이 기사에서는 임상 및 연구 환경 모두에서 사용할 수 있는 동시 뇌파도 및 기능적 자기 공명 영상(EEG-fMRI) 기록 절차에 대해 자세히 설명합니다. 임상 검토를 위해 영상 아티팩트를 제거하기 위한 EEG 처리 절차도 포함됩니다. 이 연구는 간질 기간 동안 간질의 예에 초점을 맞춥니다.
동시 뇌파도 및 기능적 자기 공명 영상(EEG-fMRI)은 간질에서 발병하는 발작의 이해와 국소화에 시너지 효과를 제공하는 고유한 결합 기술입니다. 그러나 EEG-fMRI 기록에 대해 보고된 실험 프로토콜은 간질 환자에 대한 이러한 절차 수행에 대한 세부 사항을 다루지 않습니다. 또한 이러한 프로토콜은 연구 환경에만 국한됩니다. 간질 모니터링 장치(EMU)에서 환자 모니터링과 간질 환자에 대한 연구 수행 사이의 격차를 메우기 위해 간질 기간 동안 간질에 대한 고유한 EEG-fMRI 기록 프로토콜을 도입합니다. 두피 EEG 및 비디오 동시 녹화를 위해 EMU에서도 사용할 수 있는 MR 조건부 전극 세트를 사용하면 동시 EEG-fMRI 녹화를 위해 EMU에서 스캐닝 룸으로 EEG 기록을 쉽게 전환할 수 있습니다. 이 특정 MR 조건부 전극 세트를 사용한 기록 절차에 대한 세부 정보가 제공됩니다. 또한 이 연구는 임상 검토에 사용할 수 있는 영상 아티팩트를 제거하기 위한 단계별 EEG 처리 절차를 설명합니다. 이 실험 프로토콜은 임상(즉, EMU) 및 연구 환경 모두에서 적용 가능성을 향상시키기 위해 기존 EEG-fMRI 기록에 대한 수정을 촉진합니다. 또한, 이 프로토콜은 임상 환경에서 이 양식을 postictal EEG-fMRI 기록으로 확장할 수 있는 가능성을 제공합니다.
간질은 전 세계적으로 거의 7천만 명의 사람들을 괴롭힌다1. 간질이 잘 조절되지 않는 150 명 중 1 명은 매년 간질로 인한 갑작스런 예기치 않은 사망 (SUDEP)에 굴복합니다. 또한, 간질 사례의 약 30%-40%는 의학적 관리에 불응한다2. 절제, 단절 또는 신경 조절의 형태로 된 신경외과적 치료는 난치성 간질 환자의 삶을 변화시키고 생명을 구하는 조치가 될 수 있습니다.
동시 뇌파도 및 기능적 자기 공명 영상(EEG-fMRI)은 뇌 활동을 비침습적으로 측정하는 독특한 결합 기술이며, 간질에서 발작 발병을 이해하고 국소화하는 데 이점을 제공합니다 3,4,5,6. 두피 EEG는 발작 발병 영역을 측면화하고 국소화하는 데 사용할 수 있지만 심부 간질 유발 원인을 평가하는 것과 관련하여 제한된 기능으로 인해 공간 해상도가 상대적으로 낮습니다. fMRI는 깊은 영역을 포함하여 뇌 전체에 걸쳐 좋은 공간 해상도를 가지고 있지만 fMRI만으로는 발작에 특이적이지 않습니다. 그러나 두피 EEG는 fMRI에서 혈중 산소 수준 의존성(BOLD) 활성화 또는 비활성화 영역의 해석을 알려줄 수 있으므로 간질에 특정한 fMRI 기술을 생성할 수 있습니다. 따라서 동시 EEG-fMRI의 구현은 간질 사건의 ‘장소’와 ‘시기’를 모두 국소화하는 것과 관련된 시공간 과정을 매핑하는 데 사용할 수 있습니다.
동시 EEG-fMRI를 수행하는 방법에 대한 설명은 이전 연구 7,8,9,10에 제공되어 있습니다. 그러나 EEG-fMRI는 간질, 특히 임상 환경에서 충분히 활용되지 않았습니다. EEG-fMRI 기록에 대한 일반적인 절차, 배경 및 가능한 EEG 분석의 예를 제공하는 연구가있다 7. 또한, 동시 EEG-fMRI 기록에서 온도 측정과 함께 최면 유도를 강조하는 연구가 수행되었다8. 또한, 시공간 및 fMRI 구속 EEG 소스 이미징 방법을 도입하기 위한 확장된 EEG-fMRI 연구가 제안되었습니다 9,10. 또한, EEG-fMRI에서 인공물을 효과적으로 제거하기 위해 탄소 와이어 루프를 사용하는 것이 고려되었다10. 그러나 이러한 모든 연구는 임상 연구 환경에서 EEG-fMRI 연구를 수행하는 데 있어 문제를 해결하지 못합니다. 특히, EEG 캡의 사용은 임상 환경에서 이러한 프로토콜의 타당성을 제한하고 환자 관리에 대한 세부 정보도 누락되었습니다. 이 연구에서는 간질 환자를 위한 임상 및 연구 환경 모두에서 사용할 수 있는 EEG-fMRI 기록 프로토콜을 제공합니다. 이 고유한 프로토콜을 사용하면 환자가 간질 모니터링 장치(EMU)에서 스캐닝실로 쉽게 전환할 수 있습니다. 또한 이 프로토콜은 간질 환자의 사후 기간 기록으로 적용을 확장할 수 있는 가능성을 제공합니다. EEG-fMRI의 경우 후처리는 MRI 구배 및 심장 박동과 관련된 생리학적 인공물로 인한 인공물을 제거하는 중요한 단계입니다. 따라서, 본 발명자들은 또한 임상 검토를 위한 표준 템플릿 제거 방법(11)을 사용하여 EEG 아티팩트를 제거하는 단계별 절차를 제공한다.
이 실험 프로토콜은 간질 환자를 EMU에서 스캐닝실로 원활하게 전환하여 임상 및 연구 환경에서 사용할 수 있도록 하는 독특한 프로토콜입니다. FDA 승인 MR 조건부 전극의 사용은 EMU에서 보낸 시간 동안의 임상 기록과 환자로부터 두피 전극을 제거하거나 교체할 필요 없이 MRI로 안전하게 옮기는 데 필수적인 구성 요소입니다. EMU에서 MR 조건부 전극은 동시 비디오 및 EEG 모니터링을 위해 증폭기에 연결됩니다. EEG-fMRI 기록의 경우 MR 조건부 EEG 증폭기와 MRI 스캐너를 전극 세트 및 연결 와이어의 크기를 수용하는 20채널 헤드 코일과 함께 사용할 수 있습니다. 간질 환자에서 동시 EEG-fMRI 기록을 수행하기 전에 모든 장비의 올바른 작동을 확인하고 필요한 각 단계에 익숙해지기 위해 건강한 피험자와 함께 테스트를 실행하는 것이 좋습니다.
또한 팀의 구체적인 조직과 환자의 신중한 선택도 이 프로토콜에서 중요한 역할을 합니다. 임상 및 연구 환경 모두에서 실행 가능하려면 간질 전문의, 간호 직원, EEG 기술자 및 엔지니어로 구성된 구조화된 팀이 있어야 합니다. 환자 선택을 위해서는 위에 나열된 포함 및 제외 기준을 확고히 고려해야 합니다.
또한, EEG 정보 fMRI 분석이 수행될 때 fMRI의 해당 BOLD 변화를 안내하기 위해 EEG의 주요 특징이 명확하게 존재해야 한다는 점을 해결하는 것이 중요합니다. 따라서 EEG-fMRI 기록을 수행할 때 이전에 표적 EEG 특징을 입증한 환자를 고려하는 것이 중요합니다. 간질 환자의 간질 기간 동안, 비정상적이고 간질 발생 가능성을 시사하는 IED는 BOLD 변화16를 참조하는 잘 알려진 EEG 특징이지만, 이 사례는 이 경우를 포함하지 않는다. interictal EEG-fMRI 기록에서 IED를 얻는 것을 목표로 할 때 실험자는 스캐닝 세션 동안 충분한 간질 분비물을 보장하기 위해 두피 EEG에서 관찰되는 빈번한 IED(최소 3회/시간)가 있는 환자를 고려해야 합니다. IED의 수는 EMU의 EEG 모니터링 또는 피험자의 이전 EEG 기록에서 볼 수 있는 IED 주파수(있는 경우)를 참조하여 결정할 수 있습니다. interictal EEG-fMRI 데이터의 획득된 기록은 발작 발병 영역17을 이해하고 잠재적으로 국소화하는 데 이점을 가져올 수 있습니다.
아티팩트 제거 단계를 처리한 후 깨끗한 EEG를 얻으면 추가 EEG 분석을 적용할 수 있습니다. 예를 들어, EEG 소스 이미징(ESI)은 표준화된 저해상도 뇌 전자기 단층 촬영(sLORETA)18 을 적용하여 피질 표면에서 뇌의 해당 전기적 활동을 추정함으로써 얻을 수 있습니다. 추정된 소스는 경계 요소 방법19를 사용하여 환자의 MRI에서 생성된 머리, 외부 두개골, 내부 두개골 및 피질층을 기반으로 계산된 리드 필드 행렬을 반전하여 얻을 수 있습니다. EEG 소스 이미징을 얻기 위해 공개적으로 사용할 수 있는 수많은 툴박스가 있으며, 브레인스톰은 널리 사용되는 MATLAB 기반 툴박스20입니다.
처리된 EEG를 사용하여 ESI를 고려할 때 전체 전극을 합리적으로 덮을 수 있도록 총 전극 수와 분포를 신중하게 고려해야 합니다. ESI를 구현하는 데 필요한 최소 전극 수는 32 채널21,22이며, 이는 임상 환경에서 사용되는 표준 전극 수보다 많습니다. 따라서 합리적인 간격으로 머리 전체를 덮을 수 있도록 추가 채널을 포함하는 것이 좋습니다. 이 연구의 채널 선택에는 일반적으로 클리닉에서 EEG 모니터링을 위해 사용되는 21개의 채널과 머리를 완전히 덮는 11개의 추가 채널이 포함됩니다(그림 1).
여기서는 fMRI 분석에 대한 세부 사항을 포함하지 않습니다., 이것은 우리 연구의 범위를 벗어났기 때문입니다. 그러나, 가능한 방향은 EEG 정보 fMRI 분석이다23. 예를 들어, IED의 발생 시간은 fMRI와 상관시키기 위해 이벤트 트리거로 저장될 수 있으며, 이는 일상적인 이벤트 관련 fMRI 분석으로 이어질 수 있습니다. 이 경우 일반화 된 선형 모델 분석을 사용하여 IED 시점에 fMRI 신호의 변화를 나타내는 뇌 영역을 찾을 수 있습니다.
우리는 최근에 발표된 연구(10 )가 보다 강력한 인공물 제거 기술(16)이 필요할 때 탄소 와이어 루프 시스템을 사용하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다고 지적한다. 그러나 우리는 실험 환경에서 MR 조건부 전극과 탄소 와이어 루프 시스템의 통합이 아직 조사되지 않았 음을 알리고 싶습니다.
이 연구는 특히 간질의 간질 기간에 초점을 맞추고 있지만, 동시 EEG-fMRI에 대해 도입된 프로토콜은 ictal 또는 postictal 기간으로 더 확장될 수 있습니다. 그러나 사용자 지정 설정을 고려할 때 특정 고려 사항을 따라야 합니다. postictal 단계에서 우리가 인식하는 중요한 관심사는 MRI로 이송하기 전에 환자에게 벤조디아제핀을 투여한다는 것입니다. EEG의 주파수 분석에 관해서는, 벤조디아제핀이 반드시 특정 주파수 대역 24,25를 변경하는 것은 아니며, 약간의 변화의 경우, 이들은 체성 감각 운동 영역 (26) 또는 전두엽 (27)에 국한된다. 또한, 동시 EEG-fMRI와 관련하여, 델타 EEG-BOLD 상관관계는 식염수 주사를 사용한 대조군과 비교하여 벤조디아제핀 주사 후 변화가 없는 것으로 나타났다27. 굵은 글씨 신호는 헤셸 이랑 및 보조 운동 영역의 작은 영역에서만 감소했습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 의과대학 연합 이니셔티브(College of Medicine Alliance Initiative)의 일환으로 의과대학, 영국 헬스케어 연구 담당 부사장, 켄터키 대학교 연구 우선 분야(Research Priority Area)와 켄터키 대학교 전기컴퓨터공학과에서 제공한 배지혜 박사의 창업 기금의 일부 지원을 받았습니다. 저자는 녹음에 대한 자원 봉사 참가자와 간질-신경 영상 연구 연합 팀원, 특히 동맹 팀을 이끌고 있는 Brian Gold 박사, 연구 멘토링을 위한 Sridhar Sunderam 박사, 환자 치료 및 관리를 위해 Susan V. Hollar와 Emily Ashcraft에게 감사드립니다.
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). |