同時脳波と機能MRIにおける脳波データの確実な取得

機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、電気的事象中の血中酸素レベル依存性(BOLD)変化を測定することにより、血行力学的応答を通して神経活動の尺度を提供します。同時脳波(EEG)とfMRI(EEG-fMRI)は、頭皮EEG(良好な時間分解能)とfMRI(良好な空間分解能)の相乗特性を組み合わせた非侵襲的な研究ツールであり、EEGで検出可能な電写イベントの生成を担う部位のより良い局在化を可能にする。てんかん分野^1,2での使用のために1990年代に初めて開発され、2000年代^3、4以降、神経科学研究に用いられている。安全性に関する知識の増加⁵および脳科学^3,6,7,8,9,10上の MRI 誘発物品の除去技術の継続的な開発に伴い、現在、神経科学と臨床研究¹¹の両方で広く利用されているツールです。

EEG-fMRIは、研究課題に応じて、安静時またはタスク中に取得されます。一般に、休止状態取得は、特定の脳波機能の生成に関与する構造(例えば、波形、リズム、周波数、パワー)の同定を可能にし、可変的な自発的脳活動¹¹を理解するのに役立つ。多くの神経科学研究および最も臨床研究、特にてんかん¹²上のもの、安静時の脳G-fMRIを取得する¹¹.タスクベースの取得により、特定のタスクに割り当てられた、または関連する脳領域と脳の電気的活動を識別することができ、タスクに関連する電気的活動と脳領域との間のリンクを確立するのに役立ちます。タスクベースの取得は、主に神経科学研究¹¹およびいくつかの臨床研究¹³で利用される。ほとんどのタスクベースの EEG-fMRI 取得では、イベント関連の設計が使用されます。EEGとfMRIデータの統合に使用されるモデリングのタイプは、タスク¹⁴の設計において効率または検出力を最大化すべきかどうかを決定する。タスクデザインの詳細については、メノンらの¹⁴と劉ら^15、16の研究を参照してください。

EEG-fMRI中のデータ取得は簡単に見えるかもしれませんが、準備は経験が要求されます。データ取得のための適切な準備を導くプロトコルは、安全性と歩留まり(すなわち、分析可能で信頼性の高いデータ)の両方を確保するために重要です。MRI誘導性EEGアーティファクトを除去する様々な技術が存在するにもかかわらず、記録されたEEGの矛盾したアーティファクト、特に電線や被験者の総運動の機械誘発振動に関連するものは、完全に除去することは依然として困難である。したがって、これらのアーティファクトは、データの取得中に最小化する必要があります。

この記事は、容易に入手可能なMRI対応医療製品を利用する簡単なプロトコルを提示します。このプロトコルは、データ品質、特にEEG-fMRI研究の成功の鍵となるEEGデータの品質を確保するための重要なステップを提供します。このプロトコルは、モントリオール神経研究所^12、17のEEG-fMRI研究チームの20年間の経験に基づいて開発され、経験の浅いオペレーターと専門家の両方のオペレーターに利益をもたらす大阪大学での使用のためにさらに変更されました。

大阪大学病院の研究倫理委員会と情報・ニューラルネットワークセンター(CiNET)の安全委員会が議定書を承認した(大阪大学病院承認第18265、19259年;CiNET承認の2002210020と2002120020)。すべての被験者は、彼らの参加のための書面によるインフォームド・コンセントを提供しました。

1. 実験の準備

1. MRI対応のEEGおよびバイポーラアンプをバッテリパック(完全に充電されていることを確認)と記録コンピュータに接続します。
2. 記録ソフトウェアのワークスペースが正しく設定されていることを確認します。増幅の飽和を避けるために振幅分解能を0.5 μVに設定します。目的の周波数帯域に応じて周波数フィルタを設定します。目的の周波数帯域に関係なく、サンプリングレートを5,000 Hz(このプロトコルで使用されるアンプの最大可能)に設定します。
   注:0.5 μVの振幅分解能は、勾配アーティファクトを記録するのに十分な16.38mVの最大値に対応し、グラディエントアーティファクトは、自然頭皮EEG(約10〜100μV)の振幅に高速で100倍以上(進行中のEEGの変化速度よりも>1,000倍)を超える振幅に達する可能性があることを考慮すると、グラエントアーティファクトを記録するのに十分です。理論的には、サンプリングレートは、高周波勾配切換アーティファクトを正確にサンプリングし、その後の除去^12,18に対する各ボリュームの勾配活性の真の発症を検出するために、勾配切りスペクトルにおける最も高い周波数の少なくとも2倍(ナイキスト定理)であるべきである。ただし、サンプルレートを大きくするとファイルサイズが大きくなり、データストレージに多大な投資が必要になり、後続の処理が妨げられる可能性があります。同期デバイスを使用すると、サンプルレートを上げて、EEGとMRクロックの同期を改善する必要がなくなります(ステップ1.4を参照)。5,000 Hzのサンプリングレートは、通常のEEG/イベント関連ポテンシャル(ERP)記録に適しており、その後のアーティファクト補正プロセスは、データのサンプリングを500 Hz以下の周波数に抑え、ローパスフィルタリングを追加するため、^データ品質が向上しません。
3. MRIのEEG取得に必要な録音ソフトウェアの適切な設定については、マニュアルを参照してください。
4. スキャナのマーカー、すなわちクロック同期用マーカー(デフォルトでは同期)とボリュームトリガ(デフォルトではR128)が定期的にオンラインEEG記録に表示されているかを確認します。ディスプレイ上の同期は MRI スキャナと EEG クロックが同期されていることを示し、R128 は後続処理のためにボリューム トリガが記録されることを示します。MRI スキャナと EEG クロックは、同期デバイスを使用して同期され、スキャナ クロック出力 (通常は 10 MHz 以上)、ダウンサンプルを検出し、クロック信号 (および同期マーカー) を USB2 インターフェイスに出力します。
   メモ:USB2インターフェイスは、スキャナクロック信号に位相ロックされているすべてのアンプから記録コンピュータ¹⁸にEEGデータを送信します。マーカー上の周期的な同期は、MRスキャナレートによってEEG信号サンプリングを同期するためにスキャナ電気パルスから生成されるトリガであり、スキャナアーティファクト補正の必要条件である。ボリュームトリガーは、オフラインの EEG 処理¹⁹の間にスキャナーアーティファクトの修正のための MR ボリューム スキャンの開始時刻を識別するために使用されます。
5. 必要と可用性に応じて MRI スキャナーをセットアップします。RF加熱のリスクを最小限に抑えるために、送信および受信ヘッド無線周波数(RF)コイルを使用するのが最適です。しかし、送信および受信ヘッドコイルが使用されているスキャナ(通常はほとんどのスキャナの場合)に使用できなかったため、全身送信RFコイルと20チャンネルヘッド受信RFコイルのみがここで使用されました。
6. 10 mL のシリンジ (または必要に応じて数個) を、EEG キャップの塗布用に研磨性導電性ゲルに積み込みます。1つは、流体分配のための50 mL大容量プラスチック注射器に研磨ゲルをプリロードし、被験者の到着前にゲルで10 mLシリンジを満たすことができる。
   注:32チャネルのEEGキャップの適用は、通常、ゲルの約20〜25 mLを消費します。

2. EEGキャップとECG電極の塗布

1. 採用時には、MRIに対する潜在的な禁忌のチェックリストを記入するよう被験者に依頼してください。到着前にMRIに対する禁忌がないことを確認してください。
   注: 一般に、MRIの資格を持つ被験者は、EEG-fMRI研究に参加することができます。除外基準は、非協力的または非準拠の科目です。基礎的な状態(例えば、慢性腰痛)を有するものは、一定期間(典型的には少なくとも1時間)の間、仰向けに横たわるのを防ぎます。またはスキャン中にMRIテーブルにまだ横たわることができない可能性のある被験者。動きは、EEGとfMRIデータの両方の品質を妨げるだけでなく、被験者自身に潜在的な危険を課す(例えば、刺激を引き起こす可能性のあるワイヤーやケーブルの電流を誘導する)。タスクベースの取得の場合、対象者の言語理解能力も考慮する必要があります(指示を理解できない科目は避けてください)。本研究では、32人の健康なボランティア(平均年齢、40歳、17人の女性)とてんかん患者25人(平均年齢、31歳、13人の女性)が募集された。
2. 到着前にコンディショナーやワックスなしでシャンプーで髪を洗うように被験者に依頼してください。
3. 実験の目的と次のステップを被験者に説明する。
4. 頭周(すなわち後頭前周)を、眼窩上の尾根と八接線の上に頭の周りに柔軟な伸縮性のない測定テープを巻き付けて測定し、適当なサイズのキャップを選択します。頭周より1cm大きいキャップを使用し、キャップが一度置かれたら快適であるかどうかを常に被験者に尋ねます(すなわち、きつすぎない)。
5. 被写体の頭部の上にキャップを置いた後、同じ測定テープを使用して、咬合部から鼻の橋に伸びる頭の正線上の弧と定義されるイニオンナシオイン弧の長さと、イニオンナシオの中間点を横切る耳の間を伸びる円弧として定義される直交円弧、アーク、アーク キャップの上に。イニオン-ナシオンアークと円弧(両方のアークの中間点が交わる点、AKA Cz)をマークし、キャップをヘッド上にスライドさせて、電極Czの位置がこの交差点に合わせるようにします。電極Fz、Pz、Oz、リファレンス、グランドがイニオン-ナションアークの上に配置されているかどうかを手動で確認して、キャップが水平に回転しないようにします。
6. 綿棒の裏を使用して、電極の側面に髪を置き換えることによって、各電極の下の皮膚を露出させます。
7. 電極の開口部を通して置かれた70%のアルコール溶液を含む綿棒を素早く回転させることによって、各電極の下の皮膚をこすります。
8. 開口に少量の研磨導電ゲル(約0.2mL)を塗布し、同様の方法で綿棒を素早く回転させることで肌を擦り荒らします。
9. 電極のインピーダンス(記録ソフトで表示)を監視し、少なくとも20kΩ20以下のインピーダンスが落ちるまでステップ2.8に記載されているように摩耗を繰り返し、好ましくは可能な限り低く(5kΩ以下^)21。
10. インピーダンスが満足できるものになったら、同じゲル(通常〜0.5 mL)で開口部を充填します。電極間のブリッジングを避けるために、開口部に過度のゲルを塗布しないでください。研磨を繰り返してもインピーダンスが不十分な場合は次の電極に移動し、時にはインピーダンスがゲルを塗布した後、時間とともに低下し続けるので、後で戻ってきます。
11. 頭皮のEEG電極のすべてに対して、手順2.6-2.9を繰り返します。
12. ECG電極を後ろに置く前に、首を曲げずに直立して座るように被験者に依頼してください。
13. ECG電極を後ろに置く際はECG電極がまっすぐであることを確認するが、首のカーブに沿ってECG電極線を敷設するための一定の許容量を保ち、被験者がMRIテーブルに横たわったときに電極の変位を避ける。中央の毛皮から2〜3cmのECG電極を置き、これは背中の正中線に沿って垂直のインデントとして識別することができます。垂直方向の位置は、被写体の高さによって異なります。それは典型的には、約160cmの被写体における肩甲骨の先端の間に延びる線の下背部に位置する。
14. アルコール綿棒でECG電極の下の皮膚をこすります。
15. 両面接着リングを使用してECG電極を皮膚に取り付け、手順2.8~2.9を繰り返します。接着リングは、皮膚との電極の直接接触を避けるためにパディングとしても機能します。
16. ドライアルコール綿棒を4つに折り、ECG電極に置きます。外科用テープ(医療用粘着テープ)を使用して皮膚にテープを貼ります。ECG電極ワイヤーを肩まで皮膚にテープで貼り付けます。

3. カーボンワイヤループを適用する(バイポーラアンプが利用可能な場合)

1. ワイヤーの束がヘッドの上部の電極の束と平行に来るように、キャップの上に6つのループ(直径10cm)からなるプレ編み炭素線(直径1mm)9のセットを置きます。
2. 外科テープ(1 x 2 cm)を使用して電極の周りのループを固定し、ループがほぼ等しい領域(すなわち、前頭側側、テンポロ後頭部、後頭部、頂点の両方)を均等に覆う各ループで頭を覆う。また、該当する場合は、ループをEEGキャップに縫い付けることもできます。
   メモ:頭部のカーボンワイヤーループは、バレストカルジオグラフ(BCG)を含む動きをキャプチャするのに役立ちます。これらの信号は、オフラインのEEG処理⁹中に、EEGからBCGアーティファクトを除去するために使用されます。

4. キャップとカーボンワイヤループの確保

1. EEG電極がループを形成していないことを確認してください。
2. 被験者の頭部を、EEGキャップとカーボンループの上に弾性包帯で包みます。包帯は、皮膚にEEG電極をしっかりと押し付け、MRI機械による電極の振動を低減し、被験者をMRスキャナの内側に置くときにゲルが枕にこぼれるのを防ぐ役割を果たす(ステップ5参照)。
3. 包帯を適用しながら、被験者が頭部に不快な圧力を感じるかどうかを尋ねることによって、包帯がすべての電極を覆い、あまりにもタイトではないことを確認してください。

5. MRスキャナに被写体を配置する

1. 休止状態取得の場合、被験者に耳にMRI互換イヤホンを塗布するように指示する。タスクベースの取得の場合、実験の要件に従ってMRI対応ヘッドセットまたはイヤホンを適用するように被験者に指示する。ヘッドセットまたはイヤホンの両側から被写体が聞こえるようにします。
2. 被験者に横になって、頭をコイルに入れる前に、ヘッドコイルの下半分にMRI対応のフラットメモリフォームピローを置きます。
3. ヘッドを適宜配置した後(ヘッドコイルの上部にできるだけ近くに置くヘッドの上部)、電極とカーボンワイヤ束をヘッドコイルの上部開口部を通してまっすぐに配置します。
4. 頭、額、および時間領域の上部にメモリ フォーム枕を追加します。枕は、被験者の頭をしっかりと圧縮しすぎないように、ヘッドコイル内に残っているすべてのスペースを適切に埋める必要があります。
   1. ヘッドコイルの上半分を配置しながら、コイルを閉じながら、枕がヘッドを圧迫していないことを確認してください。枕を調整するか、きつすぎる場合は小さなサイズの枕に変更します。このようにして、枕は電極ワイヤーを保持して、電極ワイヤのMRI機械による振動を減らし、スキャン中に被験者の快適さを維持しながらヘッドの動きを抑制する役割を果たす。
   2. ECG電極ワイヤーが枕と首の間によく挟まれるように、首の後ろに半分のシリンダー形状のメモリフォーム枕を置きます。肩の後ろを通過するECG電極線の部分は、実際に被験者の背部とMRIテーブルの間に挟まれ、したがって被験者自身の重量によって固定される。
5. タスクベースの取得の場合、すべてのメモリフォーム枕を配置した後、被験者がまだヘッドセットまたはイヤホンの両側を通して聞こえる場合は、ヘッドセットまたはイヤホンを再びテストすることによって、ヘッドセットまたはイヤホンが変位しないことを確認してください。ヘッドコイルを閉じた後、ミラーを配置し、対象にミラーを調整するように指示します(視覚刺激を必要とするタスクの場合)。MRIボアのアイソセンターに被験者の頭部を配置するためにテーブルを移動した後、必要に応じてミラーを調整するように被験者に指示する。
6. 提供された光ファイバーを使用して、MRIボアの背面に配置されたアンプをコンソールルームに設置した記録コンピュータに接続します。
7. EEG/ECG電極とカーボンワイヤループを、MRIボアの背面にあるEEGとバイポーラアンプに接続した後、アンプのスイッチをオンにします。繰り返しますが、すべての電極のインピーダンスを確認して、まだ低い(少なくとも20 kΩ以下)ことを確認してください。インピーダンスの高い電極がある場合は、MRスキャナから被験者を取り外して調整します。

6. ワイヤとアンプの構成

1. ヘッドコイルの上部開口の出口とアンプ(電極とカーボンワイヤ束、コネクタボックス、リボンワイヤを含む)の間のすべてのワイヤを、MRIボアの中央にまっすぐに配置するように配置します。これは、MRI誘導電流を最小限に抑えるために重要です。
2. EEG/ECG電極コネクタボックスからアンプに向かう1本のカーボンワイヤループをリボンケーブルの周りに配置し、すべてのカーボンワイヤループ(ステップ5.7を参照)をバイポーラアンプ(EXG MR)の入力ボックスに接続します。このループは、主にヘリウムポンプ9によって引き起こされる振動を捕捉するのに役立^つ。
3. MRI機械による振動を最小限に抑えるために、ヘッドコイルとアンプの上部開口部の出口の間に沿ってMR-セーフおよび非強磁性のサンドバッグでそれらすべてを挟んでワイヤーを固定化します。また、アンプにサンドバッグを置きます。これらのサンドバッグは、測定330ミリメートルx 240ミリメートルx 50ミリメートルと4キロの重量を量る、EEGメーカーによって供給されています。
4. アンプを磁石のボアの外に置きます。

7. EEG-fMRI データ取得

1. 取得中に不要な被写体の動きを避けるために、被験者がスキャナルームを出る前に位置決めに慣れかけていることを確認してください。必要に応じてアラームボタンを押すよう被験者に指示する(すなわち、緊急時や被験者が不快な感覚を感じた場合)。コンソールルームから件名と通信して、被験者がオペレータの声を聞くことができることを確認します。データ取得中に大きな音が予想されることを件名に伝えます。実験に必要な被験者に指示し、データ取得中に移動しないように被験者に指示する。
2. fMRI 取得を開始する前に、EEG 記録を開始します。通常、次の画像は、次の画像が順次取得されます:fMRI視野、fMRI、および後処理中にfMRI画像を同時登録するための構造画像を配置するためのスカウト画像(2次元)。Shim配列は、適切なパラメータのキャリブレーションのために各タイプの画像を取得する前に実行した。
   注:安全を維持し、アンプ¹⁸への損傷を避けるために、アンプで安全であることが証明されたMRIシーケンスを使用することが重要です。安全と見なされるシーケンスに関する詳細については、詳細には説明しません。読者は、ユーザーマニュアルまたはサポートチームに相談することをお勧めます。一般に、勾配エコーシーケンスが推奨され、スピンエコーシーケンスまたは同等のRF放射パラメータを持つシーケンスは、過度のRF誘発加熱を引き起こす可能性があります。特定のエネルギー吸収率(SAR)やB1+10s(B1+rms)の平均値の二乗平均値など、RF曝露量を測定するメトリックを使用して、加熱を間接的に定量化できます。近年_、B1+rmsは、撮像パラメータに依存するが、被験者の体重²²とは無関係に、限界を指定する新しい規格になりつつある。例えば、脳製品EEGキャップを用いた3 Tでの取得のための_B1+rms閾値は、現在の標準キャップに対して1μT、より短い(10cm)バンドルケーブル²³を備えた新しい標準EEGキャップに対して1.5μTである。フリップ角度、スライス数、繰り返し時間(TR)は、SARと_B1+rmsを低く保つために考慮する必要があるパラメータです。小さな反転角度(<90°)を推奨します。結果のシーケンスがB₁+rms²³の閾値を下回っている限り、スライス数とTR数を調整することができます。
3. 取得を開始すると、再びスキャナからのマーカー(1.4を参照)がオンラインのEEG記録に定期的に表示されていることを確認してください。

このプロトコルを使用してEEGキャップを配置すると、各電極のインピーダンスは通常20kΩ以下に落ちる(図1)。神経認知研究に参加した被験者(20歳の男性)と、同じMRスキャナでこのプロトコルを用いたてんかん研究に参加した異なる被験者(19歳の女性)から得られた代表的な脳信号を図2と図3にそれぞれ示す。神経認知検査を受けた被験者は、目を開いたままにしておくが、指示に従って視覚的なタスクを実行しながらじっとしているように指示された。てんかん研究の対象は、てんかん活動が通常睡眠中により頻繁に起こるように、目と睡眠を閉じるように指示された。両方の研究から得られたEEG信号は、処理前に類似していた(図2)。MRI勾配アーティファクトは、実際のEEG信号を隠しました。両方の研究からのEEG信号は、次のようにオフラインで処理されました: MRIアーティファクトは、減算方法24を使用して削除されました;そしてBCG、動き、およびヘリウムポンプのアーチファクトは、炭素線ループ7,9から記録された信号の回帰を使用して除去された。両方の研究から結果として得られたEEG信号(図3B)は、BCGアーチファクトの目に見える汚染なしに分析可能な品質であった(図3A)。てんかんの活動は、てんかん研究の間にEEGではっきりと見られた(図3B)。神経認知研究中に獲得した脳体では、特に研究の性質上、アーチファクト除去後の前頭リード(Fp1およびFp2)(Fp1およびFp2)で、さらにその必要性に応じて他の方法を用いて除去され得る。両方の研究で取得した後処理されたEEG信号では、機械振動に起因するアーティファクトは見られなかった(図3Bは、図3Cに示すように、MRI外で取得されたEEG信号に匹敵する)。同時に取得したMR画像には、EEG電極から発生するアーチファクトは見られなかった(図4)。

図1:神経認知研究に参加した被験者に32チャンネルの脳用キャップを適用した際に5kΩ以下に低下したEEG電極のインピーダンスの代表 各丸い色の円は、円の中に書かれた電極名を持つEEG電極を表します。各円の位置は、EEGキャップ上の各電極の位置を表します。カラーバーと右側の数字は、測定されるインピーダンスの範囲(この場合は0-5 kΩ)を表します。緑色はインピーダンス値が 「良好 レベル」の値より低いことを示し、赤色は 「不良 レベル」を示します。この例では、電極CP1、O1、Oz、O2、およびECGは、これらの電極のインピーダンスが2kΩであったことを意味し、ライトグリーンで示されています。残りの電極は濃い緑色で示され、これはこれらの電極のインピーダンスが0kΩであったことを意味する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2: 処理前のEEG信号 MRI 勾配アーティファクトは実際の EEG 信号を隠していることに注意してください。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3: 神経認知・てんかん研究に参加した被験者からの代表的な脳信号 上の行の脳G信号は神経認知研究からのものであり、一番下の行のシグナルはてんかん研究からのものでした。EEG信号はオフラインで処理されました。(A) MRI勾配アーティファクト除去後のEEG信号。水色のボックスは BCG アーティファクトを示します。(B)炭素線ループから記録された信号の回帰を用いて、アーティファクト除去後のEEG信号。(C)同じEEG装置を使用してMRI外で記録されたEEG信号。EEG信号は参照モンタージュ(FCzでの参照)で示された。同じセグメントの双極モンタージュ(各チャンネルは隣接する電極の対の電圧差を表す)のEEGは、てんかん活動の可視化を容易にするためにてんかん研究中に取得したEEGについても示されている。青い矢印(BとC、上段)は点滅(Fp1およびFp2での高振幅の遅い下向き偏向/二度的な電位)を示し、黒い矢印(B、上列)はサッカデまたは視線の自発的な変化(Fp1とFp2での小さな、急速な偏向)に起因する眼球の動きを示し、緑色の長方形(B、行の上)はEGの神経中に見られるアルファリズムを示す。Fp1 と Fp2 で主に低振幅と高周波のアクティビティは、筋肉のアーティファクトです (EEG トレースの肥厚, 上の行).赤い矢印(BとC、下の行)は、てんかん研究中に取得したEEGでてんかん活動が同定された時点を示します(時には遅い波が続く急激な下向きまたは上向きの偏向)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4: このプロトコルを用いて被験者から取得した代表的なMRIデータ EEG電極は同時に取得したMR画像に目に見えるアーチファクトを引き起こさなかったことに注意してください。(A)磁化は、グラデーションエコー画像で迅速な取得を調製しました。(B)エコー平面イメージング。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

著者らは、原稿に関連する開示を報告していない。