Summary
이 문서에서는 동시 EEG 및 기능성 자기 공명 영상 동안 양질의 뇌전도(EEG) 데이터를 쉽게 사용할 수 있는 의료 제품을 활용하여 획득하기 위한 간단한 프로토콜을 제공합니다.
Abstract
동시 뇌전도(EEG) 및 기능성 자기 공명 영상(fMRI), EEG-fMRI는 혈중 산소 수준 의존성(BOLD) 변화로 알려진 혈역학 적 반응을 통해 전기 전극 이벤트 중 신경 활동을 측정하기 위해 두피 EEG(양호 한현정 해상도) 및 fMRI(좋은 공간 해상도)의 보완적 특성을 결합하여 신경 활성을 측정합니다. 그것은 신경 과학 연구에 활용 되는 비 침습적 연구 도구이며 임상 커뮤니티에 매우 도움이 됩니다., 특히 신경 질환의 관리에 대 한, 적절 한 장비 와 프로토콜 데이터 수집 하는 동안 관리 되는 제공. EEG-fMRI를 기록하는 것은 명백히 간단하지만, 특히 전극을 배치하고 확보하는 올바른 준비는 안전에 중요할 뿐만 아니라 획득한 EEG 데이터의 신뢰성과 분석가능성을 보장하는 데에도 중요합니다. 이것은 또한 준비의 가장 경험이 까다로운 부분입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 데이터 품질을 보장하는 간단한 프로토콜이 개발되었습니다. 이 문서에서는 쉽게 사용할 수 있는 의료 제품을 활용하는 이 프로토콜을 사용하여 EEG-fMRI 동안 신뢰할 수 있는 EEG 데이터를 획득하기 위한 단계별 가이드를 제공합니다. 제시된 프로토콜은 연구 및 임상 환경에서 EEG-fMRI의 다양한 응용 분야에 적응할 수 있으며 경험이 부족한 작업자와 전문 운영자 모두에게 도움이 될 수 있습니다.
Introduction
기능성 자기 공명 영상(fMRI)은 전극 이벤트 중 혈액 산소 수준 의존성(BOLD) 변화를 측정하여 혈역학 반응을 통해 신경 활성의 척도를 제공한다. 동시 뇌파학(EEG) 및 fMRI(EEG-fMRI)는 두피 EEG(양호한 시간적 해상도) 및 fMRI(좋은 공간 해상도)의 시너지 특성을 결합한 비침습적 연구 도구로, EEG에서 검출가능한 전극 이벤트의 생성을 담당하는 부위의 더 나은 국소화를 가능하게 한다. 1990년대에 처음 개발되어 간질1,2에서 사용되었으며, 이후 2000년대3,4부터신경과학 연구에 사용되고 있다. EEG3,6,7,8,9,10에MRI 유도 유물의 제거를 위한 기술의안전성 5 및 지속적인 개발에 관한 지식의 증가와 함께, 현재 신경과학 및 임상연구(11)에서널리 활용되는 도구이다.
EEG-fMRI는 연구 질문에 따라 휴식 또는 작업 중에 획득됩니다. 일반적으로, 휴쉬 상태 획득은 특정 EEG 기능(예를 들어, 파형, 리듬, 주파수, 전력)의 생성에 관여하는 구조물의 식별을 허용하고 변수 자발적뇌활동(11)을이해하는 데 도움이 된다. 신경 과학 연구 및 대부분의 임상 연구의 숫자, 특히 간질에 그12,나머지에 EEG-fMRI를 취득11. 작업 기반 인수를 통해 특정 작업과 할당되거나 관련된 뇌 영역과 뇌 전기 활동을 식별할 수 있으며 작업과 관련된 전기 활동과 대뇌 영역 간의 연결을 설정하는 데 도움이 됩니다. 태스크 기반 취득은 주로 신경과학 연구11 및 일부 임상 연구에서 활용된다13. 대부분의 작업 기반 EEG-fMRI 인수는 이벤트 관련 디자인을 사용합니다. EEG 및 fMRI 데이터를 통합하는 데 사용되는 모델링 유형은작업(14)을설계할 때 효율성 또는 검출 전력을 최대화해야 하는지 여부를 결정합니다. 메논 외14 및 리우 외15,16의 연구를 참조하십시오.
EEG-fMRI 동안의 데이터 수집은 간단하게 보일 수 있지만, 준비는 경험이 까다롭습니다. 데이터 수집에 대한 적절한 준비를 안내하기 위한 프로토콜은 안전성과 수율(즉, 분석 가능하고 신뢰할 수 있는 데이터)을 모두 보장하는 데 중요합니다. MRI 유도 EEG 유물을 제거하는 다양한 기술의 존재에도 불구하고, 기록 된 EEG의 일관성없는 유물, 특히 전선및 피사체의 총 움직임의 기계 유발 진동과 관련된 유물은 여전히 완전히 제거하기 가 어렵습니다. 따라서 이러한 아티팩트는 데이터 수집 중에 최소화되어야 합니다.
이 문서에서는 쉽게 사용할 수 있는 MRI 호환 의료 제품을 활용하는 간단한 프로토콜을 제공합니다. 이 프로토콜은 EEG-fMRI 연구의 성공의 핵심인 데이터 품질, 특히 EEG 데이터의 품질을 보장하는 중요한 단계를 제공합니다. 이 프로토콜은 몬트리올 신경학회12,17의 EEG-fMRI 연구팀의 20년 경험을 바탕으로 개발되었으며, 미숙학과 전문 사업자 모두에게 혜택을 제공하는 오사카 대학에서 사용하기 위해 추가로 수정되었습니다.
Protocol
오사카대학병원 연구윤리위원회와 정보신경망센터 안전위원회(CiNET)는 의정서(오사카대학병원 승인 No.18265, 19259)를 승인했다. ciNET 승인 nos. 2002210020 및 2002120020). 모든 과목은 서면 동의서를 제공했습니다.
1. 실험 설정 준비
- MRI 호환 EEG 및 양극성 증폭기를 배터리 팩에 연결합니다(완전히 충전되었는지 확인) 및 기록 컴퓨터에 연결합니다.
- 기록 소프트웨어의 작업 영역이 올바르게 설정되어 있는지 확인합니다. 진폭 해상도를 0.5 μV로 설정하여 증폭기 채도를 방지합니다. 관심의 주파수 대역에 따라 주파수 필터를 설정합니다. 관심 있는 주파수 대역에 관계없이 샘플링 속도를 5,000Hz(이 프로토콜에 사용되는 앰프의 최대 가능)로 설정합니다.
참고: 0.5 μV의 진폭 해상도는 16.38mV의 최대 값에 해당하며, 그라데이션 아티팩트 피크가 E속도 >보다 빠른 속도로 자발적인 두피 EEG(약 10-100 μV)보다 100배 이상 진폭에 도달할 수 있다는 점을 고려하면 그라데이션 아티팩트를 기록하기에 충분합니다. 이론적으로, 샘플링 속도는 그라데이션 스위칭 스펙트럼에서 가장 높은 주파수로 적어도 두 배(Nyquist 정리)여야 하며, 고주파 그라데이션 스위칭 아티팩트를 정확하게 샘플링하고 후속 제거를 위한 각 볼륨의 그라데이션 활동의 실제개시를검출하기 위해12,18. 그러나 샘플 속도를 높이면 파일 크기가 커져 데이터 저장에 상당한 투자가 필요하며 후속 후처리가 방해가 될 수 있습니다. 동기화 장치를 사용하면 EEG와 MR 클럭 간의 동기화를 개선하기 위해 샘플 속도를 올릴 필요가 없습니다(1.4단계 참조). 5,000Hz의 샘플링 속도는 일반적인 EEG/이벤트 관련 전위(ERP) 레코딩에 적합하며, 500Hz 이하의 주파수로 데이터를 다운 샘플링하고 추가로 저패스 필터링을 포함하는 후속 아티팩트 보정 프로세스가18일존재할 수 있는 모든 고주파 그라데이션 보정 잔류를 제거하기 때문에 데이터 품질이 향상되지 않습니다. - MRI 외부에서 다른 MRI에서 EEG 획득에 필요한 레코딩 소프트웨어의 적절한 설정에 대한 자세한 내용은 설명서를 참조하십시오.
- 스캐너의 마커(즉, 기본적으로 동기화됨) 및 볼륨 트리거(기본적으로 동기화)를 위한 마커가 정기적으로 온라인 EEG 기록에 표시되는지 확인합니다. 디스플레이의 동기화는 MRI 스캐너와 EEG 클럭이 동기화됨을 나타내며 R128은 후속 후처리를 위해 볼륨 트리거가 기록됨을 나타냅니다. MRI 스캐너와 EEG 클럭은 스캐너 클럭 출력(일반적으로 10MHz 이상)을 감지하고 다운샘플을 감지하고 클럭 신호(및 동기화 마커)를 USB2 인터페이스에 출력하는 SyncBox 장치를 사용하여 동기화됩니다.
참고: USB2 인터페이스는 스캐너 클럭 신호에 잠긴 모든 앰프에서 EEG 데이터를 기록컴퓨터(18)로전송합니다. 마커에 대한 정기적인 동기화는 스캐너 전기 펄스에서 생성된 트리거로 스캐너 아티팩트 보정의 필수 조건인 MR 스캐너 속도에 의해 EEG 신호 샘플링을 동기화합니다. 볼륨 트리거는 오프라인 EEG 처리19동안 스캐너 아티팩트 보정을 위한 MR 볼륨 스캔 개시 시간을 식별하는 데 사용됩니다. - 필요와 가용성에 따라 MRI 스캐너를 설정합니다. RF 가열 위험을 최소화하기 위해 헤드 무선 주파수(RF)-코일을 전송하고 받는 것이 가장 좋습니다. 그러나, 전신이 RF-코일을 전송하고 20채널 헤드는 사용되는 스캐너(일반적으로 대부분의 현대 스캐너의 경우)에 헤드 코일을 송수신하고 수신할 수 없기 때문에 RF-코일만 이쪽으로 사용되었다.
- EEG 캡을 적용하기 위해 연마 전도성 젤로 10mL 주사기(또는 필요에 따라 여러 개)를 적재한다. 하나는 유체 분배를위한 50 mL 대용량 플라스틱 주사기에 연마 젤을 미리로드하고 피사체가 도착하기 전에 젤로 10 mL 주사기를 채울 수 있습니다.
참고: 32채널 EEG 캡의 적용은 일반적으로 약 20-25mL의 젤을 소비합니다.
2. EEG 캡 및 심전도 전극 적용
- 모집시, MRI에 대한 잠재적 인 금기 의 체크리스트를 완료하도록 대상에게 요청하십시오. 피사체가 도착하기 전에 MRI에 대한 금기 사항이 없는지 확인합니다.
참고: 일반적으로 MRI 자격을 갖춘 모든 과목은 EEG-fMRI 연구에 참여할 수 있습니다. 제외 기준은 비협조적 또는 비준수 과목입니다. 근본적인 조건 (예를 들면, 만성 허리 통증)를 가진 사람들은 일정 기간 동안 (일반적으로 적어도 1 h); 또는 스캔 하는 동안 MRI 테이블에 여전히 거짓말을 할 수 없습니다 하는 피험자. 이동은 EEG 및 fMRI 데이터의 품질을 저해할 뿐만 아니라 피사체 자체에 잠재적인 위험을 부과합니다(예: 자극을 일으킬 수 있는 전선 및 케이블의 전류를 유도함). 과제 기반 획득의 경우 피사체의 언어 이해 능력도 고려해야 합니다(지침을 이해할 수 없는 과목을 피하십시오). 이 연구에서는 32명의 건강한 지원자(평균 연령, 40세, 17명의 여성)와 간질을 가진 25명의 환자(평균 연령, 31세, 13명의 여성)가 모집되었습니다. - 피험자에게 도착하기 전에 컨디셔너나 왁스 없이 샴푸로 머리를 씻도록 부탁한다.
- 실험의 목적과 피사체에 대한 다음 단계를 설명한다.
- 머리 둘레(즉, 후두 전두엽 둘레)를 측정하여 머리 주위의 유연한 신축성 없는 측정 테이프를 주루궤도 능선과 옥시퍼트 위로 감싸고 적절한 크기의 캡을 선택합니다. 머리 둘레보다 1cm 큰 캡을 사용하고, 항상 캡이 한 번 배치되어 있는지 여부를 피사체에게 물어보십시오 (즉, 너무 꽉하지 않음).
- 피사체의 머리 위에 대략적인 위치에 캡을 놓은 후, 동일한 측정 테이프를 사용하여, 오디퍼트에서 코의 다리까지 확장머리의 중간선에 아크로 정의된 이온 나시온 아크의 길이를 측정하고, 귀 사이의 아크로 정의된 페리아우리큘러 아크는, 귀 사이의 중간점을 가로지르는 아크로 정의된다. 캡 위에. 이온 나시온 아크와 페리 오리큘러 아크(두 아크의 중간점이 만나는 지점, AKA Cz)의 교차점을 표시하고 캡을 머리 위로 밀어 전극 Cz의 위치가 이 교차로로 조정되도록 합니다. 전극 Fz, Pz, 오즈, 레퍼런스 및 접지가 이온 나시온 아크 위에 위치되는지 여부를 수동으로 확인하여 캡이 수평으로 회전되지 않았는지 확인합니다.
- 면봉의 뒷면을 사용하여 전극의 측면에 머리를 변위하여 각 전극 아래에 피부를 노출.
- 전극의 개통을 통해 배치된 70%의 알코올 용액이 포함된 면봉을 빠르게 회전시켜 각 전극 아래에 피부를 문지른다.
- 연마 전도성 젤(~0.2mL)을 개구부에 바르고 면봉을 비슷한 방식으로 빠르게 회전시켜 피부를 아브라데합니다.
- 전극의 임피던스(기록 소프트웨어에 의해 표시)를 모니터링하고 임피던스가 20kΩ20이하로 떨어질 때까지 2.8단계에서 명시된 대로 마모를 반복하며, 바람직하게는 가능한 한 낮게(5kΩ 이하)21을한다.
- 임피던스가 만족되면 동일한 젤(보통 ~0.5mL)으로 개구부를 채우세요. 전극 사이의 브리징을 피하기 위해 개구부에 과도한 젤을 바르지 마십시오. 반복된 마모에도 불구하고 임피던스가 만족스럽지 않으면 다음 전극으로 이동하여 젤을 적용한 후 시간이 지남에 따라 임피던스가 계속 떨어지기도 하기 때문에 나중에 다시 돌아오게 됩니다.
- 모든 두피 EEG 전극에 대해 2.6-2.9단계를 반복한다.
- 뒤쪽에 심전도 전극을 놓기 전에 피사체에게 목을 구부리지 않고 똑바로 앉도록 요청하십시오.
- 심전도 전극을 뒤쪽에 놓을 때 심전도 전극 와이어가 직선인지 확인하지만, 피사체가 MRI 테이블에 누워있을 때 전극의 변위를 피하기 위해 목의 곡선을 따라 심전도 전극 와이어를 놓는 데 약간의 허용량을 유지하십시오. 심전도 전극을 중앙값고랑에서 2-3cm 왼쪽으로 배치하여 뒤쪽의 중간선을 따라 수직 들여쓰기로 식별할 수 있습니다. 세로 위치는 피사체의 높이에 따라 다릅니다. 그것은 일반적으로 약 160cm의 주제에 있는 견갑골의 끝 사이를 확장하는 선에 대략 허리에 위치합니다.
- 심전도 전극 아래의 피부를 알코올 면봉으로 문지릅니다.
- 양면 접착제 링을 사용하여 심전도 전극을 피부에 부착하고 2.8-2.9 단계를 반복합니다. 접착 링은 또한 전극과 피부의 직접적인 접촉을 피하기 위해 패딩 역할을합니다.
- 드라이 알코올 면면을 4개로 접어 심전도 전극에 놓습니다. 수술 용 테이프 (의료 용 접착제 테이프)를 사용하여 피부에 테이프를 테이프로 바하십시오. 심전도 전극 와이어를 어깨까지 피부에 테이프로 지정합니다.
3. 카본 와이어 루프적용(양극성 증폭기가 있는 경우)
- 전선의 번들이 머리 위에 전극의 번들과 병행하여 오는 위치에 캡 위에 6 개의 루프 (직경 10cm)로 구성된 사전 브레이드 카본 와이어 (직경 1mm)9 세트를 놓습니다.
- 외과 용 테이프 (1 x 2cm)를 사용하여 전극 주위의 루프를 확보하여 루프가 거의 동일한 영역 (즉, 전두엽 측두엽, 둘 다 템포로 후두엽, 후두 및 정점)을 덮고 있는 각 루프로 머리를 덮습니다. 또는 해당되는 경우 루프를 EEG 캡에 바느질할 수도 있습니다.
참고: 헤드의 카본 와이어 루프는 발리스토카디오그램(BCG)을 포함한 움직임을 포착합니다. 이러한 신호는 오프라인 EEG 처리9동안 EEG에서 BCG 아티팩트를 제거하는 데 사용됩니다.
4. 캡 및 카본 와이어 루프 확보
- EEG 전극이 루프를 형성하지 않는지 확인합니다.
- 피사체의 머리를 EEG 캡과 카본 루프 위에 탄성 붕대로 감쌉합니다. 붕대는 EEG 전극을 피부에 단단히 누르고, MRI 기계로 유도된 전극의 진동을 줄이고, MR 스캐너 내부에 피사체를 배치할 때 겔이 베개에 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다(5단계 참조).
- 붕대는 모든 전극을 덮고 피사체가 붕대를 바르는 동안 머리에 불편한 압력을 느끼는지 묻는 것으로 너무 단단하지 않은지 확인하십시오.
5. 피사체를 MR 스캐너에 넣습니다.
- 휴식 상태 획득의 경우, 대상에게 MRI 호환 이어버드를 귀에 적용하도록 지시합니다. 작업 기반 획득의 경우, 실험의 요구 사항에 따라 MRI 호환 헤드셋 또는 이어폰을 적용하도록 대상에게 지시합니다. 피사체가 헤드셋이나 이어폰의 양면을 통해 들을 수 있는지 확인합니다.
- MRI 호환 플랫 메모리 폼 베개를 머리 코일의 하반부에 놓은 후 피사체에게 누워서 머리를 코일에 놓습니다.
- 머리를 적절하게 배치 한 후 (헤드 코일의 상단에 가능한 한 가깝게 배치 된 헤드의 상단), 헤드 코일의 상단 개구부를 통해 바로 전극및 탄소 와이어 번들을 배치합니다.
- 머리, 이마 및 측두면적 의 상단에 메모리 폼 베개를 추가합니다. 베개는 피사체의 머리를 너무 단단히 압축하지 않고 머리 코일 내에 남아있는 모든 공간을 적절하게 채워야합니다.
- 베개가 머리 코일의 위쪽 절반을 놓고 코일을 닫는 동안 머리를 압박하지 않는지 확인하십시오. 베개를 조정하거나 너무 꽉 경우 작은 크기의 베개로 변경합니다. 이러한 방식으로, 베개는 전극 와이어에 MRI 기계로 인한 진동을 줄이고 스캔 중에 피사체의 편안함을 유지하면서 머리 움직임을 억제하기 위해 전극 와이어를 보유하는 역할을합니다.
- 심전도 전극 와이어가 베개와 목 사이에 잘 끼어 있도록 목 뒤쪽에 반 실린더 모양의 메모리 폼 베개를 놓습니다. 어깨 아래 뒤쪽에서 통과하는 심전도 전극 와이어의 부분은 실제로 피사체의 뒷면과 MRI 테이블 사이에 끼워져 피사체의 자신의 무게에 의해 고정됩니다.
- 작업 기반 획득의 경우 모든 메모리 폼 베개를 배치한 후 헤드셋이나 이어폰의 양쪽을 통해 피사체가 계속 들을 수 있는지 다시 테스트하여 헤드셋이나 이어폰이 변위되지 않도록 하십시오. 머리 코일을 닫은 후 거울을 놓고 피사체에 미러를 조정하도록 지시합니다(시각적 자극이 필요한 작업의 경우). 피사체의 머리를 MRI 보어의 등중심에 두기 위해 테이블을 이동한 후 필요한 경우 피사체에 거울을 조정하도록 지시합니다.
- 제공된 광섬유를 사용하여 MRI 보어 뒷면에 배치된 증폭기를 콘솔 룸에 배치된 기록 컴퓨터에 연결합니다.
- EEG/ECG 전극 및 탄소 와이어 루프를 MRI 보어 뒷면의 EEG 및 양극성 증폭기와 연결한 후 앰프를 켭채를 켭니까. 다시 말하지만, 모든 전극의 임피던스(임피던스)가 여전히 낮은지 확인합니다(적어도 20kΩ 미만). 임피던스가 높은 전극이 있는 경우 조정을 위해 MR 스캐너에서 피사체를 제거합니다.
6. 전선 및 증폭기 구성
- 헤드 코일의 상단 개구부 출구와 증폭기(전극 및 카본 와이어 번들, 커넥터 박스 및 리본 와이어 포함) 사이에 모든 전선을 정렬하여 MRI 보어의 중앙에 똑바로 배치되도록 합니다. 이것은 MRI 유도 전류를 최소화하는 것이 중요합니다.
- EEG/ECG 전극 커넥터 박스에서 앰프에 이르는 리본 케이블 주위에 하나의 카본 와이어 루프를 배치하고 모든 탄소 와이어 루프(단계 5.7 참조)를 양극성 증폭기(EXG MR)의 입력 상자에 연결합니다. 이 루프는 주로 헬륨 펌프9로인한 진동을 포착하는 역할을 합니다.
- MRI 기계로 인한 진동을 최소화하기 위해 머리 코일의 상단 개구부와 증폭기 사이의 길을 따라 MR-safe 및 비 강자성 모래 주머니로 모든 것을 끼우어 전선을 고정합니다. 또한, 앰프에 모래 주머니를 배치합니다. 330mm x 240mm x 50mm, 무게 4kg의 이 모래주머니는 EEG 제조업체에서 공급합니다.
- 제조업체에서 제공하는 케이블 길이에 의해 허용되는 자석의 보어 외부에 증폭기를 배치합니다.
7. EEG-fMRI 데이터 수집
- 수집 하는 동안 불필요한 피사체 움직임을 피하기 위해, 스캐너 룸을 떠나기 전에 피사체가 위치에 편안 하 게 있는지 확인 합니다. 필요한 경우(즉, 비상 시 또는 피사체가 불편한 느낌을 느끼는 경우)를 눌러 주체에게 지시합니다. 콘솔 룸에서 피사체와 통신하여 피사체가 운영자의 목소리를 들을 수 있도록 합니다. 데이터 수집 중에 큰 소음이 예상된다고 피사체에 알립니다. 실험에 필요한 대로 피사체를 지시하고 대상에게 데이터 수집 중에 이동하지 말라고 지시합니다.
- fMRI 인수를 시작하기 전에 EEG 레코딩을 시작합니다. 전형적으로, 다음 이미지는 순차적으로 획득된다: 후처리 중에 fMRI 이미지를 공동 등록하기 위한 fMRI 시야, fMRI 및 구조 이미지를 포지셔닝하기 위한 정찰 이미지(2차원). 심 시퀀스는 적절한 매개 변수의 보정을 위해 각 유형의 이미지를 수집하기 전에 실행되었습니다.
참고: 안전을 유지하고증폭기(18)의손상을 피하기 위해 증폭기에서 안전하다고 입증된 MRI 서열을 사용하는 것이 중요합니다. 안전하다고 간주되는 시퀀스에 대한 자세한 내용은 자세히 설명되지 않습니다. 독자는 사용자 설명서 또는 지원 팀과 상의하는 것이 좋습니다. 일반적으로 그라데이션 에코 시퀀스가 권장되며 과도한 RF 유도 가열을 일으킬 수 있는 동등한 RF 방출 파라미터를 가진 회전 에코 서열 또는 임의의 시퀀스를 피해야 합니다. 가열은 특정 에너지 흡수율(SAR) 및 B1+의 루트 평균 정사각형 값과 같은 RF 노출양을 측정하는 메트릭을 사용하여 간접적으로 정량화될 수 있습니다(B1+rms). 최근,B1+rms는이미징 파라미터에 의존하지만 피험자의체질량(22)과무관하게 한계를 지정하는 새로운 표준이 되고 있다. 예를 들어,뇌 제품 EEG 캡을 사용하여 3T에서 획득을 위한 B 1+rms 임계값은 현재 표준 캡에 대해 1 μT, 더 짧은(10cm) 번들케이블(23)을가진 새로운 표준 EEG 캡에 대한 1.5 μT이다. 플립 각도, 슬라이스 수 및 반복 시간(TR)은 SAR 및 B1+rms를 낮게 유지하는 데 고려해야 하는 매개 변수입니다. 작은 플립 각도(<90°)를 권장합니다. 결과 시퀀스가 B1+rms23의임계값 미만인 경우 슬라이스 및 TR 수를 조정할 수 있습니다. - 인수를 시작하면 스캐너의 마커(1.4 참조)가 온라인 EEG 레코딩에 주기적으로 표시되는지 확인합니다.
Representative Results
이 프로토콜을 사용하여 EEG 캡을 배치하면 각 전극의 임피던스는 일반적으로 20kΩ(그림1)이하로 떨어집니다. 신경인지연구에 참여한 피험자(20세 남성)로부터 얻은 대표적인 EEG 신호와 동일한 MR 스캐너에서 이 프로토콜을 이용하여 간질 연구에 참여한 다른 과목(19세 여성)이 각각 도 2와 도 3에나타난다. 신경 인지 테스트를 받은 피사체는 눈을 뜨게 하지만 지시에 따라 시각적 작업을 수행하는 동안 가만히 있으라는 지시를 받았습니다. 간질 연구를 위한 주제는 간질 활동이 일반적으로 잠 도중 더 빈번하기 때문에, 눈과 잠을 닫도록 지시되었습니다. 두 연구에서 얻은 EEG 신호는 처리 전에 유사했다(그림2); MRI 그라데이션 아티팩트는 실제 EEG 신호를 가렸다. 두 연구에서 EEG 신호는 다음과 같이 오프라인으로 처리되었다: MRI 아티팩트는 빼기법(24)을사용하여 제거되었다; 및 BCG, 움직임 및 헬륨 펌프 아티팩트는 탄소 와이어 루프7,9로부터기록된 신호의 회귀를 사용하여 제거되었다. 결과 EEG신호(도 3B)는두 연구에서 모두 BCG 아티팩트의 가시오염 없이 분석 가능한 품질(도3A)이었다. 간질 활동은 간질연구(도 3B)에서EEG에서 명확하게 보였다. 신경인지연구 중 취득한 EEG에서, 깜박임, 눈 운동 및 근육 유물이 보였으며, 특히 전두엽 리드(Fp1 및 Fp2)에서 유물 제거후(도 3B)에의한 연구의 특성으로 인해 필요에 따라 다른 방법을 사용하여 추가로 제거될 수 있다. 두 연구 모두 에서 획득한 후 처리된 EEG 신호에서 기계 진동에서 발생하는 아티팩트가 보이지 않았다(도 3C에도시된 바와 같이 MRI 외부에서 획득한 EEG 신호에 필적하는그림 3B). EEG 전극에서 유래한 아티팩트는 동시에 획득한 MR 이미지에서 볼 수없었다(도 4).
그림 1: 신경인지 연구에 참여한 주제에 대한 32 채널 EEG 캡을 적용하면 5kΩ 이하로 떨어졌던 대표적인 EEG 전극 임피던스. 각 둥근 색깔의 원은 EEG 전극을 나타내며, 전극 이름은 원 내에 기록되어 있습니다. 각 원의 위치는 EEG 캡의 각 전극의 위치를 나타냅니다. 색상 막대와 오른쪽의 숫자는 측정되는 임피던스 범위를 나타냅니다(이 경우 0-5kΩ); 녹색 색은 임피던스 값이 양호한 수준 값보다 낮음을 나타내며 빨간색은 Bad 레벨을 나타냅니다. 이 예에서, 전극 CP1, O1, Oz, O2 및 ECG는 밝은 녹색으로 표시되며, 이는 이러한 전극의 임피던스가 2kΩ이었다는 것을 의미합니다. 전극의 나머지 는 어두운 녹색으로 표시되며, 이는 이러한 전극의 임피던스가 0kΩ이었다는 것을 의미합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 처리 하기 전에 EEG 신호. MRI 그라데이션 아티팩트가 실제 EEG 신호를 가렸다는 점에 유의하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 신경인지 및 간질 연구에 참여한 과목의 대표적인 EEG 신호. 상단 행의 EEG 신호는 신경 인지 연구에서 나온 것이었고 맨 아래 줄에 있는 신호는 간질 연구에서 나온 것입니다. EEG 신호는 오프라인으로 처리되었습니다. (A)MRI 그라데이션 아티팩트 제거 후 EEG 신호. 밝은 파란색의 상자는 BCG 아티팩트를 나타냅니다. (B)탄소 와이어 루프로부터 기록된 신호의 회귀를 사용하여 유물 제거 후 EEG 신호. (C)동일한 EEG 장비를 사용하여 MRI 외부에서 기록된 EEG 신호. EEG 신호는 참조 몽타주에 표시되었다 (FCz에서 참조); 동일한 세그먼트의 양극성 몽타주(각 채널은 인접한 전극 의 쌍 사이의 전압 차이를 나타낸다)에서 EEG는 간질 활동의 시각화를 용이하게 하기 위해 간질 연구 중에 획득한 EEG에도 도시된다. 파란색 화살표헤드(B와 C, 위쪽 행)는 깜박임(Fp1 및 Fp2에서 고진폭이 느린 하향 편향/디파시 전위), 검은 색 화살촉(B, 상단 행)은 사카데 또는 자연스러운 시선 변화(Fp1 및 Fp2의 빠른 편향)로 인한 눈의 움직임을 나타내며, 녹색 사각형(B, 상단 행)은 EEG에서 볼 수 있는 신경 리듬을 나타냅니다. Fp1 및 Fp2에서 주로 낮은 진폭 및 고주파 활동은 근육 유물입니다 (EEG 추적의 두껍게, 상단 행). 적색 화살촉(B 및 C, 아래 줄)은 간질 연구 중 획득한 EEG에서 간질 활동이 확인된 시점(때로는 느린 파도에 선행되는 급격한 하향 또는 위쪽 편향)을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 이 프로토콜을 사용하여 주체로부터 획득한 대표적인 MRI 데이터입니다. EEG 전극은 동시에 획득한 MR 이미지에서 보이는 아티팩트를 일으키지 않았습니다. (A)그라데이션 에코 이미지로 신속한 획득을 준비한 자화; (B)에코 평면 이미징. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
이 프로토콜은 양질의 데이터를 안전한 동시 EEG-fMRI 수집에 대한 중요한 점을 강조했습니다.
EEG에서 제거하기 어려운 아티팩트와 문제 해결 기술의 결과로 발생하는 몇 가지 일반적인 오류는 다음과 같습니다. 첫째, 규정을 준수하고 협조적인 과목을 선택하고 데이터 수집 중에 편안함을 보장하는 피사체의 움직임(2.1단계 및 5.4단계)으로 인해 조기 종료를 방지할 수 있습니다. 둘째, 두피(2.9단계)의 반복마모 후 20kΩ 이하로 떨어지지 않는 임피던스는 사용 후 빗질이 부적당하기 때문일 가능성이 크다. 캡을 세척할 때 EEG 전극의 각 개구부를 철저히 칫솔질하면 이 문제가 발생하지 않습니다. 셋째, 하드웨어 및 소프트웨어의 부적절한 설정으로 인해 EEG 신호의 포화상태가 발생하여 오프라인 EEG 처리 중에 아티팩트 제거를 방해할 수 있습니다. 마지막으로, 포화 EEG 신호의 기록을 방지하기 위해, 데이터 수집 전에 MR 스캐너에 피사체를 배치한 후 20kΩ 이하의 각 전극의 임피던스를 유지; EEG 캡(피사체의 머리, 케이블 및 전선을 의미하는)을 고정하여 기계적 진동을 적절하게 감소시면 됩니다. 레코딩 소프트웨어로 원시 EEG 신호를 온라인으로 모니터링하고 샘플링 속도와 진폭 해상도가 올바르게 설정되어 있는지 확인합니다.
EEG 및 fMRI의 동시 인수는 급변하는 자기장5에서피사체에 연결된 전선의 존재로 인해 RF 유도 가열 및 스위칭 그라데이션 유도 전류와 관련된 중요한 안전 문제를 제기한다. 이러한 안전 문제는 이러한 측면에 대한 지식을 향상시키고 MRI 호환 EEG 장비의 기술에 큰 개선을 초래한 연구 결과에 따라 수년에 걸쳐 크게 최소화되었습니다. 그럼에도 불구하고, 적절한 지식이나 안전 예방 조치를 취하지 않는 부주의한 준비는 피사체를 위험에 처하게 합니다. 예를 들어 회로 내 어디에서나 형성되는 루프는 전류 및 가능한 열 손상을 유도합니다. 임피던스에서 전극을 획득하면 EEG 데이터 품질을 저해할 뿐만 아니라 피사체에 잠재적인 위험(높은 전류 밀도로 인한 열 손상)이 발생할 수 있습니다. 깨진 전극에도 동일한 위험이 적용됩니다. MR 보어 벽에 근접한 케이블은, 즉 중앙에서 멀리 떨어진 곳에 위치하여 피사체(안테나 효과로 인한 가열)에 잠재적인 발열위험이 있다(안테나 효과로 인한가열)도 제기된다(25) 이 프로토콜은 다음과 같은 안전 측면을 강조합니다: 피사체와 증폭기 사이의 회로 내에서 루프가 형성되지 않으며, 모든 전극은 MRI 스캔 중에 임피던스가 낮으며 모든 케이블은 보어의 중앙에 배치됩니다. 초보자 운영자는 교육을 받아야하며 안전 문제를 피하기 위해 사용자 설명서 및 데모 비디오20에서 발견 된 제조업체의 지침을 따르는 것이 좋습니다.
EEG-fMRI에서 발견되는 유물의 주요 원인은 MRI, BCG 또는 피사체의 총 또는 미묘한 움직임(얼굴 움직임, 클렌칭, 삼키기 등)의 그라데이션을 전환하는 것입니다. 일부 MRI 설정에서는 헬륨 펌프및 인공호흡기로 인한 아티팩트도 EEG 신호를 크게 손상시합니다. MR 그라데이션 아티팩트는 파형에서 다소 일관되며 충분한 동적범위(24)를가진 증폭기를 사용하여 왜곡 없이 완전히 기록되는 경우 템플릿 기반 빼기 기술을 사용하여 충분히 수정할 수 있다. BCG 아티팩트는 일반적으로 빼기기술(26),독립적인 성분 분석6,최적 기초 집합8,또는 이들 기술의조합(10)을사용하여 수정된다. 최근에는 탄소와이어 루프와 동시에 획득한 신호를 기반으로 간단한 회귀를 이용한 유물 제거가7,9로개발되었다. 여기에 제시된 프로토콜은 이 방법을 사용하는 데 관심이 있는 사람들을 위한 입문 가이드를 제공하는 것을 목표로 기술적 측면을 보여줍니다. 이 방법은 BCG를 제거, 미묘한 피사체 움직임, 헬륨 펌프 아티팩트 및 결과 EEG 신호는 다른방법을사용하여 수정된 것과 우수하다고7,9. 그러나, 더 큰 모션 아티팩트, 특히 흔들리는 움직임을 포함하는 아티팩트는 이 메서드7을사용하여도 탈착할 수 없습니다. 수년에 걸쳐 이러한 유물 제거 방법론의 개선에도 불구하고 MRI 기계로 인한 진동으로 인한 유물을 포함하여 일관성없는 유물은 제거하기가 여전히 어렵습니다. 또한, 유물 제거 절차가 광범위할수록 실제 EEG 신호를 잃을 위험이 높아지다. 따라서 일관성 없는 아티팩트를 최소화할 수 있는 좋은 준비는 EEG-fMRI 획득에서 가장 중요합니다. 이 프로토콜에서, 이러한 유물은 사용하여 최소화된다 : (1) 헤드 코일에 머리를 고정하는 헤드 및 메모리 폼 베개를 감싸고, 피사체의 편안함을 유지하면서 와이어의 가능한 진동을 줄이기 위해; (2) 면및 의료용 접착제 테이프는 피사체의 자체 중량에 의해 완전히 고정되지 않을 수 있는 심전도 전극 와이어의 진동을 감소시다(특히 얇은 피사체에서 피사체와 테이블 사이에 부분적으로 부동됨); 및 (3) 모래 주머니는 MRI 보어에 배치 된 케이블을 고정합니다. 이들은 이전에 발표된 EEG-fMRI프로토콜(20)에설명되지 않은 제거하기 어려운 MRI 기계 유발 진동 아티팩트를 최소화하는 중요한 기술이다. 이 프로토콜에서 피사체는 EEG 캡을 추가로 포장하고 머리 주위의 패딩을 추가로 포장하지 않고 스캐너에 배치되었으며, 케이블은 샌드백을 사용하여 고정되지 않고 몇 지점에서만 녹화되었습니다. 몬트리올 신경학회에서 20년의 경험을 바탕으로, 이러한 조치가 대부분의 EEG-fMRI 연구에서 거의 강조되지 않지만 MRI 기계로 인한 진동에 전극 전선 및 케이블의 감수성에 기여할 수 있다는 것을 깨달았습니다6. MRI 기계로 유도된 진동을 최소화하면 EEG의 품질과 가독성이 향상되며, 이는 신경인지 연구에서 간질 배출 및 단일 시험 ERPs와 같은 EEG6의미묘한 변화 또는 이벤트를 식별하는 데 특히 유용합니다.
EEG 신호에서 ERP의 검출은 인지 신경 과학 연구를 위한 전제 조건입니다. 시험 전반에 걸친 고전적인 그랜드 평균 반응과는 달리, 특정 자극에 응하여 뇌 역학에 대한 통찰력을 제공하는 ERP 단일 임상 시험 검출은 현대 인지 신경 과학 연구 및 비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구27에서새로운 표적이 되고 있다. 본 프로토콜의 적용은 이러한 연구 분야에서 효율성 향상에 기여할 수 있다.
이 프로토콜은 이 연구에서 사용되는 MRI 호환 EEG 시스템에 가장 적합합니다. 그럼에도 불구하고 중요한 사항은 다른 MRI 호환 EEG 시스템에도 적용될 수 있다고 생각합니다.
Disclosures
저자는 원고와 관련된 공개를보고합니다.
Acknowledgments
이 연구는 일본 국립 정보 통신 기술 연구소 (NICT)가 후원했습니다.
저자는 좋은 품질의 MRI 데이터를 획득하는 데 헌신한 정보 및 신경망 센터의 MRI 물리학자및 기술자에게 감사드립니다.
Khoo 박사는 과학 연구를 위한 그랜트 인-에이드(Nos)의 지원을 받고 있습니다. 18H06261, 19K21353, 20K09368) 일본 교육문화체육관과 일본국립정보통신기술연구원(NICT)의 보조금, 간질수술 및 셜리 퍼거슨 레이포트 펠로우십(캐나다 주)의 후원을 받았습니다. 우에하라 기념재단(일본)의 연구 펠로우십. 일본 간질학회로부터 후원상을 수상했으며, 미국 간질학회(AES) 펠로우 프로그램 지원, 국제간질 방지 연맹(ILAE)의 여행 장학금을 수상했습니다.
타니 박사는 과학 연구를 위한 그랜트 인 에이드(Grant-in-Aid)의 지원을 받고 있습니다(No. 17K10895) 일본 교육문화체육관광부로부터 연구지원을 받았으며, 미쓰이-코우세이 재단으로부터 연구지원을 받았으며, 메드트로닉여행 자금 지원, 기사공고(가켄 메디컬 슈준샤, 이가쿠쇼인) 및 명예아리아(메드트로닉, 다이이시산쿄제약)
오시노 박사는 일본 교육문화체육관광부의 과학연구부(17K10894호)의 지원을 받고 있습니다. 그는 기사(메디컬뷰, 이가쿠쇼인) 및 강연자(Insightec, 에이사이 제약, 다이이치-산쿄 제약, UCB, 오츠카 제약, 테이진 제약, 야마사 사)의 출판에서 로열티를 받았다.
후지타 박사는 일본 교육문화체육관광부의 과학연구부(19K18388호)의 지원을 받고 있습니다.
고트만 박사는 캐나다 보건 연구소의 지원을 받습니다(아니요. FDN 143208).
기시마 박사는 일본 교육문화체육관과학부에서 과학연구보조금(No.18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786)의 지원을 받고 있으며, 일본 교육, 문화체육관광부, 과학기술부, 장관전략혁신추진프로그램(No. SIPAIH18E01), 일본 의학 연구 개발 기관, 일본 간질 연구 재단.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BrainAmp EXG MR | Brain Products, GmBH, Germany | MRI-compatible bipolar amplifier | |
| BrainAmp MR Plus | Brain Products, GmBH, Germany | MRI-compatible EEG amplifier | |
| BrainCap MR | Brain Products, GmBH, Germany | MRI-compatible EEG cap | |
| ESPA elastic bandage | Toyobo co., Ltd. | elastic bandage for for wrapping the subject's head | |
| One Shot Plus P EL-II alcohol swab | Shiro Jyuji, Inc. | Alcohol swab for preparing the skin | |
| Power Pack | Brain Products, GmBH, Germany | MRI-compatible battery pack for electric supply of the amplifiers | |
| SyncBox | Brain Products, GmBH, Germany | Phase synchronization between the EEG equipment and the MRI scanner | |
| USB 2 Adapter (BUA) | Brain Products, GmBH, Germany | USB Adaptor to connect the amplifiers to the recording computer | |
| V19 abrasive conductive gel | Brain Products, GmBH, Germany | Abrasive gel for the application of the EEG-cap | |
| Yu-ki Ban GS Medical adhesive tape | Nitoms, Inc. | medical adhesive tape to secure the ECG electrode and carbon wire loops |
References
- Krakow, K., et al. EEG-triggered functional MRI of interictal epileptiform activity in patients with partial seizures. Brain. 122, 1679-1688 (1999).
- Ives, J. R., Warach, S., Schmitt, F., Edelman, R. R., Schomer, D. L. Monitoring the patient's EEG during echo planar MRI. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 87 (6), 417-420 (1993).
- Nunez, P. L., Silberstein, R. B. On the relationship of synaptic activity to macroscopic measurements: does co-registration of EEG with fMRI make sense. Brain Topography. 13 (2), 79-96 (2000).
- Kruggel, F., Wiggins, C. J., Herrmann, C. S., von Cramon, D. Y. Recording of the event-related potentials during functional MRI at 3.0 Tesla field strength. Magnetic Resonance in Medicine. 44 (2), 277-282 (2000).
- Lemieux, L., Allen, P. J., Franconi, F., Symms, M. R., Fish, D. R. Recording of EEG during fMRI experiments: patient safety. Magnetic Resonance in Medicine. 38 (6), 943-952 (1997).
- Benar, C., et al. Quality of EEG in simultaneous EEG-fMRI for epilepsy. Clinical Neurophysiology. 114 (3), 569-580 (2003).
- Masterton, R. A., Abbott, D. F., Fleming, S. W., Jackson, G. D. Measurement and reduction of motion and ballistocardiogram artefacts from simultaneous EEG and fMRI recordings. Neuroimage. 37 (1), 202-211 (2007).
- Niazy, R. K., Beckmann, C. F., Iannetti, G. D., Brady, J. M., Smith, S. M. Removal of FMRI environment artifacts from EEG data using optimal basis sets. Neuroimage. 28 (3), 720-737 (2005).
- vander Meer, J. N., et al. Carbon-wire loop based artifact correction outperforms post-processing EEG/fMRI corrections--A validation of a real-time simultaneous EEG/fMRI correction method. Neuroimage. 125, 880-894 (2016).
- Debener, S., et al. Improved quality of auditory event-related potentials recorded simultaneously with 3-T fMRI: removal of the ballistocardiogram artefact. Neuroimage. 34 (2), 587-597 (2007).
- Mele, G., et al. Simultaneous EEG-fMRI for functional neurological assessment. Frontiers in Neurology. 10, 848 (2019).
- Gotman, J., Kobayashi, E., Bagshaw, A. P., Benar, C. G., Dubeau, F. Combining EEG and fMRI: a multimodal tool for epilepsy research. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (6), 906-920 (2006).
- Ford, J. M., Roach, B. J., Palzes, V. A., Mathalon, D. H. Using concurrent EEG and fMRI to probe the state of the brain in schizophrenia. NeuroImage: Clinical. 12, 429-441 (2016).
- Menon, V., Crottaz-Herbette, S. International Review of Neurobiology. , Elsevier. 291-321 (2005).
- Liu, T. T. Efficiency, power, and entropy in event-related fMRI with multiple trial types. Part II: design of experiments. Neuroimage. 21 (1), 401-413 (2004).
- Liu, T. T., Frank, L. R. Efficiency, power, and entropy in event-related FMRI with multiple trial types. Part I: theory. Neuroimage. 21 (1), 387-400 (2004).
- Gotman, J., Benar, C. G., Dubeau, F. Combining EEG and FMRI in epilepsy: methodological challenges and clinical results. Journal of Clinical Neurophysiology. 21 (4), 229-240 (2004).
- Gutberlet, I. Simultaneous EFG and fMRI. Ullsperger, M., Debener, S. , Oxford University Press. Ch. 2.1 69-84 (2010).
- Brain Products GmbH. Operating and Reference Manual for use in a laboratory and MR environment. BrainAmp series & BrainAmp MR series. , Ch. 2 (2020).
- Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. Best current practice for obtaining high quality EEG data during simultaneous FMRI. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (76), e50283 (2013).
- Ragazzoni, A., et al. "Hit the missing stimulus". A simultaneous EEG-fMRI study to localize the generators of endogenous ERPs in an omitted target paradigm. Scientific Reports. 9 (1), 3684 (2019).
- Faulkner, W. New MRI Safety Labels & Devices. , Available from: https://www.ismrm.org/smrt/E-Signals/2016FEBRUART/eSig_5_1_hot_2.htm (2016).
- Brain Products GmbH. Conditions for safe use of BrainAmp MR amplifiers and accessories in the MR environment. Performing simultaneous EEG-fMRI measurements. , Ch. 7 26-32 (2020).
- Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. A method for removing imaging artifact from continuous EEG recorded during functional MRI. Neuroimage. 12 (2), 230-239 (2000).
- Dempsey, M. F., Condon, B. Thermal injuries associated with MRI. Clinical Radiology. 56 (6), 457-465 (2001).
- Allen, P. J., Polizzi, G., Krakow, K., Fish, D. R., Lemieux, L. Identification of EEG events in the MR scanner: the problem of pulse artifact and a method for its subtraction. Neuroimage. 8 (3), 229-239 (1998).
- Cecotti, H., Ries, A. J. Best practice for single-trial detection of event-related potentials: Application to brain-computer interfaces. International Journal of Psychophysiology. 111, 156-169 (2017).
