RICERCA ITALIANA     

METODI PER LA CARATTERIZZAZIONE DEL FOCUS EPILETTOGENO DA SEGNALI EEG E IMMAGINI FUNZIONALI CON RISONANZA MAGNETICA

Università di Pisa

Abstract

Il programma di ricerca ha come obiettivo finale la definizione dell'area epilettogena in pazienti affetti da epilessia ad esordio parziale. Attualmente tale area è definibile in modo approssimato con un approccio indiretto che prevede la determinazione di una serie di aree corticali per definire un indice più o meno preciso della localizzazione e dei limiti dell'area epilettogena. Ciò è possibile partendo dalla registrazione EEG della crisi, spesso con metodiche invasive, mettendo insieme le competenze del neurologo, neurofisiologo, neuroradiologo, neurochirurgo. La definizione dell'area epilettogena è indispensabile per poter sottoporre a intervento chirurgico quei pazienti (circa il 50%) le cui crisi epilettiche sono refrattarie alla terapia farmacologica.
Recenti sviluppi tecnologici hanno ampliato la classe delle tecniche d'indagine dell'anatomia e della funzione cerebrale. Infatti alle tecniche tradizionali basate su EEG si affiancano le tecniche di imaging come la risonanza magnetica, la quale fornisce in modo non invasivo e non ionizzante, oltre alle caratteristiche strutturali dei tessuti, anche dati funzionali quali il metabolismo, l'anisotropia dei tessuti, la variazione locale di contenuto di ossigeno.
Allo stato attuale tali tecniche sono in grado di fornire solo indici qualitativi di funzionalità, non facilmente localizzabili perché sono diverse le risoluzioni e inoltre i fenomeni che le varie metodiche rilevano sono da mettere in relazione con strutture diverse, quali i capillari, i fasci nervosi o le cellule.
Pertanto il progetto si pone due obiettivi principali: 1) estrarre da ciascuna metodica parametri quantitativi che descrivano lo stato fisiopatologico del tessuto in esame; 2) integrare su immagini anatomiche del cervello le mappe parametriche ottenute con le precedenti metodiche ed elaborazioni.
Tali obiettivi sono raggiungibili attraverso lo sviluppo di metodologie di analisi quantitativa di segnali e immagini mediche e di tecniche di sintesi e integrazione di informazioni. Lo scopo finale è lo sfruttamento di tecnologie non invasive d'avanguardia, quali i segnali EEG acquisiti simultaneamente con le immagini di risonanza magnetica, per ottenere la diagnosi precoce della malattia epilettica. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Luigi LANDINI Università di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca si colloca nell'ambito dello sviluppo di nuove metodiche di ricostruzione, interpretazione mediante modelli, analisi quantitativa di segnali e immagini mediche e di tecniche di sintesi e integrazione di informazioni. L'obiettivo principale è lo sfruttamento di tecnologie non invasive, quali l'imaging con risonanza magnetica (MRI) e l'elettroencefalografia (EEG) nella diagnosi dell'epilessia nell'uomo. Le tecniche MRI forniscono le seguenti informazioni: strutturale, spettroscopica, di diffusione, funzionale (fMRI) e metaboliche. Lo schema a blocchi di seguito riportato fornisce una visione globale dell'intero progetto, delle singole attività di ricerca e delle unità coinvolte.



L'interesse rivolto al progetto è notevole da parte della comunità medica per i seguenti motivi:
1) L'epilessia è un problema sociale per il grado di diffusione, anche nella popolazione infantile; inoltre almeno il 50% di pazienti epilettici con crisi parziali complesse è refrattario alla terapia farmacologica. D'altra parte il successo della terapia chirurgica è strettamente correlato con la conoscenza del focus epilettico, in termini di localizzazione e di caratterizzazione del tessuto che la sottende.
2) La diagnosi attuale è essenzialmente basata su misure qualitative, anche invasive, di segnali elettroencefalografici che hanno risoluzioni dell'ordine dei centimetri quadri e quindi assolutamente inadeguate a localizzare il tessuto patologico e tanto meno a caratterizzarlo.
3) Esistono tecniche non invasive e non ionizzanti, in particolare la risonanza magnetica, potenzialmente in grado di fornire informazioni anatomiche e funzionali utili per caratterizzare il focus epilettogeno; tuttavia, tutte le metodiche basate su segnali o immagini non sono in grado, in assenza di un approccio modellistico e di analisi quantitativa, di descrivere in modo quantitativo e di interpretare i fenomeni misurati e renderli ripetibili. La soluzione di un problema così complesso, com'è lo studio dell'epilessia, deve passare attraverso un approccio multimodale quantitativo che integri le informazioni di ciascuna metodica su una matrice comune, in questo caso l'anatomia del cervello.
4) L'approccio multimodale quantitativo inizia ad apparire in letteratura, ma molto deve essere ancora sviluppato e validato. In particolare, l'approccio combinato EEG e immagini di RM (anatomiche, di diffusione, spettroscopiche e funzionali) e l'uso di metodi quantitativi, oggetto del presente progetto di ricerca, è originale.

Lo studio combinato di RM ed EEG effettuati durante la stessa sessione di esame, e la disponibilità di nuovi strumenti di analisi permetterà di sfruttare le peculiarità delle singole metodiche in un approccio integrato e quantitativo in grado di fornire contemporaneamente informazioni metaboliche, strutturali, funzionali (fMRI), elettriche e diffusive.
Il progetto verrà attuato da unità che operano da molto tempo nel campo della bioingegneria con lo scopo primario di descrivere in modo quantitativo processi misurati attraverso l'impiego di segnali e immagini biomediche. Le due unità di ricerca sono complementari nei due settori fondamentali in cui si svolge il progetto: modellistica interpretativa e analisi quantitativa di segnali, elaborazione di immagini e integrazione delle informazioni. Nel progetto è presente una componente medica qualificata sia nel settore dell'epilessia (Besta di Milano), sia nel settore della diagnostica per immagini (Istituto di Fisiologia Clinica di Pisa) che contribuiscono a rendere il progetto orientato all'applicazione.

Il programma di ricerca presenta una serie di obiettivi intermedi misurabili. La struttura del progetto in fasi (due fasi di 12 mesi ciascuna) e in sei workpackages (WP) favorisce la verifica intermedia (vedi lo schema di seguito riportato):



FASE 1 (12 mesi)

WP0: Messa a punto di metodiche di acquisizione.
WP1: Sviluppo di tecniche di analisi di immagini di diffusione
WP2: Messa a punto del metodo di analisi del segnale di spettroscopia (MRS).
WP3: Sviluppo di metodi di analisi del segnale EEG.
WP4: Generazione di mappe di attivazione fMRI

FASE 2 (12 mesi)

WP0: Creazione di un data-base di segnali EEG e di immagini RM.
WP1: Sviluppo di algoritmi di ‘fiber tracking ‘ (FT) da immagini di diffusione.
WP2: Sviluppo di tecniche di analisi di segnali di spettroscopia.
WP3: Sviluppo del modulo di elaborazione multicanale del segnale EEG.
WP4: Sviluppo di metodologie per l'integrazione dei risultati
WP5: Tests su pazienti selezionati.


Il consorzio è composto da due unità di ricerca: UR1: UNI-PISA, UR2: UNI-MILANO. Il consorzio risponde ad almeno due requisiti fondamentali per il successo del progetto di ricerca:
- le unità di ricerca operano singolarmente su tematiche tra loro complementari, e il progetto di ricerca è fondato sullo sviluppo e integrazione di tali complementarietà metodologiche. Infatti, UR1 svolge da tempo attività di ricerca nel settore dell'elaborazione delle bioimmagini; inoltre al progetto collabora personale dell'Istituto di Fisiologia Clinica del CNR, da tempo impegnato in ricerche inerenti l'acquisizione e integrazione di immagini multimodali e dispone di tomografi per l'acquisizione di immagini TAC, RM, PET (con ciclotrone e radiofarmacia), SPECT; UR2 è ben qualificata in tecniche di analisi di segnali multidimensionali di interesse biomedico e nell'integrazione di segnali e immagini; inoltre collabora da alcuni anni con la sezione medica del Besta su tematiche di epilessia, fornendo le competenze bioingegneristiche nella soluzione di problemi metodologici.
- Le unità di ricerca hanno collaborato e tuttora collaborano a progetti di bioingegneria di interesse nazionale e internazionale. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le crisi parziali complesse sono tra le forme di patologia più comuni nelle persone adulte con epilessia ad esordio parziale. In circa l'80% dei pazienti, la regione di insorgenza delle crisi coinvolge il lobo temporale e di questi, circa il 90 % ha crisi che originano dall'amigdala o dall'ippocampo o da entrambe. Solo 1/3 di questi pazienti mostra lesioni intrassiali strutturalmente visibili.
Patologie identificate come responsabili dell'epilessia parziale comprendono sclerosi temporo-mesiale, malformazioni dello sviluppo corticale, malformazioni vascolari, tumori e altre lesioni intraassiali. Lo sviluppo corticale abnorme è una causa sempre più frequente di epilessia e di deficit di sviluppo. Istologicamente tali anomalie si osservano in oltre il 25% di bambini con crisi intrattabili.
Nonostante i notevoli sviluppi nella terapia farmacologica dell'epilessia, circa il 45 % dei pazienti con epilessia potrà diventare refrattaria ai trattamenti. Un quadro epilettico è considerato intrattabile se le crisi sono refrattarie alle terapie e il paziente diventa portatore di disabilità, a causa dell'epilessia o della stessa terapia farmacologica. In questi casi la chirurgia dell'epilessia è stata dimostrata essere efficace in pazienti selezionati (vengono riportate risultati di assenza di crisi tra il 70 e il 90 % in pazienti con sindromi epilettiche risolvibili chirurgicamente).
L'oggetto dell'intervento chirurgico è la completa resezione o disconnessione della zona epilettogena, che si definisce come l'area della corteccia indispensabile per la generazione delle crisi cliniche. L'obiettivo è da considerare ottimale se la corteccia eloquente viene conservata, al fine di evitare nuovi inaccettabili deficit per il paziente.
A tutt'oggi l'area epilettogena è definibile solo indirettamente attraverso un laborioso processo che prevede la determinazione di una serie di aree corticali (area sintomatogenica, area irritativa, area di deficit funzionale, area di esordio della scarica critica, lesione epilettogena) che costituiscono un indice più o meno preciso della localizzazione e dei limiti dell'area epilettogena. La definizione di tali aree richiede un approccio multidisciplinare (neurologico, neurofisiologico, neuroradiologico, neurochirurgico) che si basa in primo luogo sulla registrazione video-EEG delle crisi; tale approccio ha costi sempre elevati e spesso è complicato dalla necessità di effettuare la registrazione con metodiche di tipo invasivo (per esempio elettrocorticografia con griglie sottodurali o stereo-EEG con elettrodi di profondità impiantati stereotassicamente). Poche strutture sono in grado di sopportare il carico di lavoro e l'onere economico che la registrazione delle crisi richiede, sia che queste vengano registrate mediante video-EEG dallo scalpo che mediante più sofisticate tecniche di registrazione invasiva (queste ultime gravate anche da un certo margine di rischio).
L'EEG di superficie è ancora oggi fondamentale nello studio dell'area irritativa: la caratterizzazione e localizzazione delle anomalie epilettiche di significato intercritico costituisce uno dei momenti cruciali per l'identificazione delle differenti sindromi epilettiche e per il loro razionale trattamento ed eventuale prognosi. Tra i notevoli vantaggi ricordiamo l'ottima risoluzione temporale (nell'ordine del msec), che consente di identificare con estrema precisione l'attività epilettica, la completa non invasività, la facilità di impiego e l'economicità. Tra i principali svantaggi ricordiamo la modesta risoluzione spaziale (nell'ordine di alcuni cm^2).
Tuttavia, recenti sviluppi tecnologici hanno ampliato la classe delle tecniche di indagine dell'anatomia e della funzionalità cerebrale. Alle tradizionali indagini funzionali basate su EEG si affiancano le tecniche di imaging: la Risonanza Magnetica (RM) e la Tomografia Assiale Computerizzata a raggi-X (TAC), la Tomografia ad Emissione di Fotone Singolo (SPECT) e ad Emissione di Positroni (PET). Oltre alle caratteristiche anatomiche e strutturali dei tessuti, queste tecniche misurano parametri funzionali (perfusione, metabolismo, densità recettoriale, etc.) [1,2].

Analizzando singolarmente le possibili metodiche neuroradiologiche di diagnosi dell'epilessia, si osserva che la TAC ha scarsa sensibilità e specificità e quindi il suo impiego nella diagnosi dell'epilessia è molto limitato. L'angiografia digitale sottrattiva (DSA) può essere usata solo per una valutazione accurata di malformazioni vascolari e di tumori vascolarizzati, oppure per trattamenti intravascolari.
Sin dalle prime applicazioni cliniche, fu evidente la superiorità della tecnica MRI nei confronti della TAC e di altre tecniche radiologiche in termini di sensibilità e di specificità, nell'identificare anomalie strutturali alla base dell'epilessia. In uno studio recente [3] sono stati revisionati 919 pazienti e i loro esami MRI, evidenziando alterazioni strutturali in circa il 50% dei pazienti con epilessia localizzata e in circa l'80% dei pazienti con singolo episodio epilettico o con epilessia in remissione. Il rapido sviluppo delle tecniche MRI ha recentemente consentito di indagare non solo sulle alterazioni strutturali ma anche su quelle funzionali. Molte tecniche MRI sono state sviluppate negli ultimi anni, quali la risonanza magnetica funzionale (fMRI), la diffusione e la perfusione. Tutte queste metodiche sono comprese nel generico termine "risonanza magnetica funzionale", in quanto ciascuna metodologia fornisce dati che definiscono la funzionalità del cervello o di parti specifiche. Tali metodiche stanno svolgendo un ruolo sempre crescente in pazienti epilettici selezionati [4,5]
L'era delle immagini funzionali in realtà è iniziata con la SPECT nel 1970 e dopo pochi anni con la PET [6,7]. Per misurare i processi biochimici cerebrali erano state introdotte molteplici molecole biologicamente attive, che hanno dato luogo a tecniche di imaging molto promettenti, quali l'imaging del glucosio. Allo stato attuale, la medicina nucleare ha un ruolo importante nella valutazione dei pazienti epilettici intrattabili, specialmente quando si deve prendere in considerazione l'intervento chirurgico. Sappiamo che per la localizzazione della zona ictale, la FDG PET interictale è chiaramente superiore alla SPECT, mentre la SPECT ictale è superiore alla PET ictale nella identificazione del focus nell'epilessia con lobi temporali non lesi. La loro sensibilità nella definizione del focus in fase pre-chirurgica è del 90-97%, e sfiora una specificità del 77-100%. E' invece decisamente limitata l'esperienza dell'ictal-SPECT nel caso di disordini epilettici extra-temporali.
Le tecniche di MRI funzionale mirano a risolvere due aspetti: 1) sostituire le metodiche che fanno uso di dosi radianti; 2) identificare il focus epilettogeno anche nel caso di insuccesso di altre metodiche.
La tecnica spettroscopica (MRS) fornisce informazioni complementari rispetto a quelle fornite con la semplice MRI, in quanto molti pazienti con epilessia possono non mostrare alterazioni strutturale rivelabili con l'MRI [8]. La MRS consente di ottenere informazioni metaboliche cerebrale [9] sulla base di valutazioni di metaboliti specifici, quali l'NAA e, nel caso di attivazione della glicolisi anaerobica, il lattato. In particolare e' stata impiegata nella caratterizzazione e nella classificazione delle epilessie focali [10,11]. La MRS viene utilizzata per identificare una lateralizzazione dell'insorgenza delle crisi in soggetti con epilessia del lobo temporale (TLE) e consente di sospettare circa la presenza di anomalie bilaterali, difficilmente identificabili con altre tecniche.
L'utilizzo effettivo di questa metodica nella pratica clinica presenta alcune limitazioni pratiche dovute principalmente a: i) presenza di un consistente contributo di segnale dovuto all'acqua, che puo' in alcuni casi coprire il piu' esiguo contributo di altri metaboliti; ii) la distorsione di fase che puo' alterare la morfologia degli spettri di assorbimento; iii) la consistente sovrapposizione tra picchi spettrali che rende difficoltosa l'estrazione dei parametri di interesse. Tuttavia sono state recentemente proposte [12,13] tecniche sofisticate di elaborazione del segnale FID (free induction decay) che consentono una più precisa classificazione del segnale e che potrebbero trarre ulteriore vantaggio dall'integrazione con le altre tecniche di imaging funzionale e morfologico.
Il coefficiente di diffusione è un ulteriore parametro fisico che viene utilizzato nello studio dell'epilessia [14,15]. Esso riflette direttamente le proprietà fisiche del tessuto in esame a livello di movimenti di traslazione termica delle molecole della regione in esame, in particolare di molecole di acqua. La maggior parte delle misure di diffusione finora svolte nei tessuti biologici si riferisce al coefficiente di diffusione apparente (ADC). Più recentemente è stato proposto un nuovo imaging di diffusione basato sulla ricostruzione e visualizzazione del Tensore di Diffusione (DTI). Si tratta di un approccio matematico che consente di valutare il coefficiente di diffusione in modo indipendente dai parametri di acquisizione e quindi si presta per una valutazione assoluta [16,17]. Utilizzando la DTI, è possibile la visualizzazione anatomica di connessioni di fibre di sostanza bianca tra diverse regioni cerebrali. Sarebbe di grande interesse clinico poter effettuare studi di connettività cerebrale e di causalità al fine di stabilire relazioni funzionali tra aree cerebrali attivate, anche se al momento tale traguardo sembra difficile da raggiungere per un certo numero di difficoltà dovute a distribuzione di fibre attraverso percorsi collaterali, eventuali diramazioni, divisioni ecc.
Una tecniche applicata allo studio dell'epilessia solo da poco tempo è la fMRI [18-19]. La scarica transitoria associata all'attività neuronale legata agli spikes interictali o a crisi epilettiche sono spesso accompagnate da un incremento del flusso ematico (CBF) transitorio e relativamente localizzato; l'fMRI permette di identificare i cambiamenti in CBF attraverso la variazione locale di concentrazione di ossi-deossiemoglobina che si hanno durante il passaggio da una fase non attiva ad una fase attiva. Il segnale fMRI è comunque una composizione complessa di informazioni relative al CBF, CBV e CMRO2. Pertanto, una variazione del segnale BOLD non può essere direttamente interpretata come una variazione di CBF.
L'uso più efficace della metodica è in congiunzione con il segnale EEG: un tracciato EEGviene acquisito mentre il soggetto è sottoposto ad una sessione di acquisizione fMRI; le immagini fMRI in corrispondenza di spikes o durante crisi epilettiche sono rapportate alle immagini acquisite in condizioni di assenza di alterazioni EEG, da cui risulta una immagine di variazione statistica di parametri di flusso, con localizzazione delle aree attive. I limiti attuali della metodica sono gli artefatti da movimento [20-22], sebbene siano parzialmente risolvibili con operazioni di co-registrazioni di immagini, e la difficoltà a prevedere l'insorgenza della scarica epilettica. Studi prospettici mirano all'acquisizione in continuo del tracciato EEG durante la sessione di acquisizione fMRI, cercando di evidenziare con tecniche di elaborazione del segnale anche minime variazioni di indici derivabili dal tracciato EEG e correlati con episodi epilettici seppure di lieve entità. L'acquisizione simultanea dell'EEG e dell'fMRI è sotto il profilo tecnico estremamente impegnativo ed è tuttora in sviluppo, sebbene fortemente promettente. L'equipaggiamento EEG che sia fMRI-compatibile è attualmente acquisibile in commercio ed è probabile che questa metodica si diffonda in un futuro prossimo. Le precauzioni per la salvaguardia dell'integrità del paziente e per l'esclusione di possibili artefatti legati alla scansione fMRI sono ormai note e in parte superate. Ulteriori studi sono necessari per ottimizzare il metodo e per determinare la sensibilità-specificità di tale tecnica di localizzazione del focus epilettogeno in gruppi più ampi possibile e possibilmente in pazienti non necessariamente selezionati. Infatti ulteriori studi dovranno stabilire la relazione esistente tra scariche epilettiformi e fMRI e stabilire quali tipi di attività epilettica siano realmente associate con l'attivazione fMRI.
Uno studio preliminare è stato effettuato da un'unità del progetto per individuare le sorgenti epilettiche mediante la soluzione di un problema elettromagnetico inverso, partendo da mappe EEG e utilizzando la fMRI come condizione spaziale al contorno [23].
Da quanto esposto emerge che il problema della caratterizzazione del focus epilettico e delle lesioni ad esso correlate è ancora un problema aperto, nonostante siano disponibili diverse metodiche non invasive atte a fornire preziose informazioni strutturali, metaboliche e funzionali.
Una risposta efficace a tale domanda dovrebbe giungere da un approccio integrato di acquisizione di segnali EEG e immagini di risonanza magnetica, in particolare spettroscopia, diffusione, perfusione e fMRI, e dallo sviluppo di tecniche innovative di ricostruzione, analisi, interpretazione e sintesi di segnali e immagini, per combinare in uno iperspazio parametrico tutte le informazioni complementari rese disponibili dalle diverse metodiche di acquisizione [24-28]. Il risultato finale sarebbe la fruibilità da parte del medico di mappe integrate di dati metabolici, strutturali, elettrici, diffusivi e funzionali necessari per aumentare le possibilità diagnostiche di una malattia così complessa. <<<