Spatiotemporal source analysis in scalp EEG vs. intracerebral EEG and SPECT: A case study in a 2-year-old child

SummaryObjectiveThis case study aims to demonstrate that spatiotemporal spike discrimination and source analysis are effective to monitor the development of sources of epileptic activity in time and space. Therefore, they can provide clinically useful information allowing a better understanding of the pathophysiology of individual seizures with time- and space-resolved characteristics of successive epileptic states, including interictal, preictal, postictal, and ictal states.MethodsHigh spatial resolution scalp EEGs (HR-EEG) were acquired from a 2-year-old girl with refractory central epilepsy and single-focus seizures as confirmed by intracerebral EEG recordings and ictal single-photon emission computed tomography (SPECT). Evaluation of HR-EEG consists of the following three global steps: (1) creation of the initial head model, (2) automatic spike and seizure detection, and finally (3) source localization. During the source localization phase, epileptic states are determined to allow state-based spike detection and localization of underlying sources for each spike. In a final cluster analysis, localization results are integrated to determine the possible sources of epileptic activity. The results were compared with the cerebral locations identified by intracerebral EEG recordings and SPECT.ResultsThe results obtained with this approach were concordant with those of MRI, SPECT and distribution of intracerebral potentials. Dipole cluster centres found for spikes in interictal, preictal, ictal and postictal states were situated an average of 6.3 mm from the intracerebral contacts with the highest voltage. Both amplitude and shape of spikes change between states. Dispersion of the dipoles was higher in the preictal state than in the postictal state. Two clusters of spikes were identified. The centres of these clusters changed position periodically during the various epileptic states.ConclusionHigh-resolution surface EEG evaluated by an advanced algorithmic approach can be used to investigate the spatiotemporal characteristics of sources located in the epileptic focus. The results were validated by standard methods, ensuring good spatial resolution by MRI and SPECT and optimal temporal resolution by intracerebral EEG. Surface EEG can be used to identify different spike clusters and sources of the successive epileptic states. The method that was used in this study will provide physicians with a better understanding of the pathophysiological characteristics of epileptic activities. In particular, this method may be useful for more effective positioning of implantable intracerebral electrodes.

RésuméObjectifLes raisons pour lesquelles nous souhaitions rapporter ce cas témoin étaient de démontrer que la discrimination spatiotemporelle des pointes épileptiques ainsi que l’analyse de leurs sources permettent de mieux rendre compte de l’évolution spatiotemporelle des sources de ces pointes. Cela pourrait permettre une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques des crises en détaillant, à la fois dans le temps et dans l’espace, les caractéristiques des stades épileptiques successifs qui incluent les stades intercritiques, précritiques, critiques et postcritiques.MéthodesLes enregistrements électro-encéphalographiques (EEG) ont été acquis en haute résolution (EEG-HR) chez une fillette de deux ans présentant une épilepsie partielle réfractaire avec un foyer unique, confirmé par des enregistrements intracérébraux et par une tomographie par émission monophotonique (TEMP). L’évaluation de l’EEG-HR a été réalisée en trois étapes: (1) création d’un modèle de tête, (2) détection automatique de pointes et de crises, (3) localisation des sources des pointes épileptiques. Durant l’étape de localisation de sources, les stades épileptiques sont déterminés afin de permettre une détection et une localisation de la source de chaque pointe épileptique en fonction du stade intercritique, précritique, critique ou postcritique durant lequel la pointe apparaît. Enfin, l’analyse par groupe permet de préciser la source potentielle des activités épileptiques. Les résultats sont comparés avec ceux des enregistrements intracérébraux et du TEMP.RésultatsLes résultats obtenus en utilisant cette approche sont concordants avec les données de l’IRM, du TEMP et de la distribution des potentiels intracérébraux. Le centre des groupes de dipôles obtenus pour les pointes dans les stades intercritiques, précritiques, critiques et postcritiques était localisé en moyenne à 6,3 mm du contact intracérébral présentant le potentiel le plus élevé pour une pointe donnée. L’amplitude et la forme des pointes étaient modifiées au cours des différents stades. La dispersion des dipôles était plus élevée dans le stade précritique que dans le stade postcritique. Deux groupes de pointes ont été identifiés. La position du centre de ces groupes changeait périodiquement durant les différents stades épileptiques.ConclusionL’EEG haute résolution de surface, analysé par une approche algorithmique singulière, peut être utilisée pour préciser les caractéristiques spatiotemporelles des sources localisées dans la zone épileptique. Les résultats ont été validés par des méthodes standards présentant une très bonne résolution spatiale (IRM, TEMP) et une excellente résolution temporelle (EEG intracérébral). L’EEG-HR de surface permet d’identifier différents groupes de pointes et leurs sources durant les différents stades épileptiques. Les méthodes développées pourraient permettre aux cliniciens une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques des activités épileptiques. En particulier, cette méthode pourrait être utilisée pour préciser le schéma d’implantation des électrodes intracérébrales dans les épilepsies partielles pharmacorésistantes.