Summary
우리는 침략적 간질 모니터링을 진행하고 인간에서 연구 목적으로 electrocorticographic 신호를 수집하기위한 방법을 제시한다. 우리는 데이터 수집, 신호 처리 및 자극 프레 젠 테이션을 위해 BCI2000 소프트웨어 플랫폼을 사용하는 방법을 보여줍니다. 특히, 우리는 SIGFRIED, 실시간 기능적 뇌 맵핑을위한 BCI2000 기반 도구를 보여줍니다.
Protocol
1. 전극 현지화
- 슬라이스 당 256 X 256 픽셀,보기의 전체 분야, 아니 보간, 1 밀리미터 슬라이스 폭 선호 화살 크로스 - 섹션 : 환자의 머리 사전 수술 T1-가중 구조적 MRI로 (1.5T 또는 3T)를 수집합니다.
- 격자 및 스트립의 외과 이식을 관찰. 이식 격자 및 스트립의 위치에 디지털 현장에서의 전극의 사진, 그리고 신경 외과 의사의 노트를 수집합니다.
- 고해상도의 수술 두개골 X 선 이미지 및 뇌 중부 표준시 스캔 (1 밀리미터 슬라이스 폭, 피부에 피부, 아니 각도)를 수집합니다.
- 포스트 그리드 주입 중부 표준시 이미지로 미리 수술 MRI 및 공동 등록을 사용하여 환자의 두뇌의 3 차원 피질 모델을 만듭니다. 우리는이 목적을 위해 카레 소프트웨어 패키지를 사용하고, 3D 피질 구조를 내보내고 전극은 MATLAB 형식으로 조정합니다. MATLAB에서, 우리는 두뇌에 매핑 전극을 보여주는 동영상을 내보낼 수 있습니다. 우리는 또한 거든AP는 전극은 자동 Talairach 아틀라스를 사용하여 표준 Brodmann 영역을 조정합니다.
- 3D 모델, X-레이 이미지, 사진과 노트의 정보를 검토합니다. 전극, 그리고 병원은 기술과 함께 작동 전극이 정확히 번호에 따라 스플리터 상자에 패치되는 것을 보장하기위한 번호 체계를 마무리합니다. 또한 전극의 위치를 명확하게 중복없이 구분할 수 있도록 2 차원에서 전극을하려위한 도식 레이아웃을 만듭니다. 당신이 출마 (4 항 참조) SIGFRIED 될 경우, ElectrodeLocations 매개 변수에 필요한 형식으로, BCI2000 파라미터 조각으로 이러한 2 차원 좌표를 저장합니다. 마지막으로, electrocorticographically 될 가능성이 두 전극 위치 선택 "침묵"을 즉, 그들은 (패치 파란색 소켓에 대한 참조에 의해 g.USBamps를 준비, 초기 지상 및 참조로 사용하기 위해 추정된 웅변 피질 근처 없습니다 및 접지각 단위의 극단적인 오른쪽에있는 노란색 소켓,)로 변경합니다.
2. 하드웨어 및 소프트웨어 설치
- 컴퓨터 사양이 실험의 처리 요구 사항 처리에 적합한지 확인합니다. 멀티 코어 프로세서는 가능성이 실시간 데이터 수집 및 처리, 비디오 녹화, 기타 필요한 작업의 요구를 수용하기 위해 필요합니다. 1,200 Hz에서에서 128 채널의 녹화 및 실시간 분석을 위해서는 RAM을 4GB의와 함께 3 GHz의 쿼드 코어 시스템을 사용합니다. 앰프는 그러한 외부 드라이브 및 카메라 (이것은 시스템의 장치 관리자를 통해 확인할 수있다)와 같은 다른 대역폭 굶주린 주변 기기에서 사용하는 컨트롤러 (들)와는 전용 USB 컨트롤러에 연결되어 있어야합니다. 마지막으로, 충분한 디스크 실험 데이터의 초당 5메가바이트를 저장할 수있는 공간 및 아카이빙 및 백업을위한 제도가 있어야합니다.
- 연구 장비 (앰프, 컴퓨터, 실험자의 화면, keybo를 설정신속 벽에 연결하는 유일한 단일 전원 코드와 함께 환자의 방에서 나갔다가 다시 굴려 수있는 단일 트롤리, 대한 ARD, 스피커, 마이크 및 카메라). 방에서 방으로 컴퓨터를 이동하려면 뽑기 전에 최대 절전 기능을 사용하십시오. 환자의 비디오 화면은 별도의 트레이 테이블 또는 모니터 암에 있어야합니다. 환자가 발작하는 경향임을 고려하면, 의료진은 환자에 대한 즉각적인 액세스해야하는 경우 모든 장비가 신속하게 비켜 굴려 수 있는지 확인합니다. 장비는 환자의 방에 사용 전후 소독제 잎사귀와 함께 소독하여야한다.
- 환자와 시간 제한, 모든 절차가 건장하고 그 시간을 최대한 활용하도록 최적화되어 있어야합니다. 이와 관련, BCI2000의 유연성과 견고는 귀중한 특성입니다. 실험 버튼을 누르면 실행시킬 수 있는지 확인하십시오. BCI2000의 경우 오른쪽의 조합을 실행하기 위해 배치 파일을 사용하여필요한 명령줄 옵션과 자동 BCI2000 모듈. 교환 및 gUSBampSource 모듈은 특정 실험에 대한 적절한 SignalProcessing 및 응용 모듈과 함께 필요합니다. 모든 필수 매개 변수 파일 등의 전극과 그들의 이름과 위치의 수를 본 환자를 구체적으로 어떤, 자동 포함하여로드되는 것을 보장하기 위해 BCI2000의 운영자 스크립팅 기능을 사용합니다. 이러한 자동화의 목적은 실험자에 의해 수동 단계의 수를, 따라서 오류 기회를 최소화하는 것입니다. 소프트웨어 및 해당 매개 변수가 최소한 하나 또는 이주 주입하기 전에 (아마 뇌파 제목) 종결되고 테스트한해야합니다. 또한 "건조"가 모든 새로운 환자 특정 매개 변수를 포함하여, 첫 번째 실험 세션 전날를 실행 수행할 수 매우 좋습니다.
3. 실험 세션 설정
- 귀하의 순간을 선택하세요, 환자에게 실험적인 레코딩을 제안들이 일찍 눈치주고, 그리고 다시 시작 15 분 전에. 주변 방문자, 식사, 낮잠, 의료 절차 및 환자의 신체적, 정서적 및인지 상태를 작동합니다. 그것은 레코딩의 타이밍과 시간을 최적화에 도움, 바닥에 의료 인력과 교감을 확립하는 것이 중요합니다.
- 장소로 휠 장비, 전원 콘센트에 연결, 주제의 비디오 화면을 켜고 컴퓨터에 연결하고 컴퓨터를 취소 겨울잠.
- BCI2000을 시작합니다. VisualizeSource 매개 변수가 활성을 통해 구성 설정을 누르십시오. 신호 뷰어는 ECoG 신호 품질을 평가셔서, 열립니다. 뷰어에서 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 5 Hz에서의 컷오프에 하이 패스 필터를 설정합니다. (이 필터 설정은 시각에 영향을, 그리고 데이터의 수집되지 않습니다.)
- 전력선 잡음의 간섭 확인 : (50 Hz에서 60 Hz에서에서, 보는 사람에 노치 필터를 활성화합니까자네가 어떤 국가에 따라 다름) 신호에 큰 차이를 만든다고? 그렇다면, 사용하지 않은 크로스 얘기 케이블을 제거하거나 전원 간섭의 다른 소스를 식별하고 제거하여이 작업을 줄이기 위해 시도합니다. 참조 및 지상 필요한 경우에 사용되는 전극을 변경합니다.
- 당신이 눈을 추적기를 사용하는 경우 제조 업체에서 제공한 보정 소프트웨어를 사용하여 그것을 보정. BCI2000 소스 모듈이 포함되어 EyetrackerLogger 확장자로 컴파일해야하고, 함께 시작되어야합니다 - LogEyetracker = 1 플래그가 안구 추적 데이터 ECoG 신호와 동기화 인수받을 수 있도록 활성화.
- 산만하고 중단을 방지하려면 가능한 신호 간섭을 최소화하기 위해, 텔레비전, 라디오, 휴대폰 전원이 꺼져 있는지 확인합니다.
- 당신이 실행하려고 실험을 위해 환자에게 정확한 지침을 줘. 작업을 보여주 파워 포인트 슬라이드를 준비, 주제의 과제에 따라 제안하는 자세 등이 유용합니다. 실험을 시작하려면 연산자에서 시작을 누릅니다. 당신 누르면 때마다 시작하거나 재개, 새 파일은 이전 데이터를 덮어 쓰지 않도록 만들어되며, 파일은 모든 매개 변수 값의 사본과 함께 초기화됩니다. 당신이 중지 또는 실험 실행 완료를 누를 때까지 원시 데이터는 다음 이벤트 마커와 함께 파일에 자동으로 스트리밍됩니다.
- 세션 동안 환자의 행동과 의심되는 발작에 대한 ECoG 신호를 모니터링, 의료 직원의 지시에 응답할 준비.
4. 예 실험 세션 : BCI2000와 SIGFRIED 임상 매핑
- 준비 : 세션이 시작하기 전에 SIGFRIED이 모델을 구축하는 데 사용할 신호 처리 설정이 들어 model.ini 파일을 준비하셔야하며, PRM 파일 (또는 별도의 PRM의 파편.) 그 BCI2000 매개 변수를 포함하는. SigfriedSigProc 모듈실시간 시각화를 위해 사용합니다. 두 개의 주요 매개 변수는 서로 다른 태스크가 어떤 조건 하에서 매핑되는 지정이 환자의 특정 전극, 그리고 ElectrodeCondition을 위해 선택한 2-D 레이아웃을 지정 ElectrodeLocations 있습니다. 이 예제에서, 우리는 환자에게 지시를 통신하기위한 간단한 StimulusPresentation 모듈을 사용하고 있으므로 자극 매개 변수는 또한 우리가 실행하려는 작업에 적응해야합니다.
- 기준 단계 : 1200Hz의 모든 격자 및 스트립에서 샘플 ECoG 활동으로 구성된 gUSBampSource, DummySignalProcessing 및 StimulusPresentationTask 모듈을 시작, 0.1 Hz에서에서 하이 패스 - 여과. 휴식과 열린 눈으로 움직이지 남아 주제를 지시한다. 조용한 환경에서 편안한 조명 아래에서 기본적인 활동의 기록은 6 분.
- 모델링 단계 : data2model_gui 도구를 시작합니다 5 Hz에서 제품 용기 천을에서 특징을 추출데이터의 모든 500 MS에 대해 최대 엔트로피 방법을 사용 톰 70-110 Hz에서. 가우스 섞어 사용하여 선택된 스펙트럼 기능의 확률적 모델을 구축하기위한 모델을 구축 누르십시오.
- 매핑 단계 : gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA 및 StimulusPresentationTask 모듈을 시작하고 확률적 모델을로드하려는 연산자, 대뇌 피질 모델, 2 개의 구성 - 3 차원 전극 좌표. 제목을 지시하면 매핑 프로세스를 시작합니다. 이 과정에서 주제는 5 번 반복 각각에 한 번에 10 초 동안 각 작업을 수행합니다. 그리고 설득력 피질의 3 차원지도 - 각 작업 중에 SIGFRIED은 작업 관련 ECoG에 지속적으로 업데이 트 2에 제시되어 활동을 감지합니다. 2 차원지도에서 각 원의 크기와 빨갛게이 특정 작업에서의 중요성을 나타냅니다. 특히, 각 원의 크기는 감마 바의 총 신호 분산의 분율에 비례작업에 의해 집결되는 차. 이 통계는 결정 계수, 또는 R 2로 알려져있다. 그것은 범위 (0,1)에 있으며 현재 설정에 0.1의 가치는 일반적으로 중요한 것으로 간주됩니다. 최대 R 2 값을 동그라미의 크기 조절은 슬라이더를 (그림 1C 참조)를 사용하여 제어할 수 있습니다. 3 차원지도에서 R 2 값은 오히려 원형 크기와는 다른 색상으로 매핑됩니다.
5. 대표 결과
그림 1은 한 환자에서 한 SIGFRIED 매핑 세션에서 대표적인 결과를 보여줍니다. 환자는 이차 일반화와 왼쪽 측두엽 증상도 아냐 현지화 관련 간질을 가진 28 세의 오른손잡이 여자였다. 120 electrocorticographic 전극은 왼쪽 전두엽, 두정 골과 측두엽 피질을 통해 subdurally 심어했다. 측면 X 선 (패널)과 내부 첩자 사진 (패널 B)가 묘사40 전극, 68 전극과 하나가 더 높은 밀도의 시간적 그리드, 세 스트립 4 전극 각각 한 정면 격자의 구성. 기록 발작에서 신경과 간질 foci를 현지하고 설득력 언어 피질을 살려주는 반면 왼쪽 측두엽 외과 절제술을 수행하기 위해 필요하다고 판단. 이것은 성공적으로 수행 되었음 : 8개월 포스트 절제술에서 환자는 발작이 무료로 및 신경학적인 결손없이 평가되었습니다. 수동 매핑 절차는 듣기 작업하는 동안 작업 관련 변경 사항을 대조하여 언어 기능에 관여 확인된 피질을 SIGFRIED. 전극의 레이아웃은 분명하게 2 차원 인터페이스 (패널 C), 그리고 3 차원 해부학적인 몸의 구조 - 올바른 인터페이스 (패널 D) : 결과는 두 개의 인터페이스로 표시되었습니다. 왼쪽부터 색조 대 기준 (색조)으로 듣기, 구어 대 기준 (음성)으로 듣기와 구어 VS LIS를 듣고 바로 판넬 대비로색조 (언어)로 tening. 이 중 마지막은 수용 언어에 특정한 청각 기능의 대략적인 그림으로 포함되어 있습니다. 음성 상태의 결과는 (패널에 노란색 동그라미로 표시)이 환자의 수용 언어 기능을 내장 컴퓨터 시스템 중단되는 위치와 좋은 계약을 보여주었다.
그림 1. 한명 환자에서 예제 결과입니다. 패널은 가로 X 선을 보여줍니다. 노란색 동그라미는 이후 electrocortical 자극 매핑으로 식별 수용 언어에 연루 전극을 표시합니다. 패널 B는 주입하는 동안 찍은 사진입니다. 패널 C는 배선 2 차원 레이아웃에서 SIGFRIED 매핑 결과를 보여줍니다 : 각 디스크의 크기와 빨갛게은 기준선에 상대적인 작업에서 각 전극의 참여의 중요성을 나타냅니다. 패널 D에서 동일한 통계는 입체적인 두뇌 모델 rende에 색상에 매핑됩니다환자의 MRI에서 빨간색.
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Discussion
연구 ECoG 데이터를 수집하는 것은 매우 멀티 - 징계 팀 임상 신경학, 신경 외과, 기초 신경 과학, 컴퓨터 과학 및 전기 공학 문제 해결과 함께, 임상의와 연구자 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 보상 ECoG 신호와 높은 감마 주파수 범위 (70-110Hz)에서 특정 amplitudes에서 매우 가치가있다는 것입니다. 그들은 감각,인지의 신경 상호로 과학적인 통찰력을 제공하고 모터는 높은 공간과 시간적 해상도 모두에서 1-4 처리하지만, ECoG의 뇌 - 컴퓨터 인터페이스 연구는 또한 neuroprosthetic을위한 기반으로 메소드의 위대한 약속을 보여준 라구요? 응용 6,7,10.
오픈 소스 BCI2000 소프트웨어 플랫폼 8,9는 녹음이 이러한 모든 연구 및 엔지니어링 노력, 실시간으로 데이터를 ECoG 및 처리를위한 유연한 툴킷을 제공합니다. BCI20을 바탕으로 한 특정 리얼 타임 어플 리케이션00, SIGFRIED 10, ECoG 음반은 electrocortical 자극 매핑을 사용하여 얻은 결과와 상당한 일치를 보여주는 기능 매핑에도 소중한 것을 보여줍니다.
ECoG 기반 연구에 급속도로 증가하는 관심에도 불구하고, 그것은 초기 단계에 아직도있다. 날짜에 대한 모든 ECoG 연구의 대다수는 인간의 간질 환자에서 발생한, 그래서 연구에 많은 제한을 부과 맥락에서 실시되었습니다 전극 배치 및 기간은 임상이 아닌 연구의 요구에 의해 정의되며, 이식을받을 과목이있을 수 있습니다 비정형 뇌 특히 전극이 배치되는 지역의 활동 및 연구는 생물 의학 공학 (전극과 장비는 임상 사용을위한 긴 승인 과정을 겪었 겠지 이후)의 최첨단 뒤에 몇 년간은 전극 기술을 사용해야합니다. 그러나, 지속적인 개발은 소형화와 함께, 높은 해상도, biocompatible, 그리고 완전 implantable ECoG 시스템, 앞으로 몇 년간은 확실히 인간과 동물 모두 모델의 기본과 응용 신경 과학이 기술의 지속적인 채택을 볼 수 있습니다.
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Disclosures
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 미국 육군 연구 사무실 (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS))과 NIH / NIBIB (EB006356 (GS)와 EB00856 (가 지원하는 보조금에 의해 가능하게되었다 JRW와 GS)). 저자 SigfriedSigProcLAVA 모듈에 대해 숀 오스틴 감사 및 관련 기술 지원 그리핀 Milsap.
Materials
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References
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