توفر هذه المقالة بروتوكولا مباشرا للحصول على بيانات تخطيط كهربية الدماغ ذات الجودة الجيدة (EEG) أثناء تخطيط كهربية الدماغ المتزامن والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي من خلال استخدام المنتجات الطبية المتاحة بسهولة.
يجمع التصوير الكهربائي المتزامن (EEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) وEEG-fMRI بين الخصائص التكميلية ل EEG فروة الرأس (الدقة الزمنية الجيدة) وfMRI (الدقة المكانية الجيدة) لقياس نشاط الخلايا العصبية أثناء حدث كهرومغناطيسي ، من خلال الاستجابات الديناميكية الدموية المعروفة باسم التغيرات المعتمدة على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD). وهي أداة بحثية غير جراحية تستخدم في أبحاث علم الأعصاب ومفيدة للغاية للمجتمع السريري ، وخاصة لإدارة الأمراض العصبية ، شريطة أن تدار المعدات والبروتوكولات المناسبة أثناء الحصول على البيانات. على الرغم من أن تسجيل EEG-fMRI واضح على ما يبدو ، إلا أن الإعداد الصحيح ، خاصة في وضع وتأمين الأقطاب الكهربائية ، ليس مهما للسلامة فحسب ، بل هو أيضا أمر بالغ الأهمية في ضمان موثوقية وتحليل بيانات تخطيط كهربية الدماغ التي تم الحصول عليها. هذا هو أيضا الجزء الأكثر تطلبا من الخبرة في التحضير. ولمعالجة هذه المسائل، تم وضع بروتوكول مباشر يضمن جودة البيانات. توفر هذه المقالة دليل خطوة بخطوة للحصول على بيانات تخطيط كهربية الدماغ الموثوقة أثناء EEG-fMRI باستخدام هذا البروتوكول الذي يستخدم المنتجات الطبية المتاحة بسهولة. ويمكن تكييف البروتوكول المقدم مع التطبيقات المختلفة ل EEG-fMRI في الأبحاث والظروف السريرية، وقد يكون مفيدا لكل من المشغلين عديمي الخبرة والخبراء.
يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) مقياسا لنشاط الخلايا العصبية من خلال الاستجابات الديناميكية الدموية من خلال قياس التغيرات المعتمدة على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) أثناء حدث كهربي. يعد التصوير الكهربائي المتزامن (EEG) وfMRI (EEG-fMRI) أداة بحثية غير غازية تجمع بين الخصائص التآزرية ل EEG فروة الرأس (الدقة الزمنية الجيدة) وfMRI (دقة مكانية جيدة) ، مما يسمح بتوطين أفضل للموقع المسؤول عن توليد الأحداث الكهربائية التي يمكن اكتشافها في تخطيط كهربية الدماغ. تم تطويره لأول مرة في 1990s للاستخدام في مجال الصرع1،2 ، وقد استخدم في وقت لاحق في أبحاث علم الأعصاب منذ 2000s3،4. مع زيادة المعرفة فيما يتعلق بالسلامة5 والتطوير المستمر لتقنيات إزالة القطع الأثرية الناجمة عن التصوير بالرنين المغناطيسي على تخطيط كهربية الدماغ3و6و7و8و9و10، فهي حاليا أداة تستخدم على نطاق واسع في كل من علم الأعصاب والبحوث السريرية11.
يتم الحصول على EEG-fMRI إما في الراحة أو أثناء المهمة ، اعتمادا على سؤال البحث. بشكل عام ، يتيح اكتساب الدولة يستريح تحديد الهياكل المشاركة في توليد ميزة تخطيط كهربية الدماغ معينة (على سبيل المثال ، الموجي ، والإيقاع ، والترددات ، والطاقة) ويساعد في فهم أنشطة الدماغ عفوية متغير11. وهناك عدد من الدراسات علم الأعصاب ومعظم الدراسات السريرية, وخاصة تلك التي على الصرع12, الحصول على EEG-fMRI في بقية11. يتيح الاستحواذ القائم على المهام تحديد المناطق الدماغية والأنشطة الكهربائية الدماغية المخصصة أو المرتبطة بمهمة محددة ويساعد على إنشاء الصلة بين الأنشطة الكهربائية والمناطق الدماغية المرتبطة بالمهمة. يستخدم الاستحواذ القائم على المهام بشكل رئيسي في دراسات علم الأعصاب11 وبعض الدراسات السريرية13. تستخدم معظم عمليات الاستحواذ على EEG-fMRI المستندة إلى المهام تصميما مرتبطا بالحدث. يحدد نوع النمذجة المستخدمة لدمج بيانات تخطيط كهربية الدماغ و fMRI ما إذا كان يجب تعظيم الكفاءة أو قوة الكشف في تصميم المهمة14. يرجى الاطلاع على الدراسات التي أجراها مينون وآخرون14 وليو وآخرون15و16 للحصول على تفاصيل حول تصميم المهمة.
على الرغم من أن الحصول على البيانات أثناء EEG-fMRI قد يبدو مباشرا، إلا أن الإعداد يتطلب خبرة. ومن المهم وضع بروتوكول لتوجيه الإعداد السليم للحصول على البيانات لضمان السلامة والعائد على حد سواء (أي البيانات القابلة للتحليل والموثوقة). على الرغم من وجود تقنيات مختلفة لإزالة القطع الأثرية EEG الناجمة عن التصوير بالرنين المغناطيسي، والتحف غير متناسقة في تخطيط كهربية الدماغ المسجلة، وخاصة تلك المتعلقة اهتزاز الناجمة عن الآلات من الأسلاك والحركات الإجمالية للمواضيع، لا تزال صعبة لإزالة تماما؛ لذلك، هذه artifacts تحتاج إلى تقليل أثناء الحصول على البيانات.
تقدم هذه المقالة بروتوكولا مباشرا يستخدم المنتجات الطبية المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي المتاحة بسهولة. يوفر البروتوكول خطوات مهمة تضمن جودة البيانات، ولا سيما جودة بيانات تخطيط كهربية الدماغ، والتي تعد مفتاح نجاح دراسة EEG-fMRI. تم تطوير هذا البروتوكول على أساس خبرة 20 عاما لفريق أبحاث تخطيط كهربية الدماغ-fMRI في معهد مونتريال العصبي12،17 وتم تعديله لاستخدامه في جامعة أوساكا ، والذي يفيد المشغلين عديمي الخبرة والخبراء على حد سواء.
وسلط هذا البروتوكول الضوء على النقاط الهامة للحصول على بيانات ذات نوعية جيدة في وقت واحد آمنة من EEG-fMRI.
بعض الأخطاء الشائعة الناتجة عن القطع الأثرية الصعبة لإزالة على تخطيط كهربية الدماغ وكذلك تقنيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها هي كما يلي. أولا، يمكن أن يؤدي اختيار المواضيع المتوافقة والتعاونية وضمان راحتها أثناء الحصول على البيانات إلى منع الإنهاء المبكر بسبب حركات الموضوع (الخطوتان 2-1 و5-4). ثانيا، المقاومة لا تنخفض إلى أقل من 20 كيلو أوم بعد كشط متكرر لفروة الرأس (الخطوة 2.9) هو على الأرجح بسبب عدم كفاية تنظيف الأسنان بالفرشاة بعد الاستخدام. تنظيف كل فتحة من أقطاب تخطيط كهربية الدماغ بالفرشاة عند غسل الغطاء يمنع هذه المشكلة. ثالثا، يمكن أن تؤدي الإعدادات غير الملائمة للأجهزة والبرامج إلى تشبع إشارات تخطيط كهربية الدماغ التي تعوق لاحقا إزالة القطع الأثرية أثناء معالجة تخطيط كهربية الدماغ دون اتصال. وأخيرا، لمنع تسجيل إشارات تخطيط كهربية الدماغ المشبعة، والحفاظ على مقاومة كل قطب أقل من 20 كيلو أوم بعد وضع الموضوع في الماسح الضوئي MR قبل الحصول على البيانات؛ يقلل بشكل كاف الاهتزازات الميكانيكية عن طريق شل سقف تخطيط كهربية الدماغ (وهو ما يعني أيضا رأس الشخص المعني) والكابلات والأسلاك؛ مراقبة إشارة EEG الخام عبر الإنترنت باستخدام برنامج التسجيل وتأكد من أن معدل أخذ العينات ودقة السعة يتم إعدادها بشكل صحيح.
اقتناء في وقت واحد من تخطيط كهربية الدماغ وmMRI يثير قضايا السلامة الهامة المتعلقة التدفئة الناجمة عن الترددات اللاسلكية وتبديل التيارات الناجمة عن التدرج بسبب وجود الأسلاك الكهربائية المتصلة بهذا الموضوع في المجال المغناطيسي المتغيرة بسرعة5. وقد تم التقليل من قضايا السلامة هذه إلى حد كبير على مر السنين بعد نتائج البحوث التي عززت المعرفة بهذا الجانب وأدت إلى تحسينات كبيرة في تكنولوجيا معدات تخطيط كهربية الدماغ المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي. ومع ذلك، فإن التحضير المتهور دون معرفة كافية أو عدم اتخاذ احتياطات السلامة يعرض الأشخاص للخطر. على سبيل المثال، الحلقات التي تتشكل في أي مكان داخل الدائرة تحفز إصابة الحرارة الحالية والممكنة. لا يؤدي الاستحواذ على الأقطاب الكهربائية ذات المقاومة العالية إلى إعاقة جودة بيانات تخطيط كهربية الدماغ فحسب ، بل يشكل أيضا خطرا محتملا على الموضوع (الإصابة الحرارية بسبب الكثافة العالية للتيار). وينطبق نفس الخطر على الأقطاب الكهربائية المكسورة. الكابلات وضعت على مقربة من الجدار تحمل MR، وبعبارة أخرى، بعيدا عن المركز، تشكل أيضا خطرا التدفئة المحتملة لهذا الموضوع (التدفئة بسبب تأثير الهوائي)25. يؤكد هذا البروتوكول على جوانب السلامة التالية: لا توجد حلقات داخل الدائرة بين الموضوع ومكبر الصوت ، وجميع الأقطاب الكهربائية لديها مقاومة منخفضة أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي ، ويتم وضع جميع الكابلات في وسط البئر. ينصح المشغلون المبتدئون بالخضوع للتدريب واتباع إرشادات الشركة المصنعة الموجودة في دليل المستخدم ومقاطع الفيديو التوضيحية20 لتجنب أي مخاوف تتعلق بالسلامة.
الأسباب الرئيسية للقطع الأثرية الموجودة على EEG-fMRI هي تبديل تدرج التصوير بالرنين المغناطيسي ، BCG ، أو حركات الموضوع الإجمالية أو الدقيقة (حركات الوجه ، الانقباض ، البلع وما إلى ذلك). في بعض أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، والتحف الناجمة عن مضخة الهيليوم وأجهزة التنفس الصناعي أيضا خطر كبير على إشارات تخطيط كهربية الدماغ. القطع الأثرية التدرج MR متسقة بدلا في شكل موجي ويمكن تصحيحها بما فيه الكفاية باستخدام تقنية الطرح المستندة إلى قالب إذا تم تسجيلها بالكامل دون تشويه باستخدام مكبرات الصوت مع نطاق ديناميكي كاف24. عادة ما يتم تصحيح القطع الأثرية BCG باستخدام إما تقنية الطرح26، وتحليل مكون مستقل6، والأمثل مجموعة الأساس8، أو مزيج من هذه التقنيات10. في الآونة الأخيرة، تم تطوير إزالة القطع الأثرية باستخدام الانحدار بسيطة على أساس الإشارات المكتسبة في وقت واحد مع حلقات سلك الكربون7،9. ويوضح البروتوكول المعروض هنا الجانب التقني، بهدف توفير دليل تمهيدي للراغبين في استخدام هذه الطريقة. هذا الأسلوب يزيل BCG، حركات الموضوع خفية، والتحف مضخة الهيليوم وإشارات تخطيط كهربية الدماغ الناتجة هي متفوقة على تلك التي تم تصحيحها باستخدام أساليب أخرى7،9. ومع ذلك، أكبر التحف الحركة، وخاصة تلك التي تحتوي على حركات التمايل، ليست قابلة للإزالة حتى باستخدام هذه الطريقة7. على الرغم من تحسن هذه المنهجيات لإزالة القطع الأثرية على مر السنين ، لا يزال من الصعب إزالة القطع الأثرية غير المتسقة ، بما في ذلك تلك الناجمة عن الاهتزاز الناجم عن آلات التصوير بالرنين المغناطيسي. وعلاوة على ذلك، كلما كان إجراء إزالة القطع الأثرية أكثر شمولا، كلما زاد خطر فقدان بعض إشارات تخطيط كهربية الدماغ الحقيقية. لذلك، إعداد جيدة التي يمكن أن تقلل من القطع الأثرية غير متناسقة لا يزال الأكثر أهمية في اقتناء EEG-fMRI. في هذا البروتوكول ، يتم تقليل هذه القطع الأثرية باستخدام: (1) ضمادة مرنة لالتفاف الرأس والوسائد رغوة الذاكرة لشل الرأس في لفائف الرأس ، للحد من الاهتزاز المحتمل للأسلاك مع الحفاظ على راحة الشخص ؛ (2) القطن والشريط اللاصق الطبي للحد من اهتزاز سلك القطب تخطيط القلب التي قد لا تكون مشلولة تماما من وزن الشخص نفسه (العائمة جزئيا بين الموضوع والجدول وخاصة في موضوع رقيقة)؛ و (3) أكياس الرمل لشل الكابلات وضعت في تحمل التصوير بالرنين المغناطيسي. هذه هي التقنيات الهامة لتقليل يصعب إزالتها التصوير بالرنين المغناطيسي الناجم عن آلات الاهتزاز القطع الأثرية، والتي لم يتم وصفها في بروتوكول EEG-fMRI المنشورة سابقا20. في هذا البروتوكول، وضعت المواضيع في الماسح الضوئي دون التفاف إضافية على غطاء تخطيط كهربية الدماغ والحشو حول الرأس، وسجلت الكابلات فقط في بضع نقاط دون شل استخدام أكياس الرمل. استنادا إلى 20 عاما من الخبرة في معهد مونتريال العصبي، أدركنا أن تلك التدابير قد تسهم في قابلية أسلاك القطب الكهربائي والكابلات للاهتزاز الناجم عن آلات التصوير بالرنين المغناطيسي، على الرغم من أنها نادرا ما يتم التأكيد عليها في معظم دراسات تخطيط كهربية الدماغ-التصوير بالرنين المغناطيسي6. يؤدي تقليل الاهتزاز الناجم عن آلات التصوير بالرنين المغناطيسي لاحقا إلى جودة وقراءة أفضل ل EEG ، وهو أمر مفيد بشكل خاص لتحديد التغيرات الدقيقة أو الأحداث في تخطيط كهربية الدماغ6، مثل إفرازات الصرع الصغيرة في دراسات الصرع وERPs ذات التجربة الواحدة في الدراسات العصبية المعرفية.
الكشف عن ERPs في إشارات تخطيط كهربية الدماغ هو شرط أساسي لدراسات علم الأعصاب المعرفي. على النقيض من الاستجابة الكلاسيكية المتوسط الكبير عبر التجارب ، أصبح الكشف عن تجربة واحدة لتخطيط موارد المؤسسات ، والذي يوفر رؤى في ديناميكيات الدماغ استجابة لتحفيز معين ، هدفا جديدا في دراسات علم الأعصاب المعرفية الحديثة والأبحاث غير الغازية بين الدماغ والكمبيوتر27. وقد يسهم تطبيق هذا البروتوكول في زيادة الكفاءة في مجالات البحث هذه.
البروتوكول هو الأنسب لنظام تخطيط كهربية الدماغ المتوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدم في هذه الدراسة. ومع ذلك، نعتقد أن النقاط الهامة قد تنطبق أيضا على أنظمة تخطيط كهربية الدماغ الأخرى المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي.
The authors have nothing to disclose.
وقد أشرف المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات في اليابان على هذه الدراسة.
يشكر المؤلفون علماء الفيزياء والتكنولوجيا في التصوير بالرنين المغناطيسي في مركز المعلومات والشبكات العصبية على تفانيهم في الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي ذات الجودة الجيدة.
يتم تمويل الدكتور خو من قبل منحة في المعونة للبحث العلمي (رقم. 18H06261, 19K21353, 20K09368) من وزارة التربية والتعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا في اليابان ومنحة من المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات في اليابان (NICT), وبدعم من مارك رايبورت وشيرلي فيرغسون رايبورت زمالة في جراحة الصرع وزمالات بريستون روب من معهد مونتريال العصبي (كندا), زمالة بحثية لمؤسسة أوهارا التذكارية (اليابان). حصلت على جائزة برعاية من الجمعية اليابانية للصرع، ودعم من برنامج زملاء الجمعية الأمريكية للصرع (AES)، ومنحة سفر من الرابطة الدولية لمكافحة الصرع (ILAE).
يتم تمويل الدكتور تاني من المنحة في المعونة للبحث العلمي (رقم 17K10895) من وزارة التربية والتعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا في اليابان وتلقى دعما بحثيا من مؤسسة ميتسوي كوسي، وتمويل رحلة من ميدترونيك، وإتاوات من نشر مقالات (جاكين الطبية شوجونشا، إيغاكو شوين)، والفخر من العمل كمتحدث (ميدترونيك، دايتشي سانكيو للمستحضرات الصيدلانية، إيساي للأدوية).
يتم تمويل الدكتور أوشينو من المنحة في المعونة للبحث العلمي (رقم 17K10894) من وزارة التربية والتعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا في اليابان. حصل على إتاوات من نشر مقالات (Medicalview، Igaku-shoin)، وأتعاب من العمل كمتحدث (إنسايك، إيساي للأدوية، دايتشي سانكيو للأدوية، UCB، أوتسوكا للأدوية، تيجين فارما، شركة ياماسا).
يتم تمويل الدكتور فوجيتا من المنحة في المعونة للبحث العلمي (رقم 19K18388) من وزارة التربية والتعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا في اليابان.
يتم تمويل الدكتور جوتمان من قبل المعاهد الكندية للبحوث الصحية (رقم 143208 FDN).
يتم تمويل الدكتور كيشيما من المنحة في المعونة للبحث العلمي (رقم 18H04085، 18H05522، 16K10212، 16K10786) من وزارة التربية والتعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا في اليابان، برنامج تعزيز الابتكار الاستراتيجي عبر الوزارات (رقم SIPAIH18E01)، الوكالة اليابانية للبحوث الطبية والتنمية، ومؤسسة أبحاث الصرع اليابانية.
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 |