системные механизмы

генерализованной пароксизмальной активности. Разделение131 фоновой и судорожной активности в ЭЭГ у больных страдающих эпилепсией, обеспечивает решение задачи предсказания эпилептического приступа - важной и трудной биомедицинской проблемы, которая привлекла существенное внимание интеллектуального вычислительного сообщества за прошлые два десятилетия (Kiymik M.K., Subasi A., Ozcalik H.R. 2004).

45

%

35

25

15

5

-5

-15

1

2

3

4

5

6

B2 b1 A T D

Рис. 4.7. Диаграмма коэффициентов функциональной межполушарной асимметрии амплитуд ритмов β2, β1,α, θ и δ ЭКоГ, отводимой от интактного мозга (1,2), препарата изолированного мозга (3,4) и препарата с удаленными полушариями мозжечка в первый день наблюдения (5,6) в пределах сегментов десинхронизации (1,3,5) и синхронизации(2,4,6).

Для решения данной проблемы разработаны ряд алгоритмов. Метод разработанный для решения этой задачи Wu L., Gotman J. (Wu L, Gotman J., 1998) включал сегментацию ЭЭГ с её последующей кластеризацией. Используя этот метод, авторы при длительной регистрации ЭЭГ у больных эпилепсией актоматически

отслежтвали приступы и определяли временные интервалы132 между ними.

В работе Kiymik M.K., Subasi A., Ozcalik H.R., (2004), для решения задачи автоматического отслеживания эпилептических приступов также проводили сегментацию ЭЭГ с последующим периодографическим и авторегрессионным определением спектров мощности ЭЭГ и классификаций фрагментов использованием кластерного анализа и искусственных нейронных сетей. Отмечено, что классификация, использованием искусственных нейронных сетей сигналов электроэнцефалограммы с предварительной обработкой авторегрессионным методом дает лучшие результаты, в определении эпилептических приступов.

Subasi A., Ercelebi E (Subasi A., Ercelebi E. 2005) предложили новый метод анализа сигналов ЭЭГ, основанный на совместном использовании вейвлет-преобразования, искусственной нейронной сети и логистической регрессии. Вайвлет-преобразование, особенно эффективно при анализе нестационарных сигналов типа тенденций, прерывистых и повторяющихся паттернов. Через вейвлетдекомпозицию ЭЭГ, переходные процессы точно фиксируются и локализуются в контексте частоты времени. Использовалось дискретное вейвлет–преобразование типа lifting-based, как метод позволяющий увеличить вычислительную скорость компьютера. Логистический регрессионный анализ, и многослойный перцептрон нейронной сети, как основанные классификаторы, сравнивались относительно их точности в классификации сигналов электроэнцефалограммы.

Вейвлет-преобразование (в работе использовался тип вейвлета MORLET), использовали для анализа паттерна частоты разрядов спайков (SWD), генетической модели абсанс-эпилепсии (крысы породы WAG/Rij). SWD были проанализированы до и после введения некоторых лекарств. SWD зарегистрированный до введения препаратов демонстрируют весьма однородную динамику частоты времени доминирующего ритма. Начало разрядов имеет короткий период с самой высокой величиной частоты (до 15 гц). Уменьшения частоты разрядов к 7-9 гц и модуляции частоты происходят в этом диапазоне в течение 0.5-0.7 сек. При применении психотропных препаратов наблюдались изменения динамики частоты SWD (Bosnyakova D., Gabova A., Kuznetsova G., et all., 2006).

Вработе Kobayashi K, Merlet I, Gotman J.(Kobayashi133

Merlet I, Gotman J. 2001) при единовременной регистрации ЭЭГ и ЭКоГ судорожне разряды от фона отделяли, используя технологию IСА декомпозиции. Соответствие выявляли используя метод моделирования диполя. Компоненты ICA декомпозиций в значительной степени соответствовали результатам ЭКоГ. Авторы приходять к заключению о корректности применения ICA декомпозиции для верификации эпилептических компонентов полученных при ЭЭГ исследовании от скальпа.

Как известно, после удаления мозжечка отмечалось повышение возбудимости в коре головного мозга, гиперсинхронизация и появление в ЭКоГ судорожных потенциалов. Полученную биологическую модель было решено использовать для разработки метода разделения фоновой и судорожной активности. Разработка, предлагаемого нами, метода разделения фоновой и судорожной активности базировалась на сформированной прагматической концепции.

Формализм (идеология) модели. Использованием множественного регрессионного и корреляционного методов анализа и теории графов, было показано, что между амплитудами ритмов ЭКоГ в пределах одного отведения, определяются связиотношения. На основании этого было высказано предположение, что массовая ЭЭГ есть результат совместного взаимосодействия гипотетических генераторов бета-2-, бета-1-, тета- и дельта-ритмов. Позитивные и негативные связи-отношения выявленные между амплитудами различных ритмов ЭКоГ, позволили предположить наличие механизмов управления, которые обеспечивают общую организацию ЭКоГ(Лобасюк Б.А., 2005).

Воснове функционирования судорожной активности находятся генераторы патологически усиленного возбуждения

(Крыжановский Г.Н., 1980, 1997, 2002).

Всвязи с изложенным, можно предположить, что механизмы управления в нормальной и патологической функциональных системах не являются единообразными, а следовательно, во фрагментах ЭКоГ, в которых представлена пароксизмальная активность между амплитудами ритмов архитектура связейотношений не будет подобна архитектуре связей-отношений фоновой ЭКоГ. Изложенная прагматическая концепция явилась основой работы.

Разработанный алгоритм включал следующие этапы: 1.134 Сегментация ЭКоГ на фрагменты. 2. Кластеризация фрагментов ЭКоГ, использованеим алгоритма k-средних. 3. Проведение множественного регрессионного и корреляционного анализа амплитуд ритмов ЭКоГ. 4. Построение полицикличесих мультиграфов, вызуализующих связи-отношения амплитуд ритмов ЭКоГ. 5. Структурный анализ построенных мультиграфов в сопоставлении с величинами амплитуд ритмов ЭКоГ фрагментов ЭКоГ кластеров.

При экспериментальной разработке того или иного алгоритма анализа ЭЭГ (ЭКоГ) эксперименты выполняются на экспериментальных животных, в частности, на белых крысах. Однако в этих условиях возникают противоречия между экспериментаторами и клиницистами, для потребностей клинической практики которых данный алгоритм собственно и разрабатывается. Так судорожная активность у крысы регистрируется в микровольтном диапазоне. Подобные ситуации в клинической практике редки. Поэтому, для того, чтобы найти компромисс между экспериментом и потребностями клинической практики, были поставлены две серии опытов. В первой серии опытов эксперименты, в которых В первой серии использовались крысы у которых регистрировали ЭКоГ после аспирации в микровольтном диапазоне, а во второй серии опытов использовали крыс (5 животных) у которых регистрировали ЭКоГ на третьи сутки после аспирации в миллиовольтном диапазоне. При регистрации ЭКоГ в микровольтном диапазоне значительная часть судорожных проявлений верифицировалась при полупериодном анализе, как артефакты.

Данный подход позволил нам провести расчеты в контрастной ситуации: фоновая активность в микровольтном, а судорожная в - милливольном диапазоне. Алгоритм разделения фоновой и судорожной активности затем был использован для проведения расчетов в ситуации более приближенной к потребностям клиники: фоновая и судорожная активность регистрировались в микровольтном диапазоне.

Третьи сутки после аспирации, микровольтный диапазон.

Сегментирование фрагментов ЭКоГ производили по семи кластерам. При структурном анализе полициклических мультиграфов (рис. 4.8), описывающих связи-отношения между амплитудами ритмов ЭКоГ выявилось, что всего в левых полушариях по всем кластерам

определялось 56 связи-отношения, а в правых полушариях –135 60 связей отношений. В первом кластере левого полушария определялось 16 связей-отношений, а правого полушария – 12, втором кластере левого полушария – 10, а правого полушария – 16, третьем кластере левого полущария – 12, а правого – 16, четвертом кластере левого полушария – 10, а правого - 12, пятом кластере левого полушария 8, а правого - 14, шестом кластере левого полушария – 20, а правого – 16, в седьмых кластерах левого и правого полушарий определялось по 6 связей-отношений.

Отношение величины амплитуды дельта ритма к величине амплитуды альфа ритма в первых четырех кластерах левого полушария – 1, 2, 3 и 4 было больше 2 и составляло 3,23, 3,53, 2,64 и 2,39 соответственно. В последних трех кластерах – 6, 7 и 8 эта величина была меньше 2 и составляла 1,43, 1,37 и 0,96 соответственно.

Вправом полушарии во втором, третьем, четвертом и седьмом кластерах отношение величины амплитуды дельта ритма к величине амплитуды альфа ритма составляло больше 2 – 2,54, 2,08, 2,62 и 2,92 соответственно, а в первом, пятом и шестом кластерах –

1,13, 0,90, 1,31 соответственно.

Впервом кластере левого полушария выявилось 200 графоэлементов, т.е. длительность графоэлементов классифицированных в первый кластер составила 400 с., во втором кластере – 47 фрагментов, длительностью 94 с., в третьем кластере – 366 фрагментов, длительностью 732 с., в четвертом кластере 424 фрагмента длительностью 848 с., в пятом кластере – 235 фрагментов длительностью 470 с., в шестом кластере 568 фрагментов, длительностью 1136 с., и в седьмом кластере – 82 фрагментов, длительностью 164 с.

Наибольшей определялась длительность графоэлементов шостого кластера 29,55 %, а наименьшей – второго – 2,45%.

Длительность графоэлементов кластеров достоверно и

положительно коррелировала с количеством связей-отношений в полициклических мультиграфах (R=0,68; R2=0,47), а величина

амплитуды дельта ритма с длительностью графоэлементов кластеров коррелировала также достоверно, но отрицательно (R=-0,69; R2= 0,46).

На основании проведеного анализа в качестве кластера, графоэлементы которого отражают феномен десинхронизации в левом полушарии был принят шестой кластер. Основаним к этому

послужило прежде всего то, что в этом кластере было136 виявлено наибольшее количество связей-отношений между показателями амплитуд ритмов ЭКоГ - 20, при наименьшей амплитуде альфа ритма из всех семи кластеров 70,47±1,25 мкВ. В качестве кластера, графоэлементы которого отражают феномен синхронизации в левом полушарии был принят кластер семь. Амплитуда альфа ритма в этом кластере определялась наибольшей по сравнению с аналогичными величинами в других кластерах и составляла 182,38±7,73, а количество связей отношений между амплитудами ритмов ЭКоГ составило 6 т.ё. было меньше, чем в кластере десинхронизации.

В правом полушарии в качестве кластера графоелементы которого отражают феномен десинхронизации был определен шестой кластер в котором было выявлено большое количество связей-отношений между показателями амплитуд ритмов ЭКоГ - 16, при амплитуде альфа ритма 68,74±1,55 мкВ. В качестве кластера графоелементы котрого отражают феномен синхронизации был определен пятый кластер в котором выявлячлось 14 связейотношений, при амплитуде альфа ритма 236,69±8,37 мкВ.

Анализ фоновой активности ЭКоГ. Сравнение фрагментов десинхронизации и синхронизации крыс с АП.

Амплитуды всех ритмов ЭКоГ во фрагментах синхронизации левого полушария определялись статистически значимо большими, по сравнению, с фрагментами десинхронизации (таб. 4.6., рис. 4.9). Частоты и индексы длительности бета-2, бета-1 и дельта ритмов ЭКоГ в периоды синхронизации определялись меньшими, а альфа и тета ритмов – большими, чем в периоды десинхронизации.

Амплитуды всех ритмов ЭКоГ в период синхронизации в правом полушарии определялись большими, чем в период десинхронизации.

Также, как и в левом полушарии, в правом частоты и индексы длительности бета-2, бета-1 и дельта ритмов ЭКоГ, определялись меньшими в период синхронизации, альфа и тета ритмов – большими, чем в период десинхронизации.

Сравнение фрагментов синхронизации и десинхронизации крыс с АП и ИМ В период десинхронизации в левом полушарии у крыс АП амплитуды всех ритмов ЭКоГ (таб. 4.6., рис. 4.9) определялись меньшими, чем у крыс ИМ. В периоде синхронизации в левом полушарии статистически значимо меньшими определялись амплитуды бета-2 и дельта ритмов, а амплитуды альфа и тета ритмов

статистически значимо большими. Частота бета-2 ритма в137 период десинхронизации у АП определялась статистически значимо меньшей, чем у ИМ, а альфа ритма – большей. В период синхронизации частоты бета-2,

бета-1 и дельта ритмов ЭКоГ у АП определялись статистически значимо меньшими, чем у ИМ, а частоты альфа и тета роитмов ЭКоГ

– большими. Индексы длительности бета-2, и дельта ритмов в период десинхронизации у АП определялись меньшими, а бета-1 и альфа ритмов – большими, чем у ИМ. В период синхронизации у АП индексы длительности бета-2, бета-1 и дельта ритмов ЭКоГ определялись статистически значимо меньшими, а альфа и тета - большими, чем у ИМ.

А

300

250

200

150

100

50

0

350

300

250

200

150

100

50

0

α

θ

δ

β2

β1

1 β22 3 4

1 2 β13 4

1 2

3 α 4 1 2 3 4θ

1 2 3 4 δ

Б

мкВ

θ

δ

β2

β1

α

β2

1 2 3 4 β1 1 2 3 4

1 2 α3 4

1 2 3 4 θ 1 2 3 4

δ

Рис. 4.9. Диаграмма средних амплитуд ритмов β2, β1,α, θ и δ ЭКоГ,

отводимой от левого (А) и правого (Б) полушарий интактного мозга

1 2 3 4

(1,2), и препарата с удаленными полушариями мозжечка в третий день наблюдения (микровольтный диапазон) (3,4) в пределах сегментов десинхронизации (1,3) и синхронизации (2,4).

Впериод десинхронизации в правом полушарии138 амплитуды и частоты всех ритмов ЭКоГ у крыс АП определялись меньшими, чем у крыс ИМ. Индексы длительности бета-2 и дельта ритмов ЭКоГ определялись меньшими, бета-1, альфа и тета ритмов - большими, чем у крыс ИМ.

Впериод синхронизации у крыс АП амплитуда бета-2 ритма определялась меньшей, а бета-1, альфа, тета и дельта - большими, чем у крыс ИМ. Частота бета-2, бета-1 и дельта ритмов ЭКоГ у крыс АП была меньшей, а частоты альфа и тета римов –большими, чем у крыс ИМ. Индексы длительности бета-2 и дельта ритмов выявлялись меньшими, а альфа и тета ритмов большими, чем у крыс ИМ.

Сравнение фрагментов синхронизации и десинхронизации крыс с АП в первый и третий дни после аспирации. К третьому дню после аспирации полушарий мозжечка в период десинхронизации в левом полушарии, амплитуда, частота и индекс длительности бета-2 ритма, индексдлительности бета-1 ритма, частота и индекс длительности альфа и тета ритмов, определялись большими, а амплитуды альфа, тета и дельта ритмов – меншими по сравнению с первым днем после аспирации (таб.4.6, рис. 4.9).

Впериод синхронизации к третьему дню после аспирациим мозжечка в левом полушарии амплитуда и частота бета-1 ритма, амплитуда и индекс длительности альфа ритма и индекс длительности дельта ритма определялись большими, а амплитуда и индекс длительности тета ритма – меншими, чем при регистрации к первому дню после аспирации.

Вправом полушарии к третьому дню после аспирации полушарий мозжечка в период десинхронизации амплитуда, частота

ииндекс длительности бета-2 ритма, индекс длительности альфа ритма, частота и індекс длительности тета ритма, определялись увеличенными, а амплітуды бета-1ритма, альфа, тета и дельта и индексдлительности дельта ритмов ЭКоГ – уменьшенными.

Впериод синхронизации в правом полушарии к третьому дню после аспиррации полушарий мозжечка амплитуды бета-2, бета-1, альфа и тета ритмов, частоты альфа и тета ритмов, индекс длительности альфа ритма определялись увеличенными, а частота бета-2 ритма – уменьшенной поо сравнению с периодом регистрации в первый день после аспирации полушарий мозжечка.

ФМПА показателей амплитуды ЭКоГ на третьи сутки после аспирации мозжечка. В условиях десинхронизации ФМПА амплитуды (таб. 4.7, рис. 4.10) ЭКоГ определялись отрицательными

впределах (-1,09±0,03% – -1,13±0,02%), а ФМПА амплитуд139 бета-1, альфа и дельта ритма – положительными в пределах 1,24±0,04% – 3,43±0,7%. При переходе от десинхронизации к синхронизации ФМПА амплитуды всех ритмов ЭКоГ определялась отрицательной в пределах (-7,56±0,17% – ---18,17±1,58%).

Во фрагментах десинхронизации ФМПА частоты всех ритмов ЭКоГ определялась положительной в пределах 0,03±0,00% – 1,33±0,01%, а во фрагментах синронизации – отрицательными в пределах (-0,52±0,01% - -1,25±0,02%).

ФМПА индексов длительности бета-2 и тета ритмов ЭКоГ во фрагментах десинхронизации определялись отрицательными (- 1,96±0,06 - -2,93±0,07%), а бета-1, альфа и дельта ритмов положительными в пределах 2,06±0,06% – 4,23±0,13%. Во фрагментах синхронизации ФМПА увеличилась отрицательность индекса длительности бета-2 ритма, а ФМПА индексов длительности бета-1 и альфа ритма инвертировала и выражалась отрицательными величинами в пределах (-4,33±0,30% - - 18,17±1,58%). ФМПА индексов длительности тета и днльта ритма также инвертировала: тета ритма в положительность, а дельта ритма

вотрицательность

Третьи сутки после аспирации, милливольтный диапазон. При регистрации в милливольтном диапазоне судорожные феномены В ЭКоГ на третьи сутки после спирации проявлялись отчетливо. У крыс в ЭКоГ выявлялись гиперсинхронные веретена альфа-активности на фоне которых регистрировалась судорожная активность типа пикволна (рис. 4.11, А), односторонние отдельные судорожные

Таблица 4.7. Показатели ФМПА ЭКоГ крыс при использовании процедуры

сегментации на третий день после с аспирации полушарий мозжечка (милливольтный диапазон)

Показатели		Периоды
	ЭКоГ	Десинхро-	Синхро-
		низация	низация
	1	2	3
Бета-2	А	-8,88±0,03	-31,95±0,05
	Ч	1,53±0,02	0,81±0,02
	И	3,45±0,12	2,07±0,92

		Продолжение таблицы 4.7.140
Бета-1	А	-8,62±0,03	-25,75±0,09
	Ч	1,47±0,03	1,69±0,10
	И	5,93±008	7,57±1,09
Альфа	А	-5,60±0,04	-26,86±0,11
	Ч	1,81±0,02	1,80±0,03
	И	2,63±0,10	-1,03±1,48
Тета	А	-5,63±0,01	-29,37±0,01
	Ч	0,89±0,00	-0,24±0,06
	И	0,87±0,09	-3,52±0,94
Дельта	А	-6,43±0,01	-22,69±0,07
	Ч	0,91±0,00	2,25±0,21
	И	0,60±005	8,06±0,93

потенциалы, (рис. 4.11, Б) группы таких потенциалов (рис. 4.11, В) и билатеральная судорожная активность. Следует отметить, что из 5 крыс данной группы опытов у 3 судорожная активность преобладала по амплитуде справа.

15
							%
10																	δ
			β1			α	θ																		δ
5
		β2						δ														β1 α
0
											β2
																					β2			θ
-5												β1
																θ
													α
-10																																									θ
																																												δ
																												β2
-15																																					α
-20																																β			1
-25
	1											2										3										4
Рисунок							4.10. Диаграмма															коэффициентов функциональной

β2 β1 α θ δ

межполушарной асимметрии амплитуд ритмов β2, β1,α, θ и δ ЭКоГ,

отводимой от интактного мозга (1,2), и препарата с удаленными полушариями мозжечка в третий день наблюдения) (3,4) в пределах сегментов десинхронизации (1,3) и синхронизации(2,4).