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.
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.
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 epilepsifeltet1,2 og er efterfølgende blevet brugt i neurovidenskabsforskning siden 2000’erne3,4. 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 Institute12,17 og blev yderligere ændret til brug på Osaka University, som gavner både uerfarne og ekspertoperatører.
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 ogdemonstrationsvideoerne 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 udviklet7,9. 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 metoder7,9. 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.
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev sponsoreret af National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT).
Forfatterne takker MRI fysikere og teknologer på Center for Information og Neural Networks for deres engagement i at erhverve god kvalitet MR-data.
Dr. Khoo er finansieret af Grant-in-Aid for videnskabelig forskning (nr. 18H06261, 19K21353, 20K09368) fra Ministeriet for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi i Japan og et tilskud fra National Institute of Information and Communications Technology i Japan (NICT), og blev støttet af Mark Rayport og Shirley Ferguson Rayport stipendium i epilepsi kirurgi og Preston Robb stipendium af Montreal Neurological Institute (Canada), et forskningsstipendium under Uehara Memorial Foundation (Japan). Hun modtog en sponsoreret pris fra den japanske Epilepsi Society, støtte fra American Epilepsi Society (AES) Fellows program, og rejse bursary fra International League Against Epilepsi (ILAE).
Dr. Tani er finansieret af Grant-in-Aid for videnskabelig forskning (Nr. 17K10895) fra Ministeriet for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi i Japan og modtog forskningsstøtte fra Mitsui-Kousei Foundation, finansiering af en tur fra Medtronic, royalties fra offentliggørelsen af artikler (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin), og honoraria fra at tjene som taler (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).
Dr. Oshino er finansieret af Grant-in-Aid for videnskabelig forskning (nr. 17K10894) fra Ministeriet for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi i Japan. Han modtog royalties fra offentliggørelsen af artikler (Medicalview, Igaku-shoin), og honoraria fra at tjene som taler (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).
Dr. Fujita er finansieret af Grant-in-Aid for videnskabelig forskning (nr. 19K18388) fra Ministeriet for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi i Japan.
Dr. Gotman er finansieret af den canadiske Institutes of Health Research (Nr. FDN 143208).
Dr. Kishima er finansieret af Grant-in-Aid for Scientific Research (nr. 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) fra Ministeriet for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi i Japan, Tværministeriel Strategisk Innovation Promotion Program (Nr. SIPAIH18E01), Japan Agency for Medical Research and Development og Japan Epilepsi 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 |