Epilepsie en intensieve samenwerking tussen artsen en ingenieurs
Epilepsie optimaal behandelen blijft tot op vandaag een belangrijke uitdaging voor huisarts en specialist. De patiënt aanvalsvrij houden zonder nevenwerkingen staat centraal in de aanpak. In geval van refractaire partiële epilepsie kan chirurgie een uitweg bieden. Aan de K.U.Leuven resulteerde een intensieve samenwerking tussen artsen en ingenieurs recentelijk in twee doctoraten kaderend in de prechirurgische evaluatie. Nieuwe technieken werden ontwikkeld die het steeds beter mogelijk maken om de epileptische focus op een niet- invasieve manier op te sporen.
Epilepsie is een aandoening van de grijze hersenschors. Kenmerkend zijn de herhaalde epileptische aanvallen. Aan de basis van zo een aanval ligt een abnormale ontlading van een groep zenuwcellen in de hersenen. Eén op de 200 mensen heeft actieve epilepsie.
Voor de grote meerderheid van de patiënten (70%) is epilepsie echter van voorbijgaande aard. Dankzij medicatie blijft een belangrijk deel van deze patiënten aanvalsvrij. Toch hebben drie op tien patiënten epileptische aanvallen die niet met medicatie onder controle komen. Het plaatje voor Vlaanderen toont zowat 30.000 patiënten met actieve epilepsie, met ongeveer 3000 nieuwe patiënten per jaar. Van deze 3000 patiënten hebben er 900 epilepsie die niet onder controle is door medicatie, en 90 tot 300 hiervan komen in aanmerking voor epilepsiechirurgie.
Begin kader
Intensieve samenwerking tussen artsen en ingenieurs leidt tot een verbeterde prechirurgische evaluatie van patiënten met refractaire partiële epilepsie
Einde kader
Epilepsiechirurgie
Patiënten met moeilijk te behandelen epilepsie worden geëvalueerd voor chirurgie in één van de referentiecentra voor refractaire epilepsie.
Epilepsiechirurgie omvat elke neurologische ingreep met als doel de epilepsie van de patiënt volledig te genezen, of minstens in belangrijke mate te verbeteren.
In principe komen hiervoor enkel patiënten in aanmerking met refractaire partiële epilepsie. De optimale ingreep schakelt juist voldoende zenuwweefsel uit (epileptogene focus) om de epileptische activiteit te doen verdwijnen, zonder uitvalverschijnselen te veroorzaken.
Identificatie van de focus
Een precieze identificatie van de focus is noodzakelijk om al dan niet te beslissen tot chirurgie. In principe kunnen de artsen tot chirurgie overgaan als het letsel in een zone ligt waar ze via de ingreep geen schade zullen toebrengen. En in de
hersenen zijn er heel wat zones waar je kunt opereren zonder schade toe te brengen. Waarschijnlijk komt dat omdat die gebieden instaan voor functies die andere zones in de hersenen kunnen overnemen. Dat geldt echter niet voor alle gebieden. Cruciale gebieden zijn bijvoorbeeld de zones die instaan voor de motoriek of voor de spraak. Aan die zones mag geenszins geraakt worden.
Patiënten die daar een letsel hebben, komen niet in aanmerking voor chirurgie.
Indien het letsel te groot is of indien er meerdere epileptische haarden zijn, is chirurgie niet aangewezen.
Tijdens een uitgebreide prechirurgische evaluatie trachten de artsen de epileptogene focus zo goed mogelijk te identificeren en gaan ze na of de focus met aanvaardbare risico’s kan uitgeschakeld worden. Het komt er steeds op aan om de risico’s van een ingreep af te wegen tegen de risico’s van ongecontroleerde epileptische aanvallen gedurende vele jaren, zoals kwetsuren, nevenwerkingen van medicatie, de sociale implicaties van epilepsie en het verslechteren van de epilepsie als gevolg van epileptische aanvallen. En tegen het risico voor een plotse onverwachte dood als gevolg van een epileptische aanval (1 op 200 mensen per jaar).
De meest courante onderzoeken in de prechirurgische evaluatie zijn:
magnetische resonantiescan van de hersenen (MRI), elektro-encefalogram (EEG), single photon emission computerized tomography (SPECT), positron emission tomography (PET). Indien al deze onderzoeken een zelfde zone aanduiden in de hersenen, dan kunnen de artsen overgaan tot chirurgie.
Begin kader
Precies in dit domein van de prechirurgische evaluatie boeken we belangrijke vooruitgang door een intensieve samenwerking tussen artsen en ingenieurs.
Deze samenwerking zorgt voor een wederzijdse bevruchting: artsen en ingenieurs kijken nu eenmaal op een andere manier naar beelden en signalen, en dat is verrijkend voor beide partijen. Deze intensieve samenwerking resulteerde recentelijk in twee doctoraten aan de faculteit Ingenieurswetenschappen kaderend in de preheelkundige evaluatie. In een eerste doctoraat1 werd een nieuwe methode ontwikkeld die een verbeterde diagnose aan de hand van EEG toelaat. Een tweede doctoraat2 leidde tot een nauwkeurige diagnose op basis van MRI. De nieuw ontwikkelde technieken zorgen er voor dat de artsen de epileptische focus beter en makkelijker kunnen identificeren. Hierdoor zijn ze beter in staat te beslissen of een patiënt al dan niet in aanmerking komt voor chirurgie.
Einde kader
Elektro-encefalogram (EEG)
In zijn doctoraat1 richtte Wim De Clercq zich op de signaalverwerking van EEG signalen van patiënten met epilepsie. Het EEG meet het potentiaalverschil op de hoofdhuid en brengt de functie van de hersenen in beeld. Dit onderzoek maakt het mogelijk om epileptische van niet-epileptische aanvallen te onderscheiden en
om een onderscheid te maken tussen partiële en veralgemeende epileptische aanvallen. Dat is belangrijk voor de behandelstrategie.
Daarnaast is het EEG ook van belang in de preheelkundige evaluatie. Bij een moeilijk te behandelen epilepsie stelt men zich dikwijls de vraag waar de epileptische focus zich bevindt in het raam van de preheelkundige evaluatie. In dat geval wordt de patiënt op de video-EEG kamer opgenomen. Continue EEG en gelijktijdige video-opnames van de patiënt laten toe de epileptische aanvallen te bestuderen op video en EEG. Het ictale EEG (het EEG gedurende een aanval) van een patiënt kan erg nuttige informatie opleveren over de precieze lokalisatie van de epileptische focus.
Tijdens een epileptische aanval wordt het EEG echter vaak bevuild met elektrofysiologische potentialen geassocieerd met spiersamentrekkingen ten gevolge van bijten, kauwen of fronsen. Hierdoor wordt de leesbaarheid van het ictale EEG bemoeilijkt3 en wordt een lokalisatie van de epileptogene focus op basis van het EEG soms onmogelijk. In ongeveer 90% van de ictale EEGs verduistert spierartefact klinisch relevante informatie in het EEG4. In een multidisciplinaire samenwerking ontwikkelde Wim De Clercq tijdens zijn doctoraat een nieuwe methode5,6 die deze spierartefacten verwijdert. De nieuwe methode heeft niet het nadelige effect van de huidige filtertechnieken en verwijdert de spierartefacten zonder de onderliggende opgenomen hersenactiviteit aan te tasten (en dus zonder klinisch relevante informatie te verwijderen). Zo krijg je een zuiver EEG-signaal dat toelaat de aanval duidelijker te zien. In ictale EEGs die sterk bevuild zijn met spierartefact kunnen we met behulp van de nieuwe methode de aanval vroeger detecteren en beter lokaliseren4,6. De nieuwe methode is al erg nuttig gebleken bij het bestuderen van de EEGs van patiënten die een evaluatie ondergingen voor epilepsiechirurgie.
Een voorbeeld wordt getoond in figuur 1. Figuur 1 (a) toont een 10 s EEG opname tijdens een epileptische aanval. Dit ictale EEG wordt bevuild door spierartefact. In figuur 1 (b) wordt hetzelfde ictale EEG getoond na spierartefactverwijdering door middel van de nieuwe methode. Na de verwijdering van spierartefact was links temporale kwab epileptische activiteit duidelijk zichtbaar. Deze epileptische activiteit was niet zichtbaar zonder spierartefactverwijdering (figuur 1 (a)) en bijgevolg kon er op basis van dit EEG geen lokalisatie van de focus gemaakt worden.
De methode wordt momenteel gevalideerd op een groep van 40 ictale EEGs van patiënten met refractaire epilepsie. De eerste voorlopige resultaten van deze klinische studie tonen aan dat de nieuwe methode voor spierartefactverwijdering de leesbaarheid van 90% van de ictale EEGs vergemakkelijkt en resulteert in een verbeterde interpretatie van het ictale EEG in 40% van de ictale EEGs in vergelijking met de huidige laagdoorlaatfilters4,6. Deze resultaten maken de methode onmisbaar voor elke epilepsie-monitoringeenheid. Daarnaast kan de
methode ook gebruikt worden voor het verwijderen van spierartefact in andere toepassingsgebieden van EEG.
(a)
(b)
Figuur 1 . (a) Toont een EEG opname tijdens een epileptische aanval. Dit ictale EEG wordt bevuild door spierartefact. (b) Toont hetzelfde ictale EEG na spierartefactverwijdering. Na de verwijdering van spierartefact was links temporale kwab epileptische activiteit (elektrode F7, T3, T5 en T1) duidelijk zichtbaar
Structurele Magnetische Resonantie Hersenscans (MRI)
Focale malformaties van de corticale ontwikkeling, meer in het bijzonder kleine focale corticale dysplasieën (FCD), zijn een frequente oorzaak van moeilijk te behandelen epilepsie. Epilepsie-chirurgie als behandeling van dit type epilepsie vereist een nauwkeurige preoperatieve lokalisatie van het epileptogene letsel in hoogresolutie beelddata, zoals Magnetische Resonantie (MR) beeldvorming. Het subtiele karakter van deze letsels (een, soms slechts lichte, verdikking van de cortex gepaard met een binnenwaartse vermindering van de grijze stof concentratie), in combinatie met de driedimensionale morfologie van de normaal ontwikkelde cortex, bemoeilijkt echter de visuele detectie van deze letsels.
In het doctoraal onderzoekswerk van Siddharth Srivastava2 werd daarom getracht de sensitiviteit en specificiteit van hoogresolutie Magnetische Resonantie beeldanalyse voor de automatische detectie van FCD te verbeteren.
De voorgestelde methodologie bestaat uit verschillende stappen. Ten eerste wordt een aanpassing voorgesteld aan een bestaande methode voor vol- automatische hersenweefselclassificatie (het onderverdelen in grijze hersenstof, witte hersenstof, cerebrospinaal vocht en extracerebraal weefsel) ten einde het aantal foutieve classificaties, in casu van de grijze hersenstof, te minimaliseren.
Ten tweede werd een vergelijkende studie en validatie uitgewerkt van drie methodes voor het berekenen van de dikte van de corticale grijze stof op basis
van wiskundige partiële differentiaalvergelijkingen. Tenslotte werd een statistische analysemethodologie voor de automatische detectie van FCD letsels in T1-gewogen hoogresolutie MR beelden ontworpen.
Figuur 2 toont de resultaten van deze automatische procedure toegepast op hoge resolutie MR scans van een epilepsiepatiënt. Hierbij wordt de automatisch gedetecteerde zone tevens vergeleken met de aflijning door de neuroloog- expert.
De methode werd klinisch gevalideerd op een gegevensbank van MRI beelden van 17 FCD patiënten. Hieruit kon geconcludeerd worden dat vergeleken met de klassieke visuele detectiemethode, de automatische methode de specificiteit en sensitiviteit van de detectie verhoogt voor die (hoofdzakelijk extra-temporale) letsels die aan het typische pathologische morfologische karakter (corticale verdikking en grijze stof concentratie gradiënt) beantwoorden. Verdere verbeteringen worden verwacht door het gebruik van MRI beelden opgenomen bij hogere veldsterkte (3Tesla i.p.v. de huidige 1.5Tesla) en verschillende beeldcontrasten (bepaald door de parameterinstellingen van de scanner).
Figuur 2 . Drie loodrechte doorsneden door een MR hersenscan van een epilepsiepatiënt. De witte contour geeft de aflijning door de neuroloog-expert weer. De gekleurde zones geven de automatisch gedetecteerde malformaties weer (de kleurenschaal is hierbij evenredig met de significantie van de afwijking)
Wim De Clercq*, Siddharth Srivastava**, Dirk Vandermeulen**, Paul Suetens**, Sabine Van Huffel* & Wim Van Paesschen***
* Departement Elektrotechniek ESAT (SCD-SISTA), Faculteit Ingenieurswetenschappen, Katholieke Universiteit Leuven
** Departement Elektrotechniek ESAT (PSI), Faculteit Ingenieurswetenschappen, Katholieke Universiteit Leuven
*** Afdeling Experimentele Neurologie, Faculteit Geneeskunde, Universitair Ziekenhuis Leuven
Benoeming van de respectievelijke departementen/afdelingen !!!!!
UZ Leuven en KULeuven Referenties:
[1] W. De Clercq, Gevorderde voorbewerkingstechnieken en niet-lineaire signaalanalyse toegepast op scalp EEG-signalen voor de voorspelling van epileptische aanvallen, doctoraatsthesis, Departement
Elektrotechniek, Faculteit Ingenieurswetenschappen, Katholieke Universiteit Leuven, 2005
Promotoren prof. Sabine Van Huffel en prof. Wim Van Paesschen (afdeling experimentele neurologie van de faculteit Geneeskunde).
[2] S. Srivastava, Automatic detection of cortical structural abnormalities in the MRI of the human brain, doctoraatsthesis, Departement Elektrotechniek, Faculteit Ingenieurswetenschappen, Katholieke Universiteit Leuven, 2005
Promotoren prof. Paul Suetens, prof. Dirk Vandermeulen en prof. Wim Van Paesschen (afdeling experimentele neurologie van de faculteit Geneeskunde en het referentiecentrum voor moeilijk te behandelen epilepsie in UZ Gasthuisberg).
[3] S.S. Spencer et al. Neurology 1985; 35: 1567-1575.
[4] De Clercq W., Vergult A., Vanrumste B., Van Huffel S., Kokarakis M., Van Hees J., Palmini A. and Van Paesschen W., Improving the interpretation of the ictal scalp electroencephalogram: a new muscle artifact removal technique, Epilepsia, vol. 46, no. 6 (suppl.), p378, 2005
[5] W. De Clercq, A. Vergult, B. Vanrumste, W. Van Paesschen and S. Van Huffel, Canonical correlation analysis applied to remove muscle artifacts from the electroencephalogram, submitted for publication in IEEE Trans. Biomed. Eng., 2005
[6] W. De Clercq, A. Vergult, B. Vanrumste, J. Van Hees, A. Palmini, W. Van Paesschen, S. Van Huffel, A new muscle artifact removal technique to improve the interpretation of the ictal scalp
electroencephalogram, in Proceedings of the 27th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (IEEE-EMBS), Shanghai, China, 2005, CD-ROM ISBN 0-7803-8741-4, paper No. 1136, invited paper
[7] S. Srivastava, F. Maes, D. Vandermeulen, W. Van Paesschen, P. Dupont, Paul Suetens, Feature-based statistical analysis of structural MR data for automatic detection of focal cortical dysplastic lesions, NeuroImage 27 (2005) 253 – 266
