痫样棘波自动检测的新算法及其在不同癫痫模型研究中的应用

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癫痫发作的典型特征是脑内神经元群体产生异常同步的动作电位发放，在记录的神经电信号中呈现为痫样棘波。在海马区等神经元分布密集之处，于胞体层记录的群峰电位(population spikes，PS)即为棘波。为了定量分析各种不同致痫机理下棘波PS的发放情况，本文设计了一种基于窗口的检测算法，可以自动识别大鼠海马CA1区癫痫模型的棘波信号，同时计算棘波PS的特征参数，并定量分析痫样PS的发放模式，用于探究PS发放模式与致痫机理之间的关系。主要研究结果如下:
　　(1)设计了在原始宽频带记录信号中直接检测棘波PS的算法
　　所设计的棘波PS自动检测新算法，利用拓展窗解决了传统窗口法易于重复检出的问题，同时利用波形的幅值和半高宽等限制指标，提高了检测的正确性。结果表明，在钾离子通道拮抗剂4-氨基吡啶(4-aminopyridine，4-AP)和γ-氨基丁酸A型受体拮抗剂印防己毒素(picrotoxin，PTX)诱导的癫痫模型应用中，该算法的检出率可达94％以上，误检率则小于5％，远小于普通阈值法的误检率。
　　(2)定量分析了4-AP和PTX两种化学致痫剂诱导的癫痫模型的PS发放模式的差别
　　利用PS幅值、半高宽、发放率和发放时间间隔直方图等参数分析比较4-AP和PTX癫痫模型发作期间痫样棘波串(burst)中的PS特征，结果表明，4-AP诱导的PS具有较宽的波形，发放较分散，发放时间间隔主要分布于100～700 ms范围内。而PTX诱导的PS则呈现爆发式发放，发放率较高，发放时间间隔主要分布于2～20 ms范围内，其每秒PS幅值之和显著大于4-AP模型。因此，以痫样棘波PS的发放强度为指标，PTX模型的神经元群体同步发放活动比4-AP模型要强烈。
　　(3)高频电刺激期间神经元PS发放情况分析
　　将棘波PS的自动检测和分析算法应用于大鼠海马CA1区输入轴突通道上顺向高频电刺激（orthodromic high frequency stimulation，OHFS）诱发棘波PS的发放。结果表明，OHFS期间PS的发放与刺激频率有关。50 Hz的OHFS会诱发大量痫样PS发放，而100和200 Hz的OHFS则诱发PS较少。进一步分析PS发放的时间间隔及其与刺激脉冲时刻之间的关系，结果显示，OHFS期间的棘波PS可以由刺激脉冲直接诱发产生，也可以由于神经元群体过度兴奋导致的PS多波与burst。另外，在OHFS期间插入短促的间歇期（每隔2s插入100ms间歇期），神经元的棘波发放增多，表明间歇期的引入会增强HFS对于下游神经元群体的兴奋作用。
　　总之，本文的棘波PS自动检测新算法及定量分析指标的设计和实现，为正确识别不同癫痫模型中的棘波、评估痫样发放的强度以及定量描述痫样发放的特征提供了有用的工具，对于癫痫产生机理的研究以及癫痫治疗新方法的开发具有重要意义。

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作者
陈小千;
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作者单位

浙江大学;

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授予单位浙江大学;
学科生物医学工程
授予学位硕士
导师姓名封洲燕,杨勇;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类电诊断;癫痫;
关键词
痫样棘波; 发放模式; 致痫机理; 自动检测算法; 癫痫;

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