CN112971781B - 一种基于脑功能网络抑郁对比装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于脑功能网络抑郁对比方法。首先采集正常人和抑郁症患者静息听歌状态下的多通道脑电EEG。然后采用脑功能网络建模方法，建立关联矩阵，提取反映神经活动特点的脑功能网络特征。在此基础上，分析研究平均聚类系数、平均路径长度、度分布等脑功能网络特征与抑郁机制之间的相关性，利用序关系分析法确定相关特征权重，得出抑郁对比结果。

Description

一种基于脑功能网络抑郁对比装置

技术领域

本发明属于模式识别领域，涉及非侵入式的神经电刺激技术，特别涉及一种基于脑功能网络抑郁对比装置。

背景技术

抑郁症(Major Depression Disorder)又称抑郁障碍，是一种常见的精神疾病，以显著而持久的心境低落为主要临床特征，同时可能伴随认知功能的损伤及躯体症状。抑郁症终生患病率高达2％一15％，造成沉重的家庭和社会负担，是全球性的公众健康问题。世界卫生组织预测到2020年抑郁症将会成为全球第二大致残疾病，愈发引起人们对抑郁症及其治疗的关注。

目前临床已确认：抑郁症患者大脑的结构和功能一般会发生异常，通常伴随着某些皮层(尤其是与情感和认知密切相关的前额叶皮层)活动的改变。情感和认知功能损伤是抑郁症的典型病况，大量研究表明，抑郁症患者存在认知功能障碍，包括多种记忆、执行、注意力等功能受损，甚至在抑郁症状急性期过后仍存在认知损伤。此外，情绪调节失常和持续消极情感被认为是抑郁症精神病理学的核心症状。前额叶(prefrontal cortex，PFC)功能涉及情感和认知相互作用，其背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)和腹内侧前额叶(ventromedial prefrontal cortex，VMPFC)分别与抑郁症病理心理学中的认知和情绪相关。脑功能成像病灶定位和脑刺激的研究表明，DLPFC主要与“认知”和“执行”功能相关，而VMPFC主要与“情绪”和“情感”功能相关。所以抑郁症中情绪和认知的功能失调，很大程度上与PFC中的皮质活动改变有关。脑电和神经成像等多项研究发现，抑郁症患者的左侧DLPFC活动减退，右侧DLPFC活动过度增强。这种功能不对称性不仅与抑郁症中的记忆损伤有关，还有研究证实，DLPFC的功能失衡涉及抑郁症中的情感处理过程。这些证据说明，左侧PFC活动的不平衡与抑郁症认知和情感障碍之间可能存在因果关系。

经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)是一种无创的神经电刺激技术。它利用正负两个电极将微弱电流作用于头皮，通过导电介质与头皮表面接触，然后由电极向特定的头皮区域注人刺激电流，该电流作用于大脑皮层内的皮质神经元。根据输入电流极性的不同，tDCS分为阳(极)性(anodal)刺激和阴(极)性(cathodal) 刺激。通常，阳性刺激增强皮质的兴奋性，使神经元静息膜电位去极化；阴性刺激则降低皮质兴奋性，使静息膜电位超极化。研究表明，tDCS可以调整并增强神经心理功能，尤其可以改善抑郁相关的情绪认知缺陷，包括情感性和非情感性认知表现，具体表现在记忆能力、执行功能以及注意力受损等方面的改善。背外侧前额叶在大脑注意力、工作记忆和执行功能等方面发挥着重要作用，对情绪的自上而下(top—down)调节也起着关键作用。通常抑郁症患者的左侧DLPFC脑血流量减少、代谢变慢，而右侧DLPFC代谢亢进。故tDCS 治疗抑郁症时选择左、右DLPFC分别为阳极刺激位点和阴极刺激位点，以期增强左DLPFC 的兴奋性而抑制右DLPFC，从刺激病人前额叶皮层来调节其大脑情感环路活动、缓解抑郁症状。

发明内容

本发明提出了一种基于脑功能网络抑郁对比装置。首先分析功能脑区多导联EEG信号，采用脑功能网络建模方法计算出连通率和小世界特性的脑功能网络指标，比较正常人和抑郁症患者的前额叶皮层功能脑区的脑功能网络特性，判断获取与抑郁机制相关的脑功能网络特征，利用序关系分析法确定相关特征权重，得出抑郁程度与正常人对比。最后比较tDCS 刺激前、后的脑功能网络连接关系的特征变化，研究脑tDCS电刺激对抑郁的改善作用，根据抑郁程度的评估指标，判断抑郁是否改善，进而指导刺激的进程，提高刺激疗效。

为了实现以上目的，本装置包括数据采集模块、特征提取模块和评估模块：

所述数据采集模块采集正常人和抑郁症患者静息听歌状态下的脑电EEG。

所述特征提取模块采用脑功能网络建模方法，提取反映神经活动特点的脑功能网络特征，具体的，评估模块通过以下步骤得到评估指标：

2-1.确定网络节点。对于多通道EEG信号，通常把每个EEG导联对应的电极覆盖的区域定义为一个节点。

2-2.量化节点之间的关系。构建功能网络过程中，对EEG信号进行预处理以及提取特定频段后，采用Pearson相关量计算EEG信号各通道两两之间的关系。

2-3.确定阈值并构建脑功能网络。在量化EEG各通道间的关系之后，确定合适阈值以构建脑功能网络。各导联脑电信号之间的强度决定了两个节点之间是否存在连接，即若强度大于设定阈值，则两导联之间建立连接，并设置邻接矩阵对应元素为1，反之不建立连接，设置邻接矩阵对应元素为0。

2-4.脑功能网络的特征提取。特征提取方法是利用图论研究网络特征与中枢神经可塑性指标之间的关系。神经可塑性指标是指脑功能网络的改变，也用脑功能网络连接关系的特征来衡量，并以运动功能康复的量表评判结果为依据。选取有向网络的特征路径长度、聚类系数和介数来描述tDCS下中枢神经可塑性变化的脑功能网络特征。

所述评估模块研究特征提取模块得到的平均聚类系数、平均路径长度、度分布等脑功能网络特征与抑郁机制之间的相关性，利用序关系分析法确定相关特征权重，得出抑郁程度的评估指标，具体步骤如下：

3-1.对比正常人、抑郁症患者受试前认知、情感相关功能脑区建立的脑功能网络，利用T检验，判断出影响抑郁的相关脑功能网络特征。

3-2.将相关脑功能网络特征归一化处理，比较归一化后的抑郁症患者的脑功能网络特征与对应的正常人的脑功能网络特征的均值差，差值越大，相关性越强，并按相关性从强到弱，建立评价指标集{X₁，X₂,…,X_m}。

3-3.比较判断评价指标集中各个特征的相对重要程度，设评价指标X_k-1与X_k的重要程度之比r_k＝w_k-1/w_k，r_k的赋值可以参考表1。

表1

3-4.计算各个特征值的权重。设指标X_k的对应的权重系数为w_k，

而w_k-1＝r_kw_k,k＝m,m-1,…,3,2。

3-5.建立抑郁评估指标

其中

为正常人的脑功能网络特征值。Y 值越小表示Y值越小表示越接近正常人。

作为优选，还包括反馈模型，通过设计经颅电刺激实验方案，对抑郁症患者进行经颅电刺激，采集脑电EEG，根据抑郁评估指标Y值判断抑郁是否改善，进而指导经颅直流电刺激进程，提高刺激效果。

该装置相对现有技术方法简单，检测高效且准确性高。

附图说明

图1为本发明实施的原理框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

如图1所示，本实施例使用上述装置，进行抑郁对比，包括如下步骤：

步骤一，使用数据采集模块采集正常人和抑郁症患者静息听歌状态下的脑电EEG，具体过程如下：

采用tDCS装置组成大脑皮层的电刺激干预通道，利用tDCS装置的多通道EEG信号采集功能组成EEG的信号采集通道。

实验受试者是40例符合入选标准的有抑郁倾向或已经确诊且有服药史的患者和40位正常人。分别采集正常人和抑郁患者在静息状态下，倾听同一首音乐期间的脑电信号。

步骤二，使用特征提取模块，采用脑功能网络建模方法，提取反映神经活动特点的脑功能网络特征，具体过程如下：

第1步：确定网络节点。对于多通道EEG信号，通常把每个EEG导联对应的电极覆盖的区域定义为一个节点。

第2步：量化节点之间的关系。构建功能网络过程中，对EEG信号进行预处理以及提取特定频段后，采用Pearson相关量计算EEG信号各通道两两之间的关系；

第3步：确定阈值并构建脑功能网络。在量化EEG各通道间的关系之后，确定合适阈值以构建脑功能网络。各导联脑电信号之间的强度决定了两个节点之间是否存在连接，即若强度大于设定阈值，则两导联之间建立连接，并设置邻接矩阵对应元素为1，反之不建立连接，设置邻接矩阵对应元素为0；

第4步：脑功能网络的特征提取。特征提取方法是利用图论研究网络特征与中枢神经可塑性指标之间的关系。神经可塑性指标是指脑功能网络的改变，也用脑功能网络连接关系的特征来衡量，并以运动功能康复的量表评判结果为依据。选取有向网络的特征路径长度、聚类系数和度分布来描述tDCS下中枢神经可塑性变化的脑功能网络特征。

步骤3.通过评估模块研究步骤2中平均聚类系数、平均路径长度、度分布等脑功能网络特征与电刺激对神经可塑性影响规律之间的相关性，利用序关系分析法确定相关特征权重，得出抑郁程度的评估指标，具体步骤如下：

第1步：对比正常人、抑郁症患者受试前前额叶皮层功能脑区建立的脑功能网络，利用T检验，判断出影响抑郁的相关脑功能网络特征。

第2步：将相关脑功能网络特征归一化处理，比较归一化后的抑郁症患者的脑功能网络特征与对应的正常人的脑功能网络特征的均值差，差值越大，相关性越强，并按相关性从强到弱，建立评价指标集{X₁，X₂,…,X_m}。

第3步：比较判断评价指标集中各个特征的相对重要程度，设专家关于评价指标X_k-1与X_k的重要程度之比r_k＝w_k-1/w_k，r_k的赋值可以参考表1。

第4步：计算各个特征值的权重。设指标X_k的对应的权重系数为w_k，

而w_k-1＝r_kw_k,k＝m,m-1,…,3,2。

第5步：建立抑郁评估指标

其中

为正常人的脑功能网络特征值。 Y值越小表示越接近正常人。

步骤4.利用反馈模型初步设计经颅电刺激实验方案，对抑郁症患者进行经颅电刺激，采集脑电EEG，根据抑郁评估指标Y值判断抑郁是否改善，进而指导经颅直流电刺激进程，提高刺激效果。具体刺激方案如下：

实验方案定义一周为短程实验周期，一个月为长程实验周期，每周5天，每天一次。实验方案如下：实验中使用的直流电刺激大小为1.4mA，刺激开始时候有20秒的淡入淡出时间，电流慢慢由0变化到1.4mA，使被试不会改到过度异样的感觉时长30分钟，阳极刺激点位为左背外侧前额叶皮层F4点，刺激点位的确定由根据国际10-20脑电位置系统确定的；患者对侧肩部安置设备阴极，刺激电极范围大小是5～7cm，同时，把提前经饱和盐水浸泡的棉布垫放到电极下方，让皮肤充分接触电极，设定刺激剂量小于0.057ma/cm2。刺激过程中，采用弹力绷带固定电极，每次刺激时间30min左右，每次刺激1次，持续刺激5天。

若在原tDCS刺激位置进行微弱刺激后抑郁评估指标Y值降低，可以进一步加强刺激强度；若原tDCS后抑郁评估指标Y值变高，可以更换刺激位置或将原阳极刺激换为阴极刺激。抑郁评估指标Y值为进一步tDCS刺激的方式、参数改进提供有效的依据，可以通过对tDCS干预方式的调整，实现神经重塑的有效引导和管理。

Claims (3)

1.一种基于脑功能网络抑郁对比装置，其特征在于，该装置包括数据采集模块、特征提取模块和评估模块：

所述数据采集模块采集正常人和抑郁症患者静息听歌状态下的脑电EEG；

所述特征提取模块采用脑功能网络建模方法，提取反映神经活动特点的脑功能网络特征，脑功能网络特征包括平均聚类系数、平均路径长度、度分布；

所述评估模块将脑功能网络特征与抑郁机制之间的相关性，利用序关系分析法确定相关特征权重，得出抑郁程度的评估指标；

具体的，评估模块通过以下步骤得到评估指标：

2-1.对比正常人、抑郁症患者受试前前额叶皮层功能脑区建立的脑功能网络，利用T检验，判断出影响抑郁的相关脑功能网络特征；

2-2.将相关脑功能网络特征归一化处理，比较归一化后的抑郁症患者的脑功能网络特征与对应的正常人的脑功能网络特征的均值差，差值越大，相关性越强，并按相关性从强到弱，建立评价指标集{X₁，X₂,…,X_m}；

2-3.比较判断评价指标集中各个特征的相对重要程度，设关于评价指标X_k-1与X_k的重要程度之比r_k＝w_k-1/w_k；

2-4.计算各个特征值的权重；设指标X_k的对应的权重系数为w_k，

而w_k-1＝r_kw_k,k＝m,m-1,…,3,2；

2-5.建立抑郁评估指标

其中

为正常人的脑功能网络特征值；Y值越小表示越接近正常人。

2.根据权利要求1所述的一种基于脑功能网络抑郁对比装置，其特征在于：所述的脑功能网络建模方法，具体为：

第1步：确定网络节点；

对于多通道EEG信号，把每个EEG导联对应的电极覆盖的区域定义为一个节点；

第2步：量化节点之间的关系；

构建功能网络过程中，对EEG信号进行预处理以及提取特定频段后，采用Pearson相关量计算EEG信号各通道两两之间的关系；

第3步：确定阈值并构建脑功能网络；

在量化EEG各通道间的关系之后，确定合适阈值以构建脑功能网络；各导联脑电信号之间的强度决定了两个节点之间是否存在连接，即若强度大于设定阈值，则两导联之间建立连接，并设置邻接矩阵对应元素为1，反之不建立连接，设置邻接矩阵对应元素为0；

第4步：脑功能网络的特征提取；

特征提取方法是利用图论研究网络特征与中枢神经可塑性指标之间的关系；神经可塑性指标是指脑功能网络的改变，也用脑功能网络连接关系的特征来衡量，并以运动功能康复的量表评判结果为依据；选取有向网络的特征路径长度、聚类系数和度分布来描述tDCS下中枢神经可塑性变化的脑功能网络特征。

3.根据权利要求1所述的一种基于脑功能网络抑郁对比装置，其特征在于：还包括反馈模型，通过对抑郁症患者进行经颅电刺激，采集脑电EEG，根据抑郁评估指标Y值判断抑郁是否改善，进而指导经颅直流电刺激进程，提高刺激效果。

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