疼痛诱发脑电响应的挖掘和应用

【摘要】国际疼痛研究协会(IASP)定义疼痛为“伴随实际或潜在机体组织损伤产生的一种不快的感觉和情绪体验,常被人用来指代这些损伤”。疼痛是多数疾病的主要伴随症状,一般随着病情的开始、恶化、好转和治愈而出现、加重、减轻和消失,临床上疼痛评估可为监测病情和衡量治疗效果的提供重要指标。当机体已经痊愈而疼痛并未消失时,起保护和警示作用的疼痛就转化成有害的慢性疼痛病,显著地降低个人的机体功能和生活质量。这时,疼痛评估为疼痛治疗决策提供主要标准。但是,疼痛是受感觉、注意、情绪、意识状态和经验等诸多因素影响的主观体验,其主观性给痛觉的客观评估和科学诊断造成了非常大的困难。脑电图学是一种记录头皮表面微弱电信号的实验室研究和临床诊断技术,它能获取大脑神经活动直接可靠的电生理指标,并且具有非侵入性和极高的时间分辨率等优点。因此,脑电技术被广泛用于认知神经科学领域的基础和临床研究中,以获取人类大脑处理痛觉的神经机制。因激光刺激能选择性激活伤害感受器Aδ纤维和C纤维,激光诱发电位(LEPs)被认为是研究伤害疼痛特性的最好方法之一。本研究中,首先将利用大样本被试的激光诱发脑电信号,采用基于偏最小二乘法(PLS)的多元线性回归(MVLR)技术,深入探讨脑电时频分析技术中基线校准方式对疼痛脑电时频响应(事件相关失同步[ERD]/同步化[ERS])的影响,以期获得无偏的基线校准方式。皮层电信号(如脑电图[EEG]和脑磁图[MEG])的ERD/ERS从另一重要侧面反映感觉、运动和认知的皮层处理过程。ERD/ERS通过单试次皮层电信号的时频分解获得,能探测刺激诱发的某些频带能量的显著变化。通常,用刺激前后能量差占刺激前能量的百分比表示能量变化。但该百分比方式存在两个重要却被意外忽略的问题。第一,它在ERD/ERS的定量估计中引入明显的偏差。第二,它混淆了刺激前和刺激后脑电能量分别对所得变化结果值的贡献。以瞬时伤害刺激诱发的人类皮层电响应为例,我们在第一个研究中证明单试次水平上的平均能量改变百分数,即ERD/ERS,存在正向偏差,表现为高估ERS和低估ERD。该偏差在单试次水平上的相减方式基线校准时不存在。因ERD/ERS的变异由刺激前能量变异和刺激后能量变异共同组成,所以需要估计两者分别对变异的贡献大小。可采用基于PLS回归以达最优估计的MVLR模型,定量分析和厘清刺激前后脑电活动能量与行为变量的关系。结果说明结合单试次水平上相减方式的基线校准和PLS分析能准确地探测和量化ERD/ERS。接着,运用各种先进的脑电分析和处理技术,如脑电信号的带通滤波、独立成分分析(ICA)、共空间模式(CSP)分析、单试次提取、MVLR分析等,我们对单试次激光诱发脑电信号进行逐步降噪处理。具体来说：第一步,运用带通滤波技术,在频域上去除与信号无关的伪迹；第二步,运用ICA技术将滤过波的64导脑电信号分解成许多成分,通过辨别和删除与眨眼和眼动有关的成分进一步去除伪迹：第三步,对基线信号集和激光诱发脑电信号集采用CSP分析,获取最能区别两个集合的空间模式,用它们作为空间滤波器降低激光诱发脑电信号以外的背景信号和噪声,同时保留LEPs信号,进一步提高信噪比(SNR)。第四步,运用MVLR分析,以平均波形作为模板,拟合单试次LEP,大幅度提高单试次疼痛脑电响应的SNR。前面提到,疼痛是一种个人体验,临床中一直以自我报告为评估疼痛的黄金标准。但是,对某些弱势人群(如意识障碍病人)来说,难以获取可靠的自我报告,这就导致缺失或非最优的疼痛治疗。因此,作为自我报告的补充,基于生理的,客观的疼痛评估指标在许多实践中显得很重要。在降噪过程的第四步,MVLR分析能产生代表单试次LEP中N2,P2波峰值和潜伏期信息的回归系数,基于这些单试次LEP特征,用贝叶斯分类器对疼痛强度进行二分(强疼和弱疼)预测,用多元线性预测模型对疼痛强度进行连续(0到10分)预测。结果显示,疼痛强度的二分预测(强疼和弱疼的分类)准确率分别是86.3±8.4%(被试内)和80.3±8.5%(被试间),疼痛强度连续预测(在0到10范围内回归)的平均绝对误差(MAE)分别是1.031±0.136(被试内)和1.821±0.202(被试间)。因此,该方法有助于创造一种快速、可靠和自动的,在多数基础研究和临床实践中具有潜在应用价值的疼痛评估工具。总之,本研究借助于激光诱发脑电响应,首先探讨了脑电响应的时频分析过程中基线校准对ERD/ERS的影响,获得时频分析过程的无偏基线校准方式。然后,采用诸多先进的脑电除噪方法,进一步挖掘疼痛脑电响应信号特征。基于该特征的疼痛预测方法,为临床诊断中客观的疼痛评估和疗效评价提供了可能的途径。
【作者】肖平；
【导师】胡理；ToddJackson；
【作者基本信息】西南大学，发展与教育心理学，2014，硕士
【关键词】疼痛；疼痛评估；基线校准；共空间模式分析；事件相关失同步/同步化；

【参考文献】
[1]姚建国,赖业宁.智能电网的本质动因和技术需求[J].电力系统自动化,2010,02:1-4+28.
[2]吴海亮.快速工业化进程中食品安全的政府规制研究[D].苏州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[3]王睿,梁彦,潘泉,程咏梅.无线传感器网络信息感知中的自组织算法[J].自动化学报,2006,05:829-833.
[4]芦晨.黄玉华等人机动车交通事故责任纠纷一案案例分析[D].兰州大学,法律,2012,硕士.
[5]龚勋,冯毅雄,谭建荣,郏维强.复杂工况驱动的产品适应性设计方法[J].计算机集成制造系统,2014,03:505-520.
[6]陈飞.载~(99m)锝靶向前列腺癌纳米金胶囊的构建及其体外实验研究[D].华中科技大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[7]孟玉宁.宏观一维石墨烯材料的制备及应用研究[D].北京理工大学,化学,2014,硕士.
[8]刘岩芳.论图书馆的知识管理[D].黑龙江大学,2003.
[9]张玉荣.北碚10kV配电网络无功优化软件的开发[D].重庆大学,电气工程,2003,硕士.
[10]斯重遥,于尔靖,应慧筠,刘兴志,刘权.低碳钢焊接热裂纹形成温度区的研究[J].焊接学报.1989(02)
[11]倪胤.历史文化主题公园发展研究[D].西安建筑科技大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[12]高丽丽.一步单菌发酵生产2-酮基-L-古龙酸工程菌的构建与优化[D].江南大学,发酵工程,2014,博士.
[13]应兆闽.冲击式钻头[J].石油地球物理勘探,1983,03:288-291+287.
[14]马琳琳.吉林北大壶滑雪场顾客忠诚度影响因素研究[D].吉林财经大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[15]谢永防.鲁能泰山电缆公司质量控制系统优化设计[D].大连理工大学,工商管理,2003,硕士.
[16]董建设.基于HTML标记分析及中文切词的网页索引研究与实现[D].兰州理工大学,2003.
[17]潘炎.壳聚糖对几种生物的作用差异研究[D].浙江工商大学,食品工程（专业学位）,2013,硕士.
[18]于雪梅.我国行政执法监督存在的问题和对策研究[D].吉林财经大学,法律,2014,硕士.
[19]林玲如.麦粒灸治疗脾虚湿阻型单纯性肥胖症的临床研究[D].广州中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[20]王振华.布尔向量数据模式分类关键问题及中医诊断量表研制[D].北京交通大学,2009.
[21]项镭.优化控制平台系统控制站软件设计与开发[D].华北电力大学,检测技术与自动化装置,2012,硕士.
[22]金悦磊.近年来好莱坞电影之“中国风”现象及给我们的启示[D].外交学院,英语语言文学,2014,硕士.
[23]孙云智.肇庆市气象局业务综合平台[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[24]何跃勇,李烨,申鹏,汤美润.贵州大学MBA学位论文质量评价标准及保障体系构建[J].教育文化论坛,2014,05:47-52.
[25]刘汇潮.论网络环境下商业秘密的法律保护[D].河北大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[26]邵卫才.村级森林收获调整与森林景观恢复研究[D].北京林业大学,森林经理学,2013,硕士.
[27]曹地.多源数据辅助的LiDAR三维城市快速建模[D].长安大学,地质工程（专业学位）,2014,硕士.
[28]冯军.银行中间业务的赢利模式研究[D].四川大学,2004.
[29]陈丽蓉.虚假会计报表的审阅问题研究[D].重庆大学,工商管理,2003,硕士.
[30]郭文帅,王杨堃.深圳市综合交通管理体制改革的经验与启示[J].综合运输,2014,08:20-24.
[31]徐晓芳.PSME2基因RNA干扰及高表达对结肠癌HCT-8细胞及肿瘤增殖的影响[D].吉林大学,动物遗传育种与繁殖,2013,硕士.
[32]王凌宇.旋转机械实时在线状态监测系统研究——现场工作站设计[D].浙江大学,仪器科学与技术,2004,硕士.
[33]郑晓丹.母子公司组织协同、知识协同与创新绩效的关系研究[D].浙江工业大学,2009.
[34]孙春燕.网络环境下提高中职生汉字书写水平的探索[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[35]吉晓瑞.临猗地台戏调查与研究[D].山西师范大学,戏剧戏曲学,2013,硕士.
[36]陈永强.东北退化草原恢复演替系列羊草和寸草苔种群动态[D].东北师范大学,生态学,2012,硕士.
[37]范利平.安全检查工具中Java前端的研究与构建[D].西安电子科技大学,计算机软件与理论,2011,硕士.
[38]李可.浅析当代都市水墨人物画的意象表现[D].西安美术学院,美术学,2014,硕士.
[39]牟倩.中日同形語の中国語訳について－－二字漢語を中心に[D].西安外国语大学,日语语言文学,2014,硕士.
[40]杨红梅.我国住房消费信贷市场分析及应对策略[D].吉林大学,工商管理,2004,硕士.
[41]廖世霞.基于碳纳米管催化剂的异丙苯催化氧化性能研究[D].华南理工大学,2014.
[42]程鹤立.非全日制研究生学位论文指导研究[D].西南大学,高等教育学,2014,硕士.
[43]刘洪马.面向城市规划的三维空间信息系统[D].浙江大学,2005.
[44]裴晓慧.Galectin-3,MMP-9在子宫腺肌病中的表达及意义[D].泰山医学院,妇产科学,2012,硕士.
[45]刘睿欣,陈后金,李居朋,韩振中.改进标记分水岭的乳腺X线图像肿块检测方法[J].计算机技术与发展,2014,06:19-23.
[46]李艳.罗丹明型荧光探针的合成及对金属离子的识别研究[D].西南大学,分析化学,2013,硕士.
[47]吴雨晨.甘草素联合阿霉素诱导人肝癌HepG2细胞及裸鼠肝癌移植瘤凋亡及其分子机制的研究[D].南京医科大学,营养与食品卫生学,2013,硕士.
[48]李明贵.面向压装设备的实时检测系统的软件功能设计[D].广东工业大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[49]褚海英.飞轮电池及其混合磁悬浮控制系统的研究[D].北京交通大学,2009.
[50]许军,陈劲超,孙晓红.铺装层对装配式空心板桥结构横向受力的影响[J].山西交通科技,2015,01:20-23.