发作性头痛的脑波涨落图分析
作者：周传岱 韩东旭 刘月红 翟怡娟
单位：(航天医学工程研究所，北京 100094)
关键词：发作性头痛；脑波涨落图技术；熵
航天医学与医学工程000106摘要：目的 探讨发作性头痛的脑波涨落图特征，为航空航天作业人员选拔提供参考方法。方法 应用脑波涨落图技术分析了20例临床诊断为发作性头痛的患者在7～12Hz频段脑波优势频率涨落特征和该频段脑波的功率涨落功率谱特征。其中男性13例，女性7例，年龄在17～37岁。结果 在发作期，与头痛相对应的导联，脑波7～12Hz频段各频率出现优势涨落概率高低依脑波频率由慢到快依次分布，即按7、8、9、10、11及12Hz顺序排列。且由各频率优势涨落组成的有限概型的相对熵值为92.25%±3.41%，该频段功率涨落在1.86mHz和4.65mHz出现优势功率谱峰。在间歇期，脑波7～12Hz频段各频率优势涨落概率高低依脑波频率由慢到快依次分布现象消失，相对熵值下降为69.08%±4.16%，功率涨落在1.86mHz功率谱峰消失，在4.65mHz功率谱峰降低，在0.93mHz出现优势功率谱峰。结论 此结果为发作性头痛提供了可参考的功能性评价指标，也对航空航天作业人员选拔有参考意义。
, 百拇医药
中图分类号：R338.1 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)01-0025-04
A Fluctuographic Analysing of EEG in Patients with Paroxysmal Headache
ZHUO Chuan-dai,HAN Dong-xu,LIU Yue-hong,ZHAI Yi-juan
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:Objective To offer reference of the screening procedure for aircrew and astronaut selection.Method The competitive frequency-fluctuation characteristics of the dominant frequency in the band of 7～12 Hz in EEG and power density spectra of α band power-fluctuation were analyzed with a newer system of electroencephalofluctuographic technology in 20 patients (male 13,female 7,aged 17～37 years) with paroxysmal headache.Result During episodes of headache in the affected sites the cumulated dominant fluctuation probability of each frequency components was in the order of 7,8,9,10,11,12 Hz from high to low;The relative entropy value was 92.25%±3.41%;Two peaks having at least 25% higher value than those of its neighbors were observed at 1.86 mHz and 4.65 mHz in power density spectra of power-fluctuation.During the intervals of episodes the above-mentioned probability character disappeared;The relative entropy value was decreased to 69.08%±4.16%;A new peak was found at 0.93 mHz in spectra power-fluctuation,with a reduction in peak value power at 4.65 mHz.Conclusion It not only offered a parameter for pathophysiological and functional evaluation of paroxysmal headache,but also provided reference of the screening procedure for aircrew and astronaut selection.
, 百拇医药
Key words：paroxysmal headache；electroencephalofluctuographic technology；entropy
发作性头痛不仅会影响航空航天作业人员的工作效率，而且也会影响飞行安全，因此，在选拔时就应排除有发作性头痛的候选者。但是，在发作性头痛非发作期间，EEG变化特征不明显，仅靠主诉又不能很好地排除有发作性头痛候选者入选。为此，本研究探索用脑波涨落图方法，分析发作性头痛发作期和非发作期的特征，借以为航空航天作业人员选拔提供可参考的依据。
方 法
被试者 临床明确诊断为发作性头痛的患者20例，其中男性13例，女性7例，年龄17～37岁，平均19±5岁。皆有发作性头痛史，且近期皆有发作，临床诊断为发作性头痛，临床CT影象检查无异常发现。检查前3 d停药。
脑波数据采集 采用日本光电生产的空心柱形Ag/AgCl桥式电极，极化电位符合EEG记录要求；按国际脑电图学会10/20制电极安放法取F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T5、T6等12个部位，单极导联，A1和A2 连接作为参考，头皮电阻小于5 KΩ。用CFM-8D型脑电监测仪放大和采集闭眼安静状态下的EEG信号，采样频率100 Hz，每2.1 s为一个数据样本，连续采集512个样本。
, 百拇医药
数据分析 应用脑波涨落图分析程序进行数据分析，分析7～12 Hz 频段频率涨落特征和该频段功率涨落功率谱(二次功率谱)特征。脑波涨落图方法是用概率分布函数来研究脑波频率涨落和功率涨落特征的一种方法，借以对脑功能作出评价。所谓频率涨落是指脑波优势频率的不断转化[1]，在本研究中，表现为6个频率成分(即7、8、9、10、11和12 Hz)在规定采样时间内交替占优势而形成的优势频率起伏涨落，频率的涨落范围为6 Hz(频率分辨率为1 Hz)。所谓功率涨落是指脑波同步峰功率值在采样时间内的起伏波动。
频率涨落特征分析：用每个频率成分在采样时间内占优势的几率(优势频率几率)累进曲线，构成该频段的频率涨落竞争图，用来表征频率涨落过程中的主次地位和相互关系。用计算该频段的频率涨落事件的熵值来定量评价优势频率的不确定性。计算方法如下：
设该频段的6个频率成分组成一个完备事件：A7 A8 A9 A10 A11 A12，对每个频率成分都给出了出现涨落优势的几率：P7，P8，P9，P10，P11，P12，则构成一个有限概型：
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因诸成分出现涨落优势的几率之和等于1，则该有限概型的熵为：
H=-pilogpi i=7,8,9,10,11,12
相对熵值为：
Q=H/Hmax
H为该有限概型的熵值，Hmax为该6个成分出现涨落优势成等几率分布时的熵值。相对熵值越大，则频率频率的不确定性就大，而有序度则越小。
功率涨落功率谱特征分析：取7～12 Hz频段功率最大值，构成功率涨落图，分析其在0～237 mHz范围内的功率谱特征。
结 果
发作期的特征 在20名患者的脑波记录中有3例是在发作情况下记录的。图1是3名患者全部导联的平均结果。不难发现，图中频率涨落优势几率累进曲线，由上到下，各频率成分依7，8，9，10，11，12顺序，由慢到快依次排列，两个相邻频率间的优势几率差值相当，使频率涨落竞争图呈“发散”型。7 Hz频率成分占涨落优势，为主涨落成分，8 Hz为次涨落成分，频率慢化明显，说明脑功能低下。3名患者12个部位的频率涨落相对熵平均值值见图2。可以看出，各导联的相对熵值都比较大，全脑平均为92.25%±3.41%，说明有序性差，脑自组织能力下降，出现功能调节紊乱。功率涨落功率谱分析发现，在1.86 mHz和4.65 mHz处出现功率谱优势峰。另外，发现在20～30 mHz段，也出现功率谱优势峰。
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图1 3名患者头痛发作期脑波优势频率涨落累计几率变化曲线
Fig.1 The cumulative dominant frequency fluctuation probability curve of brain wave during episodes of headache for all derivations in 3 patients
图2 3名患者头痛发作期频率涨落相对熵变化(%)空间分布图示
Fig.2 The relative entropy change(mean,S.D.) distribution of the competitive frequency fluctuating during episodes of headache for all derivations in 3 patients
, 百拇医药
间歇期的特征 在间歇期17名患者脑波频率涨落也表现出共同特征，见图3和图4。图中数据为17名患者全部导联的平均结果。从图3看，发作期频率涨落的“发散”型结构解体了，变成以9 Hz为主涨落成分，8 Hz为次涨落成分的频率涨落竞争图。就各成分的序排列来看，间歇期与发作期也不同，曲线由上到下，频率成分不再是由慢到快依次排列了，慢成分7Hz排在了次涨落成分8 Hz的下面。但是，它在辅助成分中却居首位。与发作期相比，各导联频率涨落相对熵值都比较小，平均为69.08%±4.16%,与发作期有差异明显 (P<0.01)，说明有序性提高了，脑的自组织能力提高了。功率涨落功率谱分析发现，在间歇期，在0.93 mHz处出现二次功率谱优势峰，而在发作期出现在1.86 mHz处的二次功率谱优势峰现已消失，发作期在4.65 mHz处出现二次功率谱优势峰也下降了。但在20～30 mHz段的二次功率谱优势峰仍然存在。
图3 17名患者发作间歇期脑波优势频率涨落累计几率变化曲线
, 百拇医药
Fig.3 The cumulative dominant frequency fluctuation probability curve of brain wave during episodes of headache for all derivations in 17 patients
图4 17名患者头痛发作期频率涨落相对熵变化(%)空间分布图示
Fig.4 The relative entropy change(mean,S.D.) distribution of the competitive frequency fluctuating during episodes of headachefor all derivations in 17 patients
讨 论
, http://www.100md.com
有关研究认为，脑α波功率涨落的某些功率谱特征和脑内神经递质活动有关[1]。如：0.93 mHz处的功率谱峰值与γ-氨基丁酸(GABA)活动有关，1.86 mHz处的峰值与谷氨酸(Glu)活动有关，4.65 mHz处的功率谱峰值与乙酰胆碱(Ach)活动有关，20～30 mHz段的二次功率谱优势峰与脑供血调节紊乱有关等等。由此推测，本研究中观察到的发作期功率涨落功率谱在1.86 mHz的峰值和在4.65 mHz处的功率谱峰值，可能反应了谷氨酸和乙酰胆碱活动增强。在间歇期，这两个功率涨落功率谱优势峰值消失或下降，可能反应了谷氨酸和乙酰胆碱活动减弱，而在间歇期，在0.93 mHz处的功率谱优势峰值出现，可能与γ-氨基丁酸(GABA)活动增强有关。这些可能的推测恰与癫痫与这些递质的关系相一致[2]。所以，这些结果支持了发作性头痛具有癫痫的性质。在20～30 mHz段功率谱优势峰值的存在，说明发作性头痛伴随有脑缺血的特征。以前的研究结果显示[3]，正常青年飞行人员脑波频率涨落竞争图的主涨落成分为9 Hz，次涨落成分为10 Hz，其它频率为辅助成分，呈差异型结构。频率涨落相对熵值平均为72%±14%。与此相比，发作性头痛患者在头痛发作时，脑波频率涨落竞争图出现了质的变化，主涨落频率成分变为7 Hz，次涨落频率成分变为8 Hz，同时各频率成分之间的竞争关系也遭到破坏，由差异型变成“发散”型。频率涨落相对熵值达92.25%±3.41%，说明脑功能出现了紊乱，临床表现的症状就是头痛。这个结果与本实验室地面模拟5000 m高度停留缺氧实验[4]和分析脑短暂性缺血发作脑α波优势频率不确定性[5]得到的结果一致。这个结果也支持发作性头痛伴有缺氧的特征。在间歇期，仍然有20～30 mHz段功率谱优势峰，这说明缺血性特征仍然存在；7 Hz没有被抑制，表明还存在着发作的潜在因素。所以，可以认为，脑波涨落图分析为发作性头痛的鉴别诊断和治疗提供了一个比EEG更为深刻的参考指标，同时也为航空航天作业人员选拔、排除发作性头痛候选者提供了可借鉴的方法。
, 百拇医药
参考文献
[1]梅 磊.ET-脑功能研究新技术[M].北京：国防工业出版社，1995:136～171，331～350
[2]解学礼.癫痫病学[M].北京:人民卫生出版社,1995:81～103
[3]ZHOU Chuan-dan,ZHAI Yi-juan,LIU Yue-hong et al.A Study on EEG-Encephalofluctuographic Characteristics in α Frequency Band in Pilots.Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(1):11～15
周传岱，翟怡娟，刘月红等.261名歼击机飞行员脑波(频段涨落图特征的研究[J].航天医学与医学工程,1998,11(1):11～15
, http://www.100md.com
[4]ZHOU Chuandai,XU Guolin,ZHU Zhiping et al.Self-organizing character of α wave in EEG due to acute hypoxic hypoxia in normal subjects[J].Space Medicine & Medical Engineering,1992,5(4):245～249
周传岱，徐国林，朱治平等.急性缺氧态脑α波自组织特征分析[J].航天医学与医学工程,1992,5(4):245～249
[5]Zhou Chuandai,Han Dongxu,Liu Yuehong et al.Dominant frequency uncertainty analysis of α activity in pilots with transient ischemic attacks[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(2):84～87
周传贷，韩东旭，刘月红等.发生脑短暂性缺血发作的飞行员脑α波优势频率的不确定性分析[J].航天医学与医学工程，1999,12(2):84～87
收稿日期：1999-04-02, 百拇医药
单位：(航天医学工程研究所，北京 100094)
关键词：发作性头痛；脑波涨落图技术；熵
航天医学与医学工程000106摘要：目的 探讨发作性头痛的脑波涨落图特征，为航空航天作业人员选拔提供参考方法。方法 应用脑波涨落图技术分析了20例临床诊断为发作性头痛的患者在7～12Hz频段脑波优势频率涨落特征和该频段脑波的功率涨落功率谱特征。其中男性13例，女性7例，年龄在17～37岁。结果 在发作期，与头痛相对应的导联，脑波7～12Hz频段各频率出现优势涨落概率高低依脑波频率由慢到快依次分布，即按7、8、9、10、11及12Hz顺序排列。且由各频率优势涨落组成的有限概型的相对熵值为92.25%±3.41%，该频段功率涨落在1.86mHz和4.65mHz出现优势功率谱峰。在间歇期，脑波7～12Hz频段各频率优势涨落概率高低依脑波频率由慢到快依次分布现象消失，相对熵值下降为69.08%±4.16%，功率涨落在1.86mHz功率谱峰消失，在4.65mHz功率谱峰降低，在0.93mHz出现优势功率谱峰。结论 此结果为发作性头痛提供了可参考的功能性评价指标，也对航空航天作业人员选拔有参考意义。
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中图分类号：R338.1 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)01-0025-04
A Fluctuographic Analysing of EEG in Patients with Paroxysmal Headache
ZHUO Chuan-dai,HAN Dong-xu,LIU Yue-hong,ZHAI Yi-juan
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:Objective To offer reference of the screening procedure for aircrew and astronaut selection.Method The competitive frequency-fluctuation characteristics of the dominant frequency in the band of 7～12 Hz in EEG and power density spectra of α band power-fluctuation were analyzed with a newer system of electroencephalofluctuographic technology in 20 patients (male 13,female 7,aged 17～37 years) with paroxysmal headache.Result During episodes of headache in the affected sites the cumulated dominant fluctuation probability of each frequency components was in the order of 7,8,9,10,11,12 Hz from high to low;The relative entropy value was 92.25%±3.41%;Two peaks having at least 25% higher value than those of its neighbors were observed at 1.86 mHz and 4.65 mHz in power density spectra of power-fluctuation.During the intervals of episodes the above-mentioned probability character disappeared;The relative entropy value was decreased to 69.08%±4.16%;A new peak was found at 0.93 mHz in spectra power-fluctuation,with a reduction in peak value power at 4.65 mHz.Conclusion It not only offered a parameter for pathophysiological and functional evaluation of paroxysmal headache,but also provided reference of the screening procedure for aircrew and astronaut selection.
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Key words：paroxysmal headache；electroencephalofluctuographic technology；entropy
发作性头痛不仅会影响航空航天作业人员的工作效率，而且也会影响飞行安全，因此，在选拔时就应排除有发作性头痛的候选者。但是，在发作性头痛非发作期间，EEG变化特征不明显，仅靠主诉又不能很好地排除有发作性头痛候选者入选。为此，本研究探索用脑波涨落图方法，分析发作性头痛发作期和非发作期的特征，借以为航空航天作业人员选拔提供可参考的依据。
方 法
被试者 临床明确诊断为发作性头痛的患者20例，其中男性13例，女性7例，年龄17～37岁，平均19±5岁。皆有发作性头痛史，且近期皆有发作，临床诊断为发作性头痛，临床CT影象检查无异常发现。检查前3 d停药。
脑波数据采集 采用日本光电生产的空心柱形Ag/AgCl桥式电极，极化电位符合EEG记录要求；按国际脑电图学会10/20制电极安放法取F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T5、T6等12个部位，单极导联，A1和A2 连接作为参考，头皮电阻小于5 KΩ。用CFM-8D型脑电监测仪放大和采集闭眼安静状态下的EEG信号，采样频率100 Hz，每2.1 s为一个数据样本，连续采集512个样本。
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数据分析 应用脑波涨落图分析程序进行数据分析，分析7～12 Hz 频段频率涨落特征和该频段功率涨落功率谱(二次功率谱)特征。脑波涨落图方法是用概率分布函数来研究脑波频率涨落和功率涨落特征的一种方法，借以对脑功能作出评价。所谓频率涨落是指脑波优势频率的不断转化[1]，在本研究中，表现为6个频率成分(即7、8、9、10、11和12 Hz)在规定采样时间内交替占优势而形成的优势频率起伏涨落，频率的涨落范围为6 Hz(频率分辨率为1 Hz)。所谓功率涨落是指脑波同步峰功率值在采样时间内的起伏波动。
频率涨落特征分析：用每个频率成分在采样时间内占优势的几率(优势频率几率)累进曲线，构成该频段的频率涨落竞争图，用来表征频率涨落过程中的主次地位和相互关系。用计算该频段的频率涨落事件的熵值来定量评价优势频率的不确定性。计算方法如下：
设该频段的6个频率成分组成一个完备事件：A7 A8 A9 A10 A11 A12，对每个频率成分都给出了出现涨落优势的几率：P7，P8，P9，P10，P11，P12，则构成一个有限概型：
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因诸成分出现涨落优势的几率之和等于1，则该有限概型的熵为：
H=-pilogpi i=7,8,9,10,11,12
相对熵值为：
Q=H/Hmax
H为该有限概型的熵值，Hmax为该6个成分出现涨落优势成等几率分布时的熵值。相对熵值越大，则频率频率的不确定性就大，而有序度则越小。
功率涨落功率谱特征分析：取7～12 Hz频段功率最大值，构成功率涨落图，分析其在0～237 mHz范围内的功率谱特征。
结 果
发作期的特征 在20名患者的脑波记录中有3例是在发作情况下记录的。图1是3名患者全部导联的平均结果。不难发现，图中频率涨落优势几率累进曲线，由上到下，各频率成分依7，8，9，10，11，12顺序，由慢到快依次排列，两个相邻频率间的优势几率差值相当，使频率涨落竞争图呈“发散”型。7 Hz频率成分占涨落优势，为主涨落成分，8 Hz为次涨落成分，频率慢化明显，说明脑功能低下。3名患者12个部位的频率涨落相对熵平均值值见图2。可以看出，各导联的相对熵值都比较大，全脑平均为92.25%±3.41%，说明有序性差，脑自组织能力下降，出现功能调节紊乱。功率涨落功率谱分析发现，在1.86 mHz和4.65 mHz处出现功率谱优势峰。另外，发现在20～30 mHz段，也出现功率谱优势峰。
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图1 3名患者头痛发作期脑波优势频率涨落累计几率变化曲线
Fig.1 The cumulative dominant frequency fluctuation probability curve of brain wave during episodes of headache for all derivations in 3 patients
图2 3名患者头痛发作期频率涨落相对熵变化(%)空间分布图示
Fig.2 The relative entropy change(mean,S.D.) distribution of the competitive frequency fluctuating during episodes of headache for all derivations in 3 patients
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间歇期的特征 在间歇期17名患者脑波频率涨落也表现出共同特征，见图3和图4。图中数据为17名患者全部导联的平均结果。从图3看，发作期频率涨落的“发散”型结构解体了，变成以9 Hz为主涨落成分，8 Hz为次涨落成分的频率涨落竞争图。就各成分的序排列来看，间歇期与发作期也不同，曲线由上到下，频率成分不再是由慢到快依次排列了，慢成分7Hz排在了次涨落成分8 Hz的下面。但是，它在辅助成分中却居首位。与发作期相比，各导联频率涨落相对熵值都比较小，平均为69.08%±4.16%,与发作期有差异明显 (P<0.01)，说明有序性提高了，脑的自组织能力提高了。功率涨落功率谱分析发现，在间歇期，在0.93 mHz处出现二次功率谱优势峰，而在发作期出现在1.86 mHz处的二次功率谱优势峰现已消失，发作期在4.65 mHz处出现二次功率谱优势峰也下降了。但在20～30 mHz段的二次功率谱优势峰仍然存在。
图3 17名患者发作间歇期脑波优势频率涨落累计几率变化曲线
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Fig.3 The cumulative dominant frequency fluctuation probability curve of brain wave during episodes of headache for all derivations in 17 patients
图4 17名患者头痛发作期频率涨落相对熵变化(%)空间分布图示
Fig.4 The relative entropy change(mean,S.D.) distribution of the competitive frequency fluctuating during episodes of headachefor all derivations in 17 patients
讨 论
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有关研究认为，脑α波功率涨落的某些功率谱特征和脑内神经递质活动有关[1]。如：0.93 mHz处的功率谱峰值与γ-氨基丁酸(GABA)活动有关，1.86 mHz处的峰值与谷氨酸(Glu)活动有关，4.65 mHz处的功率谱峰值与乙酰胆碱(Ach)活动有关，20～30 mHz段的二次功率谱优势峰与脑供血调节紊乱有关等等。由此推测，本研究中观察到的发作期功率涨落功率谱在1.86 mHz的峰值和在4.65 mHz处的功率谱峰值，可能反应了谷氨酸和乙酰胆碱活动增强。在间歇期，这两个功率涨落功率谱优势峰值消失或下降，可能反应了谷氨酸和乙酰胆碱活动减弱，而在间歇期，在0.93 mHz处的功率谱优势峰值出现，可能与γ-氨基丁酸(GABA)活动增强有关。这些可能的推测恰与癫痫与这些递质的关系相一致[2]。所以，这些结果支持了发作性头痛具有癫痫的性质。在20～30 mHz段功率谱优势峰值的存在，说明发作性头痛伴随有脑缺血的特征。以前的研究结果显示[3]，正常青年飞行人员脑波频率涨落竞争图的主涨落成分为9 Hz，次涨落成分为10 Hz，其它频率为辅助成分，呈差异型结构。频率涨落相对熵值平均为72%±14%。与此相比，发作性头痛患者在头痛发作时，脑波频率涨落竞争图出现了质的变化，主涨落频率成分变为7 Hz，次涨落频率成分变为8 Hz，同时各频率成分之间的竞争关系也遭到破坏，由差异型变成“发散”型。频率涨落相对熵值达92.25%±3.41%，说明脑功能出现了紊乱，临床表现的症状就是头痛。这个结果与本实验室地面模拟5000 m高度停留缺氧实验[4]和分析脑短暂性缺血发作脑α波优势频率不确定性[5]得到的结果一致。这个结果也支持发作性头痛伴有缺氧的特征。在间歇期，仍然有20～30 mHz段功率谱优势峰，这说明缺血性特征仍然存在；7 Hz没有被抑制，表明还存在着发作的潜在因素。所以，可以认为，脑波涨落图分析为发作性头痛的鉴别诊断和治疗提供了一个比EEG更为深刻的参考指标，同时也为航空航天作业人员选拔、排除发作性头痛候选者提供了可借鉴的方法。
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参考文献
[1]梅 磊.ET-脑功能研究新技术[M].北京：国防工业出版社，1995:136～171，331～350
[2]解学礼.癫痫病学[M].北京:人民卫生出版社,1995:81～103
[3]ZHOU Chuan-dan,ZHAI Yi-juan,LIU Yue-hong et al.A Study on EEG-Encephalofluctuographic Characteristics in α Frequency Band in Pilots.Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(1):11～15
周传岱，翟怡娟，刘月红等.261名歼击机飞行员脑波(频段涨落图特征的研究[J].航天医学与医学工程,1998,11(1):11～15
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[4]ZHOU Chuandai,XU Guolin,ZHU Zhiping et al.Self-organizing character of α wave in EEG due to acute hypoxic hypoxia in normal subjects[J].Space Medicine & Medical Engineering,1992,5(4):245～249
周传岱，徐国林，朱治平等.急性缺氧态脑α波自组织特征分析[J].航天医学与医学工程,1992,5(4):245～249
[5]Zhou Chuandai,Han Dongxu,Liu Yuehong et al.Dominant frequency uncertainty analysis of α activity in pilots with transient ischemic attacks[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(2):84～87
周传贷，韩东旭，刘月红等.发生脑短暂性缺血发作的飞行员脑α波优势频率的不确定性分析[J].航天医学与医学工程，1999,12(2):84～87
收稿日期：1999-04-02, 百拇医药