Denne artikkelen gir en enkel protokoll for å skaffe seg EEG-data (Good Quality Electroencephalography) under samtidig EEG og funksjonell magnetisk resonansavbildning ved å bruke lett tilgjengelige medisinske produkter.
Samtidig elektroencefalografi (EEG) og funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI), EEG-fMRI, kombinerer de komplementære egenskapene til hodebunnen EEG (god temporal oppløsning) og fMRI (god romlig oppløsning) for å måle nevronal aktivitet under en elektrografisk hendelse, gjennom hemodynamiske responser kjent som blod-oksygen-nivå-avhengige (BOLD) endringer. Det er et ikke-invasivt forskningsverktøy som brukes i nevrovitenskapelig forskning og er svært gunstig for det kliniske samfunnet, spesielt for håndtering av nevrologiske sykdommer, forutsatt at riktig utstyr og protokoller administreres under datainnsamling. Selv om registrering av EEG-fMRI tilsynelatende er enkelt, er riktig forberedelse, spesielt ved plassering og sikring av elektrodene, ikke bare viktig for sikkerheten, men er også avgjørende for å sikre påliteligheten og analysen av de oppnådde EEG-dataene. Dette er også den mest erfaringskrevende delen av preparatet. For å løse disse problemene, en enkel protokoll som sikrer at datakvaliteten ble utviklet. Denne artikkelen gir en trinnvis veiledning for å skaffe pålitelige EEG-data under EEG-fMRI ved hjelp av denne protokollen som bruker lett tilgjengelige medisinske produkter. Den presenterte protokollen kan tilpasses ulike anvendelser av EEG-fMRI i forskning og kliniske miljøer, og kan være gunstig for både uerfarne og ekspertoperatører.
Funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) gir et mål på nevronaktivitet gjennom hemodynamiske responser ved å måle endringer i oksygennivåavhengig (BOLD) i blodet under en elektrografisk hendelse. Samtidig elektroencefalografi (EEG) og fMRI (EEG-fMRI) er et ikke-invasivt forskningsverktøy som kombinerer de synergiske egenskapene til hodebunnen EEG (god tidsoppløsning) og fMRI (god romlig oppløsning), noe som gir bedre lokalisering av nettstedet som er ansvarlig for generering av elektrografiske hendelser som kan oppdages i EEG. Den ble først utviklet på 1990-tallet for bruk i epilepsifeltet1,2 og har senere blitt brukt i nevrovitenskapelig forskning siden 2000-tallet3,4. Med økningen i kunnskap om sikkerhet5 og kontinuerlig utvikling av teknikker for fjerning av MR-induserte artefakter på EEG3,6,7,8,9,10, er det for tiden et verktøy som er mye brukt i både nevrovitenskap og klinisk forskning11.
EEG-fMRI ervervet enten i ro eller under en oppgave, avhengig av problemstillingen. Generelt tillater hviletilstandsanskaffelse identifisering av strukturer involvert i genereringen av en bestemt EEG-funksjon (f.eks. bølgeform, rytme, frekvenser, kraft) og bidrar til å forstå de variable spontane hjerneaktivitetene11. En rekke nevrovitenskapelige studier og de fleste kliniske studier, spesielt de på epilepsi12, skaffer seg EEG-fMRI i hvile11. Oppgavebasert oppkjøp tillater identifisering av hjerneområder og hjernens elektriske aktiviteter tildelt eller relatert til en bestemt oppgave og bidrar til å etablere koblingen mellom de elektriske aktivitetene og hjerneområdene knyttet til oppgaven. Oppgavebasert oppkjøp brukes hovedsakelig i nevrovitenskapsstudier11 og noen kliniske studier13. De fleste oppgavebaserte EEG-fMRI-anskaffelser bruker en hendelsesrelatert utforming. Typen modellering som brukes til å integrere EEG- og fMRI-data, bestemmer om effektiviteten eller deteksjonskraften skal maksimeres ved utforming av oppgave14. Vennligst se studiene av Menon et al.14 og Liu et al.15,16 for detaljer om oppgavedesignet.
Selv om datainnsamling under EEG-fMRI kan virke enkelt, er forberedelsen erfaringkrevende. En protokoll for å veilede riktig forberedelse til datainnsamling er viktig for å sikre både sikkerhet og avkastning (dvs. analyserbare og pålitelige data). Til tross for eksistensen av ulike teknikker for å fjerne MR-induserte EEG-artefakter, er inkonsekvente artefakter i EEG registrert, spesielt de som er relatert til maskinindusert vibrasjon av ledningene og subjektenes bruttobevegelser, fortsatt vanskelig å fjerne helt; Derfor må disse artefaktene minimeres under datainnsamlingen.
Denne artikkelen presenterer en enkel protokoll som bruker lett tilgjengelige MR-kompatible medisinske produkter. Protokollen gir viktige trinn som sikrer datakvalitet, spesielt kvaliteten på EEG-data, som er nøkkelen til suksessen til en EEG-fMRI-studie. Denne protokollen ble utviklet basert på den 20-årige erfaringen fra EEG-fMRI-forskerteamet ved Montreal Neurological Institute12,17 og ble ytterligere modifisert for bruk ved Osaka University, som drar nytte av både uerfarne og ekspertoperatører.
Denne protokollen fremhevet de viktige punktene for sikker samtidig EEG-fMRI-anskaffelse av data av god kvalitet.
Noen vanlige feil som resulterer i artefakter som er vanskelige å fjerne på EEG, i tillegg til feilsøkingsteknikker, er som følger: For det første kan valg av emner som er kompatible og samarbeidsvillige og sikre deres komfort under datainnsamling forhindre for tidlig avslutning på grunn av fagbevegelser (trinn 2.1 og 5.4). For det andre er impedans ikke å falle under 20 kΩ etter gjentatt slitasje i hodebunnen (trinn 2.9) mest sannsynlig på grunn av utilstrekkelig børsting etter bruk. Grundig børsting av hver åpning av EEG-elektrodene når du vasker hetten forhindrer dette problemet. For det tredje kan upassende innstillinger av maskinvaren og programvaren føre til metning av EEG-signalene som senere hemmer fjerning av artefakter under frakoblet EEG-behandling. Til slutt, for å forhindre opptak av mettede EEG-signaler, opprettholde impedansen til hver elektrode under 20 kΩ etter å ha plassert motivet i MR-skanneren før datainnsamling; tilstrekkelig redusere mekaniske vibrasjoner ved å immobilisere EEG-hetten (som også betyr motivets hode), kabler og ledninger; overvåke det rå EEG-signalet online med opptaksprogramvaren og sørg for at samplingsfrekvensen og amplitudeoppløsningen er riktig konfigurert.
Samtidig oppkjøp av EEG og fMRI reiser viktige sikkerhetsspørsmål knyttet til RF-indusert oppvarming og veksling av gradientinduserte strømmer på grunn av tilstedeværelsen av elektriske ledninger koblet til motivet i det raskt skiftende magnetfeltet5. Disse sikkerhetsproblemene har i stor grad blitt minimert gjennom årene etter forskningsfunn som har økt kunnskapen om dette aspektet og ført til store forbedringer i teknologien til MR-kompatibelt EEG-utstyr. Likevel setter uforsiktig forberedelse uten tilstrekkelig kunnskap eller ikke tar sikkerhetsforanstaltninger fagene i fare. For eksempel induserer løkker som dannes hvor som helst i kretsen strøm og mulig varmeskade. Oppkjøp med elektrodene ved høy impedans hemmer ikke bare EEG-datakvaliteten, men utgjør også en potensiell fare for motivet (termisk skade på grunn av høy strømtetthet). Den samme faren gjelder for ødelagte elektroder. Kabler plassert i nærheten av MR-boreveggen, med andre ord langt fra midten, utgjør også en potensiell varmefare for motivet (oppvarming på grunn av antenneeffekt)25. Denne protokollen understreker følgende sikkerhetsaspekter: det dannes ingen løkker i kretsen mellom motivet og forsterkeren, alle elektroder har lav impedans under MR-skanningen, og alle kabler er plassert i midten av boringen. Nybegynnere anbefales å gjennomgå opplæring og følge produsentens retningslinjer som finnes i brukerhåndboken og demonstrasjonsvideoene20 for å unngå sikkerhetsproblemer.
Hovedårsakene til artefakter som finnes på EEG-fMRI er å bytte gradient av MR, BCG eller motivets grove eller subtile bevegelser (ansiktsbevegelser, klem, svelging etc.). I noen MR-oppsett kompromitterer artefakter forårsaket av heliumpumpen og respiratorene også EEG-signalene betydelig. MR-gradientartefakter er ganske konsekvente i bølgeformene og kan korrigeres tilstrekkelig ved hjelp av en malbasert subtraksjonsteknikk hvis de er fullstendig registrert uten forvrengning ved hjelp av forsterkere med tilstrekkelig dynamisk område24. BCG-artefakter korrigeres vanligvis ved hjelp av subtraksjonsteknikken26, uavhengig komponentanalyse6, optimal basissett8eller en kombinasjon av disse teknikkene10. Nylig har fjerning av artefakter ved hjelp av enkel regresjon basert på signaler oppnådd samtidig med karbontrådløkker blitt utviklet7,9. Protokollen som presenteres her illustrerer det tekniske aspektet, med sikte på å gi en introduksjonsveiledning for de som er interessert i å bruke denne metoden. Denne metoden fjerner BCG, subtile subjektbevegelser og heliumpumpeartefakter, og de resulterende EEG-signalene er angivelig bedre enn de som er korrigert ved hjelp av andre metoder7,9. Større bevegelsesartefakter, spesielt de som inneholder svingende bevegelser, kan imidlertid ikke fjernes selv ved hjelp av denne metoden7. Til tross for forbedringen av disse artefaktfjerningsmetodene gjennom årene, er inkonsekvente artefakter, inkludert de som er forårsaket av MR-maskinindusert vibrasjon, fortsatt vanskelig å fjerne. Dessuten, jo mer omfattende artefakt fjerning prosedyren, jo høyere er risikoen for å miste noen reelle EEG-signaler. Derfor er god forberedelse som kan minimere de inkonsekvente artefaktene fortsatt viktigst i EEG-fMRI-oppkjøpet. I denne protokollen minimeres disse artefaktene ved å bruke: (1) en elastisk bandasje for å vikle hodet og minneskumputene for å immobilisere hodet i hodespolen, for å redusere mulig vibrasjon av ledningene samtidig som motivets komfort opprettholdes; (2) bomull og medisinsk tape for å redusere vibrasjon av EKG-elektrodetråden som kanskje ikke er fullstendig immobilisert av motivets egen vekt (delvis flytende mellom motivet og bordet spesielt i et tynt motiv); og (3) sandsekker for å immobilisere kablene som er plassert i MR-boringen. Dette er viktige teknikker for å minimere mr-maskiner som er vanskelige å fjerne, og som ikke er beskrevet i den tidligere publiserte EEG-fMRI-protokollen20. I den protokollen ble forsøkspersonene plassert i skanneren uten ekstra innpakning over EEG-hetten og polstring rundt hodet, og kabler ble bare teipet på noen få punkter uten immobilisering ved hjelp av sandsekker. Basert på 20 års erfaring ved Montreal Neurological Institute, innså vi at disse tiltakene kan bidra til følsomheten til elektrodetrådene og kablene til MR-maskiner-indusert vibrasjon, selv om de sjelden understrekes i de fleste EEG-fMRI-studier6. Minimering av MR-maskinindusert vibrasjon fører deretter til bedre kvalitet og lesbarhet av EEG, noe som er spesielt nyttig for å identifisere subtile endringer eller hendelser i EEG6, for eksempel små epileptiske utslipp i epilepsistudier og enkeltstudie ERPer i nevrokognitive studier.
Påvisning av ERP-er i EEG-signaler er en forutsetning for kognitive nevrovitenskapelige studier. I motsetning til den klassiske store gjennomsnittlige responsen på tvers av studier, er ERP single-trial deteksjon, som gir innsikt i hjernedynamikk som svar på en bestemt stimulus, blitt et nytt mål i moderne kognitive nevrovitenskapsstudier og ikke-invasiv hjerne-datamaskin grensesnitt forskning27. Anvendelse av dagens protokoll kan bidra til økt effektivitet på disse forskningsfeltene.
Protokollen passer best for det MR-kompatible EEG-systemet som brukes i denne studien. Likevel mener vi at de viktige punktene også kan gjelde for andre MR-kompatible EEG-systemer.
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble sponset av National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT).
Forfatterne takker MR-fysikerne og teknologene ved Center for Information and Neural Networks for deres dedikasjon til å skaffe mr-data av god kvalitet.
Dr. Khoo er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan og et stipend fra National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT), og ble støttet av Rayport og Shirley Ferguson Rayport fellowship i epilepsikirurgi og Preston Robb fellowship ved Montreal Neurological Institute (Canada), et stipendiat i Uehara Memorial Foundation (Japan). Hun mottok en sponset pris fra Japanese Epilepsy Society, støtte fra American Epilepsy Society (AES) Fellows-programmet, og reise bursary fra International League Against Epilepsy (ILAE).
Dr. Tani er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nr. 17K10895) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan og fikk forskningsstøtte fra Mitsui-Kousei Foundation, finansiering for en tur fra Medtronic, royalties fra publiseringen av artikler (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin), og honoraria fra å tjene som foredragsholder (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).
Dr. Oshino er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr. 17K10894) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan. Han mottok royalties fra publiseringen av artikler (Medicalview, Igaku-shoin), og honoraria fra å tjene som foredragsholder (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).
Dr. Fujita er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr. 19K18388) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan.
Dr. Gotman er finansiert av Canadian Institutes of Health Research (Nei. FDN-143208).
Dr. Kishima er finansiert av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nr. 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) fra Departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi i Japan, Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (Nr. SIPAIH18E01), Japan Agency for Medical Research and Development og Japan Epilepsy Research Foundation.
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 |