Software for semi-automatic source localization of epileptic interictal activity

Epilepsy is a neurological disease which can be treated pharmacologically or surgically, in case of drug-resistant patients, by removing the portion of the brain responsible for the generation of epileptic seizures, called the epileptogenic zone (EZ). A key aspect in a successful surgery is that of a correct localization of the EZ. EEG recordings of patients with drug-resistant epilepsy show abnormal patterns recognizable by trained eyes. These patterns, such as spikes, provide useful information for the localization of the epileptogenic network and are essential for pre- surgical evaluation. To this day, specialists in the field make use of the combination of various diagnostic tools: symptoms evaluation, electrophysiological recordings, neuroimaging techniques, and, mostly, stereo-EEG. Correctly placing the intracranial electrodes in stereo-EEG is important in order to improve the probability of locating the EZ. At the specific request of the Niguarda Hospital, we made a software, using state-of-the-art algorithms, to semi-automatically identify the sources of the interictal spikes, which could help clinicians determine target zones for intracranial electrodes. The software is composed of two tools: the first tool’s aim is that of providing a custom-tailored and easy-to-use interface to manually mark epileptic interictal spikes on a given patient’s EEG recording. The second tool has the functionalities of loading epileptic events from the first tool, preprocessing EEG and MRI data, coregistration and computation of the forward and inverse solutions in order to achieve final source localization. Our custom-made, open-source and user-friendly software gives the opportunity to export its result into the clinical software used by Niguarda Hospital for the multimodal biomedical imaging which includes the location of stereo-EEG intracranial electrodes, angiography, structural segmentation and functional imaging. Initial testing of our software comprised the data analysis of four drug-resistant epilepsy patients who underwent surgical treatment. Results confirm an overlap of the estimated source location with the resected area, and therefore indicate the great potential of our software for helping epileptologists and neurosurgeons in future pre- and post-surgical evaluation of patients suffering from drug-resistant epilepsy.

L’epilessia è una malattia neurologica che può essere trattata farmacologicamente o, nei casi di pazienti resistenti ai farmaci, chirurgicamente rimuovendo la porzione del cervello responsabile per la generazione degli attacchi epilettici, chiamata zona epilettogena (EZ). Un aspetto chiave nella riuscita di un intervento chirurgico per la rimozione della EZ è quello della sua corretta localizzazione. I tracciati EEG dei pazienti epilettici resistenti ai farmaci mostrano anomalie epilettiformi riconoscibili da esperti. Queste anomalie, tra cui i picchi interictali, forniscono informazioni utili per la localizzazione della zona epilettogena e sono essenziali per una valutazione pre- chirurgica. Ad oggi, gli specialisti in questo campo fanno uso di vari strumenti diagnostici in combinazione: valutazione dei sintomi, tracciati elettrofisiologici, tecniche di neuroimaging e, soprattutto, stereo-EEG. Il corretto posizionamento degli elettrodi intracranici da impiantare per effettuare la stereo-EEG è importante per aumentare la probabilità di localizzare la zona epilettogena. Su richiesta specifica dell’Ospedale Niguarda, abbiamo creato un software, utilizzando algoritmi all’avanguardia, per identificare le fonti dei picchi interictali in modo semi-automatico, per aiutare i clinici nella determinazione delle zone target per gli elettrodi intracranici. Il software è composto da due tool. Lo scopo del primo tool è quello di fornire un’interfaccia su misura e facile da usare per marcare manualmente i picchi epilettici interictali sul tracciato EEG di un dato paziente. Il secondo tool ha varie funzioni, tra cui caricare gli eventi di attività epilettica dal primo tool, pre-processare i dati derivanti dall’EEG e dall’MRI, effettuare la coregistrazione tra la posizione degli elettrodi sullo scalpo e l’MRI del soggetto, computare le soluzioni ai cosiddetti “problema in avanti” e “problema all’indietro” per raggiungere la localizzazione delle fonti. Il nostro software, creato su misura per l’Ospedale Niguarda, è open source, facile da usare e dà l’opportunità di esportare i risultati ottenuti al software utilizzato dall’ospedale per una visualizzazione biomedica multimodale, che include le posizioni degli elettrodi intracranici, la segmentazione strutturale dell’angiografia e il mappaggio funzionale. Un testing iniziale sul nostro software è stato effettuato tramite l’analisi dei dati di quattro pazienti epilettici resistenti ai farmaci, i quali si sono sottoposti a intervento chirurgico. I risultati ottenuti con il nostro software hanno confermato la sovrapposizione della posizione stimata della fonte epilettica con l’area asportata, e, dunque, suggeriscono il grande potenziale del nostro software nell’aiutare gli epilettologi e i neurochirurghi in future valutazioni pre- e post-chirurgiche di pazienti affetti da epilessia farmaco-resistente.