Quantification of electrical status epilepticus during sleep: Software for clinical use

Abstract

Electrical status epilepticus during sleep (ESES) is an age-related EEG pattern where epileptiform activity is potentiated in the transition from wakefulness to sleep. Proportion of spiking activity increases significantly during non-REM sleep and almost continuous spikes and waves appear in electroencephalogram. ESES also relates to cognitive impairment in some patients, and the clinical syndrome is called epileptic encephalopathy with continuous spikes and waves during sleep (CSWS).

Treatment response in patients with CSWS is conventionally assessed by visually estimating spiking activity during sleep. Methods used to quantify ESES or CSWS have been laborious and not well-defined. Recently, semiautomated method to measure spiking activity was developed. Method produces spike index (SI) that measures the quantity of spiking during non-REM sleep. Also, method to quantify magnitude of epileptic spikes was recently developed. Due to lack of practical application and complexity of the methods, they are not commonly used in clinical environment.

In this thesis a software, SPIQE (Spike quantifier for ESES), is developed for clinical and scientific use to process ESES measurements. SPIQE incorporates previously developed methods to quantify spiking activity and has a easy-to-use graphical user interface. EEG data and spike detection tags are imported to SPIQE for detailed analysis. Analysis results can be reviewed and exported from SPIQE to be attached to patients medical record.

Usability and functionality of the user interface is ensured in clinical environment by test data sets. By merging multiple measures in a software with graphical user interface it offers an easy to use tool for clinician and enables effortless comparison of methods described in literature.

Unenaikainen sähköinen status epilepticus (electrical status epilepticus during sleep, ESES) on joissakin lasten epilepsioissa esiintyvä aivosähkökäyrälöydös, jossa piikkihidasaaltopurkauksen määrä lisääntyy huomattavasti unessa valvetilaan verrattuna. Osalla potilaista löydökseen liittyy myös kognitiivisen tason lasku. Tällöin kyseessä on CSWS-oireyhtymä (encephalopathy with continuous spikes and waves during sleep, CSWS).

Hoitovastetta CSWS-potilailla on perinteisesti arvioitu EEG:stä purkausten määrää visuaalisesti arvioimalla. Käytetyt menetelmät ovat olleet työläitä ja huonosti määriteltyjä. Purkausmäärän mittaamiseen on kehitetty toistettava puoliautomaattiseen piikkien tunnistukseen perustuva menetelmä, joka tuottaa purkausmäärää kuvaavan piikki-indeksin. Lisäksi on kehitetty uusia piikin voimakkuutta kuvaavia mittareita. Helppokäyttöisen analyysiohjelman puuttuessa uudet menetelmät eivät kuitenkaan ole päässeet laajaan käyttöön potilastyössä.

Tässä työssä toteutetaan kliiniseen käyttöön soveltuva ohjelmisto (SPIQE, Spike quantifier for ESES) ESES mittaustulosten käsittelyyn, jota voidaan hyödyntää myös tutkimuskäytössä. SPIQE:een siirretään piikkitunnisteet ja EEG-signaali laitevalmistajien ohjelmista. SPIQE:n täytyy olla helppokäyttöinen ja sisältää lääkärin tai bioanalyytikon käyttöön soveltuva graafinen käyttöliittymä. Sen taustalla toimivat analyysikirjastot perustuvat aikaisemmin ESES:n mittaamiseen kehitettyihin menetelmiin. Tulokset esitetään lukuina ja kuvaajina, joista voidaan laatia raportti liitettäväksi potilastietoihin.

Ohjelmiston toimivuus varmistetaan ja käyttöliittymän käytettävyyttä testataan testiaineiston avulla kliinisessä käytössä. Usean mittarin yhdistäminen yhteen helppokäyttöiseen käyttöliittymään tarjoaa työkalun kliinisiin tarpeisiin ja tuo kirjallisuudessa kuvatut ESES-mittarit keskenään vertailukelpoisiksi.