Summary
Gleichzeitige Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) ist ein leistungsfähiges Werkzeug Neuroimaging. Allerdings bildet das Innere eines MRI-Scanner in einem schwierigen Umfeld für EEG Datenaufzeichnung und Sicherheit berücksichtigt werden müssen, wenn Betrieb EEG Geräte innerhalb eines Scanners werden. Hier präsentieren wir ein optimiertes EEG-fMRI Datenerfassung Protokoll.
Abstract
Simultane EEG-fMRI ermöglicht die hervorragende zeitliche Auflösung der EEG mit der hohen räumlichen Genauigkeit von fMRI kombiniert werden. Die Daten aus diesen zwei Modalitäten können in einer Anzahl von Weisen kombiniert werden, aber alle auf den Erwerb von hochwertigen EEG und fMRI Daten. EEG-Daten bei gleichzeitiger fMRI erworben werden, durch mehrere Artefakte, darunter der Steigung Artefakt (aufgrund der sich ändernden Magnetfeld-Gradienten für fMRI erforderlich), der Puls Artefakt (im Zusammenhang mit dem Herz-Kreislauf) und Bewegungsartefakte (resultierend aus Bewegungen in dem starken Magnetfeld beeinflusst Bereich der Scanner und Muskelaktivität). Post-processing Methoden für die erfolgreiche Korrektur der Steigung und Puls Artefakte erfordern eine Reihe von Kriterien, die bei der Datenerfassung zufrieden sein. Minimierung Kopfbewegung während EEG-fMRI ist auch unerlässlich für das Entstehen von Artefakten.
Wechselwirkungen zwischen der Hochfrequenz-(HF)-Pulse für MRI und th erforderliche EEG Hardware auftreten können und Heizung führen. Dies ist nur ein erhebliches Risiko, wenn Sicherheitsrichtlinien nicht erfüllt sind. Hardware-Design und Set-up, sowie die sorgfältige Auswahl der dem MR-Sequenzen mit dem EEG vorhandene Hardware ausgeführt werden, müssen daher in Betracht gezogen werden.
Die oben genannten Fragen unterstreichen die Bedeutung der Wahl des experimentellen Protokolls eingesetzt werden, wenn die Durchführung einer gleichzeitigen EEG-fMRI Experiment. Basierend auf früheren Forschungen beschreiben wir eine optimale Versuchsanordnung. Dies garantiert eine hohe Qualität bei gleichzeitiger EEG-Daten fMRI beim Einsatz kommerzieller EEG und fMRT-Systeme, mit Sicherheits-Risiken für die Versuchsperson minimiert. Wir zeigen dieses Set-up in einer EEG-fMRI Experiment mit einem einfachen visuellen Reiz. Jedoch können sehr viel komplexer Stimuli verwendet werden. Hier zeigen wir die EEG-fMRI-Set-up mit einem Brain Products GmbH (Gilching, Deutschland) MRplus, 32-Kanal-EEG-System in Verbindung mit einem Philips Achieva (Best, Niederlande) 3T MR-Scanner, obwohlviele der Techniken sind auf andere Systeme.
Introduction
Gleichzeitige Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) ermöglicht die hervorragende zeitliche Auflösung der EEG mit der hohen räumlichen Genauigkeit von fMRI kombiniert werden. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, wie die Daten aus diesen zwei Modalitäten 1 kombiniert werden, aber alle auf den Erwerb von hochwertigen EEG und fMRI Daten. Bis heute hat die gleichzeitige EEG-fMRI verwendet worden, um die Korrelation zwischen schwingenden Rhythmen (gemessen mit EEG) und Blutoxygenierung Antworten (mit Blutoxygenierung pegelabhängigen (BOLD) fMRT) zB 2,3 studieren. Es wurde auch verwendet, um zu untersuchen, ob die Merkmale der evozierten Signal kann die Varianz in der BOLD-Signal auf einer trial-by-probeweise 4,5 erklären. In klinischen Studien der wichtigste Einsatz der Technik war es, die Herde interiktalen epileptischen Entladungen, die in OP-Planung helfen können, zu untersuchen und sind derzeit schwierig, nicht-invasiv lokalisieren6,7. Um die Verbindung von EEG und fMRI Daten, die erwünscht ist zu erreichen, ist es wichtig, hochwertigen Daten aus beiden Modalitäten haben. Allerdings sind EEG-Daten bei gleichzeitiger fMRI erworben durch mehrere Artefakte, darunter der Steigung Artefakt (aufgrund der sich ändernden Magnetfeldern für fMRI erforderlich), der Puls Artefakt (im Zusammenhang mit dem Herz-Kreislauf) und Bewegungsartefakte (resultierend aus Bewegungen in der starken betroffen Magnetfeld des Scanners sowie Muskel-Aktivität). Diese Artefakte sind deutlich größer als die neuronale Aktivität von Interesse und daher Reduktion (an der Quelle) und Korrektur der Artefakte (via Post-Processing) sind beide notwendig, um eine erfolgreiche Umsetzung der simultanen EEG-fMRI aktivieren.
Die Nachbearbeitung derzeit verfügbaren Methoden zur Korrektur der Steigung und Puls Artefakte erfordern eine Reihe von Kriterien, die bei der Datenerfassung erfüllt werden, um eine hohe Qualität EEG-Daten zu erzeugen. Im Laufe des vergangenen Jahrzehnts die optimal Versuchsaufbau für die Aufnahme qualitativ hochwertiger Daten hat wie unser Verständnis der Ursachen der Artefakte 8-10 verbessert hat sich weiterentwickelt und wir haben gelernt, wie experimentelle Methoden so zu modifizieren, um die Artefakte an der Quelle zu reduzieren und 11,12 zur Verbesserung Leistung der Post-Processing-Algorithmen zur Korrektur. Zu diesen Entwicklungen gehören die Verbesserung der Abtastung des Gradientenwellenformen durch Synchronisation von Uhren Scanner 13,14 und die Verwendung eines vectocardiogram 15,16 um eine sauberere kardialen Ablaufverfolgung als die traditionellen EKG bieten. Die vectocardiogram Spur von vier Elektroden auf der Brust mit einem strengen Tiefpassfilter eingesetzt 14-16 platziert abgeleitet. Als Ergebnis der Trace relativ unbeeinflusst von Gradienten Artefakte und ist unempfindlich gegen den Blutstrom Artefakt Herstellung R-Peak-Detektion zu erleichtern. Allerdings ist die Möglichkeit, einen vectocardiogram aufzeichnen nicht auf allen MRT-Scanner zur Verfügung und wird daher nur kurz in diesem s genannt werdentudy. Die Bedeutung der Minimierung von Artefakten und strenge Reinigung der Daten wurde durch die jüngste Demonstration hervorgehoben, dass Bewegungsartefakte in den EEG-Daten aufgenommen wurden, können mit BOLD-Aktivität in keinem Zusammenhang mit der Aufgabe von Interesse korrelieren, Herstellung falschen Ergebnissen, wenn extreme Vorsicht ist nicht ganz das gemacht experimentellen Prozess 17.
Die hier vorgestellte Methode stellt die aktuelle optimale Ansatz zur Gewinnung von hochwertigen EEG und fMRI-Daten gleichzeitig mit Hard-und MR-Pulssequenzen, die überall erhältlich sind, zusammen mit kommerziell gelieferten EEG Ausrüstung. Die Umsetzung der vorgeschlagenen Übernahme Verfahren in Verbindung mit der Verwendung von entsprechenden Nachbearbeitung Methoden, erbringt EEG und fMRI-Daten, die verwendet werden, um eine Reihe von wichtigen Fragen zu beantworten Neurowissenschaften werden kann.
Protocol
1. Vorbereiten des Versuchsaufbaus
- Vor der Ankunft des Subjekts Einrichten des EEG Anlagen in die Leitwarte, wo der Scanner Operator sitzen. Den Laptop-Computer auf die EEG-Hardware, wie in 1 gezeigt. Hinweis: alle Trigger von Peripheriegeräten und dem MR-Scanner muß Dauer von mehr als 200 us, die von der EEG-System erkannt werden müssen.
- Richten Sie den Reiz Computer; in dieser Studie, verwenden wir einen visuellen Reiz; Marker werden in den BrainVision Recorder am Anfang und am Ende eines jeden Stimulationsperiode lesen.
- Stellen Sie sicher, den Arbeitsbereich für die Aufnahme der Daten in die höchste zeitliche Auflösung vorhanden und korrekt Filter-Einstellungen eingestellt ist. Für die Mehrheit der Studien AC-Kopplung mit einem Filter von 0,016 bis 250 Hz ist optimal, obwohl DC-Kopplung oder eine höhere (1 kHz) Tiefpassfilter erforderlich sein, wenn extrem niedrige oder hohe Frequenz neuronale Signale von Interesse sind werden, beziehungsweise.
- Überprüfen Sie die Markierungen von der sEindoser und Stimuluspräsentation zu bestätigen, dass sie durch die EEG-System korrekt aufgezeichnet worden. Schalten Sie die Synchronisation der Scanner-und EEG-Uhren mit dem BrainVision Recorder Bedienfeld. Dann überprüfen Sie, ob die Synchronisation erfolgreich war, wenn die Einrichtung korrekt ist das grüne Symbol und "Sync On" dot erscheint.
- Richten Sie den MR-Scanner in der herkömmlichen Art und Weise, hier sind wir mit der Körper-HF-Spule und einem 32-Kanal-Kopf erhalten HF-Spule. Wenn möglich, ist es am besten, einen kopfgroßen Sendespule verwenden, um das Risiko von HF-Erwärmung des EEG-Haube und die zugehörigen Kabel minimieren. Doch bei den meisten Scannern kann der Kopf Sendespule nicht in Verbindung mit einer Multi-Element-Empfänger-Spule, die zu einer suboptimalen up für den Erwerb von fMRI-Daten (insbesondere parallele Bildgebung Speed-up ist nicht möglich) gesetzt führt verwendet werden. Wir verwenden diese spezifische Kopf Empfangsspule, weil es einen Zugang Hafen, der die Kabel von der EEG-Haube, um entlang eines geraden Weges laufen aus dem sc ermöglicht beinhaltetanner.
- Sicherstellen, dass die MR-Sequenzen ausgeführt werden soll eingerichtet werden. Die fMRI Sequenz müssen eine Scheibe TR, die ein Vielfaches des EEG Taktperiode (200 us) ist. Bei Verwendung eines Philips MR-System von Philips Timing-Rechner kann verwendet werden, um die mögliche Slice und TR Kombinationen bestimmen.
- Machen Sie eine Endkontrolle, dass alle Geräte ist die Aufnahme, wie erwartet.
2. Betreff Ankunft
- Stellen Sie das Thema mit sauberem Haar und das Tragen komfortabel, nicht-metallische Kleidung gelangen.
- Erklären Sie dem Thema der Zweck des Experiments und was passieren wird.
- Stellen Sie das Thema zum Ausfüllen von Formularen, die verwendet werden, um festzustellen, dass es keine Gegenanzeigen für MRT-Untersuchungen sind und dass die betreffenden Zustimmungen auf die Teilnahme an dem Experiment. Überprüfen Sie die Formen, bevor Sie fortfahren. In dieser Studie wurde die Zustimmung der lokalen Ethikkommission eingeholt wurde und alle Probanden gaben Einwilligung.
- Messen Sie den Kopfumfang und wählen Sie die Appropriately große Kappe (dh die kleinste verfügbare Kappe, die größer als der Kopfumfang ist). Setzen Sie die Kappe auf dem Kopf beginnend an der Vorderseite des Kopfes und rückwärts ziehen. Positionieren Sie den Deckel richtig ist, daß Cz-Elektrode auf halbem Weg zwischen dem Nasion und inion gelegen und auch mittig links-rechts.
- Verbinden Sie die Elektroden auf den Kopf von: Bewegen Haare aus dem Weg, die Anwendung Alkohol und dann Abralyte Gel. Bringen Sie die EKG-Elektrode an der Basis des Rückens mit einem Verfahren ähnlich dem für die Kappe Elektroden verwendet. Diese Elektrode wird verwendet, um den Herzschlag zu messen. Die Positionierung an der Unterseite der Rückseite ist empfehlenswert, das Signal-Rausch der R-Zacke in dem EKG-Kurve sowie unter Komfort zu maximieren.
- Die Arbeit an den Kontakten, um die Impedanzen der Elektroden auf dem Kopf auf weniger als 10 kW (ohne den Widerstand der inneren Widerstände in jeder Elektrode) zu reduzieren. EKG und EOG Widerstand kann höher sein, als die Signale stärker und gute Conne sindctions kann schwer zu erreichen sein, sondern muss unter 50kOhm gehalten werden.
- Überprüfen Sie die EEG-Daten-Qualität ist zufriedenstellend durch visuelle Inspektion der Daten auf dem Bildschirm.
3. Recording Außerhalb der MR Scanner
(Optional: Nur erforderlich, wenn Sie EEG Data Quality von innerhalb und außerhalb der MR Scanner vergleichen möchten)
- Richten Sie die Präsentation Apparate und Geräte außerhalb des EEG-Scanner (in einem Ort, wo das Magnetfeld ist niedrig). Stellen Sie sicher, dass das Setup so ähnlich wie möglich zu, dass im MR-Scanner (insbesondere das Thema sollte in Rückenlage und ein ähnlicher Prozess von Stimulus Präsentation verwendet werden soll) verwendet wird.
- Führen Sie das Experiment und notieren Sie die Daten in einer ähnlichen Weise, dass das Innere des Scanners (siehe Abschnitt 4).
4. Einstellen Betreff up im MR-Scanner
- Stellen Sie das Thema zu sitzen, während der Einrichtung des EEG equipment im MR-Scanner Raum.
- Nehmen Sie den Verstärker in den abgeschirmten Raum und legen Sie sie auf einem Tisch an der Rückseite des Scanners. Befestigen Sie den Verstärker an eine lange Glasfaserkabel. Übergeben Sie die Glasfaserkabel durch den Wellenleiter und befestigen Sie es an der BrainAmp USB-Adapter in der Leitwarte (Abbildung 1).
- Registrieren Sie den Patienten im MR-Scanner Patienten-Datenbank.
- Nehmen Sie das Thema in den Raum und sie bitten, auf das Scanner-Bett liegen.
- Geben Sie den Betreff Ohrstöpsel, Kopfhörer und Ruftaste, und sicherzustellen, dass sie bequem sind.
- Legen Sie den Kopf Spule über dem Kopf der Person. Die EEG-Kabel müssen den Kopf Spule auf dem kürzesten Weg zu verlassen. Jetzt Pad Kopfes des Subjektes zu minimieren Kopfbewegung.
- Verschieben Sie das Motiv in den Scanner Bohrung, um sicherzustellen, dass Elektroden Fp1 und Fp2 bei lsozentrum des MR-Scanners in z-Richtung sind. Dies wird normalerweise durch Ausrichten dieser beiden Elektroden mit dem Licht, das verwendet wird, um t Position erreicht ister unterliegt, bevor sie in die Bohrung.
- Befestigen Sie die EEG-Haube an den Verstärker an der Rückseite des Scanners. Stellen Sie sicher, dass es keine Drahtschlaufen in den EEG-Ableitungen (da diese auf HF-Erwärmung führen kann und auch dazu führen, größere EEG Artefakte induziert werden), und dass die Verkabelung vom MR-Scanner Vibrationen so weit wie möglich isoliert, hier benutzen wir einen freitragenden Balken , diese Isolation zu erreichen.
5. Aufnahme im Inneren des Scanners
- Sprechen Sie das Thema aus der Konsole Zimmer, um zu bestätigen, dass sie die Scanner-hören und sind OK.
- Eine zweite Experimentator startet die EEG Überwachung, Prüfung für laute Elektroden in den Spuren, sowie für den grünen "Sync On" Punkt am unteren Rand des Bildschirms.
- Die klare Wirkung der Kryo-Pumpen auf der Aufnahme zu sehen ist (siehe Abbildung 2). Schalten Sie deshalb diese Pumpen während der Datenerfassung, nach Hersteller-Vorgaben.
- Stellen Sie den Gegenstand an den Kopf von einem sma bewegenll Menge. Die Bedeutung der Beibehaltung der Kopf immer noch von den großen Spannungen in der EEG-Aufzeichnung gesehen werden, die sich aus kleinen Kopfbewegungen.
- Testen Sie die Aufzeichnung der neuronalen Aktivität, indem er das Thema zu öffnen und schließen die Augen. Suchen Sie nach occipital Alpha-Aktivität. Hiermit wird geprüft, ob Sie Messung physiologischer Signale statt Lärm. Wenn ein Alpha-Signal nicht über ein Thema (die auftritt, in einigen Fächern) zu sehen ist es möglich, für die neuronale Aktivität, indem Sie einen kurzen Lauf der experimentellen Paradigma ohne die MR-Scanner laufen zu testen und für die gemittelten evozierten Potenzialen zu suchen.
- Der Puls Artefakt kann deutlich in den Rohdaten (siehe Abbildung 2), insbesondere auf den Elektroden über die Tempel zu sehen. Verwenden Sie die EKG-Kurve, um dieses Artefakt in Echtzeit unter Verwendung RecView (oder in der Nachbearbeitung Softwarepaketen) zu korrigieren.
- Sobald jeder MRT-Untersuchung beginnt die Gradienten werden große Artefakte in den EEG-Daten führen.
- When die fMRI Experiment ist startbereit, - mit dem Reiz Präsentationssystem in einem betriebsbereiten Zustand - dann beginnen die Speicherung der EEG-Daten mit den folgenden Schritten gezeigt.
- Starten Sie nun das Experiment, die Überprüfung, dass die Marker aus dem Stimulus Präsentation und des MR-Scanners in BrainVision Recorder gesehen werden kann. Hier der Reiz besteht aus einer Full-Feld radial Schachbrettmuster bei 100% Kontrast. Die Umkehrung beträgt 2 Hz, so dass eine evozierte Reaktion wird alle 500 ms und ein Marker in der EEG-Datei bei jedem Bild platziert Umkehrung auftreten.
- Das EEG Datenqualität zu sein scheinen sehr schlecht, aber es kann aufgeräumt werden, entweder on-line in RecView oder bei der Nachbearbeitung. Um für den Gradienten Artefakt Korrektur, ohne die Aufnahme von neuronalen Signalen funktioniert, muss der Stimuluspräsentation nicht auf die TR gesperrt werden und die Frequenz der Impulse Wiederholung muss nicht gleich der Scheibe Wiederholungsfrequenz.
- Gradient Artefakt Korrektur muss ou durchgeführt werdent vor Puls Artefakt-Korrektur (siehe Abbildungen 3 und 4). Die Daten können dann segmentiert werden nach Stimuluspräsentation und analysiert mit zahlreichen Techniken, die einfachste davon ist für die Untersuchung von evozierten Reaktionen Mittelung (siehe Abbildung 6).
6. Debriefing der Betreff
- Sobald der Scanvorgang abgeschlossen ist, nehmen Sie das Thema aus dem Scanner und ihnen helfen, um aus dem EEG-Haube.
- Erlauben Sie ihnen, ihre Haare zu waschen.
- Sie sind jetzt frei, zu gehen.
7. Aufräumen am Ende des Experiments
- Packen Sie das EEG Ausrüstung wie von Ihrem Labor erforderlich. Wenn der MR Hersteller erfordert, stellen Sie sicher, dass die Synchronisation Hardware am Ende jeder Sitzung wird unplugged und nicht links an der Scanner-Elektronik.
- Schließlich muss die EEG-Haube gereinigt werden. Um dies zu tun, genießen Sie die Kappe in Wasser (in der Regel ca. 5 min)oder ein Wasser-und Desinfektionsmittel-Gemisch (das Desinfektionsmittel sollte nach relevanten Erreger-Spektrum und Desinfektionsmittel Empfehlung der Kappe Hersteller ausgewählt werden. Belichtungszeit und Desinfektionsmittelkonzentration müssen die Richtlinien der Hersteller des Desinfektionsmittels zu folgen.). Dann mit einer Zahnbürste zu reinigen weg Restgel. Es ist sehr wichtig, um die Kappe vollständig zu reinigen, um die ordnungsgemäße Durchführung der Kappe zu gewährleisten, wenn anschließend verwendet.
8. Analyse
- Hier Echtzeit EEG-Analyse nachgewiesen wurde, aber es ist auch möglich und in der Regel wünschenswert, Nachbearbeitung der EEG-Daten. Dies kann in einer Reihe von Analyse-Pakete wie Brain Products Analyzer 2 oder EEGLAB erfolgen.
- Gradient und Puls Artefakt Korrektur kann unter Verwendung einer Vielzahl von Methoden, wie zum Beispiel: Durchschnitt Artefakt Subtraktion 18,19 (allgemein für Gradienten Korrektur verwendet und oft für Puls Artefakt Korrektur verwendet), Independent Component Analysis 20,21 22 (für Impuls-Artefakt-Korrektur).
- Die Daten können dann in dem Zeit-oder Frequenzbereich analysiert werden, um bei evozierten Reaktionen und laufende Oszillationen zu suchen.
- Hier verzeichneten wir die EKG-Kurve mit der Brain Products System so um die notwendigen Informationen für Puls Artefaktkorrektur erhalten. In der Standard-Einstellungen der EKG-Kurve mittels einer speziellen Elektrode auf der Rückseite des Subjekts platziert aufgezeichnet. In unserem Labor verwenden wir auch ein Nicht-Standard-Lösung, die einen vectrocardiogram beschäftigt, um die Herz-Spur erzeugen (diese Lösung ist nur verfügbar, mit dem Philips physiologischen Kontrolleinrichtungen). Wir haben festgestellt, kann dies sinnvoll sein, wenn eine saubere Spur nicht erhalten werden unter Verwendung der herkömmlichen EKG-Set-up werden.
Representative Results
Abbildung 3 zeigt die Signalqualität zu erwarten, wenn kein Artefakt Korrektur durchgeführt worden ist. Es ist klar, dass jede neuronale Aktivität verdeckt wird. 3C zeigt, dass der Gradient Artefakt bei bestimmten Frequenzen, die Oberschwingungen der Frequenz Scheibe Akquisition sind in der fMRT-Sequenz, die den gesamten Frequenzbereich der Aufnahme auftritt. Abbildung 4 zeigt den Puls Artefakt Welches ist enthüllt, sobald die Steigung Artefakt entfernt wurde mit der Nachbearbeitung Methode der mittleren Artefakt Subtraktion in Analyzer 2 (Version 2.0.2). Es ist klar, dass es einen beträchtlichen räumlichen Variation des Artefakts und O1, einen der Kanäle von Interesse für diese visuelle Experiment zeigt eine besonders große Puls Artefakt. Dieses Artefakt eine niedrigere Frequenz aufweist als der Gradient Artefakt (überwiegend unter 10 Hz - 4C) und ist mit der Herzaktivität verbunden 5 zeigt. das EEG Datenqualität, die nach Steigung und Puls Artefakt Korrektur erreicht werden kann, hier der Puls Artefakt korrigiert wurde mit durchschnittlich Artefakt Subtraktion in Analyzer 2 und den R-Zacken des kardialen Wellenform wurden aus der EKG-Kurve erfasst. Es ist klar, daß die Amplitude der verbleibenden Signale wesentlich kleiner sind und daher neuronale Signale nicht mehr verdunkelt, wie durch die hervorgerufenen Reaktionen in den 6 und 7 erhalten wurden. Fig. 6 zeigt eine typische evozierten Reaktion durch Mittelung über alle 300 Stimuli produziert. Allerdings kann die Variabilität dieser Reaktion über die Blöcke in Abbildung 7 zu sehen ist, und es ist diese natürliche und unvorhersehbaren Schwankungen in neuronalen Reaktionen, die verwendet werden, um Korrelationen zwischen den BOLD-und EEG-Antworten zu verhören, wenn gleichzeitige Aufnahmen durchgeführt worden kann.
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Abbildung 1. Eine schematische Darstellung der Set-up des EEG Ausrüstung und die Verbindungen zwischen Hardware, wie im Protokoll beschrieben erforderlich. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 2. Fourier-Transformation des Signals auf einem liegenden Patienten noch mit den Kryo-Pumpen (rot) und ausgeschaltet (schwarz) für einen repräsentativen Kanal (P7) gesammelt zu verwandeln.
4 Zehn Sekunden der EEG-Daten auf 16 verschiedenen Kanälen während der gleichzeitigen MRI nach Gradienten Artefakt Korrektur mittels AAS auf 16 Kanäle (A) gezeigt, aufgezeichnet;. Sich auf 5 Sekunden von Daten von Oz (B) mit dem zugeordneten Fourier-Transformations-(C Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 5. Ten Sekunden von EEG-Daten aufgezeichnet am 16 verschiedene Kanäle während der gleichzeitigen fMRI gezeigt, nach Steigung und Puls Artefakt Korrektur mittels AAS (A); Fokussierung auf 5 Sekunden Daten von Oz (B); mit der zugehörigen Fourier-Transformation (C). Klicken Sie hier zur Ansicht größere Abbildung .
Abbildung 6. Durchschnittliche EEG evozierte Potentiale (300 Mittelwerte) für die Kanäle 01 und 02 (links) und zugehörige topographische Karte für das P120 (rechts).
Abbildung 7. Variation der evozierten Reaktion über die Blöcke für Kanal O1 (Antworten wurden innerhalb von 30 sec Blöcke gemittelt).
Discussion
Allgemeine Hinweise Da die physikalische Layout aller Scanner Zimmer ist anders wir erkennen, dass Sie möglicherweise nicht in der Lage, Ihre EEG Verstärker außerhalb der Bohrung des Magneten zu positionieren. In diesem Fall wird ein guter Kompromiss ist der Verstärker auf einem dicken Gummiauflage so zu platzieren, um sie aus dem Scanner Vibrationen so viel wie möglich zu entkoppeln. Wenn Sie feststellen, dass der Gradient Artefaktkorrektur nicht gut funktioniert, dann überprüfen Sie die Zeiten zwischen Volumen oder Slice-Marker, wie es wahrscheinlich ist, in diesem Fall, dass die TR, die Eingabe für den MR-Konsole ist nicht gerade die TR, die erzeugt wird . In diesem Fall müssen Sie die entsprechende MR Scanner-Hersteller, um weitere Unterstützung zu kontaktieren.
Die wichtigsten Schritte im Prozess der EEG Datenerfassung bei gleichzeitiger fMRI sind diejenigen getroffen werden, um sicherzustellen, dass alle externen Lärmquellen wurden minimiert (zB cyrocooler Pumpen und Vibration des EEG-Ausrüstung). Um allow optimalen Gradienten Artefaktkorrektur ist es wichtig, sicherzustellen, dass die EEG-und MR-Scanner synchronisiert sind, ist die Scheibe TR ein Vielfaches der Taktperiode Scanner und daß das Problem der optimalen Position befinden. Um die optimale Puls Artefaktkorrektur viele Techniken erfordern eine saubere kardialen Ablaufverfolgung, aus dem R-Peaks detektiert werden kann, empfehlen wir, dass dies am besten erreicht werden kann, mit einem VCG, es ist aber auch mit einem gut positioniert EKG möglich. Bei Verwendung des EKG dann empfiehlt es sich, diese an der Unterseite der Rückseite, um auf das Signal-Rausch-Verhältnis der R-Spitze mit dem zusätzlichen Vorteil, da dies ein einfacher Site als eine Position nahe dem Herzen 23 zugreifen zu maximieren. Positionierung der EKG-Ableitung auf der Brust Ergebnisse in Bewegungsartefakte durch Atmung an die Spur von dieser Führung sowie das Verursachen des Gradienten Artefakt zu variieren im Laufe der Zeit hinzugefügt. Dies kann in der Trace-Sättigung und / oder Gradienten Artefaktkorrektur führen nicht Arbeiten durch Vorlage Variabilitätund wird daher nicht empfohlen.
General Discussion EEG-fMRI ist ein leistungsfähiges Werkzeug für das Studium Gehirnfunktion, wie die hohe zeitliche Auflösung der EEG kann mit der hohen räumlichen Auflösung der fMRT kombiniert werden. Bisher wurden eine Reihe von Studien dieses multimodale Ansatz verwendet werden, um ein besseres Verständnis der Funktion des Gehirns zu gewinnen. EEG-fMRI hat bei gesunden Probanden angewendet wurde, um die Korrelation zwischen schwingenden Rhythmen (gemessen mit EEG) und Blutoxygenierung Antworten (mit BOLD fMRI) zB 2,3 untersuchen. Es wurde auch verwendet, um zu untersuchen, ob Merkmale der evozierten Signal kann die Varianz in der BOLD-Signal auf einer trial-by-probeweise 4,5 erklären. In klinischen Studien der wichtigste Einsatz der Technik war es, die Herde interiktalen epileptischen Entladungen, die von Natur aus schwierig, nicht-invasiv zu lokalisieren 6,7 sind zu untersuchen. Diese Beispiele zeigen, die Macht dieser multimodalen Bildgebunging-Tool. Um jedoch die Untersuchung solcher Phänomene ermöglichen, ist es wichtig, den Zugriff auf die bestmögliche Qualität der EEG-und MRI-Daten. Um dies zu erreichen im MR-Scanner ist es wichtig, die beste experimentelle Aufbau und auch die am besten geeignete Analysemethoden zu wählen. Die optimale Analyseverfahren hängt in gewissem Umfang von der Fragestellung von Interesse ab, was für die Korrekturverfahren zum Entfernen von Artefakten eingesetzt. Beispielsweise kann die Größe und die Anzahl von Bewegungen, die während der Aufzeichnung stattgefunden haben ermitteln die effektive Kombination von Algorithmen zur Entfernung des Gradienten Artefakt. Allerdings ist die optimale Versuchsanordnung des EEG und fMRT Hardware relativ unabhängig von bestimmten Fragestellungen. Die hier aufgeführten Richtlinien sind daher von allgemeinem Wert und kann in Experimenten mit verschiedenen EEG-und MR-Scanner-Hardware als wir es gewohnt folgen.
Hier haben wir die Akquisition Methoden, die Schulter gezeigtd gefolgt, um qualitativ hochwertige EEG und fMRI-Daten zu erwerben. Wir benutzten einen visuellen Reiz auf einem bisher eingesetzten Stimulus Paradigma 24 basiert. Jedoch können die gleichen Techniken für die Datenerfassung unabhängig von dem Paradigma verwendet, um die Gehirnaktivität von Interesse zu stimulieren angewendet werden. Bei der Wahl Paradigma ist zu beachten, dass die Qualität der EEG-Daten, die erzielt werden, wenn die Aufnahme im MR-Umgebung mit den Techniken, die derzeit für die Nutzer (und hier beschrieben) noch legen einige Beschränkungen für die Aktivität des Gehirns, die untersucht werden können, können sein: gibt es besondere Schwierigkeiten bei der Aufzeichnung in EEG-Aktivität gering (<5 Hz) und hochfrequenten (> 80 Hz), wo Bands Restpuls und Gradienten Artefakte befinden. Zusätzlich ist zu beachten, wenn die Wahl der Paradigma so dass die Möglichkeit der Bewegung des Subjekts im Zusammenhang mit der Aufgabe, minimiert wird. Dies ist ein Problem, weil Bewegungsartefakte in den EEG-Daten oft schwer richtig und kleine Artefakte könnenschwierig, klar zu identifizieren, auch wenn sie vielleicht noch neuronale Signale dominieren. Diese Bewegungsartefakte können störende, aber plausiblen Korrelationen mit der fMRI-Daten 17 verursachen.
Post-processing Methoden zur simultanen EEG-fMRI sind zahlreich und als solche ihre Diskussion würde den Rahmen dieser Arbeit. Wie bereits erwähnt, die Steigung und Puls Artefakt kann mit Hilfe einer Reihe von Techniken, die durchschnittlich 18,19 Artefakt Subtraktion, Independent Component Analysis 20,21 umfassen soll, setzt optimale Basis 22 und 25 Strahlformern. Oft ist eine Kombination dieser Methoden 23. Mai eingesetzt werden und die Leistung der Methoden ist abhängig von Faktoren, wie der magnetischen Feldstärke und dem Paradigma. Die optimale Nachbearbeitung Methoden für eine bestimmte Studie wird auch auf die Signale aus den Daten extrahieren abhängen, ob diese schwingende Rhythmen oder evozierte Potentiale sind, können einen Einfluss auf die po habenst-Verarbeitung eingesetzten Methoden.
Zwar gibt es erhebliche laufende Forschung Targeting verbesserte Datenerfassung und Analyse-Methoden zur simultanen EEG-fMRI, ist es bereits möglich, mit Hilfe der hier beschriebenen Techniken, um wichtige Fragen, die Neurowissenschaften die Kombination der hohen räumlichen Auflösung der fMRT und erfordern beantworten exzellente zeitliche Auflösung der EEG.
Disclosures
Die Produktion dieser Artikel wurde von Brain Products GmbH gesponsert. Pierluigi Castellone ist Mitarbeiter von Brain Products GmbH, die einige Instrumente und Software in diesem Artikel verwendet produziert.
Acknowledgments
Wir möchten Brain Products GmbH für die Bereitstellung ihrer Ausrüstung, Know-how danken und helfen bei der Herstellung dieser Arbeit. Wir würden auch gerne Glyn Spencer, University of Nottingham, in die Unterstützung bei der Produktion des Videos danken. Wir danken auch Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC), EP/J006823/1 und University of Nottingham für die Finanzierung dieser Forschung.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3T MR scanner | Here we use a Philips Achieva but any MR scanner should work. | ||
| BrainVision Recorder | Brain Products GmbH | BP-00010 | 1st License item |
| BrainVision RecView | Brain Products GmbH | BP-00051 | basis module |
| BrainAmp MR plus | Brain Products GmbH | BP-01840 | single amplifier |
| BrainAmp USB Adapter | Brain Products GmbH | BP-02041 | BUA64 |
| SyncBox | Brain Products GmbH | BP-02675 | SyncBox complete |
| Fibre Optic cables and USB connectors | Brain Products GmbH | BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2 Cable) | These come with the above listed equipment. |
| BrainCap MR | EASYCAP GmbH | BP-03000-MR | 32 channel EEG cap for use in MR |
| Abralyte 2000 conductive Gel | Brain Products GmbH | FMS-060219 | Conductive and abrasive gel to connect electrodes to scalp |
| Isopropyl Alcohol BP | Brain Products GmbH | FMS-060224 | To be applied before Abralyte Gel. Isopropylalcohol 70% (60 ml)-for degreasing the skin |
| Cotton tipped swab | Brain Products GmbH | FMS-060234 | For application of Abralyte and Isopropyl Alcohol. Cotton Swabs Non-sterile, 100 pieces |
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