Melhores práticas correntes para obtenção de dados de alta qualidade durante o EEG fMRI simultâneo

Eletroencefalografia simultânea (EEG) e ressonância magnética funcional (fMRI) permite a excelente resolução temporal do EEG de ser combinada com a alta precisão espacial da fMRI. Há um certo número de maneiras pelas quais os dados a partir destas duas modalidades podem ser combinadas ^1, mas apoiam-se sobre a aquisição de dados de EEG e de ressonância magnética de alta qualidade. Até à data, simultânea EEG-fMRI tem sido usado para estudar a correlação entre ritmos oscilatórios (medido com EEG) e as respostas de oxigenação do sangue (usando o nível de oxigenação do sangue dependente (BOLD) fMRI) eg ^2,3. Também tem sido utilizado para estudar se as características do sinal de evocado pode explicar a variação no sinal de NEGRITO uma base experimental-a-ensaio ^4,5. Em estudos clínicos, o principal uso da técnica foi investigar os focos de descargas epilépticas interictais, que podem ajudar no planejamento cirúrgico e atualmente são difíceis de localizar de forma não invasiva6,7. Para atingir a fusão de dados de EEG e de ressonância magnética que é desejado, é essencial ter dados de alta qualidade a partir de ambas as modalidades. No entanto, os dados de EEG adquiridos durante fMRI simultâneo são afetados por vários artefatos, incluindo o artefato gradiente (devido aos campos magnéticos mudanças necessárias para fMRI), o artefato de pulso (ligada ao ciclo cardíaco) e artefatos de movimento (resultantes de movimentos no forte campo magnético do scanner, bem como a actividade do músculo). Esses artefatos são significativamente maiores do que a atividade neuronal de interesse e, portanto, redução (na fonte) e correção dos artefatos (via pós-processamento) são ambos necessários para permitir a implementação bem sucedida de EEG-fMRI simultâneo.

Os métodos pós-processamento actualmente disponíveis para corrigir a inclinação e artefactos de impulsos exigem um certo número de critérios a ser satisfeita durante a aquisição de dados de modo a produzir dados de EEG de alta qualidade. Ao longo da década anterior, o optimal experimental set-up para a gravação de dados de alta qualidade tem evoluído como o nosso entendimento das causas dos artefatos ^8-10 melhorou e aprendemos como modificar os métodos experimentais, de modo a reduzir os artefatos na fonte ^11,12 e para melhorar a desempenho dos algoritmos de correção de pós-processamento. Estes desenvolvimentos incluem melhorar a amostragem da onda gradiente através da sincronização dos relógios de scanner ^13,14 ea utilização de um vectocardiogram ^15,16 para proporcionar um traço cardíaca mais limpo do que o ECG tradicional. O traço vectocardiogram é derivada de quatro eletrodos colocados no peito com um rigoroso filtro passa-baixa empregadas ^14-16. Como resultado, o traço é relativamente pouco afetado por artefatos de gradiente e é insensível ao artefato fluxo de sangue tornando a detecção R-pico mais fácil. No entanto, a possibilidade de gravar um vectocardiogram não está disponível em todos os scanners de ressonância magnética e, portanto, só serão mencionados brevemente neste study. A importância da minimização de artefatos e limpeza rigorosa dos dados foi destacado pela recente demonstração de que os artefatos em movimento gravadas nos dados de EEG pode correlacionar com a atividade BOLD alheios à tarefa de interesse, produzindo resultados falsos se extremo cuidado não é tomado em todo o processo experimental ^17.

O método aqui apresentado representa a melhor abordagem atual para a obtenção de dados de EEG e fMRI de alta qualidade simultaneamente, usando hardware MR e seqüências de pulsos que são amplamente disponíveis, juntamente com equipamentos de EEG fornecido comercialmente. Implementação do método de aquisição sugerido, em conjunto com o uso de métodos de pós-processamento adequado, trará dados de EEG e fMRI que podem ser usados ​​para responder a uma série de questões importantes da neurociência.

1. Preparando o Setup Experimental

1. Antes da chegada do sujeito configurar o equipamento de EEG na sala de controle, onde o operador do scanner vai se sentar. Ligue o computador portátil para o hardware de EEG, como mostrado na Figura 1. Nota: todos os gatilhos de dispositivos periféricos eo scanner MR deve ter duração de mais de 200 ms para ser detectada pelo sistema de EEG.
2. Configurar o computador de estímulo, neste estudo, utilizamos um estímulo visual; marcadores são lidos no Recorder BrainVision no início e no final de cada período de estimulação.
3. Verifique se o espaço de trabalho para a gravação dos dados é configurada para a maior resolução temporal disponível e as configurações de filtro corretas. Para a maioria dos estudos AC-acoplamento com um filtro de 0,016-250 Hz é óptima, embora DC-acoplamento ou um mais elevadas (1 kHz) do filtro passa-baixo pode não ser necessária se sinais neuronais ultra-baixas ou altas frequências são de interesse, respectivamente.
4. Confira os marcadores do sindustrial de conservas e apresentação do estímulo para confirmar que eles estão sendo gravados pelo sistema de EEG corretamente. Ligar a sincronização do scanner e relógios EEG utilizando o painel de controle do Gravador de BrainVision. Em seguida, verifique se a sincronização é bem sucedido, se o set up está correto o ícone verde e "Sync On" dot aparecerá.
5. Configure o scanner de ressonância magnética na forma convencional, aqui estamos usando o corpo transmitir bobina de RF e uma cabeça de 32 canais receber bobina RF. Quando possível, é melhor usar uma cabeça de tamanho transmitir bobina para minimizar o risco de aquecimento RF da tampa EEG e cabos associados. No entanto na maioria dos scanners, a bobina de transmissão da cabeça não pode ser utilizado em conjugação com uma bobina de receptor multi-elemento, o qual leva a uma sub-óptima configurado para aquisição de dados de ressonância magnética (em particular paralelo imagiologia de aumento de velocidade não é possível). Estamos usando esta cabeça específica receber bobina, pois incorpora uma porta de acesso que permite que os cabos da tampa EEG para executar ao longo de um caminho reto para fora do scanner.
6. Verifique se as seqüências de RM a serem executados são criados. A sequência RMf deve usar uma fatia TR, que é um múltiplo do período de relógio de EEG (200 ms). Se usar um sistema MR Philips o calculador de temporização Philips pode ser usada para determinar a possível fatia e combinações TR.
7. Faça uma verificação final que todo o equipamento está gravando como o esperado.

2. Assunto Chegada

1. Peça à pessoa para chegar com o cabelo limpo e vestindo roupas confortáveis, não-metálico.
2. Explique ao assunto a propósito da experiência e do que vai acontecer.
3. Peça à pessoa para preencher os formulários que são usados ​​para estabelecer que não há contra-indicações para MR digitalização e que os consentimentos sujeita à participação no experimento. Verifique as formas antes de prosseguir. Neste estudo, a aprovação do comitê de ética local foi obtido e todos os assuntos deram consentimento informado.
4. Meça a circunferência da cabeça e selecione o aplicativotampão ropriately tamanho (isto é, a menor tampão disponível que é maior do que o tamanho da cabeça). Coloque a tampa na cabeça de partida na parte da frente da cabeça e puxando para trás. Posicione a tampa corretamente, de modo que eletrodo Cz está situada a meio caminho entre o násio e inion e também centrada esquerda-direita.
5. Conecte os eletrodos na cabeça por: movendo o cabelo fora do caminho, a aplicação de álcool e gel Abralyte. Ligue o eléctrodo de ECG para a base da parte de trás através de um método semelhante ao utilizado para os eléctrodos do tampão. Este eletrodo é usado para medir os batimentos cardíacos. O posicionamento na base da parte de trás é recomendada para maximizar o sinal para ruído do R-pico do traçado do ECG, bem como para o conforto do sujeito.
6. O trabalho sobre os contactos, de modo a reduzir as impedâncias dos eléctrodos na cabeça, para menos de 10 kW (excluindo a resistência das resistências internas em cada eléctrodo). ECG e resistência EOG podem ser maiores que os sinais são mais fortes e bem conneCÇÕES pode ser difícil de alcançar, mas deve ser mantido abaixo de 50kΩ.
7. Verifique a qualidade dos dados EEG é satisfatória por inspeção visual dos dados na tela do monitor.

3. Gravação externa do scanner MR

(Opcional: Somente necessário se você deseja comparar EEG Qualidade de Dados de dentro e fora do scanner MR)

1. Configure o aparelho de apresentação e equipamentos EEG fora do scanner (em um local onde o campo magnético é baixo). Certifique-se de que a configuração é o mais semelhante possível ao usado dentro do scanner MR (em particular, o assunto deve ser supino e um processo similar de apresentação do estímulo deve ser utilizado).
2. Realização do experimento e registrar os dados de maneira semelhante ao utilizado no interior do scanner (ver Secção 4).

4. Definir Assunto up dentro do scanner MR

1. Peça à pessoa para se sentar enquanto você configurar o equi EEGvolvimento na sala scanner MR.
2. Leve o amplificador no quarto blindado e colocá-lo em uma mesa na parte de trás do scanner. Fixe o amplificador a um cabo de fibra óptica de comprimento. Passe o cabo de fibra óptica através do guia de ondas e anexá-lo ao adaptador USB BrainAmp na sala de controle (Figura 1).
3. Registre-se o paciente na MR leitor paciente base de dados.
4. Leve o assunto para a sala e pedir para deitar na cama scanner.
5. Dê os tampões assunto, head-phones e botão de chamada, e garantir que eles são confortáveis.
6. Coloque a bobina de cabeça por cima da cabeça do sujeito. Os cabos de EEG deve deixar a bobina de cabeça ao longo do caminho mais curto possível. Agora pad cabeça do sujeito para minimizar o movimento da cabeça.
7. Mova o assunto no scanner deu, garantindo que os eletrodos FP1 e FP2 estão em isocentre do scanner de ressonância magnética na direção z. Isto é normalmente conseguido ao alinhar estes dois eléctrodos, com a luz que é utilizado para posicionar tele sujeito antes de entrar no furo.
8. Coloque a tampa EEG para o amplificador na parte traseira do scanner. Certifique-se de que não há nenhum fio circula nas derivações EEG (como estes podem levar a um aquecimento RF e também causar maiores artefatos de EEG para ser induzido) e que o cabeamento está isolado do MR vibrações, tanto quanto possível do scanner, aqui usamos uma viga em balanço para conseguir este isolamento.

5. Gravação dentro do scanner

1. Fale com o tema do quarto do console para confirmar que eles podem ouvir o operador do scanner e estão OK.
2. Um segundo experimentador inicia o EEG, verificando-se eléctrodos ruidosos nos traços, bem como para o "Sync On" ponto verde na parte inferior do ecrã.
3. O claro efeito de crio-bombas sobre a gravação pode ser considerada (ver Figura 2). Portanto, desligue estas bombas durante a aquisição de dados, seguindo as instruções do fabricante.
4. Peça à pessoa para mover sua cabeça por um smaquantidade ll. A importância de manter a cabeça ainda pode ser visto a partir das grandes tensões no EEG que resultam de pequenos movimentos da cabeça.
5. Teste o registro da atividade neuronal, pedindo o assunto para abrir e fechar os olhos. Olhe para a atividade alfa occipital. Isso irá testar se você está medindo sinais fisiológicos, em vez de ruído. Se um sinal de alfa não pode ser visto em um sujeito (o que ocorre em alguns doentes), é possível testar a actividade neuronal, realizando um curto prazo do paradigma experimental, sem o MR do scanner de funcionamento e a olhar para a média do potencial evocado.
6. O artefato de pulso pode ser visto claramente nos dados brutos (ver Figura 2), em especial sobre os eletrodos nos templos. Use o traçado de ECG para corrigir este artefato em tempo real usando RecView (ou em pacotes de software de pós-processamento).
7. Assim como cada um exame de ressonância magnética começa os gradientes causará grandes artefatos nos dados de EEG.
8. When o experimento fMRI está pronto para começar, - com o sistema de apresentação do estímulo em um estado pronto - então começar a guardar os dados de EEG, seguindo os passos indicados.
9. Agora iniciar o experimento, a verificação de que os marcadores da apresentação de estímulo e o scanner MR pode ser visto na BrainVision Recorder. Aqui o estímulo consiste de um tabuleiro de xadrez radial de campo total em 100% de contraste. A taxa de inversão é 2Hz tal que uma resposta evocada ocorrerá a cada 500 milissegundos e é colocada uma marca no arquivo de EEG em cada inversão da imagem.
10. A qualidade dos dados de EEG vai aparecer para ser muito pobre, mas pode ser limpo, seja on-line em RecView ou durante o pós-processamento. Para a correcção artefacto gradiente de trabalhar sem comprometer a gravação de sinais neuronais, a apresentação do estímulo não deve ser bloqueado para o TR e da frequência de repetição de estímulo não deve ser igual à frequência de repetição de fatia.
11. Correção artefato Gradiente devem ser realizadas UOt antes da correcção artefacto do pulso (ver Figuras 3 e 4). Os dados podem então ser segmentada de acordo com a apresentação do estímulo e analisados ​​com inúmeras técnicas, das quais a mais simples é uma média para a investigação de respostas evocadas (ver Figura 6).

6. Analisando o assunto

1. Uma vez que a digitalização estiver concluída, levar o assunto para fora do scanner e ajudá-los a tirar a tampa de EEG.
2. Permita-lhes para lavar os cabelos.
3. Eles agora estão livres para sair.

7. Esclarecendo ao final do experimento

1. Arrumar o equipamento de EEG como exigido pelo seu laboratório. Se o fabricante MR exige isso, certifique-se de que o hardware de sincronização é desligado no final de cada sessão e não deixou ligado à eletrônica scanner.
2. Finalmente, a tampa de EEG deve ser limpo. Para fazer isso, mergulhe a tampa em água (normalmente por cerca de 5 min)ou uma mistura de água e desinfetante (o desinfetante deve ser escolhido de acordo espectro e desinfetante recomendação agente patogénico pertinente do fabricante cap. tempo de exposição e concentração de desinfetante deve seguir as orientações do fabricante do desinfetante.). Em seguida, use uma escova de dentes para limpar afastado gel residual. É muito importante para limpar a tampa totalmente para garantir o bom desempenho da tampa quando posteriormente utilizado.

8. Análise

1. Aqui, a análise de EEG em tempo real tem sido demonstrado, no entanto, também é possível e normalmente desejável pós-processar os dados de EEG. Isto pode ser feito de um certo número de pacotes de análise, tais como os produtos cerebral Analisador 2 ou EEGLAB.
2. Gradiente e correcção artefacto de pulso pode ser realizada utilizando uma variedade de métodos, tais como: artefacto média subtracção ^18,19 (vulgarmente utilizados para a correcção de gradiente e frequentemente usado para correcção artefato pulso), a análise de componente independente ^20,21 22 (para correção de artefato de impulsos).
3. Os dados podem então ser analisados ​​no tempo ou no domínio da frequência de olhar para respostas evocadas e contínua atividade oscilatório.
4. Aqui, o traçado de ECG registados utilizando o sistema de produtos cerebral de modo a obter a informação necessária para a correcção de pulso artefato. Na configuração padrão do traçado de ECG é gravado por meio de um eléctrodo específico colocado na parte traseira do sujeito. Em nosso laboratório usamos também uma solução não-padrão, que emprega um vectrocardiogram para gerar o traçado cardíaco (esta solução está disponível apenas com o equipamento de monitorização fisiológica Philips). Temos achado que este pode ser útil se um traço limpo não pode ser obtida usando o ECG convencional set-up.

A Figura 3 mostra a qualidade do sinal que se espera quando nenhuma correcção artefacto foi executada. É claro que qualquer atividade neuronal é obscurecida. Figura 3C mostra que o artefato gradiente ocorre em freqüências distintas que são harmônicas da freqüência de aquisição de fatia na seqüência fMRI, abrangendo a faixa de freqüência da gravação. Figura 4 mostra o artefato pulso que se revela quando o artefato gradiente foi removido utilizando o método de pós-processamento de média subtração do artefato em Analyzer 2 (versão 2.0.2). É evidente que existe uma variação considerável de espaço e que este artefato O1, um dos canais de interesse para esta experiência visual, mostra particularmente um grande artefacto de pulso. Este artefacto tem uma frequência menor do que o artefacto gradiente (principalmente abaixo de 10 Hz - Figura 4C) e está ligada à actividade cardíaca Figura 5 mostra. a qualidade dos dados de EEG, que pode ser alcançado depois de gradiente de pulso e correcção artefacto; aqui o artefacto pulso foi corrigido usando média artefato subtracção no analisador de 2-R, e os picos da forma de onda cardíaca foram detectados a partir do traçado de ECG. É evidente que a amplitude dos restantes sinais são muito menores e, portanto, sinais neuronais não são mais obscurecido, como mostrado pelas respostas evocadas obtidos nas Figuras 6 e 7. Figura 6 mostra uma resposta típica evocado produzido pela média em todos os 300 estímulos. No entanto, a variabilidade desta resposta entre os blocos pode ser visto na Figura 7, e é esta variação natural e imprevisível nas respostas neuronais que podem ser utilizados para interrogar as correlações entre as respostas em negrito e EEG quando as gravações simultâneas foram executadas.

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Figura 1. Se um diagrama esquemático da configuração do equipamento de EEG e as ligações necessárias entre hardware, como descrito no protocolo. clique aqui para ver figura maior .

Figura 2. Transformada de Fourier do sinal coletado em um assunto ainda deitado com as crio-bombas em (vermelho) e fora (preto) para um canal representativo (P7).

dados de EEG matérias gravado durante concorrente MRI em 16 canais diferentes (A);. concentrando-se em 5 segundos de dados de Oz (B);. associado com a transformada de Fourier (C) Clique aqui para ver a figura maior .

Figura 4 Dez segundos de dados de EEG gravados em 16 canais diferentes durante concorrente MRI mostrados após a correção artefato gradiente usando AAS em 16 canais diferentes (A);. Foco em 5 segundos de dados de Oz (B), com os associados com transformada de Fourier (C Clique aqui para ver a figura maior .

Figura 5 a dez. segundos de dados de EEG registrado on16 canais diferentes durante fMRI simultâneo, mostrado após gradiente e correção artefato pulso usando AAS (A), concentrando-se em 5 segundos de dados de Oz (B), com a associada com transformada de Fourier (C). Clique aqui para ver figura maior .

Figura 7. Variação da resposta evocada através de blocos para o canal O1 (respostas foram em média dentro de 30 blocos seg).

A produção deste artigo foi patrocinado por Brain Products GmbH. Pierluigi Castellone é um empregado do cérebro Products GmbH, que fabrica alguns instrumentos e software utilizados neste artigo.