Summary
Questo articolo descrive in dettaglio le procedure di registrazione simultanea dell'elettroencefalogramma e della risonanza magnetica funzionale (EEG-fMRI) che possono essere utilizzate sia in ambito clinico che di ricerca. Sono incluse anche le procedure di elaborazione EEG per rimuovere gli artefatti di imaging per la revisione clinica. Questo studio si concentra sull'esempio dell'epilessia durante il periodo interictale.
Abstract
L'elettroencefalogramma simultaneo e la risonanza magnetica funzionale (EEG-fMRI) sono una tecnica combinata unica che fornisce sinergia nella comprensione e localizzazione dell'insorgenza delle crisi epilettiche. Tuttavia, i protocolli sperimentali riportati per le registrazioni EEG-fMRI non riescono ad affrontare i dettagli sulla conduzione di tali procedure su pazienti con epilessia. Inoltre, questi protocolli sono limitati esclusivamente alle impostazioni di ricerca. Per colmare il divario tra il monitoraggio del paziente in un'unità di monitoraggio dell'epilessia (EMU) e la conduzione di ricerche con un paziente epilettico, introduciamo un protocollo di registrazione EEG-fMRI unico dell'epilessia durante il periodo interictale. L'uso di un set di elettrodi condizionali MR, che può essere utilizzato anche nell'EMU per un EEG del cuoio capelluto simultaneo e una registrazione video, consente una facile transizione delle registrazioni EEG dall'EMU alla sala di scansione per registrazioni EEG-fMRI simultanee. Vengono forniti dettagli sulle procedure di registrazione che utilizzano questo specifico set di elettrodi condizionali MR. Inoltre, lo studio spiega le procedure di elaborazione EEG passo-passo per rimuovere gli artefatti di imaging, che possono quindi essere utilizzati per la revisione clinica. Questo protocollo sperimentale promuove una modifica alla registrazione EEG-fMRI convenzionale per una maggiore applicabilità sia in ambito clinico (cioè EMU) che di ricerca. Inoltre, questo protocollo offre il potenziale per espandere questa modalità alle registrazioni EEG-fMRI postictali in ambito clinico.
Introduction
L'epilessia affligge quasi 70 milioni di persone in tutto il mondo1. Ben una persona su 150 con epilessia scarsamente controllata soccombe a una morte improvvisa e inaspettata nell'epilessia (SUDEP) ogni anno. Inoltre, circa il 30%-40% dei casi di epilessia sono refrattari alla gestione medica2. Il trattamento neurochirurgico sotto forma di resezione, disconnessione o neuromodulazione può essere una misura che cambia la vita e salva la vita per i pazienti con epilessia refrattaria.
L'elettroencefalogramma simultaneo e la risonanza magnetica funzionale (EEG-fMRI) sono una tecnica combinata unica che misura le attività cerebrali in modo non invasivo e ha fornito benefici per comprendere e localizzare l'insorgenza delle crisi nell'epilessia 3,4,5,6. Gli EEG del cuoio capelluto possono essere utilizzati per lateralizzare e localizzare le zone di insorgenza delle crisi, ma hanno una risoluzione spaziale relativamente scarsa a causa delle limitate capacità rispetto alla valutazione delle fonti epilettogene profonde. Mentre la fMRI ha una buona risoluzione spaziale in tutto il cervello, comprese le regioni profonde, la fMRI da sola non è specifica per le convulsioni. Tuttavia, gli EEG del cuoio capelluto possono informare l'interpretazione delle aree di attivazione o disattivazione dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) nella fMRI, producendo così una tecnica fMRI specifica per l'epilessia. Pertanto, l'implementazione simultanea di EEG-fMRI può essere utilizzata per mappare i processi spaziotemporali rilevanti per localizzare sia il "dove" che il "quando" degli eventi epilettici.
Le spiegazioni su come condurre l'EEG-fMRI simultanea sono fornite negli studi precedenti 7,8,9,10. Tuttavia, l'EEG-fMRI è stato sottoutilizzato nell'epilessia, specialmente in ambito clinico. Esiste uno studio che fornisce una procedura generale per le registrazioni EEG-fMRI, background ed esempi di possibili analisi EEG7. Inoltre, è stato condotto uno studio che enfatizza l'induzione ipnotica insieme alle misure di temperatura nelle registrazioni simultanee EEG-fMRI8. Inoltre, è stato proposto uno studio esteso EEG-fMRI per introdurre un metodo di imaging della sorgente EEG spaziotemporale e vincolato alla fMRI 9,10. Inoltre, è stato considerato l'uso di un anello di filo di carbonio per rimuovere efficacemente gli artefatti dall'EEG-fMRI10. Tuttavia, tutti questi studi non riescono ad affrontare le sfide nella conduzione di studi EEG-fMRI in un contesto di ricerca clinica. In particolare, l'uso del tappo EEG limita la fattibilità di questi protocolli in ambito clinico e mancano anche dettagli sulla gestione del paziente. In questo studio, forniamo un protocollo di registrazione EEG-fMRI che può essere utilizzato sia in ambito clinico che di ricerca per i pazienti con epilessia. Questo protocollo unico consente una facile transizione del paziente da un'unità di monitoraggio dell'epilessia (EMU) alla sala di scansione. Inoltre, il protocollo offre il potenziale per espandere la sua applicazione alle registrazioni del periodo postictale con pazienti con epilessia. Per EEG-fMRI, la post-elaborazione è un passo cruciale nella rimozione di artefatti causati da gradienti di risonanza magnetica e artefatti fisiologici, come quelli relativi al battito cardiaco. Pertanto, forniamo anche procedure dettagliate per rimuovere gli artefatti EEG utilizzando un metodo di rimozione del modello standard11 per la revisione clinica.
Protocol
Questo studio è stato eseguito in conformità con il protocollo #62050, approvato dall'Institutional Review Board dell'Università del Kentucky (Regno Unito).
1. Reclutamento dei soggetti
- Criteri di inclusione
NOTA: tutti i seguenti criteri devono essere soddisfatti.- Includere soggetti con diagnosi di epilessia focale refrattaria e idonei per la valutazione chirurgica dell'epilessia.
- Includi soggetti di età compresa tra 18 e 60 anni.
- Includere soggetti di sesso femminile con potenziale fertile se usano un metodo contraccettivo. Includere soggetti di sesso femminile senza potenziale fertile (postmenopausa per almeno 2 anni, ovariectomia bilaterale o legatura delle tube, isterectomia completa).
NOTA: Per standard di cura, viene eseguito un test di gravidanza per le donne in età fertile una volta ammesse all'UEM. - Includere soggetti programmati per l'ammissione all'EMU con una diagnosi di epilessia focale refrattaria o per la caratterizzazione delle crisi.
- Criteri di esclusione
- Escludere i soggetti che hanno una grave claustrofobia.
- Escludere i soggetti con dispositivi medici impiantati o metallo incorporato che normalmente li squalificherebbero dall'avere una risonanza magnetica, che viene regolarmente controllata dal tecnico MR prima di qualsiasi scansione.
- Escludere i soggetti in gravidanza o in allattamento.
- Escludere i soggetti con qualsiasi condizione medica o psichiatrica nota che, a giudizio dello sperimentatore, potrebbe compromettere o compromettere la capacità del soggetto di partecipare a questo studio, o comprometterebbe la partecipazione affidabile allo studio.
NOTA: Una volta che il paziente è ammesso all'UEM, dopo l'accordo del paziente sul modulo di consenso per partecipare a questo studio, verranno seguiti i seguenti passaggi.
2. Posizionamento dell'elettrodo
- Contrassegnare le posizioni degli elettrodi sul cuoio capelluto del paziente, in base al sistema 10-20.
NOTA: Figura 1 Mostra una selezione di 32 elettrodi.- Misurare e annotare la linea centrale della testa del paziente del cuoio capelluto posizionando un nastro di misurazione dal nasion all'inion passando il centro superiore della testa (Misura A: piano sagittale).
- Segna il 50% della misura A dal nasion all'inion. Questo segno indica la posizione Cz dell'elettrodo.
- Segnare il 10% della misura A dal nasion al Cz indicato. Questo segno indica la posizione Fpz dell'elettrodo.
- Segnare il 10% della misura A dall'inion al cz indicato. Questo segno indica la posizione Oz dell'elettrodo.
- Segna il 20% della misura A dal Cz indicato a Fpz. Questo segno indica la posizione Fz dell'elettrodo.
- Segna il 20% della misura A dal Cz indicato a Oz. Questo segno indica la posizione Pz dell'elettrodo.
- Misurare e annotare la testa del paziente dal punto preauricolare sinistro al punto preauricolare destro passando il centro superiore della testa (Misura B: piano coronale).
- Contrassegnare il 50% della misura B e assicurarsi che questa posizione sia sovrapposta alla posizione Cz indicata.
- Segnare il 10% della misura B dal punto preauricolare sinistro a Cz. Questo segno indica la posizione T3 dell'elettrodo.
- Segnare il 10% della misura B dal punto preauricolare destro a Cz. Questo segno indica la posizione T4 dell'elettrodo.
- Segnare il 20% della misura B dal Cz indicato a T3. Questo segno indica la posizione C3 dell'elettrodo.
- Segnare il 20% della misura B dal Cz indicato a T4. Questo segno indica la posizione C4 dell'elettrodo.
- Misurare e annotare la circonferenza della testa del paziente passando attraverso i marcati Fpz e Oz (Misura C: piano trasversale).
- Segna il 10% della misura C a sinistra e a destra da Fpz. Questi segni indicano rispettivamente le posizioni Fp1 e Fp2 dell'elettrodo.
- Segna il 10% della misura C a sinistra e a destra da Oz. Questi segni indicano rispettivamente le posizioni O1 e O2 dell'elettrodo.
- Segnare il 20% della misura C a sinistra da Fp1 e a destra da Fp2. Questi segni indicano rispettivamente le posizioni F7 e F8 dell'elettrodo.
- Misurare e annotare la distanza da F7 e F8 nel piano coronale (Misura D: piano coronale).
- Contrassegnare il 50% della misura D e assicurarsi che la Fz precedentemente indicata sia sovrapposta.
- Contrassegnare il 25% della misura D da F7 verso Fz e da F8 verso Fz. Questi segni indicano rispettivamente le posizioni F3 e F4 dell'elettrodo.
- Misurare la distanza dal nasion all'inion passando per Fp1 e O1. Assicurarsi che il 50% della misura si sovrapponga al C3 precedentemente indicato.
- Misurare la distanza dal nasion all'inion passando per Fp2 e O2. Assicurarsi che il 50% della misura si sovrapponga al C4 precedentemente indicato.
NOTA: Allo stesso modo, le posizioni degli elettrodi sui lobi temporali e parietali possono essere contrassegnate, tra cui T5, P3, P4 e T6. Inoltre, eventuali posizioni aggiuntive degli elettrodi, come TP9, TP10, FT9 e FT10, possono essere contrassegnate in base alla distanza relativa dalle distribuzioni degli elettrodi del sistema 10-20. Il numero di elettrodi e le loro distribuzioni possono essere determinati in base all'analisi prospettica e al focus della ricerca.
- Pulire il cuoio capelluto del paziente usando il gel di preparazione della pelle su una garza.
- Posizionare la pasta conduttiva su una tazza dell'elettrodo. Posizionare l'elettrodo sul cuoio capelluto del paziente seguendo il nome del canale sul cavo dell'elettrodo.
NOTA: Per la registrazione simultanea EEG-fMRI, è necessario utilizzare elettrodi condizionali MR e gli elettrodi approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) sono suggeriti presso l'EMU. - Ripetere il posizionamento del gel e degli elettrodi sul cuoio capelluto del paziente (fase 2.3) per tutti gli elettrodi (Figura 2A).
NOTA: i cavi collegati agli elettrodi condizionali MR sono relativamente corti rispetto alla giunzione di collegamento per ridurre al minimo gli artefatti MR. Pertanto, quando si posizionano gli elettrodi, considerare le posizioni degli elettrodi e posizionarli con attenzione in modo che i cavi possano essere ben organizzati. Inoltre, assicurarsi che non ci siano anelli sui fili, poiché possono potenzialmente produrre calore e ustioni all'interno dello scanner. - Far aderire tutti gli elettrodi al cuoio capelluto del paziente usando la colla su una garza. Disporre tutti i cavi dell'elettrodo e posizionare la giunzione del cavo lontano dal cuoio capelluto posizionando cuscinetti di garza al centro della testa del soggetto (Figura 2B, frecce rosse).
NOTA: questo è un passaggio fondamentale per evitare artefatti di imaging. - Avvolgere tutte le giunzioni dei cavi con un bendaggio autoadesivo (ovali blu nella figura 2B).
NOTA: questo passaggio è consigliato per proteggere le connessioni durante la registrazione. - Posizionare un copritesta elastico per fissare tutti gli elettrodi. Collegare il cablaggio, che è collegato agli elettrodi, all'amplificatore. Inizia a monitorare il loro EEG in modo sincrono con le registrazioni video.
3. Registrazione EEG-fMRI
NOTA: Per la registrazione EEG-fMRI, viene utilizzato il sistema di registrazione EEG condizionale MR insieme agli elettrodi condizionali MR posizionati all'inizio dell'ammissione EMU.
- Nella sala di monitoraggio, collegare l'adattatore USB 2 al kit Triggerbox con un cavo (cavo bianco spesso nella Figura 3A).
NOTA: L'adattatore USB 2 consente di interfacciare altro hardware con un computer e il kit Triggerbox viene utilizzato per manipolare il segnale di trigger generato dallo scanner da rilevare nel software di registrazione EEG. - Collegare la Syncbox all'adattatore USB 2 con un cavo (cavo nero spesso nella Figura 3B).
NOTA: Il ruolo del Syncbox è quello di sincronizzare i segnali di clock dall'amplificatore e dal sistema di commutazione del gradiente dello scanner. - Nella sala di monitoraggio, collegare un'estremità del cavo in fibra ottica al Syncbox (Figura 3C a sinistra) e far passare un'altra estremità attraverso un tunnel collegato alla sala di scansione.
- Collegare un cavo della porta USB dall'adattatore USB 2 al computer di registrazione (segno con stella nella Figura 3B). Collegare un cavo della porta USB dalla Syncbox al computer di registrazione (segno a stella nella Figura 3C). Collegare un cavo della porta USB dal Triggerbox al computer di registrazione (segno a stella nella Figura 3D). Collegare il dongle della licenza software al computer di registrazione.
NOTA: Ci sono in totale quattro porte USB che verranno utilizzate. Avere una porta multi-USB può essere utile per gestirli tutti. - Impostare l'amplificatore di registrazione EEG insieme al kit slitta MR all'interno dello scanner.
ATTENZIONE: Qualsiasi componente metallico o sensibile alla MR deve essere rimosso dagli sperimentatori. È necessario che gli sperimentatori completino una formazione appropriata per condurre registrazioni nella sala di scansione MRI.
NOTA: Si consiglia di caricare completamente la batteria dell'amplificatore prima di eseguire la registrazione. - Collegare l'estremità del cavo in fibra ottica nella sala di scansione sul retro dell'amplificatore (Figura 4D) e accendere l'amplificatore.
NOTA: l'altra estremità del cavo in fibra ottica è collegata al Syncbox nella sala di monitoraggio. - Al termine della configurazione dell'apparecchiatura, aprire il software di registrazione EEG facendo clic sull'icona del software sullo schermo del computer. Crea un'area di lavoro nel software di registrazione facendo clic sul menu Nuova area di lavoro nella scheda File in alto a sinistra della finestra.
- Impostare un percorso di cartella in cui verranno archiviati i nuovi dati facendo clic sul pulsante Sfoglia .
- Inserire il nome dei dati in una casella vuota per Prefisso e specificare l'indice di numerazione inserendo un numero nelle caselle nere per Dimensione contatore minimo [cifre] e Numero corrente.
- Dopo aver verificato che il nome del file sia visualizzato correttamente in Nome file risultante successivo, fare clic su Avanti.
- Scansiona l'amplificatore facendo clic sul pulsante Cerca amplificatore in alto a sinistra nella finestra creata. Impostare i parametri appropriati, tra cui le frequenze di campionamento e le frequenze di taglio basse e alte per la registrazione, selezionando le opzioni appropriate elencate per Frequenza di campionamento, Soglia bassa e Soglia alta (vedere la Figura 5).
NOTA: la frequenza di campionamento è impostata su 5.000 Hz per campionare sufficientemente gli artefatti del gradiente dallo scanner. Viene inserito un taglio basso di 10 s per evitare la saturazione della corrente continua (DC) (l'unità di tempo viene utilizzata nel software del registratore) e un taglio elevato di 250 Hz è impostato per limitare l'ampiezza dell'artefatto del gradiente prima di entrare nel convertitore analogico-digitale. - Impostare i parametri dello scanner per la fMRI.
NOTA: Una possibile impostazione di acquisizione fMRI BOLD in stato di riposo è una sequenza eco-planare (TR/TE = 1360/29 ms, angolo di rotazione = 65, 54 fette che coprono l'intero cervello, campo visivo = 260 mm x 260 mm, risoluzione = voxel isotropi 2,5 mm). I dettagli delle impostazioni fMRI possono essere variati a seconda dell'obiettivo della registrazione. - Spegnere la pompa dell'elio dello scanner per ridurre ulteriormente l'introduzione di artefatti nel segnale EEG.
NOTA: lo spegnimento della pompa dell'elio può causare la perdita di elio liquido o l'aumento della temperatura dello schermo. Pertanto, si consiglia vivamente di verificare con il fornitore dello scanner se lo spegnimento del compressore di elio non è eccessivamente dannoso per il loro sistema di scansione MRI. - Trasferire il paziente nella sala d'attesa di scansione. Spiegare la procedura di registrazione al paziente.
NOTA: Si raccomanda di completare tutta la configurazione dell'apparecchiatura di registrazione prima dell'arrivo del paziente. - Pulire la schiena del paziente, proprio sotto la spalla sinistra del paziente, dove verrà posizionato il cavo dell'elettrocardiogramma (ECG). Applicare un gel elettrolitico abrasivo sul cavo ECG e posizionarlo sul lato posteriore sinistro del paziente.
NOTA: La lunghezza di questo cavo è breve, quindi quando si posiziona il cavo ECG, non tirare con forza o metterlo troppo in basso sul retro; Circa 5 cm sotto la spalla è accettabile. Il cavo ECG è posizionato sul retro per ridurre al minimo gli artefatti in movimento. - Applicare del nastro adesivo attorno al cavo e al cavo ECG per ridurre al minimo gli artefatti di scansione durante la registrazione. Scollegare il cablaggio EEG e collegare le giunzioni dei cavi EEG alla scatola di interfaccia (Figura 4B).
- Trasportare il paziente nella sala di scansione. Stendere il paziente sul tavolo di scansione con la testa nella metà inferiore aperta della bobina della testa.
ATTENZIONE: Qualsiasi componente metallico o sensibile alla MR deve essere rimosso dal soggetto.
NOTA: Sostenere la schiena del paziente quando è sdraiato. - Applicare i tappi per le orecchie per ridurre il rumore dello scanner. Applicare un cuscino intorno alla testa del paziente per ridurre al minimo gli artefatti del movimento della testa.
- Collegare la metà superiore della bobina della testa per chiudere la bobina della "gabbia per uccelli" attorno alla testa del paziente. Regola l'altezza del letto. Collegare la scatola di interfaccia all'amplificatore (Figura 4C).
NOTA: il nastro adesivo viene applicato anche ai cavi dalla scatola di interfaccia per ridurre al minimo gli artefatti di scansione (involucro bianco nella Figura 4B). - Posizionare i sacchi di sabbia sicuri per MR attorno ai cavi per ridurre al minimo gli artefatti MR durante la registrazione (Figura 4C). Una volta completate tutte le impostazioni nella sala di scansione, passare alla sala di monitoraggio.
- Comunicare con il paziente attraverso un microfono nella sala di monitoraggio, spiegando che sono in corso ulteriori passaggi per l'impostazione delle impostazioni del software.
NOTA: Gli sperimentatori possono comunicare attraverso altoparlanti integrati nella sala di scansione e un microfono nella sala di monitoraggio. - Controllare l'impedenza degli elettrodi EEG facendo clic sul pulsante Controllo impedenza in alto a sinistra della finestra del software di registrazione aperta sul computer. Confermare con il paziente che sono pronti per la registrazione.
NOTA: Durante la registrazione, gli sperimentatori monitorano le condizioni del paziente attraverso una videocamera nella sala di scansione e comunicano attraverso il microfono nella sala di monitoraggio. - Avviare la registrazione EEG facendo clic sul pulsante Play in alto a sinistra del software di registrazione. Eseguire la scansione di acquisizione fMRI.
ATTENZIONE: In ogni caso quando il paziente riferisce disagio dovuto all'ambiente di registrazione, incluso il rumore, lo sperimentatore deve interrompere la procedura di registrazione.
4. Rimozione artefatti EEG
NOTA: le seguenti descrizioni forniscono passaggi dettagliati su come rimuovere gli artefatti dello scanner sui dati EEG ottenuti dalle registrazioni simultanee EEG-fMRI. Nella Figura 6 viene illustrata la pipeline di elaborazione con esempi rappresentativi.
- Aprire il software di analisi EEG.
- Applicare la correzione dell'artefatto MR.
- Fare clic sulla scheda Trasformazioni > Elaborazione speciale del segnale > Correzione MR . Quando viene generata una piccola finestra, selezionare Usa marcatori, scegliere un segnale di attivazione dallo scanner e fare clic su Avanti.
NOTA: questo passaggio indica un segnale di attivazione dallo scanner e lo utilizza come riferimento per rimuovere gli artefatti MR. - Selezionare le opzioni Interleaved e Based on Time , inserire le informazioni temporali del segnale di trigger e fare clic su Next.
NOTA: nei dati acquisiti, V1 è il segnale di trigger e i seguenti valori possono essere inseriti in base agli intervalli di trigger V1: start [ms]: -2; fine [ms]: 1.358; e durata [ms]: 1.360. L'etichetta del segnale di attivazione e la sua impostazione dettagliata possono essere variate a seconda della configurazione dello scanner. - Nella finestra seguente, selezionare Abilita correzione baseline per Media e deselezionare Calcola baseline sull'intero artefatto. Inserire i valori Start [ms] e End [ms]. Selezionare Usa calcolo media mobile.
NOTA: consente di correggere la linea di base in base a una finestra scorrevole. - Inserire il numero totale di intervalli per la media mobile, controllare l'uso comune di tutti i canali per intervalli e correzioni errati e fare clic su Avanti.
NOTA: il numero totale di intervalli per la media mobile può essere 21. - Selezionare Usa tutti i canali per la correzione e fare clic su Avanti.
- Selezionare Do Downsampling e scegliere 500 per Nuova frequenza [Hz]. Selezionare Applica filtro passa-basso e selezionare Usa filtro FIR, inserire 70 per Frequenza limite [Hz], quindi fare clic su Avanti.
- Una volta completate tutte le impostazioni, selezionare un'opzione Memorizza dati corretti , quindi fare clic su Fine.
NOTA: è possibile selezionare Archivia dati non compressi nel file della cronologia come opzione Archivia dati corretti . Possono essere prese in considerazione diverse opzioni, a seconda dello scopo. Dopo aver fatto clic su Fine, al centro verrà visualizzata una piccola finestra Correzione artefatto scanner che mostra lo stato di elaborazione. Questo processo di correzione MR può richiedere del tempo per essere completato, a seconda delle dimensioni dei dati EEG.
- Fare clic sulla scheda Trasformazioni > Elaborazione speciale del segnale > Correzione MR . Quando viene generata una piccola finestra, selezionare Usa marcatori, scegliere un segnale di attivazione dallo scanner e fare clic su Avanti.
- Applicare la rimozione DC mediante un filtro passa-alto. Fare clic sulla scheda Transformation > Data Filtering > IIR Filters. In una finestra appena generata, selezionare Abilitato in Taglio basso. Inserire una frequenza limite [Hz] di 0,5, scegliere il filtro Ordine come 2, quindi fare clic su OK.
- Rimuovere gli artefatti cardiobalistici.
- Fare clic sulla scheda Trasformazioni > Elaborazione speciale del segnale > Correzione CB . Nella finestra che si apre successivamente, selezionare Usa rilevamento picchi e selezionare Modalità semiautomatica.
- Nella sezione Modello di impulso di ricerca, inserisci Start[s] come 60 e Length[s] come 20. Selezionare Mark Found Template e assicurarsi che sia scelto il canale ECG appropriato.
- Inserire i parametri appropriati per la frequenza del polso, la correlazione e l'ampiezza, inserire R per gli impulsi di marcatura con marcatori R-Peak, quindi fare clic su Avanti.
NOTA: il valore suggerito per la frequenza del polso [ms] è 1000 ± 400 e la frequenza del polso [bpm] è un minimo di 43 e un massimo di 100. I valori specifici della frequenza cardiaca dipendono dagli intervalli ECG del soggetto. Inoltre, il livello di trigger di correlazione può essere impostato come 0,6 e il livello di trigger di ampiezza come un minimo di 0,3 e un massimo di 1,4. - Selezionare Usa dati interi per calcolare il ritardo. Inserire il numero totale di intervalli di impulsi utilizzati per la media.
NOTA: il numero totale di intervalli di impulsi utilizzati per la media può essere impostato su 21. - In Correggi canali successivi spostare tutti i canali EEG nella colonna di destra tranne il canale ECG e quindi fare clic su Avanti.
- Nella pagina successiva, selezionare un'opzione Memorizza dati corretti come preferito. Fare clic su Fine.
NOTA: Una volta cliccato su Fine , sul lato destro del software apparirà una finestra CB Correction-Interactive Mode . - Scorri sull'asse temporale nella parte inferiore della barra di navigazione e controlla dove è evidenziato l'ECG del modello di base con una casella ombreggiata blu. Verificare che il modello di base dell'ECG sia contrassegnato correttamente.
NOTA: facendo doppio clic sul nome del canale ECG, verrà visualizzato solo il canale ECG per la revisione. Considerare una regolazione manuale del picco o dell'intervallo secondo necessità. Nella finestra CB Correction-Interactive Mode sul lato destro del software, gli ECG con schemi anomali sono elencati in ordine sequenziale in formato tabella. Questi sono indicati nella traccia ECG come linee verticali rosse. - Nella finestra CB Correction-Interactive Mode , controllare ciascun ECG contrassegnato facendo doppio clic sulla riga corrispondente nella tabella. Regolare le posizioni dei picchi rilevati, se necessario, spostando le linee verticali rosse. Una volta esaminati tutti gli ECG rilevati, fare clic su Fine.
NOTA: il canale inizialmente contiene solo indicatori rossi e verdi. I marcatori verdi indicano buoni rilevamenti, mentre i marcatori rossi indicano potenziali picchi di impulsi che non soddisfano tutte le condizioni richieste. Gli indicatori rossi diventano gialli dopo averli modificati manualmente. Quando si correggono gli ECG anomali, è importante considerare che ogni posizione di picco e l'intervallo di tempo di ciascun ECG devono essere coerenti.
- Applicare la rimozione del rumore powerline e corrente alternata (CA) tramite un filtro notch. Fare clic sulla scheda Transformation > Data Filtering > IIR Filters. Nella finestra che si apre, selezionare Notch Enabled, selezionare Frequency [Hz], quindi fare clic su OK.
NOTA: Per la selezione della frequenza, è possibile selezionare 50 o 60 Hz a seconda del paese in cui viene eseguita la registrazione. Il filtro notch viene applicato nell'ultimo passaggio per essere utile per i rilevamenti ECG e questa applicazione di filtro offre la comodità della revisione clinica EEG.
Representative Results
Quando un paziente viene ricoverato nell'EMU, vengono registrati un EEG del cuoio capelluto simultaneo e un video. Uno scopo del monitoraggio EEG da parte di un neurologo è quello di valutare le scariche epilettiformi, che possono potenzialmente informare la localizzazione dell'insorgenza delle crisi. Quando si distinguono dinamiche straordinarie di specifici canali EEG, le posizioni degli elettrodi possono essere associate alla localizzazione delle crisi. Durante il periodo interictale, le scariche epilettiformi interictali (IED), compresi i picchi e le onde taglienti, sono tradizionalmente considerate come marcatori di aree di epilettogenicità. Inoltre, le registrazioni ottenute dei dati interictali EEG-fMRI possono essere utili per comprendere e localizzare le crisi. Per convalidare questa registrazione EEG-fMRI e il protocollo di elaborazione EEG, valutiamo la qualità dell'EEG confrontando l'EEG post-elaborato con quello dell'EMU e confermiamo che la stessa caratteristica EEG distinguibile è osservata in entrambi i casi.
L'attività lenta delta focale è tipicamente indicativa di una lesione strutturale cerebrale sottostante o di un'area in cui i neuroni non funzionano come previsto, che si osserva spesso dopo ictus, lesioni alla testa, infezioni cerebrali o demenza. Tuttavia, non è raro che i pazienti con epilessia focale dimostrino attività delta focale vicino o nel sito della loro zona epilettogena. Inoltre, sebbene l'attività delta focale sia meno specifica degli IED, può specificare una patologia strutturale localizzata corrispondente all'insorgenza delle crisi epilettiche nell'epilessia12. Inoltre, le onde lente interictali focali negli EEG corrispondono all'attivazione focale BOLD sulla fMRI che corrisponde all'area epilettogena nei pazienti con epilessia parziale13.
È da notare che, nell'epilessia ad esordio del lobo temporale, è talvolta presente un tipo di attività delta chiamata delta ritmico intermittente temporale (TIRDA), ed è considerata un equivalente IED14. Al contrario, il delta polimorfico intermittente temporale (TIPDA) non è considerato un equivalente IED15. Nei dati EEG elaborati, sono presenti chiare onde lente temporali sinistre focali (TIPDA), che si osservano dall'EEG registrato presso l'UEM (Figura 7). Sebbene questa attività delta non sia equivalente allo IED, suggerisce una disfunzione neuronale temporale sinistra.
Figura 1: Un esempio di 32 selezioni di elettrodi per la registrazione simultanea EEG-fMRI. Nella clinica, 21 canali sono comunemente considerati per il monitoraggio EEG. Per soddisfare un numero minimo di elettrodi per condurre l'imaging sorgente EEG (ESI), sono inclusi 11 canali aggiuntivi per coprire completamente la testa. Tutti gli elettrodi sono tazze d'oro per evitare effetti MR. Nella figura, vengono utilizzati colori diversi per distinguere diversi elettrodi e i colori corrispondono ai colori fisici dei cavi. Ogni scatola rettangolare nella parte inferiore indica una giunzione da collegare a un cablaggio, che sarà collegato a un amplificatore per la registrazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Posizionamento degli elettrodi. (A) Posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto del paziente e (B) disposizione delle giunzioni dei cavi. Le immagini a sinistra in (A) e (B) forniscono una vista frontale dall'alto e le immagini a destra forniscono una vista sul lato sinistro del paziente. Le frecce rosse in (B) indicano il posizionamento dei tamponi di garza. Ciò consente di evitare artefatti di imaging. Le aree cerchiate in blu in (B) mostrano come sono disposte le giunzioni dei cavi. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Collegamento dell'apparecchiatura nella sala di monitoraggio . (A) Panoramica dell'adattatore USB 2, della connessione Syncbox e Triggerbox. Immagine dettagliata di (B) l'adattatore USB 2 e le connessioni del cavo Syncbox, (C) il Syncbox e la connessione del cavo in fibra ottica e (D) le connessioni via cavo nel Triggerbox. I segni di stella su (B), (C) e (D) mostrano la posizione dei cavi USB da collegare al PC di registrazione. Un diagramma schematico del sistema di registrazione EEG e delle connessioni richieste tra l'hardware è fornito nella Figura 1 di Mullinger et al.7. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Collegamento dell'apparecchiatura nella sala di scansione . (A) Una panoramica del collegamento dell'amplificatore EEG nello scanner. (B) Cavi avvolti dalla scatola di interfaccia per collegare gli elettrodi EEG (il cavo rosso è per la misura ECG). (C) Collegamento della scatola di interfaccia e dell'amplificatore EEG e sacchi di sabbia sicuri MR posizionati per ridurre gli artefatti MR. (D) Collegamento dell'amplificatore (superiore) e della batteria (inferiore) e collegamento del cavo in fibra ottica dal Syncbox nella sala di monitoraggio all'amplificatore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Screenshot delle impostazioni dell'area di lavoro sul software di registrazione EEG. Il numero di canali e la frequenza di campionamento possono essere impostati nelle impostazioni dell'amplificatore. Inoltre, le specifiche di ciascun canale possono essere modificate, se necessario, facendo clic sulla tabella in basso. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 6: Pipeline di rimozione degli artefatti EEG con esempi rappresentativi. Le tracce EEG grezze sono visualizzate in basso a sinistra. Il grafico centrale in basso mostra le tracce EEG dopo aver applicato la correzione dell'artefatto MR e un filtro passa-alto di 0,5 Hz sull'EEG grezzo. Il grafico in basso a destra mostra le tracce EEG dopo aver applicato la correzione dell'artefatto CB e un filtro notch di 60 Hz sull'EEG elaborato. Le tracce EEG vengono visualizzate in modalità common ground per visualizzare efficacemente come ogni processo influenza ciascun canale registrato. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 7: Confronto dell'EEG elaborato da una registrazione EEG-fMRI simultanea (a sinistra) e da un EEG registrato presso l'UEM (a destra). Il cerchio rosso indica le onde lente temporali sinistre focali sinistre sugli stessi canali. Le tracce EEG sono visualizzate in un doppio formato banana, che è tradizionalmente considerato nella clinica. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Discussion
Questo protocollo sperimentale è unico nel fornire una transizione graduale dei pazienti con epilessia dall'EMU alla sala di scansione, consentendone l'utilizzo in contesti clinici e di ricerca. L'uso di elettrodi condizionali MR approvati dalla FDA è una componente essenziale sia per le registrazioni cliniche durante il tempo trascorso nell'EMU sia per il trasferimento sicuro alla risonanza magnetica senza dover rimuovere o sostituire gli elettrodi del cuoio capelluto dal paziente. Nell'EMU, gli elettrodi condizionali MR sono collegati a un amplificatore per il monitoraggio simultaneo di video ed EEG. Per le registrazioni EEG-fMRI, è possibile utilizzare un amplificatore EEG condizionale MR e uno scanner MRI con una bobina di testa a 20 canali, che ospita le dimensioni del set di elettrodi e dei fili di collegamento. Va notato che prima di eseguire le registrazioni simultanee EEG-fMRI in pazienti con epilessia, un test eseguito con un soggetto sano è altamente raccomandato per confermare il corretto funzionamento di tutte le apparecchiature e per acquisire familiarità con ogni passaggio richiesto.
Inoltre, anche l'organizzazione concreta del team e un'attenta selezione dei pazienti svolgono un ruolo significativo in questo protocollo. Per essere praticabile sia per le impostazioni cliniche che di ricerca, è necessario disporre di un team strutturato di epilettologi, personale infermieristico, tecnologi EEG e ingegneri. Per la selezione dei pazienti, i criteri di inclusione ed esclusione sopra elencati devono essere attentamente considerati.
Inoltre, è importante affrontare il fatto che quando viene condotta un'analisi fMRI informata dall'EEG, deve esistere una chiara presenza delle caratteristiche chiave dell'EEG per guidare i corrispondenti cambiamenti BOLD nella fMRI. Pertanto, quando si esegue la registrazione EEG-fMRI, è importante considerare i pazienti che hanno precedentemente dimostrato caratteristiche EEG target. Durante il periodo interictale nei pazienti con epilessia, gli IED, che sono anormali e suggeriscono un potenziale epilettogeno, sono una caratteristica EEG ben nota per fare riferimento ai cambiamenti BOLD16, anche se l'esempio qui non include questo caso. Quando si mira a ottenere IED nelle registrazioni EEG-fMRI interictali, gli sperimentatori dovrebbero considerare i pazienti con IED frequenti (almeno tre IED / ora) osservati da un EEG del cuoio capelluto, al fine di garantire sufficienti scariche epilettiformi durante una sessione di scansione. Il numero di IED può essere determinato dal monitoraggio EEG nell'UEM o facendo riferimento alla frequenza IED vista nelle precedenti registrazioni EEG dei soggetti, se esistono. Le registrazioni ottenute dei dati EEG-fMRI interictali possono apportare benefici alla comprensione e potenzialmente alla localizzazione della zona di insorgenza delle crisi17.
Una volta ottenuto un EEG pulito dopo aver elaborato le fasi di rimozione dell'artefatto, è possibile applicare ulteriori analisi EEG. Ad esempio, l'imaging sorgente EEG (ESI) può essere ottenuto applicando la tomografia elettromagnetica cerebrale standardizzata a bassa risoluzione (sLORETA)18 per stimare l'attività elettrica corrispondente del cervello sulla superficie corticale. Le fonti stimate possono essere ottenute invertendo la matrice del campo guida calcolata in base agli strati della testa, del cranio esterno, del cranio interno e della corteccia creati dalla risonanza magnetica del paziente utilizzando il metodo degli elementi di confine19. Ci sono numerosi toolbox disponibili pubblicamente per ottenere l'imaging dei sorgenti EEG e Brainstorm è uno dei toolbox20 basati su MATLAB comunemente utilizzati.
Quando si considera l'ESI utilizzando l'EEG elaborato, il numero totale di elettrodi e le loro distribuzioni devono essere attentamente presi in considerazione in modo che possano ragionevolmente coprire l'intera testa. Il numero minimo di elettrodi necessari per implementare ESI è 32 canali21,22, che è superiore al numero standard di elettrodi utilizzati in ambito clinico. Pertanto, si consiglia di includere canali aggiuntivi per coprire l'intera testa con una spaziatura ragionevole. La selezione dei canali in questo studio comprende 21 canali, che sono convenzionalmente utilizzati nella clinica per il monitoraggio EEG, e 11 canali aggiuntivi per coprire interamente la testa (Figura 1).
Qui, non includiamo dettagli dell'analisi fMRI, poiché questo è fuori dallo scopo del nostro studio. Tuttavia, una possibile direzione è l'analisi fMRI informata dall'EEG23. Ad esempio, il tempo di occorrenza degli IED può essere salvato come trigger di eventi da correlare con la fMRI, il che può portare a un'analisi fMRI correlata agli eventi di routine. In questo caso, un'analisi generalizzata del modello lineare può essere utilizzata per trovare le regioni cerebrali che mostrano cambiamenti nel segnale fMRI al momento degli IED.
Sottolineiamo che uno studio recentemente pubblicato10 ha dimostrato che è possibile utilizzare un sistema di loop di filo di carbonio quando è richiesta una tecnica di rimozione degli artefatti più robusta16. Tuttavia, vogliamo sottolineare che l'integrazione del sistema di loop del filo di carbonio nel nostro ambiente sperimentale con l'elettrodo condizionale MR non è stata ancora studiata.
Anche se questo studio si concentra specificamente sul periodo interictale dell'epilessia, il protocollo introdotto per l'EEG-fMRI simultaneo può essere ulteriormente esteso al periodo ictale o postictale. Tuttavia, è necessario tenere presenti considerazioni specifiche quando vengono prese in considerazione impostazioni personalizzate. Per la fase postictale, una preoccupazione importante di cui siamo consapevoli è che al paziente venga somministrata una benzodiazepina prima del trasporto alla risonanza magnetica. Per quanto riguarda l'analisi delle frequenze degli EEG, è stato riportato che le benzodiazepine non alterano necessariamente le bande di frequenza specifiche 24,25 e, in caso di modeste variazioni, queste sono limitate alla regione somatosensoriale-motoria26 o ai lobi frontali27. Inoltre, per quanto riguarda l'EEG-fMRI simultanea, le correlazioni delta EEG-BOLD non hanno mostrato cambiamenti dopo l'iniezione di benzodiazepine rispetto a un controllo con iniezione salina27. Il segnale BOLD era diminuito solo nelle piccole aree del giro di Heschel e dell'area motoria supplementare.
Disclosures
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal College of Medicine, dal Vice Presidente per la Ricerca, UK HealthCare e dall'Area di priorità di ricerca presso l'Università del Kentucky come parte della College of Medicine Alliance Initiative e dai fondi Start-Up del Dr. Jihye Bae forniti dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università del Kentucky. Gli autori ringraziano i partecipanti volontari per la registrazione e i membri del team dell'Epilepsy-Neuroimaging Research Alliance, in particolare il Dr. Brian Gold per aver guidato il team dell'alleanza, il Dr. Sridhar Sunderam per il tutoraggio della ricerca e Susan V. Hollar ed Emily Ashcraft per la cura e la gestione del paziente.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3T Magnetom Prisma fit MRI scanner | Siemens Healthineers | ||
| Abralyt HiCl, 10 g. | EASYCAP GmbH | Conductive gel for ECG electrode. | |
| BrainAmp MR plus 32-channel | Brain Products GmbH | S-BP-01300 | |
| BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383 | Brain Products GmbH | EEG analysis software. | |
| BrainVision Interface Box 32 inputs | Ives EEG Solutions, LLC | BVI-32 | |
| BrainVision Recorder License with dongle | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
| BrainVision Recorder Version 1.23.0003 | Brain Products GmbH | EEG recording software. | |
| Collodion (non-flexible) | Mavidon | Glue to secure EEG electrodes. | |
| Fiber Optic cable (30m one line) | Brain Products GmbH | S-BP-345-3020 | |
| Gold Cup Electrode set, 32 channel | Ives EEG Solutions, LLC | GCE-32 | 2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay. |
| Gold Cup Electrodes | Ives EEG Solutions, LLC | GCE-EKG | |
| Harness, 32 lead, reusable | Ives EEG Solutions, LLC | HAR-32 | 2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay. |
| MR-sled kit including 100% and 75% length base plates, low profile (3 cm) block legs for each base plate, ramp, and strap systems as hand configured | Brain Products GmbH | BV-79123-PRISMA SKYRA | |
| Natus NeuroWorks EEG | Natus | Software used for EEG monitoring at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU). | |
| Nuprep Skin Prep Gel | Weaver and Co. | ||
| Passive starter set, including consumables (gel, syringes, dispensing tips, adhesive washers, etc.) to facilitate out of the box data acquisition | Brain Products GmbH | S-C-5303 | |
| SyncBox compl. Extension box for phase sync recordings | Brain Products GmbH | S-BP-02675 | Syncbox |
| syngo MR XA30 | Siemens Healthineers | Software used for the MRI scanner. | |
| Ten 20 Conductive Neurodiagnostic Electrode Paste | Weaver and Co. | Conductive gel for EEG electrodes. | |
| TriggerBox Kit for BrainAmp | Brain Products GmbH | S-BP-110-9010 | Triggerbox; This Kit allows to expand the trigger width from the scanner so that the trigger signal can be detected on the BrainVision Recorder properly. This kit may not be required depending on the characteristics of the trigger signal provided by the scanner. |
| Xltek EMU40EX amplifier | Natus | An amplifier used at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU). |
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