Summary
Biz invaziv epilepsi izleme gören insanlardan araştırma amaçlı elektrokortikografik sinyalleri toplamak için bir yöntem sunuyoruz. Biz veri toplama, sinyal işleme ve uyaran sunum için BCI2000 yazılım platformu nasıl kullanılacağını göstermektedir. Özellikle, Sigfried, gerçek zamanlı fonksiyonel beyin haritalama için BCI2000 tabanlı bir araç göstermektedir.
Protocol
1. Elektrot Yerelleştirme
- Dilim başına 256 x 256 piksel, görüş tam saha, hiçbir interpolasyon, 1 mm kesit genişliği, tercihen sagital kesitlerde: Hastanın başı bir ameliyat öncesi T1 ağırlıklı yapısal MRG (1.5T veya 3T) toplayın.
- Izgaraları ve şeritler implantasyonu gözlemleyin. Implante ızgaraları ve şeritler yerle ilgili dijital yerinde elektrotların fotoğrafları ve beyin cerrahı notlarını toplayın.
- Yüksek çözünürlükte post-operatif kafatası X-ray görüntüleri ve beyin tomografi (1 mm kesit genişliği, ten tene, hiçbir açı) toplayın.
- Post-grid implantasyon BT görüntüleri ile ameliyat öncesi MRG ve co-kayıt kullanmadan Hastanın beyninin üç boyutlu bir kortikal modeli oluşturun. Biz bu amaçla CURRY yazılım paketi kullanmak ve 3D kortikal yapıya ihracat ve elektrot MATLAB biçimde koordine eder. MATLAB, biz beyin eşleştirilmektedir elektrotlar gösteren bir film ihracat. Ayrıca map elektrot otomatik bir Talairach atlas kullanarak standart Brodmann alanlara koordine eder.
- 3D modeli, X-ray görüntüler, fotoğraflar ve notlar gelen bilgileri gözden geçirin. Elektrotlar ve hastane teknisyenleri ile çalışan elektrotlar bu tam numaralandırma takip dağıtım kutuları içine yamalı emin olmak için bir numaralandırma düzeni Finalize. Ayrıca tüm pozisyonları elektrot açık üst üste binen olmadan ayırt edilebilen bu tür iki boyutlu, in elektrotlar çizilmesi için bir şematik düzeni oluşturmak. Çalıştırmak (Bölüm 4) Sigfried yapacaksanız, ElectrodeLocations parametre gerektirdiği biçimde, bir BCI2000 parametre parçası olarak bu iki boyutlu koordinatları kaydedin. Son olarak, electrocorticographically olması muhtemel iki elektrot konumları seçmek "sessiz", yani onlar (yama mavi soketlerine referans g.USBamps hazırlamak, ilk zemin ve referans olarak kullanmak için, varsayılan kortekse yakın değildir ve zeminHer ünite aşırı sağ sarı soketler) için.
2. Donanım ve Yazılım Kurulumu
- Bilgisayar özellikleri deney işlem ihtiyaçlarını karşılamak için yeterli olduğundan emin olun. Çok-çekirdekli işlemci olasılıkla gerçek zamanlı veri toplama ve işleme, video kayıt ve diğer gerekli görevlerin taleplerini karşılamak için gerekli olacaktır. 1200 Hz az 128 kanal kayıt ve gerçek zamanlı analiz için, 4 GB RAM ile 3 GHz dört çekirdekli makinesi kullanın. Amplifikatörler gibi harici sürücüler ve kameralar (bu sistemin Aygıt Yöneticisi aracılığıyla kontrol edilebilir) gibi diğer bant genişliği gerektiren çevre birimleri tarafından kullanılan denetleyici (ler) ayrı özel bir USB denetleyicisi, bağlı olmalıdır. Son olarak, yeterli disk deneysel verilerin saniyede 5 MB'a kadar depolamak için alan ve arşivleme ve yedekleme için bir sistem olmalıdır.
- Araştırma ekipmanları (amplifikatörler, bilgisayar, deneyci ekranında, keybo kurunhızla duvara takmak için sadece tek bir güç kablosu, hastanın odasında ve dışarı rulo olabilir tek bir arabası, üzerinde ard, hoparlör, mikrofon ve kamera). Odadan odaya bilgisayar taşımak için, Fişi prizden çekmeden önce hazırda işlevini kullanın. Hastanın video ekranı ayrı bir tepsi masa veya monitör kolu olmalıdır. Hastanın nöbet eğilimli olduğu göz önüne alındığında, tıbbi personel, hasta için acil erişim ihtiyacı durumda tüm ekipmanları hızlı bir şekilde dışarı atılmasını edilebilir olduğundan emin olun. Ekipman da hastanın oda kullanımdan önce ve sonra antiseptik sıvı dezenfekte edilmelidir.
- Hasta ile zamanla sınırlı olduğunu ve tüm prosedürleri sağlam ve o zamanın en iyi şekilde optimize edilmiş olması gerekir. Bu bağlamda, BCI2000 esneklik ve sağlamlık değerli özellikleridir. Deneyler bir düğmeye dokunarak başlatılabilir emin olun. BCI2000 söz konusu olduğunda, doğru bileşimi başlatmak için bir toplu dosyasını kullanmakGerekli komut satırı seçenekleri ile otomatik BCI2000 modülleri. Operatör ve gUSBampSource modülleri belirli bir deney için uygun SignalProcessing ve Uygulama modülleri ile birlikte, gereklidir. Gerekli tüm parametre dosyaları gibi elektrotlar ve isimlerini pozisyon sayısı olarak bu hastaya özgü herhangi bir otomatik olarak dahil yüklü olduğundan emin olmak için BCI2000 Operatörü script özelliğini kullanın. Bu otomasyon amacı deneyi tarafından elle adım sayısını ve böylece hata için olanaklar en aza indirmektir. Yazılım ve parametrelerini en az bir veya iki hafta implantasyon öncesi (belki de bir EEG konu ile) tamamlanmış ve test edilmiş gerekir. Aynı zamanda, bir "kuru" bütün yeni hasta özgü parametreleri de dahil olmak üzere, ilk önce, bir deneysel oturumda gün çalıştırmak gerçekleştirmek için son derece tavsiye edilir.
3. Deneysel Oturum Set-up
- Için anı seçin, hastaya deney kayıtları düşündüren bunları günün erken fark vererek ve başlattığınızda tekrar 15 dakika önce. Etrafında ziyaretçiler, yemek, şekerlemeler, tıbbi prosedürler ve hastanın fiziksel, duygusal ve bilişsel durum çalışın. Bu kayıtların zamanlaması ve süresi optimize yardımcı olmak için, yerde sağlık personeli ile bir ilişki kurmak önemlidir.
- Yerine Tekerlek ekipmanları, elektrik prizine bağlayın, öznenin video ekranı açın ve bilgisayara bağlayın ve bilgisayar un-kış uykusuna yatarlar.
- BCI2000 başlatın. VisualizeSource parametre etkinleştirildiğinde, Config Set tuşuna basın. Sinyal görüntüleyicisi ECoG sinyal kalitesini değerlendirmek icar açılır. Izleyici üzerinde sağ tıklayın ve 5 Hz kesim için yüksek geçişli filtre ayarlayın. (Bu filtre ayarı yalnızca görsel etkiler ve veri değil toplama olacaktır.)
- Güç hattı gürültüsünden etkilenmeden kontrol edin: (50 Hz veya 60 Hz, izleyiciye bir çentik filtre aktive musen hangi ülkeye bağlı olarak) sinyaline büyük bir fark yaratabilir? Eğer öyleyse, kullanılmayan çapraz konuşuyor kabloları çıkarmadan, ya da güç girişim diğer kaynaklar belirleme ve kaldırarak bu azaltmaya çalışın. Referans ve öğütülmüş gerekirse için kullanılan elektrotlar değiştirebilir.
- Bir göz tracker kullanıyorsanız, üretici tarafından sağlanan kalibrasyon yazılımı kullanarak kalibre. BCI2000 kaynağı modülü dahil EyetrackerLogger uzantısı ile derlenmiş olmalıdır ve ile başlatılması gerektiğini - LogEyetracker = 1 bayrak eye-tracking verileri ECOG sinyalleri ile eşzamanlı olarak elde edilebilir, böylece etkin.
- Dikkat dağıtıcı ve kesintileri önlemek için ve olası sinyal girişimi en aza indirmek için, TV, radyo ve cep telefonları kapalı olduğundan emin olun.
- Çalıştırmak üzeresiniz deney için hastaya kesin talimatlar verin. Görev göstereceğim Powerpoint slaytlar hazırlanmış, konu görevi bağlı olarak, önerilen duruş, vs, yararlı olabilir. Denemeyi başlatmak için Operatör üzerinde Başlat düğmesine basın. Eğer her bastığınızda başlatın veya Devam, yeni bir dosya önceki verileri üzerine yazılmasını önlemek için oluşturulacak ve dosya tüm parametre değerleri bir kopyası ile başlatılır. Eğer Askıya Alma veya deneysel çalışma bittikten basana kadar ham veri, daha sonra olay işaretleri ile birlikte, dosya otomatik olarak akışı.
- Oturum sırasında, hastanın davranış ve şüpheli nöbetler için ECOG sinyalleri izlemek ve tıbbi personelin talimatlarına yanıt vermeye hazır olun.
4. Örnek Deneysel Oturum: BCI2000 ile Sigfried Klinik Haritalama
- Hazırlanışı: oturumu başlar önce, Sigfried bir model oluşturmak için kullanacağı sinyal işleme ayarlarını içeren bir model.ini dosya hazırladık gerekir ve bir prm dosyasını (veya ayrı prm parçaları.) Bu BCI2000 parametreleri içeren. SigfriedSigProc modülügerçek zamanlı görüntüleme için kullanacağız. İki anahtar parametreleri farklı görevler hangi koşullarda eşlenecek belirtir, bu hastanın özel elektrotlar ve ElectrodeCondition için seçtik 2-B düzeni belirterek, ElectrodeLocations vardır. Bu örnekte, hasta için talimatları iletişim kurmak için basit StimulusPresentation modülü kullanılarak, bu nedenle Uyaranlar parametre de biz çalıştırmak niyetinde görevlere adapte edilmesi gerekmektedir.
- Temel Adım: 1200Hz tüm ızgaraları ve şeritler numune ECOG aktivite için yapılandırılmış gUSBampSource, DummySignalProcessing ve StimulusPresentationTask modülleri, Başlat, 0.1 Hz yüksek geçiren filtreden. Rahatla ve açık gözlerle hareketsiz kalmasını konu söyleyin. Sessiz bir ortamda rahat bir aydınlatma altında bazal aktivite Kayıt 6 dakika.
- Modelleme Adım: data2model_gui aracını başlatın ve 5 Hz bidonları fr özellikleri ayıklamakveri her 500 ms için maksimum entropi yöntemi kullanılarak om 70-110 Hz. Gauss karışımları kullanarak seçilen spektral özellikleri bir olasılık modeli oluşturmak için Model Oluşturma basın.
- Haritalama Adım: gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA ve StimulusPresentationTask modülleri başlatın ve olasılık modeli yükleme Operatör, kortikal modeli ve 2 yapılandırmak - ve 3-boyutlu elektrot koordinatları. Konusu talimat sonra, haritalama işlemini başlatmak. Bu süreçte, bir konu 5 tekrarlar her biri, bir seferde 10 saniye süreyle her görevi yerine getirecektir. Ve kortekse 3 boyutlu haritalar - her görev sırasında, Sigfried görevle ilgili ECoG sürekli güncellenen 2'de sunulmuştur etkinliği algılar. 2-boyutlu haritalarına olarak, her bir dairenin boyutu ve kırmızılık bu özel bir görev önemini temsil eder. Spesifik olarak, her bir dairenin boyutu gamma Ba toplam sinyal varyans fraksiyonu ile orantılıdırgörev tarafından muhasebeleştirilir nd. Bu istatistik belirlenmesi katsayısı, veya R 2 olarak bilinir. Bu aralık (0,1) içinde ve geçerli kurulum 0.1 arasında bir değere, genel olarak anlamlı olarak kabul edilebilir. Maksimum r 2 değerleri çevrelerin ölçekleme sürgüleri (Şekil 1C bakınız) kullanılarak kontrol edilebilir. 3 boyutlu haritalar, r 2 değerleri yerine daire büyüklükleri farklı renkler eşleştirilir.
5.. Temsilcisi Sonuçlar
Şekil 1, bir hastada bir eşleme Sigfried oturumdan, temsili sonuçlarını göstermektedir. Hasta sekonder jeneralize sol-temporal başlangıçlı dirençli lokalizasyonu ile ilgili epilepsi olan bir 28 yaşındaki sağ elini kullanan kadın oldu. 120 elektrokortikografik elektrotlar sol frontal, parietal ve temporal korteks üzerinde subdurally implante edildi. A yanal x-ışını (panel A) ve intra-operatif bir fotoğraf (panel B) tasvir40 elektrotlar, 68 elektrot ile bir yüksek yoğunluklu zamansal ızgara ve üç şeritler 4 elektrot her ile bir ön ızgara konfigürasyonu. Kaydedilen nöbet itibaren, bir nörolog epileptik odak lokalize ve beliğ dil korteksi tutumlu ise sol temporal lobun cerrahi gerçekleştirmek için gerekli olduğunu belirledi. Bu başarılı bir şekilde gerçekleştirildi: 8 ay sonrası rezeksiyon sırasında hastanın nöbet ücretsiz olarak ve nörolojik olmadan değerlendirilmiştir. Pasif haritalama yöntemi dinleme görevleri sırasında görevle ilgili değişiklikler sûretiyle, dil işlevini yer tespit korteks Sigfried. Elektrotların düzeni açıkça bir 2 boyutlu arayüzü (panel C), ve 3 boyutlu anatomik doğru arabirimi (panel D): Sonuçlar iki arayüz sunulmuştur. Soldan sesleri vs başlangıca (TON) dinleyerek, konuşulan dil vs başlangıca (SES) dinleme ve konuşma dilini vs lis dinleme hakkını panelleri kontrastsesleri (DİL) işlem yapmadığı takdirde. Bunların sonuncusu alıcı dil özgü işitsel işlev kaba bir resim olarak yer almaktadır. SES durumun sonuçları (panel A sarı daireler olarak işaretlenmiş) bu hastada alıcı dil fonksiyonu bozulur ECS hangi yerleri ile iyi bir uyum göstermiştir.
Şekil 1. Hastadan hastaya Örnek sonuçlanır. Panel bir lateral bir x-ışını gösterir. Sarı daireler olarak sonradan electrocortical stimülasyon haritalama tarafından belirlenen alıcı dil karıştığı elektrotlar, işaretleyin. Panel B implantasyon sırasında çekilmiş bir fotoğraftır. Panel C şematik bir iki boyutlu düzeni Sigfried eşleme sonuçlarını göstermektedir: her bir diskin boyutu ve kırmızılık başlangıca göre görevi her bir elektrotun, katılımı önemini temsil eder. Panel D, aynı istatistik üç boyutlu bir beyin modeli rende renk eşleştirilirHastanın MR kırmızı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Araştırma için ECoG veri toplama çok multi-disipliner ekibi klinik nöroloji, beyin cerrahisi, temel sinirbilim, bilgisayar bilimi ve elektrik mühendisliği sorunları çözme, klinisyenler ve araştırmacılar arasında yakın işbirliğini gerektirmektedir. Ödül ECOG sinyalleri ve yüksek gama frekans aralığı (70-110Hz) özellikle genliklerde, çok değerli olmasıdır. Onlar duyusal, bilişsel sinirsel ilgisi içine bilimsel bilgi sağlar ve motor yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe hem de 1-4 işler, ama ECoG beyin-bilgisayar arabirim çalışmalar da neuroprosthetic için bir temel olarak yöntemin büyük umut vermiştir kalmıyor; uygulamalar 6,7,10.
Açık kaynak yazılım platformu BCI2000 8,9 kayıt tüm bu araştırma ve mühendislik çabaları için, gerçek zamanlı veri ECOG ve işleme için esnek bir araç sağlar. BCI20 dayalı belirli bir gerçek zamanlı uygulama00, Sigfried 10, ECOG kayıtları electrocortical stimülasyon haritalama kullanarak elde edilen sonuçlar ile önemli elbirliği gösteren fonksiyonel haritalama için de değerli olduğunu gösterir.
ECoG tabanlı araştırma hızla artan ilgiye rağmen, o hala emekleme döneminde olduğunu. Bugüne kadar tüm ECOG çalışmaların büyük çoğunluğu insan epilepsi hastalarında meydana gelmiştir, ve böylece araştırma birçok sınırlamalar empoze bir bağlamda yapılmıştır: elektrot yerleştirme ve süresi klinik ve araştırmacı ihtiyaçlarını tarafından tanımlanmıştır; İmplant uygulanabilmesi konular olabilir atipik beyin özellikle elektrotlar yerleştirilir bölgede faaliyet ve çalışmalar biyomedikal mühendisliği (elektrotlar ve ekipman klinik kullanım için uzun bir onay sürecinden geçmesi gitmiş olmalıydı bu yana) en önde arkasında birkaç yıldır elektrod teknolojiyi kullanmak gerekir. Ancak, sürekli gelişimi minyatür ile, yüksek çözünürlüklü, biocompaludur ve tam implante ECoG sistemleri, önümüzdeki birkaç yıl kesinlikle insan ve hayvan iki modelde de temel ve uygulamalı sinirbilim bu tekniğin devam benimsenmesi göreceksiniz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Bu çalışma Amerikan Ordusu Araştırma Bürosu (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) ve NIH / NIBIB (EB006356 (GS) ve EB00856 (tarafından desteklenen hibe ile mümkün olmuştur JRW ve GS)). Yazarlar SigfriedSigProcLAVA modülü için Sean Austin teşekkür ederim, ve ilgili teknik yardım için Griffin Milsap.
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).
