IEEE trans:潮式呼吸患者的Ld-EEG有效脑连接性研究

2021-07-19 MedSci原创 MedSci原创

心力衰竭(heart failure)简称心衰,是指由于心脏的收缩功能和(或)舒张功能发生障碍,不能将静脉回心血量充分排出心脏,导致静脉系统血液淤积,动脉系统血液灌注不足,从而引起心脏循环障碍症候群,

心力衰竭(heart failure)简称心衰,是指由于心脏的收缩功能和(或)舒张功能发生障碍,不能将静脉回心血量充分排出心脏,导致静脉系统血液淤积,动脉系统血液灌注不足,从而引起心脏循环障碍症候群,此种障碍症候群集中表现为肺淤血、腔静脉淤血。表现为潮式(潮式)Cheyne-Stokes呼吸(CSR)。CSR是一种周期性呼吸(PB),其特征是呼吸过度交替,具有典型的渐增-渐减模式和中枢性呼吸暂停,持续时间长达60秒。呼吸暂停被定义为中枢性的,因为主要的病理生理机制是呼吸神经控制的改变,与阻塞性睡眠呼吸暂停的定义相反,阻塞性睡眠呼吸暂停是最常见的睡眠呼吸暂停类型,上呼吸道完全或部分阻塞引起的。60%和30%的患者在睡眠和清醒时出现CSR,可能与心衰心律失常、血流动力学恶化和死亡率增加有关。

Fig. 1. - Time-course partitioning based on ventilation condition derived from physiological data (central apnea/hyperpnea). Top: nasal flow, thoracic displacement and abdominal displacement. Bottom: EEG signal.

患者脑电信号

CSR严重程度通过多导图评估,得到生理参数,包括气流、呼吸和氧饱和度信号,由此得出呼吸暂停低通气指数(AHI)、中枢性呼吸暂停指数(CAI)、氧饱和度指数(OAI)和氧饱和度低于90%的时间(T90)。此外,脑电图(EEG)已被广泛用于评估睡眠碎片和觉醒倾向,与睡眠期间的呼吸暂停有关。除了睡眠结构之外,脑电图分析还可以提供一些有关中枢自主神经网络(CAN)中涉及的皮层区域背景活动的进一步信息。事实上,CAN包括分布的大脑区域,其活动调节多种自主功能,包括心脏和呼吸控制。脑电图可用于研究呼吸控制的区域,以及健康受试者或心脏病患者的相互作用。本文通过分析HF和CSR患者的EEG临床记录,旨在评估CSR周期在皮层水平引起的CO2变化的影响,评估了收缩期心衰患者CSR期间皮质-皮质相互作用的经典EEG频带(即δ、θ、α、β、低γ)中RPDC值的显著差异。

Fig. 2. - Clustering outcome across all subjects exhibiting CSR during the experiment. Subject specific dipoles are reported in blue over the standard MNI template, while cluster centroids are reported in red. Average scalp map deriving from cluster centroids are reported for each cluster.

实验期间所有表现出CSR的受试者的聚类结果

确诊收缩期心衰和CSR的门诊患者被纳入研究。患者被要求在实验过程中闭上眼睛放松,同时躺在床上,保持清醒,灯亮着。使用了多导设备,根据国际10-20系统配置,将19个电极安装在弹性帽中,并放置在患者头皮上。电极分别通过位于Fz和Pz之间以及Cz和Pz之间的两个附加通道接地/参考。在所有采集过程中,每个电极的阻抗都保持在15kΩ以下。生理数据(即鼻流量、腹部和胸部运动、血氧饱和度)用同一设备记录。呼吸信号用于识别过度换气和呼吸暂停的周期,在此期间进行皮层连接分析(在EEG信号的ICA分解后)。结合ICA分解、无监督聚类、MVAR建模和置换bootstrap策略来评估的显著连通性差异。

16名受收缩期心衰影响的门诊患者(均为男性,年龄74±9岁,左室射血分数25.0±7.5%)和CSR参与本研究。然而,在脑电图记录过程中,只有8名受试者表现出一致的CSR模式。因此,仅对这些受试者进行连通性分析。将脑电时程分为2个时程,每个受试者和条件至少有66个时程。因此,对8名受试者进行连通性分析,ICA分解允许每个受试者识别19个成分,总共有152个成分来自在采集过程中显示CSR的患者。中枢性呼吸暂停/高通气循环之间的连接性分析突出了呼吸期之间RPDC值的显著差异。具体而言,在中枢性呼吸暂停期间,观察到与高通气期相关的整体连通性降低,显示了呼吸周期对皮质-皮质相互作用的普遍影响。有趣的是,在δ带内观察到了更大的差异。有人认为,这种频率窗的参与可能源于高碳酸血症导致的低觉醒状态,从而导致低频率下大脑活动的增加。昼夜CAI和RPDC差异之间存在显著相关性。特别是,两种相关分析都观察到了共同的模式。特别是在连通性差异不显著的地区,也出现了显著的相关性。相反,观察到RPDC差异显著而相关性不显著的病例。

本文提出的方法可以应用于将来的临床研究,从生理学的角度来看,这项研究为进一步研究呼吸中枢控制中的脑连接性打开了新的视角。

A. L. Callara et al., "Ld-EEG Effective Brain Connectivity in Patients With Cheyne-Stokes Respiration," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering

 



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