基于多变量Granger因果分析研究癫痫发作间歇期痫样EEG在δ频段的功能连接

摘要

研究目的:颞叶癫痫EEG的δ频段是与癫痫发作相关的特征频段，鉴于以往的研究尚未发现在癫痫发作间歇期EEG在δ频段存在过度放电传导的功能网络。本论文基于频域多通道Granger因果分析，研究颞叶癫痫发作间歇期的痫样放电EEG在δ频段的过度放电的功能网络，为研究颞叶癫痫发病的过度放电机制提供支持。
　　 研究方法:
　　 1.实验数据:数据来自天津市神经病学研究所，分别来自9名颞叶癫痫患者在发作间歇期的痫样放电、非痫样放电以及9名正常对照受试者。每名受试者分别记录10段各20s的16通道EEG信号。
　　 2.数据预处理:分为三组:癫痫发作间歇期痫样放电组;非痫样放电组;正常对照组。从每个通道原始EEG中分别减去相应的趋势拟合项，获得零均值的EEG;同时去除伪迹和工频干扰。
　　 3.应用短时傅里叶变换对各个通道的EEG进行时频分析，计算每段数据16通道的平均EEG能量在不同频域的分布，获取能量分布集中的频段范围。
　　 4.应用带通滤波获取EEG的各频段的分量，其中δ分量频域在(0.5～4Hz)。
　　 5.基于多变量频域Granger因果方法研究EEGs信号在δ频段的功能连接网络
　　 应用多变量自回归(MultivariateAutoregressive，MVAR)模型的频域Granger因果分析，计算9名颞叶癫痫患者10次痫样放电的EEGs在δ频段分量的因果关系，重点分析在病灶区（左颞叶癫痫:T3、T5，左颞叶癫痫:T4、T6）与额区(Fp1、Fp2、F3、F4)和顶区(C3、C4)之间的因果关系，包括:
　　 (1)定向传递函数(DirectedTransferFunction,DTF)
　　 计算每名患者10次DTF平均值γδ。为了比较痫样放电组与非痫样放电组、正常对照组δ频段因果网络的功能连接，同时对9名正常对照组和2名非痫样放电组各10次EEGs计算了DTF平均值γδ。
　　 (2)直接因果（DirectCausality，DC）
　　 应用直接因果(DC)检测方法，计算每段数据的DC值来评估16个记录点之间EEG因果关系的真伪，获得其因果关系网络连接。
　　 (3)计算16个记录点在因果关系中的BC（BetweennessCentrality）值分别计算16通道EEG各个记录点对T5/T6的BC值，检测在三种状态下，在EEGδ频段因果网络连接中的与T5/T6有重要传导作用的记录点。
　　 研究结果:
　　 1.颞叶癫痫发作间歇期痫样放电状态下，多通道EEGs能量主要集中在0.5～15Hz范围中，包括δ频段(0.5～4Hz)，θ频段(5～8Hz)，α频段(9～12Hz)，β频段(13～30Hz)。
　　 2.在EEG的δ频段
　　 (1)DTF
　　 颞叶癫痫发作间歇期痫样放电组，从下颞叶（左:T5，右:T6）到额区、顶区在δ频段的DTF值γδ在网络中最大:6名左颞叶癫痫（从T5到额区、顶区）γδ范围:0.1323±0.0329～0.1670±0.0289;3名右颞叶癫痫（从T6到额区、顶区）γδ范围:0.1383±0.0204～0.1633±0.0431;
　　 与以上结果对比，9名正常对照组，下颞叶T5/T6到额区、顶区之间的γδ的范围在0.013240.0029～0.0197±0.0024。2名非痫样放电组下颞叶T5/T6到额区、顶区之间的γδ的范围在0.0217±0.0087～0.0757±0.0074。
　　 (2)DC检测
　　 应用DC检测评估因果关系的真伪，经DC检测剔除了伪因果关系，真因果关系的D值在0.0571～0.1774。
　　 (3)BC
　　 以病灶T5/T6为基准点，痫样放电组经BC检测得到受影响度最大的节点在额区(Fp1、Fp2、F3、F4)，其BC值在0.5～0.67;正常对照组的BC值在0～0.02;非痫样放电组的BC值在0～0.12。
　　 3.与EEG的θ、α、β频段相比
　　 在颞叶癫痫发作间歇期痫样放电时，EEGsθ、α频段的下颞叶(左:T5，右:T6)到额区、顶区的DTF值γ在0.1346±0.0118～0.1741±0.0111，受影响度最大的节点在额区(Fp1、Fp2、F3、F4)，其BC值在0.5～0.66，与EEGδ频段相比，因果网络连接在同一水平上。
　　 EEGsβ频段，DTF值在0.1374±0.0133～0.1677±0.0112。
　　 研究结论:
　　 1.在癫痫发作痫样放电状态下，EEGs在δ频段由病灶下颞叶区（T5/T6）传递到额区和顶区，在下颞叶区与额区、顶区之间存在有功能连接的网络。连接水平与EEGs在θ、α频段一致。
　　 2.正常对照组，EEGs在δ频段不存在功能连接网络。
　　 3.非痫样放电组，EEGs在δ频段在下颞叶区与额区、顶区之间连接较弱，网络功能弱。
　　 4.在癫痫发作痫样放电状态下，EEGs在θ、α频段也存在较强连接，其网络连接水平与δ频段网络一致。EEGs在β频段不存在功能连接网络。

目录

声明

摘要

缩略语／符号说明

第1章 前言

1．1 癫痫及癫痫EEG特征

1．2 研究背景

1．2．1 Granger因果关系分析

1．2．2 基于多变量回归(MVAR)模型的Granger因果关系分析

1．2．3 直接因果关系检测(Direct Causality，DC)

1．2．4 BC(Betweenness Centrality，BC)度量值

1．3 研究目的

1．4 研究内容

1．5 论文的结构

1．6 论文的创新点

第2章 原理与方法

2．1 实验数据

2．2 EEG数据预处理

2．2．1 伪迹剔除

2．2．2 去除基线漂移

2．3 EEG时频分析

2．4 基于MVAR模型的频域Granger因果关系分析

2．5 直接因果关系检测(DC)

2．6 计算节点在因果网络中的重要性(BC)

2．7 统计学处理方法

第3章 结果

3．1 痫样放电组、非痫样放电组和正常对照组的EEG时频分析

3．2 基于MVAR模型Granger因果分析的EEG δ频段的功能连接

3．2．1 痫样放电组EEG δ频段的因果分析

3．2．2 正常对照组EEG δ频段的因果分析

3．2．3 非痫样放电组EEG δ频段的因果分析

3．2．4 三组因果关系度量值比较的t检验

3．3 EEG θ、α、β频段的因果关系分析

3．3．1 痫样放电组EEG的因果分析

3．3．3 正常对照组EEG的因果分析

3．3．3 非痫样放电组EEG的因果分析

3．3．4 三组因果关系度量值比较的t检验

第4章 结论与讨论

4．1 结论

4．2 讨论

4．2．1 基于MVAR模型和BIAR模型的因果分析

4．2．2 颞叶癫痫发作间歇期痫性EEG分析δ频段的功能连接

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述 因果关系的研究进展

致谢