UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea triennale in Ingegneria Elettronica
Tesi di Laurea in
STRUMENTAZIONE BIOMEDICA
Valutazione dello stato di sofferenza
cerebrale mediante analisi non
lineare dell’EEG
Laureando
Monica CUSENZA
Relatore
Prof. Agostino ACCARDO
Correlatore
Dott. Fabrizio MONTI
11/12/2006
SOMMARIO







Introduzione
Stato dell’arte
Obiettivo della tesi
Materiale e Metodi
Risultati e discussione
Conclusioni
Sviluppi futuri
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INTRODUZIONE
CONTESTO
Monitoraggio dei parametri neurofisiologici
dei pazienti sottoposti ad interventi di
endoarterectomia carotidea
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INTRODUZIONE
ENDOARTERECTOMIA CAROTIDEA
Rimozione chirurgica della placca arteriosclerotica dalla
carotide. Usualmente la procedura prevede:
CLAMPING arteria
drastica RIDUZIONE
perfusione cerebrale
1. incisione arteria
2. rimozione placca
COMPENSAZIONE
circolo controlaterale
3. sutura
INSUFFICIENTE
applicazione
SHUNT per il
ripristino del
circolo
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INTRODUZIONE
MONITORAGGIO NEUROFISIOLOGICO
DELLA SOFFERENZA CEREBRALE
necessario per esaminare la
risposta cerebrale del paziente
all’ipoperfusione
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STATO DELL’ARTE
STATO DELL’ARTE
La metodica maggiormente utilizzata per il
monitoraggio neurofisiologico dell’endoarterectomia
carotidea è l’analisi visiva dell’EEG.
Il Gruppo S.I.N.C. per i Monitoraggi Neurofisiologici
consiglia il confronto dei tracciati EEG del periodo
di valutazione pre-clamping con quelli del periodo
post-clamping.
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STATO DELL’ARTE
INDICAZIONI CLINICHE
Le anomalie che possono apparire sui tracciati dopo il
clamping, legate alla sofferenza cerebrale, vengono
qualitativamente classificate come:
1. AUMENTO attività
d (0.5-3.5Hz)
2. RIDUZIONE
attività 8-15Hz
ovvero
1. RALLENTAMENTO
del tracciato
2. ABBASSAMENTO
del voltaggio
unilaterale o bilaterale
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OBIETTIVO DELLA TESI
RICAVARE EEG QUANTITATIVO

Consapevolezza che l’analisi visiva dei tracciati:
–
–

offre una valutazione qualitativa degli effetti
dell’ipoperfusione cerebrale
richiede molta esperienza e capacità di obiettività
Convinzione che:
–
un’analisi nel dominio delle frequenze e l’analisi non
lineare nel tempo possono dare informazioni aggiuntive
di supporto al neurofisiologo
qEEG: STRUMENTO d’ausilio al monitoraggio
visivo dell’EEG
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MATERIALE E METODI
METODI APPLICATI

Dominio del tempo
–
–
–

analisi della variabilità segnale
conteggio dello zero-crossing
stima della dimensione frattale
Dominio della frequenza
–
–
–
stima della potenza media nelle diverse bande
calcolo del BSI (Bispectral Simmetry Index)
calcolo del coefficiente beta
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MATERIALE E METODI
ANALISI NEL TEMPO
1.
2.
Deviazione standard:
–
dipende dall’ampiezza del segnale nel tempo
–
in caso di ‘abbassamento del voltaggio’ dovuto alla sofferenza la
deviazione standard diminuirà
Zero-crossing:
–
–
–
conteggio del numero di attraversamenti della linea dello zero
principio della frequenza dominante: “per segnali gaussiani e
stazionari il valore ZC dipende dalla frequenza dominante”
si ipotizza che in caso di sofferenza si verifichi una sua
diminuzione
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MATERIALE E METODI
ANALISI NEL TEMPO
3.
Dimensione frattale:
–
per un oggetto ‘autosomigliante’ di dimensione D, ciascuna delle N
parti in cui esso è diviso risulta una sua copia, in scala ridotta,
secondo il rapporto:
r
1
N
–
–
–
1
D
D
log( N )
1
log  
r
Hp: EEG segnale ‘autosomigliante’ con dimensione frattale (DF)
compresa tra 1 e 2
algoritmo di Higuchi: basato sul calcolo del numero n(e) di
segmenti di lunghezza e necessari per misurare la lunghezza della
curva
si ipotizza che in caso di sofferenza la DF diminuisca
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MATERIALE E METODI
ANALISI SPETTRALE
1.
Potenza media nelle bande:
tot: 0.5-40Hz
d’: 0.5-1Hz
LF: 0.5-5Hz
d: 0.5-3.5Hz
d’’: 1-3.5Hz
q: 4-8Hz
HF: 8-15Hz
a: 8-13Hz
b1: 13-22Hz
si considera anche il rapporto tra le potenze medie nella bande
HF e LF che, in base alle indicazioni cliniche, dovrebbe mostrare,
in caso di sofferenza, variazioni marcate
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MATERIALE E METODI
ANALISI SPETTRALE
2.
Bispectral Simmetry Index
(van Putten et al., Clinical Neurophysiology, 2004):
1 1
BSI (n) 
K M
k2
M
PSD jRk (n)  PSD jLk (n)
 PSD
k  k1 j 1
k1  1Hz
jRk
(n)  PSD jLk (n)
k2  25Hz
K  k2  k1  1
da monitorare (da letteratura) le variazioni superiori al 6%
rispetto al valor medio calcolato nel periodo pre-clamping
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MATERIALE E METODI
ANALISI SPETTRALE
3.
Trend 1/f b
1. 0.5-40Hz:
DF 
-b
5 b
2
2. 8-40Hz (più lineare)
3. 0.5-18Hz (più sensibile)
ci si aspetta:
un aumento (casi 1 e 3)
una riduzione (caso 2)
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MATERIALE E METODI
MATERIALE CLINICO
Registrazioni di 140 interventi di endoarterectomia
carotidea eseguiti all’Ospedale di Cattinara dal
2003-2006:
–
tracciati di almeno 13 canali
(F3, F4, F7, F8, C3, C4, Cz, P3, P4, T5, T6, O1, O2)
–
–
3 minuti pre-clamping + 3 minuti post-clamping
campionamento 128Hz o 512Hz
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MATERIALE E METODI
PRE-PROCESSING

eventuale sotto-campionamento a 128Hz

filtraggio passa banda Butterworth 0.4-40Hz

suddivisione segnali EEG in sottosequenze di 10s
con overlap del 50%
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MATERIALE E METODI
IMPLEMENTAZIONE ALGORITMI





routines implementate in MatLab
algoritmi applicati a ciascuna sottosequenza di ogni
canale
per ogni canale aggiornamento parametro ogni 5s
calcolo dell’andamento medio di ogni parametro
nell’emisfero destro e nell’emisfero sinistro
valutazione delle variazioni dei parametri nel
periodo post-clamping rispetto al valore mediano
nel pre-clamping per ciascun emisfero
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RISULTATI E DISCUSSIONE
RISULTATI e DISCUSSIONE

Fase preliminare:
–
–

individuazione delle variazioni, nei parametri, mediamente
superiori al 20% tra il pre- ed il post-clamping
identificazione dei probabili soggetti con sofferenza
Confronto con classificazione clinica
(positivi=con sofferenza, negativi=nella norma)

Selezione dei parametri maggiormente correlati allo
stato di sofferenza cerebrale e quantificazione in
termini percentuali delle variazioni post-clamping
rispetto al valore mediano del pre-clamping
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RISULTATI E DISCUSSIONE
CRITERI

Criteri proposti
parametro selezionato:




beta tra 0.5-18Hz
zero-crossing
PW 8-15Hz
PW a
soglia:
+20%
-20%
-40%
-40%
durata minima della variazione per ogni parametro:
25s (5 punti)
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RISULTATI E DISCUSSIONE
ANALISI STATISTICA
10
Falsi negativi
9
Falsi positivi
8
7
6
Classificazione clinica:
5
22 positivi (shunt)
118 negativi (nella norma)
4
falsi negativi: soggetti positivi
non identificati dal criterio
3
2
falsi positivi: soggetti negativi
segnalati dal criterio come
1
0
beta
ZC
PW 8-15 PW alfa
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RISULTATI E DISCUSSIONE
ANALISI STATISTICA
100
Specificità
Accuratezza
Sensibilità
90
80
70
60
specificità: % di soggetti
50
negativi correttamente
individuati
40
accuratezza: % di risultati
30
corretti sul totale
20
sensibilità: % di soggetti
10
positivi correttamente
individuati
0
beta
ZC
PW 8-15
PW alfa
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RISULTATI E DISCUSSIONE
ANALISI STATISTICA

Il criterio che meglio identifica i pazienti a rischio
di complicazioni ischemiche è PW 8-15Hz per
variazioni negative superiori o uguali al 40%
della durata di almeno 25 secondi

La sensibilità, dell’82 %, è dovuta ai 4 soggetti su
22 che non vengono identificati
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RISULTATI E DISCUSSIONE
FALSI NEGATIVI
linea verticale tratteggiata:
istante del clamping
curva rossa: andamento
medio di PW HF
nell’emisfero destro
curva blu: andamento
medio di PW HF
nell’emisfero sinistro
marker verde: punti oltre
la soglia
SI PUO’
MIGLIORARE?
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RISULTATI E DISCUSSIONE
MODIFICA CRITERIO

Si considera sempre il parametro PW HF ma
con due nuove soglie:
1.
2.

-35% per 25s
-30% per 25s
Ci si aspetta che la riduzione della soglia causi
un aumento della sensibilità (riduzione falsi
negativi) a scapito della specificità (aumento
falsi positivi)
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CONCLUSIONI
CONCLUSIONI
1. PW 8-15Hz -35%:
Falsi negativi
1. recuperato dai falsi negativi quello con
sofferenza più marcata;
2. i 3 falsi positivi possono fare riflettere
sui risultati dell’analisi qualitativa
dell’identificazione clinica (mostrano
variazioni sensibili)
Falsi positivi
6
5
4
3
2. PW 8-15Hz -30%:
1. ulteriore recupero dai falsi negativi;
2. ulteriori 3 falsi positivi nei quali però il
trend del parametro rimane
complessivamente invariato (riduzione
specificità ingiustificata)
2
1
0
-40%
-35%
-30%
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CONCLUSIONI
CONCLUSIONI




in base ai risultati dell’analisi statistica per gli ultimi 2 criteri testati
confrontato il peso dei falsi positivi e dei falsi negativi
ricordando che l’analisi visiva dei tracciati tende a sovrastimare la
sofferenza
ribadendo che lo strumento verrà proposto come AUSILIO e non
come SOSTITUZIONE dell’analisi visiva dell’EEG
SI PROPONE IL CRITERIO QUANTITATIVO:
PW 8-15Hz, calo minimo del 35%, durata minima 25s
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CONCLUSIONI
SVILUPPI FUTURI

Implementazione real-time degli algoritmi per il calcolo
del parametro

Visualizzazione su monitor del parametro unitamente
ai tracciati nel tempo delle derivazioni EEG
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