Rassegna sui Potenziali Evocati - Ingegneria Biomedica · Rassegna sui Potenziali Evocati Prof. Marcello Bracale Appunti del corso di Elettronica Biomedica Le onde o "picchi" positivi

Ra ssegna sui Potenziali Evocati Prof. Marcello BracaleAppunti del corso di Elettronica Biomedica

Rassegna sui Potenziali Evocati

Marcello Bracale

Lo studio dell'attività elettrica del cervello, e del sistema nervoso in genere, può fornire notevoliinformazioni sulle strutture esaminate.Una cellula nervosa, sollecitata, produce, per effetti chimici, una migrazione di ioni positivi e nega-tivi che rispondono a determinate leggi; questo movimento di cariche elettriche da luogo ad unavariazione di potenziale elettrico. Tentare di studiare le singole cellule da un punto di vista elettrico,e chiarament e arduo, tant'è vero che le nostre conoscenze sono dovute, in mass ima parte, a studicondotti, peraltro con tecniche molto sofisticate, su cellule giganti dei calamari, la cui lunghezzaarriva ai 5 mm.Per questa e per altre ragioni, nell'uomo, e negli animali in genere, si studia l'attività del complessodelle cellule nervose. In questo senso un notevole interesse riveste lo studio dell'attività elettrica delSistema Nervoso Centrale (SNC) ed in particolare del cervello. Come detto l'attività elettricacerebrale è dovuta a processi elettrochimici che hanno luogo nelle singole cellule nervose.Le continue stimolazioni alle quali è soggetto il nostro corpo, anche in stato di incoscienza, fanno siche ci siano sempre delle cellule attive, e di conseguenza si registrino continue variazioni di poten-ziale che dipendono dallo "stato" dell'individuo.Fu Hans Berger che, nel 1924, scoprì l'esistenza di onde elettriche cerebrali prelevabili sullo scalpola cui ampiezza massima, dovuta al complesso dell'elettricità chimica delle singole cellule,raggiunge i 100 μV.Queste onde compongono 1'elettroencefalogramma (E.E.G.) che è fino ad ora il mezzo più comuneper lo studio dell,attività elettrica del cervello.Grazie all' E . E .G. e stato possibile studiare più approfonditamente l'attività del cervello. Alla finedel secolo scorso si pensava ad una funzionalità uniforme della corteccia; piu tardi, graziesoprattutto agli studi condotti da W. Penfield, si e arrivati ad una definizione piuttosto spintadell'area corticale, pur tenendo sempre conto della forte interconnessione esistente fra tutti i centricerebrali.L'attività specifica, invece, delle parti più intime del cervello è ancora da individuare a fondo; e ciòè chiaramente dovuto alla enorme difficoltà di arrivare a studiare i segnali elettrici "in loco"; infatti isegnali sottocorticali registrati sullo scalpo risultano alterati, se non distorti, dal corpo encefalico edall'attività delle cellule più esterne.Nelle registrazioni di potenziali elettrici cerebrali si considera una duplice attività spontanea edevocata.L'attività spontanea è quella che viene definita comunemente elettroencefalografia (E.E.G.) cherappresenta una registrazione nel tempo delle fluttuazioni dei potenziali elettrici rilevati sulloscalpo, in assenza di stimoli esterni. L'analisi delle attività spontanee ha evidenziato un diversocontenuto delle onde cerebrali nel dominio della frequenza, ed ha consentito una suddivisionescolastica del fenomeno in cinque bande principali, detti ritmi.

1) ritmo delta (): ad onde lente con frequenza da 0,5 fino a 5 Hz; di tracciato piuttosto ampio e presente insonno profondo.

2) ritmo teta ( ) ha una frequenza di 4-8 Hz; e presente allorchè un individuo sta per addormentarsi o e instato di dormiveglia.

3) ritmo alfa (): con oscillazioni dagli 8 ai 12 Hz; con un'ampiezza media di 5OV, ha andamento carat-teristico sinusoidale a pacchetti. Si genera nel momento in cui un individuo si trova in stato mentale diriposo o ad occhi chiusi. Viene alternata da stimoli visivi (a - bloking).

4) ritmo beta (): da 14 a 30 Hz, con ampiezze nei 5 - 30 V; è presente in stato di veglia.

Napoli, 21 Maggio 2002 Pag. 1 di 29Rif. Int.: Potenzial i_Evocati.doc/GV

Prof. Marcello Bracale Rassegna sui Potenziali EvocatiAppunti del corso di Elettronica Bio medica

5) ritmo gamma (): frequenza 30-35 Hz, di piccola ampiezza, max l5V; è rilevabile nelle parti anterioridel cervello.

L'osservazione dell'E.E.G. stazionario viene condotta in maniera differenziata, in funzione di cioche si desidera evidenziare. Per esempio si registrano le attivita cerebrali di un individuo ad occhichiusi per registrare i ritmi , oppure quelle di un individuo che dorme, per studiare EEG nelle variefas i del sonno.Queste sono tipiche indagini ad E.E.G. attivato.

ATTIVITA' EVENTO - CORRERLATA (E.R.P.)

L'attività evocata (Event Related Potential E.R.P.), è relativa a stimoli ben definiti e specifici, sia dinatura interna al soggetto in esame, ad esempio un movimento, sia esterna, ad esempio uno stimolosensoriale. Di questi stimoli percepiamo, nell'area corticale corrispondente, una risposta dovuta allareazione complessiva dei singoli neuroni interessati.Gli stimoli da applicare, sono stati e sono tuttora oggetto di accurati studi, e dovendo tener presenteche ci troviamo di fronte ad un sistema con sue caratteristiche di rumore, soglia, tempi di risposta, ecos i via. Ulteriormente considerando che la risposta agli stimoli è in genere di scarsa intensità(pochiV), necessario l'uso di particolari tecniche per poter estrarre l'E.R.P. dall'E.E.G. di base.Spesso si ricorre alle medie correlate di risposte supposte uguali; altre tecniche utilizzando lafunzione di autocorrelazione o crosscorrelazione, fra più risposte; questa tecnica pero causa laperdita della forma d'onda originale del segnale. Questi differenti approcci mettono tutti in evidenzala necessità di una ripetibilità nel tempo dello stimolo al fine di ottenere diverse risposte quanto piusimili possibili tra loro.La tecnica dei E.R.P. e utilizzata nell'analisi di meccanismi sensoriali, specialmente laddove nonsono praticabili test di percezione. E' inoltre utilizzata per individuare eventuali malattie organiche alivello cerebrale e non, per distinguerle da malattie di ordine psicogeno, dove in genere non sonopresenti nelle risposte registrate variazioni significative rispetto a individui sani.Attualmente la ricerca sugli E.R.P. e tesa a realizzare una serie di test applicabili conapparecchiature integrate in grado di fornire informazioni sullo stato del sistema nervoso nel suocomplesso o di alcune sue parti o vie particolari.

I POTENZIALI EVOCATI (P.E.)

I potenziali evocati sono un tipico esempio di E.R.P. e il loro studio è nato dalla necessità di rela-zionare la risposta del nostro sistema nervoso centrale ad uno stimolo sensoriale quantizzato intermini fisici.I vantaggi limitati all'analisi dei singoli organi sensoriali sono ovvi, tant'è vero che i potenziali evo-cati sono spesso usati in audiometria ed in oculistica, studi avanzati con P.E. sono stati realizzatianche nel campo della psicofisica.Il potenziale evocato è costituito da un complesso di onde la cui interpretazione non è sempre facilee la cui morfologia varia conformemente allo stimolo sensoriale usato. Le risposte evocate prelevatesullo scalpo, ed estratte attraverso diverse metodiche (media correlata o funzioni di correlazioneecc.), si individuano tramite la latenza e l'ampiezza delle singole onde. La latenza, la forma el'ampiezza delle onde che compongono un potenziale evocato uditivo sono, alquanto diverse daquelle delle onde di un potenziale evocato visivo. Per latenza si intende il tempo intercorso tral'inizio dello stimolo (indicato dal tempo 0 sull'ascissa) e l'evento da misurare.

Pag. 2 di 29 Napoli, 21 Maggio 2002

Rif. Int.: Potenziali_Evocati.doc/GV


Le onde o "picchi" positivi e negativi, sono indicati singolarmente tramite lettere e numeri. Lelettere maiuscole P e N rappresentano la polarita della componente specifica, mentre con numeri1,2,3, ecc. si indica l'ordine seriale di comparsa delle componenti stesse (N P N P1 1 2 2, , , ....ecc.).L'ampiezza delle componenti può essere calcolat a rispetto alla linea di base oppure, metodo piùfrequente, da una componente all'altra, ad es. tra le componenti N P1 1 .Un altro metodo consiste nell'indicare la polarità della componente, seguita dall'indicaz ione dellalatenza (P100 indica, ad esempio, la componente positiva avente una latenza di 100 msec.).Nella valutazione dei P.E. si usa distinguere tra le componenti "primarie" e "secondarie": le primesono relative all'attività delle aree corticali di proiezione ed alla recezione corticale dello stimolo,mentre le seconde sono relative all'elaborazione più complessa di quest'ultimo.Ad esempio, nei PE uditivi è possibile individuare una serie di componenti "primarie". Questi PEvengono registrati per una durata di 60 msec. Dall'inizio dello stimolo ed hanno un'ampiezza moltopiccola (decimi di mV); ossia registrano l'attività sottocorticale di elaborazione degli stimoli uditivi,che dell'apparato uditivo periferico (l'orecchio), attraverso i centri troncoencefalici, raggiungono learee corticali sopratemporali ove terminano la maggior parte delle afferenze oculistiche.La tecnica dei potenziali evocati trova tre applicazioni principali. In primo luogo, essa aiuta aindividuare attivita cerebrali specifiche durante le quali tipi diversi di informazione vengono trattaticontemporaneamente in canali separati. In secondo luogo, essa fornisce una indicazione obiettivadella funzione sensoriale laddove i test di percezione non sono praticabili o non danno affidamento(come nei bambini molto piccoli, in casi di demenza senile ecc.). Inoltre, essa permette didistinguere malattie organiche da malattie di origine psicogena.Le ricerche sul PE sono cresciute smisuratamente nell'ultimo decennio, per la possibilità di studiareattraverso questa tecnica i processi corticali implicati nell'elaborazione dell'informazione. Oltre allericerche sulla percezione e l'attenzione, vanno ricordatilavori sull'asimmetria emisferica funzionale, basati sulla registrazione dei PE nei due emisferi e sulconfronto della loro morfologia (ad esempio studi sui PE da stimoli verbali hanno mostrato unamaggiore ampiezza nell'emis fero sinistro).

I

II

III

IV

V Va

VI

VII

100 200 240240 940 1340

EVOKED POTENTIAL RHYTHMIC AFTER DISHARGE

msec

5 V

prim.resp. sec. resp.

Curva caratteristica del potenziale evocato visivo da flash registrata con elettrodi O Fz z . Le ampiezze sono valori medi. Le deflessioni del grafico verso l'alto rappresentano la negativitàdell'elettrodo Oz .



Stimolo

Stimolo

Stimolo

N1

P2

N1

P2N1

P2

Stimolo ud itivo

Stimolo t at tile

Shock

Assenza di stimolo

100 msec5 V

Potenziali al vertice evocati da differenti stimolazioni sensoriali.

Molto importante e il settore dell'applicazione del PE in campo clinico per la diagnosi eprevenzione di disturbi neurologici e sensoriali. Oltre a queste applicazioni i P.E. sono utilizzati inclinica nell'esame dei singoli sistemi sensoriali laddove consueti esami incontrano difficoltà (adesempio in bambini o in soggetti handicappati che non possono collaborare attivamente conl'esaminatore). Nella registrazione dei PE in risposta agli stimoli visivi, uditivi o somestetici, èsufficiente infatti che il soggetto presti attenzione alla fonte di stimolazione e non compiamovimenti grossolani. Non è infatti necessario che egli fornisca risposte verbali o comportamentali("ci vedo", "ci sento", "non ci vedo", ecc.). Molte cliniche neurologiche, oculistiche e otorino sonoquindi ormai dotate di un'apparecchiatura per la registrazione dei PE.

POTENZIALI EVOCATI CORTICALI LENTI

Fra i PE vi sono anche potenziali evocati tramite stimoli sensoriali ma correlati ad un processopsicologico e comportamentale. Questi potenziali registrati sullo scalpo sono in genere definiti lentiin quanto compaiono ad una latenza maggiore di 250-300 ms dallo stimolo. Tra di essi i piu studiatisono le onde P300; la "variazione negat iva contingente" (nota come CNV: Contingent NegativeVariation) ed il "potenziale di prontezza" (note come BP: Bereitschaft Potential, o ReardinessPotential).L'onda P 300 è un'onda positiva che ha in genere il suo picco a 300 ms dallo stimolo. E' registrabilequando al soggetto e presentato uno stimolo inatteso in una serie di stimoli uguali; l'ampiezza dellaP300 aumenta se il soggetto riconosce lo stimolo "target" o come tale e quanto più esso e inattesodal soggetto stesso. L'onda P300 ha origine in una vasta area corticale che include le aree diassociazione parietali.La CNV e una variaz ione di potenziale lenta con polarità positiva, successiva ad uno stimolo (Sl)(di segnalaz ione) che precede un secondo stimolo (S2) al quale il soggetto deve prestare attenzioneper premere un pulsante, nominare lo stimolo, ecc.. Questa variazione e chiamata anche "onda diaspettativa" perché riflette uno stato di attesa e preparazione al soggetto.La CNV viene registrata di solito mediante una derivazione unipolare su Cz, ha un'ampiezza dialcune decine di V (circa 20 V negli adulti),si manifesta dopo 200 - 400 msec. dall'iniz io di S1,raggiunge un picco massimo in prossimità di S2 (generalmente l'intervallo tra S1 e S2 è 1 o 2 sec.).La variazione può essere rapida (CNV tipo A) se il soggetto non sa se S2 seguirà Sl, oppure lenta(CNV tipo B) se il soggetto è sicuro che a S1 seguirà S2.




Dopo la descrizione della CNV, effettuata per la prima volta da Walter, (1964), questo fenomeno hacausato numerose ricerche, in particolare sulla relazione con il livello di attenzione. Più alto è illivello di attenzione, maggiore è risultata l'ampiezza della CNV.Il BP e una variazione negativa lenta che compare 500 - 1000 msec. prima di un movimentovolontario. La sua ampiezza e dell'ordine di 10 - 15 mV, nel momento della risposta motoria.Il BP, descritto per la prima volta da Kornhuber e Deecke (1965), ha un andamento simile allaCNV, ma si ritiene che essi siano fenomeni distinti.E' importante notare che la CNV ed il BP hanno distribuzioni diverse sullo scalpo. La CNV puoessere registrata nelle aree frontali ed è stata infatti cons iderata un indice delle funzioniprogrammatorie dei lobi frontali; il BP si manifesta invece particolarmente nei lobi parietali.



Prelievo del Segnale

CONDIZIONI AMBIENTALI PER LA REGISTRAZIONE

Le condizioni ambientali elettriche di un laboratorio per le misure di PE devono essere controllatefrequentemente. L'alimentazione di rete e gli apparati ad essa collegati sono capaci di indurrevariazioni di potenziale su pazienti e sugli apparecchi di registrazione.Questi potenziali generati da cause esterne devono essere minimizzati, in quanto, se si lascianolievitare molto al di sopra della soglia di registrazione, la rivelazione di un PE puo essereseriamente compromessa.L'interferenza estranea si presenta più comunemente nelle immediate vicinanze del paziente edell'apparato di registrazione, di solito alla frequenza di rete.Per ovviare a tali inconvenienti, occorre la massima cura nell'effettuare i collegamenti a terra, sia ditutte le apparecchiature per la registrazione del PE che del paziente sottoposto alla misura, per lasua sicurezza. E' importante sottolineare che, in tale operazione, ogni apparecchiatura (e con essa lasua carcassa nel caso in cui quest'ultima non sia collegata elettricamente al suo terminale di terra)deve essere messa "a terra" una sola volta' cioè tramite un solo conduttore, poiché l'uso di due o piùconduttori creerebbe dei "loop" e, di conseguenza, delle interferenze indotte.Per questo stesso motivo occorre controllare che non vi siano nodi nei vari conduttori (ad es. quellia cui sono collegati gli elettrodi) ne che essi siano attorcigliati.Per un'ulteriore protezione delle interferenze esterne, il paziente viene spesso sistemato in una cabi-na schermata e colleqata a terra che funge da gabbia di Faraday: tale accorgimento isola il soggettoin esame, seppur parzialmente, da eventuali stimoli esterni di vario tipo (uditivi e/o visivi)concomitanti a quello che genera il PE.

ELETTRODI E LORO CARATTERISTICHE

Gli elettrodi sono dei conduttori metallici attraverso i quali i potenziali prelevati dallo scalpo sonotrasferiti agli amplificatori per la registrazione.E' necessario un elemento conduttore come pasta elettroconduttrice o fluido fisiologico pertrasferire i potenziali fisiologici agli elettrodi convenzionali.L'interfaccia pelle-elettrolita-elettrodo forma il primo e, sotto molti punti di vista, il più importantelegame per una fedele acquisizione del potenziale rilevato dallo scalpo.Quando un elettrodo viene messo a contatto con un elettrolita avvengono delle variazionielettrochimiche nell'immediat a vicinanza dell'elettrodo stesso con migrazione ionica della superficiedell'elettrodo nella soluzione e viceversa.Queste migrazioni avvengono con diverse velocità ed il risultato è una locale distribuzione di caricadescrivibile come un doppio strato elettrico nel quale c'è predominanza di una carica sullasuperficie metallica e della carica opposta sulla superficie dell'elettrolita ad esso adiacente.Il comportamento elettrico di questo doppio strato assimilabile a quello di un condensatore e di unres istore connessi in parallelo ad una batteria.I valori di questi componenti non sono costanti e dipendono da variabili come il tipo di metallodell'elettrodo, la natura, concentrazione e temperatura dell'elettrolita, nonché la frequenza e ladensità della corrente che fluisce in essi. L'interfaccia pelleelettrolita presenta anch'essa unasuperficie avente elementi capacitivi e resistivi.




Una conseguenza del doppio strato elettrico e la differenza di potenziale nota come potenziale dimezzacella che esiste tra un elettrodo e l'elettrolita con cui esso viene a contatto.Differenza di ampiezza di questi potenziali (potenziali di polarizzazione) possono verificarsiquando tra elettrodi composti dallo stesso materiale, soprattutto a causa di impurità nella sostanzametallica e della contaminazione della superficie.Il potenziale di polarizzazione tende ad essere molto grande (1 - 10 V) relativamente al valore deipotenziali esistenti nel cervello e può essere minimizzato usando elettrodi di buona qualità e benpuliti, e depositandoli insieme in un bagno salino con le loro estremità cortocircuitate.Quando gli elettrodi sono connessi agli amplificatori, presentano dei potenziali permanentirelativament e elevati all'interfaccia elettrodo-pelle, oltre ai desiderati segnali fisiologici.I potenziali elettrodici possono variare lentamente durante il corso di una registrazione: ciò e dovutoprincipalmente alle variazioni locali chimiche e di temperatura. Il movimento di un elettrodoinficierà il doppio strato elettrico e, conseguentemente, altererà il potenziale tra elettrodo edelettrolita.Quando gli elettrodi sono posti in un circuito ed una corrente continua di debole intensità fluisceattraverso di essi, la distribuzione ionica del doppio strato elettrico è alterata. Metalli nobili puri(oro, platino, argento, ecc.) sono relativamente inerti e diventano polarizzati come conseguenzadelle diseguaglianze che si evidenziano che si evidenziano quando gli ioni entrano ed escono dallasoluzione.

Electrode

Paste

Cd

Ehc

Rd

Epidermis

Rs

EseEp

CpRp

Ru

Ce Re

Dermis andsubcutaneous layer

Sweat glands

and ducts



Dopo un impulso iniziale, questi elettrodi polarizzati (o non-reversibili) fanno passare una debolecorrente dovuta alla d.d.p. presente inizialmente (cioè essi si comportano come condensatori).A causa di questa loro proprietà, che si traduce in un'alta costante di tempo, di 1 - 10 secondi, essisono indatti per registrare potenziali evocati lenti come la CNV, poiché il potenziale dipolarizzazione influenzerà la risposta degli amplificatori e provocherà una distorsione del segnaledes iderato.Negli elettrodi non-polarizzabili (o reversibili) la naturalezza con la quale gli ioni entrano ed esconodalla soluzione è similare. Gli elettrodi reversibili permettono un passaggio relativamente illimitatodi correnti velocemente e lentamente variabili ed essi sono perciò preferiti per registrare potenzialidello scalpo in generale.Inoltre è necessario che l'impedenza tra ogni coppia di elettrodi sia inferiore ai 5 - 10 k perminimizzare disturbi in fase di registrazione. E' noto infatti che in un elemento conduttore glielettroni, a causa della temperatura, non possiedono tutti la stessa energia.Le lievi fluttuazioni di energia attorno ai valori definit i dalla curva di distribuzione più probabilesono molto piccole, ma sufficienti a provocare entro il conduttore piccole.tensioni di rumore.Queste fluttuazioni casuali, prodotte dall'agitazione termica degli elettroni, sono dette rumoretermico o rumore Johnson.Il valore quadratico medio della tensione di rumore Vn di un componente resistivo ad una certatemperatura entro un intervallo di frequenze (f fh l = B) è dato dall'espressione:

V kTRBn2 4

dove k e la costante di Boltzmann (= 1.38 10 23 [J/°K]), T e la temperatura dell'elemento resistivo[°K], R la sua resistenza [] e B è la larghezza di banda [Hz].Si nota che, a parità di temperatura e di larghezza di banda, più alto è il valore di resistenza più alta

è Vn2. Pertanto per diminuire l'impedenza pelle-elettrolita occorre strofinare interamente l'area di

pelle sottostante l'elettrodo con acetone o alcool e, se ciò risulta insufficiente, grattare la pelle oscarificarla con un ago di siringa spuntato che viene anche utilizzato per depositare la parteconduttrice tra pelle ed elettrodo.

POSIZIONAMENTO E CONNESSIONI DEGLI ELETTRODI

La disposizione degli elettrodi sulla volta cranica ed il loro numero dipende naturalmente da ciò chesi vuole studiare, ma, onde facilitare lo scambio di informazioni tra diversi laboratori e statoadottato un sistema standard.Esso ha i1 nome di "Sistema internazionale 10 20" perché, onde ovviare alle diverse dimensionidel capo nei vari soggetti, gli elettrodi vengono posti a distanze proporzionali standard del 10 e/o20% lungo l'ipotetica linea sagittale che collega l'Inion (l'osso duro della nuca) al Nasion (ladepressione al ponte del naso) e lungo quella trasversale che collega le due depressioni auricolari.Gli elettrodi sono contrassegnati da una lettera ed un numero. Le lettere si riferiscono alle diversearee cerebrali: P per parietale, O per occipitale, F per frontale, T per temporale e C per centrale. Inumeri associati, divisi in pari e dispari, indicano invece, sia la lateralizzazione (i pari sull'emisferodestro e i dispari su quello sinistro) che il grado di spostamento dalla linea mediana.Il punto di intersezione tra le due linee rappresenta i1 centro della sommità del capo chiamato"vertice" ed e indicato convenzionalmente con Cz.




TIPI DI PRELIEVO

I segnali cerebrali prelevati sullo scalpo vengono inviati, mediant e gli elettrodi, ad amplificatoridifferenziali, ognuno dei quali ha due ingressi, uno invertente (-) e l'altro non invertente(+).Pertantogli elettrodi vengono utilizzati a coppie, in modo da costituire delle derivazioni che possono esseresia unipolari che bipolari.In realtà esistono tre tipi di prelievo:

l)- unipolare; 2)- bipolare; 3)- media.

Nel primo tipo, per ogni coppia di elettrodi, uno è posto su un area elettricamente attiva ed ecollegato al morsetto (+) dell'amplificatore, l'altro su un area relativamente inattiva ed e un ingressocomune per tutti gli amplificatori (è collegato al morsetto (-) dell'amplificatore).Il prelievo unipolare, che è in genere il più utilizzato, prevede la registrazione di segnali generatinelle strutture più profonde del cervello e pertanto l'elettrodo dovrebbe essere localizzato nel puntodi massimo potenziale relativo alla sorgente considerata.Nel prelievo bipolare entrambi gli elettrodi di ogni coppia sono posti su regioni dello scalpoconsiderate elettricamente "attive": il segnale registrato è quello proveniente dagli strati esterni dellacorteccia cerebrale, in quanto i potenziali generati da sorgenti più profonde vengono considerati dimodo comune dall'amplificatore differenziale.In generale, diversamente da quanto si creda, la registrazione bipolare dà risultati più localizzati diquella unipolare e viene per questo comunemente usata in clinica per la ricerca di focus epolettici.Nel terzo tipo tutti gli elettrodi "attivi" sono connessi, ad un singolo punto, tramite dei resistori diugual valore, questo punto è usato come riferimento comune a tutti gli elettrodi e ed e connesso almorsetto invertente di tutti gli amplificatori differenziali adoperati. Tale derivazione è peròraramente usata per la registrazione dei potenziali evocati.



Midfrontal reference Right ear referenceLeft ear reference

ref

5 V

-

+

0 100 200 300msec




Registrazione ed Elaborazione del Segnale

AMPLIFICATORI E LORO CARATTERISTICHE

Gli amplificatori biomedici utilizzati per le misure devono avere caratteristiche adeguate a quelledel potenziale evocato e, nello stesso tempo, eliminare o attenuare al massimo i contributi dellecomponenti di origine endogena (ad es., l'EMG) e delle interferenze di origine estranea, che sonoincorrelati al PE6.I PE9 hanno ampiezze dell'ordine di 1 10 V, e pertanto è richiesto un guadagno notevole (valoritipici 10.000 20.000), oltre ad un elevato rapporto di reiezione di modo comune (valori tipici).Ogni amplificatore deve avere un'impedenza d'ingresso molto alta, affinché il PE sia presentato alsuo ingresso senza attenuazione. Essa deve essere almeno cento volte maggiore dell'impedenzamisurata tra la coppia di elettrodi collegati all'ingresso dell'amplificatore per avere un'attenuazionedel PE contenuta entro l'1%. Poiché l'impedenza tra ogni coppia di elettrodi posti sul cuoiocapelluto deve essere non superiore a 5 10 K, quella d'ingresso dell'amplificatore differenzialedeve essere non inferiore a 1 Mper non caricare il generatore bioelettrico. D'altra parte,un'impedenza d'ingresso troppo elevata (5 10 M o più) può essere causa della presenzaall'uscita dell'amplificatore di interferenze indotte che possono mascherare, anche se soloparzialmente, il segnale utile.Un'altra caratteristica essenziale di questi amplificatori differenziali è un elevato rapporto di reie-zione di modo comune (CMRR) per sopprimere i segnali cosiddetti "in fase", cioè presentiidenticament e e contemporaneamente ad entrambi i morsetti d'ingresso, quali l'interferenza dellarete a 50 Hz ed altri segnali bioelettrici (ad es. l'ECG).Il valore del CMRR dipende dalla frequenza del segnale ed è tanto più elevata quanto più sonosimili le impedenze degli elettrodi connessi all'ingresso di ogni amplificatore. Infatti, dette Z1 e Z2

tali impedenze e Zi quella d'ingresso dell'amp lificatore, il mass imo CMRR ottenibile è:

Max CMRR

2

1 2

Z

Z Zi

Per ottenere una registrazione esente da rumore con valori del CMRR minori, occorre un maqgiornumero di stimolazioni prima di effettuare la media.Per quanto riguarda la banda passante, i valori della frequenza di taglio inferiore di quella superioresono in genere fissati rispettivamente a 0.005 Hz e 100 Hz.La massima componente spettrale significativa di un potenziale evocato corticale è compresa entro i60 Hz, quindi una banda passante più stretta sarebbe migliore, in quanto si otterrebbe un aumentodel rapporto S/N, dove N si intendono anche eventuali segnali fisiologici indesiderati, come l'EMG.Ma con una banda passante minore l'effetto della distorsione di fase diviene già significat ivo ad unvalore di frequenza minore rispetto al caso in cui la banda e più larga.E' noto che, utilizzando ad es. una frequenza di taglio superiore di 30 Hz, parecchie componentispettrali del PE al di sotto di 30 Hz subiscono un ritardo di fase (oltre ad un'attenuazione per quellepiù vicine a 30 Hz). Quindi la scelta di un tale valore della frequenza superiore è sconsigliabile,soprattutto se si intende affrontare uno studio sulle variazioni di fase del PE.Comunque, il ritardo di fase si riflette nel dominio del tempo come un ritardo nel segnale (se essoha componenti spettrali interessate dal ritardo di fase) che è tanto più elevato quanto maggiore e ilnumero dei poli equivalent i dall'amplificatore, cioè quanto più rapida è la pendenza ("roll off") dellacurva del modulo della risposta in frequenza dell'amplificatore.



Infatti, si nota che, a parità di frequenza di taglio superiore, una pendenza di 24 dB/ottava (= 80dB/decade), equivalente a 4 poli, provoca un ritardo temporale del PEV di 3 4 msec. in piùrispetto ad una pendenza dl 6 dB/ottava (= 20 dB/decade) equivalente ad un polo.




Analisi dei segnali di stimolazione ed analisi delle risposte e vocate mediante la tecnica dellamedia correlata

La singola risposta evocata registrata dallo scalpo raggiunge un'ampiezza massima dell'ordine di 10 20 V per cui lo stesso EEG spontaneo, la cui ampiezza è dell'ordine di 100 microvolts,è quindiun rumore al pari degli artefatti da movimento già ricordati a proposito del potenziale elettrodico.Nei potenziali evocati la tecnica di estrazione del segnale utile più usata è la media correlata, checonsiste nell'estrarre il PE dalla media aritmetica di un certo numero di risposte evocat e.Questa tecnica si basa sulla possibilità di stimolare il sistema senza alternarne le caratteristicheinterne e per avere un certo numero di risposte eguali fra loro.Le assunzioni principali sono quindi che:

- le risposte siano rispettive e sempre morfologicamente eguali fra loro;- il rumore, e quindi anche l'attività EEG spontanea, sia completamente incorrelato col segnale utile.In certi casi queste assunzioni sembrano essere ben soddisfatte.Il circuito usato per questo tipo di misurazioni è quello riportato in figura.

La media correlata

Come detto la tecnica della media correlata permette l'estrazione del segnale utile da un rumore,anche molte volte maggiore del segnale stesso, come nel caso in esame.Tale tecnica si avvale della ridondanza di informazioni inerent i ad un segnale ripetitivo.

Sia f(t)=S(t) + R(t) il segnale prelevato, con

S(t) = segnale utileR(t) = rumore medio

Sommando i singoli brani seguent i uno stimolo :

con N = numero di stimoli, quindi di brani.

Si noti che S ti( ) si è sempre sommato in fase con se stesso, per cui si puo dire che

S N S tii

n

1

( )

Ora

R t R t R t R t N R tii n ( ) ( ) ( ) ..... ( ) ( )12

22 2


n

iii

n

ii tRtStf

11

)()()(


solo se R(t) è del tutto incorrelato con S(t) e quindi con lo stimolo. Infatti la potenza mediaassociata al rumore è

Lo sviluppo del quadrato comporta termini quadratici e termini incrociati. Questi ultimi, se R(t) èdel tutto incorrelato con S(t) e quindi con lo stimolo sono uguali a 0, perciò

Da quanto detto si evince facilmente che il rapporto segnale rumore

(singolo brano) < (M brani)

ed in particolare dopo N somme il rapporto migliora di N. Tutto si regge se il segnale utile èripetitivo ed il rumore è incorrelato; per esempio N=35, S/N migliora di 6 volte.



2)(i i tR

)()()( 22tRNtRtR ii ii i

1/ NS mNS /


IL SISTEMA ACUSTICO

In una schematizzazione di prima approssimazione, il sistema auditivo puo essere suddiviso in dueparti: la parte meccanica e la parte nervosa (Fig. 1).

STIMOLO PARTE

MECCANICA

INSIEME DI SEGNALI PARTE

NERVOSA

SENSAZIONE

Fig. 1 - Suddivisione nel sistema nella parte nervosa e nella parte meccanica

La parte meccanica risulta divisa a sua volta in orecchio esterno, orecchio medio ed orecchiointerno.Si chiama orecchio esterno la parte che arriva fino alla. membrana del timpano, orecchio medioquello compreso fra la membrana del timpano e la membrana della finestra ovale, infine orecchiointerno quella costituita dalla coclea (Fig. 2).

STIMOLO

ACUSTICO

ORECCHIO

ESTERNO

ORECCHIO

MEDIO

ORECCHIO

INTERNO

PARTE MECCANICA

INSIEME

DI SEGNALI

Fig. 2 - Parte meccanica del sistema acustico

La parte nervosa può essere suddivisa nelle tre seguenti: parte nervosa periferica, cosituita dallecellule ciliate e dal ganglio spirale, parte nervosa centrale, costituita da un certo numero di nucleiintermedi e dalla area udutiva della corteccia cerebrale, parte nervosa efferente, costituita da fibrenervose che formano linee di retroazione rispetto alla linea di andata, afferente, che va dalla partemeccanica verso la corteccia cerebrale.La parte efferente è costituita da due separati gruppi di fibre: uno agisce sulle cellule ciliate, l'altroagisce sulla parte meccanica mediante due muscoli, il tensore del timpano ed il muscolo stapedio.Questa seconda linea di reazione ha il solo scopo di controllo sulla ampiezza dei segnali, ed entra ingioco per intensità di stimolo di alcune decine di dB sopra la soglia percettiva della personanormale.Lo schema generale del sistema acustico e illustrato in fiqura 3.

Funzionamento della parte meccanicaIl segnale di entrata è costituito dalla pressione, P te( ) , all'iniz io del meato esterno.L'orecchio esterno non sembra svolgere funzioni particolari nell'elaborazione delle informazioni,avendo molto probabilmente il solo compito di contribuire alla localizzazione spaziale dei suoni.



L'onda di pressione agisce sulla membrana del timpano, dove abbiamo la pressione P tt( ). Mediante

la catena degli ossicini, martello, incudine e staffa, la pressione P tt( ) provoca uno spostamentodella membrana della finestra ovale. Si preferisce cons iderare come segnale in questo punto lospostamento volumetrico della membrana della finestra ovale, V tst( ) , piuttosto che i suoispostamenti lineari, sia perché questa grandezza varia da punto a punto della membrana, sia perché,per quanto riguarda i fenomeni che avvengono nella coclea, si può ritenere che la grandezzasignificativa è appunto lo spostamento volumetrico.L'orecchio medio svolge essenzialmente il compito di adattatore di impedenza in quanto èaliment ato da un bipolo pneumatico a bassa impedenza di uscita, dovuto al fatto che il meatoesterno è riempito d'aria, e a sua volta alimenta la coclea avente un'alta impedenza d'entrata, dovutoal fatto che è riempita dal perilinfo.In base a misure sperimentali di Von Bèkesy, Flanagan ha calcolato la seguente funzione ditrasferimento esistente fra gli spostamenti volumetrici alla membrana della finestra ovale e lapressione sul timpano:

G sV t

P t

K

s a s a bst

t1

12 2

( )( )

( ) ( ) ( )

con b = 2a = 2 1500 rad/sec e K a a b12 2 ( )

0

-10

-20

-30

-40

-50

AmpiezzaFase

0

-80

-160

-240

-32060 100 200 600 1000 4000 f[Hz]

Fig. 4

Sfasamento in graditra lo spostamentodella staffa e la pressione sul timpano

Ampiezza relativadello spostamento volumetricodella staffa

in dB

Fig. 4

Dopo la catena degli ossicini vi è la coclea, con struttura a chiocciola, costituita dall'insieme dei duecondotti, la scala vestibolare e la scala timpanica, ripieni di un fluido, il già citato perilinfo, ecollegati da un foro detto elicotrema.La scala timpanica termina ad un'altra membrana relativa alla finestre rotonda. Fra le due scale,vestibolare e timpanica, vi è la membrana basilare. Gli spostamenti della membrana della finestraovale provocano degli spostamenti della membrana basilare, in direzione perpendicolare al piano da




essa individuato, diversi in generale in base alla distanza dalla finestra ovale del punto dellamembrana basilare preso in considerazione.Alla membrana basilare fa capo il sistema nervoso acustico che invia, dopo una opportuna codifica,1e informazioni contenute nello stimolo al sistema nervoso centrale il quale ne opera ilriconoscimento.

Codificazione neurale

La tappa successiva dei fenomeni uditivi è quella della trasmissione ai centri dei suoni analizzatidalla coclea in un codice cioè in un linguaggio adeguato alla quantizzazione dei suoi parametri(intensità ed altezza).I patterns di risposte selettive per frequenza sono determinati non soltanto da fibre specifiche maanche dalle modalità di trasmissione e dalla cadenza degli impulsi nervos i nella fibra stessa.A valle della coclea il nervo deve trasmettere in direzione dei centri un'informazione codificata. Iparametri che caratterizzano il messaggio sonoro da trasportare e che devono essere codificati sonol'altezza e l'intensità dei suoni puri, dei suoni complessivi e dei rumori.La differenziazione tonotopica periferica deve necessariamente postulare che ad ogni elementoneurosensoriale specializzato in frequenza lungo la partizione cocleare corrispondono una o piufibre nervose dotate di altrettanta particolare selettività per quella data altezza tonale.Quando l'eccitazione a livello simpatico raggiunge l'intensità necessaria per la partenza dell'impulsonervoso dopo un periodo di latenza di 0,7 m sec la fibra risponde con la nota legge del tutto o nulla,dando luogo alla scarica neurale.Per la trasformazione dei parametri di altezza e di intensità il nervo cocleare dispone di varimeccanismi: fibre selezionate in frequenza, variazione della cadenza degli impulsi e variazione delnumero di neuroni messi in funzione.Per trasmettere un suono, le fibre collegate alla zona impegnata della membrana basilare possonoessere specializzate per quella frequenza e quindi trasmettere il carattere di altezza ai centri.Bisogna tener conto che le fibre non possono battere ad un ritmo superiore a 600 impulsi alsecondo. Le cose diventano ancor più complesse per toni superiori a 1000 Hz poichè la fibra uditivaobbedisce necessariamente ai fenomeni del periodo refrattario, che è dell'ordine di circa 1/1000 alsecondo.La Volley theory cerca di superare questa obiezione, ammettendo che le fibre del nervo cocleare perfrequenza superiori a 1000 Hz si sfasino in più gruppi, capaci di battere a ritmi inferiori allafrequenza richiesta. Questi gruppi di fibre, dotati di diversa soglia di eccitazione per la stessafrequenza, entrerebbero in attività in tempuscoli successivi, realizzando un funzionamento alternatodei neuroni attivi e di quelli reattivi, in modo che nell'insieme tutto il nervo batta alla frequenzavoluta.



Onda sinusoidale

Fibra a

Fibra b

Fibra c

Fibra d

Fibra e

Somma delle scariche a - e

Fig. 5Fig. 5

Secondo la Volley theory 1a frequenza verrebe allora tradotta nella cadenza ossia dal ritmo dellebattute con gli sfasamenti descritti ed il parametro intensità invece dall'aumento del numero di fibreimpegnate, cioè dal numero globale di battute al secondo.Date le numerose lacune di queste ipotesi, sembra più sostenibile che la frequenza sia rappresentataattraverso la specificità delle fibre, selezionate in base al loro terminale cocleare,mentre la codificazione del parametro di intensità sarebbe affidata alle variazioni del numero difibre neurali eccitate, e per un campo limitato, anche da cambiament i di velocità di scarica dellesingole fibre.La sensazione finale che il cervello percepisce dipende quindi dal numero e dal tipo dei neuroni chericevono e trasmettono gli impulsi, oltre che dalla rapidità di successione nel tempo di questi.

Stimolazione cocleare per via osseaSe si porta il piede di un diapason vibrante a pochi mm di distanza dal vertice del capo, si avverteun netto aumento della percezione sonora al momento in cui il metallo tocca il cranio.Questo aumento della percezione sonora è dovuto alla trasmissione dell'onda per via cranica. L'ondasonora agisce con identico meccanismo sia che segna la via cranica sia che venga trasmessaattraverso la catena degli ossicini.Unica causa dell'eccitazione, in entrambi i casi, è lo spostamento della membrana basilare prodottodal movimento dell'endolinfa. Nel caso della trasmissione per via cranica, le oscillazioni delcontenitore osseo sottopongono i liquidi cocleari, per frequenze superiori a 1600 Hz, a pressionialternate.I due versanti del canale cocleare dovrebbero quindi essere sollecitati nella stessa misura, ma la fasepositiva dell'onda sonora provoca uno sganciamento verso il basso della membrana basilare, propriocome nella audizione normale, dato che la finestra rotonda presenta una resistenza relativamenteminore della finestra ovale.La membrana della finestra rotonda o timpano secondario si estofletta nell'orecchio medio epermette alla membrana di muoversi verso il basso, determinando una stimolazione adeguata dellazona dell'organo di Corti sovrastante.




Trasferimento ai centri del segnaleQuesto tipo di organizzazione specifica è in un certo senso un'astrazione poiché l'analis i delleafferenze sensoriali, i loro rapporti con l'attività "in condizioni correnti" degli altri sistemisensoriali, l'accumulo dei dati e il confronto con altri elementi già esistenti nella memoria, nonché lacomposizione di un'azione di risposta adatta, coinvolgono certamente una gran parte del sistemanervoso centrale.Perciò le regioni che ricevono la maggior parte delle loro afferenze dell'ottavo nervo o attraverso icorrispondenti realis centrali dell'attività dell'ottavo nervo, verranno classificate come strutturespecifiche udutive.Questa definizione esclude dal sistema uditivo quelle aree del cervello che ricevono l'afferenzauditiva in mezzo a molte altre, anche se, dal punto di vista generale del comportamento, questi tipidi regioni potranno avere un ruolo importante nei fenomeni prodotti dalla stimolazione uditiva.Una caratteristica importante di questo sistema e che esso non è semplicemente disposto in serie,ma piuttosto in una combinaz ione serie parallelo. Ne risulta che non si può' a livello centrale del sistema des ignare alcun elemento come di"second'ordine" o di " terz'ordine" ecc.Un'altra caratteristica è che la membrana basilare è rappresentata più volte a ciascun "livello" delsistema.Si devono mettere in evidenza anche altri due punti. Primo, i successivi stadi del sistema sonoorganizzati in serie parallelo non soltanto in senso afferente, ma anche in senso efferente.Secondo, esiste un collegamento tra elementi del sistema uditivo, sia direttamente che per mezzo dicollaterali.

livello della pressionesonora

dB rif 2 10 5 N m/ 2

Fig. 7 - Campo di udibilità nell'uomo



Sensibilità dell'orecchio e campo delle frequenze udibili

L'orecchio umano e in grado di udire suoni da una frequenza di circa 20 Hz fino a circa 20 kHz. Sesi riduce la potenza di una sorgente sonora gradualmente, il suono diventa tanto debole da nonessere più percepito. Esiste cioe una soglia di udibilita; questa puo essere definita come il valore dipressione sonora minimo che (all'aumentare della potenza della sorgente) è capace di destare laprima sensazione uditiva. In fig.l3 è riportato l'andamento medio della soglia uditiva per toni purinegli individui giovani adulti otologicamente "normali". La curva di soglia dipende fortemente dallafrequenza; la sensibilità dell'orecchio è massima a circa 3000 Hz. Essa si riduce molto a bassafrequenza; infatti a 20 Hz è necessario un livello della pressione sonora di circa 70 dB rif.

2 105 2 N m/ per far nascere la prima sensazione uditiva.Un certo aumento della soglia, sebbene non cos i' grande, si ha pure alle frequenze maggiori di 3000Hz.Quando la potenza di una sorgente sonora viene aumentata gradualmente, si raggiunge quella che ènota come soglia del dolore. A livelli della pressione sonora di circa 120 dB rif. 2 105 2 N m/si avverte una sensazione fastidiosa che, per un livello di 140 dB a 1000 Hz, diviene una vera epropria sensazione di dolore.La curva di soglia del dolore varia meno con la frequenza rispetto alla soglia di udibilita. Agliestremi della banda di frequenze udibili la sensazione tende a mescolarsi con sensazioni nonpropriamente uditive. Infatti suoni, o meglio infrasuoni' di 1 2 Hz di intensità elevata destano unasensazione di tipo tattilo e una sensazione uditiva dovuta alle armoniche generate nell'orecchiostesso e non presenti nella sollecitazione originaria. Ciò perchè l'apparato dell'udito, sovraccaricatoda suoni intensi, non si comporta linearmente per cui, come accade in un qualsiasi trasduttore nonlineare, la risposta è distorta. Questo fatto è rilevabile anche dai potenziali microfonici cocleari.




Esame critico sull'utilizzo di Potenziali Evocati EEGEsempio di alcuni problemi inerenti la valutazione della funzione uditiva

Marcello Bracale

Advanced in Biological Psychiatry - Vol. 6 pp. 154-164 (1981)

Introduzione

Il nostro cervello è collegato al mondo esterno attraverso gli organi sensoriali che agiscono datrasduttori di conversione di energia fisica, come quella presente nelle onde sonore o luminose, inuna serie di impulsi trasmessi lungo le fibre nervose al cervello stesso. L'intensità o l'ampiezza dellostimolo sensoriale è codificato o rappresentato come frequenza di ripetizione degli impulsi. Ilsistema acustico, per esempio, può essere schematicamente rappresentato come in fig. 1:

Figura 1: Schema a blocchi del sistema acustico.

La parte meccanica è costituita dall'orecchio esterno, dall'orecchio medio e da quello interno.Mentre questo blocco è sufficientemente individuato, molti sono, invece, i punti da chiarire neiprocessi che avvengono negli altri due blocchi.Il legame funzionale tra l'uscita e l'ingresso si manifesta attraverso le sensazioni dei suoni. Questesensazioni vengono normalmente valutate soggettivamente attraverso adeguate prove psico-fisiche.Una di queste porta alla determinazione dell'audiogramma soglia-frequenza. Trattasi in genere dimisure che, anche se fatte con sufficiente precisione e stabilità, tali da permettere utili interazionicon le osservazioni medico- fisiologiche, pur tuttavia sono, alle volte, limit ate sia per lacaratteristica di soggettività, sia per numerose incertezze. Queste ultime possono scaturire da moltifattori direttamente o indirettamente connessi alla funzione sensoriale, come ad esempioallenamento alla prova, emotività, affaticamento, adattamento, rumore di fondo, tecnica dellamisura e così via. E' pertanto sempre maggiormente sentita l'esigenza di tecniche alternative oquanto meno complementari che eliminino la soggettività delle valutazioni. Questa condizionediviene categorica quando il soggetto è nella impossibilità di comunicare (neonati, muti, ecc.).In queste tecniche oggettive, la misura cerca di determinare le risposte che siano rappresentative diparticolari variabili fisiologiche dipendenti dalla funzione uditiva. In particolare ci si può riferirealle modificazioni che subisce l'EEG quando il soggetto riceve stimoli di breve durata e ripetitivi.Da queste misure è nata la tecnica di valutazione della funzione uditiva, basata sull'analisi deiPotenziali Evocati Acustici (P.E.A.).

Es istono, attualmente, in commercio vari apparati che consentono la determinazione di questipotenziali evocati (ERA). Molti però sono i problemi connessi ad una tale metodica. Nel presentelavoro si intende ricordare quelli più importanti, mettendo in luce anche alcune complicazioni che,connesse direttamente ai meccanismi neurofisiologici di base, necessitano di ulterioriapprofondimenti prima di poter affermare incondizionatamente la validità della metodica ricordata.


Parte Meccanica

ParteNervosa

TrasduttoriMeccano-Elettrici


Trasmissione attiva e passiva dell'informazione nel sistema cerebrale

Nel cervello, come per altre parti dell'organismo vivente, il flusso di informazione è dovutoessenzialmente a processi elettrochimici che vengono ad interessare cellule e neuroni con differenticomponenti, inclusi assoni, sinapsi, dendriti, ecc.. La trasmissione di informazione che avviene inqueste strutture può essere denominata attiva.Il corpo in generale, o una parte di esso in particolare, può essere considerato, dal punto di vistadella conduttività elettrica, come un volume conduttore che può essere o non essere isotropico edomogeneo in termini conduttivi. Tenendo presente queste caratteristiche e nell'ipotesi che il cervelloed i suoi tegumenti siano conduttivi, è possibile descrivere la testa come un volume conduttorenon-omogeneo e probabilmente anisotropo di estensione finita con sorgenti elettriche contenute alsuo interno. I punti elettricamente attivi generano correnti elettriche nel mezzo o nei mezzicircostanti. Se queste correnti attraversano in un mezzo di conduttività finit a, esse generano uncampo di potenziale nel volume conduttore. Attraverso una tecnica adeguata di prelievo, è possibileregistrare questi potenziali risultanti. Quando i due elettrodi di prelievo si trovano su linee iso-potenziali diverse allora i potenziali generati da queste correnti rappresentano la trasmissione diinformazioni dal sito attivo all'osservatore. In questo caso abbiamo un tipo di trasmissionedell'informazione di tipo passivo.La distinzione tra trasmissione attiva e passiva vuole significare che l'attività passiva non avviene incorrispondenza di strutture elettricamente attive, ma altrove nel volume conduttore. Queartadistinzione deriva dalla distribuzione di campo dovuta ai generatori ed alle caratteristicheconduttive del mezzo nel quale l'informazione si propaga.

La conduzione nel volume della testa

Se consideriamo un solo biogeneratore EEG, con particolari ipotesi, possiamo immaginare latensione prelevabile e(j) come quella all'uscita da una rete a due parti che rappresenta il volumeconduttore non omogeneo della testa (fig.2), dove i(j) è il segnale di ingresso nel dominio dellafrequenza, e(j) è il segnale di uscita e A(j) è la funzione di trasferimento.

Figura 2: Rete a due parti rappresentante il volume conduttivo non omogeneo della testa.

Nell'ipotesi che sia valido per questa rete il principio di sovrapposizione, vuol dire che la rete operain regime lineare, nel senso che le componenti armoniche all'uscita sono tutte quelle che ritroviamoall'ingresso. Nella realtà, però, accade che si ha a che fare con un sistema ad n-dimens ioni cherappresenta, in un punto di arbitrario di prelievo P1 l'uscita dovuta ad n-sorgenti distinte (siti attivi)nel cervello (fig.3).




Figura 3: Sistema n-dimensionale rappresentante i siti attivi all' interno del cervello ed un punto arbitrario di osservazione P1.

(Sorgenti cerebrali, Volume conduttore non omogeneo, Punto di osservazione o di prelievo)

Per questo sistema il segnale di uscita che si preleva in P1 può essere descritto come:

e1(j) = A1(j) i1(j) + A2(j) i2(j) + ... + An(j) in(j) (1)

Poiché tutte le sorgenti sono distribuite all'interno del cervello, ognuna fissata in una particolareposizione (correnti localizzate in determinati punti anatomici), il segnale di uscita e1(j) sarà ilrisultato del principio di sovrapposizione spaziale delle singole sorgenti. Ciascuna sorgentecontribuisce al segnale di uscita con un fattore peso determinato dalla propria funzione ditrasferimento. E' chiaro che oltre questa sommazione spaziale, è sempre presente sovrapposizionetemporale dovuta al fatto che la singola sorgente può essere rappresentata da una serie diarmoniche:

ii(j) = K1 f(j) + K2 f(2j) + ... + Km f(mj) (2)allora:

e1(j) = i=1,n ei(j) = i=1,n Ai(j) ii(j) = i=1,n Ai(j) [K1f(j)+K2f(2j)+...+Kmf(mj)] (3)

Bisogna considerare che le n funzioni di trasferimento sono dipendenti da un numero di variabili; adesempio la funzione di trasferimento Ak(j) dipende sia dalla posizione della sorgente K, sia dalpunto di prelievo, sia dal mezzo all'interno del volume conduttore non omogeneo.Si può comprendere, dunque, come il problema sia notevolmente complesso per poter ottenerel'individuazione dei biogeneratori, che sono in numero elevatissimo all'interno del cervello.Il problema può essere semplificato se ci si accontenta, a livello di modello e di misure in vitro, o invivo, di localizzare solo un numero finito di sorgenti di caratteristiche note, prelevandol'informazione in punti prefissati.E' chiaro che la limitazione risiede nel numero decisamente piccolo delle combinazioni possibili disorgenti - punti di prelievo. Accanto a questo approccio modellistico, sembra però, in linea diprincipio, che sia possibile avere alcune importanti informazioni anche dalle misure dirette, sevengono stabiliti in modo standard i punti di prelievo e se vengono in qualche modo selezionate lesorgenti dei bioritmi. Il potenziale evocato sembra poter giocare un ruolo fondamentale in questemisure. Infatti attraverso una stimolazione opportuna, in adeguati punti di ingresso periferico, sipossono eccitare determinati biogeneratori a livello centrale, aventi localizzazioni anatomichesufficientemente individuate. Inoltre la tecnica della media correlata, che consente di determinare ilpotenziale evocato, permette di eliminare tutta la rimanent e attività derivante da altri generatori, noncorrelati con l'eccitazione indotta. Attraverso, dunque, l'analisi di potenziali evocati, si ha, in lineadi principio, la possibilità di selezionare i punti di prelievo per registrare un'attività derivante da benlocalizzati generatori.



Attività spontanea

La testa umana può essere rappresentata schematicamente come in fig. 4, dove sono raffigurati idiversi strati di strutture che avvolgono il cervello. A causa delle interfacce esistenti fra il cervello elo strato liquido cerebrospinale, fra questi e la parte ossea, e fra questa e lo scalpo, si passa,procedendo radialmente dal centro alla superficie della testa, attraverso interfacce di resistenzarispettivamente alt a-bassa, bassa-alta, alta-bassa; la deviazione nei percorsi esterni rispetto a comeessi sarebbero in un volume conduttore omogeneo, non è così grave come sarebbe se tutte leinterfacce fossero del tipo alt a-bassa. La presenza della parte ossea caratterizzata da un'elevatares istenza, migliora però la conduzione nel volume conduttore costringendola verso quella di tiporadiale laddove invece la fascia di liquido cerebrospinale, con la sua bassa res istenza, tenderebbe arendere la conduzione di tipo tangenziale.

Figura 4: Gli strati strutturali della testa umana.

Da misure effettuate in vivo ed in vitro (Hoes, 1970), è stato messo in luce che, più vicina è lasorgente alla superficie, maggiore è la corrente radiale e quindi maggiore è la differenza dipotenziale registrabile nel punto.Immaginiamo una linea radiale che si estenda dalla sorgente alla superficie dello scalpo. Il punto incui questa linea interseca la superficie dello scalpo rappresenta il punto dello scalpo più vicino allasorgente e quindi fornisce un punto di riferimento unico. Il potenziale sullo scalpo dovuto allacomponente radiale della corrente di sorgenti nel cervello sarà massima in questo punto-riferimentoe diminuirà in punti dello scalpo lontani da tale riferimento. I potenziali maggiori, nel punto-riferimento, sono ottenibili da sorgenti molto vicine alla superficie del cervello; le ampiezze sonoridotte per sorgenti localizzate più in profondità. Per sorgenti posizionate vicino alla superficie delcervello, il potenziale diminuirà molto più velocemente allontanandosi dal punto-riferimento delpotenziale dovuto a sorgenti poste più in profondità. E’ il ritmo al quale il potenziale diminuiscerispetto alla distanza sulla superficie dello scalpo che determina l'ampiezza delle differenze dipotenziale che possono essere misurate con tecnica bipolare. Una coppia di elettrodi bipolarimisurerà una differenza di potenziale maggiore, in vicinanza del punto-riferimento, a causa di unasorgente a livello corticale che di una a livello talamico. Però, a causa del ritmo di diminuzione delpotenziale, la stessa coppia bipolare può misurare una differenza di potenziale maggiore per lasorgente talamica che per quella corticale a punti relativamente distanti dal riferimento (9 cm o più).

Oltre a questi effetti dovuti alla posizione della sorgente, ai fini della distribuzione di potenziale, sidevono ancora tener presenti quelli secondari, ma non trascurabili, derivanti dalla natura non




omogenea della testa. Ad esempio, l'aumento dello spessore o della resistività di uno degli strati checircondano il cervello comporta una riduzione del potenziale dello scalpo e viceversa.Da quanto si è detto, scaturiscono implicazioni pratiche, in quanto l'attività prelevata dagli elettrodiposti in corrispondenza della zona di una sorgente corticale può essere contaminata dalla attivitàdovuta ai biogeneratori distanti dal punto di prelievo. Tale attività può divenire predominante se glielettrodi vengono distanziati ulteriormente.Per questi motivi, elettrodi molto vicini dovrebbero essere usati in registrazioni di sorgenti a livellocorticale, mentre elettrodi più distanti sono preferibili per sorgenti più profonde.

Il potenziale evocato

Il potenziale evocato rientra nella classe degli "Event-Related Potentials" (ERP) che rappresentatutto l'insieme di potenziali registrabili in relazione ad un evento di riferimento definibile nel tempo.

I fenomeni elettrofisiologici, che rientrano nella precedente definizione, possono essere suddivisi incinque classi:

1. potenziali evocati sensoriali:a) acusticib) somaticic) vis ivi

2. potenziali motori3. potenziali a lunga latenza relativi a variabili psicologiche complesse4. potenziali lenti (C.N.V.)5. potenziali extracranici

Interessandosi solo alla classe 1.a, si può dire che un'analisi fatta con gli ERP tende a raggiungeretre scopi principali: 1) discernere i potenziali intracranici da quelli di origine extra-cranica; 2)individuare le locazioni anatomiche dei biogeneratori; 3) determinare le relazioni esistenti fra levariazioni degli ERP e l'attività dei biogeneratori.L'aspettativa del potenziale evocato, come si è detto, è quella che, attraverso esso, sia possibile, inlinea di principio, ricevere informaz ioni sullo scalpo da punti di attivazione intracranica o ancorapiù bassi nella catena, e mettere in relazione tali informazioni con compartimenti e stati fisio-patologici e psicologici del soggetto. La localizzazione di questi punti di attivazione è piuttostocritica per quanto si è detto precedentemente in relazione sia alla "diffusione" dovuta al volumeconduttore, sia a zone di associaz ione ad aree primarie di generazione.Il SNC elabora segnali variabili nel tempo che affluiscono da una grande varietà di recettori. Ciòsignifica che, ai fini delle risposte evocate acustiche, lo schema di fig.1 è estremamentesemplicistico per quanto concerne il blocco 3 ed in particolare i legami tra questo ed il blocco 2. Daciò si può dedurre che l'informazione data dal SNC è significativamente modificata da altri blocchied anche dall'ambiente circostante il soggetto. Da quanto detto segue che è importante definire ecercare di quantificare, per quanto possibile, anche le condizioni ambientali e del soggetto durantele misure di potenziali evocati.

In generale lo stato del paziente può essere influenzato dai seguenti fattori:1) ambientali2) fisiologici3) specifici4) psicologici

Tra i fattori psicologici si deve considerare:



4.a) attenzione4.b) vigilanza4.c) abitudine4.d) fatica.

Condizioni di stimolazione

La figura 5 mostra un esempio di PEA registrati con elettrodo di riferimento al lobo dell'orecchio edelettrodo esplorante al vertice e lateralmente a questo del 20% alla distanza vertice-orecchio.Da un punto di vista generale nei potenziali evocati acustici è possibile individuare risposte a brevelatenza (10-80 ms), a media latenza (100-200 ms) ed a lunga latenza (300-500 ms). Generalmente lastimolazione acustica viene effettuata modulando una portante acustica (di tono prescelto) conun'onda quadra di durata t0 e ripetizione t scelta dall'operatore.In merito al tempo t tra uno stimolo ed il successivo, si ricorda che da esso dipende l'ampiezza dellecomponenti N1P2 al crescere della distanza t tra stimoli successivi (fig. 5). Inoltre è stato messo inluce che adottando una presentazione di stimoli irregolari, causale o quasi causale, si ottengonorisposte evocate sempre più ampie di quelle ottenute con una presentazione regolare con frequenzaeguale a quella della condizione casuale (fig. 5).

Figura 5: Esempi di PEA. Scala delle ampiezze: tacche da 7V. Scala dei tempi: tacche da 20 ms. T = 100 t.

Tale diversità nelle ampiezze delle risposte si conserva fino a valori dell'intervallo interstimolo finoa valori di uno stimolo ogni 7-8 secondi. Oltre questo intervallo, le risposte da stimolazione regolareed irregolare presentano uguali ampiezze. L'andamento di punti sperimentali ha suggerito di tentareun'interpolazione mediante una funzione esponenziale:

A = B(1-exp(t/)) (4)

Si è giudicata la bontà di tale approssimazione dall'entità della deviazione standard.Nell'interpolazione si è posto nullo il valore all'origine per la considerazione fisiologica che un tonocontinuo ( t = 0 ) non provoca potenziali evocati. Si deve ancora tenere presente che la curva teoricaai più bassi valori di t perde significato, sia dal punto di vista fisiologico che matematico, perché aldiminuire di t non si può ritenere che il sistema sotto studio sia ritornato nelle condizioni di riposodopo ogni stimolazione.




Al calcolatore, mediante il metodo dei minimi quadrati si sono cercati i valori di B e t cheminimizzavano lo scarto quadratico medio e si è trovato che una curva di questo tipo effettivamenteapprossima in maniera soddisfacente, l'andamento dei punti sperimentali. La curva ottenuta è statanormalizzata al valore massimo per rendere maggiormente confrontabili prove effettuate a distanzadi tempo. Nel seguito si riportano alcuni esempi di tali prove.

Figura 6: Esempio di interpolazione con una funzione esponenziale (4) dei punti sperimentalirilevati dalla zona destra (a) e dalla zona sinistra (b) del soggetto MB.

In figura 6 si può osservare una notevole coincidenza tra i risultati ottenuti dalla zona destra (curvaa) e quella sinistra (curva b) del soggetto MB. I valori ottenuti per i parametri della curva sono: (a) = 1.63 s ± SD 0.3; (b) = 1.82 s ± SD 0.35.

Figura 7: Valori sperimentali interpolati con una funzione esponenziale (4), relativi ad altri test effettuati sul soggetto MB.

La figura 7 mostra la curva ed i valori sperimentali relativi ad altre prove eseguite sullo stessosoggetto in epoche diverse. La curva rappresenta l'andamento medio di tutte le prove eseguite. Daessa si ritrova uniformità nel valore della costante di tempo .



Figura 8: Valori sperimentali interpolati con una funzione esponenziale (4), relativi ad altri test effettuati con altre condizioni di vigilanza.

I risultati di una tale indagine consentono di fare alcune considerazioni: innanzitutto che il tempomedio di presentazioni di 10 secondi tra due stimoli successivi assicura l'indipendenza della rispostadalla frequenza di stimolazione. Questo intervallo di tempo può essere spiegato in terminimetabolici come il tempo necessario per un completo ripristino delle condizioni di eccitabilità dellevarie strutture che intervengono nel processo di formazione della risposta. Il raggiungimento diquesto stato met abolico di riposo, pur nell'eguaglianza formale della legge, segue evoluzionitemporali diverse, anche influendo sull'equilibrio dell'equazione. In particolare potrebbe essereinteressante indagare sulle cause della variabilit à della costante di tempo , al fine di una miglioredefinizione dello "stato" del paziente (fig. 8). L'altra variabile da cui dipendono le caratteristiche di stimolazione è la durata t0 del singoloimpulso. Questa variabile è direttamente legata allo spettro del segnale di stimolazione. Come è noto, lo spettro del "burst" di stimolazione è distribuito intorno alla frequenza della portantesinusoidale con lobi di durata pari a 1/ t0, fatta eccezione per quello centrale la cui durata è 2/ t0.Infatti, stimolando per esempio con tono a 1000 Hz e t0 = 20 ms; l'effettivo ingombro in frequenzadel segnale stimolante è per il lobo centrale di 100 Hz; ciò significa che in realtà il soggetto èstimolato con un contenuto armonico che va dai 900 ai 1100 Hz. Se il tono è a 125 Hz con lo stessovalore di t0, il soggetto in questo caso sarà stimolato con un suono che presenta uno spettro confrequenza variante da 75 a 200 Hz. La tabella I fornisce l'ingombro in frequenza del lobo centraleper valori di t0 che vanno dai 10 agli 80 ms.

t0 , ms 2/ t0 , Hz10 20020 10030 6640 5050 4060 3270 2880 25

Tabella I: Larghezza di banda del lobo centrale corrispondenti a valori di t0 che variano da 10 a80 ms. Tale lobo è quello centrale dello spettro del burst di stimolazione centrato attorno alla

frequenza portante sinusoidale.




Volendo mantenere costante il contenuto armonico, si dovrebbe variare t0, frequenza per frequenza,e, di conseguenza variare l'ampiezza dei burst, per stimolare sempre a parità di energia.

Risulta evidente che tale condizione di scelta però non conviene in quanto appesantirebbenotevolmente il lavoro e renderebbe ancora più laboriosa l'indagine. Allora, considerando chegeneralmente si deve esplorare il campo di frequenze dai 250 ai 6000 Hz, si può scegliere un valoredi t0 costante per tutte le prove, che, anche per la frequenza più bassa, ci dia un ingombropercentuale molto piccolo tale da poter essere trascurato rispetto al tono puro della prova: Un valoredi compromesso del t0 è di 50 ms, con il quale, a 250 Hz, si ha un ingombro percentuale di banda:

(270-230)/250 x 100= 16% (5)

Ultima considerazione da tenere presente ma non per questo meno importante, quando si parla dicondizioni di stimolazione, è il numero delle stimolazioni successive. Come è noto la tecnica delpotenziale evocato si basa sull'impiego della tecnica matematica della media correlata("averaging"). L'impiego della ridondanza della informazione consente di migliorare il rapportosegnale/rumore (S/N) secondo la relazione:

S/N = n (6)

dove n rappresenta il numero degli stimoli e ed N rappresenta il rumore; si comparano tutti isegnali che sono in relazione di fase fissa con lo stimolo stesso. L'attività spontanea è anch'essa unaparte di questo "rumore". Dall'andamento della relazione si ricava che per ottenere dei considerevolimiglioramenti di S/N si dovrebbe impiegare un grande numero di stimoli. Ciò ovviamente è incontrapposizione con aspetti pratici e fisiologici. Questi ultimi in particolare potrebbero fareintervenire condizioni di affaticamento del soggetto. Una tale evenienza quanto meno farebbecadere l'ipotesi fondamentale che il segnale evocato rimanga sufficientemente stazionario durantel'intero tempo di analis i. Il numero pratico di stimoli in genere non deve superare il centinaio. Ciòconsente di ottenere un miglioramento di S/N al massimo 10 volte. Da ciò discende quindi lanecessità di miglioramenti tecnici preliminari del rapporto S/N.


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