脑电图在脑卒中后认知功能评定中的应用

晁静,巩尊科,王世雁,欧香灵,顾成晨,周文欣

世界老龄化加剧,中风的发病率也不断提高[1],其中约1/3的卒中患者继发脑卒中后认知功能障碍(post-stroke cognitive impairment,PSCI),且持续到卒中后6个月时仍存在的一系列认知损伤的综合征,表现为记忆力、计算力、理解判断力下降等[2]。目前临床上多采用医学量表评估认知功能受损情况[3],但其主观性偏差给评估工作增加了难度。因此探究一种早期诊断PSCI且复测康复进程的无创性检查十分必要。脑电图(electroencephalogram, EEG)可作为估计大脑皮质神经细胞活动及网络结构连通性的神经生理测量[4],也用于反映中风后认知功能变化并预测患者的康复[5]。基于频域分析将EEG信号分为4种常用频带δ(1～4Hz),θ(4～8Hz),α(8～13Hz),β(13～30Hz)[6]。δ波和θ波为低频活动,α波和β波为高频活动[7]。神经元受损后认知障碍程度的不断加重,低频脑电活动也不断增加,相反高频脑电波功率减小[8]。本研究将基于脑电图功率谱分析应用于不同认知功能水平的脑卒中患者的功能评定,并观察脑电信号的变化与蒙特利尔认知量表(montreal cognitive assessment, MoCA)、洛文斯顿作业疗法认识评定量表(loewenstein occupational therapy cognitive assessment,LOTCA)评定是否有相关性,探讨脑电图在卒中后认知功能评定中的临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2022年11月至2023年6月在徐州医科大学附属徐州康复医院和徐州医科大学徐州临床学院/徐州市中心医院康复医学科收治的脑卒中患者75例,凡入组患者均行简易精神状态量表(mini-mental state examination, MMSE)筛查评测,根据被试者的文化程度不同,评估结果的标准值以下患者视为有认知功能障碍,设为PSCI组,标准分及以上的患者视为非PSCI组。纳入标准:头颅CT或MRI检查证实病灶,且符合2019年脑卒中诊断标准[9];首次发病,年龄≤75岁,病程≤6个月;无肢体活动障碍,生命体征平稳,能够配合各项检查。排除标准:既往有先天性、遗传性疾病、神经功能缺损或神经系统变性疾病导致的严重痴呆;有心、肺等重要器官功能障碍;发热、癫痫发作、脑电图异常者;严重听力障碍和(或)视力障碍,无法配合检查者。纳入30例PSCI患者,为了实现组间均衡可比性,随机选取了30例非认知障碍组(非PSCI)的例数,另选取30例与病例组相匹配且符合入选标准的健康志愿者设为健康对照组,例如患者家属、医院护理人员或门诊健康体检者。健康对照组入选标准:MMSE筛查量表评分正常,无认知障碍病史;神经系统检查正常;无脑外伤、脑血管意外等中枢神经系统疾病;无精神病及精神病家族史等;无酒精或药物成瘾史。以上3组受试者均详细了解研究内容,同意加入并签署相关知情同意书。3组一般资料比较无统计学差异,有可比性,见表1。本研究经徐州市康复医院伦理委员会批准(No. XK-LW-20221020-007)。

1.2 方法

1.2.1 认知量表评估 在安静的房间里,由一位康复医师通过患者答题的表现进行评分。所有受试者均在无任何康复治疗前,入组2日内完成量表评估。MMSE评定[10]:总分30分,包括定向、记忆、注意及计算力、语言能力、执行力、视空间力的6个方面。标准:文盲(未受教育)≤17分,小学文化程度(受教育年限≤6年)≤20分,中学文化程度以上(受教育年限>6年)≤24分。临界值以下考虑为认知功能障碍,此量表在本研究中作为初筛手段。MoCA评定[11]:总分为30分,包括8个方面,即定向、抽象、言语、注意、记忆、视空间与执行功能、画钟表、命名。评分标准:受年龄限制≤12年附加1分,≥26分为正常。LOTCA评定[12]:总分115分,附加题目为4分。包括7个范畴:定向力、知觉、动作运用、视运动组织和思维运作,另有附加题目注意力及专注力。评定的分数越低,表明脑卒中后该患者认知功能的损害越严重。

1.2.2 脑电图采集 在微暗、安静的环境中,被试者远离一切干扰源,清醒闭眼状态,静坐于座椅上。采用JY-2440型号数字脑电地形图仪。按照国际10/20标准系统(32导联,分别为FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T3、T4、T5、T6、AF3、AF4、FC3、FC4、CP3、CP4、PO3、PO4、FT7、FT8、CP7、CP8、Fz、Cz、Pz、Oz)放置电极,双侧耳垂作为参考电极,采样率选择500Hz,记录5min时长。

1.2.3 脑电图数据分析 基于Matlab软件的EEGLAB插件对脑电原始数据进行预处理,利用带通FIR滤波器滤波(高通0.5Hz,低通45Hz)消除杂音,全导联平均作为重参考,进行独立成分分析(independent component analysis, ICA),去除伪迹等步骤。预处理完成的数据进行快速傅里叶转换,基于Welch算法功率谱分析[13],选取20s汉明窗的无伪迹脑电图数据。计算分析出α、β、θ、δ四个不同频段范围内的绝对功率。本研究分析计算α波绝对功率(alpha absolute power,αAP)、α波相对功率(alpha relative power,αRP)和慢波化比率[ (delta + theta)/(alpha + beta) ratio,DTABR]。脑电图慢波比率和α波振荡与认知功能密切相关[14]。

上述公式中Pα、Pβ、Pδ、Pθ 分别为α、β、δ、θ绝对功率值。

3组被试者需在无任何康复治疗的情况下,且入组2日内完成脑电数据采集。脑电图的采集及数据分析均由另一位经过电生理专业培训的康复医师完成。

2 结果

2.1 3组MMSE、MoCA及LOTCA评分的比较 MMSE、MoCA、LOTCA评分在3组间比较存在统计学差异(P<0.05),经过两两比较,健康对照组3项评分明显高于非PSCI组、PSCI组(P<0.05),非PSCI组3项评分明显高于PSCI组(P<0.05)。见表2。

表2 3组MMSE、MoCA及LOTCA评分比较 分,M(P25,P75)

2.2 3组脑电图各指标的比较 αAP、αRP在3组间比较存在统计学差异(P<0.05),经过两两比较,健康对照组的水平明显高于非PSCI组、PSCI组(P<0.05),非PSCI组明显高于PSCI组(P<0.05);DTABR在3组存在统计学差异(P<0.05),健康对照组的明显低于非PSCI组、PSCI组(P<0.05),非PSCI组明显低于PSCI组(P<0.05)。见表3。

表3 3组间脑电图各指标比较 M(P25,P75)

2.3 PSCI组中脑电图数据与MMSE、MoCA、LOTCA评分量表的相关性 αAP与MoCA、LOTCA之间存在显著正相关关系(0.734、0.922,P<0.01);αRP与MoCA、LOTCA之间存在显著正相关关系(0.575、0.630,P<0.01);DTABR与MoCA、LOTCA之间存在显著负相关关系(-0.569、-0.614,P<0.01)。见表4。

表4 PSCI组中各脑电指标与MoCA、LOTCA评分量表的相关性比较

3 讨论

中风后约有80.97%的患者出现认知障碍,包括从非痴呆至痴呆的不同程度的表现[15]。因其不仅令卒中患者人际交往能力下降,而且对日常生活产生明显影响,增加社会及家庭负担[16]。即对PSCI的客观诊断及预后观察尤为重要。

脑电信号(electroencephalogram,EEG)即为头皮记录的电位差,由大脑皮层中相互作用的神经细胞产生的小电流产生[17]。任何生理病理变化均将导致EEG发生特征性变化[18]。脑卒中后,受损的神经元细胞对脑电信号的产生和传递带来巨大的影响[19]。认知功能的改变可能是由于脑功能的连接受损,继而导致大脑各区域间的电生理网络无法整合引起的[20]。所以,脑电图的特征变化一定程度上可以反应认知功能[21]。不同的损伤部位影响各导联的脑电功率谱特征表现不同。

α波幅是正常人安静清醒状态下脑波成分中节律性最强的波。大脑的反应时间与信息处理速度有关,当α频率变低时代表着大脑反应时间变慢,影响认知和综合判断能力变差。其中α振荡影响认知能力时,表现在自上而下的控制功能(如选择性注意和持续警觉性)中发挥作用[22-23]。即αAP和αRP数值的增高代表大脑对信息处理的能力增强,认知功能得到改善[24]。Jelena Petrovic等[25]研究发现中风患者脑电图中较慢的α频率生成,同步和“流动”可作为认知障碍发作和(或)代偿性重组过程的生物标志物。本研究发现3组不同受试者的αAP、αRP存在差异,PSCI组的低于非PSCI组和健康对照组;非PSCI组低于健康对照组,考虑为大脑神经细胞受损导致α波变慢,无法及时进行信息处理而导致认知功能下降。

DTABR反映高低频带功率的变化走势,其数值的增加表明预后不良或恶化[26]。Hu等[27]研究发现DTABR作为脑电图的全局指标,在脑损伤的生理和恢复阶段发挥重要作用。本次研究结果发现,PSCI组DTABR值均高于非PSCI组和健康对照组,非PSCI组高于健康对照组,揭示了脑卒中后大脑慢波节律的增强取代了快波节律对大脑信号的处理,抑制脑部活动,从而影响认知功能的处理。

认知功能评定量表广泛应用于临床及科研[28-29],MMSE是目前国内外应用最广泛的认知筛查量表,其设定的题目直观、通俗易懂。此外,MoCA、LOTCA受文化教育程度的影响较大,本研究中部分文化程度低的非PSCI患者或健康人的量表评分未达到正常值,但评分均高于PSCI组,且评估过程中仅表现为不理解题目的用意导致无法得分,未出现某个认知域的功能障碍。尽管评估量表操作简单,但过程中无法避免因主观评价带来的误差。

当前,医学影像检查广泛应用于卒中的诊断及预后评估,磁共振技术(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy MRS)等用来评估大脑微观结构和神经化学变化[30-31]。由于MRI检测时间较长,具有一定的禁忌症,设备较大无法移动,即应用于重症患者无法实现。另外,高额的检查费用给部分家庭带来了负担。

脑电图对大脑细胞自发性电活动具有高时间分辨率[32],常被用于阿尔兹海默症[33]、癫痫[34]、精神疾病[35]、帕金森[36]等疾病的观察诊断。脑电图具有简单方便、安全高效,无禁忌症等优点,补充弥补了医学影像检查及评估量表的不足,有希望作为卒中神经学中诊断或预测的生物标志物,成为有价值的非侵入性临床检查工具[37]。

本研究结果表明脑电图各观察指标与认知评估量表具有相关性,PSCI组的αAP及αRP低于非PSCI组及健康对照组、DTABR高于其他两组。脑电图特征性变化能客观地评价脑卒中认知功能下降的程度,及大脑神经元损伤的情况。且与认知评估量表二者联合应用,能全面、及时地评估早期认知功能受损,将达到双倍的成效。

本研究结果说明,基于功率谱分析的脑电图指标作为一项无创的电生理检查,可用于卒中后认知功能的评测方法。认知功能评估量表与脑电图二者结合能够更全面地对认知功能进行早期评定,且对卒中后认知障碍的康复预后观察提供了帮助。本研究存在样本量小的不足,下一步将扩大样本量,具体分析不同文化程度间、不同损伤脑区的脑电信号与量表评估的相关性。