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摘 要： 摘要抑郁癥的客觀、快速診斷一直是臨床醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,傳統(tǒng)的抑郁癥診斷方法缺乏客觀的理化檢查診斷指標(biāo),使得抑郁癥的臨床干預(yù)和治療存在不確定性。基于信息處理的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體的器質(zhì)性病變以及器質(zhì)性病變前的人體生理電信號(hào)
摘要抑郁癥的客觀、快速診斷一直是臨床醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,傳統(tǒng)的抑郁癥診斷方法缺乏客觀的理化檢查診斷指標(biāo),使得抑郁癥的臨床干預(yù)和治療存在不確定性。基于信息處理的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體的器質(zhì)性病變以及器質(zhì)性病變前的人體生理電信號(hào)的變化,準(zhǔn)確、客觀、迅速地對(duì)疾病做出診斷。本文對(duì)基于信息處理的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù)進(jìn)行了綜述。
關(guān)鍵詞抑郁癥;功能性磁共振成像;腦電波;腦象圖;同步腦電與功能磁共振
抑郁癥又稱憂郁癥、抑郁障礙,是一種常見(jiàn)多發(fā)的精神疾病,以顯著而持久的情緒低落、興趣喪失和精力缺乏為主要臨床特征,是危害人類的常見(jiàn)精神疾病之一。抑郁癥的發(fā)病機(jī)制普遍認(rèn)為與遺傳、心理和環(huán)境等因素有關(guān),但具體機(jī)制目前尚不十分清楚[1]。抑郁癥會(huì)危害人們的正常生活和工作,嚴(yán)重的甚至還會(huì)引發(fā)自殺現(xiàn)象的發(fā)生;同時(shí),抑郁癥還會(huì)引起物質(zhì)濫用,由于心情郁悶,無(wú)法解脫,往往求助于具有輕度欣快和麻醉作用的香煙、酒精,患者容易染上吸煙和酗酒的惡習(xí)。抑郁癥的患病率,美國(guó)2003年為6.6%,法國(guó)2002年為5.9%,巴西2007年為9.4%,澳大利亞2007年為4.1%;我國(guó)的抑郁癥發(fā)病率約為3%~5%,抑郁癥患者人數(shù)已超2600萬(wàn)人[2]。
有研究顯示,到2030年,抑郁癥將超越心臟病,成為世界發(fā)病率首位的疾病[3]。專家預(yù)測(cè),我國(guó)抑郁癥的患病率呈上升趨勢(shì)。到2022年和2030年,健康中國(guó)行動(dòng)的主要指標(biāo)之一,是我國(guó)抑郁癥的患病率上升趨勢(shì)減緩[4]。抑郁癥一方面普遍存在,但另一方面又需要與由軀體疾病所致的抑郁、精神活性物質(zhì)所致的抑郁、癡呆、精神分裂癥、焦慮、雙相情感障礙、更年期綜合征等疾病進(jìn)行鑒別[5]。由于抑郁癥與這些疾病并不容易區(qū)分和辨別,所以抑郁癥是難以診斷的疾病。
1當(dāng)前的診斷標(biāo)準(zhǔn)
抑郁癥的臨床表現(xiàn)復(fù)雜多樣,既有精神障礙,又有軀體功能障礙;抑郁癥診斷的實(shí)際情況與理想目標(biāo)也相距甚遠(yuǎn)。一方面,受文化氛圍的影響,精神類疾病患者普遍都存在一種病恥感,擔(dān)心患此病被歧視;另一方面,人們大都不擅長(zhǎng)描述自己的糟糕心境,且很多患者會(huì)將自己的糟糕心境歸之為自己性格內(nèi)向或者生活所迫,意識(shí)不到自己已可能罹患抑郁癥。同時(shí),抑郁癥患者往往合并諸多軀體不適與焦慮癥狀,往往使患者誤以為是某種器質(zhì)性疾病引起的癥狀,而忽略自己患有抑郁癥的可能。這些因素導(dǎo)致抑郁癥的早期診斷十分困難。
作為現(xiàn)代精神疾病分類最有代表性的分類體系,《國(guó)際疾病和分類》(InternationClassificationofDiseases,ICD),美國(guó)的《精神障礙的診斷統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》(TheDiagnosticandStatisticalManualofMentalDisorders,DSM),我國(guó)的《中國(guó)精神疾病分類和診斷標(biāo)準(zhǔn)》(ChineseClassificationandDiagnosticCriteriaofMentalDisorders,CCMD),分別以ICD-10、DSM-IV和CCMD-3的最新分類版本對(duì)精神疾病重新進(jìn)行了更為合理的劃分,抑郁癥的分類及其診斷標(biāo)準(zhǔn)在上述每一分類體系中均有詳細(xì)的描述[6]。目前,尚沒(méi)有特異性的生理生化指標(biāo)作為輔助診斷標(biāo)準(zhǔn)。臨床診斷抑郁癥,主要通過(guò)患者或家屬的主訴及各種抑郁量表測(cè)評(píng)和醫(yī)生對(duì)患者臨床癥狀的評(píng)估。因大多數(shù)抑郁癥患者首診時(shí)常以軀體癥狀作為主訴,缺乏客觀的理化檢查診斷指標(biāo),抑郁癥狀往往被這些軀體不適所掩蓋,使患者得不到正確的診斷和及時(shí)處理,導(dǎo)致臨床醫(yī)生尤其是綜合醫(yī)院非精神科醫(yī)生和基層醫(yī)生發(fā)生誤診或漏診,使得臨床干預(yù)和治療存在不確定性[7-8]。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,圖像處理與信號(hào)分析技術(shù)在抑郁癥診斷中的研究與應(yīng)用也愈來(lái)愈得到相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者的重視。基于信息處理的臨床診斷輔助技術(shù),利用現(xiàn)代信息處理技術(shù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體的器質(zhì)性病變以及器質(zhì)性病變前的人體生理電信號(hào)的變化,準(zhǔn)確、客觀、迅速地對(duì)疾病做出診斷。基于信息處理的抑郁癥臨床診斷輔助技術(shù)基本上分為圖像處理技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)與圖像信號(hào)融合技術(shù)3大類。
2基于圖像處理的臨床輔助診斷技術(shù)
近年來(lái),醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,使腦成像技術(shù)在抑郁癥的病理研究與臨床輔助診斷中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣。腦成像技術(shù)不僅能夠揭示抑郁癥癥狀背后的神經(jīng)基礎(chǔ),還能對(duì)抑郁癥的診斷和判別起到支持作用。功能性腦成像技術(shù)允許在時(shí)空分辨率、視場(chǎng)和信噪比之間進(jìn)行綜合權(quán)衡,可達(dá)到毫米量級(jí)的空間分辨率,空間定位能力精確,但時(shí)間分辨率較低[9]。在抑郁癥的臨床實(shí)踐中,常見(jiàn)的腦成像技術(shù)有功能性磁共振成像技術(shù)、功能性近紅外光譜技術(shù)和近紅外光成像技術(shù)。
功能性磁共振成像(functionalMagneticResonanceImaging,fMRI)技術(shù)是通過(guò)刺激病人/被試者的特定感官,引起大腦相應(yīng)腦部皮層的信號(hào)變化,并通過(guò)磁共振圖像來(lái)顯示的一種研究方法,用于皮層中樞功能的深入研究。fMRI檢測(cè)顯示,抑郁癥患者腦區(qū)的前額皮質(zhì)、海馬、伏隔核腦區(qū)的活動(dòng)減少[10];fMRI研究表明,抑郁癥狀與前額葉皮質(zhì)、扣帶回皮質(zhì)、眶額皮質(zhì)、杏仁核和海馬等多個(gè)腦部位靜息態(tài)功能連接性的狀態(tài)有關(guān)[11]。
功能性近紅外光譜(functionalNear-Infra-redSpectroscopy,fNIRS)技術(shù)是近年來(lái)新興的一種無(wú)創(chuàng)傷腦功能成像技術(shù)。大腦神經(jīng)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致局部的血液動(dòng)力學(xué)變化,fNIRS是利用腦組織中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對(duì)600~900nm不同波長(zhǎng)的近紅外光吸收率的差異特性,實(shí)時(shí)并直接檢測(cè)大腦皮層的血液動(dòng)力學(xué)活動(dòng)。文獻(xiàn)[12]選取28位抑郁癥患者(抑郁癥患者組)與30位年齡匹配的正常成年人(健康對(duì)照組),使用線性判別分析(LinearDiscriminantAnalysis,LDA)和支持向量機(jī)(SupportVectorMachine,SVM),檢驗(yàn)通過(guò)fNIRS獲取的大腦皮層靜息態(tài)功能性連接的狀態(tài)是否能夠客觀辨別受試者屬于抑郁癥組還是健康對(duì)照組,結(jié)果均獲得了73%~74%的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。由fNIRS技術(shù)得到的大腦靜息態(tài)功能性連接的狀態(tài)可以大大提高客觀辨別抑郁癥患者的可行性和有效性。fNIRS具有無(wú)創(chuàng)、輕便、適合臨床研究的特點(diǎn),并能夠有效揭示抑郁癥潛在的神經(jīng)機(jī)制。
近紅外光成像技術(shù)(Near-InfraredSpectroscopy,NIRS)是近來(lái)新興的一種無(wú)痛、無(wú)創(chuàng)的光學(xué)成像技術(shù),已被日本政府批準(zhǔn)成為輔助診斷抑郁癥的先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)之一。通過(guò)NIRS對(duì)抑郁癥進(jìn)行研究,采用檢測(cè)的認(rèn)知任務(wù)多是言語(yǔ)流暢性測(cè)驗(yàn)(VerbalFluencyTest,VFT)。研究發(fā)現(xiàn),抑郁癥患者在完成VFT任務(wù)時(shí),前額葉和顳上回的激活顯著降低。目前,國(guó)內(nèi)利用NIRS技術(shù)對(duì)抑郁癥進(jìn)行輔助診斷的研究與臨床診斷還處于起步階段。
由于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣,腦成像技術(shù)在抑郁癥臨床輔助診斷中的作用也愈來(lái)愈重要,研究成果也會(huì)愈來(lái)愈多。基于圖像處理的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù)適用于已經(jīng)產(chǎn)生器質(zhì)性病變的抑郁癥患者的診斷。
3基于信號(hào)分析技術(shù)的臨床輔助診斷技術(shù)
抑郁癥的信號(hào)分析技術(shù)主要包括腦電波信號(hào)分析、心電圖信號(hào)分析與語(yǔ)音信號(hào)分析3種。
腦電波(Electroencephalography,EEG)信號(hào)反映了大腦神經(jīng)元電活動(dòng)及其功能狀態(tài),含有豐富的生理與病理信息,為深入了解臨床腦神經(jīng)與精神疾病診斷提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[13]。近年來(lái),抑郁癥的EEG信號(hào)研究已在特征節(jié)律、非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)、事件相關(guān)電位(Event-RelatedPotentials,ERP)響應(yīng)、腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特異性等方面取得許多成果[14]。
EEG的特征節(jié)律是用來(lái)探討抑郁癥特異性能的常用方法之一,多集中于定量分析其不同節(jié)律成分的能量分布與變化規(guī)律,主要聚焦于δ(1~3Hz)、θ(4~7Hz)、α(8~13Hz)、β(14~30Hz)、γ(30~80Hz)這幾個(gè)典型EEG節(jié)律信號(hào)的絕對(duì)與相對(duì)功率分布特點(diǎn)、大腦半球間及半球內(nèi)功率譜的不對(duì)稱性等方面。多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí),抑郁癥患者的δ節(jié)律異常,θ節(jié)律活性比正常人增加并存在偏側(cè)化現(xiàn)象,α節(jié)律功率增加,β節(jié)律活性增加,γ節(jié)律網(wǎng)絡(luò)參數(shù)呈現(xiàn)出隨機(jī)化趨勢(shì)。
抑郁癥患者EEG的非線性動(dòng)力學(xué)研究主要體現(xiàn)在混沌理論、長(zhǎng)程相干性與復(fù)雜性測(cè)度等方面。基于混沌理論的抑郁癥患者EEG非線性動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,抑郁癥患者EEG信號(hào)的關(guān)聯(lián)維、分形維等混沌非線性特征參數(shù)值具有顯著升高的趨勢(shì),可用于辨別指標(biāo)和診斷。在自發(fā)狀態(tài)下EEG信號(hào)具有長(zhǎng)期時(shí)程相關(guān)性(Long-RangeTemporalCorre-lation,LRTC)。研究發(fā)現(xiàn):基于去趨勢(shì)波動(dòng)分析(DetrendedFluctuationAnalysis,DFA)的θ節(jié)律振蕩在5~100s時(shí)間尺度上的LRTC較正常人有顯著性下降,且其LRTC缺失現(xiàn)象隨患者的抑郁癥狀嚴(yán)重程度加劇。
ERP反映大腦認(rèn)知過(guò)程中皮層神經(jīng)電生理的變化,具有時(shí)間分辨率高和對(duì)刺激時(shí)刻準(zhǔn)確鎖時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)典的ERP包括P1、N1、P2、N2、P3等成分,其中P1、N1、P2為ERP的外源性(生理性)成分,受刺激物理特性影響;N2、P3為ERP的內(nèi)源性(心理性)成分,不受刺激物理特性的影響。相比于正常人,抑郁癥患者對(duì)負(fù)性刺激會(huì)產(chǎn)生異常的P1、N2、P3及慢波等EEG成分。分析抑郁癥患者的EEGERP特征,有助于了解抑郁癥患者的行為表現(xiàn)與認(rèn)知能力的相互聯(lián)系,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)抑郁癥患者EEG的臨床特征,為抑郁癥的發(fā)病機(jī)制研究提供神經(jīng)電生理活動(dòng)的有力證據(jù)。
由于抑郁癥患者負(fù)責(zé)相應(yīng)認(rèn)知、注意、記憶、情感等的認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)(CognitiveControlNetwork,CCN)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(DefaultModeNetwork,DMN)和情緒調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(MoodRegulatingCircuit,MRC)均發(fā)生不同程度的異常,通過(guò)構(gòu)建抑郁組和正常對(duì)照組靜息狀態(tài)下功能腦網(wǎng)絡(luò),能夠分析各腦區(qū)間信息傳輸?shù)奶禺愋?進(jìn)一步探討誘發(fā)抑郁的生理或心理方面的原因。
基于EEG信號(hào)的抑郁癥研究在臨床上已經(jīng)取得可喜的進(jìn)展,抑郁癥發(fā)病機(jī)理的研究正呈現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由單因素到多因素、由特殊性到普適性的進(jìn)展態(tài)勢(shì)。隨著研究成果的積累,抑郁癥將在臨床上實(shí)現(xiàn)更為客觀、全面、科學(xué)、精確的診斷與治療。
相關(guān)期刊推薦：《上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)》本刊是上海電機(jī)學(xué)院主辦的，始創(chuàng)于1987年，自2005年起改為雙月刊，是反映學(xué)院各類工程與應(yīng)用技術(shù)教學(xué)、科研成果為主的綜合性學(xué)術(shù)理論刊物。主要欄目：應(yīng)用技術(shù)、基礎(chǔ)理論研究、測(cè)試分析、綜合述評(píng)、社會(huì)科學(xué)、高等教育研究。
心電圖(Electrocardiogram,ECG)是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化圖形的技術(shù)。動(dòng)態(tài)ECG是通過(guò)ECG儀連續(xù)24h或更長(zhǎng)時(shí)間記錄患者日常生活狀態(tài)下心電活動(dòng)的全過(guò)程,然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,從而發(fā)現(xiàn)常規(guī)體表ECG檢查時(shí)不易發(fā)現(xiàn)的心律失常和心肌缺血等問(wèn)題,為臨床診斷、治療及判斷療效提供重要的客觀依據(jù)。抑郁癥患者普遍存在一定的身體癥狀,動(dòng)態(tài)ECG對(duì)抑郁癥患者具有較高的診斷價(jià)值[15]。
抑郁癥患者在語(yǔ)音聲學(xué)方面也會(huì)產(chǎn)生一些變化,比如語(yǔ)音的流暢性和韻律[16],基頻的范圍、均值、方差、曲線等[17]。將語(yǔ)音聲學(xué)特征作為客觀指標(biāo)對(duì)抑郁癥進(jìn)行診斷研究,從抑郁癥患者語(yǔ)音信號(hào)中提取有關(guān)抑郁癥患者的心理特征信息,是近年來(lái)新興的抑郁癥交叉研究熱點(diǎn)之一[18]。
信號(hào)分析技術(shù)具有費(fèi)用相對(duì)低廉、時(shí)間分辨率高、無(wú)創(chuàng)傷等優(yōu)點(diǎn),利用EEG信號(hào)分析認(rèn)知活動(dòng),是認(rèn)知科學(xué)研究的重要客觀手段,正愈來(lái)愈多地在抑郁癥臨床診斷中得到廣泛應(yīng)用。基于信號(hào)分析技術(shù)的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù)既適用于產(chǎn)生器質(zhì)性病變的抑郁癥患者的診斷,也適用于還沒(méi)有產(chǎn)生器質(zhì)性病變的早期抑郁癥患者的診斷。
4基于圖像信號(hào)融合技術(shù)的臨床輔助診斷技術(shù)
腦成像技術(shù)空間分辨力較高而時(shí)間分辨率較低,信號(hào)處理技術(shù)時(shí)間分辨力較高而空間分辨率較低。為此,圖像信號(hào)融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,常見(jiàn)的有腦象圖技術(shù)和同步腦電與功能磁共振(EEGfMRI)技術(shù)。
腦象圖技術(shù)又稱生物活動(dòng)參量的處理方法和設(shè)備,是運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)成像技術(shù)接受人腦電波,依據(jù)大腦中各腦區(qū)處理信息能力的強(qiáng)弱、耗氧量的多少,根據(jù)混沌學(xué)的原理建立數(shù)學(xué)模型,并將其繪制成直觀的物理幾何圖形,即將腦電波轉(zhuǎn)化為具有物理性質(zhì)和示意功能的流體幾何圖像,以顯示人類大腦的腦區(qū)優(yōu)勢(shì)、智力特征、心理狀態(tài)等特征。腦象圖技術(shù)是一種非線性理論研究方法,是基于臨床腦電圖學(xué)發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)腦功能檢查手段[19]。腦象圖與腦部電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(ComputedTomography,CT)及磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)比較,腦CT及MRI是局灶觀察病變對(duì)大腦的影響,腦象圖則可全面觀察疾病對(duì)大腦的影響[20]。腦象圖是一種可測(cè)量、可歸類的物理幾何圖像,可以建立標(biāo)準(zhǔn)化腦象圖特征數(shù)據(jù)庫(kù),應(yīng)用于抑郁癥的臨床診斷[21]。抑郁癥患者的腦象圖,大腦雙側(cè)末完成的圖形明顯增多,左前腦尤為明顯[22]。作為抑郁癥臨床輔助診斷的腦生理學(xué)指標(biāo)之一的腦象圖,對(duì)抑郁癥的臨床診斷有一定的臨床指導(dǎo)意義[23]。
EEG時(shí)間分辨率達(dá)到ms量級(jí),可以及時(shí)捕捉大腦自發(fā)神經(jīng)或誘發(fā)認(rèn)知活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化,區(qū)分不同的認(rèn)知思維過(guò)程,但其空間分辨率較低;而fMRI,空間分辨率達(dá)mm量級(jí),通過(guò)磁共振造影測(cè)量大腦血氧活動(dòng),間接推測(cè)腦功能活動(dòng),但其時(shí)間分辨率較低。將這兩種技術(shù)結(jié)合,有望實(shí)現(xiàn)對(duì)腦功能活動(dòng)觀測(cè)的高時(shí)空分辨率,這就是EEG-fMRI,其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
EEG-fMRI技術(shù)同時(shí)具有較高的空間分辨率和較高的時(shí)間分辨率[24],為分析、研究抑郁癥患者腦功能時(shí)空特征的變化開(kāi)辟了新的前景。基于EEG信息的fMRI分析,是采用EEG特征作為預(yù)測(cè)變量,對(duì)fMRI的時(shí)間過(guò)程進(jìn)行建模。一般的研究過(guò)程是,基于神經(jīng)血管的線性耦合假設(shè),在EEG中提取到神經(jīng)活動(dòng)特征在卷積血氧動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)后,構(gòu)成預(yù)測(cè)的fMRI信號(hào),然后在全腦的fMRI信號(hào)中找出抑郁癥特異性存在的相關(guān)神經(jīng)活動(dòng)激活區(qū)域。文獻(xiàn)[25]將實(shí)時(shí)fMRI神經(jīng)反饋與EEG記錄相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)額葉EEG不對(duì)稱的平均個(gè)體變化與抑郁嚴(yán)重程度顯著正相關(guān)。EEG-fMRI技術(shù)使得EEG技術(shù)與fMRI技術(shù)顯著互補(bǔ),是多模式分析、研究抑郁癥患者大腦時(shí)空變化的理想方法。
5結(jié)語(yǔ)
抑郁癥是一種高患病率、高致殘率、高自殺率、高復(fù)發(fā)率的慢性精神疾病,目前尚無(wú)特異的抑郁癥診斷工具。基于信息處理的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,將會(huì)使得快速、準(zhǔn)確、可靠診斷抑郁癥成為可能,從而大大提高抑郁癥的治愈率。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息處理技術(shù)的發(fā)展,基于信息處理的抑郁癥臨床輔助診斷技術(shù)將會(huì)有巨大的進(jìn)步。——論文作者：張連毅