Wykrywanie przejściowego upośledzenia funkcji poznawczych u osób zdrowych z zastosowaniem własnych metod oceny dynamiki sygnału EEG podczas stymulacji

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LVIII, NR 1, 2009 Wykrywanie przejściowego upośledzenia funkcji poznawczych u osób zdrowych z zastosowaniem własnych metod oceny dynamiki sygnału EEG podczas stymulacji EWA ZALEWSKA, JAN MISZCZAK 1, LESZEK KOWALCZYK Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, Warszawa, ul. Trojdena 4, 1 Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej, Warszawa, ul. Krasińskiego 54 Streszczenie. W medycynie lotniczej jednym z najważniejszych zagadnień badawczych jest wykrywanie nieprawidłowości funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego u ludzi zdrowych, które nie są ujawniane w badaniach rutynowych. Opracowano procedury stymulacji i programy analizy umożliwiające wykrywanie dysfunkcji funkcji poznawczych. Wyniki sugerują, że zastosowanie tej metody do rutynowych badań selekcyjno-orzeczniczych personelu latającego może być celowe dla podwyższenia progu bezpieczeństwa lotów Słowa kluczowe: elektroencefalografia, korowe potencjały wywołane, przejściowe upośledzenie funkcji poznawczych, medycyna lotnicza, sygnały biomedyczne analiza Symbole UKD: Wstęp Elektrodiagnostyczne badania układu nerwowego, jakimi są elektroencefalografia (EEG) i korowe potencjały wywołane (PW), znajdują się w medycynie lotniczej na eksponowanym miejscu ze względu na wysoki wskaźnik obiektywności pomiarów aktywności bioelektrycznej mózgu, oraz nieinwazyjności metody, która umożliwia wielokrotne powtarzanie pomiarów u tej samej osoby. Elektroencefalografia ilościowa wraz z badaniem mózgowych potencjałów wywołanych wykorzystuje dorobek w dziedzinie inżynierii układu nerwowego w zakresie automatyzacji zbierania danych, analizy sygnału w domenie czasu oraz przestrzeni. Duża dokładność

2 396 E. Zalewska, J. Miszczak, L. Kowalczyk wyznaczania wartości parametrów takich jak: amplituda, częstotliwość, faza, koherencja, synergia, moc aktywności bioelektrycznej mózgu, umożliwiają obiektywną ocenę stanów czynnościowych mózgu już w zakresie składowych ich kreatywności oraz dynamiki zmian w przebiegu spontanicznych bądź stymulowanych reakcji różniących się funkcjonalnie modułów mózgowych [1, 2, 3]. Wykorzystywany w naszych badaniach system do badań neurofizjologicznych NeuroScan 4,3. wraz z stymulatorem Stim2 został przez nasz zespół rozbudowany poprzez dołączenie własnego systemu rejestracji wideo AuViEEG i interfejsu dla stymulatorów zewnętrznych. Rejestracja wideo obrazu pacjenta podczas stymulacji daje dodatkową możliwość weryfikacji zachowania pacjenta synchronicznie ze zmianami obserwowanymi w zapisie EEG, natomiast rozbudowa systemu stymulacji pozwala na projektowanie programu stymulacji multimodalnej. To z kolei w połączeniu z zaimplementowanymi w systemie własnymi procedurami analizy sygnału EEG i potencjałów wywołanych umożliwiło podjęcie badań w celu weryfikacji postawionej hipotezy o możliwości ustalenia związku obserwowanych anomalii aktywności bioelektrycznej mózgu z zachowaniem pilotów w warunkach niedoboru czasowego i zagrożenia. W medycynie lotniczej jednym z najważniejszych zagadnień badawczych jest wykrywanie nieprawidłowości funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego u ludzi zdrowych, które nie są ujawniane w badaniach rutynowych, a także klasyfikowanie tych zmian w grupie procesów fizjologicznych lub patologicznych. W naszych badaniach nad występowaniem anormalności w zapisach EEG, w grupach osób klinicznie zdrowych, z cechami napadowości wykazano, że cechy te nie są zbieżne z gotowością do napadowych klinicznych zaburzeń świadomości. Zaistnienie tego rodzaju zmienności rozpoznaje się jako napadopodobne i ustalono, że dla potrzeb orzecznictwa lotniczo-lekarskiego te stany są weryfikowane jako rzekomonapadowe, z sugestią potrzeby stosowania opracowanej procedury badawczej w orzecznictwie lotniczo-lekarskim w procesie selekcji i prognozowania dla podwyższenia indywidualnego i społecznego bezpieczeństwa wykonywanego zawodu [4, 5]. Na rysunku 1 przedstawione są przykładowe zapisy EEG z czynnością napadową u pacjenta z padaczką i rzekomonapadową u osoby zdrowej. Zróżnicowanie zapisów z czynnością napadową u ludzi zdrowych i pacjentów z padaczką jest bardzo trudne w ocenie wzrokowej, jak również w ocenie ilościowej z zastosowaniem metod stosowanych powszechnie do analizy sygnału EEG. Trudność stanowi sformułowanie kryteriów różnicowania obejmujących wiele cech sygnału. Opracowana przez nas metoda analizy podobieństwa sygnałów MultiSimilarity umożliwia takie różnicowanie [6]. Na rysunku 2a,b pokazane są przykładowe wyniki analizy. Przedstawione powyżej zagadnienie różnicowania zapisów z czynnością rzekomonapadową jest bardzo istotnym problemem diagnostycznym w medycynie lotniczej. Opracowana przez nas metoda MultiSimilarity w znacznym stopniu

3 Wykrywanie przejściowego upośledzenia funkcji poznawczych Rys. 1. Epizod czynności EEG o charakterze napadowym w zapisie EEG; A osoby zdrowej; B pacjenta z padaczką [6] a) b) Rys. 2. Przykład wyników analizy metodą MultiSimilarity zapisów EEG z czynnością napadową u: a) pacjenta z padaczka; b) osoby zdrowej [6]

4 398 E. Zalewska, J. Miszczak, L. Kowalczyk wspomaga tę diagnostykę. W przypadku stwierdzenia zapisu o charakterystyce rzekomonapadowej, w procesie kwalifikacji do zawodu pilota, powstaje kolejne zagadnienie, a mianowicie ocena jej wpływu na procesy reaktywności ośrodkowego układu nerwowego. W pojedynczych przypadkach tego typu zauważyliśmy elementy dysfunkcji w rozpoznawaniu bodźców znaczeniowych w zakresie czasu rozpoznania i trafności oceny. Badanie tego problemu wymagało opracowania formy stymulacji dla zbadania reakcji na zmianę barwy ekranu w przypadku, gdy ekran pozostawał rozświetlony lub wygaszony przez czas dłuższy od 1,5 sekundy (standardowy czas odpowiedzi w obrazie wzrokowego potencjału wywołanego, na bodziec wzrokowy) [5]. Celem pracy była analiza odpowiedzi na wtrącone bodźce znaczeniowe podczas stymulacji serią bodźców powtarzalnych oraz ocena późnolatencyjnych potencjałów korowych. Materiał i metody Badania wykonane były w Środowiskowej Pracowni Badania Ośrodkowego Układu Nerwowego IBIB i WIML z wykorzystaniem systemu do badań neurofizjologicznych NeuroScan 4.3, który umożliwia ciągłą, wielokanałową (64 kanały) rejestrację sygnału EEG i sygnałów poligraficznych podczas stymulacji. Stymulacja realizowana była przy użyciu zintegrowanego systemu STIM 2, w którym programowane bodźce wzrokowe prezentowane były na monitorze CRT o wymiarze 17. Ekran znajdował się w odległości cm od oczu badanego, na środku ekranu umieszczony był punkt fiksacyjny. Wszystkie badania były monitorowane i rejestrowane w systemie wideo. W badaniach stosowana była stymulacja serią powtarzalnych bodźców, które stanowiła zmiana barwy ekranu z białej na czarną lub czarnej na białą. Czas wyświetlania każdego z kolorów trwał 5 sekund. Pacjent miał oczy otwarte, gdy ekran był czarny, i zamknięte w momencie zmiany koloru czarnego na biały. Pomiędzy bodźcami powtarzalnymi wtrącane były bodźce znaczeniowe, którymi były różne obrazy samolotów na czarnym tle i bodźce rozpraszające, np. spirala. Bodźce znaczeniowe prezentowane były po czasie dłuższym niż 1,5 sekundy po zmianie barwy ekranu na czarną, ze względu na konieczność adaptacji pacjenta do ciemności. Badania wykonywane były w pomieszczeniu zaciemnionym i wyciszonym. Schemat stymulacji pokazany jest na rysunku 3. W tabeli 1 przedstawiono program stymulacji serią bodźców powtarzalnych z bodźcami znaczeniowymi i bodźcem rozpraszającym. Podczas stymulacji rejestrowany był w sposób ciągły zapis EEG z elektrod. Częstotliwość próbkowania wynosiła 1000 Hz, filtr 200 Hz, filtr wycinający 50 Hz. Równocześnie z zapisem EEG rejestrowany był okulogram HEOG (rejestrujący

5 Wykrywanie przejściowego upośledzenia funkcji poznawczych zamkniêcie oczu otwarcie oczu 5sek 5sek bodziec znaczeniowy bodziec rozpraszaj¹cy Rys. 3. Schemat stymulacji. Barwa ekranu zmieniała się naprzemiennie z białej na czarną, co 5 sekund. W określonym czasie po zmianie na kolor czarny (t1 lub t2) prezentowany był bodziec znaczeniowy lub rozpraszający Program stymulacji Tabela 1 Rodzaj bodźca Liczba bodźców Czas trwania Powtarzalność Zmiana barwy ekranu: czarny na biały Zmiana barwy ekranu: biały na czarny ms co 10 sek ms co 10 sek Bodziec znaczeniowy ms pojedynczy Bodziec rozpraszający ms pojedynczy ruch gałek ocznych w linii poziomej) i VEOG (rejestrujący ruch gałek ocznych w linii pionowej). Rejestracja okulogramu umożliwiła kontrolę ruchu gałek ocznych związanych z otwieraniem i zamykaniem oczu, a także z poziomem stanu uwagi i podczas spostrzegania, rysunek 4. Na zapisie sygnałów, pokazanym na rysunku 4, zaznaczane były markery bodźców i zdarzeń. Po każdym bodźcu wtrąconym, zadaniem badanego było naciśnięcie odpowiedniego przycisku, co stanowiło potwierdzenie wystąpienia i rozpoznania bodźca znaczeniowego. Na rysunku 4 przedstawiony jest fragment zapisu EEG, łącznie z zapisem okulograficznym i z zaznaczonymi markerami. Oceniane były późnolatencyjne potencjały wywołane związane z rozpoznaniem bodźca, poprawność odpowiedzi, ustalanie automatyzmów w procesie rozpoznania oraz czas reakcji prostej i odroczonej u 12 zdrowych, w wieku lat, kandydatów na stanowiska nawigatorów naprowadzania samolotów. W tabeli 2 podane są informacje dotyczące badanej grupy.

6 400 E. Zalewska, J. Miszczak, L. Kowalczyk Rys. 4. Zapis EEG podczas stymulacji z zaznaczonymi markerami bodźców 29, 30 oznaczają zmianę barwy ekranu czarna-biała i biała-czarna, 4 oznacza bodziec znaczeniowy, a 8 jest markerem odpowiedzi Badana grupa Tabela 2 Liczba badań Płeć Ocena zapisu EEG 12 M Prawidłowy, wg standardu IFCN 2 M Nieprawidłowy, z cechami rzekomonapadowymi Wyniki W tabeli 3 przedstawione są wyniki poprawności odpowiedzi na poszczególne bodźce znaczeniowe. Brak odpowiedzi oceniany był w odniesieniu do wszystkich bodźców, natomiast poprawność określa liczbę poprawnych odpowiedzi w odniesieniu do wszystkich odpowiedzi. Na rysunku 5 pokazane są wyniki pomiaru czasu odpowiedzi w badanej grupie na bodźce znaczeniowe. Na wykresie zaznaczone są wartości mediany oraz pierwszy i trzeci kwartyl rozkładów czasów reakcji na kolejne bodźce znaczeniowe. Taki sposób oceny rozrzutu danych wokół mediany został wybrany ze względu na małą liczebność próby i niesymetryczność rozkładu. Czasy niektórych odpowiedzi w badaniach pacjenta z zapisem nieprawidłowym są poza zakresem wyznaczonym przez pierwszy i trzeci kwartyl.

7 Wykrywanie przejściowego upośledzenia funkcji poznawczych Odpowiedzi na bodźce znaczeniowe Tabela 3 Nr bodźca znaczeniowego Poprawność Brak odpowiedzi 1 100% 5,5% 2 67% 5,5% 3 42% 5,5% 4 91% 16% 5 67% 5,5% 6 62% 5,5% Bodziec rozpraszający 84% 5,5% Czas reakcji [ms] grupa kontrolna badanie 1 badanie BodŸce Rys. 5. Wyniki pomiaru czasu odpowiedzi w badanej grupie (grupa kontrolna) na bodźce znaczeniowe. Na rysunku pokazane są wartości mediany oraz zaznaczony pierwszy i trzeci kwartyl rozkładów czasów reakcji na kolejne bodźce znaczeniowe. Czasy odpowiedzi w badaniach pacjenta z zapisem nieprawidłowym (badanie 1 i badanie 2) są poza zakresem wyznaczonym przez pierwszy i trzeci kwartyl Na rysunku 6 pokazane są potencjały wywołane z odprowadzeń czołowych F7 i F8, potylicznych O1 i O2 oraz Cz w linii środkowej zarejestrowane u pacjenta z zapisem nieprawidłowym. Zaznaczony jest komponent średniolatencyjny o czasie 100 ms i późnolatencyjny 300 ms.

8 402 E. Zalewska, J. Miszczak, L. Kowalczyk F7 F8 Cz ,20 0,05 0,30 0,55 0,80 1,05 1,30 1,55 1,80 Rys. 6. Potencjały wywołane zarejestrowane w badaniu pacjenta z zapisem nieprawidłowym. Kursory wskazują komponentę o czasie latencji 100 ms i 300 ms Dyskusja Przedmiotem rozważań i analizy uzyskanych wyników było: ustalenie związku czasu percepcji obrazu z ilością pobranej informacji na podstawie kompleksowej oceny uwzględniającej okulogramy HEOG-VEOG, zapis audio-wideometryczny oraz mózgowe potencjały korowe. Ocenie podlegały późnolatencyjne potencjały wywołane związane z rozpoznaniem bodźca, poprawność odpowiedzi w ustaleniu automatyzmów w procesie rozpoznania i rozumienia obrazu w czasie i przestrzeni oraz czas reakcji prostej i odroczonej. W opracowanym modelu stymulacji oceniano również wpływ osobniczych nawyków okulomotorycznych na czas pozycjonowania i fiksacji celu, rozpoznanie regionów odpowiedzi podczas stymulacji określające ilość informacji o bodźcu wzrokowym w przestrzeni mózgowej. Powyższe problemy wiążą się z fizjologią systemu wizyjno-okoruchowego oraz zależności ilościowej pobranej informacji (w tym dylatacji źrenicy) z percepcją obejmującą: czas patrzenia i koniec obserwacji, czas spostrzegania, czas reakcji. Zdolność widzenia była zależna od prędkości ustalenia obrazu (pozycjonowanie celu, skupienie), uwzględniając, że ms to czas zapamiętania obrazu na siatkówce, co związane jest z procesami biochemicznymi, a następnie w czasie ms po transformacji obraz przesyłany jest nerwami wzrokowymi do kory swoistej. Czas przepływu informacji wizyjnej to ms. Wpływ na uzyskane wyniki mają: treść semantyczna obrazu, intensywność wzorca, kształt oraz relacje przestrzenne między poszczególnymi regionami (topologia percepcji) [4, 7-11]. Przedstawiony model badania stosowanego u klinicznie zdrowych członków personelu lotniczego miał na celu wykrycie przedklinicznych anomalii aktywności bioelektrycznej mózgu w obrazach EEG i mózgowych potencjałów wywołanych

9 Wykrywanie przejściowego upośledzenia funkcji poznawczych stanowiących zagrożenie bezpieczeństwa lotów lub przesłankę do wypadków lotniczych. Jest to aktualnie priorytetowy problem w medycynie lotniczej związany z koniecznością opracowań obiektywnych metod wykrywania nieprawidłowości pracy mózgu, umożliwiających właściwy dobór oraz selekcję personelu lotniczego. Zastosowane procedury stymulacji i programy analizy umożliwiły parametryzację powyższych dysfunkcji. Wyniki sugerują, że zastosowanie tej metody do rutynowych badań selekcyjno-orzeczniczych nawigatorów naprowadzania samolotów i członków personelu latającego może być celowe dla podwyższenia progu bezpieczeństwa lotów. Odpowiedzi ERP niemieszczące się w standardowym zakresie, powiązane z charakterystyką zapisu okulograficznego, mogą wskazywać na możliwości zaburzeń percepcji i rozpoznania sygnalizowanego w literaturze światowej jako przejściowy zespół upośledzenia funkcji poznawczych. Uzyskane wyniki argumentują celowość stosowania opracowanej procedury badawczej w orzecznictwie lotniczo-lekarskim w procesie selekcji i prognozowania dla podwyższenia indywidualnego i społecznego bezpieczeństwa wykonywanego zawodu. Praca naukowa finansowana częściowo ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy MNiSW 3T11E Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w maju 2008 r. LITERATURA [1] K. Chiappa, Evoked potentials in clinical medicine, Raven Publ. Philadelphia, New York, [2] J. M. Van Boxtel Geert, Computational and statistical methods for analyzing event-related potential data, Behavior Research Methods, Instruments & Computers, 30, nr, 1998, [3] H. Beydagi, C. Ozesmi, A. Yilmaz, C. Suer, The relation between event related potential and working memory in health, Subjects. Int. J., Neurosci., 105, nr 1, 2000, [4] S. De, J. Miszczak, Badania nad wpływem komponenty semantycznej i energetycznej bodźca wzrokowego na aktywność bioelektryczną mózgu, Polski Przegląd Medycyny Lotniczej, 12, nr 1, 2006, [5] S. Dec, L. Kowalczyk, J. Miszczak, E. Zalewska, Modyfikacja procedury stymulacji mózgowych potencjałów zdarzeniowych w badaniach personelu lotniczego, Polski Przegląd Medycyny Lotniczej, 3, nr 2, 2007, [6] L. Kowalczyk, Badanie dynamiki aktywności bioelektrycznej mózgu w warunkach stymulacji z zastosowaniem metod oceny podobieństwa sygnałów, praca doktorska IBIB PAN, [7] E. Zalewska, J. Miszczak, Separation of bioelectrical brain activity into dependent and independent of stimulus, Polish J. Med. Phys. Eng., 2, nr 6, 1996, [8] J. V. Odom, M. Bach, B. Colin, M. Brigell, Visual evoked potentials standard, Documents Ophthalmologica, 108, 2004,

10 404 E. Zalewska, J. Miszczak, L. Kowalczyk [9] S. Tobimatsu, Neuropsychosiologic tools to explore visual cognition, Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol., S54, 2002a, [10] S. Tobimatsu, Studies of human visual patophysiology with evoked potentials, Clinical Neurophysiology, 117, 2006, [11] K. Arakowa, S. Tobimatsu, S. Kurita-Tahima, M. Nakayama, J. Kira, M. Kato, Effects of stimulus orientation on spaqtial frequency function of the visual evoked potential, Exp. Brain Res., 131, 2000, E. ZALEWSKA, J. MISZCZAK, L. KOWALCZYK Methods for evaluation of transient cognitive impairment in healthy subjects Abstract. An important problem in aviation medicine is detection of abnormalities in functioning of a cen-tral nervous system in healthy subject which are not detected in routine screening. To make EEG signal analysis more objective we devised new procedures of stimulation and signal analysis. The results suggest that the proposed procedure should be used in candidates selection and routine examination of air crew. Keywords: electroencephalography, cortical evoked potentials, transient cognitive impairment, aviation medicine, biomedical signals analysis Universal Decimal Classification: