Summary
Denne artikkelen beskriver samtidig elektroencefalogram og funksjonell magnetisk resonans imaging (EEG-fMRI) opptaksprosedyrer som kan brukes i både kliniske og forskningsinnstillinger. EEG-behandlingsprosedyrer for å fjerne bildeartefakter for klinisk gjennomgang er også inkludert. Denne studien fokuserer på eksempelet epilepsi i interiktalperioden.
Abstract
Samtidig elektroencefalogram og funksjonell magnetisk resonansavbildning (EEG-fMRI) er en unik kombinert teknikk som gir synergi i forståelsen og lokaliseringen av anfallsdebut ved epilepsi. Rapporterte eksperimentelle protokoller for EEG-fMRI-registreringer tar imidlertid ikke opp detaljer om gjennomføring av slike prosedyrer på epilepsipasienter. I tillegg er disse protokollene begrenset utelukkende til forskningsinnstillinger. For å fylle gapet mellom pasientovervåking i en epilepsiovervåkingsenhet (ØMU) og forskning med en epilepsipasient, introduserer vi en unik EEG-fMRI-registreringsprotokoll for epilepsi i interiktalperioden. Bruken av et MR-betinget elektrodesett, som også kan brukes i EMU for samtidig hodebunns-EEG og videoopptak, muliggjør en enkel overgang av EEG-opptak fra EMU til skannerommet for samtidige EEG-fMRI-opptak. Detaljer om opptaksprosedyrene ved bruk av dette spesifikke MR-betingede elektrodesettet er gitt. I tillegg forklarer studien trinnvise EEG-behandlingsprosedyrer for å fjerne bildeartefaktene, som deretter kan brukes til klinisk gjennomgang. Denne eksperimentelle protokollen fremmer en endring av det konvensjonelle EEG-fMRI-opptaket for forbedret anvendelighet i både kliniske (dvs. EMU) og forskningsinnstillinger. Videre gir denne protokollen potensial til å utvide denne modaliteten til postiktale EEG-fMRI-registreringer i klinisk setting.
Introduction
Epilepsi rammer nesten 70 millioner mennesker over hele verden1. Så mange som en av hver 150 personer med dårlig kontrollert epilepsi bukker under for en plutselig uventet død i epilepsi (SUDEP) hvert år. Videre er omtrent 30%-40% av epilepsitilfellene motstandsdyktige mot medisinsk behandling2. Nevrokirurgisk behandling i form av reseksjon, frakobling eller nevromodulering kan være et livsendrende og livreddende tiltak for pasienter med refraktær epilepsi.
Samtidig elektroencefalogram og funksjonell magnetisk resonanstomografi (EEG-fMRI) er en unik kombinert teknikk som måler hjerneaktiviteter ikke-invasivt, og har gitt fordeler for å forstå og lokalisere anfallsutbrudd ved epilepsi 3,4,5,6. Hodebunns-EEG kan brukes til å lateralisere og lokalisere anfallssoner, men de har relativt dårlig romlig oppløsning på grunn av begrensede muligheter med hensyn til å vurdere dype epileptogene kilder. Mens fMRI har god romlig oppløsning i hele hjernen, inkludert dype regioner, er fMRI alene ikke spesifikk for anfall. Imidlertid kan hodebunns-EEG informere tolkningen av oksygennivåavhengige (BOLD) aktiverings- eller deaktiveringsområder i fMRI, og dermed produsere en fMRI-teknikk som er spesifikk for epilepsi. Dermed kan implementering av simultan EEG-fMRI brukes til å kartlegge spatiotemporale prosesser som er relevante for lokalisering av både "hvor" og "når" av epileptiske hendelser.
Forklaringer på hvordan man gjennomfører samtidig EEG-fMRI er gitt i tidligere studier 7,8,9,10. Imidlertid har EEG-fMRI blitt underutnyttet i epilepsi, spesielt i kliniske omgivelser. Det finnes en studie som gir en generell prosedyre for EEG-fMRI-registreringer, bakgrunn og eksempler på mulig EEG-analyse7. Det er også gjennomført en studie med vekt på hypnotisk induksjon sammen med temperaturmålinger i samtidige EEG-fMRI-opptak8. Videre er det foreslått en utvidet EEG-fMRI-studie for å introdusere en spatiotemporal og fMRI-begrenset EEG-kildeavbildningsmetode 9,10. I tillegg har bruk av en karbontrådsløyfe for effektivt å fjerne artefakter fra EEG-fMRI blitt vurdert10. Imidlertid klarer ikke alle disse studiene å løse utfordringer ved å gjennomføre EEG-fMRI-studier i en klinisk forskningssetting. Spesielt begrenser bruken av EEG-hetten gjennomførbarheten av disse protokollene i kliniske omgivelser, og detaljer om pasienthåndtering mangler også. I denne studien tilbyr vi en EEG-fMRI-opptaksprotokoll som kan brukes i både kliniske og forskningsmiljøer for pasienter med epilepsi. Denne unike protokollen tillater en enkel pasientovergang fra en epilepsiovervåkingsenhet (EMU) til skanningsrommet. I tillegg gir protokollen potensial til å utvide sin anvendelse til postiktale periodeopptak med epilepsipasienter. For EEG-fMRI er etterbehandling et viktig skritt i å fjerne artefakter forårsaket av MR-gradienter og fysiologiske artefakter, som de som er relatert til hjerteslag. Derfor tilbyr vi også trinnvise prosedyrer for å fjerne EEG-artefakter ved hjelp av en standard malfjerningsmetode11 for klinisk gjennomgang.
Protocol
Denne studien ble utført i samsvar med protokoll #62050, godkjent av Institutional Review Board ved University of Kentucky (UK).
1. Rekruttering av
- Inklusjonskriterier
MERK: Alle følgende kriterier må være oppfylt.- Inkluder forsøkspersoner diagnostisert med refraktær fokal epilepsi og kvalifisert for evaluering av epilepsikirurgi.
- Inkluder personer som er mellom 18-60 år.
- Inkluder fertile kvinner dersom de bruker prevensjon. Inkluder kvinnelige forsøkspersoner uten fertil alder (postmenopausal i minst 2 år, bilateral ooforektomi eller tubal ligering, fullstendig hysterektomi).
MERK: I henhold til standard omsorg utføres en graviditetstest for kvinner i fertil alder når de er tatt opp til ØMU. - Inkluder planlagt for opptak til ØMU med diagnose av ildfast fokal epilepsi eller for anfallskarakterisering.
- Kriterier for eksklusjon
- Ekskluder personer som har alvorlig klaustrofobi.
- Ekskluder personer med implantert medisinsk utstyr eller innebygd metall som normalt ville diskvalifisere dem fra å ha en MR, som rutinemessig kontrolleres av MR-teknologen før skanning.
- Ekskluder personer som er gravide eller ammende.
- Ekskluder forsøkspersoner med kjente medisinske eller psykiatriske tilstander som, etter utprøverens mening, kan sette forsøkspersonens evne til å delta i denne studien i fare, eller som vil svekke pålitelig deltakelse i studien.
MERK: Når pasienten er innlagt på ØMU, etter pasientens avtale om samtykkeskjemaet for å delta i denne studien, vil følgende trinn bli fulgt.
2. Plassering av elektrode
- Merk elektrodeposisjoner på pasientens hodebunn, basert på 10-20-systemet.
NOTAT: Figur 1 viser ett utvalg av 32 elektroder.- Mål og noter pasientens hodesenterlinje i hodebunnen ved å plassere et målebånd fra nesen til inionen ved å passere det øverste midten av hodet (Mål A: sagittalplanet).
- Merk 50% av tiltak A fra nasion til inion. Dette merket indikerer elektrodens Cz-plassering .
- Merk 10% av tiltak A fra nasionen til den angitte Cz. Dette merket indikerer elektrodens Fpz-plassering .
- Merk 10% av mål A fra inionen til den angitte Cz. Dette merket indikerer elektrodens Oz-plassering .
- Merk 20% av tiltak A fra den angitte Cz til Fpz. Dette merket indikerer elektrodens Fz-plassering .
- Merk 20% av tiltak A fra den angitte Cz til Oz. Dette merket indikerer elektrodens Pz-plassering .
- Mål og noter pasientens hode fra venstre preaurikulært punkt til høyre preaurikulært punkt ved å passere det øverste midten av hodet (Mål B: koronalplan).
- Merk 50% av tiltak B og sørg for at denne plasseringen overlappes med den angitte Cz-plasseringen .
- Merk 10% av mål B fra venstre preaurikulært punkt til Cz. Dette merket indikerer elektrodens T3-plassering .
- Merk 10% av mål B fra høyre preaurikulært punkt til Cz. Dette merket indikerer elektrodens T4-plassering .
- Merk 20% av tiltak B fra den angitte Cz til T3. Dette merket indikerer elektrodens C3-plassering .
- Merk 20% av tiltak B fra den angitte Cz til T4. Dette merket indikerer elektrodens C4-plassering .
- Mål og noter omkretsen av pasientens hode ved å passere gjennom merket Fpz og Oz (Mål C: tverrplan).
- Merk 10% av tiltak C til venstre og høyre fra Fpz. Disse merkene indikerer elektrodens Fp1 - og Fp2-plasseringer , henholdsvis.
- Merk 10% av tiltak C til venstre og høyre fra Oz. Disse merkene indikerer elektrodens O1 - og O2-plasseringer , henholdsvis.
- Merk 20% av tiltak C til venstre fra Fp1 og høyre fra Fp2. Disse merkene indikerer elektrodens F7 - og F8-plasseringer , henholdsvis.
- Mål og noter avstanden fra F7 og F8 i koronaplanet (Mål D: koronalplan).
- Merk 50 % av mål D, og sørg for at den tidligere indikerte Fz overlappes.
- Merk 25% av mål D fra F7 mot Fz, og fra F8 til Fz. Disse merkene indikerer elektrodens F3 - og F4-plasseringer , henholdsvis.
- Mål avstanden fra nasionen til inionen som passerer gjennom Fp1 og O1. Sørg for at 50% av tiltaket overlapper med den tidligere indikerte C3.
- Mål avstanden fra nasionen til inionen som passerer gjennom Fp2 og O2. Sørg for at 50% av tiltaket overlapper med den tidligere indikerte C4.
MERK: På samme måte kan elektrodeposisjoner på tinning- og isselappene merkes, inkludert T5, P3, P4 og T6. I tillegg kan eventuelle ekstra elektrodeplasseringer, som TP9, TP10, FT9 og FT10, merkes basert på den relative avstanden fra 10-20-systemets elektrodefordelinger. Antall elektroder og deres fordelinger kan bestemmes basert på prospektiv analyse og forskningsfokus.
- Rengjør pasientens hodebunn ved hjelp av hudprep gel på gasbind.
- Legg ledende pasta på en elektrodekopp. Plasser elektroden på pasientens hodebunn etter kanalnavnet på elektrodens kabel.
MERK: For samtidig EEG-fMRI-opptak er det nødvendig å bruke MR-betingede elektroder, og Food and Drug Administration (FDA) -godkjente elektroder foreslås ved EMU. - Gjenta plasseringen av gelen og elektrodene i pasientens hodebunn (trinn 2.3) for alle elektrodene (figur 2A).
MERK: Kablene som er koblet til MR-elektrodene er relativt korte til tilkoblingskrysset for å minimere MR-artefaktene. Derfor, når du plasserer elektrodene, bør du vurdere elektrodeposisjonene og plassere dem nøye slik at kablene kan organiseres godt. I tillegg må du sørge for at det ikke er noen sløyfer på ledningene, siden de potensielt kan produsere varme og brannskader inne i skanneren. - Fest alle elektroder til pasientens hodebunn ved hjelp av lim på gasbind. Ordne alle elektrodekablene og plasser kabelkoblingen langt fra hodebunnen ved å plassere gasbind på midten av motivets hode (figur 2B, røde piler).
MERK: Dette er et kritisk skritt for å unngå bildeartefakter. - Pakk inn alle kabelkoblingene med selvklebende bandasjeinnpakning (blå ovaler i figur 2B).
MERK: Dette trinnet foreslås for å sikre tilkoblingene under opptaket. - Plasser et elastisk hodedeksel for å sikre alle elektrodene. Koble selen, som er koblet til elektrodene, til forsterkeren. Begynn å overvåke deres EEG synkront med videoopptak.
3. EEG-fMRI-opptak
MERK: For EEG-fMRI-opptaket brukes MR-betinget EEG-opptakssystem sammen med MR-betingede elektroder plassert i begynnelsen av EMU-opptak.
- I overvåkingsrommet kobler du USB 2-adapteren til Triggerbox-settet med en kabel (tykk hvit kabel i figur 3A).
MERK: USB 2-adapteren gjør det mulig å grensesnitt annen maskinvare med en datamaskin, og Triggerbox-settet brukes til å manipulere utløsersignalet som genereres fra skanneren som skal oppdages i EEG-opptaksprogramvaren. - Koble Syncbox til USB 2-adapteren med en kabel (tykk svart kabel i figur 3B).
MERK: Syncboxs rolle er å synkronisere klokkesignalene fra forsterkeren og skannerens gradientbrytersystem. - I overvåkingsrommet kobler du den ene enden av den fiberoptiske kabelen til Syncbox (figur 3C til venstre), og fører en annen ende gjennom en tunnel som er koblet til skannerommet.
- Koble en USB-portkabel fra USB 2-adapteren til opptaksdatamaskinen (stjernemerke i figur 3B). Koble en USB-portkabel fra Syncbox til opptaksdatamaskinen (stjernemerke i figur 3C). Koble en USB-portkabel fra utløserboksen til opptakscomputeren (stjernemerke i figur 3D). Koble programvarelisensdonglen til opptaksdatamaskinen.
MERK: Det er totalt fire USB-porter som vil bli brukt. Å ha en multi-USB-port kan være nyttig for å administrere dem alle. - Sett opp EEG-opptaksforsterkeren sammen med MR-sledesettet inne i skanneren.
FORSIKTIG: Eventuelle metall- eller MR-følsomme komponenter må fjernes fra eksperimentene. Det kreves for eksperimentene å fullføre passende opplæring for å gjennomføre opptak i MR-skanningsrommet.
MERK: Det anbefales å lade forsterkerbatteriet helt før opptaket gjennomføres. - Koble enden av den fiberoptiske kabelen i skannerommet til baksiden av forsterkeren (figur 4D) og slå på forsterkeren.
MERK: Den andre enden av den fiberoptiske kabelen er koblet til Syncbox i overvåkingsrommet. - Når utstyrsoppsettet er fullført, åpner du EEG-opptaksprogramvaren ved å klikke på programvareikonet på dataskjermen. Opprett et arbeidsområde i opptaksprogramvaren ved å klikke på Nytt arbeidsområde menyen under filet fanen øverst til venstre i vinduet.
- Angi en mappebane der de nye dataene skal lagres ved å klikke på Bla gjennom-knappen .
- Sett inn datanavnet i en tom boks for Prefiks , og angi nummereringsindeksen ved å sette inn et tall i de svarte boksene for Min. Tellerstørrelse [sifre] og Gjeldende tall.
- Når du har bekreftet at filnavnet vises riktig under Neste resulterende filnavn, klikker du på Neste.
- Skann forsterkeren ved å klikke på Skann etter forsterker-knappen øverst til venstre i det opprettede vinduet. Definer passende parametere, inkludert samplingsfrekvenser og lave og høye grensefrekvenser for opptak ved å velge de aktuelle alternativene som er oppført for Samplingsfrekvens, Lav grenseverdi og Høy grenseverdi (se figur 5).
MERK: Samplingsfrekvensen er satt til 5 000 Hz for å ta tilstrekkelig prøve av gradientartefaktene fra skanneren. En lav cutoff på 10 s er satt inn for å forhindre likestrøm (DC) metning (tidsenheten brukes i opptakerprogramvaren), og en høy cutoff på 250 Hz er satt til å begrense gradientartefaktamplituden før du går inn i analog til digital omformer. - Still inn skannerparametrene for fMRI.
MERK: En mulig hviletilstand fMRI BOLD-innsamlingsinnstilling er en ekkoplan sekvens (TR/TE = 1360/29 ms, vippevinkel = 65, 54 skiver som dekker hele hjernen, synsfelt = 260 mm x 260 mm, oppløsning = 2,5 mm isotrope voxels). Detaljene i fMRI-innstillingene kan varieres avhengig av formålet med opptaket. - Slå av skannerens heliumpumpe for ytterligere å redusere innføringen av artefakter i EEG-signalet.
MERK: Hvis du slår av heliumpumpen, kan det føre til tap av flytende helium eller temperaturøkning. Derfor anbefales det sterkt å sjekke med skannerleverandøren for å verifisere om det å slå av heliumkompressoren ikke er altfor skadelig for MR-skanningssystemet. - Overfør pasienten til venterommet for skanning. Forklar registreringsprosedyren for pasienten.
MERK: Det anbefales at alt oppsett av opptaksutstyr er fullført før pasientens ankomst. - Rengjør pasientens rygg, rett under pasientens venstre skulder, hvor elektrokardiogrammet (EKG) ledningen vil bli plassert. Påfør en slipende elektrolyttgel på EKG-ledningen og plasser den på venstre bakside av pasienten.
NOTAT: Lengden på denne kabelen er kort, så når du plasserer EKG-ledningen, må du ikke trekke hardt eller sette den for lavt på baksiden. Omtrent 5 cm under skulderen er akseptabelt. EKG-ledningen er plassert på baksiden for å minimere bevegelige artefakter. - Påfør tape rundt EKG-ledningen og kabelen for å minimere skanneartefakter under opptaket. Koble fra EEG-selen og koble EEG-kabelkoblingene til grensesnittboksen (figur 4B).
- Transporter pasienten til skannerommet. Legg pasienten ned på skannebordet med hodet i den åpne, nederste halvdelen av hodespolen.
FORSIKTIG: Alle metall- eller MR-sensitive komponenter må fjernes fra motivet.
MERK: Støtt pasientens rygg når du ligger. - Påfør ørepropper for å redusere skannerens støy. Påfør en pute rundt pasientens hode for å minimere hodebevegelsesartefakter.
- Koble den øverste halvdelen av hodespolen for å lukke "fuglburet" -spolen rundt pasientens hode. Juster sengehøyden. Koble grensesnittboksen til forsterkeren (figur 4C).
MERK: Selvklebende tape påføres også kablene fra grensesnittboksen for å minimere skanneartefakter (hvit innpakning i figur 4B). - Plasser de MR-sikre sandsekkene rundt kablene for å minimere MR-artefaktene under opptaket (figur 4C). Når alle innstillingene i skannerommet er fullført, flytter du til overvåkingsrommet.
- Kommuniser med pasienten gjennom en mikrofon i overvåkingsrommet, og forklar at ytterligere trinn for å stille inn programvareinnstillingene utføres.
MERK: Eksperimentene kan kommunisere gjennom innebygde høyttalere i skannerommet og en mikrofon i overvåkingsrommet. - Kontroller impedansen til EEG-elektrodene ved å klikke på Impedanskontroll-knappen øverst til venstre i opptaksprogramvarevinduet som åpnes på datamaskinen. Bekreft med pasienten at de er klare for opptak.
MERK: Under opptaket overvåker eksperimentene pasientens tilstand gjennom et videokamera i skannerommet og kommuniserer gjennom mikrofonen i overvåkingsrommet. - Start EEG-opptaket ved å klikke på Play-knappen øverst til venstre i opptaksprogramvaren. Kjør skanningen av fMRI-anskaffelsen.
FORSIKTIG: I alle fall når pasienten rapporterer ubehag på grunn av opptaksmiljøet, inkludert støy, bør eksperimentøren stoppe opptaksprosedyren.
4. Fjerning av EEG-artefakter
MERK: Følgende beskrivelser gir detaljerte trinn for hvordan du fjerner skannerartefaktene på EEG-dataene hentet fra de samtidige EEG-fMRI-opptakene. Figur 6 viser behandlingspipelinen med representative eksempler.
- Åpne EEG-analyseprogramvaren.
- Påfør MR-artefaktkorreksjon.
- Klikk på fanen Transformasjoner > spesiell signalbehandling > MR-korreksjon . Når et lite vindu genereres, velger du Bruk markører, velger et utløsersignal fra skanneren og klikker på Neste.
MERK: Dette trinnet indikerer et utløsersignal fra skanneren og bruker det som referanse for å fjerne MR-artefaktene. - Velg alternativene Interleaved og Based on Time , sett inn tidsinformasjonen til utløsersignalet, og klikk på Neste.
MERK: I de innhentede dataene er V1 utløsersignalet, og følgende verdier kan settes inn basert på V1-utløserintervallene: start [ms]: -2; slutt [ms]: 1,358; og varighet [ms]: 1,360. Etiketten til utløsersignalet og dens detaljerte innstilling kan varieres avhengig av skannerens konfigurasjon. - I det følgende vinduet merker du av for Aktiver grunnlinjekorrigering for gjennomsnitt og fjerner merket for Beregn opprinnelig plan over hele artefakten. Sett inn verdiene Start [ms] og End [ms]. Velg Bruk beregning av glidende gjennomsnitt.
MERK: Dette gjør at man kan korrigere grunnlinjen basert på et skyvevindu. - Sett inn totalt antall intervaller for glidende gjennomsnitt, sjekk vanlig bruk av alle kanaler for dårlige intervaller og korreksjon, og klikk på Neste.
MERK: Totalt antall intervaller for glidende gjennomsnitt kan være 21. - Velg Bruk alle kanaler for korrigering , og klikk på Neste.
- Merk av for Gjør samplingsreduksjon, og velg 500 for Ny frekvens [Hz]. Merk av for Bruk lavpassfilter og velg Bruk FIR-filter, sett inn 70 for avskjæringsfrekvens [Hz], og klikk deretter på Neste.
- Når alle innstillingene er fullført, velger du ett Lagre korrigerte data-alternativ , og klikker deretter på Fullfør.
MERK: Lagre data ukomprimert i historikkfilen kan velges som et alternativ for å lagre korrigerte data . Ulike alternativer kan vurderes, avhengig av formålet. Etter å ha klikket på Fullfør, vises et lite korrigeringsvindu for skannerartefakter i midten, som viser behandlingsstatusen. Denne MR-korreksjonsprosessen kan ta litt tid å fullføre, avhengig av EEG-datastørrelsen.
- Klikk på fanen Transformasjoner > spesiell signalbehandling > MR-korreksjon . Når et lite vindu genereres, velger du Bruk markører, velger et utløsersignal fra skanneren og klikker på Neste.
- Bruk DC-fjerning med et høypassfilter. Klikk på fanen Transformasjon > datafiltrering > IIR-filtre. I et nylig generert vindu, merk av for Aktivert under Lav avskjæring. Sett inn en grensefrekvens [Hz] på 0,5, velg filteret Bestill som 2, og klikk deretter på OK.
- Fjern kardioballistiske artefakter.
- Klikk på fanen Transformasjoner > spesiell signalbehandling > CB-korreksjon . I vinduet som deretter åpnes, velg Bruk toppdeteksjon og merk av for Semiautomatisk modus.
- Under delen Søkepulsmal setter du inn start[er] som 60 og lengde[r] som 20. Merk av for Found Template og sørg for at riktig EKG-kanal er valgt.
- Sett inn riktige parametere for pulsfrekvens og korrelasjon og amplitude, sett inn R for Pulses med R-Peak, og klikk deretter på Neste.
MERK: Den foreslåtte verdien for pulsfrekvens [ms] er 1000 ± 400 og pulsfrekvens [bpm] er minimum 43 og maksimum 100. De spesifikke pulsfrekvensverdiene avhenger av motivets EKG-områder. I tillegg kan korrelasjonsutløsernivå settes som 0,6 og amplitudeutløsernivå som minimum 0,3 og maksimum 1,4. - Merk av for Bruk hele data til å beregne tidsforsinkelsen. Sett inn totalt antall pulsintervaller som brukes for gjennomsnitt.
MERK: Totalt antall pulsintervaller brukt for gjennomsnitt kan settes som 21. - Under Rett opp etterfølgende kanaler flytter du alle EEG-kanalene til høyre kolonne unntatt EKG-kanalen, og deretter klikker du Neste.
- På neste side velger du ett alternativ for butikkkorrigerte data som foretrukket. Klikk på Fullfør.
MERK: Når du har klikket på Fullfør , vises et CB Correction-Interactive Mode-vindu på høyre side av programvaren. - Skyv over tidsaksen nederst i navigasjonsfeltet , og kontroller hvor basismalen EKG er uthevet med en blå skyggelagt boks. Bekreft at basismalen til EKG er riktig merket.
MERK: Ved å dobbeltklikke på navnet på EKG-kanalen, vises bare EKG-kanalen for gjennomgang. Vurder en manuell justering av toppen eller intervallet etter behov. I vinduet CB Correction-Interactive Mode på høyre side av programvaren er EKG med unormale mønstre oppført i sekvensiell rekkefølge i tabellformat. Disse er angitt i EKG-sporet som røde vertikale linjer. - I vinduet CB Correction-Interactive Mode kontrollerer du hvert merket EKG ved å dobbeltklikke på den tilsvarende raden i tabellen. Juster de oppdagede toppplasseringene etter behov ved å flytte de røde, loddrette linjene. Når alle oppdagede EKG-er er gjennomgått, klikker du på Fullfør.
MERK: Kanalen inneholder i utgangspunktet bare røde og grønne markører. De grønne markørene indikerer gode deteksjoner, mens de røde markørene indikerer potensielle pulstopper som ikke oppfyller alle nødvendige forhold. De røde markørene endres til gult etter at de er endret manuelt. Ved korrigering av unormalt EKG er det viktig å ta hensyn til at hver topplokalisasjon og tidsintervallet for hvert EKG skal være konsistent.
- Bruk strømledning og vekselstrøm (AC) støyfjerning med et hakkfilter. Klikk på kategorien Transformasjon > datafiltrering > IIR-filtre . I vinduet som åpnes, sjekk Notch Enabled, velg Frequency [Hz], og klikk deretter på OK.
MERK: For frekvensvalget kan enten 50 eller 60 Hz velges avhengig av landet der opptaket utføres. Hakkfilteret påføres på det siste trinnet for å være gunstig for EKG-deteksjonene, og denne filterapplikasjonen gir bekvemmeligheten av klinisk EEG-gjennomgang.
Representative Results
Når en pasient er innlagt på EMU, registreres samtidig hodebunns-EEG og video. Et formål med EEG-overvåking av en nevrolog er å evaluere for epileptiforme utslipp, noe som potensielt kan informere lokaliseringen av anfallsutbruddet. Når ekstraordinær dynamikk av spesifikke EEG-kanaler utmerker seg, kan elektrodeplasseringene knyttes til anfallslokalisering. I interiktalperioden betraktes interiktale epileptiforme utladninger (IED), inkludert pigger og skarpe bølger, tradisjonelt som markører for områder med epileptogenisitet. Videre kan de innhentede registreringene av interiktale EEG-fMRI-data være fordelaktige for å forstå og lokalisere anfallene. For å validere dette EEG-fMRI-opptaket og EEG-behandlingsprotokollen evaluerer vi kvaliteten på EEG ved å sammenligne det etterbehandlede EEG-et med det fra ØMU, og vi bekrefter at den samme karakteristiske EEG-karakteristikken observeres i begge tilfeller.
Fokal delta langsom aktivitet tyder vanligvis på en underliggende hjernestrukturell lesjon eller et område der nevronene ikke fungerer som forventet, noe som ofte observeres etter slag, hodeskader, hjerneinfeksjoner eller demens. Det er imidlertid ikke uvanlig at pasienter med fokal epilepsi viser fokal deltaaktivitet nær eller på stedet for deres epileptogene sone. I tillegg, selv om fokal deltaaktivitet er mindre spesifikk enn IEDs, kan den spesifisere lokalisert strukturell patologi som svarer til anfallsdebut ved epilepsi12. Videre korresponderer fokale interiktale langsomme bølger i EEG med fokal BOLD-aktivering på fMRI som samsvarer med det epileptogene området hos pasienter med partiell epilepsi13.
Det er bemerkelsesverdig at i temporallappsutbruddsepilepsi er en type deltaaktivitet kalt temporal intermitterende rytmisk delta (TIRDA) noen ganger tilstede, og det regnes som en IED-ekvivalent14. Tvert imot regnes ikke temporal intermitterende polymorf delta (TIPDA) som en IED-ekvivalent15. I de bearbeidede EEG-dataene er klare fokale venstre temporale langsombølger (TIPDA) til stede, som observeres fra EEG registrert ved ØMU (figur 7). Selv om denne deltaaktiviteten ikke er IED-ekvivalent, antyder den venstre temporal nevronal dysfunksjon.
Figur 1: Et eksempel på 32 elektrodevalg for samtidig EEG-fMRI-registrering. I klinikken vurderes vanligvis 21 kanaler for EEG-overvåking. For å oppfylle et minimum antall elektroder for å utføre EEG-kildeavbildning (ESI), er 11 ekstra kanaler inkludert for å dekke hodet helt. Alle elektroder er gullkopper for å unngå MR-effekter. I figuren brukes forskjellige farger for å skille forskjellige elektroder, og fargene samsvarer med de fysiske kabelfargene. Hver rektangulære boks i bunnen indikerer ett kryss som skal kobles til en sele, som vil bli koblet til en forsterker for opptak. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Elektrodeplasseringer. (A) Plassering av elektrodene på pasientens hodebunn og (B) arrangement av kabelforbindelsene. De venstre bildene i (A) og (B) gir en topp-front visning, og de høyre bildene gir en venstre side visning av pasienten. De røde pilene i (B) indikerer plasseringen av gasbind. Dette bidrar til å unngå bildeartefakter. Områdene sirklet i blått i (B) viser hvordan kabelkryssene er ordnet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Utstyrstilkobling i overvåkingsrommet . (A) En oversikt over USB 2-adapteren, Syncbox og Triggerbox-tilkoblingen. Detaljert bilde av (B) USB 2-adapteren og Syncbox-kabeltilkoblingene, (C) Syncbox og fiberoptisk kabeltilkobling, og (D) kabeltilkoblingene i utløserboksen. Stjernemerkene på (B), (C) og (D) viser plasseringen av USB-kablene som skal kobles til opptaks-PC-en. Et skjematisk diagram over EEG-opptakssystemet og forbindelsene som kreves mellom maskinvaren er gitt i figur 1 i Mullinger et al.7. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Utstyrstilkobling i skannerommet . (A) En oversikt over EEG-forsterkertilkoblingen i skanneren. (B) Innpakkede kabler fra grensesnittboksen for å koble til EEG-elektrodene (den røde kabelen er for EKG-målet). (C) Tilkobling av grensesnittboksen og EEG-forsterkeren og MR-sikre sandsekker plassert for å redusere MR-artefakter. (D) Tilkobling av forsterkeren (øverst) og batteriet (nederst) og tilkobling av den fiberoptiske kabelen fra Syncbox i overvåkingsrommet til forsterkeren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Skjermbilde av arbeidsområdeinnstillinger i EEG-opptaksprogramvaren. Antall kanaler og samplingsfrekvens kan stilles inn under forsterkerinnstillingene. I tillegg kan spesifikasjonen for hver kanal endres, om nødvendig, ved å klikke på tabellen nederst. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: EEG-rørledning for fjerning av artefakter med representative eksempler. De rå EEG-sporene vises nederst til venstre. Det nederste midtplottet viser EEG-spor etter påføring av MR-artefaktkorreksjon og et høypassfilter på 0,5 Hz på det rå EEG. Plottet nederst til høyre viser EEG-spor etter påføring av CB-artefaktkorreksjon og et hakkfilter på 60 Hz på det behandlede EEG. EEG-sporene vises under felles bakkemodus for effektivt å visualisere hvordan hver prosess påvirker hver innspilt kanal. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7 Sammenligning av behandlet EEG fra samtidig EEG-fMRI-registrering (venstre) og EEG registrert ved ØMU (høyre). Den røde sirkelen indikerer fokale venstre temporale langsomme bølger ved de samme kanalene. EEG-sporene vises i et dobbelt bananformat, som tradisjonelt vurderes i klinikken. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Denne eksperimentelle protokollen er unik i å gi en jevn overgang av pasienter med epilepsi fra EMU til skanningsrommet, slik at den kan brukes i kliniske og forskningsinnstillinger. Bruk av FDA-godkjente MR-betingede elektroder er en viktig komponent for både kliniske opptak i løpet av tiden i ØMU og for sikker overføring til MR uten å måtte fjerne eller bytte hodebunnselektroder fra pasienten. I EMU er MR-betingede elektroder koblet til en forsterker for samtidig video- og EEG-overvåking. For EEG-fMRI-opptak kan en MR-betinget EEG-forsterker og en MR-skanner brukes med en 20-kanals hodespole, som rommer størrelsen på elektrodesettet og tilkoblingsledninger. Det må bemerkes at før du utfører samtidige EEG-fMRI-opptak hos pasienter med epilepsi, anbefales en testkjøring med et sunt emne på det sterkeste for å bekrefte riktig drift av alt utstyr og å bli kjent med hvert nødvendig trinn.
I tillegg spiller konkret organisering av teamet og nøye utvalg av pasienter også en viktig rolle i denne protokollen. For å være levedyktig for både kliniske og forskningsinnstillinger, er det nødvendig å ha et strukturert team av epileptologer, sykepleiere, EEG-teknologer og ingeniører. Ved pasientutvelgelse må ovennevnte inklusjons- og eksklusjonskriterier vurderes nøye.
Videre er det viktig å ta opp at når EEG-informert fMRI-analyse utføres, må det være en klar tilstedeværelse av nøkkeltrekkene til EEG for å veilede de tilsvarende BOLD-endringene i fMRI. Ved gjennomføring av EEG-fMRI-registreringen er det derfor viktig å vurdere pasienter som tidligere har vist mål-EEG-egenskaper. I interiktalperioden hos pasienter med epilepsi er IED, som er unormale og antyder epileptogent potensiale, et velkjent EEG-trekk for å referere til BOLD-endringene16, selv om eksemplet her ikke inkluderer dette tilfellet. Ved målretting for å oppnå IEDs i interiktale EEG-fMRI-opptak, bør eksperimenter vurdere pasienter med hyppige IEDs (minst tre IEDs / time) observert av et hodebunns-EEG, for å sikre tilstrekkelig epileptiform utslipp under en skanningsøkt. Antall IEDer kan bestemmes fra EEG-overvåking i ØMU, eller fra å referere til IED-frekvensen sett i forsøkspersonenes tidligere EEG-registreringer hvis de eksisterer. De oppnådde registreringene av interiktale EEG-fMRI-data kan gi fordeler for å forstå og potensielt lokalisere anfallsstartsone17.
Når en ren EEG er oppnådd etter behandling av artefaktfjerningstrinnene, kan ytterligere EEG-analyse brukes. For eksempel kan EEG-kildeavbildning (ESI) oppnås ved å anvende standardisert lavoppløselig hjerneelektromagnetisk tomografi (sLORETA)18 for å estimere hjernens tilsvarende elektriske aktivitet på den kortikale overflaten. De estimerte kildene kan fås ved å invertere den beregnede blyfeltmatrisen basert på hode, ytre skalle, indre skalle og cortexlag opprettet fra pasientens MR ved hjelp av grenseelementmetoden19. Det er mange offentlig tilgjengelige verktøykasser for å få EEG-kildebildebehandling, og Brainstorm er en populært brukt MATLAB-basert verktøykasse20.
Når ESI vurderes å bruke det behandlede EEG, må det totale antall elektroder og deres fordelinger tas nøye i betraktning slik at de med rimelighet kan dekke hele hodet. Minste antall elektroder som er nødvendige for å implementere ESI er 32 kanaler21,22, som er mer enn standard antall elektroder som brukes i kliniske omgivelser. Det anbefales derfor å inkludere ekstra kanaler for å dekke hele hodet med rimelig avstand. Kanalutvalget i denne studien inkluderer 21 kanaler, som konvensjonelt brukes i klinikken for EEG-monitorering, og 11 ekstra kanaler for å dekke hodet helt (figur 1).
Her inkluderer vi ikke detaljer om fMRI-analyse, da dette er utenfor omfanget av vår studie. En mulig retning er imidlertid EEG-informert fMRI-analyse23. For eksempel kan forekomsttiden av IED-er lagres som hendelsesutløsere for å korrelere med fMRI, noe som kan føre til en rutinemessig hendelsesrelatert fMRI-analyse. I dette tilfellet kan en generalisert lineær modellanalyse brukes til å finne hjernegruppene som viser endringer i fMRI-signal på tidspunktet for IED.
Vi påpeker at en nylig publisert studie10 har vist at det er mulig å bruke et karbontrådsløyfesystem når en mer robust artefaktfjerningsteknikk er nødvendig16. Vi ønsker imidlertid å hevde at integrasjonen av karbontrådsløyfesystemet i vår eksperimentelle setting med MR-betinget elektrode ikke har blitt undersøkt ennå.
Selv om denne studien spesifikt fokuserer på den interiktale perioden med epilepsi, kan den introduserte protokollen for samtidig EEG-fMRI utvides ytterligere til iktal eller postiktal periode. Spesifikke hensyn må imidlertid følges når tilpassede innstillinger vurderes. I postiktal fase er en viktig bekymring vi kjenner til, at pasienten får et benzodiazepin før transport til MR. Når det gjelder frekvensanalysen av EEG, er det rapportert at benzodiazepiner ikke nødvendigvis endrer de spesifikke frekvensbåndene 24,25, og ved beskjedne forandringer er disse begrenset til det somatosensoriske motoriske området26 eller frontallappene27. Videre, med hensyn til samtidig EEG-fMRI, viste korrelasjoner i delta EEG-BOLD ingen endringer etter benzodiazepininjeksjon sammenlignet med en kontroll med saltvannsinjeksjon27. Fet signal ble redusert i bare de små områdene av Heschels gyrus og supplerende motorområde.
Disclosures
Forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble delvis støttet av College of Medicine, visepresident for forskning, UK HealthCare, og Research Priority Area ved University of Kentucky som en del av College of Medicine Alliance Initiative og Dr. Jihye Baes oppstartsmidler levert av Institutt for elektroteknikk og datateknikk ved University of Kentucky. Forfatterne takker de frivillige deltakerne for opptaket og Epilepsy-Neuroimaging Research Alliance-teammedlemmene, spesielt Dr. Brian Gold for å lede allianseteamet, Dr. Sridhar Sunderam for forskningsmentorskap, og Susan V. Hollar og Emily Ashcraft for pasientbehandling og ledelse.
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). |
References
- Ngugi, A. K., Bottomley, C., Kleinschmidt, I., Sander, J. W., Newton, C. R. Estimation of the burden of active and life-time epilepsy: a meta-analytic approach. Epilepsia. 51 (5), 883-890 (2010).
- Kwan, P., Brodie, M. J.
- Menon, V., Crottaz-Herbette, S. Combined EEG and fMRI studies of human brain function. International Review of Neurobiology. 66, 291-321 (2005).
- Gotman, J., Pittau, F. Combining EEG and fMRI in the study of epileptic discharges. Epilepsia. 52, 38-42 (2011).
- Pittau, F., Dubeau, F., Gotman, J. Contribution of EEG/fMRI to the definition of the epileptic focus. Neurology. 78 (19), 1479-1487 (2012).
- Ikemoto, S., von Ellenrieder, N., Gotman, J. Electroencephalography-functional magnetic resonance imaging of epileptiform discharges: Noninvasive investigation of the whole brain. Epilepsia. 63 (11), 2725-2744 (2022).
- Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. Best current practice for obtaining high quality EEG data during simultaneous fMRI. Journal of Visualized Experiments. (76), e50283 (2013).
- Douglas, P. K., et al. Method for simultaneous fMRI/EEG data collection during a focused attention suggestion for differential thermal sensation. Journal of Visualized Experiments. (83), e3298 (2014).
- Nguyen, T., Potter, T., Karmonik, C., Grossman, R., Zhang, Y. Concurrent EEG and functional MRI recording and integration analysis for dynamic cortical activity imaging. Journal of Visualized Experiments. (136), e56417 (2018).
- Khoo, H. M., et al. Reliable acquisition of electroencephalography data during simultaneous electroencephalography and functional MRI. Journal of Visualized Experiments. (169), e62247 (2021).
- Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. A method for removing imaging artifact from continuous EEG recorded during functional MRI. Neuroimage. 12 (2), 230-239 (2000).
- Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 76, 2-7 (2005).
- Manganotti, P., et al. Continuous EEG-fMRI in patients with partial epilepsy and focal interictal slow-wave discharges on EEG. Magnetic Resonance Imaging. 26 (8), 1089-1100 (2008).
- Reiher, J., Beaudry, M., Leduc, C. P. Temporal intermittent rhythmic delta activity (TIRDA) in the diagnosis of complex partial epilepsy: sensitivity, specificity and predictive value. The Canadian Journal of Neurological Sciences. 16 (4), 398-401 (1989).
- Geyer, J. D., Bilir, E., Faught, R. E., Kuzniecky, R., Gilliam, F. Significance of interictal temporal lobe delta activity for localization of the primary epileptogenic region. Neurology. 52 (1), 202-205 (1999).
- Koupparis, A., et al. Association of EEG-fMRI responses and outcome after epilepsy surgery. Neurology. 97 (15), e1523-1536 (2021).
- Gotman, J. Has recording of seizures become obsolete. Revue Neurologique. , 00865 (2023).
- Pascual-Marqui, R. D. Standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA): technical details. Methods and Findings in Experimental and Clinical Pharmacology. 24, 5-12 (2002).
- Hallez, H., et al. Review on solving the forward problem in EEG source analysis. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 4, 46 (2007).
- Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011, 879716 (2011).
- Srinivasan, R., Tucker, D. M., Murias, M. Estimating the spatial Nyquist of the human EEG. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers. 30, 8-19 (1998).
- Michel, C. M., et al.
- Abreu, R., Leal, A., Figueiredo, P. EEG-informed fMRI: A review of data analysis methods. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 29 (2018).
- Saletu, B., Anderer, P., Saletu-Zyhlarz, G. M. EEG topography and tomography (LORETA) in the classification and evaluation of the pharmacodynamics of psychotropic drugs. Clinical EEG Neuroscience. 37 (2), 66-80 (2006).
- Windmann, V., et al. Influence of midazolam premedication on intraoperative EEG signatures in elderly patients. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1673-1681 (2019).
- Nishida, M., Zestos, M. M., Asano, E. Spatial-temporal patterns of electrocorticographic spectral changes during midazolam sedation. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1223-1232 (2016).
- Forsyth, A., et al. Comparison of local spectral modulation, and temporal correlation, of simultaneously recorded EEG/fMRI signals during ketamine and midazolam sedation. Psychopharmacology. 235 (12), 3479-3493 (2018).
