基于脑电特征的焦虑障碍患者人群机器学习分类研究.pdf

:/军事医学心理学专题基于脑电特征的焦虑障碍患者人群机器学习分类研究冯廷炜 任 垒 毋 琳 李丹阳 杨 伟 张 鹏 王步遥 王 卉 刘旭峰(空军军医大学军事医学心理学系基础心理学教研室 陕西 西安 新疆师范大学教育科学学院 新疆 乌鲁木齐 西京学院心理咨询中心 陕西 西安 北京中医药大学东方学院心理咨询中心 河北 廊坊)基金项目:军队后勤科研重大项目()空军装备综合研究重点项目()作者简介:冯廷炜 硕士 助教 从事多质融合理论研究:通信作者:刘旭峰:王 卉:网络首发:/()摘要 目的 探讨焦虑障碍患者在问卷作答、睁眼闭眼时的脑电()特征指标 为军队心理选拔及多质融合理论提供技术支持 方法 收集被试 人 分为焦虑障碍组(人)和正常组(人)通过对两组人群频域分析 发现功率谱密度()可以用于评估焦虑障碍患者的脑异常情况 结果 低频段两组人群 幅值差异显著 焦虑障碍组高于正常组 在睁眼状态下全频段显著 且在 频段出现睁眼抑制效应 通过机器学习的方法对人群进行分类 在识别率上多质融合指标比单一行为学指标提高了 结论 焦虑障碍组高危人群不满足诊断为焦虑障碍的标准 但在临床上易诱发为焦虑障碍 利用机器学习对 频域指标进行特征提取及人群分类 可以提高对焦虑障碍人群的识别力 在未来人员选拔与临床评估中具有前瞻意义关键词 焦虑障碍 问卷作答 脑电 机器学习中图分类号 文献标志码 ()()()():/焦虑障碍是最常见的精神疾病 其核心特征是病理性焦虑 即脱离现实依据的持续不可控的紧张不安 在我国 焦虑障碍年患病率为 终身患病率为 世界卫生组织在 个国家和地区进行的流行病学调查显示 世界范围内焦虑障碍的终身患病率为 年患病率为 且焦虑症高比例的损伤和残疾有关 即使接受系统性的药物治疗 焦虑障碍患者仍然具有较高的复发率 给社会带来沉重负担脑电()技术是从认知神经科学角度研究焦虑障碍的有效工具 在诸多 相关研究中 不同频段与焦虑障碍具有一定程度的相关性 不同研究结果差异较大 但均提示存在与焦虑障碍具有相关性的特征性频段 在 频段 一系列研究证实 和 频段之间的跨频段相关与焦虑障碍有关 在 频段 等研究表明焦虑患者组在静息态任务中头皮中央线 频段的振荡相干性增强 等研究表明 高特质焦虑者表现出 和 连通性降低 等研究表明 在年轻女性中 频段的额叶不对称与焦虑风险显著相关 特质焦虑人群也与 频段具有一定相关性 等研究表明 在静息态 研究中 特质焦虑人群在 波范围内具有更高的功率 同时在 频段具有明显的波峰 等研究表明 特质焦虑人群相较于正常对照 由静息态转为 侧翼任务时出现了 波段的去同步化 差异具有统计学意义 在 频段 等研究指出 频段的增强与焦虑症状有一定相关性 等研究表明 在 频段范围内 焦虑障碍患者组与对照组之间在顶叶及左颞叶处差异显著 综上所述 焦虑障碍相关的 研究间存在一定差异性 现有研究对于频段选择与指标提取的指导价值有限 当下 频段研究缺乏标准化研究结果的可重复性及稳定性是需要被关注的问题军人心理选拔是军事心理学研究的核心问题 我军目前使用的征兵心理检测系统在兵员精神疾病识别上取得了很好效果 但近年来 入伍新兵中无精神病却有异常心理症状的比例大幅增加 为了应对这一新状况 本研究在被试作答问卷的同时 旨在只通过一次问卷施测 同时得到针对同一被试的主观问卷行为学指标及客观问卷作答态、睁眼闭眼时的 指标利用机器学习技术提高人群分类研究鉴别能力 探索焦虑障碍高危人群在进行自陈式问卷作答时的 特征 以期为心理筛查与心理评估提供客观证据 对象与方法 对象招募解放军总医院医学心理科、联勤保障部队第九二三医院焦虑障碍患者人群参与研究 同时向社会、学校招募健康正常人作为正常对照组 共采集到 份 数据 其中焦虑障碍组 人 正常组 人 本研究通过空军军医大学西京医院临床试验伦理委员会审核(许可证号:)实验材料入组 初 筛:精 神 病 前 驱 期 问 卷()得分在正常范围内 无精神病性症状 长谷川智能量表报告智力正常 色觉初步筛查报告无色觉、色弱等病理现象 中国人利手量表报告为右利手 状态特质焦虑预测量表()对两组人群进行焦虑预评分 在上述五项基础上 焦虑障碍组加做焦虑自评量表()和抑郁自评量表()并辅助临床医生进行评估 在上述七项基础上 正常组加做症状自评量表()排除基本心理病理状况 有 个条目 反映人格焦虑倾向 本研究使用划界分数的制定基于 的美国正常成人常模结果 分别为特质焦虑维度男性 分、女性 分 可同时测定情景相关焦虑及特质焦虑焦虑障碍组纳入标准:岁 经两名高年资主治以上级别医生诊断 符合 精神疾病诊断与统计手册(第五版)焦虑障碍谱系疾病的诊断标准右利手 排除标准:严重躯体疾病或乙醇等物质滥用史 精神或神经系统疾病史 试验前 个月内接受过电休克治疗 头部创伤史 色盲及色弱者 智力障碍者正常组纳入标准:岁 得分 分 得分 分 总分 分 条目分 分 痛苦分 分 右利手 特质焦虑维度男性 分、女性 )、()、其中 ()、()、()统计学分析使用统计学软件 进行分析 资料类型为计量资料 所有数据均进行正态性检验及方差齐性检验 功率差异分析采用两组独立样本间的单因素方差分析 若通过方差齐性检验 经 校正后在两组间进行两两比较 若未通过方差齐性检验 经 校正后在两组间进行两两比较 表示差异有统计学意义 结果 频域分析 问卷作答结果 包含不同生理意义的特定频段 不同频段的特征对于表征不同大脑活动具有十分重要的意义 为了深入了解整体脑区频域快速傅里叶变换()的变化 我们进一步平均了 个频段 选取了 个电极(、)的 值 分别采用独立样本 检验进行统计分析 如图 所示图 两组人群问卷作答状态下诱发的脑电功率谱在不同频段电极分布图():/图 两组人群各频段脑电功率谱柱状图()本研究在问卷作答状态下 频段差异显著()焦虑障 碍组高于正 常 组()/()/频段差异显著()焦虑障碍组高于正常组()/()/频段差异显著()焦虑障碍组高于正常组()/()/频 段 差 异 显 著()焦虑障碍组高于正常组()/()/频 段 差 异 显 著()焦虑障碍组 高于正常 组()/()/频段差异显著()焦虑障碍组高于正常组()/()/睁眼结果本研究在睁眼状态下 焦虑障碍组与正常组全频段均有显著性差异(图)频段()频段()频段()频段()频段()频段()综上所述 睁眼状态全频段下焦虑障碍组 功率谱密度()均高于正常组图 两组人群睁眼状态下诱发的功率谱密度频域在不同频段电极分布图()闭眼结果本研究在闭眼状态下 焦虑障碍组与正常组在、及 有显著性差异 频段()频段()频段()综上所述 三个频段的焦虑障碍组 的 均高于正常组(图)焦虑障碍组睁眼闭眼状态下发现 频段差异不显著 其 余 频 段 均 显 著:频 段()频段()频段()频段()频段()以上频段 睁眼状态均高于闭眼状态 正常组睁眼闭眼状态 频段差异不显著 其余频段均显著 频段()频段()频段()频 段()频 段()以上频段 的 睁眼状态均高于闭眼状态对比两组人群睁眼闭眼结果表明 在 个频段 个 通道的波幅随着频率的增加而减小 然后空军军医大学学报 年 月 第 卷第 期 :/比较两种条件的 值 我们得到了以下有趣的结果:问卷作答下随着频率的增加 幅值不断降低 在、和 低频频段两组人群 差异显著 均为焦虑障碍组高于正常组 且两组人群对比发现 只有问卷作答状态下焦虑障碍组与正常组会出现明显的 频段的睁眼抑制 闭眼 会高于睁眼图 两组人群闭眼状态下诱发的 频域在不同频段电极分布图()本研究在睁眼状态下两组人群全频段 差异显著 焦虑障碍组高于正常组 在闭眼状态下 仅、及 频段 具有显著差异性 焦虑障碍组高于正常组 说明闭眼状态下低频能够一定程度调节焦虑障碍患者 使得焦虑障碍组与正常组在低频阶段没有差异 为我们在今后的临床应用中提供干预思路 机器学习结果采用 包的 与 分类器分别对焦虑障碍组、正常组进行二分类 结果显示 基于以上两组(被试)(电极)(行为、多质融合)个指标 分类器对行为学准确率从 提高到 分类器对行为学准确率从 提高到 故采用多质融合的方法一定程度上能够提高人群的识别率 说明这两组人群功率谱特征指标具有良好的区分能力 可以作为征兵心理选拔检测的指标 讨论本研究结果发现焦虑障碍患者睁眼时全频带的功率变异性高于正常人 表明焦虑障碍患者在低频带 产生更强的活动性 在高频段 产生较低的活动性 这与焦虑障碍以低频频段功率增高和高频频段功率降低的 特征相吻合 不同波段的 功率反映了特定的认知加工过程 而在变化趋势上 睁眼状态下 两组人群的功率皆随静息态时间的延长而升高 升高趋势相同 而焦虑障碍组在 频段的睁眼和闭眼对比中均出现 睁眼抑制效应 在闭眼状态下 仅、及 频段 具有显著差异 且焦虑障碍组高于正常组本研究发现焦虑障碍组的额区中线位置 功率增高 这与文献 研究结果一致 该研究发现左前额叶 波增多与焦虑障碍患者症状相关 这种 功率增高发生的机制可能是左侧大脑半球语言功能缺乏区在右侧大脑半球同源区域的抑制引起的 本研究也发现焦虑障碍患者睁眼时 功率增高 这与一些研究结果一致 有研究认为这种过量的 波的溢出有可能是海马区 氨基丁酸能神经元活动改变导致的 这些神经元是产生 波的主要部位 这种由大脑内分子机制改变导致的稳定的 活动异常 使得 波段功率的异常可以成为一个筛查指标提取并应用于焦虑障碍症人群的检测和筛查研究还发现焦虑障碍患者的 功率显著增高 和 波段功率分别反映了注意朝向内部和外部的不同过程 而静息态过程中 功率的增高与注意力朝向内部自我相关 冥想过程中 顶叶部位的 功率反映了自我意识 功率在做自我相关的冥想时更高 和 之间的 相干性也更高 并且那些以具体的认知和行为来冥想自己的个体表现出较低的 和较高的 功率 而那些用一种抽象的、独立的、潜在的自我意识冥想自己的个体 表现出较高的 和 能力 焦虑障碍患者在睁眼状态下 功率显著高于正常人 说明:/在睁眼状态下 焦虑障碍患者的思维意识较正常人而言更朝向于自我内部世界 这或许与患者的先占观念有关 说明内在产生的思维导致的内向体验使患者的现实定向和适应能力受损正常对照组和焦虑障碍组在静息态睁眼和闭眼的差异模式又有所不同 闭眼后 焦虑障碍组与正常对照组的功率差异波段变少 只体现在 波段上 有学者认为 静息态 活动增强与视觉皮质兴奋性降低有关 此时外部定向注意力相关的大脑区域活动减少 视觉皮质兴奋性降低有助于阻止视觉输入外部干扰而打扰个体内省状态 正常人在闭眼后 因为视觉信息的内部流入切断 而导致低波段 功率增加 和 波段这两个中低波段功率与焦虑障碍组无差异 而 波段功率始终有差异 提示了 功率发生机制与视觉皮层活动无关 可能来源于其他脑区的异常活动本研究结果表明 不论是低频功率的增高还是高频功率的降低 健康正常被试显示出较快的适应性特征 但本研究样本量较小 焦虑障碍人群在入组进行实验时 由于多种担忧造成心理压力大、认知负荷较重 使得 信号受到其他心理因素的影响 最后本研究能够在征兵心理检测前加入 的睁眼闭眼静息态 检测 若将指标投入应用 还需扩大被试量结合机器学习其他分类器的方法进行辅助诊断【参考文献】.():.():.():.():.():.():.():.:.:.:.():.:?.:.:.:.:.():.:.:.():(收稿 修回)(编辑:袁天峰)空军军医大学学报 年 月 第 卷第 期 :/