樊鳳杰, 白 洋, 紀(jì)會(huì)芳

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004; 2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第九八四醫(yī)院,北京 100094)

1 引 言

焦慮是以情感、認(rèn)知和軀體癥狀為主的精神障礙類疾病,隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)壓力的增加以及生活方式的轉(zhuǎn)變,其發(fā)病率也在隨之上升。中醫(yī)針灸治療焦慮已有確切療效,臨床常選內(nèi)關(guān)穴為主穴,內(nèi)關(guān)穴屬手厥陰心包經(jīng)之絡(luò)穴,有寧心安神、鎮(zhèn)靜止痛作用,可調(diào)節(jié)和治療與人體精神意識(shí)有關(guān)的疾病[1]。經(jīng)皮穴位電刺激(transcutaneous electrical acupoint stimulation,TEAS)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)經(jīng)皮神經(jīng)電刺激與傳統(tǒng)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)理論相結(jié)合的一種疾病治療新技術(shù),近年來(lái)已成為精神障礙治療研究的新熱點(diǎn)[2],但目前TEAS對(duì)焦慮的治療效果及治療機(jī)制尚不明確。

腦電信號(hào)(Electroencephalogram,EEG)中包含了豐富的生理與病理信息[3],實(shí)驗(yàn)研究表明,用非線性動(dòng)力學(xué)方法研究腦電信號(hào)可以更好地反映大腦的復(fù)雜度水平?；诖?本文將近似熵(approximate entropy,ApEn)與關(guān)聯(lián)維數(shù)(correlation dimension,D2)2種非線性特征作為描述和分析腦電信號(hào)的方法。

2 材料和方法

評(píng)價(jià)TEAS內(nèi)關(guān)穴對(duì)焦慮的影響，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

2.1 實(shí) 驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

采用焦慮自評(píng)量表(self-rating anxiety scale,SAS)評(píng)價(jià)焦慮程度,選取評(píng)分在50分以上的12名具有焦慮情緒的全日制在校學(xué)生。受試者年齡均在22～25歲之間,純右利手,沒(méi)有藥物及其它治療史,女性受試者避開(kāi)月經(jīng)期。實(shí)驗(yàn)前告知受試者實(shí)驗(yàn)的操作流程、具體要求以及注意事項(xiàng)等,并簽署知情同意書(shū),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程要求受試者處于安靜閉眼狀態(tài)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將受試者隨機(jī)分為T(mén)EAS內(nèi)關(guān)穴干預(yù)組(穴位組)和TEAS非穴位干預(yù)組(非穴位組),每組各6名,用蘇州醫(yī)療用品廠有限公司生產(chǎn)的SDZ-Ⅱ型電子針療儀,分別進(jìn)行TEAS雙側(cè)內(nèi)關(guān)穴與非穴位。由于每個(gè)人耐受程度不同,實(shí)驗(yàn)時(shí)以受試者產(chǎn)生酸脹的刺激感為度,每次刺激20 min,1次/d,連續(xù)刺激7 d。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)在安靜的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行,使用美國(guó)加州舊金山神經(jīng)科技公司的Emotiv進(jìn)行腦電信號(hào)采集,采樣頻率為128 Hz,以受試者雙耳垂為參考,電極安放采用如圖2所示的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10-20連接方式,具體為左前額(AF3)、左前顳(F7)、左額(F3)、左額中央(Fc5)、左中顳(T7)、左后顳(P7)、左枕(O1)、右枕(O2)、右后顳(P8)、右中顳(T8)、右額中央(Fc6)、右額(F4)、右前顳(F8)、右前額(AF4)。電極安放完成后分別采集電刺激前、電刺激后2 min的靜息腦電。

圖2 Emotiv電極安放示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于采集的信號(hào)中包含眼電、肌電等噪聲,影響后續(xù)分析,故本實(shí)驗(yàn)使用50 Hz濾波器及EEMD-ICA算法進(jìn)行信號(hào)去噪處理。計(jì)算去噪后腦電信號(hào)的非線性動(dòng)力學(xué)特征ApEn與D2,比較實(shí)驗(yàn)前后2個(gè)參數(shù)變化。

2.2.1 近似熵分析

近似熵因具有較強(qiáng)的抗噪聲、抗干擾能力而被廣泛應(yīng)用,其物理意義是用一個(gè)非負(fù)數(shù)表示時(shí)間序列的復(fù)雜性即序列中新模式出現(xiàn)的概率[4]。概率越大,序列復(fù)雜程度越大,近似熵值也會(huì)越大。

將采集到的靜息腦電信號(hào)作為原始數(shù)據(jù)序列,選取N個(gè)樣本點(diǎn)x1,x2,x3,…,xN進(jìn)行近似熵計(jì)算[5]。

步驟1: 按照原始序列的順序構(gòu)造m維向量空間Xi:

Xi=[xi,xi+1,…,xi+m-1]

(1)

式中:i為第i個(gè)樣本點(diǎn),i=1,2,…,N-m+1;m為預(yù)先給定的嵌入維數(shù)。

步驟2: 計(jì)算任意2個(gè)矢量之間距離的最大值：

(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指出當(dāng)N=100～5 000、m=2、r=0.1σ～0.25σ(σ為原始序列的標(biāo)準(zhǔn)差)時(shí)計(jì)算所得到的結(jié)果具有合理的統(tǒng)計(jì)特性,可以較好的表示腦電信號(hào)的復(fù)雜程度[6]。故本實(shí)驗(yàn)在計(jì)算ApEn時(shí)取N=1 000,m=2,r=0.2σ。

2.2.2 關(guān)聯(lián)維數(shù)分析

關(guān)聯(lián)維數(shù)用于描述系統(tǒng)的自由度,是EEG重要的非線性特征,其計(jì)算一般采G-P算法[7,8]：

步驟1：對(duì)長(zhǎng)度為n的時(shí)間序列y(t)進(jìn)行m維空間重構(gòu),重構(gòu)后空間可表示為

Yi(m,τ)={y(i),y(i+τ),y(i+2τ),…,

y(i+(m-1)τ)}

(7)

式中τ為時(shí)間延遲。重構(gòu)相空間時(shí)必須合理選擇嵌入維數(shù)m和時(shí)間延遲τ。本文采用互信息量法確定τ,時(shí)間序列y(t)和其延遲時(shí)間序列yτ(t)=y(t+τ)的互信息I(y,yτ)表述為[9]

I(y,yτ)=H(y)-H(y|yτ)=H(y)+H(yτ)-

H(y,yτ)=I(yτ,y)

(8)

式中：H(y)為y的不確定性;H(y,yτ)為yτ已知時(shí)y的不確定性。選取互信息第一極小值對(duì)應(yīng)的τ為最優(yōu)解[10]。將τ帶入Cao方法計(jì)算信號(hào)的嵌入維數(shù)m,Cao方法是判斷偽鄰近點(diǎn)(FNN)的改進(jìn)方法,該方法計(jì)算時(shí)只需要τ一個(gè)參數(shù),能夠有效區(qū)分隨機(jī)信號(hào)和確定性信號(hào),并且使用較小的數(shù)據(jù)量就可以求得嵌入維數(shù)[11]。當(dāng)兩臨近點(diǎn)距離E1趨近1時(shí)對(duì)應(yīng)的m即為所求[12]。令樣本點(diǎn)n為1 000,計(jì)算得τ=4,如圖3所示;m=16,如圖4所示。

圖3 互信息法確定時(shí)間延遲

圖4 Cao方法確定關(guān)聯(lián)維數(shù)

步驟2：在重構(gòu)后的空間中任意選取點(diǎn)Yi,并計(jì)算其余點(diǎn)到該點(diǎn)的距離

(9)

對(duì)所有Yi(i=1,2,…,M;M為重構(gòu)空間中點(diǎn)的個(gè)數(shù))重復(fù)上述過(guò)程,j=1,2,…,M,且i≠j。

步驟3：給定一個(gè)測(cè)量單位d,計(jì)算關(guān)聯(lián)積分

(10)

式中θ為Heaviside函數(shù)。則D2計(jì)算表達(dá)式為：

(11)

2.2.3 療效評(píng)定

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 量表分析

表1給出了2組受試者SAS評(píng)分,結(jié)果表明,電刺激前,穴位組與非穴位組的SAS量表評(píng)分無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05)。電刺激后,穴位組SAS評(píng)分明顯下降(p<0.05),但非穴位組評(píng)分無(wú)明顯變化,并且穴位組量表評(píng)分低于非穴位組(p<0.05),表明電刺激內(nèi)關(guān)穴能夠有效緩解焦慮情緒,且效果優(yōu)于刺激非穴位。

表1 電刺激前后SAS評(píng)分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 ApEn及D2分析

表2和表3分別給出了ApEn及D2非線性動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果,由表中給出的數(shù)據(jù)可以看出,電刺激后穴位組ApEn值在AF3、F7、F3、P7、F8、F4、AF4通道降低明顯,具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05);D2值在AF3、F3、Fc5、T7、P7、F8、F4、AF4通道降低明顯(p<0.05)。而在其它通道上,雖然p>0.05,但比電刺激前2個(gè)參數(shù)值均有所下降,表明TEAS內(nèi)關(guān)穴能使各腦區(qū)復(fù)雜度有不同程度的降低。非穴位組電刺激前后各腦區(qū)ApEn及D2值變化均不存在顯著性差異,表明TEAS非穴位對(duì)大腦復(fù)雜度的影響不明顯。圖5為電刺激前后近似熵差值雷達(dá)圖,圖6為電刺激前后關(guān)聯(lián)維數(shù)差值雷達(dá)圖。

表2 各組腦電近似熵(ApEn)比較

圖5 電刺激前后近似熵差值

圖6 電刺激前后關(guān)聯(lián)維數(shù)差值

表3 各組腦電關(guān)聯(lián)維數(shù)(D2)值比較

為了更直觀地比較不同狀態(tài)下腦電ApEn及D2在大腦不同功能區(qū)的分布情況,給出圖7、圖8所示的計(jì)算每個(gè)通道上的近似熵與關(guān)聯(lián)維數(shù)腦電拓?fù)鋱D。從圖7和圖8中可以看出,電刺激實(shí)驗(yàn)后,穴位組受試者大腦皮層幾乎全部區(qū)域產(chǎn)生了非線性參數(shù)降低現(xiàn)象,變化主要集中在左額、左顳、右額及右顳區(qū);非穴位組受試者大腦皮層非線性特征變化不明顯。

圖7 基于近似熵不同狀態(tài)下腦電拓?fù)鋱D

圖8 基于關(guān)聯(lián)維數(shù)不同狀態(tài)下腦電拓?fù)鋱D

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

本文通過(guò)分析電刺激前后受試者SAS評(píng)分及各腦區(qū)非線性特征ApEn、D2變化,對(duì)TEAS內(nèi)關(guān)穴對(duì)焦慮的影響機(jī)制進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明,電刺激前2組受試者的SAS評(píng)分無(wú)顯著差異,電刺激后穴位組量表評(píng)分顯著降低,非穴位組無(wú)明顯變化,且穴位組量表評(píng)分低于非穴位組(p<0.05),表明電刺激內(nèi)關(guān)穴能有效緩解焦慮情緒。

從非線性動(dòng)力學(xué)角度分析,電刺激后穴位組受試者各腦區(qū)ApEn與D2值均呈現(xiàn)降低趨勢(shì),而非穴位組卻無(wú)此現(xiàn)象,說(shuō)明電刺激內(nèi)關(guān)穴能夠降低大腦的復(fù)雜程度。此外,采用兩種分析方法得到的結(jié)果也存在差異,采用ApEn作為分析方法時(shí),受試者左前額(AF3)、左前顳(F7)、左額(F3)、左后顳(P7)、右前顳(F8)、右額(F4)、右前額(AF4)腦區(qū)的變化具有顯著性差異,而采用D2作為分析方法時(shí),受試者左前額(AF3)、左額(F3)、左額中央(Fc5)、左中顳(T7)、右后顳(P7)、右前顳(F8)、右額(F4)、右前額(AF4)腦區(qū)的變化具有顯著性差異,但受試者大腦狀態(tài)變化均集中在左、右額區(qū)及左、右顳區(qū)。本實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果與一些學(xué)者的研究基本相符,付平通過(guò)觀察電針刺激內(nèi)關(guān)穴的fMRI變化得出實(shí)驗(yàn)前后正常被試的兩側(cè)額葉及顳葉均被不同程度激活[13]。李文文通過(guò)對(duì)磁刺激內(nèi)關(guān)穴誘發(fā)的腦電信號(hào)進(jìn)行源定位,發(fā)現(xiàn)受試者大腦的額葉和顳葉電極都存在明顯的誘發(fā)電位成分,說(shuō)明磁刺激內(nèi)關(guān)穴主要激活大腦的雙側(cè)額葉和顳葉[14]。尹寧等通過(guò)構(gòu)建腦皮層功能連接分析磁刺激內(nèi)關(guān)穴,結(jié)果表明與情緒、記憶相關(guān)腦區(qū)節(jié)點(diǎn)的功能連接增多93%,位于額葉和顳葉節(jié)點(diǎn)的功能連接增多21.2%[15]。

研究表明,額葉是人類大腦情緒產(chǎn)生中心,左側(cè)額葉主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)和產(chǎn)生正性情緒,而右側(cè)額葉負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)和產(chǎn)生負(fù)性情緒,額葉功能的改變是產(chǎn)生焦慮的重要因素。顳葉為精神皮質(zhì),人類的情緒和精神活動(dòng)與顳葉有密切關(guān)系,大腦顳葉的損害能夠引起人的負(fù)情緒反應(yīng),當(dāng)雙側(cè)顳葉病變時(shí)會(huì)出現(xiàn)人格改變、精神異常等精神癥狀,而焦慮的臨床表現(xiàn)多為煩躁易怒、善恐易驚,與上述顳葉功能改變密切相關(guān)。趙小虎利用fMRI技術(shù)發(fā)現(xiàn)焦慮患者的額葉及顳葉存在功能異常[16]。萬(wàn)黎通過(guò)觀察腦血流灌注發(fā)現(xiàn)焦慮癥患者存在額葉、顳葉功能低下[17]。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TEAS內(nèi)關(guān)穴能夠有效改善焦慮情緒,降低大腦雙側(cè)額區(qū)及顳區(qū)復(fù)雜度,因此,可以推斷TEAS內(nèi)關(guān)穴對(duì)焦慮的影響機(jī)制可能與改善大腦雙側(cè)額區(qū)及顳區(qū)復(fù)雜度有關(guān)。

5 結(jié) 論

焦慮是一種病程較長(zhǎng)且容易復(fù)發(fā)的慢性疾病,其發(fā)病率占整個(gè)人群的15%～30%,嚴(yán)重影響著人們的心理健康及生存質(zhì)量。內(nèi)關(guān)穴是人體手厥陰心包經(jīng)上的重要穴位,主治和情志失和、氣機(jī)阻滯有關(guān)的病變,與大腦神經(jīng)調(diào)節(jié)密切相關(guān)。近年來(lái),TEAS作為一種非侵入的可控刺激方式已廣泛應(yīng)用于臨床,但能否有效治療焦慮仍需進(jìn)一步臨床驗(yàn)證。由于大腦能夠清晰反映出當(dāng)前的精神狀態(tài),因此本研究從腦電信號(hào)非線性特征ApEn、D2的角度分析TEAS內(nèi)關(guān)穴對(duì)焦慮的影響。比較電刺激前后穴位組與非穴位組受試者SAS評(píng)分及腦電信號(hào)特征,結(jié)果表明TEAS內(nèi)關(guān)穴可以有效緩解焦慮情緒,降低各腦區(qū)ApEn、D2值,改善大腦復(fù)雜度,尤以左、右額區(qū)及左、右顳區(qū)變化最為明顯,說(shuō)明TEAS內(nèi)關(guān)穴可能通過(guò)對(duì)額葉、顳葉的腦功能活動(dòng)的促進(jìn)作用緩解焦慮,本研究為揭示TEAS內(nèi)關(guān)穴的作用機(jī)理提供了一定的理論依據(jù)。但由于樣本數(shù)量有限,本文只對(duì)TEAS內(nèi)關(guān)穴緩解焦慮癥狀及機(jī)制進(jìn)行了初步的探索,為更好地揭示其作用機(jī)制,后續(xù)研究中將開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)行深入探討。