Summary
本文介绍了一种对儿童友好的研究方案, 旨在通过减少小儿脑磁图 (MEG) 过程中的头部运动来提高数据质量。我们让家庭熟悉 MEG 环境, 训练孩子们仍然使用 MEG 模拟器, 并使用实时头部运动检测系统纠正残留的头部运动文物。
Abstract
磁脑电图 (MEG) 是一种非侵入性神经成像技术, 它直接测量人脑电活动产生的磁场。与磁共振成像 (MRI) 相比, MEG 是安静的, 不太可能诱发幽闭恐惧症。因此, 它是调查幼儿大脑功能的一个很有希望的工具。然而, 对来自儿科人群的 MEG 数据的分析往往由于头部运动的文物而变得复杂, 这些文物是由于需要一个空间固定的传感器阵列而产生的, 而传感器阵列并没有贴在孩子的头部上。在 MEG 会议期间最大限度地减少头部移动可能特别具有挑战性, 因为幼儿在实验任务中往往无法保持静止。这里介绍的协议旨在减少头部运动文物在儿科 MEG 扫描。在参观 MEG 实验室之前, 向家庭提供了以简单、易于使用的语言解释 MEG 系统和实验程序的资源。举办了一个 MEG 熟悉课程, 期间儿童们既熟悉研究人员, 也熟悉 MEG 程序。然后, 他们被训练保持他们的头保持静止, 而躺在 MEG 模拟器。为了帮助孩子们在新的 MEG 环境中感到安心, 所有的程序都是通过太空飞行任务的叙述来解释的。为了最大限度地减少由于不安, 儿童接受训练和评估使用的乐趣和引人入胜的实验范式。此外, 在数据采集过程中, 使用实时头部运动跟踪系统对儿童剩余头部运动文物进行补偿。实施这些对儿童友好的程序对于提高数据质量、最大限度地降低纵向研究中的参与者自然减员率以及确保家庭具有积极的研究经验十分重要。
Introduction
磁脑电图 (meg) 是一种非侵入性的功能性神经成像技术, 它测量人脑电活动 1,2产生的磁场。由于大脑源和传感器之间缺乏从生物组织中涂抹信号, MEG 与脑电图 (EEG) 相比具有出色的时间分辨率和优越的空间分辨率。此外, MEG 不涉及暴露在巨大的噪音、辐射或磁场中。设置时间很快, 参与者可以在整个测试过程中由父母或照顾者陪同。总之, 这些特征使 MEG 成为调查幼儿正常和非典型大脑功能发展的一个很有希望的工具.
为了使用 MEG 测量大脑的反应, 研究参与者必须将他们的头插入头盔, 里面有固定的超导传感器阵列。至关重要的是, 参与者在整个 MEG 记录过程中保持头部静止, 因为相对于传感器的头部位置变化既会降低神经磁信号的分布, 又会阻碍准确的源估计。源估计不准确不可避免地导致源电源、功能连接和网络分析方面的统计推断不准确3。
在儿科 MEG 评估期间, 由于多种原因, 最大限度地减少头部运动可能特别具有挑战性。首先, 在成人 MEG 系统中评估幼儿是有问题的, 因为儿童的头部比成人小很多, 头盔和孩子头皮之间的空间增加可以不受限制的头部运动。其次, 新颖的 MEG 环境--一台锁在无窗磁屏蔽室内的大型机器--对幼儿来说可能是一种恐吓, 头部运动可能是焦虑的结果。第三, 如果没有培训, 儿童可能无法完全理解或遵守在实验期间保持静止的要求。最后, 那些能够忍受无聊的孩子们可能会发现, 一些 MEG 实验需要的时间太长或很乏味, 导致烦躁和头部运动的文物。
为了应对儿科 MEG 研究中头部运动的长期挑战, 本文介绍了在 KIT-Macquarie 大脑研究实验室使用的对儿童友好的 MEG 协议中实施的最新硬件和方法方面的进展。麦格理大学, 澳大利亚悉尼)。正如本实验室以前的一篇论文所概述的, 使用宽松的成人大小的头盔变形所涉及的问题已经通过安装世界第一的全头儿科 meg 系统和定制头盔 dewar 来解决, 以更好地适应大约3至6岁的幼儿的头。这种硬件适应提高了信噪比, 因为传感器在物理上平均接近孩子的头皮5,6。最近, KIT-Macquarie 大脑研究实验室开发了几个新的和新颖的程序, 以克服上述头部运动的前因, 从而提高数据质量。
本议定书中的所有程序都通过儿童参与者积极参与 "航天员空间飞行任务" 的叙述加以解释。这种叙述确保了孩子的 MEG 研究经验不仅不那么可怕, 而且令人兴奋。将这些程序纳入对儿童友好的 MEG 议定书对于提高数据质量、最大限度地降低纵向研究中的参与者自然减员率以及确保家庭在参与研究方面有积极的经验十分重要。
Protocol
这一研究协议已得到麦格理大学人类研究伦理委员会的批准。
1. MEG 熟悉资源
- 在参观 MEG 实验室之前, 为家庭提供了解 MEG 的资源, 例如解释 MEG 和 MSR 的对儿童友好的科学文章 7, 这是一个故事板, 详细说明了完成 MEG 实验所涉及的步骤 (例如, 补充图 1和针对父母或照顾者的 MEG 信息表 (例如,补充图 2)。
2. MEG 熟悉会议
请注意:熟悉情况课程通常持续 30分钟, 包括介绍 MSR (5分钟)、练习数字化 (5分钟) 和 MEG 模拟器培训, 包括实验任务练习 (20分钟)。在数据采集前1至7天之间进行熟悉会议。
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MSR 简介
- 带着孩子参观在与空间有关的墙体艺术中装饰的 MSR ("飞船"), 以加强太空任务的主题。
- 让孩子练习在头盔里头向后躺着。
- 告诉孩子尽可能安静地躺着, 这样飞船就能保持航向, 到达最终目的地。
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数字化：
- 让孩子坐在高脚椅上, 给他们装上一个聚酯泳帽 ("航天员头盔"), 里面有五个标记线圈。通过折叠两侧来调整宽松的瓶盖。请注意:线圈将数据发送到连续运动跟踪单元。
- 在孩子的脖子上放置一个发射机和三个接收器。
- 让孩子展示他们最好的 ' 雕像 ' 姿势, 在他们保持安静的时候, 经常提供积极的强化。
请注意:这有助于最大限度地减少数字化过程中的头部移动, 这可能会影响随后与 MEG 传感器8的协配精度。 - 使用笔数字化器 (见材料表) 记录三个基准点 (nasion 和左、右耳前点) 和五个标记线圈的位置, 以及头部表面的形状。注: 此数据用于以后确定儿童头部相对于 MEG 传感器的位置。
- 从孩子的脖子上取下瓶盖、发射机和三个接收器。
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MEG 模拟器:
- 带孩子到 MEG 模拟器所在的房间 (参见材料表和补充图 1中的步骤9和 10), 这是 meg 系统的全尺寸副本。MEG 模拟器装饰有以空间为主题的贴纸, 并配备了模拟头盔德瓦尔, 一张床, 一个按钮盒, 并为视觉显示, 一个屏幕位于模拟德瓦尔上面
- 通过练习空间飞行任务的叙述, 简要描述 MEG 扫描程序 (即静止躺着并参与实践实验任务)。
- 给孩子安装 "宇航员头盔"--聚酯泳帽, 前面有一个运动探测器 (见材料表)。
- 邀请孩子躺在模拟器里, 看自己选择的视频。如果孩子显得紧张, 首先用玩具演示实验程序。
请注意:每当孩子的头部移动超过预先确定的阈值 (例如, 5 毫米) 时, 运动跟踪系统 (参见材料表) 将自动暂停视频, 并等待实验人员手动重新启动视频并恢复运动基线。 - 当孩子完成模拟器培训的这一部分时, 使用一组单独的独特刺激为孩子提供实验任务的培训。
- 在任务训练结束时, 为孩子提供航天员培训证书。
3. MEG 数据采集时段
请注意:数据采集会话通常持续大约 30分钟, 包括数字化 (5分钟)、在 MSR 内部设置参与者 (5分钟) 和数据采集 (大约 20分钟, 具体取决于实验范式的长度)。
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初步程序
- 在孩子到达前大约15分钟进行30次到60秒的空室记录, 以识别 MEG 系统8检测到的任何重大外部噪音。
- 当孩子到达时, 确认他们的衣服上没有任何磁性材料, 也没有在体内携带任何磁性材料, 因为磁性材料会扭曲 MEG 信号 (见图 1b 中的一个信号噪音示例)。参与者)。
请注意:如果父母或照顾者希望陪同他们的孩子进入 MSR, 去除磁性材料也适用于他们。
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数字化
- 检查孩子是否需要在开始数字化之前上厕所, 因为一旦数字化步骤完成, 在 MEG 采集会话完成之前, 无法卸下上限。
- 重复上面 "MEG 熟悉会议" 一节中概述的数字化过程。
请注意:如果在实验过程中瓶盖移动超过5毫米, 则在实验结束时进行第二次数字化处理
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MSR 设置
- 带孩子去 MSR ("太空船")。
请注意:这一程序需要两名研究人员--一名作为 "助理研究人员" 陪同儿童进入 MSR (如有需要, 与父母或照料者一起), 另一名作为 "主要研究员" 在 MSR 之外运行 MEG 数据采集。MSR 设置通常需要5分钟。 - 在 MSR (助理研究员) 内设置设备
- 让孩子把头放进头盔里。
- 检查孩子的头是中央对齐的, 这样头冠就尽可能靠近头盔的后部, 而不碰。
- 确保孩子舒适、放松, 并在 MEG 录制过程中尽可能保持静止。
- 在设置过程中, 通过在德瓦尔上方的屏幕上播放自己选择的视频, 让孩子保持娱乐。
- 在 MSR 之外设置设备 (主要研究员)
- 进行实验前基线标记线圈测量, 以记录与头盔脱埋有关的初始头部位置。
- 使用初始标记线圈测量和数字化头部形状数据, 在孩子的头部和传感器阵列之间进行共配。
请注意:这些准备测量使人们能够对德瓦尔内的头部位置进行目视检查, 以确保孩子的头部被正确定位。如果不符合这些条件, 请重新定位儿童, 并在开始数据采集之前进行另一次共同登记。
- 带孩子去 MSR ("太空船")。
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数据采集
- 一旦对头盔的头部位置感到满意, 就开始 MEG 记录和实验任务。
- 记录正在进行的头部运动与儿科 MEG 软件系统称为实时头部运动 (ReTHM)9。
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结束实验
- 实验任务完成后, 关闭 ReTHM 并结束 MEG 录制。进行实验后标记线圈测量, 以测量头盔的最终头部位置。
请注意:这种测量提供了一个简单的视觉检查的整体头部运动在实验期间。 - 为孩子的参与提供一个礼品袋 ("航天员包"), 并为他们的时间和旅费向家人支付报酬。
- 实验任务完成后, 关闭 ReTHM 并结束 MEG 录制。进行实验后标记线圈测量, 以测量头盔的最终头部位置。
Representative Results
常见的磁脑电图信号
常见的 MEG 信号显示在图 1中, 包括一个正常的 meg 信号 (图 1a), 以及由于参与者上的金属而产生的 meg 信号噪声 (图 1b), 在这种情况下, 打开传感器, 打开 msr 门, 然后要求参与者从体内取出任何金属, 然后将金属物体从 MSR 中取出, 并在重复第3.5 节概述的程序之前进行自动调整;来自电子设备的干扰 (图 1c,最常见的是来自移动电话), 在这种情况下, 关闭任何电子设备或将其移离 msr;咬合的下巴 (图 1d), 在这种情况下, 提醒参与者在 meg 记录期间放松下巴;α波 (图 1e;这些波由在1秒间隔内的8到12个连续波定义), 在这种情况下, 检查参与者是否没有睡着 (如果他们是清醒的, 可以继续);和捕获的磁通量 (图 1f);在这种情况下, 请解锁传感器, 并打开线圈加热器5分钟。如果在后续自动调整后, 流量仍然存在, 请标记受影响的通道, 以便从后续数据分析中删除。
数据采集过程中的头部移动
在 ReTHM 校正前后的儿童 MEG 数据显示在图 2中。数据是从一名3岁男孩那里收集的, 他被动地听了15分钟的听觉音, 数据被解码 10分钟,带通过滤了 11 (1-15 hz), 基线校正和平均。从所有传感器计算了根均方 (RMS) 磁波形 (右列)。扫描仪头部平均运动为44.3 毫米。如图所示, ReTHM 补偿了与运动相关的文物, 从而产生了更多的焦点等场等高线图 (在 RMS 波形的峰值;(A), 双侧听觉叶中扭曲的 RMS 磁波形 (B) 和更有意义的源重建 (C)。
图 1: 常见 MEG 信号的示例.(A) 正常的 meg 信号。(B-F)由于 (b) 参与者身上的金属 (特别是单带上的小金属扣引起的噪音)、(c) 电子设备的干扰、(d) 咬合的下巴、(e) α波和 (f) 引起的 meg 信号噪声被困的磁通量。对于面板 C、E 和 F, x 轴上的时间刻度为 10秒, y 轴上的振幅刻度为 32768 A/D,请点击此处查看此图的较大版本.
图 2.实时头部运动 (ReTHM) 校正前后的儿童 MEG 数据。收集了一名3岁男孩的数据, 他被动地听了15分钟的听觉音调, 扫描仪头部平均运动为44.3 毫米. (a) 在根均方 (rms) 波形的峰值, 重点更突出的等场等高线图;(B) 在 rethm 校正后, 双侧听觉叶中的 rms 磁波形扭曲较小, (c) 源重建更有意义。请点击这里查看此图的较大版本.
补充图 1: 一个故事板, 概述完成 "航天员培训" (即 meg 实验) 的10个简单步骤。这是在参观 MEG 实验室之前发给家庭的, 目的是指导孩子们对收购环节的期望, 并为 "航天员培训" 的到来制造兴奋。在数据采集日, 孩子们跟随故事的实验的进展和收集邮票后, 完成每个步骤。经父母知情书面同意复制的照片。请点击这里查看此图的较大版本.
补充图 2:一份 MEG 信息表, 供父母或照顾者解释 MEG、MSR、数据采集日的预期和穿着。在父母知情书面同意的情况下复制的照片。请点击这里查看此图的较大版本.
Discussion
近年来, MEG 已被确立为一种有价值的非侵入性神经成像技术, 用于研究支撑大脑发育的神经机制1。然而, 在扫描仪头部运动构成了一个臭名昭著的障碍, 以获得高质量的 MEG 数据, 特别是在评估儿科人群。为了克服这个问题, 本文提出了一个儿科 MEG 研究协议, 该协议建立在 KIT-Macquarie 大脑研究实验室4的前一篇论文中概述的程序的基础上。
关键程序包括 (1) 为儿童提供 MEG 熟悉资源, 使他们能够在参观实验室之前了解 MEG 实验, 其中包括解释 MEG 系统和磁屏蔽室 (MSR), 一个故事板, 概述完成 MEG 实验的10个简单步骤 (补充图 1), 以及一份用于父母和照顾者的 meg 信息表 (补充图 2);(2) 在 MEG 获取会议之前举行熟悉情况会议, 让儿童熟悉 MEG 程序, 并接受培训, 使他们在 MEG 模拟器内保持清醒的头脑;(3) 采用被动或 "游戏化" 的实验范式, 最大限度地减少因无聊和烦躁而引起的头部运动;(4) 使用实时头部移动 (ReTHM) 系统9跟踪在线数据采集过程中的头部运动.从 ReTHM 获得的数据可用于在预处理 MEG 数据时对头部运动文物进行离线校正。
高质量 MEG 数据的获取在关键的取决于儿童在新的 MEG 环境中的安心。为了培养这种轻松感, 我们鼓励研究人员在开始数据采集之前, 花时间让儿童及其家庭熟悉 MEG 环境和程序。这可以通过向儿童及其父母提供 MEG 资源来实现, 这些资源用简单、无障碍的语言解释 MEG 程序。此外, 还可以邀请家庭在数据采集前参观 MEG 实验室, 与研究人员见面, 并练习 MEG 测试程序。通过对 MEG 模拟器的训练, 孩子们含蓄地了解到躺在 MEG 中保持头部静止的重要性。虽然熟悉 MEG 需要研究人员和家属将更多的时间用于数据收集过程, 但提高 MEG 数据质量以及尽量减少随后进行 MEG 数据的时间和费用的好处收购会话, 可以说超过了这一缺点。此外, 熟悉会议期间的业绩和合规性可用于表明儿童是否适合邀请回参加实际的 MEG 数据采集会议。
为了最大限度地减少由于不安, 扫描仪头的运动, 最好使用被动实验范式, 不需要指示, 公开关注或主动参与。例如, 可以通过听觉奇球范式12获得可靠的诱发响应, 即参与者被动地听一系列听觉音调, 同时通过无声的视频进行娱乐。对于需要公开反应的研究, 研究人员的目标应该是将实验任务嵌入到引人入胜的游戏风格范式 11中。这改善了合作, 最大限度地减少了任务期间的不安。在视觉实验中, 使用与 meg 兼容的眼动仪几乎不需要额外的设置时间, 但对于确保儿童专注于视觉刺激13的位置是必要的。
任何剩余的头部运动文物都可以使用实时头部运动跟踪进行校正。例如, 从 ReTHM 获得的数据可以存储在 MEG 记录文件中, 用于补偿数据采集过程中的头部移动, 从而将正面到传感器的定位恢复到运动前的水平, 从而实现最佳的源重建, 这对于后续的源数据分析至关重要14。
该协议的实施旨在提高儿科 MEG 数据的质量, 最大限度地降低纵向研究中的参与者自然减员率, 并确保家庭有一个愉快的 meg 研究参与体验, 总体目标是提高我们对典型和非典型人群早期大脑发育的认识。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了澳大利亚研究委员会授予 CE11000101021、DP170103148 和 DP170102407 的支持。魏河得到麦格理大学研究奖学金 (MQRF, IRIS 项目: 9201501199) 的支持。Hannah Rapaport 得到了澳大利亚政府研究培训方案和麦格理大学卓越研究奖学金的支持。罗伯特·西摩得到了英国伯明翰阿斯顿大学和澳大利亚悉尼麦格理大学博士奖学金的支持。Paul F. Sowman 得到了国家卫生和医学研究委员会 (1003760) 和澳大利亚研究委员会 (DE130100868) 的支持。作者承认与金泽理工学院和横河电气公司合作建立了 KIT-Macquarie 大脑研究实验室。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 5 marker Coil set | Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan | PQ11MKA | |
| Fastrak Digitizer – 3D | Polhemus Cochester, VT, USA | 1A0383-001 | Pen digitizer |
| Magnetoencephalography (MEG) | Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan | PQ1160C | |
| MEG simulator | Fino, NSW, Australia | ||
| MoTrack system | Psychological Software Tools, PA, USA | MTK-09314-1307 | Motion tracking system |
| Polyester caps | Speedo | N/A | product code: SPE11733.435 |
References
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