Zuverlässige Erfassung von Elektroenzephalographiedaten während der simultanen Elektroenzephalographie und funktionellen MRT

Summary

Dieser Artikel bietet ein einfaches Protokoll für die Erfassung hochwertiger Elektroenzephalographie-Daten (EEG) während der gleichzeitigen EEG- und funktionellen Magnetresonanztomographie unter Verwendung leicht verfügbarer Medizinprodukte.

Abstract

Die simultane Elektroenzephalographie (EEG) und die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), EEG-fMRT, kombiniert die komplementären Eigenschaften des Kopfhaut-EEG (gute zeitliche Auflösung) und der fMRT (gute räumliche Auflösung), um die neuronale Aktivität während eines elektrographischen Ereignisses durch hämodynamische Reaktionen zu messen, die als Blut-Sauerstoff-Level-abhängige (BOLD) Veränderungen bekannt sind. Es ist ein nicht-invasives Forschungswerkzeug, das in der neurowissenschaftlichen Forschung eingesetzt wird und für die klinische Gemeinschaft von großem Nutzen ist, insbesondere für das Management neurologischer Erkrankungen, vorausgesetzt, dass während der Datenerfassung die richtige Ausrüstung und Protokolle verabreicht werden. Obwohl die Aufzeichnung von EEG-fMRT scheinbar unkompliziert ist, ist die richtige Vorbereitung, insbesondere bei der Platzierung und Sicherung der Elektroden, nicht nur für die Sicherheit wichtig, sondern auch entscheidend für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Analysierbarkeit der erhaltenen EEG-Daten. Dies ist auch der erfahrungsaufforderndste Teil der Vorbereitung. Um diese Probleme zu beheben, wurde ein einfaches Protokoll entwickelt, das die Datenqualität sicherstellt. Dieser Artikel bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Erfassung zuverlässiger EEG-Daten während der EEG-fMRT mit diesem Protokoll, das leicht verfügbare Medizinprodukte verwendet. Das vorgestellte Protokoll kann an verschiedene Anwendungen der EEG-fMRT in Forschung und klinischen Umgebungen angepasst werden und kann sowohl für unerfahrene als auch für erfahrene Bediener von Vorteil sein.

Introduction

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) liefert ein Maß für die neuronale Aktivität durch hämodynamische Reaktionen, indem sie Blut-Sauerstoff-Level-abhängige (BOLD) Veränderungen während eines elektrografischen Ereignisses misst. Die simultane Elektroenzephalographie (EEG) und fMRT (EEG-fMRT) ist ein nicht-invasives Forschungswerkzeug, das die synergischen Eigenschaften von Kopfhaut-EEG (gute zeitliche Auflösung) und fMRT (gute räumliche Auflösung) kombiniert und eine bessere Lokalisierung des Standorts ermöglicht, der für die Erzeugung von elektrografischen Ereignissen verantwortlich ist, die im EEG nachweisbar sind. Es wurde erstmals in den 1990er Jahren für den Einsatz im Epilepsiefeld^1,2 entwickelt und wird seit den 2000er Jahren in der neurowissenschaftlichen Forschung^{eingesetzt 3,4}. Mit der Zunahme des Wissens über die Sicherheit⁵ und der kontinuierlichen Entwicklung von Techniken zur Entfernung von MRT-induzierten Artefakten auf EEG^3,6,7^,8,9,10, ist es derzeit ein Werkzeug, das sowohl in den Neurowissenschaften als auch in der klinischen Forschung weit verbreitet ist¹¹.

EEG-fMRT wird je nach Forschungsfrage entweder in Ruhe oder während einer Aufgabe erworben. Im Allgemeinen ermöglicht die Erfassung des Ruhezustands die Identifizierung von Strukturen, die an der Erzeugung eines bestimmten EEG-Merkmals beteiligt sind (z. B. Wellenform, Rhythmus, Frequenzen, Leistung) und hilft beim Verständnis der variablen spontanen Gehirnaktivitäten¹¹. Eine Reihe von neurowissenschaftlichen Studien und die meisten klinischen Studien, insbesondere solche zu Epilepsie^12,erwerben EEG-fMRT in Ruhe¹¹. Die aufgabenbasierte Erfassung ermöglicht die Identifizierung von Hirnbereichen und elektrischen Aktivitäten des Gehirns, die einer bestimmten Aufgabe zugeordnet oder damit verbunden sind, und hilft, die Verbindung zwischen den elektrischen Aktivitäten und den mit der Aufgabe verbundenen Hirnbereichen herzustellen. Aufgabenbasierte Akquisition wird hauptsächlich in neurowissenschaftlichen Studien¹¹ und einigen klinischen Studien^{13 verwendet.} Die meisten aufgabenbasierten EEG-fMRT-Erfassungen verwenden ein ereignisbezogenes Design. Die Art der Modellierung, die für die Integration von EEG- und fMRT-Daten verwendet wird, bestimmt, ob der Wirkungsgrad oder die Erkennungsleistung bei der Gestaltung der Aufgabe maximiert werden soll¹⁴. Bitte beachten Sie die Studien von Menon et al.¹⁴ und Liu et al.^15,16 für Details zum Aufgabendesign.

Obwohl die Datenerfassung während des EEG-fMRT unkompliziert erscheinen mag, ist die Vorbereitung erfahrungsauffordernd. Ein Protokoll zur richtigen Vorbereitung der Datenerfassung ist wichtig, um sowohl die Sicherheit als auch die Ausbeute (d. H. Analysierbare und zuverlässige Daten) zu gewährleisten. Trotz der Existenz verschiedener Techniken zur Entfernung von MRT-induzierten EEG-Artefakten sind inkonsistente Artefakte im aufgezeichneten EEG, insbesondere solche, die sich auf maschineninduzierte Vibrationen der Drähte und die groben Bewegungen der Probanden beziehen, immer noch schwer vollständig zu entfernen; Daher müssen diese Artefakte während der Datenerfassung minimiert werden.

Dieser Artikel stellt ein einfaches Protokoll vor, das leicht verfügbare MRT-kompatible Medizinprodukte verwendet. Das Protokoll liefert wichtige Schritte, die die Datenqualität sicherstellen, insbesondere die Qualität der EEG-Daten, die für den Erfolg einer EEG-fMRT-Studie entscheidend ist. Dieses Protokoll wurde auf der Grundlage der 20-jährigen Erfahrung des EEG-fMRT-Forschungsteams am Montreal Neurological Institute^12,17 entwickelt und für den Einsatz an der Universität Osaka weiter modifiziert, was sowohl unerfahrenen als auch erfahrenen Bedienern zugute kommt.

Protocol

Die Forschungsethikkommission des Osaka University Hospital und die Sicherheitskommission des Center for Information and Neural Networks (CiNET) genehmigten das Protokoll (Osaka University Hospital Approval Nos. 18265 and 19259; CiNET-Zulassungs-Nr. 2002210020 und 2002120020). Alle Probanden gaben eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung für ihre Teilnahme.

1. Vorbereitung des Versuchsaufbaus

1. Schließen Sie die MRT-kompatiblen EEG- und bipolaren Verstärker an die Akkupacks (stellen Sie sicher, dass sie vollständig geladen sind) und an den Aufnahmecomputer an.
2. Stellen Sie sicher, dass der Arbeitsbereich der Aufnahmesoftware korrekt eingerichtet ist. Stellen Sie die Amplitudenauflösung auf 0,5 μV ein, um eine Sättigung des Verstärkers zu vermeiden. Stellen Sie die Frequenzfilter entsprechend dem interessierenden Frequenzband ein. Stellen Sie die Abtastrate auf 5.000 Hz ein (maximal möglich für die in diesem Protokoll verwendeten Verstärker), unabhängig vom interessierenden Frequenzband.
   HINWEIS: Die Amplitudenauflösung bei 0,5 μV entspricht einem Maximalwert von 16,38 mV, was ausreicht, um das Gradientenartefakt aufzuzeichnen, wenn man bedenkt, dass Gradientenartefaktspitzen bei hohen Geschwindigkeiten (>1.000-fach schneller als die Änderungsrate des laufenden EEG) Mehr als die des spontanen Kopfhaut-EEG (ca. 10-100 μV) erreichen können. Theoretisch sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein (Nyquist-Theorem) wie die höchste Frequenz im Gradientenschaltspektrum, um die hochfrequenten Gradientenschaltartefakte genau abzutasten und den tatsächlichen Beginn der Gradientenaktivität jedes Volumes für die anschließende Entfernung zu erkennen^12,18. Die Erhöhung der Abtastrate führt jedoch zu großen Dateigrößen, die erhebliche Investitionen in die Datenspeicherung erfordern und auch die nachfolgende Nachbearbeitung behindern können. Durch die Verwendung des Synchronisierungsgeräts ist es nicht erforderlich, die Abtastrate zu erhöhen, um die Synchronisation zwischen EEG- und MR-Takten zu verbessern (siehe Schritt 1.4). Eine Abtastrate von 5.000 Hz ist für übliche EEG/ereignisbezogene Potenzialaufzeichnungen (ERP) ausreichend, und höhere Abtastraten verbessern die Datenqualität nicht, da der anschließende Artefaktkorrekturprozess, der eine Abtastung der Daten auf eine Frequenz unter 500 Hz und eine zusätzliche Tiefpassfilterung beinhaltet, alle hochfrequenten Gradientenkorrekturrückstände eliminiert, die möglicherweise vorhanden sind¹⁸.
3. Einzelheiten zu den richtigen Einstellungen der für die EEG-Erfassung im MRT erforderlichen Aufzeichnungssoftware finden Sie im Handbuch, das sich von dem außerhalb des MRT unterscheidet.
4. Prüfen Sie, ob Marker des Scanners, also die Marker für die Taktsynchronisation (sync on by default) und den Lautstärkeauslöser (standardmäßig R128), periodisch in der Online-EEG-Aufzeichnung angezeigt werden. Die angezeigte Synchronisierung zeigt an, dass mrt-Scanner und EEG-Uhren synchronisiert sind, und R128 zeigt an, dass die Lautstärkeauslöser für die nachfolgende Nachbearbeitung aufgezeichnet werden. Der MRT-Scanner und die EEG-Uhren werden mit dem SyncBox-Gerät synchronisiert, das den Scanner-Taktausgang (normalerweise 10 MHz und höher) erkennt, Heruntersamples und das Taktsignal (und die Synchronisationsmarker) an die USB2-Schnittstelle ausgibt.
   HINWEIS: Die USB2-Schnittstelle sendet die EEG-Daten von allen Verstärkern, die phasengebunden an das Scannertaktsignal sind, an den Aufnahmecomputer¹⁸. Periodische Synchronisierung auf Markern sind Auslöser, die vom elektrischen Impuls des Scanners generiert werden, um die EEG-Signalabtastung durch die MR-Scannerrate zu synchronisieren, eine Voraussetzung für die Korrektur von Scannerartefakten. Volume-Trigger werden verwendet, um die Beginnzeit des MR-Volume-Scans für die Korrektur von Scannerartefakten während der Offline-EEG-Verarbeitung zu identifizieren¹⁹.
5. Richten Sie den MRT-Scanner entsprechend dem Bedarf und der Verfügbarkeit ein. Es ist am besten, eine Sende- und Empfangskopf-Hochfrequenzspule (RF) zu verwenden, um das Risiko einer HF-Erwärmung zu minimieren. Allerdings wurden hier eine Ganzkörper-Sende-HF-Spule und eine 20-Kanal-Head-Nur-RF-Spule verwendet, da für den verwendeten Scanner keine Sende- und Empfangskopfspule zur Verfügung stand (typischerweise der Fall bei den meisten modernen Scannern).
6. Laden Sie eine 10-ml-Spritze (oder je nach Bedarf mehrere) mit dem abrasiven leitfähigen Gel zum Auftragen der EEG-Kappe. Man könnte das abrasive Gel in einer 50-ml-Kunststoffspritze mit großer Kapazität für die Flüssigkeitsabgabe vorladen und die 10-ml-Spritze vor der Ankunft des Probanden mit dem Gel füllen.
   HINWEIS: Die Anwendung einer 32-Kanal-EEG-Kappe verbraucht typischerweise etwa 20-25 ml Gel.

2. Anbringen der EEG-Kappe und der EKG-Elektrode

1. Bitten Sie das Subjekt bei der Rekrutierung, eine Checkliste mit möglichen Kontraindikationen für die MRT auszufüllen. Bestätigen Sie, dass das Subjekt keine Kontraindikationen für MRT vor der Ankunft hat.
   HINWEIS: Im Allgemeinen kann jedes Subjekt, das sich für die MRT qualifiziert, an einer EEG-fMRT-Studie teilnehmen. Die Ausschlusskriterien sind: nicht kooperative oder nicht konforme Subjekte; solche mit Grunderkrankungen (z. B. chronische Rückenschmerzen), die sie daran hindern, für einen bestimmten Zeitraum (typischerweise mindestens 1 h) in Rückenlage zu liegen; oder Probanden, die während des Scans möglicherweise nicht still auf dem MRT-Tisch liegen können. Bewegung beeinträchtigt nicht nur die Qualität von EEG- und fMRT-Daten, sondern stellt auch eine potenzielle Gefahr für die Probanden selbst dar (z. B. induziert Strom in den Drähten und Kabeln, der Stimulation verursachen kann). Beim aufgabenbasierten Erwerb sollte auch die Sprachverständnisfähigkeit des Subjekts berücksichtigt werden (vermeiden Sie Probanden, die die Anweisungen nicht verstehen können). In dieser Studie wurden 32 gesunde Freiwillige (Mittleres Alter, 40 Jahre; 17 Frauen) und 25 Patienten mit Epilepsie (Mittleres Alter, 31 Jahre; 13 Frauen) rekrutiert.
2. Bitten Sie die Probanden, ihre Haare vor der Ankunft mit Shampoo ohne Conditioner oder Wachs zu waschen.
3. Erklären Sie dem Probanden den Zweck des Experiments und die nächsten Schritte.
4. Messen Sie den Kopfumfang (d. h. den okzipitalen Frontalumfang), indem Sie ein flexibles, nicht dehnbares Maßband um den Kopf über die supraorbitalen Grate und den Hinterhaupt wickeln und eine entsprechend große Kappe auswählen. Verwenden Sie eine Kappe, die 1 cm größer als der Kopfumfang ist, und fragen Sie das Subjekt immer, ob die Kappe nach dem Einsetzen bequem ist (dh nicht zu eng).
5. Nachdem Sie die Kappe an der ungefähren Position über dem Kopf des Probanden mit demselben Maßband platziert haben, messen Sie die Längen des Inion-Nasion-Bogens, definiert als der Bogen über die Mittellinie des Kopfes, der sich vom Hinterhaupt bis zum Nasenrücken erstreckt, und den periaurikulären Bogen, definiert als der Bogen, der sich zwischen den Ohren erstreckt und den Mittelpunkt des Inion-Nasion-Bogens kreuzt. über der Kappe. Markieren Sie den Schnittpunkt des Inion-Nasion-Bogens und des periaurikulären Bogens (der Punkt, an dem sich die Mittelpunkte beider Bögen treffen, AKA Cz), und schieben Sie die Kappe über den Kopf, so dass die Position der Elektrode Cz an diesen Schnittpunkt angepasst wird. Stellen Sie sicher, dass die Kappe nicht horizontal gedreht wird, indem Sie manuell überprüfen, ob die Elektroden Fz, Pz, Oz, Referenz und Masse über dem Ionen-Nasion-Bogen positioniert sind.
6. Legen Sie die Haut unter jeder Elektrode frei, indem Sie das Haar mit der Rückseite eines Wattestäbchens zur Seite der Elektrode verschieben.
7. Reiben Sie die Haut unter jeder Elektrode, indem Sie schnell einen Wattestäbchen mit 70% igen Alkohollösung durch die Öffnung der Elektrode drehen.
8. Tragen Sie eine kleine Menge des abrasiven leitfähigen Gels (~ 0,2 ml) in die Öffnung auf und schleifen Sie die Haut ab, indem Sie einen Wattestäbchen auf ähnliche Weise schnell drehen.
9. Überwachen Sie die Impedanz der Elektrode (angezeigt von der Aufzeichnungssoftware) und wiederholen Sie den Abrieb wie in Schritt 2.8 angegeben, bis die Impedanz mindestens unter 20 kΩ²⁰fällt, vorzugsweise so niedrig wie möglich (unter 5 kΩ)²¹.
10. Füllen Sie die Öffnung mit dem gleichen Gel (normalerweise ~ 0,5 ml), sobald die Impedanz zufriedenstellend ist. Tragen Sie kein übermäßiges Gel in die Öffnung auf, um eine Überbrückung zwischen den Elektroden zu vermeiden. Wechseln Sie zur nächsten Elektrode, wenn die Impedanz trotz wiederholtem Abrieb unbefriedigend ist, und kommen Sie später zurück, da die Impedanz manchmal nach dem Auftragen des Gels mit der Zeit weiter abfällt.
11. Wiederholen Sie die Schritte 2.6-2.9 für alle EEG-Elektroden der Kopfhaut.
12. Bevor Sie die EKG-Elektrode auf der Rückseite platzieren, bitten Sie das Subjekt, aufrecht zu sitzen, ohne den Hals zu beugen.
13. Stellen Sie sicher, dass der EKG-Elektrodendraht gerade ist, wenn Sie die EKG-Elektrode auf der Rückseite platzieren, aber halten Sie etwas Für das Verlegen des EKG-Elektrodendrahts entlang der Halskurve, um eine Verschiebung der Elektrode zu vermeiden, wenn das Subjekt auf dem MRT-Tisch liegt. Platzieren Sie die EKG-Elektrode 2-3 cm links von der mittleren Furche, die als vertikale Vertiefung entlang der Mittellinie des Rückens identifiziert werden kann. Die vertikale Position variiert je nach Höhe des Motivs; Es ist typischerweise auf dem unteren Rücken ungefähr auf der Linie positioniert, die sich zwischen den Spitzen des Schulterblattes in einem Subjekt von etwa 160 cm erstreckt.
14. Reiben Sie die Haut unter der EKG-Elektrode mit einem Alkoholtupfer ein.
15. Befestigen Sie die EKG-Elektrode mit einem doppelseitigen Klebering an der Haut und wiederholen Sie die Schritte 2.8-2.9. Der Klebering dient auch als Polsterung, um einen direkten Kontakt der Elektrode mit der Haut zu vermeiden.
16. Falten Sie den trockenen Alkohol-Wattestäbchen in vier und legen Sie ihn auf die EKG-Elektrode. Kleben Sie es mit einem chirurgischen Klebeband (medizinisches Klebeband) auf die Haut. Kleben Sie den EKG-Elektrodendraht auf die Haut bis zur Schulter.

3. Wenden Sie die Kohlenstoffdrahtschleife an (wenn ein bipolarer Verstärker verfügbar ist)

1. Legen Sie einen Satz vorgeflochtenen Kohledraht (Durchmesser 1 mm)^9, bestehend aus sechs Schlaufen (Durchmesser 10 cm), über die Kappe in einer Position, in der das Bündel der Drähte parallel zum Bündel der Elektroden auf der Oberseite des Kopfes verläuft.
2. Verwenden Sie chirurgisches Klebeband (1 x 2 cm), um die Schleifen um die Elektroden zu sichern, so dass die Schleifen den Kopf bedecken, wobei jede Schlaufe gleichmäßig fast einen gleichen Bereich bedeckt (dh sowohl die fronto-temporale, sowohl die temporo-okzipitale, die okzipitale als auch die Vertex). Alternativ könnte man die Schleifen auch ggf. an die EEG-Kappe nähen.
   HINWEIS: Die Carbon-Drahtschlaufen auf dem Kopf dienen dazu, Bewegungen zu erfassen, einschließlich Ballistokardiogramm (BCG). Diese Signale werden für die Entfernung von BCG-Artefakten aus dem EEG während der Offline-EEG-Verarbeitung^{verwendet 9}.

4. Sicherung der Kappe und der Carbon-Draht-Schleifen

1. Achten Sie darauf, dass die EEG-Elektroden keine Schleifen bilden.
2. Wickeln Sie den Kopf des Probanden mit einer elastischen Bandage über die EEG-Kappe und die Kohlenstoffschleifen. Der Verband dient dazu, die EEG-Elektrode fest auf die Haut zu drücken, die durch MRT-Maschinen induzierte Vibration der Elektroden zu reduzieren und zu verhindern, dass das Gel beim Einlegen des Motivs in den MR-Scanner auf das Kissen verschüttet wird (siehe Schritt 5).
3. Stellen Sie sicher, dass der Verband alle Elektroden bedeckt und nicht zu fest ist, indem Sie fragen, ob das Subjekt beim Anlegen des Verbandes einen unangenehmen Druck auf den Kopf verspürt.

5. Platzieren des Motivs in den MR-Scanner

1. Im Falle einer Ruhezustandserwerbung weisen Sie das Subjekt an, MRT-kompatible Ohrhörer in den Ohren anzuwenden. Im Falle einer aufgabenbasierten Erfassung weisen Sie den Probanden an, das MRT-kompatible Headset oder die Kopfhörer gemäß den Anforderungen des Experiments anzuwenden. Stellen Sie sicher, dass das Motiv durch beide Seiten des Headsets oder kopfhörers hören kann.
2. Legen Sie ein MRT-kompatibles flaches Memory-Foam-Kissen in die untere Hälfte der Kopfspule, bevor Sie das Subjekt bitten, sich hinzulegen und den Kopf in die Spule zu legen.
3. Nachdem Sie den Kopf entsprechend positioniert haben (Oberseite des Kopfes so nah wie möglich an der Oberseite der Kopfspule platziert), legen Sie die Elektrode und die Kohledrahtbündel gerade durch die obere Öffnung der Kopfspule.
4. Fügen Sie Memory-Foam-Kissen an der Oberseite des Kopfes, der Stirn und des Schläfenbereichs hinzu. Die Kissen sollten alle verbleibenden Räume innerhalb der Kopfspule angemessen ausfüllen und den Kopf des Probanden nicht zu fest komprimieren.
   1. Stellen Sie sicher, dass die Kissen den Kopf nicht zusammendrücken, während Sie die obere Hälfte der Kopfspule platzieren und die Spule schließen. Stellen Sie die Kissen ein oder wechseln Sie zu kleineren Kissen, wenn Sie zu eng sind. Auf diese Weise dienen die Kissen dazu, die Elektrodendrähte zu halten, um die durch MRT-Maschinen induzierten Vibrationen an den Elektrodendrähten zu reduzieren und kopfbewegungen zu zügeln, während der Komfort des Probanden während des Scans erhalten bleibt.
   2. Legen Sie ein halb zylinderförmiges Memory-Foam-Kissen in den Nacken, so dass der EKG-Elektrodendraht gut zwischen dem Kissen und dem Nacken eingeklemmt ist. Der Teil des EKG-Elektrodendrahtes, der hinten unterhalb der Schulter verläuft, ist tatsächlich zwischen der Rückseite des Probanden und dem MRT-Tisch eingeklemmt und wird somit durch das Eigengewicht des Probanden immobilisiert.
5. Stellen Sie bei einer aufgabenbasierten Erfassung nach dem Platzieren aller Memory-Foam-Kissen sicher, dass das Headset oder die Ohrhörer nicht verschoben werden, indem Sie erneut testen, ob das Subjekt noch durch beide Seiten des Headsets oder der Ohrhörer hören kann. Nachdem Sie die Kopfspule geschlossen haben, platzieren Sie den Spiegel und weisen Sie das Motiv an, den Spiegel einzustellen (im Falle der Aufgabe, die visuelle Reize erfordert). Weisen Sie das Subjekt an, den Spiegel bei Bedarf einzustellen, nachdem Sie den Tisch bewegt haben, um den Kopf des Probanden im Isozentrum der MRT-Bohrung zu platzieren.
6. Schließen Sie die Verstärker auf der Rückseite der MRT-Bohrung mit den mitgelieferten optischen Fasern an den im Konsolenraum platzierten Aufnahmecomputer an.
7. Nachdem Sie die EEG/EKG-Elektroden und die Carbon-Wire-Schleifen an das EEG und die bipolaren Verstärker an der Rückseite der MRT-Bohrung angeschlossen haben, schalten Sie die Verstärker ein. Überprüfen Sie erneut die Impedanz aller Elektroden, um sicherzustellen, dass sie noch niedrig sind (mindestens unter 20 kΩ). Entfernen Sie das Motiv aus dem MR-Scanner zur Einstellung, wenn eine Elektrode mit hoher Impedanz vorhanden ist.

6. Konfiguration der Drähte und Verstärker

1. Ordnen Sie alle Drähte zwischen dem Auslass der oberen Öffnung der Kopfspule und den Verstärkern (einschließlich der Elektroden und Kohledrahtbündel, der Anschlussbox und der Banddrähte) so an, dass sie gerade und in der Mitte der MRT-Bohrung platziert werden. Dies ist wichtig, um MRT-induzierten Strom zu minimieren.
2. Legen Sie eine Kohlenstoffdrahtschleife um das Flachbandkabel, das von der EEG/EKG-Elektroden-Anschlussbox zum Verstärker führt, und verbinden Sie alle Kohledrahtschleifen (siehe Schritt 5.7) mit der Eingangsbox des bipolaren Verstärkers (EXG MR). Diese Schleife dient hauptsächlich dazu, die durch die Heliumpumpe⁹verursachten Vibrationen einzufangen.
3. Um die durch MRT-Maschinen induzierten Vibrationen zu minimieren, immobilisieren Sie die Drähte, indem Sie sie alle mit MR-sicheren und nicht ferromagnetischen Sandsäcken auf dem ganzen Weg zwischen dem Auslass der oberen Öffnung der Kopfspule und den Verstärkern unterbringen. Legen Sie auch Sandsäcke auf die Verstärker. Diese Sandsäcke, gemessen 330 mm x 240 mm x 50 mm und 4 kg schwer, werden vom EEG-Hersteller geliefert.
4. Positionieren Sie die Verstärker außerhalb der Bohrung des Magneten, was durch die länge der kabel, wie vom Hersteller angegeben, erlaubt ist.

7. EEG-fMRT-Datenerfassung

1. Stellen Sie sicher, dass das Motiv mit der Positionierung vertraut ist, bevor Sie den Scannerraum verlassen, um unnötige Motivbewegungen während der Aufnahme zu vermeiden. Weisen Sie das Subjekt an, bei Bedarf den Alarmknopf zu drücken (z. B. im Notfall oder wenn das Subjekt ein unangenehmes Gefühl verspürt). Kommunizieren Sie mit dem Betreff aus dem Konsolenraum, um zu bestätigen, dass der Betreff den Bediener hören kann. Teilen Sie dem Probanden mit, dass während der Datenerfassung laute Geräusche zu erwarten sind. Weisen Sie das Subjekt an, wie es für das Experiment erforderlich ist, und weisen Sie das Subjekt an, sich während der Datenerfassung nicht zu bewegen.
2. Starten Sie die EEG-Aufzeichnung, bevor Sie mit der fMRT-Erfassung beginnen. Typischerweise werden die folgenden Bilder nacheinander aufgenommen: Scout-Bilder (zweidimensional) zur Positionierung des fMRT-Sichtfeldes, fMRT und Strukturbilder zur Mitregistrierung der fMRT-Bilder während der Nachbearbeitung. Shim-Sequenzen wurden vor der Erfassung jedes Bildtyps zur Kalibrierung geeigneter Parameter ausgeführt.
   HINWEIS: Es ist wichtig, MRT-Sequenzen zu verwenden, die sich bei Verstärkern als sicher erwiesen haben, um die Sicherheit zu gewährleisten und Schäden an den Verstärkern zu vermeiden¹⁸. Details zu den als sicher erachteten Sequenzen werden nicht im Detail besprochen. Leser werden gebeten, das Benutzerhandbuch oder das Support-Team zu konsultieren. Im Allgemeinen werden Gradientenechosequenzen empfohlen und Spinechosequenzen oder jede Sequenz mit äquivalenten HF-Emissionsparametern, die eine übermäßige HF-induzierte Erwärmung verursachen können, sollten vermieden werden. Die Erwärmung kann indirekt mit Metriken quantifiziert werden, die die Höhe der HF-Exposition messen, wie z. B. die spezifische Energieabsorptionsrate (SAR) und den mittleren Quadratwert von B₁+ gemittelt über 10 s (B₁+ rms). In jüngster Zeit wird B₁+rms, abhängig von den Bildparametern, aber unabhängig von der Körpermasse der Probanden^22,zum neuen Standard, um den Grenzwert festzulegen. Zum Beispiel sind die B₁+rms Schwellenwerte für die Erfassung bei 3 T mit der Brain Products EEG-Kappe 1 μT für die aktuelle Standardkappe und 1,5 μT für die neue Standard-EEG-Kappe mit einem kürzeren (10 cm) gebündelten Kabel²³. Flip-Winkel, Anzahl der Slices und Wiederholungszeit (TR) sind Parameter, die berücksichtigt werden müssen, um SAR und B₁+rms niedrig zu halten. Ein kleiner Flip-Winkel (<90°) wird empfohlen. Die Anzahl der Slices und TR kann angepasst werden, solange die resultierende Sequenz unter dem Schwellenwert von B₁+rms^{23 liegt.}
3. Stellen Sie beim Start der Erfassung sicher, dass in der Online-EEG-Aufzeichnung regelmäßig Marker des Scanners (siehe 1.4) angezeigt werden.

Representative Results

Beim Einsetzen der EEG-Kappe mit diesem Protokoll sinkt die Impedanz jeder Elektrode normalerweise unter 20 kΩ(Abbildung 1). Repräsentative EEG-Signale, die von einem Probanden (20-jähriger Mann), der an einer neurokognitiven Studie teilgenommen hat, und einem anderen Probanden (19-jährige Frau), der an einer Epilepsiestudie mit diesem Protokoll im selben MR-Scanner teilgenommen hat, erhalten wurden, sind in Abbildung 2 bzw. Abbildung 3dargestellt. Das Subjekt, das sich neurokognitiven Tests unterzog, wurde angewiesen, die Augen offen zu halten, aber still zu bleiben, während es eine visuelle Aufgabe wie angewiesen ausführte. Das Subjekt für die Epilepsiestudie wurde angewiesen, die Augen zu schließen und zu schlafen, da epileptische Aktivitäten typischerweise häufiger während des Schlafes sind. Die aus beiden Studien gewonnenen EEG-Signale waren vor der Verarbeitung ähnlich (Abbildung 2); Das MRT-Gradientenartefakt verdeckte die realen EEG-Signale. Die EEG-Signale aus beiden Studien wurden offline wie folgt verarbeitet: MRT-Artefakte wurden mit der Subtraktionsmethode²⁴entfernt; und BCG, Bewegungen und Heliumpumpenartefakte wurden durch die Regression von Signalen entfernt, die von den Kohlenstoffdrahtschleifen^7,9aufgezeichnet wurden. Die resultierenden EEG-Signale (Abbildung 3B) aus beiden Studien waren von analysierbarer Qualität ohne sichtbare Kontamination von BCG-Artefakten (Abbildung 3A). Epileptische Aktivitäten wurden während der Epilepsiestudie deutlich am EEG beobachtet (Abbildung 3B). Auf dem EEG, das während der neurokognitiven Studie erworben wurde, wurden aufgrund der Art der Studie Blinzeln, Augenbewegungen und Muskelartefakte beobachtet, insbesondere in den frontalen Leitungen (Fp1 und Fp2) nach Artefaktentfernung(Abbildung 3B),und können je nach Bedarf mit anderen Methoden weiter entfernt werden. Bei nachbearbeiteten EEG-Signalen, die während beider Studien erfasst wurden, wurde kein Artefakt aus Maschinenschwingungen beobachtet (Abbildung 3B vergleichbar mit EEG-Signalen, die außerhalb der MRT erfasst wurden, wie in Abbildung 3Cgezeigt ). Auf den gleichzeitig aufgenommenen MR-Bildern war kein Artefakt aus den EEG-Elektroden zu sehen (Abbildung 4).

Abbildung 1: Repräsentative EEG-Elektrodenimpedanz, die bei Anwendung einer 32-Kanal-EEG-Kappe bei einem Probanden, der an einer neurokognitiven Studie teilgenommen hat, unter 5 kΩ fiel. Jeder runde farbige Kreis stellt eine EEG-Elektrode dar, wobei der Elektrodenname innerhalb des Kreises geschrieben wird; die Position jedes Kreises stellt die Position jeder Elektrode auf der EEG-Kappe dar. Der Farbbalken und die Zahlen auf der rechten Seite stellen den Bereich der gemessenen Impedanz dar (in diesem Fall 0-5 kΩ); Grüne Farbe zeigt an, dass der Impedanzwert niedriger als der Wert für gute Stufe ist, und rote Farbe zeigt schlechte Stufe an. In diesem Beispiel sind die Elektroden CP1, O1, Oz, O2 und EKG hellgrün angegeben, was bedeutet, dass die Impedanzen dieser Elektroden 2 kΩ betragen; der Rest der Elektroden ist dunkelgrün gekennzeichnet, was bedeutet, dass die Impedanzen dieser Elektroden 0 kΩ betragen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2:EEG-Signal vor der Verarbeitung. Beachten Sie, dass das MRT-Gradientenartefakt die echten EEG-Signale verdeckt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Repräsentative EEG-Signale von Probanden, die an neurokognitiven und Epilepsiestudien teilnahmen. EEG-Signale in der oberen Reihe stammten aus einer neurokognitiven Studie und die in der unteren Reihe aus einer Epilepsiestudie. EEG-Signale wurden offline verarbeitet. (A) EEG-Signale nach Entfernung von MRT-Gradientenartefakten. Die hellblauen Kästchen zeigen BCG-Artefakte an. (B) EEG-Signale nach Artefaktentfernung durch Regression von Signalen, die von den Kohlenstoffdrahtschleifen aufgezeichnet wurden. (C) EEG-Signale, die außerhalb der MRT mit derselben EEG-Ausrüstung aufgezeichnet werden. EEG-Signale wurden in referenzieller Montage gezeigt (Referenz bei FCz); Das EEG in bipolarer Montage (jeder Kanal stellt die Spannungsdifferenz zwischen einem Paar benachbarter Elektroden dar) desselben Segments wird auch für EEG gezeigt, das während einer Epilepsiestudie erworben wurde, um die Visualisierung epileptischer Aktivitäten zu erleichtern. Die blauen Pfeilspitzen (B und C, obere Reihe) zeigen blinkend an (langsame Abwärtsablenkungen/diphasische Potentiale mit hoher Amplitude bei Fp1 und Fp2), die schwarze Pfeilspitze (B, obere Reihe) zeigt augenbewegungen an, die aus einer Sakkade oder einem spontanen Blickwechsel resultieren (kleine, schnelle Ablenkungen bei Fp1 und Fp2), und die grünen Rechtecke (B, obere Reihe) zeigen den Alpha-Rhythmus an, der auf dem EEG während einer neurokognitiven Studie beobachtet wurde. Die Aktivitäten mit niedriger Amplitude und Hochfrequenz sind überwiegend bei Fp1 und Fp2 Muskelartefakte (Verdickung der EEG-Nachverfolgung, obere Reihe). Die roten Pfeilspitzen (B und C, untere Reihe) zeigen den Zeitpunkt an, zu dem epileptische Aktivitäten am EEG identifiziert wurden, die während einer Epilepsiestudie erworben wurden (scharfe Ablenkungen nach unten oder oben, denen manchmal eine langsame Welle folgt). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Repräsentative MRT-Daten, die von einem Probanden mit diesem Protokoll erfasst wurden. Beachten Sie, dass die EEG-Elektroden keine sichtbaren Artefakte auf den gleichzeitig aufgenommenen MR-Bildern verursachten. (A) Magnetisierung vorbereitete schnelle Aufnahme mit Gradientenechobild; (B) echoplanare Bildgebung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Dieses Protokoll hob die wichtigen Punkte für die sichere gleichzeitige EEG-fMRT-Erfassung von qualitativ hochwertigen Daten hervor.

Einige häufige Fehler, die zu schwer zu entfernenden Artefakten auf EEG führen, sowie Fehlerbehebungstechniken sind wie folgt. Erstens kann die Auswahl von Probanden, die konform und kooperativ sind, und die Gewährleistung ihres Komforts während der Datenerfassung eine vorzeitige Beendigung aufgrund von Subjektbewegungen verhindern (Schritte 2.1 und 5.4). Zweitens ist die Impedanz, die nach wiederholtem Abrieb der Kopfhaut (Schritt 2.9) nicht unter 20 kΩ fällt, höchstwahrscheinlich auf unzureichendes Bürsten nach dem Gebrauch zurückzuführen. Gründliches Bürsten jeder Öffnung der EEG-Elektroden beim Waschen der Kappe verhindert dieses Problem. Drittens können unangemessene Einstellungen der Hard- und Software zu einer Sättigung der EEG-Signale führen, die anschließend die Artefaktentfernung während der Offline-EEG-Verarbeitung behindern. Um die Aufzeichnung gesättigter EEG-Signale zu verhindern, sollte die Impedanz jeder Elektrode unter 20 kΩ gehalten werden, nachdem das Motiv vor der Datenerfassung in den MR-Scanner gelegt wurde. mechanische Vibrationen angemessen zu verringern, indem die EEG-Kappe (d.h. auch der Kopf des Subjekts), Kabel und Drähte immobilisiert werden; Überwachen Sie das rohe EEG-Signal online mit der Aufzeichnungssoftware und stellen Sie sicher, dass die Abtastrate und die Amplitudenauflösung korrekt eingestellt sind.

Die gleichzeitige Erfassung von EEG und fMRT wirft wichtige Sicherheitsfragen im Zusammenhang mit HF-induzierten Heiz- und Schaltgradienten-induzierten Strömen auf, da elektrische Drähte vorhanden sind, die im sich schnell ändernden Magnetfeld mit dem Subjekt verbunden sind⁵. Diese Sicherheitsprobleme wurden im Laufe der Jahre nach Forschungsergebnissen, die das Wissen über diesen Aspekt erweitert und zu großen Verbesserungen in der Technologie von MRT-kompatiblen EEG-Geräten geführt haben, weitgehend minimiert. Dennoch bringt eine unvorsichtige Vorbereitung ohne ausreichende Kenntnisse oder das Nichtvornehmen von Sicherheitsvorkehrungen die Probanden in Gefahr. Zum Beispiel induzieren Schleifen, die sich irgendwo innerhalb des Schaltkreises bilden, Strom und mögliche Wärmeverletzungen. Die Erfassung mit den Elektroden bei hoher Impedanz beeinträchtigt nicht nur die EEG-Datenqualität, sondern stellt auch eine potenzielle Gefahr für das Subjekt dar (thermische Verletzung durch hohe Stromdichte). Die gleiche Gefahr gilt für gebrochene Elektroden. Kabel, die in unmittelbarer Nähe der MR-Bohrungswand, also weit von der Mitte entfernt, verlegt sind, stellen auch eine potenzielle Heizgefahr für das Subjekt dar (Erwärmung durch Antenneneffekt)²⁵. Dieses Protokoll betont die folgenden Sicherheitsaspekte: Innerhalb der Schaltung zwischen dem Subjekt und dem Verstärker bilden sich keine Schleifen, alle Elektroden haben während der MRT-Untersuchung eine niedrige Impedanz und alle Kabel werden in der Mitte der Bohrung platziert. Anfängern wird empfohlen, sich einer Schulung zu unterziehen und die Richtlinien des Herstellers in der Bedienungsanleitung und den Demonstrationsvideos²⁰ zu befolgen, um Sicherheitsbedenken zu vermeiden.

Die Hauptursachen für Artefakte, die auf EEG-fMRT gefunden werden, sind der Schaltgradient des MRT, BCG oder die groben oder subtilen Bewegungen des Subjekts (Gesichtsbewegungen, Zusammenpressen, Schlucken usw.). In einigen MRT-Setups beeinträchtigen Artefakte, die durch die Heliumpumpe und die Ventilatoren verursacht werden, auch die EEG-Signale erheblich. MR-Gradientenartefakte sind in den Wellenformen ziemlich konsistent und können mit einer vorlagenbasierten Subtraktionstechnik ausreichend korrigiert werden, wenn sie vollständig verzerrungsfrei mit Verstärkern mit einem ausreichenden Dynamikbereich²⁴aufgezeichnet werden. BCG-Artefakte werden in der Regel entweder mit der Subtraktionstechnik²⁶, unabhängiger Komponentenanalyse⁶, optimaler Basissatz⁸oder einer Kombination dieser Techniken¹⁰korrigiert. Vor kurzem wurde die Artefaktentfernung mit einfacher Regression basierend auf Signalen entwickelt, die gleichzeitig mit Kohlenstoffdrahtschleifen erfasst wurden^7,9. Das hier vorgestellte Protokoll veranschaulicht den technischen Aspekt mit dem Ziel, einen einführenden Leitfaden für diejenigen bereitzustellen, die an der Anwendung dieser Methode interessiert sind. Diese Methode entfernt BCG, subtile Subjektbewegungen und Heliumpumpenartefakte, und die resultierenden EEG-Signale sind Berichten zufolge denen überlegen, die mit anderen Methoden korrigiert wurden^7,9. Größere Bewegungsartefakte, insbesondere solche, die schwankende Bewegungen enthalten, sind jedoch auch mit dieser Methode nicht abnehmbar⁷. Trotz der Verbesserung dieser Artefaktentfernungsmethoden im Laufe der Jahre sind inkonsistente Artefakte, einschließlich solcher, die durch MRT-Maschinen-induzierte Vibrationen verursacht werden, immer noch schwer zu entfernen. Je umfangreicher das Verfahren zur Entfernung von Artefakten ist, desto höher ist das Risiko, einige echte EEG-Signale zu verlieren. Daher bleibt eine gute Vorbereitung, die die inkonsistenten Artefakte minimieren kann, bei der EEG-fMRT-Erfassung am wichtigsten. In diesem Protokoll werden diese Artefakte minimiert, indem Folgendes verwendet wird: (1) eine elastische Bandage zum Umwickeln des Kopfes und Memory-Foam-Kissen, um den Kopf in der Kopfspule zu immobilisieren, um mögliche Vibrationen der Drähte zu reduzieren und gleichzeitig den Komfort des Subjekts zu erhalten; (2) Baumwoll- und medizinisches Klebeband zur Verringerung der Vibrationen des EKG-Elektrodendrahtes, die durch das Eigengewicht des Probanden möglicherweise nicht vollständig immobilisiert werden (teilweise zwischen dem Subjekt und dem Tisch schwebend, insbesondere in einem dünnen Motiv); und (3) Sandsäcke zur Immobilisierung der in der MRT-Bohrung platzierten Kabel. Dies sind wichtige Techniken, um schwer zu entfernende MRT-Maschinen-induzierte Schwingungsartefakte zu minimieren, die im zuvor veröffentlichten EEG-fMRT-Protokoll²⁰nicht beschrieben wurden. In diesem Protokoll wurden die Probanden ohne zusätzliches Umwickeln über die EEG-Kappe und Polsterung um den Kopf in den Scanner gelegt, und Kabel wurden nur an wenigen Stellen ohne Immobilisierung mit Sandsäcken geklebt. Basierend auf 20 Jahren Erfahrung am Montreal Neurological Institute haben wir erkannt, dass diese Maßnahmen zur Anfälligkeit der Elektrodendrähte und Kabel für MRT-Maschinerie-induzierte Vibrationen beitragen können, obwohl sie in den meisten EEG-fMRT-Studien selten betont werden⁶. Die Minimierung der MRT-maschinerieinduzierten Vibrationen führt in der Folge zu einer besseren Qualität und Lesbarkeit des EEG, was besonders nützlich ist, um subtile Veränderungen oder Ereignisse im EEG⁶zu identifizieren, wie z.B. kleine epileptische Entladungen in Epilepsiestudien und Einzelversuchs-ERPs in neurokognitiven Studien.

Der Nachweis von ERPs in EEG-Signalen ist eine Voraussetzung für kognitive neurowissenschaftliche Studien. Im Gegensatz zur klassischen Grand Average-Reaktion über Studien hinweg wird die ERP-Einzelstudienerkennung, die Einblicke in die Gehirndynamik als Reaktion auf einen bestimmten Reiz liefert, zu einem neuen Ziel in modernen kognitiven neurowissenschaftlichen Studien und der nicht-invasiven Gehirn-Computer-Schnittstellenforschung²⁷. Die Anwendung des vorliegenden Protokolls kann zur Effizienzsteigerung in diesen Forschungsbereichen beitragen.

Das Protokoll eignet sich am besten für das in dieser Studie verwendete MRT-kompatible EEG-System. Dennoch glauben wir, dass die wichtigen Punkte auch auf andere MRT-kompatible EEG-Systeme anwendbar sein können.

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