基于脑电非线性动力学特征探究TEAS内关穴对焦虑的影响

樊凤杰, 白 洋, 纪会芳

(1.燕山大学 电气工程学院,河北 秦皇岛 066004; 2.联勤保障部队第九八四医院,北京 100094)

1 引 言

焦虑是以情感、认知和躯体症状为主的精神障碍类疾病,随着社会竞争压力的增加以及生活方式的转变,其发病率也在随之上升。中医针灸治疗焦虑已有确切疗效,临床常选内关穴为主穴,内关穴属手厥阴心包经之络穴,有宁心安神、镇静止痛作用,可调节和治疗与人体精神意识有关的疾病[1]。经皮穴位电刺激(transcutaneous electrical acupoint stimulation,TEAS)是现代医学经皮神经电刺激与传统中医经络理论相结合的一种疾病治疗新技术,近年来已成为精神障碍治疗研究的新热点[2],但目前TEAS对焦虑的治疗效果及治疗机制尚不明确。

脑电信号(Electroencephalogram,EEG)中包含了丰富的生理与病理信息[3],实验研究表明,用非线性动力学方法研究脑电信号可以更好地反映大脑的复杂度水平。基于此,本文将近似熵(approximate entropy,ApEn)与关联维数(correlation dimension,D2)2种非线性特征作为描述和分析脑电信号的方法。

2 材料和方法

评价TEAS内关穴对焦虑的影响，实验流程如图1所示。

图1 实验流程图

2.1 实 验

2.1.1 实验对象

采用焦虑自评量表(self-rating anxiety scale,SAS)评价焦虑程度,选取评分在50分以上的12名具有焦虑情绪的全日制在校学生。受试者年龄均在22～25岁之间,纯右利手,没有药物及其它治疗史,女性受试者避开月经期。实验前告知受试者实验的操作流程、具体要求以及注意事项等,并签署知情同意书,整个实验过程要求受试者处于安静闭眼状态。

2.1.2 实验方法

将受试者随机分为TEAS内关穴干预组(穴位组)和TEAS非穴位干预组(非穴位组),每组各6名,用苏州医疗用品厂有限公司生产的SDZ-Ⅱ型电子针疗仪,分别进行TEAS双侧内关穴与非穴位。由于每个人耐受程度不同,实验时以受试者产生酸胀的刺激感为度,每次刺激20 min,1次/d,连续刺激7 d。

2.1.3 数据采集

实验在安静的屏蔽室内进行,使用美国加州旧金山神经科技公司的Emotiv进行脑电信号采集,采样频率为128 Hz,以受试者双耳垂为参考,电极安放采用如图2所示的国际标准10-20连接方式,具体为左前额(AF3)、左前颞(F7)、左额(F3)、左额中央(Fc5)、左中颞(T7)、左后颞(P7)、左枕(O1)、右枕(O2)、右后颞(P8)、右中颞(T8)、右额中央(Fc6)、右额(F4)、右前颞(F8)、右前额(AF4)。电极安放完成后分别采集电刺激前、电刺激后2 min的静息脑电。

图2 Emotiv电极安放示意图

2.2 数据处理

由于采集的信号中包含眼电、肌电等噪声,影响后续分析,故本实验使用50 Hz滤波器及EEMD-ICA算法进行信号去噪处理。计算去噪后脑电信号的非线性动力学特征ApEn与D2,比较实验前后2个参数变化。

2.2.1 近似熵分析

近似熵因具有较强的抗噪声、抗干扰能力而被广泛应用,其物理意义是用一个非负数表示时间序列的复杂性即序列中新模式出现的概率[4]。概率越大,序列复杂程度越大,近似熵值也会越大。

将采集到的静息脑电信号作为原始数据序列,选取N个样本点x1,x2,x3,…,xN进行近似熵计算[5]。

步骤1: 按照原始序列的顺序构造m维向量空间Xi:

Xi=[xi,xi+1,…,xi+m-1]

(1)

式中:i为第i个样本点,i=1,2,…,N-m+1;m为预先给定的嵌入维数。

步骤2: 计算任意2个矢量之间距离的最大值：

(2)

式中:1≤k≤m-1;1≤i,j≤N-m+1,i≠j。

S=num{d[Xi,Xj]

(3)

(4)

(5)

ApEn(m,r,N)=φm(r)-φm+1(r)

(6)

Pincus指出当N=100～5 000、m=2、r=0.1σ～0.25σ(σ为原始序列的标准差)时计算所得到的结果具有合理的统计特性,可以较好的表示脑电信号的复杂程度[6]。故本实验在计算ApEn时取N=1 000,m=2,r=0.2σ。

2.2.2 关联维数分析

关联维数用于描述系统的自由度,是EEG重要的非线性特征,其计算一般采G-P算法[7,8]：

步骤1：对长度为n的时间序列y(t)进行m维空间重构,重构后空间可表示为

Yi(m,τ)={y(i),y(i+τ),y(i+2τ),…,

y(i+(m-1)τ)}

(7)

式中τ为时间延迟。重构相空间时必须合理选择嵌入维数m和时间延迟τ。本文采用互信息量法确定τ,时间序列y(t)和其延迟时间序列yτ(t)=y(t+τ)的互信息I(y,yτ)表述为[9]

I(y,yτ)=H(y)-H(y|yτ)=H(y)+H(yτ)-

H(y,yτ)=I(yτ,y)

(8)

式中：H(y)为y的不确定性;H(y,yτ)为yτ已知时y的不确定性。选取互信息第一极小值对应的τ为最优解[10]。将τ带入Cao方法计算信号的嵌入维数m,Cao方法是判断伪邻近点(FNN)的改进方法,该方法计算时只需要τ一个参数,能够有效区分随机信号和确定性信号,并且使用较小的数据量就可以求得嵌入维数[11]。当两临近点距离E1趋近1时对应的m即为所求[12]。令样本点n为1 000,计算得τ=4,如图3所示;m=16,如图4所示。

图3 互信息法确定时间延迟

图4 Cao方法确定关联维数

步骤2：在重构后的空间中任意选取点Yi,并计算其余点到该点的距离

(9)

对所有Yi(i=1,2,…,M;M为重构空间中点的个数)重复上述过程,j=1,2,…,M,且i≠j。

步骤3：给定一个测量单位d,计算关联积分

(10)

式中θ为Heaviside函数。则D2计算表达式为：

(11)

2.2.3 疗效评定

3 实验结果

3.1 量表分析

表1给出了2组受试者SAS评分,结果表明,电刺激前,穴位组与非穴位组的SAS量表评分无统计学意义(p>0.05)。电刺激后,穴位组SAS评分明显下降(p<0.05),但非穴位组评分无明显变化,并且穴位组量表评分低于非穴位组(p<0.05),表明电刺激内关穴能够有效缓解焦虑情绪,且效果优于刺激非穴位。

表1 电刺激前后SAS评分统计结果

3.2 ApEn及D2分析

表2和表3分别给出了ApEn及D2非线性动力学分析结果,由表中给出的数据可以看出,电刺激后穴位组ApEn值在AF3、F7、F3、P7、F8、F4、AF4通道降低明显,具有统计学意义(p<0.05);D2值在AF3、F3、Fc5、T7、P7、F8、F4、AF4通道降低明显(p<0.05)。而在其它通道上,虽然p>0.05,但比电刺激前2个参数值均有所下降,表明TEAS内关穴能使各脑区复杂度有不同程度的降低。非穴位组电刺激前后各脑区ApEn及D2值变化均不存在显著性差异,表明TEAS非穴位对大脑复杂度的影响不明显。图5为电刺激前后近似熵差值雷达图,图6为电刺激前后关联维数差值雷达图。

表2 各组脑电近似熵(ApEn)比较

图5 电刺激前后近似熵差值

图6 电刺激前后关联维数差值

表3 各组脑电关联维数(D2)值比较

为了更直观地比较不同状态下脑电ApEn及D2在大脑不同功能区的分布情况,给出图7、图8所示的计算每个通道上的近似熵与关联维数脑电拓扑图。从图7和图8中可以看出,电刺激实验后,穴位组受试者大脑皮层几乎全部区域产生了非线性参数降低现象,变化主要集中在左额、左颞、右额及右颞区;非穴位组受试者大脑皮层非线性特征变化不明显。

图7 基于近似熵不同状态下脑电拓扑图

图8 基于关联维数不同状态下脑电拓扑图

4 实验结果讨论

本文通过分析电刺激前后受试者SAS评分及各脑区非线性特征ApEn、D2变化,对TEAS内关穴对焦虑的影响机制进行了初步探讨。结果表明,电刺激前2组受试者的SAS评分无显著差异,电刺激后穴位组量表评分显著降低,非穴位组无明显变化,且穴位组量表评分低于非穴位组(p<0.05),表明电刺激内关穴能有效缓解焦虑情绪。

从非线性动力学角度分析,电刺激后穴位组受试者各脑区ApEn与D2值均呈现降低趋势,而非穴位组却无此现象,说明电刺激内关穴能够降低大脑的复杂程度。此外,采用两种分析方法得到的结果也存在差异,采用ApEn作为分析方法时,受试者左前额(AF3)、左前颞(F7)、左额(F3)、左后颞(P7)、右前颞(F8)、右额(F4)、右前额(AF4)脑区的变化具有显著性差异,而采用D2作为分析方法时,受试者左前额(AF3)、左额(F3)、左额中央(Fc5)、左中颞(T7)、右后颞(P7)、右前颞(F8)、右额(F4)、右前额(AF4)脑区的变化具有显著性差异,但受试者大脑状态变化均集中在左、右额区及左、右颞区。本实验分析结果与一些学者的研究基本相符,付平通过观察电针刺激内关穴的fMRI变化得出实验前后正常被试的两侧额叶及颞叶均被不同程度激活[13]。李文文通过对磁刺激内关穴诱发的脑电信号进行源定位,发现受试者大脑的额叶和颞叶电极都存在明显的诱发电位成分,说明磁刺激内关穴主要激活大脑的双侧额叶和颞叶[14]。尹宁等通过构建脑皮层功能连接分析磁刺激内关穴,结果表明与情绪、记忆相关脑区节点的功能连接增多93%,位于额叶和颞叶节点的功能连接增多21.2%[15]。

研究表明,额叶是人类大脑情绪产生中心,左侧额叶主要负责调节和产生正性情绪,而右侧额叶负责调节和产生负性情绪,额叶功能的改变是产生焦虑的重要因素。颞叶为精神皮质,人类的情绪和精神活动与颞叶有密切关系,大脑颞叶的损害能够引起人的负情绪反应,当双侧颞叶病变时会出现人格改变、精神异常等精神症状,而焦虑的临床表现多为烦躁易怒、善恐易惊,与上述颞叶功能改变密切相关。赵小虎利用fMRI技术发现焦虑患者的额叶及颞叶存在功能异常[16]。万黎通过观察脑血流灌注发现焦虑症患者存在额叶、颞叶功能低下[17]。本文实验结果表明TEAS内关穴能够有效改善焦虑情绪,降低大脑双侧额区及颞区复杂度,因此,可以推断TEAS内关穴对焦虑的影响机制可能与改善大脑双侧额区及颞区复杂度有关。

5 结 论

焦虑是一种病程较长且容易复发的慢性疾病,其发病率占整个人群的15%～30%,严重影响着人们的心理健康及生存质量。内关穴是人体手厥阴心包经上的重要穴位,主治和情志失和、气机阻滞有关的病变,与大脑神经调节密切相关。近年来,TEAS作为一种非侵入的可控刺激方式已广泛应用于临床,但能否有效治疗焦虑仍需进一步临床验证。由于大脑能够清晰反映出当前的精神状态,因此本研究从脑电信号非线性特征ApEn、D2的角度分析TEAS内关穴对焦虑的影响。比较电刺激前后穴位组与非穴位组受试者SAS评分及脑电信号特征,结果表明TEAS内关穴可以有效缓解焦虑情绪,降低各脑区ApEn、D2值,改善大脑复杂度,尤以左、右额区及左、右颞区变化最为明显,说明TEAS内关穴可能通过对额叶、颞叶的脑功能活动的促进作用缓解焦虑,本研究为揭示TEAS内关穴的作用机理提供了一定的理论依据。但由于样本数量有限,本文只对TEAS内关穴缓解焦虑症状及机制进行了初步的探索,为更好地揭示其作用机制,后续研究中将开展大量实验和理论研究进行深入探讨。