tali risposte possono essere ottenute dalle strutture sensoriali del cervello (sensitive, visive ed...
TRANSCRIPT
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
Potenziali Evocati risposte registrate a livello del sistema nervoso centrale e/o periferico in seguito ad una stimolazione esterna
MRI+FDG-PET
Perché i PE nell’era delle neuroimmagini?
Vantaggi Svantaggi
NeuroimmaginiNeuroimmagini
Possibilità di individuare aree cerebrali molto piccole, attive in
maniera fisiologica e/o patologica
(RISOLUZIONE SPAZIALE)
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
Potenziali Evocati
Potenziali Evocati
Svantaggi Vantaggi
Limitata risoluzione spaziale, anche
utilizzando un numero elevato di elettrodi di
registrazione e metodiche di
decomposizione del segnale e analisi
dipolare
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. EEG2. Corrente di rete3. EKG4. Potenziali muscolari5. Ecc…
SOLUZIONE:
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
AVERAGING
Consente di mettere in evidenza anche componenti evocate meno “stabili”
Number of averages
“Signal to Noise is Proportional to the Square Root of the Number of Averages”
Chiappa
Come si generano i Potenziali Evocati?
Dendrite post-synaptic potential10-100 ms duration
Axon action potential 1 ms duration
Good summation
Bad summation
Ionic currents
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.
EEG
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 Sinapsi inibitoria
Evento elettrico in superficie
Evento elettrico in profondità
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
Nervo-plesso
Midollo
Talamo
Corteccia
Potenziali Far e Near Field
-Nel caso dei Potenziali Evocati, i “far-fields” 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
+ +
- -
+ +
+- -
+- -
Verticale o radiale
Orizzontale o tangenziale
Obliquo
0
-
+
disposizione del dipolo
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
amplificatori
Testina paziente
interfaccia
Conversione A/D
acquisizione elaborazione
Controlli (sensibilità, filtri)
• 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
Acquisizione: l’amplificatore differenziale
CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)
Il tempo di campionamento (Tc), o
frequenza di campionamento (Fc)
determinano la risoluzione del segnale
(traccia) sull’ASSE ORIZZONTALE
CONVERSIONE A/D campionamento
campionamento
tempo
segnale analogico
campionamento
Fc
tempo
tempo
segnale analogico
campionamento
Fc
tempo
segnale analogico
campionamento
Fc
• 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.
CONVERSIONE A/D campionamento
Digitalizzazione EMG: Valori Tipici
Tipo SegnaleTipo Segnale AmpiezzaAmpiezza VVININ RisoluzioneRisoluzione Banda Banda FFCC IntervalloIntervallo
EMG ad AgoEMG ad Ago 0.1 – 20 0.1 – 20 mVmV 25600 25600 VV 0.39 0.39 V/digitV/digit 2 – 10000 2 – 10000 HzHz 32768 Hz32768 Hz ContinuoContinuo
VCMVCM 0.1 – 20 0.1 – 20 mVmV 25600 25600 VV 0.39 0.39 V/digitV/digit 2 – 10000 2 – 10000 HzHz 32768 Hz32768 Hz 50 msec.50 msec.
VCSVCS 1-100 1-100 VV 3200 3200 VV 48.8 48.8 nV/digitnV/digit 5 – 2000 5 – 2000 HzHz 8192 Hz8192 Hz 50 msec.50 msec.
Singola FibraSingola Fibra 0.5 – 10 0.5 – 10 mVmV 25600 25600 V V 0.39 0.39 V/digitV/digit 500 – 5000 500 – 5000 HzHz 32768 Hz32768 Hz 5 msec.5 msec.
P300P300 10-40 10-40 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 0.16-100 0.16-100 HzHz 256 Hz256 Hz 800 msec.800 msec.
PESPES 2-10 2-10 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 3-2000 3-2000 HzHz 8192 Hz8192 Hz 100 msec.100 msec.
PEVPEV 5-20 5-20 VV 1600 1600 VV 24.4 24.4 nV/digitnV/digit 1-200 1-200 HzHz 512 Hz512 Hz 250 msec.250 msec.
PEATCPEATC 0.2 – 1 0.2 – 1 VV 800 800 VV 12.2 12.2 nV/digitnV/digit 3 – 3000 3 – 3000 HzHz 16384 Hz16384 Hz 15 msec.15 msec.
Calcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bitCalcoli effettuati con Quantizzazione a 16 bit
Valori ricavati da:Valori ricavati da:
““Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Recommendation for the Practice of Clinical Neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition. Clinical Neurophysiology”: 2nd revised and enlarged edition.
Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.Supplement 52 to Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.
Edited by G. DEUSCHL and A. EISEN - ElsevierEdited by G. DEUSCHL and A. EISEN - Elsevier
CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (A/D)
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
CONVERSIONE A/D quantizzazione
La precisione con cui vogliamo misurare un oggetto
L’unità di misura è
rappresentata dal
numero di bit
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
• 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)
CONVERSIONE A/D quantizzazione