Najlepsza aktualna praktyka uzyskiwania wysokiej jakości danych EEG podczas jednoczesnego fMRI

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 próbie^4,5. 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 lokalizacji^6,7. 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 wektokardiogramu^15,16 w celu zapewnienia czystszego śladu sercowego niż w tradycyjnym EKG. Ślad wektokardiogramu pochodzi z czterech elektrod umieszczonych na klatce piersiowej z rygorystycznym filtrem dolnoprzepustowym^{zastosowanym 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. 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. 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 artefaktów^18,19 (powszechnie używane do korekcji artefaktów gradientowych i często używane do korekcji artefaktów impulsowych), niezależna analiza składowych^20,21 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 pokazuje jakość sygnału, której należy się spodziewać, gdy nie została wykonana żadna korekta artefaktu. Oczywiste jest, że wszelka aktywność neuronalna jest zaciemniona. Rysunek 3C pokazuje, że artefakt gradientu występuje przy odrębnych częstotliwościach, które są harmonicznymi częstotliwości akwizycji warstwy w sekwencji fMRI, obejmującej cały zakres częstotliwości nagrania. Rysunek 4 przedstawia artefakt impulsu, który ujawnia się po usunięciu artefaktu gradientu przy użyciu metody przetwarzania końcowego odejmowania średniego artefaktu w Analyzerze 2 (wersja 2.0.2). Oczywiste jest, że istnieje znaczna zmienność przestrzenna tego artefaktu i że O1, jeden z kanałów będących przedmiotem zainteresowania w tym eksperymencie wizualnym, wykazuje szczególnie duży artefakt impulsowy. Artefakt ten ma niższą częstotliwość niż artefakt gradientowy (głównie poniżej 10 Hz - Rysunek 4C) i jest powiązany z aktywnością serca. Rysunek 5 przedstawia jakość danych EEG, którą można osiągnąć po korekcji gradientu i artefaktu impulsu; tutaj artefakt tętna został skorygowany za pomocą średniego odjęcia artefaktu w Analyzerze 2, a piki R przebiegu serca zostały wykryte na podstawie zapisu EKG. Oczywiste jest, że amplituda pozostałych sygnałów jest znacznie mniejsza, a zatem sygnały neuronalne nie są już przesłonięte, jak pokazują wywołane reakcje uzyskane na rysunkach 6 i 7. Rycina 6 przedstawia typową reakcję wywołaną wywołaną przez uśrednienie wszystkich 300 bodźców. Jednak zmienność tej odpowiedzi między blokami można zobaczyć na rycinie 7 i to właśnie ta naturalna i nieprzewidywalna zmienność odpowiedzi neuronalnych może być wykorzystana do zbadania korelacji między odpowiedziami BOLD i EEG, gdy wykonano jednoczesne zapisy.

Rysunek 1. Schemat ideowy konfiguracji sprzętu EEG i wymaganych połączeń między sprzętem, zgodnie z opisem w protokole. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 2. Transformacja Fouriera sygnału zebranego na obiekcie leżącym nieruchomo z włączonymi kriopompami (czerwony) i wyłączonymi () dla kanału reprezentatywnego (P7).

Rysunek 3. Dziesięć sekund surowych danych EEG zarejestrowanych podczas jednoczesnego rezonansu magnetycznego na 16 różnych kanałach (A); skupienie się na 5 sekundach danych z Krainy Oz (B); z powiązaną transformatą Fouriera (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 4. Dziesięć sekund danych EEG zarejestrowanych na 16 różnych kanałach podczas jednoczesnego rezonansu magnetycznego pokazanego po korekcji artefaktów gradientu za pomocą AAS na 16 różnych kanałach (A); skupienie się na 5 sekundach danych z Krainy Oz (B); z powiązaną transformatą Fouriera (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 5. Dziesięć sekund danych EEG zarejestrowanych na 16 różnych kanałach podczas jednoczesnego fMRI, pokazanych po korekcji gradientu i artefaktów tętna za pomocą AAS (A); skupienie się na 5 sekundach danych z Krainy Oz (B); z powiązaną transformatą Fouriera (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 6. Średnia odpowiedź wywołana EEG (300 średnich) dla kanałów 01 i 02 (po lewej) oraz powiązana mapa topograficzna dla P120 (po prawej).

Rysunek 7. Zmienność wywołanej odpowiedzi w blokach dla kanału O1 (odpowiedzi zostały uśrednione w ciągu 30 sekund 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 próbie^4,5. W badaniach klinicznych głównym zastosowaniem tej techniki było badanie ognisk międzynapadowych wyładowań padaczkowych, które są z natury trudne do nieinwazyjnej lokalizacji^6,7. 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 artefaktów^18,19, niezależną analizę składowych^20,21, 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.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
		MR 3T	Tutaj używamy Philips Achieva, ale każdy skaner MR powinien działać.
BrainVision Recorder	Brain Products GmbH	BP-00010	1. pozycja licencyjna
BrainVision RecView	Brain Products GmbH	BP-00051	moduł podstawowy
BrainAmp MR plus	Brain Products GmbH	BP-01840	pojedynczy wzmacniacz
BrainAmp USB Adapter	Brain Products GmbH	BP-02041	BUA64
SyncBox	Brain Products GmbH	BP-02675	SyncBox kompletne
światłowodowe i złącza USB	Brain Products GmbH	BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2)Są	one dostarczane z wyżej wymienionym sprzętem.
BrainCap MR	EASYCAP GmbH	BP-03000-MR	32-kanałowa nasadka EEG do stosowania w żelu przewodzącym MR
Abralyte 2000	Brain Products GmbH	FMS-060219	Żel przewodzący i ścierny do łączenia elektrod ze skórą głowy
Alkohol izopropylowy BP	Brain Products GmbH	FMS-060224	Do stosowania przed Abralyte Gel. Alkohol izopropylowy 70% (60 ml) - do odtłuszczania skóry
Wacik z bawełnianą końcówką	Brain Products GmbH	FMS-060234	Do aplikacji Abralitu i Alkoholu Izopropylowego. Waciki bawełniane niesterylne, 100 sztuk