Artykuł metodologiczny

Najlepsza aktualna praktyka uzyskiwania wysokiej jakości danych EEG podczas jednoczesnego fMRI

36.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50283

⸱

3 czerwca 2013

 ,  , 
1Sir Peter Mansfield Magnetic Resonance Centre, School of Physics and Astronomy, University of Nottingham , 2Brain Products GmbH

W tym artykule

Podsumowanie

Jednoczesna elektroencefalografia (EEG) i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) to potężne narzędzie do neuroobrazowania. Jednak wnętrze skanera MRI tworzy trudne środowisko do rejestrowania danych EEG i należy wziąć pod uwagę bezpieczeństwo podczas korzystania ze sprzętu EEG wewnątrz skanera. W tym artykule przedstawiamy zoptymalizowany protokół akwizycji danych EEG-fMRI.

Streszczenie

Jednoczesne EEG-fMRI pozwala na połączenie doskonałej rozdzielczości czasowej EEG z wysoką dokładnością przestrzenną fMRI. Dane z tych dwóch modalności można łączyć na wiele sposobów, ale wszystkie opierają się na pozyskiwaniu wysokiej jakości danych EEG i fMRI. Na dane EEG uzyskane podczas jednoczesnego fMRI wpływa kilka artefaktów, w tym artefakt gradientu (ze względu na zmieniające się gradienty pola magnetycznego wymagane dla fMRI), artefakt impulsu (związany z cyklem sercowym) i artefakty ruchowe (wynikające z ruchów w silnym polu magnetycznym skanera i aktywności mięśni). Metody przetwarzania końcowego w celu pomyślnego skorygowania artefaktów gradientu i impulsu wymagają spełnienia szeregu kryteriów podczas pozyskiwania danych. Minimalizacja ruchów głowy podczas EEG-fMRI jest również niezbędna do ograniczenia generowania artefaktów.

Mogą wystąpić interakcje między impulsami częstotliwości radiowej (RF) wymaganymi do rezonansu magnetycznego a sprzętem EEG, które mogą powodować nagrzewanie. Jest to znaczne ryzyko tylko wtedy, gdy nie są spełnione wytyczne dotyczące bezpieczeństwa. W związku z tym należy wziąć pod uwagę projekt i konfigurację sprzętu, a także staranny wybór, które sekwencje MR są wykonywane z obecnym sprzętem EEG.

Powyższe problemy podkreślają znaczenie wyboru protokołu eksperymentalnego stosowanego podczas jednoczesnego przeprowadzania eksperymentu EEG-fMRI. Opierając się na wcześniejszych badaniach, opisujemy optymalną konfigurację eksperymentalną. Zapewnia to wysoką jakość danych EEG podczas jednoczesnego fMRI podczas korzystania z komercyjnych systemów EEG i fMRI, przy zminimalizowanym ryzyku bezpieczeństwa pacjenta. Demonstrujemy tę konfigurację w eksperymencie EEG-fMRI przy użyciu prostego bodźca wzrokowego. Można jednak zastosować znacznie bardziej złożone bodźce. Tutaj pokazujemy konfigurację EEG-fMRI przy użyciu 32-kanałowego systemu EEG MRplus firmy Brain Products GmbH (Gilching, Niemcy) w połączeniu ze skanerem MR 3T firmy Philips Achieva (Best, Holandia), chociaż wiele technik można przenieść do innych systemów.

Wprowadzenie

Jednoczesna elektroencefalografia (EEG) i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) pozwalają na połączenie doskonałej rozdzielczości czasowej EEG z wysoką dokładnością przestrzenną fMRI. Istnieje wiele sposobów, w jakie dane z tych dwóch modalności mogą być łączone 1, ale wszystkie opierają się na pozyskiwaniu wysokiej jakości danych EEG i fMRI. Do tej pory równoczesne badanie EEG-fMRI wykorzystywano do badania korelacji między rytmami oscylacyjnymi (mierzonymi za pomocą EEG) a reakcjami natlenienia krwi (przy użyciu fMRI zależnym od poziomu natlenienia krwi (BOLD)) np. 2,3. Wykorzystano go również do zbadania, czy charakterystyka wywołanego sygnału może wyjaśnić wariancję sygnału BOLD na podstawie próby po próbie4,5. W badaniach klinicznych głównym zastosowaniem tej techniki było badanie ognisk międzynapadowych wyładowań padaczkowych, które mogą pomóc w planowaniu chirurgicznym i są obecnie trudne do nieinwazyjnej lokalizacji6,7. Aby osiągnąć pożądaną fuzję danych EEG i fMRI, niezbędne jest posiadanie wysokiej jakości danych z obu modalności. Jednak na dane EEG uzyskane podczas jednoczesnego fMRI wpływa kilka artefaktów, w tym artefakt gradientu (ze względu na zmieniające się pola magnetyczne wymagane dla fMRI), artefakt impulsu (związany z cyklem serca) i artefakty ruchowe (wynikające z ruchów w silnym polu magnetycznym skanera, a także aktywność mięśni). Artefakty te są znacznie większe niż aktywność neuronalna będąca przedmiotem zainteresowania, dlatego redukcja (u źródła) i korekta artefaktów (poprzez przetwarzanie końcowe) są potrzebne, aby umożliwić pomyślną implementację jednoczesnego EEG-fMRI.

Metody przetwarzania końcowego dostępne obecnie do korygowania artefaktów gradientu i impulsu wymagają spełnienia szeregu kryteriów podczas pozyskiwania danych, aby uzyskać wysokiej jakości dane EEG. W ciągu ostatniej dekady optymalna konfiguracja eksperymentalna do rejestrowania wysokiej jakości danych ewoluowała, ponieważ poprawiło się nasze zrozumienie przyczyn artefaktów 8-10 i nauczyliśmy się, jak modyfikować metody eksperymentalne, aby zmniejszyć liczbę artefaktów u źródła 11,12 i poprawić wydajność algorytmów korekcji przetwarzania końcowego. Osiągnięcia te obejmują poprawę próbkowania przebiegów gradientowych poprzez synchronizację zegarów skanera 13,14 oraz zastosowanie wektokardiogramu15,16 w celu zapewnienia czystszego śladu sercowego niż w tradycyjnym EKG. Ślad wektokardiogramu pochodzi z czterech elektrod umieszczonych na klatce piersiowej z rygorystycznym filtrem dolnoprzepustowymzastosowanym 14-16. W rezultacie, ślad jest stosunkowo niewrażliwy na artefakty gradientu i jest niewrażliwy na artefakt przepływu krwi, co ułatwia wykrywanie R-peak. Jednak funkcja rejestrowania wektokardiogramu nie jest dostępna we wszystkich skanerach MRI i dlatego zostanie tylko pokrótce wspomniana w tym badaniu. Znaczenie minimalizacji artefaktów i rygorystycznego czyszczenia danych zostało podkreślone przez niedawną demonstrację, że artefakty ruchu zarejestrowane w danych EEG mogą korelować z aktywnością BOLD niezwiązaną z zadaniem będącym przedmiotem zainteresowania, dając fałszywe wyniki, jeśli nie zostanie zachowana szczególna ostrożność w całym procesie eksperymentalnym.

Przedstawiona tutaj metoda reprezentuje obecnie optymalne podejście do uzyskiwania wysokiej jakości danych EEG i fMRI jednocześnie przy użyciu sprzętu MR i sekwencji impulsów, które są powszechnie dostępne, wraz z komercyjnie dostarczanym sprzętem EEG. Wdrożenie sugerowanej metody akwizycji, w połączeniu z zastosowaniem odpowiednich metod post-processingu, pozwoli uzyskać dane EEG i fMRI, które mogą być wykorzystane do udzielenia odpowiedzi na szereg ważnych pytań neurobiologicznych.

Protokół

1. Przygotowanie Konfiguracji Eksperymentalnej

  1. Przed przybyciem testera ustaw sprzęt EEG w pomieszczeniu kontrolnym, w którym będzie siedział operator skanera. Podłącz laptopa do sprzętu EEG, jak pokazano na rysunku 1. Uwaga: wszystkie wyzwalacze z urządzeń peryferyjnych i skanera MR muszą trwać dłużej niż 200 μs, aby mogły zostać wykryte przez system EEG.
  2. Skonfiguruj komputer bodźców; w tym badaniu używamy bodźca wizualnego; znaczniki są odczytywane do rejestratora BrainVision na początku i na końcu każdego okresu stymulacji.
  3. Upewnij się, że obszar roboczy do rejestrowania danych jest ustawiony na najwyższą dostępną rozdzielczość czasową i prawidłowe ustawienia filtru. W większości badań sprzężenie prądu przemiennego z filtrem 0,016-250 Hz jest optymalne, chociaż sprzężenie prądu stałego lub wyższy (1 kHz) filtr dolnoprzepustowy może być wymagane, jeśli interesujące są odpowiednio sygnały neuronalne o ultra niskiej lub wysokiej częstotliwości.
  4. Sprawdź markery ze skanera i prezentację bodźca, aby upewnić się, że są one prawidłowo rejestrowane przez system EEG. Włącz synchronizację skanera i zegarów EEG za pomocą panelu sterowania BrainVision Recorder. Następnie sprawdź, czy synchronizacja się powiodła; jeśli konfiguracja jest poprawna, pojawi się zielona ikona i kropka "Synchronizuj włączone".
  5. Skonfiguruj skaner MR w konwencjonalny sposób; tutaj używamy cewki RF nadawczej korpusu i 32-kanałowej cewki odbiorczej głowicy RF. Jeśli to możliwe, najlepiej jest używać cewki nadawczej wielkości głowy, aby zminimalizować ryzyko nagrzewania się RF nasadki EEG i powiązanych. Jednak w większości skanerów cewka nadawcza głowicy nie może być używana w połączeniu z wieloelementową cewką odbiorczą, co prowadzi do nieoptymalnej konfiguracji do pozyskiwania danych fMRI (w szczególności przyspieszenie obrazowania równoległego nie jest możliwe). Używamy tej specyficznej cewki odbiorczej głowicy, ponieważ zawiera ona port dostępowy, który umożliwia z nasadki EEG biegnące wzdłuż prostej ścieżki ze skanera.
  6. Upewnij się, że sekwencje MR, które mają zostać uruchomione, są skonfigurowane. Sekwencja fMRI musi wykorzystywać wycinek TR, który jest wielokrotnością okresu zegara EEG (200 μs). W przypadku korzystania z systemu Philips MR kalkulator czasu Philips może być użyty do określenia możliwych kombinacji wycinków i TR
    7. .
  7. Wykonaj ostatnie sprawdzenie, czy wszystkie urządzenia nagrywają zgodnie z oczekiwaniami.

2. Przybycie podmiotu

  1. Poproś osobę, aby przyszła z czystymi włosami i ubrana w wygodne, niemetalowe ubranie.
  2. Wyjaśnij osobie badanej cel eksperymentu i to, co się stanie.
  3. Poproś osobę badaną o wypełnienie formularzy, które służą do ustalenia, czy nie ma przeciwwskazań do badania MR i że osoba badana wyraża zgodę na udział w eksperymencie. Sprawdź formularze, zanim przejdziesz dalej. W tym badaniu uzyskano zgodę lokalnej komisji bioetycznej i wszyscy uczestnicy wyrazili świadomą zgodę.
  4. Zmierz obwód głowy i wybierz nasadkę o odpowiednim rozmiarze (tj. najmniejszą dostępną nasadkę, która jest większa niż obwód głowy). Umieść nasadkę na głowie, zaczynając od przodu głowy i ciągnąc do tyłu. Umieść nasadkę prawidłowo, tak aby elektroda Cz znajdowała się w połowie odległości między nasionem a inionem, a także wyśrodkowana od lewej do prawej.
  5. Połącz elektrody z głowicą poprzez: odsunięcie włosów na bok, nałożenie alkoholu, a następnie żelu Abralyte. Przymocuj elektrodę EKG do podstawy pleców, stosując podobną metodę, jak w przypadku elektrod nasadkowych. Ta elektroda służy do pomiaru bicia serca. Umieszczenie u podstawy pleców jest zalecane, aby zmaksymalizować sygnał do szumu piku R w zapisie EKG, a także dla komfortu pacjenta.
  6. Pracuj na stykach tak, aby zmniejszyć impedancje elektrod na głowicy do mniej niż 10 kΩ (z wyłączeniem rezystancji rezystorów wewnętrznych w każdej elektrodzie). Rezystancja EKG i EOG może być wyższa, ponieważ sygnały są silniejsze, a dobre połączenia mogą być trudne do osiągnięcia, ale muszą być utrzymywane poniżej 50 kΩ.
  7. Sprawdź, czy jakość danych EEG jest zadowalająca, dokonując wizualnej kontroli danych na ekranie monitora.

3. Nagrywanie poza skanerem MR

(Opcjonalnie: Wymagane tylko jeśli chcesz porównać jakość danych EEG z wewnątrz i z zewnątrz skanera MR)

  1. Aparat do prezentacji i sprzęt EEG należy ustawić na zewnątrz skanera (w miejscu, w którym pole magnetyczne jest niskie). Upewnij się, że konfiguracja jest jak najbardziej podobna do tej używanej wewnątrz skanera MR (w szczególności pacjent powinien leżeć na wznak i należy zastosować podobny proces prezentacji bodźca).
  2. Przeprowadzić eksperyment i zapisać dane w sposób podobny do tego, jaki jest używany wewnątrz skanera (patrz sekcja 4).

4. Ustawianie obiektu w skanerze MR

  1. Poproś pacjenta, aby usiadł podczas ustawiania sprzętu EEG w pomieszczeniu skanera MR.
  2. Zabierz amplifier do ekranowanego pomieszczenia i umieść go na stole z tyłu skanera. Podłącz amplifier do długiego światłowodowego. Przeprowadź światłowodowy przez falowód i podłącz go do adaptera USB BrainAmp w sterowni (Rysunek 1).
  3. Zarejestruj pacjenta w bazie danych pacjenta skanera MR.
  4. Zabierz badaną osobę do pokoju i poproś, aby położyła się na łóżku skanera.
  5. Daj osobie badanej zatyczki do uszu, słuchawki i przycisk połączenia i upewnij się, że są wygodne.
  6. Umieść cewkę głowicy nad głową badanego podmiotu. EEG muszą opuszczać cewkę czołową najkrótszą możliwą drogą. Teraz podejrzyj głowę fotografowanej osoby, aby zminimalizować ruchy głowy.
  7. Przenieś obiekt do otworu skanera, upewniając się, że elektrody Fp1 i Fp2 znajdują się w izocentrum skanera MR w kierunku z. Zwykle osiąga się to poprzez wyrównanie tych dwóch elektrod ze światłem, które jest używane do ustawiania obiektu przed wejściem do otworu.
  8. Przymocuj nasadkę EEG do amplifier z tyłu skanera. Upewnij się, że w przewodach EEG nie ma pętli przewodów (ponieważ mogą one prowadzić do nagrzewania się RF, a także powodować wywoływanie większych artefaktów EEG) i że okablowanie jest w jak największym stopniu odizolowane od wibracji skanera MR; Tutaj używamy belki wspornikowej, aby uzyskać tę izolację.

5. Nagrywanie wewnątrz skanera

  1. Porozmawiaj z testerem z pokoju konsoli, aby upewnić się, że słyszy operatora skanera i wszystko w porządku.
  2. Drugi eksperymentator rozpoczyna monitorowanie EEG, sprawdzając, czy w śladach nie ma zaszumionych elektrod, a także zielonej kropki "Sync On" u dołu ekranu.
  3. Wyraźny wpływ kriopomp na nagranie można zobaczyć (patrz rysunek 2). Dlatego należy wyłączyć te pompy na czas zbierania danych, postępując zgodnie z wytycznymi producenta.
  4. Poproś osobę, aby poruszyła głową o niewielką wartość. O tym, jak ważne jest utrzymanie głowy w bezruchu, świadczą duże napięcia w zapisie EEG, które wynikają z niewielkich ruchów głowy.
  5. Przetestuj zapis aktywności neuronalnej, prosząc osobę badaną o otwieranie i zamykanie oczu. Szukaj aktywności potylicznej alfa. Pozwoli to sprawdzić, czy mierzysz sygnały fizjologiczne, a nie hałas. Jeśli sygnał alfa nie może być widziany na obiekcie (co występuje u niektórych osób), możliwe jest przetestowanie aktywności neuronalnej poprzez wykonanie krótkiego przebiegu paradygmatu eksperymentalnego bez uruchomionego skanera MR i poszukanie uśrednionego potencjału wywołanego.
  6. Artefakt pulsu można wyraźnie zobaczyć w surowych danych (patrz rysunek 2), szczególnie na elektrodach nad skroniami. Użyj śladu EKG, aby skorygować ten artefakt w czasie rzeczywistym za pomocą RecView (lub w pakietach oprogramowania do przetwarzania końcowego).
  7. Gdy tylko rozpocznie się każde badanie MRI, gradienty spowodują duże artefakty w danych EEG.
  8. Gdy eksperyment fMRI jest gotowy do rozpoczęcia, - z systemem prezentacji bodźca w stanie gotowości - rozpocznij zapisywanie danych EEG, postępując zgodnie z pokazanymi krokami.
  9. Teraz rozpocznij eksperyment, sprawdzając, czy markery z prezentacji bodźca i skanera MR są widoczne w BrainVision Recorder. W tym przypadku bodziec składa się z pełnopolowej radialnej szachownicy o 100% kontraście. Częstotliwość odwrócenia wynosi 2 Hz, tak że reakcja wywołana będzie występować co 500 ms, a przy każdym odwróceniu obrazu w pliku EEG umieszczany jest znacznik
    10. .
  10. Jakość danych EEG będzie wydawać się bardzo niska, ale można ją oczyścić, zarówno on-line w RecView, jak i podczas przetwarzania końcowego. Aby korekcja artefaktów gradientowych działała bez uszczerbku dla rejestracji sygnałów neuronalnych, prezentacja bodźca nie może być zablokowana w TR, a częstotliwość powtarzania bodźca nie może być równa częstotliwości powtarzania wycinka.
  11. Korekcja artefaktów gradientowych musi być przeprowadzona przed korekcją artefaktów impulsowych (patrz rysunki 3 i 4). Dane mogą być następnie segmentowane zgodnie z prezentacją bodźca i analizowane za pomocą wielu technik; najprostszym z nich jest uśrednianie w celu zbadania wywołanych reakcji (patrz rysunek 6).

6. Podsumowanie tematu

  1. Po zakończeniu skanowania wyjmij osobę ze skanera i pomóż jej zdjąć czepek EEG.
  2. Pozwól im umyć włosy.
  3. Teraz mogą wyjechać.

7. Sprzątanie na końcu eksperymentu

  1. Spakuj sprzęt EEG zgodnie z wymaganiami laboratorium. Jeśli wymaga tego producent MR, upewnij się, że sprzęt synchronizacyjny jest odłączony po zakończeniu każdej sesji i nie pozostaje podłączony do elektroniki skanera.
  2. Na koniec należy wyczyścić czepek EEG. W tym celu należy namoczyć nakrętkę w wodzie (zwykle na około 5 minut) lub w mieszaninie wody i środka dezynfekującego (środek dezynfekujący należy dobrać zgodnie z odpowiednim spektrum patogenów i zaleceniami producenta nakrętki dotyczącymi środków dezynfekujących. Czas ekspozycji i stężenie środka dezynfekującego muszą być zgodne z wytycznymi producenta środka dezynfekującego.). Następnie użyj szczoteczki do zębów, aby usunąć resztki żelu. Bardzo ważne jest, aby dokładnie wyczyścić nasadkę, aby zapewnić prawidłowe działanie nasadki po późniejszym użyciu.

8. Analiza

  1. W tym przypadku zademonstrowano analizę EEG w czasie rzeczywistym, jednak możliwe i zwykle pożądane jest również przetwarzanie danych EEG po ich przetworzeniu. Można to zrobić w wielu pakietach analitycznych, takich jak Brain Products Analyzer 2 lub EEGLAB.
  2. Korekcja artefaktów gradientu i impulsów może być wykonywana przy użyciu różnych metod, takich jak: średnie odejmowanie artefaktów18,19 (powszechnie używane do korekcji artefaktów gradientowych i często używane do korekcji artefaktów impulsowych), niezależna analiza składowych20,21 lub optymalne zestawy podstawowe22 (do korekcji artefaktów impulsów).
  3. Dane mogą być następnie analizowane w dziedzinie czasu lub częstotliwości, aby przyjrzeć się wywołanym reakcjom i trwającej aktywności oscylacyjnej.
  4. W tym przypadku zapisaliśmy zapis EKG za pomocą systemu Brain Products w celu uzyskania informacji niezbędnych do korekcji artefaktów pulsu. W standardowym ustawieniu zapis EKG rejestrowany jest za pomocą dedykowanej elektrody umieszczonej z tyłu pacjenta. W naszej pracowni stosujemy również niestandardowe rozwiązanie, które wykorzystuje wektrokardiogram do generowania śladu sercowego (to rozwiązanie jest dostępne tylko z aparatem do monitorowania fizjologicznego firmy Philips). Odkryliśmy, że może to być przydatne, jeśli nie można uzyskać czystego śladu przy użyciu konwencjonalnej konfiguracji EKG.

Wyniki

Rysunek 3 przedstawia jakość sygnału spodziewaną w sytuacji, gdy nie przeprowadzono korekcji artefaktów. Wyraźnie widać, że każda aktywność neuronalna jest przesłonięta. Rysunek 3C pokazuje, że artefakt gradientowy występuje przy określonych częstotliwościach, które są harmonicznymi częstotliwości akwizycji warstw w sekwencji fMRI, obejmując cały zakres częstotliwości rejestracji. Rysunek 4 przedstawia artefakt tętna, który ujawnia się po usunięciu artefaktu gradientowego za pomocą metody postprocessingu polegającej na odejmowaniu średniego artefaktu w programie Analyzer 2 (wersja 2.0.2). Widać wyraźnie znaczną zmienność przestrzenną tego artefaktu, a kanał O1, jeden z kanałów istotnych dla tego eksperymentu wizualnego, wykazuje szczególnie duży artefakt tętna. Artefakt ten ma niższą częstotliwość niż artefakt gradientowy (głównie poniżej 10 Hz – Rysunek 4C) i jest powiązany z aktywnością serca. Rysunek 5 pokazuje jakość danych EEG, jaką można osiągnąć po korekcji artefaktów gradientowych i tętna; w tym przypadku artefakt tętna został skorygowany poprzez odejmowanie średniego artefaktu w Analyzer 2, a szczyty R zespołu EKG zostały wykryte z zapisu EKG. Wyraźnie widać, że amplituda pozostałych sygnałów jest znacznie mniejsza, a zatem sygnały neuronalne nie są już przesłonięte, co potwierdzają odpowiedzi wywołane przedstawione na Rysunkach 6 i 7. Rysunek 6 przedstawia typową odpowiedź wywołaną uzyskaną poprzez uśrednienie wszystkich 300 bodźców. Jednak zmienność tej odpowiedzi pomiędzy blokami jest widoczna na Rysunku 7 i to właśnie ta naturalna i nieprzewidywalna zmienność odpowiedzi neuronalnych może być wykorzystana do badania korelacji między odpowiedziami BOLD a EEG w przypadku jednoczesnych pomiarów.

Schemat akwizycji sygnałów mózgowych, adapter USB2, konfiguracja syncbox dla zestawu do zapisu EEG.
Rysunek 1. Schemat konfiguracji sprzętu EEG oraz połączeń wymaganych między elementami sprzętowymi, zgodnie z opisem w protokole. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.

Wykres widma mocy częstotliwościowej przedstawiający moc (μV/Hz) w funkcji częstotliwości (Hz) w analizie sygnału.
Rycina 2. Transformata Fouriera sygnału zarejestrowanego u nieruchomego badanego przy włączonych (czerwony) i wyłączonych (czarny) pompach kriogenicznych dla reprezentatywnego kanału (P7).

Analiza sygnału EEG; amplituda fal mózgowych; widmo mocy; schemat; wykres analizy częstotliwości.
Rycina 3. Dziesięć sekund surowych danych EEG zarejestrowanych podczas jednoczesnego MRI na 16 różnych kanałach (A); skupienie na 5 sekundach danych z Oz (B); wraz z powiązaną transformatą Fouriera (C). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinę.

Diagram analizy przebiegów EEG; dane szeregów czasowych, widmo mocy częstotliwości; badanie sygnałów mózgowych.
Rycina 4. Dziesięć sekund danych EEG zarejestrowanych na 16 różnych kanałach podczas jednoczesnego badania MRI, przedstawionych po korekcji artefaktów gradientowych przy użyciu AAS na 16 różnych kanałach (A); skupienie na 5 sekundach danych z Oz (B); wraz z powiązaną transformatą Fouriera (C). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinę.

Analiza sygnału EEG: odczyty z elektrod, fluktuacje napięcia, wykres widma mocy częstotliwości.
Rycina 5. Dziesięć sekund danych EEG zarejestrowanych na 16 różnych kanałach podczas jednoczesnego badania fMRI, przedstawionych po korekcji artefaktów gradientowych i impulsowych przy użyciu metody AAS (A); powiększenie 5 sekund danych z elektrody Oz (B); wraz z powiązaną transformatą Fouriera (C). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą rycinię.

Analiza przebiegu EEG z mapą topograficzną, pokazująca aktywność mózgu i rozkład amplitudy sygnału.
Rysunek 6. Średnia odpowiedź wywołana EEG (300 średnich) dla kanałów 01 i 02 (lewo) oraz powiązana mapa topograficzna dla P120 (prawo).

Szeregi czasowe sygnałów neuronalnych, wielokanałowy wykres danych EEG pokazujący zmienność amplitudy w czasie.
Rycina 7. Zmienność odpowiedzi wywołanej w poszczególnych blokach dla kanału O1 (odpowiedzi zostały uśrednione w ramach 30-sekundowych bloków).

Dyskusja

Porady ogólne Ponieważ fizyczny układ wszystkich pomieszczeń skanera jest inny, zdajemy sobie sprawę, że możesz nie być w stanie umieścić wzmacniaczy EEG poza otworem magnesu. W tym przypadku dobrym kompromisem jest umieszczenie wzmacniaczy na grubej gumowej podkładce, tak aby w jak największym stopniu odizolować je od drgań skanera. Jeśli okaże się, że korekcja artefaktów gradientu nie działa dobrze, sprawdź czasy między znacznikami objętości lub wycinka, ponieważ w tym przypadku jest prawdopodobne, że TR, który został wprowadzony do konsoli MR, nie jest dokładnie TR, który jest generowany. W takim przypadku należy skontaktować się z odpowiednim producentem skanera MR w celu uzyskania dalszej pomocy.

Najważniejszymi krokami w procesie pozyskiwania danych EEG podczas jednoczesnego fMRI są te podejmowane w celu zminimalizowania wszystkich zewnętrznych źródeł hałasu (np. pomp cyrocooler i wibracji sprzętu EEG). Aby umożliwić optymalną korekcję artefaktów gradientu, ważne jest, aby upewnić się, że zegary skanera EEG i MR są zsynchronizowane, wycinek TR jest wielokrotnością okresu zegara skanera i że obiekt jest optymalnie ustawiony. Aby zapewnić optymalną korekcję artefaktów tętna, wiele technik wymaga czystego śladu sercowego, na podstawie którego można wykryć piki R, sugerujemy, że najlepiej można to osiągnąć za pomocą VCG, chociaż jest to również możliwe przy dobrze umieszczonej elektrodzie EKG. W przypadku korzystania z EKG zaleca się umieszczenie go u podstawy pleców, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu szczytu R, z dodatkową korzyścią polegającą na tym, że jest to łatwiejsze miejsce do dostępu niż pozycja w pobliżu serca23. Umieszczenie odprowadzenia EKG na klatce piersiowej powoduje artefakty ruchowe spowodowane dodaniem oddychania do śladu z tego odprowadzenia, a także powoduje zmianę artefaktu gradientu w czasie. Może to spowodować, że nasycenie śladu i/lub korekcja artefaktów gradientu nie będą działać ze względu na zmienność szablonu i dlatego nie jest zalecane.

Dyskusja ogólna EEG-fMRI jest potężnym narzędziem do badania funkcji mózgu, ponieważ wysoka rozdzielczość czasowa EEG może być połączona z wysoką rozdzielczością przestrzenną fMRI. Do tej pory w wielu badaniach wykorzystano to multimodalne podejście, aby lepiej zrozumieć funkcjonowanie mózgu. EEG-fMRI zastosowano u zdrowych ochotników w celu zbadania korelacji między rytmami oscylacyjnymi (mierzonymi za pomocą EEG) a odpowiedziami na natlenienie krwi (za pomocą BOLD fMRI), np. 2,3. Wykorzystano go również do zbadania, czy charakterystyka sygnału wywołanego może wyjaśnić wariancję sygnału BOLD na zasadzie próba po próbie4,5. W badaniach klinicznych głównym zastosowaniem tej techniki było badanie ognisk międzynapadowych wyładowań padaczkowych, które są z natury trudne do nieinwazyjnej lokalizacji6,7. Poniższe przykłady pokazują możliwości tego multimodalnego narzędzia do obrazowania. Jednak, aby umożliwić badanie takich zjawisk, ważne jest, aby mieć dostęp do jak najlepszej jakości danych EEG i MRI. Aby to osiągnąć wewnątrz skanera MR, ważne jest, aby mieć najlepszą konfigurację eksperymentalną, a także wybrać najbardziej odpowiednie metody analizy. Optymalne metody analizy będą w pewnym stopniu zależały od interesującego nas pytania badawczego, podobnie jak metody korekcyjne stosowane do usuwania artefaktów. Na przykład rozmiar i liczba ruchów, które wystąpiły podczas nagrywania, określi najbardziej efektywną kombinację algorytmów usuwania artefaktu gradientu. Jednak optymalna konfiguracja eksperymentalna sprzętu EEG i fMRI jest względnie niezależna od konkretnych pytań badawczych. Przedstawione tutaj wytyczne mają zatem wartość ogólną i mogą być stosowane w eksperymentach z użyciem innego sprzętu do skanowania EEG i MR niż ten, którego używaliśmy.

Tutaj pokazaliśmy metody akwizycji, które należy stosować, aby uzyskać wysokiej jakości dane EEG i fMRI. Użyliśmy bodźca wizualnego opartego na wcześniej zastosowanym paradygmacie bodźca 24. Jednak te same techniki pozyskiwania danych mogą być stosowane niezależnie od paradygmatu używanego do stymulowania aktywności mózgu, która jest przedmiotem zainteresowania. Wybierając swój paradygmat, należy zauważyć, że jakość danych EEG, którą można osiągnąć podczas rejestracji w środowisku MR za pomocą technik obecnie dostępnych dla użytkowników (i opisanych tutaj), nadal nakłada pewne ograniczenia na aktywność mózgu, która może być badana: istnieją szczególne trudności w rejestrowaniu aktywności EEG w pasmach niskiej (<5 Hz) i wysokiej częstotliwości (>80 Hz), w których mogą znajdować się szczątkowe artefakty impulsu i gradientu. Dodatkowo należy zachować ostrożność przy wyborze paradygmatu, aby zminimalizować możliwość przemieszczania się podmiotu związanego z zadaniem. Jest to problem, ponieważ artefakty ruchu w danych EEG są często trudne do skorygowania, a małe artefakty mogą być trudne do wyraźnej identyfikacji, chociaż nadal mogą dominować w sygnałach neuronalnych. Te artefakty ruchu mogą powodować fałszywe, ale prawdopodobne korelacje z danymi fMRI17.

Metody post-processingu dla jednoczesnego EEG-fMRI są liczne i jako takie ich omówienie wykracza poza zakres tej pracy. Jak wcześniej wspomniano, artefakt gradientu i impulsu można usunąć za pomocą wielu technik, które obejmują odejmowanie średnich artefaktów18,19, niezależną analizę składowych20,21, optymalne zestawy bazowe22 i kształtowanie wiązki25. Często można zastosować kombinację tych metod23 , a skuteczność tych metod zależy od takich czynników, jak natężenie pola magnetycznego i zastosowany paradygmat. Optymalne metody przetwarzania końcowego dla konkretnego badania będą również zależeć od sygnałów, które należy wyodrębnić z danych, a to, czy są to rytmy oscylacyjne, czy potencjały wywołane, może mieć wpływ na zastosowane metody przetwarzania końcowego.

Chociaż prowadzone są liczne badania mające na celu poprawę metod pozyskiwania i analizy danych dla jednoczesnego EEG-fMRI, już teraz możliwe jest, przy użyciu opisanych tutaj technik, udzielenie odpowiedzi na ważne pytania neurobiologiczne, które wymagają połączenia wysokiej rozdzielczości przestrzennej fMRI i doskonałej rozdzielczości czasowej EEG.

Oświadczenia

Produkcja tego artykułu była sponsorowana przez Brain Products GmbH. Pierluigi Castellone jest pracownikiem firmy Brain Products GmbH, która produkuje niektóre instrumenty i oprogramowanie użyte w tym artykule.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować firmie Brain Products GmbH za dostarczenie sprzętu, wiedzy i pomocy w tworzeniu tej pracy. Chcielibyśmy również podziękować Glynowi Spencerowi z Uniwersytetu w Nottingham za pomoc w produkcji filmu. Dziękujemy również Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC), EP/J006823/1 i University of Nottingham za sfinansowanie tych badań.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MR 3TTutaj używamy Philips Achieva, ale każdy skaner MR powinien działać.
BrainVision RecorderBrain Products GmbHBP-000101. pozycja licencyjna
BrainVision RecViewBrain Products GmbHBP-00051moduł podstawowy
BrainAmp MR plusBrain Products GmbHBP-01840pojedynczy wzmacniacz
BrainAmp USB AdapterBrain Products GmbHBP-02041BUA64
SyncBoxBrain Products GmbHBP-02675SyncBox kompletne
światłowodowe i złącza USBBrain Products GmbHBP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2)Sąone dostarczane z wyżej wymienionym sprzętem.
BrainCap MREASYCAP GmbHBP-03000-MR32-kanałowa nasadka EEG do stosowania w żelu przewodzącym MR
Abralyte 2000Brain Products GmbHFMS-060219Żel przewodzący i ścierny do łączenia elektrod ze skórą głowy
Alkohol izopropylowy BPBrain Products GmbHFMS-060224Do stosowania przed Abralyte Gel. Alkohol izopropylowy 70% (60 ml) - do odtłuszczania skóry
Wacik z bawełnianą końcówkąBrain Products GmbHFMS-060234Do aplikacji Abralitu i Alkoholu Izopropylowego. Waciki bawełniane niesterylne, 100 sztuk
Skaner

Bibliografia

  1. Kilner, J. M., Mattout, J., Henson, R., Friston, K. J. Hemodynamic correlates of EEG: A heuristic. Neuroimage. 28, 280-286 (2005).
  2. Goldman, R. I., Stern, J. M., Engel, J., Cohen, M. S. Simultaneous EEG and fMRI of the alpha rhythm. Neuroreport. 13, 2487-2492 (2002).
  3. Laufs, H. Endogenous Brain Oscillations and Related Networks Detected by Surface EEG-Combined fMRI. Human Brain Mapping. 29, 762-769 (2008).
  4. Debener, S., Ullsperger, M., Siegel, M., Engel, A. K. Single-trial EEG-fMRI reveals the dynamics of cognitive function. Trends in Cog. Sci. 10, 558-563 (2006).
  5. Eichele, T., et al. Assessing the spatiotemporal evolution of neuronal activation with single-trial event-related potential and functional MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 17789-17803 (2005).
  6. Lemieux, L. Electroencephalography-correlated functional MR imaging studies of epileptic activity. Neuroimaging Clinics of North America. 14, 487(2004).
  7. Grouiller, F., et al. With or without spikes: localization of focal epileptic activity by simultaneous electroencephalography and functional magnetic resonance imaging. Brain. 134, 2867-2886 (2011).
  8. Debener, S., Mullinger, K. J., Niazy, R. K., Bowtell, R. W. Properties of the ballistocardiogram artefact as revealed by EEG recordings at 1.5, 3 and 7 Tesla static magnetic field strength. Int. J. of Psychophys. 67, 189-199 (2008).
  9. Yan, W. X., Mullinger, K. J., Brookes, M. J., Bowtell, R. W. Understanding Gradient Artefacts in Simultaneous EEG/fMRI. Neuroimage. 46, 459-471 (2008).
  10. Yan, W. X., Mullinger, K. J., Geirsdottir, G. B., Bowtell, R. W. Physical modelling of pulse artefact sources in simultaneous EEG/fMRI. Human Brain Mapping. 31, 604-620 (2010).
  11. Mullinger, K. J., Brookes, M. J., Stevenson, C. M., Morgan, P. S., Bowtell, R. W. Exploring the feasibility of simultaneous EEG/fMRI at 7 T. Magnetic Resonance Imaging. 26, 607-616 (2008).
  12. Mullinger, K. J., Yan, W. X., Bowtell, R. W. Reducing the Gradient Artefact in Simultaneous EEG-fMRI by Adjusting the Subject's Axial Position. NeuroImage. 54, 1942-1950 (2011).
  13. Mandelkow, H., Halder, P., Boesiger, P., Brandeis, D. Synchronization facilitates removal of MRI artefacts from concurrent EEG recordings and increases usable bandwidth. Neuroimage. 32, 1120-1126 (2006).
  14. Mullinger, K. J., Morgan, P. S., Bowtell, R. W. Improved Artefact Correction for Combined Electroencephalography/Functional MRI by means of Synchronization and use of VCG Recordings. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 27, 607-616 (2008).
  15. Chia, J. M., Fischer, S. E., Wickline, S. A., Lorenz, C. H. Performance of QRS detection for cardiac magnetic resonance imaging with a novel vectorcardiographic triggering method. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 12, 678-688 (2000).
  16. Fischer, S. E., Wickline, S. A., Lorenz, C. H. Novel Real-Time R-Wave Detection Algorithm Based on the Vectorcardiogram for Accurate Gated Magnetic Resonance Acquisitions. Magnetic Resonance In Medicine. 42, 361-370 (1999).
  17. Jansen, M., et al. Motion-related artefacts in EEG predict neuronally plausible patterns of activation in fMRI data. Neuroimage. 59, 261-270 (2012).
  18. Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. A Method for removing Imaging Artifact from Continuous EEG Recorded during Functional MRI. Neuroimage. 12, 230-239 (2000).
  19. Allen, P. J., Poizzi, G., Krakow, K., Fish, D. R., Lemieux, L. Identification of EEG Events in the MR Scanner: The Problem of Pulse Artifact and a Method for Its Subtraction. Neuroimage. 8, 229-239 (1998).
  20. Briselli, E., et al. An independent component ballistocardiogram analysis-based approach on artifact removing. Magnetic Resoance Imaging. 24, 393-400 (2006).
  21. Mantini, D., et al. Complete artifact removal for EEG recorded during continuous fMRI using independent component analysis. Neuroimage. 34, 598-607 (2007).
  22. Naizy, R. K., Bechmann, C. F., Iannetti, G. D., Brady, J. M., Smith, S. M. Removal of fMRI environment artifacts from EEG data using optimal basis sets. Neuroimage. 28, 720-737 (2005).
  23. Eichele, T., Moosmann, M., Wu, L., Gutberlet, I., Debener, S. Simultaneous EEG and fMRI: recording, analysis and application. Ullsperger, M., Debener, S. 1, Oxford University Press. (2010).
  24. Sandmann, P., et al. Visual activation of auditory cortex reflects maladaptive plasticity in cochlear implant users. Brain. 135, 555-568 (2012).
  25. Brookes, M. J., Mullinger, K. J., Stevenson, C. M., Morris, P. G., Bowtell, R. W. Simultaneous EEG source localisation and artifact rejection during concurrent fMRI by means of spatial filtering. NeuroImage. 40, 1090-1104 (2008).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

EEG-fMRIartefakt gradientowyartefakt impulsowyruch głowynagrzewanie RFelektrody EEGskaner MRsynchronizacjakorekcja artefaktówbodziec wzrokowy
Najlepsza aktualna praktyka uzyskiwania wysokiej jakości danych EEG podczas jednoczesnego fMRI
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.