Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/158911
Author(s): Ana Carvalho Araújo Simão Moreira
Title: Applicability of quantitative seizure movement analysis technology in a Portuguese Epilepsy Monitoring Unit
Issue Date: 2024-05-20
Abstract: Introduction: One third of epilepsies are drug-resistant and potential candidates to surgical treatment. Seizure semiology is essential for determining the epileptogenic zone but it relies on subjective analysis. Quantitative motion analysis during motor seizures can be a more accurate indicator and it has been successfully developed and laboriously implemented in a specific Epilepsy Monitoring Unit (EMU). This study aims to evaluate the feasibility of integrating quantitative seizure movement analysis technology into the routine of a Portuguese EMU, by determining DeepInBed system's ability to extract motion quantification metrics from standard 2D video recordings, its effectiveness in distinguishing between automotor and hypermotor seizures, and the ease of use of seizure analysis software by clinicians. Methods: A single-center, cross-sectional study was conducted with patients with automotor or hypermotor seizures that underwent non-invasive Video-EEG monitoring between January 2019 and February 2024 in an EMU at a Portuguese refractory epilepsy center not originally involved in the development of the software. Video recordings utilized 1080p HD cameras positioned perpendicularly to the patients' bed. Distinct marking points were established for seizure onset, seizure end and for the beginning and ending of automotor or hypermotor semiology. DeepInBed, based on pre-trained vision transformer pose estimation and Python programming, was employed to analyze motion patterns. Movement extent and maximum and mean velocity metrics from 10 automotor and 10 hypermotor seizures reviewed and classified by two experienced epileptologists were assessed to determine their capability to distinguish between the two types of seizures. To assess if Kinect Seizure Analyzer (KiSA), a software for quantitative movement analysis, is clinician-friendly and easy to use, two experimental tests were performed and qualitatively analyzed. Results: Twenty-three automotor (seven patients) and twelve hypermotor (five patients) seizures were included. Aggregated metrics from 17 joints showed a higher sum of displacements (hypermotor=17758 pixels vs automotor=13064 pixels, p value=0.001), movement extent (hypermotor=832162 pixels2 vs automotor=499955 pixels2, p value<0.001), mean velocity (hypermotor=627 pixels/s vs automotor=336 pixels/s, p value<0.001), mean acceleration (hypermotor=7137 pixels/s2 vs automotor=3969 pixels/s2, p value<0.001) and mean jerk (hypermotor=129287 pixels/s3 vs automotor=77870 pixels/s3, p value<0.001), in hypermotor than in automotor seizures with a statistically significant difference. Separate analysis of movement extent and maximum and mean velocity of the trunk and the most active wrist key points in 10 automotor and 10 hypermotor seizures demonstrated no statistically significant difference between these metrics, preventing us from yielding distinct cutoff parameters. The experimental tests using KiSA showed that although useful and able to perform semi-automatic motion tracking, the program is time consuming for non-experts and still has a few glitches. Conclusion: DeepInBed quantitative seizure movement analysis is capable of extracting objective motion metrics from 2D videos routinely recorded in a Portuguese EMU, making it a promising tool in pre-surgical evaluation. Even with a low number of seizures, objective metrics seemed to differ between hypermotor and automotor seizures. We could not, however, find a reliable cutoff value for wrist and trunk, which are usually the most clearly seen key points during seizures, to distinguish between the two seizure types, limiting its application in clinical practice. Additionally, seizure analysis software is useful, but needs to be improved to become clinician-friendly for everyday practice.
Description: Introdução: Um terço das epilepsias são fármaco-resistentes e potencialmente candidatas a tratamento cirúrgico. A semiologia das crises epiléticas é essencial para determinar a zona epileptogénica, mas baseia-se numa análise subjetiva. A análise quantitativa do movimento durante crises epiléticas motoras pode ser um indicador mais preciso, tendo sido desenvolvida com sucesso e meticulosamente implementada numa Unidade de Monitorização de Epilepsia (UME) específica. Este estudo tem como objetivo avaliar a viabilidade de integrar tecnologia de análise quantitativa do movimento das crises epiléticas na rotina de uma UME portuguesa, determinando a capacidade do sistema DeepInBed de extrair métricas de quantificação de movimento de vídeos 2D padrão, a sua eficácia na distinção entre crises automotoras e hipermotoras e a facilidade de uso de sistemas de análise de crises epiléticas pelos médicos. Métodos: Foi realizado um estudo transversal, unicêntrico, em doentes com crises automotoras ou hipermotoras submetidos a monitorização vídeo-EEG não invasiva entre janeiro de 2019 e fevereiro de 2024 na UME num centro português de epilepsia refratária, não originalmente envolvido no desenvolvimento do sistema. As gravações de vídeo utilizaram câmaras HD 1080p posicionadas perpendicularmente às camas dos doentes. Foram estabelecidas marcações distintas para o início das crises epiléticas, fim das crises e para o início e fim da semiologia automotora ou hipermotora. O DeepInBed, um sistema que se baseia na estimativa de pose de um transformador de visão pré-treinado e em programação Python, foi utilizado para analisar padrões de movimento. As métricas de extensão do movimento e de velocidade máxima e média de 10 crises automotoras e 10 crises hipermotoras, avaliadas e classificadas por dois epileptologistas experientes, foram analisadas para determinar a sua capacidade de distinguir entre os dois tipos de crises. Para avaliar se o Kinect Seizure Analyzer (KiSA), um sistema de análise quantitativa de movimento, é apropriado para médicos e fácil de usar, dois testes experimentais foram realizados e analisados qualitativamente. Resultados: Vinte e três crises automotoras (sete doentes) e doze crises hipermotoras (cinco doentes) foram incluídas. As métricas agregadas de 17 articulações apresentaram valores superiores de soma dos deslocamentos (hipermotoras=17758 píxeis vs automotoras=13064 píxeis, p value=0.001), extensão do movimento (hipermotoras=832162 píxeis2 vs automotoras=499955 píxeis2, p value<0.001), velocidade média (hipermotoras=627 píxeis/s vs automotoras=336 píxeis/s, p value<0.001), aceleração média (hipermotoras=7137 píxeis/s2 vs automotoras=3969 píxeis/s2, p value<0.001) e jerk médio (hipermotoras=129287 píxeis/s3 vs automotoras=77870 píxeis/s3, p value<0.001) em crises hipermotoras em comparação com crises automotoras, com diferença estatisticamente significativa. A análise separada da extensão do movimento e da velocidade máxima e média do tronco e do punho mais ativo em 10 crises automotoras e 10 crises hipermotoras não demonstrou diferença estatisticamente significativa entre essas métricas, impedindo-nos de definir pontos de corte distintos. Os testes experimentais com o KiSA mostraram que, embora útil e capaz de realizar rastreio semi-automático de movimento, o programa é demorado para não especialistas e ainda apresenta algumas falhas. Conclusão: A análise quantitativa do movimento de crises do DeepInBed é capaz de extrair métricas objetivas de movimento quando aplicada a vídeos 2D gravados rotineiramente numa UME portuguesa, o que o torna uma ferramenta promissora para avaliação pré-operatória. Mesmo com um baixo número de crises epiléticas, métricas objetivas pareceram diferenciar entre crises automotoras e hipermotoras. Contudo, não conseguimos encontrar um ponto de corte fidedigno para o tronco e o punho, que são usualmente as articulações visualizadas com maior clareza durante as crises epiléticas, que distinguisse os dois tipos de crise, limitando a sua aplicação na prática clínica. Adicionalmente, os sistemas de análise de crises são úteis, mas precisam de ser melhorados para se tornarem mais apropriados à prática diária dos médicos.
Subject: Medicina clínica
Clinical medicine
Scientific areas: Ciências médicas e da saúde::Medicina clínica
Medical and Health sciences::Clinical medicine
DOI: 10.34626/m5kc-8673
TID identifier: 203750810
URI: https://hdl.handle.net/10216/158911
Document Type: Dissertação
Rights: openAccess
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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