Betrouwbare verwerving van elektro-encefalografiegegevens tijdens gelijktijdige elektro-encefalografie en functionele MRI

Summary

Dit artikel biedt een eenvoudig protocol voor het verkrijgen van elektro-encefalografiegegevens (EEG) van goede kwaliteit tijdens gelijktijdige EEG- en functionele magnetische resonantiebeeldvorming door gebruik te maken van direct beschikbare medische producten.

Abstract

Gelijktijdige elektro-encefalografie (EEG) en functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI), EEG-fMRI, combineert de complementaire eigenschappen van hoofdhuid EEG (goede temporele resolutie) en fMRI (goede ruimtelijke resolutie) om neuronale activiteit te meten tijdens een electrografische gebeurtenis, door middel van hemodynamische reacties die bekend staan als bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke (BOLD) veranderingen. Het is een niet-invasief onderzoeksinstrument dat wordt gebruikt in neurowetenschappelijk onderzoek en is zeer gunstig voor de klinische gemeenschap, vooral voor de behandeling van neurologische ziekten, op voorwaarde dat de juiste apparatuur en protocollen worden toegediend tijdens het verzamelen van gegevens. Hoewel het registreren van EEG-fMRI ogenschijnlijk eenvoudig is, is de juiste voorbereiding, vooral bij het plaatsen en vastzetten van de elektroden, niet alleen belangrijk voor de veiligheid, maar is het ook van cruciaal belang voor het waarborgen van de betrouwbaarheid en analysebaarheid van de verkregen EEG-gegevens. Dit is ook het meest ervaringseisende deel van de voorbereiding. Om deze problemen aan te pakken, is een eenvoudig protocol ontwikkeld dat de gegevenskwaliteit garandeert. Dit artikel biedt een stapsgewijze handleiding voor het verkrijgen van betrouwbare EEG-gegevens tijdens EEG-fMRI met behulp van dit protocol dat gebruik maakt van direct beschikbare medische producten. Het gepresenteerde protocol kan worden aangepast aan verschillende toepassingen van EEG-fMRI in onderzoek en klinische omgevingen en kan gunstig zijn voor zowel onervaren als deskundige operators.

Introduction

Functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) biedt een meting van neuronale activiteit door hemodynamische reacties door bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke (BOLD) veranderingen te meten tijdens een electrografische gebeurtenis. Gelijktijdige elektro-encefalografie (EEG) en fMRI (EEG-fMRI) is een niet-invasief onderzoeksinstrument dat de synergetische eigenschappen van hoofdhuid-EEG (goede temporele resolutie) en fMRI (goede ruimtelijke resolutie) combineert, waardoor een betere lokalisatie van de site die verantwoordelijk is voor het genereren van electrografische gebeurtenissen die in EEG kunnen worden gedetecteerd, mogelijk is. Het werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1990 voor het gebruik in het epilepsieveld^1,2 en wordt vervolgens gebruikt in neurowetenschappelijk onderzoek sinds de jaren 2000^3,4. Met de toename van kennis met betrekking tot de veiligheid⁵ en continue ontwikkeling van technieken voor de verwijdering van MRI-geïnduceerde artefacten op EEG^3,6,7,8,9,10, is het momenteel een hulpmiddel dat op grote schaal wordt gebruikt in zowel neurowetenschappen als klinisch onderzoek¹¹.

EEG-fMRI wordt verkregen in rust of tijdens een taak, afhankelijk van de onderzoeksvraag. Over het algemeen maakt het verkrijgen van rusttoestanden het mogelijk om structuren te identificeren die betrokken zijn bij het genereren van een bepaald EEG-kenmerk (bijv. golfvorm, ritme, frequenties, kracht) en helpt het bij het begrijpen van de variabele spontane hersenactiviteiten¹¹. Een aantal neurowetenschappelijke studies en de meeste klinische studies, met name die met epilepsie¹², verwerven EEG-fMRI in rust¹¹. Taakgebaseerde acquisitie maakt het mogelijk om cerebrale gebieden en de elektrische activiteiten van de hersenen te identificeren die zijn toegewezen of gerelateerd aan een specifieke taak en helpt het verband te leggen tussen de elektrische activiteiten en cerebrale gebieden die verband houden met de taak. Taakgebaseerde acquisitie wordt voornamelijk gebruikt in neurowetenschappelijke studies¹¹ en sommige klinische studies¹³. De meeste taakgebaseerde EEG-fMRI-acquisities gebruiken een gebeurtenisgerelateerd ontwerp. Het type modellering dat wordt gebruikt voor de integratie van EEG- en fMRI-gegevens bepaalt of de efficiëntie of het detectievermogen moet worden gemaximaliseerd bij het ontwerpen van de taak¹⁴. Zie de studies van Menon et al.¹⁴ en Liu et al.^15,16 voor meer informatie over het taakontwerp.

Hoewel het verzamelen van gegevens tijdens EEG-fMRI eenvoudig kan lijken, is de voorbereiding veeleisend. Een protocol voor het begeleiden van een goede voorbereiding op gegevensverzameling is belangrijk om zowel de veiligheid als de opbrengst (d.w.z. analyseerbare en betrouwbare gegevens) te waarborgen. Ondanks het bestaan van verschillende technieken om MRI-geïnduceerde EEG-artefacten te verwijderen, zijn inconsistente artefacten in het EEG die zijn geregistreerd, met name die met betrekking tot door machines veroorzaakte trillingen van de draden en de grove bewegingen van de proefpersonen, nog steeds moeilijk volledig te verwijderen; daarom moeten deze artefacten worden geminimaliseerd tijdens het verzamelen van gegevens.

Dit artikel presenteert een eenvoudig protocol dat gebruik maakt van direct beschikbare MRI-compatibele medische producten. Het protocol biedt belangrijke stappen die de gegevenskwaliteit garanderen, met name de kwaliteit van EEG-gegevens, wat de sleutel is tot het succes van een EEG-fMRI-studie. Dit protocol is ontwikkeld op basis van de 20-jarige ervaring van het EEG-fMRI onderzoeksteam van het Montreal Neurological Institute^12,17 en is verder aangepast voor gebruik aan de Universiteit van Osaka, wat zowel onervaren als deskundige operators ten goede komt.

Protocol

De onderzoeksethiekcommissie van het Universitair Ziekenhuis van Osaka en de veiligheidscommissie van het Center for Information and Neural Networks (CiNET) keurden het protocol goed (Osaka University Hospital Approval Nos. 18265 en 19259; CiNET-goedkeuringsnr. 2002210020 en 2002120020). Alle onderwerpen hebben schriftelijk geïnformeerde toestemming gegeven voor hun deelname.

1. Voorbereiding van de experimentele opstelling

1. Sluit de MRI-compatibele EEG- en bipolaire versterkers aan op de accupacks (zorg ervoor dat ze volledig zijn opgeladen) en op de opnamecomputer.
2. Zorg ervoor dat de werkruimte van de opnamesoftware correct is ingesteld. Stel de amplituderesolutie in op 0,5 μV om versterkerverzadiging te voorkomen; stel de frequentiefilters in op basis van de frequentieband van belang. Stel de bemonsteringsfrequentie in op 5.000 Hz (maximaal mogelijk voor de versterkers die in dit protocol worden gebruikt), ongeacht de frequentieband van belang.
   OPMERKING: Amplituderesolutie bij 0,5 μV komt overeen met een maximale waarde van 16,38 mV, wat voldoende is om het gradiëntartefact op te nemen, aangezien gradiëntartefactpieken amplitudes kunnen bereiken die meer dan 100 keer meer zijn dan die van spontane hoofdhuid-EEG (ongeveer 10-100 μV) bij hoge snelheden (> 1.000 keer sneller dan de snelheid van verandering van lopend EEG). Theoretisch moet de bemonsteringsfrequentie ten minste tweemaal zo hoog zijn (stelling van Nyquist) als de hoogste frequentie in het gradiëntschakelspectrum, teneinde de hoogfrequente gradiëntschakelartefacten nauwkeurig te bemonsteren en het werkelijke begin van de gradiëntactiviteit van elk volume voor latere verwijdering te detecteren^12,18. Het verhogen van de steekproeffrequentie resulteert echter in grote bestandsgroottes, die aanzienlijke investeringen vereisen voor gegevensopslag en ook latere nabewerking kunnen belemmeren. Het gebruik van het synchronisatieapparaat maakt het niet nodig om de samplefrequentie te verhogen om de synchronisatie tussen de EEG- en MR-klokken te verbeteren (zie stap 1.4). Een bemonsteringsfrequentie van 5.000 Hz is voldoende voor gebruikelijke EEG/event-related potential (ERP)-opnamen, en hogere bemonsteringsfrequenties verbeteren de gegevenskwaliteit niet omdat het daaropvolgende artefactcorrectieproces, waarbij de gegevens worden gebemonsterd tot een frequentie onder 500 Hz en extra low-pass filtering, alle hoogfrequente gradiëntcorrectieresten elimineert die kunnen bestaan¹⁸.
3. Raadpleeg de handleiding voor meer informatie over de juiste instellingen van de opnamesoftware die nodig is voor EEG-acquisitie in de MRI, die verschilt van die buiten de MRI.
4. Controleer of markeringen van de scanner, d.w.z. de markeringen voor kloksynchronisatie (standaard gesynchroniseerd) en volumetrigger (standaard R128), periodiek worden weergegeven in de online EEG-opname. De synchronisatie op het display geeft aan dat de MRI-scanner en EEG-klokken zijn gesynchroniseerd en R128 geeft aan dat de volumetriggers worden geregistreerd voor latere nabewerking. De MRI-scanner en EEG-klokken worden gesynchroniseerd met behulp van het SyncBox-apparaat, dat de uitvoer van de scannerklok (meestal 10 MHz en hoger), downsamples detecteert en het kloksignaal (en de synchronisatiemarkeringen) naar de USB2-interface uitvoert.
   OPMERKING: De USB2-interface stuurt de EEG-gegevens van alle versterkers, die gefaseerd zijn vergrendeld op het scannerkloksignaal, naar de opnamecomputer¹⁸. Periodieke synchronisatie op markeringen zijn triggers die worden gegenereerd door de elektrische puls van de scanner om de EEG-signaalbemonstering te synchroniseren met de MR-scannersnelheid, een vereiste voor correctie van scannerartefacten. Volumetriggers worden gebruikt om de begintijd van de MR-volumescan te identificeren voor correctie van scannerartefacten tijdens offline EEG-verwerking¹⁹.
5. Stel de MRI-scanner in op basis van de behoefte en beschikbaarheid. Het is het beste om een zend- en ontvangstkopradiofrequentie (RF)-spoel te gebruiken om het risico op RF-verwarming te minimaliseren. Echter, een hele lichaam verzenden RF-spoel en een 20-kanaals hoofd ontvangen alleen RF-coil werden hier gebruikt omdat een verzenden en ontvangen hoofd spoel was niet beschikbaar voor de scanner gebruikt (meestal het geval voor de meeste moderne scanners).
6. Plaats een spuit van 10 ml (of meerdere indien nodig) met de schurende geleidende gel voor het aanbrengen van de EEG-dop. Men zou de schurende gel vooraf kunnen laden in een plastic spuit met een grote capaciteit van 50 ml voor het toedelen van vloeistof en de spuit van 10 ml met de gel kunnen vullen voordat het onderwerp aankomt.
   OPMERKING: Het aanbrengen van een 32-kanaals EEG-dop verbruikt meestal ongeveer 20-25 ml gel.

2. Het toepassen van de EEG-dop en ECG-elektrode

1. Vraag het onderwerp bij de werving om een checklist in te vullen van mogelijke contra-indicaties voor MRI. Bevestig dat de proefpersoon geen contra-indicaties heeft voor MRI voor aankomst.
   OPMERKING: Over het algemeen kan elke proefpersoon die in aanmerking komt voor MRI deelnemen aan een EEG-fMRI-onderzoek. De uitsluitingscriteria zijn: niet-coöperatieve of niet-conforme onderwerpen; mensen met onderliggende aandoeningen (bijv. chronische rugpijn), die voorkomen dat ze gedurende een bepaalde periode (meestal ten minste 1 uur) liggen; of personen die tijdens de scan mogelijk niet stil kunnen liggen op de MRI-tafel. Beweging belemmert niet alleen de kwaliteit van zowel EEG- als fMRI-gegevens, maar brengt ook een potentieel gevaar voor de proefpersonen zelf met zich mee (veroorzaakt bijvoorbeeld stroom in de draden en kabels die stimulatie kunnen veroorzaken). In het geval van taakgebaseerde acquisitie moet ook rekening worden gehouden met het taalbegripsvermogen van het onderwerp (vermijd onderwerpen die de instructies niet kunnen begrijpen). In deze studie werden 32 gezonde vrijwilligers (gemiddelde leeftijd, 40 jaar; 17 vrouwen) en 25 patiënten met epilepsie (gemiddelde leeftijd, 31 jaar; 13 vrouwen) gerekruteerd.
2. Vraag de proefpersonen om hun haar te wassen met shampoo zonder conditioner of wax voor aankomst.
3. Leg het doel van het experiment en de volgende stappen aan het onderwerp uit.
4. Meet de hoofdomtrek (d.w.z. de occipitale frontale omtrek) door een flexibel niet-rekbaar meetlint rond het hoofd over de supraorbitale ruggen en het achterhoofd te wikkelen en een dop van de juiste grootte te selecteren. Gebruik een dop die 1 cm groter is dan de hoofdomtrek en vraag het onderwerp altijd of de dop comfortabel is eenmaal geplaatst (d.w.z. niet te strak).
5. Nadat de dop bij benadering op het hoofd van de proefpersoon is geplaatst, met behulp van hetzelfde meetlint, meet u de lengten van de inion-nasion boog, gedefinieerd als de boog over de middellijn van het hoofd die zich uitstrekt van het achterhoofd tot de neusbrug, en de peri-auricular boog, gedefinieerd als de boog die zich uitstrekt tussen de oren die het middelpunt van de inion-nasion boog kruist, over de dop. Markeer het snijpunt van de inion-nasion boog en de peri-auricular boog (het punt waar de middelpunten van beide bogen samenkomen, AKA Cz), en schuif de dop over het hoofd zodat de positie van elektrode Cz wordt aangepast aan dit snijpunt. Zorg ervoor dat de dop niet horizontaal wordt gedraaid door handmatig te controleren of de elektroden Fz, Pz, Oz, Reference en Ground over de inion-nasion boog zijn geplaatst.
6. Stel de huid onder elke elektrode bloot door het haar naar de zijkant van de elektrode te verplaatsen met behulp van de achterkant van een wattenstaafje.
7. Wrijf de huid onder elke elektrode door snel een wattenstaafje met 70% alcoholoplossing door de opening van de elektrode te draaien.
8. Breng een kleine hoeveelheid van de schurende geleidende gel (~ 0,2 ml) aan in de opening en schuur de huid door snel een wattenstaafje op een vergelijkbare manier te spinnen.
9. Controleer de impedantie van de elektrode (weergegeven door de opnamesoftware) en herhaal de slijtage zoals vermeld in stap 2.8 totdat de impedantie ten minste onder 20 kΩ^{20 daalt}, bij voorkeur zo laag mogelijk (minder dan 5 kΩ)²¹.
10. Vul de opening met dezelfde gel (meestal ~ 0,5 ml) zodra de impedantie bevredigend is. Breng geen overmatige gel aan in de opening om overbrugging tussen elektroden te voorkomen. Ga naar de volgende elektrode als de impedantie onbevredigend is ondanks herhaalde slijtage en kom later terug omdat de impedantie soms na het aanbrengen van de gel met de tijd blijft dalen.
11. Herhaal stap 2.6-2.9 voor alle EEG-elektroden van de hoofdhuid.
12. Voordat u de ECG-elektrode aan de achterkant plaatst, moet u het onderwerp vragen rechtop te gaan zitten zonder de nek te buigen.
13. Zorg ervoor dat de ECG-elektrodedraad recht is bij het plaatsen van de ECG-elektrode aan de achterkant, maar houd enige rekening met het leggen van de ECG-elektrodedraad langs de curve van de nek, om verplaatsing van de elektrode te voorkomen wanneer de proefpersoon op de MRI-tafel ligt. Plaats de ECG-elektrode 2-3 cm links van de middenfron, die kan worden geïdentificeerd als de verticale inkeping langs de middellijn van de rug. De verticale positie varieert afhankelijk van de hoogte van het onderwerp; het is meestal geplaatst op de onderrug ongeveer op de lijn die zich uitstrekt tussen de uiteinden van het schouderblad in een onderwerp van ongeveer 160 cm.
14. Wrijf de huid onder de ECG-elektrode in met een alcoholdoekje.
15. Bevestig de ECG-elektrode aan de huid met behulp van een dubbelzijdige kleefring en herhaal stap 2.8-2.9. De zelfklevende ring dient ook als vulling om direct contact van de elektrode met de huid te voorkomen.
16. Vouw het droge alcohol wattenstaafje in vier en plaats het op de ECG-elektrode. Plak het op de huid met behulp van een chirurgische tape (medische plakband). Plak de ECG-elektrodedraad op de huid tot aan de schouder.

3. Breng de carbon draadlus aan (als er een bipolaire versterker beschikbaar is)

1. Plaats een set voorgevlochten koolstofdraad (diameter 1 mm)⁹ bestaande uit zes lussen (diameter 10 cm) over de dop in een zodanige positie dat de bundel van de draden parallel komt met de bundel van de elektroden aan de bovenkant van de kop.
2. Gebruik chirurgische tape (1 x 2 cm) om de lussen rond de elektroden vast te zetten, zodat de lussen het hoofd bedekken met elke lus die een gelijkmatig bijna gelijk gebied bedekt (d.w.z. zowel de fronto-temporale, zowel de temporo-occipitale, de occipitale en het hoekpunt). Als alternatief kan men ook de lussen aan de EEG-dop naaien, indien van toepassing.
   OPMERKING: De koolstofdraadlussen op het hoofd dienen om beweging vast te leggen, inclusief ballistocardiogram (BCG). Deze signalen worden gebruikt voor het verwijderen van BCG-artefacten uit het EEG tijdens offline EEG-verwerking⁹.

4. Vastzetten van de dop en koolstofdraadlussen

1. Zorg ervoor dat de EEG-elektroden geen lussen vormen.
2. Wikkel het hoofd van het onderwerp met een elastisch verband over de EEG-dop en de carbonlussen. Het verband dient om de EEG-elektrode stevig op de huid te drukken, om door MRI-machines veroorzaakte trillingen van de elektroden te verminderen en te voorkomen dat de gel op het kussen morst bij het plaatsen van het onderwerp in de MR-scanner (zie stap 5).
3. Zorg ervoor dat het verband alle elektroden bedekt en niet te strak zit door te vragen of het onderwerp ongemakkelijke druk op het hoofd voelt tijdens het aanbrengen van het verband.

5. Het onderwerp in de MR-scanner plaatsen

1. In het geval van overname in rusttoestand, instrueer het onderwerp om MRI-compatibele oordopjes in de oren aan te brengen. In het geval van taakgebaseerde acquisitie, instrueer het onderwerp om de MRI-compatibele headset of oortelefoons toe te passen volgens de vereisten van het experiment. Zorg ervoor dat het onderwerp via beide zijden van de headset of oortelefoons kan horen.
2. Plaats een MRI-compatibel plat traagschuimkussen in de onderste helft van de hoofdspoel voordat u het onderwerp vraagt om te gaan liggen en het hoofd in de spoel te plaatsen.
3. Nadat u de kop op de juiste plaats hebt geplaatst (de bovenkant van de kop zo dicht mogelijk bij de bovenkant van de hoofdspoel geplaatst), plaatst u de elektrode- en koolstofdraadbundels recht door de bovenste opening van de hoofdspoel.
4. Voeg traagschuimkussens toe aan de bovenkant van het hoofd, het voorhoofd en het temporale gebied. De kussens moeten alle ruimtes in de hoofdspoel op de juiste manier vullen zonder het hoofd van het onderwerp te strak samen te drukken.
   1. Zorg ervoor dat de kussens niet in het hoofd knijpen tijdens het plaatsen van de bovenste helft van de hoofdspoel en tijdens het sluiten van de spoel. Pas de kussens aan of verander in kleinere kussens als ze te strak zitten. Op deze manier dienen de kussens om de elektrodedraden vast te houden om door MRI-machines veroorzaakte trillingen op de elektrodedraden te verminderen en om hoofdbewegingen te beperken met behoud van het comfort van het onderwerp tijdens de scan.
   2. Plaats een half cilindervormig traagschuimkussen aan de achterkant van de nek, zodat de ECG-elektrodedraad goed tussen het kussen en de nek is ingeklemd. Het deel van de ECG-elektrodedraad dat aan de achterkant onder de schouder passeert, is inderdaad ingeklemd tussen de achterkant van het onderwerp en de MRI-tabel en wordt dus geïmmobiliseerd door het eigen gewicht van de proefpersoon.
5. In het geval van een taakgebaseerde acquisitie, na het plaatsen van alle traagschuimkussens, moet u ervoor zorgen dat de headset of oortelefoons niet worden verplaatst door opnieuw te testen of het onderwerp nog steeds door beide zijden van de headset of oortelefoons kan horen. Plaats na het sluiten van de hoofdspoel de spiegel en instrueer het onderwerp om de spiegel aan te passen (in het geval van de taak die visuele stimuli vereist). Instrueer de proefpersoon om de spiegel indien nodig aan te passen, nadat de tafel is verplaatst om het hoofd van de proefpersoon in het isocentrum van de MRI-boring te plaatsen.
6. Sluit de versterkers die aan de achterkant van de MRI-boring zijn geplaatst aan op de opnamecomputer die in de consoleruimte is geplaatst met behulp van de meegeleverde glasvezels.
7. Nadat u de EEG/ECG-elektroden en de koolstofdraadlussen op het EEG en de bipolaire versterkers aan de achterkant van de MRI-boring hebt aangesloten, schakelt u de versterkers in. Controleer nogmaals de impedantie van alle elektroden om er zeker van te zijn dat ze nog steeds laag zijn (ten minste minder dan 20 kΩ). Verwijder het onderwerp uit de MR-scanner voor afstelling als er een elektrode met een hoge impedantie is.

6. Configuratie van de draden en versterkers

1. Plaats alle draden tussen de uitlaat van de bovenste opening van de hoofdspoel en de versterkers (inclusief de elektroden en koolstofdraadbundels, de connectordoos en de lintdraden) zodat ze recht en in het midden van de MRI-boring worden geplaatst. Dit is belangrijk om mri-geïnduceerde stroom te minimaliseren.
2. Plaats een koolstofdraadlus rond de lintkabel van de EEG/ECG-elektrodenconnectordoos naar de versterker en sluit alle koolstofdraadlussen (zie stap 5.7) aan op de invoerdoos van de bipolaire versterker (EXG MR). Deze lus dient voornamelijk om de trillingen van de Heliumpomp op te vangen⁹.
3. Om door MRI-machines veroorzaakte trillingen te minimaliseren, immobiliseert u de draden door ze allemaal te voorzien van MR-veilige en non-ferromagnetische zandzakken langs de weg tussen de uitlaat van de bovenste opening van de hoofdspoel en de versterkers. Plaats ook zandzakken op de versterkers. Deze zandzakken, gemeten 330 mm x 240 mm x 50 mm en met een gewicht van 4 kg, worden geleverd door de EEG-fabrikant.
4. Plaats de versterkers buiten de boring van de magneet, wat is toegestaan door de lengte van de kabels zoals geleverd door de fabrikant.

7. EEG-fMRI gegevensverzameling

1. Zorg ervoor dat het onderwerp comfortabel is met de positionering voordat u de scannerruimte verlaat, om onnodige verplaatsing van het onderwerp tijdens de verwerving te voorkomen. Instrueer het onderwerp om indien nodig op de alarmknop te drukken (d.w.z. in geval van nood of als het onderwerp een ongemakkelijk gevoel voelt). Communiceer met het onderwerp vanuit de consoleruimte om te bevestigen dat het onderwerp de operator kan horen. Vertel het onderwerp dat er harde geluiden worden verwacht tijdens het verzamelen van gegevens. Instrueer het onderwerp zoals vereist voor het experiment en instrueer het onderwerp om niet te bewegen tijdens het verzamelen van gegevens.
2. Start de EEG-opname voordat u begint met fMRI-acquisitie. Meestal worden de volgende afbeeldingen opeenvolgend verkregen: scoutafbeeldingen (tweedimensionaal) voor het positioneren van het gezichtsveld fMRI, fMRI en structurele afbeeldingen voor het mede registreren van de fMRI-afbeeldingen tijdens de nabewerking. Shim-sequenties werden uitgevoerd voordat elk type afbeelding werd verkregen voor kalibratie van de juiste parameters.
   OPMERKING: Het is belangrijk om MRI-sequenties te gebruiken die veilig zijn gebleken met versterkers om de veiligheid te behouden en om schade aan de versterkers te voorkomen¹⁸. Details over de sequenties die als veilig worden beschouwd, worden niet in detail besproken. Lezers worden aangemoedigd om de gebruikershandleiding of het ondersteuningsteam te raadplegen. Over het algemeen worden gradiëntechosequenties aanbevolen en moeten spinechosequenties of elke sequentie met gelijkwaardige RF-emissieparameters, die overmatige rf-geïnduceerde verwarming kunnen veroorzaken, worden vermeden. Verwarming kan indirect worden gekwantificeerd met behulp van statistieken die de hoeveelheid RF-blootstelling meten, zoals de specifieke energieabsorptiesnelheid (SAR) en de wortelgemiddelde kwadratische waarde van B₁+ gemiddeld over 10 s (B₁+rms). Onlangs wordt B₁+rms, afhankelijk van de beeldvormingsparameters maar onafhankelijk van de lichaamsmassa van de proefpersonen^22,de nieuwe standaard om de limiet te specificeren. De B₁+rms drempels voor acquisitie bij 3 T met behulp van de Brain Products EEG cap zijn bijvoorbeeld 1 μT voor de huidige standaard cap en 1,5 μT voor de nieuwe standaard EEG cap met een kortere (10 cm) gebundelde kabel²³. Fliphoek, aantal segmenten en herhalingstijd (TR) zijn parameters die moeten worden overwogen om SAR en B₁+rms laag te houden. Een kleine kantelhoek (<90°) wordt aanbevolen. Het aantal segmenten en TR kan worden aangepast zolang de resulterende volgorde onder de drempel van B₁+rms^{23 ligt}.
3. Zorg er bij het starten van de acquisitie voor dat er periodiek markeringen van de scanner (zie 1.4) worden weergegeven in de online EEG-opname.

Results

Bij het plaatsen van de EEG-dop met behulp van dit protocol daalt de impedantie van elke elektrode meestal tot onder de 20 kΩ (figuur 1). Representatieve EEG-signalen verkregen van een proefpersoon (20-jarige man) die deelnam aan een neurocognitieve studie, en een ander onderwerp (19-jarige vrouw) die deelnamen aan een epilepsieonderzoek met behulp van dit protocol in dezelfde MR-scanner, worden respectievelijk weergegeven in figuur 2 en figuur 3. Het onderwerp dat neurocognitieve tests onderging, kreeg de opdracht om de ogen open te houden, maar stil te blijven staan tijdens het uitvoeren van een visuele taak zoals geïnstrueerd. Het onderwerp voor de epilepsiestudie werd geïnstrueerd om de ogen en slaap te sluiten, omdat epileptische activiteiten meestal vaker voorkomen tijdens de slaap. De EEG-signalen die uit beide studies werden verkregen, waren vóór de verwerking vergelijkbaar (figuur 2); het MRI gradiënt artefact verduisterde de echte EEG signalen. De EEG-signalen van beide studies werden als volgt offline verwerkt: MRI-artefacten werden verwijderd met behulp van de aftrekkingsmethode²⁴; en BCG, bewegingen en heliumpompartefacten werden verwijderd met behulp van de regressie van signalen die werden geregistreerd uit de koolstofdraadlussen^7,9. De resulterende EEG-signalen (figuur 3B) uit beide studies waren van analyseerbare kwaliteit zonder zichtbare verontreiniging van BCG-artefacten (figuur 3A). Epileptische activiteiten werden duidelijk waargenomen op het EEG tijdens het epilepsieonderzoek (Figuur 3B). Op het EEG dat tijdens de neurocognitieve studie werd verkregen, werden knipperen, oogbeweging en spierartefacten gezien, vooral in de frontale leads (Fp1 en Fp2) na het verwijderen van artefacten (figuur 3B) vanwege de aard van het onderzoek, en kan verder worden verwijderd met behulp van andere methoden, afhankelijk van de behoefte. Er werd geen artefact gezien dat afkomstig was van trillingen van machines op nabewerkte EEG-signalen die tijdens beide studies werden verkregen (figuur 3B vergelijkbaar met EEG-signalen die buiten MRI werden verkregen, zoals weergegeven in figuur 3C). Op de gelijktijdig verkregen MR-beelden is geen artefact van de EEG-elektroden waargenomen (figuur 4).

Figuur 1: Representatieve EEG-elektroden impedantie die onder de 5 kΩ daalde bij toepassing van een 32-kanaals EEG-dop op een onderwerp dat deelnam aan een neurocognitieve studie. Elke ronde gekleurde cirkel vertegenwoordigt een EEG-elektrode, met de naam van de elektrode geschreven in de cirkel; de positie van elke cirkel vertegenwoordigt de positie van elke elektrode op de EEG-dop. De kleurbalk en de getallen aan de rechterkant vertegenwoordigen het bereik van de impedantie die wordt gemeten (0-5 kΩ in dit geval); groene kleur geeft aan dat de impedantiewaarde lager is dan de waarde Goed niveau en rode kleur geeft slecht niveau aan. In dit voorbeeld worden elektroden CP1, O1, Oz, O2 en ECG in lichtgroen aangegeven, wat betekent dat de impedanties van deze elektroden 2 kΩ waren; de rest van de elektroden zijn donkergroen aangegeven, wat betekent dat de impedanties van deze elektroden 0 kΩ waren. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2: EEG-signaal voor verwerking. Merk op dat het MRI-gradiëntartefact de echte EEG-signalen verduisterde. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 3: Representatieve EEG-signalen van proefpersonen die deelnamen aan neurocognitieve en epilepsiestudies. EEG-signalen op de bovenste rij waren afkomstig van een neurocognitieve studie en die op de onderste rij waren van een epilepsiestudie. EEG-signalen werden offline verwerkt. (A) EEG-signalen na verwijdering van MRI-gradiëntartefacten. De dozen in lichtblauw geven BCG-artefacten aan. (B) EEG-signalen na verwijdering van artefacten met behulp van regressie van signalen die zijn opgenomen uit de koolstofdraadlussen. (C) EEG-signalen die buiten MRI zijn opgenomen met behulp van dezelfde EEG-apparatuur. EEG-signalen werden getoond in referentiële montage (referentie bij FCz); EEG in bipolaire montage (elk kanaal vertegenwoordigt het spanningsverschil tussen een paar aangrenzende elektroden) van hetzelfde segment wordt ook getoond voor EEG verkregen tijdens een epilepsiestudie om de visualisatie van epileptische activiteiten te vergemakkelijken. De blauwe pijlpunten (B en C, bovenste rij) duiden op knipperen (langzame neerwaartse afbuigingen/diphasische potentialen bij Fp1 en Fp2), de zwarte pijlpunt (B, bovenste rij) geeft oogbeweging aan als gevolg van een saccade of een spontane verandering van blik (kleine, snelle afbuigingen bij Fp1 en Fp2), en de groene rechthoeken (B, bovenste rij) duiden op alfaritme dat op het EEG is verkregen tijdens een neurocognitieve studie. De lage amplitude en hoogfrequente activiteiten voornamelijk bij Fp1 en Fp2 zijn spierartefacten (verdikking van de EEG-tracering, bovenste rij). De rode pijlpunten (B en C, onderste rij) geven de tijdspunten aan waarop epileptische activiteiten werden geïdentificeerd op EEG verkregen tijdens een epilepsiestudie (scherpe neerwaartse of opwaartse afbuigingen die soms worden gevolgd door een langzame golf). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4: Representatieve MRI-gegevens verkregen van een proefpersoon met behulp van dit protocol. Merk op dat de EEG-elektroden geen zichtbare artefacten veroorzaakten op de MR-beelden die tegelijkertijd werden verkregen. (A) magnetisatie voorbereid snelle acquisitie met gradiënt echo beeld; (B) echo planaire beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Discussion

Dit protocol benadrukte de belangrijke punten voor het veilig gelijktijdig verkrijgen van EEG-fMRI-gegevens van goede kwaliteit.

Enkele veelvoorkomende fouten die resulteren in moeilijk te verwijderen artefacten op EEG en probleemoplossingstechnieken zijn als volgt. Ten eerste kan het kiezen van onderwerpen die compliant en coöperatief zijn en hun comfort tijdens het verzamelen van gegevens garanderen, voortijdige beëindiging als gevolg van verplaatsingen van onderwerpen voorkomen (stappen 2.1 en 5.4). Ten tweede is impedantie die niet onder de 20 kΩ daalt na herhaalde slijtage van de hoofdhuid (stap 2.9) hoogstwaarschijnlijk te wijten aan onvoldoende borstelen na gebruik. Het grondig borstelen van elke opening van de EEG-elektroden bij het wassen van de dop voorkomt dit probleem. Ten derde kunnen ongepaste instellingen van de hardware en software leiden tot verzadiging van de EEG-signalen die vervolgens het verwijderen van artefacten belemmeren tijdens offline EEG-verwerking. Ten slotte, om de registratie van verzadigde EEG-signalen te voorkomen, moet de impedantie van elke elektrode onder 20 kΩ worden aangehouden nadat het onderwerp vóór het verzamelen van gegevens in de MR-scanner is geplaatst; mechanische trillingen adequaat verminderen door de EEG-dop (wat ook het hoofd van de proefpersoon betekent), kabels en draden te immobiliseren; bewaak het ruwe EEG-signaal online met de opnamesoftware en zorg ervoor dat de bemonsteringsfrequentie en amplituderesolutie correct zijn ingesteld.

De gelijktijdige verwerving van EEG en fMRI brengt belangrijke veiligheidskwesties met zich mee in verband met rf-geïnduceerde verwarmings- en schakelgradiënt-geïnduceerde stromen als gevolg van de aanwezigheid van elektrische draden die op het onderwerp zijn aangesloten in het snel veranderende magnetische veld⁵. Deze veiligheidskwesties zijn in de loop der jaren grotendeels geminimaliseerd na onderzoeksresultaten die de kennis over dit aspect hebben verbeterd en hebben geleid tot grote verbeteringen in de technologie van MRI-compatibele EEG-apparatuur. Niettemin brengt een onzorgvuldige voorbereiding zonder voldoende kennis of het niet nemen van veiligheidsmaatregelen de proefpersonen in gevaar. Lussen die zich overal in het circuit vormen, veroorzaken bijvoorbeeld stroom en mogelijk hitteletsel. Acquisitie met de elektroden bij hoge impedantie belemmert niet alleen de EEG-gegevenskwaliteit, maar vormt ook een potentieel gevaar voor het onderwerp (thermisch letsel als gevolg van hoge stroomdichtheid). Hetzelfde gevaar geldt voor gebroken elektroden. Kabels die in de nabijheid van de MR-boorwand zijn geplaatst, met andere woorden, ver van het midden, vormen ook een potentieel verwarmingsgevaar voor het onderwerp (verwarming als gevolg van antenne-effect)²⁵. Dit protocol benadrukt de volgende veiligheidsaspecten: er vormen zich geen lussen in het circuit tussen het onderwerp en de versterker, alle elektroden hebben een lage impedantie tijdens de MRI-scan en alle kabels worden in het midden van de boring geplaatst. Beginnende operators wordt geadviseerd om een training te volgen en de richtlijnen van de fabrikant te volgen die te vinden zijn in de gebruikershandleiding en demonstratievideo's²⁰ om veiligheidsproblemen te voorkomen.

De belangrijkste oorzaken van artefacten gevonden op EEG-fMRI zijn het wisselen van gradiënt van de MRI, BCG, of de grove of subtiele bewegingen van het onderwerp (gezichtsbewegingen, klampen, slikken enz.). In sommige MRI-opstellingen brengen artefacten veroorzaakt door de heliumpomp en ventilatoren ook de EEG-signalen aanzienlijk in gevaar. MR-gradiëntartefacten zijn vrij consistent in de golfvormen en kunnen voldoende worden gecorrigeerd met behulp van een op sjablonen gebaseerde aftrekkingstechniek als ze volledig zonder vervorming worden geregistreerd met behulp van versterkers met een voldoende dynamisch bereik²⁴. BCG-artefacten worden gewoonlijk gecorrigeerd met behulp van de aftrekkingstechniek²⁶, onafhankelijke componentanalyse⁶, optimale basisset⁸, of een combinatie van deze technieken¹⁰. Onlangs is artefactverwijdering met behulp van eenvoudige regressie op basis van signalen die gelijktijdig met koolstofdraadlussen zijn verkregen, ontwikkeld^7,9. Het hier gepresenteerde protocol illustreert het technische aspect, met als doel een inleidende gids te bieden voor degenen die geïnteresseerd zijn in het gebruik van deze methode. Deze methode verwijdert BCG, subtiele onderwerpbewegingen en heliumpompartefacten en de resulterende EEG-signalen zijn naar verluidt superieur aan die gecorrigeerd met andere methoden^7,9. Grotere bewegingsartefacten, met name die met slingerende bewegingen, zijn echter niet verwijderbaar, zelfs niet met behulp van deze methode⁷. Ondanks de verbetering van deze artefactverwijderingsmethoden door de jaren heen, zijn inconsistente artefacten, waaronder die veroorzaakt door MRI-machines-geïnduceerde trillingen, nog steeds moeilijk te verwijderen. Bovendien, hoe uitgebreider de artefactverwijderingsprocedure, hoe groter het risico op het verliezen van echte EEG-signalen. Daarom blijft een goede voorbereiding die de inconsistente artefacten kan minimaliseren het belangrijkst bij EEG-fMRI-acquisitie. In dit protocol worden deze artefacten geminimaliseerd door het gebruik van: (1) een elastisch verband om het hoofd en de traagschuimkussens te wikkelen om het hoofd in de hoofdspoel te immobiliseren, om mogelijke trillingen van de draden te verminderen met behoud van het comfort van het onderwerp; (2) katoen en medische kleefband om trillingen van de ECG-elektrodedraad te verminderen die mogelijk niet volledig worden geïmmobiliseerd door het eigen gewicht van de proefpersoon (gedeeltelijk zwevend tussen het onderwerp en de tafel, vooral bij een dun onderwerp); en (3) zandzakken om de kabels in de MRI-boring te immobiliseren. Dit zijn belangrijke technieken om moeilijk te verwijderen MRI-machines-geïnduceerde trillingsartefacten te minimaliseren, die niet zijn beschreven in het eerder gepubliceerde EEG-fMRI-protocol²⁰. In dat protocol werden proefpersonen in de scanner geplaatst zonder extra wikkeling over de EEG-dop en opvulling rond het hoofd, en kabels werden slechts op een paar punten geplakt zonder immobilisatie met zandzakken. Op basis van 20 jaar ervaring aan het Montreal Neurological Institute realiseerden we ons dat deze maatregelen kunnen bijdragen aan de gevoeligheid van de elektrodedraden en kabels voor mri-machines-geïnduceerde trillingen, hoewel ze zelden worden benadrukt in de meeste EEG-fMRI-studies⁶. Het minimaliseren van de mri-machine-geïnduceerde trillingen leidt vervolgens tot een betere kwaliteit en leesbaarheid van het EEG, wat vooral nuttig is voor het identificeren van subtiele veranderingen of gebeurtenissen in het EEG⁶, zoals kleine epileptische ontladingen in epilepsiestudies en single-trial ERPs in neurocognitieve studies.

De detectie van ERP's in EEG-signalen is een voorwaarde voor cognitieve neurowetenschappelijke studies. In tegenstelling tot de klassieke algemene gemiddelde respons in verschillende onderzoeken, wordt ERP single-trial detectie, die inzicht geeft in hersendynamiek als reactie op een bepaalde stimulus, een nieuw doelwit in moderne cognitieve neurowetenschappelijke studies en niet-invasief hersen-computer interface onderzoek²⁷. Toepassing van dit protocol kan bijdragen tot een grotere efficiëntie op deze onderzoeksgebieden.

Het protocol is het meest geschikt voor het MRI-compatibele EEG-systeem dat in deze studie wordt gebruikt. Toch zijn wij van mening dat de belangrijke punten ook van toepassing kunnen zijn op andere MRI-compatibele EEG-systemen.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
BrainAmp EXG MR	Brain Products, GmBH, Germany		MRI-compatible bipolar amplifier
BrainAmp MR Plus	Brain Products, GmBH, Germany		MRI-compatible EEG amplifier
BrainCap MR	Brain Products, GmBH, Germany		MRI-compatible EEG cap
ESPA elastic bandage	Toyobo co., Ltd.		elastic bandage for for wrapping the subject's head
One Shot Plus P EL-II alcohol swab	Shiro Jyuji, Inc.		Alcohol swab for preparing the skin
Power Pack	Brain Products, GmBH, Germany		MRI-compatible battery pack for electric supply of the amplifiers
SyncBox	Brain Products, GmBH, Germany		Phase synchronization between the EEG equipment and the MRI scanner
USB 2 Adapter (BUA)	Brain Products, GmBH, Germany		USB Adaptor to connect the amplifiers to the recording computer
V19 abrasive conductive gel	Brain Products, GmBH, Germany		Abrasive gel for the application of the EEG-cap
Yu-ki Ban GS Medical adhesive tape	Nitoms, Inc.		medical adhesive tape to secure the ECG electrode and carbon wire loops