Mejor práctica actual de obtención de datos de alta calidad EEG durante fMRI simultánea

Electroencefalografía simultánea (EEG) y las imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI) permite a la excelente resolución temporal de EEG que se combina con la alta precisión espacial de fMRI. Hay un número de maneras en que los datos de estas dos modalidades pueden combinarse ^1, pero todos se basan en la adquisición de datos de EEG y fMRI de alta calidad. Hasta la fecha, simultánea EEG-fMRI se ha utilizado para estudiar la correlación entre los ritmos oscilatorios (medidas con EEG) y las respuestas de oxigenación de la sangre (con nivel de oxigenación de la sangre dependiente (BOLD) fMRI), por ejemplo ^2,3. También se ha utilizado para estudiar si las características de la señal evocada pueden explicar la variación en la señal BOLD en una base de ensayo por ensayo ^4,5. En estudios clínicos, el uso principal de la técnica ha sido investigar los focos de las descargas epilépticas interictal, que pueden ayudar en la planificación quirúrgica y en la actualidad difícil de localizar de forma no invasiva6,7. Para lograr la fusión de los datos de EEG y fMRI que se desee, es esencial disponer de datos de alta calidad de ambas modalidades. Sin embargo, los datos de EEG adquiridos durante fMRI simultánea se ven afectados por varios artefactos, incluyendo el artefacto gradiente (debido a los cambios en los campos magnéticos requeridos para fMRI), el artefacto de pulso (vinculado al ciclo cardiaco) y los artefactos de movimiento (resultantes de los movimientos en la fuerte campo magnético del escáner, así como la actividad muscular). Estos artefactos son significativamente más grandes que la actividad neuronal de interés y por lo tanto la reducción (en la fuente) y la corrección de los artefactos (a través de post-procesamiento) son a la vez necesarias para permitir la aplicación con éxito de simultánea de EEG-fMRI.

Los métodos de post-procesamiento actualmente disponibles para la corrección de la pendiente y artefactos de impulsos requieren un número de criterios a ser satisfechos durante la adquisición de datos con el fin de producir datos de EEG de alta calidad. Durante la década anterior, la no aplicaciónimal montaje experimental para el registro de datos de alta calidad ha evolucionado como la comprensión de las causas de los artefactos ^8-10 ha mejorado y hemos aprendido cómo modificar los métodos experimentales para reducir los artefactos en origen ^11,12 y para mejorar la rendimiento de los algoritmos de corrección de post-procesamiento. Estos acontecimientos incluyen la mejora de la toma de muestras de las formas de onda del gradiente a través de la sincronización de los relojes del escáner ^13,14 y el uso de un vectocardiogram ^15,16 para proporcionar una traza cardíaca más limpio que el tradicional de ECG. La traza vectocardiogram se deriva de cuatro electrodos colocados en el pecho con un filtro de paso bajo estrictas empleadas ^14-16. Como resultado de la traza es relativamente poco afectada por los artefactos de gradiente y es insensible al artefacto el flujo de sangre haciendo que la detección pico R más fácil. Sin embargo, la posibilidad de grabar un vectocardiogram no está disponible en todos los escáneres de resonancia magnética, por lo que sólo se menciona brevemente en este study. La importancia de la reducción al mínimo de los artefactos y la limpieza rigurosa de los datos se ha puesto de relieve por la reciente demostración de que los artefactos de movimiento registrado en los datos de EEG se pueden correlacionar con la actividad BOLD ajenos a la misión de interés, produciendo resultados falsos si mucho cuidado no se toma todo el proceso experimental ^17.

El método presentado aquí representa el enfoque óptimo actual para la obtención de los datos de EEG y fMRI de alta calidad al mismo tiempo el uso de hardware MR y secuencias de pulsos que están ampliamente disponibles, junto con el equipo de EEG suministrado comercialmente. Aplicación del método de adquisición sugerido, en conjunción con el uso de métodos de post-procesamiento apropiadas, dará lugar a los datos de EEG y fMRI que se pueden utilizar para responder a una serie de importantes preguntas neurociencia.

1. Preparación de la instalación experimental

1. Antes de la llegada del sujeto configurar el equipo EEG en la sala de control, donde el operador del escáner se sentará. Conectar el ordenador portátil para el hardware del EEG, como se muestra en la Figura 1. Nota: todas las señales de activación de los dispositivos periféricos y el escáner de RM deben tener duraciones de más de 200 microsegundos para ser detectados por el sistema de EEG.
2. Configure la computadora de estímulo, en este estudio, utilizamos un estímulo visual; marcadores se leen en la grabadora BrainVision al principio y al final de cada periodo de estimulación.
3. Asegúrese de que el área de trabajo para la grabación de los datos se establece en la más alta resolución temporal disponible y los filtros adecuados. Para la mayoría de los estudios AC-acoplamiento con un filtro de 0,016 a 250 Hz es óptima a pesar de DC-acoplamiento o un (1 kHz) Filtro de paso bajo altas pueden ser necesarias si las señales neuronales de ultra baja frecuencia o alta son de interés, respectivamente.
4. Revise los marcadores del senvasador y presentación del estímulo para confirmar que están siendo registrados por el sistema EEG correctamente. Activar la sincronización del escáner y relojes EEG mediante el panel de control Grabador BrainVision. A continuación, compruebe si la sincronización tiene éxito, si la configuración es correcta, el icono verde y "Sync On" aparecerá dot.
5. Configurar el escáner de RM de la manera convencional, aquí estamos utilizando el cuerpo bobina de transmisión de RF y un cabezal de canal 32 recibe bobina de RF. Cuando sea posible, lo mejor es utilizar una bobina de transmisión de la cabeza de tamaño para reducir al mínimo el riesgo de calentamiento por RF de la tapa del EEG y los cables asociados. Sin embargo en la mayoría de los escáneres, la bobina de transmisión de la cabeza no se puede utilizar en conjunción con una bobina receptora de múltiples elementos, lo que conduce a un sub-óptimo establecido para la adquisición de los datos de resonancia magnética funcional (en particular, formación de imágenes en paralelo de aceleración no es posible). Estamos utilizando esta cabeza específica bobina de recepción, ya que incorpora un puerto de acceso que permite a los cables de la tapa de EEG que se ejecuten a lo largo de un camino recto de la scanner.
6. Asegúrese de que las secuencias de RM que se ejecutan se establezcan. La secuencia de resonancia magnética funcional debe utilizar un TR rebanada que es un múltiplo del período de reloj del EEG (200 microsegundos). Si se utiliza un sistema de RM Philips la calculadora de sincronización Philips se puede utilizar para determinar la rebanada sea posible y combinaciones TR.
7. Haga una verificación final que todo el equipo está grabando como se esperaba.

2. Asunto llegada

1. Pida al sujeto que llega con el pelo limpio y la ropa de uso cómodo y no metálica.
2. Explique al tema de la finalidad del experimento y lo que va a suceder.
3. Pida al sujeto que llenar los formularios que se utilizan para establecer que no existen contraindicaciones para exámenes de IRM y que el sujeto accede a la participación en el experimento. Compruebe las formas antes de continuar. En este estudio se ha obtenido la aprobación del comité de ética local y todos los sujetos dieron su consentimiento informado.
4. Mida la circunferencia de la cabeza y seleccione la aplicacióntapa de tamaño ropriately (es decir, la tapa disponible más pequeño que es más grande que el tamaño de la cabeza). Coloque la tapa en la cabeza a partir de la parte frontal de la cabeza y tirando hacia atrás. Coloque la tapa correctamente, de tal manera que Cz electrodo está situada a mitad de camino entre el nasión y inión y también centrada izquierda-derecha.
5. Conecte los electrodos a la cabeza: moviendo el pelo a un lado, la aplicación de alcohol y gel Abralyte. Fije el electrodo de ECG a la base de la parte posterior usando un método similar al utilizado para los electrodos del casquillo. Este electrodo se utiliza para medir el latido del corazón. Se recomienda el posicionamiento en la base de la parte posterior para maximizar la señal al ruido del pico R en la traza del ECG, así como para el sujeto comodidad.
6. El trabajo en los contactos con el fin de reducir las impedancias de electrodos en la cabeza a menos de 10 kW (con exclusión de la resistencia de las resistencias internas en cada electrodo). ECG y resistencia EOG pueden ser más altas que las señales son conne sólida y la buenacciones puede ser difícil de lograr, pero deben mantenerse por debajo de 50kΩ.
7. Compruebe la calidad de los datos EEG es satisfactoria mediante la inspección visual de los datos en la pantalla del monitor.

3. Fuera de grabación del escáner MR

(Opcional: Sólo es necesario si se desea comparar EEG Calidad de los Datos de dentro y fuera del escáner de MR)

1. La instalación del equipo de presentación y equipos EEG fuera del escáner (en un lugar donde el campo magnético es baja). Asegúrese de que la configuración es lo más similar posible a la utilizada en el interior del escáner de RM (en particular, el sujeto debe ser en decúbito supino y un proceso similar de la presentación del estímulo debe ser utilizado).
2. Lleve a cabo el experimento y registrar los datos de una manera similar a la utilizada en el interior del escáner (véase la Sección 4).

4. Ajuste Asunto en el interior del escáner de MR

1. Pida al sujeto que estar sentado mientras se configura el equi EEGllo en la sala de escáner de MR.
2. Tome el amplificador en la sala blindada y colocarlo en una mesa en la parte posterior del escáner. Conecte el amplificador a un cable óptico de fibra larga. Pase el cable de fibra óptica a través de la guía de ondas y adjuntarlo al adaptador BrainAmp USB en la sala de control (Figura 1).
3. Registrar el paciente en el escáner paciente MR base de datos.
4. Tome el sujeto en la habitación y pedir que se acueste sobre la superficie del escáner.
5. Dar a los tapones sujetos, de los auriculares y el botón de llamada, y asegurarse de que son cómodas.
6. Coloque la bobina de la cabeza sobre la cabeza del sujeto. Los cables de EEG deben dejar la bobina de la cabeza a lo largo de la ruta más corta posible. Ahora pad cabeza del sujeto para reducir al mínimo movimiento de la cabeza.
7. Mover el objeto en el escáner orificio, asegurando que los electrodos Fp1 y Fp2 están en isocentro del escáner de RM en la dirección z. Esto se consigue normalmente mediante la alineación de estos dos electrodos con la luz que se utiliza para posicionar tl tema antes de entrar en el agujero.
8. Coloque la tapa del EEG para el amplificador en la parte trasera del escáner. Asegúrese de que no hay ningún cable bucles en los cables de EEG (ya que pueden provocar un calentamiento de RF y también puede causar grandes artefactos EEG para ser inducidas) y que el cableado está aislado de MR vibraciones tanto como sea posible del escáner, aquí usamos una viga en voladizo para lograr este aislamiento.

5. Grabación dentro del escáner

1. Hable con el tema de la sala de control para confirmar que se puede escuchar el operador del escáner y están bien.
2. Un segundo experimentador comienza la monitorización del EEG, la comprobación de electrodos ruidosas en las trazas, así como para la "sincronización en" punto verde en la parte inferior de la pantalla.
3. El efecto claro de los crio-bombas sobre la grabación se puede ver (ver Figura 2). Por lo tanto, optar por desactivar estas bombas durante la adquisición de datos, siguiendo las instrucciones del fabricante.
4. Pida al sujeto que mover la cabeza de un SMAcantidad ll. La importancia de mantener la cabeza todavía se puede ver a partir de las grandes tensiones en el registro de EEG que resultan de los pequeños movimientos de la cabeza.
5. Pruebe el registro de la actividad neuronal pidiendo al sujeto para abrir y cerrar los ojos. Busque actividad alfa occipital. Este procedimiento permite determinar si se está midiendo señales fisiológicas más que ruido. Si una señal de alfa no puede ser visto en un sujeto (que se produce en algunos sujetos) es posible ensayar la actividad neuronal mediante la realización de un corto plazo del paradigma experimental sin el escáner funcionamiento MR y para buscar la potencial evocado promediado.
6. El artefacto de pulso se puede ver claramente en los datos en bruto (véase la Figura 2), en particular en electrodos sobre las sienes. Utilice el trazado del ECG para corregir este artefacto en tiempo real utilizando RecView (o en paquetes de software de post-procesamiento).
7. Tan pronto como comienza cada resonancia magnética los gradientes causarán grandes artefactos en los datos de EEG.
8. When el experimento fMRI está listo para comenzar, - con el sistema de presentación del estímulo en un estado listo - a continuación, comenzar a guardar los datos de EEG, siguiendo los pasos indicados.
9. Ahora comenzar el experimento, la comprobación de que los marcadores de la presentación del estímulo y el escáner de RM se puede ver en BrainVision grabadora. Aquí el estímulo consiste en un tablero de ajedrez radial de campo completo al 100% de contraste. La tasa de reversión es 2 Hz de tal manera que una respuesta evocada se producirá cada 500 mseg y un marcador se coloca en el archivo de EEG en cada inversión de la imagen.
10. La calidad de los datos EEG parecerá ser muy pobre, pero puede ser limpiado, ya sea en línea en RecView o durante el procesamiento posterior. Para que la corrección de artefacto gradiente de trabajar sin comprometer la grabación de señales neuronales, la presentación del estímulo no debe ser bloqueado para el TR y la frecuencia de repetición de estímulo no debe ser igual a la frecuencia de repetición de rebanada.
11. Corrección artefacto Gradient debe realizarse out antes de la corrección del pulso artefacto (véanse las Figuras 3 y 4). Los datos pueden entonces ser segmentada de acuerdo con la presentación del estímulo y se analizaron con numerosas técnicas, la más simple de las cuales tiene un promedio para la investigación de las respuestas evocadas (véase la Figura 6).

6. Debriefing del Asunto

1. Una vez que el análisis haya finalizado, tome el tema del escáner y les ayudará a tomar la tapa EEG.
2. Deje que se lavan el cabello.
3. Ahora son libres de irse.

7. Aclarar al final del experimento

1. Empaca el equipo EEG como es requerido por el laboratorio. Si el fabricante MR requiere, asegúrese de que el hardware de sincronización esté desenchufada al final de cada sesión y no se deja conectada a la electrónica del escáner.
2. Por último, la tapa de EEG se debe limpiar. Para ello, sumerja la tapa en agua (normalmente durante aproximadamente 5 min)o una mezcla de agua y desinfectante (desinfectante debe ser elegido según espectro y desinfectante recomendación patógeno correspondiente de la tapa del fabricante. Tiempo de exposición y concentración de desinfectante deben seguir las instrucciones del fabricante del desinfectante.). A continuación, utilice un cepillo de dientes para limpiar gel residual. Es muy importante limpiar la tapa completamente para asegurar el funcionamiento adecuado de la tapa cuando se utiliza posteriormente.

8. Análisis

1. En este caso, el análisis de EEG en tiempo real se ha demostrado, sin embargo, también es posible y deseable normalmente al post-procesar los datos de EEG. Esto puede hacerse en un número de paquetes de análisis tales como cerebro Productos Analizador de 2 o EEGLAB.
2. Gradiente y corrección de artefacto de pulso se pueden realizar utilizando una variedad de métodos, tales como: artefacto promedio sustracción ^18,19 (comúnmente utilizado para la corrección de la pendiente y, a menudo se utiliza para la corrección del pulso artefacto), análisis de componentes independientes ^20,21 22 (para la corrección de artefactos pulso).
3. Los datos pueden entonces ser analizadas en el dominio del tiempo o frecuencia para observar las respuestas evocadas y la actividad oscilatoria en curso.
4. Aquí, se registró la traza del ECG utilizando el sistema de los productos de cerebro con el fin de obtener la información necesaria para la corrección del pulso artefacto. En la configuración estándar de la traza del ECG se registra por medio de un electrodo dedicado colocado en la parte posterior del sujeto. En nuestro laboratorio utilizamos también una solución no estándar, que emplea un vectrocardiogram para generar la traza cardíaca (esta solución sólo está disponible con el equipo de monitorización fisiológica de Philips). Hemos encontrado que esto puede ser útil si una traza limpia no se puede obtener utilizando el ECG convencional puesta a punto.

La figura 3 muestra la calidad de la señal que se espera cuando se ha realizado ninguna corrección artefacto. Está claro que cualquier actividad neuronal es oscurecida. Muestra la Figura 3C que el artefacto gradiente se produce a frecuencias diferentes, que son armónicos de la frecuencia de adquisición rebanada en la secuencia de resonancia magnética funcional, que abarca toda la gama de frecuencias de la grabación. Figura 4 muestra el pulso artefacto que se pone de manifiesto una vez que el artefacto gradiente se ha eliminado mediante el método de post-procesamiento de media artefacto resta en el Analizador de 2 (versión 2.0.2). Está claro que hay una considerable variación espacial de este artefacto y que O1, uno de los canales de interés para este experimento visual, muestra una particular gran artefacto de pulso. Este artefacto tiene una frecuencia más baja que el artefacto gradiente (principalmente por debajo de 10 Hz - la figura 4C) y está vinculada a la actividad cardíaca La Figura 5 muestra. la calidad de los datos de EEG que se puede lograr después de gradiente y la corrección del pulso artefacto; aquí el pulso artefacto se corrigió usando promedio artefacto resta en el Analizador de 2 y los R-picos de la forma de onda cardiaca se detecta a partir de la traza del ECG. Es claro que la amplitud de las señales restantes son mucho más pequeñas y por lo tanto las señales neuronales ya no son oscurecida, como se muestra por las respuestas evocadas obtenidos en las Figuras 6 y 7. Figura 6 muestra una típica respuesta evocada producido por un promedio de 300 a través de todos los estímulos. Sin embargo, la variabilidad de esta respuesta a través de bloques puede verse en la Figura 7 y es esta variación natural e impredecible en las respuestas neuronales que pueden ser usados ​​para interrogar a las correlaciones entre las respuestas BOLD y EEG cuando se han realizado grabaciones simultáneas.

s/ftp_upload/50283/50283fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50283/50283fig1.jpg "/>
Figura 1. Un diagrama esquemático de la puesta a punto de los equipos de EEG y las conexiones necesarias entre el hardware, tal como se describe en el protocolo. Haz clic aquí para ver más grande la figura .

Figura 2. Transformada de Fourier de la señal recogida sobre un tema que permanecer inmóvil con las bombas criogénicas encendido (rojo) y desactivación (negro) para un canal representativo (P7).

datos de EEG primas registraron durante la RMN simultánea en 16 canales diferentes (A). centrándose en 5 segundos de datos de Oz (B). con la correspondiente transformada de Fourier (C) Haga clic aquí para ver más grande la figura .

Figura 4 Diez segundos de datos de EEG registrados en 16 canales diferentes durante RM concurrente mostrados después de la corrección artefacto gradiente usando AAS en 16 canales diferentes (A);. Centradas en 5 segundos de datos de Oz (B); asociada con la transformada de Fourier (C Haga clic aquí para ver más grande la figura .

Figura 5. Diez segundos de datos de EEG registrados on16 canales diferentes durante fMRI concurrente, que se muestra después de gradiente y corrección artefacto pulso con AAS (A), se centra en 5 segundos de datos de Oz (B), con la correspondiente transformada de Fourier (C). Haga clic aquí para ver la cifra mayor .

Figura 7. Variación de la respuesta evocada a través de bloques de canal O1 (las respuestas se han promediado en los 30 seg bloques).

La producción de este artículo fue patrocinado por Brain Products GmbH. Pierluigi Castellone es un empleado del cerebro Products GmbH, que fabrica algunos instrumentos y software utilizados en este artículo.