Summary
Мы представляем метод сбора electrocorticographic сигналов для исследовательских целей, от людей, которые проходят инвазивного мониторинга эпилепсии. Мы покажем, как использовать BCI2000 программная платформа для сбора данных, обработки сигналов и стимулов презентации. В частности, мы показываем, Зигфрид, BCI2000-инструмент в режиме реального времени функциональное картирование мозга.
Protocol
1. Электрод Локализация
- Соберите дооперационном Т1-структурных МРТ (1.5T или 3T) головы пациента: 256 х 256 пикселей на срез, полное поле зрения, без интерполяции, 1 мм шириной среза, предпочтительно сагиттального сечения.
- Обратите внимание на хирургическую имплантацию сетей и полос. Соберите цифровые фотографии электроды на месте, и отмечает, нейрохирург на местах имплантированных сетей и полос.
- Соберите послеоперационных черепа рентгеновских снимков и компьютерной томографии мозга с высоким разрешением (1 мм шириной среза, кожа к коже, ни один из углов).
- Создать трехмерную модель коры головного мозга пациента, используя дооперационной МРТ, и сотрудничество зарегистрировать его в сетку после имплантации КТ. Мы используем CURRY пакет программного обеспечения для этих целей, а также экспортировать 3D корковой структурой и электродов координаты в формате MATLAB. С MATLAB, мы экспортируем фильм, который показывает, отображается на электроды в мозг. Мы также Мар электрод координаты стандартный области Бродмана использованием автоматизированных Talairach атлас.
- Обзор информации из 3D-модели, рентгеновские снимки, фотографии и заметки. Завершение схемы нумерации для электродов, а также работа с техниками больницу для того, чтобы электроды исправлена в распределители после этого нумерация точно. Кроме того, создать план-схема для построения электроды в двух измерениях, например, что все позиции электрод может быть четко отделены без перекрытия. Если вы собираетесь запускать Зигфрида (см. раздел 4), за исключением этих двух-мерных координат BCI2000 параметра фрагмент в формате, требуемом параметре ElectrodeLocations. Наконец, выделим два электрода местах, которые могут быть electrocorticographically "тихий", то есть они не рядом с предполагаемым красноречивый мозга, для использования в качестве начальной землю и ссылки (подготовка g.USBamps на исправление ссылки на синий розетки, и земляк желтому розетки, на крайнем правом каждой единицы).
2. Аппаратное и программное обеспечение установки
- Убедитесь, что компьютер характеристики являются достаточными для обработки требования к обработке эксперимента. Многоядерных процессоров, вероятно, будет необходимо для удовлетворения потребностей реального времени сбора и обработки данных, запись видео, а также другие необходимые задачи. Для записи и анализа в реальном времени до 128 каналов на 1200 Гц, мы используем 3-ГГц четырехъядерный процессор машины с 4 Гб оперативной памяти. Усилитель должен быть подключен к выделенной USB контроллер, отличных от контроллера (изданий), используемого другими пропускной способности периферийных устройств, таких как внешние накопители и камеры (это можно проверить с помощью диспетчера устройств системы). Наконец, должно быть достаточно места для хранения до 5 Мб в секунду экспериментальных данных, а также системы архивирования и резервного копирования данных.
- Установка научного оборудования (усилители, компьютер, экран экспериментатора, сохранить его отдельным файломARD, динамики, микрофон и камера) на одной тележке, которая может быть быстро проката в и из комнаты больного, только с одним шнуром для подключения к стене. Чтобы переместить компьютер из комнаты в комнату, используйте функцию Hibernate перед отключением. Экран пациента должна быть на отдельном столе поднос или монитора руку. Учитывая, что пациент склонен к приступам, убедитесь, что все оборудование может быть развернута в сторону, быстро в случае, если медицинский персонал нужен немедленный доступ к пациенту. Оборудование должно быть продезинфицированы антисептические салфетки до и после использования в комнате больного.
- Время с пациентом является ограниченным, и все процедуры должны быть надежными и оптимизированы, чтобы наилучшим образом использовать это время. В этой связи, гибкость и надежность BCI2000 являются бесценными характеристиками. Убедитесь, что эксперименты могут быть запущены при нажатии кнопки. В случае BCI2000 используется пакетный файл для запуска правильного сочетанияBCI2000 модули автоматически, с необходимыми параметрами командной строки. Оператор и gUSBampSource модулей не требуется, наряду с соответствующими SignalProcessing и модулей приложения для конкретного эксперимента. Использование оператора сценариев BCI2000 в функцию, чтобы убедиться, что все необходимые файлы параметров загружаются автоматически, в том числе те, которые являются специфическими для данного пациента, такие как число электродов и их имена и должности. Цель этой автоматизации, чтобы минимизировать количество ручных операций экспериментатором, и таким образом возможности для ошибки. Программного обеспечения и его параметры должны были завершены испытания и (возможно, с ЭЭГ темы) по крайней мере, одну или две недели до имплантации. Кроме того, настоятельно рекомендуется выполнить «сухой» работать за день до первой экспериментальной сессии, включая все новые пациента специфические параметры.
3. Экспериментальные сессии Настройка
- Выберите время дляпредполагая экспериментальные записи для пациентов, давая им заметить ранее в тот же день, и опять 15 минут перед началом работы. Работа по посетителям, питание, сон, медицинские процедуры, и физические, пациента эмоциональные и когнитивные состояния. Важно установить контакт с медицинским персоналом на полу, чтобы помочь в оптимизации сроков и продолжительности записи.
- Колесная техника на месте, подключить к розетке, включите экран субъекта и подключить его к компьютеру, и снимите спящий компьютер.
- Запуск BCI2000. С VisualizeSource параметр включен, нажмите Set Config. Сигнала зрителю открывается, позволяя оценить качество сигнала ЭГ. Щелкните правой кнопкой мыши на зрителя и установить фильтр высоких частот до 5 Гц отсечки. (Этот фильтр настройка влияет только на визуализацию, а не сбор данных).
- Проверить наличие помех от мощности шума линии: Есть ли активация режекторный фильтр в окне просмотра (при 50 Гц или 60 Гц,в зависимости от страны вы находитесь в) иметь большое значение для сигнала? Если так, то попробуйте уменьшить, убрав неиспользованные перекрестного говорить кабелей или выявления и устранения других источников энергии помех. Изменение электродов, используемых для сведения и в землю, если это необходимо.
- Если вы используете глаза-трекер, калибровки с помощью калибровочного программного обеспечения, предоставляемого производителем. BCI2000 модуля источника должны быть скомпилированы с EyetrackerLogger расширение включено, и должен быть запущен с параметром - LogEyetracker = 1 флаг включен, так что глаз отслеживания данные могут быть получены в синхронизации с ЭГ сигналов.
- Чтобы избежать отвлечения и прерывания, и свести к минимуму возможные помехи сигнала, убедитесь, что телевизор, радио и мобильные телефоны должны быть выключены.
- Дайте четкие инструкции для пациентов для эксперимента вы собираетесь работать. В зависимости от задач субъекта, подготовленный Powerpoint слайды, которые показывают, задачи, предлагаемые позы и т.д., может оказаться полезным. Нажмите кнопку Пуск на панели оператора, чтобы начать эксперимент. При каждом нажатии кнопки начать или возобновить, новый файл будет создан, чтобы избежать перезаписи предыдущих данных, и файл будет инициализирован с копией всех значений параметра. Сырые данные будут автоматически потоковых файлов, а также события маркеров, пока вы не нажмете Suspend или экспериментальной отделкой перспективе.
- На протяжении всей сессии, мониторинг поведения пациента и ЭГ сигналы при подозрении на судороги, и быть готовым реагировать на инструкции из медицинского персонала.
4. Пример экспериментальной сессии: Зигфрид Клинические сопоставления с BCI2000
- Приготовление: Перед началом сессии, Вам необходимо подготовили файл, который содержит model.ini обработки сигналов настройки Зигфрида будет использовать для создания модели, и PRM файл (или отдельные фрагменты PRM.), Содержащий BCI2000 параметров. Модуль SigfriedSigProcбудет использоваться для визуализации в реальном времени. Два ключевых параметров ElectrodeLocations, с указанием 2-D макет вы выбрали для отдельных электродов этого пациента, и ElectrodeCondition, который определяет, какие разные задачи будут отображаться при каких условиях. В этом примере мы используем простой модуль StimulusPresentation для передачи инструкций для пациента, так что стимулы параметр также должен быть адаптирован к задачам, мы намерены работать.
- Базовый шаг: Начало gUSBampSource, DummySignalProcessing и StimulusPresentationTask модули, настроенные для образца ЭГ деятельности от всех сетей и полос на 1200 Гц, фильтр верхних частот, фильтруется на 0,1 Гц. Поручить предмет, чтобы расслабиться и остаются неподвижными с открытыми глазами. Запись 6 минут базовой деятельности, в удобное освещение в спокойной обстановке.
- Моделирование Шаг: Запустите инструмент data2model_gui и извлечь особенности в 5 бункеров Гц птОМ 70 до 110 Гц использованием метода максимальной энтропии на каждые 500 мс данных. Нажмите кнопку Построить модель для создания вероятностной модели выбранных спектральных особенностей использования гауссовской смеси.
- Сопоставление шаг: Начало gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA и StimulusPresentationTask модулей и настройки оператора для загрузки вероятностная модель, модель коры, а также 2 - и 3-мерные координаты электрода. После инструктажа тема, отображение процесса. В этом процессе, вопрос будет выполнять каждую задачу в течение 10 секунд за один раз, на каждом из 5 повторений. В каждой задаче, Зигфрид определяет задачи связанные ЭГ деятельности, которые представлены в постоянно обновляемой 2 - и 3-мерные карты красноречивый мозга. Во 2-мерных карт, размер и красноту каждый круг представляет важность в данной задаче. В частности, размер каждого круга пропорциональна доле общей дисперсии сигнала в гамма-бам, что обусловлено задачей. Эта статистика известна как коэффициент детерминации или R2. Он находится в диапазоне (0,1) и в текущем установки стоимостью 0,1 целом можно считать значительным. Масштабирование кругов максимального значения R 2 можно управлять с помощью ползунков (см. рисунок 1С). В 3-мерные карты, г 2 значения отображаются в разные цвета, а не круг размеров.
5. Представитель Результаты
На рисунке 1 показаны результаты представителем, с одной Зигфрида отображение сессия у одного пациента. Пациент был 28-летний правый женщина, которая была неразрешимой локализации связанных эпилепсии левого временной начало с вторичной генерализацией. 120 electrocorticographic электроды были имплантированы subdurally над левой лобной, теменной и височной коры головного мозга. Боковой рентгеновский (группа А) и интраоперационного фотографии (группа В) изображаютКонфигурация одной фронтальной сетку с 40 электродами, один более высокой плотности временной сетке с 68 электродами, и три полосы каждого из 4 электродов. Из записанных судороги, невролог локализованы очаги эпилептической и определили, что это было необходимо для выполнения резекции левой височной доли при щадящем красноречивым языком кору. Это была выполнена успешно: через 8 месяцев после резекции пациента оценивается как захват бесплатно и без неврологического дефицита. Пассивная процедура отображения Зигфрида определены коры участвует в языке функцию контрастной задача изменения, связанные с задачами во время прослушивания. Результаты были представлены в двух интерфейсов: 2-мерный интерфейс (панель C), что делает расположение электродов ясно, и 3-мерные анатомически правильный интерфейс (панель D). Слева направо панели отличие слушать разговорный язык против базового (VOICE), прослушивание тона против базового (тонн), и, слушая разговорный язык против Лисtening в тонов (ЯЗЫК). Последний из них включены в примерную картину слуховой функции, характерные для рецептивной речи. Результаты показали, VOICE состояние хорошее согласие с места, на котором компания ECS нарушается функция языка восприимчивы у этого пациента (отмечены желтыми кругами на панели).
Рисунок 1. Пример результатов от одного пациента. Группа показывает боковой рентген. Желтый кругах отмечают электродов замешан в рецептивной речи, а впоследствии определенные электрокорковых отображение стимуляции. Группа B является фотография, сделанная во время имплантации. Группа C показывает Зигфрида результаты отображения в схеме двумерного макета: размер и красноту каждый диск представляет значимость участия каждого электрода в деле, по сравнению с базовой. В панели D, так же статистика отображается в цвете на трехмерной модели мозга Rendeкрасный с МРТ пациента.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Сбор данных для ЭГ исследования требует тесного сотрудничества между клиницистами и исследователями, с высокой мультидисциплинарной команды решению проблем в клинической неврологии, нейрохирургии, неврологии основной, информатики и электротехники. Награда в том, что ЭГ сигналы, и, в частности, амплитуды в высокочастотном диапазоне гамма (70-110Hz), являются весьма ценными. Они не только обеспечивают научное представление о нейронных коррелятов когнитивных, чувствительных и двигательных процессов на 1-4 и высоким пространственным и временным разрешением, но мозг-компьютер интерфейса исследований в ЭГ также показали большие перспективы этого метода в качестве основы для neuroprosthetic приложениях 6,7,10.
С открытым исходным кодом BCI2000 программной платформы 8,9 обеспечивает гибкий инструментарий для записи ЭГ и обработки данных в режиме реального времени, для всех таких научно-технических усилий. Одной из конкретных реальном времени приложений, основанный на BCI2000, Зигфрид 10, показывает, что ЭГ записи также являются ценными для функционального отображения, показывая существенное совпадение с результатами, полученным на основе электрокорковых отображение стимуляции.
Несмотря на быстро растущий интерес к ЭГ на основе исследований, он все еще находится в зачаточном состоянии. Подавляющее большинство всех ЭГ исследования до настоящего времени имели место в человеческом пациентов эпилепсия, и, следовательно, были проведены в контексте, который накладывает много ограничений на исследования: размещение электродов и продолжительность определяется клиническими и не потребности исследований, предметы, которые получили имплантаты могут иметь атипичные активности мозга, особенно в области, где электроды расположены, а также исследования должны использовать электрод технологии, которые на несколько лет за передний край биомедицинской инженерии (с электродами и оборудование должно прошли долгий процесс утверждения для клинического применения). Однако, дальнейшее развитие миниатюрные, с более высоким разрешением, biocompatible, и полностью имплантируемых систем ЭГ, в ближайшие несколько лет будет, конечно, видим продолжение принятия этого метода в фундаментальных и прикладных неврологии в человека и животных моделях.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Эта работа стала возможной благодаря грантам поддержке армии США Research Office (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) и NIH / NIBIB (EB006356 (GS) и EB00856 ( JRW и GS)). Авторы выражают благодарность Шон Остин SigfriedSigProcLAVA модуль, и Гриффин Milsap для оказания технической помощи.
Materials
|
References
- Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
- Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).
- Gunduz, A. Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans. Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).
- Pei, X. Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition. NeuroImage. 54, 2960 (2010).
- Crone, N. E. High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research. 159, 275 (2006).
- Brunner, P. Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG). Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).
- Leuthardt, E. C. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of Neural Engineering. 1, (2004).
- Schalk, G. BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System. IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034 (2004).
- Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London. (2010).
- Brunner, P. A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy and Behavior. 15, 278 (2009).
