Summary
Denna artikel ger ett enkelt protokoll för att förvärva eeg-data (good quality electroencephalography) under samtidig EEG och funktionell magnetisk resonanstomografi genom att använda lättillgängliga medicinska produkter.
Abstract
Samtidig elektroencefalografi (EEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), EEG-fMRI, kombinerar de kompletterande egenskaperna hos hårbotten EEG (god temporal upplösning) och fMRI (god rumslig upplösning) för att mäta neuronal aktivitet under en elektrografisk händelse, genom hemodynamiska svar som kallas blod-syre-nivå-beroende (BOLD) förändringar. Det är ett icke-invasivt forskningsverktyg som används inom neurovetenskaplig forskning och är mycket fördelaktigt för det kliniska samfundet, särskilt för hantering av neurologiska sjukdomar, förutsatt att korrekt utrustning och protokoll administreras under datainsamling. Även om registrering av EEG-fMRI uppenbarligen är okomplicerad, är rätt förberedelse, särskilt vid placering och säkring av elektroderna, inte bara viktig för säkerheten utan är också avgörande för att säkerställa tillförlitligheten och analysbarheten hos de ERhållna EEG-data. Detta är också den mest upplevelsekrävande delen av förberedelsen. För att ta itu med dessa problem utvecklades ett enkelt protokoll som säkerställer datakvaliteten. Den här artikeln innehåller en steg-för-steg-guide för att förvärva tillförlitliga EEG-data under EEG-fMRI med hjälp av det här protokollet som använder lättillgängliga medicinska produkter. Det presenterade protokollet kan anpassas till olika tillämpningar av EEG-fMRI i forskning och kliniska miljöer, och kan vara fördelaktigt för både oerfarna och expertoperatörer.
Introduction
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) ger ett mått på neuronal aktivitet genom hemodynamiska svar genom att mäta förändringar i blod-syre-nivåberoende (BOLD) under en elektrografisk händelse. Samtidig elektroencefalografi (EEG) och fMRI (EEG-fMRI) är ett icke-invasivt forskningsverktyg som kombinerar de synergiska egenskaperna hos hårbotten EEG (god temporal upplösning) och fMRI (god rumslig upplösning), vilket möjliggör bättre lokalisering av den plats som ansvarar för generering av elektrografiska händelser som kan detektera i EEG. Det utvecklades först på 1990-talet för användning inom epilepsifältet1,2 och har därefter använts i neurovetenskaplig forskning sedan 2000-talet3,4. Med ökningen av kunskap om säkerhet5 och kontinuerlig utveckling av tekniker för avlägsnande av MRI-inducerade artefakter på EEG3,6,7,8,9,10, är det för närvarande ett verktyg som används i stor utsträckning i både neurovetenskap och klinisk forskning11.
EEG-fMRI förvärvas antingen i vila eller under en uppgift, beroende på forskningsfrågan. I allmänhet tillåter vilande tillstånd förvärv identifiering av strukturer som är involverade i genereringen av en viss EEG-funktion (t.ex. vågform, rytm, frekvenser, kraft) och hjälper till att förstå de variabla spontanahjärnaktiviteterna 11. Ett antal neurovetenskapliga studier och de flesta kliniska studier, särskilt de på epilepsi12, förvärvar EEG-fMRI i vila11. Uppgiftsbaserat förvärv gör det möjligt att identifiera cerebrala områden och de elektriska hjärnaktiviteter som tilldelats eller är relaterade till en specifik uppgift och hjälper till att fastställa sambandet mellan de elektriska aktiviteterna och cerebrala områden som är associerade med uppgiften. Uppgiftsbaserat förvärv används främst i neurovetenskapliga studier11 och vissa kliniska studier13. De flesta uppgiftsbaserade EEG-fMRI-förvärv använder en händelserelaterad design. Vilken typ av modellering som används för att integrera EEG- och fMRI-data avgör om effektiviteten eller detektionseffekten ska maximeras vid utformningen av uppgiften14. Se studierna av Menon et al.14 och Liu et al.15,16 för mer information om uppgiftsdesignen.
Även om datainsamling under EEG-fMRI kan verka enkelt, är förberedelsen erfarenhetskrävande. Ett protokoll för att vägleda korrekt förberedelse för datainsamling är viktigt för att säkerställa både säkerhet och utbyte (dvs. analysbara och tillförlitliga data). Trots förekomsten av olika tekniker för att ta bort MRI-inducerad EEG artefakter, inkonsekventa artefakter i EEG registrerade, särskilt de relaterade till maskiner-inducerad vibration av ledningarna och ämnenas brutto rörelser, är fortfarande svårt att helt ta bort; Därför måste dessa artefakter minimeras under datainsamlingen.
Den här artikeln presenterar ett enkelt protokoll som använder lättillgängliga MR-kompatibla medicinska produkter. Protokollet innehåller viktiga steg som säkerställer datakvaliteten, särskilt kvaliteten på EEG-data, vilket är nyckeln till framgången för en EEG-fMRI-studie. Detta protokoll utvecklades baserat på den 20-åriga erfarenheten från EEG-fMRI-forskargruppen vid Montreal Neurological Institute12,17 ochändrades ytterligare för användning vid Osaka University, vilket gynnar både oerfarna och expertoperatörer.
Protocol
Den forskningsetiska kommittén vid Osaka University Hospital och säkerhetskommittén för Center for Information and Neural Networks (CiNET) godkände protokollet (Osaka University Hospital Approval Nos. 18265 och 19259; CiNET-godkännandenr nr 2002210020 och 2002120020). Alla ämnen gav skriftligt informerat samtycke för deras deltagande.
1. Förberedelse av den experimentella inställningen
- Anslut de MR-kompatibla EEG- och bipolära förstärkarna till batteripaketen (se till att de är fulladdade) och till inspelningsdatorn.
- Kontrollera att inspelningsprogrammets arbetsyta är korrekt konfigurerad. Ställ in amplitudupplösningen på 0,5 μV för att undvika förstärkarmättnad; ställa in frekvensfiltren enligt frekvensbandet av intresse. Ställ in samplingshastigheten till 5 000 Hz (maximalt möjligt för de förstärkare som används i detta protokoll), oavsett frekvensbandet av intresse.
OBS: Amplitudupplösning vid 0,5 μV motsvarar ett maximalt värde på 16,38 mV, vilket är tillräckligt för att registrera gradientartefakten, med tanke på att gradient artefakttoppar kan nå amplituder över 100 gånger mer än de spontana hårbotten EEG (cirka 10-100 μV) vid höga hastigheter (>1 000 gånger snabbare än förändringshastigheten för pågående EEG). Teoretiskt sett bör samplingshastigheten vara minst dubbelt så hög (Nyquist-satsen) som den högsta frekvensen i gradientväxlingsspektrumet, för att noggrant ta prov på högfrekventa gradientväxlingsartefakter och upptäcka den verkliga uppkomsten av varje volyms gradientaktivitet för efterföljandeborttagning 12,18. En ökning av urvalsfrekvensen resulterar dock i stora filstorlekar, vilket kräver betydande investeringar för datalagring och kan också hindra efterföljande efterbehandling. Att använda synkroniseringsenheten gör det onödigt att höja samplingshastigheten för att förbättra synkroniseringen mellan EEG- och MR-klockorna (se steg 1.4). En samplingsfrekvens på 5 000 Hz är tillräcklig för vanliga EEG/händelserelaterade potentiella (ERP) registreringar, och högre samplingshastigheter förbättrar inte datakvaliteten eftersom den efterföljande artefaktkorrigeringsprocessen, som innebär nedtagning av data till en frekvens under 500 Hz och ytterligare lågpassfiltrering, eliminerar alla högfrekventa toningskorrigeringsrester som kanfinnas 18. - Se handboken för mer information om rätt inställningar för den inspelningsprogramvara som behövs för EEG-förvärv i MRI, som skiljer sig från den utanför MRI.
- Kontrollera om markörer från skannern, d.v.s. markörerna för klocksynkronisering (synkroniseras som standard) och volymutlösare (R128 som standard), regelbundet visas i EEG-inspelningen online. Synkroniseringen på displayen indikerar att MR-skannern och EEG-klockorna är synkroniserade och R128 anger att volymutlösarna registreras för efterföljande efterbearbetning. MR-skannern och EEG-klockorna synkroniseras med SyncBox-enheten, som detekterar skannerklockans utgång (vanligtvis 10 MHz och högre), nedsamlar och matar ut klocksignalen (och synkroniseringsmarkörerna) till USB2-gränssnittet.
USB2-gränssnittet skickar EEG-data från alla förstärkare, som är faslåsta till skannerns klocksignal, till inspelningsdatorn18. Periodisk synkronisering på markörer är utlösare som genereras från skannerns elektriska puls för att synkronisera EEG-signalprovtagningen med MR-skannerhastigheten, en nödvändiga för skanner artefakt korrigering. Volymutlösare används för att identifiera MR-volymsökningsinställningstid för skanner artefaktkorrigering under offlineEEG-bearbetning 19. - Ställ in MR-skannern efter behov och tillgänglighet. Det är bäst att använda en sändnings- och mottagningsradiofrekvens (RF)-spole för att minimera risken för RF-uppvärmning. En hel kropp överför dock RF-spole och ett 20-kanaligt huvud får endast RF-spole användes här eftersom en överförings- och mottagningshuvudspole inte var tillgänglig för skannern som används (vanligtvis fallet för de flesta moderna skannrar).
- Ladda en 10 ml spruta (eller flera efter behov) med slipande ledande gel för applicering av EEG-locket. Man kan förladda slipgelen i en 50 ml stor kapacitet plastspruta för vätskedispensering och fylla 10 ml sprutan med gelén före motivets ankomst.
OBS: Applicering av ett 32-kanaligt EEG-lock förbrukar vanligtvis ca 20-25 ml gel.
2. Applicering av EEG-lock och EKG-elektrod
- Vid rekryteringen ber du ämnet att fylla i en checklista med potentiella kontraindikationer för MRT. Bekräfta att ämnet inte har några kontraindikationer för MRT före ankomst.
OBS: I allmänhet kan alla ämnen som kvalificerar sig för MRI delta i en EEG-fMRI-studie. Uteslutningskriterierna är: icke samarbetsvilliga eller icke-överensstämmande ämnen; Personer med underliggande tillstånd (t.ex. kronisk ryggsmärta), som hindrar dem från att ligga i rygg under en viss tid (vanligtvis minst 1 timme). eller försökspersoner som kanske inte kan ligga stilla på MR-bordet under skanningen. Rörelse hindrar inte bara kvaliteten på både EEG- och fMRI-data utan medför också en potentiell fara för försökspersonerna själva (t.ex. inducerar ström i ledningar och kablar som kan orsaka stimulering). Vid uppgiftsbaserat förvärv bör ämnets språkförståelseförmåga också övervägas (undvik ämnen som inte kan förstå instruktionerna). I denna studie rekryterades 32 friska frivilliga (medelålder, 40 år, 17 kvinnor) och 25 patienter med epilepsi (medelålder, 31 år; 13 kvinnor). - Be försökspersonerna tvätta håret med schampo utan balsam eller vax före ankomst.
- Förklara syftet med experimentet och nästa steg till ämnet.
- Mät huvudets omkrets (dvs. occipital frontal omkrets) genom att linda en flexibel icke-töjbar mättejp runt huvudet över supraorbitala åsar och occiput och välj ett lämpligt storlekslock. Använd ett lock som är 1 cm större än huvudomkretsen och fråga alltid motivet om locket är bekvämt när det är placerat (dvs. inte för tätt).
- Efter att ha placerat locket i ungefärligt läge över motivets huvud, med samma måttband, mät längden på injon-nasionbågen, definierad som bågen över huvudets mittlinje som sträcker sig från occiput till näsans bro, och den peri-auricular bågen, definierad som bågen som sträcker sig mellan öronen som korsar mittpunkten av jon-nasionbåge, över locket. Markera skärningspunkten mellan injon-nasionbågen och den peri-auricular bågen (den punkt där båda bågarna möts, AKA Cz), och skjut locket över huvudet så att elektroden Cz:s position justeras till denna skärningspunkt. Se till att locket inte roteras horisontellt genom att manuellt kontrollera om elektroderna Fz, Pz, Oz, Reference och Ground är placerade över injon-nasionbågen.
- Exponera huden under varje elektrod genom att förskjuta håret till sidan av elektroden med hjälp av baksidan av en bomullspinne.
- Gnugga huden under varje elektrod genom att snabbt snurra en bomullspinne som innehåller 70% alkohollösning placerad genom elektrodens öppning.
- Applicera en liten mängd slipande ledande gel (~ 0,2 ml) i öppningen och abrade huden genom att snabbt snurra en bomullspinne på ett liknande sätt.
- Övervaka elektrodens impedans (visas av inspelningsprogramvaran) och upprepa nötningen enligt steg 2.8 tills impedansen sjunker minst under 20 kΩ20, helst så låg som möjligt (under 5 kΩ)21.
- Fyll öppningen med samma gel (vanligtvis ~0,5 ml) när impedansen är tillfredsställande. Applicera inte överdriven gel i öppningen för att undvika överbryggning mellan elektroder. Flytta till nästa elektrod om impedansen är otillfredsställande trots upprepad nötning och kom tillbaka senare eftersom impedansen ibland fortsätter att sjunka med tiden efter applicering av gelén.
- Upprepa steg 2.6-2.9 för alla EEG-elektroder i hårbotten.
- Innan EKG-elektroden placeras bak, be motivet att sitta upprätt utan att böja nacken.
- Se till att EKG-elektrodtråden är rak när EKG-elektroden placeras på baksidan men behåll lite utrymme för att lägga EKG-elektrodtråden längs nackens kurva för att undvika förskjutning av elektroden när motivet lägger sig på MR-bordet. Placera EKG-elektroden 2-3 cm kvar från medianpälsen, som kan identifieras som vertikal fördjupning längs ryggens mittlinje. Den vertikala positionen varierar beroende på motivets höjd. Den är vanligtvis placerad på nedre delen av ryggen ungefär på linjen som sträcker sig mellan scapulaspetsarna i ett ämne på ca 160 cm.
- Gnugga huden under EKG-elektroden med en alkoholpinne.
- Fäst EKG-elektroden på huden med en dubbelsidig självhäftande ring och upprepa steg 2.8-2.9. Den självhäftande ringen fungerar också som stoppning för att undvika direkt kontakt med elektroden med huden.
- Vik den torra alkohol bomullspinnen i fyra och placera den på EKG-elektroden. Tejpa fast den på huden med ett kirurgiskt tejp (medicinsk tejp). Tejpa EKG-elektrodtråden till huden upp till axeln.
3. Applicera koltrådsslingan (om en bipolär förstärkare finns tillgänglig)
- Placera en uppsättning förflätad koltråd (diameter 1 mm)9 bestående av sex slingor (diameter 10 cm) över locket i ett läge så att bunten av ledningarna kommer parallellt med bunten av elektroderna på toppen av huvudet.
- Använd kirurgisk tejp (1 x 2 cm) för att säkra slingorna runt elektroderna, så att slingorna täcker huvudet med varje slinga som täcker jämnt nästan lika stort område (dvs. både fronto-temporal, både temporo-occipital, occipital och vertex). Alternativt kan man också sy slingorna till EEG-locket, om tillämpligt.
OBS: Koltrådsöglorna på huvudet tjänar till att fånga rörelse, inklusive ballistokardiogram (BCG). Dessa signaler används för avlägsnande av BCG-artefakter från EEG under offline EEG-bearbetning9.
4. Säkra locket och koltrådsslingorna
- Se till att EEG-elektroderna inte bildar slingor.
- Linda in motivets huvud med ett elastiskt bandage över EEG-locket och kolslingorna. Bandaget tjänar till att trycka EEG-elektroden tätt på huden, för att minska MR-maskininducerade vibrationer av elektroderna och förhindra att gelén spiller på kudden när motivet placeras inuti MR-skannern (se steg 5).
- Se till att bandaget täcker alla elektroder och inte är för tätt genom att fråga om motivet känner obekvämt tryck på huvudet när bandaget appliceras.
5. Placera motivet i MR-skannern
- Vid förvärv av vilotillstånd instruerar du föremålet att applicera MR-kompatibla öronsnäckor i öronen. Vid uppgiftsbaserat förvärv, instruera försökspersonen att tillämpa det MR-kompatibla headsetet eller hörlurarna enligt experimentets krav. Se till att motivet kan höras genom båda sidor av headsetet eller hörlurarna.
- Placera en MR-kompatibel platt minnesskumkudde i nedre halvan av huvudspolen innan du ber motivet att lägga sig ner och placera huvudet i spolen.
- Efter att huvudet har placerats på lämpligt sätt (toppen av huvudet placeras så nära toppen av huvudspolen som möjligt), placera elektroden och koltrådsbuntarna rakt genom huvudspolens övre öppning.
- Lägg till minnesskumkuddar till toppen av huvudet, pannan och tidsområdet. Kuddarna ska fylla alla utrymmen som finns kvar i huvudspolen på lämpligt sätt utan att komprimera motivets huvud för hårt.
- Se till att kuddarna inte klämmer huvudet medan du placerar den övre halvan av huvudspolen och samtidigt stänger spolen. Justera kuddarna eller byt till kuddar i mindre storlek om de är för trånga. På så sätt tjänar kuddarna till att hålla elektrodtrådarna för att minska MR-maskininducerade vibrationer på elektrodtrådarna och för att hålla huvudets rörelser samtidigt som motivets komfort bibehålls under skanningen.
- Placera en halvcylinderform minnesskumkudde i nacken så att EKG-elektrodtråden är inklämd väl mellan kudden och nacken. Den del av EKG-elektrodtråden som passerar bak under axeln är verkligen inklämd mellan baksidan av motivet och MR-bordet och immobiliseras därmed av motivets egen vikt.
- Vid ett uppgiftsbaserat förvärv, efter att ha placerat alla minnesskumkuddar, se till att headsetet eller hörlurarna inte förskjuts genom att testa igen om motivet fortfarande kan höra genom båda sidor av headsetet eller hörlurarna. När du har stängt huvudspolen placerar du spegeln och instruerar motivet att justera spegeln (när det gäller uppgiften som kräver visuell stimuli). Instruera motivet att justera spegeln vid behov, efter att ha flyttat bordet för att placera motivet huvud i mri-borrhålets isocentrum.
- Anslut förstärkarna som är placerade på baksidan av MR-borrhålet till inspelningsdatorn som är placerad i konsolrummet med hjälp av de medföljande optiska fibrerna.
- När EEG/EKG-elektroderna och koltrådsöglorna har anslutts till EEG och de bipolära förstärkarna på baksidan av MR-borrhålet slår du på förstärkarna. Kontrollera återigen impedansen hos alla elektroder för att se till att de fortfarande är låga (minst under 20 kΩ). Ta bort motivet från MR-skannern för justering om det finns någon elektrod med hög impedans.
6. Konfiguration av ledningar och förstärkare
- Ordna alla ledningar mellan utloppet på huvudspolens och förstärkarens övre öppning (inklusive elektroder och koltrådsbuntar, kopplingsboxen och bandledningarna) så att de placeras rakt och i mitten av MR-borrhålet. Detta är viktigt för att minimera MR-inducerad ström.
- Placera en koltrådsslinga runt bandkabeln som går från EEG/EKG-elektrodanslutningsboxen till förstärkaren och anslut alla koltrådsslingor (se steg 5.7) till ingångsboxen på den bipolära förstärkaren (EXG MR). Denna slinga tjänar främst till att fånga vibrationerna som orsakas av Heliumpumpen9.
- För att minimera MR-maskininducerade vibrationer, immobilisera ledningarna genom att smöra alla med MR-säkra och icke-ferromagnetiska sandsäckar längs hela vägen mellan utloppet på huvudspolens och förstärkarnas övre öppning. Placera också sandsäckar på förstärkarna. Dessa sandsäckar, mätta 330 mm x 240 mm x 50 mm och väger 4 kg, levereras av EEG-tillverkaren.
- Placera förstärkarna utanför magnetens borrhål, vilket är tillåtet med längden på kablarna som medföljer tillverkaren.
7. EEG-fMRI-datainsamling
- Se till att motivet är bekvämt med placeringen innan du lämnar skannerrummet för att undvika onödig ämnesrörelse under förvärvet. Instruera motivet att trycka på larmknappen om det behövs (dvs. i nödfall eller om motivet känner en obekväm känsla). Kommunicera med motivet från konsolrummet för att bekräfta att motivet kan höra operatören. Tala om för motivet att höga ljud förväntas vid datainsamling. Instruera ämnet efter behov för experimentet och instruera försökspersonen att inte röra sig under datainsamlingen.
- Starta EEG-inspelningen innan du startar förvärvet av fMRI. Vanligtvis förvärvas följande bilder sekventiellt: scoutbilder (tvådimensionella) för positionering av fMRI-synfältet, fMRI och strukturella bilder för samregistrerande av fMRI-avbildningar under efterbearbetning. Shim-sekvenser köras innan varje typ av bild förvärvades för kalibrering av lämpliga parametrar.
OBS: Det är viktigt att använda MRI-sekvenser som är beprövade säkra med förstärkare för att upprätthålla säkerheten och för att undvika skador på förstärkarna18. Detaljer om de sekvenser som anses säkra kommer inte att diskuteras i detalj. Läsarna uppmanas att läsa användarhandboken eller supportteamet. I allmänhet rekommenderas gradient ekosekvenser och spinn eko sekvenser eller någon sekvens med motsvarande RF-utsläppsparametrar, som kan orsaka överdriven RF-inducerad uppvärmning, bör undvikas. Uppvärmning kan indirekt kvantifieras med hjälp av mätvärden som mäter mängden RF-exponering, till exempel specifik energiabsorptionshastighet (SAR) och rotmedelvärdet kvadratiskt värde på B1+ i genomsnitt över 10 s (B1+rms). Nyligen blir B1+rms, beroende på bildparametrarna men oberoende av försökspersonens kroppsmassa22, den nya standarden för att ange gränsen. Trösklarna B1+rms för förvärv vid 3 T med hjälp av EEG-locket för hjärnprodukter är till exempel 1 μT för det nuvarande standardlocket och 1,5 μT för det nya EEG-standardlocket med en kortare (10 cm) buntadkabel 23. Vändvinkel, antal segment och repetitionstid (TR) är parametrar som måste beaktas för att hålla SAR och B1+rms låga. En liten vändvinkel (<90°) rekommenderas. Antalet segment och TR kan justeras så länge den resulterande sekvensen ligger under tröskelvärdet B1+rms23. - När du startar förvärvet, se till att igen markörer från skannern (se 1.4) visas regelbundet i EEG-inspelningen online.
Representative Results
Vid placering av EEG-locket med detta protokoll sjunker impedansen för varje elektrod vanligtvis under 20 kΩ (figur 1). Representativa EEG-signaler från ett ämne (20-årig man) som deltog i en neurokognitiv studie och ett annat ämne (19-årig kvinna) som deltog i en epilepsistudie med detta protokoll i samma MR-skanner visas i figur 2 respektive figur 3. Ämnet som genomgick neurokognitiv testning instruerades att hålla ögonen öppna men hålla sig stilla medan du utför en visuell uppgift enligt instruktionerna. Ämnet för epilepsistudien instruerades att stänga ögon och sömn, eftersom epileptiska aktiviteter vanligtvis är vanligare under sömnen. EEG-signalerna från båda studierna var likartade före bearbetningen (figur 2). MRI gradient artefakten dolde de verkliga EEG signaler. EEG-signalerna från båda studierna bearbetades offline enligt följande: MR-artefakter togs bort med subtraktionsmetoden24; och BCG, rörelser och Helium pump artefakter togs bort med regression av signaler som registrerats från koltrådsslingorna7,9. De resulterande EEG-signalerna (figur 3B) från båda studierna var av analysbar kvalitet utan synlig förorening av BCG-artefakter (Figur 3A). Epileptiska aktiviteter sågs tydligt på EEG under epilepsistudien (figur 3B). På EEG som förvärvats under den neurokognitiva studien sågs blinkande ögonrörelser och muskelartefakter, särskilt i frontalledningarna (Fp1 och Fp2) efter artefaktborttagning (figur 3B) på grund av studiens natur, och kan avlägsnas ytterligare med andra metoder beroende på behovet. Ingen artefakt som härrörde från maskinvibrationer sågs på postbearbetning EEG-signaler som förvärvats under båda studierna (figur 3B jämförbar med EEG-signaler som förvärvats utanför MRT enligt figur 3C). Ingen artefakt med ursprung i EEG-elektroderna sågs på de MR-bilder som förvärvats samtidigt (figur 4).
Figur 1: Representativ EEG-elektroder impedans som sjönk under 5 kΩ vid applicering av en 32-kanalig EEG-keps på ett ämne som deltog i en neurokognitiv studie. Varje rundfärgad cirkel representerar en EEG-elektrod, med elektrodnamnet skrivet inom cirkeln; Positionen för varje cirkel representerar positionen för varje elektrod på EEG-locket. Färgfältet och siffrorna till höger representerar intervallet för impedansen som mäts (0-5 kΩ i detta fall); grön färg anger att impedansvärdet är lägre än värdet på bra nivå och röd färg anger felaktig nivå. I det här exemplet anges elektroderna CP1, O1, Oz, O2 och EKG i ljusgrönt, vilket innebär att impedanserna hos dessa elektroder var 2 kΩ; resten av elektroderna är indicerade i mörkgrönt, vilket innebär att impedanserna hos dessa elektroder var 0 kΩ. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2: EEG-signal före bearbetning. Observera att MR-gradientartefakten dolde de verkliga EEG-signalerna. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 3: Representativa EEG-signaler från försökspersoner som deltagit i neurokognitiva studier och epilepsistudier. EEG-signaler på översta raden kom från en neurokognitiv studie och de på nedre raden var från en epilepsistudie. EEG-signaler bearbetades offline. (A) EEG-signaler efter MRI gradient artefakt avlägsnande. Rutorna i ljusblått indikerar BCG-artefakter. (B) EEG-signaler efter avlägsnande av artefakter med regression av signaler som registrerats från koltrådsöglorna. C)EEG-signaler som registrerats utanför MRT med samma EEG-utrustning. EEG-signaler visades i referensmontage (referens vid FCz); EEG i bipolärt montage (varje kanal representerar spänningsskillnaden mellan ett par intilliggande elektroder) i samma segment visas också för EEG som förvärvats under en epilepsistudie för att underlätta visualiseringen av epileptiska aktiviteter. De blå pilspetsarna (B och C, översta raden) indikerar blinkande (hög amplitud långsam nedåtriktad avböjning/ difasisk potential vid Fp1 och Fp2), den svarta pilspetsen (B, översta raden) indikerar ögonrörelser till följd av en saccade eller en spontan förändring av blicken (liten, snabb avböjning vid Fp1 och Fp2) och de gröna rektanglarna (B, översta raden) indikerar alfarytm sett på EEG som förvärvats under en neurokognitiv studie. Låg amplitud och högfrekventa aktiviteter främst vid Fp1 och Fp2 är muskelartefakter (förtjockning av EEG-spårning, översta raden). De röda pilspetsarna (B och C, nedre raden) anger de tidpunkter då epileptiska aktiviteter identifierades på EEG som förvärvats under en epilepsistudie (skarpa nedåt- eller uppåtriktade avböjningar som ibland följs av en långsam våg). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 4: Representativa MRT-uppgifter som erhållits från ett ämne enligt detta protokoll. Observera att EEG-elektroderna inte orsakade synliga artefakter på MR-bilderna som förvärvats samtidigt. A)Magnetisering förberedde snabb förvärv med gradient eko bild; (B) eko planar imaging. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Discussion
Detta protokoll belyste de viktiga punkterna för säker samtidig EEG-fMRI förvärv av data av god kvalitet.
Några vanliga fel som resulterar i svår att ta bort artefakter på EEG samt felsökningstekniker är följande. För det första kan valet av försökspersoner som uppfyller kraven och kooperativa och som säkerställer deras komfort vid datainsamling förhindra förtida uppsägning på grund av ämnesrörelser (steg 2.1 och 5.4). För det andra är impedans som inte sjunker under 20 kΩ efter upprepad nötning av hårbotten (steg 2.9) mest sannolikt på grund av otillräcklig borstning efter användning. Att noggrant borsta varje öppning av EEG-elektroderna vid tvättning av locket förhindrar detta problem. För det tredje kan olämpliga inställningar för hårdvara och programvara resultera i mättnad av EEG-signalerna som därefter hindrar artefaktborttagning under offline EEG-bearbetning. Slutligen, för att förhindra registrering av mättade EEG-signaler, behåll impedansen hos varje elektrod under 20 kΩ efter att ha placerat motivet i MR-skannern före datainsamlingen. på ett tillfredsställande sätt minska mekaniska vibrationer genom att spärra EEG-locket (vilket också betyder motivets huvud), kablar och ledningar, övervaka den råa EEG-signalen online med inspelningsprogrammet och se till att samplingshastigheten och amplitudupplösningen är korrekt inställda.
Det samtidiga förvärvet av EEG och fMRI väcker viktiga säkerhetsfrågor relaterade till RF-inducerad uppvärmning och byte av lutningsinducerade strömmar på grund av närvaron av elektriska ledningar anslutna till motivet i det snabbt föränderliga magnetfältet5. Dessa säkerhetsfrågor har till stor del minimerats under åren efter forskningsresultat som har ökat kunskapen om denna aspekt och lett till stora förbättringar i tekniken för MR-kompatibel EEG-utrustning. Vårdslös förberedelse utan tillräcklig kunskap eller att inte vidta säkerhetsåtgärder förutsätter dock att försökspersonerna är i fara. Till exempel inducerar slingor som bildas var som helst inom kretsen ström och eventuell värmeskada. Förvärv med elektroderna vid hög impedans hindrar inte bara EEG-datakvaliteten utan utgör också en potentiell fara för försökspersonen (termisk skada på grund av hög strömtäthet). Samma fara gäller för trasiga elektroder. Kablar placerade i närheten av MR-borrväggen, med andra ord långt från mitten, utgör också en potentiell uppvärmningsrisk för motivet (uppvärmning på grund av antenneffekt)25. Detta protokoll betonar följande säkerhetsaspekter: inga slingor bildas i kretsen mellan motivet och förstärkaren, alla elektroder har låg impedans under MR-skanningen och alla kablar placeras i mitten av borrhålet. Nybörjare rekommenderas att genomgå utbildning och följa tillverkarens riktlinjer som finns i användarhandboken och demonstrationsvideorna20 för att undvika säkerhetsproblem.
De främsta orsakerna till artefakter som finns på EEG-fMRI är att byta lutning av MRI, BCG eller ämnets brutto eller subtila rörelser (ansiktsrörelser, klängning, sväljning etc.). I vissa MR-inställningar äventyrar artefakter som orsakas av heliumpumpen och ventilatorerna också EEG-signalerna avsevärt. MR-övertoningsartefakter är ganska konsekventa i vågformerna och kan korrigeras tillräckligt med hjälp av en mallbaserad subtraktionsteknik om de registreras helt utan förvrängning med hjälp av förstärkare med ett tillräckligt dynamiskt intervall24. BCG-artefakter korrigeras vanligtvis med antingensubtraktionstekniken 26, oberoendekomponentanalys 6, optimalbasuppsättning 8, eller en kombination av dessa tekniker10. Nyligen har artefaktborttagning med enkel regression baserad på signaler som förvärvats samtidigt med koltrådsöglor utvecklats7,9. Protokollet som presenteras här illustrerar den tekniska aspekten, i syfte att tillhandahålla en introduktionsguide för dem som är intresserade av att använda denna metod. Denna metod tar bort BCG, subtila ämnesrörelser och heliumpumpartefakter och de resulterande EEG-signalerna är enligt uppgift överlägsna de som korrigeras med andrametoder 7,9. Större rörelseartefakter, särskilt de som innehåller svängande rörelser, är dock inte avtagbara även med denna metod7. Trots förbättringen av dessa artefakt-avlägsnande metoder under åren, inkonsekventa artefakter, inklusive de som orsakas av MRI maskiner-inducerad vibration är fortfarande svårt att ta bort. Dessutom, ju mer omfattande artefaktborttagningsproceduren är, desto högre är risken att förlora några riktiga EEG-signaler. Därför är god förberedelse som kan minimera de inkonsekventa artefakterna fortfarande viktigast i EEG-fMRI förvärv. I detta protokoll minimeras dessa artefakter genom att använda: (1) ett elastiskt bandage för att linda huvudet och minnesskumkuddarna för att immobilisera huvudet i huvudspolen, för att minska eventuella vibrationer i ledningarna samtidigt som motivets komfort bibehålls; (2) Bomull och medicinsk tejp för att minska vibrationerna i EKG-elektrodtråden som kanske inte är helt immobiliserad av motivets egen vikt (delvis flytande mellan motivet och bordet, särskilt i ett tunt ämne). och (3) sandsäckar för att immobilisera kablarna som är placerade i MR-borrhålet. Dessa är viktiga tekniker för att minimera svårförtriska mri maskininducerade vibrationsartefakter, som inte har beskrivits i det tidigare publicerade EEG-fMRI-protokollet20. I det protokollet placerades motiven i skannern utan ytterligare omslag över EEG-locket och stoppning runt huvudet, och kablar tejpades bara på några punkter utan immobilisering med sandsäckar. Baserat på 20 års erfarenhet vid Montreal Neurological Institute insåg vi att dessa åtgärder kan bidra till känsligheten hos elektrodtrådar och kablar till MRI-maskininducerade vibrationer, även om de sällan betonas i de flesta EEG-fMRI-studier6. Att minimera de MRI-maskininducerade vibrationerna leder därefter till bättre kvalitet och läsbarhet för EEG, vilket är särskilt användbart för att identifiera subtila förändringar eller händelser i EEG6, såsom små epileptiska utsläpp i epilepsistudier och engångs-ERP i neurokognitiva studier.
Detektion av ERP i EEG-signaler är en förutsättning för kognitiva neurovetenskapliga studier. I motsats till det klassiska stora genomsnittliga svaret i försök, ERP en-trial detektering, som ger insikter i hjärnans dynamik som svar på en viss stimulans, blir ett nytt mål i moderna kognitiva neurovetenskapliga studier och icke-invasiva hjärnan-dator gränssnitt forskning27. Tillämpningen av detta protokoll kan bidra till att öka effektiviteten inom dessa forskningsområden.
Protokollet är bäst lämpat för det MR-kompatibla EEG-systemet som används i denna studie. Vi anser dock att de viktiga punkterna också kan vara tillämpliga på andra MR-kompatibla EEG-system.
Disclosures
Författarna rapporterar inga upplysningar som är relevanta för manuskriptet.
Acknowledgments
Denna studie sponsrades av National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT).
Författarna tackar MRI-fysikerna och teknologerna vid Center for Information and Neural Networks för deras engagemang för att förvärva MR-data av god kvalitet.
Dr. Khoo finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan och ett bidrag från National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT), och stöddes av Mark Rayport och Shirley Ferguson Rayport fellowship i epilepsikirurgi och Preston Robb-stipendiet vid Montreal Neurological Institute (Kanada), ett forskningsstipendium från Uehara Memorial Foundation (Japan). Hon fick en sponsrad utmärkelse från Japanese Epilepsy Society, stöd från American Epilepsy Society (AES) Fellows program och travel bursary från International League Against Epilepsy (ILAE).
Dr. Tani finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nr. 17K10895) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan och fick forskningsstöd från Mitsui-Kousei Foundation, finansiering för en resa från Medtronic, royalties från publiceringen av artiklar (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin) och honoraria från att fungera som talare (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).
Dr. Oshino finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 17K10894) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan. Han fick royalties från publiceringen av artiklar (Medicalview, Igaku-shoin) och honoraria från att fungera som talare (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).
Dr. Fujita finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 19K18388) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan.
Dr. Gotman finansieras av Canadian Institutes of Health Research (Nr. FDN 143208).
Dr. Kishima finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan, cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (Nr. SIPAIH18E01), Japan Agency for Medical Research and Development och 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).
