同步进行fMRI期间获取高质量脑电图数据的最佳现行实践

摘要

同步脑电图（EEG）与功能磁共振成像（fMRI）是一种强大的神经影像学工具。然而，MRI扫描仪内部为EEG数据记录提供了困难的环境，且在扫描仪内使用EEG设备时必须考虑安全性。本文介绍了一种优化的EEG-fMRI数据采集方案。

摘要

同步进行的脑电图-功能磁共振成像（EEG-fMRI）技术能够将EEG优异的时间分辨率与fMRI高空间精度相结合。这两种模态的数据可以通过多种方式整合，但均依赖于高质量EEG和fMRI数据的采集。在同步fMRI期间获取的EEG数据会受到多种伪迹的影响，包括梯度伪迹（由fMRI所需的时变磁场梯度引起）、脉搏伪迹（与心动周期相关）以及运动伪迹（由受试者在扫描仪强磁场中的移动及肌肉活动引起）。用于有效校正梯度和脉搏伪迹的后处理方法，要求数据采集过程中必须满足若干条件。在EEG-fMRI过程中尽量减少头部运动，对于控制伪迹的产生也至关重要。

磁共振成像（MRI）所需的射频（RF）脉冲与脑电图（EEG）硬件之间可能产生相互作用，并导致发热。只有在未满足安全指南的情况下，这种风险才较为显著。因此，必须考虑硬件的设计与设置，以及在存在EEG硬件时谨慎选择所使用的MR序列。

上述问题凸显了在进行同步脑电图-功能磁共振成像（EEG-fMRI）实验时，选择合适实验方案的重要性。基于先前的研究，我们描述了一种优化的实验设置。该设置在使用商用EEG和fMRI系统进行同步fMRI期间，可获得高质量的EEG数据，同时将受试者的安全风险降至最低。我们通过一个使用简单视觉刺激的EEG-fMRI实验来展示此实验设置。然而，也可采用更为复杂的刺激范式。本文以Brain Products GmbH（德国吉尔兴）的MRplus 32导EEG系统与飞利浦（荷兰贝斯特）Achieva 3T磁共振扫描仪联用为例，展示EEG-fMRI的实验设置，尽管许多技术可推广至其他系统。

引言

同步进行脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）可将 EEG 出色的时间分辨率与 fMRI 高空间精度相结合。这两种模态数据的结合方式有多种¹，但均依赖于高质量 EEG 和 fMRI 数据的获取。迄今为止，同步 EEG-fMRI 已被用于研究振荡节律（通过 EEG 测量）与血氧反应（利用血氧水平依赖性（BOLD）fMRI）之间的相关性，例如^2,3。它还被用于探讨诱发电位的特征是否能够逐次试次地解释 BOLD 信号的变异^4,5。在临床研究中，该技术的主要用途是研究发作间期癫痫样放电的病灶，这有助于手术方案的制定，而目前这些病灶难以通过无创手段准确定位^6,7。为了实现期望的 EEG 与 fMRI 数据融合，必须从两种模态均获得高质量的数据。然而，在同步 fMRI 期间采集的 EEG 数据会受到多种伪迹的影响，包括梯度伪迹（由 fMRI 所需的时变磁场引起）、脉搏伪迹（与心动周期相关）以及运动伪迹（由受试者在扫描仪强磁场中的运动及肌肉活动引起）。这些伪迹的幅度远大于感兴趣的神经活动信号，因此必须从源头减少伪迹，并通过后期处理对其进行校正，才能成功实施同步 EEG-fMRI。

目前可用于校正梯度和脉冲伪影的后处理方法，在数据采集过程中需要满足一系列条件，才能获得高质量的脑电图（EEG）数据。在过去十年中，随着我们对伪影成因的理解不断深入^8-10，以及对实验方法的改进以从源头上减少伪影并提升后处理校正算法的性能，获取高质量数据的最佳实验设置也逐步发展完善^11,12。这些进展包括通过同步扫描仪时钟来更精确地采样梯度波形^13,14，以及使用向量心电图^15,16来获得比传统心电图（ECG）更清晰的心脏信号。向量心电图信号来源于胸壁上的四个电极，并采用严格的低通滤波器处理^14-16。因此，该信号受梯度伪影的影响较小，且对血流伪影不敏感，从而更易于进行R波峰值检测。然而，并非所有磁共振成像（MRI）扫描仪都具备记录向量心电图的功能，因此本文仅对其作简要提及。最近的研究表明，若在整个实验过程中未采取极为严谨的措施，记录在EEG数据中的运动伪影可能与任务无关的BOLD活动相关，从而导致虚假结果，这进一步凸显了最小化伪影和严格清理数据的重要性¹⁷。

本文介绍的方法代表了利用广泛可用的磁共振硬件和脉冲序列，结合商业化的脑电图（EEG）设备，同步获取高质量EEG和fMRI数据的当前最优方案。采用建议的数据采集方法，并结合适当的后期处理技术，将获得可用于回答多个重要神经科学问题的EEG和fMRI数据。

方案

1. 实验装置的准备

1. 在受试者到达之前，在控制室内设置好脑电图（EEG）设备，供扫描仪操作员使用。按照图1所示，将笔记本电脑连接至EEG硬件。注意：来自外周设备和MR扫描仪的所有触发信号持续时间必须超过200 μsec，才能被EEG系统检测到。
2. 设置刺激计算机；本研究中采用视觉刺激；每个刺激时段的起始和结束时，标记将被读入BrainVision Recorder。
3. 确保数据记录的工作空间设置为可用的最高时间分辨率，并配置正确的滤波器参数。大多数研究中，使用0.016–250 Hz滤波范围的交流耦合（AC-coupling）为最佳方案；但如果关注超低频或高频神经信号，则可能分别需要采用直流耦合（DC-coupling）或更高（1 kHz）的低通滤波器。
4. 检查来自扫描仪和刺激呈现的标记，确认其已被EEG系统正确记录。通过BrainVision Recorder控制面板启动扫描仪与EEG时钟的同步功能，然后检查同步是否成功；若设置正确，绿色图标和“Sync On”圆点将显示。
5. 以常规方式设置MR扫描仪；本实验中使用体部发射射频线圈（body transmit RF coil）和32通道头部接收射频线圈（head receive RF coil）。如条件允许，最好使用头部尺寸的发射线圈，以尽量降低EEG帽及其连接电缆发生射频加热的风险。然而，在大多数扫描仪上，头部发射线圈无法与多通道接收线圈同时使用，这会导致fMRI数据采集的设置次优化（特别是无法实现并行成像加速）。我们选用此特定头部接收线圈的原因在于其配备了一个通道接口，可使EEG帽的电缆沿直线路径从扫描仪中引出。
6. 确保已设置好将要运行的MR序列。fMRI序列必须使用切片TR（重复时间），其值为EEG时钟周期（200 μsec）的整数倍。若使用Philips MR系统，可利用Philips时序计算器确定可行的切片与TR组合。
7. 最后全面检查所有设备是否按预期正常记录。

2. 受试者到达

1. 要求受试者以清洁的头发抵达，并穿着舒适、不含金属的衣物。
2. 向受试者说明实验的目的以及实验过程中将要进行的内容。
3. 请受试者填写用于确认无磁共振扫描禁忌症且同意参与实验的表格。在继续操作前检查所填表格。本研究已获得当地伦理委员会的批准，所有受试者均签署了知情同意书。
4. 测量头围并选择合适尺寸的帽具（即 使用比头围尺寸稍大的最小可用尺寸的帽（the smallest available cap that is larger than the head size）。将帽从前额开始佩戴，并向后拉紧。正确放置帽的位置，使Cz电极位于鼻根点（nasion）与枕外隆突点（inion）之间的中点处，且左右居中。
5. 通过以下步骤将电极连接到头部：拨开头发，先用酒精擦拭，然后涂抹Abralyte凝胶。使用与帽状电极类似的方法，将心电图（ECG）电极贴于背部基部，该电极用于测量心跳。建议将电极置于背部基部，以最大化心电图信号中R波峰值的信噪比，同时提高受试者的舒适度。
6. 处理电极接触部位，使头部电极的阻抗降至10 kΩ以下（不包括每个电极内部电阻的阻值）。由于ECG和EOG信号较强，且良好连接较难实现，其电阻可稍高，但必须保持在50 kΩ以下。
7. 通过在显示器屏幕上目视检查数据，确认脑电图数据质量是否满意。

3. 在磁共振扫描仪外部进行记录

（可选：仅当您希望比较磁共振扫描仪内部与外部的脑电图数据质量时需要）

1. 在扫描仪外部（磁场较低的位置）设置呈现装置和脑电图（EEG）设备。确保该设置尽可能与在MR扫描仪内部使用的设置相似（特别是受试者应保持仰卧位，并使用类似的刺激呈现过程）。
2. 以与扫描仪内实验相似的方式进行实验并记录数据（参见第4节）。

4. 在磁共振扫描仪内设置受试者

1. 在您于磁共振扫描室设置脑电图设备时，请受试者就座。
2. 将放大器带入屏蔽室，并放置在扫描仪后方的桌面上。将放大器连接至一根长光纤电缆，穿过波导管，并将其连接至控制室内的 BrainAmp USB 适配器（图1）。
3. 在磁共振扫描仪的患者数据库中登记该患者信息。
4. 带受试者进入房间，并要求其仰卧于扫描床。
5. 为受试者提供耳塞、耳机和呼叫按钮，并确保其处于舒适状态。
6. 将头部线圈覆盖在受试者头部上方。脑电图电缆必须沿最短路径从头部线圈引出。随后对受试者头部进行填充固定，以尽量减少头部移动。
7. 将受试者推入扫描孔，确保电极 Fp1 和 Fp2 在 z 方向上位于磁共振扫描仪的等中心位置。通常通过将这两个电极与用于受试者进入扫描孔前定位的激光灯光对齐来实现。
8. 将脑电图帽连接至扫描仪后方的放大器。确保脑电图导联中无导线环路（因为这可能导致射频加热，并诱发更大的脑电图伪迹），并尽可能使线缆与磁共振扫描仪的振动隔离；本实验中采用悬臂梁结构实现此种隔离。

5. 在扫描仪内进行记录

1. 从控制室与受试者交谈，确认其能够听到扫描操作员的声音且状态良好。
2. 第二位实验人员启动脑电图（EEG）监测，检查记录波形中是否存在噪声电极，以及屏幕底部是否出现绿色的“同步开启”（Sync On）指示点。
3. 冷冻泵对记录的显著影响可见（见图2）。因此，应根据制造商指南，在数据采集期间关闭这些泵。
4. 要求受试者轻微移动头部。从小幅头部运动引起的脑电记录中出现的大电压可以看出保持头部静止的重要性。
5. 通过要求受试者睁眼和闭眼来测试神经元活动的记录效果，观察枕叶α节律活动。这可用于验证所记录的是生理信号而非噪声。若在某位受试者中无法观察到α节律（部分受试者会出现此情况），可在不运行MR扫描仪的情况下进行一次简短的实验范式运行，并通过观察平均诱发电位来检测神经元活动。
6. 脉搏伪迹在原始数据中清晰可见（见图2），尤其在颞部电极上更为明显。使用ECG信号，通过RecView软件（或后期处理软件包）实时校正该伪迹。
7. 一旦每次MRI扫描开始，梯度场将在EEG数据中引起显著的伪迹。
8. 当fMRI实验准备就绪——刺激呈现系统处于待命状态——即按照所示步骤开始保存EEG数据。
9. 现在启动实验，确认刺激呈现系统和MR扫描仪的标记可在BrainVision Recorder中被正确记录。此处的刺激为全视野径向棋盘格图案，对比度为100%。反转频率为2 Hz，即每500毫秒产生一次诱发电位，每次图像反转时均在EEG文件中插入一个标记。
10. EEG数据质量看似极差，但可通过RecView在线处理或后期处理进行清理。为确保梯度伪迹校正不会影响神经元信号的记录，刺激呈现不得与TR同步，且刺激重复频率不得等于层面重复频率。
11. 必须先进行梯度伪迹校正，再进行脉搏伪迹校正（见图3和图4）。随后可根据刺激呈现对数据进行分段，并采用多种方法进行分析；最简单的方法是通过平均法研究诱发电位（见图6）。

6. 受试者事后说明

1. 扫描完成后，让受试者离开扫描仪，并协助其取下脑电图（EEG）帽。
2. 允许他们清洗头发。
3. 现在他们可以自由离开了。

7. 实验结束后的清理工作

1. 根据实验室要求整理脑电图（EEG）设备。如果磁共振设备制造商有要求，每次实验结束后必须拔下同步硬件，不得将其继续连接至扫描仪电子设备上。
2. 最后，必须清洗EEG帽。清洗时，将EEG帽浸泡在水中（通常约5分钟）或水与消毒剂的混合液中（消毒剂的选择应依据目标病原体谱以及EEG帽制造商的建议；消毒剂浓度和作用时间必须遵循消毒剂制造商的使用指南）。然后使用牙刷清除残留的导电膏。彻底清洁EEG帽至关重要，以确保其在后续使用中的正常性能。

8. 分析

1. 此处已演示了实时脑电图（EEG）分析，但通常也建议对EEG数据进行事后处理。这可以通过多种分析软件包实现，例如 Brain Products Analyzer 2 或 EEGLAB。
2. 梯度伪迹和脉搏伪迹校正可采用多种方法进行，例如：平均伪迹减除法^18,19（常用于梯度伪迹校正，也常用于脉搏伪迹校正）、独立成分分析法^20,21或最优基集法²²（用于脉搏伪迹校正）。
3. 随后可在时域或频域中对数据进行分析，以研究诱发电位和持续性振荡活动。
4. 本实验中，我们使用 Brain Products 系统记录心电图（ECG）信号，以获取脉搏伪迹校正所需的信息。在标准设置中，ECG信号通过放置在受试者背部的专用电极记录。在本实验室中，我们也采用一种非标准方案，即利用心向量图生成心脏活动信号（该方案仅与飞利浦生理监测设备兼容）。我们发现，当传统ECG设置无法获得清晰信号时，此方法尤为有用。

结果

图3展示了未进行伪影校正时预期的信号质量。显然，任何神经活动均被掩盖。图3C显示梯度伪影出现在特定频率上，这些频率是fMRI序列中切片采集频率的谐波，覆盖了整个记录频率范围。图4展示了在使用Analyzer 2（版本2.0.2）中的平均伪影减除后处理方法去除梯度伪影后暴露出的脉搏伪影。显然，该伪影具有显著的空间变异，且O1（本视觉实验关注的通道之一）表现出特别显著的脉搏伪影。该伪影的频率低于梯度伪影（主要在10 Hz以下——图4C），并与心脏活动相关。图5展示了在完成梯度和脉搏伪影校正后可达到的EEG数据质量；此处脉搏伪影通过Analyzer 2中的平均伪影减除进行校正，并从ECG信号中检测出心电波形的R波峰。显然，剩余信号的幅度显著减小，因此神经信号不再被掩盖，如图6和图7中获得的诱发电位所示。图6展示了通过对全部300次刺激进行平均得到的典型诱发电位。然而，该反应在不同实验区组间的变异性可在图7中观察到，而这种神经反应的自然且不可预测的变异可用于在同步记录条件下探究BOLD信号与EEG信号之间的相关性。

图1. 本方案所述脑电图（EEG）设备的设置示意图，以及硬件之间的必要连接。 点击此处查看高清大图。

图 2. 在受试者静卧状态下，制冷泵开启（红色）和关闭（黑色）时采集的信号的傅里叶变换结果，显示一个代表性通道（P7）的数据。

图3. 在16个不同通道上同步MRI期间记录的原始脑电图（EEG）数据的10秒片段（A）；聚焦于Oz通道的5秒数据（B）；及其对应的傅里叶变换结果（C）。 点击此处查看高清大图。

图 4. 在同步磁共振成像期间，于16个不同通道记录的10秒脑电数据，经AAS方法对16个通道进行梯度伪影校正后的结果（A）；聚焦于Oz通道5秒的数据（B）；及其对应的傅里叶变换结果（C）。 点击此处查看高清大图。

图 5. 在同步进行功能磁共振成像（fMRI）期间，通过16个不同通道记录的10秒脑电图（EEG）数据，经AAS方法进行 梯度伪影和脉搏伪影校正后的结果（A）；聚焦于Oz电极点5秒的数据（B）；及其对应的傅里叶变换结果（C）。 点击此处查看高清大图。

图 6. 通道 01 和 02 的平均脑电图诱发电位（300 次平均）（左），以及 P120 成分对应的地形图（右）。

图 7. 通道 O1 在不同时间段内诱发反应的变化（反应已在每 30 秒的时间段内进行平均）。

讨论

一般建议 由于所有扫描室的物理布局各不相同，我们理解您可能无法将脑电放大器放置在磁体孔外。在此情况下，一个较好的折中方案是将放大器置于厚橡胶垫上，以尽可能将其与扫描仪的振动隔离开来。如果您发现梯度伪影校正效果不佳，请检查体素或切片标记之间的时间间隔，因为此时输入磁共振控制台的重复时间（TR）可能与实际生成的TR不完全一致。在这种情况下，您需要联系相应的磁共振扫描仪制造商以获取进一步协助。

在同步进行 EEG 数据采集与 fMRI 扫描的过程中，最重要的步骤是采取措施确保所有外部噪声源均已降至最低例如 cyrocooler泵和脑电图设备的振动）。为了实现最佳的梯度伪影校正，必须确保脑电图（EEG）设备与磁共振扫描仪的时钟同步，扫描层的时间重复（slice TR）为扫描仪时钟周期的整数倍，并且受试者处于最佳位置。为了实现最佳的脉搏伪影校正，许多技术需要一条清晰的心脏信号轨迹以检测R波峰，我们建议使用向量心电图（VCG）来实现这一目标，尽管使用位置良好的心电图（ECG）导联也可实现。如果使用ECG，建议将其放置于背部基部，以最大化R波峰的信噪比，此外，该位置相比靠近心脏的区域更易于接触和操作²³将心电图导联置于胸部会导致呼吸运动产生的伪影叠加到该导联的信号上，同时引起梯度伪影随时间变化。这可能导致信号饱和和/或由于模板变异导致梯度伪影校正失效，因此不推荐此种放置方式。

一般讨论 EEG-fMRI 是研究脑功能的有力工具，因为 EEG 的高时间分辨率可以与 fMRI 的高空间分辨率相结合。迄今为止，已有许多研究采用这种多模态方法来更深入地理解脑功能。EEG-fMRI 已被应用于健康志愿者，以探究振荡节律（通过 EEG 测量）与血氧水平依赖（BOLD）fMRI 信号之间的相关性，例如 ^2,3。该技术还被用于研究诱发电位的特征是否能够在单次试验水平上解释 BOLD 信号的变异^4,5。在临床研究中，该技术的主要用途是定位难以通过非侵入性手段明确的发作间期癫痫样放电灶^6,7。这些例子展示了这种多模态成像工具的强大能力。然而，为了能够研究此类现象，获得尽可能高质量的 EEG 和 MRI 数据至关重要。在 MR 扫描仪内实现高质量数据采集，关键在于建立最佳的实验设置，并选择最合适的分析方法。最优分析方法在一定程度上取决于具体的研究问题，用于去除伪迹的校正方法亦然。例如，记录过程中发生的运动幅度和次数将决定去除梯度伪迹所需算法组合的最有效方案。然而，EEG 与 fMRI 硬件的最佳实验设置则相对独立于特定的研究问题。因此，本文所述的指导原则具有普遍适用性，即使使用与本研究不同的 EEG 设备或 MR 扫描仪硬件，也可在实验中遵循这些规范。

本文展示了为获取高质量脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）数据应遵循的数据采集方法。我们采用了一种基于先前使用过的刺激范式的视觉刺激²⁴。然而，无论使用何种范式来诱发感兴趣的脑活动，这些数据采集技术均可适用。在选择实验范式时需注意，目前用户可用（且本文所述）的技术在磁共振（MR）环境中记录EEG数据所能达到的质量，仍对可研究的脑活动类型存在某些限制：在低频（<5 Hz）和高频（>80 Hz）频段，由于可能存在残留的脉搏和梯度伪影，EEG信号的记录尤为困难。此外，在选择实验范式时必须谨慎，尽量减少受试者因任务而产生的头部运动。这一问题至关重要，因为EEG数据中的运动伪影通常难以校正，且微小的伪影往往难以明确识别，却仍可能主导神经元信号。这些运动伪影可能导致与fMRI数据产生虚假但看似合理的相关性¹⁷。

同时进行脑电图-功能磁共振成像（EEG-fMRI）的后处理方法众多，因此其详细讨论超出了本文的范围。如前所述，梯度伪影和脉搏伪影可通过多种技术予以消除，包括平均伪影减除法^18,19、独立成分分析^20,21、最优基函数集²²以及波束成形器²⁵。通常可联合使用这些方法中的一种或多种²³，且这些方法的性能依赖于磁场强度和所采用实验范式等因素。针对特定研究的最优后处理方法还取决于需从数据中提取的信号类型，例如是振荡节律还是诱发电位，这些因素均可能影响所采用的后处理方法选择。

尽管目前在改进同步EEG-fMRI的数据采集和分析方法方面有大量研究正在进行，但利用此处所述的技术，已经能够回答一些重要的神经科学问题，这些问题需要结合fMRI的高空间分辨率和EEG优异的时间分辨率。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3T 磁共振扫描仪			本文使用的是 Philips Achieva，但任何磁共振扫描仪均可使用。
BrainVision Recorder	Brain Products GmbH	BP-00010	第1项许可证
BrainVision RecView	Brain Products GmbH	BP-00051	基础模块
BrainAmp MR plus	Brain Products GmbH	BP-01840	单个放大器
BrainAmp USB 适配器	Brain Products GmbH	BP-02041	BUA64
SyncBox	Brain Products GmbH	BP-02675	完整的 SyncBox
光纤电缆和 USB 连接线	Brain Products GmbH	BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2 电缆)	随上述设备提供。
BrainCap MR	EASYCAP GmbH	BP-03000-MR	用于磁共振环境的 32 导脑电帽
Abralyte 2000 导电凝胶	Brain Products GmbH	FMS-060219	用于连接电极与头皮的导电和研磨凝胶
药用级异丙醇	Brain Products GmbH	FMS-060224	在使用 Abralyte 凝胶前涂抹。70% 异丙醇（60 ml），用于皮肤去脂
棉签	Brain Products GmbH	FMS-060234	用于涂抹 Abralyte 和异丙醇。非无菌棉签，100 支装