脑电波中脑功能状态认知指数在不同特征人群中的分布特点研究

吴一兵

脑电图检查是一种无创、安全的检查手段，可作为多种疾病的辅助检查手段，如昏迷、脑肿瘤、癫痫、脑震荡、脑血栓、脑炎等［1］。目前，脑电波信号采集技术已较为成熟，但对从脑电波中破译、解码出有价值的脑功能定量特征数据分析还处于初级阶段。近年来国内外研究发现，认知功能、疼痛、情绪等均可引起脑电波明显改变，故脑电波可能成为反映认知功能、疼痛程度、情绪状态的临床指标［2-4］。笔者前期研究以小波算法为核心，从尺度窗口、复杂度及时域3个维度解析脑电波信号，测量大样本量健康人群脑电波信号并提取大脑发育、焦虑、抑郁、疼痛，镇静、抑制、兴奋、学习、记忆、老化等24项客观定量特征指标，并建立了常模值，实现了对认知功能、脑能力、性格情绪、睡眠质量、用脑习惯、身心压力等方面客观定量分析［5］。既往研究表明，脑耗能、脑混沌、困倦、脑惰性、警觉度、内专注、外专注、脑抑制、脑内敛、记忆加工、反应速度、左右脑偏侧等指数与大脑认知功能密切相关［6-9］。 本研究拟使用小波算法从脑电波中提取脑功能状态认知指数并建立常模值，旨在分析脑功能状态认知指数在不同特征人群中的分布特点。

1 对象与方法

1.1 对象来源

1.1.1 建模对象 2013年6月—2018年5月，从学校、企业或机构、社区、大型展会选取健康人20 806例，其中学校2 820例，企业或机构12 745例，社区1 966例，大型展会 3 275例；年龄＜7岁238例，7～9岁553例，10～13岁1 167例，14～24岁 2 345例，25～39岁 6 686例，40～65岁 7 754例，66～80岁1 608例，＞80岁455例。排除标准：（1）伴有精神疾病、中枢及外周神经系统疾病者；（2）长期服用阿片类药物者；（3）伴有呼吸系统、循环系统、代谢性疾病者；（4）不能配合本研究者。所有建模对象或监护人同意参加并签署知情同意书。

1.1.2 研究对象 2017年2—12月，选取北京市某重点大学学生517例（A组），脑病患儿118例（B组），自闭症儿童30例〔C组，其中参加正常儿童教育15例（C1组）、参加特殊儿童教育15例（C2组）〕，语言障碍儿童65例（D组），北京市某医院肝性脑病患者68例（E组），北京市某医院确诊的心脏病患者1 237（F组），北京市某医院手术室全身麻醉患者94例（G组），北京市某医院癌症患者32例（H组）。分别从建模对象中选取年龄、性别相匹配的健康人作为对照-A组517例、对照-B组118例、对照-C组30例、对照-D组65例、对照-E组68例、对照-F组1 237例、对照-H组32例，另选取北京市某医院重症监护病房（ICU）昏迷患者135例作为对照-G组。所有患者或家属知情并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 脑电信号采集 采用HXD-I多功能组合式监护仪采集所有受试者脑电波，具体如下：清洁受试者前额及耳后乳突皮肤，参照国际通用头皮电极定位10/20系统法，将无创脑电电极分别置于前额双眉中心点上方约2 cm（FZ）、双侧眉弓上方（左侧FP1，右侧FP2），参考电极置于双侧乳突位（左侧C1，右侧C2）；连续记录6 min脑电信号；然后采用北京易飞华通科技开发有限公司生产的小波算法脑电分析软件包1.0版处理采集到的脑电信号，自动计算反应速度、记忆加工、警觉度、困倦、脑惰性、脑耗能、脑混沌、脑内敛、脑排空、脑疲劳、脑稳定、脑抑制、内源性焦虑、内专注、外专注、左右脑偏侧指数［5］。

1.2.2 常模值建立 收集建模对象的脑功能状态认知指数，由于数据呈偏态分布，故采用百分等级常模，以90百分位数作为常模临界值。

1.3 统计学方法 应用SPSS 13.0统计软件进行数据处理，符合正态分布的计量资料以（x ±s）表示，多组间比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用q检验；非正态分布的计量资料以M（QR）表示，两组或多组间比较采用秩和检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同年龄段健康人群脑功能状态认知指数分布趋势 绘制不同年龄段健康人群脑功能状态认知指数分布趋势图，结果显示，随着年龄增长，反应速度、记忆加工、警觉度、脑抑制、外专注指数呈“反U字形”趋势，脑惰性、脑耗能、脑混沌、脑疲劳、内源性焦虑、内专注指数呈“U字形”趋势，困倦、脑稳定指数呈先下降后上升趋势，脑内敛、脑排空、左右脑偏侧指数呈缓慢上升趋势，见图1。

2.2 不同特征人群脑功能状态认知指数比较

2.2.1 重点大学学生 A组记忆加工、脑内敛指数高于对照-A组，脑惰性指数低于对照-A组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表1）。

2.2.2 脑病患儿 B组脑耗能、脑疲劳指数高于对照-B组，脑内敛、脑抑制指数低于对照-B组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表2）。

表1 对照-A组和A组记忆加工、脑惰性、脑内敛指数比较〔M（QR）〕Table 1 Comparison working memory function index，cognitive efficiency index and selective attention index between control-A group and A group

表2 对照-B组和B组脑耗能、脑内敛、脑疲劳、脑抑制指数比较〔M（QR）〕Table 2 Comparison of mental metabolic workload index，selective attention index，mental fatigue index and mental inhibition index between control-B group and B group

2.2.3 自闭症儿童 对照-C组、C1组、C2组脑耗能、脑混沌、脑疲劳、左右脑偏侧指数比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；C1组和C2组脑耗能、脑混沌、脑疲劳指数高于对照-C组，C2组脑耗能、脑混沌、脑疲劳指数高于C1组，差异有统计学意义（P＜0.05）；C1组左右脑偏侧指数高于对照-C组和C2组，C2组左右脑偏侧指数低于对照-C组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表3）。

2.2.4 语言障碍儿童 D组脑惰性、脑排空、脑疲劳、外专注指数高于对照-D组，记忆加工、脑抑制指数低于对照-D组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表4）。

图1 不同年龄段健康人群脑功能状态认知指数分布趋势Figure 1 Distribution trends of cognitive index of brain functional state in brain waves in healthy population with different age

2.2.5 肝性脑病患者 E组反应速度、记忆加工、警觉度、脑惰性、脑耗能、脑内敛、外专注指数低于对照-E组，困倦、脑排空、脑稳定、脑抑制、内专注指数高于对照-E组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表5）。

2.2.6 心脏病患者 F组脑排空、内专注、内外专注和指数高于对照-F组，脑内敛指数低于对照-F组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表6）。

表3 对照-C组、C1组、C2组脑耗能、脑混沌、脑疲劳、左右脑偏侧指数比较（x± s）Table 3 Comparison of mental metabolic workload index，mental refractory period index，mental fatigue index，left/right brain utilization index in control-C group，C1 group and C2 group

表4 对照-D组和D组记忆加工、脑惰性、脑排空、脑疲劳、脑抑制、外专注指数比较〔M（QR）〕Table 4 Comparison of working memory function index，cognitive efficiency index，implicit cognition index，mental fatigue index，mental inhibition index，situational awareness index between control-D group and D group

表6 对照-F组和F组脑内敛、脑排空、内专注、内外专注和指数比较〔M（QR）〕Table 6 Comparison of selective attention index，implicit cognition index，default mode activation index，default mode activation and situational awareness index between control-F group and F group

表5 对照-E组和E组反应速度、记忆加工、警觉度、困倦、脑惰性、脑耗能、脑内敛、脑排空、脑稳定、脑抑制、内专注、外专注指数比较〔M（QR）〕Table 5 Comparison of mental flexibility rate index，working memory function index，external apprehension index，mental somnolence index，cognitive efficiency index，mental metabolic workload index，selective attention index，implicit cognition index，mental resilience index，mental inhibition index，internal concentration index and external concentration index between control-E group and E group

表7 对照-G组和G组记忆加工、困倦、脑惰性、脑耗能、脑内敛、脑排空、脑稳定、脑抑制、内源性焦虑、内专注指数比较〔M（QR）〕Table 7 Comparison of working memory function index，mental somnolence index，cognitive efficiency index，mental metabolic workload index，selective attention index，implicit cognition index，mental resilience index，mental inhibition index，intrinsic anxiety and internal concentration index between control-G group and G group

2.2.7 全身麻醉患者 G组记忆加工、困倦、脑内敛指数高于对照-G组，脑惰性、脑耗能、脑排空、脑稳定、脑抑制、内源性焦虑、内专注指数低于对照-G组，差异有统计学意义（P＜0.01，见表7）。

2.2.8 癌症患者 H组脑惰性、外专注、左右脑偏侧指数低于对照-H组，脑稳定、脑抑制、内专注指数高于对照-H组，差异有统计学意义（P＜0.05，见表8）。

表8 对照-H组和H组脑惰性、脑稳定、脑抑制、内专注、外专注、左右脑偏侧指数比较〔M（QR）〕Table 8 Comparison of cognitive efficiency index，mental resilience index，mental inhibition index，default mode activation index，situational awareness index，left/right brain utilization index between control-G group and G group

3 讨论

认知是指个体认识和理解事物的心理过程，包括感知、注意、学习和记忆、思维和语言等［10］。认知障碍是指认知功能中的一项或多项受损，可分为认知功能衰退、认知功能缺损或认知残疾，其是一个长期发展的过程。既往研究结果显示，认知障碍后期特别是痴呆患者，经治疗虽能延缓认知功能衰退进程，但损伤多不能逆转，故早期干预轻度认知障碍具有重要意义［11］。神经心理学量表、神经影像学检查是既往评估大脑认知功能的常用手段［12］，但其存在操作时间较长、步骤复杂、易受受试者主观理解能力影响等缺点，且大型检查设备推广普及难度较大。本研究通过小波算法提取脑电数据中与认知功能相关的指标，可快捷、客观、定量、准确测量大脑认知功能。正电子发射型计算机断层显像（PET-CT）、功能性磁共振成像（fMRI）、脑磁图（MEG）、脑电图等多种先进的大脑功能检测手段发现，大脑前额叶与大脑认知功能密切相关［12］。因此，本研究采用双导脑电电极主要监测来自前额叶的脑电信号，以客观定量反映大脑认知功能。

小波算法是一种时-频域的分析方法，是将时域的一维信号转变为时间-振幅-频率的三维空间，其基本方法是选择满足时域积分为零的函数作为基本小波（小波基），然后通过缩放、平移基本小波生成一函数族，该函数族可构成函数空间的1个框架，将待分析的信号向该框架上投影可得到分解。原时间域上的信号在小波的变换域上得到一个表示，一些在原时间域上因混迭而不易观察的信号特征可能会在变换域的某个尺度上明显体现［13］。目前，国际学术界公认小波分析理论是分析、计算脑电波的合适算法，与常规脑电图及傅里叶变换相比，小波算法能分析医学领域的绝大多数非稳定信号，尤其是脑电信号，故能更多地反映大脑信息［13］。

本研究结果显示，随着年龄增长，反应速度、记忆加工、警觉度、脑抑制、外专注指数呈“反U字形”趋势，脑惰性、脑耗能、脑混沌、脑疲劳、内源性焦虑、内专注指数呈“U字形”趋势，困倦、脑稳定指数呈先下降后上升趋势，脑内敛、脑排空、左右脑偏侧指数呈缓慢上升趋势，提示脑电波中脑功能状态认知指数分布趋势符合人体生命周期中的客观变化规律。

本研究结果还显示，A组记忆加工、脑内敛指数高于对照-A组，脑惰性指数低于对照-A组，提示重点大学学生大脑思维更加勤奋，记忆加工能力、大脑兴奋的自我控制能力更强。B组脑耗能、脑疲劳指数高于对照-B组，脑内敛、脑抑制指数低于对照B组；C1组和C2组脑耗能、脑混沌、脑疲劳指数高于对照-C组，C2组脑耗能、脑混沌、脑疲劳指数高于C1组；C1组左右脑偏侧指数高于对照-C组和C2组，C2组左右脑偏侧指数低于对照-C组；D组脑惰性、脑排空、脑疲劳、外专注指数高于对照-D组，记忆加工、脑抑制指数低于对照-D组，提示癫痫、自闭症及语言障碍等均可能影响儿童大脑认知功能发育，表现为大脑思维效率、专注能力、记忆加工能力不同程度下降，且大脑易疲劳。E组反应速度、记忆加工、警觉度、脑惰性、脑耗能、脑内敛、外专注指数低于对照-E组，困倦、脑排空、脑稳定、脑抑制、内专注指数高于对照-E组；F组脑排空、内专注、内外专注和指数高于对照-F组，脑内敛指数低于对照-F组；H组脑惰性、外专注、左右脑偏侧指数低于对照-H组，脑稳定、脑抑制、内专注指数高于对照-H组，提示肝性脑病、心脏病及癌症均可能导致患者认知功能损伤［14-16］。G组记忆加工、困倦、脑内敛指数高于对照-G组，脑惰性、脑耗能、脑排空、脑稳定、脑抑制、内源性焦虑、内专注指数低于对照-G组，究其原因可能与麻醉药引起脑血流减少、脑代谢降低有关。

综上所述，脑电波中脑功能状态认知指数较符合人体生命周期中的客观变化规律，且在不同特征人群中呈特异性变化。因此，未来脑功能状态认知指数有望能定量、客观地指导医生和个人精准化管理大脑状态，帮助不同年龄段人群掌握大脑的健康和效率状态。