基于EEG信号分析的癫痫诊断研究与发展

基于EEG信号分析的癫痫诊断研究与发展

李敏佳赵兴群

东南大学生物科学与医学工程学院江苏南京210096

摘要：癫痫是大脑异常放电引起的短暂性脑功能失调综合征，是一种常见的神经系统疾病。据统计，患病率超过4‰。其中1/3以上癫痫患者还可出现各种精神障碍，严重影响人们正常的生活。脑电图检查对癫痫的确诊具有重要意义，对癫痫的鉴别具有决定性作用。最初的脑电图检查主要依靠医师的肉眼观察，具有较强的主观性，近年来，国内外对于脑电信号处理方面的研究日益增多，许多经典的或现代的信号处理分析方法已开始应用于脑电信号中，为癫痫的诊断提供了更准确和客观地方法。

关键词：癫痫脑电图信号处理

1、癫痫的特点及诊断方法

癫痫是一组反复发作的脑异常放电所致的短暂性脑功能失调综合征，是精神科常见病之一。欧美国家的患病率一般为4‰[1]。我国流行病调查中患病率为4.6‰，年发病率约为0.3‰[2]，癫痫患者之中约1/3以上可出现各种精神障碍。原发性和症状性癫痫均可发生精神障碍。癫痫性精神障碍与精神分裂均为精神疾病，两种疾病的临床症状比较相似，一般都包括感觉障碍、思维障碍、情感障碍、精神障碍等症状[3]，临床经常把癫痫所致精神障碍误诊为精神分裂症，因此，对其进行正确鉴别有着重要临床意义。

癫痫的早期诊断主要运用影像学检查，虽操作简单、无创伤，但是阳性率较低，且存在较多的伪差，所以在后来的诊断中，脑电图检查起着决定性的作用，它能够给癫痫的诊断、分类、预后提供重要依据，弥补影像学检查的多种不足[4]。癫痫样放电在脑电图中主要表现为：出现高幅失律、尖慢波、棘慢波、尖波、多棘慢波、棘波或突出背景的节律性放电[5]，用于癫痫患者中，能够通过分析患者脑电特征，确定病种类型，实施相应的诊治方案，利于患者病的情恢复，且能够对病情起到监测、判断作用。同时，脑电图检查具有无创性、安全性高、操作简单等优点。

2.脑电信号处理的发展

脑电信号(EEG)是通过电极记录的脑电细胞群的自发性、节律性的电活动，包含了大量的生理与病理信息，对其作深入的研究有助于临床医生提高对大脑神经系统损伤病变检测和诊断的可靠性和准确性，故脑电图检查在临床诊断中起着越来越重要的作用。

最初，脑电图(EEG)的研究主要通过临床医师的目测完成，利用经验消除伪差和干扰，并且根据脑电图波形的频率、幅度和瞬态分布等给出评价和结论。这使得脑电信号的特征提取与特性分析停留在主观水平上。近代以来，国内外针对脑电信号进行特性分析和特征提取的课题研究日益增多，许多经典或现代的信号处理分析方法已经应用于脑电信号处理中，且己初见成效。

首先是信号的频域分析。其中，功率谱分析是EEG信号处理最常用工具，源自傅立叶变换。它的前提是平稳的随机信号，对非平稳随机信号，则不同时刻的谱分析结果是不同的。目前常用的方法之一是以短时傅立叶变换为基础的周期法，但此方法存在频率分辨率差的弊端。为了能得到高分辨率的分析结果，从而为EEG信号频域特征的提取提供新的有效手段，利用AR参数模型谱估计方法对数据处理得到广泛应用，特别是在动态特性分析中此方法优越性较大。

其次是时域分析。它主要用来直接提取波形特征,如过零截点分析、直方图分析、方差分析、相关分析、峰值检测及波形参数分析、相干平均、波形识别等。通过肉眼观察脑电图的实时波形可看做是一种原始的、最简单的时域分析方法。

根据频率和振幅的区别，可以将脑电波分为4种基本类型，即α波、β波、δ波及θ波。这4种波形的起源和功能也不相同。癫痫会出现异常脑电波，如多棘慢波、尖慢波、棘慢波、尖波等。无论正常还是异常的脑电波，都是时变性的非平稳信号，即不同的时刻有着不同的频率，单纯的时频域不能准确地表征信号，对于病态的异常脑电波则显得尤为明显，必须时频结合才能进行有效处理。所以时频分析在脑电信号处理中得到了越来越广泛的应用。

目前有将小波变换和人工神经网络相结合的方法检测脑电图信号中的棘波与尖波成分。利用小波变换对基于ANN的EEG检测系统的输入进行预处理，从而在不减少信号的信息内容及不降低检测性能的前提下简化ANN的输入模式。

3、结论及展望

由于癫痫发病率较高，类型多样，发作的表现形式也不同，还会产生精神障碍，一方面对患者的正常生活产生更为严重的影响，另一方面容易和其他精神疾病混淆造成误诊，延误治疗，所以提高癫痫的诊断效率和准确性有重要的临床意义。

进一步展望，可将脑电分析与磁共振等影像学检查、生化检查等常规检验科检查相结合，构建癫痫患者信息的完整刻画，再通过深度学习，产生集癫痫时间预测、病灶定位、生理特征分析为一体的诊断系统，更好的对癫痫进行诊断和治疗。

参考文献：

1.王忠诚，等.北京长安街地区居民神经系统疾病的流行病学调查[J].中华神经精神科杂志1984；（2）：72

2.李世绰，等.中国六城市居民癫痫的流行病学调查[J].中华神经精神科杂志1986；（4）：193

3.袁小平,白玉红.精神分裂症与癫痫性精神分裂样精神障碍临床特征的对照观察[J].中国民康医学,2004,16(8):470-472.

4.秦培英,李莉萍,王红星,等.岛叶癫痫患者的临床特征及头皮录像脑电图分析[J].中华医学杂志,2016,96(47):3797-3799.

5.马淑琴,洪芳.脑电图监测在癫痫患者诊断中的临床应用[J].中西医结合心血管病电子杂志.2017(16)