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Neuroscience

Acquisizione affidabile dei dati di elettroencefalografia durante l'elettroencefalografia simultanea e la risonanza magnetica funzionale

Published: March 19, 2021 doi: 10.3791/62247
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 3, 1, 3, 1
1Department of Neurosurgery, Osaka University Graduate School of Medicine, 2Center for Information and Neural Networks, National Institute of Information and Communications Technology, 3Montreal Neurological Institute and Hospital, McGill University

Summary

Questo articolo fornisce un protocollo semplice per l'acquisizione di dati di elettroencefalografia (EEG) di buona qualità durante l'EEG simultaneo e la risonanza magnetica funzionale utilizzando prodotti medici prontamente disponibili.

Abstract

L'elettroencefalografia simultanea (EEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI), EEG-fMRI, combina le proprietà complementari dell'EEG del cuoio capelluto (buona risoluzione temporale) e fMRI (buona risoluzione spaziale) per misurare l'attività neuronale durante un evento elettrografico, attraverso risposte emodinamiche note come cambiamenti dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD). È uno strumento di ricerca non invasivo che viene utilizzato nella ricerca sulle neuroscienze ed è altamente vantaggioso per la comunità clinica, in particolare per la gestione delle malattie neurologiche, a condizione che vengono somministrate attrezzature e protocolli adeguati durante l'acquisizione dei dati. Sebbene la registrazione di EEG-fMRI sia apparentemente semplice, la corretta preparazione, specialmente nel posizionamento e nella messa in sicurezza degli elettrodi, non è solo importante per la sicurezza, ma è anche fondamentale per garantire l'affidabilità e l'aalisi dei dati EEG ottenuti. Questa è anche la parte più impegnativa per l'esperienza della preparazione. Per risolvere questi problemi, è stato sviluppato un protocollo semplice che garantisce la qualità dei dati. In questo articolo viene fornito una guida dettagliata per l'acquisizione di dati EEG affidabili durante EEG-fMRI utilizzando questo protocollo che utilizza prodotti medici prontamente disponibili. Il protocollo presentato può essere adattato a diverse applicazioni di EEG-fMRI in contesti di ricerca e clinici e può essere vantaggioso sia per gli operatori inesperti che per gli operatori esperti.

Introduction

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) fornisce una misura dell'attività neuronale attraverso risposte emodinamiche misurando i cambiamenti dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) durante un evento elettrografico. L'elettroencefalografia simultanea (EEG) e fMRI (EEG-fMRI) è uno strumento di ricerca non invasivo che combina le proprietà sinergiche dell'EEG del cuoio capelluto (buona risoluzione temporale) e fMRI (buona risoluzione spaziale), consentendo una migliore localizzazione del sito responsabile della generazione di eventi elettrografici rilevabili in EEG. È stato sviluppato per la prima volta negli anni '90 per l'uso nel campo dell'epilessia1,2 ed è stato successivamente utilizzato nella ricerca sulle neuroscienze dagli anni 20003,4. Con l'aumento delle conoscenze riguardanti lasicurezza 5 e lo sviluppo continuo di tecniche per la rimozione di manufatti indotti dalla risonanza magnetica su EEG3,6,7,8,9,10,è attualmente uno strumento ampiamente utilizzato sia nelle neuroscienze che nella ricerca clinica11.

EEG-fMRI viene acquisito a riposo o durante un compito, a seconda della domanda di ricerca. In generale, l'acquisizione dello stato di riposo consente l'identificazione delle strutture coinvolte nella generazione di una particolare caratteristica EEG (ad esempio, forma d'onda, ritmo, frequenze, potenza) e aiuta a comprendere le attività cerebrali spontanee variabili11. Una serie di studi di neuroscienze e la maggior parte degli studi clinici, in particolare quelli sull'epilessia12,acquisiscono EEG-fMRI a riposo11. L'acquisizione basata su attività consente l'identificazione di aree cerebrali e delle attività elettriche cerebrali assegnate o correlate a un compito specifico e aiuta a stabilire il legame tra le attività elettriche e le aree cerebrali associate al compito. L'acquisizione basata su attività viene utilizzata principalmente negli studi dineuroscienze 11 e in alcuni studiclinici 13. La maggior parte delle acquisizioni EEG-fMRI basate su attività utilizza una progettazione relativa agli eventi. Il tipo di modellazione utilizzato per l'integrazione dei dati EEG e fMRI determina se l'efficienza o la potenza di rilevamento devono essere massimizzate nella progettazionedell'attività 14. Si prega di consultare gli studi di Menon et al.

Sebbene l'acquisizione dei dati durante EEG-fMRI possa sembrare semplice, la preparazione richiede esperienza. Un protocollo per guidare una corretta preparazione all'acquisizione dei dati è importante per garantire sia la sicurezza che la resa (cioè dati aalizzabili e affidabili). Nonostante l'esistenza di varie tecniche per rimuovere gli artefatti EEG indotti dalla RISONANZA MAGNETICA, gli artefatti incoerenti nell'EEG registrati, in particolare quelli relativi alle vibrazioni indotte dai macchinari dei fili e ai movimenti lordi dei soggetti, sono ancora difficili da rimuovere completamente; pertanto, questi artefatti devono essere ridotti al minimo durante l'acquisizione dei dati.

Questo articolo presenta un protocollo semplice che utilizza prodotti medici compatibili con la risonanza prima e la trofia prontamente disponibili. Il protocollo fornisce passaggi importanti che garantiscono la qualità dei dati, in particolare la qualità dei dati EEG, che è la chiave del successo di uno studio EEG-fMRI. Questo protocollo è stato sviluppato sulla base dell'esperienza di 20 anni del team di ricerca EEG-fMRI presso il Montreal Neurological Institute12,17 ed è stato ulteriormente modificato per l'uso presso l'Università di Osaka, a beneficio sia degli operatori inesperti che di esperti.

Protocol

Il comitato etico di ricerca dell'ospedale universitario di Osaka e il comitato di sicurezza del Center for Information and Neural Networks (CiNET) approvano il protocollo (Osaka University Hospital Approval n. 18265 e 19259; nr. di approvazione CiNET 2002210020 e 2002120020). Tutti i soggetti hanno fornito un consenso informato scritto per la loro partecipazione.

1. Preparazione dell'allestimento sperimentale

  1. Collegare gli amplificatori EEG e bipolari compatibili con la risonanza prima e la risonanzametria ai pacchi batteria (assicurarsi che siano completamente caricati) e al computer di registrazione.
  2. Verificare che l'area di lavoro del software di registrazione sia configurata correttamente. Impostare la risoluzione di ampiezza su 0,5 μV per evitare la saturazione dell'amplificatore; impostare i filtri di frequenza in base alla banda di frequenza di interesse. Impostare la frequenza di campionamento a 5.000 Hz (massimo possibile per gli amplificatori utilizzati in questo protocollo), indipendentemente dalla banda di frequenza di interesse.
    NOTA: La risoluzione di ampiezza a 0,5 μV corrisponde a un valore massimo di 16,38 mV, che è sufficiente per registrare l'artefatto gradiente, considerando che i picchi di artefatto gradiente possono raggiungere ampiezze superiori di 100 volte superiori a quelle dell'EEG spontaneo del cuoio capelluto (circa 10-100 μV) ad alte velocità (>1.000 volte più velocemente della velocità di cambiamento dell'EEG in corso). Teoricamente, la frequenza di campionamento dovrebbe essere almeno il doppio (teorema di Nyquist) della frequenza più alta nello spettro di commutazione del gradiente, al fine di campionare accuratamente gli artefatti di commutazione del gradiente ad alta frequenza e rilevare il vero inizio dell'attività gradiente di ogni volume per la successivarimozione 12,18. Tuttavia, l'aumento della frequenza di campionamento si traduce in file di grandi dimensioni, che richiedono investimenti significativi per l'archiviazione dei dati e possono anche ostacolare la successiva post-elaborazione. L'utilizzo del dispositivo di sincronizzazione rende superfluo aumentare la frequenza di campionamento per migliorare la sincronizzazione tra gli orologi EEG e MR (vedere il passaggio 1.4). Una frequenza di campionamento di 5.000 Hz è adeguata per le registrazioni EEG/ERP (ERP) abituali e frequenze di campionamento più elevate non migliorano la qualità dei dati perché il successivo processo di correzione dell'artefatto, che prevede il campionamento dei dati a una frequenza inferiore a 500 Hz e un filtro passa basso aggiuntivo, elimina tutti i residui di correzione del gradiente ad alta frequenzache possono esistere 18.
  3. Fare riferimento al manuale per i dettagli relativi alle impostazioni corrette del software di registrazione necessario per l'acquisizione EEG nella risonanza prima, che differisce da quella al di fuori della risonanza prima.
  4. Verificare se i marcatori dello scanner, o cioè i marcatori per la sincronizzazione dell'orologio (sincronizzati per impostazione predefinita) e il trigger di volume (R128 per impostazione predefinita), vengono periodicamente visualizzati nella registrazione EEG online. La sincronizzazione sul display indica che lo scanner MRI e gli orologi EEG sono sincronizzati e R128 indica che i trigger del volume vengono registrati per la successiva post-elaborazione. Lo scanner MRI e gli orologi EEG vengono sincronizzati utilizzando il dispositivo SyncBox, che rileva l'uscita dell'orologio dello scanner (di solito 10 MHz e oltre), i downsample e emette il segnale di clock (e i marcatori di sincronizzazione) sull'interfaccia USB2.
    NOTA: l'interfaccia USB2 invia i dati EEG da tutti gli amplificatori, che sono bloccati in fase al segnale di clock dello scanner, al computer di registrazione18. La sincronizzazione periodica sui marcatori sono trigger generati dall'impulso elettrico dello scanner per sincronizzare il campionamento del segnale EEG dalla frequenza dello scanner MR, un requisito per la correzione degli artefatti dello scanner. I trigger di volume vengono utilizzati per identificare il tempo di insorgenza dell'analisi del volume MR per la correzione degli artefatti dello scanner durante l'elaborazione EEGoffline 19.
  5. Impostare lo scanner MRI in base alle esigenze e alla disponibilità. È meglio utilizzare una bobina a radiofrequenza della testa di trasmissione e ricezione (RF) per ridurre al minimo il rischio di riscaldamento RF. Tuttavia, un intero corpo trasmette rf-coil e una testa a 20 canali ricevono solo RF-coil sono stati utilizzati qui perché una bobina di testa di trasmissione e ricezione non era disponibile per lo scanner utilizzato (in genere il caso per la maggior parte degli scanner moderni).
  6. Caricare una siringa da 10 ml (o più se necessario) con il gel conduttivo abrasivo per l'applicazione del tappo EEG. Si potrebbe precaricare il gel abrasivo in una siringa di plastica di grande capacità da 50 ml per l'erogazione del fluido e riempire la siringa da 10 ml con il gel prima dell'arrivo del soggetto.
    NOTA: L'applicazione di un tappo EEG a 32 canali consuma in genere circa 20-25 mL di gel.

2. Applicazione del tappo EEG e dell'elettrodo ECG

  1. Al momento dell'assunzione, chiedere al soggetto di compilare una lista di controllo delle potenziali controindicazioni per la risonanza da mento. Verificare che il soggetto non abbia controindicazioni per la risonanza prima dell'arrivo.
    NOTA: In generale, qualsiasi soggetto che si qualifica per la risonanza prima della mento può partecipare a uno studio EEG-fMRI. I criteri di esclusione sono: soggetti non cooperativi o non conformi; quelli con condizioni sottostanti (ad esempio, mal di schiena cronico), che impediscono loro di mentire supina per un certo periodo di tempo (in genere almeno 1 h); o soggetti che potrebbero non essere in grado di sdraiarsi ancora sul tavolo della risonanza magnetica durante la scansione. Il movimento non solo ostacola la qualità dei dati EEG e fMRI, ma impone anche un potenziale pericolo per i soggetti stessi (ad esempio, induce corrente nei fili e nei cavi che può causare stimolazione). In caso di acquisizione basata su attività, dovrebbe essere presa in considerazione anche la capacità di comprensione linguistica del soggetto (evitare soggetti che non sono in grado di comprendere le istruzioni). In questo studio sono stati reclutati 32 volontari sani (età media, 40 anni; 17 donne) e 25 pazienti con epilessia (età media, 31 anni; 13 donne).
  2. Chiedi ai soggetti di lavarsi i capelli con shampoo senza balsamo o cera prima dell'arrivo.
  3. Spiegare lo scopo dell'esperimento e i passaggi successivi al soggetto.
  4. Misurare la circonferenza della testa (cioè la circonferenza frontale occipitale) avvolgendo un nastro di misura flessibile non allungabile attorno alla testa sopra le creste sopraorbitali e l'occipite e selezionare un cappuccio di dimensioni appropriato. Utilizzare un cappuccio più grande di 1 cm rispetto alla circonferenza della testa e chiedere sempre al soggetto se il cappuccio è comodo una volta posizionato (cioè non troppo stretto).
  5. Dopo aver posizionato il cappuccio nella posizione approssimativa sopra la testa del soggetto, usando lo stesso metro, misurare le lunghezze dell'arco di inione-nasione, definito come l'arco sopra la linea mediana della testa che si estende dall'occipite al ponte del naso, e l'arco peri-auricolare, definito come l'arco che si estende tra le orecchie che attraversa il punto medio dell'arco di inione-nasione, sopra il tappo. Contrassegnare l'intersezione tra l'arco di inione-nasione e l'arco peri-auricolare (il punto in cui i punti intermedi di entrambi gli archi si incontrano, AKA Cz), e far scorrere il cappuccio sopra la testa in modo che la posizione dell'elettrodo Cz sia regolata a questa intersezione. Assicurarsi che il cappuccio non sia ruotato orizzontalmente controllando manualmente se gli elettrodi Fz, Pz, Oz, Reference e Ground sono posizionati sopra l'arco di inione-nasione.
  6. Esporre la pelle sotto ogni elettrodo spostando i capelli sul lato dell'elettrodo utilizzando la parte posteriore di un batuffolo di cotone.
  7. Strofinare la pelle sotto ogni elettrodo ruotando rapidamente un batuffolo di cotone contenente il 70% di soluzione alcolica posta attraverso l'apertura dell'elettrodo.
  8. Applicare una piccola quantità del gel conduttivo abrasivo (~0,2 mL) nell'apertura e abrasare la pelle ruotando rapidamente un batuffolo di cotone in modo simile.
  9. Monitorare l'impedenza dell'elettrodo (visualizzata dal software di registrazione) e ripetere l'abrasione come indicato al passaggio 2.8 fino a quando l'impedenza scende almeno al di sotto di20kΩ 20 , preferibilmente il più bassa possibile (inferiore a 5 kΩ)21.
  10. Riempire l'apertura con lo stesso gel (di solito ~0,5 mL) una volta che l'impedenza è soddisfacente. Non applicare gel eccessivo nell'apertura per evitare il ponte tra gli elettrodi. Passare all'elettrodo successivo se l'impedenza è insoddisfacente nonostante l'abrasione ripetuta e tornare più tardi perché a volte l'impedenza continua a cadere con il tempo dopo l'applicazione del gel.
  11. Ripetere i passaggi 2.6-2.9 per tutti gli elettrodi EEG del cuoio capelluto.
  12. Prima di posizionare l'elettrodo ECG sul retro, chiedere al soggetto di sedersi in posizione verticale senza flettere il collo.
  13. Assicurarsi che il filo dell'elettrodo ECG sia dritto quando si posiziona l'elettrodo ECG sul retro, ma tenere un po 'di tolleranza per la posa del filo dell'elettrodo ECG lungo la curva del collo, per evitare lo spostamento dell'elettrodo quando il soggetto si sdraia sul tavolo della risonanza prima. Posizionare l'elettrodo ECG a 2-3 cm a sinistra dal solco mediano, che può essere identificato come rientranza verticale lungo la linea mediana della parte posteriore. La posizione verticale varia a seconda dell'altezza del soggetto; è tipicamente posizionato nella parte bassa della schiena approssimativamente sulla linea che si estende tra le punte della scapola in un soggetto di circa 160 cm.
  14. Strofinare la pelle sotto l'elettrodo ECG con un tampone alcolico.
  15. Attaccare l'elettrodo ECG alla pelle utilizzando un anello adesivo a doppia aspetto e ripetere i passaggi 2.8-2.9. L'anello adesivo funge anche da imbottitura per evitare il contatto diretto dell'elettrodo con la pelle.
  16. Piegare il batuffolo di cotone alcolico secco in quattro e posizionarlo sull'elettrodo ECG. Nastro adesivo sulla pelle utilizzando un nastro chirurgico (nastro adesivo medico). Collegare il filo dell'elettrodo ECG alla pelle fino alla spalla.

3. Applicare il circuito del filo di carbonio (se è disponibile un amplificatore bipolare)

  1. Posizionare un insieme di filo di carbonio pre-treccia (diametro 1 mm)9 costituito da sei anelli (diametro 10 cm) sopra il cappuccio in una posizione tale che il fascio dei fili sia parallelo al fascio di elettrodi sulla parte superiore della testa.
  2. Utilizzare nastro chirurgico (1 x 2 cm) per fissare gli anelli intorno agli elettrodi, in modo che i loop coprano la testa con ogni anello che copre uniformemente quasi un'area uguale (cioè sia il fronto-temporale, sia il temporo-occipitale, l'occipitale, sia il vertice). In alternativa, si potrebbero anche cucire i loop all'EEG-cap, se applicabile.
    NOTA: I passanti in filo di carbonio sulla testa servono a catturare il movimento, incluso il ballistocardiogramma (BCG). Questi segnali vengono utilizzati per la rimozione di artefatti BCG dall'EEG durante l'elaborazione EEGoffline 9.

4. Fissaggio del tappo e dei passanti in filo di carbonio

  1. Assicurarsi che gli elettrodi EEG non formino anelli.
  2. Avvolgere la testa del soggetto con una benda elastica sopra il cappuccio EEG e gli anelli in carbonio. La benda serve a premere l'elettrodo EEG saldamente sulla pelle, a ridurre le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica degli elettrodi e a evitare che il gel si riversi sul cuscino quando si posiziona il soggetto all'interno dello scanner MR (vedere il passaggio 5).
  3. Assicurarsi che la benda copra tutti gli elettrodi e non sia troppo stretta chiedendo se il soggetto sente una pressione scomoda sulla testa durante l'applicazione della benda.

5. Inserimento del soggetto nello scanner MR

  1. In caso di acquisizione dello stato di riposo, istruire il soggetto ad applicare auricolari compatibili con la risonanza prima ostruzione nelle orecchie. In caso di acquisizione basata su attività, incaricare il soggetto di applicare le cuffie o gli auricolari compatibili con la risonanza da ta risonanza come richiesto dall'esperimento. Assicurarsi che il soggetto possa sentire attraverso entrambi i lati delle cuffie o degli auricolari.
  2. Posizionare un cuscino in schiuma di memoria piatta compatibile con la risonanza magnetica nella metà inferiore della bobina della testa prima di chiedere al soggetto di sdraiarsi e posizionare la testa nella bobina.
  3. Dopo aver posizionato la testa in modo appropriato (parte superiore della testa posizionata il più vicino possibile alla parte superiore della bobina della testa), posizionare l'elettrodo e i fasci di filo di carbonio direttamente attraverso l'apertura superiore della bobina della testa.
  4. Aggiungere cuscini in schiuma di memoria sulla parte superiore della testa, sulla fronte e sull'area temporale. I cuscini dovrebbero riempire in modo appropriato tutti gli spazi lasciati all'interno della bobina della testa senza comprimere troppo strettamente la testa del soggetto.
    1. Assicurarsi che i cuscini non spremino la testa mentre si posiziona la metà superiore della bobina della testa e mentre si chiude la bobina. Regolare i cuscini o passare a cuscini di dimensioni più piccole se troppo stretti. In questo modo, i cuscini servono a tenere i fili degli elettrodi per ridurre le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica sui fili dell'elettrodo e per frenare i movimenti della testa mantenendo il comfort del soggetto durante la scansione.
    2. Posizionare un cuscino in schiuma di memoria a forma di mezzo cilindro sul retro del collo in modo che il filo dell'elettrodo ECG sia inserito bene tra il cuscino e il collo. La porzione di filo elettrodo ECG che passa nella parte posteriore sotto la spalla è infatti inserita tra la parte posteriore del soggetto e la tabella della risonanza prima e viene quindi immobilizzata dal peso del soggetto stesso.
  5. Nel caso di un'acquisizione basata su attività, dopo aver posizionato tutti i cuscini in schiuma di memoria, assicurarsi che le cuffie o gli auricolari non siano spostati testando di nuovo se il soggetto può ancora sentire attraverso entrambi i lati delle cuffie o degli auricolari. Dopo aver chiuso la bobina della testa, posizionare lo specchio e istruire il soggetto a regolare lo specchio (nel caso del compito che richiede stimoli visivi). Istruire il soggetto a regolare lo specchio se necessario, dopo aver spostare il tavolo per posizionare la testa del soggetto all'isocentro del foro mri.
  6. Collegare gli amplificatori posizionati sul retro del foro mri al computer di registrazione posto nella sala console utilizzando le fibre ottiche fornite.
  7. Dopo aver collegato gli elettrodi EEG/ECG e i loop del filo di carbonio all'EEG e agli amplificatori bipolari sul retro del foro MRI, accendere gli amplificatori. Ancora una volta, controllare l'impedenza di tutti gli elettrodi per assicurarsi che siano ancora bassi (almeno al di sotto di 20 kΩ). Rimuovere il soggetto dallo scanner MR per la regolazione se è disponibile un elettrodo ad alta impedenza.

6. Configurazione dei fili e degli amplificatori

  1. Disporre tutti i fili tra l'uscita dell'apertura superiore della bobina della testa e gli amplificatori (compresi gli elettrodi e i fasci di filo di carbonio, la scatola del connettore e i fili del nastro) in modo che siano posizionati dritti e al centro del foro MRI. Questo è importante per ridurre al minimo la corrente indotta dalla risonanza magnetica.
  2. Posizionare un anello di filo di carbonio attorno al cavo a nastro che va dalla scatola del connettore degli elettrodi EEG/ECG all'amplificatore e collegare tutti i loop del filo di carbonio (vedere il passaggio 5.7) alla scatola di ingresso dell'amplificatore bipolare (EXG MR). Questo anello serve principalmente a catturare le vibrazioni causate dalla pompa di elio9.
  3. Per ridurre al minimo le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica, immobilizzare i fili infilandoli tutti con sacchi di sabbia MR-safe e non ferromagnetici lungo tutto il percorso tra l'uscita dell'apertura superiore della bobina della testa e gli amplificatori. Inoltre, posiziona sacchi di sabbia sugli amplificatori. Questi sacchi di sabbia, misurati 330 mm x 240 mm x 50 mm e del peso di 4 kg, sono forniti dal produttore EEG.
  4. Posizionare gli amplificatori all'esterno del foro del magnete, che è consentito dalla lunghezza dei cavi fornita dal produttore.

7. Acquisizione dati EEG-fMRI

  1. Assicurarsi che il soggetto sia a proprio agio con il posizionamento prima di uscire dalla stanza dello scanner, per evitare inutili movimenti del soggetto durante l'acquisizione. Istruire il soggetto a premere il pulsante di allarme se necessario (cioè, in caso di emergenza o se il soggetto sente una sensazione scomoda). Comunicare con il soggetto dalla sala console per confermare che il soggetto può sentire l'operatore. Inseni all'oggetto che sono previsti rumori forti durante l'acquisizione dei dati. Istruisi il soggetto come richiesto per l'esperimento e istruisi il soggetto a non muoversi durante l'acquisizione dei dati.
  2. Avviare la registrazione EEG prima di avviare l'acquisizione di fMRI. In genere, le seguenti immagini vengono acquisite in sequenza: immagini scout (bidimensionali) per il posizionamento del campo visivo fMRI, fMRI e immagini strutturali per la co-registrazione delle immagini fMRI durante la post-elaborazione. Le sequenze di Shim sono state eseguite prima di acquisire ogni tipo di immagine per la calibrazione dei parametri appropriati.
    NOTA: È importante utilizzare sequenze mri che si sono dimostrate sicure con gli amplificatori per mantenere la sicurezza ed evitare qualsiasi danno agli amplificatori18. I dettagli relativi alle sequenze considerate sicure non saranno discussi in dettaglio. I lettori sono invitati a consultare il manuale d'uso o il team di supporto. In generale, si raccomandano sequenze di eco gradiente e si dovrebbero evitare sequenze di eco di rotazione o qualsiasi sequenza con parametri di emissione RF equivalenti, che possono causare un eccessivo riscaldamento indotto da RF. Il riscaldamento può essere quantificato indirettamente utilizzando metriche che misurano la quantità di esposizione RF, come il tasso specifico di assorbimento di energia (SAR) e il valore quadratico medio della radice di B1+ mediamente superiore a 10 s (B1+rms). Recentemente, B1+rms, dipendente dai parametri di imaging ma indipendente dalla massa corporea dei soggetti22, sta diventando il nuovo standard per specificare il limite. Ad esempio, le soglie B1+rms per l'acquisizione a 3 T utilizzando il tappo EEG Brain Products sono 1 μT per l'attuale tappo standard e 1,5 μT per il nuovo tappo EEG standard con un cavo in bundle più corto (10 cm)23. L'angolo di capovolgimento, il numero di fette e il tempo di ripetizione (TR) sono parametri che devono essere considerati per mantenere bassi SAR e B1+rms. Si consiglia un piccolo angolo di capovolgimento (<90°). Il numero di sezioni e TR può essere regolato purché la sequenza risultante sia al di sotto della soglia di B1+rms23.
  3. All'avvio dell'acquisizione, assicurarsi che nuovamente i marcatori dallo scanner (vedere 1.4) siano periodicamente visualizzati nella registrazione EEG online.

Representative Results

Al momento del posizionamento del tappo EEG utilizzando questo protocollo, l'impedenza di ogni elettrodo di solito scende sotto i 20 kΩ(Figura 1). I segnali EEG rappresentativi ottenuti da un soggetto (uomo di 20 anni) che ha partecipato a uno studio neurocognitivo e da un soggetto diverso (donna di 19 anni) che hanno partecipato a uno studio di epilessia utilizzando questo protocollo nello stesso scanner MR sono mostrati rispettivamente nella figura 2 e nella figura 3. Il soggetto che è stato sottoposto a test neurocognitivi è stato incaricato di tenere gli occhi aperti ma rimanere fermo mentre svolgeva un compito visivo secondo le istruzioni. Il soggetto per lo studio dell'epilessia è stato istruito a chiudere gli occhi e il sonno, poiché le attività epilettiche sono tipicamente più frequenti durante il sonno. I segnali EEG acquisiti da entrambi gli studi erano simili prima dell'elaborazione(figura 2); l'artefatto gradiente mri oscurava i segnali EEG reali. I segnali EEG di entrambi gli studi sono stati elaborati offline come segue: gli artefatti MRI sono stati rimossi usando il metodo di sottrazione24; e BCG, i movimenti e gli artefatti della pompa di elio sono stati rimossi utilizzando la regressione dei segnali registrati dai loop difilo di carbonio 7,9. I segnali EEG risultanti (Figura 3B) di entrambi gli studi erano di qualità aalizzabile senza contaminazione visibile degli artefatti BCG (Figura 3A). Le attività epilettiche sono state chiaramente osservate sull'EEG durante lo studio dell'epilessia (Figura 3B). Sull'EEG acquisito durante lo studio neurocognitivo, sono stati osservati lampeggianti, movimenti oculari e artefatti muscolari, specialmente nei cavi frontali (Fp1 e Fp2) dopo la rimozione del manufatto (Figura 3B) a causa della natura dello studio, e possono essere ulteriormente rimossi usando altri metodi a seconda delle esigenze. Nessun manufatto proveniente dalle vibrazioni delle macchine è stato visto sui segnali EEG post-elaborati acquisiti durante entrambi gli studi(figura 3B paragonabile ai segnali EEG acquisiti al di fuori della risonanza prima della risonanza, come mostrato nella figura 3C). Nessun artefatto proveniente dagli elettrodi EEG è stato visto sulle immagini MR acquisite contemporaneamente (Figura 4).

Figure 1
Figura 1: Impedenza rappresentativa degli elettrodi EEG scesi al di sotto di 5 kΩ all'applicazione di un tappo EEG a 32 canali su un soggetto che ha partecipato a uno studio neurocognitivo. Ogni cerchio colorato rotondo rappresenta un elettrodo EEG, con il nome dell'elettrodo scritto all'interno del cerchio; la posizione di ogni cerchio rappresenta la posizione di ogni elettrodo sul tappo EEG. La barra dei colori e i numeri a destra rappresentano l'intervallo dell'impedenza misurata (0-5 kΩ in questo caso); il colore verde indica che il valore di impedenza è inferiore al valore del livello Buono e il colore rosso indica il livello negativo. In questo esempio, gli elettrodi CP1, O1, Oz, O2 ed ECG sono indicati in verde chiaro, il che significa che le impedenze di questi elettrodi erano di 2 kΩ; il resto degli elettrodi sono indicati in verde scuro, il che significa che le impedenze di questi elettrodi erano di 0 kΩ. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Segnale EEG prima dell'elaborazione. Si noti che l'artefatto gradiente mri ha oscurato i segnali EEG reali. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Segnali EEG rappresentativi provenienti da soggetti che hanno partecipato a studi neurocognitivi ed epilessici. I segnali EEG nella riga superiore provengono da uno studio neurocognitivo e quelli nella riga inferiore provengono da uno studio di epilessia. I segnali EEG sono stati elaborati offline. ( A )SegnaliEEG dopo la rimozione dell'artefatto del gradiente MRI. Le scatole in azzurro indicano gli artefatti BCG. (B) Segnali EEG dopo la rimozione dell'artefatto utilizzando la regressione dei segnali registrati dai loop del filo di carbonio. (C) Segnali EEG registrati al di fuori della risonanza prima dell'uso utilizzando la stessa apparecchiatura EEG. I segnali EEG sono stati mostrati nel montaggio referenziale (riferimento a FCz); EEG in montaggio bipolare (ogni canale rappresenta la differenza di tensione tra una coppia di elettrodi adiacenti) dello stesso segmento è mostrato anche per EEG acquisito durante uno studio di epilessia per facilitare la visualizzazione delle attività epilettiche. Le punte delle frecce blu (B e C, riga superiore) indicano lampeggianti (deflessioni verso il basso e potenziali difasici lenti ad alta ampiezza a Fp1 e Fp2), la punta della freccia nera (B, riga superiore) indica il movimento degli occhi risultante da una saccade o da un cambiamento spontaneo dello sguardo (piccole e rapide deformazioni a Fp1 e Fp2) e i rettangoli verdi (B, riga superiore) indicano il ritmo alfa visto sull'EEG acquisito durante uno studio neurocognitivo. Le attività a bassa ampiezza e ad alta frequenza prevalentemente a Fp1 e Fp2 sono artefatti muscolari (ispessimento del tracciamento EEG, riga superiore). Le punte di freccia rosse (B e C, riga inferiore) indicano i punti di tempo in cui le attività epilettiche sono state identificate sull'EEG acquisite durante uno studio di epilessia (forti deviazioni verso il basso o verso l'alto che a volte sono seguite da un'onda lenta). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Dati rappresentativi della RISONANZA PRIMA acquisiti da un soggetto utilizzando questo protocollo. Si noti che gli elettrodi EEG non hanno causato artefatti visibili sulle immagini MR acquisite contemporaneamente. (A) magnetizzazione preparata acquisizione rapida con immagine eco gradiente; (B) eco imaging planare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Questo protocollo ha evidenziato i punti importanti per l'acquisizione simultanea sicura di dati di buona qualità da parte di EEG-fMRI.

Alcuni errori comuni che vengono risultanti in artefatti difficili da rimuovere su EEG e tecniche di risoluzione dei problemi sono i seguenti. In primo luogo, la scelta di soggetti conformi e cooperativi e la garanzia del loro comfort durante l'acquisizione dei dati possono prevenire la risoluzione prematura a causa dei movimenti del soggetto (passaggi 2.1 e 5.4). In secondo luogo, l'impedenza di non scendere sotto i 20 kΩ dopo ripetute abrasioni del cuoio capelluto (fase 2.9) è molto probabilmente dovuta a una spazzolatura inadeguata dopo l'uso. Spazzolare accuratamente ogni apertura degli elettrodi EEG durante il lavaggio del cappuccio previene questo problema. In terzo luogo, impostazioni inappropriate dell'hardware e del software possono causare la saturazione dei segnali EEG che successivamente ostacolano la rimozione degli artefatti durante l'elaborazione EEG offline. Infine, per evitare la registrazione di segnali EEG saturi, mantenere l'impedenza di ogni elettrodo al di sotto di 20 kΩ dopo aver posizionato il soggetto nello scanner MR prima dell'acquisizione dei dati; ridurre adeguatamente le vibrazioni meccaniche immobilizzando il tappo EEG (che significa anche la testa del soggetto), cavi e fili; monitorare il segnale EEG grezzo online con il software di registrazione e assicurarsi che la frequenza di campionamento e la risoluzione dell'ampiezza siano configurate correttamente.

L'acquisizione simultanea di EEG e fMRI solleva importanti problemi di sicurezza legati al riscaldamento indotto da RF e alla commutazione di correnti indotte dal gradiente a causa della presenza di fili elettrici collegati al soggetto nel campo magnetico in rapidaevoluzione 5. Questi problemi di sicurezza sono stati in gran parte ridotti al minimo nel corso degli anni a seguito di risultati di ricerca che hanno migliorato la conoscenza di questo aspetto e portato a grandi miglioramenti nella tecnologia delle apparecchiature EEG compatibili con la risonanza prima. Tuttavia, una preparazione disattenta senza un'adeguata conoscenza o senza prendere precauzioni di sicurezza mette in pericolo i soggetti. Ad esempio, i loop che si formano ovunque all'interno del circuito inducono corrente e possibili lesioni da calore. L'acquisizione con gli elettrodi ad alta impedenza non solo ostacola la qualità dei dati EEG, ma rappresenta anche un potenziale pericolo per il soggetto (lesione termica dovuta all'elevata densità di corrente). Lo stesso pericolo si applica agli elettrodi rotti. I cavi posizionati in prossimità della parete di foro MR, in altre parole, lontano dal centro, rappresentano anche un potenziale pericolo di riscaldamento per il soggetto (riscaldamento dovuto all'effetto antenna)25. Questo protocollo enfatizza i seguenti aspetti di sicurezza: nessun anello si forma all'interno del circuito tra il soggetto e l'amplificatore, tutti gli elettrodi hanno bassa impedenza durante la risonanza magnetica e tutti i cavi sono posizionati al centro del foro. Si consiglia agli operatori principianti di seguire una formazione e seguire le linee guida del produttore presenti nel manuale d'uso e nei videodimostrativi 20 per evitare problemi di sicurezza.

Le principali cause di artefatti trovati su EEG-fMRI sono il gradiente di commutazione della risonanza prima, del BCG o dei movimenti grossolani o sottili del soggetto (movimenti del viso, stringere, deglutire ecc.). In alcune configurazioni di risonanza rapida, anche gli artefatti causati dalla pompa dell'elio e dai ventilatori compromettono significativamente i segnali EEG. Gli artefatti gradiente MR sono piuttosto coerenti nelle forme d'onda e possono essere sufficientemente corretti utilizzando una tecnica di sottrazione basata su template se sono completamente registrati senza distorsioni utilizzando amplificatori con un intervallo dinamicosufficiente 24. Gli artefatti BCG vengono in genere corretti utilizzando la tecnica disottrazione 26, l'analisi indipendentedei componenti 6, il set di basiottimale 8o unacombinazione di queste tecniche 10. Recentemente, la rimozione degli artefatti utilizzando una semplice regressione basata su segnali acquisiti contemporaneamente con anelli di filo di carbonio èstata sviluppata 7,9. Il protocollo qui presentato illustra l'aspetto tecnico, con l'obiettivo di fornire una guida introduttiva per coloro che sono interessati a utilizzare questo metodo. Questo metodo rimuove BCG, sottili movimenti del soggetto e artefatti della pompa dell'elio e i segnali EEG risultanti sono riportati superiori a quelli correttiutilizzando altri metodi 7,9. Tuttavia, gli artefatti di movimento più grandi, in particolare quelli contenenti movimenti ondeggianti, non sono rimovibili anche utilizzando questometodo 7. Nonostante il miglioramento di queste metodologie di rimozione degli artefatti nel corso degli anni, gli artefatti incoerenti, compresi quelli causati dalle vibrazioni indotte dalle macchine per risonanza magnetica, sono ancora difficili da rimuovere. Inoltre, più ampia è la procedura di rimozione degli artefatti, maggiore è il rischio di perdere alcuni segnali EEG reali. Pertanto, una buona preparazione in grado di ridurre al minimo gli artefatti incoerenti rimane più importante nell'acquisizione di EEG-fMRI. In questo protocollo, questi artefatti sono ridotti al minimo utilizzando: (1) una benda elastica per avvolgere la testa e i cuscini in schiuma di memoria per immobilizzare la testa nella bobina della testa, per ridurre le possibili vibrazioni dei fili mantenendo il comfort del soggetto; (2) cotone e nastro adesivo medico per ridurre le vibrazioni del filo dell'elettrodo ECG che potrebbero non essere completamente immobilizzate dal peso del soggetto stesso (parzialmente fluttuante tra il soggetto e la tabella, specialmente in un soggetto sottile); e (3) sacchi di sabbia per immobilizzare i cavi posti nel foro della risonanza prima. Si tratta di tecniche importanti per ridurre al minimo gli artefatti di vibrazione indotti dalle macchine mri difficili da rimuovere, che non sono stati descritti nel protocollo EEG-fMRI20 pubblicatoin precedenza. In quel protocollo, i soggetti venivano collocati nello scanner senza ulteriore avvolgimento sopra il cappuccio EEG e imbottitura intorno alla testa, e i cavi venivano nastrati solo in pochi punti senza immobilizzazione usando sacchi di sabbia. Sulla base di 20 anni di esperienza presso il Montreal Neurological Institute, ci siamo resi conto che tali misure possono contribuire alla suscettibilità dei fili e dei cavi degli elettrodi alle vibrazioni indotte dai macchinari della risonanza magnetica, sebbene siano raramente enfatizzate nella maggior parte degli studi EEG-fMRI6. Ridurre al minimo le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica porta successivamente a una migliore qualità e leggibilità dell'EEG, che è particolarmente utile per identificare cambiamenti o eventi sottili nell'EEG6, come piccole scariche epilettiche negli studi di epilessia e ERP mono-trial in studi neurocognitivi.

Il rilevamento di ERP nei segnali EEG è un prerequisito per gli studi di neuroscienze cognitive. In contrasto con la classica grande risposta media tra gli studi, il rilevamento a prova singola ERP, che fornisce approfondimenti sulla dinamica cerebrale in risposta a un particolare stimolo, sta diventando un nuovo obiettivo nei moderni studi di neuroscienze cognitive e nella ricerca non invasiva sull'interfaccia cervello-computer27. L'applicazione del presente protocollo può contribuire ad aumentare l'efficienza in questi settori di ricerca.

Il protocollo è più adatto per il sistema EEG compatibile con la risonanza prima di 000 utilizzato in questo studio. Tuttavia, riteniamo che i punti importanti possano essere applicabili anche ad altri sistemi EEG compatibili con la risonanza prima o zione.

Disclosures

Gli autori non riportano alcuna divulgazione pertinente al manoscritto.

Acknowledgments

Questo studio è stato patrocinato dal National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT).

Gli autori ringraziano i fisici e i tecnologi della risonanza prima mondiale presso il Center for Information and Neural Networks per la loro dedizione nell'acquisizione di dati mri di buona qualità.

Il Dr. Khoo è finanziato da Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone e una sovvenzione del National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT), ed è stata supportata dalla borsa di studio Mark Rayport e Shirley Ferguson Rayport in chirurgia epilessia e dalla borsa di studio Preston Robb del Montreal Neurological Institute (Canada), una borsa di ricerca della Uehara Memorial Foundation (Giappone). Ha ricevuto un premio sponsorizzato dalla Japanese Epilepsy Society, il supporto del programma American Epilepsy Society (AES) Fellows e una borsa di viaggio dalla International League Against Epilepsy (ILAE).

Il Dr. Tani è finanziato da Grant-in-Aid for Scientific Research (n. 17K10895) dal Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone e ha ricevuto il sostegno della ricerca dalla Fondazione Mitsui-Kousei, finanziamenti per un viaggio da Medtronic, royalties dalla pubblicazione di articoli (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin) e honoraria dal servire come relatore (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).

Il Dr. Oshino è finanziato da Grant-in-Aid for Scientific Research (n. 17K10894) del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone. Ha ricevuto royalties dalla pubblicazione di articoli (Medicalview, Igaku-shoin) e honoraria dal servire come relatore (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).

Il Dr. Fujita è finanziato da Grant-in-Aid for Scientific Research (n. 19K18388) del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone.

Il Dr. Gotman è finanziato dal Canadian Institutes of Health Research (n. FDN 143208).

Kishima è finanziato da Grant-in-Aid for Scientific Research (n. 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone, Programma interministeriale di promozione strategica dell'innovazione (n. SIPAIH18E01), Japan Agency for Medical Research and Development e 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

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