Niezawodna akwizycja danych elektroencefalograficznych podczas jednoczesnej elektroencefalografii i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego

Summary

Ten artykuł przedstawia prosty protokół pozyskiwania dobrej jakości danych elektroencefalograficznych (EEG) podczas jednoczesnego obrazowania EEG i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego za pomocą łatwo dostępnych produktów medycznych.

Abstract

Jednoczesna elektroencefalografia (EEG) i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI), EEG-fMRI, łączy w sobie komplementarne właściwości EEG skóry głowy (dobra rozdzielczość czasowa) i fMRI (dobra rozdzielczość przestrzenna) do pomiaru aktywności neuronów podczas zdarzenia elektrograficznego, poprzez reakcje hemodynamiczne znane jako zmiany zależne od poziomu tlenu we krwi (BOLD). Jest to nieinwazyjne narzędzie badawcze, które jest wykorzystywane w badaniach neurobiologicznych i jest bardzo korzystne dla społeczności klinicznej, zwłaszcza w leczeniu chorób neurologicznych, pod warunkiem, że podczas pozyskiwania danych podawany jest odpowiedni sprzęt i protokoły. Chociaż rejestracja EEG-fMRI jest pozornie prosta, prawidłowe przygotowanie, zwłaszcza w zakresie umieszczania i zabezpieczania elektrod, jest nie tylko ważne dla bezpieczeństwa, ale ma również kluczowe znaczenie dla zapewnienia wiarygodności i możliwości analizy uzyskanych danych EEG. Jest to również najbardziej wymagająca doświadczenia część przygotowań. Aby rozwiązać te problemy, opracowano prosty protokół, który zapewnia jakość danych. Ten artykuł zawiera przewodnik krok po kroku dotyczący uzyskiwania wiarygodnych danych EEG podczas EEG-fMRI przy użyciu tego protokołu, który wykorzystuje łatwo dostępne produkty medyczne. Przedstawiony protokół może być dostosowany do różnych zastosowań EEG-fMRI w warunkach badawczych i klinicznych i może być korzystny zarówno dla niedoświadczonych, jak i doświadczonych operatorów.

Introduction

Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) dostarcza miary aktywności neuronalnej poprzez reakcje hemodynamiczne poprzez pomiar zmian zależnych od poziomu tlenu we krwi (BOLD) podczas zdarzenia elektrograficznego. Jednoczesna elektroencefalografia (EEG) i fMRI (EEG-fMRI) to nieinwazyjne narzędzie badawcze, które łączy w sobie synergiczne właściwości EEG skóry głowy (dobra rozdzielczość czasowa) i fMRI (dobra rozdzielczość przestrzenna), pozwalając na lepszą lokalizację miejsca odpowiedzialnego za generowanie zdarzeń elektrograficznych wykrywalnych w EEG. Po raz pierwszy został opracowany w latach 90. XX wieku do użytku w dziedzinie padaczki^1,2, a następnie jest używany w badaniach neurobiologicznych od 2000 roku^3,4. Wraz ze wzrostem wiedzy na temat bezpieczeństwa⁵ i ciągłym rozwojem technik usuwania artefaktów wywołanych przez MRI na EEG^3,6,7^,8,9,10, jest to obecnie narzędzie szeroko stosowane zarówno w neurobiologii, jak i badaniach klinicznych^{Rozdział 11}.

EEG-fMRI jest rejestrowane w spoczynku lub podczas zadania, w zależności od pytania badawczego. Ogólnie rzecz biorąc, akwizycja stanu spoczynku pozwala na identyfikację struktur zaangażowanych w generowanie określonej cechy EEG (np. kształt fali, rytm, częstotliwości, moc) i pomaga w zrozumieniu zmiennej spontanicznej aktywności mózgu¹¹. Wiele badań neurobiologicznych i większość badań klinicznych, zwłaszcza tych dotyczących padaczki¹², uzyskuje EEG-fMRI w spoczynku¹¹. Akwizycja oparta na zadaniach umożliwia identyfikację obszarów mózgu i czynności elektrycznych mózgu przypisanych lub związanych z określonym zadaniem oraz pomaga ustalić związek między aktywnościami elektrycznymi a obszarami mózgu związanymi z zadaniem. Akwizycja oparta na zadaniach jest głównie wykorzystywana w badaniach neurologicznych¹¹ i niektórych badaniach klinicznych¹³. Większość akwizycji EEG-fMRI opartych na zadaniach wykorzystuje projekt związany ze zdarzeniem. Rodzaj modelowania użytego do integracji danych EEG i fMRI określa, czy przy projektowaniu zadania należy zmaksymalizować wydajność, czy moc wykrywania¹⁴. Szczegółowe informacje na temat projektu zadania można znaleźć w badaniach Menon et al.¹⁴ oraz Liu et al.^15,16.

Chociaż pozyskiwanie danych podczas EEG-fMRI może wydawać się proste, przygotowanie wymaga doświadczenia. Protokół prawidłowego przygotowania do pozyskiwania danych jest ważny dla zapewnienia zarówno bezpieczeństwa, jak i wydajności (tj. możliwych do przeanalizowania i wiarygodnych danych). Pomimo istnienia różnych technik usuwania artefaktów EEG wywołanych przez MRI, niespójne artefakty w zarejestrowanym EEG, zwłaszcza te związane z drganiami przewodów wywołanymi przez maszynerię i dużymi ruchami badanych, są nadal trudne do całkowitego usunięcia; W związku z tym te artefakty muszą zostać zminimalizowane podczas pozyskiwania danych.

Ten artykuł przedstawia prosty protokół, który wykorzystuje łatwo dostępne produkty medyczne kompatybilne z MRI. Protokół zawiera ważne kroki, które zapewniają jakość danych, w szczególności jakość danych EEG, co jest kluczem do sukcesu badania EEG-fMRI. Protokół ten został opracowany w oparciu o 20-letnie doświadczenie zespołu badawczego EEG-fMRI w Instytucie Neurologicznym w Montrealu^12,17 i został następnie zmodyfikowany do użytku na Uniwersytecie w Osace, co przynosi korzyści zarówno niedoświadczonym, jak i doświadczonym operatorom.

Protocol

Komisja etyki badań Szpitala Uniwersyteckiego w Osace oraz komisja bezpieczeństwa Centrum Informacji i Sieci Neuronowych (CiNET) zatwierdziły protokół (Szpital Uniwersytecki w Osace nr zatwierdzenia 18265 i 19259; Homologacja CiNET nr 2002210020 i 2002120020). Wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę na swój udział.

1. Przygotowanie zestawu eksperymentalnego

1. Podłącz kompatybilne z MRI wzmacniacze EEG i bipolarne do akumulatorów (upewnij się, że są w pełni naładowane) i do komputera rejestrującego.
2. Upewnij się, że obszar roboczy oprogramowania do nagrywania jest poprawnie skonfigurowany. Ustaw rozdzielczość amplitudy na 0,5 μV, aby uniknąć nasycenia wzmacniacza; Ustaw filtry częstotliwości zgodnie z interesującym Cię pasmem częstotliwości. Ustaw częstotliwość próbkowania na 5 000 Hz (maksymalna możliwa dla wzmacniaczy używanych w tym protokole), niezależnie od interesującego pasma częstotliwości.
   UWAGA: Rozdzielczość amplitudy przy 0,5 μV odpowiada maksymalnej wartości 16,38 mV, która jest wystarczająca do zarejestrowania artefaktu gradientu, biorąc pod uwagę, że piki artefaktów gradientu mogą osiągać amplitudy ponad 100-krotnie większe niż spontaniczne EEG skóry głowy (około 10-100 μV) przy dużych prędkościach (>1000-krotnie szybciej niż tempo zmian trwającego EEG). Teoretycznie częstotliwość próbkowania powinna być co najmniej dwa razy wyższa (twierdzenie Nyquista) niż najwyższa częstotliwość w widmie przełączania gradientu, aby dokładnie próbkować artefakty przełączania gradientu o wysokiej częstotliwości i wykryć prawdziwy początek aktywności gradientu każdego woluminu w celu późniejszego usunięcia^12,18. Jednak zwiększenie częstotliwości próbkowania powoduje powstawanie dużych rozmiarów plików, które wymagają znacznych inwestycji w przechowywanie danych, a także mogą utrudniać późniejsze przetwarzanie końcowe. Korzystanie z urządzenia synchronizującego sprawia, że nie ma potrzeby zwiększania częstotliwości próbkowania w celu poprawy synchronizacji między zegarami EEG i MR (patrz krok 1.4). Częstotliwość próbkowania 5 000 Hz jest odpowiednia dla zwykłych zapisów EEG/potencjału związanego ze zdarzeniami (ERP), a wyższe częstotliwości próbkowania nie poprawiają jakości danych, ponieważ późniejszy proces korekcji artefaktów, który obejmuje próbkowanie danych w dół do częstotliwości poniżej 500 Hz i dodatkowe filtrowanie dolnoprzepustowe, eliminuje wszystkie pozostałości korekcji gradientu wysokiej częstotliwości, które mogą istnieć¹⁸.
3. Zapoznaj się z instrukcją, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat prawidłowych ustawień oprogramowania rejestrującego potrzebne do akwizycji EEG w MRI, które różni się od tego poza MRI.
4. Sprawdź, czy znaczniki ze skanera, tj. znaczniki synchronizacji zegara (synchronizacja domyślnie włączona) i wyzwalacza głośności (domyślnie R128), są okresowo wyświetlane w zapisie EEG online. Synchronizacja na wyświetlaczu wskazuje, że skaner MRI i zegary EEG są zsynchronizowane, a R128 wskazuje, że wyzwalacze głośności są rejestrowane w celu późniejszego przetwarzania końcowego. Skaner MRI i zegary EEG są synchronizowane za pomocą urządzenia SyncBox, które wykrywa wyjście zegara skanera (zwykle 10 MHz i więcej), próbkuje w dół i wysyła sygnał zegara (oraz znaczniki synchronizacji) do interfejsu USB2.
   UWAGA: Interfejs USB2 wysyła dane EEG ze wszystkich wzmacniaczy, które są zablokowane fazowo z sygnałem zegara skanera, do komputera rejestrującego¹⁸. Okresowa synchronizacja markerów to wyzwalacze generowane przez impuls elektryczny skanera w celu zsynchronizowania próbkowania sygnału EEG przez szybkość skanera MR, co jest niezbędne do korekcji artefaktów skanera. Wyzwalacze głośności służą do określania czasu rozpoczęcia skanowania woluminu MR w celu korekcji artefaktów skanera podczas przetwarzania EEG w trybie offline¹⁹.
5. Skonfiguruj skaner MRI zgodnie z potrzebami i dostępnością. Najlepiej jest używać cewki o częstotliwości radiowej (RF) głowicy nadawczej i odbiorczej, aby zminimalizować ryzyko nagrzewania się fal radiowych. Jednak zastosowano tutaj cewkę RF nadawczą całego ciała i cewkę RF z 20-kanałową głowicą odbierającą tylko RF, ponieważ cewka głowicy nadawczo-odbiorczej nie była dostępna dla zastosowanego skanera (zwykle w przypadku większości nowoczesnych skanerów).
6. Załaduj strzykawkę o pojemności 10 ml (lub kilka w razie potrzeby) żelem przewodzącym ścieranie w celu nałożenia czepka EEG. Można wstępnie załadować żel ścierny do plastikowej strzykawki o dużej pojemności 50 ml do dozowania płynów i napełnić strzykawkę o pojemności 10 ml żelem przed przybyciem pacjenta.
   UWAGA: Zastosowanie 32-kanałowej czepka EEG zwykle zużywa około 20-25 ml żelu.

2. Nakładanie czepka EEG i elektrody EKG

1. Podczas rekrutacji poproś pacjenta o wypełnienie listy kontrolnej potencjalnych przeciwwskazań do wykonania rezonansu magnetycznego. Przed przyjazdem należy potwierdzić, że pacjent nie ma przeciwwskazań do wykonania rezonansu magnetycznego.
   UWAGA: Ogólnie rzecz biorąc, każdy uczestnik, który kwalifikuje się do rezonansu magnetycznego, może wziąć udział w badaniu EEG-fMRI. Kryteria wykluczenia są następujące: podmioty niechętne współpracy lub niespełniające wymogów; osoby z chorobami współistniejącymi (np. przewlekłym bólem pleców), które uniemożliwiają im leżenie na wznak przez określony czas (zwykle co najmniej 1 godzinę); lub osoby, które mogą nie być w stanie leżeć nieruchomo na stole MRI podczas skanowania. Ruch nie tylko pogarsza jakość zarówno danych EEG, jak i fMRI, ale także stanowi potencjalne zagrożenie dla samych badanych (np. indukuje prąd w przewodach i, który może powodować stymulację). W przypadku akwizycji opartej na zadaniach należy również wziąć pod uwagę zdolność rozumienia języka przez przedmiot (unikaj osób, które nie są w stanie zrozumieć instrukcji). W badaniu wzięło udział 32 zdrowych ochotników (średni wiek 40 lat, 17 kobiet) i 25 pacjentów z padaczką (średni wiek 31 lat, 13 kobiet).
2. Poproś badanych, aby przed przyjazdem umyli włosy szamponem bez odżywki lub wosku.
3. Wyjaśnij tematowi cel eksperymentu i kolejne kroki.
4. Zmierz obwód głowy (tj. obwód potyliczny i czołowy), owijając wokół głowy elastyczną, nierozciągliwą taśmę mierniczą nad grzbietami nadoczodołowymi i potylicą i wybierz nasadkę o odpowiednim rozmiarze. Używaj czapki, która jest o 1 cm większa niż obwód głowy i zawsze pytaj badanego, czy czapka jest wygodna po założeniu (tj. nie za ciasna).
5. Po umieszczeniu czepka w przybliżonym położeniu nad głową badanego, przy użyciu tej samej miarki, zmierz długości łuku inion-nasion, zdefiniowanego jako łuk nad linią środkową głowy rozciągający się od potylicy do grzbietu nosa, oraz łuku okołousznego, zdefiniowanego jako łuk rozciągający się między uszami, który przecina punkt środkowy łuku inionowego, nad czapką. Zaznacz przecięcie łuku inion-nasion i łuku okołousznego (punkt, w którym spotykają się punkty środkowe obu łuków, AKA Cz) i nasuń nasadkę na głowę tak, aby położenie elektrody Cz było dostosowane do tego przecięcia. Upewnij się, że nasadka nie jest obracana poziomo, ręcznie sprawdzając, czy elektrody Fz, Pz, Oz, Reference i Ground są umieszczone nad łukiem inion-nasion.
6. Odsłoń skórę pod każdą elektrodą, przesuwając włosy na bok elektrody za pomocą tylnej części bawełnianego wacika.
7. Przetrzyj skórę pod każdą elektrodą, szybko obracając bawełniany wacik zawierający 70% roztwór alkoholu umieszczony przez otwór elektrody.
8. Nałóż niewielką ilość ściernego żelu przewodzącego (~0,2 ml) w otwór i zetrzyj skórę, szybko obracając bawełniany wacik w podobny sposób.
9. Monitoruj impedancję elektrody (wyświetlaną przez oprogramowanie rejestrujące) i powtarzaj ścieranie, jak podano w kroku 2.8, aż impedancja spadnie co najmniej poniżej 20 kΩ²⁰, najlepiej jak najniższa (poniżej 5 kΩ)²¹.
10. Napełnij otwór tym samym żelem (zwykle ~0,5 ml), gdy impedancja będzie zadowalająca. Nie nakładaj nadmiernej ilości żelu do otworu, aby uniknąć mostkowania między elektrodami. Przejdź do następnej elektrody, jeśli impedancja jest niezadowalająca pomimo wielokrotnego ścierania i wróć później, ponieważ czasami impedancja nadal spada z czasem po nałożeniu żelu.
11. Powtórz kroki 2.6-2.9 dla wszystkich elektrod EEG skóry głowy.
12. Przed umieszczeniem elektrody EKG z tyłu poproś pacjenta, aby usiadł prosto bez zginania szyi.
13. Upewnij się, że drut elektrody EKG jest prosty podczas umieszczania elektrody EKG z tyłu, ale zachowaj pewien naddatek na ułożenie drutu elektrody EKG wzdłuż krzywizny szyi, aby uniknąć przemieszczenia elektrody, gdy pacjent kładzie się na stole MRI. Umieść elektrodę EKG w odległości 2-3 cm w lewo od środkowej bruzdy, którą można zidentyfikować jako pionowe wgłębienie wzdłuż linii środkowej pleców. Pozycja pionowa różni się w zależności od wzrostu obiektu; Zwykle umieszcza się go w dolnej części pleców w przybliżeniu na linii, która rozciąga się między końcami łopatki u osoby o długości około 160 cm.
14. Przetrzyj skórę pod elektrodą EKG wacikiem nasączonym alkoholem.
15. Przymocuj elektrodę EKG do skóry za pomocą dwustronnego pierścienia samoprzylepnego i powtórz kroki 2.8-2.9. Pierścień samoprzylepny służy również jako wyściółka, aby uniknąć bezpośredniego kontaktu elektrody ze skórą.
16. Złóż wacik z suchego alkoholu na cztery części i umieść go na elektrodzie EKG. Przyklej go do skóry za pomocą taśmy chirurgicznej (medycznej taśmy klejącej). Przyklej drut elektrody EKG do skóry aż do ramienia.

3. Zastosuj pętlę z drutu węglowego (jeśli dostępny jest wzmacniacz bipolarny)

1. Umieść zestaw drutu węglowego z oplotem wstępnym (średnica 1 mm)⁹ składający się z sześciu pętli (średnica 10 cm) nad nasadką w takim miejscu, aby wiązka drutów była równoległa do wiązki elektrod na czubku głowy.
2. Użyj taśmy chirurgicznej (1 x 2 cm), aby zabezpieczyć pętle wokół elektrod, tak aby pętle pokrywały głowę, a każda pętla pokrywała równomiernie prawie równą powierzchnię (tj. zarówno czołowo-skroniową, zarówno skroniowo-potyliczną, potyliczną, jak i wierzchołkową). Alternatywnie można również przyszyć pętle do czepka EEG, jeśli ma to zastosowanie.
   UWAGA: Pętle z drutu węglowego na głowie służą do rejestrowania ruchu, w tym balisterdiokardiogramu (BCG). Sygnały te są wykorzystywane do usuwania artefaktów BCG z EEG podczas przetwarzania EEG w trybie offline⁹.

4. Zabezpieczenie nasadki i pętli z drutu węglowego

1. Upewnij się, że elektrody EEG nie tworzą pętli.
2. Owiń głowę badanego elastycznym bandażem nad czepkiem EEG i pętlami węglowymi. Bandaż służy do mocnego dociśnięcia elektrody EEG do skóry, aby zmniejszyć drgania elektrod wywołane przez maszynerię MRI i zapobiec rozlaniu się żelu na poduszkę podczas umieszczania osoby w skanerze MR (patrz krok 5).
3. Upewnij się, że bandaż zakrywa wszystkie elektrody i nie jest zbyt ciasny, pytając, czy osoba badana odczuwa nieprzyjemny nacisk na głowę podczas nakładania bandaża.

5. Umieszczanie obiektu w skanerze MR

1. W przypadku nabycia w stanie spoczynku poinstruuj pacjenta, aby założył w uszach wkładki douszne kompatybilne z MRI. W przypadku akwizycji opartej na zadaniach, poinstruuj badanego, aby zastosował zestaw słuchawkowy lub słuchawki kompatybilne z MRI zgodnie z wymaganiami eksperymentu. Upewnij się, że fotografowany obiekt słyszy przez obie strony zestawu słuchawkowego lub słuchawek.
2. Umieść płaską poduszkę z pianki z pamięcią kształtu kompatybilną z rezonansem magnetycznym w dolnej połowie cewki głowicy, zanim poprosisz badanego o położenie się i umieszczenie głowy w cewce.
3. Po odpowiednim ustawieniu głowicy (czubek głowy umieszczony jak najbliżej górnej części cewki głowicy), umieść wiązki elektrody i drutu węglowego prosto przez górny otwór cewki głowicy.
4. Dodaj poduszki z pianki z pamięcią kształtu na czubek głowy, czoło i okolicę skroniową. Poduszki powinny odpowiednio wypełniać wszystkie przestrzenie pozostawione w cewce głowy, jednocześnie nie ściskając zbyt mocno głowy badanego.
   1. Upewnij się, że poduszki nie ściskają głowy podczas umieszczania górnej połowy cewki głowicy i zamykania cewki. Dopasuj poduszki lub zmień poduszki na mniejsze, jeśli są zbyt ciasne. W ten sposób poduszki służą do przytrzymywania drutów elektrod w celu zmniejszenia drgań przewodów elektrod wywołanych przez maszynę MRI oraz do ograniczania ruchów głowy, przy jednoczesnym zachowaniu komfortu osoby badanej podczas skanowania.
   2. Umieść poduszkę z pianki z pamięcią kształtu w kształcie półcylindra z tyłu szyi, tak aby drut elektrody EKG był dobrze umieszczony między poduszką a szyją. Część przewodu elektrody EKG, która przechodzi z tyłu poniżej ramienia, jest rzeczywiście wciśnięta między plecy pacjenta a stół MRI, a zatem jest unieruchomiona przez ciężar własny pacjenta.
5. W przypadku akwizycji opartej na zadaniu, po umieszczeniu wszystkich poduszek z pianki z pamięcią kształtu, upewnij się, że zestaw słuchawkowy lub słuchawki nie są przemieszczone, ponownie testując, czy badany nadal słyszy przez obie strony zestawu słuchawkowego lub słuchawek. Po zamknięciu cewki głowicy umieść lustro i poinstruuj badanego, aby wyregulował lustro (w przypadku zadania wymagającego bodźców wzrokowych). Poinstruuj badanego, aby w razie potrzeby wyregulował lustro, po przesunięciu stołu, aby umieścić głowę badanego w izocentrum otworu MRI.
6. Podłącz wzmacniacze umieszczone z tyłu otworu rezonansu magnetycznego do komputera rejestrującego umieszczonego w pomieszczeniu konsoli za pomocą dostarczonych światłowodów.
7. Po podłączeniu elektrod EEG/EKG i pętli z drutu węglowego do EEG i wzmacniaczy bipolarnych z tyłu otworu rezonansu magnetycznego, włącz wzmacniacze. Ponownie sprawdź impedancję wszystkich elektrod, aby upewnić się, że są nadal niskie (przynajmniej poniżej 20 kΩ). Usuń obiekt ze skanera MR w celu regulacji, jeśli znajduje się elektroda o wysokiej impedancji.

6. Konfiguracja przewodów i wzmacniaczy

1. Ułóż wszystkie przewody między wylotem górnego otworu cewki głowicy a wzmacniaczami (w tym elektrodami i wiązkami przewodów węglowych, skrzynką połączeniową i przewodami taśmowymi) tak, aby były umieszczone prosto i pośrodku otworu MRI. Jest to ważne, aby zminimalizować prąd indukowany przez rezonans magnetyczny.
2. Umieść jedną pętlę z drutu węglowego wokół taśmowego biegnącego od skrzynki złączy elektrod EEG/EKG do amplifier i podłącz wszystkie pętle przewodów węglowych (patrz krok 5.7) do skrzynki wejściowej bipolarnego amplifier (EXG MR). Pętla ta służy głównie do przechwytywania drgań powodowanych przez pompę helu⁹.
3. Aby zminimalizować drgania wywołane przez maszynę MRI, należy unieruchomić przewody, umieszczając je wszystkie w bezpiecznych dla MR i nieferromagnetycznych workach z piaskiem na całej drodze między wylotem górnego otworu cewki głowicy a wzmacniaczami. Umieść również worki z piaskiem na amplifiery. Worki z piaskiem o wymiarach 330 mm x 240 mm x 50 mm i wadze 4 kg są dostarczane przez producenta EEG.
4. Umieść amplifiery na zewnątrz otworu magnesu, co jest dozwolone przez długość dostarczoną przez producenta.

7. Akwizycja danych EEG-fMRI

1. Przed opuszczeniem pomieszczenia skanera upewnij się, że obiekt czuje się komfortowo z jego pozycją, aby uniknąć niepotrzebnych ruchów obiektu podczas akwizycji. Poinstruuj testera, aby w razie potrzeby nacisnął przycisk alarmu (tj. w nagłych wypadkach lub jeśli pacjent odczuwa dyskomfort). Komunikuj się z obiektem z pomieszczenia konsoli, aby upewnić się, że obiekt słyszy operatora. Poinformuj badanego, że podczas zbierania danych spodziewane są głośne dźwięki. Poinstruuj osobę badaną zgodnie z wymaganiami eksperymentu i poinstruuj ją, aby nie poruszała się podczas zbierania danych.
2. Rozpocznij zapis EEG przed rozpoczęciem akwizycji fMRI. Zazwyczaj następujące obrazy są pozyskiwane sekwencyjnie: obrazy zwiadowcze (dwuwymiarowe) do pozycjonowania pola widzenia fMRI, fMRI i obrazy strukturalne do współrejestrowania obrazów fMRI podczas przetwarzania końcowego. Przed uzyskaniem każdego typu obrazu przeprowadzono sekwencje podkładek regulacyjnych w celu kalibracji odpowiednich parametrów.
   UWAGA: Ważne jest, aby używać sekwencji MRI, które są bezpieczne ze wzmacniaczami, aby zachować bezpieczeństwo i uniknąć uszkodzenia wzmacniaczy¹⁸. Szczegóły dotyczące sekwencji uznanych za bezpieczne nie będą szczegółowo omawiane. Zachęcamy czytelników do zapoznania się z instrukcją obsługi lub zespołem pomocy technicznej. Ogólnie rzecz biorąc, zalecane są sekwencje echa gradientowego i należy unikać sekwencji echa spinowego lub dowolnej sekwencji o równoważnych parametrach emisji RF, które mogą powodować nadmierne nagrzewanie wywołane przez RF. Ogrzewanie można pośrednio określić ilościowo za pomocą wskaźników, które mierzą ilość ekspozycji na fale radiowe, takich jak współczynnik absorpcji energii właściwej (SAR) i średnia kwadratowa wartość B₁+ uśredniona w ciągu 10 s (B₁ + rms). Ostatnio nowym standardem określającym granicę staje się B₁+rms, zależny od parametrów obrazowania, ale niezależny od masy ciała badanych²². Na przykład progi B₁+rms dla akwizycji przy 3 T przy użyciu nasadki EEG Brain Products wynoszą 1 μT dla obecnej standardowej nasadki i 1,5 μT dla nowej standardowej nasadki EEG z krótszym (10 cm) dołączonym²³. Kąt odwrócenia, liczba plasterków i czas powtarzania (TR) to parametry, które należy wziąć pod uwagę, aby utrzymać niskie SAR i B₁+rms. Zalecany jest mały kąt obrotu (<90°). Liczbę wycinków i TR można dostosować, o ile wynikowa sekwencja jest poniżej progu B₁+rms²³.
3. Po rozpoczęciu akwizycji należy ponownie upewnić się, że znaczniki ze skanera (patrz 1.4) są okresowo wyświetlane w zapisie EEG online.

Results

Po umieszczeniu nasadki EEG za pomocą tego protokołu, impedancja każdej elektrody zwykle spada poniżej 20 kΩ (Rysunek 1). Reprezentatywne sygnały EEG uzyskane od osoby (20-letniego mężczyzny), która uczestniczyła w badaniu neurokognitywnym, oraz od innego uczestnika (19-letniej kobiety), który uczestniczył w badaniu epilepsji przy użyciu tego protokołu w tym samym skanerze MR, są pokazane odpowiednio w Rysunek 2 i Rysunek 3. Osoba, która przeszła testy neurokognitywne, została poinstruowana, aby mieć otwarte oczy, ale pozostać nieruchomo podczas wykonywania zadania wzrokowego zgodnie z instrukcją. Uczestnik badania nad padaczką został poinstruowany, aby zamknąć oczy i spać, ponieważ aktywność padaczkowa jest zwykle częstsza podczas snu. Sygnały EEG uzyskane w obu badaniach były podobne przed przetworzeniem (Ryc. 2); artefakt gradientu MRI przesłonił rzeczywiste sygnały EEG. Sygnały EEG z obu badań były przetwarzane offline w następujący sposób: artefakty MRI usunięto za pomocą metody odejmowania²⁴; oraz BCG, ruchy i artefakty pompy helu zostały usunięte przy użyciu regresji sygnałów zarejestrowanych z pętli drutu węglowego^7,9. Wynikowe sygnały EEG (Rysunek 3B) z obu badań były jakości możliwej do analizy bez widocznego zanieczyszczenia artefaktami BCG (Rysunek 3A). Aktywność epilepsji była wyraźnie widoczna w EEG podczas badania padaczki (Ryc. 3B). Na EEG uzyskanym podczas badania neurokognitywnego zaobserwowano mruganie, ruchy gałek ocznych i artefakty mięśniowe, zwłaszcza w przewodach czołowych (Fp1 i Fp2) po usunięciu artefaktów (Rysunek 3B) ze względu na charakter badania i mogą być dalej usuwane przy użyciu innych metod w zależności od potrzeby. Nie zaobserwowano artefaktu pochodzącego z wibracji maszyn na przetworzonych sygnałach EEG uzyskanych podczas obu badań (Figura 3B porównywalna z sygnałami EEG uzyskanymi poza MRI, jak pokazano na Figura 3C). Na obrazach MR uzyskanych jednocześnie nie zaobserwowano artefaktu pochodzącego z elektrod EEG (Ryc. 4).

Rysunek 1: Reprezentatywna impedancja elektrod EEG, która spadła poniżej 5 kΩ po zastosowaniu 32-kanałowej nasadki EEG u osoby, która uczestniczyła w badaniu neurokognitywnym. Każde okrągłe kolorowe kółko reprezentuje elektrodę EEG, z nazwą elektrody zapisaną w okręgu; pozycja każdego okręgu reprezentuje pozycję każdej elektrody na czepku EEG. Kolorowy pasek i cyfry po prawej stronie reprezentują zakres mierzonej impedancji (w tym przypadku 0-5 kΩ); Kolor zielony oznacza, że wartość impedancji jest niższa niż wartość Dobry poziom, a czerwony kolor oznacza Zły poziom. W tym przykładzie elektrody CP1, O1, Oz, O2 i EKG są oznaczone kolorem jasnozielonym, co oznacza, że impedancje tych elektrod wynosiły 2 kΩ; reszta elektrod jest oznaczona kolorem ciemnozielonym, co oznacza, że impedancje tych elektrod wynosiły 0 kΩ. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Sygnał EEG przed przetworzeniem. Zauważ, że artefakt gradientu MRI przesłonił rzeczywiste sygnały EEG. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Reprezentatywne sygnały EEG od osób, które uczestniczyły w badaniach neurokognitywnych i epilepsji. Sygnały EEG w górnym rzędzie pochodziły z badania neurokognitywnego, a te w dolnym rzędzie z badania nad padaczką. Sygnały EEG były przetwarzane w trybie offline. (A) Sygnały EEG po usunięciu artefaktu gradientu MRI. Pola w kolorze jasnoniebieskim oznaczają artefakty BCG. (B) Sygnały EEG po usunięciu artefaktów z wykorzystaniem regresji sygnałów zarejestrowanych z pętli drutu węglowego. (C) sygnały EEG zarejestrowane poza rezonansem magnetycznym przy użyciu tego samego sprzętu EEG. Sygnały EEG pokazano w montażu referencyjnym (odniesienie w FCz); EEG w montażu bipolarnym (każdy kanał reprezentuje różnicę napięć między parą sąsiednich elektrod) tego samego segmentu jest również pokazane dla EEG uzyskanego podczas badania padaczki, aby ułatwić wizualizację czynności padaczkowych. Niebieskie groty strzałek (B i C, górny rząd) wskazują mruganie (powolne odchylenia w dół o dużej amplitudzie/potencjały dyfatyczne w Fp1 i Fp2), czarne groty strzałek (B, górny rząd) wskazują ruch gałek ocznych wynikający z sakkady lub spontanicznej zmiany spojrzenia (małe, gwałtowne odchylenia w Fp1 i Fp2), a zielone prostokąty (B, górny rząd) wskazują rytm alfa widoczny w EEG uzyskanym podczas badania neurokognitywnego. Aktywności o niskiej amplitudzie i wysokiej częstotliwości, głównie w Fp1 i Fp2, są artefaktami mięśniowymi (pogrubienie śladu EEG, górny rząd). Czerwone groty strzałek (B i C, dolny rząd) wskazują punkty czasowe, w których zidentyfikowano aktywność padaczkową w EEG uzyskanym podczas badania padaczki (ostre odchylenia w dół lub w górę, po których czasami następuje wolna fala). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Reprezentatywne dane MRI uzyskane od osoby badanej za pomocą tego protokołu. Należy zauważyć, że elektrody EEG nie powodowały widocznych artefaktów na obrazach MR uzyskanych jednocześnie. (A) namagnesowanie przygotowane do szybkiej akwizycji z gradientowym obrazem echa; (B) obrazowanie echoplanarne. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Protokół ten podkreślił ważne punkty dla bezpiecznego, jednoczesnego pozyskiwania danych dobrej jakości EEG-fMRI.

Niektóre typowe błędy powodujące trudne do usunięcia artefakty w EEG, a także techniki rozwiązywania problemów są następujące. Po pierwsze, wybór podmiotów, które są posłuszne i chętne do współpracy, oraz zapewnienie im komfortu podczas pozyskiwania danych może zapobiec przedwczesnemu zakończeniu z powodu ruchów podmiotu (kroki 2.1 i 5.4). Po drugie, impedancja, która nie spada poniżej 20 kΩ po wielokrotnym ścieraniu skóry głowy (krok 2.9), jest najprawdopodobniej spowodowana nieodpowiednim szczotkowaniem po użyciu. Dokładne szczotkowanie każdego otworu elektrod EEG podczas mycia czepka zapobiega temu problemowi. Po trzecie, niewłaściwe ustawienia sprzętu i oprogramowania mogą spowodować nasycenie sygnałów EEG, co z kolei utrudnia usuwanie artefaktów podczas przetwarzania EEG w trybie offline. Wreszcie, aby zapobiec rejestrowaniu nasyconych sygnałów EEG, utrzymuj impedancję każdej elektrody poniżej 20 kΩ po umieszczeniu osoby badanej w skanerze MR przed akwizycją danych; odpowiednio zmniejszyć drgania mechaniczne poprzez unieruchomienie czepka EEG (co oznacza również głowę badanego), kabli i przewodów; Monitoruj surowy sygnał EEG online za pomocą oprogramowania do nagrywania i upewnij się, że częstotliwość próbkowania i rozdzielczość amplitudy są prawidłowo ustawione.

Jednoczesna akwizycja EEG i fMRI rodzi ważne kwestie bezpieczeństwa związane z nagrzewaniem indukowanym przez RF i przełączaniem prądów indukowanych gradientem ze względu na obecność przewodów elektrycznych podłączonych do obiektu w szybko zmieniającym się polu magnetycznym⁵. Te problemy związane z bezpieczeństwem zostały w dużej mierze zminimalizowane na przestrzeni lat dzięki wynikom badań, które poszerzyły wiedzę na ten temat i doprowadziły do znacznych ulepszeń w technologii sprzętu EEG kompatybilnego z rezonansem magnetycznym. Niemniej jednak nieostrożne przygotowanie bez odpowiedniej wiedzy lub niepodjęcie środków ostrożności naraża badanych na niebezpieczeństwo. Na przykład pętle, które tworzą się w dowolnym miejscu obwodu, indukują prąd i możliwe uszkodzenia cieplne. Akwizycja za pomocą elektrod o wysokiej impedancji nie tylko pogarsza jakość danych EEG, ale także stanowi potencjalne zagrożenie dla badanego (uraz termiczny spowodowany dużą gęstością prądu). To samo zagrożenie dotyczy uszkodzonych elektrod. Kable umieszczone w bliskiej odległości od ściany odwiertu MR, innymi słowy, daleko od środka, również stanowią potencjalne zagrożenie dla nagrzewania się obiektu (nagrzewanie się z powodu efektu anteny)²⁵. Protokół ten kładzie nacisk na następujące aspekty bezpieczeństwa: w obwodzie między obiektem a wzmacniaczem nie tworzą się pętle, wszystkie elektrody mają niską impedancję podczas skanowania MRI, a wszystkie kable są umieszczone w środku otworu. Początkującym operatorom zaleca się odbycie szkolenia i postępowanie zgodnie z wytycznymi producenta zawartymi w instrukcji obsługi i filmach demonstracyjnych²⁰ , aby uniknąć jakichkolwiek obaw dotyczących bezpieczeństwa.

Głównymi przyczynami artefaktów znajdowanych w EEG-fMRI są przełączanie gradientu MRI, BCG lub grube lub subtelne ruchy osoby badanej (ruchy twarzy, zaciskanie zębów, połykanie itp.). W niektórych konfiguracjach MRI artefakty spowodowane przez pompę helu i respiratory również znacznie pogarszają sygnały EEG. Artefakty gradientu MR są raczej spójne w przebiegach i mogą być wystarczająco skorygowane za pomocą techniki odejmowania opartej na szablonie, jeśli są w pełni nagrane bez zniekształceń przy użyciu wzmacniaczy o wystarczającym zakresie dynamiki²⁴. Artefakty BCG są zwykle korygowane za pomocą techniki odejmowania²⁶, analizy składowych niezależnych⁶, optymalnego zestawu bazowego⁸ lub kombinacji tych technik¹⁰. Ostatnio opracowano usuwanie artefaktów za pomocą prostej regresji opartej na sygnałach uzyskanych jednocześnie za pomocą pętli z drutu węglowego ^7,9. Przedstawiony tutaj protokół ilustruje aspekt techniczny, a jego celem jest zapewnienie przewodnika wprowadzającego dla osób zainteresowanych stosowaniem tej metody. Metoda ta usuwa BCG, subtelne ruchy obiektu i artefakty pompy helowej, a uzyskane sygnały EEG są podobno lepsze niż te skorygowane przy użyciu innych metod ^7,9. Jednak większe artefakty ruchu, zwłaszcza te zawierające ruchy kołyszące, nie są usuwalne nawet przy użyciu tej metody⁷. Pomimo udoskonalenia tych metodologii usuwania artefaktów na przestrzeni lat, niespójne artefakty, w tym te spowodowane wibracjami wywołanymi przez maszynerię MRI, są nadal trudne do usunięcia. Co więcej, im bardziej rozbudowana procedura usuwania artefaktów, tym większe ryzyko utraty niektórych rzeczywistych sygnałów EEG. Dlatego dobre przygotowanie, które może zminimalizować niespójne artefakty, pozostaje najważniejsze w akwizycji EEG-fMRI. W tym protokole artefakty te są minimalizowane poprzez użycie: (1) elastycznego bandaża do owijania głowy i poduszek z pianki z pamięcią kształtu do unieruchomienia głowy w cewce głowy, aby zmniejszyć możliwe wibracje drutów przy jednoczesnym zachowaniu komfortu obiektu; (2) bawełniana i medyczna taśma klejąca w celu zmniejszenia wibracji drutu elektrody EKG, który może nie być w pełni unieruchomiony przez ciężar własny pacjenta (częściowo unoszący się między badanym a stołem, szczególnie u szczupłego pacjenta); oraz (3) worki z piaskiem do unieruchomienia kabli umieszczonych w otworze rezonansu magnetycznego. Są to ważne techniki minimalizowania trudnych do usunięcia artefaktów wibracyjnych wywołanych przez maszynerię MRI, które nie zostały opisane we wcześniej opublikowanym protokole EEG-fMRI²⁰. W tym protokole badani byli umieszczani w skanerze bez dodatkowego owijania wokół czepka EEG i wyściółki wokół głowy, a kable były zaklejane taśmą tylko w kilku miejscach bez unieruchamiania za pomocą worków z piaskiem. Opierając się na 20-letnim doświadczeniu w Instytucie Neurologicznym w Montrealu, zdaliśmy sobie sprawę, że te środki mogą przyczyniać się do podatności przewodów elektrod i kabli na drgania wywołane przez maszynerię MRI, chociaż rzadko są one podkreślane w większości badań EEG-fMRI⁶. Minimalizacja drgań wywołanych przez maszynerię MRI prowadzi następnie do lepszej jakości i czytelności EEG, co jest szczególnie przydatne do identyfikacji subtelnych zmian lub zdarzeń w EEG⁶, takich jak małe wyładowania padaczkowe w badaniach nad padaczką i jednopróbowe ERP w badaniach neurokognitywnych.

Wykrywanie ERP w sygnałach EEG jest warunkiem wstępnym badań neuronauki poznawczej. W przeciwieństwie do klasycznej średniej odpowiedzi w różnych próbach, wykrywanie pojedynczej próby ERP, które zapewnia wgląd w dynamikę mózgu w odpowiedzi na określony bodziec, staje się nowym celem w nowoczesnych badaniach neuronauki kognitywnej i nieinwazyjnych badaniach interfejsu mózg-komputer²⁷. Zastosowanie niniejszego protokołu może przyczynić się do zwiększenia efektywności w tych dziedzinach badań.

Protokół najlepiej nadaje się do systemu EEG zgodnego z rezonansem magnetycznym zastosowanego w tym badaniu. Niemniej jednak uważamy, że ważne punkty mogą mieć również zastosowanie do innych systemów EEG kompatybilnych z rezonansem magnetycznym.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
BrainAmp EXG MR	Brain Products, GmBH, Niemcy		Wzmacniacz bipolarny kompatybilny z MRI
BrainAmp MR Plus	Brain Products, GmBH, Niemcy		Wzmacniacz EEG kompatybilny z MRI
BrainCap MR	Brain Products, GmBH, Niemcy		Czapka EEG kompatybilna z MRI
ESPA elastyczny bandaż	Toyobo co., Ltd.		elastyczny bandaż do owijania głowy osoby
Gazik nasączony alkoholem One Shot Plus P EL-II Shiro	Jyuji, Inc.		Wacik nasączony alkoholem do przygotowania skóry
Power Pack	Brain Products, GmBH, Niemcy		Kompatybilny z rezonansem magnetycznym akumulator do zasilania elektrycznego wzmacniaczy
SyncBox	Brain Products, GmBH, Niemcy		Synchronizacja faz między sprzętem EEG a skanerem MRI
Adapter USB 2 (BUA)	Brain Products, GmBH, Niemcy		Adapter USB do podłączenia wzmacniaczy do komputera nagrywającego
V19 ścierny żel przewodzący	Brain Products, GmBH, Niemcy		Żel ścierny do aplikacji EEG-cap
Yu-ki Ban GS Medyczna taśma samoprzylepna	Nitoms, Inc.		medyczna taśma klejąca do mocowania elektrody EKG i pętli z drutu węglowego