07.噪聲/數據質(zhì)量

0701.房間隔離與噪聲測量

由于微電極具有高阻抗，它們比宏觀(guān)電極對偽影更為敏感。最普遍存在的噪聲來(lái)自電記錄環(huán)境，尤其是在50/60赫茲頻率下。如果電環(huán)境噪聲過(guò)大，信噪比（SNR）可能會(huì )不足，進(jìn)而會(huì )妨礙動(dòng)作電位的檢測。降低數據中噪聲的最有效方法首先是預防或減少噪聲，例如通過(guò)改變記錄室的電氣設置。用于顱內檢查的醫院房間是一棟建于20世紀60年代的建筑的一部分。進(jìn)行了EMC-ZM（電磁兼容性-零方法）測量，結果發(fā)現腦電圖記錄室充滿(mǎn)了來(lái)自配電系統的噪聲源。因此，在2014年進(jìn)行了一項名為“低噪聲”的特定電氣安裝，以接近0伏特峰值（Vp）和0安培峰值（Ap），即無(wú)電噪聲（圖5）。這項安裝包括以下內容：

-創(chuàng )建一個(gè)由0.3毫米厚的銅板制成的隔離參考地平面，覆蓋房間的地板，并且其本身由抗靜電涂層保護；

-建筑物的電力在進(jìn)入房間之前，通過(guò)一個(gè)低電容耦合變壓器進(jìn)行隔離，該變壓器的輸出為兩相、均方根值230伏特的電壓，其中點(diǎn)連接到參考平面；

-隨后，流向房間插座的所有電流分配都由低高頻損耗電容器進(jìn)行濾波，直到房間的插座，以獲得低噪聲。兩相且經(jīng)過(guò)濾波的電源消除了主電線(xiàn)的電輻射；

-房間的所有插座接地都短接至參考地平面。房間內的所有金屬物體（床、桌子、椅子等）盡可能連接到參考地平面。

圖5.患者房間電氣安裝的簡(jiǎn)要電路圖。SPX 101：兩相強化濾波器。SPY 300：三相4.7微法電容器組。SPY 200：兩相4.7微法電容器組。SPY 201：兩相15微法電容器組。SPZ 106：磁組，孔徑10毫米-德國的清潔能源產(chǎn)品。

在改進(jìn)前后，使用“清潔能源電表”進(jìn)行噪聲測量。這個(gè)測量工具是一個(gè)電壓表，它在通過(guò)高通濾波器消除50赫茲電源后測量峰值未反向電壓。切換到電流表時(shí)，它可用于檢查連接到隔離地平面的導體附近是否沒(méi)有電流，即使是在50赫茲頻率下。

所有工作均符合NFC 15-100和NFC 15-211標準，測量結果符合IEC 61 000-6和-16標準。

0702.信號質(zhì)量測量與統計

為了估計微電極記錄的信噪比（SNR），在每位患者的整個(gè)記錄過(guò)程中，從15個(gè)時(shí)間段中盲目選擇（不預先考慮數據質(zhì)量，而是在時(shí)間上均勻分布），對300至3000赫茲濾波后的10分鐘信號計算均方根（RMS）值。不進(jìn)行關(guān)于信號質(zhì)量的選擇，以便對連續記錄以及隨時(shí)間可能出現的質(zhì)量變化保持客觀(guān)的總體了解。

根據文獻以及我們的觀(guān)察，低噪聲水平增加了在信號中檢測動(dòng)作電位的可能性以及尖峰分類(lèi)的準確性。為了測試噪聲的降低是否與動(dòng)作電位記錄的增加相關(guān)，使用MUSE軟件（300-300赫茲）在濾波后的信號上目視檢查多單元活動(dòng)（MUA）的存在情況并進(jìn)行記錄。對每個(gè)電極束進(jìn)行以下測量：在15個(gè)時(shí)間段中至少記錄一次多單元活動(dòng)（MUA）的導線(xiàn)數量，稱(chēng)為總體多單元活動(dòng)；記錄的第一天（第0天）、1周后（第6天）和2周后（第13天）記錄多單元活動(dòng)（MUA）的導線(xiàn)數量，稱(chēng)為時(shí)間相關(guān)的多單元活動(dòng)。記錄的第一天從植入后的第二天開(kāi)始。

根據我們記錄程序的改進(jìn)步驟（新的記錄系統、房間的電屏蔽、強化電極模型），在2010年至2020年期間可以確定五個(gè)主要時(shí)間段，總結在表4中。使用廣義線(xiàn)性混合模型（GLMMs）評估不同時(shí)間段測量的均方根（RMS）值的變化和多單元活動(dòng)（MUA）的量化情況。

表4.主要記錄時(shí)間段的描述

均方根（RMS）：對于均方根值，使用具有恒等鏈接函數和正態(tài)分布的廣義線(xiàn)性混合模型（GLMM），將每位患者每根導線(xiàn)的15個(gè)分布時(shí)間段中的每個(gè)時(shí)間段的均方根值作為因變量，時(shí)間段和首次記錄日后的天數作為固定效應，患者ID以及嵌套的導線(xiàn)ID作為隨機截距效應。為了比較每個(gè)時(shí)間段中極端均方根值的比例，將極端均方根值定義為大于第三四分位數（Q3）+1.5×四分位距（IQR）的值，其中Q3和IQR是根據所有均方根值計算得出的，并且在時(shí)間段和極端均方根值的識別之間進(jìn)行成對的費舍爾精確檢驗。由于均方根值呈右偏態(tài)分布，因此對其進(jìn)行以10為底的對數變換。

多單元活動(dòng)（MUA）：對于多單元活動(dòng)，為了檢驗總體多單元活動(dòng)在不同時(shí)間段之間是否存在差異，或者是否與均方根值相關(guān)，進(jìn)行了兩個(gè)具有對數鏈接函數和泊松分布的廣義線(xiàn)性混合模型（GLMM）分析，將總體多單元活動(dòng)的量化值作為因變量，時(shí)間段或每個(gè)電極束的均方根中位數作為固定效應，患者ID作為隨機截距效應。最后，為了檢驗記錄多單元活動(dòng)的導線(xiàn)數量在不同時(shí)間段和記錄天數之間是否存在差異，進(jìn)行了一個(gè)具有對數鏈接函數和泊松分布的廣義線(xiàn)性混合模型（GLMM）分析，將時(shí)間相關(guān)的多單元活動(dòng)量化值作為因變量，時(shí)間段和記錄天數作為固定效應，患者ID作為隨機截距效應。為了檢驗根據記錄天數不同時(shí)間段之間是否存在差異，將時(shí)間段和記錄天數之間的交互作用作為固定效應添加到先前的模型中。

對于均方根值和多單元活動(dòng)，使用II型Wald卡方檢驗來(lái)檢驗主效應和交互作用，并在適當的時(shí)候進(jìn)行事后成對比較。對于均方根值和多單元活動(dòng)的事后比較，分別報告平均差估計值（MDE）±標準誤（SE）和平均比率估計值（MRE）±標準誤（SE）。對于所有分析和圖表，用作參考的微導線(xiàn)的均方根值被排除在外。

信號測量使用Matlab（MATLAB.(2019)版本9.7.0(R2019b)）計算，統計分析和圖表使用R 4.1.2（R統計計算基金會(huì )，奧地利維也納。以及用于擬合廣義線(xiàn)性混合模型的lme4包（版本1.1-27.1）、用于事后比較和模型表示的emmeans包（版本1.7.2）、用于廣義線(xiàn)性混合模型收斂的optimx包（版本2021.1.12）以及用于成對費舍爾精確檢驗的RVAideMemoire包（版本0.9.81，Hervé）完成。

08.癲癇事件的局部場(chǎng)電位-多單元活動(dòng)/單單元活動(dòng)（LFP-MUA/SUA）流程分析

為了說(shuō)明可以對癲癇事件進(jìn)行的分析類(lèi)型，本節介紹了我們實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的一個(gè)程序，用于研究發(fā)作間期癲癇棘波（IEDs）期間神經(jīng)元的放電行為，發(fā)作間期癲癇棘波是一種短暫的陣發(fā)性電圖放電，可在腦電圖上目視觀(guān)察到。首先根據微電極導線(xiàn)是否顯示出多單元活動(dòng)和發(fā)作間期癲癇棘波來(lái)選擇微電極導線(xiàn)。

根據對微電極的目視觀(guān)察手動(dòng)標注偽影和發(fā)作間期癲癇棘波。所有標注均使用MUSE軟件完成，這是一個(gè)內部開(kāi)發(fā)的軟件，可用于可視化宏觀(guān)和微電極。然后根據Spyking Circus參考文檔和參考文章中詳細概述的程序進(jìn)行尖峰分類(lèi)。簡(jiǎn)而言之，Spiking Circus使用基于密度的聚類(lèi)和模板匹配算法的組合，將檢測到的動(dòng)作電位自動(dòng)聚類(lèi)為假定的單單元。對數據進(jìn)行時(shí)間白化處理，并在高通濾波（>300赫茲）信號的6（或更高）倍中位絕對偏差（MAD）處自動(dòng)檢測動(dòng)作電位（APs）。在標注的偽影時(shí)間段內發(fā)生的動(dòng)作電位被忽略，因為將其納入會(huì )影響尖峰分類(lèi)的準確性。在記錄過(guò)程中不穩定的聚類(lèi)被排除在進(jìn)一步分析之外。根據它們的峰間間隔（ISI）、不應期違反的百分比、放電率和幅度隨時(shí)間的一致性以及波形形態(tài)，進(jìn)一步評估聚類(lèi)是反映了假定的單單元活動(dòng)（SUA）還是多單元活動(dòng)（MUA）。發(fā)作間期癲癇棘波根據它們的互相關(guān)自動(dòng)對齊。然后將平均局部場(chǎng)電位和尖峰時(shí)間鎖定到發(fā)作間期癲癇棘波，并繪制在同一時(shí)間軸上。分析流程使用自定義的MATLAB腳本實(shí)現，并使用FieldTrip，這是一個(gè)用于多通道腦電圖（MEEG）和尖峰分析的MATLAB工具箱。