Potenziali Far e Near Field

Potenziali Evocati
risposte registrate a livello
del sistema nervoso
centrale e/o periferico in
seguito ad una
stimolazione esterna
Tali risposte possono essere ottenute dalle strutture sensoriali del
cervello (sensitive, visive ed uditive) dopo stimolazione delle
corrispondenti afferenze (fibre nervose somatosensoriali, nervo ottico,
nervo acustico) o, per quanto riguarda i Potenziali Evocati Motori
(PEM), dal muscolo dopo stimolazione della corteccia motoria
Perché i PE nell’era delle neuroimmagini?
MRI+FDG-PET
Vantaggi
Possibilità di
individuare aree
cerebrali molto
piccole, attive in
maniera fisiologica e/o
patologica
(RISOLUZIONE
SPAZIALE)
Neuroimmagini
Svantaggi
1) Difficoltà nello
stabilire l’attivazione
sequenziale delle
strutture cerebrali
(RISOLUZIONE
TEMPORALE)
2) Difficoltà nel definire
qualitativamente le
modificazioni
nell’attività di una
certa area cerebrale
(inibizione?
eccitazione?)
3) Difficoltà nello studio
funzionale del
troncoencefalo e del
midollo
Walsh & Cowey, Nature Rev Neurosci 2000
xx
Svantaggi
Limitata risoluzione
spaziale, anche
utilizzando un numero
elevato di elettrodi di
registrazione e
metodiche di
decomposizione del
segnale e analisi
dipolare
Potenziali
Evocati
Vantaggi
1) Elevata risoluzione
temporale
2) Possibilità di
interpretare le
modificazioni del
segnale elettrico
cerebrale in senso
inibitorio o
eccitatorio
3) Possibilità di studio
funzionale del
troncoencefalo e del
midollo
Utilità dei Potenziali Evocati:
1) routine clinica (diagnosi, follow-up)
Concetti di base per l’utilizzo clinico routinario:
- analisi del segnale e nomenclatura
- generatori dei PE
- tipi di PE
2) monitoraggio intraoperatorio (chirurgia
vertebrale –SEP e MEP, chirurgia
dell’angolo ponto-cerebellare – BAERs)
3) Utilizzo per la ricerca
PROBLEMA:
L’ampiezza dei potenziali evocati è più
piccola del segnale elettrico generato da
altre sorgenti e accessibile da parte degli
elettrodi registranti
1.
2.
3.
4.
5.
EEG
Corrente di rete
EKG
Potenziali muscolari
Ecc…
SOLUZIONE:
Averaging:
è la media di intervalli EEGgrafici dopo
singoli stimoli. In tale media, solo il
segnale con un rapporto di tempo costante
con lo stimolo viene esaltato, mentre tutto
il “rumore di fondo”, indipendente dallo
stimolo, verrà progressivamente attenuato
AVERAGING
AVERAGING
Consente di mettere in evidenza anche
componenti evocate meno “stabili”
“Signal to Noise is Proportional to
the Square Root of the Number of
Averages”
Number of
averages
Chiappa
Come si generano i Potenziali Evocati?
Dendrite post-synaptic potential
10-100 ms duration
Good summation
Ionic currents
Axon action potential
1 ms duration
Bad summation
EEG
Gli spostamenti delle cariche ioniche causate dagli EPSP-IPSP generano dei
potenziali extracellulari definiti “Field potentials” la cui registrazione all’esterno
dello scalpo costitutisce l’EEG e le sue modificazioni.
Il sistema Internazionale "10-20"
L’attività elettrica
extracellulare, principale
responsabile del segnale
registrato dalla superficie del
cuoio capelluto, dipende in
gran parte dai potenziali
postsinaptici eccitatori e
inibitori
Come i PSPs si traducono nel segnale EEG?
Sinapsi eccitatoria
Evento elettrico
in superficie
Evento elettrico
in profondità
Sinapsi inibitoria
1) EPSP in superficie: registrazione dallo
scalpo di un potenziale negativo
2) EPSP in profondità: registrazione
dallo scalpo di un potenziale positivo
3) IPSP in superficie: registrazione dallo
scalpo di un potenziale positivo
4) IPSP in profondità: registrazione dallo
scalpo di un potenziale negativo
E’ molto importante considerare
che il segnale registrato sulla
superficie dello scalpo deriva
dalla somma di più differenze di
potenziale (dipoli) uguali per
segno, verso e direzione generati
da più neuroni disposti
parallelamente
Potenziali Far e Near Field
Corteccia
Talamo
Midollo
Nervo-plesso
-Nel caso dei Potenziali Evocati, i “farfields” si generano quando vi è un
cambiamento nelle caratteristiche del
mezzo (cambiamento di volume, di
densità)
-In realtà tutte le risposte post-sinaptiche
evocate che registriamo dal sistema
nervoso centrale sono dei “far-fields”
Potenziali Near Field
E’ possibile risalire dai
potenziali registrati in
superficie ai loro generatori
profondi?
Problema inverso
Problema inverso:
-Dato un numero limitato di elettrodi di
registrazione le soluzioni sono infinite
-Esistono dei programmi di modellizzazione
dipolare che permetto di formulare delle
ipotesi
-La congruenza fra l’ipotesi e la traccia
registrata è espressa dalla varianza residua
disposizione del dipolo
- + +
Verticale o radiale
0
+
-
-
+
+
Orizzontale o tangenziale
Obliquo
+
+
Limiti della modellizzazione
dipolare:
-Un bassa varianza residua non garantisce la
correttezza del modello
-E’ sempre necessario formulare un’ipotesi
iniziale sul numero e sulla localizzazione dei
dipoli
-La risoluzione spaziale non è inferiore a ~9
mm anche utilizzando molti elettrodi
registranti e proiettando i risultati sulla RM
individuale
Vantaggi della modellizzazione
dipolare:
-Consente di separare le attività di
generatori diversi, ma molto vicini nello
spazio e nel tempo
-Consente di paragonare le attività di singoli
generatori in condizioni diverse
Il semplice studio topografico dei Potenziali
Evocati può dare informazioni sui loro
generatori
L’accuratezza di una mappa topografica
dipende:
1) dal numero di elettrodi,
2) dalla metodica di interpolazione
(interpolazione lineare, spline)
Potenziali
Esogeni ed Endogeni
• I Potenziali Evocati Esogeni sono interamente
dipendenti dalle caratteristiche fisiche del segnale
afferente (frequenza, intensità, durata) e non sono
soggetti a modificazioni collegate allo stato cognitivo
(per esempio di “attenzione”) del soggetto stimolato
• Sono Potenziali Evocati Esogeni i BAERs, i PES a
breve latenza evocati dal midollo spinale (N13), dal
troncoencefalo (P14) e dalla corteccia
somatosensoriale (N20)
Potenziali
Esogeni ed Endogeni
• I Potenziali Evocati Endogeni sono interamente
dipendenti da fattori cognitivi soggettivi e possono
anche non essere evocabili in determinate condizioni
del soggetto stimolato, nonostante l’integrità
anatomica delle vie afferenti
• Sono Potenziali Evocati Endogeni la P300, la CNV
Potenziali
Esogeni ed Endogeni
• Alcuni PE, generalmente definiti a media latenza,
sono evocati dallo stimolo afferente e dipendono
dalle sue caratteristiche fisiche, ma vengono
largamente influenzati dallo stato di vigilanza e di
attenzione del soggetto
• Appartengono a tale categoria i potenziali evocati
somatosensoriali P40 e N60
Elettromiografo
Controlli
(sensibilità, filtri)
Testina paziente
amplificatori
interfaccia
Conversione A/D
acquisizione
elaborazione
Acquisizione: l’amplificatore differenziale
•
L’amplificatore differenziale è un dispositivo elettronico che
• amplifica la differenza tra i due segnali presenti ai suoi ingressi
• permette di eliminare componenti uguali per ampiezza e fase dei
segnali di ingresso, la cui differenza algebrica è praticamente nulla
Acquisizione: l’amplificatore differenziale
• Elevato guadagno (rapporto tra segnale in ingresso e segnale in uscita) per
amplificare il basso segnale di ingresso (10000 volte)
• CMRR (common mode rejection ratio): rapp. di reiezione di modo comune
• indica la capacità dell’amplificatore di reiettare/attenuare le
componenti uguali dei segnali in ingresso e di amplificarne le
differenze (100 dB).
• un alto CMRR è importante nelle applicazioni in cui l’informazione
rilevante è contenuta nella differenza di potenziale tra due segnali
CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)
CONVERSIONE A/D
campionamento
Il tempo di campionamento (Tc), o
frequenza di campionamento (Fc)
determinano la risoluzione del segnale
(traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE
campionamento
segnale
analogico
tempo
campionamento
tempo
Fc
campionamento
segnale
analogico
tempo
Fc
campionamento
segnale
analogico
tempo
Fc
CONVERSIONE A/D
campionamento
• Il tempo di campionamento (Tc), o
frequenza di campionamento (Fc)
determinano la risoluzione del segnale
(traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE
• Più corto è il Tc o più alta è la Fc
• più sono i punti della traccia
intercettati,
• più fedele è la riproduzione del
segnale digitale
CONVERSIONE A/D
campionamento
Il teorema di Nyquist (teorema del campionamento o di Shannon)
stabilisce le condizioni necessarie e sufficienti per la corretta
conversione A/D di un segnale:
la frequenza di campionamento deve essere
almeno il doppio della frequenza più elevata nel
segnale (Frequenza di Nyquist).
CONVERSIONE A/D
campionamento
• Quando questa condizione è rispettata la forma d’onda originale può essere
ricostruita con l’accuratezza desiderata usando opportune formule di
interpolazione a partire dall’informazione memorizzata in forma numerica.
• Al contrario se la frequenza di campionamento è troppo bassa rispetto alla
frequenza massima del segnale da convertire la forma d’onda numerica
risulterà distorta
• In particolare le frequenze superiori alla metà di quella del campionamento
(Fc/2) appariranno come frequenze più basse (ALIASING).
• Questo errore non può essere corretto successivamente.
Digitalizzazione EMG: Valori Tipici
Tipo Segnale
Ampiezza
VIN
Risoluzione
Banda
FC
Intervallo
EMG ad Ago
0.1 – 20 mV
25600 V
0.39 V/digit
2 – 10000 Hz
32768 Hz
Continuo
VCM
0.1 – 20 mV
25600 V
0.39 V/digit
2 – 10000 Hz
32768 Hz
50 msec.
1-100 V
3200 V
48.8 nV/digit
5 – 2000 Hz
8192 Hz
50 msec.
0.5 – 10 mV
25600  V
0.39 V/digit
500 – 5000 Hz
32768 Hz
5 msec.
P300
10-40 V
1600 V
24.4 nV/digit
0.16-100 Hz
256 Hz
800 msec.
PES
2-10 V
1600 V
24.4 nV/digit
3-2000 Hz
8192 Hz
100 msec.
PEV
5-20 V
1600 V
24.4 nV/digit
1-200 Hz
512 Hz
250 msec.
0.2 – 1 V
800 V
12.2 nV/digit
3 – 3000 Hz
16384 Hz
15 msec.
VCS
Singola Fibra
PEATC
Calcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bit
Valori ricavati da:
“Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of
Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition.
Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.
Edited by G. DEUSCHL and A. EISEN - Elsevier
CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)
CONVERSIONE A/D
quantizzazione
Determina la risoluzione del segnale (traccia)
sull’ASSE VERTICALE
L’EEG viene trasformato in una sequenza di numeri
interi misurandone l’ampiezza ad intervalli di tempo
equidistanti (Fc) convertendo la tensione misurata
in un numero intero
CONVERSIONE A/D
quantizzazione
L’unità di misura è
rappresentata dal
numero di bit
La precisione con cui vogliamo misurare un oggetto
quantizzazione
Il numero di linee è espresso dai bit e si esprime come potenza di 2 (2nbit)
se sono 8 linee sarà espresso come 23
quantizzazione
Aumentando i bit si aumentano il numero di linee
CONVERSIONE A/D
quantizzazione
• Il numero di bit (2n) utilizzato dal convertitore A/D
determina la risoluzione del segnale (traccia)
sull’asse verticale
• Il valore minimo di ampiezza rappresentabile sullo
schermo è dato dal segnale in ingresso diviso la
risoluzione
• 3 bit corrispondono a 8 livelli (23)
• 16 bit corrispondono a 65.536 livelli (216)