Niezawodna akwizycja danych elektroencefalograficznych podczas jednoczesnej elektroencefalografii i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego
19 marca 2021
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.
Nasz protokół zapewnia ważne kroki, które zapewniają jakość danych, w szczególności jakość każdych danych, co jest kluczem do sukcesu jednoczesnego badania EEG-fMRI, ale rzadko jest podkreślane. Protokół ten jest prosty i wykorzystuje tylko łatwo dostępne produkty medyczne, dlatego jest bardzo łatwy do przestrzegania. Protokół ten prowadzi do lepszej jakości i czytelności EEG uzyskanego jednocześnie z fMRI, co jest szczególnie przydatne do identyfikacji subtelnych zmian EEG w badaniach nad padaczką.
Protokół ten jest również przydatny do identyfikacji subtelnych zdarzeń EEG w pojedynczych próbach ERP badań neurokognitywnych. Aby rozpocząć, podłącz kompatybilne z MRI wzmacniacze EEG i bipolarne do w pełni naładowanych akumulatorów i do komputera rejestrującego. Upewnij się, że obszar roboczy oprogramowania do nagrywania jest poprawnie skonfigurowany.
Załaduj 10-mililitrową strzykawkę z żelem przewodzącym ścieranie w celu nałożenia czepka EEG. Zmierz obwód głowy badanego, owijając elastyczną, nierozciągliwą taśmę mierniczą wokół głowy, nad grzbietami super oczodołu w potylicy. Wybierz czapkę o odpowiednim rozmiarze, która jest o jeden centymetr większa niż obwód głowy i upewnij się, że jest wygodna dla fotografowanej osoby.
Po umieszczeniu nasadki w przybliżonym położeniu nad głową badanego, zmierz długości łuku inion-nasion i zaznacz przecięcie łuku inion-nasion i łuku okołousznego. Nasuń nasadkę na głowę tak, aby położenie elektrody CZ było dostosowane do tego skrzyżowania. Upewnij się, że nasadka nie jest obracana poziomo, ręcznie sprawdzając, czy elektrody pogodowe FZ, PZ, OZ, odniesienia i uziemienia są umieszczone nad łukiem inion-nasion.
Odsłoń skórę pod każdą elektrodą, przesuwając włosy na bok za pomocą tylnej części bawełnianego wacika. Przetrzyj skórę pod każdą elektrodą, szybko obracając bawełniany wacik zawierający 70% roztwór alkoholu umieszczony przez otwór elektrody. Nałóż niewielką ilość ściernego żelu przewodzącego w otwór i zetrzyj skórę, szybko obracając bawełniany wacik.
Monitoruj impedancję elektrody i powtarzaj ścieranie, aż impedancja spadnie co najmniej poniżej 20 kiloomów. Gdy impedancja jest zadowalająca, napełnij otwór tym samym żelem, uważając, aby nie nakładać nadmiaru żelu do otworu, aby uniknąć mostkowania między elektrodami. Przed umieszczeniem elektrody EKG z tyłu poproś pacjenta, aby usiadł prosto bez zginania szyi.
Umieść elektrodę EKG w odległości od dwóch do trzech centymetrów w lewo od środkowej bruzdy, upewniając się, że drut jest prosty z tyłu, ale z naddatkiem wzdłuż krzywizny szyi, aby uniknąć przemieszczenia, gdy pacjent kładzie się na stole do rezonansu magnetycznego. Przetrzyj skórę pod elektrodą EKG wacikiem nasączonym alkoholem. Przymocuj elektrodę EKG do skóry za pomocą dwustronnego pierścienia samoprzylepnego i monitoruj impedancję, powtarzając ścieranie skóry za pomocą bawełnianego wacika.
Złóż wacik z suchego alkoholu na cztery części i umieść go na elektrodzie EKG, a następnie przyklej wacik do skóry za pomocą chirurgicznej taśmy klejącej. Przyklej drut elektrody EKG do skóry aż do ramienia. Umieść zestaw wstępnie plecionych drutów węglowych składających się z sześciu pętli nad nasadką tak, aby druty były równoległe do wiązki elektrod na czubku głowy.
Użyj taśmy chirurgicznej, aby zabezpieczyć pętle wokół elektrod tak, aby pętle zakrywały głowę, a każda pętla pokrywała prawie równą powierzchnię. Owiń głowę badanego elastycznym bandażem na czepku EEG i pętlach węglowych, upewniając się, że bandaż zakrywa wszystkie elektrody i nie jest zbyt ciasny. Zapytaj, czy osoba badana odczuwa nieprzyjemny nacisk na głowę podczas zakładania bandaża.
W celu uzyskania stanu spoczynku poinstruuj pacjenta, aby założył wkładki douszne kompatybilne z MRI. Użyj zestawu słuchawkowego lub słuchawek do akwizycji opartej na zadaniach, upewniając się, że fotografowana osoba słyszy przez obie strony zestawu słuchawkowego lub słuchawek. 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.
Następnie umieść wiązki elektrody i drutu węglowego prosto przez górny otwór cewki głowicy. Dodaj poduszki z pianki z pamięcią kształtu na czubku głowy, czole i okolicy skroniowej, wypełniając wszystkie przestrzenie pozostawione w cewce głowy, jednocześnie nie ściskając zbyt mocno głowy fotografowanej osoby. Umieść górną połowę cewki głowicy i zamknij cewkę, upewniając się, że poduszki nie ściskają głowy.
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. Po umieszczeniu wszystkich poduszek z pianki z pamięcią kształtu sprawdź, czy osoba badana nadal słyszy przez obie strony zestawów słuchawkowych lub słuchawek. Umieść lustro i poinstruuj badaną, aby wyregulowała lustro, gdy głowa osoby znajdzie się w izocentrum otworu rezonansu magnetycznego.
Po podłączeniu elektrod EEG i EKG do wzmacniacza EEG, a pętli z drutu węglowego do wzmacniacza bipolarnego umieszczonego z tyłu otworu rezonansu magnetycznego, należy podłączyć wzmacniacze do komputera rejestrującego za pomocą światłowodów. Następnie włącz wzmacniacze i sprawdź, czy impedancja wszystkich elektrod jest nadal niska. Ułóż wszystkie przewody między wylotem górnego otworu cewki głowicy a wzmacniaczami tak, aby były umieszczone prosto i pośrodku otworu MRI.
Umieść jedną pętlę z drutu węglowego wokół taśmowego, przechodząc od skrzynki złączy elektrod EEG i EKG do amplifier. Unieruchomić przewody, umieszczając je wszystkie za pomocą bezpiecznych dla MR i nieferromagnetycznych worków z piaskiem między wylotem górnego otworu cewki głowicy a wzmacniaczami. Umieść worki z piaskiem na amplifiery i umieść amplifiery poza otworem magnesu, za pomocą dostarczonych przez producenta.
Komunikuj się z testerem z pomieszczenia konsoli, aby upewnić się, że obiekt słyszy operatora i poinstruuj go, aby się nie poruszał podczas zbierania danych. Rozpocznij zapis EEG przed rozpoczęciem akwizycji fMRI. Sprawdź, czy znaczniki ze skanera i spust głośności są okresowo wyświetlane w zapisie EEG online.
Reprezentatywne sygnały EEG uzyskane od osób, które wzięły udział w badaniu neurokognitywnym i badaniu epilepsji przy użyciu tego protokołu, przedstawiono tutaj. Sygnały EEG uzyskane w obu badaniach były podobne przed przetworzeniem. Wynikowe sygnały EEG z obu badań były jakości możliwej do analizy bez widocznego zanieczyszczenia artefaktów EKG, jak widać tutaj.
Aktywność padaczkowa była wyraźnie widoczna w EEG podczas badania padaczki. Na EEG uzyskanym podczas badania neurokognitywnego zaobserwowano mruganie, ruchy gałek ocznych i artefakty mięśniowe, zwłaszcza w przewodach czołowych FP1 i FP2 po usunięciu artefaktu. Nie zaobserwowano artefaktu pochodzącego z wibracji maszyn w przetworzonych sygnałach EEG uzyskanych podczas obu badań.
Co więcej, elektrody EEG nie powodowały widocznych artefaktów na obrazach MR uzyskanych jednocześnie. Podczas próby zastosowania tego protokołu należy unieruchomić głowę testera, przewody i, aby odpowiednio zmniejszyć wibracje mechaniczne. Protokół ten jest obecnie używany w naszym projekcie neurobiologicznym, który wymaga wykrywania pojedynczej próby ERP.
Toruje to drogę do wykorzystania jednoczesnego EEG-MRI w nieinwazyjnych badaniach interfejsu mózg-komputer.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia protokół pozyskiwania wysokiej jakości danych elektroencefalograficznych (EEG) podczas jednoczesnego stosowania EEG i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Protokół podkreśla znaczenie jakości danych i jest zaprojektowany tak, aby był prosty, wykorzystując łatwo dostępne produkty medyczne do wdrożenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Wizerunkowanie kliniczne
- Elektrofizjologia
Tło
- Jednoczesne badania EEG-fMRI są niezbędne do zrozumienia aktywności mózgu.
- Jakość danych jest często zaniedbywana, ale jest kluczowa dla dokładnych wyników.
- Subtelne zmiany EEG są ważne w badaniach nad epilepsją i neurokognitywnymi.
Cel badania
- Zapewnić niezawodny protokół jednoczesnego pozyskiwania EEG i fMRI.
- Poprawić jakość i czytelność danych EEG.
- Ułatwić lepsze identyfikowanie zdarzeń EEG.
Stosowane metody
- Metoda polega na starannej konfiguracji czapek EEG i monitorowaniu impedancji.
- Elektrody są umieszczane na podstawie standardowych anatomicznych punktów odniesienia dla dokładności.
- Wykorzystuje sprzęt kompatybilny z MRI, aby zapewnić bezpieczeństwo i integralność danych.
- Zawiera kluczowe kroki, takie jak przygotowanie skóry i umieszczenie elektrod.
- Zbieranie danych rozpoczyna się po potwierdzeniu niskiej impedancji i komfortu badanego.
Główne wyniki
- Protokół prowadzi do poprawy jakości sygnału EEG podczas fMRI.
- Skuteczna zarządzalność impedancją zapewnia niezawodną pracę elektrod.
- Ułatwia wykrywanie zmian EEG istotnych dla celów klinicznych i badawczych.
Wnioski
- To badanie ustanawia praktyczne podejście do jednoczesnych badań EEG-fMRI wysokiej jakości.
- Wgląd umożliwia lepsze zrozumienie i analizę aktywności mózgu.
- Oczekuje się, że protokół poprawi niezawodność wyników w badaniach neurofizjologicznych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Reliable EEG data acquisition during simultaneous EEG-fMRI is critical for de-risking target validation in neuroscience drug discovery, where subtle electrophysiological changes inform mechanistic understanding of disease pathways. This protocol enhances predictive confidence by ensuring data quality and reproducibility, directly supporting early discovery decisions in target identification and pathway clarification. Its adaptability across research and clinical settings enables enterprise reuse, reducing variability in cross-functional collaborations and improving translational continuity from discovery to preclinical validation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through high-fidelity EEG signal acquisition during simultaneous fMRI, clarifying neuronal activity patterns linked to disease mechanisms.
- Operational Value: Standardizes electrode placement and impedance monitoring, reducing technical variability and improving data reliability across studies.
- Predictive Value: Supports detection of subtle EEG changes in epilepsy and neurocognitive models, aiding in biomarker alignment and mechanistic de-risking of targets.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (human subjects) for downstream workflows by ensuring EEG data quality, enabling reliable compound evaluation in neurocognitive and epileptic models.
- Operational Value: Utilizes readily available medical products and standardized procedures, promoting assay standardization, scalability, and platform reuse across sites.
- Predictive Value: Facilitates identification of subtle EEG events in single-trial ERPs, improving screening readiness for compounds targeting neural network dysfunction.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational biomarker alignment by providing analyzable EEG data correlated with hemodynamic responses, bridging discovery and preclinical validation.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery through preclinical work by minimizing artifacts (e.g., ECG, muscle) that could confound interpretation across study phases.
- Predictive Value: Enhances risk-adjusted advancement decisions by delivering clean EEG signals free from machinery vibrations and electrode bridging, increasing confidence in target engagement readouts.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery through Lead Identification to Preclinical work, supporting hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking where EEG-fMRI provides complementary temporal and spatial resolution for target validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling accurate measurement of neuronal electrographic events during fMRI, clarifying pathway involvement in disease models.
- Screening: Delivers assay readiness through reproducible EEG data acquisition, with low impedance thresholds (<20 kΩ) ensuring signal quality for compound screening in neurocognitive and epilepsy models.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (EEG signal amplitude, artifact-free epochs) that enable comparison of conditions and target modulation effects.
- Translational Research: Connects discovery to preclinical continuity by yielding EEG data suitable for correlation with BOLD responses, supporting biomarker validation in disease-relevant systems.
- Enterprise Reuse: Framed as a reusable capability due to its simplicity, use of standard medical products, and adaptability across EEG-fMRI applications, reducing implementation burden.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity through clean EEG signal acquisition.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability via protocol-driven electrode preparation and wire immobilization.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk by ensuring data reliability early in discovery.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on high-quality, analyzable EEG data from simultaneous EEG-fMRI studies.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in EEG electrode placement, impedance monitoring, and MRI safety protocols.
- Instrumentation needs include MRI-compatible EEG/bipolar amplifiers, optic fiber connectors, and non-ferromagnetic sandbags for wire immobilization.
- Cross-team standardization requires training on head circumference measurement, cap sizing, and abrasive gel application to maintain electrode-skin interface quality.
- Adaptation considerations include adjusting pillow placement and headset selection for resting state vs. task-based acquisitions while maintaining coil integrity.
- Practical limitations include the need to avoid excessive gel application to prevent electrode bridging and ensure subject comfort during prolonged supine positioning.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:58
Preparation of the Experimental Setup and Application of the EEG Cap and ECG Electrode
4:29
Applying the Carbon Wire Loop and Securing the Cap and the Carbon Wire Loops
5:16
Placing the Subject in the MR Scanner
7:31
Configuration of Wires and Amplifiers with EEG-fMRI Data Acquisition
8:57
Results: EEG Signals from Subjects Who Participated in Neurocognitive and Epilepsy Studies
10:16
Conclusion
