Referentieel montage-EEG

Wat is een EEG-referentie-elektrode?

De rol van de referentie-elektrode in EEG

Elke elektrische meting vereist een stabiel vergelijkingspunt, en in EEG-onderzoeken is dit de functie van de referentie-elektrode. Omdat de hardware spanningsverschillen meet tussen twee verschillende punten op de hoofdhuid, biedt de referentie de relatieve "nul" voor de elektrische activiteit die door andere sensoren wordt gedetecteerd.

Zonder deze basislijn zou het niet mogelijk zijn om de neurale ritmes te isoleren die complexe neurowetenschappelijke verschijnselen vertegenwoordigen. Door het signaal dat bij de referentie is opgenomen af te trekken van het signaal bij een actieve elektrode, produceert de versterker een zuivere output die de neurale activiteit weerspiegelt, exclusief common-mode ruis.

Plaatsing van de EEG-referentie-elektrode: verschillende typen uitgelegd

De keuze van de locatie voor de referentie-elektrode beïnvloedt de interpretatie van de ruimtelijke activiteit van de hersenen.

Veelvoorkomende locaties zijn de mastoïdbenis of de oorlellen, die worden gekozen omdat dit relatief inactieve zones zijn in vergelijking met de gebieden over de hersenschors. Onderzoekers gebruiken soms een gekoppelde-oorconfiguratie (linked-ears) om individuele verschillen te beperken.

Bepaalde arrays met een hoge dichtheid maken een gemiddelde referentie (average reference) mogelijk, waarbij onderzoekers het wiskundige gemiddelde van alle elektroden berekenen om als een virtueel referentiepunt te dienen, waardoor de bias die door een enkele inferieure locatie wordt geïntroduceerd, wordt geminimaliseerd.

Waarom de referentiekeuze belangrijk is: het kernprobleem

De logica van een referentiële registratie kan worden geschreven als een eenvoudige aftreksom:

Signaal \= Actieve elektrode – Referentielocatie

Verander de referentie en je verandert de aftrekking. Dat betekent dat amplitudes verschuiven, golfvormen vervormen en de schijnbare locatie van een gebeurtenis op de hoofdhuid kan verplaatsen zonder dat er in de hersenen zelf iets is veranderd.

Er is een algemene aanname in klinische en onderzoeksomgevingen dat een zorgvuldig gekozen referentie de "echte" lokale activiteit bij elke elektrode zal onthullen, ontdaan van contaminatie. Deze aanname is intuïtief aantrekkelijk, maar is alleen rigoureus getest in een beperkt aantal klinische contexten.

De onderzoeken die dit rechtstreeks hebben getest, laten een complexer beeld zien, een waarin de referentiële montage soms goed presteert en de beoordelaar soms actief misleidt over waar de activiteit in de hersenen daadwerkelijk plaatsvindt.

Hoe referentiële montages hersenactiviteit verkeerd lokaliseren

De duidelijkste demonstratie van dit probleem komt uit onderzoek naar corticocortical evoked potentials, of CCEPs. Dit zijn elektrische reacties die worden gegenereerd wanneer een kleine stimulatiepuls aan een deel van de hersenen wordt afgegeven en een reactie op een andere locatie wordt geregistreerd, een techniek die wordt gebruikt om in kaart te brengen hoe verschillende hersengebieden communiceren.

Onderzoekers onder leiding van Dickey et al., die diepte-elektroden gebruikten (dunne sondes die rechtstreeks in het hersenweefsel worden ingebracht), vergeleken hoe goed een referentiële montage correct kon identificeren of een bepaald elektrodedcontact zich in grijze stof bevond (waar neuroncellichamen zich clusteren en de meeste functionele verwerking plaatsvindt) of in witte stof (de verbindende bedrading tussen gebieden, die veel minder van zijn eigen elektrische activiteit genereert).

De resultaten waren onthutsend. Met behulp van een referentiële montage toonden slechts 12 van de 27 elektrodecontacten, oftewel 44%, een significant hogere amplitude wanneer ze in grijze stof waren gepositioneerd in vergelijking met witte stof.

Een Laplacian-montage, die de activiteit bij elke elektrode berekent ten opzichte van het gemiddelde van de directe buren in plaats van een enkele verre referentie, identificeerde 25 van de 27 contacten, oftewel 93% (P \= 0,0003) correct. Toen onderzoekers maten hoe betrouwbaar elke EEG-montage een contact als grijze of witte stof kon classificeren met behulp van een statistische maatstaf genaamd area under the curve (een score van 1,0 betekent perfecte classificatie, terwijl 0,5 niet beter is dan een muntworp), scoorde de referentiële montage 0,51, wat in feite neerkomt op puur toeval.

De signalen wezen er veelvuldig en ten onrechte op dat witte stof de bron was van activiteit die feitelijk elders werd gegenereerd.

Bovendien versterkt een tweede onderzoek door Otero et al. hoezeer de referentiekeuze de schijnbare bevindingen kan verschuiven, zelfs wanneer er een echt onderliggend verschil tussen groepen bestaat. Onderzoekers die schoolkinderen met ijzertekort vergeleken met leeftijdsgenoten zonder ijzertekort, analyseerden dezelfde onderliggende EEG-gegevens met behulp van twee verschillende montages.

De referentiële montage benadrukte overtollige delta-activiteit (een langzame hersengolffrequentie) geconcentreerd in de frontale gebieden van kinderen met ijzertekort. De Laplacian-montage, toegepast op exact dezelfde dataset, onthulde in plaats daarvan wijdverspreide overtollige theta-activiteit (een iets snellere langzame-golffrequentie) verspreid over de hele hoofdhuid.

De kinderen waren hetzelfde. De opnamesessies waren hetzelfde. De enige variabele was de montage, en deze veranderde zowel de frequentieband die als abnormaal werd aangemerkt als het gebied in de hersenen waar die abnormaliteit zich leek te bevinden.

Samen stellen deze twee onderzoeken een werkend principe vast: een referentiële montage kan lokalisatie oprecht misleiden, en zelfs wanneer er een echt verschil tussen groepen bestaat in de onderliggende gegevens, wordt de topografie van waar dat verschil zich lijkt te bevinden sterk gevormd door de montage die is gebruikt om ernaar te kijken.

Ipsilateraal vs. contralateraal oorreferentie: wat werkt beter?

Als de referentielocatie zelf een variabele is, maakt het dan uit welk oor je kiest bij het gebruik van een montage met oorreferentie?

Een onderzoek van Bubrick et al. waarin een vereenvoudigde "haargrens"-EEG-opstelling werd beoordeeld, een gereduceerde elektrode-opstelling ontworpen voor snelle screening aan het bed, testte dit rechtstreeks in de context van het detecteren van non-convulsieve status epilepticus, een toestand van aanhoudende aanvalsactiviteit zonder de zichtbare convulsies die doorgaans met aanvallen worden geassocieerd.

Onderzoekers herformatteerden standaard EEG-opnames in drie verkorte montages:

1. Een bipolaire montage (waarbij paren van aangrenzende elektroden met elkaar worden vergeleken in plaats van met een verre referentie)

2. Een referentiële montage naar het oor aan dezelfde zijde als elke actieve elektrode (ipsilateraal)

3. Een referentiële montage naar het oor aan de tegenovergestelde zijde (contralateraal)

Vijf neurofysiologen interpreteerden vervolgens de geherformatteerde monsters en hun beoordelingen werden vergeleken met de oorspronkelijke volledige montage-interpretatie.

• Bipolaire montage: 71% correcte interpretaties

• Ipsilaterale oorreferentie: 70,5% correct

• Contralaterale oorreferentie: 65% correct

Dit verschil suggereert dat refereren naar het oor aan dezelfde kant als de elektrode die wordt gemeten, meer diagnostische nauwkeurigheid behoudt dan refereren over het hoofd naar het tegenoverliggende oor.

Maar de belangrijkste bevinding ligt onder die vergelijking. Zelfs met de best presterende montage was de gevoeligheid voor het detecteren van daadwerkelijke aanvallen slechts 72%, en werden aanvallen vaak ten onrechte geïnterpreteerd als goedaardiger patronen, waaronder normale opnames of diffuse vertraging.

De conclusie is niet simpelweg dat ipsilateraal refereren de betere technische keuze is. Het is dat zelfs de beste versie van deze uitgeklede referentiële opstelling meer dan een kwart van de aanvallen miste, waardoor het onvoldoende betrouwbaar is als hulpmiddel om non-convulsieve status epilepticus uit te sluiten bij een patiënt waar de belangen van een gemiste diagnose groot zijn.

Cz-referentie op de IC: een pragmatisch succes

Niet elke referentiële opstelling presteert slecht. Een afzonderlijk onderzoek uit 2010 ontwierp een montage met zeven elektroden (Fp1, Fp2, T3, T4, O1, O2 en Cz) specifiek voor snelle screening op aanvallen bij ernstig zieke patiënten, met de vertex-elektrode Cz als het gedeelde referentiepunt voor alle kanalen.

De aantrekkingskracht van dit ontwerp was praktisch: het kan worden toegepast met uitsluitend anatomische herkenningstekens zoals de pupillen, oren, vertex en inion, zonder meetlint, en het kan snel worden geplaatst en geïnterpreteerd door arts-assistenten wanneer volledige technische EEG-ondersteuning niet beschikbaar is.

Toen volledige opnames via het 10-20-systeem van ernstig zieke patiënten werden geherformatteerd naar deze vereenvoudigde Cz-referentiële montage en onafhankelijk werden beoordeeld door neurologen en senior arts-assistenten, was de gemiddelde gevoeligheid voor het detecteren van aanvallen 92,5%, met een specificiteit van 93,5%. Deze cijfers staan in schril contrast met de 72% gevoeligheid die werd gevonden in het hierboven genoemde onderzoek naar de haargrens-montage met oorreferentie. Dit suggereert dat de keuze voor Cz als referentie, in combinatie met deze specifieke lay-out met zeven elektroden, aanvalsactiviteit in deze setting betrouwbaarder kan vastleggen dan een alternatief op basis van het oor.

Dat gezegd hebbende, was het onderzoek retrospectief en gebaseerd op een kleine steekproef, en de auteurs zelf stellen duidelijk dat prospectieve validatie in een grotere populatie nog steeds nodig is voordat dit als een gevestigd klinisch hulpmiddel kan worden beschouwd.

Wanneer referentiële montages unieke lokaliserende waarde toevoegen

Het beeld verschuift opnieuw in een ander klinisch scenario: het lokaliseren van aanvallen die hun oorsprong vinden in de mesiale temporale kwab, een diepe hersenstructuur die geassocieerd is met geheugen en vaak betrokken is bij epilepsie.

Onderzoekers onder leiding van Parcia SV beoordeelden 76ictale (tijdens een aanval) opnames met zowel sphenoïdale elektroden (dunne elektroden die dicht bij de basis van de schedel nabij de temporale kwab worden geplaatst) als standaard hoofdhuid-elektroden, waarbij de gegevens in zowel bipolaire als referentiële montages werden geanalyseerd.

Bij patiënten met mesiale temporale kwab-epilepsie toonden zeven van de geregistreerde aanvallen bij drie patiënten activiteit die uitsluitend beperkt was tot één enkele sphenoïdale elektrode voordat er enige hoofdhuid-elektrode bij betrokken was, en dit patroon was zichtbaar met de referentiële montage. De bipolaire montage onthulde deze zelfde exclusieve vroege activiteit niet.

Dit geïsoleerde vroege patroon trad alleen op bij patiënten met mesiale temporale kwab-epilepsie en verscheen niet bij neocorticale temporale kwab-epilepsie, waar sphenoïdale en hoofdhuid-elektroden gelijktijdige betrokkenheid vertoonden, ongeacht welke montage werd gebruikt (p < 0,04 voor de associatie tussen dit vroege sphenoïdale-alleen patroon en mesiale aanvang).

Dit is een betekenisvol tegenargument voor de eerder beschreven lokalisatiefouten. In deze specifieke klinische context, bij aanvalsactiviteit uit een diepe bron nabij de sphenoïdale elektrode, pikte een referentiële montage een vroeg lokaliserend signaal op dat een bipolaire montage miste.

Het voordeel lijkt nauw verbonden met dit specifieke anatomische scenario, in plaats van te dienen als algemene regel dat referentiële montages beter presteren dan andere benaderingen.

Referentie-gerelateerde artefacten herkennen

Omdat elk kanaal in een referentiële registratie wordt berekend ten opzichte van hetzelfde enkele punt, wordt alle ruis die die referentie-elektrode contamineert, verdeeld over de gehele registratie. Een spiertrekking, een oogbeweging of een slecht geplaatste elektrode op de referentielocatie verpest niet slechts één kanaal. Het verschijnt, geïnverteerd, in alle kanalen tegelijk.

Een praktisch voorbeeld: als een mastoïd-referentie-elektrode spieractiviteit van het klemmen van de kaken oppikt, zal dat ritmische spiersignaal op elk kanaal in de montage worden gesuperponeerd. Dit kan een wijdverspreid ritmisch patroon nabootsen dat eruitziet alsof het in de hersenen zelf ontstaat, terwijl het in werkelijkheid een artefact van de referentielocatie is.

Dit roept een onopgeloste vraag op over het eerder besproken onderzoek naar ijzertekort. Het frontale delta-overschot dat met de referentiële montage werd gedetecteerd, bevindt zich in een gebied van de hoofdhuid dicht bij de ogen, waar oogbewegingsartefacten opnames doorgaans contamineren.

Het onderzoek heeft niet getest of oogbewegingen hebben bijgedragen aan deze bevinding, en er mag geen conclusie worden getrokken dat dit het geval was. Maar de mogelijkheid illustreert waarom elke topografische bevinding die door een referentiële montage wordt geproduceerd, met name een die gelokaliseerd is in frontale gebieden, een tweede blik verdient voordat deze wordt geaccepteerd als een echt cerebraal patroon in plaats van een artefact van de referentielocatie.

4 manieren om referentie-gerelateerde valkuilen te beperken

Een paar praktische gewoonten verminderen het risico om misleid te worden door referentie-gerelateerde vervorming.

1. Identificeer altijd wat de referentie-elektrode is voordat u een registratie interpreteert. Als een identieke of bijna identieke golfvorm gelijktijdig op elk kanaal verschijnt, wijst dat patroon eerder op een referentie-artefact dan op een echt, wijdverspreid hersensignaal.

2. Controleer bevindingen waar mogelijk met een andere montage. Zowel het CCEP-lokalisatieonderzoek als het onderzoek naar ijzertekort tonen aan dat Laplacian- of bipolaire montages foutieve lokalisaties in de grijze stof kunnen corrigeren en kunnen verduidelijken welke frequentieband en hoofdhuidregio werkelijk betrokken zijn, waardoor interpretaties worden gered die een referentiële montage alleen zou hebben vervormd.

3. Wanneer u een vereenvoudigde referentiële opstelling gebruikt voor snelle screening, zoals een haargrens-montage of een IC-configuratie met zeven elektroden, vergelijk de prestaties daarvan dan met een volledige, gouden-standaardregistratie voordat u deze vertrouwt bij een beslissing met grote belangen. Dit is precies de vergelijking die is uitgevoerd in het IC-onderzoek naar aanvalsdetectie en de kritiek die is toegepast op het haargrens-screeningsonderzoek.

4. Vertrouw voor pre-chirurgische evaluatie en andere lokalisatietaken met grote belangen niet uitsluitend op een referentiële montage. Combineer deze met andere montages en de klinische context, in navolging van de benadering die is gebruikt in zowel het CCEP-lokalisatiewerk als het onderzoek met sphenoïdale elektroden bij mesiale temporale kwab-epilepsie.

Samenvatting

Een referentiële montage is eenvoudig op te zetten en kan in geselecteerde omstandigheden klinisch nuttige informatie opleveren die andere montages missen, zoals te zien is bij de Cz-gerefereerde IC-screening op aanvallen en bij de vroege sphenoïdale lokalisatie van mesiale temporale kwab-aanvallen. Maar de output wordt ingrijpend gevormd door de gekozen referentielocatie, en die afhankelijkheid kan leiden tot foutieve lokalisaties, zoals te zien is in het CCEP-onderzoek met diepte-elektroden, of een aanzienlijk deel van de aanvallen ronduit missen, zoals te zien is in de vergelijking van oorreferenties bij de haargrens-screening.

Veel van de referentiekeuzes die routinematig worden gebruikt in klinische en onderzoeksomgevingen, waaronder gekoppelde oren en mastoïdprocessen, zijn niet onderworpen aan het soort directe vergelijking dat in deze onderzoeken wordt getoond. Hun betrouwbaarheid wordt vaak aangenomen in plaats van aangetoond. Dit hiaat is van belang voor iedereen die werkt met neurowetenschappelijke gegevens uit EEG's, of dat nu is in een ziekenhuis, een onderzoekslab of een klaslokaal waar voor het eerst hersensignalen worden bestudeerd.

De meest nuttige gewoonte bij het lezen van een referentiële EEG-registratie is om twee vragen te stellen voordat u een enkele golf interpreteert: wat is de referentie-elektrode, en welke activiteit, cerebraal of anderszins, zou deze kunnen bijdragen aan elk kanaal op de pagina?

Referenties

1. Dickey, A. S., Alwaki, A., Kheder, A., Willie, J. T., Drane, D. L., & Pedersen, N. P. (2022). The Referential Montage Inadequately Localizes Corticocortical Evoked Potentials in Stereoelectroencephalography. Journal of clinical neurophysiology : official publication of the American Electroencephalographic Society, 39(5), 412–418. https://doi.org/10.1097/WNP.0000000000000792

2. Otero, G. A., Aguirre, D. M., Porcayo, R., & Fernández, T. (1999). Psychological and electroencephalographic study in school children with iron deficiency. The International journal of neuroscience, 99(1-4), 113–121. https://doi.org/10.3109/00207459908994318

3. Bubrick, E. J., Dworetzky, B. A., & Bromfield, E. B. (2007). Assessment of hairline EEG as a screening tool for nonconvulsive status epilepticus. Epilepsia, 48(12), 2374–2375. https://doi.org/10.1111/j.1528-1167.2007.01260_4.x

4. Karakis, I., Montouris, G. D., Otis, J. A., Douglass, L. M., Jonas, R., Velez-Ruiz, N., ... & Espinosa, P. S. (2010). A quick and reliable EEG montage for the detection of seizures in the critical care setting. Journal of Clinical Neurophysiology, 27(2), 100-105. https://doi.org/10.1097/wnp.0b013e3181d649e4

5. Pacia, S. V., Jung, W. J., & Devinsky, O. (1998). Localization of mesial temporal lobe seizures with sphenoidal electrodes. Journal of clinical neurophysiology, 15(3), 256-261. https://doi.org/10.1097/00004691-199805000-00010

Veelgestelde vragen

Wat is een referentiële EEG-montage?

Een referentiële montage trekt de spanning bij een enkele gedeelde referentie-elektrode af van de spanning bij elke actieve hoofdhuid-elektrode. Deze enkele aftrekking bepaalt de amplitude, golfvorm en schijnbare locatie van elk weergegeven hersensignaal.

Waarom verandert het veranderen van de referentie-elektrode wat het EEG laat zien?

Het weergegeven signaal is gelijk aan de hersenactiviteit onder de actieve elektrode minus de activiteit die aanwezig is op de referentielocatie. Het kiezen van een andere referentie verandert die aftreksom, wat amplitudes kan verschuiven, golfvormen kan vervormen en de schijnbare bron van een gebeurtenis kan verplaatsen.

Kan een referentiële montage misleiden over waar hersenactiviteit ontstaat?

Ja. In onderzoeken met diepte-elektroden presteerde een referentiële montage niet beter dan toeval bij het onderscheiden van activiteit in de grijze stof van activiteit in de witte stof, terwijl een Laplacian-montage de overgrote meerderheid correct identificeerde. Een ander onderzoek wees uit dat de referentiële en Laplacian-montages verschillende frequentiebanden en verschillende hoofdhuidregio's signaleerden voor dezelfde dataset, wat aantoont dat de montage de topografie in sterke mate bepaalt.

Welke oorreferentie is betrouwbaarder, ipsilateraal of contralateraal?

In een haargrens-EEG-opstelling voor het detecteren van non-convulsieve aanvallen leverde refereren naar het ipsilaterale oor (dezelfde kant) een iets hogere diagnostische nauwkeurigheid op dan refereren naar het contralaterale oor. Maar zelfs de betere ipsilaterale configuratie miste een aanzienlijk deel van de aanvallen, waardoor deze onvoldoende is om de aandoening uit te sluiten.

Hoe presteerde een Cz-gerefereerde montage bij IC-screening op aanvallen?

Wanneer Cz werd gebruikt als referentie in een vereenvoudigde lay-out met zeven elektroden, was de gevoeligheid voor het detecteren van aanvallen in een retrospectief onderzoek meer dan 90%. Dit is aanzienlijk hoger dan bij de haargrens-montages met oorreferentie, maar prospectieve validatie in grotere populaties is nog steeds nodig voordat het als een beproefd klinisch hulpmiddel kan worden beschouwd.

Wanneer onthult een referentiële montage aanvalsactiviteit die een bipolaire montage mist?

Bij mesiale temporale kwab-epilepsie toonde een referentiële montage met sphenoïdale elektroden soms vroege aanvalsactiviteit die beperkt was tot een enkele sphenoïdale afleiding voordat er een hoofdhuid-elektrode bij betrokken raakte. Dit vroege, geïsoleerde patroon was niet zichtbaar in bipolaire montages en was specifiek voor een mesiale temporale aanvang.

Hoe kunnen referentie-gerelateerde artefacten worden herkend in een referentiële montage?

Als een identieke of bijna identieke golfvorm gelijktijdig op alle kanalen verschijnt, weerspiegelt dit waarschijnlijk ruis op de referentielocatie in plaats van wijdverspreide hersenactiviteit. Elke ritmische spieractiviteit of beweging bij de referentie-elektrode wordt op elk kanaal geprent.

Welke praktische stappen verminderen het risico op misleiding door een referentiële montage?

Identificeer altijd de referentie-elektrode voordat u een opname interpreteert, en controleer de bevindingen met een andere montage, zoals een Laplacian- of bipolaire opstelling. Bevestig voor beslissingen met grote belangen vereenvoudigde referentiële opstellingen met een volledige registratie volgens de gouden standaard.

Wat is een Laplacian-montage en waarom wordt deze als alternatief genoemd?

Een Laplacian-montage berekent de activiteit bij elke elektrode ten opzichte van het gemiddelde van de directe buren in plaats van een enkele verre referentie. Onderzoek toont aan dat het een nauwkeurigere lokalisatie van activiteit in de grijze stof biedt en topografische patronen onthult die door een referentiële benadering gemist of vervormd kunnen worden.