Peter Van Hese © 2008 Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit werk mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de auteur. All rights reserved. No part of this work may be reproduced, stored in a database or retrieval system, or published, in any form or in any way, electronically, mechanically, by print, photoprint, microfilm or any other means without prior written permission form the author.

Detectie en analyse van epileptische hersenactiviteit in het elektro-encefalogram Peter Van Hese Prof. dr. I. LemahieuProf. dr. ir. J.-P. Martens promotoren

3 Methoden voor de automatische analyse van epileptische hersensignalen zijn bijna onmisbaar Visuele inspectie van het EEG vergt veel tijd, is saai en introduceert makkelijk fouten voorbeeld: markeren van epileptische hersenactiviteit in lange- termijn EEG’s Noodzaak  voor 26 dagen EEG: totale duur analyse (8u/d, 5d/week)  5 weken ! visuele analyse door expert van 3 u EEG duurt ± 1 u

4 Bijdrage proefschrift: twee nieuwe methoden die de analyse van epileptische EEG’s aanzienlijk vereenvoudigen 1 Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG 2 Detectie van ‘Spike and Wave Discharges’ in het EEG van GAERS ratten Kernboodschap

5 Overzicht Situering: elektrische hersenactiviteit en epilepsie 1 e nieuwe methode: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG 2 e nieuwe methode: Detectie van ‘Spike and Wave Discharges’ in het EEG van GAERS ratten Overzicht

6 Situering: elektrische hersenactiviteit en epilepsie ‣ Elektro-encefalografie ‣ Epilepsie ‣ GAERS ratten ‣ EEG & epilepsie » Epileptische hersenactiviteit » EEG-bronlokalisatie 1 e nieuwe methode: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG 2 e nieuwe methode: Detectie van ‘Spike and Wave Discharges’ in het EEG van GAERS ratten Overzicht

7 De hersenen bestaan uit neuronen die communiceren d.m.v. elektrische en chemische signalen dendrieten cellichaam axon postsynaptische stroom synaps axon synaps Situering: elektro-encefalografie

8 Het elektro-encefalogram is een registratie van de elektrische hersenactiviteit d.m.v. elektroden tijd (s) Situering: elektro-encefalografie

9 Epilepsie is een neurologische aandoening gekenmerkt door overmatige elektrische hersenactiviteit 0,5 – 1% van de bevolking lijdt aan epilepsie Er bestaan 2 soorten epileptische aanvallen: ‣ Gegeneraliseerde aanvallen, b.v. absence aanvallen ‣ Partiële aanvallen (focaal) Epileptogene zone = hersenzone die verantwoordelijk is voor de epileptische aanvallen Situering: epilepsie

10 Epilepsiechirurgie is een mogelijke behandeling voor refractaire focale epilepsie Epilepsie Refractaire epilepsie nervus vagus stimulatie epilepsiechirurgie diepe hersenstimulatie ~ 75% ~ 25% 30-40% ~ 1% 60-70% medicatie doel preheelkundige evaluatie: identificatie van epileptogene zone Situering: epilepsie

11 Een beter inzicht in epilepsie kan verkegen worden d.m.v. diermodellen, b.v. GAERS ratten ‘Genetic Absence Epilepsy Rats from Strasbourg’ vormen een diermodel voor absence epilepsie bij de mens GAERS ratten worden gebruikt om het effect van (nieuwe) medicatie en behandelingen te onderzoeken en hun werkingsmechanisme te achterhalen Situering: GAERS ratten

12 Het EEG van epilepsiepatiënten vertoont typische epileptische ontladingen, b.v. de zgn. epileptische ‘spike’ tijd (s) interictaal EEG (EEG opgemeten tussen twee aanvallen) Situering: EEG & epilepsie: epileptische hersenactiviteit

13 Het EEG van epilepsiepatiënten vertoont typische epileptische ontladingen, b.v. ritmische aanvalsactiviteit tijd (s) ictaal EEG (EEG opgemeten tijdens een aanval) Situering: EEG & epilepsie: epileptische hersenactiviteit

14 Het EEG van GAERS ratten vertoont typische `Spike and Wave Discharges´ tijdens een absence aanval tijd (s) SWD Situering: EEG & epilepsie: epileptische hersenactiviteit

15 dipoolsferisch interictaal D.m.v. EEG-bronlokalisatie kan de elektrisch actieve hersenzone geïdentificeerd worden EEG HoofdmodelBronmodel EEG-bronlokalisatie Situering: EEG & epilepsie: EEG-bronlokalisatie

16 Elektro-encefalografie is een belangrijk hulpmiddel voor de studie, diagnose en behandeling van epilepsie Opsporen van epileptische hersenactiviteit ‣ Stellen van correcte diagnose ‣ Evaluatie van de werkzaamheid van een behandeling Lokalisatie van epileptogene zone voor epilepsiechirurgie Nood aan methoden voor de automatische analyse van EEG’s ! ‣ Visuele analyse van EEG’s is tijdrovend ‣ Grote hoeveelheden data, b.v. lange-termijn EEG-monitoring Situering: EEG & epilepsie: samenvatting

17 Overzicht Situering: elektrische hersenactiviteit en epilepsie 1 e nieuwe methode: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG ‣ Methode (5 stappen) ‣ Evaluatie op 8 EEG’s ‣ Detectie- en lokalisatieresultaten 2 e nieuwe methode: Detectie van ‘Spike and Wave Discharges’ in het EEG van GAERS ratten Overzicht

18 De methode detecteert en lokaliseert focale interictale epileptische ontladingen in het EEG 1.EEG-bronlokalisatie in bewegend venster 2.Selectie van focale hersenactiviteit 3.Dipoolgroepering  automatische lokalisatie van epileptogene zone 4.Afleiden van template 5.Gebruik van template  automatische detectie van epileptische ontladingen Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: methode

19 Stap 1/5: EEG-bronlokalisatie in een bewegend venster levert positie, tijdsreeks en relatieve sterkte van bron tijd (s) EEG-bronlokalisatie S = relatieve sterkte van onderliggende bron RRE = signaalenergie niet verklaard door dipool dipoolexcentriciteit = afstand van dipoolbron tot centrum hoofd + 3 parameters : dipoolpositie, -oriëntatie en -tijdsreeks Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: methode

20 Stap 2/5: selectie van focale hersenactiviteit op basis van de resultaten van de EEG-bronlokalisatie tijd (s) selectie van tijdstippen met één onderliggende focale bron S = relatieve sterkte van onderliggende bron RRE = signaalenergie niet verklaard door dipoolmodel dipoolexcentriciteit = afstand van dipoolbron tot centrum hoofd  RRE SS EEG-bronlokalisatie ee S hoog  één bron RRE laag  focaal max. excentr.  bron in hersenen 3 voorwaarden: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: methode

21 1 (41)2 (27)3 (39) tijd (ms) Stap 3/5: groepering van dipolen en analyse van bijhorende tijdsreeksen  lokalisatie epileptogene zone dipolen corresponderend met geselecteerde tijdstippen cluster met sterkst gepiekte tijdsreeks  epileptische cluster zoek naar zone(s) met een zekere grootte met een minimum aantal gelijkaardig dipolen (qua positie en oriëntatie)  cluster(s) Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: methode

22 Stap 4/5: afleiden van spatio-temporele template op basis van epileptische cluster epileptische cluster X = spatio-temporele template Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: methode

23 Stap 5/5: zoek in EEG naar overeenkomst met template  detectie van epileptische ontladingen tijd (s) cc overeenkomst met template detectie als voldoende overeenkomst met template Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: methode

24 Voorbeeld 1 tijd (s) cc detectie lokalisatie

25 Voorbeeld 2 tijd (s) cc detectie lokalisatie

26 De methode werd geëvalueerd op 8 EEG’s van 8 pediatrische patiënten met focale epilepsie Routine EEG’s, 19 elektroden Totale duur EEG’s: 2 uur 10 min. De epileptische ontladingen werden gemarkeerd door twee onafhankelijke experten. Hun consensusmarkering werd gebruikt als gouden standaard Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: evaluatie

27 De methode werd geëvalueerd in termen van lokalisatienauwkeurigheid en detectieprestatie Lokalisatienauwkeurigheid ‣ Overeenkomst van epileptische cluster met epileptogene zone Detectieprestatie ‣ Sensitiviteit = % epileptische ontladingen correct gedetecteerd ‣ Selectiviteit = % correcte detecties ‣ Ideale detector: sens. = selc. = 100 % ‣ Vergelijking met 3 bestaande methoden Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: evaluatie sens.cl = 3/3 = 100 % selc.sn = 3/4 = 75 % 

28 Resultaten: correcte lokalisatie van de epileptogene zone voor 7 van de 8 EEG’s epileptische cluster epileptogene zone Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: lokalisatieresultaten

29 Resultaten: correcte lokalisatie van de epileptogene zone voor 7 van de 8 EEG’s epileptische cluster epileptogene zone Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: lokalisatieresultaten

30 Resultaten: correcte lokalisatie van de epileptogene zone voor 7 van de 8 EEG’s  7 8 epileptische cluster epileptogene zone Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: lokalisatieresultaten

31 Resultaten: detectieprestatie (sens. en selc.) vergelijkbaar met temporele detectiemethoden temporele detectiemethoden mimetischWaveletdipoolanalyse nieuwe methode Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: detectieprestatie

32 Overzicht Situering: elektrische hersenactiviteit en epilepsie 1 e nieuwe methode: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG 2 e nieuwe methode: Detectie van ‘Spike and Wave Discharges’ in het EEG van GAERS ratten ‣ SWD zijn quasi-periodieke signalen ‣ Methode (4 stappen) ‣ Evaluatie op 51 EEG’s ‣ Detectieresultaten Overzicht

33 SWD zijn quasi-periodieke signalen tijd (s) ~ 1 s ~ 10 Hz = grondfrequentie Detectie van SWD: basisidee

34 De methode zoekt naar quasi-periodieke signalen in het EEG 1.Berekening van het spectrogram 2.Schatting van het achtergrondspectrum 3.Periodiciteitsanalyse 4.Classificatie a.d.h.v. mate van periodiciteit  detectie van SWD Detectie van SWD: methode

35 tijd (s) Sx(f) f (Hz) grondfrequentie harmonische frequenties Stap 1/4: berekening van het spectrogram Korte-termijn Fouriertransformatie tijd (s) frequentie (Hz) Sx(f) f (Hz) Sx(f) f (Hz) Sx(f) f (Hz) Sx(f) f (Hz) Sx(f) f (Hz) Detectie van SWD: methode

36 tijd (s) Stap 2/4: schatting van het achtergrondspectrum Minstens helft van de tijd vertoont het EEG achtergrondactiviteit (geen SWD) frequentie (Hz) mediaan Sb(f) f (Hz) achtergrondspectrum Detectie van SWD: methode tijd (s)

37 Stap 3/4: harmonische analyse frequentie (Hz) 1.zoek naar pieken in spectrum >> geschat achtergrondspectrum 2.als geen pieken  evidentie (maat voor periodiciteit) = 0 evidentie Sx(f) f (Hz) Sx(f) f (Hz) achtergrondspectrum Detectie van SWD: methode

38 1.zoek naar pieken in spectrum >> geschat achtergrondspectrum 2.onderzoek de relatie tussen de pieken d.m.v. harmonische kamfunctie  evidentie (maat voor periodiciteit) = percentage signaalvermogen in kamfunctie Stap 3/4: harmonische analyse frequentie (Hz) evidentie Sx(f) f (Hz) Sx(f) f (Hz) achtergrondspectrum Sx(f) f (Hz) Detectie van SWD: methode

39 Stap 4/4: classificatie van segmenten a.d.h.v. berekende evidentie  detectie van SWD tijd (s) evidentie segment  detectie als maximale evidentie in segment > automatisch ingestelde drempelwaarde   Detectie van SWD: methode

40 De methode werd geëvalueerd op 51 EEG fragmenten van 23 GAERS ratten (in totaal meer dan 26 dagen EEG) 1 e verzameling EEG’s ‣ 30 fragmenten van 12 GAERS ratten, in totaal 8 dagen EEG ‣ Training- & testverzameling 2 e verzameling EEG’s ‣ 21 fragmenten van 11 GAERS ratten, in totaal 18 dagen EEG ‣ 2 e onafhankelijke testverzameling Detectieprestatie ‣ Sensitiviteit en selectiviteit ‣ Vergelijking met 6 bestaande aanvals/SWD-detectiemethoden Detectie van SWD: evaluatie

41 De nieuwe methode levert een duidelijk betere prestatie (sens. en selc.) voor beide testverzamelingen 1 e testverzameling nieuwe methode SWD detectiemethoden energie detectiemethoden aanvallen in mens. EEG Detectie van SWD: detectieprestatie

42 De nieuwe methode levert een duidelijk betere prestatie (sens. en selc.) voor beide testverzamelingen 2 e testverzameling nieuwe methode SWD detectiemethoden energie detectiemethoden aanvallen in mens. EEG Detectie van SWD: detectieprestatie

43 Overzicht Situering: elektrische hersenactiviteit en epilepsie 1 e nieuwe methode: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG 2 e nieuwe methode: Detectie van ‘Spike and Wave Discharges’ in het EEG van GAERS ratten Overzicht

44 1 e nieuwe methode: Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen in het EEG Validatie op 8 EEG’s van 8 pediatrische patiënten met focale epilepsie (totale duur 2 uur 10 min.) Correcte lokalisatie van epileptogene zone voor 7 van de 8 EEG’s De gemiddelde sensitiviteit en selectiviteit bedraagt 92% en 77%, vergelijkbaar met temporele detectiemethoden Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: besluiten

45 Belang methode De methode levert klinisch belangrijke informatie omtrent de epileptogene zone via dipoolclustering (positie, tijdsreeks) De methode identificeert de epileptische ontladingen in het EEG, wat belangrijk is in EEG-monitoring van epilepsiepatiënten De (automatisch) afgeleide template kan gebruikt worden voor detectie in ware tijd van de epileptische ontladingen in het EEG De nieuwe methode vormt een bijkomend hulpmiddel in de preheelkundige evaluatie Detectie en lokalisatie van focale epileptische ontladingen: besluiten

46 2 e nieuwe methode: Detectie van SWD in het EEG van GAERS ratten Validatie op lange-termijn EEG’s van GAERS ratten (totale duur meer dan 26 dagen): sensitiviteit en selectiviteit van 96% en 97% op eerste testverzameling, en 94% en 92% op tweede testverzameling De methode presteert duidelijk beter dan bestaande aanvals/SWD-detectiemethoden Detectie van SWD: besluiten

47 Belang methode De kwantificatie van SWD in GAERS ratten is belangrijk voor de evaluatie van (bestaande en toekomstige) behandelingen tegen absence epilepsie en het achterhalen van hun werkings- mechanisme Dankzij de goede prestatie van de nieuwe methode is het praktisch haalbaar om lange-termijn EEG-registraties van GAERS ratten te analyseren ‣ 26 dagen EEG van GAERS ratten: duur visuele analyse (8u/d, 5d/week, 3u/u)  5 weken duur automatische analyse  1 u 36 min. Detectie van SWD: besluiten