Referencyjny montaż EEG

Czym jest elektroda odniesienia w badaniu EEG?

Rola elektrody odniesienia w badaniu EEG

Każdy pomiar elektryczny wymaga stabilnego punktu odniesienia, a w badaniach EEG funkcję tę pełni elektroda odniesienia (referencyjna). Ponieważ sprzęt mierzy różnice napięć między dwoma różnymi punktami na skórze głowy, elektroda odniesienia zapewnia względne „zero” dla aktywności elektrycznej wykrywanej przez inne czujniki.

Bez tej linii bazowej nie byłoby możliwe wyizolowanie rytmów neuronowych, które reprezentują złożone zjawiska neuronaukowe. Odejmując sygnał zarejestrowany na elektrodzie odniesienia od sygnału na elektrodzie aktywnej, wzmacniacz generuje czysty sygnał wyjściowy, który odzwierciedla aktywność neuronową z wyłączeniem zakłóceń współbieżnych.

Umiejscowienie elektrody odniesienia w EEG: Wyjaśnienie typów

Wybór lokalizacji elektrody odniesienia wpływa na interpretację przestrzennej aktywności mózgu.

Typowe miejsca obejmują kości sutkowate lub płatki uszu, które są wybierane, ponieważ są to obszary stosunkowo nieaktywne w porównaniu z regionami nad korą mózgową. Naukowcy czasami stosują konfigurację połączonych uszu (linked-ear), aby złagodzić różnice indywidualne.

Niektóre układy o wysokiej gęstości pozwalają na zastosowanie średniej referencyjnej (average reference), w której badacze obliczają średnią matematyczną ze wszystkich elektrod, aby służyła jako wirtualny punkt odniesienia, minimalizując błędy systematyczne wprowadzane przez pojedynczą, mniej korzystną lokalizację.

Dlaczego wybór odniesienia ma znaczenie: Główny problem

Logikę rejestracji referencyjnej można zapisać jako proste odejmowanie:

Sygnał \= Elektroda aktywna – Punkt odniesienia

Zmień punkt odniesienia, a zmienisz wynik odejmowania. Oznacza to, że przesuwają się amplitudy, zniekształcają się kształty fal, a pozorna lokalizacja zdarzenia na skórze głowy może ulec zmianie, mimo że w mózgu nic się nie zmieniło.

W środowiskach klinicznych i badawczych istnieje powszechne założenie, że starannie dobrany punkt odniesienia ujawni „prawdziwą” lokalną aktywność na każdej elektrodzie, oczyszczoną z zanieczyszczeń. Założenie to jest intuicyjnie atrakcyjne, ale zostało rygorystycznie przetestowane tylko w wąskim zakresie kontekstów klinicznych.

Badania, w których przetestowano to bezpośrednio, pokazują bardziej skomplikowany obraz – taki, w którym montaż referencyjny czasami radzi sobie dobrze, a czasami aktywnie wprowadza w błąd interpretatora co do tego, gdzie faktycznie zachodzi aktywność w mózgu.

Jak montaże referencyjne błędnie lokalizują aktywność mózgu

Najwyraźniejsza demonstracja tego problemu pochodzi z badań nad kortykokortykalnymi potencjałami wywołanymi, czyli CCEP. Są to odpowiedzi elektryczne generowane, gdy krótki impuls stymulacji jest dostarczany do jednej części mózgu, a odpowiedź jest rejestrowana w innym miejscu. Technika ta jest używana do mapowania sposobu komunikacji różnych obszarów mózgu.

Naukowcy pod kierunkiem Dickeya i wsp., używając elektrod głębinowych (cienkich sond wprowadzanych bezpośrednio do tkanki mózgowej), porównali, na ile montaż referencyjny potrafi poprawnie zidentyfikować, czy dany kontakt elektrody znajdował się w istocie szarej (gdzie skupiają się ciała komórek nerwowych i zachodzi większość procesów funkcjonalnych), czy w istocie białej (okablowaniu łączącym regiony, które generuje znacznie mniej własnej aktywności elektrycznej).

Wyniki były jednoznaczne. Przy użyciu montażu referencyjnego tylko 12 z 27 kontaktów elektrod, czyli 44%, wykazało znacznie wyższą amplitudę po umieszczeniu w istocie szarej w porównaniu z istotą białą.

Montaż Laplacian, który oblicza aktywność na każdej elektrodzie względem średniej z jej bezpośrednich sąsiadów, a nie pojedynczego odległego punktu odniesienia, poprawnie zidentyfikował 25 z 27 kontaktów, czyli 93% (P \= 0.0003). Kiedy naukowcy zmierzyli, jak wiarygodnie każdy montaż EEG potrafił sklasyfikować kontakt jako istotę szarą lub białą przy użyciu miary statystycznej zwanej obszarem pod krzywą (wynik 1.0 oznacza idealną klasyfikację, podczas gdy 0.5 oznacza wynik nie lepszy niż rzut monetą), montaż referencyjny uzyskał wynik 0.51, czyli zasadniczo na poziomie przypadku.

Sygnały często i błędnie wskazywały na istotę białą jako źródło aktywności, która w rzeczywistości była generowana gdzie indziej.

Ponadto drugie badanie przeprowadzone przez Otero i wsp. wzmacnia dowód na to, jak bardzo wybór punktu odniesienia może zmienić pozorne wyniki, nawet gdy istnieje rzeczywista, leżąca u podstaw różnica między grupami. Naukowcy porównujący dzieci w wieku szkolnym z niedoborem żelaza z rówieśnikami o prawidłowym poziomie żelaza przeanalizowali te same surowe dane EEG przy użyciu dwóch różnych montaży.

Montaż referencyjny wykazał nadmiar aktywności delta (powolna częstotliwość fal mózgowych) skoncentrowany w obszarach czołowych u dzieci z niedoborem żelaza. Montaż Laplacian, zastosowany do identycznego zestawu danych, ujawnił natomiast powszechny nadmiar aktywności theta (nieco szybsza częstotliwość fal wolnych) rozproszony na całej skórze głowy.

Dzieci były te same. Sesje nagraniowe były te same. Jedyną zmienną był montaż, który zmienił zarówno pasmo częstotliwości oznaczone jako nieprawidłowe, jak i region mózgu, w którym ta nieprawidłowość się pojawiała.

Te dwa badania wspólnie ustanawiają praktyczną zasadę: montaż referencyjny może autentycznie wprowadzać w błąd w kwestii lokalizacji, a nawet gdy w danych wejściowych istnieje rzeczywista różnica między grupami, topografia miejsca, w którym ta różnica wydaje się znajdować, jest w dużej mierze kształtowana przez montaż użyty do jej analizy.

Odniesienie do ucha tożsamego vs. przeciwnego: Które działa lepiej

Jeśli sam punkt odniesienia jest zmienną, czy ma znaczenie, które ucho wybierzesz przy użyciu montażu z odniesieniem do uszu?

Badanie przeprowadzone przez Bubricka i wsp. oceniające uproszczoną konfigurację EEG typu „hairline” (zredukowany układ elektrod przeznaczony do szybkiego badania przesiewowego przy łóżku pacjenta) przetestowało to bezpośrednio w kontekście wykrywania bezdrgawkowego stanu padaczkowego – stanu ciągłej aktywności napadowej bez widocznych drgawek typowo kojarzonych z napadami.

Naukowcy przekształcili standardowe zapisy EEG na trzy skrócone montaże:

1. Montaż dwubiegunowy (bipolarny) (porównujący pary sąsiednich elektrod ze sobą, a nie z odległym punktem odniesienia)

2. Montaż referencyjny do ucha po tej samej stronie, co każda aktywna elektroda (tożsamy/ipsilateralny)

3. Montaż referencyjny do ucha po przeciwnej stronie (przeciwległy/kontralateralny)

Pięciu neurofizjologów zinterpretowało następnie sformatowane próbki, a ich odczyty porównano z pierwotną interpretacją pełnego montażu.

• Montaż dwubiegunowy: 71% prawidłowych interpretacji

• Odniesienie do ucha tożsamego: 70.5% prawidłowych

• Odniesienie do ucha przeciwnego: 65% prawidłowych

Ta różnica sugeruje, że odniesienie do ucha po tej samej stronie, co mierzona elektroda, zachowuje większą dokładność diagnostyczną niż odniesienie przez całą głowę do przeciwnego ucha.

Jednak ważniejsze odkrycie kryje się pod tym porównaniem. Nawet przy najlepszym montażu, czułość w wykrywaniu rzeczywistych napadów wynosiła tylko 72%, a napady były często błędnie odczytywane jako wzorce bardziej łagodne, w tym normalne zapisy lub rozproszone spowolnienie.

Wniosek nie jest po prostu taki, że odniesienie tożsame jest lepszym wyborem technicznym. Chodzi o to, że nawet najlepsza wersja tej uproszczonej konfiguracji referencyjnej pomijała ponad jedną czwartą napadów, co czyni ją niewystarczająco wiarygodną jako narzędzie do wykluczania bezdrgawkowego stanu padaczkowego u pacjenta, u którego stawka błędnej diagnozy jest wysoka.

Odniesienie Cz na OIT: Pragmatyczny sukces

Nie każda konfiguracja referencyjna działa słabo. W osobnym badaniu z 2010 roku zaprojektowano siedmioelektrodowy montaż (Fp1, Fp2, T3, T4, O1, O2 i Cz) specjalnie do szybkiego screeningu napadów u pacjentów w stanie krytycznym, używając elektrody wierzchołkowej Cz jako wspólnego punktu odniesienia dla wszystkich kanałów.

Atrakcyjność tego projektu była praktyczna: można go zastosować, używając jedynie anatomicznych punktów orientacyjnych, takich jak źrenice, uszy, wierzchołek głowy (vertex) i inion, bez użycia taśmy mierniczej, i może być szybko założony oraz zinterpretowany przez rezydentów, gdy pełne wsparcie techniczne EEG nie jest dostępne.

Gdy pełne zapisy w systemie 10-20 od pacjentów w stanie krytycznym zostały przekształcone w ten uproszczony montaż referencyjny Cz i niezależnie przeanalizowane przez lekarzy specjalistów i starszych rezydentów neurologii, średnia czułość wykrywania napadów wyniosła 92.5%, przy swoistości 93.5%. Liczby te stoją w ostrym kontraście do 72% czułości stwierdzonej w powyższym badaniu montażu „hairline” z odniesieniem do uszu, co sugeruje, że wybór Cz jako punktu odniesienia, w połączeniu z tym konkretnym układem siedmiu elektrod, może pozwalać na bardziej niezawodne wyłapywanie aktywności napadowej niż alternatywa oparta na uszach w tym środowisku.

Mimo to badanie miało charakter retrospektywny i opierało się na małej próbie, a sami autorzy wyraźnie stwierdzają, że przed uznaniem tego za sprawdzone narzędzie kliniczne wciąż potrzebna jest prospektywna walidacja na większej populacji.

Kiedy montaże referencyjne dają wyjątkową wartość lokalizacyjną

Obraz zmienia się ponownie w innym scenariuszu klinicznym. Chodzi o lokalizację napadów pochodzących z przyśrodkowej części płata skroniowego, głębokiej struktury mózgu związanej z pamięcią i często zaangażowanej w epilepsję.

Naukowcy pod kierunkiem Parcia SV przeanalizowali 76 zapisów ictalnych (z czasu napadu) przy użyciu zarówno elektrod klinowych (sphenoidal) – cienkich elektrod umieszczanych w pobliżu podstawy czaszki blisko płata skroniowego – jak i standardowych elektrod powierzchniowych, analizując dane zarówno w montażach dwubiegunowych, jak i referencyjnych.

U pacjentów z padaczką skroniową o początku przyśrodkowym, siedem napadów zarejestrowanych u trzech pacjentów wykazało aktywność ograniczoną wyłącznie do pojedynczej elektrody klinowej, zanim jakakolwiek elektroda powierzchniowa wykazała zajęcie, a wzorzec ten był widoczny przy użyciu montażu referencyjnego. Montaż dwubiegunowy nie ujawnił tej samej wyłącznej wczesnej aktywności.

Ten izolowany wczesny wzorzec występował tylko u pacjentów z padaczką o początku przyśrodkowym i nie pojawiał się w neokortykalnej padaczce skroniowej, gdzie elektrody klinowe i powierzchniowe wykazywały jednoczesne zajęcie, niezależnie od użytego montażu (p \< 0.04 dla związku między tym wczesnym wzorcem ograniczonym do elektrody klinowej a początkiem przyśrodkowym).

Stanowi to istotną przeciwwagę dla opisanych wcześniej niepowodzeń lokalizacyjnych. W tym konkretnym kontekście klinicznym, przy aktywności napadowej z głębokich źródeł w pobliżu elektrody klinowej, montaż referencyjny wychwycił wczesny sygnał lokalizacyjny, który umknął montażowi dwubiegunowemu.

Korzyść ta wydaje się ściśle powiązana z tym konkretnym scenariuszem anatomicznym i nie stanowi ogólnej zasady, że montaże referencyjne przewyższają inne podejścia.

Rozpoznawanie artefaktów związanych z punktem odniesienia

Ponieważ każdy kanał w rejestracji referencyjnej jest obliczany względem tego samego pojedynczego punktu, wszelkie zakłócenia zanieczyszczające tę elektrodę odniesienia rozprzestrzeniają się na cały zapis. Drżenie mięśni, ruch oka czy słabo zamocowana elektroda w miejscu odniesienia nie powodują uszkodzenia tylko jednego kanału. Pojawia się to, w formie odwróconej, we wszystkich kanałach jednocześnie.

Praktyczny przykład: jeśli elektroda odniesienia na wyrostku sutkowatym zbiera aktywność mięśniową z zaciskania szczęki, ten rytmiczny sygnał mięśniowy zostanie nałożony na każdy kanał w montażu, potencjalnie imitując rozległy rytmiczny wzorzec, który wygląda, jakby pochodził z samego mózgu, podczas gdy w rzeczywistości jest artefaktem z miejsca odniesienia.

Budzi to nierozstrzygnięte pytanie dotyczące omawianego wcześniej badania nad niedoborem żelaza. Nadmiar czołowej aktywności delta wykryty przy użyciu montażu referencyjnego znajduje się w regionie skóry głowy blisko oczu, gdzie artefakty ruchów gałek ocznych powszechnie zanieczyszczają zapisy.

W badaniu nie sprawdzono, czy ruchy oczu przyczyniły się do tego wyniku, i nie należy wyciągać wniosku, że tak było. Jednak ta możliwość ilustruje, dlaczego każdy wynik topograficzny uzyskany za pomocą montażu referencyjnego, w szczególności zlokalizowany w obszarach czołowych, zasługuje na ponowne przyjrzenie się, zanim zostanie zaakceptowany jako prawdziwy wzorzec mózgowy, a nie artefakt z miejsca odniesienia.

4 sposoby na złagodzenie pułapek związanych z punktem odniesienia

Kilka praktycznych nawyków zmniejsza ryzyko wprowadzenia w błąd przez zniekształcenia związane z punktem odniesienia.

1. Zawsze przed interpretacją zapisu zidentyfikuj, która elektroda jest elektrodą odniesienia. Jeśli identyczny lub niemal identyczny kształt fali pojawia się jednocześnie na każdym kanale, wzorzec ten wskazuje na artefakt odniesienia, a nie na prawdziwy, rozległy sygnał mózgowy.

2. W miarę możliwości weryfikuj wyniki krzyżowo za pomocą innego montażu. Badanie lokalizacji CCEP oraz badanie nad niedoborem żelaza wykazują, że montaże Laplacian lub dwubiegunowe mogą korygować fałszywe lokalizacje w istocie szarej i wyjaśniać, które pasmo częstotliwości oraz region skóry głowy są rzeczywiście zaangażowane, ratując interpretacje, które sam montaż referencyjny by zniekształcił.

3. Korzystając z uproszczonej konfiguracji referencyjnej do szybkiego screeningu, takiej jak montaż „hairline” lub siedmioelektrodowy układ na OIT, porównaj jego skuteczność z pełnym zapisem o standardzie referencyjnym, zanim zaufasz mu przy podejmowaniu decyzji o wysoką stawkę. To jest dokładnie takie porównanie, jakie przeprowadzono w badaniu wykrywania napadów na OIT i krytyka zastosowana do badania przesiewowego „hairline”.

4. W przypadku oceny przedoperacyjnej i innych zadań lokalizacyjnych o wysokiej stawce nie polegaj wyłącznie na montażu referencyjnym. Połącz go z innymi montażami i kontekstem klinicznym, postępując zgodnie z podejściem stosowanym zarówno w badaniach nad lokalizacją CCEP, jak i w badaniu elektrod klinowych w padaczce skroniowej o początku przyśrodkowym.

Podsumowanie

Montaż referencyjny jest prosty w konfiguracji i w wybranych okolicznościach może dostarczyć klinicznie przydatnych informacji, które umykają innym montażom, co widać w badaniach przesiewowych napadów z odniesieniem do Cz na OIT oraz we wczesnej lokalizacji elektrodami klinowymi napadów z przyśrodkowej części płata skroniowego. Jednak jego wyniki są głęboko kształtowane przez wybrany punkt odniesienia, a ta zależność może powodować fałszywe lokalizacje, jak wykazano w badaniach CCEP z elektrodami głębinowymi, lub bezpośrednio pomijać znaczną część napadów, jak pokazano w porównaniu badań przesiewowych „hairline” z odniesieniami do uszu.

Wiele opcji odniesienia stosowanych rutynowo w warunkach klinicznych i badawczych, w tym połączone uszy i wyrostki sutkowate, nie zostało poddanych bezpośrednim porównaniom, jakie przedstawiono w tych badaniach. Często zakłada się ich niezawodność, zamiast ją demonstrować. Ta luka ma znaczenie dla każdego, kto pracuje z danymi neuronaukowymi pochodzącymi z EEG, czy to w szpitalu, laboratorium badawczym, czy w klasie lekcyjnej, badając sygnały mózgowe po raz pierwszy.

Najbardziej przydatnym nawykiem podczas odczytywania jakiegokolwiek referencyjnego zapisu EEG jest zadanie dwóch pytań przed interpretacją pojedynczej fali: jaka jest elektroda odniesienia i jaką aktywność, mózgową bądź inną, może ona wnosić do każdego kanału na stronie?

Bibliografia

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

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest referencyjny montaż EEG?

Montaż referencyjny odejmuje napięcie na pojedynczej wspólnej elektrodzie odniesienia od napięcia na każdej aktywnej elektrodzie na skórze głowy. To pojedyncze odejmowanie kształtuje amplitudę, kształt fali i pozorną lokalizację każdego wyświetlanego sygnału mózgowego.

Dlaczego zmiana elektrody odniesienia zmienia to, co pokazuje EEG?

Wyświetlany sygnał jest równy aktywności mózgu pod aktywną elektrodą pomniejszonej o aktywność obecną w miejscu odniesienia. Wybór innego odniesienia zmienia to odejmowanie, co może przesuwać amplitudy, zniekształcać kształty fal i zmieniać pozorne źródło zdarzenia.

Czy montaż referencyjny może wprowadzać w błąd co do miejsca, z którego pochodzi aktywność mózgu?

Tak. W badaniach z użyciem elektrod głębinowych montaż referencyjny radził sobie nie lepiej niż przypadek przy odróżnianiu aktywności istoty szarej od istoty białej, podczas gdy montaż Laplacian poprawnie zidentyfikował zdecydowaną większość z nich. Inne badanie wykazało, że montaże referencyjny i Laplacian wskazywały różne pasma częstotliwości i różne obszary skóry głowy dla tego samego zestawu danych, co pokazuje, że montaż silnie kształtuje topografię.

Które odniesienie do ucha jest bardziej wiarygodne: tożsame czy przeciwne?

W konfiguracji EEG typu „hairline” do wykrywania napadów bezdrgawkowych, odniesienie do tożsamego ucha (po tej samej stronie) zapewniało nieco wyższą dokładność diagnostyczną niż odniesienie do ucha przeciwnego. Jednak nawet lepsza konfiguracja po stronie tożsamej pomijała znaczną część napadów, co czyni ją niewystarczającą do wykluczenia tego stanu.

Jak sprawdził się montaż z odniesieniem do Cz w badaniach przesiewowych napadów na OIT?

Gdy Cz zostało użyte jako odniesienie w uproszczonym układzie siedmiu elektrod, czułość wykrywania napadów wyniosła ponad 90% w badaniu retrospektywnym. Jest to wynik znacznie wyższy niż w przypadku montaży „hairline” z odniesieniem do uszu, ale przed uznaniem go za sprawdzone narzędzie kliniczne nadal wymagana jest prospektywna walidacja w większych populacjach.

Kiedy montaż referencyjny ujawnia aktywność napadową, którą montaż dwubiegunowy pomija?

W padaczce skroniowej o początku przyśrodkowym montaż referencyjny z elektrodami klinowymi czasami wykazywał wczesną aktywność napadową ograniczoną do pojedynczego odprowadzenia klinowego, zanim jakakolwiek elektroda na skórze głowy została zajęta. Ten wczesny, izolowany wzorzec nie był widoczny w montażach dwubiegunowych i był specyficzny dla początku przyśrodkowego płata skroniowego.

Jak można rozpoznać artefakty związane z punktem odniesienia w montażu referencyjnym?

Jeśli na wszystkich kanałach jednocześnie pojawia się identyczny lub niemal identyczny kształt fali, prawdopodobnie odzwierciedla to zakłócenia w miejscu odniesienia, a nie rozproszoną aktywność mózgu. Każda rytmiczna aktywność mięśniowa lub ruch przy elektrodzie odniesienia odciska się na każdym kanale.

Jakie praktyczne kroki zmniejszają ryzyko wprowadzenia w błąd przez montaż referencyjny?

Zawsze zidentyfikuj elektrodę odniesienia przed interpretacją zapisu i zweryfikuj wyniki z innym montażem, takim jak układ Laplacian lub dwubiegunowy. W przypadku decyzji o wysoką stawkę potwierdź działanie uproszczonych konfiguracji referencyjnych za pomocą pełnej rejestracji o standardzie referencyjnym.

Czym jest montaż Laplacian i dlaczego jest wymieniany jako alternatywa?

Montaż Laplacian oblicza aktywność na każdej elektrodzie względem średniej z jej bezpośrednich sąsiadów, zamiast pojedynczego odległego punktu odniesienia. Badania pokazują, że zapewnia on dokładniejszą lokalizację aktywności istoty szarej i ujawnia wzorce topograficzne, które podejście referencyjne może pominąć lub zniekształcić.