方法文章

同步脑电图和功能性磁共振成像的设备设置和伪影去除，用于癫痫临床审查

DOI：

10.3791/64919

⸱

2023年6月23日

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1Department of Electrical and Computer Engineering, University of Kentucky, 2Department of Neurology, University of Kentucky, 3Department of Neuroscience, University of Kentucky, 4Cleveland Clinic, 5Cyprus Institute of Neurology and Genetics, 6Department of Radiology, University of Kentucky, 7Department of Neurosurgery, University of Kentucky

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文详细介绍了可用于临床和研究环境的同步脑电图和功能性磁共振成像（EEG-fMRI）记录程序。还包括用于去除成像伪影以进行临床审查的脑电图处理程序。本研究的重点是发作间期癫痫的例子。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

同步脑电图和功能性磁共振成像（EEG-fMRI）是一种独特的组合技术，可在理解和定位癫痫发作方面提供协同作用。然而，报告的EEG-fMRI记录实验方案未能解决有关对癫痫患者进行此类程序的细节。此外，这些协议仅限于研究环境。为了填补癫痫监测单元（EMU）中的患者监测和癫痫患者进行研究之间的空白，我们引入了一种独特的发作间期癫痫脑电图-fMRI记录方案。使用MR条件电极组，也可以在EMU中用于同时进行头皮脑电图和视频记录，可以轻松地将脑电图记录从EMU过渡到扫描室，以进行同步脑电图-fMRI记录。提供了使用此特定MR条件电极组的记录程序的详细信息。此外，该研究还解释了逐步去除成像伪影的脑电图处理程序，然后可用于临床审查。该实验方案促进了对传统EEG-fMRI记录的修正，以增强在临床（即EMU）和研究环境中的适用性。此外，该协议提供了将这种方式扩展到临床环境中发作后脑电图-fMRI记录的潜力。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

癫痫折磨着全世界近7000万人1。每年每150名癫痫控制不佳的人中就有一人死于癫痫猝死（SUDEP）。此外，大约30%-40%的癫痫病例对药物治疗无效2。对于难治性癫痫患者来说，切除、断开或神经调控形式的神经外科治疗可能是一种改变生活和挽救生命的措施。

同步脑电图和功能性磁共振成像（EEG-fMRI）是一种独特的组合技术，可无创测量大脑活动，并且为了解和定位癫痫发作提供了益处3，4，5，6。头皮脑电图可用于侧向化和定位癫痫发作区，但由于评估深部致痫源的能力有限，其空间分辨率相对较差。虽然功能磁共振成像在整个大脑（包括深部区域）具有良好的空间分辨率，但仅功能磁共振成像并非特定于癫痫发作。然而，头皮脑电图可以为解释功能磁共振成像中的血氧水平依赖性（BOLD）激活或失活区域提供信息，从而产生一种特定于癫痫的fMRI技术。因此，同步EEG-fMRI的实施可用于绘制与定位癫痫事件的"位置"和"时间"相关的时空过程。

关于如何同时进行脑电图-功能磁共振成像的解释在以前的研究中提供了7，8，9，10。然而，EEG-fMRI在癫痫中没有得到充分利用，特别是在临床环境中。有一项研究提供了脑电图-功能磁共振成像记录的一般程序、背景和可能的脑电图分析示例7.此外，还进行了一项强调催眠诱导以及同步EEG-fMRI记录中温度测量的研究8。此外，还提出了一项扩展的EEG-fMRI研究，以引入时空和功能MRI约束的EEG源成像方法9，10。此外，使用碳丝环有效地去除EEG-fMRI中的伪影已被考虑10。然而，所有这些研究都未能解决在临床研究环境中进行EEG-fMRI研究的挑战。特别是，脑电图帽的使用限制了这些方案在临床环境中的可行性，并且缺少有关患者管理的详细信息。在这项研究中，我们提供了一种EEG-fMRI记录方案，可用于癫痫患者的临床和研究环境。这种独特的方案允许患者轻松地从癫痫监测单元（EMU）过渡到扫描室。此外，该方案提供了将其应用扩展到癫痫患者发作后记录的潜力。对于EEG-fMRI，后处理是去除由MRI梯度和生理伪影（例如与心跳相关的伪影）引起的伪影的关键步骤。因此，我们还提供使用标准模板去除方法11去除脑电图伪影的分步程序，以供临床审查。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项研究是根据肯塔基大学（英国）机构审查委员会批准的协议#62050进行的。

1. 受试者招募

  1. 入选标准
    注意:必须满足以下所有条件。
    1. 包括被诊断患有难治性局灶性癫痫并有资格进行癫痫手术评估的受试者。
    2. 包括年龄在18-60岁之间的受试者。
    3. 包括有生育能力的女性受试者，如果她们使用避孕方法。包括没有生育能力的女性受试者（绝经后至少 2 年、双侧卵巢切除术或输卵管结扎术、完全子宫切除术）。
      注意:根据护理标准，一旦进入欧洲货币联盟，将对有生育能力的妇女进行妊娠试验。
    4. 包括计划进入EMU的受试者，诊断为难治性局灶性癫痫或癫痫发作特征。
  2. 排除标准
    1. 排除有严重幽闭恐惧症的受试者。
    2. 排除植入医疗设备或嵌入金属的受试者，这些设备通常会使他们失去接受MRI的资格，MR技师在进行任何扫描之前都会进行常规检查。
    3. 排除怀孕或哺乳的受试者。
    4. 排除患有任何已知医学或精神疾病的受试者，在研究者看来，这些疾病可能危及或损害受试者参与本研究的能力，或会损害对研究的可靠参与。

注意:一旦患者被送入EMU，在患者同意同意书参加本研究后，将遵循以下步骤。

2. 电极放置

  1. 根据 10-20 系统标记患者头皮上的电极位置。
    注意: 图1 显示了 32 个电极的一个选择。
    1. 测量并注意患者的头皮中心线，方法是通过头部的顶部中心（测量A:矢状面）将卷尺从鼻腔到inion。
    2. 标记 50% 的测量值 A 从鼻孔到内离子。此标记表示电极的 Cz 位置。
    3. 标记 措施 A 的 10%，从鼻孔到指示的 Cz。此标记指示电极的 Fpz 位置。
    4. 将 测量值 A 的 10% 从离子标记到指示的 Cz。此标记指示电极的 Oz 位置。
    5. 将 测量值 A 的 20% 从指示的 Cz 标记到 Fpz。此标记指示电极的 Fz 位置。
    6. 将 测量值 A 的 20% 从指示的 Cz 标记到 oz。此标记指示电极的 Pz 位置。
    7. 通过头部的顶部中心（测量B:冠状平面），测量并注意患者的头部从左耳前点到右耳前点。
    8. 标记 度量值 B 的 50%，并确保此位置与指示的 Cz 位置重叠。
    9. 标记从左耳前点到 Cz 的 10% 的测量 B 。此标记指示电极的 T3 位置。
    10. 标记从右耳前点到 Cz 的 10% 的措施 B 。此标记指示电极的 T4 位置。
    11. 将 测量值 B 的 20% 从指示的 Cz 标记到 T3。该标记指示电极的 C3 位置。
    12. 将 测量值 B 的 20% 从指示的 Cz 标记到 T4。此标记表示电极的 C4 位置。
    13. 通过标记的Fpz和Oz（测量C:横向平面）测量并注意患者头部的周长。
    14. 从 Fpz 左右标记 10% 的度量 C。这些标记分别指示电极的 Fp1 和 Fp2 位置。
    15. 从盎司左右标记 10% 的测量值 C 。这些标记分别指示电极的 O1 和 O2 位置。
    16. 从 Fp1 向左标记度量 值 C 的 20%，从 Fp2 向右标记。这些标记分别指示电极的 F7 和 F8 位置。
    17. 测量并注意日冕平面中与F7和F8的距离（测量D:日冕平面）。
    18. 标记 度量值 D 的 50%，并确保先前指示的 Fz 重叠。
    19. 将 测量值 D 的 25% 从 F7 标记到 Fz，从 F8 标记到 Fz。这些标记分别指示电极的 F3 和 F4 位置。
    20. 测量从鼻到通过 Fp1 和 O1 的离子的距离。确保 50% 的测量值与先前指示的 C3 重叠。
    21. 测量从鼻到通过 Fp2 和 O2 的内离子的距离。确保 50% 的测量值与先前指示的 C4 重叠。
      注意:以同样的方式，可以标记颞叶和顶叶上的电极位置，包括 T5、P3、P4 和 T6。此外，任何其他电极位置，如TP9、TP10、FT9和FT10，都可以根据与10-20系统电极分布的相对距离进行标记。 电极的数量及其分布可以根据前瞻性分析和研究重点确定。
  2. 使用纱布上的皮肤制备凝胶清洁患者的头皮。
  3. 将导电膏放在一个电极杯上。按照电极电缆上的通道名称将电极放在患者的头皮上。
    注意:对于同时进行脑电图-功能磁共振成像记录，需要使用MR条件电极，并且建议在EMU使用食品和药物管理局（FDA）批准的电极。
  4. 重复将凝胶和电极放在患者的头皮上（步骤2.3）以获得所有电极（图2A）。
    注意: 连接到 MR 条件电极的电缆与连接结相对较短，以最大程度地减少 MR 伪影。因此，在放置电极时，请考虑电极位置并仔细放置它们，以便电缆可以很好地组织。此外，请确保电线上没有环，因为它们可能会在扫描仪内部产生热量和灼伤。
  5. 使用纱布上的胶水将所有电极粘附在患者的头皮上。排列所有电极电缆，并通过在受试者头部的中心放置纱布垫将电缆连接放置在远离头皮的地方（图2B，红色箭头）。
    注:这是避免成像伪影的关键步骤。
  6. 用自粘绷带包裹所有电缆连接（ 图 2B 中的蓝色椭圆形）。
    注意:建议执行此步骤以保护录制过程中的连接。
  7. 放置弹性头盖以固定所有电极。将连接到电极的线束连接到放大器。开始通过视频记录同步监测他们的脑电图。

3. 脑电图-功能磁共振成像记录

注意:对于EEG-fMRI记录，MR条件脑电图记录系统与放置在EMU入院开始时的MR条件电极一起使用。

  1. 在监控室中，使用电缆（ 图 3A 中的粗白色电缆）将 USB 2 适配器连接到触发盒套件。
    注意:USB 2适配器允许将其他硬件与计算机连接，并且使用触发盒套件来操作扫描仪生成的触发信号，以便在EEG记录软件中检测到。
  2. 使用电缆（ 图 3B 中的黑色粗电缆）将同步盒连接到 USB 2 适配器。
    注意: 同步盒的作用是同步来自放大器和扫描仪梯度切换系统的时钟信号。
  3. 在监控室中，将光缆的一端连接到同步盒（图 3C 左侧），另一端穿过连接到扫描室的隧道。
  4. 将 USB 端口电缆从 USB 2 适配器连接到记录计算机（图 3B 中的星号标记）。将 USB 端口电缆从同步盒连接到记录计算机（ 图 3C 中的星号标记）。将 USB 端口电缆从触发盒连接到记录计算机（ 图 3D 中的星号标记）。将软件许可证加密狗连接到录制计算机。
    注:总共有四个 USB 端口将被使用。拥有多USB端口有助于管理所有这些端口。
  5. 在扫描仪内设置EEG记录放大器以及MR雪橇套件。
    注意:必须从实验器上取下任何金属或MR敏感组件。实验者需要完成适当的培训才能在MRI扫描室进行记录。
    注意:建议在进行录音之前将功放电池充满电。
  6. 将扫描室中光缆的末端连接到放大器的背面（图 4D），然后打开放大器。
    注意: 光纤电缆的另一端连接到监控室中的同步盒。
  7. 设备设置完成后，通过单击计算机屏幕上的软件图标打开脑电图记录软件。在录制软件中创建一个工作区，方法是单击窗口左上角"文件"选项卡下的"新建工作区"菜单。
  8. 通过单击" 浏览 "按钮设置将存储新数据的文件夹路径。
  9. 在 "前缀 "的空白框中插入数据名称，并通过在" 最小计数器大小[数字] "和 "当前数字"的黑框中插入数字来指定编号索引。
  10. 确认文件名正确显示在" 下一个生成的文件名"下后，单击" 下一步"。
  11. 通过单击扫描 放大器 扫描放大器 创建窗口左上角的按钮。通过选择为 采样率、 低截止和高截止列出的适当选项，设置适当的参数，包括采样率以及记录的低截止频率和高 截止 频率（见 图5）。
    注意:采样 率 设置为5，000 Hz，以便对扫描仪的梯度伪影进行充分采样。插入10 s的 低截止以防止 直流（DC）饱和（记录器软件中使用的时间单位），并设置250 Hz的高 截止以 限制进入模数转换器之前的梯度伪影幅度。
  12. 设置功能磁共振成像的扫描仪参数。
    注意:可能的静息状态fMRI BOLD采集设置是回波平面序列（TR / TE = 1360 / 29 ms，翻转角度= 65，覆盖整个大脑的54个切片，视野= 260 mm x 260 mm，分辨率= 2.5 mm各向同性体素）。功能磁共振成像设置的细节可以根据记录的目标而有所不同。
  13. 关闭扫描仪氦气泵，以进一步减少伪影进入脑电图信号。
    注意:关闭氦气泵会导致液氦损失或屏蔽温度升高。因此，强烈建议与扫描仪供应商联系，以验证关闭氦气压缩机是否对其MRI扫描系统不太有害。
  14. 将患者转移到扫描候诊室。向患者解释录音程序。
    注意:建议在患者到达之前完成所有记录设备的设置。
  15. 清洁患者的背部，就在患者左肩下方，心电图 （ECG） 导联线将放置在那里。在心电图导联上涂抹研磨性电解质凝胶，并将其放在患者的左后侧。
    注意:此电缆的长度较短，因此在放置心电图导联线时，请勿用力拉扯或将其放在背面太低;肩膀以下约5厘米是可以接受的。心电图导联放在背面，以尽量减少移动伪影。
  16. 在心电图导联和电缆周围贴上胶带，以尽量减少记录过程中的扫描伪影。断开 EEG 线束并将 EEG 电缆接头连接到接口盒（图 4B）。
  17. 将患者运送到扫描室。将患者放在扫描台上，头部位于头部线圈的下半部分。
    注意:必须从拍摄对象上取下任何金属或 MR 敏感组件。
    注意:躺下时支撑患者的背部。
  18. 使用耳塞以帮助降低扫描仪的噪音。在患者头部周围涂抹垫子，以尽量减少头部运动伪影。
  19. 连接头部线圈的上半部分，以关闭患者头部周围的"鸟笼"线圈。调整床的高度。将接口盒连接到放大器（图 4C）。
    注:接口盒的电缆上也涂上了胶带，以尽量减少扫描伪影（ 图4B中的白色包装）。
  20. 将MR安全沙袋放在电缆周围，以最大程度地减少记录过程中的MR伪影（图4C）。扫描室中的所有设置完成后，移至监控室。
  21. 通过监护室中的麦克风与患者沟通，解释正在执行设置软件设置的其他步骤。
    注意:实验人员可以通过扫描室的内置扬声器和监控室中的麦克风进行通信。
  22. 通过单击计算机上打开的记录软件窗口左上角的阻抗检查按钮来检查EEG电极的 阻抗 。与患者确认他们已准备好进行录音。
    注意:在记录过程中，实验人员通过扫描室的摄像机监测患者的状况，并通过监测室中的麦克风进行通信。
  23. 通过单击开始脑电图记录 播放 录音软件左上角的 按钮 。运行功能磁共振成像采集扫描。
    注意:在任何情况下，当患者报告由于记录环境（包括噪音）而感到不适时，实验者应停止记录程序。

4. 脑电图伪影去除

注意:以下描述提供了有关如何去除从同步EEG-fMRI记录中获得的EEG数据上的扫描仪伪影的详细步骤。 图 6 显示了带有代表性示例的处理管道。

  1. 打开脑电图分析软件。
  2. 应用 MR 伪影校正。
    1. 单击特殊 信号处理>> MR校正的转换选项卡。生成小窗口后，选择 使用标记，从扫描仪中选择触发信号，然后单击 下一步。
      注意:此步骤指示来自扫描仪的触发信号，并将其用作删除MR伪影的参考。
    2. 选择交 错 和 基于时间 选项，插入触发信号的时间信息，然后单击 下一步。
      注意:在采集的数据中，V1为触发信号，根据V1触发间隔可以插入以下值:开始[ms]:-2;结束 [毫秒]: 1，358;持续时间 [毫秒]:1，360。触发信号的标签及其详细设置可以根据扫描仪的配置而变化。
    3. 在以下窗口中，选中 "为平均值启用基线校正 "，并取消选中" 整个项目的计算基线"。插入 "开始 [ms ] 和 结束 [ms] 值。选择 使用滑动平均计算。
      注意:这允许人们根据滑动窗口更正基线。
    4. 插入 滑动平均值的间隔总数，选中所有 通道的常用错误间隔和校正，然后单击 下一步。
      注意: 滑动平均值的间隔总数 可以是 21。
    5. 选择 使用所有通道进行校正， 然后单击 下一步。
    6. 选中执行缩减采样，然后为新频率 [Hz] 选择 500。选中应用低通滤波器并选择使用 FIR 滤波器，插入 70 作为截止频率 [Hz]，然后单击下一步。
    7. 完成所有设置后，选择一个 "存储更正的数据 "选项，然后单击 "完成"。
      注意:可以将 未压缩的数据存储在历史记录文件中 作为 "存储更正的数据 "选项。根据目的，可以考虑不同的选择。单击" 完成"后，中间将出现一个小的 "扫描仪伪影校正 "窗口，显示处理状态。此MR校正过程可能需要一些时间才能完成，具体取决于EEG数据大小。
  3. 通过高通滤波器应用直流去除。单击"转换>数据筛选">"IIR 筛选器"选项卡。在新生成的窗口中，选中"低截止值"下的"已启用"。插入截止频率 [Hz] 为 0.5，选择过滤器顺序为 2，然后单击确定。
  4. 去除心电道伪影。
    1. 单击" 转换>特殊信号处理">" CB校正"选项卡。在随后打开的窗口中，选择 使用峰值检测 并选中 半自动模式。
    2. 在 "搜索脉冲模板 "部分下，插入" 开始" 作为 60 ，将 "长度 "插入为 20。选中 标记找到的模板 并确保选择了适当的心电图通道。
    3. 为脉搏率、相关性和振幅插入适当的参数，为带有 R 峰值标记的标记脉冲插入 R，然后单击下一步。
      注意:脉搏率 [ms] 的建议值为 1000 ± 400，脉搏率 [bpm] 最小值为 43，最大值为 100。具体的脉率值取决于受试者的心电图范围。此外，相关触发电平可以设置为 0.6，幅度触发电平可以设置为最小 0.3，最大设置为 1.4。
    4. 选中 使用整个数据来计算时间延迟。插入 用于平均值的脉冲间隔总数。
      注意: 用于平均值的脉冲间隔总数 可以设置为 21。
    5. 在 "正确跟随通道"下，将除 ECG 通道之外的所有 EEG 通道移动到右列，然后单击" 下一步"。
    6. 在下一页上，选择一个 "存储更正的数据 "选项作为首选。点击 完成。
      注意:单击 完成 后，软件右侧将出现 一个CB校正交互模式 窗口。
    7. 在 导航栏 底部的时间轴上滑动，然后检查基本模板ECG用蓝色阴影框突出显示的位置。确认心电图的基本模板已正确标记。
      注意:通过双击ECG通道名称，将仅显示ECG通道以供查看。考虑根据需要手动调整峰值或间隔。在软件右侧的 CB矫正-交互 模式窗口中，具有异常模式的心电图以表格格式按顺序列出。这些在心电图轨迹中表示为红色垂直线。
    8. 在 CB矫正-交互模式 窗口中，通过双击表中的相应行来检查每个标记的ECG。根据需要，通过移动红色垂直线来调整检测到的峰值位置。检查所有检测到的心电图后，单击 完成。
      注意:通道最初仅包含红色和绿色标记。绿色标记表示检测良好，而红色标记表示不满足所有所需条件的潜在脉冲峰值。手动修改红色标记后变为黄色。在纠正异常心电图时，重要的是要考虑到每个心电图的每个峰值位置和时间间隔应保持一致。
  5. 通过陷波滤波器应用电力线和交流 （AC） 噪声消除。单击" 转换>数据筛选">"IIR 筛选器 "选项卡。在打开的窗口中，选中 启用陷波，选择 频率 [Hz]，然后单击 确定。
    注意:对于频率选择，可以根据进行录音的国家/地区选择 50 或 60 Hz。陷波滤波器在最后一步应用，有利于心电图检测，这种滤波器应用为临床脑电图审查提供了便利。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

当患者进入EMU时，同时记录头皮脑电图和视频。神经科医生进行脑电图监测的一个目的是评估癫痫样放电，这可能会告知癫痫发作的定位。当区分特定脑电图通道的异常动态时，电极位置可能与癫痫发作定位有关。在发作间期，发作间期癫痫样放电（IED），包括尖峰和尖波，传统上被认为是致痫区域的标志物。此外，获得的发作间期脑电图-功能磁共振成像数据的记录有利于理解和定位癫痫发作。为了验证这种EEG-fMRI记录和EEG处理协议，我们通过比较后处理的EEG与EMU的EEG来评估EEG的质量，并且我们确认在两种情况下都观察到相同的可区分EEG特征。

局灶性 delta 活动缓慢通常提示潜在的脑结构病变或神经元功能不按预期进行的区域，这通常在卒中、头部受伤、脑部感染或痴呆后观察到。然而，局灶性癫痫患者在其致痫区附近或部位表现出局灶性 delta 活动的情况并不少见。此外，尽管局灶性δ活性的特异性低于IED，但它可以指定与癫痫发作相对应的局部结构病理12。此外，脑电图中局灶性发作间期慢波对应于功能磁共振成像上的局灶性 BOLD 激活，与部分性癫痫患者的致痫区域相匹配13.

值得注意的是，在颞叶发作性癫痫中，有时存在一种称为颞间歇性节律性δ（TIRDA）的δ活动，它被认为是IED等效的14。相反，时间间歇多态性增量（TIPDA）不被视为IED等效物15。在处理后的脑电图中，存在清晰的焦点左颞慢波（TIPDA），这是从EMU记录的脑电图中观察到的（图7）。虽然这种δ活性不是IED等效的，但它表明左颞神经元功能障碍。

figure-results-1
图 1:用于同时记录 EEG-fMRI 的 32 个电极选择示例。 在临床上，通常考虑使用21个通道进行脑电图监测。为了满足进行脑电图源成像（ESI）的最少数量的电极，包括11个额外的通道以完全覆盖头部。所有电极都是金杯，以避免MR效应。在图中，使用不同的颜色来区分不同的电极，并且颜色与物理电缆颜色相匹配。底部的每个矩形框表示一个连接到线束的结点，线束将连接到放大器进行录音。 请点击此处查看此图的大图。

figure-results-2
图 2:电极放置。 （A）将电极放置在患者的头皮上和（B）电缆连接的排列。（A） 和 （B） 中的左侧图像提供顶部前视图，右侧图像提供患者的左侧视图。（B）中的红色箭头表示纱布垫的位置。这有助于避免成像伪影。（B） 中以蓝色圈出的区域显示了电缆连接点的排列方式。 请点击此处查看此图的大图。

figure-results-3
图 3:监控室中的设备连接。 （A） USB 2 适配器、同步盒和触发盒连接的概述。（B） USB 2 适配器和同步盒电缆连接、（C） 同步盒和光纤电缆连接以及 （D） 触发框中电缆连接的详细图片。（B）、（C） 和 （D） 上的星形标记表示要连接到录制 PC 的 USB 电缆的位置。Mullinger等人7的图1提供了EEG记录系统和硬件之间所需连接的示意图。请点击此处查看此图的大图。

figure-results-4
图 4:扫描室中的设备连接 。 （A） 扫描仪中 EEG 放大器连接的概述。（B）从接口盒中缠绕的电缆以连接脑电图电极（红色电缆用于心电图测量）。（三）连接接口盒与脑电放大器及MR安全沙袋放置，以减少MR伪影。（D） 放大器（顶部）和电池（底部）的连接以及光缆从监控室的同步盒到放大器的连接。 请点击此处查看此图的大图。

figure-results-5
图 5:EEG 记录软件上工作区设置的屏幕截图。 通道数和采样率可以在放大器设置下设置。此外，如有必要，可以通过单击底部的表格来修改每个通道的规格。 请点击此处查看此图的大图。

figure-results-6
图 6:带有代表性示例的 EEG 伪影去除管道。 原始脑电图轨迹显示在左下角。底部中间图显示了在原始脑电图上应用MR伪影校正和0.5 Hz高通滤波器后的EEG迹线。右下图显示了在处理后的脑电图上应用CB伪影校正和60 Hz陷波滤波器后的脑电图轨迹。EEG轨迹在公共接地模式下显示，以有效地可视化每个过程如何影响每个记录的通道。 请点击此处查看此图的大图。

figure-results-7
图7:来自同步EEG-fMRI记录（左）和在EMU记录的EEG（右）的处理脑电图的比较。红色圆圈表示同一通道处的焦点左颞慢波。脑电图轨迹以双香蕉格式显示，这在临床上是传统上考虑的。请点击此处查看此图的大图。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

该实验方案在提供癫痫患者从EMU到扫描室的平稳过渡方面是独一无二的，使其可用于临床和研究环境。使用FDA批准的MR条件电极是在EMU期间进行临床记录以及安全转移到MRI而无需从患者身上取下或更换头皮电极的重要组成部分。在EMU中，MR条件电极连接到放大器，用于同时进行视频和脑电图监测。对于EEG-fMRI记录，MR条件EEG放大器和MRI扫描仪可以与20通道头线圈一起使用，该线圈可容纳电极组和连接线的尺寸。必须注意的是，在癫痫患者进行同步脑电图-fMRI记录之前，强烈建议对健康受试者进行测试，以确认所有设备的正常运行并熟悉每个必需的步骤。

此外，团队的具体组织和仔细选择的患者在该协议中也起着重要作用。为了在临床和研究环境中都可行，需要有一个由癫痫科医生、护理人员、脑电图技术人员和工程师组成的结构化团队。对于患者选择，必须严格考虑上述纳入和排除标准。

此外，重要的是要解决的是，当进行脑电图知情功能磁共振成像分析时，必须明确存在脑电图的关键特征，以指导功能磁共振成像的相应大胆变化。因此，在进行脑电图-功能磁共振成像记录时，重要的是要考虑先前已证明靶脑电图特征的患者。在癫痫患者的发作间期，IEDs异常且提示致痫潜力，是众所周知的脑电图特征，可参考BOLD变化16，即使此处的示例不包括这种情况。当目标是在发作间期脑电图-功能磁共振成像记录中获取IED时，实验者应考虑通过头皮脑电图观察到频繁IED（至少三个IED/小时）的患者，以确保在扫描过程中有足够的癫痫样放电。简易爆炸装置的数量可以通过动车组的脑电图监测来确定，或者通过参考受试者先前脑电图记录中看到的简易爆炸装置频率（如果存在）。获得的发作间期脑电图-fMRI数据的记录可以为理解和潜在定位癫痫发作区域17带来益处。

一旦在处理伪影去除步骤后获得干净的脑电图，就可以应用进一步的脑电图分析。例如，可以通过应用标准化的低分辨率脑电磁断层扫描（sLORETA）18 来估计大脑在皮质表面上的相应电活动来获得EEG源成像（ESI）。通过使用边界元方法19，基于患者MRI创建的头部，外颅骨，内颅骨和皮层，可以反转计算出的导联场矩阵，从而获得估计的来源。有许多公开可用的工具箱可以获得脑电图源成像，而头脑风暴是一个常用的基于 MATLAB 的工具箱20。

当使用处理后的脑电图考虑ESI时，必须仔细考虑电极的总数及其分布，以便它们可以合理地覆盖整个头部。实施ESI所需的最小电极数量为32通道21，22，这超过了临床环境中使用的标准电极数量。因此，建议包括额外的通道，以合理的间距覆盖整个头部。本研究中的通道选择包括21个通道，这些通道通常用于临床中的脑电图监测，以及11个额外的通道，以完全覆盖头部（图1）。

在这里，我们不包括功能磁共振成像分析的细节，因为这超出了我们的研究范围。然而，一个可能的方向是脑电图知情的fMRI分析23。例如，IED的发生时间可以保存为事件触发器，以与功能磁共振成像相关联，这可能导致与事件相关的常规功能磁共振成像分析。在这种情况下，广义线性模型分析可用于查找在IED时显示fMRI信号变化的大脑区域。

我们指出，最近发表的一项研究10 表明，当需要更强大的伪影去除技术时，可以使用碳线环系统16。然而，我们想告知的是，在我们的实验环境中，碳丝环系统与MR条件电极的集成尚未得到研究。

尽管这项研究特别关注癫痫发作间期，但同时脑电图-功能磁共振成像的引入方案可以进一步扩展到发作期或发作后期。但是，在考虑任何自定义设置时，必须遵循特定的注意事项。对于发作后期，我们认识到的一个重要问题是，患者在转运至MRI之前应给予苯二氮卓类药物。至于脑电图的频率分析，据报道，苯二氮卓类不一定会改变特定的频段24，25，并且在适度变化的情况下，这些仅限于躯体感觉运动区域26或额叶27。此外，关于同步脑电图-功能磁共振成像，与盐水注射对照组相比，苯二氮卓类药物注射后的δ脑电图-BOLD相关性没有变化27。BOLD信号仅在Heschel回和辅助运动区域的小区域降低。

披露

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作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可以解释为潜在的利益冲突。

致谢

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这项工作得到了肯塔基大学医学院、英国医疗保健研究副校长和研究优先领域的部分支持，作为医学院联盟倡议的一部分，以及肯塔基大学电气和计算机工程系提供的 Jihye Bae 博士的启动资金。作者感谢志愿者参与者的录音和癫痫神经影像研究联盟团队成员，特别是Brian Gold博士领导联盟团队，Sridhar Sunderam博士的研究指导，以及Susan V. Hollar和Emily Ashcraft的患者护理和管理。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3T Magnetom Prisma fit MRI 扫描仪Siemens Healthineers
Abralyt HiCl， 10 g.EASYCAP GmbH用于心电图电极的导电凝胶。
BrainAmp MR plus 32 通道Brain Products GmbHS-BP-01300
BrainVision Analyzer 版本 2.2.0.7383Brain Products GmbH脑电图分析软件。
BrainVision 接口盒 32 输入Ives EEG Solutions， LLCBVI-32
BrainVision 记录器许可证，带加密狗Brain Products GmbHS-BP-170-3000
BrainVision 记录器版本 1.23.0003Brain Products GmbH脑电图记录软件。
火棉胶（非柔性）Mavidon胶水，用于固定 EEG 电极。
光纤电缆（30m 单线）Brain Products GmbHS-BP-345-3020
金杯电极组，32 通道Ives EEG Solutions， LLCGCE-32在管理癫痫监测单元 （EMU） 停留的重叠/关闭期的多个受试者时，建议使用 2+ 项目。
金杯电极Ives EEG Solutions， LLCGCE-EKG
线束，32 导联，可重复使用Ives EEG Solutions， LLCHAR-32在管理重叠/关闭期的多个受试者时，建议使用 2+ 项目 癫痫监测室 （EMU） 留下来。
MR 雪橇套件包括 100% 和 75% 长度的底板、每个底板的低矮型（3 厘米）块腿、坡道和带系统，作为手动配置的Brain Products GmbHBV-79123-PRISMA SKYRA
Natus NeuroWorks EEGNatus软件，用于癫痫监测装置 （EMU） 的脑电图监测。
Nuprep Skin Prep 凝胶织布机公司
无源入门套装，包括耗材（凝胶、注射器、分液针头、胶粘剂垫圈等），便于开箱即用的数据采集Brain Products GmbHS-C-5303
SyncBox compl. 用于相位同步记录的扩展盒Brain Products GmbHS-BP-02675Syncbox
syngo MR XA30Siemens Healthineers用于 MRI 扫描仪的软件。
Ten 20 导电神经诊断电极糊Weaver and Co.用于 EEG 电极的导电凝胶。
TriggerBox Kit for BrainAmpBrain Products GmbHS-BP-110-9010Triggerbox;该套件允许扩展扫描仪的触发宽度，以便可以在 BrainVision 录像机上正确检测到触发信号。根据扫描仪提供的触发信号的特性，可能不需要此套件。
Xltek EMU40EX amplifierNatus癫痫监测装置 （EMU） 使用的放大器。

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ngugi, A. K., Bottomley, C., Kleinschmidt, I., Sander, J. W., Newton, C. R. Estimation of the burden of active and life-time epilepsy: a meta-analytic approach. Epilepsia. 51 (5), 883-890 (2010).
  2. Kwan, P., Brodie, M. J. Early Identification of refractory epilepsy. The New England Journal of Medicine. 342 (5), 314-319 (2000).
  3. Menon, V., Crottaz-Herbette, S. Combined EEG and fMRI studies of human brain function. International Review of Neurobiology. 66, 291-321 (2005).
  4. Gotman, J., Pittau, F. Combining EEG and fMRI in the study of epileptic discharges. Epilepsia. 52, 38-42 (2011).
  5. Pittau, F., Dubeau, F., Gotman, J. Contribution of EEG/fMRI to the definition of the epileptic focus. Neurology. 78 (19), 1479-1487 (2012).
  6. Ikemoto, S., von Ellenrieder, N., Gotman, J. Electroencephalography-functional magnetic resonance imaging of epileptiform discharges: Noninvasive investigation of the whole brain. Epilepsia. 63 (11), 2725-2744 (2022).
  7. Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. Best current practice for obtaining high quality EEG data during simultaneous fMRI. Journal of Visualized Experiments. (76), e50283(2013).
  8. Douglas, P. K., et al. Method for simultaneous fMRI/EEG data collection during a focused attention suggestion for differential thermal sensation. Journal of Visualized Experiments. (83), e3298(2014).
  9. Nguyen, T., Potter, T., Karmonik, C., Grossman, R., Zhang, Y. Concurrent EEG and functional MRI recording and integration analysis for dynamic cortical activity imaging. Journal of Visualized Experiments. (136), e56417(2018).
  10. Khoo, H. M., et al. Reliable acquisition of electroencephalography data during simultaneous electroencephalography and functional MRI. Journal of Visualized Experiments. (169), e62247(2021).
  11. Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. A method for removing imaging artifact from continuous EEG recorded during functional MRI. Neuroimage. 12 (2), 230-239 (2000).
  12. Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 76, 2-7 (2005).
  13. Manganotti, P., et al. Continuous EEG-fMRI in patients with partial epilepsy and focal interictal slow-wave discharges on EEG. Magnetic Resonance Imaging. 26 (8), 1089-1100 (2008).
  14. Reiher, J., Beaudry, M., Leduc, C. P. Temporal intermittent rhythmic delta activity (TIRDA) in the diagnosis of complex partial epilepsy: sensitivity, specificity and predictive value. The Canadian Journal of Neurological Sciences. 16 (4), 398-401 (1989).
  15. Geyer, J. D., Bilir, E., Faught, R. E., Kuzniecky, R., Gilliam, F. Significance of interictal temporal lobe delta activity for localization of the primary epileptogenic region. Neurology. 52 (1), 202-205 (1999).
  16. Koupparis, A., et al. Association of EEG-fMRI responses and outcome after epilepsy surgery. Neurology. 97 (15), e1523-1536 (2021).
  17. Gotman, J. Has recording of seizures become obsolete. Revue Neurologique. , 00865(2023).
  18. Pascual-Marqui, R. D. Standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA): technical details. Methods and Findings in Experimental and Clinical Pharmacology. 24, 5-12 (2002).
  19. Hallez, H., et al. Review on solving the forward problem in EEG source analysis. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 4, 46(2007).
  20. Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011, 879716(2011).
  21. Srinivasan, R., Tucker, D. M., Murias, M. Estimating the spatial Nyquist of the human EEG. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers. 30, 8-19 (1998).
  22. Michel, C. M., et al. EEG source imaging. Clinical Neurophysiology. 115 (10), 2195-2222 (2004).
  23. Abreu, R., Leal, A., Figueiredo, P. EEG-informed fMRI: A review of data analysis methods. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 29(2018).
  24. Saletu, B., Anderer, P., Saletu-Zyhlarz, G. M. EEG topography and tomography (LORETA) in the classification and evaluation of the pharmacodynamics of psychotropic drugs. Clinical EEG Neuroscience. 37 (2), 66-80 (2006).
  25. Windmann, V., et al. Influence of midazolam premedication on intraoperative EEG signatures in elderly patients. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1673-1681 (2019).
  26. Nishida, M., Zestos, M. M., Asano, E. Spatial-temporal patterns of electrocorticographic spectral changes during midazolam sedation. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1223-1232 (2016).
  27. Forsyth, A., et al. Comparison of local spectral modulation, and temporal correlation, of simultaneously recorded EEG/fMRI signals during ketamine and midazolam sedation. Psychopharmacology. 235 (12), 3479-3493 (2018).

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