Diseño e implementación de un sistema avanzado de registro de potenciales evocados auditivos. Nuevas estrategias de estimulación a alta tasa

Resumen

Los potenciales evocados auditivos (AEPs) representan la actividad nerviosa de las vías auditivas en respuesta a un estímulo. Existen varios tipos de AEPs en función del centro generador. Los potenciales evocados auditivos del tronco cerebral (ABR) se generan en el nervio auditivo y en el tronco cerebral. Estas señales se componen de una serie de picos de voltaje que se identifican mediante números romanos secuenciales, apareciendo durante los diez primeros milisegundos desde la generación del estímulo. Aunque se pueden identificar hasta siete ondas, las principales componentes de los ABR son las ondas I, III y V. Los potenciales de latencia media (MLR) se generan en el sistema auditivo talamocortical, constando de las componentes Na, Pa, Nb y Pb, las cuales aparecen durante los primeros cien milisegundos desde la generación del estímulo. El registro de potenciales evocados auditivos se utiliza en clínicas y centros de investigación de todo el mundo para evaluar de forma objetiva el sistema auditivo de un sujeto, para determinar el umbral de audición, para detectar ciertas patologías auditivas, e incluso, para determinar la muerte cerebral. El proceso de registro de los potenciales evocados auditivos consiste en la presentación de una serie de estímulos a un sujeto y en el registro de la actividad eléctrica asociada mediante electrodos de superficie colocados sobre distintos puntos de la cabeza. El bajo nivel de amplitud de estas señales requiere una gran amplificación. Los potenciales evocados auditivos registrados se encuentran generalmente contaminados por artefactos de distinta naturaleza, tales como la actividad neuro-muscular del sujeto, ruido electrónico asociado a la amplificación e interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia. El método comúnmente utilizado para reducir los efectos de estas interferencias es el promedio de un número elevado de respuestas con la intención de mejorar la relación señal-ruido (SNR). Existen numerosos sistemas comerciales de registro de AEPs, sin embargo, la mayoría de ellos están diseñados para aplicaciones específicas de audiología, y no permiten el grado de flexibilidad que se requiere en actividades de investigación. La técnica convencional de estimulación (CONV) consiste en la presentación de estímulos de forma periódica, esto es, con un intervalo entre-estímulos (ISI) constante. Esta técnica presenta la limitación de que el ISI debe ser mayor que la ventana de promediación (10 ms en ABR y 100 ms en MLR) para evitar que se produzca el solapamiento de respuestas, lo que impediría obtener el potencial evocado auditivo. Esta limitación implica que las señales ABR no se pueden obtener con la técnica CONV a tasas de estimulación superiores a 100 Hz, ni señales MLR a tasas superiores a 10 Hz. Sin embargo, el registro de estas señales a tasas superiores presenta cierto interés audiológico y neurológico, como por ejemplo el análisis del fenómeno de adaptación neuronal o la detección de ciertas patologías auditivas. Existen varias técnicas que permiten el registro de AEPs a altas tasas de estimulación, donde las respuestas evocadas se encuentran solapadas. Estas técnicas utilizan diferentes procedimientos de deconvolución, siendo las más importantes maximum length sequence (MLS), quasiperiodic-sequence deconvolution (QSD), continous loop averaging deconvolution (CLAD) y least-squares deconvolution (LSD). En estas técnicas, se procesan bloques de respuestas de manera conjunta y se asume que todos los estímulos evocan la misma respuesta auditiva, lo cual presenta una limitación en el diseño de ciertos procedimientos experimentales. El análisis de los AEPs no es sencillo debido al ruido y a la variabilidad de la forma de onda (debida a las características propias del sujeto y a los parámetros de la estimulación, tales como la intensidad o la tasa). Usualmente, la determinación de respuesta se lleva a cabo de manera subjetiva por uno o varios audiólogos expertos. No obstante, el uso de técnicas objetivas en la evaluación de estas señales incorpora ciertas ventajas, tales como la eliminación del sesgo derivado de las interpretaciones subjetivas, proporcionando un análisis sistemático universal. Existen una serie de técnicas que proporcionan un análisis objetivo de estas señales, siendo las más relevantes (a) la técnica basada en el coeficiente de correlación (r), la cual evalúa la presencia de respuesta considerando su grado de reproducibilidad; (b) la técnica basada en el ratio de la potencia del registro promediado y la varianza de un punto único (single-point) de la respuesta (Fsp), la cual proporciona una estimación de la calidad en términos de SNR; y (c) la técnica basada en la correlación cruzada de una señal de test y una plantilla predefinida (Cross Corr). La principal limitación de estas técnicas reside en que la técnica basada en el coeficiente de correlación requiere un segundo registro, duplicando el tiempo de duración de la prueba; que la técnica basada en Fsp requiere el EEG completo para poder implementarse offline; y que el uso de la técnica Cross Corr está restringido a unas condiciones particulares de registro totalmente protocolizadas. Además, las técnicas Fsp y r presentarían una evaluación positiva incorrecta ante un registro contaminado con un artefacto sincronizado con el estímulo. Las actividades que se han llevado a cabo en esta tesis doctoral giran en torno a cuatro líneas de investigación: (a) el desarrollo de un sistema avanzado de registro de AEPs apropiado para propósitos de investigación; (b) el desarrollo de nuevas técnicas de estimulación y procesado que permitan el registro de AEPs a altas tasas de estimulación; (c) la aplicación del sistema de registro y de las técnicas propuestas para realizar un estudio de la adaptación neuronal; y (d) el desarrollo de un procedimiento automático que permita evaluar la calidad de AEPs con el fin de, entre otras aplicaciones, realizar comparaciones objetivas del rendimiento del sistema y de las técnicas desarrolladas. En esta tesis doctoral, se ha concebido una arquitectura modular de registro de AEPs. Esta arquitectura está formada por módulos software y hardware independientes que realizan una función específica de los procesos de generación de la secuencia de estimulación, presentación de los estímulos, registro del electroencefalograma (EEG) y procesado digital de las respuestas. Esta concepción modular aporta la flexibilidad necesaria en numerosas actividades de investigación. Además, se ha diseñado, implementado, caracterizado y evaluado una unidad de amplificación de elevada ganancia y bajo nivel de ruido, apropiada para el registro de AEPs. Esta unidad de amplificación se ha comparado con el amplificador comercial portable bioamplifier BMA-200 (CWE, Inc., Ardmore, PA), obteniendo el prototipo desarrollado un rendimiento ligeramente superior. Dentro de este marco, se ha desarrollado un sistema de registro de señales ABR y MLR basado en la arquitectura modular propuesta y en la unidad de amplificación desarrollada. En comparación con el sistema de registro comercial de uso clínico GSI Audera (Grason-Stadler Inc., Eden Prairie, MN), el sistema desarrollado: (a) presenta un mayor grado de flexibilidad, lo cual resulta apropiado para propósitos de investigación; (b) es portátil, eliminando la necesidad de estar conectado a la red eléctrica; (c) el coste de implementación es significativamente inferior; y (d) permite el registro de señales ABR y MLR de calidad similar. El sistema desarrollado ha permitido realizar toda la experimentación diseñada en esta tesis doctoral. El desarrollo, caracterización y evaluación del rendimiento de este sistema de registro de AEPs se ha propuesto, además, como una actividad de laboratorio utilizando el modelo pedagógico basado en el aprendizaje experimental, la cual puede resultar de utilidad educativa en ciertas titulaciones universitarias relacionadas con la biomedicina, ingeniería electrónica, ingeniería de telecomunicación, ingeniería informática, y audiología. Esta tesis presenta las técnicas randomized stimulation and averaging (RSA) e iterative-randomized stimulation and averaging (I-RSA), que permiten el registro de respuestas ABR y MLR evocadas a altas tasas de estimulación. La técnica RSA consiste en el promediado de respuestas evocadas auditivas correspondientes a un tren de estímulos cuyos ISI varían de forma aleatorizada conforme a una distribución de probabilidad predefinida (estimulación aleatorizada). Esta técnica incluye un proceso de blanking digital que considera valores nulos las muestras del EEG contaminadas por artefacto de estimulación. Al contrario de las técnicas MLS, QSD, CLAD y LSD, RSA no realiza la deconvolución de respuestas solapadas, y por tanto, esta técnica necesita reducir las interferencias derivadas de la superposición de respuestas adyacentes. Este tipo de interferencias se pueden reducir mediante la promediación siempre y cuando el jitter de la secuencia de estimulación sea suficientemente grande, permitiendo que las componentes positivas y negativas de estas interferencias puedan cancelarse con la promediación. La técnica I-RSA realiza la estimación y eliminación de las interferencias asociadas a respuestas adyacentes superpuestas mediante un proceso iterativo en el dominio del tiempo. Cada iteración realiza una mejor estimación del AEP. Al igual que en RSA, la generación de secuencias de estimulación está basada en estimulación aleatorizada. El rendimiento de RSA se ha evaluado mediante una comparación de la calidad de registros ABR obtenidos con las técnicas QSD y CONV. Los resultados de este estudio sugieren: (a) que la calidad del registro disminuye conforme disminuye el ISI (cuando la tasa de estimulación aumenta) debido a la reducción de la amplitud de la respuesta; (b) que la calidad de las señales ABR registradas con RSA y CONV es similar, con la ventaja de RSA que puede registrar señales ABR a tasas superiores a 100 Hz; y (c) que la calidad de las respuestas registradas con RSA es ligeramente superior a las obtenidas con QSD, especialmente a altas tasas de estimulación. El rendimiento de la técnica I-RSA se ha evaluado mediante dos experimentos con señales ABR y MLR reales y simuladas obtenidas a varias tasas con secuencias de estimulación aleatorizadas de diferentes condiciones de jitter. Los resultados de este estudio indican que la técnica RSA puede ser utilizada de forma eficiente en el registro de AEPs siempre y cuando el jitter de las secuencias de estimulación aleatorizada sea mayor que el periodo dominante de las componentes de los AEPs. Cuando esta premisa no se cumple, las componentes positivas y negativas de las interferencias asociadas con respuestas superpuestas podrían no ser canceladas mediante la promediación, y la estimación del AEP resultante no sería fiable. La técnica I-RSA mantiene las ventajas de RSA: (a) permite un control preciso de la distribución del jitter, (b) las secuencias de estimulación son fáciles de generar, y (c) permite un procesamiento individual de respuestas. Adicionalmente, I-RSA suaviza considerablemente la restricción de un jitter mínimo de RSA. En esta tesis se han utilizado el sistema de registro y las técnicas de estimulación a alta tasa desarrolladas para llevar a cabo un estudio que ha permitido el análisis de los mecanismos rápidos y lentos de la adaptación neuronal por primera vez en seres humanos. En este estudio, se registraron sobre un conjunto de sujetos señales ABR de referencia obtenidas mediante la técnica RSA a una tasa de estimulación baja (ISIs largos) y a una tasa de estimulación alta (ISIs cortos). Para las señales ABR de test se utilizaron secuencias de estimulación con ISIs largos y cortos distribuidos de manera aleatoria. La técnica de separación de respuestas presentada en este estudio permitió la clasificación de respuestas de acuerdo con su ISI anterior. De este modo, se obtuvieron señales ABR separadas de ISIs largos y cortos mediante la promediación de las respuestas pertenecientes a cada uno de los grupos. En este estudio se barajaron dos hipótesis. Si los mecanismos rápidos de adaptación predominasen sobre los lentos, se observaría que las señales ABR separadas son iguales a sus correspondientes ABR de referencia (o de forma equivalente, los dos ABR separados son diferentes) puesto que la morfología de la respuesta estaría influenciada en mayor medida por el ISI del estímulo anterior. Por el contrario, si los mecanismos lentos de adaptación predominasen sobre los rápidos, se observaría que las señales ABR separadas son diferentes a sus correspondientes ABR de referencia y que ambos ABR separados son similares, puesto que la morfología de la respuesta estaría fuertemente determinada por la tasa de estimulación promedio de un número elevado de estímulos anteriores (pero no por el ISI del estímulo anterior). Los resultados de este estudio indican que la mayor parte de los sujetos presentan una situación intermedia entre estas dos hipótesis, sugiriendo que tanto los mecanismos rápidos como los lentos influencian la morfología de la respuesta auditiva. Estos resultados son consistentes con estudios previos de otros investigadores realizados en animales mediante técnicas invasivas. El rendimiento del sistema desarrollado y de las técnicas de estimulación propuestas se puede evaluar mediante el análisis de señales AEP. Sin embargo, el análisis subjetivo de estas señales presenta problemas de uniformidad entre evaluadores y las técnicas automáticas disponibles presentan ciertas limitaciones. En este sentido, en esta tesis se describe y se evalúa la técnica fitted parametric peaks (FPP), un nuevo enfoque de evaluación automática de la calidad y parametrización de picos basado en el uso de plantillas. El enfoque de la técnica FPP consiste en la búsqueda de la latencia, anchura y amplitud de un pico paramétrico, de morfología similar a la de las ondas de las señales ABR, que mejor se ajusta a las componentes más robustas de las señales ABR: ondas III y V. El rendimiento de la técnica FPP se ha evaluado en este estudio mediante dos experimentos. En el primer experimento, se estimaron las latencias y amplitudes de las ondas III y V de forma manual por un audiólogo experto y de forma automática mediante la técnica FPP en un conjunto de señales ABR obtenidas a varias tasas de estimulación. Este análisis sugiere que la técnica FPP proporciona resultados más consistentes que el procedimiento manual, posiblemente debido al hecho de que FPP basa la estimación de los parámetros considerando un intervalo de la respuesta, en vez de muestras aisladas, lo cual hace a la técnica FPP menos sensible al ruido. En el segundo experimento, el rendimiento de FPP se comparó con los procedimientos de evaluación automática de la calidad más comunes: el coeficiente de correlación (r), Fsp, y la correlación cruzada con una plantilla predefinida (Cross Corr). Estas técnicas de evaluación automática de la calidad fueron comparadas con una evaluación subjetiva proporcionada por cinco expertos. Los resultados de este test muestran que aunque todas las técnicas automáticas presentan altos coeficientes de correlación con la evaluación subjetiva promedio, FPP permanece como la técnica que más se aproxima a la evaluación subjetiva promedio de los evaluadores. Además, estos resultados indican que existe un sesgo importante entre los evaluadores, lo cual evidencia que la reproducibilidad de las evaluaciones visuales no es alta, poniendo de manifiesto la conveniencia de utilizar técnicas automáticas. Finalmente, en esta tesis se realiza un resumen de las principales actividades de investigación realizadas, se identifican las principales aportaciones, se presentan las principales conclusiones obtenidas a partir de los resultados experimentales, y se enumeran una serie de líneas de trabajo futuro con las que continuar las actividades de esta investigación.