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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.59.2016.tde-27072016-151155
Document
Author
Full name
Danilo Maziero
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2016
Supervisor
Committee
Salmon, Carlos Ernesto Garrido (President)
Bagshaw, Andrew Philip
Leoni, Renata Ferranti
Morgan, Victoria Lee
Sakamoto, Américo Ceiki
Title in English
Localizing and studying epileptogenic sources in patients with focal epilepsy in pre-surgical planning
Keywords in English
EEG
EEG-fMRI
Electrical Source Imaging
Epilepsy
Motion-induced Artefacts Correction
Abstract in English
The simultaneous acquisitions of electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) have been applied to improve the surgery planning of patients with drug resistant epilepsy. However, the classical approach of analyzing the EEG-fMRI data is inefficient in patients whom only few or non interictal epileptiforms discharges (IEDs) are detected during the simultaneous acquisition. Another issue of EEG-fMRI acquisition is related to its high sensitivity to motion, which decreases the quality of both data, even worse in non-cooperative patients. In this work we propose and discuss the application of two methods of analyzing fMRI data of patients with focal epilepsy: Independent component analysis (ICA) and two-dimensional temporal clustering (2dTCA). Each method was applied in a distinct group of patients and the results were compared to those obtained by the classic EEG-fMRI analysis. We have also proposed a method to improve the quality of EEG data using the head position measurements obtained, by a prospective motion correction (PMC) system, during the EEG-fMRI acquisitions. In the ICA study, we have used the electrical source images for selecting independent components (ICs) in EEG data of 13 patients with different spiking frequency. The method detected epilepsy-related BOLD activity in all the patients. Comparatively, the classic EEG-fMRI could be applied in 11 patients and epilepsy-related BOLD activities were found in seven of them. In the 2dTCA study, we have evaluated 20 patients and found epilepsy-related maps in 14 of them. Thirteen of the twenty patients have IEDs detected during the simultaneous acquisition; the classic EEG-fMRI provided maps related to the epileptogenic region in six of them. Finally we have verified in three health subjects that the proposed method for correcting motion-induced artefacts in the EEG data is effective for high amplitude and velocities (~1cm and 55mm/s). We concluded that the ICA and 2dTCA methods increase the sensitivity of using fMRI for mapping the epileptogenic region, mainly in patients presenting few or no IEDs in the EEG data simultaneously acquired to the fMRI. The PMC use during the fMRI acquisition does not degrade the quality of the EEG data acquired simultaneously. In fact, the motion information can be used for improving its quality by correcting motion-induced artefacts.
Title in Portuguese
Localização e estudo de fontes epileptogênicas em pacientes de epilepsia focal em fase pré-operatória
Keywords in Portuguese
Correção de artefatos de Movimento
EEG
EEG-fMRI
Epilepsia
Imagens de Fontes Elétricas
Abstract in Portuguese
As aquisições simultâneas de dados de eletroencefalografia (EEG) e imagens funcionais por ressonância magnética (fMRI) vêm sendo utilizadas com intuito de melhorar o planejamento cirúrgico de pacientes com epilepsia refratária. Entretanto, o processamento classicamente usado nestes dados combinados não é possível em pacientes sem descargas epileptiformes interictais (IEDs) e possui baixa sensibilidade para aqueles em que poucas IEDs são detectadas durante a aquisição simultânea. Além disto, a técnica é sensível ao movimento dos pacientes durante as aquisições, o que reduz a qualidade dos dados, principalmente em pacientes não cooperantes. Neste trabalho é proposto e discutido o uso de dois métodos de processamento, baseados nas técnicas de análise de componentes independentes (ICA) e análise temporal de clusters em duas dimensões (2dtca), para se mapear regiões epileptogênicas. Cada método foi analisado em um conjunto diferente de pacientes e os resultados foram comparados com os obtidos pelo EEG-fMRI clássico. Finalmente, propomos um método que utiliza às medidas de posicionamento da cabeça, obtidas durante a aquisição das fMRI, para aumentar a qualidade dos dados de EEG adquiridos simultaneamente. No estudo usando ICA combinado com imagens de fontes elétricas analisamos os dados de 13 pacientes com diferentes frequências de descargas e observamos que este método encontrou ao menos uma componente independente relacionada à epilepsia em cada paciente. Comparativamente usando o processamento convencional foi possível avaliar 11 dos 13 pacientes, e em apenas sete deles os mapas resultantes foram considerados concordantes com a região epileptogênica (RE). No estudo utilizando 2dTCA avaliamos 20 pacientes e encontramos mapas relacionados com a RE em 14 deles. Neste conjunto de pacientes, 13 apresentaram IEDs durante as aquisições; neles o método clássico de processamento teve resultados concordantes com a RE em seis deles. Finalmente verificamos em três sujeitos saudáveis que o método aqui proposto para corrigir os artefatos induzidos no EEG devido ao movimento é efetivo para altas amplitudes e velocidades (~1cm e 55mm/s). Concluímos que os métodos ICA e 2dTCA aumentam a sensibilidade do uso de fMRI para mapear RE, principalmente em pacientes com baixa ou nenhuma detecção de IEDs durante às aquisições. Também concluímos que o uso da correção prospectiva de movimento em aquisições de fMRI não reduz a qualidade do dado de EEG adquirido simultaneamente e que às informações de movimento mensuradas podem melhorar a qualidade deste dado em situações de repouso e movimento do sujeito durante o experimento.
 
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Publishing Date
2016-12-05
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • Maziero, D., et al. Comparison between Different ESI Methods of Refractory Epilepsy Shows a High Sensitivity for Bayesian Model Averaging [doi:10.4236/jbise.2014.79066]. JBiSE [online], 2014, vol. 07, p. 662-674.
  • Maziero, D., et al. Imagem por Fontes Eletroencefalográficas Uma Revisão Sistemática Sobre Sua Acurácia na Determinação da Zona Epileptogênica em Pacientes com Epilepsia Focal Refratária. Journal of Epilepsy and Clinical Neurophysiology , 2012, vol. 18, p. 128-131.
  • Maziero, D., et al. A comparison of independent component analysis (ICA) of fMRI and Electrical source imaging (ESI) in focal epilepsy reveals misclassification using an automatic classifier. In Human Brain Mapping, Hamburgo, 2014. Human Brain Mapping., 2014. Abstract.
  • Maziero, D., et al. EEG-fMRI in focal epilepsy patients: Comparison of Classical Analysis and 2d-Temporal Clustering Analysis. In Human Brain Mapping, Hamburgo, 2014. Human Brain Mapping., 2014. Abstract.
  • Maziero, D., et al. Electrical source imaging and ICA in EEG-fMRI of patients with focal epilepsy. In Human Brain Mapping 2013, Seattle, 2013. Proceeding of Human Brain Mapping 2013., 2013. Abstract. Available from: http://www.humanbrainmapping.org/i4a/pages/index.cfm?pageid=3511.
  • Maziero, D., et al. ESI in epilepsy: An evaluation of different methods to solve the inverse problem in EEG real data. In 18th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping, Beijing, 2012. 18th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping., 2012. Abstract.
  • Maziero, D., et al. IMAGENS DE FONTES ELÉTRICAS EM DADOS REAIS DE PACIENTES COM EPILEPSIA: COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES MÉTODOS DE SOLUÇÃO DO PROBLEMA INVERSO. In Workshop de Informática Biomédica, Ribeirao Preto, 2012. Workshop de Informática Biomédica., 2012. Resumo. Dispon?vel em: http://w w w . i n f o r m a t i c a b i o m e d i c a . c o m . b r / w i b m.
  • Maziero, D., et al. Interictal spikes localisation using EEG distributed source localization and simultaneous EEG-fMRI. In 18th International Conference on Medical Physics, Porto Alegre, 2011. ICMP 2011 Proceedings.São Paulo : Zeppelin, 2011. Abstract.
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