同时用脑磁图和脑电图为小儿癫痫的生物标志物检测发作间期高频振动

伦理学声明：实验步骤这里已经批准了马萨诸塞州总医院的机构审查委员会（IRB），波士顿，MA，USA。以下部分将描述使用脑电图头皮和MEG氢氟烯烃的无创检测和源定位实验协议。患者准备是最小的，而考试一般耐受性良好。整个会议持续约2 – 与实际录音持续约60分钟3小时。 1.患者的准备确保孩子舒适的环境。 注：让幼儿探索测试环境，并看到了检测设备。屏幕采用筛选的形式有关安全和同意的病人。问他/她是否到了最后2小时内的临床发作病人（或他/她的父母）。 除去所有的金属/磁性材料和向患者提供医院发行的衣物。取出鞋因为它们是常常磁性。检查对象是通过测量信号MEG了几分钟自由磁性工件。使用消磁用于从植入材料，如牙科作品减少伪像。 注意：如果有任何可能性，铁磁性物体是身体内的磁器不宜应用。 测量最大头围来为儿童选择合适的脑电帽的尺寸。使用卷尺和它抱到鼻根。然后测量绕绕的最大围头（约1厘米以上INION）。 20系统 – 根据国际10将脑电帽在头上。洁净，其中每个电极位于皮肤和应用膏/凝胶的每个电极。 注：在其他地方41提供了关于小儿头皮脑电图记录更多的细节。 放置在头的接地电极和参考电极。连接附加电极测量水平和Vertica的升electrooculography（EOG），心电图（ECG），肌电图（EMG）和另外的EEG电极在覆盖颞区（T1 / T2）的位置。 注：EOG，心电图，肌电图和帮助眼球运动，magnetocardiographic污染，肌肉活动的鉴定，同时也监测患者的状态。 确保EEG渠道通过分别定位传感器与头皮接触良好。轻轻地左右扭动每个传感器到另一侧移动头发的方式。测量与脑电图欧姆表的所有电极的阻抗，以低于10千欧。 放置在头4 HPI线圈：两耳垂后方，两个在近似对称位置的额头。 注：HPI线圈帮助定位患者头部的相对位置相对于在三维空间中MEG传感器的位置。 HPI线圈的数量可以根据MEG系统的供应商而异。 获取HPI的线圈的位置，并使用数字化仪的EEG电极。 注：数字化仪记录在3D空间中的传感器的坐标。传感器放置在指示笔的笔尖。 HPI的线圈的位置必须相对于所述头部解剖和MEG传感器的位置是已知的。 获得基准标志包括使用数字化仪的左/右耳前点和鼻根的位置。数字化附加分（约300点），以获得精确的头型。 转移病人进入磁屏蔽室（MSR）42，其中MEG系统所在。 注：MSR是MEG录音从外部电磁源（干扰最小的屏蔽环境即，电源线，从便携式设备，电气设备和计算机，磁场从移动磁化的物体，如汽车，电梯，以及列车的射频信号）。它由三个嵌套层。每个层由纯铝层加上高渗透性强磁性层（ 即，Mu金属，主要由镍和铁的合金）。 躺在床上的病人，把他/她的头撞向了MEG头盔，病人的头下采取适当的垫/海绵舒适。 连接HPIs，脑电图引线，所述EOG，心电图，肌电图，和附加电极到记录机。调整在扫描器确保它位于尽可能在头盔深病人的头位置。 2.数据采集 MEG和脑电图注意：基于在先前的研究中42所描述的方法进行的MEG /脑电图数据采集。关于小儿癫痫临床使用MEG的更多细节，可以在其他地方43,44找到。 记录MEG信号，整个头MEG系统。 注：MEG系统使用两种类型的薄膜传感器（平面梯度仪和磁强计）集成102传感器元件。每个元素包含一个磁强计，由单个线圈的，并且由一个“数字8字形”型线圈配置的两个正交平面梯度计。磁力计测量磁通量垂直于其表面和梯度计测量的“八”，或在空间梯度两个环路之间的差异。该MEG系统具有204平面梯度仪和磁力计102（306传感器总数）。来自不同厂商的MEG系统有不同数量和类型的线圈（ 即轴向梯度仪）的。 同时记录使用与T1 / T2 42的Ag / AgCl烧结环形电极和附加电极的非磁性70通道电极帽EEG信号。使用共同的参考蒙太奇。 关闭MSR的大门。通过一个对讲系统病人沟通来检查，如果他/她感觉舒服。请家长留insidE中的MSR在录制过程中，如果孩子感到不舒服独处。 通过点击MEG采集软件的“开始”按钮，开始录音。使用1千赫（或以上）的高采样率。在400赫兹使用6的低通无限脉冲响应（IIR）滤波器阶 。在网上查询所有记录的信号。通过使用传感器调谐器修复坏的MEG频道。 注：具有白噪声的相对较高的水平（高于2至5英尺/√Hz的用于磁力）或传感器，其记录的杂散环境电磁噪声为MEG频道定义传感器（梯度计或磁力）。当传感器暴露于强（相对于信号测量的）的磁场和线圈“陷阱”的磁通破坏超导的特定部分，这通常发生。传感器调谐器则使用该热通过它施加电流的线圈。此过程被称为调谐和使用时传感器的白噪声电平高于一个特定的阈值（ 即，2 – 5英尺/√Hz的）。一些MEG系统没有传感器调谐器。 测量通过点击MEG采集软件的“测量”按钮，患者的头部位置。如果病人的头部不充分覆盖的感官阵列，要求病人对他的/她的头部更深移动到头盔。 注意：这个动作通过产生人工磁场的线圈施加短暂的振荡电信号激活4 HPI线圈。这些字段由MEG传感器检测，从而在头部位置被确定。该过程可以在不同的MEG厂商之间有所不同。 记录MEG，脑电图，和周边的录音通过点击MEG采集软件（如心电图，EOG和EMG）为〜60分钟的“录制”按钮。 注意：数据存储为在独立磁盘（RAID）的冗余阵列一个.fif文件。文件类型是其他MEG供应商的不同。 当录音结束后，打开MSR断开电缆的连接，并采取了从MSR室病人。卸下所有磁带，电极，线圈HPI和脑电图帽平缓。为患者提供头部清洗。 本次收购完成后，记录空MSR的磁信号，而病人。通过点击MEG采集软件的“开始”按钮，开始录音。使用相同的参数，在步骤2.1.4 2分钟记录的MEG数据。 注：此数据用于估计环境电磁噪声。 MRI 获得与磁化准备快速采集梯度回波序列解剖MRI数据（MPRAGE; TE = 1.74毫秒，TR = 2520毫秒，体素尺寸= 1×1×1毫米）用高分辨率3T扫描器。关于MRI扫描协议的详细信息可以在其他地方45被发现。 注：我们不进行MRI扫描同一天，MEG会议，以避免在MEG录音由于可能病人的金属植入物，如牙科作品磁化文物。 3.发作间期活性鉴定打开使用头脑风暴46中的数据，这是在GNU通用公共许可证文件，并在网上可免费下载。 选择具有发作活动的脑电数据的可视化部分别从临床发作除了发生至少2个小时。 注： 图1显示EEG和MEG数据的频繁简易爆炸装置的部分。 凭经验确定在脑电信号定义良好的简易爆炸装置：包括尖峰（20 – 70毫秒）和尖波（70 – 200毫秒），47-48。 注意：这两种类型的简易爆炸装置的癫痫病灶定位的临床意义是等效的。 尝试确定（如果可能）的录音部分具有：（一）最低莫蒂对文物，（ii）超过3 -每10的显示4简易爆炸装置，及（iii）慢波非REM睡眠，通常呈现出大量的氢氟烯烃49。 图1：EEG和MEG信号简易爆炸装置。同时记录脑电头皮和MEG的部分频繁简易爆炸装置的信号。 1秒包含一个尖波突出显示部分的呈现在右侧面板中延长时间刻度显示。红色圆点表示的IED的高峰。 请点击此处查看该图的放大版本。 利用头脑风暴，显示与标准显示设置中的数据（10秒/页）。进入过滤器选项卡，并把以下过滤器显示参数：高通滤波器：1赫兹，低通滤波器：80赫兹，陷波滤波器：50°ř60赫兹（根据电力线的频率）。检查数据并识别数据的部分用简易爆炸装置。 注：只有具有简易爆炸装置的信号的部分将被扫描以寻找氢氟烯烃（步骤3.4）。选定的过滤器仅用于可视化;他们没有被应用到的数据。为了遵循头脑风暴网站上的说明永久应用这些过滤器的数据，使用一个带通巴特沃斯滤波器（4 阶 ）（http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/）。 标记各IED的两个脑电图和MEG数据出现的峰（参见图1中的红点）。 注：更多有关使用头脑风暴标志着智能电子设备的详细信息可以在其他地方找到（http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials/Epilepsy）。 4.同时头皮脑电图和MEG数据氢氟烯烃的半自动检测注意：在这里，我们描述一个半自动化方法来检测氢氟烯烃，其中包括一个自动检测（步骤4.1; Figu重2），接着是自动检测到氢氟烯烃（步骤4.3）的视觉评价。为了避免尖锐瞬变真波纹，并确保该氢氟烯烃不是由于过滤现象中的寄生振荡，我们接着在相关文献的最新建议：我们所需要的氢氟烯烃具有自的4的振荡的最小数量已经观察的滤波器的脉冲响应具有比循环50的选择号码的振荡较少的，我们使用的有限脉冲响应（FIR）滤波器以减少振铃效应和“吉布斯”现象50，我们所需要的候补的HFO事件视觉上也可以还考察由专家检查氢氟烯烃是否还对智能电子装置50,51可见重叠，我们需要在时间-频率平原要观察一个孤岛因为急剧事件和振荡具有不同的签名：一个真正的HFO通过在时间 – frequen的分离的峰表示CY情节（在限制频率，为“岛”）位于80的乐队- 500赫兹，而在瞬态事件产生一个拉长了的滴，扩展频率50,52,53。 图2：算法的步骤的示意图。该算法的工作分两个阶段：第一个从在时域（左和中间列）各脑电信号识别候选氢氟烯烃;为了从在时间 – 频率域（右边的列）的工件区分真实氢氟烯烃，第二个分类先前检测候选事件。 请点击此处查看该图的放大版本。 自动检测HFO 注意： 图2描述自动检测的流程图在每个脑电信号氢氟烯烃。显影方法的目标是减少用于标记上使用被推荐的氢氟烯烃的目视检查一个2秒/页显示每个脑电图通道HFO事件的脑电图专家的负担。一个HFO被定义为波纹频带内的事件（80 – 250赫兹），其具有至少4的振荡的正弦的样形态从周围背景站立出54（步骤4.1.1），并显示为一个短在不同的频率高14（步骤4.1.2）住在一起，一个孤立的谱峰事件。 在时域候选氢氟烯烃的检测带通（BP）滤波器80和250赫兹之间的EEG信号，限制该信号的频率内容到感兴趣的波纹带。 注：建议使用一个FIR滤波器，以尽量减少振铃效应和“吉布斯”现象55，和零相位数字滤波，以避免相位失真。 计算使用Hilbert变换的血压信号的包络。计算均值和包络超过10秒的滑动中心的时间序列的各点的窗口的标准偏差（SD）。使用中值以上的所有窗口（以便获得是健壮的信号的部分的许多氢氟烯烃和高的SD可能存在的值）估计的总体平均值和SD。 计算包络的Z值和每次z得分大于最小阈值时，设定为等于3 56标记的候选HFO。 定义检测到的事件为一半的阈值的上下交叉的起点和终点。考虑具有小于30毫秒为一个单一的HFO一个事件之间的间隔中的氢氟烯烃。计算峰的数量在HFO起点和终点之间的血压信号，并丢弃事件具有小于4个峰。此外，丢弃z得分高于12事件。 注：修改你的格言根据你的记录可能发生的文物的幅度UM z得分阈值。用低数目振荡事件可以通过过滤作用57,58引起的，而具有非常高的幅度的事件可能是由于肌肉或电极构件。 拒绝在时频域可能文物。 注意：此步骤是必要的，从可能由其他脑电活动和过滤的工件，其频率内容不限于所关心的频带中引起的事件区分真实氢氟烯烃。它是基于这样一个真正的HFO显示为在高于80赫兹一个不同频率的分离的光谱峰的短命事件，在与产生一个细长的blob延伸频率59瞬态事件对比度的假定。 图3示出检测到的HFO示出BP的一例过滤脑电图信号（上图），其包络线（中图），和对应ING期间[-0.5，+0.5] S的周围的HFO高峰期间的时间 – 频率平面（下面板）。 150赫兹因为观察到高于150赫兹的频率没有显着的活动 – 时间 – 频率平面的显示被从80限制。 变换所有候选氢氟烯烃的事件到使用中的频率范围内的Morlet变换时间-频率空间从1赫兹到感兴趣的最高频率， 即，250赫兹（中心频率= 1赫兹，全宽在半最大值= 3秒）。 分析在事件持续时间的每个时间点的时频表示的瞬时功率谱。对于每一个功率谱，按照由Burnos 等人描述的自动标准。 56，以检测峰值的高频带和以验证它是否是从在较低频率范围内的接近的峰明显不同。丢弃氢氟烯烃中不中的所述至少90％的分离的高频峰示出了功率谱的时间点。 排序所有跨渠道的时间发生检测到的氢氟烯烃的事件。集团共同所有的连续氢氟烯烃其持续时间重叠。保留的氢氟烯烃只涉及群体作进一步的分析至少两个EEG通道。 注：该算法要求氢氟烯烃至少在2个通道发生，以避免虚假捕捉随机文物，这可能像真正氢氟烯烃和发生在单一EEG线索。两个连续的氢氟烯烃被认为是当第二HFO的开始时间之前的第一个的起始时间重叠。 图3：HFO事件的检测算法。上图：在BP滤波（80 – 150赫兹）的EEG信号（μV）从一个通道 – 从患者1中间面板（F8 T8）：所述血压信号的包络（z得分）。包络（红色星号）的峰值表示的HFO峰（红色的垂直虚线）的时序。蓝色星号标记的一半阈的向上和向下的交叉（蓝点线），这表明所述的HFO（蓝色垂直虚线）的开始和结束的时间点。下图：时间 – 频率分析平面。请注意，在波纹频带周围的HFO的峰的分离峰（约100赫兹）。 请点击此处查看该图的放大版本。 HFO事件回顾视觉注：视觉审查的部分内容是基于由安德拉德-瓦伦萨等人提出的准则。 28和Zelmann 等。 60。 垂直对齐2电脑屏幕;一个脑电图的检查，一个是MEG信号的检测。同时显示在检测到的事件的扩大（2秒/页）和典型的S卡尔（10秒/页）示出，分别是80 – 250赫兹和1 – 40赫兹的BP滤波的信号。 忽略的事件与在未过滤的脑电图和MEG肌肉或电极工件cooccurring，以及与大的频率变化，形态不规则或大振幅变化事件。 观察EOG和EMG信号检测到的氢氟烯烃期间丢弃被认为对应于EOG或肌肉活动的任何事件。只考虑与脑电图重叠氢氟烯烃/ MEG的IED（在步骤3.3检测），因为它们更可能是真实的氢氟烯烃15,28,56。 注意：此方法提供了在低感光度的成本高特异性;因此，它提供了信心，确定了氢氟烯烃是皮质的起源。 保持在同一时间发生在两个脑电图和MEG信号仅HFO事件。 5，简易爆炸装置和氢氟烯烃的源定位本地化的发生器在MEG简易爆炸装置的峰值，标志着在步骤3.3，使用等效电流偶极子（ECD）。用最小模估计软件可免费获得（http://martinos.org/mne/stable/index.html）。仅考虑拟合优度拟合（GOF）> 80％和偶极矩Q <500 nA的尖峰 – 米每位患者的MRI叠加的ECD位置。 注：最大熵的均值（MEM）是确定的源61的位置和程度有吸引力的替代方法。 在两个EEG和MEG HFO源定位利用小波最大熵的平均值（wMEM）方法（如提出冯Ellenrieder 等[38]）。 注：MEM是已被成功地用于确定的癫痫活动62-64的源的位置和程度的有效技术。该wMEM是MEM的扩展，它已经为与现实的模拟评估65振荡本地化研发活动。它分解信号在一DIS在每个时间 – 频率方块执行MEM源定位之前混凝土波基。因此，wMEM特别适合本地化氢氟烯烃。 段MRI和获得使用Freesurfer 66-67皮质表面。 解决了使用OpenMEEG 68的3层模型边界元法（BEM）脑电图/ MEG前进的问题。 重新取样的信号以640赫兹以确保该离散小波的第二尺度变换对应于感兴趣的频带。 估计在数据空间独立地为每个HFO噪声协方差矩阵，根据紧接各HFO之前在波纹带背景在一个150毫秒的窗口。沿着HFO时间纹波带和平均执行每个HFO源定位。注：生成的地图是由相关的皮质镶嵌的每个顶点皮质的活化价值。 规范化每个地图，才能有最大激活值等于1的每个HFO。 在每个顶点计算的激活值的所有氢氟烯烃的平均值。为了在皮质表面，以显示最终的地图应用的最大激活的60％的阈值。 6.验证颅内脑电图（iEEG）： 采用硬膜下电网和/或立体定位引导下深部电极获取额外的手术iEEG。引导基于先前术前评估测试的结果和临床假说电极的放置要解决的，这是具体的每一个病人。 注：颅内脑电图记录有使用2千赫采样率的数字EEG系统中，作为术前评估的一部分。硬膜下网格通常是最好的选择，如果要解决皮质扣押地区的地形是非常重要的，如果雄辩皮质的映射是至关重要的（ 例如 ，用PRIMAR附近的致痫区Ÿ运动皮层，其确切的边界可以通过刺激映射和颅内发作脑电图分析）进行估计。 在SOZ的定义： 识别SOZ作为由一个专家epileptologist基于可用于每个患者的临床信息来定义。 注：SOZ被定义为表示从基线前iEEG变化（发作放电）或伴随临床发作的最早期和迅速蔓延的区域。涉及在发作期脑电图放电，通常是第一个5秒，一开始所有通道被视为SOZ。在癫痫发作是从彼此独立的多个区域始发的患者，不同SOZs内的所有触头被视为SOZ联系人。专家是盲目的在定义SOZ的时间HFO源定位结果。临床信息还包括：发作和发作iEEG发现，在MRI可见病变，发作和发作脑电图头皮发现。 该HFO信道的标识： 在4.1中所述检测氢氟烯烃在每个颅内电极。使用Kittler的方法来确定基于氟烯烃的所有通道的数量的直方图阈值，然后应用自举并计算平均值作为最终的阈值69。最后，识别与一个HFO速率高于该阈值的信道。 比较HFO定位在6.2认定为黄金标准的源定位的结果SOZ。