Obtención y valoración de biomarcadores de entropía obtenidos de registros encefalográficos para la ayuda al diagnóstico cuantitativo de la disfagia neurógena

Abstract

[ES] La disfagia es el término médico en el que se hace referencia a la patología que dificulta la actividad de tragar, en la que en ocasiones puede ser dolorosa e incluso puede imposibilitar al paciente a tragar sólidos y líquidos. Existen diferentes tipos de disfagia, que pueden ser causadas por multitud de patologías, el presente trabajo de fin de máster se centrará en la disfagia orofaríngea que afecta a la parte superior de la garganta y la boca, dificultando la actividad de la epiglotis, y que ha sido causada por un accidente cerebrovascular (ictus), provocando una dificultad para controlar la dirección del bolo alimenticio durante la deglución y para cerrar la epiglotis de manera adecuada para evitar que los alimentos o líquidos ingresen a las vías respiratorias. El presente trabajo se enmarca en una de las líneas de investigación del Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería que tiene como objetivo la búsqueda de biomarcadores basados señales encefalográficas, para la valoración cuantitativa de la disfagia neurógena post-ictus. El objetivo final es la obtención de una herramienta no invasiva y de bajo coste derivada de técnicas comunes a la práctica clínica como es la electroencefalografía, que sea capaz de aportar indicadores cuantitativos y objetivos de ayuda al diagnóstico y valoración de las terapias de rehabilitación. El proyecto se realiza en colaboración con el Hospital la Pedrera de Denia y el Pare Jofré de Valencia. Para ello, se ha empleado una base de datos de registros de EEG del grupo de investigación de sujetos que han sufrido un ictus, pero sin indicios de disfagia, sujetos que han sufrido un ictus y están pasando por un cuadro disfágico orofaríngeo y sujetos sanos con edades similares a los pacientes. De estos tres grupos de sujetos se han obtenido las señales en diferentes situaciones, tanto en reposo, como en las diferentes fases de la deglución. La búsqueda de biomarcadores se ha centrado en parámetros no lineales como la entropía y en un parámetro basado en técnicas clásicas como densidad espectral de potencia (PSD), computándose en diferentes regiones cerebrales (frontal, central, occipital) y anchos de banda correspondientes a las diferentes ondas encefalográficas (theta, alpha y beta). Se ha valorado el efecto de los parámetros embebidos de entropía para diferenciar entre los diferentes grupos de estudio, mediante análisis los estadísticos pertinentes. Para ello se ha empleado el software Matlab o R. En el presente trabajo se ha identificado un nuevo biomarcador de entropía con el que se consigue diferenciar las tres poblaciones de sujetos a partir de registros EEG obtenidos en la zona parietal central de la corteza cerebral y para la banda de frecuencias de 17 a 23 Hz. Además, se han observado diferencias estadísticamente significativas entre las poblaciones, en la misma zona cortical y banda frecuencial, con el uso de parámetros espectrales clásicos.

[EN] Dysphagia is the medical term that refers to the pathology that hinders the activity of swallowing, which can sometimes be painful and can even make it impossible for the patient to swallow solids and liquids. There are different types of dysphagia, which can be caused by a multitude of pathologies. This master s thesis will focus on oropharyngeal dysphagia, which affects the upper part of the throat and mouth, hindering the activity of the epiglottis, and which has been caused by a cerebrovascular accident (stroke), causing difficulty in controlling the direction of the food bolus during swallowing and in closing the epiglottis properly to prevent food or liquids from entering the respiratory tract. This work is part of one of the research lines of the Centre for Research and Innovation in Bioengineering, which aims to find biomarkers based on encephalographic signals for the quantitative assessment of post-stroke neurogenic dysphagia. The final objective is to obtain a non-invasive, low-cost tool derived from techniques common to clinical practice, such as electroencephalography, which can provide quantitative and objective indicators to aid diagnosis and assessment of rehabilitation therapies. The project is being carried out in collaboration with the Hospital la Pedrera in Denia and the Pare Jofré Hospital in Valencia. To this end, a database of EEG recordings from the research group of subjects who have suffered a stroke but without signs of dysphagia, subjects who have suffered a stroke and are experiencing oropharyngeal dysphagia and healthy subjects of similar age to the patients has been used. Signals were obtained from these three groups of subjects in different situations, both at rest and in the different phases of swallowing. The search for biomarkers has focused on non-linear parameters such as entropy and on a parameter based on classical techniques such as power spectral density (PSD), computed in different brain regions (frontal, central, occipital) and bandwidths corresponding to the different encephalographic waves (theta, alpha and beta). The effect of the embedded entropy parameters to differentiate between the different study groups has been assessed by analysing the relevant statistics. Matlab or R software has been used for this purpose. In the present work, a new entropy biomarker has been identified to differentiate the three populations of subjects from EEG recordings obtained in the central parietal area of the cerebral cortex and for the frequency band from 17 to 23 Hz. Furthermore, statistically significant differences have been observed between the populations, in the same cortical area and frequency band, with the use of classical spectral parameters.

[CA] La disfàgia és el terme mèdic en el qual es fa referència a la patologia que dificulta l'activitat d'engolir, en la qual a vegades pot ser dolorosa i fins i tot pot impossibilitar al pacient a engolir sòlids i líquids. Existeixen diferents tipus de disfàgia, que poden ser causades per multitud de patologies, el present treball de fi de màster se centrarà en la disfàgia orofaríngia que afecta la part superior de la gola i la boca, dificultant l'activitat de la epiglotis, i que ha sigut causada per un accident cerebrovascular (ictus) , provocant una dificultat per a controlar la direcció de la bitla alimentosa durant la deglució i per a tancar la epiglotis de manera adequada per a evitar que els aliments o líquids ingressen a les vies respiratòries. El present treball s'emmarca en una de les línies d'investigació del Centre d'Investigació i Innovació en Bioingeniería que té com a objectiu la cerca de biomarcadores basats senyals encefalográficas, per a la valoració quantitativa de la disfàgia neurógena post-ictus. L'objectiu final és l'obtenció d'una eina no invasiva i de baix cost derivada de tècniques comunes a la pràctica clínica com és l'electroencefalografia, que siga capaç d'aportar indicadors quantitatius i objectius d'ajuda al diagnòstic i valoració de les teràpies de rehabilitació. El projecte es realitza en col·laboració amb l'Hospital la Pedrera de Dénia i el Pare Jofré de València. Per a això, s'ha emprat una base de dades de registres de EEG del grup d'investigació de subjectes que han patit un ictus, però sense indicis de disfàgia, subjectes que han patit un ictus i estan passant per un quadre disfágico orofaringi i subjectes sans amb edats similars als pacients. D'aquests tres grups de subjectes s'han obtingut els senyals en diferents situacions, tant en repòs, com en les diferents fases de la deglució. La cerca de biomarcadores s'ha centrat en paràmetres no lineals com l'entropia i en un paràmetre basat en tècniques clàssiques com a densitat espectral de potència (PSD)),computant-se en diferents regions cerebrals (frontal, central, occipital) i amplades de banda corresponents a les diferents ones encefalográficas (theta, alpha i beta) . S'ha valorat l'efecte dels paràmetres embeguts d'entropia per a diferenciar entre els diferents grups d'estudi, mitjançant anàlisi els estadístics pertinents. Per a això s'ha emprat el programari Matlab o R. En el present treball s'ha identificat un nou biomarcador d'entropia amb el qual s'aconsegueix diferenciar les tres poblacions de subjectes a partir de registres EEG obtinguts en la zona parietal central de l'escorça cerebral i per a la banda de freqüències de 17 a 23 Hz. A més, s'han observat diferències estadísticament significatives entre les poblacions, en la mateixa zona cortical i banda freqüencial, amb l'ús de paràmetres espectrals clàssics.