EMG metingen tijdens fMRI: eerste resultaten

Patiënten in getallen:
een verrassend perspectief
op de wiskunde
Natasha M. Maurits
Afdeling Neurologie
BCN-NeuroImaging Center
Universitair Medisch Centrum Groningen
n.m.maurits@neuro.umcg.nl
www.signalanalysis.net
Nationale Wiskunde Dagen, 5-6 februari 2010
?
Een bezoek aan de medisch specialist ….
bloeddruk
temperatuur
lengte
bloeddruk
140/90 mmHg
temperatuur
lengte
39.5 °C
1.72 m
bloeddruk
140/90 mmHg
temperatuur
lengte
39.5 °C
1.72 m
Zijn de uitslagen normaal?
Wijzen de uitslagen op een bepaalde aandoening?
Hoe weet een arts dit nu?
College carroussel april 2009:
9 VWO-4 scholieren meten zenuwgeleidingssnelheid
snelheid
temperatuur
49.2 m/s
30 C
53.4 m/s
30 C
60.7 m/s
31 C
57.8 m/s
32 C
51.0 m/s
30 C
65.1 m/s
32 C
52.9 m/s
29 C
58.0 m/s
33 C
47.8 m/s
28 C
Zijn dit normale waarden? Waarom wel? Waarom niet?
Medisch technologische ontwikkelingen
multikanaals EEG
hoge resolutie MRI
DNA sequencing
Technische mogelijkheden nemen sneller toe dan de kennis erover
Van Maanen, NTvG 151:36, 2007
Wiskunde op de afdeling Klinische Neurofysiologie
EEG: hersenactiviteit
Duplex/TCD: bloedstroming
EMG: spier- en
zenuwactiviteit
(3D) vaatechografie
meten
spier- en zenuwechografie
(multikanaals) EEG
getallen
EMG
1
1000
1000000
…
simultaan EEG-EMG-fMRI
rTMS
…
analyseren
modelleren
diagnostiek?
Wiskunde in de hedendaagse geneeskunde
Helpen bij het stellen van een snelle en juiste diagnose
Moderne onderzoekstechnieken leveren getallen
Hoe nu van getallen naar diagnose?
Via ‘nuttige samenvattingen van de toestand van de patiënt’
→ Biomarkers
Nuttige biomarker?
• verwachte waarde in gezonden en patiënten bekend
• veranderingen in biomarker bij verschuiving
van gezond naar ziek bekend
• specificiteit bekend
• betrouwbaar en herhaalbaar te meten
• meting niet te belastend voor patiënt
Nuttige biomarker?
• verwachte waarde in gezonden en patiënten bekend
Normaalwaarden nodig
• veranderingen in biomarker bij verschuiving
van gezond naar ziek bekend
• specificiteit bekend
• betrouwbaar en herhaalbaar te meten
• meting niet te belastend voor patiënt
Van getallen naar biomarker
Voorbeeld van één getal naar biomarker:
spierkracht bij kinderen
Voorbeeld van veel getallen naar biomarker:
spierechografie
Voorbeeld van veel getallen naar biomarker:
effecten veroudering op motoriek
Voorbeeld van heel veel getallen naar biomarker:
onderscheid tremoren
Van getallen naar biomarker
Voorbeeld van één getal naar biomarker:
spierkracht bij kinderen
Voorbeeld van veel getallen naar biomarker:
spierechografie
Voorbeeld van veel getallen naar biomarker:
effecten veroudering op motoriek
Voorbeeld van heel veel getallen naar biomarker:
onderscheid tremoren
Hoe gebruik je hier wiskunde bij?
Voorbeeld van één getal naar biomarker:
spierkracht bij kinderen
• meisjes
° jongens
Leeftijd in maanden
Belangrijke vragen:
Gewicht in kg
hoe krijg je een representatieve steekproef?
hoe zorg je voor betrouwbare resultaten?
wat is nu normaal?
Beenakker et al., Neuromusc. Disord. 11:441, 2001
Voorbeeld van één getal naar biomarker:
spierkracht bij kinderen
• meisjes
° jongens
Leeftijd in maanden
Belangrijke vragen:
Beschrijvende statistiek
Gewicht in kg
hoe krijg je een representatieve steekproef?
hoe zorg je voor betrouwbare resultaten?
wat is nu normaal?
Beenakker et al., Neuromusc. Disord. 11:441, 2001
Voorbeeld van veel getallen naar biomarker:
spierechografie
Spierechografie: gezond en ziek
Normale spier
Spierziekte
Zenuwziekte
28 jaar
51 jaar: myositis
68 jaar: ALS
1 plaatje bestaat uit miljoenen getallen: datareductie nodig!
Hoe vat je ‘witheid’ en ‘vlekkerigheid’ in 1 getal samen?
Uitwerking
Op kleur genormaliseerd beeld
Uitwerking
Op kleur genormaliseerd beeld
Uitwerking
grijswaarde = gem. pixelwaarde = 105.30
Op kleur genormaliseerd beeld
Oppervlak = 3.56 cm2
Uitwerking
grijswaarde = gem. pixelwaarde = 105.30
Op kleur genormaliseerd beeld
Oppervlak = 3.56 cm2
Automatisch tellen witte
oppervlak: pixel waarde
> 170: 0.28 cm2
White-area index:
0.28/3.56=0.08
Uitwerking
grijswaarde = gem. pixelwaarde = 105.30
Op kleur genormaliseerd beeld
Oppervlak = 3.56 cm2
Automatisch tellen witte
oppervlak: pixel waarde
> 170: 0.28 cm2
White-area index:
0.28/3.56=0.08
Sobel filter
Uitwerking
grijswaarde = gem. pixelwaarde = 105.30
Op kleur genormaliseerd beeld
Oppervlak = 3.56 cm2
Automatisch tellen witte
oppervlak: pixel waarde
> 170: 0.28 cm2
White-area index:
0.28/3.56=0.08
Sobel filter
Uitwerking
grijswaarde = gem. pixelwaarde = 105.30
Op kleur genormaliseerd beeld
Oppervlak = 3.56 cm2
Automatisch tellen witte
oppervlak: pixel waarde
> 170: 0.28 cm2
White-area index:
0.28/3.56=0.08
Sobel filter
Automatisch tellen # witte gebiedjes met
pixel waarde > 197: 35 gebieden
Inhomogeniteits index: 35/3.56=9.83
Uitwerking
grijswaarde = gem. pixelwaarde = 105.30
Op kleur genormaliseerd beeld
Oppervlak = 3.56 cm2
Automatisch tellen witte
oppervlak: pixel waarde
> 170: 0.28 cm2
White-area index:
0.28/3.56 = 0.08
Automatisch tellen # witte gebiedjes met
pixel waarde > 197: 35 gebieden
Inhomogeniteits index: 35/3.56 = 9.83
Nuttige
biomarker?
6
5
4
o.a. specificiteit & sensitiviteit
3
2
1
0
neuropathic biceps
-1
-4
myopathic biceps
-2
0
2
4
6
8
Deviation from normal inhomogeneity index (stand. dev.)
% afwijkend in patienten
% normaal in gezonden
Nuttige
biomarker?
6
5
4
o.a. specificiteit & sensitiviteit
3
2
1
0
neuropathic biceps
-1
-4
myopathic biceps
-2
0
2
4
6
8
Deviation from normal inhomogeneity index (stand. dev.)
% afwijkend in patienten
% normaal in gezonden
Beschrijvende statistiek
Filters
Voorbeeld van veel getallen naar biomarker:
effecten veroudering op motoriek
40 cirkels in elke richting, 200 datapunten per cirkel
Hoe vat je de kinematische gegevens
samen in 1 getal?
Y
doel
X: verplaatsing in flexie-extensie richting
Y: verplaatsing in radiaal-ulnair richting
cursor
hoek
X
voorgeschreven beweging
feitelijke beweging
f(t)
f
Afgeleide = RC raaklijn aan kromme =
t
Hoeksnelheid is afgeleide van hoekpositie = verandering in hoek per verstreken tijd
Standaard deviatie van hoeksnelheid = maat voor snelheidsvariabiliteit
Idem voor positie en fout
f(t)
f
Afgeleide = RC raaklijn aan kromme =
t
Hoeksnelheid is afgeleide van hoekpositie = verandering in hoek per verstreken tijd
Standaard deviatie van hoeksnelheid = maat voor snelheidsvariabiliteit
Idem voor positie en fout
Differentiaalrekening
Beschrijvende statistiek
positie
Nuttige
biomarker?
o.a. specificiteit & sensitiviteit
variabiliteit
snelheid
sens/spec
69%
jong
oud
fout
jong
oud
sens/spec
75%
Voorbeeld van heel veel getallen naar biomarker:
onderscheid tremoren
Meneer S, 59 jaar
Trilt vanaf zijn 30e jaar bij uitstrekken, niet in rust
De tremor komt in de familie voor
Wat voor tremor is dit?
Classificatie van tremoren
tremor type
meest
aanwezig
tijdens
frequentie (Hz)
effect van gewicht
(ant)agonist
spieractivatie
versterkt fysiologisch
houding
5-12
lagere frequentie
synchroon
essentieel
houding
4-12
geen
variabel
Parkinson
rust
4-7
geen
alternerend
orthostatisch
staan
13-18
geen
synchroon
psychogeen
variabel
variabel, typisch 4-7
lagere amplitude
synchroon
Wat voor tremor is dit?
Classificatie van tremoren
tremor type
meest
aanwezig
tijdens
frequentie (Hz)
effect van gewicht
(ant)agonist
spieractivatie
versterkt fysiologisch
houding
5-12
lagere frequentie
synchroon
essentieel
houding
4-12
geen
variabel
Parkinson
rust
4-7
geen
alternerend
orthostatisch
staan
13-18
geen
synchroon
psychogeen
variabel
variabel, typisch 4-7
lagere amplitude
synchroon
Getallen! Wiskunde behulpzaam bij diagnostiek?
Meten met behulp van oppervlakte electromyografie
triceps
biceps
Spieraanspanning tijdens top-neus test
Hoe bepaal je uit het EMG signaal met
welke frequentie je te maken hebt?
tremor type
meest
aanwezig
tijdens
frequentie (Hz)
effect van gewicht
(ant)agonist
spieractivatie
versterkt fysiologisch
houding
5-12
lagere frequentie
synchroon
essentieel
houding
4-12
geen
variabel
Parkinson
rust
4-7
geen
alternerend
orthostatisch
staan
13-18
geen
synchroon
psychogeen
variabel
variabel, typisch 4-7
lagere amplitude
synchroon
Hoe bepaal je uit het EMG signaal met
welke frequentie je te maken hebt?
tremor type
meest
aanwezig
tijdens
frequentie (Hz)
effect van gewicht
(ant)agonist
spieractivatie
versterkt fysiologisch
houding
5-12
lagere frequentie
synchroon
essentieel
houding
4-12
geen
variabel
Parkinson
rust
4-7
geen
alternerend
orthostatisch
staan
13-18
geen
synchroon
psychogeen
variabel
variabel, typisch 4-7
lagere amplitude
synchroon
Van het tijds naar het frequentiedomein:
spectraal/Fourier analyse
Spectraal analyse
3
Gebaseerd op decompositie van signaal in (co)sinussen van verschillende frequenties
http://www.ztecinstruments.com/feature-focus/fft
Spectraal analyse
sinus
Vierkante golf
Tijdsdomein (signaal)
Frequentie domein (spectrum)
EMG tijdens top-neus test
Spectrum (FFT) van EMG
piekfrequentie = 6.8 Hz
EMG tijdens top-neus test
Spectrum (FFT) van EMG
piekfrequentie = 6.8 Hz
tremor type
meest
aanwezig
tijdens
frequentie (Hz)
effect van gewicht
(ant)agonist
spieractivatie
versterkt fysiologisch
houding
5-12
lagere frequentie
synchroon
essentieel
houding
4-12
geen
variabel
Parkinson
rust
4-7
geen
alternerend
orthostatisch
staan
13-18
geen
synchroon
psychogeen
variabel
variabel, typisch 4-7
lagere amplitude
synchroon
EMG tijdens top-neus test
Spectrum (FFT) van EMG
Wetenschappelijk onderzoek:
wat als de tremoren overlappen in frequentie en klinisch is er geen onderscheid?
FCMTE: irregulair, 8 – 20 Hz, EMG-bursts < 50 ms
ET: regulair, 5 – 7 Hz, EMG-bursts > 50 ms
Kunnen ET en FCMTE ook nog van elkaar
onderscheiden worden op basis van een
tremorregistratie?
1. Achtergrondinformatie: FCMTE corticale origine, ET wrs. niet
2. Onderzoek verband tussen corticale hersenactiviteit en
spieractiviteit
3. EEG back-averaging?
EEG-EMG coherentie?
EEG backaveraging
tijd
EEG
EMG
EMG van FCMTE patient
 Coherentie analyse
Coherentie
kruisspectrum
autospectra
•
Lineair verband tussen twee signalen x en y
•
0 = geen koppeling; 1 = identiek signaal
•
Coherentie duidt op functioneel verband
Coherentie
Vgl Pearson correlatiecoefficient
r 
2
sxy
s xx s yy
 x  x  y  y 
2
2

i
i
2
2




x

x
y

y
 i
 i
coherentie =
correlatie in het frequentie domein
kruisspectrum
autospectra
•
Lineair verband tussen twee signalen x en y
•
0 = geen koppeling; 1 = identiek signaal
•
Coherentie duidt op functioneel verband
EEG-EMG coherentie
Motorcortex, C3
R hand - C3
FDI
Ext
R pols ext - C3
EMG-EMG coherentie
Motorcortex, C3
R vinger - C3
FDI
Ext
R pols buiger - C3
vinger – pols buiger
Meting
Multi-kanaals EEG
EMG rechts
•
•
polsbuigers
vingerspier
Hand uitstrekken
Uitwerking
Corticomusculair
Intermusculair
spier - spier
hersenen - spier
coherentie
0.50
0.45
0.45
0.40
0.40
0.35
0.35
0.30
0.30
0.25
0.25
0.20
0.20
0.15
0.15
0.10
0.10
0.05
0.05
0.00
0.00
0
5
10
15
20
25
coherentie
0.50
30
35
frequentie
0
5
FCMTE - ET - gezonden
10
15
20
25
30
35
frequentie
Klinische waarde
Onderscheid FCMTE en ET o.b.v spier-spier coherentie
4 – 8 Hz
band
8 – 30 Hz
band
Gem. coh.
Gem. coh.
FCMTE
0.117
0.159
ET
0.084
0.011
control
0.012
0.016
4- 8 Hz:
8- 30 Hz:
FCMTE en ET
FCMTE
>
>
controle
ET en controle
Samenvatting
Patienten in getallen: wiskunde in de KNF praktijk
Voorbeeld 1: spierkracht
Statistiek
Voorbeeld 2: spierechografie
Statistiek & signaalanalyse (filteren)
Voorbeeld 3: motoriek bij veroudering
Differentiaalrekening & statistiek
Voorbeeld 4: onderscheid tremoren
Signaalanalyse (Fourier- & coherentieanalyse)