Instantaneous EEG Signal Analysis Based on Empirical Mode Decomposition Applied to Burst–Suppression In Propofol Anaesthesia

Instantaneous EEG Signal Analysis Based on Empirical Mode Decomposition Applied to Burst–Suppression In Propofol Anaesthesia

Celkové hodnotenie

Vedecká práca
67%
Prevedenie (dizajn)
67%
Diskusná interakcia
PoužívateľVedecká prácaDizajnDiskusná interakcia
Mgr. Lukáš Ihnacik 100%100%-

Instantaneous EEG Signal Analysis Based on Empirical Mode Decomposition Applied to Burst–Suppression In Propofol Anaesthesia

Gabriela Sobolová1 , Marco Samuel Fabuš2 , Martin Fischer , Michal Drobný , Beata Drobná - Sániová ,
1 Klinika anestéziológie a intenzívnej medicíny, Jesseniova lekárska fakulta v Martine, Univerzita Komenského v Bratislave, Kollárova 2, 036 01 Martin
2 Wellcome Centre for Integrative NeuroImaging, Nuffield Department of Clinical Neurosciences, University of Oxford, Level 6, West Wing, John Radcliffe Hospital, Oxford OX3 9DU, United Kingdom
gabriela.sobolova@gmail.com

EEG signál predstavuje nestacionárny, nelineárny elektrický signál, ktorý vzniká súčinnosťou elektrickej aktivity nervových buniek v talamo - kortikálnej štruktúre mozgu. Kvôli komplexnosti fyziologických štruktúr mozgu a ich rytmických oscilácií sa na extrakciu a analýzu informácií získaných z EEG dát využívajú metódy založené na spektrálnej analýze signálu. Tieto informácie sú dôležité pre zhodnotenie stavu skúmaného subjektu lekárom, vedeckým pracovníkom, iným zdravotníckym pracovníkom alebo biomedicínskym inžinierom, ktorý využitím  týchto techník spracuje surové EEG dáta v digitálnej forme.

V rámci našej štúdie a neskôr zverejnenej publikácie - Instantaneous EEG Signal Analysis Based on Empirical Mode Decomposition Applied to Burst–Suppression In Propofol Anaesthesia - sme aplikovali novú metódu spektrálnej analýzy - Empirická Modálna Dekompozícia (EMD) na EEG dáta získané počas chirurgického zákroku na otvorenom hrudníku v rámci celkovej anestézie (CA). Algoritmus EMD umožňuje rozklad elektrického signálu na limitované menšie zložky signálu, tzv. vlastné modálne funkcie (intrinsic modal functions - IMF).

V tejto štúdií sme implementovali algoritmus EMD na analýzu fyziologického prejavu EEG, tzv. „burst - suppression“ (BS), ktorý je nepatologickým prejavom cyklického striedania sa výraznej depresie mozgovej aktivity so salvami hyperaktivity rôzneho trvania, amplitúdy a tvaru krivky. Burst - suppression vzniká počas dostatočne hlbokého úvodu do celkovej anestézie (CA) po bolusovom intravenóznom podaní celkových anestetík.

V našej štúdií sme sa zamerali na sledovanie správania sa BS po podaní anestetika – propofol. Jeho percentuálny obsah sme  vyjadrili na základe pomeru burst – suppression ratio (BSR).

Spracovanie burst - suppression (BS) pomocou EMD algoritmu predstavuje nový spôsob analýzy nestacionárnych a nelineárnych signálov (EEG signálov), ktorý má potenciál objasniť neurofyziologické mechanizmy tohto javu a umožňuje určiť jeho dopad na pooperačnú prognózu pacientov.

 

Výskum burst-suppression (BS) je podstatnou súčasťou tohto úsilia, keďže neurálne mechanizmy vzniku BS sú známe len čiastočne a výskum elektroneurofyziologických zmien počas úvodu do CA nám môžu pomôcť objasniť pôsobenie celkových anestetík na mozgové štruktúry a priblížiť mechanizmy zmien vedomia pri CA. Dôležitú rolu v týchto javoch má talamo-kortikálna komunikácia a funkčné prepojenia medzi časťami mozgovej kôry, ktoré sa na EEG prejavujú aj ako alfa oscilácie (Hesse et al., 2019; Hight et al., 2017; Soehle et al., 2015).

Ako hlavné úvodné anestetikum bol použitý propofol, s dávkou v priemere 182,9 mg na jedného pacienta. V rámci úvodu do CA sa propofol kombinoval so sufentanylom, v dávke v priemere 12,2 mg na pacienta.

Klinickým ukazovateľom správnej hĺbky anestézie je maximalizácia pomalo-vlnnej aktivity (slow-wave activity, SWA). (Ni Mhuircheartaigh et al., 2013; Sleigh et al., 2019; Warnaby et al., 2017)). Nie je avšak známe, ako sa pomalo-vlnná aktivita správa po stave BS.

Naše výsledky naznačujú, že pomalo-vlnná aktivita (delta a pomalé vlny) sa navracia ako posledná po epizóde BS. Keďže pomalá aktivita sa prejavuje ako globálne kortikálne vlny (Massimini, 2004; Murphy et al., 2011), tento výsledok poukazuje na narušenú funkčnú konektivitu po burst-suppression, ktorá môže byť jedným z dôvodov vzniku pooperačného delíria. Táto hypotéza by mohla v budúcnosti byť potvrdená štúdiom burst-suppression pomocou iných snímacích modalít, ako napr. funkčná magnetická rezonancia a magnetoencefalografia (MEG) počas anestézy.

Všeobecne anestetiká ovplyvňujú frekvenciu a amplitúdu priebehu EEG počas CA. Pričom každá trieda podávaných anestetík má svoje špecifické účinky na EEG, ktoré súvisia s podávanou dávkou daného anestetika a priebehom anestézie. Po podaní anestetika buď i.v. alebo inhalačne, relaxovaný pacient stráca vedomie a rytmické oscilácie EEG dosahujú vyššie hodnoty v amplitúde a objavujú sa nižšie frekvenčné oscilácie ako delta, theta a pomalé oscilácie.

Počas CA dochádza k tomu, že lokalizovaná beta aktivita vo frontálnom laloku sa spomaľuje a prechádza do prejavu alfa aktivity, čo je prejavom utlmenia vedomia pacienta.

V kombinácii so stratou okcipitálnej aktivity alfa, tento jav vyvoláva dojem „shiftu-posunu“ aktivity alfa z ockipitálnej kôry do prednej -  frontálnej kôry. Ďalšie zvyšovanie dávky inhalovaného alebo intravenózne podávaného anestetika vedie k ďalšiemu spomaleniu EEG. Niektoré anestetiká úplne potláčajú aktivitu EEG. Iné anestetiká nikdy neprodukujú BS, a to napriek zvyšovaniu dávky, buď preto, že nie sú schopné úplne potlačiť EEG (napr. opioidy, benzodiazepíny) alebo preto, že kardiovaskulárna toxicita liečiva (napr. halotán) bráni podaniu dostatočne veľkej dávky.

Propofol je pravdepodobne najpoužívanejšie intravenózne anestetikum, a je najčastejšie používané na vyvolanie anestézie. Podobne ako väčšina i.v. anestetík, propofol funguje na základe zvýšenia inhibítora sprostredkovaného GABA – aminokyselinou v CNS.

Z našej štúdie vychádza, že po aplikácií anestetika – propofolu, je viditeľný vplyv na aktivitu burst-suppression (BS). Na začiatku EEG záznamu nadobúda koeficient charakterizujúci BS (BSR pre vlastnú modálnu funkciu IMF-1) nízku hodnotu a BSR pre vlastnú modálnu funkciu IMF-4, charakterizovaný delta aktivitou, nadobúda vysokú hodnotu. Možno povedať, že EEG záznam je ovplyvňovaný najmä alfa aktivitou (najvyššia korelácia medzi BSR hodnotami). Delta aktivita (IMF-4) prestáva byť suprimovaná/potlačená až po dokončení supresie vyšších frekvencií – alfa, vyššia delta, a až na koniec pomalá delta. Vysoké hodnoty BSR pre delta pomalú aktivitu na začiatku grafu poukazuje na postupný nárast tejto aktivity pri začiatku zvyšovania koncentrácie propofolu v mozgu, kde pomer BSR nadobúda nízke hodnoty.

Dokázali sme, že propofol silno ovplyvňuje prejavy EEG s počiatočným nárastom delta vĺn (nízka hodnota BSR) a neskôr produkciou stavu BS (BSR narastá). Alfa oscilácie (IMF-1) mali najlepšiu predikciu na vývoj BS s najvyššou koreláciou medzi koeficientami EEG BSR a IMF-1 BSR. Možno povedať, že v zložke BS je najviac zastúpená alfa aktivita, teda vznik BS možno označiť za prejav supresie alfa aktivity ako „alfa burst - suppression“.

BSR pre rôzne frekvenčné zložky IMF preukázali pri ustupovaní až po ukončenie burst - suppression, rôznu rýchlosť návratu k pôvodnej hodnote nula. Z tohto vyplýva, že prejav BS môže mať značný vplyv na neurálne generátory pomalých EEG oscilácií a samotnú talamo-kortikálnu funkčnosť mozgovej aktivity, keďže sa pomalé oscilácie vracajú do záznamu až po tých s vyššou frekvenciou. Čo môže mať za následok prejavy delíria pooperačnom stave pacienta. Táto hypotéza je základom budúceho výskumu BS, a získania výsledkov o prejave BS po podaní anestetika.

Multi-dimenzionálna EMD je predmetom aktívneho výskumu (Lang et al., 2018; Rehman & Mandic, 2010; Wu et al., 2016) a táto metóda by v budúcnosti mohla byť aplikovaná na naše záznamy na lepší opis topografických vlastností burst-suppression a ich dopad na prognózu pacientov. Klinickou aplikáciou výsledkov z pokračujúceho výskumu môže byť generácia novších, komplexnejších a spoľahlivejších neuromonitorov na použitie v anestéziológii a intenzívnej medicíne.

Táto práca mala taktiež za cieľ uviesť čitateľa do problematiky analýzy EEG pomocou algoritmu Empirickej modálnej dekompozície (EMD). EMD opisuje EEG signál pomocou malého množstva bázových funkcií IMF. Na rozdiel od metód založených na Fourierovej transformácii, kde tento rozklad nepredpokladá a priori tvar bázových funkcií ani linearitu, či stacionaritu. Naša štúdia ukázala, že prirodzený rozklad EEG signálu pomocou EMD opísal tradičné alfa, delta, a pomalé oscilácie bez a priori predpokladov o frekvenčných pásmach. EMD môže opísať nelineárny tvar oscilácií počas anestézy, čo môže ďalej objasniť mozgové generátory týchto signálov pomocou neinvazívnych štúdií nadväzujúc na pôvodný invazívny výskum pomalo-vlnnej mozgovej aktivity (F. Amzica & Steriade, 1998).

V tejto štúdii sme ukázali, že EMD algoritmus s pomocou maskovacích signálov produkuje hodnotný a zmysluplný rozklad EEG záznamu aj počas stavu burst-suppression. Existujúce práce aplikujúce HHT (Hilbert-Huangova transformácia) a EMD na anestetické EEG sa doteraz sústredili na analýzu celkového záznamu a pomalo-vlnnej aktivity bez opisu burst-suppression na rozdiel od našej analýzy (Chen et al., 2016; Kortelainen & Väyrynen, 2015).

Záujem o EMD v neurovedeckej komunite narastá a táto flexibilná metóda má potenciál zlepšiť klinické monitorovanie neurofyziologických signálov a objasniť základné princípy funkčných mechanizmov v mozgu.

Zdroje: 

Hesse S., Kreuzer M., Hight D., Gaskell A., Devari P., Singh D., Taylor N.B., Whalin M.K., Lee S., Sleigh J.W., Garcia P.S.Association of electroencephalogram trajectories during emergence from anaesthesia with delirium in the postanaesthesia care unit: an early sign of postoperative complications’. Br. J. Anaesth. 2019; 122 (5): 622-634. doi: 10.1016/j.bja.2018.09.016. 28

Ni Mhuircheartaigh R., Warnaby C., Rogers R., Jbabdi S., Tracey I. Slow-Wave Activity Saturation and Thalamocortical Isolation During Propofol Anesthesia in Humans. Sci Transl Med. 2013; 23; 5 (208): 208ra148. DOI: 10.1126/scitranslmed.3006007. 

Massimini M., Huber R., Ferrarelli F., Hill S., Giulio T. The Sleep Slow Oscillation as a Traveling Wave. J. Neurosci. 2004; 24 (31): 6862–6870. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1318-04.2004. 

Lang X., Zheng Q., Zhang Z., Lu S., Xie L., Horch A., Su H. Fast Multivariate Empirical Mode Decomposition. IEEE Access PP; 2018; 99: 1–18. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2877150. 

 Amzica F., Steriade M. Electrophysiological correlates of sleep delta waves. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1998; 107 (2): 69–83. DOI: 10.1016/S0013-4694 (98)00051-0

Chen S-J., Peng Ch-J., Chen Y-Ch., Hwang Y-R., Lai Y-S., Fan S-Z., Jen K-K. Comparison of FFT and marginal spectra of EEG using empirical mode decomposition to monitor anesthesia. Comput. Methods Programs Biomed. 2016; 137: 77–85. DOI: 10.1016/j.cmpb.2016.08.024. 

Diskusia