a t i e n t se e g d i g i t a ls i g n a li nt h ep e r i o do fs e i z u r e a n dg e tt h ed a t ao fc o m p l e x i t y t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no ft h e s ed a t a , w eo b v i o u s l y k n o wt h a te v e r yp a t i e n t se e g c o m p l e x i t yh a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e dd u r i n gt h ep e r i o d o fs e i z u r e s ，a n dt h i sd e c r e a s ei sn o to n l yr e s t r i c t e dt ot h ep e r i o do fs e i z u r e sb u ta l s oi na f e wm i n u t e sb e f o r es e i z u r e w i t ht h ec h a r a c t e rt h a te e gc o m p l e x i t yh a so b v i o u s c h a n g eb e f o r es e i z u r e ，w ec a nr e a l i z et h ep r e d i c t i o no fe p i l e p t i cs e i z u r e w ec h o o s ea p r o p e rp r e d i c t i v ei n d i c a t o rf r o mt h ed a t ao ft h ee e gc o m p l e x i t yo fe p i l e p t i cs e i z u r e i f t h ei n d i c a t o rm e e t st h ep r e d i c t e dv a l u e ，w ec a nd r a wa p r e d i c t i v ec o n c l u s i o n t h u s ，w e f u l f i l las h o r t t e r mp r e d i c t i o no f e p i l e p t i cs e i z u r e ，a n dt h ed u r a t i o ni sa r o u n d5m i n u t e s a l t h o u g ht h et i m ei ss h o r t ，i th a sv i t a le f f e c to nt h es a f e t yo fe p i l e p t i cp a t i e n t s 5 c o n c l u s i o n e e gi st h eo v e r a l lr e a c t i o no fn e r v ec e l l s e l e c t r i c a lp h y s i o l o g i c a la c t i v i t i e si nt h e b r a i n t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep r o p e r t i e so fb r a i nw a v e sa r ec o m p l e xs y s t e m c o l n l n o ne x p r e s s i o n ，t h eb e h a v i o rt os t u d yt h eb r a i nw a v e sb yu s i n gn o n l i n e a rt h e o r yo f c o m p l e xs y s t e m w h e np a t i e n t sh a v ee p i l e p s y , t h eb r a i nc e l l se l e c t r o p h y s i o l o g i c a l a c t i v i t yi si nd i s o r d e r , a n dt h ed a t ac o m p l e x i t yt h a tr e f l e x e so nt h ee e gh a so b v i o u s l y c h a n g e t h r o u g ht h ea n a l y s i so f2 1e p i l e p t i cp a t i e n t s e e gc o m p l e x i t y , w ef i n dt h a t b e f o r ee p i l e p s ys e i z u r ee e gs i g n a l s c o m p l e x i t yh a so b v i o u sc h a n g e s w i t ht h e c h a r a c t e rt h a te e gc o m p l e x i t yh a so b v i o u sc h a n g eb e f o r es e i z u r e ，w ec a nr e a l i z e p r e d i c t i o no fe p i l e p t i cs e i z u r e t h i sa r t i c l ep r o p o s e sam e a n so fp r e d i c t i n gt h es p a s mo f e p i l e p s yb a s e do nt h eg e n e r a l i z e dc o m p l e x i t ya n dp u t si ti n t ot h ef d md a t a b a s e t h e a v e r a g ea c c u r a c yr e a c h e s9 4 3 t h r o u g ht h ep r e d i c t i o nr e s e a r c ho ft h ed a t ao f21 e p i l e p t i cp a t i e n t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e c a nf o r e s e et h es p a s mo fe p i l e p s y a l t h o u g ht h ea v e r a g ep r e d i c t i o nt i m ei ss e v e r a l s e c o n d s ，i ti ss t i l lm e a n i n g f u lf o rt h ee p i l e p t i cp a t i e n t st ot a k ep r e v e n t i v em e a s u r ea n di t i sc l i n i c a l l yv a l u a b l ea n di m p o r t a n t b yu s i n gt h i sc h a r a c t e r i s t i c ，w ec a np r e d i c tt h e s p a s mo fe p i l e p s yt h r o u g ha n a l y s i so ft h ec o m p l e x i t yo fe e g , i m p r o v ee p i l e p t i c p a t i e n t s l i v i n gq u a l i t ya n dr e d u c et h er i s ko fd e a t hf o re p i l e p t i cp a t i e n t s k e vw o r d s e e g ；c o m p l e x i t y ；g e n e r a l i z e dc o m p l e x i t y ；e p i l e p t i cs e i z u r e s ；f o r e c a s t i n g 6 缩略词表 7 论文 利用复杂度对癫痫病发作进行预测方法的研究 刖吾 癫痫是一种疾病和综合征【l 】，以脑部神经元反复突然过度放电所致的间 歇性中枢神经系统功能失调为特征。是一种起源于大脑，并反复发作的运动 感觉、自主神经、意识和精神状态不同程度的障碍。发作性是癫痫一个基本 特征，所谓发作性，是指症状突然出现，也突然中止。 据报道 2 1 ，目前全世界人口的癫痫病患病率为0 5 一2 。由世界卫生组织在 我国组织的大规模调查报告表明，国内患病率为o 8 ，这意味着国内有大约一千 万癫痫病患者。 癫痫给患者带来了身体上和精神上的痛苦【3 】，也给人民生活造成极大的损失。 癫痫发作时对人体的危害是多方面的，其中最重要的是对大脑的损伤，另外发作 时呼吸暂停、脑细胞缺氧、水肿，也可加重脑细胞的损伤，这些神经细胞的损伤， 不但可导致记忆力下降、性格改变、反应迟钝，还可使癫痫发作频繁。但是如果癫 痫病人在发作前有所准备，那么将大大降低病人的危险。无论在发达国家还是在 发展中国家，癫痫都是一项重要的公共卫生问题。在癫痫病的患者当中有四分之 一药物治疗无效，也不适宜手术治疗。一旦癫痫病发作，患者不但要承受巨大的 痛苦，而且，严重时候甚至有生命危险。如果能在病人发病前得到有效的预测， 使病人能在有准备的情况下采取一些必要的措施，则可以大大的减少病人的痛苦， 改善癫痫病人的生活质量 4 1 。 传统的癫痫诊断主要依靠询问临床病史和检查脑电图中是否存在痫性脑波， 在发作期及发作间期e e g 可出现特异的癫痫波，但几乎所有病人在做临床测试时并 无癫瘸发作；而发作间歇期约5 0 病人脑电图上没有痫性电活动，因此往往缺乏客 观依据而难以确诊及预测【5 j 。 现有的利用脑电信号分析进行预测的算法种类多，从方法上来分，可以分为两 类：线性方法( 如时分析、累积能量) 和非线性方法( 如相关维数、l y a v 指数【6 】、相似 8 性测度【列) 。 线性方法是最早采用的通过脑电图预测癫痫的方法，主要是基于频域分析，其 计算简单。q i n t 8 】等比较了时频轮廓图、极点分布图以及频段幅度分析等方法的预 测能力，结果发现这些指标或者是在发作前的变化不显著，或者是找不到一个合 适的测度来衡量。o s o r i o 9 】等采用一种基于时频分析的算法分析了1 2 5 段发作期的 皮层脑电信号和2 0 5 段发作间歇期的信号，结果显示尽管此方法的敏感性和特异性 都很高，且对9 2 的发作都可预测，但平均预测时间仅为1 5 5 s 【10 1 。通常认为采用线 性方法仅在癫痫发作前几秒内才能预测到。由于预测时间太短，而且线性分析可 能丢失脑电活动中的非线性信息所以这种预测的实际效果不好。 近年来，许多新的非线性方法被引入脑电信号的分析中，如分维数、复杂度、 近似熵( a p pr o x i m a t e e n t r o p y ，a p e n ) 等1 1 1 】，对正常人在各种功能状态下的脑电和一些 病理状态下的脑电进行了研究，结果表明非线性动力学方法比传统方法更能反映 大脑的状态变化，复杂度作为非线性研究领域中的热点问题，被越来越多地应用在 脑电信号处理领域，如近似熵、k o l m o g o r o v t l 2 1 熵和l e m p e l & z i v 【2 】复杂度等。 因此本文提出用广义复杂度的方法对癫痫病的发作进行预测 本研究的主要目的在于：( 1 ) 通过计算癫痫病患者发病期间以及其前后的复 杂度，观察期复杂度的变化；( 2 ) 通过对复杂度的变化的研究，确定其对癫痫病 有预测的作用；( 3 ) 根据预测指标，对癫痫病的发病做预测，保护癫痫病患者的 生命安全，提高生活质量。 材料与方法 一、数据来源 以往文献中的预测结果有些虽然看起来很理想，但大多是针对自己采集的有 限数据得到的，当运用于不同数据库时，其可预测性和预测效果都遭到质疑。2 0 0 2 年4 月，l e h n e r t z 和l i t t 在德国波恩主持举行了第一届癫痫预测国际合作讨论会，有 7 个国家1 6 个研究中心的5 1 位研究人员参加了会议。l e h n e r t z 和l i t t 事先向与会人员 提供了统一的癫痫脑电数据，以利于比较不同研究者采用不同预测方法的有效性。 其中8 个研究组的报告中，有三个给出了肯定的结果，有四个报告给出了否定的结 9 果，另有一个报告则根据其使用方法的不同而分别给出肯定和否定的结果。这说 明选用统一数据库来研究癫痫发作预测是十分必要的。由于此数据库并未公开， 本文选用网上公开的f d m ( f r e i b u r gc e n t e rf o rd a t aa n a l y s i sa n dm o d e l i n g ) 数据库 ( h t t p ：w w w f d m u n i f r e i b u r g d e g r o u p s t i m e s e r i e s e p i e e gd a t a ) 作为研究样本。 图1 是该数据库的下载界面，每一名患者的下载信息共三个内容，包括这名患者的 发病起始时间和结束时间，患者发病期时所在时间段的脑电图数据和患者在被监 测的2 4 d 时内没有发病时候的脑电图数据。其中第1 2 名患者是采用的5 1 2 h z 的脑电 图数据，而其他患者采用的2 5 6 h z 的脑电图数据。为了使预测的结果具有可比性， 本研究只针对2 5 6 h z 的2 0 名患者进行脑电信号的广义复杂度的分析预测，因此，第 1 2 名患者没有参与到本研究的预测当中。 1 0 | i 。二。 s 矗_ 聪蝴l ，如划埘! 熙i 酬熙嘣叫h “i i s 略知一一 1 ) l l r a t m ；l 一；嗍 一一；嗍：钿妇 啊椭 奄1 一 lf1 5靶口州 p酶椭1 醯勉d 。甾4 笾l 酬2 4 让 tl 一z 2囊，l 秘臼。钟c ：嚣 知即d 煎喇：照蚓渤 弘h： 31 4瓣凇榭 p鲥i 叠蛔瓴5 篮糊为： m l 4f 。筠箭垭饼鬯嚣 钿肇d伽参锄馥幽t l l 3 ，整蝌拍 孔il lf ：1 6 观观饿淑蒯 p洲l t 撼划：豫l 嫩妇堪1 7 ” n h3 量| 四，淝 冀 k 聊耐酬f 也p织l 遂魁 破，麴嘲跫l j筋 l 一一 ? 掌1 2 融删糕 翔啊d d 蝴l 漉堂酬i5 5 7 墅醺燃2 ；船 黔i l lf款沁 隧 p嘲访l 施? 幽；强笾煳激l嚣l 2 多 纛髓 明敝 呷嘲内蛹叫”筠l 幻s 施鲤嘲；妊麴魉幽绉 勰l童 埔4 7 鼹愈皤馋e 了a 啊一 d霉0 7l ：毯l ；塑捡1 0 1 荔霸l 鲕函毫罐2 筠 霉 弘hl l lfl 番秘规g 踅愆h 涮 鼙聪粥i 趣。魈缒，螂鲫躐珏；筠l l 懈l 妇：=氍h 越7罄h 1 |i 缱f躲甜j c l 傩麓 铀删蛳 il 蓠 j h i bf2 2 瀚嗣l 锹 e强甲耐酬每 裕啪l 熬幽菇毯幽2 淞 孔l k _ 1 4害毒i 铮。锹魏凇：轴融伯肇瞄 如$ 艄i 镳燃嘲；鄹划飙l豁耘薹 1 53 i 娩粥魄愆 翻移一 缸8 溯l 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