Valutazione dello stato di sofferenza cerebrale mediante analisi non lineare dell’EEG

1. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTEFacoltà di IngegneriaCorso di Laurea triennale in Ingegneria Elettronica Tesi di Laurea inSTRUMENTAZIONE BIOMEDICA Valutazione dello stato di sofferenza cerebrale mediante analisi non lineare dell’EEG Laureando Monica CUSENZA Relatore Prof. Agostino ACCARDO Correlatore Dott. Fabrizio MONTI

2. SOMMARIO • Introduzione • Stato dell’arte • Obiettivo della tesi • Materiale e Metodi • Risultati e discussione • Conclusioni • Sviluppi futuri 1/26

3. INTRODUZIONE CONTESTO Monitoraggio dei parametri neurofisiologici dei pazienti sottoposti ad interventi di endoarterectomia carotidea 2/26

4. incisione arteria • rimozione placca • sutura applicazione SHUNT per il ripristino del circolo INTRODUZIONE ENDOARTERECTOMIA CAROTIDEA Rimozione chirurgica della placca arteriosclerotica dalla carotide. Usualmente la procedura prevede: drastica RIDUZIONE perfusione cerebrale CLAMPING arteria COMPENSAZIONE circolo controlaterale INSUFFICIENTE 3/26

5. INTRODUZIONE MONITORAGGIO NEUROFISIOLOGICO DELLA SOFFERENZA CEREBRALE necessario per esaminare la risposta cerebrale del paziente all’ipoperfusione 4/26

6. 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. 5/26

7. RALLENTAMENTO del tracciato • 2. ABBASSAMENTO del voltaggio • AUMENTO attività d(0.5-3.5Hz) • RIDUZIONE attività 8-15Hz STATO DELL’ARTE INDICAZIONI CLINICHE Le anomalie che possono apparire sui tracciati dopo il clamping, legate alla sofferenza cerebrale, vengono qualitativamente classificate come: ovvero unilaterale o bilaterale 6/26

8. 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 7/26

9. 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 8/26

10. MATERIALE E METODI ANALISI NEL TEMPO • 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 9/26

11. MATERIALE E METODI ANALISI NEL TEMPO • 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: • 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 10/26

12. MATERIALE E METODI ANALISI SPETTRALE • Potenza media nelle bande: tot: 0.5-40Hzd: 0.5-3.5Hz q: 4-8Hz a: 8-13Hz b1: 13-22Hz d’: 0.5-1Hz d’’: 1-3.5Hz HF: 8-15Hz LF: 0.5-5Hz 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 11/26

13. MATERIALE E METODI ANALISI SPETTRALE • Bispectral Simmetry Index (van Putten et al., Clinical Neurophysiology, 2004): da monitorare (da letteratura) le variazioni superiori al 6% rispetto al valor medio calcolato nel periodo pre-clamping 12/26

14. MATERIALE E METODI ANALISI SPETTRALE • Trend 1/f b • 0.5-40Hz: • 8-40Hz (più lineare) • 0.5-18Hz (più sensibile) -b ci si aspetta: un aumento (casi 1 e 3) una riduzione (caso 2) 13/26

15. 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 14/26

16. 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% 15/26

17. 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 16/26

18. 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 17/26

19. parametro selezionato: beta tra 0.5-18Hz zero-crossing PW 8-15Hz PW a soglia: +20% -20% -40% -40% RISULTATI E DISCUSSIONE CRITERI • Criteri proposti durata minima della variazione per ogni parametro: 25s (5 punti) 18/26

20. RISULTATI E DISCUSSIONE ANALISI STATISTICA Classificazione clinica: 22 positivi (shunt) 118 negativi (nella norma) falsi negativi: soggetti positivi non identificati dal criterio falsi positivi: soggetti negativi segnalati dal criterio come 19/26

21. RISULTATI E DISCUSSIONE ANALISI STATISTICA specificità: % di soggetti negativi correttamente individuati accuratezza: % di risultati corretti sul totale sensibilità: % di soggetti positivi correttamente individuati 20/26

22. 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 21/26

23. SI PUO’ MIGLIORARE? 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 22/26

24. RISULTATI E DISCUSSIONE MODIFICA CRITERIO • Si considera sempre il parametro PW HF ma con due nuove soglie: • -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) 23/26

25. CONCLUSIONI CONCLUSIONI • PW 8-15Hz -35%: • recuperato dai falsi negativi quello con sofferenza più marcata; • i 3 falsi positivi possono fare riflettere sui risultati dell’analisi qualitativa dell’identificazione clinica (mostrano variazioni sensibili) • PW 8-15Hz -30%: • ulteriore recupero dai falsi negativi; • ulteriori 3 falsi positivi nei quali però il trend del parametro rimane complessivamente invariato (riduzione specificità ingiustificata) 24/26

26. 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 25/26

27. 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 26/26