EEG wcześniaków: multimodalny protokół neurofizjologiczny

Podsumowanie

Niniejszy film wyjaśnia podstawy teoretyczne aktywności EEG u noworodków oraz odpowiedzi sensorycznych, a następnie prezentuje demonstrację ich rejestracji na oddziale intensywnej terapii noworodka.

Streszczenie

Od czasu wprowadzenia wczesnych lat 50. XX wieku, elektroencefalografia (EEG) jest szeroko stosowana w neonatalgicznych oddziałach intensywnej terapii (NICU) do oceny i monitorowania funkcji mózgu u noworodków przedwcześnie i w terminie urodzonych. Najczęstszymi wskazaniami są diagnostyka napadów padaczkowych, ocena dojrzałości mózgu oraz monitorowanie powrotu do zdrowia po zdarzeniach niedotleniająco-ischemicznych. Techniki rejestracji EEG oraz zrozumienie sygnałów EEG noworodków uległy znacznej poprawie, jednak postępy te powoli przenikały do tradycji klinicznych. Celem niniejszej prezentacji jest przybliżenie teorii i praktyki zaawansowanej rejestracji EEG dostępnej dla oddziałów neonatologicznych.

W części teoretycznej zaprezentujemy animacje ilustrujące, w jaki sposób mózg przedwczesnego noworodka generuje spontaniczną i wywołaną aktywność EEG, z których obie są charakterystyczne dla tej fazy rozwojowej oraz kluczowe dla prawidłowego dojrzewania mózgu. Niedawne badania na zwierzętach wykazały, że strukturalny rozwój mózgu wyraźnie odzwierciedla się w wczesnej aktywności EEG. Najważniejszymi strukturami w tym względzie są rozrastające się połączenia dalekosiężne oraz przejściowa struktura korowa – subplaka (warstwa podpłytkowa). Bodźce sensoryczne u przedwczesnego niemowlęcia wywołają odpowiedzi widoczne na poziomie pojedynczych prób, których podstawą jest oddziaływanie między subplaką a korą. Pozwala to na łatwe włączenie neonatalnego EEG do badań multimodalnych, w których EEG nie tylko rejestruje funkcje korowe, ale także testuje funkcje subplaki za pomocą różnych modalności sensorycznych. Wreszcie, wprowadzenie klinicznie odpowiednich czapek EEG z gęstym układem elektrod, a także wzmacniaczy zdolnych do rejestracji niskich częstotliwości, ujawniło szereg aktywności mózgowych, które do tej pory były pomijane.

W części praktycznej tego filmu pokazujemy, jak przeprowadza się badanie EEG z wykorzystaniem wielomodalnej, gęstej macierzy elektrod u wcześniaka w inkubatorze na oddziale intensywnej terapii noworodków. Film demonstruje przygotowanie dziecka i inkubatora, założenie czepka EEG oraz wykonanie stymulacji sensorycznych.

Protokół

1. Przygotowanie niemowlęcia oraz łóżeczka/inkubatora do badania EEG

1. Zaplanuj badanie EEG tak, aby nie pokrywało się z innymi procedurami na oddziale NICU, takimi jak pobieranie krwi czy badanie USG, ponieważ mogą one zakłócać pracę urządzeń EEG oraz wpływać na stan czuwania niemowlęcia.
2. Rozpocznij rejestrację natychmiast po karmieniu, aby zwiększyć prawdopodobieństwo zasnięcia dziecka podczas badania EEG. Praktycznym rozwiązaniem może być przymocowanie wszystkich elektrod rejestrujących przed karmieniem i/lub innymi procedurami pielęgnacyjnymi, aby badanie EEG mogło rozpocząć się niezwłocznie po ich zakończeniu.
3. Upewnij się, że do niemowlęcia nie są podłączone żadne zbędne urządzenia elektryczne.
4. Umieść wszystkie przewody związane z rejestracją EEG jak najdalej od innych przewodów w inkubatorze. Jeśli jest to możliwe z punktu widzenia terapii, wyłącz podgrzewanie łóżeczka.
5. W przypadku wystąpienia zakłóceń elektrycznych można spróbować zidentyfikować urządzenie powodujące interferencje, wyłączając je (czasami pomocne może być odłączanie urządzeń od sieci zasilającej pojedynczo).
6. Upewnij się, że głowa niemowlęcia nie styka się z wilgotnymi lub mokrymi tkaninami, co mogłoby zwiększyć sprzężenie zakłóceń z zewnętrznych źródeł szumu.

2. Założenie czepka EEG o gęstej macierzy elektrod

1. Usuń zcierającą wosk i olej z czaszki niemowlęcia, przecierając ją ściereczką zwilżoną rozcieńczonym alkoholem lub szamponem dla niemowląt. Dokonaj wizualnej oceny wielkości głowy niemowlęcia, aby dobrać optymalny rozmiar czepka EEG, upewniając się, że czepek ściśle przylega do wierzchołka głowy, a elektrody skroniowe znajdują się na odpowiednim poziomie nad małżowinami usznymi (dostępnych jest pięć różnych rozmiarów tych czepków, dopasowanych do niemowląt od skrajnie przedwczesnych po urodzone w terminie).
2. Jeśli to możliwe, dwie osoby powinny współpracować przy zakładaniu czepka EEG: jedna zajmuje się czepkiem, a druga podtrzymuje głowę niemowlęcia oraz ewentualne rurki intubacyjne lub rurki CPAP do nosa. Jeśli pacjent ma założony CPAP, zdejmij go na 10-20 sekund potrzebnych na założenie czepka EEG. Paski mocujące nosowy CPAP zostaną owinięte wokół czepka EEG w późniejszym etapie.
3. (opcjonalnie) Jeśli niemowlę ma linię dożylną w obrębie głowy, należy ją odłączyć i przeprowadzić przez specjalny otwór w czepku (dostępny w czepkach stosowanych w niniejszym badaniu). W przeciwnym razie konieczne będzie użycie siatki na głowę i pojedyncze rozmieszczenie elektrod, co zostało zademonstrowane na stronie badania NEMO (patrz http://www.nemo-europe.com/en/educational-tools.php).
4. Przytrzymaj niemowlę tak, aby jego twarz była skierowana w Twoją stronę. Chwyć czepek obiema rękami i za pomocą palców wypchnij środek czepka na zewnątrz, tak aby elektrody centralne (Cz i Pz) jako pierwsze dotknęły skóry głowy.
5. Ostrożnie nasuń czepek na głowę, tak aby znalazł się on prawie w docelowej pozycji. Na koniec wyreguluj czepek symetrycznie zarówno w kierunku lewo-prawo, jak i przód-tył. Sprawdź symetrię, upewniając się, że elektroda Cz znajduje się pośrodku (lewo-prawo) na linii łączącej oba uszy. Podczas naciągania czepka na czoło praktyczne jest przytrzymanie głowy niemowlęcia poprzez dociskanie kciuków do czoła powyżej oczu.
6. Zaciśnij pasek podbródkowy tak, aby czepek był stabilnie zamocowany, ale jednocześnie nie ograniczał oddychania. Sprawdź teraz również, czy rozmiar czepka jest optymalny. Czepek pokazany w tym filmie może wydawać się nieco luźny. Jednak dobrze zakrywa on obszary czołowe i potyliczne, a jednocześnie zachowuje wystarczający kontakt ze skórą w obszarach centrumparietalnych. Dostępnych jest pięć różnych rozmiarów tych czepków, dopasowanych do niemowląt od skrajnie przedwczesnych po urodzone w terminie; czepek pokazany w tym filmie będzie pasował do tego niemowlęcia przez kilka najbliższych tygodni.
7. Aplikuj żel elektrodowy przez otwory elektrod za pomocą strzykawki z grubą, tępą igłą do żelu („końcówką”). Zgięta końcówka może być przydatna do dotarcia do kontaktów, do których trudno dotrzeć bezpośrednio. Wypełnij filiżanki elektrod tak, aby żel nie wyciekał, ponieważ mógłby on tworzyć mostki z sąsiednimi elektrodami lub nawet zamoczyć poduszkę, co może spowodować artefakty. W tym celu praktyczne może być zastosowanie żelu o większej lepkości, co pozwala na równomierne żelowanie przed założeniem czepka (patrz odnośnik 1).
8. Sprawdź impedancje i jakość sygnału EEG, a następnie przygotuj skórę głowy poprzez delikatne pocieranie mechaniczne lub stosując tzw. metodę SurePrep, jeśli jest to konieczne^2,3 (http://www.helsinki.fi/science/eeg/videos/sureprep/). Obserwuj jakość kontaktu ze skórą równocześnie na podstawie wartości impedancji podawanych przez oprogramowanie EEG lub analizując jakość zapisu EEG. Zacznij od elektrody referencyjnej i uziomienia, a następnie przygotuj każdą półkulę po kolei, aby zminimalizować ruchy niemowlęcia.
9. Rozpocznij rejestrację EEG, gdy poziomy impedancji będą akceptowalne, zazwyczaj poniżej 15kohms, lub gdy sygnał będzie wyglądał na wystarczająco czysty bez filtrowania. Należy pamiętać, że impedancje często poprawiają się z czasem, dlatego odczekaj kilka minut, aż impedancje się ustabilizują.

3. Zastosowanie czujników poligraficznych

1. Zarejestruj napięcie mięśniowe (elektromiografia; EMG), mocując dwie elektrody EMG pod bródką. Przed aplikacją elektrod należy delikatnie przygotować skórę.
2. Zarejestruj rytm serca, aplikując dwie elektrody EKG na klatce piersiowej lub na barkach. Mocowanie na barkach jest przydatne w przypadku konieczności zidentyfikowania potencjalnych ruchów ciała charakterystycznych dla epilepsji. Przed aplikacją elektrod należy delikatnie przygotować skórę.
3. Zarejestruj ruchy gałek ocznych (elektrookulogram, EOG), korzystając z przedczołowych elektrod EEG (wówczas nie są potrzebne dodatkowe elektrody) lub z oddzielnych elektrod EOG przymocowanych w pobliżu zewnętrznych kącików oczu. U najmłodszych wcześniaków może być jednak czasami konieczne zastosowanie czujników piezoelektrycznych przymocowanych do powiek (niewidocznych na tym filmie), ponieważ ich siatkówka może nie być wystarczająco spolaryzowana, aby generować wykrywalne pola elektryczne. Przed aplikacją elektrod należy delikatnie przygotować skórę.
4. Monitoruj ruchy oddechowe za pomocą pasa z przetwornikiem wrażliwym na rozciąganie, owiniętego wokół tułowia na wysokości brzucha lub klatki piersiowej. Upewnij się, że przetwornik jest wystarczająco ciasny, aby ruchy oddechowe były widoczne w zapisie, a jednocześnie na tyle luźny, by nie ograniczać oddychania. W przypadku niemowląt z oddechem spontanicznym należy zachować szczególną ostrożność, aby nie krępować ruchów oddechowych (patrz również http://www.nemo-europe.com/en/educational-tools.php).
5. W razie potrzeby klinicznej dodaj również czujnik piezoelektryczny wrażliwy na ruch do dowolnej części ciała, w której spodziewane są nietypowe ruchy.
6. Ustaw zsynchronizowaną z EEG kamerę wideo tak, aby całe dziecko było dobrze widoczne w kadrze. Podczas wybranych etapów badania EEG można zdecydować o skupieniu uwagi na konkretnych częściach ciała, np. dłoniach lub stopach podczas ich stymulacji dotykowej.

4. Rejestracja

1. Przez cały czas trwania sesji nagraniowej monitoruj jakość sygnału i wprowadzaj korekty w przypadku pogorszenia się któregoś z sygnałów. Obserwuj również niemowlę i dodawaj adnotacje dotyczące każdego zdarzenia (np. objawu klinicznego, ruchu, podania leku), które może być istotne podczas późniejszej analizy EEG w trybie offline.
2. W przypadku wystąpienia artefaktów podczas nagrywania, zidentyfikuj ich przyczynę i niezwłocznie wprowadź korekty w nagraniu. Wiele artefaktów może trwale uniemożliwić późniejsze wykorzystanie sygnału EEG.
3. Dostosuj czas trwania nagrania indywidualnie tak, aby badanie EEG obejmowało co najmniej jedną epokę wszystkich stanów czuwania: czuwania, snu aktywnego i snu spokojnego. W większości przypadków zajmie to od 40 do 90 minut.
4. Wykonaj stymulacje sensoryczne (patrz sekcja 5 poniżej), gdy niemowlę będzie głęboko spać. Zaleca się poczekać do okresu snu spokojnego.
5. Po zakończeniu sesji nagrywania EEG zdejmij czepek i pozostałe sensory, a następnie usuń nadmiar żelu z głowy niemowlęcia, przecierając skórę wilgotną ściereczką.
6. Oczyść czepek EEG oraz pozostałe akcesoria najpierw mechanicznie, a następnie wysterylizuj je zgodnie z instrukcjami szpitalnymi.

5. Stymulacje sensoryczne

1. Należy zwrócić uwagę, że wszystkie odpowiedzi sensoryczne u młodych wcześniaków charakteryzują się długim (kilku sekundowym) okresem refrakcji, a amplituda odpowiedzi szybko spada przy krótkich odstępach między bodźcami lub w obecności innej trwającej aktywności EEG w korze sensorycznej. Dlatego bodźce sensoryczne należy podawać w momentach, gdy EEG było stosunkowo ciche przez co najmniej kilka sekund, co jest najłatwiejsze do osiągnięcia podczas spokojnego snu z obecnością trace discontinue activity^4-6. Jeśli to możliwe, należy używać urządzeń stymulacyjnych, które automatycznie generują znacznik (wyzwalacz) w zapisie EEG. W pierwszej kolejności wykonuje się stymulację dotykową, następnie bodźce wzrokowe, a na końcu bodźce słuchowe, które mogą wybudzić niemowlę.
2. W celu badania wzrokowych potencjałów wywołanych należy podawać pojedyncze błyski za pomocą urządzenia zintegrowanego z systemem EEG. Można również zastosować dowolne przejściowe światło, np. przesuwając wiązkę latarki nad twarzą. Odpowiedź jest łatwo generowana nawet z odległości, np. przez przezroczyste ścianki inkubatora. Należy obserwować odpowiedź o czasie trwania co najmniej jednej sekundy w kilku elektrodach potylicznych i ciemieniowych.
3. W celu badania somatosensorycznych potencjałów wywołanych należy zastosować delikatne bodźce dotykowe na dłoni lub stopie niemowlęcia. Pomocne jest użycie urządzenia, które automatycznie generuje znacznik (wyzwalacz) w zapisie EEG. Odpowiedź należy obserwować w przeciwstronnych elektrodach centrum-temporalnych (C i T) po stymulacji dłoni oraz w elektrodach linii środkowej (Cz) po stymulacji stopy. Aby ułatwić późniejszą analizę, należy dodawać ręczne adnotacje do zapisu EEG za każdym razem, gdy zaobserwowany zostanie spontaniczny ruch kończyn, ponieważ generuje on odpowiedzi podobne do tych wywołanych stymulacją.
4. Do badania odpowiedzi słuchowych można wykorzystać niemal każdy dźwięk o stosunkowo niskim natężeniu, np. klaskanie w dłonie w pobliżu głowy niemowlęcia. Należy unikać tradycyjnej stymulacji sygnałem dźwiękowym (trąbką), ponieważ wysokie natężenie dźwięku doprowadzi zarówno do aktywacji słuchowej, jak i wybudzenia ze snu, co często skutkuje pojawieniem się artefaktów ruchowych.

6. Analiza

1. Rozpocznij wstępną analizę już w trakcie rejestracji EEG. Dodaj adnotacje dotyczące zdarzeń klinicznych, które nie są oczywiste na podstawie sygnału EEG (np. procedury pielęgnacyjne, nietypowe ruchy lub podawanie leków). Odnotuj również wszystkie artefakty EEG (np. ssanie, kołysanie lub stukanie), które są trudne do zidentyfikowania w późniejszym czasie. Na koniec wpisuj wstępne spostrzeżenia na bieżąco, ponieważ często mogą one zawierać wnioski, które trudno dostrzec później. Upewnij się, że zarejestrowano zarówno sen aktywny, jak i cichy oraz że liczba i jakość bodźców sensorycznych są wystarczające.
2. Właściwa, szczegółowa analiza EEG noworodka jest przeprowadzana w trybie offline na stacji roboczej, gdzie wyniki EEG mogą zostać przetworzone i opisane bardziej szczegółowo.

7. Reprezentatywne wyniki

Rycina 1. Porównanie zapisu konwencjonalnego EEG (po lewej) oraz niefiltrowanego, pełnopasmowego EEG (FbEEG; po prawej). Zwróć uwagę na wyraźne wolne fluktuacje w sygnale FbEEG [patrz również odniesienia 7-9], które nie występują w konwencjonalnym EEG. Szczegóły znajdują się w sekcji Dyskusja.

Rysunek 2. Porównanie przyrostu uzyskanych informacji w zależności od liczby dodanych elektrod. EEG o wysokiej gęstości (po prawej) umożliwia oddzielną analizę i/lub śledzenie obszarów korowych. Ta informacja przestrzenna jest pomijalna w konwencjonalnym zapisie 8-kanałowym (środek) i całkowicie utracona w powszechnym monitorowaniu EEG jednokanałowym (po lewej). Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3. Lewo: Przedstawiono przykład odpowiedzi z pojedynczego próbkowania na bodźce czuciowe rąk, widoczny w surowym zapisie EEG. Prawo: Porównanie somatosensorycznych odpowiedzi noworodków przedwczesnych i donoszonych (oba odprowadzenia C4-Fz) pokazuje skalę korowych reakcji u noworodków przedwczesnych. Odpowiedź noworodka przedwczesnego przedstawiono na zapisie z pojedynczego próbkowania, natomiast odpowiedź noworodka donoszonego uzyskano poprzez uśrednianie, ponieważ nie byłaby ona rozróżnialna na poziomie pojedynczego próbkowania. W zapisie noworodka donoszonego strzałka wskazuje odpowiedź N1, która jest konwencjonalnie stosowana jako reprezentatywny miernik w diagnostyce klinicznej. Więcej szczegółów znajduje się w ref. 4,6,10,11. Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Rejestracja EEG noworodków w sposób tutaj przedstawiony jest bezpieczna, a zatem możliwa do przeprowadzenia u każdego dziecka i w każdych warunkach pozwalających na manipulacje związane z rutynowymi procedurami pielęgnacyjnymi¹. Oddział intensywnej terapii stanowi wymagające środowisko dla czułych urządzeń EEG. Kluczem do uzyskania wysokiej jakości technicznej zapisu jest właściwe zastosowanie sprawnie działającej czepki EEG o gęstym układzie elektrod, takiej jak ta pokazana w tym filmie. Środowisko OITN jest wyjątkowe, ponieważ badanymi osobami są krytycznie chore, podatne na urazy niemowlęta, które przechodzą wymagające procedury terapeutyczne i diagnostyczne. Aby zapewnić nie tylko bezpieczeństwo pacjenta, ale także przyszłość badań EEG na Państwa OITN, niezbędna jest ścisła współpraca z głównym kontaktem na oddziale oraz wysoki poziom zaufania w relacjach ze wszystkim personelem OITN zaangażowanym w opiekę nad pacjentem.

Niedawne prace prowadzone zarówno u niemowląt^5-7,10, jak i na modelach zwierzęcych z wykorzystaniem szczurząt^13-15 podkreśliły dominację częstotliwości infraslow w EEG. Chociaż są one łatwo widoczne przy zastosowaniu techniki FbEEG (patrz ryc. 1 i ref. 8,9), są one pomijane lub zniekształcane w konwencjonalnym EEG (z zastosowaniem wzmacniacza sprzężonego AC), który trwale odcina je w momencie zbierania sygnału, ponieważ wzmacniacze sprzężone AC działają jako filtry górnoprzepustowe (wycinające niskie częstotliwości). Wierne rejestrowanie tych aktywności infraslow wymaga stabilnych ustawień rejestracji DC, składających się ze wzmacniacza sprzężonego DC (patrz Podziękowania), elektrod Ag/AgCl, żelu zawierającego chlorki¹⁶ oraz odpowiedniej eliminacji potencjału nabłonkowego (szczegóły znajdują się w ref. 2,3,8, a także pod adresem http://www.nemo-europe.com/en/educational-tools.php -> Setting up EEG hardware -> Skin prepping). W kontekście klinicznym warto zaznaczyć, że czepki wykorzystane w naszej prezentacji są w pełni zgodne z rejestracją FbEEG, podczas gdy wiele innych klinicznych czepków EEG jest nieodpowiednich ze względu na niewłaściwe materiały elektrod (np. cyna)¹⁶ i/lub słabą stabilność mechaniczną wynikającą z konstrukcji wycięcia i uchwytu elektrody (szczegóły patrz również ref. 1,8).

Właściwa ocena lub monitorowanie wczesnego mózgu wcześniaka musi opierać się na gruntownym zrozumieniu natury i specyficznych cech samej aktywności niedojrzałego mózgu (patrz wyżej). Takie podejście jest w znacznym stopniu pomijane w obecnej praktyce klinicznej i literaturze. Aby zaspokoić tę potrzebę, w naszym laboratorium opracowano protokół wielomodalnej oceny neurofizjologicznej niemowląt urodzonych przed terminem. Niniejsza praca łączy najnowszą wiedzę z zakresu neurobiologii rozwoju, istotne postępy w technikach neurofizjologicznych oraz pilną potrzebę prowadzenia nowych badań klinicznych. Nasza praca otwiera tym samym drogę do prowadzenia badań translacyjnych w sposób dwukierunkowy (od badań podstawowych do praktyki klinicznej i odwrotnie). Ponadto, przejrzysta prezentacja protokołu ma na celu stworzenie możliwości gromadzenia na większą skalę klinicznie istotnych zbiorów danych, w tym badań mających na celu zdefiniowanie nieuchwytnych kryteriów normy.

Nasze doświadczenie kliniczne w Szpitalu Uniwersyteckim w Helsinkach wykazało, że i) tego rodzaju badania multimodalne szybko stały się integralną częścią rutyny klinicznej, ii) znacznie zwiększyły zainteresowanie badaniami EEG noworodków oraz iii) zaprezentowany tutaj rozwój technik rejestracji sprawił, że wykonanie takich pomiarów stało się tak samo przystępne, jak w przypadku ograniczonego, konwencjonalnego EEG. Co najważniejsze, zrozumienie zależności między rozwijającą się funkcją a strukturą mózgu pozwala na ocenę dojrzewania mózgu w czasie, gdy niemowlę nie jest jeszcze w stanie komunikować się ze światem zewnętrznym ¹⁷. Lepsza opieka neurologiczna na wczesnym etapie rozwoju prawdopodobnie doprowadzi do trwałej poprawy stanu zdrowia i ogólnej jakości życia wcześniaka.