DOI:

Опис-посилання

ISSN 1812-7231 Klin.inform.telemed. Volume 3, Issue 4, 2006, Pages 37-46

Автор(и)

О. Ю. Майоров ^1,2,3, В. Н. Фенченко ^1,3,4

Установа(ви)

¹Харківська медична академія післядипломної освіти МОЗ України

²Інститут охорони здоров'я дітей і підлітків АМН України, Харків

³Інститут медичної інформатики і Телемедицини, Харків

⁴Інститут низьких температур НАН України, Харків

Назва статті

Про обчислення параметрів детермінованого хаосу при дослідженні біоелектричної активності мозку (ЕЕГ)

Анотація (резюме)

Запропоновано алгоритми для обчислення уточнених параметрів детермінованого хаосу в ЕЕГ: кореляційної розмірності, розмірності вкладень, кореляційної ентропії, ентропії Колмогорова-Сіная, старшого показника Ляпунова, спектра показників Ляпунова з використанням декількох стаціонарних ділянок ЕЕГ і нової методики визначення затримки.

Ключові слова

детермінований хаос, кореляційна розмірність, розмірність вкладень, кореляційна ентропія, ентропія Колмогорова-Сіная, старший показник Ляпунова, спектр показників Ляпунова, стаціонарність ЕЕГ

Список літератури

1. Mayorov O. Yu., Multidimensional approach for evaluation of system activity of the brain by EEG. In: Health Data in the Information Society. Proceedings of MIE'2002. IOS Press. V.90. p. 61–65.

2. Jensen B. H. (1996) Nonlinear dynamics and quantitative EEC analysis. EEG clin. Neurophysiol., suppl. 45. p. 39–56.

3. Гласс Л., Мэки М. От часов к хаосу. Ритмы жизни. М., Мир, 1991.

4. Хакен Г. Принципы работы головного мозга. М., ПЕР СЭ, 2001. 351с.

5. Goldberger A. L. Is the normal heart-beat chaotic or homeostatic? News Physiol. Sci. 1991. N 6. p. 87–91.

6. Майоров О. Ю., Фрицше Л. Н., Фрицше М., Шуцкая Л. В. и др. Оценка динамических систем мозга в состоянии спокойного бодрствования и при интеллектуальной нагрузке на основе энтропии Колмогорова-Синая по ЭЭГ. Ж. Експериментальна і клінічна медицина. №3, 2006. с.143–148.

7. Майоров О. Ю., Фрицше Л. Н., Фрицше М. Оценка энтропии Колмогорова-Синая по ЭЭГ у здоровых мужчин, с различной степенью общей тревожности. Вестник Национального университета им. В. Н. Каразина, Серия "Биология". №4 2006. c.

8. Lutzenberger W., Elbert, T., Birbaumer N., Ray W. J., Schupp H. The scalp distribution of the fractal dimension of the EEG and its variation with mental tasks. Brain Topogr. 1992. N 5, p. 27 34.

9. Babloyantz A., Salazar J. M. and Nicolis C. Evidence of chaotic dynamics of brain activity during the sleep cycle. Phys. Lett., 1985, 11IA, 152–156.

10. Gallez D. and Babloyantz A. Biol Cybem 64. 1991. р. 381 –391.

11. Fell J., Roschke J., Mann J. K. and C. Schaffher, Discrimination of sleep stages: a comparison between spectral and nonlinear EEG measures, Electroenceph. Сlin. Neurophysiol., 98. 1996. р. 401–410.

12. Roschke J. and J. B. Aldenhoff. Estimation of the dimensionality of sleep-EEG data in schizophrenics. European Archives of Psychiatry & Clinical Neuroscience. 1993. V. 242. N4. p.191–196.

13. Roschke J., Fell J. and Beckmann P. The calculation of the first Lyapunov exponent in sleep EEG data. Electroenceph. Clin. Neurophysiol., 1993, 86: 348–352.

14. Roschke J., Basar E. Correlation dimensions in various parts of the cat and human brain in different states, in Basar E., Bullock T. H. eds. Brain Dynamics, Springer-Verlag, 1989. p.131–148.

15. Roschke J., Fell J. and Beckmann P., Non-linear analysis of sleep EEG data in schizophrenia: calculation of the principal Lyapunov exponent, Psychiatr. Res., 1995. 56 p. 257–269.

16. Van den Broek P. L. C., Van Egmond J., Van Luijtelaar E. L. J. M., & Dirksen R. Chaos in the EEG as a measure of sleep wake states in rats. Sleep-wake research in the Netherlands. 1996. 7. p. 33–36.

17. Liberson W. T. The electrophysiology of intellectual functions (by Giannitrapani D.). Basel, Karger. 1985. p. 153–176.

18. Crawford H. J., Clarke S. W. and Kitner-Triolo M., Self-generated happy and sad emotions in low and highly hypnotizable persons during waking and hypnosis: laterality and regional EEG activity differences. Int. J. Psychophysiol., 24. 1996. p. 239–266.

19. Mayorov O. Yu., M. Fritzche, A. Gluchov, D. W. Sleduk, S. M. Kosidubova, L. N. Timchenko. Molecular and nonlinear electroencephalographic basis underlying the interaction between dopaminergic and cannabinoid transmission — the missing link between cannabis psychosis and schizophrenia. The International Journal of Neuropsychopharmacology. 2004. vol.7. suppl. 1. Cambrige University Press. p. S121.

20. Mayorov O. Yu., M. Fritzsche, L. Fritzsche, S. Kosidubova, A. Glukchov. Asymmetric Processing of Information in Development, Evolution and Psychopathology. Special Issue on "Brain Asymmetry in Development, Evolution and Psychopathology" of the ASCR's official journal, "Cognition, Brain, Behavior". 2006. p. 311–342.

21. Mayorov O. Yu., Fritzsche M., Glukchov A. and oth. Disfunctional information processing during acute psychosis. 12th AEP Congress. Association of European Psychiatrists. Geneva. Switzerland. 2004. p.78.

22. Fritzsche M., Mayorov O. Yu., A. Glukchov, and oth. Anandamide induced modellpsychosis assessed by nonlinear EEG analysis. Journal BMC Psychiatry (e-Jornal), 2003. 14 p.

23. Lutzenberger W., Stevens A. and Bartels M., Do schizophrenics differentiate between perception and imagination? An EEG study using dimensional analysis, Neurosci. Lett., V. 199. 1995. p. 119–122.

24. Dai-Jin Kim, Jaeseung Jeong, Jeong-Ho Chae, Seongchong Park, Soo Yong Kim, Hyo Jin Go, In-Ho Paik, Kwang-Soo Kim, Bomoon Choi. An estimation of the first positive Lyapunov exponent of the EEG in patients with schizophrenia. Psychiatry Research: Neuroimaging Section v. 98. 2000. p.177–189.

25. Elbert T., Ray W. J. Kowalik Z. J., Skinner J. E., Graf K. E. and Birbaumer N. Chaos and physiology: deterministic chaos in excitable cell assemblies, Phys. Rev., 1994. V.74. N.1. p. 1–47.

26. Theiler J., On the evidence for low-dimensional chaos in an epileptic electroencephalogram. Phys. Lett. A 196. 1995. p. 335.

27. Andrzejak R., Widman G., Lehnertz K., David P., Elger C. E. Fraction of nonlinear determinism in intracranial EEG recordings allows focus lateralization in mesial. temporal lobe epilepsy. Epilepsia, 1998. V.39 Suppl 6, p.206.

28. Babloyantz A. & Destexhe A. Low-dimaensional chaos in an instance of epilepsy, Proc. Nat. Acad. Sci. 1986. 83. p. 3513–3517.

29. Casdagli M. C., Iasemidis L. D., R. S. Savit, R. L. Gilmore, S. Roper, and J. C. Sackellares, Non-linearity in invasive EEG recordings from patients with temporal lobe epilepsy. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1997. N102. p. 98–105.

30. Le Van Quyen M., J. Martinerie, C. Adam, and F. J. Varela. Nonlinear analyses of interictal EEG map the brain interdependences in human focal epilepsy. Physica D. 1999. p.127:250.

31. Lehnertz K. and C. E. Elger. Neuronal complexity loss in temporal lobe epilepsy: effects of carbamazepine on the dynamics of the epileptogenic focus. Electroencephalography. Clinical Neurophysiology. 1997. V.103 p. 376.

32. Lehnertz K. Non-linear time series analysis of intracranial EEG recordings in patients with epilepsy — an overview. International Journal of Psychophysiology. 1999. V. 34. p. 45–52.

33. Quian Quiroga R., J. Arnhold, K. Lehnertz, and P. Grassberger. Kulback-Leibler and Renormalized Entropy: Applications to EEGs of Epilepsy Patients. Physics. 1999. V2. p.1–15.

34. Weber B., Lehnertz K., Elger C. E., Wieser H. G. Neuronal complexity loss in interictal EEG recorded with foramen ovale electrodes predicts side of primary epileptogenic area in temporal lobe epilepsy: A replication study. Epilepsia. 1998. V.39. p. 922–927.

35. Widman G., Lehnertz K., Elger C. E. CPLXMON, a system for realltime, online monitoring of neuronal complexity loss in the ECOG of patients with temporal lobe epilepsy. Epilepsia. 1995. v. 36. suppl. 4. p. 5.

36. Beldhuis H. J., Suzuki T., Pijn J. P., Teisman A., Lopes da Silva F. H., Bohus B. Propagation of epileptiform activity during development of amygdala kindling in rats: linear and non-linear association between ipsi-and contralateral sites. Eur. J. Neurosci., 1993. vol. 5. p. 944–954.

37. Iasemidis L. D., Principe J. C., Czaplewski J. M., Gilmore R. L., Roper S. N., Sackellares J. C. Spatiootemporal transition to epileptic seizures: Nonlinear dynamical analysis of scalp and intracranial EEG recordings. In: Lopes da Silva, F. H., Principe, J. C., Almeida, L. B. Eds., Spatiotemporal Models in Biological and Artificial Systems. IOS Press. 1997. Amsterdam. p. 81–88.

38. Lopes da Silva, F. H., Pijn J. P., Wadman W. J. Dynamics of local neuronal networks: control parameter and state bifurcations in epileptogenesis. Prog. Brain Res. 1994. V.102. p. 359–370.

39. Pijn J. P., Velis D. N., van der Heyden M. J., DeGoede J., van Veelen C. W., Lopes da Silva F. H. Nonlinear dynamics of epileptic seizures on basis of intracranial EEG record– 270.

40. Stam C. J., van Woerkom T. C., Pritchard W. S. Use of non-linear EEG measures to characterise EEG changes during mental activity. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1996. V.99. p.214–224.

41. Pritchard W. S., Duke D. W., Coburn K. L., & Robinson J. H. Nonlinear dynamical electroencephalographic analysis applied to nicotine psychopharmacology and Alzheimer's disease. In P. M. Lippiello, A. C. Collins, J. A. Gray, & J. H. Robinson (Eds.), The biology of nicotine: Current research issues. 1992. New York, Raven Press. p. 195–214.

42. Pritchard W. S., Duke D. W., Coburn K. L., Moore N. C. and Tucker K. A. Altered EEG dynamical responsivity associated with Alzheimer's disease: replication and extension. In: B. H. Jannsen and M. E. Brandt (Eds), Nonlinear Dynamical Analysis of the EEC. World Scientific, Singapore. 1993. p. 165–168.

43. Jaeseung J., Jeong-Ho C., Kim S. Y. and Seol-Heui H. Nonlinear dynamical analysis of the EEG in patients with Alzheimer's disease and vascular dementia. Clin. Neurophysiol. 2001. V.18. N1. p. 58–67.

44. Stam C. J., Jelles B., Achtereekte H. A. M., Rombouts S. A. R. B., Slaets J. P. J., Keunen R. W. M. Investigation of EEG nonlinearity in dementia and Parkinson's disease. EEG Clin. Neurophysiol. 1995. N95. p. 309–317.

45. Майоров О. Ю., Вязовская О. В. Влияние острого и эмоционального хронического стресса на уровень энтропии Колмогорова–Синая ЭЭГ крыс условиях иммобилизации. Ж. Експериментальна і клінічна медицина. №4, 2006. с. 32–37.

46. Малинецкий Г. Г., А. Б. Потапов. Современные проблемы нелинейной динамики. М., 2002.

47. Takens F. Detecting strange attractors in turbulence. In: Rand DA and Young LS, eds. Dynamic Systems and Turbulence. Lecture Notes in Mathematics. 1981. 898. p. 366–381. Heidelberg, Springer-Verlag.

48. Grassberger P., Procaccia I. Measuring the strangeness of strange attractors. Physica D 9, 1983. p. 189–208.

49. Grassberger P. and Procaccia I. Characterization of strange attractors Phys. Rev. Lett. 1983. V.50. p. 346–349.

50. Kantz H., J. Kurths, G. Mayer-Kress. eds. Chaotic measures and reallworld systems. Nonlinear Analysis of Physiological Data, Springer. 1998. p. 49–66. (ISBN 3-540-63481-9).

51. Kantz H. and T. Schrieber. Nonlinear Time Series Analysis. New York. Cambridge University Press. 2000. 304 p.

52. Theiler J., Estimating fractal dimension. J. Opt. Soc. Amer. A 7. 1990. p. 1055.

53. Малинецкий Г. Г., А. Б. Потапов. О вычислении размерности странных аттракторов. Журнал выч. мат. и мат. физ. т.28. N7. 1988.

54. Майоров О. Ю. Новые подходы к оценке функциональной асимметрии мозга на основе многоразмерного линейного и нелинейного анализа. Материалы международной украино-российской конференции "Асимметрия мозга и поведение человека". МАУП. Киев. 2005. с.18.

55. Майоров О. Ю., Фенченко В. Н. Некоторые аспекты применения разложения Карунена-Лоэва для анализа пространственно-временных структур ЭЭГ. Ж. Клин. Информ. и Телемед. 2005. т. 2. № 1. с. 26–31.

56. Майоров О. Ю., Глухов А. Б., Фенченко В. Н. Реализация метода смещения с помощью оценки размеров осей аттрактора динамической системы мозга. Труды института кибернетики. 2007. В. (в печати).

57. Mayorov O. Yu., Fritzsche M., Kosidubova S. M., Glukhov A. B., Prognimak A. B., New neurodiagnostics technology for brain research on the basis of multivariate and nonlinear (deterministic chaos) analysis of EEG. Proceedings of 2nd European Congress "Achievements in space medicine into health care practice and industry". Pabst Science Publishers, Berlin, 2003. p. 157–167.

58. Mayorov O. Yu., M. Fritzsche, A. B. Glukhov, D. W. Sleduk. Applications for valuation Nonlinear Dynamics and Chaos in EEG. Technology and Informatics. In Series: Studies in Health Technology and Informatics. The New Navigators: from Professionals to patients. 2003. V.91. p. IOS Press.

59. Бендат Дж., А. Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. М., Мир, 1974.

60. Дуб Дж. Вероятностные процессы. М., ИЛ, 1953.

61. Сб. Вероятностные методы в вычислительной технике. М., Высшая школа, 1986.

62. Майоров О. Ю., А. Б. Глухов. Ошибки спектральных оценок при исследовании биоэлектрической активности мозга. Кибернетика и выч. техника, 2001, вып.132, с. 80–93.

63. Шишкин С. Л. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М., 1997.

64. Theiler J. Spurious dimension from correlation algorithms applied to limited time – series data. Phys. Rev. A., 1986. V.34, N3.

65. Шустер Г. Детерминированный хаос. М., 1988.

66. Eckman J. P., Ruelle D. Ergodic theory of chaos and strange attractors. Rev. Mod. Phys. 1985. V.53. N3. p. 617–656.

67. Sano M., Sawada J. Measurement of the Lyapunov spectrum from a chaostic time series. Phys. Rev. Lett. 1985. V55. N10. p.1082–1085.

68. Vastano J. A., Kostelich E. J. Comparison of algorithms for determining Lyapunov exponent from experimental data. Dimension and entropies in chaostic systems. Berlin, Springer, 1986. p.100–107.

69. Ershov S. V., A. B. Potapov. On the concept of stationary Lyapunov basis. Physica. D. 1988. p.118.

70. Сычев В. В. Вычисление стохастических характеристик физиологии ческих данных. Магистерская диссертация, ИПМБ РАН, Пущино. 1999.

Повнотекстова версія http://kit-journal.com.ua/uk/viewer_uk.html?doc/2006_4/6.pdf