L’EEG-fMRI è una metodica di indagine funzionale non invasiva che implica la registrazione simultanea di due segnali che forniscono informazioni diverse e complementari. Infatti l’EEG ha una elevata risoluzione temporale ma una modesta risoluzione spaziale, mentre la fMRI permette di ottenere immagini strutturali del cervello con un dettaglio nell’ordinedei millimetri, ma con tempi di acquisizione dell’intero volume cerebrale generalmente compresi tra 1.5-3 secondi. Anche se lo sviluppo di questo approccio è stato inizialmente motivato dall’esigenza di mappare le modificazioni dell’attività neuronale associata alle anomalie epilettiformi, ma la registrazione simultanea EEG-fMRI è una metodica con un grande potenziale, con campi di applicazione che vanno oltre quelli dell’epilessia e comprendono, in particolare, gli studi cognitivi e quelli sull’accoppiamento neuro-vascolare.

La fMRI misura la risposta emodinamica indotta dalle modificazioni dell’attività neuronale e quindi permette di localizzare, in maniera indiretta, le aree cerebrali in cui è presente una variazione del livello di attività associata a una determinata condizione sperimentale o di interesse (e.g. task eseguito dal soggetto/paziente)rispetto a una di controllo. Il flusso sanguigno cerebrale è regolato dall’attività neuronale: quando i neuroni di un’area cerebrale si attivano selettivamente, ad esempio i neuroni della corteccia uditiva durante l’ascolto di un concerto, il flusso sanguigno in quella specifica area aumenta per assicurare un adeguato rifornimento di metaboliti energetici ai neuroni in attività. La variazione del livello di attività neuronale è accompagnata dalla modificazione del rapporto delle concentrazioni di ossi- e deossi-emoglobina; l’emoglobinaossigenataequellanonossigenatahannoproprietàmagnetichediverse,la prima è diamagnetica mentre la seconda paramagnetica. La deossi-emoglobina causa quindi una distorsione delcampo magnetico e un più rapido decadimento trasversale del segnale MRI. Questo effetto può essere sfruttato per costruire mappe funzionali basate sul contrasto BOLD (BloodOxygenationLevel Dependent).La variazione dell’attività neuronale risulta in un modificazione del metabolismo ossidativo, in particolare in un incremento della concentrazione di ossiemoglobina nel sistema venoso, e quindi in un variazione dell’intensità del segnale BOLD (Fig.1). La risposta BOLD raggiunge il suo valore massimo circa 5-6 secondi dopo l’inizio della stimolazione ed èspazialmente circoscritta solo alle aree cerebrali attivate.

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Fig. 1. Andamento temporale della risposta BOLD.

Nel caso in cui lo studio EEG-fMRI preveda un task (e.g. stimolazione motoria) è di fondamentale importanza la definizione di un adeguato protocollo di stimolazione, in funzione del quesito di ricerca o diagnostico,al fine di ottenere informazioni utili da entrambe le metodiche.

Come già detto in precedenza, la registrazione simultanea EEG-fMRI può dare importanti contributi negli studi finalizzati alla localizzazione delle aree epilettogene. L’uso combinato delle 2 metodiche permette infatti di correlare gli eventi di interesse (generalmente le anomalie epilettiformi intercritiche) registrati dall’EEG con le modificazioni del segnale BOLD . In questo modo risulta possibile determinare, nei singoli pazienti, in quali regioni cerebrali sono presenti variazioni di segnale BOLD associate alle anomalie elettriche, informazione che può fornire un contributo all’identificazione della cosiddetta “zona epilettogena” (la regione di esordio e di iniziale propagazione della scarica critica).

Nel campo dello studio dei pazienti con epilessie focali farmacoresistenti candidati alla chirurgia, l’EEG-fMRI è risultata essere una metodica non invasiva in grado di fornire informazioni aggiuntive e complementaririspetto alle altre indaginifunzionali, strutturali e metaboliche (e.g.videoEEG prolungata, MRI, PET),utili per la localizzazione dell’area da rimuovere, ma anche delle aree eloquenti da preservare. Da questo punto di vista, le informazioni fornite dall’EEG-fMRI possono da un lato contribuire a ridurre il numero di pazienti per i quali è necessaria l’esplorazione invasiva con elettrodi intracorticali e dall’altro, nei casi in cui non è possibile evitare lo studio invasivo, a selezionare meglio le aree da esplorare.

La strumentazione

 

La registrazione dell’EEG all’interno di uno scanner RM in presenza di un intenso campo magnetico statico (in Italia attualmente da 0.5 a 3 T) e di campi magnetici variabili (gradienti e pulsi RF) richiede l’utilizzo di una strumentazione dedicata RM compatibile (Fig.2) .

E’ importante sottolineare che la registrazione combinata EEG-fMRI, se da un lato permette di ottenere importanti informazioni spazio-temporali su processi e funzioni cerebrali, dall’altro richiede particolari attenzioni e l’osservanza di specifiche procedure poiché le correnti elettriche indotte dai campi magnetici possono influire sulla qualità dell’EEG e sulla sicurezza del paziente potendo provocareun surriscaldamento degli elettrodi (e quindi a ustioni), stimolazioni oshock elettrici e danni ai tessuti.

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Fig. 2. Setting di una diagnostica MRI per l’acquisizione simultanea di EEG-fMRI.

Preparazione del paziente

 

Il primo fattore che influenza la qualità del segnale EEG è la sistemazione degli elettrodi e dei cavi. La forza elettromotrice indotta in una spira conduttrice è proporzionale all’area della stessa spira e allavariazione del flusso magnetico che la attraversa. Per prevenire, o almeno limitare, gli artefatti indotti dalla variazione del campo magnetico, oltre che per garantire la sicurezza del paziente, è quindi essenziale minimizzare l’area di qualsiasi spira presente tra i cavi che connettono gli elettrodi all’amplificatore. Il metodo più utilizzato è quello di intrecciare insieme tutti i cavi il più vicino possibile alla testa e di mantenerli strettamente attorcigliati per tutta la loro lunghezza. Poiché l’EEG è registrato da punti diversi dello scalpo è però inevitabile la creazione di spire, di area limitata, nello spazio compreso tra gli elettrodi e il punto in cui i cavi sono intrecciati.

Anche la variazione dell’area di una spira immersa in un campo magnetico statico può introdurre artefatti che deteriorano la qualità del segnale EEG, una variazione che puòessere causata dal movimento degli elettrodi o indotta nei cavi dalle vibrazioni dello scanner.L’immobilizzazione della testa del soggetto ela riduzione delle oscillazioni dei cavi sono perciò fattori importanti per il miglioramento della qualità del segnale EEG. Per il raggiungimento di questo obiettivopossono essere adottate diverse tecniche, l’utilizzo di cuffie MRI compatibili (Fig.3) per limitare il movimento degli elettrodi, di cuscini“a vuoto”per ridurre il più possibile i movimenti della testa, di sacchetti di sabbia per bloccare i cavi nello scanner (fig.4).Le cuffie MRI compatibili sono costituite da elettrodi e cavi conduttori non ferromagnetici e resistori limitatori di corrente posizionati il più vicino possibile agli elettrodi.

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Figura 3. Esempio di cuffia ed elettrodi RM compatibili.

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Fig. 4. Schema del posizionamento del paziente e dei cavi all’interno dello scanner: a) cuscino; b) sacchi di sabbia; c) amplificatore EEG.

 

Artefatti

 

I due artefatti principali indotti sul segnale EEG dai campi magnetici sono l’artefatto da gradiente e quello da ballistocardiogramma (BCG); entrambi devono essere rimossi “off line” utilizzando specifiche tecniche di post-elaborazione.

  • Artefatto da gradiente

Durante una scansione MRI, le correnti indotte negli elettrodi e nei cavi causano artefatti sull’EEG che possono essere fino a diverse decine di volte più ampi del segnale EEG (Fig.5). E’ quindi necessario l’utilizzo di un amplificatore con un range dinamico sufficientemente ampio per prevenire la saturazione del segnale. E’ inoltrefondamentale che l’amplificatoresia isolato in un contenitore amagnetico e che per trasferire il segnale all’esterno dello scanner siautilizzata una fibra ottica,per evitare la realizzazione di un ponte elettricamente conduttivo tra l’interno e l’esterno della sala di registrazione.

L’artefatto da gradiente viene sottratto offline tramite specifici algoritmi; l’approccio più utilizzato è quello basato sulla sottrazione di un modello dell’artefatto ottenuto mediando il segnale registrato in diverse scansioni. Per rimuovere l’artefatto è necessario conoscere l’esatto inizio di ogni singola scansione; questo obiettivo puòessere raggiunto o acquisendo il segnale utilizzandoun’elevata frequenza di campionamento (diversi kHz) oppure acquisendo, in aggiunta all’EEG, un segnale di trigger sincrono con l’inizio dell’acquisizione di ogni slice. Altri parametri necessari per la rimozione del software sono quelli specifici dello scanner di risonanza utilizzato (tempo di ripetizione, numero di scansioni effettuate,…).

Alcuni sistemi di acquisizione permettono un’approssimata rimozione dell’artefatto da gradiente anche durante l’acquisizione del segnale,permettendo quindi al tecnico di controllare l’EEG durante la registrazione (molto importante nei pazienti con epilessia).

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Fig. 5. Artefatto da gradiente.

  • Artefatto da ballistocardiogramma (BCG)

Qualsiasi movimento di un materiale elettricamente conduttivo all’interno di un campomagnetico statico genera, per induzione elettromagnetica, una forza elettromotrice (emf). Perciò i piccoli movimentilegati all’attività cardiaca inducono una emf,rilevata dall’elettroencefalografo, che si sovrappone al segnale EEG. Anche se il principio fisico è noto, le cause dell’artefatto da BCG non sono ancora chiare, le più probabili sono:

  • Tensione indotta dalla rotazione della testa a seguito dalla bruscavariazione della portata (flusso) del sangue nelle arterie della testa;
  • Differenza di potenziale causata dall’effetto Hall:la presenza del campo magnetico produce una separazione di cariche nel sangue (elettricamente conduttivo) all’interno dei vasi,e quindi una differenza di potenziale elettrico;
  • Tensione indotta dalmovimento associato all’espansione dei vasi dello scalpo, legata alla pulsatilità del flusso,sugli elettrodi adiacenti.

L’ampiezza del BCG è proporzionale al campo magnetico statico, pertanto l’artefatto indotto sull’EEG sarà minore in un campo magnetico di intensità 1,5 Tesla (T) rispetto a uno a 3 T. L’artefatto da BCG può essere anche 3-5 volte più ampio del segnale EEG (Fig. 6).Nonostante la periodicità dell’ECG, l’artefatto da BCG non ha ampiezza, morfologia, durata e distribuzione stabile e può variare per ampiezza, forma e topografia da battito a battito e da canale a canale.

Anche per la rimozione (offline) di questo artefatto sono stati sviluppati specifici algoritmi. L’eliminazione del BCG è più complessa rispetto a quella dell’artefatto da gradiente magnetico a causa della sua instabilità. Premessa fondamentale per una corretta rimozione è quella di avere acquisito un segnale ECG di buona qualità durante l’intera sessione EEG-fMRI, fatto non semplice specialmente se il campo magnetico applicato è elevato, in quanto la procedura di rimozione necessita dell’accurata identificazione dell’inizio del ciclo cardiaco. I siti di derivazione dell’ECG possono essere diversi, ad esempio posizione precordiale, deltoide sinistro e la regione lombare di sinistra (la più indicata se si utilizza una RM a 3 Tesla).

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Fig. 6. Esempio di artefatto BCG. La comparsa dell’artefatto è ritardata di circa 200 ms rispetto all’onda R dell’ECG.

La procedura più utilizzata per la sottrazione dell’artefatto da BCG implica la costruzione di un segnale modello, o “template”,ottenuto mediando,per ogni canale,diversi spezzoni EEG,di durata opportuna (Fig.7),sincronizzati sull’inizio del picco R del segnale ECG; le forma d’onde così ottenute sono sottratte da ogni canale EEG in corrispondenza del marker. La forma d’onda del segnale da sottrarre viene aggiornata a ogni ciclo cardiaco, secondo una procedura definita “a media mobile”. Negli ultimi anni, sono stati messi a punto altri metodi per la rimozione del BCG che non necessitano del preciso riconoscimento dell’inizio del ciclo cardiaco, tra questi quelli basati sull’analisi delle componenti indipendenti (ICA).

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Fig. 7. Schema della procedura per la rimozione dell’artefatto da BCG.

Conclusioni

 

La registrazione simultanea EEG-fMRIè utilizzata soprattutto nel campo delle epilessie e in particolar modo negli stufi finalizzati alla localizzazione dell’area di origine delle crisi epilettiche all’interno del percorso diagnostico di pazienti candidati alla chirurgia dell’epilessia.

La registrazione EEG-fMRI è una metodica innovativa, in cui il tecnico di neurofisiopatologia può trovareun suo spazio professionale ben definito e più ampio rispetto a quanto avviene nelle attività che si svolgono abitualmente in una diagnostica di neurofisiologia. Infatti, oltre ad occuparsi della preparazione del paziente, degli aspetti tecnici e di configurazione della strumentazione all’interno dello scannere dell’acquisizione del segnale, il tecnico può dare un importante contributo, grazie alle sue competenze specifiche nell’ambito della neurofisiologia e nell’uso della strumentazione elettronica e informatica, al lavoro di post-processing,dal riconoscimento e la rimozione degli artefatti, alla revisione del segnale per l’identificazione degli eventi di interesse (ad esempio all’identificazione delle anomalie epilettiformi), fino all’utilizzo di programmi specifici per la mappatura funzionale delle aree attivate.

Ulteriori aspetti positivi sono la possibilità di ampliare le nostre conoscenze,grazie all’utilizzo di nuove metodiche e alla possibilità di lavorare in un team costituito da diverse figure (oltre ai medici, anche tecnici di radiologia, ingegneri e fisici) che collaborano tra loro.

TNFP Elena Schiaffi

UOC Neurofisiopatologia ed Epilettologia Diagnostica

Fondazione IRCCS Istituto Neurologico Carlo Besta, Milano