Summary
Эта статья знакомит детей исследовательский протокол, призванных улучшить качество данных путем уменьшения движения головы во время педиатрических Магнитоэнцефалография (Мэг). Мы ознакомления семей с Мэг среды, обучать детей остаются по-прежнему с использованием тренажера Мэг, и исправить для остаточного движения головы артефактов с помощью системы обнаружения реального времени движения головы.
Abstract
Магнитоэнцефалография (Мэг) является методом неинвазивной нейровизуализации, непосредственно измеряет магнитные поля, производимые электрическую активность мозга человека. Мэг, тихий и менее вероятно побудить клаустрофобии, по сравнению с магнитно-резонансная томография (МРТ). Поэтому он является перспективным инструментом для исследования мозга у детей младшего возраста. Однако анализ данных Мэг из педиатрической населения часто осложняется артефакты движения головы, которые возникают вследствие требование для пространственно Исправлена сенсоров, что не прикреплена голова ребенка. Сведение к минимуму движения головы во время сессий Мег может быть особенно сложным, как маленьких детей зачастую не могут оставаться еще во время экспериментальных задач. Здесь представлены протокол стремится уменьшить артефакты движения головы во время педиатрических Мэг сканирование. До посещения лаборатории Мэг, семей обеспечены ресурсами, которые объясняют системы Мэг и экспериментальной процедуры простым, доступным языком. Мэг ознакомительные сессии проводится, во время которого дети знакомятся с исследователями и Мэг процедур. Затем они обучены держать голову еще в то время, как лежал внутри симулятор Мэг. Чтобы помочь детям чувствовать себя непринужденно в романе Мэг окружающей среды, все процедуры описаны через повествование космической миссии. Для сведения к минимуму движения головы из-за беспокойства, дети обучаются и оценены с использованием весело и привлечение экспериментальных парадигм. Кроме того Детская остаточных движения головы артефакты компенсируются во время сессии сбора данных, с помощью реального времени движения головы, системы слежения. Реализация этих ориентированных на детей процедур имеет важное значение для повышения качества данных, минимизации участник отсева в продольных исследований и обеспечение семей имеют положительные исследований опыт.
Introduction
Магнитоэнцефалография (Мэг) является Неинвазивная функциональная нейровизуализации техника, который измеряет магнитные поля, производимые электрическую активность мозга человека1,2. Мег предлагает отличные временным разрешением и превосходной пространственное разрешение, по сравнению с электроэнцефалографии (ЭЭГ) из-за отсутствия сигнала, размазывая из биологических тканей между источниками мозга и датчики. Кроме того Мэг не предполагает воздействия громких звуков, радиации или магнитные поля. Время быстрого и участники могут сопровождаться родителя или опекуна на протяжении тестирования. Взятые вместе, эти особенности делают Мэг перспективным инструментом для исследования развития типичные и нетипичные мозга в2маленьких детей.
Для измерения реакции мозга с помощью Мэг, участники исследования должны вставить их головы в шлем жилья массив фиксированной длины сверхпроводящих датчиков. Важно, что участники держит их головы по-прежнему на протяжении МГООС записи, как изменения в положении головы по отношению к датчики оба ухудшить распределение сигнал neuromagnetic и затрудняют точный источник оценки. Неточные источник оценки неизбежно приводит к неточные статистические выводы в источник питания, функциональные связи и анализа сети3.
Сведение к минимуму движения головы может быть особенно сложным во время педиатрических Мэг оценки для целого ряда причин. Во-первых оценки детей младшего возраста в системе взрослого Мэг проблематично, как детские головы гораздо меньше, чем у взрослых, и увеличение пространства между шлем и головы ребенка позволяет произвольные движения головой. Во-вторых, Роман окружающей среды Мег — большой машины запирают безоконных магнитно экранированные комнаты — может быть пугающим для детей младшего возраста, и движения головы может быть следствием волнений. В-третьих без подготовки, дети могут не в полной мере понять или соблюдать требования остаться еще на продолжительность эксперимента. Наконец дети имеют ограниченные возможности для терпеть скуки может оказаться что некоторые эксперименты, Мэг слишком долго или утомительным, что приводит к restlessness и руководитель движения артефактов.
Чтобы решить давнюю проблему движения головы в педиатрических исследованиях Мэг, эта статья представляет последние аппаратные и методологические достижения, реализованные в детскую Мэг протокол, используемый в (комплект-Маккуори мозга научно-исследовательская лаборатория Университет Маккуори, Сидней, Австралия). Как указано в предыдущем документе из этой лаборатории4, проблемы, связанные с использованием свободную взрослого размера шлема Дьюар были рассмотрены, установив мир первый, целом глава педиатрического Мэг системы с заказ шлем Дьюар лучше подходят руководители детей младшего возраста от приблизительно трех шести лет. Эта адаптация оборудования улучшает отношение сигнал шум, как датчики являются физически ближе, в среднем,5,головы ребенка6. Совсем недавно, Комплект-Маккуори мозга научно-исследовательская лаборатория разработала несколько новых и новаторских процедур для преодоления вышеупомянутых предшественников движения головы и тем самым повышения качества данных.
Все процедуры в этом протоколе описаны через повествование, в котором участник ребенок активно участвует в «астронавт космической миссии». Это повествование гарантирует, что ребенка Мэг исследовательский опыт не только менее пугающим, но тоже интересно. Внедрение этих процедур в детскую Мэг протокол имеет важное значение для повышения качества данных, минимизации участник отсева в продольных исследований и обеспечение семей имеют положительный опыт в их участия исследований.
Protocol
Этот протокол исследования был одобрен Комитет по этике человеческой исследований университета Маккуори.
1. Мэг ознакомительные ресурсы
- Предоставить ресурсы, чтобы узнать о Мег до посещения лаборатории Мэг, например детскую научной статьи7 , объясняя Мэг и MSR, история Совет подробно шаги, необходимые для завершения эксперимента Мэг семей (например, Дополнительная цифра 1 и Мэг информационный бюллетень для родителей или опекунов (например, дополнительный рисунок 2).
2. Мэг ознакомительные сессии
Примечание: Ознакомительные сессии обычно длится 30 мин, включая введение в MSR (5 минут), практика оцифровку (5 мин) и Мэг тренажерной подготовки, включая практику экспериментальной задачи (20 мин). Проводить ознакомительные сессии от одного до семи дней до сбора данных.
-
MSR введение
- Возьмите ребенка на экскурсию по MSR («космический корабль»), который оформлен в связанных с космосом стены искусства для укрепления Миссии тема космоса.
- Попросите ребенка, чтобы практиковать лежа обратно с головой в шлеме Дьюара.
- Расскажите ребенку лежать неподвижно, как возможно, чтобы корабль остается на курс и может достигать своей конечной цели.
-
Оцифровка:
- Сиденье ребенка на высоком стуле и подходят им с полиэфирной купальную шапочку («астронавт шлем»), содержащий пять катушек маркер. Адаптировать свободную шапки путем складывать вверх по бокам. Примечание: Катушек отправлять данные в группу отслеживания непрерывного движения.
- Разместите передатчик и три приемники вокруг шеи ребенка.
- Попросите ребенка, чтобы продемонстрировать свои лучшие позы «статуя» и предлагают частые положительное подкрепление, когда они остаются до сих пор.
Примечание: Это служит для сведения к минимуму движения головы во время преобразования в цифровую форму, которая может нанести ущерб точности последующего совместного регистрации с Мэг датчики8. - Используйте перо планшета (см. Таблицы материалы), чтобы записать позицию трех координатных точек (Насьон и слева и справа предварительно аурикулярных точек) и пяти маркер катушек, а также форма поверхности головы. Примечание: Эти данные используется для позднее определить положение головы ребенка по отношению к Мег датчиков.
- Удалите крышку, передатчик и трех приемников из шеи ребенка.
-
Мэг симулятор:
- Возьмите ребенка в комнату, жилье Мэг симулятор (см. Таблицу материалов и шаги 9 и 10 в дополнительных рис. 1), полноразмерная реплика Мэг системы. Мэг симулятор украшают пространство тематические стикеры и оснащен макет шлем Дьюар, кровать, поле кнопки и для визуальных дисплеев, экран расположен выше макет Дьюар
- Кратко опишите Мэг, сканирование процедуры (то есть, лежа еще и участвуя в практику экспериментальной задачи) через повествование о практике космической миссии.
- Соответствовать «астронавт шлем» ребенка — полиэстер купальную шапочку, который имеет детектор движения, придает на фронте (см. Таблицу материалы).
- Приглашаем детей лежат в тренажер и смотреть видео по их выбору. Если ребенок появляется нервной, сначала продемонстрировать экспериментальной процедуры с игрушкой.
Примечание: Всякий раз, когда движения головы ребенка превышает заранее определенного порогового значения (например, 5 мм), система отслеживания движения (см. Таблицу материалы) автоматически поставить видео на паузу и подождать экспериментатор вручную перезапустить видео и восстановить базовые движения. - Когда ребенок завершает эту часть тренажерной подготовки, давать ребенку с обучением на экспериментальной задачи, используя отдельный набор уникальных раздражителей.
- В конце задачи обучения предлагают ребенка сертификат подготовки космонавта.
3. Мэг данных приобретение сессия
Примечание: Сессии приобретение данных обычно длится около 30 мин, включая оцифровки (5 мин), Настройка участник внутри MSR (5 мин) и сбора данных (примерно 20 минут, в зависимости от длины экспериментальная парадигма).
-
Предварительные процедуры
- Проведение 30-к-60 s пустой комнате записи около 15 минут, прежде чем ребенок прибыл для выявления любых значительных внешних шумов, которое обнаруживается Мэг системы8.
- Когда ребенок приходит, подтвердить, что они не носить любой магнитный материал на их одежде или перевозки любого в их тела, как магнитные материалы могут искажать сигнал Мэг (см. Рисунок 1B в качестве примера сигнал шум благодаря металла на участник).
Примечание: Если родитель или опекун желает сопровождать их ребенка внутри MSR, удаление магнитных материалов относится к ним тоже.
-
Оцифровка
- Проверьте, нужно ли ребенок ходить в туалет перед началом оцифровки, как после завершения шага дискретизации, колпачок нельзя удалить до завершения сессии приобретение Мэг.
- Повторите процедуру оцифровки, изложенные в предыдущем разделе «Мэг ознакомительные сессии».
Примечание: Если колпачок движется более чем 5 мм на протяжении эксперимента, выполните второй оцифровки в конце эксперимента
-
MSR set-up
- Возьмите ребенка в MSR («космический корабль»).
Примечание: Для этой процедуры требуются два исследователя — один для сопровождения ребенка внутри MSR как исследователь «помощник» (наряду с родитель или опекун, если это необходимо) и один для запуска сбора данных Мэг за пределами MSR как «главный исследователь». MSR set-up обычно занимает 5 минут. - Настройка оборудования внутри MSR (ассистент-исследователь)
- Попросите ребенка, чтобы поместить их головы в шлем Дьюара.
- Убедитесь, что голова ребенка централизованно выравнивается, таким образом, что Корона головку как можно ближе к задней части шлема Дьюар без прикосновения.
- Убедитесь, что ребенок не комфортно, спокойно и остается по-прежнему, как возможно во время записи Мэг.
- Во время настройки Держите ребенка развлекали, играя в видео по их выбору на экране выше Дьюара.
- Настройка оборудования вне MSR (главный исследователь)
- Проводить измерения катушки предварительного experiment/Базовый маркер для записи начального головы позиция в отношении шлем Дьюара.
- Проведение совместного регистрации датчик массив, используя измерения катушки первоначальный маркер и оцифровывание данных форма головы и головы ребенка.
Примечание: Эти подготовительные измерения включить визуальный осмотр головки внутри сосуда Дьюара для обеспечения, что голова ребенка правильно. Если эти условия не выполняются, пересмотреть позицию ребенка и проведения другой сопредседатель регистрации перед началом сбора данных.
- Возьмите ребенка в MSR («космический корабль»).
-
Сбор данных
- Однажды удовлетворены головы позиция в отношении шлем Дьюар, начать запись Мэг и экспериментальных задач.
- Запись текущих движений головы с педиатрического Мэг программное обеспечение системы под названием реального времени руководитель движения (ReTHM)9.
-
Прекращение эксперимента
- По завершении экспериментальных задач отключите ReTHM и конец записи Мэг. Проведение измерения после эксперимента маркер катушки для измерения окончательный головы позиция в отношении шлем Дьюара.
Примечание: Это измерение содержит простой визуальный осмотр общей головы движений во время эксперимента. - Предлагаем ребенку подарок сумку («комплект астронавта») за их участие и вознаграждения семьи для своего времени и путевых расходов.
- По завершении экспериментальных задач отключите ReTHM и конец записи Мэг. Проведение измерения после эксперимента маркер катушки для измерения окончательный головы позиция в отношении шлем Дьюара.
Representative Results
Общие Магнитоэнцефалография сигналы
Общие Мэг сигналы будут отображены на рисунке 1, включая нормальное Мэг сигнал (рис. 1А), а также Мэг сигнал шум благодаря металла на участника (рис. 1Б), в этом случае разблокировать датчики, открыть дверцу MSR и Попросите участников для удаления любых металлов из их тела, а затем взять металлический объект из MSR и выполнить авто tune до повторения процедуры, изложенные в разделе 3.5; помехи от электронное устройство (рис. 1C, чаще всего с мобильного телефона), в котором случае очередь с любых электронных устройств или переместить их от MSR; загибаемым челюсти (рис. 1D), в этом случае напомнить участникам расслабиться их челюсти в течение всего Мэг записи; Альфа-волны (Рисунок 1E; определяются непрерывной волны 8-12 в интервале 1 s), в этом случае убедитесь, что участник не спит (это прекрасно, чтобы продолжить, если они просыпаются); и захваченных магнитного потока (рис. 1F); в этом случае разблокировать датчиков и включите катушки нагреватели 5 мин. Если поток сохраняется после последующих-автотюнинг, Марк пострадавших канала для удаления из последующего анализа данных.
Глава движения во время сбора данных
Педиатрическая Мэг данные до и после коррекции ReTHM отображается на рисунке 2. Данные были собраны из трех летний мальчик, который пассивно слушал слуховые сигналы для 15 мин данных был де шумами10, полосовая фильтрация11 (1-15 Гц), базовый исправлены и в среднем. Корень значит квадрат (RMS) магнитные волны (в правой колонке) были рассчитаны от всех датчиков. Усредненные движения головы в сканер были 44.3 мм. Как видно, ReTHM компенсацию за артефактов, связанных с движением, что приводит к более фокуса isofield контурные карты (на пике RMS сигналов; (A), менее искаженной RMS магнитные волны (B) и более значимые реконструкция источник (C) в двусторонних слуховой лопастями.
Рисунок 1 : Примеры общих сигналов Мэг. (A) нормальный Мэг сигнал. (B-F) Мэг сигнал шум благодаря металла (B) на участника (в частности, шума, вызванного небольшой пряжки на ремень синглетно), (C) помехи от электронное устройство, (D) загибаемым челюсть, Альфа-волны (E) и (F) ловушке магнитного потока. Для панелей, C, E и F, шкала времени на оси x находится в 10-секундные интервалы, и амплитуда шкалы на оси y 32768 А/д пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 . Педиатрическая Мэг данные до и после коррекции реального времени руководитель движения (ReTHM). Данных была собрана из трех летний мальчик, который пассивно слушал слуховые сигналы для 15 мин средняя сканера движения головы были 44.3 mm. (A) более целенаправленной isofield контурные карты на пике сигналов Среднее квадратическое (RMS); (B) менее искаженной RMS магнитные волны и (C) более значимый источник реконструкции в двусторонних слуховой лопастями выявлены после коррекции ReTHM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительные рисунок 1: История доска изложением 10 простых шагов для завершения «обучение астронавт» (то есть, Мэг эксперимент). Это отправляется в семей до посещения Мэг лаборатории для того, чтобы направлять детей ожидания для приобретения сессии, а также построить волнение в ожидании «астронавт обучения». На день приобретения данных дети следовать за историей в ходе эксперимента и собирать марки после завершения каждого шага. Фотографии, воспроизводится с сообщил письменного согласия родителей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 2: Мэг информационный бюллетень для родителей или опекунов, объясняя Мэг, MSR, что ожидать на день приобретения данных и что надеть. Фотография, воспроизводится с сообщил письменного согласия родителей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
В последние годы Мэг был создан как ценный неинвазивные нейровизуализации техника для изучения нейронных механизмов, лежащих в основе развития мозга1. Однако движения головы в сканер представляют пресловутый барьер для получения хорошего качества данных Мэг, особенно при оценке педиатрической населения. Для преодоления этой проблемы, эта статья представил педиатрических Мэг исследовательский протокол, который опирается на процедуры, изложенные в предыдущем документе от KIT-Маккуори мозга научно-исследовательская лаборатория 4.
Критических процедуры включают в себя (1) предоставление детям с Мэг ознакомительные ресурсы, от которых они могут узнать о Мег эксперимент до посещения лаборатории, которые включают в себя детскую исследования статьи7 объясняя Мэг системы и Экранирование номер (MSR), доски рассказа с изложением 10 простых шагов для завершения эксперимента Мэг (дополнительная цифра 1) и Мэг информационный бюллетень для родителей и воспитателей (дополнительная цифра 2); (2) предшествующей сессии приобретение Мэг с ознакомительные сессии, которой дети знакомы с процедурами, Мэг и обучены держать их головы до сих пор пока лежал внутри симулятор МГООС; (3) с помощью пассивной или «gamified» экспериментальных парадигм для сведения к минимуму движения головы из-за скуки и беспокойства; и (4) отслеживания текущих движений головы во время сбора данных через Интернет с помощью системы реального времени руководитель движения (ReTHM)9. Данные, полученные от ReTHM может использоваться для проведения автономных коррекции артефактов движения головы, когда Предварительная обработка данных Мэг.
Приобретение высококачественных Мэг данных критически зависит от ребенка, чувствуя в покое в среде Роман Мэг. Чтобы способствовать чувство легкости, исследователи предлагается посвятить время ознакомления детей и их семей с Мэг окружающей среды и процедур до начала сбора данных. Это может быть достигнуто путем предлагать детям и их родителям Мэг ресурсов, которые объясняют Мэг процедуры простым, доступным языком. Кроме того семьи могут приглашение посетить Мэг лаборатории перед сессией приобретение данных для удовлетворения исследователи и практики Мэг процедуры тестирования. Путем обучения на тренажере Мэг, дети учатся неявно важность сохранения их головы до сих пор пока лежал в МГООС. В то время как Мэг ознакомления требует как исследователей, так и семьям посвятить дополнительное время для процесса сбора данных, преимущества улучшения качества данных Мэг, а так же минимизировать время и стоимость проведения последующих Мэг данных приобретение сессий, пожалуй, перевешивает этот недостаток. Кроме того производительности и соответствия ознакомительные сессии может использоваться для указать, является ли ребенок или пригласить обратно для сеанса приобретение фактических данных Мэг не подходит.
Чтобы свести к минимуму движения головой в сканер из-за беспокойства, предпочтительно использовать пассивный экспериментальной парадигмы, которая не требует инструкций, открытой внимания или активное участие. Например надежная вызвал ответ можно получить с слуховой чудак парадигмы12, которой участник пассивно прослушивает последовательность слуховой тонов время развлекали немого видео. Для исследований, требующих открытой реакции исследователь следует стремиться внедрять экспериментальные задачи в привлечение игра стиле парадигмы11. Это улучшает сотрудничество и уменьшает беспокойство во время задачи. В визуальные эксперименты использование Мег совместимых глаз трекер влечет за собой немного дополнительной настройки времени, но необходимости в обеспечении того, что дети зациклена на позиции визуальный стимул13.
Любые остаточные движения головы артефакты могут быть исправлены для использования в реальном времени движения головы отслеживания. Например, данные, полученные от ReTHM можно в файле записи Мэг и используется для компенсации движения головы во время сбора данных таким образом, что голова к датчик локализации могут быть восстановлены до уровня до движения для оптимального источника реконструкция, которая имеет важное значение для последующих исходного уровня данных анализирует14.
Осуществление этого протокола стремится улучшить качество педиатрической Мэг данных, свести к минимуму участник отсева в продольных исследований и обеспечить, чтобы семьи имели приятный опыт участия исследований Мэг, с главной целью улучшение нашего понимания раннего развития мозга в типичные и нетипичные популяциях.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Австралийский исследовательский совет предоставляет CE110001021, DP170103148 и DP170102407. Он Вэй была поддержана стипендии исследований университета Маккуори (Ситовеечной, Ирис проекта: 9201501199). Ханна-Рапапорт поддержали правительство Австралии исследований учебная программа (RTP) и стипендию передового опыта исследований университета Маккуори (MQRES). Роберт А Симор был поддержан PhD стипендии от Aston University, Бирмингем, Великобритания и Университет Маккуори, Сидней, Австралия. Пол F. Sowman было поддержано национального здравоохранения и медицинских исследований Совета (1003760) и Австралийский исследовательский совет (DE130100868). Авторы признают сотрудничество с Канадзава института технологии и Yokogawa Electric Corporation в создании научно-исследовательская лаборатория Кит-Маккуори мозга.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 5 marker Coil set | Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan | PQ11MKA | |
| Fastrak Digitizer – 3D | Polhemus Cochester, VT, USA | 1A0383-001 | Pen digitizer |
| Magnetoencephalography (MEG) | Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan | PQ1160C | |
| MEG simulator | Fino, NSW, Australia | ||
| MoTrack system | Psychological Software Tools, PA, USA | MTK-09314-1307 | Motion tracking system |
| Polyester caps | Speedo | N/A | product code: SPE11733.435 |
References
- Baillet, S. Magnetoencephalography for brain electrophysiology and imaging. Nature Neuroscience. 20, 327-339 (2017).
- Gaetz, W., et al. Magnetoencephalography for clinical pediatrics: Recent advances in hardware, hethods, and clinical applications. Journal of Pediatric Epilepsy. 04, 139-155 (2015).
- Stolk, A., Todorovic, A., Schoffelen, J. -M., Oostenveld, R. Online and offline tools for head movement compensation in MEG. Neuroimage. 68, 39-48 (2013).
- Tesan, G., Johnson, B. W., Reid, M., Thornton, R., Crain, S. Measurement Of Neuromagnetic brain function in pre-school children with custom sized MEG. Journal of Visualized Experiments. (36), 2923-2934 (2010).
- Johnson, B. W., Crain, S., Thornton, R., Tesan, G., Reid, M. Measurement of brain function in pre-school children using a custom sized whole-head MEG sensor array. Clinical Neurophysiology. 121, 340-349 (2010).
- He, W., Brock, J., Johnson, B. W. Face-sensitive brain responses measured from a four-year-old child with a custom-sized child MEG system. Journal of Neuroscience Methods. 222, 213-217 (2014).
- Brock, J., Sowman, P. Meg for kids: listening to your brain with super-cool SQUIDs. Frontiers for Young Minds. 2, 10-13 (2014).
- Gross, J., et al. Good practice for conducting and reporting MEG research. Neuroimage. 65, 349-363 (2013).
- Oyama, D., et al. Real-Time coil position monitoring system for biomagnetic measurements. Physics Procedia. 36, 280-285 (2012).
- de Cheveigné, A., Simon, J. Z. Denoising based on spatial filtering. Journal of Neuroscience Methods. 171, 331-339 (2008).
- Cheyne, D., Jobst, C., Tesan, G., Crain, S., Johnson, B. Movement-related neuromagnetic fields in preschool age children. Human Brain Mapping. 35, 4858-4875 (2014).
- Näätänen, R., Pakarinen, S., Rinne, T., Takegata, R. The mismatch negativity (MMN): towards the optimal paradigm. Clinical Neurophysiology. 115, 140-144 (2004).
- He, W., Brock, J., Johnson, B. W. Face processing in the brains of pre-school aged children measured with MEG. Neuroimage. 106, 317-327 (2015).
- Wehner, D. T., Hämäläinen, M. S., Mody, M., Ahlfors, S. P. Head movements of children in MEG: quantification, effects on source estimation, and compensation. Neuroimage. 40, 541-550 (2008).
