Con il termine EEG ad alta densità (HDEEG) si intende un elettroencefalogramma registrato con un elevato numero di elettrodi, generalmente compreso tra 64 a 256, anche se esistono sistemi in grado di gestire fino a 512 elettrodi. Quando all’alta densità di elettrodi è associata una acquisizione con una elevata frequenza di campionamento (generalmente uguale o superiore al 1 kHz), è spesso utilizzato il termine di EEG ad alta risoluzione.

L’EEG permette di studiare l’attività cerebrale con una risoluzione temporale nell’ordine dei millisecondi, ma con una modesta risoluzione spaziale. A partire dagli anni 90, con l’introduzione  degli EEG digitali basati su PC, sono stati sviluppati nuovi sistemi di acquisizione e nuovi strumenti software con l’obiettivo di estendere e consolidare l’uso dell’EEG per l’esplorazione delle funzioni/disfunzioni cerebrali.

L’HDEEG nasce con il duplice obiettivo di migliorare la modesta risoluzione spaziale dell’EEG standard e di localizzare le sorgenti corticali di eventi di interesse sulle immagini 3D strutturali di Risonanza magnetica ottenendo le cosiddette immagini delle sorgenti corticali (ESI, Electrical Source Imaging) . Per raggiungere quest’ultimo obiettivo non è però sufficiente aumentare il numero degli elettrodi perché il volume conduttore e i tessuti interposti tra la corteccia cerebrale e lo scalpo (fluido cerebrospinale, meningi, ossa del cranio e cute) distorcono il campo elettrico generato dall’attività elettrica neuronale (effetto blurring). Per migliorare la risoluzione spaziale e identificare con buona precisione i generatori corticali è quindi necessario, oltre all’aumento del numero dei canali, utilizzare modelli fisico-matematici realistici, basati sulle immagini strutturali 3D ottenute con la risonanza magnetica, per la soluzione di quello che è chiamato il problema inverso, cioè la stima della configurazione delle sorgenti che danno origine alla differenza di potenziale rilevata sullo scalpo. Il problema inverso non ammette un’unica soluzione e quindi può essere risolto solo sulla base di informazioni o ipotesi a priori (sul segnale, l’anatomia o la fisiologia del quesito oggetto di studio).

Componenti

Utilizzando un così elevato numero di canali è molto importante avere sempre presente quale disposizione degli elettrodi stiamo utilizzando, infatti per effettuare una qualsiasi post-analisi associata finalizzata a uno studio di imaging funzionale occorre conoscere con precisione le posizioni degli elettrodi sullo scalpo per garantire una corretta localizzazione. La conoscenza della posizione degli elettrodi è fondamentale anche per il confronto tra diversi soggetti o tra esami effettuati in laboratori o con strumenti diversi.

L’introduzione del Sistema Internazionale 10-20 ha standardizzato collocazione degli elettrodi sullo scalpo fino a un massimo di 21. Nel 1985 è stata proposta un’estensione del sistema 10-20 con l’incremento del numero di elettrodi fino a 74. Questa estensione, nota anche come sistema 10-10, è stata adottata  dall’American Electroencephalographic Society e dall’International Federation of Societies for Electroencephalography and Clinical Neurophysiology.

Negli ultimi anni sono stati proposti alcune estensioni del sistema 10-10, definendo il posizionamento di un massimo di 345 elettrodi (sistema 10-5), anche se al momento non sono stati introdotte nuove configurazioni standard per un numero di elettrodi superiore a 74.

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Fig. 1. Posizionamento degli elettrodi secondo il sistema internazione 10-20 (a) e 10-10 (b); la nomenclatura degli elettrodi in nero è modificata rispetto al sistema 10-20. C) Configurazione degli elettrodi secondo la proposta 10-5.

Tra i più importanti miglioramenti tecnologici che hanno reso possibile l’utilizzo di sistemi HDEEG abbiamo l’introduzione di cuffie precablate con un alto numero di elettrodi, lo sviluppo di amplificatori differenziali multicanali con un’elevatissima impedenza d’ingresso, l’utilizzo di elettrodi o sistemi attivi per ottimizzare il collegamento cute-amplificatori e migliorare la qualità del segnale registrato, senza richiedere un tempo di preparazione del paziente eccessivamente lungo.

La preparazione del paziente può richiedere molto tempo quando sono utilizzati un elevato numero di elettrodi perché anche nelle registrazioni HDEEG questa fase è fondamentale per ottenere una registrazione di buona qualità e per la successiva post-elaborazione del segnale. Per cercare di superare questa criticità, sono state realizzate speciali cuffie precablate che, connesse con amplificatori ad altissima impedenza di ingresso, permettono di acquisire il segnale senza deterioramento della qualità anche quando l’impedenza degli elettrodi è superiore a quella ottimale (5-10 kHz), purché omogenea tra gli elettrodi, e quindi non richiedono l’abrasione della cute (Fig. 2). Questi sistemi permettono di ottenere registrazioni EEG di qualità adeguata per 2-3 ore.

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Fig. 2. Esempi di cuffie precablate utilizzate per la registrazione di HDEEG.

Un altro approccio per affrontare la questione della qualità del segnale, ottimizzando i tempi di preparazione, è l’utilizzo di elettrodi attivi, elettrodi che contengono circuiti elettronici che svolgono la funzione di adattatori o convertitori di impedenza. Questi dispositivi hanno un’impedenza di ingresso confrontabile con quella degli elettrodi, per rendere il funzionamento del sistema stabile anche per valori di impedenze elettrodo-cute relativamente alti (decine di kHz) e una bassa impedenza di uscita che permette la trasmissione del segnale agli amplificatori riducendo o eliminando i disturbi dovuti al rumore ambientale, ottimizzando così il rapporto segnale rumore. La configurazione di questi elettrodi (o delle cuffie) è più complessa rispetto a quelli standard (passivi), ma i recenti progressi nel campo della microelettronica e della microcablatura hanno reso possibile la realizzazione di elettrodi attivi utilizzabili anche nella routine diagnostica (Fig. 3).

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Fig. 3. Esempi di elettrodi attivi.

Elemento fondamentale di un sistema HDEEG è l’amplificatore differenziale, le cui caratteristiche hanno un grande impatto sulla qualità del segnale acquisito, in particolare per quanto riguarda l’attenuazione dei disturbi che si presentano su tutti i canali (segnali comuni; e.g. interferenza dell’alimentazione elettrica a 50 Hz). Gli amplificatori differenziali dei sistemi HDEEG devono presentare un’elevatissima impedenza d’ingresso (superiore a 100-200 MW), soprattutto quando sono utilizzati con elettrodi con alta impedenza; più alto è il rapporto tra impedenza dell’amplificatore e quella degli elettrodi migliore è la bontà dell’amplificatore stesso.

Un metodo utilizzato in alcuni sistemi HDEEG per migliorare il rapporto segnale rumore, attenuando i disturbi ambientali, è quello che prevede l’uso di circuiti elettronici in grado di realizzare una schermatura attiva (active shielding). Il principio alla base di questa tecnica prevede l’utilizzo di conduttori schermati in cui l’isolamento dai disturbi esterni è ottenuto portando (guidando) la schermatura al valore del potenziale del segnale comune (e.g. interferenza di rete, disturbi introdotti dal movimento dei cavi) rilevato dagli amplificatori, utilizzando un circuito a retroazione. In questo modo i disturbi esterni sono ridotti e, inoltre, si può registrare il segnale anche con un’alta impedenza degli elettrodi.

Referenza

Come è noto l’EEG consiste in una misura relativa e non assoluta in quanto rileva la differenza di potenziale tra due punti. Le proprietà della referenza, determinate dalla sua posizione fisica o dal metodo di calcolo, hanno un impatto importante sul segnale, influenzandone l’ampiezza e la forma d’onda. Da questo punto di vista, l’HDEEG presenta della stesse problematiche e limitazioni dell’EEG standard e non risolve le problematiche connesse con la questione della referenza. Il fatto che l’EEG sia referenza dipendente è spesso indicato come uno dei più importanti svantaggi dell’EEG rispetto alla MEG.

Per la revisione e l’analisi dei segnali HDEEG esiste un certo consenso riguardo l’uso della referenza media, sulla base dell’ipotesi che l’ampiezza media del segnale approssima il valore nullo se il campionamento spaziale è sufficientemente fitto e gli elettrodi coprono un’ampia superficie della testa.

Una procedura matematicamente più complessa che può essere utilizzata per ottenere una misura approssimativamente “reference-free” dell’EEG è quella che implica il calcolo del cosiddetto laplaciano superficiale del segnale. Questo metodo fornisce una stima del flusso di corrente locale sullo scalpo e quindi permette di migliorare la risoluzione spaziale attenuando gli effetti del volume di conduzione.

                                                          La localizzazione delle sorgenti corticali

A differenza dell’EEG standard (che viene descritto in termini di ritmi, presenza di specifiche forme d’onda o attività fisiologiche o patologiche), l’HDEEG è utilizzato essenzialmente per studiare la topografia o la localizzazione cerebrale dei generatori di attività o eventi di interesse, utilizzando modelli matematici realistici basati sulle immagini 3D di risonanza magnetica (Fig. 4).

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Fig. 4. Problema inverso: dall’attività EEG alla localizzazione dei generatori. Esempio di localizzazione della sorgente corticale dell’attività epilettiforme sulla MRI dello stesso soggetto, ottenuta utilizzando un modello a singolo dipolo (in alto ) e a sorgente distribuita (in basso).

E’ importante ricordare che la topografia di un campo di potenziale è completamente indipendente dalla scelta della referenza; infatti la forma del campo elettrico sullo scalpo non cambia al variare della referenza perché il cambiamento di referenza, in un dato istante temporale, si traduce nella sottrazione di una costante (la differenza tra la “vecchia” e “nuova” referenza) che non influenza le caratteristiche spaziali del campo.

La localizzazione delle sorgenti delle attività rilevate dall’EEG di superficie (Fig. 5) richiede tuttavia la definizione di assunzioni o ipotesi a priori perché il problema inverso (determinare il numero, la posizione, la direzione e l’intensità dei dipoli equivalenti corticali che generano una data distribuzione di potenziale sulla superficie dello scalpo) ammette infinite soluzioni.

Senza entrare nei dettagli, la localizzazione delle sorgenti a partire dal segnale HDEEG, richiede un certo numero di passi:

  • Definizione del modello della testa, che descriva la modalità di propagazione del segnale dalla corteccia agli elettrodi; il modello più essere semplificato (e.g. sfera a uno o più strati) o realistico dalla RMI del soggetto. In quest’ultimo caso è necessario estrarre dalle immagini 3D le diverse strutture (cervello, fluido cerebrospinale e scalpo) attraverso una procedura chiamata segmentazione
  • Identificazione della esatta posizione degli elettrodi sullo scalpo attraverso l’uso di sistemi di digitalizzazione; è un punto fondamentale per la successiva coregistrazione dell’attività elettrica , del modello utilizzato e delle immagini strutturali nello stesso sistema di coordinate spaziali
  • Selezione ed estrazione dall’HDEEG degli eventi di interesse
  • Scelta del modello delle sorgenti intracraniche da utilizzare per la soluzione del problema inverso: modello a uno o pochi dipoli o a sorgenti distribuite.

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Fig. 5. Risultato finale della post-elaborazione del segnale HDEEG sovrapposto alla MRI di un paziente affetto da displasia cerebrale. La freccia indica la localizzazione corticale della punta evidenziata sul tracciato.

Conclusioni

L’aumento del numero di elettrodi per coprire la maggior superficie possibile dello scalpo, la possibilità di acquisire il segnale EEG con un’alta impedenza elettrodo-cute, l’utilizzo di dispositivi elettronici in grado di migliorare il rapporto segnale rumore (amplificatori differenziali, elettrodi attivi, active shielding) hanno permesso di migliorare la risoluzione spaziale dell’EEG. Queste innovazioni aggiunte alle numerose tecniche di post-elaborazione introdotte recentemente, soprattutto quelle che permettono la fusione/coregistrazione dell’EEG con le immagini di MRI, ha portato allo sviluppo dell’HDEEG e al suo utilizzo nel campo della localizzazione delle attività corticali, in particolare delle aree epilettogene.

Per quanto riguarda specificamente il ruolo e il contributo del tecnico, l’HDEEG  rappresenta una metodica di analisi funzionale in cui da un lato possono trovare spazio le nostre specifiche competenze sia nel campo neurofisiologico che in quello dell’uso della strumentazione, e dall’altro ci può consentire di allargare le nostre conoscenze, soprattutto nel campo dell’analisi multimodale e della post-elaborazione, e di collaborare con altre figure professionali.

TNFP Elena Schiaffi

UOC Neurofisiopatologia ed Epilettologia Diagnostica

Fondazione IRCCS Istituto Neurologico Carlo Besta, Milano