Summary
Denne artikkelen gir en enkel protokoll for å skaffe seg EEG-data (Good Quality Electroencephalography) under samtidig EEG og funksjonell magnetisk resonansavbildning ved å bruke lett tilgjengelige medisinske produkter.
Abstract
Samtidig elektroencefalografi (EEG) og funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI), EEG-fMRI, kombinerer de komplementære egenskapene til hodebunnen EEG (god temporal oppløsning) og fMRI (god romlig oppløsning) for å måle nevronal aktivitet under en elektrografisk hendelse, gjennom hemodynamiske responser kjent som blod-oksygen-nivå-avhengige (BOLD) endringer. Det er et ikke-invasivt forskningsverktøy som brukes i nevrovitenskapelig forskning og er svært gunstig for det kliniske samfunnet, spesielt for håndtering av nevrologiske sykdommer, forutsatt at riktig utstyr og protokoller administreres under datainnsamling. Selv om registrering av EEG-fMRI tilsynelatende er enkelt, er riktig forberedelse, spesielt ved plassering og sikring av elektrodene, ikke bare viktig for sikkerheten, men er også avgjørende for å sikre påliteligheten og analysen av de oppnådde EEG-dataene. Dette er også den mest erfaringskrevende delen av preparatet. For å løse disse problemene, en enkel protokoll som sikrer at datakvaliteten ble utviklet. Denne artikkelen gir en trinnvis veiledning for å skaffe pålitelige EEG-data under EEG-fMRI ved hjelp av denne protokollen som bruker lett tilgjengelige medisinske produkter. Den presenterte protokollen kan tilpasses ulike anvendelser av EEG-fMRI i forskning og kliniske miljøer, og kan være gunstig for både uerfarne og ekspertoperatører.
Introduction
Funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) gir et mål på nevronaktivitet gjennom hemodynamiske responser ved å måle endringer i oksygennivåavhengig (BOLD) i blodet under en elektrografisk hendelse. Samtidig elektroencefalografi (EEG) og fMRI (EEG-fMRI) er et ikke-invasivt forskningsverktøy som kombinerer de synergiske egenskapene til hodebunnen EEG (god tidsoppløsning) og fMRI (god romlig oppløsning), noe som gir bedre lokalisering av nettstedet som er ansvarlig for generering av elektrografiske hendelser som kan oppdages i EEG. Den ble først utviklet på 1990-tallet for bruk i epilepsifeltet1,2 og har senere blitt brukt i nevrovitenskapelig forskning siden 2000-tallet3,4. Med økningen i kunnskap om sikkerhet5 og kontinuerlig utvikling av teknikker for fjerning av MR-induserte artefakter på EEG3,6,7,8,9,10, er det for tiden et verktøy som er mye brukt i både nevrovitenskap og klinisk forskning11.
EEG-fMRI ervervet enten i ro eller under en oppgave, avhengig av problemstillingen. Generelt tillater hviletilstandsanskaffelse identifisering av strukturer involvert i genereringen av en bestemt EEG-funksjon (f.eks. bølgeform, rytme, frekvenser, kraft) og bidrar til å forstå de variable spontane hjerneaktivitetene11. En rekke nevrovitenskapelige studier og de fleste kliniske studier, spesielt de på epilepsi12, skaffer seg EEG-fMRI i hvile11. Oppgavebasert oppkjøp tillater identifisering av hjerneområder og hjernens elektriske aktiviteter tildelt eller relatert til en bestemt oppgave og bidrar til å etablere koblingen mellom de elektriske aktivitetene og hjerneområdene knyttet til oppgaven. Oppgavebasert oppkjøp brukes hovedsakelig i nevrovitenskapsstudier11 og noen kliniske studier13. De fleste oppgavebaserte EEG-fMRI-anskaffelser bruker en hendelsesrelatert utforming. Typen modellering som brukes til å integrere EEG- og fMRI-data, bestemmer om effektiviteten eller deteksjonskraften skal maksimeres ved utforming av oppgave14. Vennligst se studiene av Menon et al.14 og Liu et al.15,16 for detaljer om oppgavedesignet.
Selv om datainnsamling under EEG-fMRI kan virke enkelt, er forberedelsen erfaringkrevende. En protokoll for å veilede riktig forberedelse til datainnsamling er viktig for å sikre både sikkerhet og avkastning (dvs. analyserbare og pålitelige data). Til tross for eksistensen av ulike teknikker for å fjerne MR-induserte EEG-artefakter, er inkonsekvente artefakter i EEG registrert, spesielt de som er relatert til maskinindusert vibrasjon av ledningene og subjektenes bruttobevegelser, fortsatt vanskelig å fjerne helt; Derfor må disse artefaktene minimeres under datainnsamlingen.
Denne artikkelen presenterer en enkel protokoll som bruker lett tilgjengelige MR-kompatible medisinske produkter. Protokollen gir viktige trinn som sikrer datakvalitet, spesielt kvaliteten på EEG-data, som er nøkkelen til suksessen til en EEG-fMRI-studie. Denne protokollen ble utviklet basert på den 20-årige erfaringen fra EEG-fMRI-forskerteamet ved Montreal Neurological Institute12,17 og ble ytterligere modifisert for bruk ved Osaka University, som drar nytte av både uerfarne og ekspertoperatører.
Protocol
Den forskningsetiske komiteen for Osaka Universitetssykehus og sikkerhetskomiteen for Center for Information and Neural Networks (CiNET) godkjente protokollen (Osaka University Hospital Approval Nos. 18265 og 19259; CiNET-godkjenningsnr. 2002210020 og 2002120020). Alle emner ga skriftlig informert samtykke for deres deltakelse.
1. Forberedelse av det eksperimentelle oppsettet
- Koble MR-kompatible EEG- og bipolarforsterkere til batteripakkene (sørg for at de er fulladet) og til opptaksdatamaskinen.
- Kontroller at arbeidsområdet for innspillingsprogramvaren er riktig konfigurert. Sett amplitudeoppløsningen til 0,5 μV for å unngå forsterkermetning; still inn frekvensfiltrene i henhold til frekvensbåndet av interesse. Sett samplingsfrekvensen til 5000 Hz (maksimalt mulig for forsterkere som brukes i denne protokollen), uavhengig av frekvensbåndet av interesse.
MERK: Amplitudeoppløsning ved 0,5 μV tilsvarer en maksimumsverdi på 16,38 mV, som er tilstrekkelig til å registrere gradientartefakten, med tanke på at gradientartefakttopper kan nå amplituder over 100 ganger mer enn de av spontan hodebunn EEG (omtrent 10-100 μV) ved høye hastigheter (>1000 ganger raskere enn endringen av pågående EEG). Teoretisk sett bør samplingsfrekvensen være minst dobbelt så høy (Nyquist-steoremet) som den høyeste frekvensen i gradientbyttespekteret, for å kunne ta en nøyaktig prøve av de høyfrekvente gradientbryterartefaktene og oppdage det sanne utbruddet av hvert volums graderingsaktivitet for senere fjerning12,18. Hvis du øker samplingsfrekvensen, resulterer det imidlertid i store filstørrelser, noe som krever betydelige investeringer for datalagring og også kan hindre etterbehandling. Bruk av synkroniseringsenheten gjør det unødvendig å øke samplingsfrekvensen for å forbedre synkroniseringen mellom EEG- og MR-klokkene (se trinn 1.4). En samplingsfrekvens på 5000 Hz er tilstrekkelig for vanlige EEG/hendelsesrelaterte potensielle opptak (ERP), og høyere samplingsfrekvens forbedrer ikke datakvaliteten fordi den påfølgende artefaktkorrigeringsprosessen, som innebærer nedprøvetaking av dataene til en frekvens under 500 Hz og ytterligere lavpassfiltrering, eliminerer alle høyfrekvente gradientkorrigeringsrester som kan eksistere18. - Se håndboken for detaljer om de riktige innstillingene til innspillingsprogramvaren som trengs for EEG-anskaffelse i MR, som er forskjellig fra det utenfor MR-en.
- Kontroller om markører fra skanneren, det vil si markørene for klokkesynkronisering (synkronisering på som standard) og volumutløser (R128 som standard), regelmessig vises i den elektroniske EEG-opptaket. Synkroniseringen på skjermen indikerer at MR-skanneren og EEG-klokkene er synkronisert, og R128 indikerer at volumutløserne registreres for etterbehandling. MR-skanneren og EEG-klokkene synkroniseres ved hjelp av SyncBox-enheten, som oppdager skannerklokkeutgangen (vanligvis 10 MHz og over), reduserer oppløsningen og sender klokkesignalet (og synkroniseringsmarkørene) til USB2-grensesnittet.
MERK: USB2-grensesnittet sender EEG-dataene fra alle forsterkerne, som er faselåst til skannerklokkesignalet, til opptaksdatamaskinen18. Periodisk synkronisering på markører er utløsere generert fra skannerens elektriske puls for å synkronisere EEG-signalprøvetakingen med MR-skannerhastigheten, en nødvendig for korrigering av skannerartefakt. Volumutløsere brukes til å identifisere MR-volumskanningsansetttid for korrigering av skannerartefakt under frakoblet EEG-behandling19. - Sett opp MR-skanneren i henhold til behov og tilgjengelighet. Det er best å bruke en sende- og mottakshoderadiofrekvens (RF)-spole for å minimere risikoen for RF-oppvarming. Imidlertid ble en hel kropp som overfører RF-spole og et 20-kanals hode bare motta RF-spole, brukt her fordi en sende- og mottakshodespole ikke var tilgjengelig for skanneren som ble brukt (vanligvis tilfellet for de fleste moderne skannere).
- Legg en 10 ml sprøyte (eller flere etter behov) med slipende ledende gel for påføring av EEG-hetten. Man kan forhåndslaste slipegelen i en 50 ml plastsprøyte med stor kapasitet for væskeutlevering og fylle 10 ml-sprøyten med gelen før subjektets ankomst.
MERK: Påføring av en 32-kanals EEG-hette bruker vanligvis ca. 20-25 ml gel.
2. Påføring av EEG-hetten og EKG-elektroden
- Ved rekruttering, be emnet om å fylle ut en sjekkliste over potensielle kontraindikasjoner for MR. Bekreft at subjektet ikke har kontraindikasjoner for MR før ankomst.
MERK: Generelt kan alle som kvalifiserer for MR delta i en EEG-fMRI-studie. Eksklusjonskriteriene er: ikke-samarbeidende eller ikke-kompatible emner; de med underliggende tilstander (f.eks. kroniske ryggsmerter), som forhindrer dem i å ligge liggende liggende i en viss periode (vanligvis minst 1 time); eller personer som kanskje ikke kan ligge stille på MR-tabellen under skanningen. Bevegelse hemmer ikke bare kvaliteten på både EEG- og fMRI-data, men pålegger også en potensiell fare for forsøkspersonene selv (f.eks. induserer strøm i ledningene og kablene som kan forårsake stimulering). Ved oppgavebasert oppkjøp bør fagets språkforståelsesevne også vurderes (unngå emner som ikke er i stand til å forstå instruksjonene). I denne studien ble 32 friske frivillige (gjennomsnittsalder, 40 år; 17 kvinner) og 25 pasienter med epilepsi (gjennomsnittsalder, 31 år; 13 kvinner) rekruttert. - Be fagene vaske håret med sjampo uten balsam eller voks før ankomst.
- Forklar formålet med eksperimentet og de neste trinnene for emnet.
- Mål hodeomkretsen (dvs. occipital frontomkrets) ved å pakke inn et fleksibelt, ikke-strekkbart målebånd rundt hodet over de supraorbitale ryggene og nakkestøtten og velg en passende størrelse hette. Bruk en hette som er 1 cm større enn hodeomkretsen, og spør alltid motivet om hetten er komfortabel når den er plassert (dvs. ikke for stram).
- Etter å ha plassert hetten i omtrentlig posisjon over motivets hode, ved hjelp av samme målebånd, måler lengdene på inion-nasionbuen, definert som buen over midtlinjen av hodet som strekker seg fra nakkestøtten til nesebroen, og den peri-aurikulære buen, definert som lysbuen som strekker seg mellom ørene som krysser midtpunktet av inion-nasionbue, over hetten. Merk skjæringspunktet mellom inion-nasionbuen og den peri-aurikulære buen (punktet der midtpunktene til begge buene møtes, AKA Cz), og skyv hetten over hodet slik at elektrodens posisjon Cz justeres til dette krysset. Kontroller at hetten ikke roteres horisontalt ved å kontrollere manuelt om elektroder Fz, Pz, Oz, Referanse og Jord er plassert over inion-nasion-buen.
- Utsett huden under hver elektrode ved å fortrenge håret til siden av elektroden ved hjelp av baksiden av en bomullspinne.
- Gni huden under hver elektrode ved raskt å spinne en bomullspinne som inneholder 70% alkoholoppløsning plassert gjennom åpningen av elektroden.
- Påfør en liten mengde av slipende ledende gel (~ 0,2 ml) i åpningen og slip huden ved å raskt spinne en bomullspinne på en lignende måte.
- Overvåk elektrodens impedans (vist av opptaksprogramvaren) og gjenta slitasjen som angitt i trinn 2.8 til impedansen faller minst under 20 kΩ20, helst så lavt som mulig (under 5 kΩ)21.
- Fyll åpningen med samme gel (vanligvis ~ 0,5 ml) når impedansen er tilfredsstillende. Ikke påfør overdreven gel i åpningen for å unngå bro mellom elektroder. Flytt til neste elektrode hvis impedansen er utilfredsstillende til tross for gjentatt slitasje og kom tilbake senere fordi noen ganger fortsetter impedansen å falle med tiden etter påføring av gelen.
- Gjenta trinn 2.6-2.9 for alle EEG-elektrodene i hodebunnen.
- Før du plasserer EKG-elektroden bak, må du be motivet om å sitte oppreist uten å bøye nakken.
- Pass på at EKG-elektrodeledningen er rett når du plasserer EKG-elektroden på baksiden, men hold noe kvote for å legge EKG-elektrodeledningen langs kurven på nakken, for å unngå forskyvning av elektroden når motivet legger seg på MR-bordet. Plasser EKG-elektroden 2-3 cm fra median furen, som kan identifiseres som den vertikale innrykket langs midtlinjen på ryggen. Den vertikale posisjonen varierer avhengig av motivets høyde; Den er vanligvis plassert på korsryggen omtrent på linjen som strekker seg mellom spissene på scapulaen i et emne på ca 160 cm.
- Gni huden under EKG-elektroden med en alkoholpinne.
- Fest EKG-elektroden til huden ved hjelp av en dobbeltsidig limring og gjenta trinn 2.8-2.9. Limringen fungerer også som polstring for å unngå direkte kontakt med elektroden med huden.
- Brett den tørre bomullspinnen i fire, og legg den på EKG-elektroden. Tape det til huden ved hjelp av et kirurgisk tape (medisinsk tape). Tape EKG-elektrodeledningen til huden opp til skulderen.
3. Påfør karbontrådsløyfen (hvis en bipolar forsterker er tilgjengelig)
- Plasser et sett med pre-flette karbontråd (diameter 1 mm)9 bestående av seks sløyfer (diameter 10 cm) over hetten i en posisjon slik at bunten av ledningene kommer parallelt med elektrodenes bunt på toppen av hodet.
- Bruk kirurgisk tape (1 x 2 cm) for å feste løkkene rundt elektrodene, slik at løkkene dekker hodet med hver sløyfe som dekker jevnt nesten et like areal (dvs. både fronto-temporal, både temporo-occipital, oksipital og toppunkt). Alternativt kan man også sy løkkene til EEG-hetten, hvis det er aktuelt.
MERK: Karbontrådløkkene på hodet tjener til å fange bevegelse, inkludert ballistocardiogram (BCG). Disse signalene brukes til fjerning av BCG-artefakter fra EEG under frakoblet EEG-behandling9.
4. Sikring av hetten og karbontrådløkkene
- Pass på at EEG-elektrodene ikke danner løkker.
- Vikle motivets hode med en elastisk bandasje over EEG-hetten og karbonløkkene. Bandasjen tjener til å presse EEG-elektroden tett på huden, for å redusere MR-maskinindusert vibrasjon av elektrodene og forhindre at gelen søler på puten når du plasserer motivet inne i MR-skanneren (se trinn 5).
- Pass på at bandasjen dekker alle elektrodene og ikke er for stram ved å spørre om motivet føler ubehagelig trykk på hodet mens bandasjen påføres.
5. Plassere motivet i MR-skanneren
- Ved oppkjøp av hviletilstand, be emnet om å bruke MR-kompatible ørepropper i ørene. Ved oppgavebasert anskaffelse, be emnet om å bruke MR-kompatible hodesett eller øretelefoner i henhold til kravet til eksperimentet. Kontroller at motivet kan høre gjennom begge sider av hodesettet eller øretelefonene.
- Legg en MR-kompatibel flat minneskumpute i den nedre halvdelen av hodespolen før du ber motivet legge seg ned og plassere hodet i spolen.
- Etter å ha plassert hodet riktig (toppen av hodet plassert så nært som mulig til toppen av hodespolen), plasser elektroden og karbontrådbuntene rett gjennom toppåpningen på hodespolen.
- Legg til minneskumputer på toppen av hodet, pannen og temporalområdet. Putene skal fylle opp alle mellomrom som er igjen i hodespolen mens du ikke komprimerer motivets hode for tett.
- Pass på at putene ikke klemmer hodet mens du plasserer den øvre halvdelen av hodespolen og mens du lukker spolen. Juster putene eller bytt til puter i mindre størrelse hvis de er for stramme. På denne måten tjener putene til å holde elektrodeledningene for å redusere MR-maskineringsindusert vibrasjon på elektrodeledningene og for å begrense hodebevegelser samtidig som motivets komfort opprettholdes under skanningen.
- Plasser en halv sylinderformet minneskumpute på baksiden av nakken slik at EKG-elektrodetråden er smøret godt mellom puten og nakken. Den delen av EKG-elektrodetråden som passerer på baksiden under skulderen, er faktisk smurt mellom baksiden av motivet og MR-bordet og er dermed immobilisert av motivets egen vekt.
- Ved et oppgavebasert oppkjøp, etter at du har plassert alle minneskumputene, må du sørge for at hodesettet eller øretelefonene ikke forskyv seg ved å teste igjen hvis motivet fortsatt kan høre gjennom begge sider av headsettet eller øretelefonene. Etter å ha lukket hodespolen, plasser speilet og instruer motivet om å justere speilet (i tilfelle av oppgaven som krever visuelle stimuli). Be motivet om å justere speilet om nødvendig, etter å ha flyttet bordet for å plassere motivets hode ved isosenteret til MR-boringen.
- Koble forsterkerne som er plassert på baksiden av MR-boringen, til innspillingsdatamaskinen som er plassert i konsollrommet ved hjelp av de medfølgende optiske fibrene.
- Etter at du har koblet EEG/EKG-elektrodene og karbontrådløkkene til EEG og de bipolare forsterkerne på baksiden av MR-boringen, slår du på forsterkerne. Igjen, kontroller impedansen til alle elektroder for å sikre at de fortsatt er lave (minst under 20 kΩ). Fjern motivet fra MR-skanneren for justering hvis det er noen elektroder med høy impedans.
6. Konfigurasjon av ledninger og forsterkere
- Ordne alle ledningene mellom utløpet av toppåpningen på hodespolen og forsterkerne (inkludert elektroder og karbontrådbunter, koblingsboksen og båndledningene) slik at de plasseres rett og i midten av MR-boringen. Dette er viktig for å minimere MR-indusert strøm.
- Plasser en karbontrådsløyfe rundt båndkabelen som går fra EEG/EKG-elektrodkontaktboksen til forsterkeren og koble alle karbontrådløkkene (se trinn 5.7) til inngangsboksen til den bipolare forsterkeren (EXG MR). Denne sløyfen tjener hovedsakelig til å fange vibrasjonene forårsaket av Heliumpumpen9.
- For å minimere MR-maskinindusert vibrasjon, immobiliser ledningene ved å smøre dem alle med MR-sikre og ikke-ferromagnetiske sandsekker hele veien mellom utløpet av toppåpningen på hodespolen og forsterkerne. Legg også sandsekker på forsterkere. Disse sandsekkene, målt 330 mm x 240 mm x 50 mm og veier 4 kg, leveres av EEG-produsenten.
- Plasser forsterkerne utenfor magnetens boring, som tillates av lengden på kablene som leveres av produsenten.
7. Innsamling av EEG-fMRI-data
- Pass på at motivet er komfortabelt med plasseringen før du forlater skannerrommet, for å unngå unødvendig motivbevegelse under oppkjøpet. Be motivet om å trykke på alarmknappen om nødvendig (dvs. i nødstilfeller eller hvis motivet føler en ubehagelig følelse). Kommuniser med motivet fra konsollrommet for å bekrefte at motivet kan høre operatøren. Fortell motivet at det forventes høye lyder under datainnsamlingen. Instruere motivet etter behov for eksperimentet, og instruere subjektet om ikke å bevege seg under datainnsamling.
- Start EEG-opptaket før du starter fMRI-anskaffelsen. Vanligvis anskaffes følgende bilder sekvensielt: speiderbilder (todimensjonale) for plassering av fMRI-synsfeltet, fMRI og strukturelle bilder for samtidig registrering av fMRI-bildene under etterbehandling. Avstandssekvenser ble kjørt før hver bildetype ble anskaffet for kalibrering av passende parametere.
MERK: Det er viktig å bruke MR-sekvenser som er bevist trygge med forsterkere for å opprettholde sikkerheten, og for å unngå skade på forsterkerne18. Detaljer om sekvensene som anses som trygge, vil ikke bli diskutert i detalj. Leserne oppfordres til å konsultere brukerhåndboken eller supportteamet. Generelt anbefales graderte ekkosekvenser og spinne ekkosekvenser eller en hvilken som helst sekvens med tilsvarende RF-utslippsparametere, noe som kan forårsake overdreven RF-indusert oppvarming, bør unngås. Oppvarming kan indirekte kvantifiseres ved hjelp av beregninger som måler mengden RF-eksponering, for eksempel spesifikk energiabsorpsjonshastighet (SAR) og rotgjennomsnittets kvadratverdi på B1+ i gjennomsnitt over 10 s (B1+rms). Nylig, B1+rms, avhengig av bildeparameterne, men uavhengig av fagenes kroppsmasse22, blir den nye standarden for å spesifisere grensen. For eksempel er B1+rms terskler for oppkjøp ved 3 T ved hjelp av Brain Products EEG cap 1 μT for gjeldende standard cap og 1,5 μT for den nye standard EEG-hetten med en kortere (10 cm) buntet kabel23. Vend vinkel, antall stykker og repetisjonstid (TR) er parametere som må vurderes for å holde SAR og B1+rms lave. En liten vippevinkel (<90°) anbefales. Antall stykker og TR kan justeres så lenge den resulterende sekvensen er under terskelen B1+rms23. - Når du starter oppkjøpet, må du sørge for at igjen markører fra skanneren (se 1.4) regelmessig vises i det elektroniske EEG-opptaket.
Representative Results
Når du plasserer EEG-hetten ved hjelp av denne protokollen, faller impedansen til hver elektrode vanligvis under 20 kΩ (figur 1). Representative EEG-signaler hentet fra et emne (20 år gammel mann) som deltok i en nevrokognitiv studie, og et annet emne (19 år gammel kvinne) som deltok i en epilepsistudie ved hjelp av denne protokollen i samme MR-skanner, vises i henholdsvis figur 2 og figur 3. Subjektet som gjennomgikk nevrokognitiv testing ble instruert til å holde øynene åpne, men holde seg stille mens de utførte en visuell oppgave som instruert. Emnet for epilepsistudien ble instruert til å lukke øynene og sove, da epileptiske aktiviteter vanligvis er hyppigere under søvnen. EEG-signalene fra begge studiene var like før behandling (figur 2); MR-gradientartefakten skjulte de virkelige EEG-signalene. EEG-signalene fra begge studiene ble behandlet offline som følger: MR-artefakter ble fjernet ved hjelp av subtraksjonsmetoden24; og BCG, ble bevegelser og Helium pumpeartefakter fjernet ved hjelp av regresjon av signaler registrert fra karbontrådløkkene7,9. De resulterende EEG-signalene (figur 3B) fra begge studiene var av analyserbar kvalitet uten synlig forurensning av BCG-artefakter (figur 3A). Epileptiske aktiviteter ble tydelig sett på EEG under epilepsistudien (Figur 3B). På EEG oppnådd under nevrokognitiv studie, blinkende, øyebevegelse og muskelartefakter ble sett, spesielt i frontalledninger (Fp1 og Fp2) etter fjerning av artefakter (Figur 3B) på grunn av studiens natur, og kan fjernes ytterligere ved hjelp av andre metoder avhengig av behovet. Ingen artefakter som stammer fra maskinvibrasjoner ble sett på etterbehandlede EEG-signaler innhentet i begge studiene (Figur 3B sammenlignbar med EEG-signaler innhentet utenfor MR som vist i figur 3C). Ingen artefakter fra EEG-elektrodene ble sett på MR-bildene som er anskaffet samtidig (figur 4).
Figur 1: Representative EEG-elektroder impedans som falt under 5 kΩ ved påføring av en 32-kanals EEG-hette på et emne som deltok i en nevrokognitiv studie. Hver runde farget sirkel representerer en EEG-elektrode, med elektrodenavnet skrevet i sirkelen; Posisjonen til hver sirkel representerer posisjonen til hver elektrode på EEG-hetten. Fargelinjen og tallene til høyre representerer omfanget av impedansen som måles (0-5 kΩ i dette tilfellet); grønn farge angir at impedansverdien er lavere enn verdien på God nivå, og rød farge angir Dårlig nivå. I dette eksemplet er elektroder CP1, O1, Oz, O2 og EKG indikert i lysegrønn, noe som betyr at impedansene til disse elektrodene var 2 kΩ; Resten av elektrodene er indikert i mørkegrønn, noe som betyr at impedansene til disse elektrodene var 0 kΩ. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: EEG-signal før behandling. Vær oppmerksom på at MR-gradientartefakten skjulte de virkelige EEG-signalene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Representative EEG-signaler fra forsøkspersoner som deltok i nevrokognitive studier og epilepsistudier. EEG-signaler på øverste rad var fra en nevrokognitiv studie, og de på nederste rad var fra en epilepsistudie. EEG-signaler ble behandlet frakoblet. (A) EEG-signaler etter fjerning av MR-gradientartefakt. Boksene i lyseblå angir BCG-artefakter. (B) EEG-signaler etter fjerning av artefakter ved hjelp av regresjon av signaler registrert fra karbontrådløkkene. (C) EEG-signaler registrert utenfor MR ved hjelp av samme EEG-utstyr. EEG-signaler ble vist i referansemontasje (referanse ved FCz); EEG i bipolar montasje (hver kanal representerer spenningsforskjellen mellom et par tilstøtende elektroder) av samme segment er også vist for EEG oppnådd under en epilepsistudie for å lette visualiseringen av epileptiske aktiviteter. De blå pilspissene (B og C, øverste rad) indikerer blinkende (høy-amplitude langsom nedadgående avbøyninger / difasiske potensialer ved Fp1 og Fp2), den svarte pilspissen (B, øverste rad) indikerer øyebevegelse som følge av en saccade eller en spontan forandring av blikk (små, raske avbøyninger ved Fp1 og Fp2), og de grønne rektanglene (B, øverste rad) indikerer alfarytme sett på EEG oppnådd under en nevrokognitiv studie. Lav-amplitude og høyfrekvente aktiviteter hovedsakelig på Fp1 og Fp2 er muskelartefakter (fortykning av EEG-sporingen, øverste rad). De røde pilspissene (B og C, nederste rad) angir tidspunktene der epileptiske aktiviteter ble identifisert på EEG oppnådd under en epilepsistudie (skarpe nedadgående eller oppadgående avbøyninger som noen ganger etterfølges av en langsom bølge). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Representative MR-data innhentet fra et emne ved hjelp av denne protokollen. Vær oppmerksom på at EEG-elektrodene ikke forårsaket synlige artefakter på MR-bildene som er anskaffet samtidig. (A) magnetisering forberedt rask oppkjøp med gradient ekko bilde; (B) ekko planar bildebehandling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Denne protokollen fremhevet de viktige punktene for sikker samtidig EEG-fMRI-anskaffelse av data av god kvalitet.
Noen vanlige feil som resulterer i artefakter som er vanskelige å fjerne på EEG, i tillegg til feilsøkingsteknikker, er som følger: For det første kan valg av emner som er kompatible og samarbeidsvillige og sikre deres komfort under datainnsamling forhindre for tidlig avslutning på grunn av fagbevegelser (trinn 2.1 og 5.4). For det andre er impedans ikke å falle under 20 kΩ etter gjentatt slitasje i hodebunnen (trinn 2.9) mest sannsynlig på grunn av utilstrekkelig børsting etter bruk. Grundig børsting av hver åpning av EEG-elektrodene når du vasker hetten forhindrer dette problemet. For det tredje kan upassende innstillinger av maskinvaren og programvaren føre til metning av EEG-signalene som senere hemmer fjerning av artefakter under frakoblet EEG-behandling. Til slutt, for å forhindre opptak av mettede EEG-signaler, opprettholde impedansen til hver elektrode under 20 kΩ etter å ha plassert motivet i MR-skanneren før datainnsamling; tilstrekkelig redusere mekaniske vibrasjoner ved å immobilisere EEG-hetten (som også betyr motivets hode), kabler og ledninger; overvåke det rå EEG-signalet online med opptaksprogramvaren og sørg for at samplingsfrekvensen og amplitudeoppløsningen er riktig konfigurert.
Samtidig oppkjøp av EEG og fMRI reiser viktige sikkerhetsspørsmål knyttet til RF-indusert oppvarming og veksling av gradientinduserte strømmer på grunn av tilstedeværelsen av elektriske ledninger koblet til motivet i det raskt skiftende magnetfeltet5. Disse sikkerhetsproblemene har i stor grad blitt minimert gjennom årene etter forskningsfunn som har økt kunnskapen om dette aspektet og ført til store forbedringer i teknologien til MR-kompatibelt EEG-utstyr. Likevel setter uforsiktig forberedelse uten tilstrekkelig kunnskap eller ikke tar sikkerhetsforanstaltninger fagene i fare. For eksempel induserer løkker som dannes hvor som helst i kretsen strøm og mulig varmeskade. Oppkjøp med elektrodene ved høy impedans hemmer ikke bare EEG-datakvaliteten, men utgjør også en potensiell fare for motivet (termisk skade på grunn av høy strømtetthet). Den samme faren gjelder for ødelagte elektroder. Kabler plassert i nærheten av MR-boreveggen, med andre ord langt fra midten, utgjør også en potensiell varmefare for motivet (oppvarming på grunn av antenneeffekt)25. Denne protokollen understreker følgende sikkerhetsaspekter: det dannes ingen løkker i kretsen mellom motivet og forsterkeren, alle elektroder har lav impedans under MR-skanningen, og alle kabler er plassert i midten av boringen. Nybegynnere anbefales å gjennomgå opplæring og følge produsentens retningslinjer som finnes i brukerhåndboken og demonstrasjonsvideoene20 for å unngå sikkerhetsproblemer.
Hovedårsakene til artefakter som finnes på EEG-fMRI er å bytte gradient av MR, BCG eller motivets grove eller subtile bevegelser (ansiktsbevegelser, klem, svelging etc.). I noen MR-oppsett kompromitterer artefakter forårsaket av heliumpumpen og respiratorene også EEG-signalene betydelig. MR-gradientartefakter er ganske konsekvente i bølgeformene og kan korrigeres tilstrekkelig ved hjelp av en malbasert subtraksjonsteknikk hvis de er fullstendig registrert uten forvrengning ved hjelp av forsterkere med tilstrekkelig dynamisk område24. BCG-artefakter korrigeres vanligvis ved hjelp av subtraksjonsteknikken26, uavhengig komponentanalyse6, optimal basissett8eller en kombinasjon av disse teknikkene10. Nylig har fjerning av artefakter ved hjelp av enkel regresjon basert på signaler oppnådd samtidig med karbontrådløkker blitt utviklet7,9. Protokollen som presenteres her illustrerer det tekniske aspektet, med sikte på å gi en introduksjonsveiledning for de som er interessert i å bruke denne metoden. Denne metoden fjerner BCG, subtile subjektbevegelser og heliumpumpeartefakter, og de resulterende EEG-signalene er angivelig bedre enn de som er korrigert ved hjelp av andre metoder7,9. Større bevegelsesartefakter, spesielt de som inneholder svingende bevegelser, kan imidlertid ikke fjernes selv ved hjelp av denne metoden7. Til tross for forbedringen av disse artefaktfjerningsmetodene gjennom årene, er inkonsekvente artefakter, inkludert de som er forårsaket av MR-maskinindusert vibrasjon, fortsatt vanskelig å fjerne. Dessuten, jo mer omfattende artefakt fjerning prosedyren, jo høyere er risikoen for å miste noen reelle EEG-signaler. Derfor er god forberedelse som kan minimere de inkonsekvente artefaktene fortsatt viktigst i EEG-fMRI-oppkjøpet. I denne protokollen minimeres disse artefaktene ved å bruke: (1) en elastisk bandasje for å vikle hodet og minneskumputene for å immobilisere hodet i hodespolen, for å redusere mulig vibrasjon av ledningene samtidig som motivets komfort opprettholdes; (2) bomull og medisinsk tape for å redusere vibrasjon av EKG-elektrodetråden som kanskje ikke er fullstendig immobilisert av motivets egen vekt (delvis flytende mellom motivet og bordet spesielt i et tynt motiv); og (3) sandsekker for å immobilisere kablene som er plassert i MR-boringen. Dette er viktige teknikker for å minimere mr-maskiner som er vanskelige å fjerne, og som ikke er beskrevet i den tidligere publiserte EEG-fMRI-protokollen20. I den protokollen ble forsøkspersonene plassert i skanneren uten ekstra innpakning over EEG-hetten og polstring rundt hodet, og kabler ble bare teipet på noen få punkter uten immobilisering ved hjelp av sandsekker. Basert på 20 års erfaring ved Montreal Neurological Institute, innså vi at disse tiltakene kan bidra til følsomheten til elektrodetrådene og kablene til MR-maskiner-indusert vibrasjon, selv om de sjelden understrekes i de fleste EEG-fMRI-studier6. Minimering av MR-maskinindusert vibrasjon fører deretter til bedre kvalitet og lesbarhet av EEG, noe som er spesielt nyttig for å identifisere subtile endringer eller hendelser i EEG6, for eksempel små epileptiske utslipp i epilepsistudier og enkeltstudie ERPer i nevrokognitive studier.
Påvisning av ERP-er i EEG-signaler er en forutsetning for kognitive nevrovitenskapelige studier. I motsetning til den klassiske store gjennomsnittlige responsen på tvers av studier, er ERP single-trial deteksjon, som gir innsikt i hjernedynamikk som svar på en bestemt stimulus, blitt et nytt mål i moderne kognitive nevrovitenskapsstudier og ikke-invasiv hjerne-datamaskin grensesnitt forskning27. Anvendelse av dagens protokoll kan bidra til økt effektivitet på disse forskningsfeltene.
Protokollen passer best for det MR-kompatible EEG-systemet som brukes i denne studien. Likevel mener vi at de viktige punktene også kan gjelde for andre MR-kompatible EEG-systemer.
Disclosures
Forfatterne rapporterer ingen opplysninger som er relevante for manuskriptet.
Acknowledgments
Denne studien ble sponset av National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT).
Forfatterne takker MR-fysikerne og teknologene ved Center for Information and Neural Networks for deres dedikasjon til å skaffe mr-data av god kvalitet.
Dr. Khoo er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan og et stipend fra National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT), og ble støttet av Rayport og Shirley Ferguson Rayport fellowship i epilepsikirurgi og Preston Robb fellowship ved Montreal Neurological Institute (Canada), et stipendiat i Uehara Memorial Foundation (Japan). Hun mottok en sponset pris fra Japanese Epilepsy Society, støtte fra American Epilepsy Society (AES) Fellows-programmet, og reise bursary fra International League Against Epilepsy (ILAE).
Dr. Tani er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nr. 17K10895) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan og fikk forskningsstøtte fra Mitsui-Kousei Foundation, finansiering for en tur fra Medtronic, royalties fra publiseringen av artikler (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin), og honoraria fra å tjene som foredragsholder (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).
Dr. Oshino er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr. 17K10894) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan. Han mottok royalties fra publiseringen av artikler (Medicalview, Igaku-shoin), og honoraria fra å tjene som foredragsholder (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).
Dr. Fujita er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr. 19K18388) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan.
Dr. Gotman er finansiert av Canadian Institutes of Health Research (Nei. FDN-143208).
Dr. Kishima er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nr. 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan, Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (Nr. SIPAIH18E01), Japan Agency for Medical Research and Development og Japan Epilepsy Research Foundation.
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).
