てんかんの臨床レビューのための脳波と機能的磁気共鳴画像の同時診断のための機器のセットアップとアーチファクト除去

Summary

この記事では、臨床と研究の両方の設定で使用できる脳波と機能的磁気共鳴画像(EEG-fMRI)の同時記録手順について詳しく説明します。臨床レビューのために画像アーチファクトを除去するためのEEG処理手順も含まれています。本研究は,間期におけるてんかんの例に着目した。

Abstract

脳波と機能的磁気共鳴画像法(EEG-fMRI)の同時比較技術は、てんかんの発作発症の理解と局在化に相乗効果をもたらす独自の複合技術です。しかし、EEG-fMRI記録のための報告された実験プロトコルは、てんかん患者に対するそのような手順の実施に関する詳細に対処していない。さらに、これらのプロトコルは研究環境のみに限定されています。てんかんモニタリングユニット(EMU)での患者モニタリングとてんかん患者を対象とした研究の実施との間のギャップを埋めるために、間期間のてんかんの独自のEEG-fMRI記録プロトコルを導入します。頭皮脳波とビデオの同時記録のためにEMUでも使用できるMR条件付き電極セットを使用することで、脳波記録をEMUからスキャンルームに簡単に移行して、脳波-fMRIを同時に記録することができます。この特定のMR条件付き電極セットを使用した記録手順の詳細が提供されます。さらに、この研究では、臨床レビューに使用できる画像アーチファクトを除去するための段階的なEEG処理手順について説明しています。この実験プロトコルは、従来のEEG-fMRI記録の修正を促進し、臨床(すなわち、EMU)と研究環境の両方での適用性を高めます。さらに、このプロトコルは、このモダリティを臨床現場での発作後のEEG-fMRI記録に拡張する可能性を提供します。

Introduction

てんかんは世界中で約7,000万人を苦しめています¹。コントロール不良のてんかんの150人に1人が、毎年てんかんの突然の予期せぬ死(SUDEP)に屈しています。さらに、てんかん症例の約30%〜40%は医学的管理に難治性です²。切除、切断、または神経調節の形での脳神経外科治療は、難治性てんかん患者の人生を変える、命を救う手段になる可能性があります。

脳波と機能的磁気共鳴画像法(EEG-fMRI)は、脳活動を非侵襲的に測定する独自の複合技術であり、てんかんの発作発症の理解と局在化に役立っています^3,4,5,6。頭皮EEGは、発作開始ゾーンを側方化および局在化するために使用できますが、深部てんかん発生源の評価に関する機能が限られているため、空間分解能は比較的低くなります。fMRIは深部を含む脳全体の空間分解能が良好ですが、fMRIだけでは発作に特異的ではありません。ただし、頭皮EEGは、fMRIの血中酸素濃度依存性(BOLD)活性化または不活性化領域の解釈を通知できるため、てんかんに特異的なfMRI技術が生成されます。したがって、同時EEG-fMRIの実装は、てんかんイベントの「どこで」と「いつ」の両方の位置を特定することに関連する時空間プロセスをマッピングするために使用できます。

EEG-fMRIの同時実施方法の説明は、以前の研究^7、8、^9、10で提供されています。しかし、EEG-fMRIはてんかん、特に臨床現場ではあまり活用されていません。EEG-fMRI記録の一般的な手順、背景、および可能なEEG^分析の例を提供する研究が存在します7。また、脳波-fMRI同時記録における温度測定とともに催眠誘導を重視した研究が実施されています⁸。さらに、時空間およびfMRI制約付き脳波源イメージング法を導入するための拡張EEG-fMRI研究が提案されています^9,10。さらに、EEG-fMRIからアーチファクトを効果的に除去するためのカーボンワイヤーループの使用が検討されています¹⁰。しかし、これらの研究はすべて、臨床研究環境でEEG-fMRI研究を実施する際の課題に対処できていません。特に、EEGキャップの使用は、臨床現場でのこれらのプロトコルの実現可能性を制限し、患者管理に関する詳細も欠落しています。この研究では、てんかん患者の臨床と研究の両方の設定で使用できるEEG-fMRI記録プロトコルを提供します。この独自のプロトコルにより、てんかんモニタリングユニット(EMU)からスキャンルームへの患者の移行が容易になります。さらに、このプロトコルは、てんかん患者の発作後期間の記録への適用を拡大する可能性を提供します。EEG-fMRIの場合、MRI勾配によって引き起こされるアーチファクトや心拍に関連するものなどの生理学的アーチファクトを除去するための重要なステップは後処理です。したがって、臨床レビューのための標準的なテンプレート除去方法¹¹を使用してEEGアーチファクトを除去するための段階的な手順も提供します。

Protocol

この研究は、ケンタッキー大学(英国)の治験審査委員会によって承認されたプロトコル#62050に準拠して実施されました。 1. 被験者募集 選択基準注: 次の条件をすべて満たす必要があります。難治性限局性てんかんと診断され、てんかん手術の評価の対象となる被験者が含まれます。 18〜60歳の被験者を含めます。 避妊法を使用する場合は、出産の可能性のある女性被験者を含めます。出産の可能性のない女性被験者(少なくとも2年間の閉経後、両側卵巣摘出術または卵管結紮術、完全子宮摘出術)を含む。注:標準治療に従って、EMUに入院すると、出産の可能性のある女性に対して妊娠検査が行われます。 難治性限局性てんかんの診断または発作の特徴付けのためにEMUへの入院が予定されている被験者を含めます。 除外基準重度の閉所恐怖症の被験者を除外します。 医療機器または金属が埋め込まれている被験者は、通常はMRIを受ける資格がなく、スキャン前にMR技術者によって定期的にチェックされます。 妊娠中または授乳中の被験者を除外します。 既知の医学的または精神医学的状態の被験者を除外する 治験責任医師の意見では、この研究に参加する被験者の能力を危険にさらすか、危険にさらす可能性がある、または信頼できる参加を損なう可能性があります 研究。 注:患者がEMUに入院すると、この研究に参加するための同意書に患者が同意した後、次の手順に従います。 2. 電極の配置 10-20システムに基づいて、患者の頭皮の電極位置をマークします。手記： 図 1 32個の電極の1つの選択を示す。頭の上部中央を通過して鼻からインイオンまで測定テープを配置して、頭皮の患者の頭の中心線を測定してメモします(測定A:矢状面)。 小節Aの50%を鼻から鼻までマークします。このマークは、電極のCz位置を示します。 ナションから指示されたCzまでの メジャーA の10%をマークします。このマークは、電極の Fpz 位置を示します。 イニオンから示されたCzまでの メジャーA の10%をマークします。このマークは、電極の Oz 位置を示します。 示されたCzからFpzまでの メジャーA の20%をマークします。このマークは、電極の Fz 位置を示します。 示されたCzからOzまでの メジャーA の20%をマークします。このマークは、電極の Pz 位置を示します。 頭の上部中央を通過して、左耳介前点から右耳介前点までの患者の頭を測定し、メモします(測定B:冠状面)。 メジャーBの50%をマークし、この位置が指定されたCz位置と重なっていることを確認します。 左耳介前点からCzまで 小節B の10%をマークします。このマークは、電極の T3 位置を示します。 右耳介前点からCzまでの 小節B の10%をマークします。このマークは、電極の T4 位置を示します。 示されたCzからT3までの メジャーB の20%をマークします。このマークは、電極の C3 位置を示します。 示されたCzからT4までの メジャーB の20%をマークします。このマークは、電極の C4 位置を示します。 マークされたFpzとOzを通過して患者の頭の周囲を測定し、記録します(測定C:横面)。 Fpzから左右にメジャーCの10%をマークします。これらのマークは、それぞれ電極のFp1とFp2の位置を示します。 OzからメジャーCの左右に10%をマークします。これらのマークは、それぞれ電極のO1とO2の位置を示します。 メジャーCの20%をFp1から左に、Fp2から右にマークします。これらのマークは、それぞれ電極のF7とF8の位置を示します。 コロナ面のF7とF8からの距離を測定してメモします(測定D:コロナ面)。 メジャーDの50%をマークし、前に示したFzが重なっていることを確認します。 メジャーDの25%をF7からFzに向かって、およびF8からFzまでマークします。これらのマークは、それぞれ電極のF3とF4の位置を示します。 ナシオンからFp1とO1を通過するイニオンまでの距離を測定します。測定値の50%が前述のC3と重複していることを確認します。 ナションからFp2とO2を通過するイニオンまでの距離を測定します。測定値の50%が前述のC4と重複していることを確認します。注:同様に、T5、P3、P4、およびT6を含む側頭葉および頭頂葉の電極位置にマークを付けることができます。 さらに、TP9、TP10、FT9、FT10などの追加の電極位置は、10〜20システムの電極分布からの相対距離に基づいてマークできます。電極の数とその分布は、将来の分析と研究の焦点に基づいて決定できます。 ガーゼの皮膚準備ジェルを使用して患者の頭皮をきれいにします。 1つの電極カップに導電性ペーストを置きます。電極のケーブルのチャネル名に従って、患者の頭皮に電極を配置します。注:脳波-fMRIの同時記録には、MR条件付き電極を使用する必要があり、EMUでは食品医薬品局(FDA)承認の電極が提案されています。 すべての電極について、患者の頭皮にゲルと電極を配置することを繰り返します(ステップ2.3)(図2A)。注意: MR条件付き電極に接続されているケーブルは、MRアーチファクトを最小限に抑えるために、接続接合部に対して比較的短くなっています。したがって、電極を配置するときは、電極の位置を考慮し、ケーブルを適切に整理できるように慎重に配置してください。さらに、ワイヤーにループがないことを確認してください, スキャナー内で熱や火傷を発生する可能性があるため. ガーゼの接着剤を使用して、すべての電極を患者の頭皮に接着します。すべての電極ケーブルを配置し、被験者の頭の中央にガーゼのパッドを配置して、ケーブル接合部を頭皮から遠くに配置します(図2B、赤い矢印)。注意: これは、イメージングアーティファクトを回避するための重要なステップです。 すべてのケーブル接合部を粘着性の包帯ラップで包みます( 図2Bの青い楕円)。注意: この手順は、録音中に接続を保護するために推奨されます。 弾性ヘッドカバーを配置して、すべての電極を固定します。電極に接続されているハーネスをアンプに接続します。ビデオ録画と同期してEEGの監視を開始します。 3. 脳波-fMRI記録 注:EEG-fMRI記録には、EMU入院の開始時に配置されたMR条件付き電極とともにMR条件付き脳波記録システムが使用されます。 監視室で、USB 2アダプターをトリガーボックスキットにケーブルで接続します( 図3Aの太い白いケーブル)。注意: USB 2アダプターを使用すると、他のハードウェアをコンピューターとインターフェースでき、トリガーボックスキットを使用して、スキャナーから生成されたトリガー信号を操作してEEG記録ソフトウェアで検出します。 Syncbox をケーブルで USB 2 アダプターに接続します ( 図 3B の太い黒いケーブル)。注意: Syncboxの役割は、からのクロック信号を同期することです ampリファイアとスキャナーの勾配スイッチングシステム。 監視室で、光ファイバーケーブルの一方の端をシンクボックスに接続し(図3C 左)、もう一方の端をスキャン室に接続されたトンネルに通します。 USB 2アダプターからレコーディング・コンピューターにUSBポート・ケーブルを接続します(図3Bのスターマーク)。SyncboxからレコーディングコンピュータにUSBポートケーブルを接続します( 図3Cのスターマーク)。トリガーボックスからレコーディングコンピューターにUSBポートケーブルを接続します( 図3Dのスターマーク)。ソフトウェアライセンスドングルをレコーディングコンピュータに接続します。メモ: 使用される USB ポートは全部で 4 つあります。マルチUSBポートがあると、それらすべてを管理するのに役立ちます。 スキャナー内にMRスレッドキットと一緒にEEG記録アンプをセットアップします。注意: 金属またはMRに敏感なコンポーネントは、実験者から取り外す必要があります。実験者は、MRIスキャンルームで記録を行うために適切なトレーニングを完了する必要があります。注意: 完全に充電することをお勧めします amp録音を行う前に、リファイアのバッテリー。 スキャンルームの光ファイバーケーブルの端をアンプの背面に接続し(図4D)、アンプの電源を入れます。注意: 光ファイバーケーブルのもう一方の端は、監視室のシンクボックスに接続されています。 機器のセットアップが完了したら、コンピューター画面のソフトウェアアイコンをクリックしてEEG記録ソフトウェアを開きます。ウィンドウの左上にある[ファイル]タブの下にある[新しいワークスペース]メニューをクリックして、録音ソフトウェアでワークスペースを作成します。 [ 参照 ]ボタンをクリックして、新しいデータを保存するフォルダーパスを設定します。 [プレフィックス] の空白のボックスにデータ名を挿入し、[最小カウンター サイズ [桁数] と [現在の番号] の黒いボックスに数字を挿入して番号付けインデックスを指定します。 [ 次の結果のファイル名] にファイル名が正しく表示されていることを確認したら、[ 次へ] をクリックします。 をクリックしてアンプをスキャンします amp作成されたウィンドウの左上にある[アンプのスキャン]ボタンをクリックします。サンプリングレート、ローカットオフ、ハイカットオフにリストされている適切なオプションを選択して、サンプリングレートや録音用の低カットオフ周波数と高カットオフ周波数などの適切なパラメーターを設定します(図5を参照)。注意: サンプリング レート は、スキャナーからのグラデーションアーティファクトを十分にサンプリングするために5,000Hzに設定されています。直流(DC)飽和を防ぐために10秒の ロー カットオフが挿入され(レコーダーソフトウェアでは時間単位が使用されます)、250Hzの ハイカットオフ が設定されて、アナログ-デジタルコンバーターに入る前に勾配アーチファクト振幅を制限します。 fMRIのスキャナーパラメータを設定します。注:可能な安静状態のfMRI BOLD取得設定は、エコー平面シーケンス(TR / TE = 1360/29 ms、フリップ角度= 65、脳全体をカバーする54スライス、視野= 260 mm x 260 mm、解像度= 2.5 mm等方性ボクセル)です。fMRI設定の詳細は、記録の目的に応じて変えることができます。 スキャナーのヘリウムポンプのスイッチを切って、EEG信号へのアーチファクトの導入をさらに減らします。注意: ヘリウムポンプをオフにすると、液体ヘリウムの損失やシールド温度の上昇が発生する可能性があります。したがって、スキャナーベンダーに確認して、ヘリウムコンプレッサーをオフにすることがMRIスキャンシステムに過度に有害ではないかどうかを確認することを強くお勧めします。 患者をスキャン待合室に移動します。患者に記録手順を説明します。注意: 患者が到着する前に、すべての録音機器のセットアップを完了することをお勧めします。 心電図(ECG)リードが配置される患者の左肩の真下にある患者の背中をきれいにします。ECGリードに研磨電解質ゲルを塗布し、患者の左側の背面に置きます。注意: このケーブルの長さは短いため、ECGリードを配置するときは、強く引っ張ったり、背面を低くしすぎたりしないでください。肩から約5 cm下が許容されます。ECGリードは、動くアーティファクトを最小限に抑えるために背面に配置されています。 ECGリードとケーブルの周りに粘着テープを貼って、記録中のスキャンアーティファクトを最小限に抑えます。EEGハーネスを外し、EEGケーブルジャンクションをインターフェースボックスに接続します(図4B)。 患者をスキャンルームに搬送します。ヘッドコイルの開いた下半分に頭を置いて、患者をスキャンテーブルに置きます。注意: 金属またはMRに敏感なコンポーネントは、被験者から取り除く必要があります。注意: 横になるときは、患者の背中を支えてください。 耳栓をして、スキャナーのノイズを減らします。患者の頭の周りにクッションを適用して、頭の動きのアーチファクトを最小限に抑えます。 ヘッドコイルの上半分を接続して、患者の頭の周りの「鳥かご」コイルを閉じます。ベッドの高さを調整します。インターフェースボックスをアンプに接続します(図4C)。メモ: インタフェースボックスからのケーブルには、スキャンアーチファクトを最小限に抑えるために粘着テープも貼られています( 図4Bの白いラップ)。 記録中のMRアーティファクトを最小限に抑えるために、ケーブルの周りにMRセーフ土嚢を配置します(図4C)。スキャンルームの設定がすべて完了したら、監視室に移動します。 監視室のマイクを介して患者と通信し、ソフトウェア設定を設定するための追加の手順が実行されていることを説明します。注意: 実験者は、スキャンルームの内蔵スピーカーとモニタリングルームのマイクを介して通信できます。 コンピューターで開いた記録ソフトウェアウィンドウの左上にある [インピーダンスチェック ]ボタンをクリックして、EEG電極のインピーダンスを確認します。録音の準備ができていることを患者に確認します。注意: 記録中、実験者はスキャンルームのビデオカメラを介して患者の状態を監視し、モニタリングルームのマイクを介して通信します。 記録ソフトウェアの左上にある [再生 ]ボタンをクリックして、EEG記録を開始します。fMRI取得スキャンを実行します。注意: いずれの場合も、患者がノイズを含む記録環境による不快感を報告した場合、実験者は記録手順を停止する必要があります。 4.脳波アーチファクト除去 注:以下の説明は、同時EEG-fMRI記録から得られたEEGデータのスキャナーアーチファクトを除去する方法の詳細な手順を示しています。 図 6 に、処理パイプラインとその代表的な例を示します。 脳波解析ソフトウェアを開きます。 MR アーティファクト修正を適用します。変換>特殊信号処理>MR補正タブをクリックします。小さなウィンドウが生成されたら、[マーカーを使用]を選択し、スキャナーからトリガー信号を選択して、[次へ]をクリックします。注意: この手順は、スキャナーからのトリガー信号を示し、MRアーティファクトを除去するための参照として使用します。 [ インターリーブ ]オプションと [時間に基づく ]オプションを選択し、トリガー信号の時間情報を挿入して、[ 次へ]をクリックします。注:取得したデータでは、V1はトリガー信号であり、V1トリガー間隔に基づいて次の値を挿入できます。終了 [ミリ秒]: 1,358;および期間[ミリ秒]:1,360。トリガー信号のラベルとその詳細設定は、スキャナーの構成に応じて変更できます。 次のウィンドウで、[ 平均のベースライン補正を有効にする ] をオンにし 、[成果物全体に対するベースラインの計算] をオフにします。 開始 [ミリ秒] と [終了 [ミリ秒] の値を挿入します。[ スライド平均計算を使用] を選択します。注:これにより、スライディングウィンドウに基づいてベースラインを修正できます。 スライディング平均の間隔の総数を挿入し、すべてのチャネルの共通使用で悪い間隔と修正を確認し、[次へ]をクリックします。注: スライディング平均の間隔の総数 は21にすることができます。 「 すべてのチャンネルを補正に使用」 を選択し、「 次へ」をクリックします。 [ダウンサンプリングを行う]にチェックを入れ、[新しい周波数[Hz]]に500を選択します。[ローパスフィルターの適用]をオンにして、[FIRフィルターの使用]を選択し、[カットオフ周波数[Hz]に70を挿入して、[次へ]をクリックします。 すべての設定が完了したら、[ 修正されたデータの保存 ]オプションを1つ選択し、[ 完了]をクリックします。注: [圧縮されていないデータを履歴ファイルに 保存] を [ 修正データの保存] オプションとして選択できます。目的に応じて、さまざまなオプションが検討される場合があります。 [完了]をクリックすると、中央に 小さな[スキャナーアーティファクト修正 ]ウィンドウが表示され、処理ステータスが表示されます。このMR補正プロセスは、EEGデータのサイズによっては、完了するまでに時間がかかる場合があります。 ハイパスフィルターによるDC除去を適用します。[変換>データ フィルタリング] > [IIR フィルタ] タブをクリックします。新しく生成されたウィンドウで、[低カットオフ] の下の [有効] をオンにします。0.5のカットオフ周波数[Hz]を挿入し、フィルターOrderを2として選択し、[OK]をクリックします。 心臓弾道アーティファクトを削除します。[変換]>[特殊信号処理]タブ>[CB補正]タブをクリックします。その後に開いたウィンドウで、[ピーク検出を使用]を選択し、[半自動モード]をオンにします。 [パルステンプレートの検索]セクションで、[開始]を60、[長さ]を20と入力します。[見つかったテンプレートをマーク]をチェックし、適切なECGチャネルが選択されていることを確認します。 脈拍数と相関および振幅の適切なパラメータを挿入し、RピークマーカーでパルスをマークするためのRを挿入し、[次へ]をクリックします。メモ: 脈拍数 [ms] の推奨値は 1000 ± 400 で、脈拍数 [bpm] は最小 43、最大 100 です。特定の脈拍数の値は、被験者のECG範囲によって異なります。さらに、相関トリガレベルは0.6、振幅トリガレベルは最小0.3、最大1.4に設定できます。 [ データ全体を使用] をオンにして時間遅延を計算します。 平均に使用されるパルス間隔の総数を挿入します。注意: 平均に使用されるパルス間隔の総数 は21に設定できます。 [正しいフォローチャネル]で、ECGチャネルを除くすべてのEEGチャネルを右側の列に移動し、[次へ]をクリックします。 次のページで、必要に応じて [ 修正されたデータの保存 ] オプションを 1 つ選択します。 [完了]をクリックします。注意: [完了 ]をクリックすると、ソフトウェアの右側に CB補正-インタラクティブモード ウィンドウが表示されます。 ナビゲーションバーの下部にある時間軸をスライドし、ベーステンプレートECGが青い影付きのボックスで強調表示されている場所を確認します。ECGの基本テンプレートが正しくマークされていることを確認します。注意: ECGチャネル名をダブルクリックすると、ECGチャネルのみがレビュー用に表示されます。必要に応じて、ピークまたは間隔を手動で調整することを検討してください。ソフトウェアの右側にある CB補正-インタラクティブモード ウィンドウには、異常なパターンを持つECGが表形式で順番にリストされています。これらは、ECGトレースに赤い垂直線として示されています。 CB補正-インタラクティブモードウィンドウで、表の対応する行をダブルクリックして、マークされた各ECGを確認します。必要に応じて、赤い縦線を移動して、検出されたピーク位置を調整します。検出されたすべてのECGを確認したら、[完了]をクリックします。メモ: チャネルには、最初は赤と緑のマーカーのみが含まれています。緑のマーカーは良好な検出を示し、赤いマーカーは必要なすべての条件を満たしていない潜在的なパルスピークを示します。赤いマーカーは、手動で変更した後、黄色に変わります。異常な心電図を矯正する際には、各ピーク位置と各心電図の時間間隔が一貫していることを考慮することが重要です。 ノッチフィルターによる電力線と交流(AC)ノイズ除去を適用します。[ 変換>データ フィルタリング] タブ> [IIR フィルタ ] タブをクリックします。開いたウィンドウで、[ ノッチ有効]をオンにし、[ 周波数[Hz]]を選択して、[ OK]をクリックします。注意: 周波数の選択には、録音が行われる国に応じて50Hzまたは60Hzのいずれかを選択できます。ノッチフィルターは、ECG検出に役立つように最後のステップで適用され、このフィルターアプリケーションは臨床EEGレビューの利便性を提供します。

Representative Results

患者がEMUに入院すると、頭皮の脳波とビデオが同時に記録されます。神経内科医によるEEGモニタリングの目的の1つは、てんかん様放電を評価することであり、これは発作発症の局在を潜在的に知らせることができる。特定のEEGチャネルの異常なダイナミクスが区別されると、電極の位置は発作の局在化と関連し得る。発作期の間隙期には、スパイクや鋭い波を含む発作間性てんかん様放電(IED)は、伝統的にてんかん原性の領域のマーカーと見なされています。さらに、得られた発作間EEG-fMRIデータの記録は、発作を理解し、局在化するのに有利であり得る。この脳波-fMRI記録と脳波処理プロトコルを検証するために、後処理された脳波とEMUの脳波を比較することで脳波の質を評価し、両方の場合に同じ識別可能な脳波特性が観察されることを確認します。 焦点デルタの遅い活動は、通常、脳卒中、頭部外傷、脳感染症、または認知症の後にしばしば観察される、根底にある脳構造病変またはニューロンが期待どおりに機能していない領域を示唆しています。しかし、限局性てんかんの患者がてんかん原性ゾーンの近くまたは部位で限局性デルタ活性を示すことは珍しくありません。さらに、病巣デルタ活性はIEDsよりも特異的ではないが、てんかんにおける発作発症に対応する限局性の構造病理を特定することができる12。さらに、EEGの焦点中間発作性徐波は、部分てんかん患者のてんかん原性領域と一致するfMRIでの焦点BOLD活性化に対応します13。 側頭葉発症てんかんでは、側頭間欠性リズミカルデルタ(TIRDA)と呼ばれるデルタ活動の一種が存在することがあり、IEDと同等のものと見なされることは注目に値します14。それどころか、時間的断続的多型デルタ(TIPDA)は、IEDに相当する15とは見なされません。処理された脳波データには、EMUで記録された脳波から観測される明確な焦点左側頭徐波(TIPDA)が存在します(図7)。このデルタ活性はIEDと同等ではありませんが、左側頭神経機能障害を示唆しています。 図1:脳波-fMRI同時記録のための32種類の電極選択の例。 クリニックでは、EEGモニタリングのために21チャンネルが一般的に考慮されています。EEGソースイメージング(ESI)を行うための最小数の電極を満たすために、頭部を完全にカバーするために11の追加チャネルが含まれています。すべての電極は、MR効果を避けるためにゴールドカップです。図では、異なる電極を区別するために異なる色が使用されており、色は物理的なケーブルの色と一致しています。下部の各長方形のボックスは、ハーネスに接続される1つのジャンクションを示しており、ハーネスは録音のためにアンプに接続されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図2:電極の配置。 (A)患者の頭皮への電極の配置、および(B)ケーブル接合部の配置。(A)と(B)の左側の画像は上正面図を提供し、右側の画像は患者の左側の画像を提供します。(B)の赤い矢印はガーゼパッドの配置を示す。これにより、イメージングのアーチファクトを回避できます。(B)の青色で丸で囲んだ部分は、ケーブルジャンクションの配置を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図3:監視室の機器接続 。 (A)USB 2アダプター、シンクボックス、トリガーボックスの接続の概要。(B)USB 2アダプターとシンクボックスケーブル接続、(C)シンクボックスと光ファイバーケーブル接続、および(D)トリガーボックスのケーブル接続の詳細図。(B)、(C)、(D)の星印は、録画PCに接続するUSBケーブルの位置を示しています。EEG記録システムとハードウェア間で必要な接続の概略図は、Mullingerらの図1に提供されています7。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図4:スキャンルームの機器接続 。 (A)スキャナー内のEEGアンプ接続の概要。(B)EEG電極を接続するためにインターフェースボックスからケーブルを巻き付けます(赤いケーブルはECG測定用です)。(C)インターフェースボックスとEEGアンプの接続、MRアーティファクトを低減するために配置されたMR安全土嚢。(D)アンプ(上)とバッテリー(下)の接続、および監視室のシンクボックスからアンプへの光ファイバーケーブルの接続。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図5:EEG記録ソフトウェアのワークスペース設定のスクリーンショット。 チャンネル数とサンプリングレートは、アンプ設定で設定できます。さらに、各チャンネルの仕様は、必要に応じて、下部の表をクリックして変更できます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図6:代表的な例を含むEEGアーティファクト除去パイプライン。 生の脳波トレースは左下に表示されます。下の中央のプロットは、生のEEGにMRアーチファクト補正と0.5Hzのハイパスフィルターを適用した後のEEGトレースを示しています。右下のプロットは、処理された脳波にCBアーチファクト補正と60Hzのノッチフィルターを適用した後の脳波トレースを示しています。EEGトレースはコモングラウンドモードで表示され、各プロセスが記録された各チャネルにどのように影響するかを効果的に視覚化します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図7:脳波-fMRI同時記録(左)とEMUで記録した脳波(右)で処理した脳波の比較。 赤い円は、同じチャンネルでの焦点左側頭遅波を示します。EEGトレースは、伝統的に診療所で考慮されているダブルバナナ形式で表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

この実験プロトコルは、てんかん患者のEMUからスキャンルームへのスムーズな移行を提供し、臨床および研究環境で使用できるようにするという点でユニークです。FDA承認のMR条件付き電極の使用は、EMUで過ごした時間中の臨床記録と、患者から頭皮電極を取り外したり交換したりすることなくMRIに安全に転送するために不可欠なコンポーネントです。EMUでは、MR条件付き電極がアンプに接続され、ビデオと脳波を同時に監視できます。EEG-fMRI記録の場合、MR条件付きEEGアンプとMRIスキャナーを20チャンネルヘッドコイルとともに使用でき、電極セットと接続ワイヤのサイズに対応します。てんかん患者で同時EEG-fMRI記録を実施する前に、すべての機器の適切な動作を確認し、必要な各ステップに精通するために、健康な被験者によるテストランを強くお勧めします。

さらに、チームの具体的な組織化と患者の慎重な選択もこのプロトコルで重要な役割を果たします。臨床と研究の両方の環境で実行可能であるためには、てんかん専門医、看護スタッフ、EEG技術者、およびエンジニアの構造化されたチームが必要です。患者の選択については、上記の包含および除外基準をしっかりと考慮する必要があります。

さらに、脳波情報に基づくfMRI分析を実施する場合、fMRIの対応する大胆な変化を導くために、脳波の重要な特徴の明確な存在が存在しなければならないことに対処することが重要です。したがって、EEG-fMRI記録を行う際には、以前に目標EEGの特徴を示した患者を考慮することが重要です。てんかん患者の間欠期間中、異常でありてんかん誘発性の可能性を示唆するIEDは、この例にはこの症例が含まれていないにもかかわらず、BOLD変化¹⁶を参照するためのよく知られたEEG機能です。発作間EEG-fMRI記録でIEDを取得することを目標とする場合、実験者は、スキャンセッション中に十分なてんかん様放電を確保するために、頭皮EEGによって観察される頻繁なIED(少なくとも3つのIED /時間)の患者を考慮する必要があります。IEDの数は、EMUのEEGモニタリングから、または被験者の以前のEEG記録に見られるIED周波数が存在する場合は参照から決定できます。得られた間脳波-fMRIデータの記録は、発作開始ゾーン¹⁷の理解と潜在的に局在化に利益をもたらす可能性があります。

アーティファクト除去ステップを処理した後にクリーンなEEGが得られたら、さらなるEEG分析を適用することができる。例えば、脳波源イメージング(ESI)は、標準化された低解像度脳電磁断層撮影(sLORETA)¹⁸ を適用して、皮質表面上の脳の対応する電気的活動を推定することによって得ることができる。推定された情報源は、境界要素法¹⁹を用いて患者のMRIから作成された頭部、外側頭蓋骨、内側頭蓋骨、および皮質層に基づいて計算されたリードフィールドマトリックスを反転することによって得ることができる。EEGソースイメージングを取得するための公開されているツールボックスは多数あり、Brainstormは一般的に使用されているMATLABベースのツールボックスの^1つです20。

処理されたEEGを使用してESIを検討する場合、電極の総数とその分布を慎重に考慮して、頭部全体を合理的にカバーできるようにする必要があります。ESIの実装に必要な電極の最小数は32チャネル^21,22であり、臨床現場で使用される標準の電極数よりも多くなっています。したがって、適度な間隔で頭全体を覆うために、追加のチャネルを含めることをお勧めします。この研究におけるチャネル選択には、EEGモニタリングのためにクリニックで従来使用されていた21チャネルと、頭部全体を覆う11の追加チャネルが含まれます(図1)。

ここでは、fMRI分析の詳細は、私たちの研究の範囲外であるため、含めません。しかしながら、可能な方向は、脳波インフォームドfMRI分析²³である。たとえば、IEDの発生時刻をイベントトリガーとして保存してfMRIと相関させることができ、日常的なイベント関連のfMRI分析につながる可能性があります。この場合、一般化線形モデル分析を使用して、IED時のfMRI信号の変化を示す脳領域を見つけることができます。

最近発表された研究¹⁰ では、より堅牢なアーティファクト除去技術が必要な場合にカーボンワイヤーループシステムを使用できることが示されていることを指摘します¹⁶。しかし、我々の実験環境におけるカーボンワイヤループシステムとMR条件付き電極との統合はまだ検討されていないことを認識したい。

この研究は特にてんかんの間期に焦点を当てていますが、同時EEG-fMRIのために導入されたプロトコルは、発作期または発作後期にさらに拡張することができます。ただし、カスタマイズされた設定を検討する場合は、特定の考慮事項に従う必要があります。発作後の段階では、MRIに搬送される前に患者にベンゾジアゼピンを投与することが重要な懸念事項として認識されています。脳波の周波数分析に関しては、ベンゾジアゼピンが必ずしも特定の周波数帯域を変化させるとは限らないことが報告されており^24,25、わずかな変化の場合、これらは体性感覚運動領域26または前頭葉²⁷に限定されます。さらに、同時EEG-fMRIに関して、デルタEEG-BOLD相関は、生理食塩水注射による対照と比較して、ベンゾジアゼピン注射後に変化を示さなかった²⁷。BOLD信号は、ヘッシェル回と補助運動領域の小さな領域でのみ減少しました。

Materials

3T Magnetom Prisma fit MRI scanner	Siemens Healthineers
Abralyt HiCl, 10 g.	EASYCAP GmbH		Conductive gel for ECG electrode.
BrainAmp MR plus 32-channel	Brain Products GmbH	S-BP-01300
BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383	Brain Products GmbH		EEG analysis software.
BrainVision Interface Box 32 inputs	Ives EEG Solutions, LLC	BVI-32
BrainVision Recorder License with dongle	Brain Products GmbH	S-BP-170-3000
BrainVision Recorder Version 1.23.0003	Brain Products GmbH		EEG recording software.
Collodion (non-flexible)	Mavidon		Glue to secure EEG electrodes.
Fiber Optic cable (30m one line)	Brain Products GmbH	S-BP-345-3020
Gold Cup Electrode set, 32 channel	Ives EEG Solutions, LLC	GCE-32	2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay.
Gold Cup Electrodes	Ives EEG Solutions, LLC	GCE-EKG
Harness, 32 lead, reusable	Ives EEG Solutions, LLC	HAR-32	2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of  Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay.
MR-sled kit including 100% and 75% length base plates, low profile (3 cm) block legs for each base plate, ramp, and strap systems as hand configured	Brain Products GmbH	BV-79123-PRISMA SKYRA
Natus NeuroWorks EEG	Natus		Software used for EEG monitoring at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU).
Nuprep Skin Prep Gel	Weaver and Co.
Passive starter set, including consumables (gel, syringes, dispensing tips, adhesive washers, etc.) to facilitate out of the box data acquisition	Brain Products GmbH	S-C-5303
SyncBox compl. Extension box for phase sync recordings	Brain Products GmbH	S-BP-02675	Syncbox
syngo MR XA30	Siemens Healthineers		Software used for the MRI scanner.
Ten 20 Conductive Neurodiagnostic Electrode Paste	Weaver and Co.		Conductive gel for EEG electrodes.
TriggerBox Kit for BrainAmp	Brain Products GmbH	S-BP-110-9010	Triggerbox; This Kit allows to expand the trigger width from the scanner so that the trigger signal can be detected on the BrainVision Recorder properly. This kit may not be required depending on the characteristics of the trigger signal provided by the scanner.
Xltek EMU40EX amplifier	Natus		An amplifier used at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU).