Borgis - Postępy Nauk Medycznych 11/2009, s. 864-868

*Aleksander Sobieszek

Metody obrazowania funkcji ośrodkowego układu nerwowego: elektroencefalografia

Imaging functions of the central nervous system: electroencephalography

Klinika Neurologii i Epileptologii, Centrum Medyczne Kształcenia Podyplomowego
Kierownik Kliniki: prof. dr hab. med. Urszula Fiszer

Streszczenie
Elektroencefalografia stanowi jedną z podstawowych metod umożliwiających sprecyzowanie obiektywnej oceny stanu czynnościowego ośrodkowego układu nerwowego. Zaletami metody w zastosowaniu w praktyce klinicznej są: możliwość bezpośredniego wglądu w podstawowe mechanizmy działania struktur mózgowia, wykonanie badania w sposób nieinwazyjny oraz względnie niewielki koszt zakupu aparatury. Wadą metody na obecnym stadium jej rozwoju jest często niejednoznaczność ocen z uwagi na złożoność zapisu EEG, jak również ograniczone możliwości przedstawienia wzoru czynności w postaci ilustracji zrozumiałej dla ogółu potencjalnych odbiorców wyników badań. Jest to konsekwencją określania stanu czynnościowego ośrodkowego układu nerwowego na podstawie oceny wzoru czynności bioelektrycznej mózgowia reprezentowanego podczas konwencjonalnego badania EEG przez obraz utworzony przez zbiór kilkunastu lub kilkudziesięciu wykresów czynności bioelektrycznej rejestrowanej z powierzchni skóry głowy przy pomocy standardowo umiejscowionych elektrod. Metodą mającą na celu ułatwienie analizy i oceny wyniku badania jest przetworzenie zbioru wykresów do postaci barwnej mapy reprezentującej rozkład potencjałów elektrycznych na powierzchni głowy. Metoda tego rodzaju została stworzona w latach siedemdziesiątych dwudziestego wieku. Zastosowanie tej metody pozwala na przedstawienie ewolucji czynności bioelektrycznej w postaci zbioru chwilowych, powierzchniowych rozkładów ładunków elektrycznych. Zastosowanie tej metody, oprócz oczywistych zalet, wiąże się z trudnością precyzyjnego odtworzenia zmian wzoru czynności w funkcji czasu. W pracy przedstawiono wyniki mapowania ewolucji czynności bioelektrycznej mózgu metodą tradycyjną oraz zalety nowej metody analizy zapisu EEG, polegającej na przetwarzaniu wyjściowego wielokanałowego zapisu EEG do postaci barwnych map ilustrujących w sposób ciągły przestrzenno-czasową ewolucję wzorów czynności bioelektrycznej mózgowia.

Słowa kluczowe: elektroencefalogram, analiza przestrzenno-czasowa, wzory czynności bioelektrycznej

Summary
Electroencephalography is one of the basic methods enabling objective evaluation of the functional state of the central nervous system. The advantages of this method in clinical practice are: direct insight into the basic mechanisms of activity of brain structures, possibility of the noninvasive study of brain function and low cost of recording equipment. The disadvantages of the method at the present stage of its development are associated frequently with the difficulty in defining final conclusions resulting from investigation due to the complexity of EEG records as well as difficulty in preparation of the documentation – a picture of the EEG pattern which could be interpreted by people having no experience with this method. During conventional EEG investigation the pattern is created by numerous records from the electrodes located in standard positions on the head. The improvement of the ability to evaluate complex EEG pattern may be obtained by transformation of the original EEG record into color maps representing spatial distribution of potentials. Such method was introduced in late seventies of the twenties century. In this method the evolution of brain electrical activity is presented as a set of instantaneous distributions of brain potentials. In spite of obvious advantages, application of this method is associated with inconveniences in reconstructing the temporal evolution of brain potentials. This paper includes results of application of the new method of EEG analysis helping to solve this problem. The method is based on transformation of the original EEG record into color maps expressing continuous, spatiotemporal evolution of the EEG pattern.

Key words: electroencephalogram, spatiotemporal analysis, patterns of brain electrical activity

WPROWADZENIE

Elektroencefalografia jest jedną z podstawowych metod umożliwiających obiektywną ocenę stanu funkcjonalnego ośrodkowego układu nerwowego. Podstawą oceny jest zdefiniowanie ogólnego lub bardziej lokalnego – w zależności od celu i sposobu rejestracji, przestrzenno-czasowego wzoru rozkładów pól elektrycznych pojawiających się w mózgowiu i w tkankach otaczających struktury nerwowe. Mniej lub bardziej rozległe pola elektryczne powstają w wyniku zmian polaryzacji błon komórkowych w procesach pobudzenia i hamowania w strukturach układu nerwowego.

Elektroencefalografia jest metodą szczególnie cenną w ocenie dynamiki zmian wzorów czynności mózgowia z uwagi na dużą rozdzielczość czasową sygnału, sięgającą pojedynczych milisekund, dostępną w zależności od częstotliwości próbkowania sygnału bioelektrycznego mózgowia realizowanej przez komputerowy system rejestracyjny. Z uwagi na złożoność sygnału bioelektrycznego mózgowia, procesy optymalizacji metod rejestracji, a zwłaszcza ewolucja poglądów dotyczących interpretacji obserwowanych zjawisk nie są jeszcze zakończone. W przypadku rejestracji i oceny elektroencefalogramu przy pomocy elektrod umiejscowionych na powierzchni skóry głowy jednym z podstawowych problemów metodologicznych jest przetworzenie sygnałów bioelektrycznych do postaci ułatwiającej analizę danych (1). Bardzo istotnym czynnikiem jest uzyskanie metody obiektywizacji ocen pozwalającej na uzyskanie wyniku badania w postaci obrazu umożliwiającego interpretację wzoru czynności i przekazanie tej informacji szerokiemu gronu osób, odbiorców wyników badania. Taką metodą jest przetworzenie wyjściowego obrazu utworzonego w postaci kilkunastu lub kilkudziesięciu wykresów przebiegów elektrycznych rejestrowanych przez poszczególne elektrody umiejscowione na powierzchni skóry głowy do postaci kolorowych map, reprezentujących polaryzację i wielkość ładunków elektrycznych.

Metoda mapowania rozkładów powierzchniowych pól elektrycznych mózgowia została opublikowana w piśmiennictwie światowym na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego stulecia (2, 3). Utworzony w Polsce pierwszy oryginalny program mapowania rozkładów pól i ich analizy metodą lokalizacji źródeł prądu (current source density; CSD) został opublikowany na początku lat dziewięćdziesiątych (4, 5). Mapy tego rodzaju przedstawiają chwilowe rozkłady potencjałów w przestrzeni dwuwymiarowej. Analiza zmian wzoru czynności w czasie wymaga przedstawienia sekwencji kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu map z możliwością określania odstępu czasowego pomiędzy obrazami. Przykładem zastosowania takiej metody jest rycina 1. W zależności od długości odcinka czasowego analizowanego przebiegu występuje, większa lub mniejsza utrata informacji dotyczącej stanów przejściowych pomiędzy wzorami ilustrowanymi w postaci map jak, również konieczność tworzenia koncepcji dotyczącej obserwowanego zjawiska na podstawie analizy zbioru odrębnych ilustracji. Czynniki te powodują, że metoda ta w praktyce klinicznej jest wykorzystywana raczej w szczególnych przypadkach.

Odmienną koncepcją obrazowania czynności bioelektrycznej mózgu jest mapowanie przestrzenno-czasowe w sposób ciągły. W najprostszym przypadku dwuwymiarowa mapa może ilustrować ewolucję wzorów bioelektrycznych w czasie z pominięciem informacji dotyczącej lokalizacji elektrod na płaszczyźnie pod warunkiem, że elektrody rejestrujące zostaną uszeregowane w jednym rzędzie. Metodę tego rodzaju zastosowano do analizy wzorów rytmu podstawowego fal alfa i wzorów potencjałów wywołanych (6, 7). Odmiennym podejściem jest przetworzenie zbioru danych uzyskanych z elektrod usytuowanych na płaszczyźnie do zbioru o jednym wymiarze przestrzennym poprzez odpowiednie uszeregowanie przebiegów czasowych zjawisk bioelektrycznych rejestrowanych przez poszczególne elektrody, na przykład symetrycznie w stosunku do przebiegu elektrycznego stanowiącego oś symetrii. W ilustracjach przedstawionych w tej pracy zapisem centralnym jest czynność bioelektryczna mózgu rejestrowana przez elektrodę zlokalizowaną na osi centralnej w wymiarze czołowo-potylicznym, którą w omawianych przypadkach jest elektroda czołowa Fz. Wyniki zastosowania takiej metody zostały przedstawione w Berlinie w 2008 roku podczas 8 Europejskiego Kongresu Epileptologii (8).

W obecnej pracy przedstawiono przykłady zastosowania metody obrazowania sekwencyjnego (ryc. 1) i przestrzenno-czasowego (ryc. 3, 4) czynności bioelektrycznej mózgu, jak również zalety mapowania zapisu EEG w przestrzeni czasu w ocenie zjawisk o charakterze zlokalizowanym.

Ryc. 1. Wynik obrazowania odcinka zapisu EEG (fragment wyodrębniony – na granatowym tle) z zastosowaniem metody tworzenia zbioru map chwilowych rozkładów czynności bioelektrycznej mózgu.

Ryc. 2. Obraz wielokanałowego zapisu EEG uzyskanego w systemie odprowadzeń dwubiegunowych z zastosowaniem układu odprowadzeń określanego jako „podwójny banan”. Zapis ilustruje obecność uogólnionego, krótkotrwałego wyładowania fal ostrych z falą wolną około 3/s.

Ryc. 3. Mapa przedstawiająca rozkład przestrzenno-czasowy potencjałów rejestrowanych w odprowadzeniach referencyjnych w pierwszej połowie wyładowania, które ilustruje rycina 2. Odmiany koloru z przewagą czerwieni ilustrują ładunki dodatnie, niebiesko-granatowe ujemne . Mapa stanowi wyraźną ilustrację lokalizacji wyładowania, głównie w symetrycznych odprowadzeniach czołowych, centralnych i ciemieniowych.

Ryc. 4. Rozkład potencjałów ilustrujący zmianę organizacji czynności podstawowej mózgu przed wyładowaniem i fazę wstępną wyładowania, które przedstawiają ryciny 2 i 3, lecz w odmiennej skali czasowej. Mapa wyraźnie ilustruje zlokalizowany początek wyładowania: w odprowadzeniach nad prawą półkulą, głównie w okolicy elektrod F4 oraz Cz, z wtórną aktywacją symetrycznych okolic nad półkulą lewą. Na podstawie analizy wzrokowej zapisu wyjściowego (ryc. 2), wyładowanie tego typu byłoby klasyfikowane jako wyładowanie pierwotnie uogólnione.

METODY

Analizie poddano wybrane fragmenty zapisów EEG osób z różnymi typami nieprawidłowych wzorów czynności bioelektrycznej mózgu. Zapisy były wykonywane w ogólnie stosowanym układzie przestrzennym lokalizacji elektrod 10-20 z częstotliwością próbkowania 250 Hz. Rejestracji dokonywano przy pomocy systemu aparatury firmy ELMIKO. Analizy dokonywano na zbiorach zapisów referencyjnych (w stosunku do elektrod usznych, ziemi i elektrody uśrednionej), dwubiegunowych i w programie analizy źródeł prądu (current source analysis; CSD). Mapy były tworzone z zastosowaniem programu MATLAB. Metoda mapowania umożliwia tworzenie obrazów z uwzględnieniem dowolnej liczby elektrod. Ocenia się, że poprawne wykonanie rejestracji celem racjonalnego wykorzystania metody do określenia rozkładu przestrzennego określonych zjawisk bioelektrycznych wymaga zastosowania przynajmniej około 60 lub 120 elektrod. W międzynarodowym układzie 10-20 badanie przeprowadza się z zastosowaniem jedynie 19 do 21 elektrod. Niemniej jednak, z uwagi na praktyczne znaczenie układu 10-20 w codziennej praktyce klinicznej, w pracy skoncentrowano się na zilustrowaniu zalet stosowania metody przestrzenno-czasowej analizy EEG z zastosowaniem tego właśnie systemu lokalizacji elektrod.

WYNIKI

Rycina pierwsza ilustruje wyniki analizy ewolucji rozkładów potencjałów na powierzchni skóry głowy w postaci serii szesnastu obrazów reprezentujących chwilowe stany czynnościowe mózgowia rejestrowane w odstępach dwudziestomilisekundowych. Łącznie, analizowany fragment czynności trwał około 300 milisekund. EEG rejestrowano w odprowadzeniach referencyjnych. Lewa połowa ilustracji przedstawia zapis EEG z elektrod, których lokalizację określają symbole widoczne na lewym marginesie. Analizie poddano fragment zapisu wyodrębniony poprzez rozjaśnienie tła (ryc. 1, s. 867). Reprezentuje wielofazowy wzór czynności bioelektrycznej z przewagą fali powierzchniowo dodatniej, zarejestrowany podczas snu NREM u dorosłej osoby.

Wzory przestrzenne ilustrowane zbiorem szesnastu map wyraźnie wskazują na współistnienie różnych generatorów obserwowanego zjawiska. Faza ujemna trwająca około 200 ms wykazuje lokalizację odpowiadającą fali wierzchołkowej. Faza dodatnia trwająca również około 200 ms z następczą składową ujemną przeważa wyraźnie w odprowadzeniach czołowych z cechami transferu międzypółkulowego. Przedstawiony wzór czynności jest obserwowany w czasie snu wolnofalowego (NREM) do różnicowania z falą trójfazową i oczywiście z artefaktem okoruchowym. Z uwagi na długi czas trwania poszczególnych składowych wzoru zapisu, częstość pojawiania się map rozkładów potencjałów (w odstępach 20 ms) jest zupełnie wystarczająca dla poprawnego odwzorowania przebiegu zmian. Sytuacja ilustrowana rycinami 2, 3 i 4 jest pod tym względem trudniejsza.

Rycina 2 ilustruje krótkotrwałe, uogólnione wyładowanie o charakterze padaczkowym, pojawiające się nieoczekiwanie na tle prawidłowego wzoru czynności podstawowej, zarejestrowane u osoby w wieku 25 lat. Występują wysokonapięciowe fale ostre z falą wolną około 3/s. Z uwagi na sposób rejestracji, standardowe odprowadzenia dwubiegunowe, ocena rzeczywistego rozkładu przestrzennego potencjałów jest trudna. Można przypuszczać, że wyładowanie występuje z przewagą w odprowadzeniach czołowych. Analiza przestrzenno-czasowa dokonana na zbiorach zapisu w odprowadzeniach referencyjnych z uwzględnieniem elektrody uśrednionej oraz metody analizy CSD wykazuje istnienie jednolitego wzoru podstawowego wyładowania: fale ostre z falą wolną, symetryczne w odprowadzeniach czołowych, centralnych i ciemieniowych, w niewielkim stopniu ze zmienną przewagą nad lewą lub prawą półkulą. Wzór ten ilustruje rycina 3. Górny fragment przedstawia zapis wyjściowy w sekwencji kanałów uwidocznionej z lewej strony wykresów. Mapa ilustruje rozkład amplitudy potencjałów z uwidocznioną osią symetrii na poziomie elektrody Fz (przerywana czarna linia). Kolejność odprowadzeń z poszczególnych elektrod przedstawiona na rycinie 2 dotyczy zarówno fragmentu zapisu EEG, jak i mapy potencjałów. Przerywana linia w dolnej części mapy na poziomie elektrody C4 odgranicza zbiór przebiegów elektrycznych symetrycznych względem elektrody Fz od zjawisk elektrycznych rejestrowanych przez dwie elektrody (Cz i Pz), które podobnie jak elektroda Fz usytuowane są na osi symetrii. Rycina 3 ilustruje ponadto stopniową zmianę wzoru rytmu podstawowego w okresie poprzedzającym wyładowanie: wzrost amplitudy i stopnia synchronizacji fal w przedziale częstotliwości fal alfa. Proces ten jeszcze wyraźniej ilustruje rycina 4. Na szczycie elektroujemnej fali rytmu podstawowego w cyklu poprzedzającym pojawienie się dodatniej fali ostrej wyładowania pojawia się dodatkowa fala ujemna z przewagą nad prawą półkulą. Fale ujemne widoczne są zarówno w odprowadzeniach czołowych, centralnych, jak i skroniowych, podczas gdy fale dodatnie pojawiają się początkowo z bardzo wyraźną przewagą jedynie w odprowadzeniach czołowych (F4) i centralnych nad prawą półkulą. W przedziale czasowym rzędu 10 ms dodatnia fala ostra pojawia się w odprowadzeniach czołowych Fz i F3 oraz C3, P3 nad półkulą lewą.

DYSKUSJA i WNIOSKI

Przedstawione wyniki ilustrują szereg problemów dotyczących zarówno metodologii rejestracji i analizy, jak i interpretacji wzorów zapisu EEG. Porównanie wyników metod obrazowania czynności bioelektrycznej przemawia raczej na korzyść metody ciągłej analizy przestrzenno-czasowej z uwagi na prostotę formy przekazu informacji. Nawet połączenie opisanych metod obrazowania nie rozwiązuje jednak automatycznie problemu identyfikacji wzorów nieprawidłowych czynności bioelektrycznej mózgu. Zagadnienie to stanowi odrębny problem metodologiczny.

Przedstawione wykresy stanowią zarazem element w dyskusji na temat zasadności stosowania tradycyjnego terminu „wyładowanie pierwotnie uogólnione” w odniesieniu do zjawiska które ilustruje, np. rycina 2. Mapy przedstawione w pracy wyraźnie ilustrują selektywny udział generatorów zjawisk bioelektrycznych rejestrowanych przez elektrody czołowe. Z uwagi na szybką transmisję międzypółkulową stanów czynnych i wysoką amplitudę sygnału, dominują w zapisie i sprawiają wrażenie występowania uogólnionego stanu aktywacji. Analiza zapisów w grupie osób z wyładowaniami „pierwotnie uogólnionymi” wskazuje również na współdziałanie struktur okolic czołowych oraz skroniowo-potylicznych w mechanizmie generowania zjawisk tego typu (8). Wyniki wskazują jednak na zasadność traktowania tego rodzaju wyładowań jako wtórnie lub szybko uogólniających się.

Piśmiennictwo

1. Lopes da Silva F: Computer-Assisted EEG Diagnosis: Pattern Recognition and Brain Mapping. [In:] Niedermeyer E and Lopes da Silva F (eds.) Electroencephalography, Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. 5^th Edition, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, 2005; 1233-1263.

2. Duffy FH, Burchfield JL, Lombroso CT: Brain electrical activity mapping (BEAM): a method for extending the clinical utility of EEG and evoked potential data. Ann Neurol 1979; 5: 309-321.

3. Duffy FH: Topographic Mapping of Brain Electrical Activity. Boston, Butterworth 1986.

4. Walerjan P et al.: New mapping program for PC computer. In: Knowledge, Information and Medical Education, Van Bemmel JH and Zvarova J (eds.), Elsevier Science Publishers B.V. IMIA 1991.

5. Walerjan P, Tarnecki R: Computer mapping technique for analysis of scalp potential distribution. Biocybernetics and Biomed Eng 1991; 11: 1-2, 91-96.

6. Rémond A: Recherche des renseignements significatifs dans les enregistrements électrophysiologiques et mécanisation possible. Actualités neurophysiol, Paris 1960; sér 2: 167-210.

7. Rémond A: The importance of Topographic Data in EEG Phenomena, and an Electrical Model to Reproduce Them. [In:] Advances in EEG Analysis, DO Walter and MAB Brazier (eds.), Electroenceph Clin Neurophysiol 1968; suppl. 27: 29-49.

8. Sobieszek A, Świderski B: Characteristics of the EEG patterns of epileptic seizures with frontal or temporal localization of interictal discharges. Abstracts from the 8^th European Congress on Epileptology, Berlin, Germany 21^st-25^th September, 2008; E506, 201-202.