Summary
Denna artikel beskriver inspelningsprocedurer för samtidig elektroencefalogram och funktionell magnetisk resonanstomografi (EEG-fMRI) som kan användas i både kliniska och forskningsinställningar. EEG-bearbetningsprocedurer för att ta bort bildartefakter för klinisk granskning ingår också. Denna studie fokuserar på exemplet epilepsi under interiktalperioden.
Abstract
Samtidig elektroencefalogram och funktionell magnetisk resonanstomografi (EEG-fMRI) är en unik kombinerad teknik som ger synergi vid förståelse och lokalisering av anfallsdebut vid epilepsi. Rapporterade experimentella protokoll för EEG-fMRI-inspelningar misslyckas dock med att ta upp detaljer om att utföra sådana procedurer på epilepsipatienter. Dessutom är dessa protokoll begränsade enbart till forskningsinställningar. För att fylla gapet mellan patientövervakning i en epilepsiövervakningsenhet (EMU) och forskning med en epilepsipatient introducerar vi ett unikt EEG-fMRI-registreringsprotokoll för epilepsi under interiktalperioden. Användningen av en MR-villkorad elektroduppsättning, som också kan användas i EMU för en samtidig EEG- och videoinspelning i hårbotten, möjliggör en enkel övergång av EEG-inspelningar från EMU till skanningsrummet för samtidiga EEG-fMRI-inspelningar. Detaljer om registreringsprocedurerna med denna specifika MR-villkorade elektroduppsättning tillhandahålls. Dessutom förklarar studien steg-för-steg EEG-bearbetningsprocedurer för att avlägsna bildartefakterna, som sedan kan användas för klinisk granskning. Detta experimentella protokoll främjar en ändring av den konventionella EEG-fMRI-registreringen för förbättrad tillämplighet i både kliniska (dvs. EMU) och forskningsinställningar. Dessutom ger detta protokoll potential att utöka denna modalitet till postiktala EEG-fMRI-inspelningar i klinisk miljö.
Introduction
Epilepsi drabbar nästan 70 miljoner människor världen över1. Så många som en av 150 personer med dåligt kontrollerad epilepsi dukar under för en plötslig oväntad död i epilepsi (SUDEP) varje år. Dessutom är ungefär 30% -40% av epilepsifallen eldfasta mot medicinsk behandling2. Neurokirurgisk behandling i form av resektion, frånkoppling eller neuromodulering kan vara en livsförändrande och livräddande åtgärd för patienter med eldfast epilepsi.
Samtidig elektroencefalogram och funktionell magnetisk resonanstomografi (EEG-fMRI) är en unik kombinerad teknik som mäter hjärnaktiviteter icke-invasivt och har gett fördelar för att förstå och lokalisera anfallsdebut vid epilepsi 3,4,5,6. Hårbotten-EEG kan användas för att lateralisera och lokalisera anfallszoner, men de har relativt dålig rumslig upplösning på grund av begränsad förmåga att bedöma djupa epileptogena källor. Medan fMRI har god rumslig upplösning i hela hjärnan, inklusive djupa regioner, är fMRI ensam inte specifikt för anfall. Hårbotten-EEG kan dock informera tolkningen av blodsyrenivåberoende (BOLD) aktiverings- eller deaktiveringsområden i fMRI, vilket ger en fMRI-teknik som är specifik för epilepsi. Således kan implementeringen av samtidig EEG-fMRI användas för att kartlägga spatiotemporala processer som är relevanta för att lokalisera både "var" och "när" av epileptiska händelser.
Förklaringar av hur man utför samtidig EEG-fMRI ges i tidigare studier 7,8,9,10. EEG-fMRI har dock underutnyttjats vid epilepsi, särskilt i kliniska miljöer. Det finns en studie som ger en generell procedur för EEG-fMRI-inspelningar, bakgrund och exempel på möjlig EEG-analys7. Dessutom har en studie som betonar hypnotisk induktion tillsammans med temperaturmätningar i samtidiga EEG-fMRI-inspelningar genomförts8. Vidare har en utvidgad EEG-fMRI-studie för att introducera en spatiotemporal och fMRI-begränsad EEG-bildmetod föreslagits 9,10. Dessutom har användningen av en koltrådslinga för att effektivt avlägsna artefakter från EEG-fMRI ansettsvara 10. Alla dessa studier misslyckas dock med att ta itu med utmaningar vid genomförande av EEG-fMRI-studier i en klinisk forskningsmiljö. I synnerhet begränsar användningen av EEG-taket genomförbarheten av dessa protokoll i kliniska miljöer, och detaljer om patienthantering saknas också. I denna studie tillhandahåller vi ett EEG-fMRI-registreringsprotokoll som kan användas i både kliniska och forskningsinställningar för patienter med epilepsi. Detta unika protokoll möjliggör en enkel patientövergång från en epilepsiövervakningsenhet (EMU) till skanningsrummet. Dessutom ger protokollet möjlighet att utöka sin tillämpning till postiktala periodinspelningar med epilepsipatienter. För EEG-fMRI är efterbehandling ett avgörande steg för att ta bort artefakter orsakade av MR-gradienter och fysiologiska artefakter, såsom de som är relaterade till hjärtslag. Därför tillhandahåller vi också steg-för-steg-procedurer för att ta bort EEG-artefakter med hjälp av en standardmallborttagningsmetod11 för klinisk granskning.
Protocol
Denna studie utfördes i enlighet med protokoll # 62050, godkänt av Institutional Review Board vid University of Kentucky (Storbritannien).
1. Ämnesrekrytering
- Inklusionskriterier
Alla följande kriterier måste uppfyllas.- Inkludera patienter som diagnostiserats med eldfast fokal epilepsi och berättigade till epilepsikirurgisk utvärdering.
- Inkludera ämnen som är mellan 18-60 år.
- Inkludera kvinnliga försökspersoner i fertil ålder om de använder en preventivmetod. Inkludera kvinnliga försökspersoner utan fertil potential (postmenopausala i minst 2 år, bilateral ooforektomi eller tubarligering, fullständig hysterektomi).
OBS: Enligt vårdstandard utförs ett graviditetstest för fertila kvinnor när de väl har antagits till EMU. - Inkludera ämnen som planeras för tillträde till EMU med diagnosen eldfast fokal epilepsi eller för karakterisering av anfall.
- Kriterier för uteslutning
- Uteslut personer som har svår klaustrofobi.
- Uteslut försökspersoner med implanterad medicinsk utrustning eller inbäddad metall som normalt skulle diskvalificera dem från att ha en MR, som rutinmässigt kontrolleras av MR-teknikern före någon skanning.
- Uteslut personer som är gravida eller ammande.
- Uteslut försökspersoner med något känt medicinskt eller psykiatriskt tillstånd som enligt prövarens uppfattning skulle kunna äventyra eller äventyra försökspersonens förmåga att delta i denna studie, eller skulle försämra ett tillförlitligt deltagande i studien.
OBS: När patienten är antagen till EMU, efter patientens godkännande av samtyckesformuläret för att delta i denna studie, kommer följande steg att följas.
2. Elektrodplacering
- Markera elektrodpositioner på patientens hårbotten, baserat på 10-20-systemet.
NOT: Figur 1 Visar ett urval av 32 elektroder.- Mät och notera patientens huvudmittlinje i hårbotten genom att placera ett måttband från nasionen till inionen genom att passera huvudets övre centrum (Åtgärd A: sagittalplan).
- Markera 50% av åtgärd A från nasion till inion. Detta märke anger elektrodens Cz-placering .
- Markera 10% av åtgärd A från nasionen till den angivna Cz. Detta märke anger elektrodens Fpz-position .
- Markera 10% av åtgärd A från injonen till den angivna Cz. Detta märke anger elektrodens Oz-position .
- Markera 20% av åtgärd A från den angivna Cz till Fpz. Detta märke anger elektrodens Fz-position .
- Markera 20% av åtgärd A från den angivna Cz till Oz. Detta märke anger elektrodens Pz-position .
- Mät och notera patientens huvud från vänster preaurikulär punkt till höger preaurikulär punkt genom att passera huvudets övre centrum (mått B: koronalplan).
- Markera 50% av åtgärd B och se till att denna plats överlappar den angivna Cz-platsen .
- Markera 10% av åtgärd B från vänster preaurikulär punkt till Cz. Detta märke anger elektrodens T3-position .
- Markera 10% av åtgärd B från höger preaurikulär punkt till Cz. Detta märke anger elektrodens T4-position .
- Markera 20% av åtgärd B från den angivna Cz till T3. Detta märke anger elektrodens C3-placering .
- Markera 20% av åtgärd B från den angivna Cz till T4. Detta märke anger elektrodens C4-placering .
- Mät och notera omkretsen av patientens huvud genom att passera genom den markerade Fpz och Oz (mått C: tvärplan).
- Markera 10% av åtgärd C till vänster och höger från Fpz. Dessa märken anger elektrodens Fp1 - respektive Fp2-platser .
- Markera 10% av åtgärd C till vänster och höger från Oz. Dessa märken anger elektrodens O1 - respektive O2-platser .
- Markera 20% av åtgärd C vänster från Fp1 och höger från Fp2. Dessa märken anger elektrodens F7 - respektive F8-platser .
- Mät och notera avståndet från F7 och F8 i koronalplanet (mått D: koronalplan).
- Markera 50% av mått D och se till att den tidigare angivna Fz överlappar varandra.
- Markera 25% av åtgärd D från F7 mot Fz och från F8 till Fz. Dessa märken anger elektrodens F3 - respektive F4-platser .
- Mät avståndet från nasionen till inionen som passerar genom Fp1 och O1. Se till att 50% av åtgärden överlappar med den tidigare angivna C3.
- Mät avståndet från nasionen till inionen som passerar genom Fp2 och O2. Se till att 50% av åtgärden överlappar med den tidigare angivna C4.
OBS: På samma sätt kan elektrodpositioner på temporala och parietalloberna markeras, inklusive T5, P3, P4 och T6. Dessutom kan eventuella ytterligare elektrodplatser, såsom TP9, TP10, FT9 och FT10, markeras baserat på det relativa avståndet från 10-20-systemets elektrodfördelningar. Antalet elektroder och deras fördelningar kan bestämmas utifrån prospektiv analys och forskningsfokus.
- Rengör patientens hårbotten med hjälp av hudberedningsgel på gasbindning.
- Lägg ledande pasta på en elektrodkopp. Placera elektroden i patientens hårbotten efter kanalnamnet på elektrodens kabel.
OBS: För samtidig EEG-fMRI-inspelning är det nödvändigt att använda MR-villkorade elektroder, och Food and Drug Administration (FDA) -godkända elektroder föreslås vid EMU. - Upprepa placeringen av gelen och elektroderna i patientens hårbotten (steg 2.3) för alla elektroder (figur 2A).
OBS: Kablarna anslutna till MR-villkorade elektroder är relativt korta till anslutningskorsningen för att minimera MR-artefakterna. Därför, när du placerar elektroderna, överväga elektrodpositionerna och placera dem försiktigt så att kablarna kan organiseras väl. Se dessutom till att det inte finns några öglor på ledningarna, eftersom de potentiellt kan producera värme och brännskador inuti skannern. - Fäst alla elektroder i patientens hårbotten med lim på gasväv. Ordna alla elektrodkablar och placera kabelförbindelsen långt från hårbotten genom att placera kuddar av gasväv på mitten av motivets huvud (figur 2B, röda pilar).
OBS: Detta är ett kritiskt steg för att undvika avbildningsartefakter. - Linda in alla kabelkorsningar med självhäftande bandagelindning (blå ovaler i figur 2B).
OBS: Detta steg föreslås för att säkra anslutningarna under inspelningen. - Placera ett elastiskt huvudskydd för att säkra alla elektroder. Anslut selen, som är ansluten till elektroderna, till förstärkaren. Börja övervaka deras EEG synkront med videoinspelningar.
3. EEG-fMRI-inspelning
OBS: För EEG-fMRI-registreringen används det MR-villkorade EEG-registreringssystemet tillsammans med MR-villkorade elektroder placerade i början av EMU-antagningen.
- I övervakningsrummet ansluter du USB 2-adaptern till Triggerbox-satsen med en kabel (tjock vit kabel i bild 3A).
USB 2-adaptern gör det möjligt att ansluta annan hårdvara till en dator, och Triggerbox-satsen används för att manipulera utlösningssignalen som genereras från skannern för att detekteras i EEG-inspelningsprogramvaran. - Anslut Syncbox till USB 2-adaptern med en kabel (tjock svart kabel i bild 3B).
OBS: Syncboxens roll är att synkronisera klocksignalerna från förstärkaren och skannerns gradientomkopplingssystem. - I övervakningsrummet ansluter du ena änden av den fiberoptiska kabeln till Syncbox (bild 3C till vänster) och passerar en annan ände genom en tunnel ansluten till skanningsrummet.
- Anslut en USB-portkabel från USB 2-adaptern till inspelningsdatorn (stjärnmärke i bild 3B). Anslut en USB-portkabel från Syncbox till inspelningsdatorn (stjärnmärke i bild 3C). Anslut en USB-portkabel från Triggerboxen till inspelningsdatorn (stjärnmärke i bild 3D). Anslut programvarulicensdongeln till inspelningsdatorn.
OBS: Det finns totalt fyra USB-portar som kommer att användas. Att ha en multi-USB-port kan vara till hjälp för att hantera dem alla. - Ställ in EEG-inspelningsförstärkaren tillsammans med MR-slädsatsen inuti skannern.
VARNING: Alla metall- eller MR-känsliga komponenter måste tas bort från experimenterna. Det krävs för experimenterna att slutföra lämplig utbildning för att genomföra inspelningar i MR-skanningsrummet.
OBS: Det rekommenderas att ladda förstärkarbatteriet helt innan inspelningen genomförs. - Anslut änden av den fiberoptiska kabeln i skanningsrummet till förstärkarens baksida (bild 4D) och slå på förstärkaren.
OBS: Den andra änden av den fiberoptiska kabeln är ansluten till Syncbox i övervakningsrummet. - När installationen av utrustningen är klar öppnar du EEG-inspelningsprogramvaran genom att klicka på programvaruikonen på datorskärmen. Skapa en arbetsyta i inspelningsprogrammet genom att klicka på menyn Ny arbetsyta under fliken Arkiv längst upp till vänster i fönstret.
- Ange en mappsökväg där nya data ska lagras genom att klicka på knappen Bläddra .
- Infoga datanamnet i en tom ruta för Prefix och ange numreringsindexet genom att infoga en siffra i de svarta rutorna för Min. räknarstorlek [siffror] och Aktuellt nummer.
- När du har bekräftat att filnamnet visas korrekt under Nästa resulterande filnamn klickar du på Nästa.
- Skanna förstärkaren genom att klicka på knappen Skanna efter förstärkare längst upp till vänster i det skapade fönstret. Ställ in lämpliga parametrar, inklusive samplingsfrekvenser och låga och höga brytfrekvenser för inspelning genom att välja lämpliga alternativ för samplingsfrekvens, låg avstängning och hög cutoff (se figur 5).
Samplingsfrekvensen är inställd på 5 000 Hz för att tillräckligt sampla gradientartefakterna från skannern. En låg avstängning på 10 s sätts in för att förhindra likströmsmättnad (tidsenheten används i inspelningsprogramvaran) och en hög avstängning på 250 Hz är inställd för att begränsa gradientartefaktamplituden innan den går in i analog till digital omvandlare. - Ställ in skannerparametrarna för fMRI.
OBS: En möjlig inställning för vilotillstånd fMRI BOLD-förvärv är en eko-plan sekvens (TR / TE = 1360/29 ms, vändvinkel = 65, 54 skivor som täcker hela hjärnan, synfält = 260 mm x 260 mm, upplösning = 2,5 mm isotropa voxlar). Detaljerna i fMRI-inställningarna kan varieras beroende på syftet med inspelningen. - Stäng av skannerns heliumpump för att ytterligare minska införandet av artefakter i EEG-signalen.
OBS: Att stänga av heliumpumpen kan leda till vätskeheliumförlust eller skärmtemperaturökningar. Därför rekommenderas det starkt att kontrollera med skannerleverantören för att verifiera om avstängning av heliumkompressorn inte är alltför skadlig för deras MR-skanningssystem. - Överför patienten till det skannande väntrummet. Förklara registreringsproceduren för patienten.
OBS: Det rekommenderas att alla inställningar av färdskrivarutrustningen slutförs före patientens ankomst. - Rengör patientens rygg, precis under patientens vänstra axel, där elektrokardiogram (EKG) -ledningen kommer att placeras. Applicera en slipande elektrolytgel på EKG-ledningen och placera den på vänster baksida av patienten.
OBS: Längden på denna kabel är kort, så när du placerar EKG-ledningen, dra inte starkt eller lägg den för lågt på baksidan; Cirka 5 cm under axeln är acceptabelt. EKG-ledningen placeras på baksidan för att minimera rörliga artefakter. - Applicera tejp runt EKG-kabeln och kabeln för att minimera skanningsartefakter under inspelningen. Koppla bort EEG-selen och anslut EEG-kabelanslutningarna till gränssnittsboxen (figur 4B).
- Transportera patienten till skanningsrummet. Lägg ner patienten på skanningsbordet med huvudet i den öppna nedre halvan av huvudspolen.
VARNING: Alla metall- eller MR-känsliga komponenter måste tas bort från motivet.
OBS: Stöd patientens rygg när du ligger ner. - Applicera öronproppar för att minska skannerns brus. Applicera en kudde runt patientens huvud för att minimera artefakter för huvudrörelser.
- Anslut den övre halvan av huvudspolen för att stänga "fågelbur" -spolen runt patientens huvud. Justera sänghöjden. Anslut gränssnittsboxen till förstärkaren (bild 4C).
Självhäftande tejp appliceras också på kablarna från gränssnittsboxen för att minimera skanningsartefakter (vit omslag i figur 4B). - Placera de MR-säkra sandsäckarna runt kablarna för att minimera MR-artefakterna under inspelningen (figur 4C). När alla inställningar i skanningsrummet är klara, flytta till övervakningsrummet.
- Kommunicera med patienten via en mikrofon i övervakningsrummet och förklara att ytterligare steg för att ställa in programvaruinställningarna utförs.
OBS: Experimenterna kan kommunicera via inbyggda högtalare i skanningsrummet och en mikrofon i övervakningsrummet. - Kontrollera impedansen hos EEG-elektroderna genom att klicka på knappen Impedanskontroll längst upp till vänster i inspelningsprogramvarufönstret som öppnas på datorn. Bekräfta med patienten att de är redo för inspelningen.
OBS: Under inspelningen övervakar experimenterna patientens tillstånd genom en videokamera i skanningsrummet och kommunicerar via mikrofonen i övervakningsrummet. - Starta EEG-inspelningen genom att klicka på knappen Spela längst upp till vänster i inspelningsprogramvaran. Kör fMRI-inhämtningssökningen.
VARNING: I alla fall när patienten rapporterar obehag på grund av inspelningsmiljön, inklusive buller, bör experimenten stoppa inspelningsproceduren.
4. Borttagning av EEG-artefakt
Följande beskrivningar ger detaljerade steg om hur du tar bort skannerartefakterna på EEG-data som erhållits från de samtidiga EEG-fMRI-inspelningarna. I bild 6 visas bearbetningspipelinen med representativa exempel.
- Öppna EEG-analysprogrammet.
- Tillämpa MR-artefaktkorrigering.
- Klicka på fliken Transformationer > Special Signal Processing > MR Correction . När ett litet fönster genereras väljer du Använd markörer, väljer en utlösningssignal från skannern och klickar på Nästa.
Det här steget indikerar en utlösningssignal från skannern och använder den som referens för att ta bort MR-artefakterna. - Välj alternativen Interleaved och Based on Time , sätt in tidsinformationen för triggersignalen och klicka på Nästa.
OBS: I inhämtade data är V1 utlösningssignalen och följande värden kan infogas baserat på V1-triggerintervallen: start [ms]: -2; slut [ms]: 1 358; och varaktighet [ms]: 1 360. Utlösningssignalens etikett och dess detaljerade inställning kan varieras beroende på skannerns konfiguration. - I följande fönster markerar du Aktivera baslinjekorrigering för medelvärde och avmarkerar Beräkna baslinje över hela artefakten. Sätt in värdena Start [ms] och Slut [ms]. Välj Använd beräkning av glidande medelvärde.
OBS: Detta gör att man kan korrigera baslinjen baserat på ett skjutfönster. - Infoga totalt antal intervall för glidande medelvärde, kontrollera vanlig användning av alla kanaler för dåliga intervall och korrigering och klicka på Nästa.
OBS: Totalt antal intervall för glidande medelvärde kan vara 21. - Välj Använd alla kanaler för korrigering och klicka på Nästa.
- Markera Gör nedsampling och välj 500 för Ny frekvens [Hz]. Markera Använd lågpassfilter och välj Använd FIR-filter, sätt in 70 för avstängningsfrekvens [Hz] och klicka sedan på Nästa.
- När alla inställningar är klara väljer du ett alternativ för Lagra korrigerade data och klickar sedan på Slutför.
OBS: Lagra data okomprimerade i historikfilen kan väljas som ett alternativ för att lagra korrigerade data . Olika alternativ kan övervägas, beroende på syftet. När du har klickat på Slutför visas ett litet fönster för korrigering av skannerartefakter i mitten som visar bearbetningsstatusen. Denna MR-korrigeringsprocess kan ta lite tid att slutföra, beroende på EEG-datastorleken.
- Klicka på fliken Transformationer > Special Signal Processing > MR Correction . När ett litet fönster genereras väljer du Använd markörer, väljer en utlösningssignal från skannern och klickar på Nästa.
- Applicera DC-borttagning med ett högpassfilter. Klicka på fliken Transformering > datafiltrering > IIR-filter . I ett nyligen genererat fönster markerar du Aktiverad under Låg avstängning. Sätt in en cutoff Frequency [Hz] på 0,5, välj filtret Order as 2 och klicka sedan på OK.
- Ta bort kardioballistiska artefakter.
- Klicka på fliken Transformationer > Special Signal Processing > CB Correction . I fönstret som sedan öppnas väljer du Använd toppdetektering och markerar Halvautomatiskt läge.
- Under avsnittet Search Pulse Template infogar du Start som 60 och Längd som 20. Markera Hittade mall och se till att rätt EKG-kanal är vald.
- Infoga lämpliga parametrar för pulsfrekvens och korrelation och amplitud, sätt in R för Markera pulser med R-toppmarkörer och klicka sedan på Nästa.
OBS: Det föreslagna värdet för pulsfrekvens [ms] är 1000 ± 400 och pulsfrekvens [bpm] är minst 43 och högst 100. De specifika pulsfrekvensvärdena beror på motivets EKG-intervall. Dessutom kan korrelationsutlösningsnivå ställas in som 0,6 och amplitudutlösarnivå som minst 0,3 och högst 1,4. - Markera Använd hela data för att beräkna tidsfördröjningen. Ange totalt antal pulsintervall som används för genomsnitt.
OBS: Totalt antal pulsintervall som används för genomsnittet kan ställas in som 21. - Under Korrigera följande kanaler flyttar du alla EEG-kanaler till den högra kolumnen utom EKG-kanalen och klickar sedan på Nästa.
- På nästa sida väljer du ett alternativ för Lagra korrigerade data enligt önskemål. Klicka på Slutför.
OBS: När du klickar på Slutför visas ett CB Correction-Interactive Mode-fönster på höger sida av programvaran. - Dra över tidsaxeln längst ned i navigeringsfältet och kontrollera var basmallens EKG är markerat med en blå skuggad ruta. Kontrollera att EKG:s grundmall är korrekt markerad.
Genom att dubbelklicka på EKG-kanalnamnet visas endast EKG-kanalen för granskning. Överväg en manuell justering av toppen eller intervallet efter behov. I fönstret CB Correction-Interactive Mode på höger sida av programvaran listas EKG med onormala mönster i sekventiell ordning i tabellformat. Dessa anges i EKG-spåret som röda vertikala linjer. - I fönstret CB Correction-Interactive Mode kontrollerar du varje markerat EKG genom att dubbelklicka på motsvarande rad i tabellen. Justera de identifierade toppplatserna efter behov genom att flytta de röda vertikala linjerna. När alla upptäckta EKG har granskats klickar du på Slutför.
OBS: Kanalen innehåller initialt endast röda och gröna markörer. De gröna markörerna indikerar bra detektioner, medan de röda markörerna indikerar potentiella pulstoppar som inte uppfyller alla villkor som krävs. De röda markörerna ändras till gula efter att de har ändrats manuellt. Vid korrigering av onormala EKG är det viktigt att tänka på att varje toppplats och tidsintervallet för varje EKG bör vara konsekvent.
- Applicera kraftledning och växelström (AC) brusborttagning med ett hackfilter. Klicka på fliken Transformering > datafiltrering > IIR-filter. I fönstret som öppnas markerar du Notch Enabled, väljer Frekvens [Hz] och klickar sedan på OK.
OBS: För frekvensvalet kan antingen 50 eller 60 Hz väljas beroende på det land där inspelningen utförs. Hackfiltret appliceras i det sista steget för att vara fördelaktigt för EKG-detekteringarna, och denna filterapplikation ger bekvämligheten med klinisk EEG-granskning.
Representative Results
När en patient läggs in i EMU spelas en samtidig hårbotten EEG och video in. Ett syfte med EEG-övervakning av en neurolog är att utvärdera epileptiforma urladdningar, vilket potentiellt kan informera lokaliseringen av anfallsstarten. När extraordinär dynamik hos specifika EEG-kanaler särskiljs kan elektrodplatserna associeras med anfallslokalisering. Under den interictala perioden betraktas interictala epileptiforma urladdningar (IED), inklusive spikar och skarpa vågor, traditionellt som markörer för områden med epileptogenicitet. Dessutom kan de erhållna inspelningarna av interictal EEG-fMRI-data vara fördelaktiga för att förstå och lokalisera anfallen. För att validera detta EEG-fMRI-registrerings- och EEG-behandlingsprotokoll utvärderar vi EEG: s kvalitet genom att jämföra det efterbehandlade EEG med det från EMU, och vi bekräftar att samma urskiljbara EEG-egenskap observeras i båda fallen.
Fokal delta långsam aktivitet tyder vanligtvis på en underliggande hjärnstrukturell lesion eller ett område där neuronerna inte fungerar som förväntat, vilket ofta observeras efter stroke, huvudskador, hjärninfektioner eller demens. Det är dock inte ovanligt att patienter med fokal epilepsi uppvisar fokal deltaaktivitet nära eller på platsen för deras epileptogena zon. Dessutom, även om fokal deltaaktivitet är mindre specifik än IED, kan den specificera lokaliserad strukturell patologi som motsvarar anfallsstart vid epilepsi12. Dessutom motsvarar fokala interictala långsamma vågor i EEG fokal BOLD-aktivering på fMRI som matchar det epileptogena området hos patienter med partiell epilepsi13.
Det är anmärkningsvärt att vid epilepsi med temporallobstart är en typ av deltaaktivitet som kallas temporal intermittent rytmisk delta (TIRDA) ibland närvarande, och det anses vara en IED-ekvivalent14. Temporalt intermittent polymorft delta (TIPDA) anses däremot inte vara IED-ekvivalent15. I de bearbetade EEG-data finns tydliga fokala vänstertemporala långsamma vågor (TIPDA), vilket observeras från EEG som registrerats vid EMU (figur 7). Även om denna deltaaktivitet inte är IED-ekvivalent, föreslår den vänster temporal neuronal dysfunktion.
Figur 1: Ett exempel på 32 elektrodval för samtidig EEG-fMRI-registrering. I kliniken anses 21 kanaler vanligtvis för EEG-övervakning. För att uppfylla ett minimalt antal elektroder för att utföra EEG-källavbildning (ESI) ingår ytterligare 11 kanaler för att täcka huvudet helt. Alla elektroder är guldkoppar för att undvika MR-effekter. I figuren används olika färger för att skilja olika elektroder, och färgerna matchar de fysiska kabelfärgerna. Varje rektangulär låda i botten indikerar en korsning som ska anslutas till en sele, som kommer att anslutas till en förstärkare för inspelning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Elektrodplaceringar. (A) Placering av elektroderna i patientens hårbotten och (B) arrangemang av kabelkorsningarna. De vänstra bilderna i (A) och (B) ger en vy uppifrån och de högra bilderna ger en vy av patienten på vänster sida. De röda pilarna i (B) anger placeringen av gasbindor. Detta hjälper till att undvika avbildningsartefakter. Områdena inringade i blått i (B) visar hur kabelkorsningarna är ordnade. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Anslutning av utrustning i övervakningsrummet . (A) En översikt över USB 2-adaptern, Syncbox och Triggerbox-anslutningen. Detaljerad bild av (B) USB 2-adaptern och Syncbox-kabelanslutningarna, (C) Syncbox- och fiberoptiska kabelanslutningen och (D) kabelanslutningarna i Triggerbox. Stjärnmärkena på (B), (C) och (D) visar platsen för USB-kablarna som ska anslutas till inspelningsdatorn. Ett schematiskt diagram över EEG-registreringssystemet och de anslutningar som krävs mellan hårdvaran finns i figur 1 i Mullinger et al.7. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Anslutning av utrustning i skanningsrummet . (A) En översikt över anslutningen av EEG-förstärkare i skannern. (B) Lindade kablar från gränssnittsboxen för att ansluta EEG-elektroderna (den röda kabeln är för EKG-måttet). (C) Anslutning av gränssnittsboxen och EEG-förstärkaren och MR-säkra sandsäckar placerade för att minska MR-artefakter. (D) Anslutning av förstärkaren (överst) och batteriet (botten) och anslutning av fiberoptisk kabel från Syncbox i övervakningsrummet till förstärkaren. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 5: Skärmbild av arbetsytans inställningar i EEG-inspelningsprogrammet. Antalet kanaler och samplingsfrekvensen kan ställas in under förstärkarinställningarna. Dessutom kan specifikationen för varje kanal ändras vid behov genom att klicka på tabellen längst ner. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 6: Pipeline för borttagning av EEG-artefakter med representativa exempel. De råa EEG-spåren visas längst ner till vänster. Det nedre mittdiagrammet visar EEG-spår efter applicering av MR-artefaktkorrigering och ett högpassfilter på 0,5 Hz på rå EEG. Det nedre högra diagrammet visar EEG-spår efter applicering av CB-artefaktkorrigering och ett hackfilter på 60 Hz på det bearbetade EEG. EEG-spåren visas i gemensamt markläge för att effektivt visualisera hur varje process påverkar varje inspelad kanal. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Jämförelse av det bearbetade EEG-EEG från en samtidig EEG-fMRI-registrering (vänster) och ett EEG registrerat vid EMU (höger). Den röda cirkeln indikerar fokala vänster temporala långsamma vågor vid samma kanaler. EEG-spåren visas i ett dubbelt bananformat, vilket traditionellt beaktas i kliniken. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Discussion
Detta experimentella protokoll är unikt för att ge en smidig övergång av patienter med epilepsi från EMU till skanningsrummet, vilket gör att det kan användas i kliniska och forskningsmiljöer. Användningen av FDA-godkända MR-villkorade elektroder är en viktig komponent för både kliniska registreringar under tiden i EMU och för säker överföring till MR utan att behöva ta bort eller byta hårbottenelektroder från patienten. I EMU är MR-konditionerade elektroder anslutna till en förstärkare för samtidig video- och EEG-övervakning. För EEG-fMRI-inspelningar kan en MR-villkorad EEG-förstärkare och en MR-skanner användas med en 20-kanals huvudspole, som rymmer storleken på elektroduppsättningen och anslutningsledningarna. Det måste noteras att innan man utför de samtidiga EEG-fMRI-inspelningarna hos patienter med epilepsi, rekommenderas en testkörning med ett friskt ämne för att bekräfta att all utrustning fungerar korrekt och att bli bekant med varje nödvändigt steg.
Dessutom spelar konkret organisation av teamet och noggrant urval av patienter också en viktig roll i detta protokoll. För att vara livskraftig för både kliniska och forskningsinställningar krävs det att ha ett strukturerat team av epileptologer, vårdpersonal, EEG-tekniker och ingenjörer. För patienturval måste ovanstående inklusions- och exklusionskriterier övervägas noggrant.
Dessutom är det viktigt att ta hänsyn till att när EEG-informerad fMRI-analys utförs måste tydlig närvaro av nyckelegenskaperna hos EEG finnas för att vägleda motsvarande DJÄRVA förändringar i fMRI. Därför är det viktigt att överväga patienter som tidigare har visat EEG-EEG-funktioner när man utför EEG-fMRI-registreringen. Under den interiktala perioden hos patienter med epilepsi är IED, som är onormala och tyder på epileptogen potential, en välkänd EEG-funktion för att hänvisa till BOLD-förändringarna16, även om exemplet här inte inkluderar detta fall. Vid inriktning för att erhålla IED i de interictala EEG-fMRI-inspelningarna bör experimenter överväga patienter med frekventa IED (minst tre IED / timme) observerade av en hårbotten-EEG för att säkerställa tillräckliga epileptiforma urladdningar under en skanningssession. Antalet IED kan bestämmas från EEG-övervakningen i EMU, eller genom att hänvisa till IED-frekvensen som ses i försökspersonernas tidigare EEG-registreringar om sådana finns. De erhållna registreringarna av interictala EEG-fMRI-data kan ge fördelar för att förstå och potentiellt lokalisera anfallsstartzon17.
När en ren EEG har erhållits efter bearbetning av artefaktborttagningsstegen kan ytterligare EEG-analys tillämpas. Till exempel kan EEG-källavbildning (ESI) erhållas genom att tillämpa standardiserad lågupplöst hjärnelektromagnetisk tomografi (sLORETA)18 för att uppskatta hjärnans motsvarande elektriska aktivitet på den kortikala ytan. De uppskattade källorna kan erhållas genom att invertera den beräknade blyfältmatrisen baserat på huvudet, yttre skallen, inre skallen och cortexskikten skapade från patientens MR med hjälp av gränselementmetoden19. Det finns många offentligt tillgängliga verktygslådor för att få EEG-källavbildning, och Brainstorm är en populärt använd MATLAB-baserad verktygslåda20.
När ESI övervägs med hjälp av det bearbetade EEG, måste det totala antalet elektroder och deras fördelningar beaktas noggrant så att de rimligen kan täcka hela huvudet. Det minsta antalet elektroder som krävs för att implementera ESI är 32 kanaler21,22, vilket är mer än det vanliga antalet elektroder som används i kliniska miljöer. Därför rekommenderas att inkludera extra kanaler för att täcka hela huvudet med rimligt avstånd. Kanalvalet i denna studie inkluderar 21 kanaler, som konventionellt används i kliniken för EEG-övervakning, och ytterligare 11 kanaler för att täcka huvudet helt (Figur 1).
Här inkluderar vi inte detaljer om fMRI-analys, eftersom detta ligger utanför ramen för vår studie. En möjlig riktning är dock EEG-informerad fMRI-analys23. Till exempel kan förekomsttiden för IED: er sparas som händelseutlösare för att korrelera med fMRI, vilket kan leda till en rutinmässig händelserelaterad fMRI-analys. I detta fall kan en generaliserad linjär modellanalys användas för att hitta hjärnregionerna som visar förändringar i fMRI-signalen vid tidpunkten för IED.
Vi påpekar att en nyligen publicerad studie10 har visat att det är möjligt att använda ett koltrådsslingsystem när en mer robust artefaktborttagningsteknik krävs16. Vi vill dock bedöma att integrationen av koltrådsslingsystemet i vår experimentella miljö med den MR-villkorade elektroden ännu inte har undersökts.
Även om denna studie specifikt fokuserar på den interiktala perioden av epilepsi, kan det införda protokollet för samtidig EEG-fMRI utvidgas ytterligare till den iktala eller postiktala perioden. Särskilda överväganden måste dock följas när anpassade inställningar beaktas. För den postiktala fasen är ett viktigt problem som vi är medvetna om att patienten ges en bensodiazepin före transport till MR. När det gäller frekvensanalys av EEG har det rapporterats att bensodiazepiner inte nödvändigtvis förändrar de specifika frekvensbanden 24,25, och vid blygsamma förändringar är dessa begränsade till den somatosensoriska-motoriska regionen26 eller frontalloberna27. Dessutom, med avseende på samtidig EEG-fMRI, visade delta EEG-BOLD-korrelationer inga förändringar efter bensodiazepininjektion jämfört med en kontroll med saltlösning27. BOLD-signalen minskade endast i de små områdena av Heschels gyrus och kompletterande motorområde.
Disclosures
Författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av College of Medicine, vice president för forskning, UK HealthCare och Research Priority Area vid University of Kentucky som en del av College of Medicine Alliance Initiative och Dr. Jihye Baes startfonder från Institutionen för elektroteknik och datateknik vid University of Kentucky. Författarna tackar de frivilliga deltagarna för inspelningen och medlemmarna i Epilepsi-Neuroimaging Research Alliance-teamet, särskilt Dr. Brian Gold för att leda alliansteamet, Dr. Sridhar Sunderam för forskningsmentorskap och Susan V. Hollar och Emily Ashcraft för patientvård och hantering.
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).
