同时脑电图和功能 MRI 期间的可靠脑成像数据获取

功能磁共振成像 （fMRI） 通过测量电图事件中的血氧水平依赖性 （BOLD） 变化，通过血液动力学反应提供神经元活动的测量。同时脑电图 （EEG） 和 fMRI （EEG-fMRI） 是一种非侵入性研究工具，结合了头皮 EEG（良好的时间分辨率）和 fMRI（良好的空间分辨率）的协同特性，从而能够更好地定位负责在 EEG 中检测到的电图事件的生成。它最初开发于20世纪90年代，用于癫痫领域^1，2，后来被用于神经科学研究，自2000年代^3，4。随着有关安全5知识的增加和脑电图^{3、6、7、8、9、10}上MRI诱发文物去除技术的不断发展，它目前是神经科学和^{临床研究中}广泛使用的工具。

EEG-fMRI 是在休息时或在任务期间获得的，具体取决于研究问题。一般来说，休息状态采集允许识别参与生成特定 EEG 特征（例如波形、节奏、频率、功率）的结构，并有助于理解可变的自发大脑活动^11。一些神经科学研究和大多数临床研究，特别是那些癫痫^12，获得脑油-fMRI在休息^11。基于任务的采集允许识别大脑区域和分配或与特定任务相关的脑电活动，并帮助建立与任务相关的电气活动和大脑区域之间的联系。基于任务的采集主要用于神经科学研究¹¹和一些临床研究^13。大多数基于任务的 EEG-fMRI 收购都使用与事件相关的设计。用于集成 EEG 和 fMRI 数据的建模类型决定了在设计任务¹⁴时是否应最大限度地提高效率或检测能力。请看梅农等人¹⁴号和刘等人^15号、16号的研究，了解任务设计的细节。

虽然 EEG-fMRI 期间的数据采集可能看起来简单明了，但准备需要经验。指导数据获取适当准备的协议对于确保安全和收益（即可分析和可靠的数据）非常重要。尽管存在各种技术来去除MRI诱发的EEG文物，但EEG记录的不一致的文物，特别是那些与机械引起的电线振动和受试者的毛运动有关的文物，仍然难以完全去除:因此，在数据采集过程中，需要尽量减少这些人工制品。

本文提供了一个简单的协议，利用现成的MRI兼容医疗产品。该协议提供了确保数据质量的重要步骤，特别是 EEG 数据的质量，这是 EEG-fMRI 研究成功的关键。该协议是根据蒙特利尔神经研究所EEG-fMRI研究小组20年的经验制定的^，并进一步修改后供大阪大学使用，既有利于缺乏经验的操作员，也有利于专家操作者。

大阪大学医院研究伦理委员会和信息与神经网络中心（CiNET）安全委员会批准了该议定书（大阪大学医院批准号为18265和19259年:CiNET 批准号2002210020和2002120020）。所有主体都为其参与提供了书面知情同意。

1. 准备实验设置

1. 将与 MRI 兼容的 EEG 和双极放大器连接到电池组（确保电池组充满电）和录制计算机。
2. 确保录制软件的工作空间设置正确。将振幅分辨率设置为 0.5 μV 以避免放大器饱和;根据感兴趣的频率频段设置频率滤镜。将采样速率设置为 5，000 Hz（此协议中使用的放大器的最大可能），而不管感兴趣的频率范围如何。
   注:0.5 μV 的振幅分辨率对应于 16.38 mV 的最大值， 这足以记录梯度神器，考虑到梯度神器峰值可以达到振幅超过100倍以上的自发头皮EEG（约10-100μV）在高速（>1000倍的速度比正在进行的EEG的变化速度）。从理论上讲，采样率应至少是梯度交换频谱中最高频率的两倍（奈奎斯特定理），以便准确采样高频梯度交换伪号，并检测每个音量梯度活动的真实开始，以便随后删除^12、18。但是，提高样本率会导致文件大小较大，这需要大量投资用于数据存储，并可能妨碍后续的后处理。使用同步设备，就没有必要提高样本率来改善 EEG 和 MR 时钟之间的同步性（参见步骤 1.4）。5，000 Hz 的采样率足以用于通常的 EEG/事件相关潜在 （ERP） 记录，较高的采样率并不能提高数据质量，因为随后的工件校正过程（包括将数据采样降低到 500 Hz 以下的频率）和额外的低通滤，消除了可能存在的所有高频梯度校正残留物^18。
3. 请参阅手册，了解有关 MRI 中 EEG 采集所需的录制软件的正确设置的详细信息，这与 MRI 以外的记录软件不同。
4. 检查扫描仪中的标记（即时钟同步标记（默认情况下同步）和音量触发器（默认情况下为 R128）是否定期显示在在线 EEG 记录中。显示的同步表示 MRI 扫描仪和 EEG 时钟是同步的，R128 表示音量触发器用于后续处理。MRI 扫描仪和 EEG 时钟使用 SyncBox 设备进行同步，该设备可检测扫描仪时钟输出（通常为 10 MHz 及以上）、向下采样，并将时钟信号（和同步标记）输出到 USB2 接口。
   注:USB2 接口将所有被相控锁定在扫描仪时钟信号上的放大器的 EEG 数据发送到录音计算机^18。标记上的周期同步是扫描仪电脉冲产生的触发器，通过 MR 扫描仪速率同步 EEG 信号采样，这是扫描仪工件校正的必要条件。卷触发器用于识别扫描器在离线 EEG 处理¹⁹期间的 MR 体积扫描启动时间，以便进行工事处理。
5. 根据需求和可用性设置 MRI 扫描仪。最好使用传输和接收头部射频 （RF） 线圈，以最大限度地降低射频加热的风险。但是，这里只使用全身传输 RF 线圈和 20 通道头接收 RF 线圈，因为使用的扫描仪（通常大多数现代扫描仪都无法传输和接收头线圈）。
6. 将 10 mL 注射器（或根据需要加载多个注射器）与磨蚀性导电凝胶一起加载，以用于应用 EEG 盖。人们可以在 50 mL 大容量塑料注射器中预装磨料凝胶，用于液体分配，并在受试者到达之前将 10 mL 注射器填充。
   注:应用 32 通道 EEG 盖通常消耗约 20-25 mL 的凝胶。

2. 应用 EEG 盖和心电图电极

1. 在招聘时，请受试者填写 MRI 潜在禁忌症的清单。确认在到达之前，该受试者没有核磁共振成像的禁忌症。
   注:一般来说，任何符合MRI资格的学科都可以参加EEG-fMRI研究。排除标准为:不合作或不符合规定的主体:那些有基础条件（例如慢性背痛），防止他们在一段时间内（通常至少1小时）躺下）:或在扫描期间可能无法静止在 MRI 桌上的受试者。移动不仅会妨碍 EEG 和 fMRI 数据的质量，还会对受试者本身造成潜在危险（例如，在电线和电缆中诱导电流，可能导致刺激）。在基于任务的获取中，还应考虑主体的语言理解能力（避免无法理解说明的主体）。在这项研究中，招募了32名健康志愿者（平均年龄，40岁;17名妇女）和25名癫痫患者（平均年龄，31岁;13名妇女）。
2. 要求受试者在抵达前用洗发水洗头，不要使用护发素或蜡。
3. 解释实验的目的和下一步的主题。
4. 测量头部周长（即腹前围），将柔性非拉伸测量带包裹在头部的超轨道脊和圆顶上，并选择大小合适的帽。使用比头围大 1 厘米的盖子，并始终询问主题放置后帽是否舒适（即不太紧）。
5. 将帽放在受试者的头部的近似位置后，使用相同的测量带，测量从 occiput 到鼻桥的头部中线的电弧，以及外周弧，定义为穿过离子-鼻弧中点的耳朵之间的弧线， 在帽子上。标记离子-纳西翁弧和近地点弧（两个弧线的中点交汇点，AKA Cz）的交集，并将盖子滑过头部，以便电极Cz的位置调整到此十字路口。通过手动检查电极 Fz、Pz、Oz、参考和接地是否位于离子-纳西翁弧线上，确保电盖不会水平旋转。
6. 使用棉签背面将头发转移到电极的一侧，从而暴露每个电极下方的皮肤。
7. 通过快速旋转棉签，将含有 70% 酒精溶液的棉签旋转到电极的开口处，从而擦拭每个电极下方的皮肤。
8. 在开口处涂抹少量磨蚀性导电凝胶（+0.2 mL），通过以类似方式快速旋转棉签来磨蚀皮肤。
9. 监控电极的阻抗性（由录音软件显示），并重复第 2.8 步中所述的磨损，直到阻抗至少降至 20 k²⁰以下，最好是尽可能低（低于 5 kΩ）^21。
10. 一旦阻抗令人满意，请用相同的凝胶填充开口（通常为 ±0.5 mL）。不要在开口处涂抹过多的凝胶，以避免电极之间衔接。如果阻抗不令人满意，尽管反复磨损，并返回较晚，因为有时阻抗继续随着时间的推移后应用凝胶下降。
11. 所有头皮 EEG 电极重复步骤 2.6-2.9。
12. 在将心电图电极放在后面之前，请受试者直立坐着，不要弯曲颈部。
13. 将心电图电极放在后部时，请确保心电图电极线是笔直的，但要保持一些备件，以便沿颈部曲线铺设心电图电极线，以避免当受试者放在 MRI 表上时电极的位移。将心电图电极从中位沟中左 2-3 厘米处放置，可识别为沿后部中线的垂直凹痕。垂直位置因主体高度而异:它通常位于下背部，大约在大约160厘米的肩骨尖之间延伸的线上。
14. 用酒精拭子擦心电图电极下方的皮肤。
15. 使用双面胶粘环将心电图电极连接到皮肤上，并重复步骤 2.8-2.9。胶粘环还用作衬垫，以避免电极与皮肤直接接触。
16. 将干酒精棉签折叠成四个，并将其放在心电图电极上。使用手术胶带（医用胶带）将其胶带粘在皮肤上。将心电图电极线胶带到皮肤上，直至肩部。

3. 应用碳丝环（如果有双极放大器可用）

1. 将一套预编织碳丝（直径 1 mm）⁹ 放在盖上，由六个环（直径 10 厘米）组成，使电线束与头顶上的电极束平行。
2. 使用手术胶带（1 x 2 厘米）固定电极周围的环，使环覆盖头部，每个环覆盖均匀几乎相等的区域（即前部-时间、时间-腹肌、腹膜和顶点）。或者，如果适用，还可以将循环缝合到 EEG 封顶上。
   注:头部的碳丝环有助于捕捉运动，包括球形心动图（BCG）。这些信号用于在离线 EEG 处理⁹期间从 EEG 中删除 BCG 人工制品。

4. 固定盖子和碳丝环

1. 确保 EEG 电极不会形成循环。
2. 用弹性绷带包裹受试者的头部，盖住脑电路盖和碳环。绷带可将 EEG 电极紧紧压在皮肤上，以减少 MRI 机械引起的电极振动，并防止凝胶在将受试者放入 MR 扫描仪内时溅到枕头上（参见第 5 步）。
3. 确保绷带覆盖所有电极，不要太紧，询问受试者是否感到不舒服的压力，而应用绷带。

5. 将主题放入 MR 扫描仪中

1. 在休息状态采集的情况下，指示受试者将与 MRI 兼容的耳塞涂抹在耳朵中。在基于任务的采集中，指示受试者根据实验要求应用与 MRI 兼容的耳机或耳机。确保受试者能通过耳机或耳机的两侧听到。
2. 将与 MRI 兼容的平记忆泡沫枕头放在头线圈的下半部分，然后让受试者躺下并将头部放在线圈中。
3. 适当定位头部（头顶尽可能靠近头盘顶部）后，将电极和碳丝束直接穿过头线圈顶部开口。
4. 将记忆泡沫枕头添加到头部、额头和时间区域的顶部。枕头应适当填充头部线圈内的所有空间，同时不要将受试者的头部压缩得太紧。
   1. 在放置头部线圈上半部分和关闭线圈时，确保枕头不会挤压头部。如果太紧，调整枕头或换上尺寸较小的枕头。通过这种方式，枕头可以固定电极线，以减少磁共振成像机械在电极电线上的振动，并抑制头部运动，同时在扫描过程中保持受试者的舒适性。
   2. 在颈部后部放置一个半圆柱形记忆泡沫枕头，以便心电图电极线夹在枕头和颈部之间。在肩部后部通过的心电图电极线部分确实夹在受试者背部和 MRI 表之间，因此被受试者自身的重量固定。
5. 在基于任务的采集中，放置所有内存泡沫枕头后，如果受试者仍能通过耳机或耳机的两侧听到，请确保耳机或耳机不会再次被测试所取代。关闭头线圈后，放置镜面并指示受试者调整镜面（如果任务需要视觉刺激）。必要时指示受试者调整镜面，在移动桌子后，以便将受试者的头部置于 MRI 孔的同位素中心。
6. 使用提供的光纤将位于 MRI 孔背面的放大器与放置在控制台室中的录音计算机连接起来。
7. 将 EEG/ECG 电极和碳丝环连接到 EEG 和 MRI 孔背面的双极放大器后，打开放大器。再次检查所有电极的阻抗性，以确保它们仍然很低（至少低于 20 kΩ）。如果有任何具有高阻抗性电极，请从 MR 扫描仪中取出主体以进行调整。

6. 电线和放大器的配置

1. 将所有电线排列在头线圈顶部开口和放大器（包括电极和碳丝束、连接器盒和丝带线）之间的插座之间，以便它们被放置在直线孔和 MRI 孔的中心。这对于最大限度地减少 MRI 引起的电流非常重要。
2. 将一个碳丝环围绕带状电缆，从 EEG/ECG 电极连接器盒连接到放大器，并将所有碳丝环（参见第 5.7 步）连接到双极放大器 （EXG MR） 的输入盒。此循环主要用于捕获氦泵⁹引起的振动。
3. 为了最大限度地减少 MRI 机械引起的振动，在头盘顶部开口和放大器之间的直通式出口之间，将所有电线夹在 MR 安全且非铁磁沙袋中，从而固定电线。此外，将沙袋放在放大器上。这些沙袋，测量330毫米×240毫米×50毫米，重4公斤，由EEG制造商提供。
4. 将放大器放置在磁体孔外，这是由制造商提供的电缆长度允许的。

7. EEG-fMRI 数据采集

1. 在离开扫描仪室之前，请确保主体对定位感到满意，以避免在采集过程中出现不必要的主体移动。如有必要，指示受试者按下报警按钮（即在紧急情况下或受试者感到不舒服的感觉时）。从控制台室与主体通信，确认主体可以听到操作员的声音。告诉主题，在数据采集过程中预计会发出巨响。根据实验需要指示受试者，并指示受试者在数据采集过程中不要移动。
2. 在开始 fMRI 收购之前开始 EEG 录制。通常，以下图像是按顺序获取的:用于定位 fMRI 视场的侦察图像（二维）、fMRI 和结构图像，以便在处理后共同注册 fMRI 图像。在获取每种类型的图像以校准适当参数之前，先运行 Shim 序列。
   注意:使用经证明安全的 MRI 序列与放大器一起维护安全并避免对放大器¹⁸造成任何损坏非常重要。有关被认为安全的序列的详细信息将不会详细讨论。鼓励读者查阅用户手册或支持团队。一般来说，建议使用梯度回声序列，并避免旋转回声序列或任何具有等效 RF 发射参数的序列，这些序列可能导致过度的 RF 诱导加热。加热可以使用测量射频暴露量的指标进行间接量化，例如特定能量吸收率 （SAR） 和 B 1 + 平均超过_10s（B₁+rms） 的根平均方值。最近，B1+rms，依赖于成像参数，但独立于受试者的身体质量^22，正在成为新的标准，以指定限制。例如，使用脑产品 EEG 帽在 3 T 下获取的 B₁+rms 阈值为当前标准帽的 1 μT，使用较短（10 厘米）捆绑电缆 23 的新标准 EEG 盖为^1.5μT。翻转角度、切片数量和重复时间 （TR） 是需要考虑的参数，以保持 SAR 和 B₁+rms 的低位。建议使用小翻转角度（<90°）。只要产生的序列低于 B₁+rms²³的阈值，切片和 TR 的数量就可以进行调整。
3. 开始收购后，请再次确保扫描仪中的标记（参见 1.4）定期显示在在线 EEG 记录中。

使用此协议放置 EEG 盖时，每个电极的阻抗性通常会降至 20 kΩ 以下（图 1）。代表脑电图信号从参与神经认知研究的受试者（20岁男子）和使用同一MM扫描仪参与癫痫研究的另一个受试者（19岁妇女）分别见图2和图3。接受神经认知测试的受试者被指示睁开眼睛，但在执行指示的视觉任务时保持静止。癫痫研究的主题被指示闭上眼睛和睡眠，因为癫痫活动通常在睡眠期间更频繁。从这两项研究获得的脑电图信号在处理前是相似的（图2）:MRI 梯度伪影掩盖了真正的 EEG 信号。两项研究的EEG信号都是离线处理的:MRI伪影是使用减法24去除的:和BCG，运动和氦泵文物被删除使用从碳丝环记录的信号的回归7，9。由此产生的EEG信号（图3B）从两项研究是可分析的质量，没有可见的BCG文物污染（图3A）。癫痫活动在癫痫研究期间在EEG上清晰可见（图3B）。在神经认知研究期间获得的脑电图上，由于研究的性质，可以看到眨眼、眼睛运动和肌肉制品，特别是在人工制品去除后的前额引线（Fp1和Fp2）（图3B），并可能根据需要使用其他方法进一步去除。在两项研究中获得的后处理 EEG 信号（图 3B可与 MRI 外部获得的 EEG 信号相媲美，如图3C所示），未看到来自机械振动的人工制品。在同时获得的MRI图像上没有看到源自EEG电极的人工制品（图4）。

图1:对参加神经认知研究的受试者应用32通道EEG帽后，EEG电极阻抗率降至5 k*以下。 每个圆形彩色圆表示 EEG 电极，电极名称写在圆圈内:每个圆的位置表示 EEG 盖上每个电极的位置。颜色条和右侧的数字表示测量的阻抗范围（此例为 0-5 kΩ）;绿色表示阻抗值低于 良好 水平值，红色表示 不良 级别。在此示例中，电极 CP1、O1、Oz、O2 和心电图以浅绿色表示，这意味着这些电极的阻抗性为 2 k+;其余电极以深绿色表示，这意味着这些电极的阻抗性为 0 kΩ。 请单击此处查看此图的较大版本。

图2:处理前的EEG信号。 请注意，MRI 梯度伪影掩盖了真正的 EEG 信号。 请单击此处查看此图的较大版本。

图3:参与神经认知和癫痫研究的受试者发出的EEG信号。 上排的脑电联信号来自神经认知研究，下排的脑电极信号来自癫痫研究。EEG 信号是离线处理的。（A） MRI 梯度工件去除后的 EEG 信号。浅蓝色框表示 BCG 文物。（B） 使用从碳线环记录的信号的回归，在人工切除后发出电子逆向信号。（C） 使用相同的 EEG 设备在 MRI 外部记录的 EEG 信号。EEG 信号在参考蒙太奇中显示（参考在 Fcz）;同一段的双极蒙太奇（每个通道表示一对相邻电极之间的电压差）中的 EEG 也显示为癫痫研究期间获得的 EEG，以缓解癫痫活动的可视化。蓝色箭头（B 和 C， 顶部行）表示闪烁（Fp1 和 Fp2 的高振幅缓慢向下偏转/分形电位），黑色箭头（B，顶排）表示由遮视或自然而然的凝视变化（Fp1 和 Fp2 的小型快速偏转）引起的眼动，绿色矩形（B，顶排）表示在神经认知研究期间获得的 EEG 上看到的字母节律。低振幅和高频活动主要在Fp1和Fp2是肌肉制品（增厚的EEG跟踪，顶排）。红色箭头（B 和 C，下排）指示在癫痫研究期间获得的 EEG 上识别癫痫活动的时间点（尖锐的向下或向上偏转，有时随后是慢波）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图4:使用本协议从受试者处获取的代表性MRI数据。 请注意，EEG 电极不会在同时获得的 MR 图像上产生可见的伪影。（A） 磁化准备快速采集梯度回声图像:（B） 回声平面成像。 请单击此处查看此图的较大版本。

作者报告没有披露与手稿有关的资料。