DETECÇÃO DA RESPOSTA SOMATO-SENSITIVA: COERÊNCIA SIMPLES (DERIVAÇÕES BIPOLARES) vs MÚLTIPLA (UNIPOLARES)

21º Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica

ISBN: 978-85-60064-13-7

DETECÇÃO DA RESPOSTA SOMATO-SENSITIVA: COERÊNCIA SIMPLES (DERIVAÇÕES BIPOLARES) vs MÚLTIPLA (UNIPOLARES) D. B. Melges*, A. F. C. Infantosi*, A. M. F. L. Miranda de Sá* *

Programa de Engenharia Biomédica/COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil [email protected]

Abstract: In this work the detection performance of two objective response detection (ORD) techniques is compared, the Magnitude-Squared Coherence (MSC) and the Multiple Coherence (MC), in detecting the somatosensory stimuli-response. The MSC was applied to the bipolar derivations [C4-C3] and [Cz-Fz] and the MC to the unipolar ([C4] [C3]) and ([Cz] [Fz]). The MC([C4][C3]) presented statistically significant higher detection rates than MSC([C4-C3]) in the range 29.0 to 53.1 Hz (except 38.6 and 48.3 Hz). The MC([Cz][Fz]) surpassed the MSC([Cz-CFz]) only for 14.5 Hz. Hence, as a general rule, if one have two derivations available, it is better to use the MC of the unipolar leads than the MSC of the bipolar derivation. Palavras-chave: Somatosensory evoked potential, objective response detection, Ordinary and Multiple Coherence, unipolar and bipolar derivation. Introdução O potencial evocado somato-sensitivo (PESS) tem se estabelecido como importante ferramenta no diagnóstico de patologias neurológicas e na monitorização durante cirurgias vasculares e de coluna. Além disso, diversos autores têm apontado para a possibilidade de se detectar de forma objetiva a resposta evocada ao estímulo sensorial somático por meio de métodos estatísticos. Tais técnicas, conhecidas como ORD (de Objective Response Detection techniques), visam a evitar o viés subjetivo introduzido ao se analisar a morfologia da média coerente, uma promediação de janelas de EEG durante estimulação tomadas de forma sincronizada com o estímulo. Na análise morfológica, é comum a utilização de derivações bipolares. Os autores que defendem a utilização destas derivações sustentam serem estas capazes de oferecer potenciais de maior amplitude em decorrência da soma de atividades nos sítios que compõem a derivação bipolar. De fato, estas derivações apresentam melhor razão sinal-ruído do que as derivações unipolares que as compõem. Tal efeito pode, inclusive, refletir-se em uma melhoria nos percentuais de detecção de resposta de técnicas ORD aplicadas a um único sinal (técnicas ORD simples). Segundo este raciocínio, seria mais vantajoso aplicar a técnica a uma derivação bipolar do que aplicá-la a um canal unipolar. Recentemente, Miranda de Sá et al. [1] sugeriram a

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aplicação de técnicas ORD que utilizam mais de uma derivação EEG visando a aumentar a probabilidade de detecção de respostas. Tais técnicas, conhecidas como ORD Multivariadas (MORD - Multivariate ORD), assim como a aplicação de uma técnica ORD simples a uma derivação bipolar, permitem utilizar, de forma sinérgica, informação de mais de um canal EEG. Com base neste cenário e visando a obter uma maior taxa de detecção de resposta à estimulação, pode-se questionar qual seria a solução mais vantajosa: a aplicação de uma técnica ORD a uma derivação bipolar ou a aplicação de uma técnica MORD às duas derivações unipolares que a compõem. Assim, o objetivo deste trabalho é comparar as taxas de detecção ao se aplicar a técnica ORD Magnitude-Quadrática da Coerência (MSC – Magnitude-Squared Coherence) e sua versão multivariada a Coerência Múltipla (MC Multiple Coherence). Para tal, sinais EEG foram coletados usando o Sistema Internacional 10-20, sendo a MSC aplicada às derivações bipolares [Cz-Fz] e [C4C3] e a MC aplicada aos pares de derivações unipolares [Cz], [Fz] e [C4], [C3]. A Magnitude Quadrática da Coerência A MSC representa a parcela do valor médio quadrático do EEG medido que pode ser explicado pela estimulação. A MSC para um sinal discreto no tempo, de duração finita e janelado pode ser estimada conforme descrito em [2]. Para o caso em que o estímulo é periódico, a estimativa da MSC depende somente do EEG medido e pode ser expressa por: 2

M

∑Y ( f ) i

κˆ 2 ( f ) =

(1)

i =1 M

M ∑ Yi ( f )

2

i =1

onde “^” denota estimação, Yi ( f ) é a Transformada de Fourier da i-ésima janela de EEG e M é o número de épocas utilizadas na estimação. Valores críticos analíticos para esta estimativa de coerência podem ser obtidos a partir da distribuição, conforme descrito por Miranda de Sá e Infantosi [3]:

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1

κˆ 2 crit = 1 − α M −1

(2)

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onde α é o nível de significância. (Maiores detalhes sobre a interpretação da MSC em [4]). A detecção é obtida com base na rejeição da hipótese nula (H0) de ausência de resposta, que é alcançada quando os valores de estimativa excedem o valor crítico ( κˆ 2 ( f ) > κˆ 2 crit ).

eletrodos de ouro para aplicação de estímulos. O comitê de ética local (CEP-HUCFF/UFRJ) aprovou esta pesquisa e todos os voluntários assinaram consentimento livre e esclarecido para participar.

Coerência Múltipla

Os sinais EEG foram filtrados na banda de 0,5 – 100 Hz e digitalizados com o BNT-36 (resolução de 16 bits) usando taxa de amostragem de 600 Hz. Os sinais EEG foram segmentados em épocas de 208 ms (resolução espectral de 4,8 Hz) sincronizadas com a estimulação. Os primeiros 5 ms após cada estímulo foram zerados para evitar o artefato de estímulo, que interfere em técnicas ORD no domínio da freqüência. Os últimos 5 ms de cada janela também foram zerados para garantir simetria na janela. Além disso, uma janela Tukey com tempo de subida (e descida) de 7 ms foi aplicada a cada época. Épocas ruidosas foram descartadas por meio de um algoritmo semi-automático de rejeição de artefatos. Tanto o janelamento quanto a rejeição de artefato são descritas em detalhes em Infantosi et al. (2006). A seguir, κˆ 2 ( f ) , κˆ 2 crit , κˆ N2 ( f ) e

A Coerência Múltipla entre um sinal periódico e um conjunto de N sinais aleatórios (yj[k], j = 1..N) é dada por [1]: κˆ N2 ( f ) =

V ( f )Sˆ −yy1 ( f ) V H ( f )

(3)

M

onde H sobrescrito representa o Hermitiano da matriz e M V ( f ) = ∑ Y1i ( f )  i =1

M

∑Y

M

2i

(f) L

i =1

∑Y

Ni

i =1

 ( f ) , 

O elemento da p-ésima linha e q-ésima coluna da matriz de auto-espectros e espectros cruzados Sˆ yy ( f ) é dado por: M

Sˆ yp yq ( f ) = ∑ Y pi∗ ( f )Yqi ( f ) i =1

Os valores críticos para um nível de significância α, M épocas e N sinais podem ser expressos como [1]:

κˆ N2 crit =

Fcritα , 2 N , 2( M − N ) Fcritα , 2 N , 2( M − N ) + [ M − N ] / N

(4)

A detecção é obtida com base na rejeição da hipótese nula (H0) de ausência de resposta, que é alcançada quando os valores de estimativa excedem o valor crítico ( κˆ N2 ( f ) > κˆ N2 crit ). Aquisição de EEG Sinais EEG durante estimulação somato-sensitiva foram coletados de dez voluntários adultos com idade entre 23 e 37 anos (média±desvio padrão: 28,8±4,2 anos) e sem histórico de patologias neurológicas. Os sinais foram coletados usando o EEG BNT-36 (EMSA, Brasil, www.emsamed.com.br) de acordo com o Sistema Internacional 10-20 e com todas as derivações referenciadas à média auricular. Os voluntários foram postos deitados na posição de supinação com os olhos fechados. Os estímulos foram aplicados por meio de pulsos de corrente (200 µs de largura) ao nervo tibial direito usando o Atlantis Four (EMSA, Brasil, www.emsamed.com.br). A intensidade foi ajustada para o limiar motor (menor intensidade que produz oscilações dos dedos do pé) na taxa nominal de 5 estímulos por segundo (fe = 4,8 Hz). O eletrodo de terra foi posicionado na fossa poplítea. Eletrodos de prata de superfície foram usados para registro do EEG e

2/4

Pré-processamento

κˆ N2 crit foram calculados usando-se (1), (2), (3) e (4),

respectivamente, com α = 5%, M = 500 e N = 2. Posteriormente, as taxas de detecção foram determinadas para cada freqüência f tanto para MSC quanto para MC. Por fim, as taxas foram comparadas utilizando-se teste de proporções [5] para investigar se havia diferença estatisticamente significativa entre as taxas de detecção. Resultados O resultado da aplicação da Coerência Simples (ou MSC) à derivação bipolar [C4-C3] e da Coerência Múltipla (ou MC) às derivações unipolares [C4] e [C3] é ilustrado na Figura 1 para o voluntário #2. Para a MSC, a detecção ocorre apenas para as freqüências 4,8, 48,3 e 188,4. Por outro lado, a estimativa da MSC supera o valor crítico para as freqüências: 4,8, 29,0-48,3 e 140,1 Hz. A Figura 2 apresenta o resultado da detecção por meio da MSC aplicada a [Cz-Fz] e da MC aplicada a [Cz] e [Fz] do mesmo voluntário. Para a MSC, a detecção ocorre nas freqüências 4,8, 19,3, 29,048,3, 72,5-87,0, 106,3 e para a MC nas freqüências 4,8, 14,5, 29,0-48,3, 72,5-82,1, 101,4 e 106,3 Hz. Podemos observar que a detecção se dá, em sua maioria, na faixa de freqüências correpondente à banda gama baixa do EEG (30-50 Hz). Verificamos ainda que os valores de MSC e MC foram maiores quando as derivações Cz e Fz foram utilizadas, se comparadas aos valores dos estimadores calculados para as derivações C4 e C3. Para que pudéssemos comparar o desempenho geral ao se utilizar a MSC aplicada a [C4-C3] e a MC aplicada a [C4] e [C3], traçamos, na Figura 3, o número de voluntários para os quais foi possível detectar resposta à estimulação para freqüências de 5 a 200 Hz. Pela Figura, pode-se perceber que as maiores diferenças

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bipolar oferece PESS com amplitude mais pronunciada, a aplicação da MSC poderia ser vantajosa nestes casos. 0,045 0,040

2

κ crit

0,035

2

κ [C4-C3] 2

κ 2 crit

0,030

2

κ 2[C4][C3]

0,025

ORD

se encontram na faixa de freqüência de 29,0 a 53,1 Hz, com vantagem para a MC aplicada às derivações unipolares. A aplicação do Teste de Proporções [5] resultou em diferença estatisticamente significativa para as freqüências de 29,0 a 53,1 Hz, exceto 38,6 e 48.3 Hz (diferenças significativas indicadas por “*”). A Figura 4 apresenta o desempenho geral ao se utilizar a MSC aplicada a [Cz-Fz] ou MC aplicada a [Cz][Fz]. Nota-se que os resultados são mais próximos do que aqueles observados para κˆ 2 ( f ) [C4-C3] e

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0,020 0,015

κˆ22 ( f ) [C4][C3], com pequena vantagem para a MC. Entretanto, a aplicação do Teste de Proporções mostrou haver diferença significativa somente para 14,5 Hz.

0,010 0,005 0,000 20

40

60

Discussão e Conclusão

80

100

120

140

160

180

200

Freqüência (Hz)

3/4

Figura 1: Coerência simples da derivação bipolar [C4C3] ( κˆ 2 ( f ) [C4-C3]) e coerência múltipla usando derivações unipolares [C4] e [C3] ( κˆ22 ( f ) [C3][C4]) para o voluntário #2. Linhas horizontais representam 2 valores críticos para coerência simples ( κˆcrit = 0,006) e múltipla ( κˆ 22 crit = 0,009) para α = 5% e M = 500. 0,25

2

κ crit

0,20

2

κ 2 crit 2

κ [Cz-Fz]

0,15

2

ORD

O PESS tornou-se uma ferramenta importante no diagnóstico de neuropatologias e na monitorização cirúrgica. Além disso, a aplicação de técnicas estatísticas, que permitem inferir sobre a presença de resposta a estimulação sensorial, vem sendo proposta há quase duas décadas visando a tornar a análise destes potenciais evocados sensoriais objetiva. Tais técnicas possibilitam o estabelecimento a priori de uma taxa máxima de falsos positivos. Na análise morfológica, é comum a utilização de derivações bipolares. O IFCN Committe [6], por exemplo, recomenda o uso de [Cz’-Fz] ou [Cpz-Fz] (com Cz’ 2 cm posterior a Cz e Cpz a meio caminho entre Cz e Pz) e [Cc-Ci] (com Cc 2 cm posterior a C3 ou C4, dependendo de qual deles é contralateral ao membro estimulado; e Ci posicionado de forma similar). Tais combinações de derivações mostraram-se capazes de oferecer potenciais de maior amplitude por serem resultado da soma de atividades nos sítios que compõem a derivação bipolar. Assim, por exemplo, a derivação [C3’-C4’] obtida subtraindo-se C4’de C3’, combina a deflexão negativa N37 do sítio contralateral com o pico P37 no hemisfério ipsilateral ao membro estimulado. Como N37 e P37 são deflexões opostas, a derivação resultante apresenta uma soma das atividades, tendo, como conseqüência, uma melhor razão sinalruído se comparada às derivações unipolares que a compõem. Em alguns casos, tal melhoria pode, inclusive, ser percebida pelo aumento nos percentuais de detecção de resposta por técnicas ORD. Estes resultados poderiam indicar uma vantagem em se aplicar uma técnica ORD a uma derivação bipolar ao invés de aplicá-la a uma unipolar. Entretanto, recentemente, Miranda de Sá et al. [1] mostraram que a aplicação das chamadas técnicas ORD Multivariadas (MORD) pode aumentar a probabilidade de detecção de resposta à estimulação sensorial. Esta melhoria poderia ser alcançada pela utilização de informação de mais de uma derivação EEG. A Magnitude Quadrática da Coerência (MSC) é uma técnica ORD considerada das mais promissoras para detecção de resposta a estímulos sensoriais. Esta técnica utiliza tanto informação de amplitude quanto de fase do sinal medido. Sabendo-se que a utilização de derivação

κ 2[Cz][Fz] 0,10

0,05

0,00 20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Freqüência (Hz)

Figura 2: Idem Figura 1, porém para derivação bipolar [Cz-Fz] e derivações unipolares [Cz] e [Fz]. Por outro lado, estudos anteriores [7] apontaram não haver grandes diferenças entre a probabilidade de detecção da MSC e da CSM (Component Synchrony Measure), técnica que utiliza somente informação de fase. Tal resultado poderia indicar que a informação de fase é mais importante na detecção do que a amplitude da resposta. Neste sentido, a utilização de derivações bipolares poderia não ser ótima visto que pequenas diferenças nas latências de N37 e P37 são conhecidas [8], podendo provocar alterações no resultado final no que diz respeito à informação de sincronismo (fase) entre estímulo e resposta. Os resultados da comparação de percentuais de detecção obtidos neste trabalho apontaram para diferenças estatisticamente significativas entre a aplicação da MSC e a da MC na faixa de freqüências de 29,0 a 53,1 Hz (38,6 e 48,3 Hz) quando as derivações

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10

* *

9

PESS, acreditamos ser mais vantajoso utilizar a MC aplicada às duas derivações unipolares do que a MSC aplicada à derivação bipolar formada a partir das derivações disponíveis.

2

κ [C4-C3]

*

2

κ 2[C4][C3]

8

*

No. Voluntários

7

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Agradecimentos

6 5

À CAPES, CNPq e FAPERJ pelo apoio financeiro e ao Hospital Central da Polícia Militar do Rio de Janeiro pela infra-instrutura.

4 3 2 1

Referências

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5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

Freqüência (Hz)

Figura 3: Número de voluntários para os quais foi possível detectar resposta à estimulação para múltiplos da freqüência de estimulação (do 1o ao 15o). “*” indica diferença estatisticamente significativa entre número de detecções para κˆ 2 ( f ) [C4-C3] e κˆ22 ( f ) [C3][C4].

*

10

2

κ [Cz-Fz] 2

9

κ 2[Cz][Fz]

8

No. Voluntários

7 6 5 4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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Freqüência (Hz)

Figura 4: Idem Figura 3, porém para κˆ 2 ( f ) [Cz-Fz] e

κˆ22 ( f ) [Cz][Fz]. [C3] e [C4] foram usadas. Os resultados indicaram vantagem para a MC aplicada a derivações unipolares em relação a MSC aplicada a derivação bipolar. Quando as derivações [Cz] e [Fz] foram consideradas, apenas para a 14,5 Hz foi observada diferença significativa entre as duas técnicas. Porém, mesmo para estas derivações, foi observada uma ligeira vantagem da MC. Pôde-se observar também que a Coerência Múltipla apresentou percentuais de detecção maiores que 70% (7 indivíduos) independente das derivações utilizadas na banda gama baixa (25-50 Hz), considerada por estudo anterior [2] como a que melhor representa o PESS, juntamente com a banda beta alta (13-30 Hz). Além disso, notamos que, para a MSC, as taxas de detecção são menores para [C3] e [C4] do que para [Cz] e [Fz]. Isto pode ser explicado pelo fato de que as derivações centrais geralmente apresentam melhor razão sinal-ruído se comparadas com derivações parasagitais, tais como C3 e C4 [9]. De acordo com nossos resultados, caso duas derivações estejam disponíveis, em particular, as derivações usualmente aplicadas para o registro do

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