Progresses of Statistical Spectral Analysis in Pharmaco-Electroencephalography

Summary

First, the strategy of statistical Fourier analysis is presented. Preparation and pre-processing of data such as anti-aliasing filtering, dc removal and detrending, calibration in microvolts, artifacts filtering and digital window filtering can be optimized.

In our present experiment a 200 Hz sampling frequency is used for on-line Analog to Digital conversion of five minute recordings of four EEG channels. In 16 minutes of computation time, using microprogrammed FFT, evolutive power spectra for ten seconds successive periods, are stored on digital magnetic tape. So are four averaged power spectra and their variances, six cross-spectra and six coherences. The data reduction factor is then 1/20. Furthermore, when a minimum of 16 spectral parameters are computed from every averaged power spectrum, the data reduction factor is 1/200.

Statistical comparisons between individual results of 5 minute sequences are made by using graphical plots which provide spectral t-tests and MANOVAs, ANOVAs or non-parametric tests. These statistical strategies can be applied to longitudinal and transversal studies or more sophisticated analyses such as multichannel analysis by spectral regression or modulation analysis.

An EEG data base of more than 220 FM recordings, each tape of 90 minute duration, has constantly been improved since 1972. Digital results from this EEG data base provide characteristic spectral parameters for further multivariate analyses. Other variables, such as drug plasma levels or clinical rating scales can also be added to the data base.

Subsequently, an example for the use of classical statistical analysis in drug study is given. ANOVAs and t-tests reveal right posterior hemisphere changes in EEGs, 14 hours after the1 administration of 5 mg nitrazepam, for a group of seven normal subjects.

Finally, examples are given of new EEG analyses such as multichannel analysis and modulation analysis, which can be seen as part of recent progress in the field of statistical spectral analysis.

Zusammenfassung

Zunächst wird die Strategie der statistischen Fourier-Analyse beschrieben, mittels welcher sowohl die Datenaufbereitung und Vorverarbeitung, als auch die Antialiasingfilterung, DC- und Trendbeseitigung, Kalibrierung in Mikrovolt, sowie Artefaktefilterung und die Fensterfunktion optimiert werden können.

Im vorliegenden Experiment wird für die A/D-Umwandlung in Echtzeit von 4 EEG-Kanälen von je 5 Minuten Dauer die Abtastfrequenz von 200 Hz verwendet. Für nacheinander folgende 10-Sekunden-Segmente werden mittels mikroprogrammierter FFT evolutive Leistungsspektren berechnet und auf ein Digitalband gespeichert. Zusätzlich werden auch 4 gemittelte Leistungsspektren und ihre Varianzen sowie 6 Kreuz- und Kohärenzspektren abgespeichert, wofür insgesamt 16 Minuten Rechenzeit benötigt wird. Dies hat eine Datenreduktion von 1 zu 20 zur Folge. Falls aus den gemittelten Leistungsspektren lediglich ein Minimum von 16 spektralen Parametern berechnet wird, beträgt der Datenreduktionsfaktor 1 zu 200. Die aus den 5 Minuten dauernden Sequenzen erhaltenen Einzelresultate werden mittels spektraler T-Tests, MANOVA, ANOVA und nichtparametrischen Tests weiterverarbeitet und graphisch dargestellt. Diese statistische Strategie kann bei longitudinalen und transversalen Untersuchungen oder bei mehr anspruchsvolleren Analysen wie die mehrkanälige Spektralregression oder die Modulationsanalyse verwendet werden.

Seit 1972 wird ständig eine EEG-Datenbank, zur Zeit bestehend aus 220 FM-Aufnahmen von je 90 Minuten Aufnahmedauer, weiterentwickelt. Digitale Resultate, die aus dieser EEG-Datenbank gewonnen werden, liefern charakteristische spektrale Parameter für weitere multivariate Analysen. Andere Variablen, wie die Plasmaspiegel oder die anhand von klinischen Beurteilungsskalen gewonnenen Resultate, können ebenfalls auf die Datenbank gebracht werden.

Ferner wird ein Beispiel für die Anwendung von klassischer statistischer Analyse von Daten aus einer pharmakologischen Untersuchung gezeigt. In einer Gruppe, bestehend aus sieben normalen Versuchspersonen, wurden mittels ANOVA und T-Test posterior rechts hemisphärische EEG-Veränderungen 14 Stunden nach 5 mg Nitrazepam objektiviert.

Abschließend werden Beispiele von neuen EEG-Analysen, wie die Mehrkanal- und Modulationsanalysen, gezeigt, welche als ein Bestandteil des Fortschritts, der auf dem Gebiet der statistischen Spektralanalyse in der letzten Zeit erzielt wurde, angesehen werden können.