诱发电位测量延迟变化组件使用一个简单的自相关技术

文摘

平均诱发电位的解释是困难的时候刺激和反应之间的关系不是常数。后来组件更容易延迟抖动,使它们不够可靠的常规临床使用,尽管他们可能有助于更好地理解多突触的功能组件的传入神经系统。本研究的目的是提供一个简单但有效的方法识别和量化的延迟抖动的平均诱发电位。自相关技术应用定义的时间窗内模拟抖动信号嵌入在诱发电位记录的噪声分量和真实躯体感觉诱发电位的例子。我们证明了技术准确识别的分布和最大水平的抖动模拟组件和真实诱发电位记录清楚地标识了抖动特性的组件。这种方法的目的是补充传统的分析方法用于神经生理学的实践提供有价值的额外的信息延迟抖动的分布在一个平均诱发电位。这将是有用的评估的可靠性平均组件和将帮助解释潜伏期长,多突触的组件,比如那些在痛觉诱发电位。

1。介绍

临床神经生理学使用电位记录从人类头皮,外围刺激诱发,探讨神经通路的完整性的各种感官(1]。传统形式的分析是一个简单的平均水平,多次重复的刺激,引发的记录过程是刺激发病。每个连续的记录添加到之前的,适当的调整幅度,形成运行的平均水平。这个过程假定感兴趣的信号组件寿命及其刺激发病,而背景噪音被认为是随机的刺激。因此,随着越来越多的记录添加到平均噪音元素减少而信号组件保留原来的振幅,而且被视为“生长”的背景噪音。理论上,平均无限的录音会零噪音,和信号将透露其真实振幅(2]。

然而,潜在的神经生理学的生产诱发电位(EP)平均的假设为不兼容。特别是,有证据表明,诱发电位成分不同振幅和延迟重复录音,与后来的组件显示更大的延迟变化(“抖动”)3]。信号组件发生在同一时间点相对于刺激发病但有不同的平均振幅产生组件相同的形状和延迟,但不同的振幅。不同的时间重叠信号组件时,将产生形状复合信号的变化,但单个组件的延迟不会改变。然而,不同延迟在单个信号组件也可以产生形状和振幅失真,但明显延迟计算平均信号将不会真正的测量的原始信号。

早期组件参与这项诱发电位代表活动快神经通路,只有几个突触和因此至少延迟变异。这使得它们充分一致的和可靠的临床使用(4]。然而,后来的组件是容易受到更大的可变性,因为大量的突触和参与大脑反应的其他方面,如注意力。此外,一些形式的刺激,如视觉和听觉诱发电位,不达到相同的快速同步凌空电刺激产生的感觉传入纤维,这也是导致延迟的变化记录组件(5]。痛觉诱发电位是一个相对较新的的潜在工具检测神经系统,并由缓慢外围纤维除了接受大量的突触(6]。这和有限数量的重复的刺激可能导致他们使用只有非常有限的临床设置。

在之前的一项研究中作者(7)描述了一种方法,评估一个平均诱发电位组件的可靠性,使用重复的平均相关系数对信号在指定的时间窗口(值 )。这种技术量化形状的相似性产生的诱发电位每个外部刺激,在指定的时间窗口。振幅变化的离散组件本身不影响值价值。一个高价值的平均组件值表明组成的单一反应是发生在同一延迟和有相同的形状。平均中值较低的组件值可以显示来自其他重叠组件无关刺激的干扰或单一反应延迟的变化。本研究扩展了这种方法的实用程序,另外确定延迟变化的分布表现出任何指定的组件。该分析技术可以并行执行的收购传统平均响应和可以给重要的关于角色的附加信息的延迟变化组件可靠性较低的信号。此外,信息延迟变异的性质都可能相关的临床和研究背景8]。

其他的方法被用来考虑延迟抖动的EP组件:Achimowicz [9),例如,使用相位域模式识别技术;胡锦涛et al。(10)使用小波滤波与多元线性回归;Limpiti et al。11]使用一个expectation-maximisation算法;梅休和et al。12使用多元线性回归技术。然而,这些都是集中在提取单一审判EP特征在不同trial-to-trial延迟、振幅和/或组件的形态。调查EPs的延迟属性的重要性被伍迪(13),开发迭代自适应滤波器使用自我之间的平均响应和每个记录调整时间轴上的组件并计算一个新的水平。重复此过程,直到迭代之间没有变化。该方法被桑顿(精14使用低于一般水平的)。伍迪的细化算法(13),结合最大似然方法,也被使用(15]。马等。8)认可的延迟抖动的临床效用和使用独立分量分析(ICA)的多通道记录在动物研究比较抖动。这些技术在常见的临床使用,然而。本研究需要一个简单的方法来识别的延迟变化的分布定义EP组件来提供信息的延迟变化,很容易解释,可以使用与传统的平均反应在临床实践中。

2。材料和方法

躯体感觉诱发电位(SEPs)记录,知情同意,从两个神经正常的受试者。这些被当作真正的生物样本自相关的测试方法。SEPs后得到表面刺激正中神经的右手腕,0.2女士电脉冲交付0.83赫兹的速度和强度阈值的设定拇指抽搐。录音进行从C3 - - - - - -与表面电极Fz头皮推导,C3上肢9月记录位置,通常是在投影手挂图(16]。相同的电极被用来记录等效时间脑电图自发活动的时代,没有任何刺激(称为9月噪音在本文后面)。放大0.1×100000是使用带通-2000 Hz,使用二阶巴特沃斯模拟过滤(LT放大器由眩晕、热那亚、意大利)。信号被发送到一个模拟-数字转换器(NI作为pcie - 6320 X系列多功能采集,16位,由国家仪器250千赫采样率,奥斯汀,德克萨斯州)。使用虚拟仪器开发的软件是2017®(国家仪器,奥斯汀,德克萨斯)获得10000个样本的1000毫秒后每一个刺激,从而提供一个高清晰度记录停留时间为0.1毫秒。每个反应是存储在一个硬盘离线平均。

模拟单个诱发电位组件构造使用NI虚拟仪器2017®(17),基于正弦波的产生与可变宽度和-90°相移沿时间轴在一个给定的距离。在高峰延迟抖动(不确定性)是模拟运用随机转移沿着时间轴,在给定的最大范围内,每次生成正弦信号和加法指定的迭代次数。模拟信号的总长度是1000 ms停留时间为0.1毫秒(数据采集率10 kHz)兼容的参数用于上述9月录音。振幅和直流模拟程序内的转变是常数,但模拟之间的可调。

自相关方法用于识别的延迟抖动。自相关的方法可以识别类似的信号延迟时间彼此(18]。在这项研究中,一个时间窗口中定义感兴趣的是平均诱发电位记录。对单一反应记录被用来计算它们之间的相关系数。这是最初的计算与记录在同一时间点开始。常数时移就引入了移动沿着时间轴相对于另一个记录一个恒定的数量和重新计算相关系数。这是重复的,所以第一次计算相关系数都记录在同一时间点开始,然后用第二记录延迟了一段时间的转变 ,然后被时间改变 ,等,直到时移等于时间窗长度。这是对所有可能对重复记录。这是见图1。

构建虚拟仪器LabView中的2017年确定一个指定的时间窗口内的一组重复EP记录,真实的或模拟的。随后,每一对一个自相关进行记录(总共 ),使用虚拟仪器函数互相关。第六,时差对所有记录的最大相关性是绘制直方图。

3所示。结果与讨论

3.1。延迟变化的影响(“抖动”)平均诱发电位组件

传统信号平均理想情况下需要一个固定的信号和随机噪声与刺激发病(2]。平均每一个可能的重复信号(对的互关联系数值 )在定义的时间窗口已被用来作为衡量信号组件的可靠性的可靠性定义的可重复性(7]。随着振幅的变化还不足以改变值 ,这种可靠性因此表示为组件相似的形状发生在同一延迟。然而,有证据表明,诱发电位成分不同振幅和延迟,与后来的组件显示更大的延迟变化(“抖动”)3]。本节中,因此,看起来在不同数量的抖动的影响平均组件及其可靠性(以中位数 ),使用模拟信号组件。

图2显示了一个示例的一个模拟EP组件的峰值延迟100 ms,基部宽40 ms,和随机抖动的最大±20毫秒。图2(一个)说明了抖动生产(5重复)。图2 (b)显示一个unjittered模拟组件,一起产生的化合物潜在的传统平均30相同的组件的抖动±20毫秒。可以看出,抖动的存在影响振幅,形状,和延迟的平均组件。

图3显示了平均延迟抖动的影响在模拟组件在9月的声音类似的振幅。中位数每10毫秒值窗口所示红色和是一个测量的重复性信号在这些窗口(见上图)。中位数连续10 ms windows迅速减少的值增加延迟变异。没有抖动(图3(一个)),模拟组件在c。100年9月女士展示了作为一个大的振幅峰值在9月平均噪音,即使信号和噪声的振幅相似的30个人记录。中位数价值高(> 0.8),表明该组件是高度可靠。当少量的抖动(±5 ms)添加到模拟组件(图3 (b)),信号的振幅峰值较小,扩大和中位数下降(0.5 c。),这反映了该组件的可靠性增加。在±10 ms抖动(图5(c)),平均信号仍然可见,尽管越来越广泛,但中值是现在的0,表明一个不可靠的信号分量。这是一个精确的表示如果平均组件的可靠性定义为代表的一个组成部分,相似的形状相同的延迟。然而,在没有进一步的信息,它可能是区别一个大型人工制品,也给一个较低的值 。需要额外的方法正确解释组件可能会延迟抖动(参见下一节)。

3.2。识别和测量单个组件的延时抖动

一个自相关进行调查延迟抖动在指定的组件。一个指定的时间窗口定义适合的组件在调查之中。两个记录这个时间窗口之间的相关系数计算和重复的记录先后时移到指定的数量(默认情况下,这个录音的停留时间)。产生相关系数最高的时移被记录,这是对所有可能的不同的重复记录。结果显示为直方图的变化产生的最大相关所有可能对记录。这个过程的流程图如图1。这是第一次测试使用模拟信号与已知的抖动,然后在实际的诱发电位记录。

3.2.1之上。模拟信号与已知的抖动

图4显示了执行120年自相关的结果重复的模拟信号如图2,正态分布随机抖动的±10 ms应用到每个信号。时间窗口被定义为80 - 120 ms。的绝对时间差异的重复的最大相关系数策划反对这发生的次数之间所有可能的不同对记录(7140条记录有120重复)。这个柱状图显示的形状分布的延迟抖动。绘制在绝对时间差异 - - - - - -轴,相当于反映左(负面)部分的分布曲线的积极的部分。可以清楚地看到,由此产生的测量延迟的变化近似正态分布的积极部分,反映了实际的抖动分布。最长时间的区别是20 ms,相当于±10 ms的抖动中指定的模拟。

图5(一个)使用相同的小型模拟信号(出现延迟90 ms,宽20 ms)与随机抖动最多±15 ms结合记录9月的声音类似的振幅。30记录显示为一个扩大的合成平均峰值叠加噪声、和中位数(计算连续50微秒时间窗)从0,只有噪音,为平均信号的宽度大约0.05,表明可靠性差。然而,自相关(图的直方图5 (b))清楚地显示了绝对时间差异相似的山峰高达30 ms,相当于最大抖动±15毫秒。这些知识存在的延迟抖动(及其量化)使该组件的低可靠性被解释为代表一个真正的延迟抖动信号组件,而不是由于大型人工制品。互关联(中位数的组合 )和自相关,因此,提供了一个潜在的信号结构,使信号的准确表示组件可靠性较低分化到那些有大量噪音或文物(低值 ,从那些重复的无自相关),但延迟转移,组件(中值低、延迟变化确定)。

3.2.2。使用记录躯体感觉潜力

图6显示的结果使用互相关(值 )和自相关(峰值差异检测)方法在一个真正的躯体感觉诱发电位(SEP)记录。记录9月详细的方法在材料和方法(第二节)平均三十重复是传统和图所示6(一)。三个组件感兴趣的发现躺在时间窗口17-23女士,30 - 40 ms, 45 - 80 ms(标记为A、B和C在图6(一))和中位数这三个时间窗口的值叠加平均图。早期组件都有一个高值值(c。0.8),表明高可靠性方面的形状和延迟。数据6 (b)6 (d)看窗户,B和C,分别和现在的一个记录的时间间隔分布的时移,得到最大相似形状的其他两人的记录。每一条记录表示一项最佳时移。图6 (b)显示了组件,最长时间的区别非常小约为6 ms(对应的最大延迟抖动±3 ms)。然而,这种自然抖动不是约束是正态分布的模拟信号,和大部分时间,差异小于2女士(±1 ms)。组件B与一个值c的价值。0.5,表明恶化的可靠性,这是证实了自相关图所示的结果6 (c),给一个略大的最大延迟抖动8女士(±4 ms),与大多数小于±3毫秒。中位数与后来的组件(C)较低,为0.13。这可能是由于大延迟的变化,验证,如图6 (d),这显示了一个延迟变异的34 (±17 ms)女士,大部分都小于±11女士,该组件。

时差直方图如图6 (b)6 (d)给信息不仅最大程度的延迟抖动也重复时间的分布差异的信号。这可能是一个有用的工具为研究延迟的性质研究和临床诱发电位变化的应用程序。

4所示。结论

本文描述了一个简单的方式添加延迟变异(抖动)信息诱发电位组件被传统的信号平均。这为以后尤其重要组件的多突触的起源,因此非常容易变化的延迟。本文中描述的方法可以快速识别延迟变异和估计总抖动的分布范围。

使用的方法是直观的,设计用于与平均的传统解释诱发电位。它给一个明确的、图形化显示的记录信号的延迟抖动的分布在任何指定的时间窗口。这可能是使用,结合组件可靠性的措施(7),识别并量化这些组件的低可靠性是延迟变化的结果,而不是偶尔的,大量的文物。抖动信息也可以用来提供传导速度测量的置信区间,依赖于后期诱发电位刺激后组件在不同的网站(19,20.]。运用我们的方法,指定的置信区间的延迟抖动可以很容易地确定直方图的延迟变化的分析,可以直接用来给传导速度的置信区间相关组件。这些统计上可以比较规范的范围或团体之间。

延迟抖动信息将使用痛觉诱发电位时特别有价值。可靠的难度激活疼痛的途径和振幅的可变性和延迟的合成诱发反应的效用有限形态在临床实践中,虽然有大量证据的价值(21- - - - - -23]。然而,在这一领域的最新进展包括一个新的、可靠的方法诱发痛觉诱发电位(24- - - - - -26),这种组合改进记录技术和量化的分析方法的可靠性和延迟抖动将使这些很容易整合到未来的工作来识别可能的传入通路的异常或皮质处理。

数据可用性

所有数据用于支持这项研究的结果已经存入北安普顿大学的纯库(doi: 10.24339/432 a276a b10f - 4 adc - 821 a - b3a59fafb1a8)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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