Denna artikel ger ett enkelt protokoll för att förvärva eeg-data (good quality electroencephalography) under samtidig EEG och funktionell magnetisk resonanstomografi genom att använda lättillgängliga medicinska produkter.
Samtidig elektroencefalografi (EEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), EEG-fMRI, kombinerar de kompletterande egenskaperna hos hårbotten EEG (god temporal upplösning) och fMRI (god rumslig upplösning) för att mäta neuronal aktivitet under en elektrografisk händelse, genom hemodynamiska svar som kallas blod-syre-nivå-beroende (BOLD) förändringar. Det är ett icke-invasivt forskningsverktyg som används inom neurovetenskaplig forskning och är mycket fördelaktigt för det kliniska samfundet, särskilt för hantering av neurologiska sjukdomar, förutsatt att korrekt utrustning och protokoll administreras under datainsamling. Även om registrering av EEG-fMRI uppenbarligen är okomplicerad, är rätt förberedelse, särskilt vid placering och säkring av elektroderna, inte bara viktig för säkerheten utan är också avgörande för att säkerställa tillförlitligheten och analysbarheten hos de ERhållna EEG-data. Detta är också den mest upplevelsekrävande delen av förberedelsen. För att ta itu med dessa problem utvecklades ett enkelt protokoll som säkerställer datakvaliteten. Den här artikeln innehåller en steg-för-steg-guide för att förvärva tillförlitliga EEG-data under EEG-fMRI med hjälp av det här protokollet som använder lättillgängliga medicinska produkter. Det presenterade protokollet kan anpassas till olika tillämpningar av EEG-fMRI i forskning och kliniska miljöer, och kan vara fördelaktigt för både oerfarna och expertoperatörer.
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) ger ett mått på neuronal aktivitet genom hemodynamiska svar genom att mäta förändringar i blod-syre-nivåberoende (BOLD) under en elektrografisk händelse. Samtidig elektroencefalografi (EEG) och fMRI (EEG-fMRI) är ett icke-invasivt forskningsverktyg som kombinerar de synergiska egenskaperna hos hårbotten EEG (god temporal upplösning) och fMRI (god rumslig upplösning), vilket möjliggör bättre lokalisering av den plats som ansvarar för generering av elektrografiska händelser som kan detektera i EEG. Det utvecklades först på 1990-talet för användning inom epilepsifältet1,2 och har därefter använts i neurovetenskaplig forskning sedan 2000-talet3,4. Med ökningen av kunskap om säkerhet5 och kontinuerlig utveckling av tekniker för avlägsnande av MRI-inducerade artefakter på EEG3,6,7,8,9,10, är det för närvarande ett verktyg som används i stor utsträckning i både neurovetenskap och klinisk forskning11.
EEG-fMRI förvärvas antingen i vila eller under en uppgift, beroende på forskningsfrågan. I allmänhet tillåter vilande tillstånd förvärv identifiering av strukturer som är involverade i genereringen av en viss EEG-funktion (t.ex. vågform, rytm, frekvenser, kraft) och hjälper till att förstå de variabla spontanahjärnaktiviteterna 11. Ett antal neurovetenskapliga studier och de flesta kliniska studier, särskilt de på epilepsi12, förvärvar EEG-fMRI i vila11. Uppgiftsbaserat förvärv gör det möjligt att identifiera cerebrala områden och de elektriska hjärnaktiviteter som tilldelats eller är relaterade till en specifik uppgift och hjälper till att fastställa sambandet mellan de elektriska aktiviteterna och cerebrala områden som är associerade med uppgiften. Uppgiftsbaserat förvärv används främst i neurovetenskapliga studier11 och vissa kliniska studier13. De flesta uppgiftsbaserade EEG-fMRI-förvärv använder en händelserelaterad design. Vilken typ av modellering som används för att integrera EEG- och fMRI-data avgör om effektiviteten eller detektionseffekten ska maximeras vid utformningen av uppgiften14. Se studierna av Menon et al.14 och Liu et al.15,16 för mer information om uppgiftsdesignen.
Även om datainsamling under EEG-fMRI kan verka enkelt, är förberedelsen erfarenhetskrävande. Ett protokoll för att vägleda korrekt förberedelse för datainsamling är viktigt för att säkerställa både säkerhet och utbyte (dvs. analysbara och tillförlitliga data). Trots förekomsten av olika tekniker för att ta bort MRI-inducerad EEG artefakter, inkonsekventa artefakter i EEG registrerade, särskilt de relaterade till maskiner-inducerad vibration av ledningarna och ämnenas brutto rörelser, är fortfarande svårt att helt ta bort; Därför måste dessa artefakter minimeras under datainsamlingen.
Den här artikeln presenterar ett enkelt protokoll som använder lättillgängliga MR-kompatibla medicinska produkter. Protokollet innehåller viktiga steg som säkerställer datakvaliteten, särskilt kvaliteten på EEG-data, vilket är nyckeln till framgången för en EEG-fMRI-studie. Detta protokoll utvecklades baserat på den 20-åriga erfarenheten från EEG-fMRI-forskargruppen vid Montreal Neurological Institute12,17 ochändrades ytterligare för användning vid Osaka University, vilket gynnar både oerfarna och expertoperatörer.
Detta protokoll belyste de viktiga punkterna för säker samtidig EEG-fMRI förvärv av data av god kvalitet.
Några vanliga fel som resulterar i svår att ta bort artefakter på EEG samt felsökningstekniker är följande. För det första kan valet av försökspersoner som uppfyller kraven och kooperativa och som säkerställer deras komfort vid datainsamling förhindra förtida uppsägning på grund av ämnesrörelser (steg 2.1 och 5.4). För det andra är impedans som inte sjunker under 20 kΩ efter upprepad nötning av hårbotten (steg 2.9) mest sannolikt på grund av otillräcklig borstning efter användning. Att noggrant borsta varje öppning av EEG-elektroderna vid tvättning av locket förhindrar detta problem. För det tredje kan olämpliga inställningar för hårdvara och programvara resultera i mättnad av EEG-signalerna som därefter hindrar artefaktborttagning under offline EEG-bearbetning. Slutligen, för att förhindra registrering av mättade EEG-signaler, behåll impedansen hos varje elektrod under 20 kΩ efter att ha placerat motivet i MR-skannern före datainsamlingen. på ett tillfredsställande sätt minska mekaniska vibrationer genom att spärra EEG-locket (vilket också betyder motivets huvud), kablar och ledningar, övervaka den råa EEG-signalen online med inspelningsprogrammet och se till att samplingshastigheten och amplitudupplösningen är korrekt inställda.
Det samtidiga förvärvet av EEG och fMRI väcker viktiga säkerhetsfrågor relaterade till RF-inducerad uppvärmning och byte av lutningsinducerade strömmar på grund av närvaron av elektriska ledningar anslutna till motivet i det snabbt föränderliga magnetfältet5. Dessa säkerhetsfrågor har till stor del minimerats under åren efter forskningsresultat som har ökat kunskapen om denna aspekt och lett till stora förbättringar i tekniken för MR-kompatibel EEG-utrustning. Vårdslös förberedelse utan tillräcklig kunskap eller att inte vidta säkerhetsåtgärder förutsätter dock att försökspersonerna är i fara. Till exempel inducerar slingor som bildas var som helst inom kretsen ström och eventuell värmeskada. Förvärv med elektroderna vid hög impedans hindrar inte bara EEG-datakvaliteten utan utgör också en potentiell fara för försökspersonen (termisk skada på grund av hög strömtäthet). Samma fara gäller för trasiga elektroder. Kablar placerade i närheten av MR-borrväggen, med andra ord långt från mitten, utgör också en potentiell uppvärmningsrisk för motivet (uppvärmning på grund av antenneffekt)25. Detta protokoll betonar följande säkerhetsaspekter: inga slingor bildas i kretsen mellan motivet och förstärkaren, alla elektroder har låg impedans under MR-skanningen och alla kablar placeras i mitten av borrhålet. Nybörjare rekommenderas att genomgå utbildning och följa tillverkarens riktlinjer som finns i användarhandboken och demonstrationsvideorna20 för att undvika säkerhetsproblem.
De främsta orsakerna till artefakter som finns på EEG-fMRI är att byta lutning av MRI, BCG eller ämnets brutto eller subtila rörelser (ansiktsrörelser, klängning, sväljning etc.). I vissa MR-inställningar äventyrar artefakter som orsakas av heliumpumpen och ventilatorerna också EEG-signalerna avsevärt. MR-övertoningsartefakter är ganska konsekventa i vågformerna och kan korrigeras tillräckligt med hjälp av en mallbaserad subtraktionsteknik om de registreras helt utan förvrängning med hjälp av förstärkare med ett tillräckligt dynamiskt intervall24. BCG-artefakter korrigeras vanligtvis med antingensubtraktionstekniken 26, oberoendekomponentanalys 6, optimalbasuppsättning 8, eller en kombination av dessa tekniker10. Nyligen har artefaktborttagning med enkel regression baserad på signaler som förvärvats samtidigt med koltrådsöglor utvecklats7,9. Protokollet som presenteras här illustrerar den tekniska aspekten, i syfte att tillhandahålla en introduktionsguide för dem som är intresserade av att använda denna metod. Denna metod tar bort BCG, subtila ämnesrörelser och heliumpumpartefakter och de resulterande EEG-signalerna är enligt uppgift överlägsna de som korrigeras med andrametoder 7,9. Större rörelseartefakter, särskilt de som innehåller svängande rörelser, är dock inte avtagbara även med denna metod7. Trots förbättringen av dessa artefakt-avlägsnande metoder under åren, inkonsekventa artefakter, inklusive de som orsakas av MRI maskiner-inducerad vibration är fortfarande svårt att ta bort. Dessutom, ju mer omfattande artefaktborttagningsproceduren är, desto högre är risken att förlora några riktiga EEG-signaler. Därför är god förberedelse som kan minimera de inkonsekventa artefakterna fortfarande viktigast i EEG-fMRI förvärv. I detta protokoll minimeras dessa artefakter genom att använda: (1) ett elastiskt bandage för att linda huvudet och minnesskumkuddarna för att immobilisera huvudet i huvudspolen, för att minska eventuella vibrationer i ledningarna samtidigt som motivets komfort bibehålls; (2) Bomull och medicinsk tejp för att minska vibrationerna i EKG-elektrodtråden som kanske inte är helt immobiliserad av motivets egen vikt (delvis flytande mellan motivet och bordet, särskilt i ett tunt ämne). och (3) sandsäckar för att immobilisera kablarna som är placerade i MR-borrhålet. Dessa är viktiga tekniker för att minimera svårförtriska mri maskininducerade vibrationsartefakter, som inte har beskrivits i det tidigare publicerade EEG-fMRI-protokollet20. I det protokollet placerades motiven i skannern utan ytterligare omslag över EEG-locket och stoppning runt huvudet, och kablar tejpades bara på några punkter utan immobilisering med sandsäckar. Baserat på 20 års erfarenhet vid Montreal Neurological Institute insåg vi att dessa åtgärder kan bidra till känsligheten hos elektrodtrådar och kablar till MRI-maskininducerade vibrationer, även om de sällan betonas i de flesta EEG-fMRI-studier6. Att minimera de MRI-maskininducerade vibrationerna leder därefter till bättre kvalitet och läsbarhet för EEG, vilket är särskilt användbart för att identifiera subtila förändringar eller händelser i EEG6, såsom små epileptiska utsläpp i epilepsistudier och engångs-ERP i neurokognitiva studier.
Detektion av ERP i EEG-signaler är en förutsättning för kognitiva neurovetenskapliga studier. I motsats till det klassiska stora genomsnittliga svaret i försök, ERP en-trial detektering, som ger insikter i hjärnans dynamik som svar på en viss stimulans, blir ett nytt mål i moderna kognitiva neurovetenskapliga studier och icke-invasiva hjärnan-dator gränssnitt forskning27. Tillämpningen av detta protokoll kan bidra till att öka effektiviteten inom dessa forskningsområden.
Protokollet är bäst lämpat för det MR-kompatibla EEG-systemet som används i denna studie. Vi anser dock att de viktiga punkterna också kan vara tillämpliga på andra MR-kompatibla EEG-system.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie sponsrades av National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT).
Författarna tackar MRI-fysikerna och teknologerna vid Center for Information and Neural Networks för deras engagemang för att förvärva MR-data av god kvalitet.
Dr. Khoo finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan och ett bidrag från National Institute of Information and Communications Technology of Japan (NICT), och stöddes av Mark Rayport och Shirley Ferguson Rayport fellowship i epilepsikirurgi och Preston Robb-stipendiet vid Montreal Neurological Institute (Kanada), ett forskningsstipendium från Uehara Memorial Foundation (Japan). Hon fick en sponsrad utmärkelse från Japanese Epilepsy Society, stöd från American Epilepsy Society (AES) Fellows program och travel bursary från International League Against Epilepsy (ILAE).
Dr. Tani finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (Nr. 17K10895) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan och fick forskningsstöd från Mitsui-Kousei Foundation, finansiering för en resa från Medtronic, royalties från publiceringen av artiklar (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin) och honoraria från att fungera som talare (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).
Dr. Oshino finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 17K10894) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan. Han fick royalties från publiceringen av artiklar (Medicalview, Igaku-shoin) och honoraria från att fungera som talare (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).
Dr. Fujita finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 19K18388) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan.
Dr. Gotman finansieras av Canadian Institutes of Health Research (Nr. FDN 143208).
Dr. Kishima finansieras av Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan, cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (Nr. SIPAIH18E01), Japan Agency for Medical Research and Development och 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 |