Pålidelig erhvervelse af elektroencefalografidata under samtidig elektroencefalografi og funktionel MR-scanning

Summary

Denne artikel indeholder en enkel protokol til erhvervelse af EEG-data (Good Quality Electroencephalography) under samtidig EEG og funktionel magnetisk resonansbilleddannelse ved hjælp af let tilgængelige medicinske produkter.

Abstract

Samtidig elektroencefalografi (EEG) og funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), EEG-fMRI, kombinerer de komplementære egenskaber ved hovedbunden EEG (god tidsmæssig opløsning) og fMRI (god rumlig opløsning) for at måle neuronal aktivitet under en elektrografisk begivenhed gennem hæmodynamiske reaktioner kendt som blod-ilt-niveauafhængige (FED) ændringer. Det er et ikke-invasivt forskningsværktøj, der bruges i neurovidenskabsforskning og er yderst gavnligt for det kliniske samfund, især til håndtering af neurologiske sygdomme, forudsat at korrekt udstyr og protokoller administreres under dataindsamling. Selv om registreringen af EEG-fMRI tilsyneladende er ligetil, er den korrekte forberedelse, især ved placering og sikring af elektroderne, ikke kun vigtig for sikkerheden, men er også afgørende for at sikre pålideligheden og analysbarheden af de opnåede EEG-data. Dette er også den mest erfaringskrævende del af forberedelsen. For at løse disse problemer blev der udviklet en enkel protokol, der sikrer datakvalitet. Denne artikel indeholder en trinvis vejledning i at anskaffe pålidelige EEG-data under EEG-fMRI ved hjælp af denne protokol, der bruger let tilgængelige medicinske produkter. Den fremlagte protokol kan tilpasses forskellige anvendelser af EEG-fMRI i forsknings- og kliniske miljøer og kan være til gavn for både uerfarne og ekspertoperatører.

Introduction

Funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) giver et mål for neuronal aktivitet gennem hæmodynamiske reaktioner ved at måle ændringer i blod-ilt-niveau (FED) under en elektrografisk begivenhed. Samtidig elektroencefalografi (EEG) og fMRI (EEG-fMRI) er et ikke-invasivt forskningsværktøj, der kombinerer de synergiske egenskaber ved hovedbunden EEG (god tidsmæssig opløsning) og fMRI (god rumlig opløsning), hvilket giver mulighed for bedre lokalisering af det sted, der er ansvarligt for generering af elektrografiske hændelser, der kan påvises i EEG. Det blev først udviklet i 1990’erne til brug i epilepsifeltet^1,2 og er efterfølgende blevet brugt i neurovidenskabsforskning siden 2000’erne^3,4. Med stigningen i viden om sikkerhed⁵ og løbende udvikling af teknikker til fjernelse af MR-inducerede artefakter på EEG³,^6,7^,8,9,10, er det i øjeblikket et værktøj, der er meget udbredt i både neurovidenskab og klinisk forskning¹¹.

EEG-fMRI erhverves enten i hvile eller under en opgave, afhængigt af forskningsspørgsmålet. Generelt gør hvilestatserhvervelse det muligt at identificere strukturer, der er involveret i generering af en bestemt EEG-funktion (f.eks. bølgeform, rytme, frekvenser, effekt) og hjælper med at forstå de variable spontane hjerneaktiviteter¹¹. En række neurovidenskabsundersøgelser og de fleste kliniske undersøgelser, især dem på epilepsi¹², erhverver EEG-fMRI i hvile¹¹. Opgavebaseret erhvervelse gør det muligt at identificere cerebral områder og hjernen elektriske aktiviteter tildelt eller relateret til en bestemt opgave og hjælper med at etablere forbindelsen mellem de elektriske aktiviteter og cerebral områder forbundet med opgaven. Opgavebaseret erhvervelse anvendes hovedsageligt i neurovidenskabsstudier¹¹ og nogle kliniske undersøgelser¹³. De fleste opgavebaserede EEG-fMRI-opkøb bruger et hændelsesrelateret design. Den type modellering, der bruges til at integrere EEG- og fMRI-data, bestemmer, om effektiviteten eller registreringseffekten skal maksimeres ved udformningen af opgave¹⁴. Se undersøgelserne af Menon et al.¹⁴ og Liu et al.^15,16 for detaljer om opgavedesignet.

Selvom dataindsamling under EEG-fMRI kan virke ligetil, er forberedelsen oplevelseskrævende. En protokol til at vejlede korrekt forberedelse til dataindsamling er vigtig for at sikre både sikkerhed og udbytte (dvs. analysebare og pålidelige data). På trods af eksistensen af forskellige teknikker til at fjerne MR-inducerede EEG artefakter, inkonsekvent artefakter i EEG registreres, især dem, der vedrører maskiner-induceret vibration af ledninger og forsøgspersoner ‘bruttobevægelser, er stadig vanskeligt at helt fjerne; Derfor skal disse artefakter minimeres under dataindsamling.

Denne artikel præsenterer en enkel protokol, der udnytter let tilgængelige MR-kompatible medicinske produkter. Protokollen indeholder vigtige skridt, der sikrer datakvalitet, især kvaliteten af EEG-data, hvilket er nøglen til succes for en EEG-fMRI-undersøgelse. Denne protokol blev udviklet på grundlag af 20-års erfaring fra EEG-fMRI forskerhold ved Montreal Neurological Institute^12,17 og blev yderligere ændret til brug på Osaka University, som gavner både uerfarne og ekspertoperatører.

Protocol

Osaka Universitetshospitals forskningsetiske komité og sikkerhedsudvalget under Center for Information og Neurale Netværk (CiNET) godkendte protokollen (Osaka University Hospital Approval Nos. 18265 og 19259; CiNET-godkendelsesnr. 2002210020 og 2002120020). Alle forsøgspersoner gav skriftligt informeret samtykke til deres deltagelse. 1. Forberedelse af forsøgsopsætningen Tilslut de MRI-kompatible EEG- og bipolarforstærkere til batteripakkerne (sørg for, at de er fuldt opladede) og til optagecomputeren. Kontroller, at arbejdsområdet for optagelsessoftwaren er konfigureret korrekt. Amplitudeopløsningen indstilles til 0,5 μV for at undgå forstærkermætning. frekvensfiltrene i overensstemmelse med det frekvensbånd, der er af interesse. Indstil samplingfrekvensen til 5.000 Hz (maksimalt muligt for de forstærkere, der anvendes i denne protokol), uanset det frekvensbånd, der er af interesse.BEMÆRK: Amplitudeopløsning ved 0,5 μV svarer til en maksimumsværdi på 16,38 mV hvilket er tilstrækkeligt til at registrere gradient artefakt, i betragtning af at gradient artefakt toppe kan nå amplituder over 100 gange mere end spontan hovedbund EEG (ca. 10-100 μV) ved høje hastigheder (> 1.000 gange hurtigere end hastigheden af ændringen af igangværende EEG). Teoretisk set bør prøveudtagningshastigheden være mindst dobbelt så høj (Nyquist sætning) som den højeste frekvens i gradientkoblingsspektret for nøjagtigt at prøve de højfrekvente gradientkoblingsartefakter og opdage den sande debut af hvert volumens gradientaktivitet til efterfølgende fjernelse12,18. En forøgelse af stikprøvefrekvensen resulterer imidlertid i store filstørrelser, som kræver betydelige investeringer i datalagring og også kan hindre efterfølgende efterbehandling. Brug af synkroniseringsenheden gør det unødvendigt at hæve prøvefrekvensen for at forbedre synkroniseringen mellem EEG- og MR-urene (se trin 1.4). En prøveudtagningsfrekvens på 5.000 Hz er tilstrækkelig til sædvanlige EEG/HÆNDELSEsrelaterede ERP-optagelser (Erp), og højere prøvehastigheder forbedrer ikke datakvaliteten, fordi den efterfølgende artefaktkorrektionsproces, som indebærer nedstikning af prøvetagning af dataene til en frekvens under 500 Hz og yderligere lavpasfiltrering, eliminerer alle højfrekvente gradientkorrektionsrest, der kan eksistere18. Se manualen for at få yderligere oplysninger om de korrekte indstillinger for den optagelsessoftware, der er nødvendig for EEG-anskaffelse i MR-scanningen, som adskiller sig fra den, der ligger uden for MRI’en. Kontroller, om mærker fra scanneren, dvs. Synkroniseringen på displayet angiver, at MR-scanneren og EEG-urene synkroniseres, og R128 angiver, at lydstyrkeudløserne registreres til efterfølgende efterbehandling. MR-scanneren og EEG-urene synkroniseres ved hjælp af SyncBox-enheden, som registrerer scanneruroutputtet (normalt 10 MHz og derover), nedsamples og udsender ursignalet (og synkroniseringsmærkerne) til USB2-grænsefladen.BEMÆRK: USB2-grænsefladen sender EEG-data fra alle forstærkere, som er faselåst til scannerursignalet, til optagelsescomputeren18. Periodisk synkronisering på markører er udløsere genereret fra scannerens elektriske puls for at synkronisere EEG-signalprøvetagningen med MR-scannerhastigheden, hvilket er en forudsætning for scannerartefaktkorrektion. Diskenhedsudløsere bruges til at identificere mr-volumenscanningsdestudjæd for korrektion af scannerartefakt under offline EEG-behandling19. Konfigurer MR-scanneren i overensstemmelse med behovet og tilgængeligheden. Det er bedst at bruge en sende- og modtage hovedradiofrekvens (RF)-spole for at minimere risikoen for RF-opvarmning. Men en hel krop sender RF-spole og en 20-kanals hoved modtager kun RF-spole blev brugt her, fordi en sende og modtage hoved spole ikke var tilgængelig for den anvendte scanner (typisk tilfældet for de fleste moderne scannere). Lad en 10 mL sprøjte (eller flere efter behov) med slibende ledende gel til påføring af EEG-hætten. Man kunne forudindlæse slibegelen i en 50 mL stor kapacitetssprøjte til væskedispensering og fylde 10 mL sprøjten med gelen inden motivet ankommer.BEMÆRK: Anvendelse af en 32-kanals EEG-hætte bruger typisk ca. 20-25 mL gel. 2. Anvendelse af EEG-hætten og EKG-elektroden Ved ansættelsen skal du bede forsøgspersonen om at udfylde en tjekliste over mulige kontraindikationer for MRI. Bekræft, at forsøgspersonen ikke har nogen kontraktindikationer for MR-scanning før ankomst.BEMÆRK: Generelt kan ethvert, der er berettiget til MR-scanning, deltage i en EEG-fMRI-undersøgelse. Udelukkelseskriterierne er: ikke-samarbejdsvillige eller ikke-overensstemmende emner; personer med underliggende tilstande (f.eks. kroniske rygsmerter), som forhindrer dem i at ligge liggende liggende i en vis periode (typisk mindst 1 time) eller forsøgspersoner, der måske ikke kan ligge stille på MR-bordet under scanningen. Bevægelse hæmmer ikke kun kvaliteten af både EEG- og fMRI-data, men indebærer også en potentiel fare for forsøgspersonerne selv (f.eks. fremkalder strøm i ledninger og kabler, der kan forårsage stimulering). I tilfælde af opgavebaseret erhvervelse bør emnets sprogforståelsesevne også overvejes (undgå emner, der ikke er i stand til at forstå instruktionerne). I denne undersøgelse blev der rekrutteret 32 raske frivillige (gennemsnitsalder, 40 år, 17 kvinder) og 25 patienter med epilepsi (gennemsnitsalder, 31 år, 13 kvinder). Bed forsøgspersonerne om at vaske deres hår med shampoo uden balsam eller voks før ankomst. Forklar formålet med eksperimentet og de næste trin til emnet. Mål hovedomkredsen (dvs. occipital frontal omkreds) ved at pakke et fleksibelt ikke-strækbart målebånd rundt om hovedet over supraorbital højderyggene og occiput og vælg en passende størrelse hætte. Brug en hætte, der er 1 cm større end hovedomkredsen, og spørg altid motivet, om hætten er behagelig, når den er placeret (dvs. ikke for stram). Efter at have placeret hætten på den omtrentlige position over motivets hoved ved hjælp af det samme målebånd, måles længden af inion-nasionbuen, defineret som buen over hovedets midterlinje, der strækker sig fra occiput til næsebroen, og den vinkelret bue, defineret som buen, der strækker sig mellem ørerne, der krydser midtpunktet af inion-nasion bue, over hætten. Marker skæringspunktet mellem inion-nasion bue og peri-aurikulær bue (det punkt, hvor midtpunkterne i begge buer mødes, AKA Cz), og skub hætten over hovedet, så placeringen af elektrode Cz er justeret til dette kryds. Sørg for, at hætten ikke roteres vandret ved manuelt at kontrollere, om elektroderne Fz, Pz, Oz, Reference og Ground er placeret over inion-nasion-buen. Udsæt huden under hver elektrode ved at fortrænge håret til siden af elektroden ved hjælp af bagsiden af en vatpind. Gnid huden under hver elektrode ved hurtigt at dreje en vatpind, der indeholder 70% alkoholopløsning placeret gennem åbningen af elektroden. Påfør en lille mængde af slibende ledende gel (~ 0,2 mL) i åbningen og slibe huden ved hurtigt at dreje en vatpind på en lignende måde. Elektrodens impedans (vist af optagesoftwaren) overvåges, og sliddet gentages som angivet i trin 2.8, indtil impedansen falder mindst under 20 kΩ20, helst så lavt som muligt (under 5 kΩ)21. Fyld åbningen med den samme gel (normalt ~ 0,5 mL), når impedansen er tilfredsstillende. Påfør ikke for meget gel i åbningen for at undgå at bygge bro mellem elektroder. Flyt til den næste elektrode, hvis impedansen er utilfredsstillende på trods af gentagen slid og kommer tilbage senere, fordi impedansen nogle gange fortsætter med at falde med tiden efter påføring af gelen. Gentag trin 2.6-2.9 for alle hovedbunden EEG elektroder. Før du placerer EKG-elektroden bagpå, skal du bede motivet om at sidde oprejst uden at bøje halsen. Sørg for, at EKG-elektrodetråden er lige, når du placerer EKG-elektroden bagpå, men sørg for at tage hensyn til lægningen af EKG-elektrodetråden langs nakkens kurve for at undgå forskydning af elektroden, når motivet lægger sig på MRI-bordet. Placer EKG-elektroden 2-3 cm tilbage fra median furen, som kan identificeres som den lodrette indrykning langs midterlinjen af ryggen. Den lodrette position varierer afhængigt af motivets højde. den er typisk placeret på lænden ca. på linjen, der strækker sig mellem spidsen af skulderbladet i et emne på ca. 160 cm. Gnid huden under EKG-elektroden med en alkoholpind. EKG-elektroden fastgøres til huden med en dobbeltsidet klæbende ring og gentages trin 2.8-2.9. Klæberingen fungerer også som polstring for at undgå direkte kontakt mellem elektroden og huden. Fold den tørre alkohol bomuld vatpind i fire, og læg den på EKG elektroden. Tape det til huden ved hjælp af et kirurgisk tape (medicinsk tape). Tape EKG elektrodetråden til huden op til skulderen. 3. Påfør carbon wire loop (hvis en bipolar forstærker er tilgængelig) Sæt et sæt forfletningstråd (diameter 1 mm)9 bestående af seks sløjfer (diameter 10 cm) over hætten i en sådan position, at bundtet af ledningerne kommer parallelt med bundtet af elektroderne på toppen af hovedet. Brug kirurgisk tape (1 x 2 cm) til at sikre sløjferne omkring elektroderne, så sløjferne dækker hovedet med hver løkke, der dækker jævnt næsten et lige område (dvs. både fronto-temporal, både temporo-occipital, occipital og vertex). Alternativt kan man også sy sløjferne til EEG-hætten, hvis det er relevant.BEMÆRK: Carbon wire loops på hovedet tjener til at fange bevægelse, herunder ballistocardiogram (BCG). Disse signaler bruges til fjernelse af BCG-artefakter fra EEG under offline EEG-behandling9. 4. Sikring af hætten og kulstoftrådssløjferne Sørg for, at EEG-elektroderne ikke danner løkker. Wrap motivets hoved med en elastisk bandage over EEG hætten og kulstof sløjfer. Bandagen tjener til at trykke EEG-elektroden tæt på huden for at reducere MRI-maskininducerede vibrationer fra elektroderne og forhindre gelen i at løbe på puden, når motivet placeres inde i MR-scanneren (se trin 5). Sørg for, at bandagen dækker alle elektroderne og ikke er for stram ved at spørge, om motivet føler sig ubehageligt pres på hovedet, mens du anvender bandagen. 5. Placering af motivet i MR-scanneren I tilfælde af hviletilstandserhvervelse skal du instruere forsøgspersonen om at anvende MR-kompatible øretelefoner i ørerne. I tilfælde af opgavebaseret erhvervelse skal forsøgspersonen instrueres i at anvende det ELLER de MR-kompatible headset eller øretelefoner i henhold til eksperimentets krav. Sørg for, at motivet kan høre gennem begge sider af headsettet eller øretelefonerne. Placer en MR-kompatibel flad hukommelse skum pude i den nederste halvdel af hovedet spolen, før du beder emnet til at ligge ned og placere hovedet i spolen. Efter at have placeret hovedet korrekt (toppen af hovedet placeret så tæt som muligt på toppen af hovedspolen), skal du placere elektroden og carbon wire bundterne lige gennem den øverste åbning af hovedspolen. Tilføj hukommelse skum puder til toppen af hovedet, panden, og tidsmæssige område. Puderne skal fylde alle rum, der er tilbage i hovedspolen, mens de ikke komprimerer motivets hoved for tæt. Sørg for, at puderne ikke klemmer hovedet, mens du placerer den øverste halvdel af hovedspolen og mens du lukker spolen. Juster puderne eller skift til mindre puder, hvis de er for stramme. På denne måde tjener puderne til at holde elektrodetrådene for at reducere MRI-maskininducerede vibrationer på elektrodeledningerne og for at begrænse hovedbevægelserne, samtidig med at motivets komfort opretholdes under scanningen. Placer en halv cylinderformet hukommelsesskumpude bag i nakken, så EKG-elektrodetråden er klemt godt mellem puden og nakken. Den del af EKG elektrodetråd, der passerer på bagsiden under skulderen er faktisk klemt inde mellem bagsiden af emnet og MR-tabellen og er således immobiliseret af motivets egen vægt. I tilfælde af en opgavebaseret erhvervelse skal du efter at have placeret alle hukommelsesskumpuder sørge for, at headsettet eller øretelefonerne ikke fortrænges ved at teste igen, om motivet stadig kan høre gennem begge sider af headsettet eller øretelefonerne. Når hovedspolen er lukket, skal du placere spejlet og instruere motivet om at justere spejlet (i tilfælde af opgaven, der kræver visuelle stimuli). Forsøgspersonen om nødvendigt at justere spejlet efter at have flyttet bordet for at placere motivets hoved i MRI-boringens isocenter. Tilslut forstærkerne placeret på bagsiden af MR-boret til optagecomputeren placeret i konsolrummet ved hjælp af de medfølgende optiske fibre. Når EEG/EKG-elektroderne og kulstofledningssløjferne er forbundet med EEG og de bipolære forstærkere bag på MRI-boringen, skal forstærkerne tændes. Igen skal du kontrollere impedansen af alle elektroder for at sikre, at de stadig er lave (mindst under 20 kΩ). Fjern motivet fra MR-scanneren til justering, hvis der er nogen elektrode med høj impedans. 6. Konfiguration af ledninger og forstærkere Arranger alle ledningerne mellem udgangen af den øverste åbning af hovedspolen og forstærkerne (herunder elektroderne og kulstoftrådbundterne, forbindelsesboksen og båndledningerne), så de placeres lige og i midten af MRI-boringen. Dette er vigtigt for at minimere MR-induceret strøm. Placer en carbon wire loop omkring båndkablet, der går fra EEG/EKG-elektrodestikkassen til forstærkeren, og tilslut alle kulstofledningssløjferne (se trin 5.7) til inputboksen på den bipolære forstærker (EXG MR). Denne sløjfe tjener hovedsageligt til at fange vibrationerne forårsaget af Heliumpumpen9. For at minimere MR-maskine-induceret vibration, immobilisere ledningerne ved at klemt dem alle med MR-safe og ikke-ferromagnetic sandsække hele vejen mellem udløbet af den øverste åbning af hovedet spolen og forstærkere. Placer også sandsække på forstærkerne. Disse sandsække, målt 330 mm x 240 mm x 50 mm og vejer 4 kg, leveres af EEG-producenten. Placer forstærkerne uden for magnetens boring, hvilket er tilladt af længden af kablerne som leveret af producenten. 7. Erhvervelse af EEG-fMRI-data Sørg for, at motivet er behageligt med placeringen, før du forlader scannerrummet, for at undgå unødvendig bevægelse af emnet under anskaffelsen. Bed forsøgspersonen om nødvendigt at trykke på alarmknappen (dvs. i nødstilfælde, eller hvis motivet føler en ubehagelig fornemmelse). Kommuniker med motivet fra konsolrummet for at bekræfte, at motivet kan høre operatøren. Fortæl forsøgspersonen, at der forventes høje lyde under dataindsamlingen. Instruer forsøgspersonen som krævet for eksperimentet, og bed forsøgspersonen om ikke at bevæge sig under dataindsamlingen. Start EEG-optagelsen, før du starter fMRI-anskaffelse. Typisk erhverves følgende billeder sekventielt: spejderbilleder (todimensionelle) til placering af fMRI-synsfeltet, fMRI og strukturelle billeder til medregistrering af fMRI-billederne under efterbehandling. Shim sekvenser blev kørt før erhverve hver type billede til kalibrering af passende parametre.BEMÆRK: Det er vigtigt at bruge MR-sekvenser, der er bevist sikre med forstærkere, for at opretholde sikkerheden og for at undgå skader på forstærkerne18. Detaljer om de sekvenser, der betragtes som sikre, vil ikke blive diskuteret i detaljer. Læserne opfordres til at konsultere brugervejledningen eller supportteamet. Generelt anbefales gradientekkosekvenser, og spin-ekkosekvenser eller sekvenser med tilsvarende RF-emissionsparametre, som kan forårsage overdreven RF-induceret opvarmning, bør undgås. Opvarmning kan indirekte kvantificeres ved hjælp af målinger, der måler mængden af RF-eksponering, såsom specifik energiabsorptionshastighed (SAR) og den grundlæggende middel middelfeltværdi på B1+ i gennemsnit over 10 s (B1+rms). For nylig, B1+ rms, afhængig af billeddiagnostik parametre, men uafhængig af forsøgspersonernes body mass22, er ved at blive den nye standard for at angive grænsen. F.eks. er B1+rms-tærsklerne for anskaffelse ved 3 T ved hjælp af Brain Products EEG-hætten 1 μT for den aktuelle standardhætte og 1,5 μT for den nye standard EEG-hætte med et kortere (10 cm) bundtet kabel23. Flip vinkel, antal skiver, og gentagelsestid (TR) er parametre, der skal overvejes for at holde SAR og B1+ rms lav. En lille flip vinkel (<90°) anbefales. Antallet af udsnit og TR kan justeres, så længe den resulterende sekvens ligger under tærsklen på B1+rms23. Når du starter anskaffelsen, skal du sørge for, at markører fra scanneren (se 1.4) med jævne mellemrum vises i online EEG-optagelsen.

Representative Results

Ved anbringelse af EEG-hætten ved hjælp af denne protokol falder hver elektrodes impedans normalt under 20 kΩ (Figur 1). Repræsentative EEG-signaler fra et emne (20-årig mand), der deltog i en neurokognitiv undersøgelse, og et andet emne (19-årig kvinde), der deltog i en epilepsiundersøgelse ved hjælp af denne protokol i den samme MR-scanner, er vist i henholdsvis figur 2 og figur 3. Emnet, der gennemgik neurokognitive test blev instrueret i at holde øjnene åbne, men stå stille, mens du udfører en visuel opgave som anvist. Emnet for epilepsiundersøgelsen blev instrueret i at lukke øjnene og sove, da epileptiske aktiviteter typisk er hyppigere under søvn. De EEG-signaler, der blev opnået fra begge undersøgelser, var ens før behandlingen(figur 2); MR-gradientartefaktet tilslørede de rigtige EEG-signaler. EEG-signalerne fra begge undersøgelser blev behandlet offline på følgende måde: MR-artefakter blev fjernet ved hjælp af subtraktionsmetode24; og BCG, bevægelser, og Helium pumpe artefakter blev fjernet ved hjælp af regression af signaler registreret fra kulstoftrådsløjfer 7,9. De resulterende EEG-signaler (Figur 3B) fra begge undersøgelser var af analyserelig kvalitet uden synlig kontaminering af BCG-artefakter (Figur 3A). Epileptiske aktiviteter blev tydeligt set på EEG under epilepsiundersøgelsen (Figur 3B). På EEG erhvervet under neurokognitive undersøgelse, blinkende, øjenbevægelser, og muskel artefakter blev set, især i frontal fører (Fp1 og Fp2) efter artefakt fjernelse (Figur 3B) på grund af arten af undersøgelsen, og kan fjernes yderligere ved hjælp af andre metoder afhængigt af behovet. Der blev ikke set nogen artefakt fra maskinvibrationer på efterbehandlede EEG-signaler, der blev erhvervet under begge undersøgelser(figur 3B kan sammenlignes med EEG-signaler, der er erhvervet uden for MRI som vist i figur 3C). Ingen artefakt stammer fra EEG elektroder blev set på MR billeder erhvervet samtidigt (Figur 4). Figur 1: RepræsentativE EEG-elektroder impedans, der faldt til under 5 kΩ ved anvendelse af en 32-kanals EEG-hætte på et emne, der deltog i en neurokognitiv undersøgelse. Hver rundfarvet cirkel repræsenterer en EEG-elektrode, hvor elektrodenavnet er skrevet i cirklen. Placeringen af hver cirkel repræsenterer placeringen af hver elektrode på EEG-hætten. Farvelinjen og tallene til højre repræsenterer området for den impedans, der måles (0-5 kΩ i dette tilfælde); Grøn farve angiver, at impedansværdien er lavere end værdien for Godt niveau, og rød farve angiver Dårligt niveau. I dette eksempel er elektroder CP1, O1, Oz, O2 og EKG angivet i lysegrøn, hvilket betyder, at disse elektroders impedanser var 2 kΩ; resten af elektroderne er angivet i mørkegrøn, hvilket betyder, at impedanserne af disse elektroder var 0 kΩ. Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 2: EEG-signal før behandling. Bemærk, at MR-gradient artefakt tilsløret den virkelige EEG signaler. Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 3: Repræsentative EEG-signaler fra forsøgspersoner, der har deltaget i neurokognitive undersøgelser og epilepsiundersøgelser. EEG-signaler på øverste række var fra en neurokognitiv undersøgelse, og dem på nederste række var fra en epilepsiundersøgelse. EEG-signaler blev behandlet offline. (a)EEG-signaler efter fjernelse af MR-gradientartefakt. Kasserne i lyseblå angiver BCG artefakter. (B) EEG-signaler efter fjernelse af artefakter ved hjælp af regression af signaler, der er registreret fra kulstofledningssløjferne. c) EEG-signaler, der registreres uden for MR ved hjælp af det samme EEG-udstyr. EEG-signaler blev vist i referentiel montage (reference hos FCz); EEG i bipolar montage (hver kanal repræsenterer spændingsforskellen mellem et par tilstødende elektroder) af samme segment er også vist for EEG erhvervet under en epilepsi undersøgelse for at lette visualiseringen af epileptiske aktiviteter. De blå pilespidser (B og C, øverste række) angiver blinkende (høj amplitude langsom nedadgående afbøjninger / diphasiske potentialer ved Fp1 og Fp2), den sorte pilespids (B, øverste række) angiver øjenbevægelser som følge af en saccade eller en spontan ændring af blik (små, hurtige afbøjninger ved Fp1 og Fp2), og de grønne rektangler (B, øverste række) angiver alfarytme set på EEG erhvervet under en neurokognitiv undersøgelse. Lavforstærknings- og højfrekvente aktiviteter overvejende ved Fp1 og Fp2 er muskelartefakter (fortykkelse af EEG-sporingen, øverste række). De røde pilespidser (B og C, nederste række) angiver de tidspunkter, hvor epileptiske aktiviteter blev identificeret på EEG erhvervet under en epilepsiundersøgelse (skarpe nedadgående eller opadgående afbøjninger, der undertiden efterfølges af en langsom bølge). Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 4: Repræsentative MR-oplysninger fra et emne, der er indhentet ved hjælp af denne protokol. Bemærk, at EEG-elektroderne ikke forårsagede synlige artefakter på de MR-billeder, der blev erhvervet samtidigt. (A) magnetisering forberedt hurtig erhvervelse med gradient ekko billede; (B) ekko planar imaging. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Denne protokol fremhævede de vigtige punkter for sikker samtidig EEG-fMRI-erhvervelse af data af god kvalitet.

Nogle almindelige fejl, der resulterer i artefakter, der er vanskelige at fjerne, på EEG samt fejlfindingsteknikker, er som følger. For det første kan valg af emner, der er kompatible og samarbejdsvillige og sikrer deres komfort under dataindsamling, forhindre for tidlig opsigelse på grund af emnebevægelser (trin 2.1 og 5.4). For det andet skyldes impedansen ikke at falde til under 20 kΩ efter gentagen slid i hovedbunden (trin 2.9) sandsynligvis utilstrækkelig børstning efter brug. Grundigt børstning af hver åbning af EEG-elektroderne, når hætten vaskes, forhindrer dette problem. For det tredje kan uhensigtsmæssige indstillinger af hardware og software resultere i mætning af EEG-signaler, der efterfølgende hæmmer fjernelse af artefakter under offline EEG-behandling. For at forhindre registrering af mættede EEG-signaler skal du opretholde impedansen af hver elektrode under 20 kΩ efter at have placeret motivet i MR-scanneren inden dataindsamlingen. mekaniske vibrationer mindskes tilstrækkeligt ved at immobilisere EEG-hætten (hvilket også betyder motivets hoved), kabler og ledninger overvåge det rå EEG-signal online med optagelsessoftwaren og sørge for, at samplingfrekvensen og amplitudeopløsningen er korrekt konfigureret.

Samtidig erhvervelse af EEG og fMRI rejser vigtige sikkerhedsspørgsmål i forbindelse med RF-induceret opvarmning og kobling af gradientinducerede strømme på grund af tilstedeværelsen af elektriske ledninger, der er forbundet til emnet i det hurtigt skiftende magnetfelt⁵. Disse sikkerhedsproblemer er stort set blevet minimeret i årenes løb efter forskningsresultater, der har øget kendskabet til dette aspekt og ført til store forbedringer i teknologien til MR-kompatibelT EEG-udstyr. Ikke desto mindre bringer skødesløs forberedelse uden tilstrækkelig viden eller ikke at tage sikkerhedsforanstaltninger emnerne i fare. For eksempel fremkalder sløjfer, der dannes hvor som helst i kredsløbet strøm og mulig varmeskade. Anskaffelse med elektroderne ved høj impedans hæmmer ikke kun EEG-datakvaliteten, men udgør også en potentiel fare for forsøgspersonen (termisk skade på grund af høj strømtæthed). Den samme fare gælder for ødelagte elektroder. Kabler placeret i nærheden af MR borevæggen, med andre ord langt fra midten, udgør også en potentiel varmefare for emnet (opvarmning på grund af antenneeffekt)²⁵. Denne protokol understreger følgende sikkerhedsaspekter: ingen sløjfer dannes i kredsløbet mellem motivet og forstærkeren, alle elektroder har lav impedans under MR-scanningen, og alle kabler er placeret i midten af boringen. Begynderoperatører rådes til at gennemgå træning og følge producentens retningslinjer, der findes i brugermanualen og^{demonstrationsvideoerne 20} for at undgå sikkerhedsproblemer.

De vigtigste årsager til artefakter findes på EEG-fMRI er at skifte gradient af MRI, BCG, eller motivets grove eller subtile bevægelser (ansigtsbevægelser, knyttede, synke osv.). I nogle MR-opsætninger kompromitterer artefakter forårsaget af heliumpumpen og ventilatorerne også EEG-signalerne betydeligt. MR-gradientartefakter er ret konsistente i bølgeformerne og kan korrigeres tilstrækkeligt ved hjælp af en skabelonbaseret subtraktionsteknik, hvis de registreres fuldt ud uden forvrængning ved hjælp af forstærkere med et tilstrækkeligt dynamisk område²⁴. BCG-artefakter korrigeres normalt enten ved hjælp af subtraktionsteknikken²⁶, uafhængig komponentanalyse⁶, optimal basissæt⁸eller en kombination af disse teknikker¹⁰. For nylig, artefakt fjernelse ved hjælp af simple regression baseret på signaler erhvervet samtidig med kulstof wire sløjfer er blevet udviklet^7,9. Den protokol, der præsenteres her, illustrerer det tekniske aspekt med det formål at give en introduktionsvejledning til dem, der er interesseret i at bruge denne metode. Denne metode fjerner BCG, subtile emnebevægelser og heliumpumpeartefakter, og de resulterende EEG-signaler er efter sigende bedre end dem, der korrigeres ved hjælp af andre metoder^7,9. Større bevægelsesartefakter, især dem, der indeholder svajende bevægelser, kan dog ikke fjernes, selv ved hjælp af denne metode⁷. På trods af forbedringen af disse artefaktfjernelsesmetoder gennem årene er inkonsekvente artefakter, herunder dem, der er forårsaget af MR-maskinerinducerede vibrationer, stadig vanskelige at fjerne. Desuden, jo mere omfattende artefakt fjernelse procedure, jo højere er risikoen for at miste nogle reelle EEG-signaler. Derfor er god forberedelse, der kan minimere de inkonsekvente artefakter, stadig vigtigst i EEG-fMRI-erhvervelse. I denne protokol minimeres disse artefakter ved at bruge: (1) en elastisk bandage til at pakke hoved- og hukommelsesskumpuder ind for at immobilisere hovedet i hovedspolen for at reducere mulige vibrationer af ledningerne og samtidig opretholde motivets komfort; 2) bomuld og medicinsk klæbebånd for at reducere vibrationer af EKG-elektrodetråden, som måske ikke er helt immobiliseret af forsøgspersonens egen vægt (delvis flydende mellem motivet og bordet, især i et tyndt emne) og (3) sandsække til at immobilisere kablerne placeret i MRI bar. Disse er vigtige teknikker til at minimere mri-inducerede vibrationsartefakter, der er forårsaget af vanskelige at fjerne, og som ikke er beskrevet i den tidligere offentliggjorte EEG-fMRI-protokol²⁰. I denne protokol blev forsøgspersonerne placeret i scanneren uden yderligere indpakning over EEG-hætten og polstring omkring hovedet, og kabler blev kun tapet på et par punkter uden immobilisering ved hjælp af sandsække. Baseret på 20 års erfaring på Montreal Neurological Institute, indså vi, at disse foranstaltninger kan bidrage til følsomheden af elektrodetråde og kabler til MRI-maskiner-induceret vibration, selv om de sjældent understreges i de fleste EEG-fMRI undersøgelser⁶. Minimering af MRI-maskininducerede vibrationer fører efterfølgende til bedre kvalitet og læsbarhed af EEG, hvilket er særlig nyttigt til at identificere subtile ændringer eller begivenheder i EEG⁶, såsom små epileptiske udledninger i epilepsiundersøgelser og enkeltforsøgs-ERP’er i neurokognitive undersøgelser.

Påvisning af ERP’er i EEG-signaler er en forudsætning for kognitive neurovidenskabsundersøgelser. I modsætning til den klassiske store gennemsnitlige respons på tværs af forsøg er ERP single-trial detection, som giver indsigt i hjernedynamik som reaktion på en bestemt stimulus, ved at blive et nyt mål i moderne kognitive neurovidenskabsundersøgelser og ikke-invasiv hjerne-computer interface forskning²⁷. Anvendelsen af denne protokol kan bidrage til at øge effektiviteten på disse forskningsområder.

Protokollen er bedst egnet til det MRI-kompatible EEG-system, der anvendes i denne undersøgelse. Ikke desto mindre mener vi, at de vigtige punkter også kan gælde for andre MR-kompatible EEG-systemer.

Materials

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