Анализ ЭЭГ испытуемых с дисциркуляторной энцефалопатией методом многомерного шкалирования по когнитивным тестам и по отведениям

Введение. В представленном в статье исследовании ЭЭГ-данных испытуемых c дисциркуляторной энцефалопатией (ДЭП) — болезнью, вызванной недостаточным кровоснабжением сосудов головного мозга, был использован метод многомерного шкалирования (МШ). Это метод анализа данных о попарных отношениях между ними с целью представления в виде точек на пространстве признаков, размерность которого значительно меньше размерности исходного [1]. В отличие от ранее разработанных методов анализа многомерных наблюдений, таких как факторный анализ и кластерный анализ, модель МШ используется в статистической обработке данных значительно реже [2,3]. Однако данный метод имеет ряд преимуществ, к примеру:

• – отсутствие необходимости проверки исходных данных на нормальность распределения;

  – возможность проведения анализа при сравнительно малом объеме выборочной совокупности [4,5].

Задача настоящего исследования состоит в доказательстве возможности применения МШ для классификации испытуемых на больных с дисциркуляторной энцефалопатией и здоровых для повышения информативности ЭЭГ-исследования [6].

Материалы и методы. В работе представлены результаты исследования ЭЭГ 5 здоровых испытуемых (контрольная группа) и 5 больных ДЭП. Запись ЭЭГ каждого испытуемого проводилась по международной схеме 10×20 от 16 монополярных отведений на базе аппаратно-программного комплекса «Энцефалан-131-03». Для выявления когнитивных нарушений, проявляющихся при дисциркуляторной энцефалопатии [7,8], съем ЭЭГ осуществлялся при одновременном тестировании пациентов (тестами «Лишнее», «Буква», «Растения», «Счет», «Слова 1–1», «Слова 1–2», «Слова 2–1», «Слова 2–2»). Тест «Лишнее» заключается в выборе лишнего слова из перечисленных четырех в течение 30 секунд. «Буква» — за 30 секунд испытуемым необходимо назвать как можно больше слов на данную букву. «Растения» — назвать как можно больше любых растений за 30 секунд. «Счет» — от числа 300 вычитается 7, из получившегося числа также вычитается 7 в течение 30 секунд. «Слова 1–1», «Слова 1–2» — испытуемым предлагается просмотреть 5 слов, после чего слова убираются, пациентам необходимо повторить увиденные слова через 30 секунд. «Слова 2–1», «Слова 2–2» — аудиальное представление 5 слов, которые необходимо повторить через 30 секунд. «Фон ОГ», «Фон ЗГ» — спонтанная фоновая ЭЭГ без каких-либо воздействий при открытых и закрытых глазах соответственно [9,10]. В данной работе по-отдельности рассматривались отведения, включающие значения амплитуд ЭЭГ каждого из тестов и тесты, включающие значения ЭЭГ-отведений. ЭЭГ данные были обработаны в программе «STATISTICA 12» методом многомерного шкалирования.

Результаты исследования. В результате визуального анализа графиков многомерного шкалирования здоровых испытуемых отмечено, что распределение попарных координат, соответствующих тестам (отведениям), для каждого из отведений (теста) характеризуется, в большинстве случаев, близким расположением относительно друг друга, в некоторых случаях — совпадением (рис. 1, 2). Исключение у здоровых испытуемых чаще всего составляют точки, определяющие тесты «Лишнее», «Слова 1–1», «Счет» и «Растения»; отведения — нижнелобное (F7–F8), затылочное (О1–О2), задневисочное (Т5–Т6) и средневисочное (Т3–Т4). Они наиболее отдалены друг от друга и (или) от остальных точек, обычно сгруппированных в отдельную область.

Информатика, вычислительная техника и управление

Dimension 1

а)

Центральное

b)

Лобное

OJ

с

о

V) с

Е

Q

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

-1,4

-1,6

-1,8

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

Лишн. F4-A2 О

Сл.1-1 F4-A2Сл.1-1 F3-A1

Лишн. F3-A1 о

Сл.2-1 F3-A1

Сл.2-1 F4-A2 о

Сл.2-2 F3-A1 о

Сл.2-2 F4-A2 о

Растен.F3-A1 о

Растен.F4-A2 о

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Dimension 1

c)

Рис. 1. Динамика расположения векторов МШ для отведений здоровых испытуемых: а) испытуемый 1; b) испытуемый 2; c) испытуемый 3

Fig. 1. Location dynamics of MS (multidimensional scaling) vectors for leads of healthy subjects: a) subject 1; b) subject 2; c) subject 3

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Растения

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

Растен.T6-A2

Растен.T4-A2

Растен. O2-A2

Растен.P4-A2

Растен.C4-A2

Растен.F8-A2

Растен.F4-A2 РастенР. аFсpт2е-нA.F2p1-A1

Растен.F3-A1

Е

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

-1,4

-2,0

-1,5

Растен.C3-A1

Растен.P3-A1

Растен.O1-A1

-1,0

-0,5

Растен.F7-A1

Растен.T3-A1

Растен.T5-A1

0,0

0,5

1,0

1,5

Dimension 1

а)

Лишнее

Dimension 1

b)

Слов а 1-1

Е

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

-1,4

-1,6

-2,0

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

Сл.1-1Fp1-A1 О

Сл.1-1Fp2С-Aл2.1-1 F4-A2

-1,5

-1,0

Сл.1-1T3-A1

Сл.1-1 F3-СA1л.1-1F7-A1    .

Сл.1-1F-8-A2-A2 о о

Сл.1-1T4-A2

Сл.1 1T6-A2

-0,5

Сл.1-1 C3-A1

Сл.1-1 P4-A2

0,0

Dimension 1

Сл.1-1T5-A1

Сл.1-1 P3-A1

Сл.1-1O2-A2

0,5

1,0

Сл.1-1 O1-A

1,5

2,0

c)

Рис. 2. Динамика расположения векторов МШ для тестов здоровых испытуемых: а) испытуемый 1; b) испытуемый 2; c) испытуемый 3

Информатика, вычислительная техника и управление

Fig. 2. Location dynamics of MS vectors for tests of healthy subjects: a) subject 1; b) subject 2; c) subject 3

В частности, для графиков распределения координат многомерного шкалирования здоровых пациентов затылочного отведения (О1–О2) характерно значительное расстояние между точками, относящимися к тестам «Лишнее», «Растения», «Слова 1–1». В случае с теменным отведением (Р3–Р4) наиболее отдалены точки тестов «Лишнее», «Счет», «Слова 1–1». В центральном отведении (С3–С4) далеко друг от друга и от остальных точек расположены точки «Лишнее» и «Слова 1–1». Наиболее отдаленные друг от друга и от остальных совпадающих в лобном отведении (F3–F4) координаты тестов «Лишнее», «Слова 1–1». В лобном полюсном отведении (Fp1–Fp2) точки тестов «Счет» и «Лишнее» локализуются на значительном расстоянии друг от друга. В задневисочном отведении (Т5–Т6) такими точками являются «Лишнее», «Счет», «Слова 1–1». В средневисочном (Т3–Т4) — также «Лишнее», «Счет», «Слова 1–1», а в нижнелобном (F7–F8) – «Лишнее», «Счет», «Слова 2–1» и «Растения».

Расположение координат многомерного шкалирования на графиках здоровых испытуемых по тестам, выявляющим когнитивные нарушения, на значительном расстоянии относительно друг друга наблюдается для следующих отведений. Для фоновой ЭЭГ с открытыми и закрытыми глазами наиболее отдалены координаты, относящиеся к затылочному (О1–О2), нижнелобному (F7–F8) и задневисочному (Т5–Т6) отведениям. Для теста «Буква» точки затылочного (О1–О2) и нижнелобного (F7–F8) отведений также наиболее отдалены друг от друга. «Лишнее» характеризуется отделением координат задневисочного (Т5–Т6), средневисочного (Т3–Т4) и нижнелобного (F7–F8) отведений. Тест «Растения» — нижнелобного (F7–F8), задневисочного (Т5–Т6) и затылочного (О1–О2) отведений. Для теста «Счет» характерно расположение на значительном расстоянии точек отведений: средневисочного (Т3–Т4), задневисочного (Т5–Т6) и нижнелобного (F7–F8). Для теста «Слова 1–1» это точки средневисочного (Т3–Т4) и нижнелобного (F7–F8) отведений. Для тестов «Слова 1–2» и «Слова 2–1» — затылочное (О1–О2) и нижнелобное (F7–F8) отведения. Для «Слова 2–2» — затылочное (О1–О2), нижнелобное (F7–F8) и задневисочное (Т5–Т6).

У больных пациентов для двумерных плоскостей многомерного шкалирования характерно более хаотичное распределение пространственных координат каждого из отведений или теста. Обособленные группы отсутствуют (рис. 3, 4). На небольшом расстоянии друг от друга чаще всего располагаются парные точки тестов «Слова 2–1», «Лишнее», «Фон ЗГ», «Слова 2–2», «Счет» и «Буква» и отведения – префронтальное (Fp1–Fp2), лобное (F3–F4) и теменное (P3–P4). Наиболее отдалены друг от друга в большинстве случаев координаты тестов «Растения», «Слова 1– 1», «Слова 1–2», а также «Лишнее». Таким образом, на графиках, относящихся к больным пациентам, в зависимости от отведения (теста) и испытуемого, расположение точек, соответствующих тестам (отведениям), варьируется сильнее, чем на графиках здоровых испытуемых. При проведении аналогичного исследования ЭЭГ-данных 10-ти здоровых испытуемых и 10-ти больных ДЭП писанные выше результаты подтвердились.

Затылочное

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

-1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Dimension 1

а)

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

Теменное

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

Растен.P3-A1

ОГ P3-A1

Сл.2-1 P3-A1

Растен.P4-A2

Лишн. P4-A2

ОГ Сл.2-1 P4-A2

Сл.1-1 P3-A1

Е

0,0

-0,2

Счет P3-A1

Лишн. P3-A1

Сл.2-2 P3-A1

-0,4

Сл.1-2 P4-A2т P4-A2

-0,6

Сл.1-2 P3-A1

-0,8

-1,0

Сл.1-1 P4-A2

Сл.2-2 P4-A2

ЗГ P4-ЗAГ2 P3-A1

-1,2

-1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Dimension 1

b)

Центральное

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Сл.2-2 C4-A2

Сл.2-2 C3-A1

Лишн. C4-A2

Лишн. C3-A1

Счет C4-A2

Сл.1-1тC4-A2

Сл.С2-л1.2C-13-CA41-A2

ОГ C4-A2

Сл.1-2 C3-A1

Счет C3-A1

ОГ C3-A1

ЗЗГГCC34--AA12

Сл.1-2 C4-A2

Сл.1-1 C3-A1

Dimension 1

c)

Рис. 3. Динамика расположения векторов МШ для отведений больных испытуемых: а) испытуемый 1; b) испытуемый 3; c) испытуемый 4

Fig. 3. Location dynamics of MS vectors for leads of patient subjects: a) subject 1; b) subject 2; c) subject 3

Информатика, вычислительная техника и управление

Е

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

Растения

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

Растен.Fp1-A1

Растен.F3-A1 Растен.C

Растен.F7-A1

Растен. F8-A2

Растен.T5-A1

-0,8

-1,5

Растен.T4-A2

Растен. Растен. Fp2-A2

Растен.P4-A2 °

Растен.T6-A2

Растен.F4-A2

Растен.T3-A1

Растен.P3-A1

Растен.O1-A1

Растен. O2-A2

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Dimension 1

а)

Счет

Е

Dimension 1

b)

1,2

Буква

Final Configuration, dimension 1 vs. dimension 2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Буква F3-A1

Буква F8-A2

БукваБуква1F7-A1

Буква F4-A2

Буква Fp2-A2

Буква Fp1-A1

Е

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8

-1,0

-1,2

Буква P3-A1

Буква O1-A1

Буква O2-A2

Буква T5-A1

Буква P4-A2

Буква T4-A2 T6-A2

-1,4

-1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Dimension 1

c)

Рис. 4. Динамика расположения векторов МШ для тестов больных испытуемых: а) испытуемый 1; b) испытуемый 2; c) испытуемый 3

Fig. 4. Location dynamics of MS vectors for tests of patient subjects:

a) subject 1; b) subject 2; c) subject 3

Обсуждение и заключения. Доказана возможность применения метода многомерного шкалирования в качестве дополнительного классификатора ЭЭГ-данных больных ДЭП и здоровых испытуемых, исходя из результатов проведенного исследования: практически у всех здоровых испытуемых в каждом из отведений и тестов наблюдается близкое расположение или совпадение координат многомерного шкалирования; для пациентов с ДЭП совпадение координат отсутствует, распределение носит более хаотичный характер.

На основании полученных результатов применения метода многомерного шкалирования выдвинуто предположение о возможности использования этого способа статистической обработки как дополнительного метода в диагностике заболевания «дисциркуляторная энцефалопатия» для оценки состояния пациентов.