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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 - PowerPoint PPT Presentation
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11/12/2006
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTEFacoltà di Ingegneria
Corso di Laurea triennale in Ingegneria Elettronica
Valutazione dello stato di sofferenza cerebrale mediante analisi non
lineare dell’EEG
Relatore
Prof. Agostino ACCARDO
Correlatore
Dott. Fabrizio MONTI
Laureando
Monica CUSENZA
Tesi di Laurea inSTRUMENTAZIONE BIOMEDICA
SOMMARIO
Introduzione Stato dell’arte Obiettivo della tesi Materiale e Metodi Risultati e discussione Conclusioni Sviluppi futuri
1/26
CONTESTO
Monitoraggio dei parametri neurofisiologici dei pazienti sottoposti ad interventi di endoarterectomia carotidea
INTRODUZIONE
2/26
ENDOARTERECTOMIA CAROTIDEA
Rimozione chirurgica della placca arteriosclerotica dallacarotide. Usualmente la procedura prevede:
INTRODUZIONE
CLAMPING arteriadrastica RIDUZIONE perfusione cerebrale
COMPENSAZIONE circolo controlaterale
3/26
applicazione SHUNT per il ripristino del
circolo
1. incisione arteria
2. rimozione placca
3. sutura INSUFFICIENTE
MONITORAGGIO NEUROFISIOLOGICO DELLA SOFFERENZA CEREBRALE
necessario per esaminare la
risposta cerebrale del paziente
all’ipoperfusione
INTRODUZIONE
4/26
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.
STATO DELL’ARTE
5/26
INDICAZIONI CLINICHE
Le anomalie che possono apparire sui tracciati dopo il clamping, legate alla sofferenza cerebrale, vengono qualitativamente classificate come:
STATO DELL’ARTE
1. RALLENTAMENTO del tracciato
2. ABBASSAMENTO del voltaggio
unilaterale o bilaterale
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1. AUMENTO attività (0.5-3.5Hz)
2. RIDUZIONE attività 8-15Hz
ovvero
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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OBIETTIVO DELLA TESI
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
MATERIALE E METODI
8/26
ANALISI NEL TEMPO
1. Deviazione standard:
– dipende dall’ampiezza del segnale nel tempo
– in caso di ‘abbassamento del voltaggio’ dovuto alla sofferenza la deviazione standard diminuirà
3. 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
MATERIALE E METODI
9/26
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:
– Hp: EEG segnale ‘autosomigliante’ con dimensione frattale (DF) compresa tra 1 e 2
– algoritmo di Higuchi: basato sul calcolo del numero n() di segmenti di lunghezza necessari per misurare la lunghezza della curva
– si ipotizza che in caso di sofferenza la DF diminuisca
DN
r 1
1
MATERIALE E METODI
r
ND
1log
)log(
10/26
ANALISI SPETTRALE
1. Potenza media nelle bande:
tot: 0.5-40Hz : 0.5-3.5Hz : 4-8Hz : 8-13Hz 1: 13-22Hz
’: 0.5-1Hz ’’: 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
MATERIALE E METODI
11/26
ANALISI SPETTRALE
2. Bispectral Simmetry Index (van Putten et al., Clinical Neurophysiology, 2004):
2
1 1 )()(
)()(11)(
k
kk
M
j jLkjRk
jLkjRk
nPSDnPSD
nPSDnPSD
MKnBSI
Hzk 11 Hzk 252
112 kkK
MATERIALE E METODI
da monitorare (da letteratura) le variazioni superiori al 6% rispetto al valor medio calcolato nel periodo pre-clamping
12/26
ANALISI SPETTRALE
3. Trend 1/f
MATERIALE E METODI
-
1. 0.5-40Hz:
2
5 DF
2. 8-40Hz (più lineare)
3. 0.5-18Hz (più sensibile)
13/26
ci si aspetta: un aumento (casi 1 e 3) una riduzione (caso 2)
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
MATERIALE E METODI
14/26
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%
MATERIALE E METODI
15/26
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
MATERIALE E METODI
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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
RISULTATI E DISCUSSIONE
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CRITERI
parametro selezionato:
beta tra 0.5-18Hz zero-crossing PW 8-15Hz PW
soglia:
+20%-20%-40%-40%
Criteri proposti
RISULTATI E DISCUSSIONE
18/26
durata minima della variazione per ogni parametro: 25s (5 punti)
ANALISI STATISTICA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
beta ZC PW 8-15 PW alfa
Falsi negativi
Falsi positivi
RISULTATI E DISCUSSIONE
19/26
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
ANALISI STATISTICA
RISULTATI E DISCUSSIONE
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
beta ZC PW 8-15 PW alfa
Specificità
Accuratezza
Sensibilità
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specificità: % di soggetti negativi correttamente individuati
accuratezza: % di risultati corretti sul totale
sensibilità: % di soggetti positivi correttamente individuati
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
RISULTATI E DISCUSSIONE
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FALSI NEGATIVI
RISULTATI E DISCUSSIONE
22/26
SI PUO’ MIGLIORARE?
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
MODIFICA CRITERIO
Si considera sempre il parametro PW HF ma con due nuove soglie:
1. -35% per 25s
2. -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)
RISULTATI E DISCUSSIONE
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CONCLUSIONI
1. PW 8-15Hz -35%:
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)
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)
0
1
2
3
4
5
6
-40% -35% -30%
Falsi negativi Falsi positivi
CONCLUSIONI
24/26
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
CONCLUSIONI
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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
CONCLUSIONI
26/26
Recommended