Summary
В этой статье подробно описаны процедуры одновременной записи электроэнцефалограммы и функциональной магнитно-резонансной томографии (ЭЭГ-фМРТ), которые могут использоваться как в клинических, так и в исследовательских условиях. Также включены процедуры обработки ЭЭГ для удаления артефактов визуализации для клинического обзора. Это исследование посвящено примеру эпилепсии в межприступном периоде.
Abstract
Одновременная электроэнцефалограмма и функциональная магнитно-резонансная томография (ЭЭГ-фМРТ) – уникальная комбинированная методика, обеспечивающая синергизм в понимании и локализации начала приступов при эпилепсии. Тем не менее, опубликованные экспериментальные протоколы для записей ЭЭГ-фМРТ не учитывают детали проведения таких процедур у пациентов с эпилепсией. Кроме того, эти протоколы ограничены исключительно исследовательскими настройками. Чтобы восполнить пробел между мониторингом пациента в отделении мониторинга эпилепсии (EMU) и проведением исследований с пациентом с эпилепсией, мы вводим уникальный протокол записи эпилепсии на ЭЭГ-фМРТ в межприступном периоде. Использование набора условных электродов МРТ, который также может использоваться в ЭМС для одновременной записи ЭЭГ и видео кожи головы, позволяет легко передавать записи ЭЭГ из ЭМС в комнату сканирования для одновременной записи ЭЭГ-фМРТ. Приведены подробные сведения о процедурах записи с использованием этого конкретного набора условных электродов МРТ. Кроме того, в исследовании объясняются пошаговые процедуры обработки ЭЭГ для удаления артефактов изображения, которые затем могут быть использованы для клинического обзора. Этот экспериментальный протокол способствует внесению поправок в традиционную запись ЭЭГ-фМРТ для повышения применимости как в клинических (т.е. EMU), так и в исследовательских условиях. Кроме того, этот протокол дает возможность расширить этот метод на постиктальные записи ЭЭГ-фМРТ в клинических условиях.
Introduction
Эпилепсией страдают почти 70 миллионов человек во всем мире1. Каждый 150 человек с плохо контролируемой эпилепсией ежегодно умирает от внезапной неожиданной смерти при эпилепсии (SUDEP). Кроме того, примерно 30-40% случаев эпилепсии не поддаются медикаментозному лечению2. Нейрохирургическое лечение в виде резекции, отключения или нейромодуляции может изменить жизнь и спасти жизнь пациентов с рефрактерной эпилепсией.
Одновременная электроэнцефалограмма и функциональная магнитно-резонансная томография (ЭЭГ-фМРТ) - это уникальный комбинированный метод, который неинвазивно измеряет активность мозга и обеспечивает преимущества для понимания и локализации начала припадка при эпилепсии 3,4,5,6. ЭЭГ кожи головы можно использовать для латерализации и локализации зон начала судорог, но они имеют относительно низкое пространственное разрешение из-за ограниченных возможностей в отношении оценки глубоких эпилептогенных источников. В то время как фМРТ имеет хорошее пространственное разрешение по всему мозгу, включая глубокие области, сама по себе фМРТ не является специфической для судорог. Тем не менее, ЭЭГ кожи головы может информировать интерпретацию областей активации или дезактивации в зависимости от уровня кислорода в крови (BOLD) в фМРТ, тем самым создавая технику фМРТ, специфичную для эпилепсии. Таким образом, реализация одновременной ЭЭГ-фМРТ может быть использована для картирования пространственно-временных процессов, имеющих отношение к локализации как «где», так и «когда» эпилептических событий.
Объяснения того, как проводить одновременную ЭЭГ-фМРТ, приведены в предыдущих исследованиях 7,8,9,10. Однако ЭЭГ-фМРТ недостаточно используется при эпилепсии, особенно в клинических условиях. Существует исследование, в котором представлена общая процедура записи ЭЭГ-фМРТ, фон и примеры возможного анализа ЭЭГ7. Кроме того, было проведено исследование, в котором особое внимание уделялось гипнотической индукции наряду с измерением температуры в одновременных записях ЭЭГ-фМРТ8. Кроме того, было предложено расширенное исследование ЭЭГ-фМРТ для внедрения пространственно-временного и ограниченного фМРТ метода визуализации источника ЭЭГ 9,10. Кроме того, было рассмотрено использование петли из углеродной проволоки для эффективного удаления артефактов из ЭЭГ-фМРТ10. Тем не менее, все эти исследования не решают проблемы при проведении исследований ЭЭГ-фМРТ в условиях клинических исследований. В частности, использование колпачка ЭЭГ ограничивает осуществимость этих протоколов в клинических условиях, а также отсутствуют подробности о ведении пациентов. В этом исследовании мы предоставляем протокол записи ЭЭГ-фМРТ, который можно использовать как в клинических, так и в исследовательских условиях для пациентов с эпилепсией. Этот уникальный протокол позволяет легко переходить пациента из блока мониторинга эпилепсии (EMU) в кабинет сканирования. Кроме того, протокол дает возможность расширить его применение к записям постиктального периода у пациентов с эпилепсией. Для ЭЭГ-фМРТ постобработка является важным шагом в удалении артефактов, вызванных градиентами МРТ, и физиологических артефактов, таких как те, которые связаны с сердцебиением. Таким образом, мы также предоставляем пошаговые процедуры по удалению артефактов ЭЭГ с использованием стандартного метода удаленияшаблона 11 для клинического обзора.
Protocol
Это исследование было выполнено в соответствии с Протоколом #62050, одобренным Институциональным наблюдательным советом Университета Кентукки (Великобритания).
1. Предметный рекрутинг
- Критерии включения
ПРИМЕЧАНИЕ: Должны быть соблюдены все следующие критерии.- Включите субъектов, у которых диагностирована рефрактерная фокальная эпилепсия и которые имеют право на хирургическую оценку эпилепсии.
- Включите субъектов в возрасте от 18 до 60 лет.
- Включите женщин с детородным потенциалом, если они используют метод контрацепции. Включите субъектов женского пола без детородного потенциала (постменопауза не менее 2 лет, двусторонняя овариэктомия или перевязка маточных труб, полная гистерэктомия).
ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно стандарту медицинской помощи, тест на беременность проводится женщинам детородного возраста после поступления в EMU. - Включите субъектов, запланированных для госпитализации в EMU с диагнозом рефрактерной фокальной эпилепсии или для характеристики судорог.
- Критерии исключения
- Исключите субъектов, страдающих тяжелой клаустрофобией.
- Исключите субъектов с имплантированными медицинскими устройствами или встроенным металлом, которые обычно лишают их права на МРТ, которая обычно проверяется технологом МРТ перед любым сканированием.
- Исключите субъектов, которые беременны или кормят грудью.
- Исключить субъектов с любым известным медицинским или психиатрическим заболеванием, которое, по мнению исследователя, может поставить под угрозу или поставить под угрозу способность субъекта участвовать в этом исследовании или ухудшить надежное участие в исследовании.
ПРИМЕЧАНИЕ: После того, как пациент будет госпитализирован в EMU, после того, как пациент согласится с формой согласия на участие в этом исследовании, будут выполнены следующие шаги.
2. Размещение электродов
- Отметьте положение электродов на коже головы пациента, исходя из системы 10-20.
ЗАМЕТКА: Рисунок 1 Показан один выбор из 32 электродов.- Измерьте и отметьте центральную линию головы головы пациента, поместив измерительную ленту от носа к иниону, пройдя по верхнему центру головы (мера А: сагиттальная плоскость).
- Отметьте 50% меры А от корня до иниона. Эта метка указывает на расположение электрода в Cz .
- Отметьте 10% меры А от основания до указанной Cz. Эта метка указывает на расположение электрода Fpz .
- Отметьте 10% меры А от иниона до указанной Cz. Эта метка указывает на расположение электрода в унциях .
- Отметьте 20% меры А от указанного Cz до Fpz. Эта метка указывает на Fz-расположение электрода.
- Отметьте 20% меры А от указанной Cz до Oz. Эта метка указывает на Pz-расположение электрода.
- Измерьте и отметьте голову пациента от левой преаурикулярной точки до правой преаурикулярной точки, пройдя по верхнему центру головы (мера B: корональная плоскость).
- Отметьте 50% меры B и убедитесь, что это место перекрывается с указанным местоположением Cz .
- Отметьте 10% меры B от левой преаурикулярной точки до Cz. Эта метка указывает на расположение электрода T3 .
- Отметьте 10% меры B от правой преаурикулярной точки до Cz. Эта метка указывает на расположение электрода T4 .
- Отметьте 20% меры B от указанной Cz до T3. Эта метка указывает на расположение электрода C3 .
- Отметьте 20% меры B от указанной Cz до T4. Эта метка указывает на расположение электрода C4 .
- Измерьте и отметьте окружность головы пациента, пройдя через отмеченные Fpz и Oz (мера C: поперечная плоскость).
- Отметьте 10% меры C слева и справа от Fpz. Эти метки указывают на расположение электрода Fp1 и Fp2 соответственно.
- Отметьте 10% меры C слева и справа от страны Оз. Эти метки указывают на расположение O1 и O2 электрода соответственно.
- Отметьте 20% меры C слева от Fp1 и справа от Fp2. Эти метки указывают на расположение электрода F7 и F8 соответственно.
- Измерьте и запишите расстояние от F7 и F8 в корональной плоскости (мера D: корональная плоскость).
- Отметьте 50% меры D и убедитесь, что ранее указанная Fz перекрывается.
- Отметьте 25% меры D от F7 к Fz и от F8 к Fz. Эти метки указывают на расположение электрода F3 и F4 соответственно.
- Измерьте расстояние от насиона до иниона, проходящего через Fp1 и O1. Убедитесь, что 50% меры перекрываются с ранее указанным C3.
- Измерьте расстояние от носа до иниона, проходящего через Fp2 и O2. Убедитесь, что 50% меры перекрываются с ранее указанным C4.
ПРИМЕЧАНИЕ: Таким же образом могут быть отмечены положения электродов на височных и теменных долях, включая T5, P3, P4 и T6. Кроме того, любые дополнительные местоположения электродов, такие как TP9, TP10, FT9 и FT10, могут быть размечены на основе относительного расстояния от распределения электродов системы 10-20. Количество электродов и их распределение могут быть определены на основе проспективного анализа и направленности исследований.
- Очистите кожу головы пациента с помощью геля для подготовки кожи на марле.
- Нанесите токопроводящую пасту на чашку с одним электродом. Поместите электрод на кожу головы пациента в соответствии с названием канала на кабеле электрода.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для одновременной записи ЭЭГ-фМРТ необходимо использовать условные электроды МРТ, а в EMU предлагаются электроды, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). - Повторите нанесение геля и электродов на кожу головы пациента (шаг 2.3) для всех электродов (рис. 2A).
ПРИМЕЧАНИЕ: Кабели, подключенные к условным электродам МРТ, относительно короткие по отношению к соединительному соединению, чтобы свести к минимуму артефакты МРТ. Поэтому при размещении электродов учитывайте положение электродов и аккуратно размещайте их так, чтобы кабели могли быть хорошо организованы. Кроме того, убедитесь, что на проводах нет петель, так как они потенциально могут выделять тепло и ожоги внутри сканера. - Приклейте все электроды к коже головы пациента с помощью клея на марле. Расположите все электродные кабели и поместите кабельное соединение подальше от кожи головы, поместив подушечки марли в центр головы испытуемого (рис. 2B, красные стрелки).
ПРИМЕЧАНИЕ: Это важный шаг, чтобы избежать артефактов изображения. - Оберните все кабельные соединения самоклеящейся бинтовой пленкой (синие овалы на рисунке 2B).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг предлагается для защиты соединений во время записи. - Наденьте эластичный головной чехол, чтобы закрепить все электроды. Подключите жгут, который соединен с электродами, к усилителю. Начните мониторинг их ЭЭГ синхронно с видеозаписями.
3. Запись ЭЭГ-фМРТ
ПРИМЕЧАНИЕ: Для записи ЭЭГ-фМРТ используется система записи условной ЭЭГ МРТ вместе с условными электродами МРТ, размещенными в начале приема ЭВС.
- В комнате мониторинга подключите адаптер USB 2 к комплекту Triggerbox с помощью кабеля (толстый белый кабель на рисунке 3A).
ПРИМЕЧАНИЕ: Адаптер USB 2 позволяет взаимодействовать с компьютером другого оборудования, а комплект Triggerbox используется для управления триггерным сигналом, генерируемым сканером, который обнаруживается в программном обеспечении для записи ЭЭГ. - Подключите Syncbox к адаптеру USB 2 с помощью кабеля (толстый черный кабель на рисунке 3B).
ПРИМЕЧАНИЕ: Роль Syncbox заключается в синхронизации тактовых сигналов от усилителя и системы градиентной коммутации сканера. - В комнате мониторинга подключите один конец оптоволоконного кабеля к Syncbox (рис. 3C слева) и пропустите другой конец через туннель, соединенный с комнатой сканирования.
- Подключите кабель USB-порта от адаптера USB 2 к записывающему компьютеру (звездочка на рисунке 3B). Подключите кабель USB-порта от Syncbox к записывающему компьютеру (звездочка на рисунке 3C). Подключите кабель USB-порта от Triggerbox к записывающему компьютеру (звездочка на рисунке 3D). Подключите лицензионный ключ программного обеспечения к записывающему компьютеру.
ПРИМЕЧАНИЕ: Всего будет использоваться четыре USB-порта. Наличие нескольких USB-портов может быть полезно для управления ими всеми. - Настройте усилитель записи ЭЭГ вместе с комплектом МР-салазок внутри сканера.
ВНИМАНИЕ: Все металлические или чувствительные к МРТ компоненты должны быть удалены из экспериментаторов. Экспериментаторам необходимо пройти соответствующую подготовку для проведения записей в кабинете сканирования МРТ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед записью рекомендуется полностью зарядить аккумулятор усилителя. - Подсоедините конец оптоволоконного кабеля в комнате сканирования к задней панели усилителя (рис. 4D) и включите усилитель.
ПРИМЕЧАНИЕ: Другой конец оптоволоконного кабеля подключен к Syncbox в комнате мониторинга. - Когда настройка оборудования будет завершена, откройте программное обеспечение для записи ЭЭГ, щелкнув значок программного обеспечения на экране компьютера. Создайте рабочее пространство в программном обеспечении для записи, щелкнув меню « Новое рабочее пространство » на вкладке « Файл » в левом верхнем углу окна.
- Задайте путь к папке, в которой будут храниться новые данные, нажав кнопку «Обзор ».
- Вставьте имя данных в пустое поле для префикса и укажите индекс нумерации, вставив цифру в черные поля для Min. Counter Size [цифры] и Current Number.
- Убедившись, что имя файла правильно отображается в разделе « Следующее результирующее имя файла», нажмите кнопку «Далее».
- Просканируйте усилитель, нажав кнопку «Сканировать усилитель » в левом верхнем углу созданного окна. Настройте соответствующие параметры, включая частоту дискретизации, а также низкие и высокие частоты среза для записи, выбрав соответствующие параметры, перечисленные в списках « Частота дискретизации», «Низкая срезка» и «Высокая срезка » (см. рис. 5).
ПРИМЕЧАНИЕ: Частота дискретизации установлена на 5 000 Гц для достаточной выборки артефактов градиента со сканера. Нижняя срезка 10 с вставляется для предотвращения насыщения постоянным током (DC) (единица измерения времени используется в программном обеспечении регистратора), а высокая срезка 250 Гц устанавливается для ограничения амплитуды артефакта градиента перед входом в аналого-цифровой преобразователь. - Установите параметры сканера для фМРТ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Возможная настройка регистрации фМРТ BOLD в состоянии покоя представляет собой эхо-планарную последовательность (TR / TE = 1360/29 мс, угол переворота = 65, 54 среза, охватывающих весь мозг, поле зрения = 260 мм x 260 мм, разрешение = 2,5 мм изотропных вокселей). Детали настроек фМРТ могут варьироваться в зависимости от цели записи. - Выключите гелиевую помпу сканера, чтобы еще больше уменьшить попадание артефактов в сигнал ЭЭГ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выключение гелиевого насоса может привести к потере жидкого гелия или повышению температуры экрана. Таким образом, настоятельно рекомендуется проконсультироваться с поставщиком сканера, чтобы убедиться, что отключение гелиевого компрессора не слишком вредно для их системы МРТ-сканирования. - Переведите пациента в комнату ожидания сканирования. Объясните пациенту процедуру записи.
ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется, чтобы вся настройка записывающего оборудования была завершена до прибытия пациента. - Очистите спину пациента, прямо под левым плечом пациента, где будет помещен отведение электрокардиограммы (ЭКГ). Нанесите абразивный электролитный гель на отведение ЭКГ и поместите его на левую заднюю сторону пациента.
ПРИМЕЧАНИЕ: Длина этого кабеля короткая, поэтому при размещении отведения ЭКГ не тяните сильно и не кладите его слишком низко на заднюю часть; Допустимо примерно на 5 см ниже плеча. Отведение ЭКГ размещается сзади, чтобы свести к минимуму артефакты движения. - Наклейте клейкую ленту на отведение ЭКГ и кабель, чтобы свести к минимуму артефакты сканирования во время записи. Отсоедините жгут проводов ЭЭГ и подсоедините соединения кабелей ЭЭГ к интерфейсной коробке (рис. 4B).
- Транспортируйте пациента в кабинет сканирования. Уложите пациента на сканирующий стол так, чтобы голова находилась в открытой нижней половине катушки головки.
ВНИМАНИЕ: Все металлические или чувствительные к МРТ компоненты должны быть удалены с предмета.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поддерживайте спину пациента в положении лежа. - Нанесите беруши, чтобы уменьшить шум сканера. Наложите подушку на голову пациента, чтобы свести к минимуму артефакты движения головы.
- Соедините верхнюю половину катушки головы, чтобы закрыть катушку «птичьей клетки» вокруг головы пациента. Отрегулируйте высоту кровати. Подключите интерфейсную коробку к усилителю (рис. 4C).
ПРИМЕЧАНИЕ: Клейкая лента также наносится на кабели из интерфейсного блока, чтобы свести к минимуму артефакты сканирования (белая обертка на рисунке 4B). - Поместите безопасные для МРТ мешки с песком вокруг кабелей, чтобы свести к минимуму артефакты МРТ во время записи (рис. 4C). После того, как все настройки в комнате сканирования будут завершены, перейдите в комнату мониторинга.
- Общайтесь с пациентом через микрофон в комнате наблюдения, объяснив, что проводятся дополнительные действия по настройке параметров программного обеспечения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Экспериментаторы могут общаться через встроенные динамики в комнате сканирования и микрофон в комнате наблюдения. - Проверьте импеданс электродов ЭЭГ, нажав кнопку « Проверка импеданса » в левом верхнем углу окна программного обеспечения для записи, открытого на компьютере. Подтвердите пациенту, что он готов к записи.
ПРИМЕЧАНИЕ: Во время записи экспериментаторы следят за состоянием пациента через видеокамеру в кабинете сканирования и общаются через микрофон в комнате наблюдения. - Запустите запись ЭЭГ, нажав кнопку « Воспроизвести » в левом верхнем углу программы для записи. Запустите сканирование сбора данных фМРТ.
ВНИМАНИЕ: В любом случае, когда пациент сообщает о дискомфорте из-за среды записи, включая шум, экспериментатор должен прекратить процедуру записи.
4. Удаление артефактов ЭЭГ
ПРИМЕЧАНИЕ: В следующих описаниях приведены подробные инструкции по удалению артефактов сканера на данных ЭЭГ, полученных из одновременных записей ЭЭГ-фМРТ. На рисунке 6 показан конвейер обработки с репрезентативными примерами.
- Откройте программное обеспечение для анализа ЭЭГ.
- Примените коррекцию артефактов МРТ.
- Перейдите на вкладку « Преобразования» > «Специальная обработка сигналов» > «Коррекция МРТ ». Когда появится небольшое окно, выберите « Использовать маркеры», выберите триггерный сигнал сканера и нажмите « Далее».
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом шаге отображается сигнал триггера от сканера и он используется в качестве эталона для удаления артефактов МРТ. - Выберите параметры « Чередование » и « На основе времени», вставьте информацию о времени триггерного сигнала и нажмите « Далее».
ПРИМЕЧАНИЕ: В полученных данных V1 является триггерным сигналом, и следующие значения могут быть вставлены на основе интервалов запуска V1: start [мс]: -2; конец [мс]: 1 358; и продолжительность [мс]: 1 360. Метка триггерного сигнала и его детальная настройка могут варьироваться в зависимости от конфигурации сканера. - В следующем окне установите флажок «Включить коррекцию базовой линии для среднего» и снимите флажок «Вычислить базовые показатели по всему артефакту». Вставьте значения Start [ms] и End [ms]. Выберите Использовать вычисление скользящего среднего.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это позволяет исправить базовую линию на основе скользящего окна. - Вставьте общее количество интервалов для скользящей средней, установите флажок « Общее использование всех каналов» для плохих интервалов и коррекции и нажмите « Далее».
ПРИМЕЧАНИЕ: Общее количество интервалов для скользящей средней может быть равно 21. - Выберите «Использовать все каналы для коррекции» и нажмите «Далее».
- Установите флажок Do Downsampling и выберите 500 для новой частоты [Гц]. Установите флажок «Применить фильтр нижних частот» и выберите «Использовать фильтр FIR», вставьте 70 для параметра «Частота среза [Гц]», а затем нажмите «Далее».
- После того, как все настройки будут завершены, выберите один вариант «Сохранить исправленные данные », а затем нажмите «Готово».
ПРИМЕЧАНИЕ: Хранить данные без сжатия в файле истории можно выбрать в качестве опции «Хранить исправленные данные ». В зависимости от цели могут быть рассмотрены различные варианты. После нажатия кнопки «Готово» посередине появится небольшое окно коррекции артефактов сканера , показывающее статус обработки. Этот процесс МРТ-коррекции может занять некоторое время, в зависимости от размера данных ЭЭГ.
- Перейдите на вкладку « Преобразования» > «Специальная обработка сигналов» > «Коррекция МРТ ». Когда появится небольшое окно, выберите « Использовать маркеры», выберите триггерный сигнал сканера и нажмите « Далее».
- Примените удаление постоянного тока с помощью фильтра верхних частот. Перейдите на вкладку «Преобразование > фильтрация данных» > «Фильтры IIR». Во вновь созданном окне установите флажок «Включено» в разделе «Низкая отсечка». Вставьте частоту среза [Гц] 0,5, выберите порядок фильтра как 2 и нажмите «ОК».
- Удалите кардиобаллистические артефакты.
- Перейдите на вкладку « Преобразования» > «Специальная обработка сигналов» > «Коррекция CB ». В появившемся окне выберите пункт «Использовать определение пика » и установите флажок «Полуавтоматический режим».
- В разделе « Шаблон импульса поиска » вставьте «Начало» как 60 и «Длина» как 20. Отметьте найденный шаблон и убедитесь, что выбран соответствующий канал ЭКГ.
- Вставьте правильные параметры для частоты импульсов, корреляции и амплитуды, вставьте R для маркировки импульсов маркерами R-пика, а затем нажмите «Далее».
ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуемое значение частоты пульса [мс] составляет 1000 ± 400, а частота пульса [уд/мин] составляет минимум 43 и максимум 100. Конкретные значения частоты пульса зависят от диапазонов ЭКГ субъекта. Кроме того, уровень триггера корреляции может быть установлен как 0,6, а уровень триггера амплитуды - как минимум 0,3 и максимум 1,4. - Установите флажок Использовать все данные для вычисления временной задержки. Вставьте общее количество интервалов импульсов, используемых для среднего.
ПРИМЕЧАНИЕ: Общее количество интервалов импульсов, используемых для среднего , может быть установлено равным 21. - В разделе " Исправление следующих каналов" переместите все каналы ЭЭГ в правый столбец, кроме канала ЭКГ, и нажмите кнопку "Далее".
- На следующей странице выберите один из предпочтительных вариантов хранения исправленных данных. Нажмите «Готово».
ПРИМЕЧАНИЕ: После нажатия кнопки « Готово » в правой части программного обеспечения появится окно CB Correction-Interactive Mode . - Проведите пальцем по оси времени в нижней части панели навигации и проверьте, где ЭКГ базового шаблона выделена синим затененным полем. Убедитесь, что базовый шаблон ЭКГ правильно отмечен.
ПРИМЕЧАНИЕ: При двойном щелчке по названию канала ЭКГ для просмотра будет отображаться только канал ЭКГ. Рассмотрите возможность ручной регулировки пика или интервала по мере необходимости. В окне CB Correction-Interactive Mode в правой части программного обеспечения ЭКГ с аномальными паттернами перечислены в последовательном порядке в табличном формате. Они обозначены на трассе ЭКГ красными вертикальными линиями. - В окне CB Correction-Interactive Mode проверьте каждую отмеченную ЭКГ, дважды щелкнув соответствующую строку в таблице. При необходимости отрегулируйте обнаруженные местоположения пиков, перемещая красные вертикальные линии. После того, как все обнаруженные ЭКГ будут просмотрены, нажмите «Готово».
ПРИМЕЧАНИЕ: Канал изначально содержит только красные и зеленые маркеры. Зеленые маркеры указывают на хорошее обнаружение, в то время как красные маркеры указывают на потенциальные пики импульсов, которые не соответствуют всем необходимым условиям. Красные маркеры меняются на желтые после изменения их вручную. При коррекции аномальных ЭКГ важно учитывать, что каждое местоположение пика и временной интервал каждой ЭКГ должны быть последовательными.
- Применяйте удаление шума от линии электропередачи и переменного тока (AC) с помощью режекторного фильтра. Перейдите на вкладку «Преобразование > фильтрация данных» > «Фильтры IIR ». В открывшемся окне поставьте галочку напротив пункта « Выемка включена», выберите «Частота [Гц]» и нажмите « ОК».
ПРИМЕЧАНИЕ: Для выбора частоты можно выбрать 50 или 60 Гц в зависимости от страны, в которой ведется запись. Режекторный фильтр применяется на последнем этапе, чтобы быть полезным для обнаружения ЭКГ, и это приложение фильтра обеспечивает удобство клинического обзора ЭЭГ.
Representative Results
При поступлении пациента в EMU одновременно записывается ЭЭГ и видео кожи головы. Одной из целей ЭЭГ-мониторинга, проводимого неврологом, является оценка эпилептиформных выделений, которые потенциально могут сообщить о локализации начала припадка. При выделении экстраординарной динамики специфических каналов ЭЭГ расположение электродов может быть связано с локализацией судорог. В межприступном периоде межприступные эпилептиформные разряды (СВУ), включая всплески и резкие волны, традиционно рассматриваются как маркеры областей эпилептогенности. Кроме того, полученные записи данных межприступной ЭЭГ-фМРТ могут быть полезны для понимания и локализации приступов. Чтобы проверить этот протокол записи ЭЭГ-фМРТ и обработки ЭЭГ, мы оцениваем качество ЭЭГ, сравнивая постобработанную ЭЭГ с ЭЭГ от EMU, и подтверждаем, что в обоих случаях наблюдается одна и та же различимая характеристика ЭЭГ.
Фокальная дельта-медленная активность обычно указывает на основное структурное поражение головного мозга или область, где нейроны не функционируют должным образом, что часто наблюдается после инсультов, травм головы, инфекций головного мозга или деменции. Тем не менее, пациенты с фокальной эпилепсией нередко демонстрируют фокальную дельта-активность вблизи или в месте их эпилептогенной зоны. Кроме того, хотя фокальная дельта-активность менее специфична, чем СВУ, она может указывать на локализованную структурную патологию, соответствующую началу судорог при эпилепсии12. Кроме того, фокальные межприступные медленные волны на ЭЭГ соответствуют фокальной активации BOLD на фМРТ, которая соответствует эпилептогенной области у пациентов с частичной эпилепсией13.
Примечательно, что при эпилепсии с началом височной доли иногда присутствует тип дельта-активности, называемый височной прерывистой ритмической дельтой (TIRDA), и он считается эквивалентом СВУ14. Напротив, временная прерывистая полиморфная дельта (TIPDA) не считается эквивалентом СВУ15. В обработанных данных ЭЭГ присутствуют четкие фокальные левые временные медленные волны (TIPDA), которые наблюдаются по ЭЭГ, записанной на ЭМС (рис. 7). Хотя эта дельта-активность не эквивалентна IED, она предполагает дисфункцию левых височных нейронов.
Рисунок 1: Пример выбора 32 электродов для одновременной записи ЭЭГ-фМРТ. В клинике обычно рассматривается 21 канал для ЭЭГ-мониторинга. Для выполнения минимального количества электродов для проведения исходной визуализации ЭЭГ (ESI) включено 11 дополнительных каналов, которые полностью покрывают голову. Все электроды имеют золотые чашки, чтобы избежать эффектов МРТ. На рисунке разные цвета используются для различения разных электродов, и цвета соответствуют цветам физического кабеля. Каждая прямоугольная рамка внизу указывает на одно соединение, которое необходимо подключить к жгуту, который будет подключен к усилителю для записи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Расположение электродов. (А) Размещение электродов на коже головы пациента и (Б) расположение кабельных соединений. Левые изображения в (A) и (B) обеспечивают вид сверху спереди, а правые изображения обеспечивают вид пациента слева. Красные стрелки в (B) указывают на размещение марлевых салфеток. Это помогает избежать артефактов изображения. Области, обведенные синим цветом в (B), показывают, как расположены кабельные соединения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Подключение оборудования в комнате мониторинга . (A) Обзор адаптера USB 2, подключения Syncbox и Triggerbox. Подробное изображение (B) адаптера USB 2 и кабельных соединений Syncbox, (C) соединения Syncbox и оптоволоконного кабеля и (D) кабельных соединений в триггербоксе. Звездочка на (B), (C) и (D) показывает расположение USB-кабелей, которые должны быть подключены к записывающему ПК. Принципиальная схема системы регистрации ЭЭГ и соединений, необходимых между аппаратным обеспечением, представлена на рисунке 1 в Mullinger et al.7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Подключение оборудования в сканирующей комнате . (A) Обзор подключения усилителя ЭЭГ в сканере. (B) Обернутые кабели из интерфейсной коробки для подключения электродов ЭЭГ (красный кабель предназначен для измерения ЭКГ). (C) Соединение интерфейсной коробки и усилителя ЭЭГ и безопасных мешков с песком для МРТ, размещенных для уменьшения артефактов МРТ. (D) Подключение усилителя (вверху) и аккумулятора (внизу) и подключение оптоволоконного кабеля от Syncbox в комнате мониторинга к усилителю. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Скриншот настроек рабочего пространства в программном обеспечении для записи ЭЭГ. Количество каналов и частоту дискретизации можно установить в настройках усилителя. Кроме того, при необходимости спецификацию каждого канала можно изменить, щелкнув таблицу внизу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Конвейер удаления артефактов ЭЭГ с репрезентативными примерами. Необработанные следы ЭЭГ отображаются в левом нижнем углу. На нижнем среднем графике показаны следы ЭЭГ после применения МР-коррекции артефактов и фильтра верхних частот 0,5 Гц на необработанной ЭЭГ. На графике в правом нижнем углу отображаются следы ЭЭГ после применения коррекции артефактов CB и режекторного фильтра 60 Гц на обработанной ЭЭГ. Трассы ЭЭГ отображаются в режиме общего заземления, чтобы эффективно визуализировать, как каждый процесс влияет на каждый записанный канал. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Сравнение обработанной ЭЭГ с одновременной записью ЭЭГ-фМРТ (слева) и ЭЭГ, записанной на ЭМУ (справа). Красный круг указывает на фокальные левые временные медленные волны в тех же каналах. Следы ЭЭГ отображаются в формате двойного банана, который традиционно рассматривается в клинике. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Discussion
Этот экспериментальный протокол уникален тем, что обеспечивает плавный переход пациентов с эпилепсией из ЭВС в кабинет сканирования, что позволяет использовать его в клинических и исследовательских условиях. Использование одобренных FDA условных МР-электродов является важным компонентом как для клинических записей во время пребывания в EMU, так и для безопасного перехода на МРТ без необходимости удаления или замены электродов кожи головы у пациента. В EMU условные электроды МРТ подключаются к усилителю для одновременного мониторинга видео и ЭЭГ. Для записи ЭЭГ-фМРТ можно использовать условный усилитель МР-ЭЭГ и МРТ-сканер с 20-канальной головкой-катушкой, которая вмещает размер набора электродов и соединительных проводов. Следует отметить, что перед проведением одновременной записи ЭЭГ-фМРТ у пациентов с эпилепсией настоятельно рекомендуется провести тестовый запуск со здоровым субъектом, чтобы подтвердить правильную работу всего оборудования и ознакомиться с каждым необходимым шагом.
Кроме того, конкретная организация команды и тщательный отбор пациентов также играют немалую роль в этом протоколе. Чтобы быть жизнеспособным как для клинических, так и для исследовательских условий, необходимо иметь структурированную команду эпилептологов, медсестер, технологов ЭЭГ и инженеров. При отборе пациентов необходимо тщательно учитывать перечисленные выше критерии включения и исключения.
Кроме того, важно отметить, что при проведении анализа фМРТ на основе ЭЭГ должно существовать четкое присутствие ключевых характеристик ЭЭГ, чтобы направлять соответствующие изменения BOLD в фМРТ. Поэтому при проведении записи ЭЭГ-фМРТ важно учитывать пациентов, у которых ранее демонстрировались целевые особенности ЭЭГ. В межприступном периоде у пациентов с эпилепсией СВУ, которые являются аномальными и предполагают эпилептогенный потенциал, являются хорошо известной особенностью ЭЭГ для ссылки на изменения BOLD16, хотя приведенный здесь пример не включает этот случай. При нацеливании на получение СВУ в межприступных записях ЭЭГ-фМРТ экспериментаторы должны учитывать пациентов с частыми СВУ (не менее трех СВУ в час), наблюдаемыми ЭЭГ кожи головы, чтобы обеспечить достаточные эпилептиформные разряды во время сеанса сканирования. Количество СВУ может быть определено по мониторингу ЭЭГ в EMU или по частоте СВУ, наблюдаемой в предыдущих записях ЭЭГ субъектов, если они существуют. Полученные записи данных межприступной ЭЭГ-фМРТ могут принести пользу для понимания и потенциальной локализации зоныначала приступа 17.
После того, как чистая ЭЭГ получена после обработки этапов удаления артефактов, может быть применен дальнейший анализ ЭЭГ. Например, визуализация источника ЭЭГ (ESI) может быть получена путем применения стандартизированной электромагнитной томографии головного мозга с низким разрешением (sLORETA)18 для оценки соответствующей электрической активности мозга на поверхности коры. Расчетные источники могут быть получены путем инвертирования вычисленной матрицы поля свинца на основе слоев головы, наружного черепа, внутреннего черепа и коры головного мозга, созданных на основе МРТ пациента с использованием методаграничных элементов 19. Существует множество общедоступных наборов инструментов для получения изображений источника ЭЭГ, и Brainstorm является одним из широко используемых наборов инструментов на основе MATLAB20.
Когда ESI рассматривается с использованием обработанной ЭЭГ, необходимо тщательно учитывать общее количество электродов и их распределение, чтобы они могли разумно покрывать всю голову. Минимальное количество электродов, необходимое для реализации ESI, составляет 32 канала21,22, что больше, чем стандартное количество электродов, используемых в клинических условиях. Таким образом, рекомендуется включить дополнительные каналы, чтобы покрыть всю голову с разумным расстоянием. Выбор каналов в этом исследовании включает 21 канал, которые обычно используются в клинике для мониторинга ЭЭГ, и 11 дополнительных каналов для полного покрытия головы (рис. 1).
Здесь мы не включаем детали анализа фМРТ, так как это выходит за рамки нашего исследования. Тем не менее, возможным направлением является анализ фМРТ на основе ЭЭГ23. Например, время возникновения СВУ может быть сохранено в качестве триггеров событий для корреляции с фМРТ, что может привести к рутинному анализу фМРТ, связанному с событием. В этом случае обобщенный линейный модельный анализ может быть использован для нахождения областей мозга, показывающих изменения сигнала фМРТ во время ИЭУ.
Мы отмечаем, что недавно опубликованное исследование10 показало, что можно использовать систему петли из углеродной проволоки, когда требуется более надежный метод удаления артефактов16. Тем не менее, мы хотим сообщить, что интеграция системы петли углеродной проволоки в наших экспериментальных условиях с условным электродом МРТ еще не исследовалась.
Несмотря на то, что в этом исследовании особое внимание уделяется межприступному периоду эпилепсии, введенный протокол для одновременной ЭЭГ-фМРТ может быть дополнительно расширен до иктального или постиктального периода. Тем не менее, при рассмотрении любых настраиваемых параметров необходимо учитывать определенные соображения. Что касается постиктальной фазы, важной проблемой, о которой мы знаем, является то, что пациенту дают бензодиазепин перед транспортировкой на МРТ. Что касается частотного анализа ЭЭГ, сообщалось, что бензодиазепины не обязательно изменяют конкретные частотные диапазоны 24,25, а в случае умеренных изменений они ограничены соматосенсорно-моторной областью26 или лобными долями27. Кроме того, в отношении одновременной ЭЭГ-фМРТ корреляции дельта-ЭЭГ-БОЛД не показали изменений после инъекции бензодиазепина по сравнению с контролем с инъекцией физиологического раствора27. Сигнал BOLD был снижен только на небольших участках извилины Хешеля и дополнительной моторной области.
Disclosures
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Acknowledgments
Эта работа была частично поддержана Медицинским колледжем, вице-президентом по исследованиям, UK HealthCare и приоритетной областью исследований в Университете Кентукки в рамках инициативы Альянса Медицинского колледжа и стартовыми фондами доктора Джихе Бэ, предоставленными Департаментом электротехники и вычислительной техники Университета Кентукки. Авторы благодарят участников-добровольцев за запись и членов команды Исследовательского альянса по эпилепсии и нейровизуализации, особенно доктора Брайана Голда за руководство командой альянса, доктора Шридхара Сундерама за наставничество в исследованиях, а также Сьюзан В. Холлар и Эмили Эшкрафт за уход за пациентами и ведение пациентов.
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).
