Name: 同時脳波と機能MRIにおける脳波データの確実な取得 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-03-19T13:45:00.000+00:00
Duration: 11 min
Description: 学ぶ 同時脳波・機能MRIにおける高品質な脳波データ取得プロトコル。電極配置とインピーダンス管理により、てんかんや神経認知研究における微妙な脳波変化の検出精度を向上させる実用的な手法を解説する。

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本研究は、日本情報通信技術研究所(NICT)が主催した。
著者らは、情報・ニューラルネットワークセンターのMRI物理学者と技術者が、良質なMRIデータを取得することに専念してくれたことに感謝している。
クー博士は科学研究のための助成金(Nos.)によって資金提供されています。 18H06261, 19K21353, 20K09368) 文部科学省と日本情報通信技術研究所(NICT)の助成金を受け、てんかん手術と神経研究所のプレストン・ロブシップフェローシップによって支援されました。 上原記念財団(日本)の研究フェローシップ。日本てんかん学会より後援賞、米国てんかん学会(AES)フェロープログラムの支援、国際てんかん連盟(ILAE)の旅行バーサリーを受賞。
谷博士は科学研究助成援助(No. 17K10895)、文部科学省から、三井興成財団から研究支援を受け、メドトロニックからの旅行資金、記事の出版によるロイヤリティ(薬研医療秀順社、伊作商、名誉)を務めた。
日本の文部科学省から科学研究助成(17K10894)の資金を提供しています。講演(インミネック、エーザイ製薬、第一三共製薬、UCB、大塚製薬、帝人ファーマ、山坂製作所)の記事発行からロイヤリティを受け取りました。
藤田博士は、日本の文部科学省から科学研究助成(19K18388)の資金を提供しています。
ゴットマン博士はカナダ保健研究所から資金提供を受けています(No.FDN 143208)。
日文部科学研究助成(18H04085、18H05522、16K10212、16K10786)の日文部科学省の助成援助(16K10786)から、日・文部科学・省・閣僚間戦略イノベーション推進プログラム(No.SIPAIH18E01)、日本医療研究開発機構、日本てんかん研究財団

<ol><li>Krakow, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EEG-triggered+functional+MRI+of+interictal+epileptiform+activity+in+patients+with+partial+seizures%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">EEG-triggered functional MRI of interictal epileptiform activity in patients with partial seizures.</a> Brain. 122, 1679-1688 (1999).</li>
<li>Ives, J. R., Warach, S., Schmitt, F., Edelman, R. R., Schomer, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+the+patient%27s+EEG+during+echo+planar+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalography+and+Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Monitoring the patient's EEG during echo planar MRI.</a> Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 87 (6), 417-420 (1993).</li>
<li>Nunez, P. L., Silberstein, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+relationship+of+synaptic+activity+to+macroscopic+measurements%3A+does+co-registration+of+EEG+with+fMRI+make+sense%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Topography%22%5BJournal%5D)">On the relationship of synaptic activity to macroscopic measurements: does co-registration of EEG with fMRI make sense.</a> Brain Topography. 13 (2), 79-96 (2000).</li>
<li>Kruggel, F., Wiggins, C. J., Herrmann, C. S., von Cramon, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recording+of+the+event-related+potentials+during+functional+MRI+at+3.0+Tesla+field+strength%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Recording of the event-related potentials during functional MRI at 3.0 Tesla field strength.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 44 (2), 277-282 (2000).</li>
<li>Lemieux, L., Allen, P. J., Franconi, F., Symms, M. R., Fish, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recording+of+EEG+during+fMRI+experiments%3A+patient+safety%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Recording of EEG during fMRI experiments: patient safety.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 38 (6), 943-952 (1997).</li>
<li>Benar, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quality+of+EEG+in+simultaneous+EEG-fMRI+for+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Quality of EEG in simultaneous EEG-fMRI for epilepsy.</a> Clinical Neurophysiology. 114 (3), 569-580 (2003).</li>
<li>Masterton, R. A., Abbott, D. F., Fleming, S. W., Jackson, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+and+reduction+of+motion+and+ballistocardiogram+artefacts+from+simultaneous+EEG+and+fMRI+recordings%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Measurement and reduction of motion and ballistocardiogram artefacts from simultaneous EEG and fMRI recordings.</a> Neuroimage. 37 (1), 202-211 (2007).</li>
<li>Niazy, R. K., Beckmann, C. F., Iannetti, G. D., Brady, J. M., Smith, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Removal+of+FMRI+environment+artifacts+from+EEG+data+using+optimal+basis+sets%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Removal of FMRI environment artifacts from EEG data using optimal basis sets.</a> Neuroimage. 28 (3), 720-737 (2005).</li>
<li>vander Meer, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon-wire+loop+based+artifact+correction+outperforms+post-processing+EEG%2FfMRI+corrections--A+validation+of+a+real-time+simultaneous+EEG%2FfMRI+correction+method%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Carbon-wire loop based artifact correction outperforms post-processing EEG/fMRI corrections--A validation of a real-time simultaneous EEG/fMRI correction method.</a> Neuroimage. 125, 880-894 (2016).</li>
<li>Debener, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+quality+of+auditory+event-related+potentials+recorded+simultaneously+with+3-T+fMRI%3A+removal+of+the+ballistocardiogram+artefact%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Improved quality of auditory event-related potentials recorded simultaneously with 3-T fMRI: removal of the ballistocardiogram artefact.</a> Neuroimage. 34 (2), 587-597 (2007).</li>
<li>Mele, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+EEG-fMRI+for+functional+neurological+assessment%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neurology%22%5BJournal%5D)">Simultaneous EEG-fMRI for functional neurological assessment.</a> Frontiers in Neurology. 10, 848(2019).</li>
<li>Gotman, J., Kobayashi, E., Bagshaw, A. P., Benar, C. G., Dubeau, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+EEG+and+fMRI%3A+a+multimodal+tool+for+epilepsy+research%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">Combining EEG and fMRI: a multimodal tool for epilepsy research.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (6), 906-920 (2006).</li>
<li>Ford, J. M., Roach, B. J., Palzes, V. A., Mathalon, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+concurrent+EEG+and+fMRI+to+probe+the+state+of+the+brain+in+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%3A+Clinical%22%5BJournal%5D)">Using concurrent EEG and fMRI to probe the state of the brain in schizophrenia.</a> NeuroImage: Clinical. 12, 429-441 (2016).</li>
<li>Menon, V., Crottaz-Herbette, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMenon%2C+V+%22International+Review+of+Neurobiology%22">International Review of Neurobiology</a>. , Elsevier. 291-321 (2005).</li>
<li>Liu, T. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficiency%2C+power%2C+and+entropy+in+event-related+fMRI+with+multiple+trial+types.+Part+II%3A+design+of+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Efficiency, power, and entropy in event-related fMRI with multiple trial types. Part II: design of experiments.</a> Neuroimage. 21 (1), 401-413 (2004).</li>
<li>Liu, T. T., Frank, L. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficiency%2C+power%2C+and+entropy+in+event-related+FMRI+with+multiple+trial+types.+Part+I%3A+theory%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Efficiency, power, and entropy in event-related FMRI with multiple trial types. Part I: theory.</a> Neuroimage. 21 (1), 387-400 (2004).</li>
<li>Gotman, J., Benar, C. G., Dubeau, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+EEG+and+FMRI+in+epilepsy%3A+methodological+challenges+and+clinical+results%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Combining EEG and FMRI in epilepsy: methodological challenges and clinical results.</a> Journal of Clinical Neurophysiology. 21 (4), 229-240 (2004).</li>
<li>Gutberlet, I. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGutberlet%2C+I+%22Simultaneous+EFG+and+fMRI%22">Simultaneous EFG and fMRI</a>. Ullsperger, M., Debener, S. , Oxford University Press. Ch. 2.1 69-84 (2010).</li>
<li>Brain Products GmbH. Operating and Reference Manual for use in a laboratory and MR environment. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22BrainAmp+series+%26+BrainAmp+MR+series%22">BrainAmp series & BrainAmp MR series</a>. , Ch. 2 (2020).</li>
<li>Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Best+current+practice+for+obtaining+high+quality+EEG+data+during+simultaneous+FMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%3A+JoVE%22%5BJournal%5D)">Best current practice for obtaining high quality EEG data during simultaneous FMRI.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (76), e50283(2013).</li>
<li>Ragazzoni, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22Hit+the+missing+stimulus%22.+A+simultaneous+EEG-fMRI+study+to+localize+the+generators+of+endogenous+ERPs+in+an+omitted+target+paradigm%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">"Hit the missing stimulus". A simultaneous EEG-fMRI study to localize the generators of endogenous ERPs in an omitted target paradigm.</a> Scientific Reports. 9 (1), 3684(2019).</li>
<li>Faulkner, W. New MRI Safety Labels & Devices. , Available from: 
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<li>Brain Products GmbH. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conditions+for+safe+use+of+BrainAmp+MR+amplifiers+and+accessories+in+the+MR+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Performing+simultaneous+EEG-fMRI+measurements%22%5BJournal%5D)">Conditions for safe use of BrainAmp MR amplifiers and accessories in the MR environment.</a> Performing simultaneous EEG-fMRI measurements. , Ch. 7 26-32 (2020).</li>
<li>Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+method+for+removing+imaging+artifact+from+continuous+EEG+recorded+during+functional+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">A method for removing imaging artifact from continuous EEG recorded during functional MRI.</a> Neuroimage. 12 (2), 230-239 (2000).</li>
<li>Dempsey, M. F., Condon, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+injuries+associated+with+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Radiology%22%5BJournal%5D)">Thermal injuries associated with MRI.</a> Clinical Radiology. 56 (6), 457-465 (2001).</li>
<li>Allen, P. J., Polizzi, G., Krakow, K., Fish, D. R., Lemieux, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+EEG+events+in+the+MR+scanner%3A+the+problem+of+pulse+artifact+and+a+method+for+its+subtraction%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Identification of EEG events in the MR scanner: the problem of pulse artifact and a method for its subtraction.</a> Neuroimage. 8 (3), 229-239 (1998).</li>
<li>Cecotti, H., Ries, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Best+practice+for+single-trial+detection+of+event-related+potentials%3A+Application+to+brain-computer+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Psychophysiology%22%5BJournal%5D)">Best practice for single-trial detection of event-related potentials: Application to brain-computer interfaces.</a> International Journal of Psychophysiology. 111, 156-169 (2017).</li>
</ol>

著者らは、原稿に関連する開示を報告していない。

このプロトコルは、高品質データの安全な同時EEG-fMRI取得のための重要なポイントを強調しました。
EEG 上のアーティファクトの削除が困難になる一般的なエラーと、トラブルシューティングの手法は次のとおりです。まず、準拠し、協力的な対象を選択し、データ取得中に快適さを確保することで、被験者の動きによる早期終了を防ぐことができます(ステップ2.1および5.4)。第二に、頭皮の摩耗を繰り返した後に20kΩ以下に落ちないインピーダンス(ステップ2.9)は、使用後のブラッシングが不十分である可能性が最も高い。キャップを洗浄する際に、EEG電極の各開口部を十分にブラッシングすることで、この問題を防ぎます。第三に、ハードウェアとソフトウェアの不適切な設定は、オフラインのEEG処理中にアーティファクトの除去を妨げるEEG信号の飽和をもたらす可能性があります。最後に、飽和したEEG信号の記録を防ぐために、データ取得前にMRスキャナに被検体を配置した後、各電極のインピーダンスを20kΩ以下に維持します。EEGキャップ(被検者の頭部を意味する)、ケーブルおよび電線を固定することによって、機械的振動を十分に減少させる。記録ソフトウェアでオンラインで生のEEG信号を監視し、サンプリングレートと振幅の解像度が正しく設定されていることを確認してください。
EEGとfMRIの同時獲得は、急速に変化する磁界5の被検体に接続された電線の存在に起因するRF誘発加熱および切り替え勾配誘導電流に関連する重要な安全性問題を提起する。これらの安全性の問題は、この側面の知識を高め、MRI互換型EEG機器の技術の大幅な改善につながった研究結果の後、長年にわたって大幅に最小限に抑えてきました。それにもかかわらず、十分な知識を持たない、または安全上の予防措置を講じずに不注意な準備は、被験者を危険にさらす。たとえば、回路内の任意の場所に形成されるループは、電流および熱損傷を引き起こす可能性があります。高インピーダンスで電極を取り込むと、EEGデータ品質が妨げられるだけでなく、被検体に潜在的な危険(高電流密度による熱損傷)を引き起こします。壊れた電極にも同じ危険が当てはまります。MRボア壁に近接して設置されたケーブルは、言い換えれば、中心から遠く離れ、被検体(アンテナ効果による加熱)25に対する潜在的な加熱の危険をもたらす。このプロトコルは、次の安全面を強調しています:被験者とアンプの間の回路内にループが形成されず、すべての電極はMRIスキャン中に低インピーダンスを有し、すべてのケーブルは、ボアの中央に配置されます。初心者のオペレーターは、安全上の懸念を避けるために、トレーニングを受け、ユーザーマニュアルとデモビデオ20 に記載されているメーカーのガイドラインに従うことをお勧めします。
EEG-fMRIに見られるアーティファクトの主な原因は、MRI、BCG、または被験者の粗い動きまたは微妙な動き(顔の動き、食いしばり、嚥下など)の勾配を切り替えることである。一部のMRI設定では、ヘリウムポンプと人工呼吸器によって引き起こされるアーティファクトもまた、EEG信号を著しく損ないます。MR勾配アーチファクトは波形においてかなり一貫しており、十分なダイナミックレンジ24を有する増幅器を用いて歪みなしで完全に記録されれば、テンプレートベースの減算技術を用いて十分に補正することができる。BCGアーチファクトは、通常、減算技術26、独立成分分析6、最適基準セット8、またはこれらの技術10の組み合わせを使用して修正される。近年、炭素線ループと同時に取得した信号に基づく単純な回帰を用いた人工物の除去が7,9に開発されている。ここで紹介するプロトコルは、この方法を使用することに興味がある人のための入門ガイドを提供することを目的として、技術的な側面を示しています。この方法は、BCG、微妙な被験者の動き、およびヘリウムポンプのアーティファクトを除去し、結果として得られるEEG信号は、他の方法7、9を使用して修正されたものよりも優れていると伝えられている。しかし、大きなモーションアーティファクト、特に揺れる動きを含むモーションアーティファクトは、この方法7を使用しても取り外し可能ではありません。これらのアーティファクト除去方法論の改善にもかかわらず、MRI機械によって引き起こされた振動によって引き起こされるものを含む矛盾したアーティファクトは、依然として除去することは困難である。さらに、アーティファクト除去手順が広範囲に及ぶほど、実際のEEG信号を失うリスクが高くなります。したがって、一貫性のないアーティファクトを最小限に抑えることができる良い調製は、EEG-fMRI取得において最も重要なままである。このプロトコルでは、これらのアーティファクトは、(1)ヘッドとメモリフォーム枕をラップしてヘッドコイルのヘッドを固定し、被験者の快適さを維持しながらワイヤーの振動を軽減する弾性包帯を使用して最小限に抑えられます。(2)綿と医療用粘着テープは、被検者自身の体重(特に薄い被写体において被検体とテーブルの間に部分的に浮いている)によって完全に固定化されない可能性のあるECG電極線の振動を低減する。(3)サンドバッグはMRIボアに配置されたケーブルを固定化する。これらは、取り除き難いMRI機械誘導振動アーチファクトを最小限に抑えるための重要な技術であり、以前に公開されたEEG-fMRIプロトコル20に記載されていない。そのプロトコルでは、被験者はEEGキャップとヘッドの周りのパディングに追加のラッピングなしでスキャナに配置され、ケーブルはサンドバッグを使用して固定化することなく、いくつかのポイントでのみテーピングされました。モントリオール神経研究所での20年の経験に基づいて、我々はこれらの措置がほとんどのEEG-fMRI研究6ではめったに強調されていないが、MRI機械誘発振動に対する電極ワイヤーおよびケーブルの感受性に寄与する可能性があることを認識した。MRI機械による振動を最小限に抑えることは、その後、脳波の質と読みやすさを向上させ、てんかん研究における小さなてんかん放電や神経認知研究における単一試験ERPなど、脳波6の微妙な変化や事象を特定するのに特に有用である。
脳科学シグナルにおけるERPの検出は、認知神経科学研究の前提条件です。試験全体の古典的な壮大な平均応答とは対照的に、特定の刺激に応答して脳ダイナミクスに関する洞察を提供するERP単一試験検出は、現代の認知神経科学研究および非侵襲的脳コンピュータインターフェース研究27における新たな標的になりつつある。本プロトコルの応用は、これらの研究分野における効率向上に寄与する可能性がある。
このプロトコルは、本研究で使用されるMRI互換のEEGシステムに最も適しています。それにもかかわらず、我々は、重要な点が他のMRI互換のEEGシステムにも適用可能であると考えています。

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。

<table><tbody><tr><td>BrainAmp EXG MR</td><td>ブレインプロダクツ、GmBH、ドイツ</td><td></td><td>MRI対応バイポーラアンプ</td></tr><tr><td>BrainAmp MR Plus</td><td>ブレインプロダクツ、GmBH、ドイツ</td><td></td><td>MRI対応脳波アンプ</td></tr><tr><td>BrainCap MR</td><td>ブレインプロダクツ、GmBH、ドイツ</td><td></td><td>MRI対応脳</td></tr><tr><td>波キャップ ESPA弾性包帯</td>(<td>株) 東洋紡(株)</td><td></td><td>被験者の頭部を包むための弾性包帯</td></tr><tr><td>ワンショットプラスP EL-IIアルコール綿棒</td><td>四郎十二</td><td></td><td>皮膚を準備するためのアルコールスワブ</td></tr><tr><td>パワーパック ブ</td><td>レイン製品、GmBH、ドイツ</td><td></td><td>アンプの電力供給用MRI互換バッテリーパック</td></tr><tr><td>SyncBox</td><td>Brain Products、GmBH、ドイツ</td><td></td><td>EEG機器とMRIスキャナー間の位相同期</td></tr><tr><td>USB 2アダプター(BUA)</td><td>Brain Products、GmBH、ドイツ</td><td></td><td>USBアダプター アンプを録音コンピュータ</td></tr><tr><td>に接続するための V19 研磨剤導電性ゲル</td><td>Brain Products, GmBH, ドイツ</td><td></td><td>脳波キャップ</td></tr><tr><td>Yu-ki Ban GS Medical 粘着テープ</td><td>Nitoms, Inc.</td><td></td><td>ECG電極とカーボンワイヤーループを固定するための医療用粘着テープ</td></tr></tbody></table>

同時脳波と機能mriにおける脳波データの確実な取得

Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

同時脳波(EEG)と機能的磁気共鳴画像(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)の相補的特性を組み合わせて、血液酸素レベル依存(BOLD)変化として知られる血行応答を通じて、電気イベント中の神経活動を測定します。これは、神経科学の研究に利用され、データ取得中に適切な機器やプロトコルが投与される場合、特に神経疾患の管理のために、臨床コミュニティに非常に有益である非侵襲的な研究ツールです。EEG-fMRIの記録は明らかに簡単ですが、特に電極の設置と確保において正しい調製は、安全性だけでなく、得られたEEGデータの信頼性と分析性を確保する上でも重要です。これはまた、準備の中で最も経験を要求する部分です。これらの問題に対処するために、データ品質を保証する簡単なプロトコルが開発されました。この記事では、容易に入手可能な医療製品を利用するこのプロトコルを使用して、EEG-fMRI中の信頼性の高いEEGデータを取得するためのステップバイステップガイドを提供します。提示されたプロトコルは、研究および臨床現場でのEEG-fMRIの異なる用途に適応することができ、経験の浅いオペレータと専門家のオペレータの両方に有益である可能性があります。

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)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62247/62247fig01.jpg"> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62247/62247fig01large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62247/62247fig02.jpg"> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62247/62247fig02large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62247/62247fig3v2.jpg"> 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)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62247/62247fig3v2large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62247/62247fig04.jpg"> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62247/62247fig04large.jpg" target="_blank">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。</a>

本稿では、容易に入手可能な医療製品を利用して、脳波と機能的磁気共鳴画像の同時利用時に、良質の脳波(EEG)データを取得するための簡単なプロトコルを提供します。

同時脳波と機能MRIにおける脳波データの確実な取得

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), EEG-fMRI, combines the complementary properties of scalp EEG ...

当社のプロトコルは、データ品質、特に各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。このプロトコルは簡単で、容易に入手可能な医療製品のみを使用するため、従うのは非常に簡単です。このプロトコルは、fMRIと同時に取得したEEGの品質と読みやすさを向上させ、てんかん研究における微妙なEEG変化を特定するのに特に有用である。このプロトコルは、神経認知研究の単一の試験ERPで微妙な脳波事象を識別するのにも有用である。まず、MRI互換のEEGおよびバイポーラアンプを、完全に充電されたバッテリパックと記録コンピュータに接続します。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。EEGキャップの塗布用に、研磨性導電ゲルを使用して10ミリリットルのシリンジをロードします。眼窩の超軌道尾根の上に、柔軟で伸縮できない測定テープを頭部の周りに巻き付けて被写体の頭周を測定します。頭部の円周より1センチ大きい適切なサイズのキャップを選択し、被験者にとって快適であることを確認します。被写体の頭上の近似位置にキャップを置いた後、イニオン-ナシオンアークの長さを測定し、イニオン-ナションアークと心上円弧の交点をマークします。電極CZの位置がこの交差点に合うようにキャップをヘッドの上にスライドさせます。天候電極FZ、PZ、OZ、リファレンス、グランドをイニオン-ナションアークの上に手動で確認して、キャップが水平に回転しないようにします。綿棒の裏を使用して髪を側面に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。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。開口部に少量の研磨性導電ゲルを塗布し、綿棒を素早く回転させて皮膚を擦り荒らします。電極のインピーダンスを監視し、インピーダンスが少なくとも20キロオーム以下になるまで摩耗を繰り返します。インピーダンスが満足のいくものになったら、開口部を同じゲルで満たし、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ようにします。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。心電図電極を中央分離帯から2〜3センチメートル残し、ワイヤーが後ろにまっすぐであることを確認しますが、被験者がMRIテーブルの上に横たわったときに変位を避けるために首の曲線に沿って手当を受けます。アルコール綿棒でECG電極の下の皮膚をこすります。両面接着リングを使用して皮膚にECG電極を取り付け、綿棒で皮膚の摩耗を繰り返してインピーダンスを監視します。乾燥アルコール綿棒を4つに折り、ECG電極に置き、外科用粘着テープを使用して綿棒を皮膚にテープで貼ります。ECG電極ワイヤーを肩まで皮膚にテープで貼り付けます。ワイヤーがヘッドの上部の電極の束と平行になるように、キャップの上に6つのループからなる組み込みのカーボンワイヤーのセットを置きます。外科テープ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を覆う各ループで頭を覆います。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込み、包帯がすべての電極を覆い、きつすぎないようにします。包帯を付けている間、被験者が頭部に不快な圧力を感じるかどうかを尋ねます。静止状態の取得については、被験者にMRI互換イヤホンを適用するように指示する。ヘッドセットまたはイヤホンを使用してタスクベースの取得を行い、ヘッドセットまたはイヤホンの両側から被検者が聞こえるようにします。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。次に、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ってまっすぐに置きます。メモリフォーム枕を頭、額、および時間領域の上部に追加し、ヘッドコイル内に残っているすべてのスペースを埋め尽くしながら、被験者の頭をしっかりと圧縮しないようにします。ヘッドコイルの上半分を置き、コイルを閉じて、枕が頭を圧迫していないことを確認します。ECG電極ワイヤーが枕と首の間によく挟まれるように、首の後ろに半気筒形状のメモリフォームピローを置きます。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くことができることをテストします。ミラーを配置し、被験者の頭部がMRIボアのアイソセンターに位置したら、ミラーを調整するように被験者に指示します。EEGとECGの電極をEEGアンプに接続し、MRIボアの背面に置かれたバイポーラアンプにカーボンワイヤループを接続した後、光ファイバーを使用してアンプを記録コンピュータに接続します。次に、アンプのスイッチを入れ、すべての電極のインピーダンスがまだ低いかどうかを確認します。ヘッドコイルの上部開口部とアンプの出口との間にあるすべてのワイヤを、まっすぐに、MRIボアの中心に配置するように配置します。EEGおよびECG電極コネクタボックスからアンプに向かう1つのカーボンワイヤループをリボンケーブルの周りに置きます。ヘッドコイルとアンプの上部開口部の出口の間にMR-セーフおよび非強磁性のサンドバッグを持つワイヤのすべてを挟んでワイヤーを固定化します。アンプにサンドバッグを置き、メーカーが提供するケーブルを使用して、アンプをマグネットのボアの外側に配置します。コンソールルームから被験者と通信して、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、データ取得中に移動しないように被験者に指示する。fMRI 取得を開始する前に、EEG 記録を開始します。オンラインEEGの記録に、スキャナとボリュームトリガーのマーカーが定期的に表示されているかどうかを確認します。このプロトコルを用いた神経認知研究及びてんかん研究に参加した被験者から得られた代表的な脳Gシグナルをここに示す。両方の研究から取得したEEG信号は、処理前に類似していた。両方の研究から得られたEEG信号は、ここで見られるように、ECGアーティファクトの目に見える汚染なしに分析可能な品質でした。てんかんの研究中にEEGでてんかん活動がはっきりと見られました。神経認知研究中に獲得した脳脳体では、特に人工物除去後の前頭リードFP1とFP2で、まばたき、目の動き、筋肉のアーティファクトが見られました。機械振動に由来するアーティファクトは、両方の研究で取得された後処理されたEEG信号では見られなかった。さらに、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。このプロトコルを試みるとき、適切に機械的な振動を減少させるために、被検体、ワイヤ、およびケーブルの頭部を固定します。このプロトコルは、ERP単一試験検出を必要とする当社の神経科学プロジェクトに現在使用されています。これは、非侵襲的な脳コンピュータインターフェイス研究で同時脳脳MRIを使用する方法を開いています.

reliable-acquisition-electroencephalography-data-during-simultaneous

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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