Konfiguracja sprzętu i usuwanie artefaktów do jednoczesnego elektroencefalogramu i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego do oceny klinicznej w padaczce

Summary

Ten artykuł szczegółowo opisuje procedury rejestracji jednoczesnego elektroencefalogramu i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (EEG-fMRI), które mogą być stosowane zarówno w warunkach klinicznych, jak i badawczych. Uwzględniono również procedury przetwarzania EEG w celu usunięcia artefaktów obrazowania do oceny klinicznej. Niniejsze badanie koncentruje się na przykładzie padaczki w okresie międzynapadowym.

Abstract

Jednoczesny elektroencefalogram i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (EEG-fMRI) to unikalna technika łączona, która zapewnia synergię w zrozumieniu i lokalizacji początku napadów w padaczce. Jednak zgłoszone protokoły eksperymentalne dla zapisów EEG-fMRI nie odnoszą się do szczegółów dotyczących przeprowadzania takich procedur u pacjentów z padaczką. Ponadto protokoły te są ograniczone wyłącznie do ustawień badawczych. Aby wypełnić lukę pomiędzy monitorowaniem pacjenta w oddziale monitorowania padaczki (EMU) a prowadzeniem badań z pacjentem z padaczką, wprowadzamy unikalny protokół zapisu padaczki w okresie międzynapadowym EEG-fMRI. Zastosowanie zestawu elektrod warunkowych MR, który może być również używany w EMU do jednoczesnego zapisu EEG skóry głowy i wideo, umożliwia łatwe przejście zapisów EEG z EMU do pomieszczenia skanowania w celu jednoczesnych zapisów EEG-fMRI. Przedstawiono szczegółowe informacje na temat procedur rejestracji przy użyciu tego specyficznego zestawu elektrod warunkowych MR. Ponadto w badaniu wyjaśniono krok po kroku procedury przetwarzania EEG w celu usunięcia artefaktów obrazowania, które można następnie wykorzystać do oceny klinicznej. Ten eksperymentalny protokół promuje poprawkę do konwencjonalnego zapisu EEG-fMRI w celu zwiększenia możliwości zastosowania zarówno w warunkach klinicznych (tj. EMU), jak i badawczych. Co więcej, protokół ten daje możliwość rozszerzenia tej modalności na postictalne zapisy EEG-fMRI w warunkach klinicznych.

Introduction

Epilepsja dotyka prawie 70 milionów ludzi na całym świecie¹. Aż jedna na 150 osób ze słabo kontrolowaną padaczką ulega nagłej, nieoczekiwanej śmierci w padaczce (SUDEP) każdego roku. Co więcej, około 30%-40% przypadków padaczki jest opornych na leczenie medyczne². Leczenie neurochirurgiczne w postaci resekcji, odłączenia lub neuromodulacji może być środkiem zmieniającym i ratującym życie pacjentów z padaczką oporną na leczenie.

Jednoczesny elektroencefalogram i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (EEG-fMRI) to unikalna technika łączona, która mierzy aktywność mózgu w sposób nieinwazyjny i przyniosła korzyści w zrozumieniu i lokalizacji początku napadu w padaczce^3,4,5,6. EEG skóry głowy mogą być używane do lateralizacji i lokalizacji stref początku napadów, ale mają stosunkowo słabą rozdzielczość przestrzenną ze względu na ograniczone możliwości w odniesieniu do oceny głębokich źródeł padaczkowych. Podczas gdy fMRI ma dobrą rozdzielczość przestrzenną w całym mózgu, w tym w głębokich regionach, sam fMRI nie jest specyficzny dla napadów. Jednak EEG skóry głowy może informować o interpretacji obszarów aktywacji lub dezaktywacji zależnych od poziomu tlenu we krwi (BOLD) w fMRI, tworząc w ten sposób technikę fMRI, która jest specyficzna dla padaczki. W związku z tym implementacja jednoczesnego EEG-fMRI może być wykorzystana do mapowania procesów czasoprzestrzennych istotnych dla lokalizacji zarówno "gdzie", jak i "kiedy" zdarzeń padaczkowych.

Wyjaśnienia, jak przeprowadzić jednoczesne badanie EEG-fMRI, znajdują się w poprzednich badaniach^7,8,9,10. Jednak EEG-fMRI jest niedostatecznie wykorzystywane w padaczce, zwłaszcza w warunkach klinicznych. Istnieje badanie, które zawiera ogólną procedurę zapisów EEG-fMRI, tło i przykłady możliwej analizy EEG⁷. Przeprowadzono również badanie kładące nacisk na indukcję hipnotyczną wraz z pomiarami temperatury w jednoczesnych zapisach EEG-fMRI⁸. Ponadto zaproponowano rozszerzone badanie EEG-fMRI w celu wprowadzenia metody obrazowania źródła EEG w czasie i z ograniczeniami fMRI^9,10. Ponadto rozważano zastosowanie pętli z drutu węglowego w celu skutecznego usuwania artefaktów z EEG-fMRI¹⁰. Jednak wszystkie te badania nie rozwiązują problemów związanych z prowadzeniem badań EEG-fMRI w warunkach badań klinicznych. W szczególności stosowanie czepka EEG ogranicza wykonalność tych protokołów w warunkach klinicznych, brakuje również szczegółów dotyczących postępowania z pacjentem. W tym badaniu zapewniamy protokół zapisu EEG-fMRI, który może być stosowany zarówno w warunkach klinicznych, jak i badawczych u pacjentów z padaczką. Ten unikalny protokół umożliwia łatwe przejście pacjenta z jednostki monitorowania padaczki (EMU) do sali skanowania. Ponadto protokół daje możliwość rozszerzenia jego zastosowania na zapisy okresu ponapadowego u pacjentów z padaczką. W przypadku EEG-fMRI przetwarzanie końcowe jest kluczowym krokiem w usuwaniu artefaktów spowodowanych gradientami MRI i artefaktów fizjologicznych, takich jak te związane z biciem serca. W związku z tym zapewniamy również procedury krok po kroku w celu usunięcia artefaktów EEG przy użyciu standardowej metody usuwania szablonu¹¹ do oceny klinicznej.

Protocol

To badanie zostało przeprowadzone zgodnie z Protokołem #62050, zatwierdzonym przez Institutional Review Board na Uniwersytecie Kentucky (UK).

1. Rekrutacja podmiotu

1. Kryteria włączenia
   UWAGA: Muszą być spełnione wszystkie poniższe kryteria.
   1. Uwzględnij osoby, u których zdiagnozowano oporną na leczenie padaczkę ogniskową i które kwalifikują się do oceny chirurgicznej padaczki.
   2. Uwzględnij osoby w wieku od 18 do 60 lat.
   3. Uwzględnij kobiety w wieku rozrodczym, jeśli stosują metodę antykoncepcji. Uwzględnij kobiety bez wieku rozrodczego (po menopauzie przez co najmniej 2 lata, obustronna resekcja jajników lub podwiązanie jajowodów, całkowita histerektomia).
      UWAGA: Zgodnie ze standardem opieki, test ciążowy jest wykonywany dla kobiet w wieku rozrodczym po przyjęciu do UGW.
   4. Uwzględnij osoby zaplanowane do przyjęcia do EMU z rozpoznaniem opornej na leczenie padaczki ogniskowej lub w celu scharakteryzowania napadów.
2. Kryteria wykluczenia
   1. Wyklucz osoby, które mają ciężką klaustrofobię.
   2. Należy wykluczyć osoby z wszczepionymi urządzeniami medycznymi lub wbudowanym metalem, które normalnie dyskwalifikowałyby ich z wykonania rezonansu magnetycznego, który jest rutynowo sprawdzany przez technika rezonansu magnetycznego przed wykonaniem jakiegokolwiek skanowania.
   3. Wyklucz osoby w ciąży lub karmiące piersią.
   4. Należy wykluczyć osoby z jakimkolwiek znanym schorzeniem medycznym lub psychicznym, które w opinii badacza mogłoby zagrozić lub zagrozić zdolności uczestnika do udziału w tym badaniu lub mogłoby zakłócić jego wiarygodny udział w badaniu.

UWAGA: Gdy pacjent zostanie przyjęty do EMU, po wyrażeniu przez pacjenta zgody na formularz zgody na udział w tym badaniu, zostaną wykonane następujące kroki.

2. Umiejscowienie elektrody

1. Oznacz pozycje elektrod na skórze głowy pacjenta w oparciu o system 10-20.
   UWAGA: Rysunek 1 pokazuje jeden wybór z 32 elektrod.
   1. Zmierz i zanotuj linię środkową głowy głowy pacjenta, umieszczając taśmę mierniczą od nasiona do wcięcia, przechodząc przez górny środek głowy (Miara A: płaszczyzna strzałkowa).
   2. Oznaczyć 50% miary A od nasion do iniónu. Ten znak wskazuje położenie elektrody Cz.
   3. Oznaczyć 10% miary A od nasion do wskazanego Cz. Ten znak wskazuje położenie elektrody Fpz.
   4. Zaznaczyć 10% miary A od wlotu do wskazanego Cz. Ten znak wskazuje położenie elektrody Oz.
   5. Oznaczyć 20% środka A od wskazanego Cz do Fpz. Ten znak wskazuje położenie elektrody Fz.
   6. Zaznaczyć 20% miary A od wskazanego Cz do Oz. Ten znak wskazuje położenie elektrody Pz.
   7. Zmierz i zanotuj głowę pacjenta od lewego punktu przedusznego do prawego punktu przedusznego, przechodząc przez górny środek głowy (Środek B: płaszczyzna czołowa).
   8. Zaznacz 50% środka B i upewnij się, że to miejsce nakłada się na wskazane miejsce Cz.
   9. Zaznaczyć 10% taktu B od lewego punktu przeduszowego do Cz. Ten znak wskazuje położenie elektrody T3.
   10. Zaznaczyć 10% taktu B od prawego punktu przeduszowego do Cz. Ten znak wskazuje położenie elektrody T4.
   11. Zaznaczyć 20% środka B od wskazanego Cz do T3. Ten znak wskazuje położenie elektrody C3
   .
   12. Oznaczyć 20% środka B od wskazanego Cz do T4. Ten znak wskazuje położenie elektrody C4.
   13. Zmierz i zanotuj obwód głowy pacjenta, przechodząc przez oznaczone Fpz i Oz (Miara C: płaszczyzna poprzeczna).
   14. Zaznaczyć 10% środka C na lewo i prawo od Fpz. Oznaczenia te wskazują odpowiednio położenie elektrody Fp1 i Fp2.
   15. Zaznacz 10% Miary C na lewo i prawo od Oz. Znaki te wskazują odpowiednio położenie elektrody O1 i O2.
   16. Zaznacz 20% środka C na lewo od Fp1 i na prawo od Fp2. Oznaczenia te wskazują odpowiednio położenie elektrody F7 i F8.
   17. Zmierz i zanotuj odległość od F7 i F8 w płaszczyźnie koronalnej (Miara D: płaszczyzna koronalna).
   18. Zaznacz 50% miary D i upewnij się, że wcześniej wskazane Fz zachodzi na siebie.
   19. Zaznacz 25% miary D od F7 w kierunku Fz i od F8 do Fz. Oznaczenia te wskazują odpowiednio położenie elektrody F3 i F4.
   20. Zmierz odległość od nasiona do wgłębienia przechodzącego przez Fp1 i O1. Upewnij się, że 50% środka pokrywa się z wcześniej wskazanym C3.
   21. Zmierz odległość od nasiona do wcięcia przechodzącego przez Fp2 i O2. Upewnij się, że 50% miary pokrywa się z wcześniej wskazanym C4.
       UWAGA: W ten sam sposób można oznaczyć pozycje elektrod na płatach skroniowych i ciemieniowych, w tym T5, P3, P4 i T6. Ponadto wszelkie dodatkowe lokalizacje elektrod, takie jak TP9, TP10, FT9 i FT10, można oznaczyć na podstawie względnej odległości od rozkładów elektrod w systemie 10-20. Liczbę elektrod i ich rozmieszczenie można określić na podstawie analizy prospektywnej i ukierunkowania badań.
2. Oczyść skórę głowy pacjenta za pomocą żelu do przygotowania skóry na gazie.
3. Umieść pastę przewodzącą na jednym kubku elektrody. Umieść elektrodę na skórze głowy pacjenta zgodnie z nazwą kanału na elektrody.
   UWAGA: Do jednoczesnego zapisu EEG-fMRI wymagane jest użycie elektrod warunkowych MR, a w EMU zaleca się stosowanie elektrod zatwierdzonych przez Agencję ds. Żywności i Leków (FDA).
4. Powtórz umieszczanie żelu i elektrod na skórze głowy pacjenta (krok 2.3) dla wszystkich elektrod (Rysunek 2A).
   UWAGA: podłączone do elektrod warunkowych MR są stosunkowo krótkie do złącza łączącego, aby zminimalizować artefakty MR. Dlatego podczas umieszczania elektrod należy wziąć pod uwagę pozycje elektrod i ostrożnie je ułożyć, aby mogły być dobrze zorganizowane. Ponadto upewnij się, że na przewodach nie ma pętli, ponieważ mogą one potencjalnie wytwarzać ciepło i oparzenia wewnątrz skanera.
5. Przyklej wszystkie elektrody do skóry głowy pacjenta za pomocą kleju na gazie. Ułóż wszystkie elektrod i umieść złącze daleko od skóry głowy, umieszczając płatki gazy na środku głowy osoby badanej (Rysunek 2B, czerwone strzałki).
   UWAGA: Jest to krytyczny krok, aby uniknąć artefaktów obrazowania.
6. Owiń wszystkie połączenia kablowe samoprzylepną opaską bandażową (niebieskie owale w Rysunek 2B).
   UWAGA: Ten krok jest sugerowany w celu zabezpieczenia połączeń podczas nagrywania.
7. Umieść elastyczną osłonę głowicy, aby zabezpieczyć wszystkie elektrody. Podłącz wiązkę, która jest podłączona do elektrod, do amplifier. Rozpocznij monitorowanie EEG synchronicznie z nagraniami wideo.

3. Zapis EEG-fMRI

UWAGA: Do zapisu EEG-fMRI używany jest system warunkowego zapisu EEG MR wraz z elektrodami warunkowymi MR umieszczonymi na początku przyjęcia do EMU.

1. W pomieszczeniu monitorowania podłącz adapter USB 2 do zestawu Triggerbox za pomocą (gruby biały w Rysunek 3A).
   UWAGA: Adapter USB 2 pozwala na połączenie innego sprzętu z komputerem, a zestaw Triggerbox służy do manipulowania sygnałem wyzwalania generowanym przez skaner, który ma być wykryty w oprogramowaniu do rejestracji EEG.
2. Podłącz Syncbox do adaptera USB 2 za pomocą (gruby w Rysunek 3B).
   UWAGA: Rolą Syncboxa jest synchronizacja sygnałów zegara ze wzmacniacza i systemu przełączania gradientu skanera.
3. W pomieszczeniu monitorowania podłącz jeden koniec światłowodowego do Syncbox (Rysunek 3C po lewej), a drugi koniec przeprowadź przez tunel połączony z pomieszczeniem skanowania.
4. Podłącz portu USB z adaptera USB 2 do komputera nagrywającego (gwiazdka w Rysunek 3B). Podłącz portu USB z Syncbox do komputera nagrywającego (gwiazdka w Rysunek 3C). Podłącz portu USB z Triggerbox do komputera nagrywającego (znak gwiazdki w Rysunek 3D). Podłącz klucz sprzętowy licencji oprogramowania do komputera nagrywającego.
   UWAGA: W sumie są cztery porty USB, które będą używane. Posiadanie wielu portów USB może być pomocne w zarządzaniu nimi wszystkimi.
5. Skonfiguruj wzmacniacz zapisu EEG wraz z zestawem sanek MR wewnątrz skanera.
   UWAGA: Wszelkie metalowe lub wrażliwe na MR elementy muszą zostać usunięte z eksperymentatorów. Wymagane jest, aby eksperymentatorzy przeszli odpowiednie szkolenie w zakresie prowadzenia nagrań w pomieszczeniu do skanowania MRI.
   UWAGA: Zaleca się pełne naładowanie amplifier akumulator przed przeprowadzeniem nagrywania.
6. Podłącz koniec światłowodowego w pomieszczeniu skanowania do tylnej części amplifier (Rysunek 4D) i włącz amplifier.
   UWAGA: Drugi koniec światłowodowego jest podłączony do Syncboxa w pomieszczeniu monitoringu.
7. Po zakończeniu konfiguracji sprzętu otwórz oprogramowanie do rejestracji EEG, klikając ikonę oprogramowania na ekranie komputera. Utwórz obszar roboczy w oprogramowaniu do nagrywania, klikając menu Nowy obszar roboczy na karcie Plik w lewym górnym rogu okna.
8. Ustaw ścieżkę folderu, w którym będą przechowywane nowe dane, klikając przycisk Przeglądaj.
9. Wstaw nazwę danych w pustym polu Prefiks i określ indeks numeracji, wstawiając cyfrę w czarnych polach Min. Rozmiar licznika [cyfry] i Bieżący numer.
10. Po upewnieniu się, że nazwa pliku jest poprawnie wyświetlana w obszarze Następna wynikowa nazwa pliku, kliknij przycisk Dalej.
11. Zeskanuj wzmacniacz, klikając przycisk Skanuj w poszukiwaniu wzmacniacza w lewym górnym rogu utworzonego okna. Ustaw odpowiednie parametry, w tym częstotliwości próbkowania oraz niskie i wysokie częstotliwości odcięcia dla nagrywania, wybierając odpowiednie opcje wymienione dla częstotliwości próbkowania, dolnego odcięcia i wysokiego odcięcia (patrz Rysunek 5).
    UWAGA: Częstotliwość próbkowania jest ustawiona na 5 000 Hz, aby w wystarczającym stopniu próbkować artefakty gradientu ze skanera. Wstawiany jest dolny punkt odcięcia wynoszący 10 s, aby zapobiec nasyceniu prądem stałym (DC) (jednostka czasu jest używana w oprogramowaniu rejestratora), a wysoki punkt odcięcia 250 Hz jest ustawiany w celu ograniczenia amplitudy artefaktu gradientu przed wejściem do przetwornika analogowo-cyfrowego.
12. Ustawianie parametrów skanera fMRI.
    UWAGA: Możliwym ustawieniem akwizycji fMRI BOLD w stanie spoczynku jest sekwencja echo-płaska (TR/TE = 1360/29 ms, kąt odwrócenia = 65, 54 warstwy pokrywające cały mózg, pole widzenia = 260 mm x 260 mm, rozdzielczość = woksele izotropowe 2,5 mm). Szczegóły ustawień fMRI mogą się różnić w zależności od celu nagrania.
13. Wyłącz pompę helową skanera, aby jeszcze bardziej ograniczyć wprowadzanie artefaktów do sygnału EEG.
    UWAGA: Wyłączenie pompy helu może spowodować utratę ciekłego helu lub wzrost temperatury osłony. Dlatego zdecydowanie zaleca się skontaktowanie się z dostawcą skanera, aby sprawdzić, czy wyłączenie sprężarki helu nie jest zbyt szkodliwe dla systemu skanowania MRI.
14. Przenieś pacjenta do poczekalni skanowania. Wyjaśnij pacjentowi procedurę nagrywania.
    UWAGA: Zaleca się, aby cała konfiguracja sprzętu rejestrującego została zakończona przed przybyciem pacjenta.
15. Oczyść plecy pacjenta, tuż pod lewym ramieniem pacjenta, gdzie zostanie umieszczony przewód elektrokardiogramowy (EKG). Nałóż ścierny żel elektrolitowy na przewód EKG i umieść go po lewej tylnej stronie pacjenta.
    UWAGA: Długość tego jest krótka, więc podczas umieszczania przewodu EKG nie ciągnij mocno ani nie kładź go zbyt nisko z tyłu; Dopuszczalne jest około 5 cm poniżej ramienia. Elektroda EKG jest umieszczona z tyłu, aby zminimalizować poruszające się artefakty.
16. Nałóż taśmę samoprzylepną wokół przewodu EKG i, aby zminimalizować artefakty skanowania podczas nagrywania. Odłącz wiązkę EEG i podłącz złącza EEG do skrzynki interfejsu ( Rysunek 4B).
17. Przewieź pacjenta do sali skanowania. Połóż pacjenta na stole skanowania z głowicą w otwartej dolnej połowie cewki głowicy.
    UWAGA: Wszelkie elementy metalowe lub wrażliwe na MR muszą zostać usunięte z obiektu.
    UWAGA: Podeprzyj plecy pacjenta podczas leżenia.
18. Zastosuj zatyczki do uszu, aby zmniejszyć hałas skanera. Nałóż poduszkę na głowę pacjenta, aby zminimalizować artefakty związane z ruchami głowy.
19. Podłącz górną połowę cewki głowicy, aby zamknąć cewkę "klatki dla ptaków" wokół głowy pacjenta. Dostosuj wysokość łóżka. Podłącz skrzynkę interfejsu do amplifier ( Rysunek 4C).
    UWAGA: Taśma klejąca jest również nakładana na ze skrzynki interfejsu, aby zminimalizować artefakty skanowania (biała okładka w Rysunek 4B).
20. Umieść bezpieczne dla MR worki z piaskiem wokół, aby zminimalizować artefakty MR podczas nagrywania (Rysunek 4C). Po wprowadzeniu wszystkich ustawień w pomieszczeniu skanowania przejdź do pomieszczenia monitorowania.
21. Komunikuj się z pacjentem przez mikrofon w pomieszczeniu monitorowania, wyjaśniając, że wykonywane są dodatkowe kroki w celu ustawienia ustawień oprogramowania.
    UWAGA: Eksperymentatorzy mogą komunikować się za pomocą wbudowanych głośników w pomieszczeniu skanowania i mikrofonu w pomieszczeniu monitorowania.
22. Sprawdź impedancję elektrod EEG, klikając przycisk Sprawdzanie impedancji w lewym górnym rogu okna oprogramowania do nagrywania otwartego na komputerze. Potwierdź z pacjentem, że jest gotowy do nagrania.
    UWAGA: Podczas nagrywania eksperymentatorzy monitorują stan pacjenta za pomocą kamery wideo w pomieszczeniu skanowania i komunikują się przez mikrofon w pomieszczeniu monitorowania.
23. Rozpocznij zapis EEG, klikając przycisk Odtwórz w lewym górnym rogu oprogramowania do nagrywania. Uruchom skanowanie akwizycyjne fMRI.
    UWAGA: W każdym przypadku, gdy pacjent zgłasza dyskomfort spowodowany środowiskiem nagrywania, w tym hałasem, eksperymentator powinien przerwać procedurę nagrywania.

4. Usuwanie artefaktów EEG

UWAGA: Poniższe opisy zawierają szczegółowe kroki, jak usunąć artefakty skanera na danych EEG uzyskanych z jednoczesnych zapisów EEG-fMRI. Rysunek 6 przedstawia proces przetwarzania z reprezentatywnymi przykładami.

1. Otwórz oprogramowanie do analizy EEG.
2. Zastosuj korekcję artefaktu MR.
   1. Kliknij zakładkę Transformacje > Specjalne przetwarzanie sygnału > Korekcja MR. Po wygenerowaniu małego okna wybierz opcję Użyj znaczników, wybierz sygnał wyzwalający ze skanera i kliknij przycisk Dalej.
      UWAGA: Ten krok wskazuje sygnał wyzwalający ze skanera i wykorzystuje go jako odniesienie do usunięcia artefaktów MR.
   2. Wybierz opcje z przeplotem i na podstawie czasu, wprowadź informacje o czasie sygnału wyzwalającego i kliknij Dalej.
      UWAGA: W pozyskanych danych V1 jest sygnałem wyzwalającym, a na podstawie interwałów wyzwalania V1 można wprowadzić następujące wartości: start [ms]: -2; koniec [ms]: 1,358; i czas trwania [ms]: 1,360. Etykieta sygnału wyzwalającego i jego szczegółowe ustawienie mogą się różnić w zależności od konfiguracji skanera.
   3. W następnym oknie zaznacz opcję Włącz korektę linii bazowej dla średniej i usuń zaznaczenie pola wyboru Oblicz linię bazową dla całego artefaktu. Wstaw wartości Początek [ms] i Koniec [ms]. Wybierz opcję Użyj obliczania średniej ruchomej.
      UWAGA: Pozwala to na skorygowanie linii bazowej w oparciu o przesuwane okno.
   4. Wstaw całkowitą liczbę interwałów dla średniej ruchomej, sprawdź Wspólne użycie wszystkich kanałów pod kątem złych interwałów i korekty, a następnie kliknij Dalej.
      UWAGA: Łączna liczba interwałów dla średniej ruchomej może wynosić 21.
   5. Wybierz opcję Użyj wszystkich kanałów do korekcji i kliknij przycisk Dalej.
   6. Zaznacz opcję Do Downsampling (Do Downsampling) i wybierz 500 dla opcji New Frequency [Hz] (Nowa częstotliwość [Hz]. Zaznacz opcję Zastosuj filtr dolnoprzepustowy i wybierz Użyj filtra FIR, wprowadź 70 dla częstotliwości odcięcia [Hz], a następnie kliknij Dalej.
   7. Po wprowadzeniu wszystkich ustawień wybierz jedną opcję Przechowuj poprawione dane, a następnie kliknij Zakończ.
      UWAGA: Opcję Przechowuj dane nieskompresowane w pliku historii można wybrać jako opcję Przechowuj poprawione dane. W zależności od celu mogą być brane pod uwagę różne opcje. Po kliknięciu Zakończ, w środku pojawi się małe okno Scanner Artifact Correction, pokazujące stan przetwarzania. Ten proces korekcji MR może zająć trochę czasu, w zależności od rozmiaru danych EEG.
3. Zastosuj usuwanie DC za pomocą filtra górnoprzepustowego. Kliknij zakładkę Transformacja > Filtrowanie danych > Filtry IIR. W nowo wygenerowanym oknie zaznacz opcję Włączone w obszarze Low Cutoff. Wstaw częstotliwość odcięcia [Hz] równą 0,5, wybierz kolejność filtrów jako 2, a następnie kliknij OK.
4. Usuń artefakty kardiobalistyczne.
   1. Kliknij zakładkę Transformacje > Specjalne przetwarzanie sygnału > Korekcja CB. W oknie, które zostanie otwarte, wybierz opcję Użyj wykrywania wartości szczytowych i zaznacz opcję Tryb półautomatyczny.
   2. W sekcji Search Pulse Template (Szablon impulsu wyszukiwania) wstaw Start[s] jako 60 i Length[s] jako 20. Zaznacz szablon Zaznacz znaleziono i upewnij się, że wybrano odpowiedni kanał EKG.
   3. Wstaw odpowiednie parametry dla częstości i korelacji impulsów oraz amplitudy, wstaw R dla oznaczania impulsów za pomocą znaczników R-Peak, a następnie kliknij Next.
      UWAGA: Sugerowana wartość częstości tętna [ms] to 1000 ± 400, a częstość tętna [bpm] to minimum 43 i maksimum 100. Konkretne wartości częstości tętna zależą od zakresów EKG pacjenta. Ponadto poziom wyzwalania korelacji można ustawić na 0,6, a poziom wyzwalania amplitudy na minimum 0,3 i maksimum 1,4.
   4. Zaznacz opcję Użyj całych danych, aby obliczyć opóźnienie czasowe. Wstaw całkowitą liczbę interwałów impulsów używanych dla średniej.
      UWAGA: Całkowitą liczbę interwałów impulsów używanych do uśredniania można ustawić na 21.
   5. W obszarze Correct Following Channels (Prawidłowe kanały śledzenia) przenieś wszystkie kanały EEG do prawej kolumny z wyjątkiem kanału EKG, a następnie kliknij przycisk Next (Dalej).
   6. Na następnej stronie wybierz jedną opcję Przechowuj poprawione dane zgodnie z preferencjami. Kliknij Finish.
      UWAGA: Po kliknięciu przycisku Finish po prawej stronie oprogramowania pojawi się okno CB Correction-Interactive Mode.
   7. Przesuń palcem po osi czasu u dołu paska nawigacyjnego i sprawdź, gdzie szablon podstawowy EKG jest podświetlony niebieskim zacienionym polem. Upewnij się, że podstawowy szablon EKG jest prawidłowo oznaczony.
      UWAGA: Dwukrotne kliknięcie nazwy kanału EKG powoduje wyświetlenie tylko kanału EKG do przeglądu. W razie potrzeby rozważ ręczną regulację wartości szczytowej lub interwału. W oknie CB Correction-Interactive Mode po prawej stronie oprogramowania EKG z nieprawidłowymi wzorcami są wymienione w kolejności sekwencyjnej w formie tabeli. Są one oznaczone w zapisie EKG jako czerwone pionowe linie.
   8. W oknie CB Correction-Interactive Mode sprawdź każde zaznaczone EKG, klikając dwukrotnie odpowiadający mu wiersz w tabeli. W razie potrzeby dostosuj wykryte lokalizacje pików, przesuwając czerwone pionowe linie. Po przejrzeniu wszystkich wykrytych EKG kliknij Finish.
      UWAGA: Kanał początkowo zawiera tylko czerwone i zielone znaczniki. Zielone znaczniki wskazują dobre wykrywanie, podczas gdy czerwone znaczniki wskazują potencjalne piki tętna, które nie spełniają wszystkich wymaganych warunków. Czerwone znaczniki zmieniają kolor na żółty po ich ręcznej modyfikacji. Podczas korygowania nieprawidłowych zapisów EKG należy wziąć pod uwagę, że każda lokalizacja piku i odstęp czasowy każdego EKG powinny być spójne.
5. Zastosuj usuwanie szumów linii energetycznej i prądu przemiennego (AC) za pomocą filtra wycinającego. Kliknij zakładkę Transformacja > Filtrowanie danych > Filtry IIR. W oknie, które zostanie otwarte, zaznacz Notch Enabled, wybierz Częstotliwość [Hz], a następnie kliknij OK.
   UWAGA: Do wyboru częstotliwości można wybrać 50 lub 60 Hz w zależności od kraju, w którym prowadzone jest nagrywanie. Filtr wycinający jest stosowany na ostatnim etapie, aby był korzystny dla wykrywania EKG, a ta aplikacja filtra zapewnia wygodę klinicznego przeglądu EEG.

Results

Gdy pacjent jest przyjmowany do EMU, rejestrowane jest jednocześnie EEG skóry głowy i wideo. Jednym z celów monitorowania EEG przez neurologa jest ocena wyładowań padaczkowych, które mogą potencjalnie informować o lokalizacji początku napadu. Gdy wyróżnia się niezwykłą dynamikę określonych kanałów EEG, lokalizacje elektrod mogą być związane z lokalizacją napadu. W okresie międzynapadowym wyładowania padaczkowe (IED), w tym skoki i ostre fale, są tradycyjnie uważane za markery obszarów padaczkowości. Ponadto uzyskane zapisy międzynapadowych danych EEG-fMRI mogą być korzystne dla zrozumienia i lokalizacji napadów. Aby zwalidować ten protokół zapisu i przetwarzania EEG-fMRI, oceniamy jakość EEG, porównując EEG po przetworzeniu z tym z EMU i potwierdzamy, że w obu przypadkach obserwuje się tę samą wyróżniającą się cechę EEG.

Ogniskowa powolna aktywność delta zazwyczaj sugeruje leżące u podstaw uszkodzenie strukturalne mózgu lub obszar, w którym neurony nie funkcjonują zgodnie z oczekiwaniami, co często obserwuje się po udarze, urazach głowy, infekcjach mózgu lub demencji. Jednak nierzadko zdarza się, że pacjenci z padaczką ogniskową wykazują ogniskową aktywność delta w pobliżu lub w miejscu swojej strefy padaczkowej. Ponadto, mimo że ogniskowa aktywność delta jest mniej specyficzna niż w przypadku IED, może określać zlokalizowaną patologię strukturalną odpowiadającą wystąpieniu napadu w padaczce¹². Co więcej, ogniskowe międzynapadowe fale wolne w EEG odpowiadają ogniskowej aktywacji BOLD na fMRI, która pasuje do obszaru padaczkowego u pacjentów z padaczką częściową¹³.

Warto zauważyć, że w padaczce o początku płata skroniowego, czasami występuje rodzaj aktywności delta zwany czasową przerywaną rytmiczną deltą (TIRDA) i jest on uważany za odpowiednik IED¹⁴. Wręcz przeciwnie, temporalna przerywana polimorficzna delta (TIPDA) nie jest uważana za odpowiednik IED¹⁵. W przetworzonych danych EEG obecne są wyraźne ogniskowe lewe fale powolno-skroniowe (TIPDA), które obserwuje się na podstawie EEG zarejestrowanego w EMU (Ryc. 7). Chociaż ta aktywność delta nie jest odpowiednikiem IED, sugeruje dysfunkcję lewego neuronu skroniowego.

Rysunek 1: Przykład wyboru 32 elektrod do jednoczesnego zapisu EEG-fMRI. W klinice powszechnie uważa się, że do monitorowania EEG stosuje się 21 kanałów. Aby zapewnić minimalną liczbę elektrod do przeprowadzania obrazowania źródła EEG (ESI), dołączono 11 dodatkowych kanałów, które całkowicie pokrywają głowę. Wszystkie elektrody są złotymi miseczkami, aby uniknąć efektów MR. Na rysunku różne kolory są używane do rozróżniania różnych elektrod, a kolory są zgodne z fizycznymi kolorami. Każde prostokątne pole na dole wskazuje jedno złącze, które należy podłączyć do wiązki, która zostanie podłączona do wzmacniacza w celu nagrywania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Rozmieszczenie elektrod. (A) Umieszczenie elektrod na skórze głowy pacjenta i (B) rozmieszczenie złączy kablowych. Obrazy po lewej stronie w (A) i (B) zapewniają widok z góry z przodu, a obrazy po prawej stronie zapewniają widok pacjenta z lewej strony. Czerwone strzałki w (B) wskazują rozmieszczenie gazików. Pomaga to uniknąć artefaktów obrazowania. Obszary zakreślone na niebiesko w (B) pokazują, jak ułożone są złącza kablowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Podłączenie sprzętu w pomieszczeniu monitorującym. (A) Przegląd adaptera USB 2, Syncbox i połączenia Triggerbox. Szczegółowy obraz (B) adaptera USB 2 i połączeń kablowych Syncbox, (C) połączenia Syncbox i światłowodowego oraz (D) połączeń kablowych w Triggerbox. Znaki gwiazdki na (B), (C) i (D) wskazują lokalizację USB, które należy podłączyć do komputera nagrywającego. Schemat ideowy systemu rejestracji EEG i wymaganych połączeń między sprzętem znajduje się na rysunku 1 w Mullinger et al.⁷. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Podłączenie sprzętu w pomieszczeniu skanowania. (A) Przegląd połączenia wzmacniacza EEG w skanerze. (B) Owinięte ze skrzynki interfejsu do podłączenia elektrod EEG (czerwony służy do pomiaru EKG). (C) Podłączenie skrzynki interfejsu i wzmacniacza EEG oraz bezpiecznych worków z piaskiem MR umieszczonych w celu zmniejszenia artefaktów MR. (D) Podłączenie wzmacniacza (na górze) i akumulatora (na dole) oraz podłączenie światłowodowego z Syncboxa w pomieszczeniu monitoringu do wzmacniacza. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zrzut ekranu ustawień przestrzeni roboczej w oprogramowaniu do rejestracji EEG. Liczbę kanałów i częstotliwość próbkowania można ustawić w ustawieniach wzmacniacza. Ponadto specyfikację każdego kanału można w razie potrzeby zmodyfikować, klikając tabelę na dole. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Procedura usuwania artefaktów EEG z reprezentatywnymi przykładami. Surowe ślady EEG są wyświetlane w lewym dolnym rogu. Dolny środkowy wykres pokazuje ślady EEG po zastosowaniu korekcji artefaktów MR i filtra górnoprzepustowego 0,5 Hz na surowym EEG. Wykres w prawym dolnym rogu przedstawia ślady EEG po zastosowaniu korekcji artefaktów CB i filtra wycinającego 60 Hz na przetwarzanym EEG. Ślady EEG są wyświetlane w trybie Common Ground, aby skutecznie wizualizować, w jaki sposób każdy proces wpływa na każdy zarejestrowany kanał. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Porównanie przetworzonego EEG z jednoczesnego zapisu EEG-fMRI (po lewej) i EEG zarejestrowanego w EMU (po prawej). Czerwone kółko oznacza ogniskowe lewe skroniowe fale powolne na tych samych kanałach. Ślady EEG są wyświetlane w formacie podwójnego banana, który jest tradycyjnie uważany w klinice. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Ten eksperymentalny protokół jest wyjątkowy, ponieważ zapewnia płynne przejście pacjentów z padaczką z EMU do sali skanowania, co pozwala na stosowanie go w warunkach klinicznych i badawczych. Zastosowanie zatwierdzonych przez FDA elektrod warunkowych MR jest niezbędnym elementem zarówno dla zapisów klinicznych w czasie pobytu w EMU, jak i dla bezpiecznego transferu do MRI bez konieczności usuwania lub wymiany elektrod skóry głowy od pacjenta. W EZT elektrody warunkowe MR są podłączone do wzmacniacza w celu jednoczesnego monitorowania wideo i EEG. Do zapisów EEG-fMRI można użyć warunkowego wzmacniacza EEG MR i skanera MRI z 20-kanałową cewką głowicy, która dostosowuje się do rozmiaru zestawu elektrod i przewodów połączeniowych. Należy zauważyć, że przed przeprowadzeniem jednoczesnych zapisów EEG-fMRI u pacjentów z padaczką zdecydowanie zaleca się przeprowadzenie testu z udziałem osoby zdrowej, aby potwierdzić prawidłowe działanie całego sprzętu i zapoznać się z każdym wymaganym krokiem.

Ponadto znaczącą rolę w tym protokole odgrywa również konkretna organizacja zespołu i staranna selekcja pacjentów. Aby być opłacalnym zarówno w warunkach klinicznych, jak i badawczych, wymagane jest posiadanie zorganizowanego zespołu epileptologów, personelu pielęgniarskiego, technologów EEG i inżynierów. Przy selekcji pacjentów należy dokładnie rozważyć wyżej wymienione kryteria włączenia i wyłączenia.

Ponadto ważne jest, aby zwrócić uwagę na to, że podczas przeprowadzania analizy fMRI opartej na EEG musi istnieć wyraźna obecność kluczowych cech EEG, które kierują odpowiednimi zmianami BOLD w fMRI. Dlatego przy wykonywaniu zapisu EEG-fMRI ważne jest, aby wziąć pod uwagę pacjentów, u których wcześniej występowały docelowe cechy EEG. W okresie międzynapadowym u pacjentów z padaczką IED, które są nieprawidłowe i sugerują potencjał padaczkowy, są dobrze znaną cechą EEG w odniesieniu do zmian BOLD¹⁶, mimo że powyższy przykład nie obejmuje tego przypadku. Dążąc do uzyskania IED w międzynapadowych zapisach EEG-fMRI, eksperymentatorzy powinni wziąć pod uwagę pacjentów z częstymi IED (co najmniej trzy IED na godzinę) obserwowanymi przez EEG skóry głowy, aby zapewnić wystarczającą ilość wyładowań padaczkowych podczas sesji skanowania. Liczbę IED można określić na podstawie monitorowania EEG w EZT lub na podstawie odniesienia do częstotliwości IED obserwowanej we wcześniejszych zapisach EEG uczestników, jeśli takie istnieją. Uzyskane zapisy międzynapadowych danych EEG-fMRI mogą przynieść korzyści w zrozumieniu i potencjalnej lokalizacji strefy¹⁷ początku napadu.

Po uzyskaniu czystego EEG po przetworzeniu etapów usuwania artefaktów można zastosować dalszą analizę EEG. Na przykład obrazowanie źródła EEG (ESI) można uzyskać, stosując standaryzowaną tomografię elektromagnetyczną mózgu o niskiej rozdzielczości (sLORETA)¹⁸ w celu oszacowania odpowiedniej aktywności elektrycznej mózgu na powierzchni kory mózgowej. Szacunkowe źródła można uzyskać poprzez odwrócenie obliczonej matrycy pola ołowiu na podstawie warstw głowy, czaszki zewnętrznej, czaszki wewnętrznej i kory mózgowej utworzonych z rezonansu magnetycznego pacjenta przy użyciu metody elementów granicznych¹⁹. Istnieje wiele publicznie dostępnych zestawów narzędzi do uzyskiwania obrazowania źródłowego EEG, a Brainstorm jest jednym z popularnych narzędzi opartych na MATLAB²⁰.

W przypadku rozważania ESI przy użyciu przetworzonego EEG, całkowita liczba elektrod i ich rozmieszczenie muszą być dokładnie uwzględnione, tak aby mogły one w rozsądny sposób pokryć całą głowę. Minimalna liczba elektrod niezbędna do wdrożenia ESI wynosi 32 kanały^21,22, czyli więcej niż standardowa liczba elektrod stosowanych w warunkach klinicznych. Dlatego zaleca się dołączenie dodatkowych kanałów, aby pokryć całą głowę w rozsądnych odstępach. Wybór kanałów w tym badaniu obejmuje 21 kanałów, które są konwencjonalnie używane w klinice do monitorowania EEG, oraz 11 dodatkowych kanałów, które całkowicie pokrywają głowę (ryc. 1).

W tym miejscu nie podajemy szczegółów analizy fMRI, ponieważ wykracza to poza zakres naszego badania. Jednak możliwym kierunkiem jest analiza fMRI oparta na EEG²³. Na przykład czas występowania improwizowanych ładunków wybuchowych może być zapisywany jako wyzwalacze zdarzeń w celu skorelowania z fMRI, co może prowadzić do rutynowej analizy fMRI związanej ze zdarzeniem. W takim przypadku uogólniona analiza modelu liniowego może być wykorzystana do znalezienia regionów mózgu wykazujących zmiany w sygnale fMRI w czasie IED.

Zwracamy uwagę, że niedawno opublikowane badanie¹⁰ wykazało, że możliwe jest użycie systemu pętli z drutu węglowego, gdy wymagana jest bardziej solidna technika usuwania artefaktów¹⁶. Pragniemy jednak poinformować, że integracja systemu pętli z drutu węglowego w naszych warunkach eksperymentalnych z elektrodą warunkową MR nie została jeszcze zbadana.

Mimo że badanie to koncentruje się w szczególności na okresie międzynapadowym padaczki, wprowadzony protokół jednoczesnego EEG-fMRI może zostać rozszerzony na okres międzynapadowy lub ponapadowy. Jednak w przypadku rozważania jakichkolwiek niestandardowych ustawień należy wziąć pod uwagę szczególne względy. W fazie postiktalnej ważną kwestią, której jesteśmy świadomi, jest to, że pacjentowi podaje się benzodiazepiny przed transportem na rezonans magnetyczny. Jeśli chodzi o analizę częstotliwości EEG, doniesiono, że benzodiazepiny niekoniecznie zmieniają specyficzne pasma częstotliwości^24,25, a w przypadku niewielkich zmian, są one ograniczone do obszaru somatosensoryczno-motorycznego26 lub płatów czołowych²⁷. Ponadto, w odniesieniu do jednoczesnego EEG-fMRI, korelacje delta EEG-BOLD nie wykazały zmian po wstrzyknięciu benzodiazepin w porównaniu z kontrolą z wstrzyknięciem soli fizjologicznej^. Sygnał BOLD był osłabiony tylko w małych obszarach zakrętu Heschela i dodatkowego obszaru motorycznego.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Skaner MRI 3T Magnetom Prisma fit	Siemens Healthineers
Abralyt HiCl, 10 g.	EASYCAP GmbH		Żel przewodzący do elektrody EKG.
BrainAmp MR plus 32-kanałowy	Brain Products GmbH	S-BP-01300
Analizator BrainVision Wersja 2.2.0.7383	Oprogramowanie do analizy EEG	firmy Brain Products GmbH
BrainVision Interface Box 32 wejścia	Ives EEG Solutions, LLC	BVI-32
Licencja na rejestrator BrainVision z kluczem sprzętowym	Brain Products GmbH	S-BP-170-3000
Rejestrator BrainVision Wersja 1.23.0003	Brain Products GmbH		Oprogramowanie do nagrywania EEG.
Klej kolodionowy (nieelastyczny)	Mavidon		do mocowania elektrod EEG.
światłowodowy (30 m jednej linii)	Brain Products GmbH	S-BP-345-3020
Zestaw elektrod Gold Cup, 32-kanałowy	Ives EEG Solutions, LLC	GCE-32	2+ elementy są zalecane w przypadku leczenia wielu osób z nakładającym się/bliskim okresem pobytu na oddziale monitorowania padaczki (EMU).
Elektrody Gold Cup	Ives EEG Solutions, LLC	GCE-EKG
Harness, 32 odprowadzenia, wielokrotnego użytku	Ives EEG Solutions, LLC	HAR-32	2+ pozycje są zalecane w przypadku leczenia wielu tematów z nakładającym się/bliskim okresem  Pobyt w Zakładzie Monitorowania Padaczki (EMU).
Zestaw sanek MR zawierający płyty podstawy o długości 100% i 75%, niskoprofilowe (3 cm) nogi blokowe dla każdej płyty podstawy, rampy i systemów pasów jako konfigurowane ręcznie	Brain Products GmbH	BV-79123-PRISMA SKYRA
Natus NeuroWorks EEG	Oprogramowanie Natus		używane do monitorowania EEG na Oddziale Monitorowania Padaczki (EMU).
Żel do przygotowania skóry Nuprep	Weaver i spółka
Pasywny zestaw startowy, w tym materiały eksploatacyjne (żel, strzykawki, końcówki dozujące, podkładki samoprzylepne itp.) ułatwiający gromadzenie danych po wyjęciu z pudełka	Brain Products GmbH	S-C-5303
SyncBox compl. Skrzynka rozszerzeń do nagrań synchronizacji fazowej	Brain Products GmbH	S-BP-02675	Syncbox
syngo MR XA30	Siemens Healthineers		Oprogramowanie używane do skanera MRI.
Ten 20 Przewodząca pasta do elektrod neurodiagnostycznych	Weaver and Co.		Żel przewodzący do elektrod EEG.
Zestaw TriggerBox dla BrainAmp	Brain Products GmbH	S-BP-110-9010	Triggerbox; Zestaw ten pozwala na rozszerzenie szerokości spustu ze skanera, tak aby sygnał spustowy mógł być prawidłowo wykryty na rejestratorze BrainVision. Ten zestaw może nie być wymagany w zależności od charakterystyki sygnału wyzwalającego dostarczanego przez skaner.
Wzmacniacz Xltek EMU40EX	Natus		Wzmacniacz stosowany w Jednostce Monitorowania Padaczki (EMU).