Acquisition fiable de données d’électroencéphalographie au cours de l’électroencéphalographie simultanée et de l’IRM fonctionnelle

Summary

Cet article fournit un protocole simple pour acquérir des données de bonne qualité de l’électroencéphalographie (EEG) pendant eeg simultané et formation image de résonance magnétique fonctionnelle en utilisant des produits médicaux aisément disponibles.

Abstract

L’électroencéphalographie simultanée (EEG) et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’IRMf-EEG, combinent les propriétés complémentaires de l’EEG du cuir chevelu (bonne résolution temporelle) et de l’IRMf (bonne résolution spatiale) pour mesurer l’activité neuronale lors d’un événement électrographique, grâce à des réponses hémodynamiques connues sous le nom de changements dépendants du niveau du sang et de l’oxygène (BOLD). Il s’agit d’un outil de recherche non invasif qui est utilisé dans la recherche en neurosciences et qui est très bénéfique pour la communauté clinique, en particulier pour la prise en charge des maladies neurologiques, à condition que l’équipement et les protocoles appropriés soient administrés lors de l’acquisition des données. Bien que l’enregistrement de l’IRMf-EEG soit apparemment simple, la préparation correcte, en particulier dans le placement et la fixation des électrodes, est non seulement importante pour la sécurité, mais est également essentielle pour assurer la fiabilité et l’analysabilité des données EEG obtenues. C’est aussi la partie la plus exigeante en expérience de la préparation. Pour résoudre ces problèmes, un protocole simple qui garantit la qualité des données a été élaboré. Cet article fournit un guide étape par étape pour acquérir des données fiables d’EEG pendant EEG-fMRI utilisant ce protocole qui utilise des produits médicaux aisément disponibles. Le protocole présenté peut être adapté à différentes applications de l’IRMf-EEG dans la recherche et les milieux cliniques, et peut être bénéfique pour les opérateurs inexpérimentés et experts.

Introduction

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) fournit une mesure de l’activité neuronale par des réponses hémodynamiques en mesurant les changements dépendants du niveau de sang (BOLD) au cours d’un événement électrographique. L’électroencéphalographie simultanée (EEG) et l’IRMf (IRMf-EEG) est un outil de recherche non invasif qui combine les propriétés synergiques de l’EEG du cuir chevelu (bonne résolution temporelle) et de l’IRMf (bonne résolution spatiale), permettant une meilleure localisation du site responsable de la génération d’événements électrographiques détectables dans l’EEG. Il a été développé pour la première fois dans les années 1990 pour une utilisation dans le domaine de l’épilepsie^1,2 et a ensuite été utilisé dans la recherche en neurosciences depuis les années 2000^3,4. Avec l’augmentation des connaissances concernant la sécurité⁵ et le développement continu de techniques pour l’élimination des artefacts induits par IRM sur EEG^{3,6,7,8,9,10,}c’est actuellement un outil largement utilisé à la fois en neurosciences et en recherche clinique^11.

L’IRMf-EEG est acquis au repos ou au cours d’une tâche, selon la question de recherche. En général, l’acquisition de l’état de repos permet l’identification des structures impliquées dans la génération d’une caractéristique EEG particulière (par exemple, forme d’onde, rythme, fréquences, puissance) et aide à comprendre les activités cérébrales spontanées variables^11. Un certain nombre d’études en neurosciences et la plupart des études cliniques, en particulier celles sur l’épilepsie^12,acquièrent l’IRMf-EEG au repos^11. L’acquisition basée sur les tâches permet l’identification des zones cérébrales et des activités électriques cérébrales assignées ou liées à une tâche spécifique et aide à établir le lien entre les activités électriques et les zones cérébrales associées à la tâche. L’acquisition basée sur les tâches est principalement utilisée dans les études en neurosciences¹¹ et certaines études cliniques¹³. La plupart des acquisitions d’IRMf-EEG basées sur des tâches utilisent une conception liée aux événements. Le type de modélisation utilisé pour intégrer les données EEG et IRMf détermine si l’efficacité ou le pouvoir de détection doit être maximisé dans la conception de la tâche^14. Veuillez consulter les études de Menon et coll.¹⁴ et liu et coll.^15,16 pour plus de détails sur la conception des tâches.

Bien que l’acquisition de données au cours de l’IRMf-EEG puisse sembler simple, la préparation est exigeante en expérience. Un protocole pour guider une préparation adéquate en vue de l’acquisition de données est important pour assurer à la fois la sécurité et le rendement (c.-à-d. des données analysables et fiables). En dépit de l’existence de diverses techniques pour enlever des objets façonné causés par MRI d’EEG, il est encore difficile enlever complètement des objets façonné des objets façonné dans l’EEG, particulièrement ceux liés à la vibration causée par la machinerie des fils et des mouvements bruts des sujets; par conséquent, ces artefacts doivent être réduits au minimum lors de l’acquisition des données.

Cet article présente un protocole simple qui utilise des produits médicaux MRI-compatibles aisément disponibles. Le protocole fournit des étapes importantes qui garantissent la qualité des données, en particulier la qualité des données EEG, qui est la clé du succès d’une étude EEG-IRMf. Ce protocole a été développé sur la base de l’expérience de 20 ans de l’équipe de recherche sur l’IRMf-EEG à l’Institut neurologique de Montréal^12,17 et a été modifié pour être utilisé à l’Université d’Osaka, ce qui profite à la fois aux opérateurs inexpérimentés et experts.

Protocol

Le comité d’éthique de la recherche de l’hôpital universitaire d’Osaka et le comité de sécurité du Centre d’information et de réseaux neuronaux (CiNET) ont approuvé le protocole (approbations de l’hôpital universitaire d’Osaka nos 18265 et 19259; Nos d’homologation ciNET 2002210020 et 2002120020). Tous les sujets ont donné leur consentement éclairé écrit pour leur participation. 1. Préparation de la configuration expérimentale Connectez l’EEG compatible IRM et les amplificateurs bipolaires aux batteries (assurez-vous qu’elles sont complètement chargées) et à l’ordinateur d’enregistrement. Assurez-vous que l’espace de travail du logiciel d’enregistrement est correctement configuré. Réglez la résolution d’amplitude sur 0,5 μV pour éviter la saturation de l’amplificateur; définissez les filtres de fréquence en fonction de la bande de fréquences d’intérêt. Réglez le taux d’échantillonnage à 5 000 Hz (maximum possible pour les amplificateurs utilisés dans ce protocole), quelle que soit la bande de fréquences d’intérêt.REMARQUE : La résolution d’amplitude à 0,5 μV correspond à une valeur maximale de 16,38 mV, ce qui est suffisant pour enregistrer l’artefact de gradient, étant donné que les pics d’artefact de gradient peuvent atteindre des amplitudes supérieures de 100 fois supérieures à celles de l’EEG spontané du cuir chevelu (environ 10-100 μV) à des vitesses élevées (>1 000 fois plus rapide que le taux de changement de l’EEG en cours). Théoriquement, le taux d’échantillonnage doit être au moins deux fois plus élevé (théorème de Nyquist) que la fréquence la plus élevée dans le spectre de commutation de gradient, afin d’échantillonner avec précision les artefacts de commutation de gradient à haute fréquence et de détecter le véritable début de l’activité de gradient de chaque volume pour l’élimination ultérieure12,18. Toutefois, l’augmentation du taux d’échantillonnage entraîne des fichiers de grande taille, ce qui nécessite des investissements importants pour le stockage des données et peut également entraver le post-traitement ultérieur. L’utilisation du périphérique de synchronisation rend inutile d’augmenter la fréquence d’échantillonnage pour améliorer la synchronisation entre les horloges EEG et MR (voir l’étape 1.4). Un taux d’échantillonnage de 5 000 Hz est adéquat pour les enregistrements EEG/potentiel lié aux événements (ERP) habituels, et des taux d’échantillonnage plus élevés n’améliorent pas la qualité des données, car le processus de correction d’artefacts ultérieur, qui implique un échantillonnage descendant des données à une fréquence inférieure à 500 Hz et un filtrage passe-bas supplémentaire, élimine tous les résidus de correction de gradient à haute fréquence qui peuvent exister18. Reportez-vous au manuel pour plus de détails concernant les réglages appropriés du logiciel d’enregistrement nécessaire à l’acquisition d’EEG dans l’IRM, qui diffère de celui en dehors de l’IRM. Vérifiez si les marqueurs du scanner, c’est-à-dire les marqueurs pour la synchronisation de l’horloge (synchronisation par défaut) et le déclencheur de volume (R128 par défaut), sont affichés périodiquement dans l’enregistrement EEG en ligne. La synchronisation affichée indique que le scanner IRM et les horloges EEG sont synchronisés, et R128 indique que les déclencheurs de volume sont enregistrés pour le post-traitement suivant. Le scanner IRM et les horloges EEG sont synchronisés à l’aide du périphérique SyncBox, qui détecte la sortie de l’horloge du scanner (généralement 10 MHz et plus), sous-échantillonne et génère le signal d’horloge (et les marqueurs de synchronisation) vers l’interface USB2.REMARQUE: L’interface USB2 envoie les données EEG de tous les amplificateurs, qui sont verrouillés de phase au signal d’horloge du scanner, à l’ordinateur d’enregistrement18. La synchronisation périodique sur les marqueurs sont des déclencheurs générés à partir de l’impulsion électrique du scanner pour synchroniser l’échantillonnage du signal EEG par le taux du scanner MR, une condition requise pour la correction des artefacts du scanner. Les déclencheurs de volume sont utilisés pour identifier le temps d’apparition de l’analyse du volume MR pour la correction de l’artefact du scanner pendant le traitement EEG hors ligne19. Configurez le scanner IRM en fonction des besoins et des disponibilités. Il est préférable d’utiliser une radiofréquence (RF) de tête d’émission et de réception pour minimiser le risque de chauffage RF. Cependant, une bobine RF de transmission de corps entier et une bobine RF de réception de tête à 20 canaux seulement ont été utilisées ici parce qu’une bobine de tête d’émission et de réception n’était pas disponible pour le scanner utilisé (typiquement le cas pour la plupart des scanners modernes). Chargez une seringue de 10 mL (ou plusieurs au besoin) avec le gel conducteur abrasif pour l’application du capuchon EEG. On pourrait précharger le gel abrasif dans une seringue en plastique de grande capacité de 50 mL pour la distribution de fluide et remplir la seringue de 10 mL avec le gel avant l’arrivée du sujet.REMARQUE: L’application d’un bouchon EEG à 32 canaux consomme généralement environ 20-25 ml de gel. 2. Application du capuchon EEG et de l’électrode ECG Lors du recrutement, demandez au sujet de remplir une liste de contrôle des contre-indications potentielles à l’IRM. Confirmer que le sujet n’a aucune contre-indication à l’IRM avant l’arrivée.REMARQUE : En général, tout sujet admissible à l’IRM peut participer à une étude d’IRMf-EEG. Les critères d’exclusion sont les suivants : sujets non coopératifs ou non conformes; ceux qui ont des conditions sous-jacentes (p. ex., maux de dos chroniques), qui les empêchent de s’endormir sur le dos pendant une certaine période de temps (généralement au moins 1 h); ou des sujets qui pourraient être incapables de rester immobiles sur la table d’IRM pendant la scintigraphie. Le mouvement nuit non seulement à la qualité des données de l’EEG et de l’IRMf, mais impose également un danger potentiel aux sujets eux-mêmes (p. ex., induit un courant dans les fils et les câbles qui peut causer une stimulation). Dans le cas d’une acquisition basée sur des tâches, la capacité de compréhension de la langue du sujet doit également être prise en compte (évitez les sujets qui sont incapables de comprendre les instructions). Dans cette étude, 32 volontaires en bonne santé (âge moyen, 40 ans ; 17 femmes) et 25 patients présentant l’épilepsie (âge moyen, 31 ans ; 13 femmes) ont été recrutés. Demandez aux sujets de se laver les cheveux avec un shampooing sans revitalisant ni cire avant l’arrivée. Expliquez le but de l’expérience et les prochaines étapes au sujet. Mesurer la circonférence de la tête (c.-à-d. circonférence frontale occipitale) en enroulant un ruban à mesurer souple et non extensible autour de la tête sur les crêtes supraorbitales et l’occiput et choisir un capuchon de taille appropriée. Utilisez un capuchon de 1 cm de plus que la circonférence de la tête et demandez toujours au sujet si le capuchon est confortable une fois placé (c.-à-d. pas trop serré). Après avoir placé le capuchon à la position approximative sur la tête du sujet, à l’aide du même ruban à mesurer, mesurer les longueurs de l’arc inion-nasion, défini comme l’arc sur la ligne médiane de la tête s’étendant de l’occiput au pont du nez, et l’arc péri-auriculaire, défini comme l’arc s’étendant entre les oreilles qui traverse le milieu de l’arc inion-nasion, au-dessus du bouchon. Marquez l’intersection de l’arc inion-nasion et de l’arc péri-auriculaire (le point où les points médians des deux arcs se rencontrent, AKA Cz), et faites glisser le capuchon sur la tête afin que la position de l’électrode Cz soit ajustée à cette intersection. Assurez-vous que le capuchon n’est pas tourné horizontalement en vérifiant manuellement si les électrodes Fz, Pz, Oz, Reference et Ground sont positionnées sur l’arc inion-nasion. Exposez la peau sous chaque électrode en déplaçant les cheveux sur le côté de l’électrode à l’aide du dos d’un coton-tige. Frottez la peau sous chaque électrode en faisant tourner rapidement un coton-tige contenant 70% de solution d’alcool placée à travers l’ouverture de l’électrode. Appliquez une petite quantité de gel conducteur abrasif (~ 0,2 mL) dans l’ouverture et abrasez la peau en faisant tourner rapidement un coton-tige de la même manière. Surveiller l’impédance de l’électrode (affichée par le logiciel d’enregistrement) et répéter l’abrasion comme indiqué à l’étape 2.8 jusqu’à ce que l’impédance tombe au moins en dessous de 20kΩ20,de préférence aussi bas que possible (en dessous de 5 kΩ)21. Remplissez l’ouverture avec le même gel (généralement ~ 0,5 mL) une fois que l’impédance est satisfaisante. Ne pas appliquer de gel excessif dans l’ouverture pour éviter de faire le pont entre les électrodes. Passez à l’électrode suivante si l’impédance n’est pas satisfaisante malgré l’abrasion répétée et revenez plus tard car parfois l’impédance continue de baisser avec le temps après l’application du gel. Répétez les étapes 2.6-2.9 pour toutes les électrodes EEG du cuir chevelu. Avant de placer l’électrode ECG à l’arrière, demandez au sujet de s’asseoir debout sans fléchir le cou. Assurez-vous que le fil de l’électrode ECG est droit lorsque vous placez l’électrode ECG à l’arrière, mais gardez une certaine tolérance pour la pose du fil de l’électrode ECG le long de la courbe du cou, afin d’éviter le déplacement de l’électrode lorsque le sujet se couche sur la table d’IRM. Placez l’électrode ECG à 2-3 cm à gauche du sillon médian, qui peut être identifié comme l’indentation verticale le long de la ligne médiane du dos. La position verticale varie en fonction de la hauteur du sujet; il est généralement positionné sur le bas du dos approximativement sur la ligne qui s’étend entre les extrémités de l’omoplate dans un sujet d’environ 160 cm. Frottez la peau sous l’électrode ECG avec un écouvillon d’alcool. Fixez l’électrode ECG à la peau à l’aide d’un anneau adhésif double face et répétez les étapes 2.8-2.9. L’anneau adhésif sert également de rembourrage pour éviter le contact direct de l’électrode avec la peau. Pliez le coton-tige d’alcool sec en quatre et placez-le sur l’électrode ECG. Collez-le sur la peau à l’aide d’un ruban chirurgical (ruban adhésif médical). Collez le fil d’électrode ECG sur la peau jusqu’à l’épaule. 3. Appliquez la boucle de fil de carbone (si un amplificateur bipolaire est disponible) Placer un ensemble de fils de carbone pré-tresse (diamètre 1 mm)9 constitué de six boucles (diamètre 10 cm) sur le capuchon dans une position telle que le faisceau des fils soit en parallèle avec le faisceau des électrodes sur le dessus de la tête. Utilisez du ruban chirurgical (1 x 2 cm) pour fixer les boucles autour des électrodes, de sorte que les boucles couvrent la tête, chaque boucle couvrant uniformément une zone presque égale (c’est-à-dire à la fois le fronto-temporel, le temporo-occipital, l’occipital et le sommet). Alternativement, on pourrait également coudre les boucles à l’EEG-cap, le cas échéant.REMARQUE: Les boucles de fil de carbone sur la tête servent à capturer le mouvement, y compris le ballistocardiogramme (BCG). Ces signaux sont utilisés pour le retrait des artefacts BCG de l’EEG pendant le traitement EEG hors ligne9. 4. Fixation du bouchon et des boucles de fil de carbone Assurez-vous que les électrodes EEG ne forment pas de boucles. Enveloppez la tête du sujet avec un bandage élastique sur le capuchon EEG et les boucles de carbone. Le bandage sert à appuyer fermement sur l’électrode EEG sur la peau, à réduire les vibrations induites par la machinerie IRM des électrodes et à empêcher le gel de se répandre sur l’oreiller lors du placement du sujet à l’intérieur du scanner MR (voir étape 5). Assurez-vous que le pansement couvre toutes les électrodes et n’est pas trop serré en demandant si le sujet ressent une pression inconfortable sur la tête lors de l’application du bandage. 5. Placer le sujet dans le scanner MR Dans le cas d’une acquisition d’état de repos, demandez au sujet d’appliquer des écouteurs compatibles IRM dans les oreilles. Dans le cas d’une acquisition basée sur des tâches, demandez au sujet d’appliquer le casque ou les écouteurs compatibles AVEC L’IRM conformément aux exigences de l’expérience. Assurez-vous que le sujet peut entendre à travers les deux côtés du casque ou des écouteurs. Placez un oreiller plat en mousse à mémoire de forme compatible AVEC L’IRM dans la moitié inférieure de la bobine de tête avant de demander au sujet de s’allonger et de placer la tête dans la bobine. Après avoir placé la tête de manière appropriée (le haut de la tête est placé aussi près que possible du haut de la bobine de tête), placez l’électrode et les faisceaux de fil de carbone directement à travers l’ouverture supérieure de la bobine de tête. Ajoutez des oreillers en mousse à mémoire de forme au sommet de la tête, du front et de la zone temporale. Les oreillers doivent remplir de manière appropriée tous les espaces laissés dans la bobine de tête tout en ne comprimant pas trop étroitement la tête du sujet. Assurez-vous que les oreillers ne serrent pas la tête tout en plaçant la moitié supérieure de la bobine de tête et en fermant la bobine. Ajustez les oreillers ou changez pour des oreillers de plus petite taille s’ils sont trop serrés. De cette façon, les oreillers servent à maintenir les fils d’électrode pour réduire les vibrations induites par la machinerie IRM sur les fils d’électrode et pour retenir les mouvements de la tête tout en maintenant le confort du sujet pendant le balayage. Placez un oreiller en mousse à mémoire de forme demi-cylindre à l’arrière du cou afin que le fil d’électrode ECG soit bien pris en sandwich entre l’oreiller et le cou. La partie du fil d’électrode ECG qui passe à l’arrière sous l’épaule est en effet prise en sandwich entre le dos du sujet et la table d’IRM et est donc immobilisée par le poids du sujet. Dans le cas d’une acquisition basée sur des tâches, après avoir placé tous les oreillers en mousse à mémoire de forme, assurez-vous que le casque ou les écouteurs ne sont pas déplacés en testant à nouveau si le sujet peut toujours entendre à travers les deux côtés du casque ou des écouteurs. Après avoir fermé la bobine de tête, placez le miroir et demandez au sujet d’ajuster le miroir (dans le cas de la tâche qui nécessite des stimuli visuels). Demandez au sujet d’ajuster le miroir si nécessaire, après avoir déplacé la table afin de placer la tête du sujet à l’isocentre de l’alésage IRM. Connectez les amplificateurs placés à l’arrière de l’alésage IRM à l’ordinateur d’enregistrement placé dans la salle de console à l’aide des fibres optiques fournies. Après avoir connecté les électrodes EEG/ECG et les boucles de fil de carbone à l’EEG et aux amplificateurs bipolaires à l’arrière de l’alésage IRM, allumez les amplificateurs. Encore une fois, vérifiez l’impédance de toutes les électrodes pour vous assurer qu’elles sont encore faibles (au moins en dessous de 20 kΩ). Retirez le sujet du scanner MR pour le réglage s’il y a une électrode à haute impédance. 6. Configuration des fils et amplificateurs Disposez tous les fils entre la sortie de l’ouverture supérieure de la bobine de tête et les amplificateurs (y compris les électrodes et les faisceaux de fils de carbone, la boîte de connexion et les fils ruban) de sorte qu’ils soient placés directement et au centre de l’alésage IRM. Ceci est important pour réduire au minimum le courant induit par IRM. Placez une boucle de fil de carbone autour du câble ruban allant de la boîte de connecteur des électrodes EEG / ECG à l’amplificateur et connectez toutes les boucles de fil de carbone (voir étape 5.7) à la boîte d’entrée de l’amplificateur bipolaire (EXG MR). Cette boucle sert principalement à capter les vibrations provoquées par la pompe àhélium 9. Pour minimiser les vibrations induites par les machines d’IRM, immobilisez les fils en les prenant tous en sandwich avec des sacs de sable mr-safe et non ferromagnétique tout au long du chemin entre la sortie de l’ouverture supérieure de la bobine de tête et les amplificateurs. Placez également des sacs de sable sur les amplificateurs. Ces sacs de sable, mesurés 330 mm x 240 mm x 50 mm et pesant 4 kg, sont fournis par le fabricant EEG. Placez les amplificateurs à l’extérieur de l’alésage de l’aimant, ce qui est permis par la longueur des câbles fournie par le fabricant. 7. Acquisition de données d’IRMf-EEG Assurez-vous que le sujet est à l’aise avec le positionnement avant de quitter la salle du scanner, afin d’éviter tout mouvement inutile du sujet pendant l’acquisition. Demandez au sujet d’appuyer sur le bouton d’alarme si nécessaire (c.-à-d. en cas d’urgence ou si le sujet ressent une sensation inconfortable). Communiquez avec le sujet à partir de la salle de console pour confirmer que le sujet peut entendre l’opérateur. Dites au sujet que des bruits forts sont attendus lors de l’acquisition des données. Demandez au sujet selon les besoins de l’expérience et demandez au sujet de ne pas se déplacer pendant l’acquisition des données. Commencez l’enregistrement EEG avant de commencer l’acquisition de l’IRMf. En règle générale, les images suivantes sont acquises séquentiellement : les images de scout (bidimensionnelles) pour positionner le champ de vision de l’IRMf, l’IRMf et les images structurelles pour co-enregistrer les images d’IRMf pendant le post-traitement. Des séquences de shim ont été exécutées avant l’acquisition de chaque type d’image pour l’étalonnage des paramètres appropriés.REMARQUE: Il est important d’utiliser des séquences IRM qui se sont avérées sûres avec des amplificateurs pour maintenir la sécurité, et pour éviter tout dommage aux amplificateurs18. Les détails concernant les séquences considérées comme sûres ne seront pas discutés en détail. Les lecteurs sont invités à consulter le manuel d’utilisation ou l’équipe d’assistance. En général, les séquences d’écho de gradient sont recommandées et les séquences d’écho de spin ou toute séquence avec des paramètres d’émission RF équivalents, qui peuvent causer un chauffage excessif induit par RF, devraient être évitées. Le chauffage peut être quantifié indirectement à l’aide de mesures qui mesurent la quantité d’exposition aux RF, telles que le taux d’absorption d’énergie spécifique (DAS) et la valeur quadratique moyenne de B1+ moyenne sur 10 s (B1+ rms). Récemment,B1+rms, dépendant des paramètres d’imagerie mais indépendant de la masse corporelle des sujets22, devient la nouvelle norme pour spécifier la limite. Par exemple, les seuils B1+rms pour l’acquisition à 3 T en utilisant le capuchon EEG De Brain Products sont de 1 μT pour le capuchon standard actuel et de 1,5 μT pour le nouveau capuchon EEG standard avec un câble groupé plus court (10 cm)23. L’angle de retournement, le nombre de tranches et le temps de répétition (TR) sont des paramètres qui doivent être pris en compte pour maintenir SAR et B1+ rms bas. Un petit angle de retournement (<90°) est recommandé. Le nombre de tranches et tr peut être ajusté tant que la séquence résultante est inférieure au seuil de B1+rms23. Au début de l’acquisition, assurez-vous à nouveau que les marqueurs du scanner (voir 1.4) sont affichés périodiquement dans l’enregistrement EEG en ligne.

Representative Results

Lors de la mise en place du capuchon EEG à l’aide de ce protocole, l’impédance de chaque électrode descend généralement en dessous de 20 kΩ(Figure 1). Des signaux représentatifs d’EEG obtenus d’un sujet (homme de 20 ans) qui a participé à une étude neurocognitive, et d’un sujet différent (femme de 19 ans) qui a participé à une étude d’épilepsie utilisant ce protocole dans le même M. scanner sont montrés dans la figure 2 et la figure 3,respectivement. Le sujet qui a subi l’essai neurocognitive a été chargé de garder les yeux ouverts mais de rester immobile tout en exécutant une tâche visuelle comme indiqué. Le sujet de l’étude sur l’épilepsie a été chargé de fermer les yeux et de dormir, car les activités épileptiques sont généralement plus fréquentes pendant le sommeil. Les signaux EEG acquis dans le cas des deux études étaient similaires avant traitement(figure 2); l’artefact de gradient DE MRI a obscurci les signaux réels d’EEG. Les signaux EEG des deux études ont été traités hors ligne comme suit : les artefacts d’IRM ont été retirés en utilisant la méthode de soustraction24; et le BCG, les mouvements et les artefacts de la pompe à hélium ont été éliminés à l’aide de la régression des signaux enregistrés à partir des boucles de fil de carbone7,9. Les signaux EEG résultants(figure 3B)des deux études étaient de qualité analysable sans contamination visible des artefacts bcg(figure 3A). Des activités épileptiques ont été clairement observées sur l’EEG au cours de l’étude sur l’épilepsie(figure 3B). Sur l’EEG acquis au cours de l’étude neurocognitive, des clignotements, des mouvements oculaires et des artefacts musculaires ont été observés, en particulier dans les fils frontaux (Fp1 et Fp2) aprèsl’élimination de l’artefact (figure 3B)en raison de la nature de l’étude, et peuvent être enlevés davantage à l’aide d’autres méthodes selon le besoin. Aucun artefact provenant de vibrations de machines n’a été vu sur les signaux EEG post-traités acquis au cours des deux études(figure 3B comparable aux signaux EEG acquis en dehors de l’IRM, comme le montre la figure 3C). Aucun artefact provenant des électrodes EEG n’a été vu sur les images MR acquises simultanément(figure 4). Figure 1: Impédance représentative des électrodes EEG qui est tombée en dessous de 5 kΩ lors de l’application d’un capuchon EEG à 32 canaux sur un sujet ayant participé à une étude neurocognitive. Chaque cercle de couleur ronde représente une électrode EEG, avec le nom de l’électrode écrit dans le cercle; la position de chaque cercle représente la position de chaque électrode sur le capuchon EEG. La barre de couleur et les nombres de droite représentent la plage de l’impédance mesurée (0-5 kΩ dans ce cas); la couleur verte indique que la valeur d’impédance est inférieure à la valeur de niveau Bon et la couleur rouge indique Le niveau Incorrect. Dans cet exemple, les électrodes CP1, O1, Oz, O2 et ECG sont indiquées en vert clair, ce qui signifie que les impédances de ces électrodes étaient de 2 kΩ; le reste des électrodes sont indiquées en vert foncé, ce qui signifie que les impédances de ces électrodes étaient de 0 kΩ. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 2: Signal EEG avant traitement. Notez que l’artefact de gradient d’IRM a obscurci les signaux EEG réels. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 3: Signaux EEG représentatifs de sujets qui ont participé à des études neurocognitives et sur l’épilepsie. Les signaux d’EEG sur la rangée supérieure provenaient d’une étude neurocognitive et ceux de la rangée inférieure provenaient d’une étude sur l’épilepsie. Les signaux EEG ont été traités hors ligne. (A) signaux EEG après l’enlèvement d’artefact de gradient d’IRM. Les cases en bleu clair indiquent les artefacts BCG. (B) signaux EEG après suppression de l’artefact à l’aide de la régression des signaux enregistrés à partir des boucles de fil de carbone. (C) signaux EEG enregistrés en dehors de l’IRM à l’aide du même équipement EEG. Des signaux EEG ont été montrés dans le montage référentiel (référence à FCz) ; L’EEG en montage bipolaire (chaque canal représente la différence de tension entre une paire d’électrodes adjacentes) du même segment est également montré pour l’EEG acquis lors d’une étude sur l’épilepsie afin de faciliter la visualisation des activités épileptiques. Les pointes de flèche bleues (B et C, rangée du haut) indiquent un clignotement (déviations lentes vers le bas de haute amplitude/potentiels diphasiques à Fp1 et Fp2), la pointe de flèche noire (B, rangée supérieure) indique un mouvement oculaire résultant d’une saccade ou d’un changement spontané de regard (petites déviations rapides à Fp1 et Fp2), et les rectangles verts (B, rangée supérieure) indiquent un rythme alpha vu sur l’EEG acquis lors d’une étude neurocognitive. Les activités de faible amplitude et de haute fréquence principalement à Fp1 et Fp2 sont des artefacts musculaires (épaississement du tracé EEG, rangée supérieure). Les pointes de flèches rouges (B et C, rangée du bas) indiquent les points temporels auxquels les activités épileptiques ont été identifiées sur l’EEG acquis au cours d’une étude sur l’épilepsie (déviations brusques vers le bas ou vers le haut qui sont parfois suivies d’une onde lente). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 4: Données d’IRM représentatives acquises auprès d’un sujet à l’aide de ce protocole. Notez que les électrodes EEG n’ont pas causé des artefacts visibles sur M. images acquises simultanément. (A) l’aimantation préparée acquisition rapide avec l’image d’écho de gradient ; (B) imagerie plane d’écho. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Ce protocole a mis en évidence les points importants pour l’acquisition simultanée sûre d’EEG-IRMf de données de bonne qualité.

Certaines erreurs courantes entraînant des artefacts difficiles à supprimer sur EEG ainsi que des techniques de dépannage sont les suivantes. Tout d’abord, choisir des sujets conformes et coopératifs et assurer leur confort lors de l’acquisition des données peut éviter une interruption prématurée en raison des mouvements du sujet (étapes 2.1 et 5.4). Deuxièmement, l’impédance ne tombant pas en dessous de 20 kΩ après une abrasion répétée du cuir chevelu (étape 2.9) est très probablement due à un brossage inadéquat après utilisation. Brosser soigneusement chaque ouverture des électrodes EEG lors du lavage du bouchon évite ce problème. Troisièmement, les paramètres inappropriés du matériel et du logiciel peuvent entraîner une saturation des signaux EEG qui entravent par la suite l’élimination des artefacts pendant le traitement EEG hors ligne. Enfin, pour empêcher l’enregistrement de signaux EEG saturés, maintenir l’impédance de chaque électrode en dessous de 20 kΩ après avoir placé le sujet dans le scanner MR avant l’acquisition des données; diminuer adéquatement les vibrations mécaniques en immobilisant le capuchon EEG (ce qui signifie également la tête du sujet), les câbles et les fils; surveillez le signal EEG brut en ligne avec le logiciel d’enregistrement et assurez-vous que le taux d’échantillonnage et la résolution d’amplitude sont correctement configurés.

L’acquisition simultanée d’EEG et d’IRMf soulève d’importants problèmes de sécurité liés au chauffage induit par RF et aux courants induits par le gradient de commutation en raison de la présence de fils électriques connectés au sujet dans le champ magnétique en évolution rapide^5. Ces problèmes de sécurité ont été largement minimisés au fil des ans à la suite des résultats de recherche qui ont amélioré les connaissances sur cet aspect et conduit à de grandes améliorations dans la technologie des équipements EEG compatibles AVEC L’IRM. Néanmoins, une préparation imprudente sans connaissances adéquates ou sans prendre de précautions de sécurité met les sujets en danger. Par exemple, les boucles qui se forment n’importe où dans le circuit induisent du courant et des blessures de chaleur possibles. L’acquisition avec les électrodes à haute impédance nuit non seulement à la qualité des données EEG, mais pose également un danger potentiel pour le sujet (blessure thermique due à une densité de courant élevée). Le même danger s’applique aux électrodes brisées. Les câbles placés à proximité immédiate du mur d’alésage MR, c’est-à-dire loin du centre, présentent également un risque potentiel de chauffage pour le sujet (chauffage dû à l’effet d’antenne)^25. Ce protocole met l’accent sur les aspects de sécurité suivants: aucune boucle ne se forme dans le circuit entre le sujet et l’amplificateur, toutes les électrodes ont une faible impédance lors de l’IRM, et tous les câbles sont placés au centre de l’alésage. Il est conseillé aux opérateurs débutants de suivre une formation et de suivre les directives du fabricant figurant dans le manuel d’utilisation et les vidéos de démonstration²⁰ pour éviter tout problème de sécurité.

Les principales causes des artefacts trouvés sur l’IRMf-EEG sont le gradient de commutation de l’IRM, du BCG ou des mouvements bruts ou subtils du sujet (mouvements du visage, serrement, déglutition, etc.). Dans certaines configurations d’IRM, les artefacts causés par la pompe à hélium et les ventilateurs compromettent également de manière significative les signaux EEG. Les artefacts de gradient MR sont plutôt cohérents dans les formes d’onde et peuvent être suffisamment corrigés à l’aide d’une technique de soustraction basée sur un modèle s’ils sont entièrement enregistrés sans distorsion à l’aide d’amplificateurs avec une plage dynamique suffisante^24. Les artefacts BCG sont généralement corrigés à l’aide soit de la technique de soustraction^26,de l’analyse en composantes indépendantes^6,de l’ensemble de base optimal^8,soit d’une combinaison de ces techniques^10. Récemment, l’élimination des artefacts à l’aide d’une régression simple basée sur des signaux acquis simultanément avec des boucles de fil de carbone a été développée^7,9. Le protocole présenté ici illustre l’aspect technique, dans le but de fournir un guide d’introduction pour ceux qui sont intéressés par l’utilisation de cette méthode. Cette méthode supprime le BCG, les mouvements subtils du sujet et les artefacts de la pompe à hélium et les signaux EEG résultants seraient supérieurs à ceux corrigés à l’aide d’autres méthodes^7,9. Cependant, les artefacts de mouvement plus importants, en particulier ceux contenant des mouvements de balancement, ne sont pas amovibles même en utilisant cette méthode⁷. Malgré l’amélioration de ces méthodologies d’enlèvement d’artefacts au fil des ans, les artefacts incohérents, y compris ceux causés par les vibrations induites par la machinerie d’IRM, sont encore difficiles à enlever. De plus, plus la procédure de suppression des artefacts est étendue, plus le risque de perdre de vrais signaux EEG est élevé. Par conséquent, une bonne préparation qui peut minimiser les artefacts incohérents reste la plus importante dans l’acquisition de l’IRMf-EEG. Dans ce protocole, ces artefacts sont minimisés en utilisant : (1) un bandage élastique pour envelopper la tête et des oreillers en mousse à mémoire de forme pour immobiliser la tête dans la bobine de tête, pour réduire la vibration possible des fils tout en maintenant le confort du sujet ; (2) coton et ruban adhésif médical pour réduire les vibrations du fil d’électrode ECG qui peuvent ne pas être complètement immobilisés par le propre poids du sujet (flottant partiellement entre le sujet et la table, en particulier dans un sujet mince); et (3) des sacs de sable pour immobiliser les câbles placés dans l’alésage IRM. Ce sont des techniques importantes pour minimiser les artefacts de vibration induits par les machines IRM difficiles à enlever, qui n’ont pas été décrits dans le protocole EEG-IRMf précédemment publié^20. Dans ce protocole, des sujets ont été placés dans le scanner sans enveloppe supplémentaire au-dessus du capuchon D’EEG et rembourrage autour de la tête, et des câbles ont été seulement enregistrés à quelques points sans immobilisation utilisant des sacs de sable. Sur la base de 20 ans d’expérience à l’Institut neurologique de Montréal, nous avons réalisé que ces mesures peuvent contribuer à la susceptibilité des fils et câbles d’électrodes aux vibrations induites par les machines d’IRM, bien qu’elles soient rarement soulignées dans la plupart des études d’IRMf-EEG⁶. La minimisation des vibrations induites par les machines IRM conduit par la suite à une meilleure qualité et lisibilité de l’EEG, ce qui est particulièrement utile pour identifier des changements subtils ou des événements dans l’EEG^6,tels que de petites décharges épileptiques dans les études sur l’épilepsie et des ERPs à essai unique dans les études neurocognitives.

La détection des ERPs dans les signaux EEG est une condition préalable aux études en neurosciences cognitives. Contrairement à la réponse moyenne classique entre les essais, la détection par essai unique ERP, qui fournit des informations sur la dynamique du cerveau en réponse à un stimulus particulier, devient une nouvelle cible dans les études modernes en neurosciences cognitives et la recherche non invasive sur l’interface cerveau-ordinateur²⁷. L’application du présent protocole peut contribuer à accroître l’efficacité dans ces domaines de recherche.

Le protocole est le mieux adapté au système EEG compatible IRM utilisé dans cette étude. Néanmoins, nous croyons que les points importants peuvent également être applicables à d’autres systèmes EEG mri-compatibles.

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