Biophysics 生物物理学, 2013, 1, 25-31 http://dx.doi.org/10.12677/biphy.2013.12004 Published Online August 2012 (http://www.hanspub.org/journal/biphy.html) The Research on Pain Mechanism Based on the Spectrum Analysis of EEG* Jijun Tong1, Yanqin Kang1, Guanglei Zhang1, Jin Liu1, Qiang Cai2 1College of Information, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 2Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University, Jiaxing Email: Jijuntong@zstu.edu.cn Received: Mar. 20th, 2013; revised: Jul. 20th, 2013; accepted: Aug. 1st, 2013 Copyright © 2013 Jijun Tong et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Pain is one of the most important sen sations in daily life. It is necessary to get the essence and mechanism of pain in pain treatment and contro l. In this article, the pain was induced through inj ection an gelica on the left shoulder of 12 cases volunteers, and as placebo-control stimulation, the isotonic saline was injection. And through the spectrum analysis of EEG signals, the power percentiles of δ, θ, α, β were extracted during the experiment to study on the modu- lation effect of pain to brain information and central mechanism. The research demonstrated that the δ band energy ratio increased and the θ, α, β band energy ratio decreased after pain stimulation, though the activated areas were not strictly same, they mainly located on left frontal cortex, left temporal cortex, left parietal cortex, occipital cortex. It indicated that these areas were modulated significantly by pain stimulation. Keywords: EEG; Spectrum Analysis; Pain Mechanism 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究* 童基均 1,亢艳芹 1,张光磊 1,刘 进1,蔡 强2 1浙江理工大学信息学院,杭州 2浙江清华大学长三角研究院,嘉兴 Email: Jijuntong@zstu.edu.cn 收稿日期:2013 年3月20 日;修回日期:2013 年7月20 日;录用日期:2013 年8月1日 摘 要:疼痛是日常生活中最重要的感觉之一,痛觉本质的研究和机理性研究为疼痛的有效治疗和积极控制提 供必要的保证。本文通过在 12 例志愿者左肩部注射当归注射液和等渗生理盐水,建立一种有效的人体疼痛刺激 模式,并借助脑电信号频谱分析,提取了在这两种刺激前后脑电信号的四个频段(δ、θ、α、β)能量百分比特征, 研究疼痛对大脑信息的调制作用和中枢机制。研究发现,在疼痛刺激过程中,脑电 δ波呈上升趋势,而 θ、α、 β波呈下降趋势,疼痛对这四个频段的调制区域略有不同,但主要都集中在左额区,左颞区,左中央区,左顶 区以及左右枕区,表明这些区域受痛信息调制最显著。 关键词:脑电;频谱分析;疼痛机理 1. 引言 疼痛是日常生活中最重要的感觉之一,疼痛是伴 随着现有的或潜在的组织损伤的一种令人不愉快的 感觉和情绪上的感受。痛觉本质的研究和机理性研究 为疼痛的有效治疗和积极控制提供必要的保证。自从 1974 年国际疼痛研究学会成立以来,痛觉的研究稳步 *资助信息:国家自然科学基金(No.31200746),浙江省自然科学基 金(No.Y2100702)。 Copyright © 2013 Hanspub 25 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究 发展。 A.C.N. Chen对该领域的研究成果进行了综述 [1-3],同时该领域的研究成果也不断增长[4-9]。在用传 统的 EEG 方法研究临床疼痛病人的过程中,目前还 没有得到特定的 EEG 信号可以作为痛觉的客观衡量 标准,但是 EEG 在疼痛领域的研究也取得了一定的 成果。J. Mo为偏头痛患者制定了一个持久的悸动感 的模型并研究了脑电与与悸动质量的相互关系[10]。 S.Y. Shao等研究了急性疼痛对脑电信号高频段与低 频段的影响,以及痛觉在脑区的分布[11]。R.Y. Nir等 研究了静息状态与疼痛刺激状态下 α1的变化,α1有 望作为一个直接有效的疼痛评价指标[12]。在偏头痛病 人中,疼痛区域的变化通常可以通过 EEG中α1波的 增加反应出来[13]。在慢性疼痛病人中,具有更高和更 广的 EEG 混沌复杂性[14]。肌肉或骨骼疼痛的病人在 睡眠期间,可以观测到EEG 的异常,并且健康的人 群中,给予疼痛刺激后,也可以观测到相应的 EEG 变化[15]。通过皮肤进行痛刺激,可以观测到 EEG 信 号中 α1波的变化[16]。α1波和经皮痛刺激强度具有负 相关性,而 β2波则具有正相关性[17]。慢性骨关节炎 的老年患者在镇痛药物曲蚂多作用后,δ波从 50%下 降到 35%,α波从 12%增加到25%,β波从23%增加 到37%[18],肌肉疼痛引起 T6、PC2、PC6、Pz、P4、 O2 和POz 位置的 α波显著下降,但是听觉诱发刺激 并没有这样的作用,这也表明EEG 和疼痛具有一定 的关联性[19]。 本文重点研究疼痛刺激后脑电信号如何产生特 征性变化,分析在特定疼痛诱发刺激模型下,疼痛对 大脑信息的调制作用和中枢机制。 2. 实验设计 2.1. 实验对象 本实验经浙江中医药大学伦理委员会批准,遵循 世界医学大会赫尔辛基宣言,12 名志愿者参加了本次 实验。所有受试者年龄为 25 ± 5(X ± S)岁,均为右利 手,受教育程度都为大学本科及以上。所有被试者都 无精神神经系统疾病史,实验前一星期内无服用镇痛 药物史。所有受试者在实验前被告知实验内容,签署 了知情同意书,并被告知有权在实验过程中退出。 2.2. 实验分组 实验按照双盲随机的原则,所有受试者分别接受 注射当归注射液与等渗生理盐水,注射深度约为 3 cm。每位志愿者的刺激顺序随机安排。为了尽量避免 两组实验之间的相互影响,两组实验间隔时间在 1周 以上,确保致痛效果完全消失,且如果受试者在过程 中有其他疾病或不良感受产生,则实验数据做无效处 理。 整个实验过程由同一医生负责操作。在注射刺激 后3分钟开始,每隔 5分钟进行一次视觉模拟评分 (VAS)评分,一共持续到18 分钟。实验过程如图 1所 示,四个 VAS 评分点分别记为 a,b,c,d。全程记 录实验过程中的脑电信号。 3. 数据分析 3.1. VAS评分分析 两个实验组均进行了模拟痛觉评分(VAS),表 1 是每个实验组的评分结果。 对两组实验进行单因子方差分析(One Way ANOVA),“▲”代表两组实验在同一时间点具有显著 性差异(P < 0.05),“*”代表刺激后第三分钟与第 18 分钟间(a vs d)具有显著差异(P < 0.05)。 3.2. EEG频谱分析 对记录的脑电进行分段,每段 2秒。选取安静时 Figure 1. The process of stimulation 图1. 刺激实验过程图 Table 1. VAS score comparison of the two test group 表1. 两个受试组的 VAS 评分比较 VAS 评分( X S) 组别 a b c d 当归注射组 7.09 ± 1.486.23 ± 1.32 5.03 ± 1.02 2.79 ± 0.62* 等渗生理盐 水注射组 2.09 ± 1.08 ▲ 1.89 ± 0.89 ▲ 1.56 ± 0.77 ▲ 0.98 ± 0.48 ▲* “▲”与当归注射组比较,P < 0.05;“*”表示 a vs d,P < 0.05。 Copyright © 2013 Hanspub 26 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究 Copyright © 2013 Hanspub 27 的脑电一段 2 s(178~180 s),选取致痛后 15分钟脑电 数据中三段(180~182 s,630~632 s,1078~1080 s),分 别记为安静时,刺激后Ⅰ,刺激后Ⅱ,刺激后Ⅲ。 层。进一步比较注射当归与注射等渗生理盐水两个实 验组在阶段Ⅱ的区别,并进行单因子方差分析(One way ANOVA),结果发现在 F3、C3、P3、O1、F7、 T3、T5、O2 处具有显著性差异(P < 0.05),这些区域 在头皮电极分布如图 4所示。 根据 Burg 算法首先对每个受试者的选取的脑电信号 进行功率谱估计,然后分别计算各个通道 4个频段(δ = 0.5~3.5 Hz、θ = 4~7.5 Hz、α = 8~13 Hz、β = 14~30 Hz) 的能量所占比例,观测和分析在刺激前后各个电极通 道、各个频段能量的变化规律。最后对所有 12名志 愿者的结果进行平均,并进行统计检验。 3.2.2. θ波变化分析 图5、6是各个通道在注射当归注射液后和注射 生理盐水后 θ波变化图。 分析 θ波在两组实验中的变化趋势,我们可以注 意到在受到刺激后 θ波呈下降趋势。在当归注射实验 组中,θ波下降趋势更为明显,在阶段Ⅰθ波出现一 定程度的,到阶段Ⅱ后,θ波下降最多,在阶段Ⅲ呈 恢复趋势,接近安静状态。而在注射等渗生理盐水实 验组中,在阶段Ⅰ、阶段Ⅱθ波均有一定程度下降, 但幅度不大,到达阶段Ⅲ基本恢复到安静状态水平。 进一步比较两组实验阶段Ⅱ的θ波,并进行单因子方 差分析,结果发现在 F3、C3、F7、T3、T5、O2处具 有显著性差异(P < 0.05),这些区域在头皮电极分布如 图7所示。 3.2.1. δ波变化分析 图2、3是各个通道在注射当归注射液后和注射 生理盐水后 δ波变化。 分析 δ波在两组实验中的变化趋势,我们可以得 出结论,在当归注射实验组中,δ波显著上升,并且 持续时间更久,并且在阶段Ⅱ达到最高状态,在阶段 Ⅲ才开始下降,基本恢复到安静状态的水平。而在注 射等渗生理盐水实验组中,不仅在阶段Ⅰ上升幅度明 显小于当归注射实验组,而从阶段Ⅱ开始 δ波就开始 下降,到达阶段Ⅲ基本恢复到安静状态水平。 从δ波的响应区域来看,几乎涉及到整个大脑皮 注射当归后 Delta 变化图 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Fp1F3C3P3Fp2F4C4P4O1F7T3T5O2F8T4T6 安静时 刺激Ⅰ 刺激Ⅱ 刺激Ⅲ Figure 2. δ wave changes after injecting angelica 图2. 注射当归后δ波变化图 注射等渗生理盐水后 Delta 变化图 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Fp1F3C3 P3Fp2F4 C4 P4O1 F7 T3T5 O2 F8T4 T6 安静时 刺激后Ⅰ 刺激后Ⅱ 刺激后Ⅲ Figure 3. δ wave changes after injecting saline 图3. 注射等渗生理盐水后 δ波变化图 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究 Figure 4. “●” indicates the region modulated by δ wave 图4. 痛觉信息δ波主要调制区域,以“●”表示 注射当归后 Thelta 变化图 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Fp1F3C3 P3Fp2F4C4 P4 O1 F7T3 T5 O2 F8T4 T6 安静时 刺激Ⅰ 刺激Ⅱ 刺激Ⅲ Figure 5 . θ wave changes after injecting angelica 图5 . 注射当归后θ波变化图 注射等渗生理盐水后 Thelta 变化图 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Fp1F3C3 P3Fp2F4C4P4 O1F7 T3T5 O2 F8T4T6 安静时 刺激后Ⅰ 刺激后Ⅱ 刺激后Ⅲ Figure 6. θ wave changes after injecting saline 图6. 注射等渗生理盐水后 θ 波变化图 Figure 7. “●” indicates the region modulated by θ wave 图7. 痛觉信息 θ 波主要调制区域,以“●”表示 Copyright © 2013 Hanspub 28 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究 3.2.3. α波变化分析 图8、9是各个通道在注射当归注射液后和注射 生理盐水后 α波变化图。 分析 α波在两组实验中的变化趋势,我们可以注 意到在受到刺激后 α波呈下降趋势。在当归注射实验 组中,α波下降趋势非常明显,在阶段 I、阶段 II,α 波不断下降,在阶段Ⅲ呈恢复趋势,接近安静状态。 而在注射等渗生理盐水实验组中,在阶段 Iα波在局部 有一定程度下降,但幅度不大,而在阶段 II,阶段IIIα 波没有下降,接近安静状态水平,局部甚至更高。 从α波的响应区域来看,α波受调制的脑区范围 较广,进一步比较两组实验阶段Ⅱ的 α波,并进行单 因子方差分析,结果发现在 F3、C3、P3、O1、T3、 T5、O2 处具有显著性差异(P < 0.05),这些区域在头 皮电极分布如图 10 所示。 3.2.4. β波变化分析 图11、12 是各个通道在注射当归注射液后和注射生 理盐水后 β波变化图。 分析 β波在两组实验中的变化趋势,我们可以注 注射当归后 Alpha 变化图 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Fp1F3C3 P3Fp2F4C4 P4 O1 F7T3 T5O2 F8T4 T6 安静时 刺激Ⅰ 刺激Ⅱ 刺激Ⅲ Figure 8. α wave changes after injecting angelica 图8. 注射当归后α波变化图 注射等渗生理盐水后 Alpha 变化图 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Fp1F3 C3P3Fp2F4 C4 P4O1 F7 T3T5O2F8 T4 T6 安静时 刺激后Ⅰ 刺激后Ⅱ 刺激后Ⅲ Figure 9. αwave changes after injecting saline 图9. 注射等渗生理盐水后 α波变化图 Figure 10. “●” indicates the region modulated by α wave 图10. 痛觉信息α波主要调制区域,以“●”表示 Copyright © 2013 Hanspub 29 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究 注射当归后 Belta 变化图 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Fp1F3 C3P3Fp2F4 C4 P4 O1 F7T3 T5 O2F8 T4 T6 安静时 刺激Ⅰ 刺激Ⅱ 刺激Ⅲ Figure 11. β wave changes after injecting angelica 图11. 注射当归后β波变化图 注射等渗生理盐水后 Belta 变化图 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Fp1F3 C3P3Fp2F4 C4 P4 O1 F7 T3 T5 O2F8 T4 T6 安静时 刺激后Ⅰ 刺激后Ⅱ 刺激后Ⅲ Figure 12. β wave changes after injecting saline 图12. 注射等渗生理盐水后 β波变化图 意到在当归注射实验组中,β波下降趋势非常明显, 在阶段 I、阶段 II,β波呈加速下降趋势,在阶段III 逐渐恢复到安静状态。而在注射等渗生理盐水实验组 中,在阶段 β波有一定程度下降,但幅度不大,在阶 段II、阶段Ⅲ基本恢复到安静状态水平。 进一步比较两组实验阶段 II 的β波,并进行单因 子方差分析,结果发现在 F3,C3,P3,C4,P4,T3, O2 处具有显著性差异(P < 0.05),这些区域在头皮电 极分布如图 13 所示。 4. 讨论与结论 VAS 评分结果表明,在注射结束后 3分钟,注射 大剂量的当归引起的疼痛还非常剧烈,而注射等渗生 理盐水所引起的疼痛已经比较轻微。并且从表中可以 看出当归注射组在评分点 b和c处仍然比较高,说明 当归注射引起疼痛持续时间比较久。 因此从注射结束 3分钟后开始,由于注射当归引 起的疼痛仍然存在,而注射等渗生理盐水的疼痛已经 比较轻微,本实验设计符合疼痛刺激与非疼痛刺激进 行对照的要求。 在疼痛刺激研究过程种,疼痛持续时间较长,脑 Figure 13. “●” indicates the region modulated by β wave 图13. 痛觉信息 β 波主要调制区域,以“●”表示 电信号会随着疼痛信息而产生一定的波动和变化,因 此脑电特征分析与提取过程中,脑电信号的分段与采 样就显非常重要。本实验中选取脑电信号的长度为 2 s,共 1024 个采样点,基本满足脑电平稳分段的要求, 也满足 Burg 算法短时间序列的要求,选取的时间点 靠近实验各个分段点,使选取的脑电信号具有较好的 代表性。 对疼痛刺激的预期会极大的影响实验的可靠性, 一些脑区如前额皮层,前岛,小脑后部不仅能够被疼 Copyright © 2013 Hanspub 30 基于脑电信号频谱分析的疼痛机理研究 痛刺激激活,也能被对疼痛的这种预期激活,因此设 计对照实验,消除这种预期就非常必要。 本文提取了脑电信号各个频段(δ,θ,α,β)能量 所占比例在两组实验中的变化情况,通过对各个实验 组的四个频段能量的分析,我们可以得出结论,δ在 受到疼痛刺激时升高,而 θ、α、β波则下降,并且四 个频段的变化受到疼痛强度的影响。由于当归注射引 起剧烈的疼痛,并且疼痛的持续时间更久,反应在脑 电四个频段上的变化就是阶段Ⅰ,阶段Ⅱδ波的升高 以及 θ、α、β的下降而在阶段Ⅲ出现恢复状态。而在 阶段Ⅱ出现极值,可能是由于持续疼痛所引发的焦 虑、不适而引起的,这也反应了人脑对痛觉信息处理 的复杂性。 α波的下降一般认为是由于丘脑皮层的兴奋引起 的,这在其它的研究中也得到了同样的结果[17]。而对 于β波变化,目前还存在争论,一种认为是疼痛刺激 直接对大脑皮层的调制作用,另外一种是认为受脑电 记录点相应肌肉活动的影响。但是我们注意如果是脑 电记录点肌肉收缩而导致对脑电信号的影响,β波应 该是增加的。而本实验中 β波出现下降,我们认为应 该是由于疼痛刺激对大脑皮层调制的结果。因此痛觉 信息对脑电信号的频率调制作用非常明显,疼痛强度 对频率调制幅度有很大的影响。另外痛觉对脑电的调 制作用具有明显的区域分布特性,也就是说疼痛有一 定的脑部反射区域,这些区域对应的16 通道的脑部 电极位置为 F3、C3、P3、O1、F7、C4、P4、T3、T5、 O2,并且对不同频段的脑电所受调制的区域不尽相 同,这既说明痛觉具有一定的响应区域,也反应了痛 觉信息调制的复杂性。 参考文献 (References) [1] A. 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