Assessing LBICO, a Bicoherence-derived Multi-frequency Index Measured from EEG Signals

Resumen

Context: The need for an EEG-based index for depth of anesthesia (DoA) assessment is widely recognized. Unfortunately, the algorithm for the gold standard DoA index, the Bispectral Index (BIS™) has not been disclosed by their creators. The importance of cross-frequency phase coupling in brain function is widely acknowledged, and we centered our study in assessing bicoherence, given its independence on amplitude-related phase coupling. 
Aims: To introduce, a new, bicoherence-based index for DoA assessment (LBICO).
LBICO is based on EEG power spectrum and bicoherence ratios measured at specific frequency intervals.
Methods and Material: LBICO was tested on a publicly available database of EEG recordings with simultaneous BIS™ values from 24 patients during surgery.  EEG recordings were pre-processed via Empirical Mode Decomposition (EMD) filtering and further removal of artefacts. Statistical analysis used: Simultaneous plots, correlation analysis and Bland-Altman plots for assessing agreement between LBICO and BIS™ measurements. Power spectrum and bispectrum estimation of EEG recordings.
Results: Agreement between LBICO and BIS™ was assessed by comparing 16,861 artefact-free pairs of values taken from all the 24 recordings from the database (corresponding to a total of 23.42 hours). A correlation of r=0.70 was obtained (p=0.0000).
Conclusions: These results suggest that the use of bicoherence-based indices can have both theoretical and practical implications for understanding the basic mechanisms of anaesthesia as well as patient management at the Intensive Care Settings.
Key-words: multi-frequency Index; EEG; spectrum; bispectrum;  bicoherence; empirical mode decomposition; LBICO.

RESUMEN
Se reconoce ampliamente la necesidad de un índice basado en EEG para la evaluación de la profundidad de la anestesia (DoA). Desafortunadamente, el algoritmo para el índice DoA estándar de oro, el Índice Bispectral (BIS™), no ha sido revelado por sus creadores. La importancia del acoplamiento de fases de frecuencia cruzada en la función cerebral es ampliamente reconocida, y centramos nuestro estudio en la evaluación de la bicoherencia, dada su independencia del acoplamiento de fases relacionado con la amplitud.
Objetivos: Introducir un nuevo índice basado en bicoherencia para la evaluación de DoA (LBICO).
Métodos y material: LBICO se basa en el espectro de potencia del EEG y en relaciones de bicoherencia medidas en intervalos de frecuencia específicos.  LBICO se probó en una base de datos disponible públicamente de registros de EEG con valores BIS™ simultáneos de 24 pacientes durante la cirugía. Los registros de EEG se procesaron previamente mediante filtrado por descomposición en modo empírico (EMD) y eliminación adicional de artefactos. Análisis estadístico utilizado: gráficos simultáneos, análisis de correlación y gráficos de Bland-Altman para evaluar la concordancia entre las mediciones de LBICO y BIS™. Estimación del espectro de potencia y biespectro de registros de EEG.
Resultados: Se evaluó la concordancia entre LBICO y BIS™ comparando 16.861 pares de valores libres de artefactos tomados de los 24 registros de la base de datos (correspondientes a un total de 23,42 horas). Se obtuvo una correlación de r=0,70 (p=0,0000).
Conclusiones: Estos resultados sugieren que el uso de índices basados en bicoherencia puede tener implicaciones tanto teóricas como prácticas para comprender los mecanismos básicos de la anestesia, así como el manejo de los pacientes en los entornos de cuidados intensivos.
Palabras clave: índice multifrequencia; EEG; espectro; biespectro; bicoherencia; descomposición en modo empírico; LBICO.