脑电非线性分析评价缺氧缺血性脑损伤引起的意识障碍

樊丽娟, 彭享胜, 董秋艳, 黄 楠, 吴东宇

（1武警北京市总队第二医院神经内科, 北京 100037; 2首都医科大学宣武医院康复医学科, 北京 100053）

随着医疗技术的不断发展, 心肺复苏成功率进一步提高, 但遗憾的是，心肺复苏患者中 80%仍处于意识障碍状态[1], 如植物状态、最小意识状态等。此类患者及家属面临巨大的社会、经济及伦理等多方面问题, 只有做出正确的评估及预测, 才能进一步了解治疗的有效性, 患者才不致丧失治疗机会。目前的医疗现状尚缺乏对大脑的功能变化及工作原理的研究, 因此严重阻碍了医疗工作者对意识状态微小变化的判断, 影响临床治疗。

近年来, 基于混沌特性的脑电非线性方法具有定量、直观及包含所有原始脑电信息的特点, 已用于医学的多个领域, 均取得了一定的成果。本研究在前期工作基础上, 利用脑电非线性分析参数, 包括关联维数、复杂度及近似熵, 定量评估缺血缺氧性脑损伤意识障碍的严重程度, 旨在为临床治疗和预后判断提供线索。

1 对象与方法

1.1 对象

研究对象为 2008年～2010年宣武医院神经康复科患者 60例, 根据意识情况分为病例组与对照组，每组30例。

病例组男性 16例, 女性 14例, 平均年龄（48±19）岁; 病因为一氧化碳中毒9例、麻醉意外5例、分娩4例、药物过敏性休克3例、窒息5例、代谢紊乱4例。纳入标准: （1）均有明确的脑部缺氧病史, 且有脑部弥漫性受损表现, 符合缺血缺氧性脑病诊断[2,3];（2）发病时间≤6个月; （3）病例组格拉斯哥昏迷评分量表（Glasgow coma scale, GCS）评分≤8分, 且所有患者均按美国多中心工作组[4]和Giacino等[5]制定的标准确定意识水平, 符合植物状态及最小意识状态的诊断; （4）初次发病。排除标准: （1）全身痉挛状态导致严重肌电干扰; （2）生命体征不平稳无法配合检查; （3）明显的交通性或梗阻性脑积水; （4）闭锁综合征。

对照组为同期住院的脑损伤后意识正常的患者,其中男性22例, 女性8例, 平均年龄（51±14）岁。脑损伤的病因为脑梗死、脑出血及脑外伤。

1.2 检查方法

采用四川省智能电子实业公司生产的 ZN16E型高频、无线脑电信号放大器, 放大器的采样功率为500 Hz, 通频带为0.3～100Hz, 模/数转换位数为12位。受试者要求安静闭目, 以双耳垂为参考电极,按照国际标准导联安放, 记录16导脑电信号。分别对安静闭眼、听觉刺激及痛觉刺激3种状态进行脑电信号采集。

1.3 脑电非线性分析

本研究采用的非线性指数为关联维数、复杂度和近似熵。关联维数, 主要描述混沌系统自由度信息, 反映动力学过程的复杂性, 是较易计算出来的一种测度维数, 依据 Pincus等[6]的算法计算; 复杂度: 指一件事物是由计算机的语言长度来描述, 计算机语言长度越长, 复杂度越高; 近似熵: 描述脑电信号复杂性和规律性, 可以通过对既往数值的测量, 对未来数值进行量化预测的非线性指数, 参照Ashcraft等[7]的算法计算。以上3种非线性指数值越高,表示所测脑电信号越复杂, 大脑皮质兴奋性越高。

1.4 统计学处理

采用SPSS17.0统计软件包处理。计量资料符合正态分布数据采用均数±标准差表示。病例组与对照组之间的比较采用独立样本t检验; 其中状态之间（安静闭眼、听觉刺激、痛觉刺激）的比较采用单因素方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 患者一般临床资料

两组患者在性别、年龄方面的差异无统计学意义;病例组病程（122±57）d, 对照组病程（73±65）d, 差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.2 病例组患者意识状态评分

病例组 GCS评分（7.9±1.6）分, Rappaport昏迷量表评分（21±4）分, JFK昏迷恢复量表评分（6.8±1.2）分。

2.3 两组患者非线性指数的变化

对两组患者在不同刺激状态下的脑电非线性分析指数进行比较, 结果显示, 病例组的关联维数、复杂度及近似熵均低于对照组, 差异均有统计学意义（P＜0.05; 表1）。对照组在听觉刺激及痛觉刺激状态下非线性指数高于安静闭眼状态（P＜0.05; 表2）,说明在不同刺激状态下, 相应脑区脑电非线性指数增高, 复杂性较高, 神经元网络活动增加; 而病例组不同刺激状态下非线性指数无明显差异。

表1 两组患者关联维数、复杂度及近似熵比较Table 1 Correlation dimension, complexity, and approximate entropy of the patients in two groups (n=30,±s)

表1 两组患者关联维数、复杂度及近似熵比较Table 1 Correlation dimension, complexity, and approximate entropy of the patients in two groups (n=30,±s)

注: 与对照组比较, ***P＜0.001; 与同组中安静闭眼比较, #P＜0.05

状态 病例组 对照组 病例组 对照组 病例组 对照组关联维数 复杂度 近似熵安静闭眼 2.50±0.39*** 3.52±0.35 0.20±0.03*** 0.38±0.07 0.53±0.15*** 0.74±0.12声音刺激言语 2.34±0.39*** 3.58±0.39# 0.19±0.04*** 0.41±0.12# 0.52±0.16*** 0.79±0.12#音乐 2.33±0.41*** 3.57±0.34# 0.20±0.03*** 0.40±0.06# 0.51±0.14*** 0.79±0.11#疼痛刺激患侧 2.50±0.49*** 3.66±0.41# 0.19±0.03*** 0.41±0.07# 0.54±0.15*** 0.80±0.12#健侧 2.35±0.44*** 3.75±0.41# 0.19±0.06*** 0.43±0.07# 0.50±0.18*** 0.83±0.13#

表2 不同状态下两组患者关联维数、复杂度及近似熵比较Table 2 Correlation dimension, complexit, and approximate entropy of patients in two groups under different condition (n=30,±s)

表2 不同状态下两组患者关联维数、复杂度及近似熵比较Table 2 Correlation dimension, complexit, and approximate entropy of patients in two groups under different condition (n=30,±s)

注: 与安静闭眼比较, P＜0.05

状态 关联维数 复杂度 近似熵 关联维数 复杂度 近似熵病例组 对照组安静闭眼 2.50±0.39 0.20±0.03 0.53±0.15 3.52±0.35 0.38±0.07 0.74±0.12听觉刺激 2.34±0.39 0.19±0.04 0.52±0.16 3.58±0.39* 0.41±0.12* 0.79±0.12*痛觉刺激 2.50±0.49 0.19±0.03 0.54±0.15 3.66±0.41* 0.41±0.07* 0.80±0.12*

3 讨 论

3.1 目前缺血缺氧性脑损伤的评估手段

对于缺血缺氧性脑损伤意识障碍的患者, 最常用的评估方式为临床量表评分、短潜伏期体感诱发电位（short latency somatosensory evoked potential,SSEP）、脑干听觉诱发电位（brainstem auditory evoked potential,BAEP）和常规脑电图, 这些常规方法对了解大脑功能及传导通路变化、指导治疗及判断预后有一定的作用, 且主要集中研究急性缺血缺氧性脑损伤, 但目前对意识障碍时间较长的患者研究尚不多。吴东宇等[8]研究表明, 长期意识障碍的患者无论是否苏醒, SSEP、BAEP和常规脑电图结果差异均无统计学意义, 说明了以上3种神经电生理检查, 只能评估急性期意识障碍患者的预后, 简单提供意识障碍严重程度的分级, 不能给出具体、详细的定量评估。

3.2 脑电非线性分析

3.2.1 脑电非线性分析在意识障碍评估中的应用 吴东宇等[9]对30例卒中后意识障碍与意识正常的患者在不同刺激方式（安静闭眼、听觉刺激及痛觉刺激）下进行脑电非线性指数的计算, 发现脑电非线性分析能够实时监测和定量检测大脑皮质受抑制的程度,并得出持续性植物状态（persistent vegetative state,PVS）患者的脑电非线性指数最低, 最小意识状态（minimally conscious state, MCS）患者次之, 正常意识患者最高[8,10,11], 而PVS和MCS患者对听觉和痛觉刺激均弱于正常意识患者。袁英等[12]对30名意识障碍患者在安静闭眼、针刺患侧、针刺健侧状态下的关联维数、复杂度及近似熵进行分析, 发现3种指数差异无统计学意义, 但多数患者的关联维数在针刺状态较安静闭眼状态上升, 提示针刺在意识障碍患者的促醒过程中可能存在一定的作用。不仅如此,吴东宇等[8]还进一步对37例严重颅脑外伤或脑卒中的意识障碍患者的苏醒预测进行了研究, 发现脑电非线性指数可能在预测MCS和PVS苏醒中有一定价值, 对疼痛刺激有良好反应可能意味着预后良好。近年来, Laureys等[13]和Boly等[14]利用功能磁共振成像和正电子发射断层成像技术发现, 疼痛刺激可以引起PVS和MCS患者初级感觉皮质（S1）与广泛的皮质网络发生功能性联系, 这些研究对意识障碍患者的促醒提供了有利依据。

3.2.2 脑电非线性分析用于缺血缺氧性脑损伤意识障碍的基础 当出现心跳呼吸功能骤停、中毒或者大血管阻塞等因素后, 大脑处于缺血、缺氧状态, 大脑神经元活动减弱, 细胞间相互联系减少, 我们记录的头皮脑电信号的复杂性降低, 此时大脑处于严重的意识障碍状态中, 而意识恢复及意识障碍的程度都是通过大脑皮质, 也就是意识的“显示终端”而表现出来的[9]。脑电非线性分析正是通过测量大脑皮质神经元活动的复杂性来反映意识障碍的严重程度, 故而我们选用脑电非线性分析方法定量评估缺血缺氧性脑损伤意识障碍的程度, 从而了解大脑皮质受抑制的程度。

本研究结果显示, 病例组在安静闭眼、听觉刺激及痛觉刺激几种状态下的脑电非线性指数均低于对照组, 且在不同刺激状态下, 病例组和对照组所有脑区的关联维数、复杂度及近似熵均有显著差异,关联维数、复杂度及近似熵越低, 大脑皮质受抑制程度越重。这些结果说明, 缺血缺氧性脑损伤意识障碍的患者大脑皮质广泛受到抑制, 脑电非线性分析可定量评估意识障碍的程度, 从而了解大脑皮质抑制程度; 同时脑电非线性分析还可以明确区分意识状态的有无。另外, 对照组在听觉刺激及痛觉刺激状态下非线性指数显著高于安静闭眼状态, 说明听觉和疼痛刺激能够引起大脑功能活动的变化, 并被脑电非线性分析所捕获。由此可见, 脑电非线性分析不仅可以反映大脑各脑区的功能变化, 而且还可以捕获到不同刺激状态下相应脑区的神经元网络活动变化, 并进行量化分析。而病例组在不同状态刺激下各脑区无明显差异, 进一步证实大脑皮质的广泛受抑。同时, 也表明结合多种刺激状态, 脑电非线性分析可以进一步准确区分意识状态的有无。

3.3 研究的不足

虽然脑电非线性分析已用于意识障碍程度的定量评估及苏醒预测, 但尚处于初始阶段, 而且本研究样本量较小, 无意识障碍苏醒病例, 这就要求我们进一步探索, 扩大样本量, 及时动态观察意识障碍患者病程演变情况, 从而进一步提高研究方法,为评估意识障碍患者的预后及促醒措施提供依据。

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