JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Beste huidige praktijk voor het verkrijgen van High Quality EEG Gegevens Tijdens Gelijktijdig fMRI

Published: June 03, 2013
doi:
10.3791/50283
, ,
1Sir Peter Mansfield Magnetic Resonance Centre, School of Physics and Astronomy,University of Nottingham , 2Brain Products GmbH

Summary

Gelijktijdige elektro-encefalogram (EEG) en functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) is een krachtig hulpmiddel neuroimaging. De binnenkant van een MRI scanner vormt moeilijke omstandigheden voor EEG gegevensregistratie en veiligheid moeten worden beschouwd als actief EEG apparatuur in een scanner. Hier presenteren we een geoptimaliseerde EEG-fMRI data-acquisitie protocol.

Abstract

Gelijktijdige EEG-fMRI maakt de uitstekende temporele resolutie van de EEG te worden gecombineerd met de hoge ruimtelijke nauwkeurigheid van fMRI. De gegevens uit deze twee modaliteiten kunnen worden gecombineerd in een aantal manieren, maar afhankelijk van de verwerving van hoge kwaliteit EEG en fMRI data. EEG data tijdens simultaan fMRI verkregen worden afhankelijk van verschillende voorwerpen, waaronder de gradiënt artefact (vanwege de veranderende magnetische veld gradiënten vereist voor fMRI), de puls artefact (gekoppeld aan de hartcyclus) en bewegingsartefacten (als gevolg van bewegingen in het sterke magnetische gebied van de scanner en spieractiviteit). Post-verwerkingsmethoden voor succesvolle correctie van de gradiënt en puls artefacten vereisen een aantal criteria tijdens gegevensverwerving worden voldaan. Het minimaliseren van het hoofd beweging tijdens EEG-fMRI is ook noodzakelijk voor het beperken van de generatie van artefacten.

Interacties tussen de radiofrequentie (RF) pulsen die nodig zijn voor MRI en the EEG hardware kan optreden en kan oververhitting ontstaan. Dit is slechts een significant risico als veiligheidsrichtlijnen niet tevreden. Hardware-ontwerp en de set-up, evenals zorgvuldige selectie van die MR sequenties worden uitgevoerd met de EEG-hardware aanwezig moet dus worden beschouwd.

Het bovenstaande maakt duidelijk hoe belangrijk de keuze van de experimentele protocol gebruikt bij het uitvoeren van een gelijktijdige EEG-fMRI experiment. Op basis van eerder onderzoek beschrijven we een optimale experimentele set-up. Dit biedt een hoge kwaliteit EEG data tijdens gelijktijdige fMRI bij het gebruik van commerciële EEG en fMRI-systemen, met veiligheidsrisico's aan het onderwerp geminimaliseerd. We demonstreren deze set-up in een EEG-fMRI experiment met een eenvoudige visuele stimulus. Echter, veel complexer stimuli gebruikt. Hier laten we de EEG-fMRI set-up met behulp van een Brain Products GmbH (Gilching, Duitsland) MRplus, 32 kanaals EEG-systeem in combinatie met een Philips Achieva (Best, Nederland) 3T MR scanner, hoewelveel technieken overdraagbaar zijn naar andere systemen.

Introduction

Gelijktijdige elektro-encefalogram (EEG) en functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) maakt de uitstekende temporele resolutie van de EEG te worden gecombineerd met de hoge ruimtelijke nauwkeurigheid van fMRI. Er zijn een aantal manieren waarop de gegevens van deze twee modaliteiten kunnen worden gecombineerd 1, maar afhankelijk van de verwerving van hoge kwaliteit EEG en fMRI data. Tot op heden heeft gelijktijdige EEG-fMRI gebruikt om de correlatie tussen oscillerende ritmes (gemeten met EEG) en bloedoxygenatie reacties (gebruik bloedoxygenatie niveau afhankelijke (BOLD) fMRI) bijv. 2,3 bestuderen. Het is ook bestudeerd worden of de kenmerken van het opgewekte signaal kan de variantie in het BOLD signaal leggen op een trial-by-proef 4,5. In klinische studies het voornaamste gebruik van de techniek is om de brandpunten van interictale epileptische ontladingen, die kunnen helpen bij chirurgische planning te onderzoeken en zijn op dit moment moeilijk te lokaliseren non-invasief6,7. Om de fusie van EEG en fMRI data die wordt gewenst te bereiken, is het essentieel om hoogwaardige gegevens uit beide modaliteiten hebben. Echter, EEG gegevens tijdens gelijktijdige fMRI verkregen afhankelijk van verschillende voorwerpen, waaronder de gradiënt artefact (vanwege de variërende magnetische velden nodig voor fMRI), de puls artefact (gekoppeld aan de hartcyclus) en bewegingsartefacten (als gevolg van mutaties in de sterke magnetisch veld van de scanner, evenals spieractiviteit). Deze artefacten zijn aanzienlijk groter dan de neuronale activiteit van belang en dus vermindering (aan de bron) en correctie van de artefacten (via post-processing) zijn beide nodig zijn om een ​​succesvolle implementatie van gelijktijdige EEG-fMRI mogelijk.

De post-processing methoden die momenteel beschikbaar zijn voor het corrigeren van de gradiënt en puls artefacten vereisen een aantal criteria waaraan moet worden voldaan tijdens de data-acquisitie met het oog op hoge kwaliteit EEG-gegevens produceren. Opzichte van het voorgaande decennium de optiMAL experimentele set-up voor het opnemen van gegevens van hoge kwaliteit heeft zich ontwikkeld als ons begrip van de oorzaken van de artefacten 8-10 is verbeterd en we hebben geleerd hoe experimentele methoden zodanig te wijzigen dat de artefacten bij de bron 11,12 te verminderen en het verbeteren prestaties van de post-processing correctie algoritmes. Deze ontwikkelingen zijn onder meer het verbeteren van de bemonstering van de golfvormen gradiënt via synchronisatie van de scanner klokken 13,14 en het gebruik van een vectocardiogram 15,16 naar een schonere hart traceren bieden dan de traditionele ECG. De vectocardiogram trace is afgeleid van vier elektroden op de borst met een strenge laagdoorlaatfilter werkzaam 14-16. Daardoor het spoor relatief ongevoelig gradiënt artefacten en is ongevoelig voor de bloedstroom artefact van O-piek detectie gemakkelijker. Echter, de mogelijkheid om een ​​vectocardiogram opnemen is niet beschikbaar op alle MRI-scanners en zal daarom slechts kort worden genoemd in deze study. Het belang van het minimaliseren van artefacten en strenge sanering van data is door de recente demonstratie benadrukt dat bewegingsartefacten opgenomen in de EEG data kunnen correleren met BOLD activiteit verband houdt met de opdracht van belang, het produceren van valse resultaten als uiterste zorg niet het hele wordt genomen experimenteel proces 17.

De hier gepresenteerde methode vertegenwoordigt de huidige optimale aanpak voor het verkrijgen van hoge kwaliteit EEG en fMRI data gelijktijdig gebruik van MR hardware en pulse sequenties die op grote schaal beschikbaar, samen met commercieel geleverd EEG-apparatuur. Uitvoering van de voorgestelde overnamemethode, in samenhang met het gebruik van geschikte post-processing methodes zullen EEG en fMRI gegevens die kunnen worden gebruikt om een ​​aantal belangrijke neurologie vragen opleveren.

Protocol

1. De voorbereiding van de opstelling van de proef Voor aankomst van de proefpersoon het opzetten van de EEG apparatuur in de controlekamer waar de scanner operator zal zitten. Sluit de laptop computer de EEG hardware zoals getoond in Figuur 1. Opmerking: alle triggers randapparatuur en MR scanner moet lengtes van meer dan 200 psec te worden gedetecteerd door de EEG systeem. Opzetten van de stimulus computer, in dit onderzoek, maken we gebruik van een visuele stimulus; markers worden gelezen in de BrainVision recorder aan het begin en einde van elke stimulatie periode. Zorg ervoor dat de werkruimte voor de registratie van de gegevens is ingesteld op het hoogste temporele resolutie beschikbaar en juiste filter instellingen. Voor de meeste studies AC-koppeling met een filter van ,016-250 Hz is optimaal hoewel DC-koppeling of een hogere (1 kHz) laagdoorlaatfilter kan nodig zijn als ultra lage of hoge frequentie neuronale signalen plaats, respectievelijk. Controleer de markers van de scanner en de stimulus om te bevestigen dat ze worden opgenomen door het EEG-systeem correct. Schakel de synchronisatie van de scanner en EEG klokken met behulp van de BrainVision Recorder bedieningspaneel. Dan controleren of de synchronisatie succesvol is, als de set-up is juist het groene icoon en "Sync On" dot zal verschijnen. Stel de MR-scanner op de conventionele manier, hier zijn we met behulp van het lichaam overbrengen RF-spoel en een 32 kanaals head ontvangt RF-spoel. Indien mogelijk, is het het beste om een ​​hoofd-sized zendspoel om het risico van RF verhitting van de EEG cap en bijbehorende kabels minimaliseren. Maar op de meeste scanners, kan het hoofd zendspoel niet worden gebruikt in combinatie met een multi-element ontvanger spoel, wat leidt tot een suboptimale opgezet voor de verwerving van fMRI data (in het bijzonder parallel imaging speed-up is niet mogelijk). Wij maken gebruik van dit specifieke hoofd ontvangt coil want het bevat een toegangspoort die het mogelijk maakt de kabels van de EEG cap te lopen langs een rechte path uit de scanner. Zorg ervoor dat de MR sequenties te draaien zijn ingesteld. De fMRI sequentie moet slice TR die een veelvoud van de EEG klokperiode (200 psec) gebruikt. Bij gebruik van een Philips MR systeem Philips Timing rekenmachine kan worden gebruikt om de mogelijke deel en TR combinaties bepalen. Maak een laatste controle of alle apparatuur aan het opnemen is zoals verwacht. 2. Betreft Aankomst Vraag het onderwerp te komen met schone haren en dragen comfortabel, niet-metalen kleding. Leg aan het onderwerp het doel van het experiment en wat er zal gebeuren. Vraag het onderwerp in te vullen formulieren die worden gebruikt om vast te stellen dat er geen contra-indicaties voor MR scanning en dat het onderwerp instemt met deelname aan het experiment. Controleer de formulieren voordat u verder gaat. In deze studie wordt de goedkeuring van de lokale ethische commissie is verkregen en alle vakken gaven informed consent. Meet de hoofd-omtrek eennd selecteert u de juiste maat dop (dwz de kleinste beschikbare cap die groter is dan de grootte van het hoofd). Doe de dop op de kop vanaf de voorzijde van de kop en naar achteren te trekken. Plaats de dop correct, is zodanig dat Cz elektrode gelegen halverwege tussen de nasion en INION en ook de links-rechts gecentreerd. Sluit de elektroden op het hoofd door: bewegende haren uit de weg, het toepassen van alcohol en vervolgens Abralyte gel. Bevestig de ECG elektrode naar de onderkant van de rug met een werkwijze vergelijkbaar met die voor de dop elektroden. Deze elektrode wordt gebruikt om de hartslag te meten. De positie aan de voet van de rug wordt aanbevolen om de signaal-ruis van de R-piek in het ECG en bij onderwerp maximaal comfort. Werken op de contacten teneinde de impedanties van elektroden op de kop tot minder dan 10 kOhm (exclusief de weerstand van de inwendige weerstanden in elke elektrode). ECG en EOG resistentie hoger omdat de signalen sterker goede verbindingen kunnen moeilijk te bereiken, maar wordt onder 50kΩ blijven. Controleer de EEG data kwaliteit is bevredigend door visuele inspectie van de gegevens op het beeldscherm. 3. Opname Buiten de MR-scanner (Optioneel: alleen nodig als u wenst te vergelijken EEG Data Quality van binnen en buiten de MR scanner) Opzetten van de presentatie apparatuur en EEG-apparatuur buiten de scanner (op een plaats waar het magnetisch veld is laag). Zorg ervoor dat de setup is zoveel mogelijk gelijk aan die gebruikt in de MR scanner (in het bijzonder het onderwerp rugligging moeten zijn en een soortgelijk proces van stimulus presentatie moet worden gebruikt). Voer het experiment en de gegevens op dezelfde wijze als gebruikt in de scanner (zie hoofdstuk 4) opnemen. 4. Opzetten Onderwerp up Binnen de MR-scanner Vraag het onderwerp te zitten terwijl u set de EEG apparatuur in de MR-scanner kamer. Neem de versterker in de afgeschermde ruimte en plaats deze op een tafel aan de achterkant van de scanner. Bevestig de versterker om een ​​lange glasvezelkabel. Passeren de glasvezelkabel door de golfgeleider en bevestig deze aan de BrainAmp USB-adapter in de controlekamer (figuur 1). Registreer de patiënt in een MRI-scanner patiëntgegevens-base. Neem het onderwerp in de kamer en vraag hen op de scanner bed te liggen. Geef het onderwerp oordoppen, hoofdtelefoons en belknop, en ervoor zorgen dat ze zijn comfortabel. Leg het hoofd spoel boven het hoofd van de proefpersoon. Het EEG kabels moeten het hoofd spoel verlaat via de kortste weg mogelijk. Nu pad het hoofd van de proefpersoon aan het hoofd beweging te minimaliseren. Verplaats het onderwerp in de scanner droeg, ervoor te zorgen dat de elektroden Fp1 en Fp2 zijn bij isocentrum van de MR-scanner in de z-richting. Dit wordt normaal bereikt door de in deze twee elektroden met het licht dat used om het onderwerp te positioneren voordat ze de boring in te voeren. Bevestig de EEG dop op de versterker aan de achterzijde van de scanner. Zorg dat er geen draadlussen in de EEG leads (zo deze kan leiden tot verwarming en RF ook leiden grotere EEG artefacten worden geïnduceerd) en dat de bekabeling is geïsoleerd van MR scanner trillingen zoveel mogelijk, hier gebruiken we een vrijdragende ligger deze isolatie te bereiken. 5. Opname in de scanner Praat met het onderwerp van de console ruimte te bevestigen dat zij de scanner operator kan horen en zijn OK. Een tweede experimentator start de EEG-monitoring, controleren lawaaierige elektroden in de sporen, en de groene "Sync On" stip onder aan het scherm. De duidelijke effect van de cryo-pompen de opname te zien (zie figuur 2). Daarom schakelt deze pompen tijdens data-acquisitie, volgens richtlijnen van de fabrikant. Vraag het onderwerp naar e bewegeneir hoofd door een klein bedrag. Het belang om de kop nog blijkt uit de grote spanningen in de EEG-registratie als gevolg van kleine hoofdbewegingen. Test de registratie van neuronale activiteit door het onderwerp te vragen om hun ogen te openen en te sluiten. Kijk voor achterhoofd alfa-activiteit. Dit zal testen of u meet fysiologische signalen in plaats van lawaai. Als een alfa-signaal is te zien op een onderwerp (die optreedt bij sommige personen) is het mogelijk om te testen op neuronale activiteit door het uitvoeren van een korte termijn van de experimentele paradigma zonder MR scanner lopen en te zoeken naar de gemiddelde potentiële opgeroepen. De puls artefact is duidelijk te zien in de ruwe data (zie figuur 2) met name voor elektroden via tempels. Gebruik de ECG-trace om dit artefact in real time via RecView (of in post processing software pakketten) te corrigeren. Zodra elke MRI scan begint de gradienten veroorzaken grote voorwerpen in de EEG data. </ Em> Wanneer de fMRI experiment is klaar om te beginnen, – met de stimulus presentatie systeem in een kant staat – dan beginnen met het opslaan van de EEG-gegevens door het volgen van de aangegeven stappen. Nu start het experiment, het controleren dat de markeringen van de stimulus presentatie en de MR-scanner kan worden gezien in BrainVision Recorder. Hier de stimulus bestaat uit een full-field radiale dambord op 100% contrast. De omkering tarief is 2 Hz zodanig dat een opgewekte reacties zal zich elke 500 msec en een marker wordt geplaatst in het EEG-bestand bij elke afbeelding omkering. De EEG-gegevens de kwaliteit zal blijken te zijn zeer slecht, maar het kan worden gesaneerd, hetzij on-line in RecView of tijdens de nabewerking. Om het verloop artefact correctie te werken zonder de registratie van neuronale signalen dient de stimulus niet worden vergrendeld aan de TR en de frequentie van de stimulus moeten herhalingen niet gelijk zijn aan de slice herhalingsfrequentie zijn. Gradient artefact correctie mUST worden uitgevoerd voorafgaand aan pulse artefact correctie (zie figuren 3 en 4). Gegevens kunnen dan gesegmenteerd naar stimulus en geanalyseerd met talrijke technieken de eenvoudigste waarvan gemiddeld voor onderzoek opgewekte responsen (zie figuur 6). 6. Debriefing het onderwerp Zodra het scannen is voltooid, neem het onderwerp uit de scanner en hen helpen af ​​te nemen van de EEG cap. Laat ze hun haar wassen. Ze zijn nu vrij om te vertrekken. 7. Opruimen aan het eind van het experiment Inpakken van de EEG apparatuur zoals vereist door uw laboratorium. Als de MR fabrikant het vereist, zorg ervoor dat de synchronisatie hardware is aangesloten op het einde van elke sessie en niet overgelaten aan de scanner elektronica. Tenslotte moeten de EEG kap gereinigd. Om dit te doen, genieten van de dop in water (normaal voor ca.oximately 5 min) of een water en ontsmettingsmiddel mengsel (het ontsmettingsmiddel worden geselecteerd op basis van relevante pathogeen spectrum en desinfecterende aanbeveling van de fabrikant dop. Sluitertijd en concentratie desinfectiemiddel moeten de richtlijnen van de fabrikant van het middel te volgen.). Maak dan gebruik van een tandenborstel om weg te reinigen resterende gel. Het is zeer belangrijk om de kap volledig te saneren om de goede uitvoering van de kap zorgen tijdens het latere. 8. Analyse Hier real time EEG-analyse aangetoond, maar het is mogelijk en doorgaans wenselijk na te bewerken de EEG data. Dit kan op een aantal analysepakketten zoals Brain Products Analyzer 2 of EEGLAB. Gradiënt en pulse artefact correctie kan worden uitgevoerd met verschillende methoden, zoals: gemiddelde artefact aftrekken 18,19 (gebruikt voor gradient correctie en vaak gebruikt voor puls artefact correctie), zelfstandig onderdeel anallyse 20,21 of optimale basis zet 22 (voor puls artefact correctie). Gegevens kunnen vervolgens worden geanalyseerd in de tijd of frequentiedomein te kijken naar reacties van de consument en de lopende oscillerende activiteit. Hier namen we de ECG-trace met de Brain Producten systeem om informatie die nodig is voor de puls artefact correctie te verkrijgen. In de standaardopstelling het ECG wordt vastgelegd met behulp van een specifieke elektrode geplaatst op de rug van het subject. In ons lab gebruiken we ook een niet-standaard oplossing, die een vectrocardiogram aanwendt om het hart traceren genereren (deze oplossing is alleen beschikbaar met de Philips fysiologische bewakingsapparatuur). We hebben ontdekt dit kan handig zijn als een schoon spoor niet kan worden verkregen met behulp van de conventionele ECG set-up.

Representative Results

Figuur 3 toont de signaalkwaliteit te verwachten wanneer er geen artefact correctie uitgevoerd. Het is duidelijk dat neuronale activiteit wordt verduisterd. Figuur 3C toont dat het verloop artefact optreedt bij verschillende frequenties die harmonischen van de frequentie van segment acquisitie in de fMRI sequentie, verspreid over het gehele frequentiebereik van de opname. Figuur 4 toont de puls artefact die wordt onthuld zodra de gradiënt artefact is verwijderd met behulp van de post-processing methode van gemiddelde artefact aftrekken in Analyzer 2 (versie 2.0.2). Het is duidelijk dat er een aanzienlijke ruimtelijke variatie van dit artefact en O1, een van de kanalen van belang voor deze visuele experiment, wordt een bijzonder grote puls artefact. Deze artefact heeft een lagere frequentie dan de gradiënt artefact (vooral onder 10 Hz – figuur 4C) en is gekoppeld aan de hartactiviteit 5 toont. de EEG data kwaliteit die bereikt kan worden na verloop en puls artefact correctie; hier de pols artefact werd gecorrigeerd met behulp van gemiddelde artefact aftrekken in Analyzer 2 en de R-toppen van de cardiale golfvorm werden ontdekt uit de ECG-trace. Het is duidelijk dat de amplitude van de resterende signalen veel kleiner en dus neuronale signalen niet langer zichtbaar maken, zoals blijkt uit de opgewekte responsen verkregen in figuren 6 en 7. Figuur 6 toont een typische opgewekte respons op gemiddelde over alle 300 stimuli. Echter, de variabiliteit van deze reactie in blokken worden gezien in fig. 7 en is deze natuurlijke en onvoorspelbare variaties in neuronale reacties die kunnen worden gebruikt om correlaties tussen BOLD en EEG reacties ondervragen bij gelijktijdige opnamen uitgevoerd. s/ftp_upload/50283/50283fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50283/50283fig1.jpg "/> Figuur 1. Een schematisch diagram van de opzet van het EEG apparatuur en de vereiste aansluitingen tussen hardware, zoals beschreven in het protocol. hier grotere afbeelding te bekijken . Figuur 2. Fourier-transformatie van het op een onderwerp stilliggen de cryo-pompen (rood) en uit (zwart) voor een representatieve kanaal (P7) opgevangen signaal. <strong> Figuur 3 Tien seconden van ruwe EEG-gegevens geregistreerd tijdens gelijktijdige MRI op 16 verschillende kanalen (A);. gericht op 5 seconden van gegevens van Oz (B);. met de bijbehorende Fourier transformatie (C) Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken . Figuur 4 Tien seconden EEG data die op 16 verschillende kanalen bij gelijktijdige MRI getoond na verloop artefact correctie met AAS op 16 verschillende kanalen (A). Gericht op 5 seconden van gegevens van Oz (B), met de bijbehorende Fourier transformatie (C </strong>). Klik hier voor een grotere afbeelding te bekijken . Figuur 5. Ten seconden EEG data opgeslagen on16 verschillende kanalen tijdens gelijktijdig fMRI, getoond na verloop en puls artefact correctie met AAS (A), gericht op 5 seconden van gegevens van Oz (B), met de bijbehorende Fourier transformatie (C). Klik hier om de grotere afbeelding . <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "altijd"> Figuur 6. Gemiddeld EEG evoked response (300 gemiddelden) voor de kanalen 01 en 02 (links) en bijbehorende topografische kaart voor de P120 (rechts). Figuur 7. Variatie van evoked respons over blokken voor kanaal O1 (reacties zijn gemiddeld binnen 30 sec blokken).

Discussion

Algemeen advies Sinds de fysieke indeling van alle scanner kamers is verschillend erkennen wij dat u niet in staat zijn om uw EEG versterkers positioneren buiten de boring van de magneet. In dit geval is een goed compromis is de versterker op een wollen rubberen kussen, om ze los te koppelen van de scanner trillingen zoveel mogelijk. Als u vindt dat de gradiënt artefact correctie niet goed werkt, controleer dan de tijd tussen volume of slice markers, aangezien het waarschijnlijk is in dit geval dat de TR die ingang aan de MR console is geweest is niet precies de TR die wordt gegenereerd . In dit geval moet u contact opnemen met de desbetreffende MR-scanner fabrikant voor verdere assistentie.

De belangrijkste stappen in het proces van EEG data acquisitie tijdens gelijktijdige fMRI zijn die zijn genomen om ervoor te zorgen dat alle externe geluidsbronnen zijn geminimaliseerd (bv. pompen cyrocooler en de trillingen van de EEG-apparatuur). Om allow optimale verloop artefact correctie is het belangrijk dat de EEG en MR scanner klokken zijn gesynchroniseerd, het segment TR is een veelvoud van de scanner klokperiode en dat het onderwerp is optimaal gepositioneerd. Om optimale puls artefact correctie vele technieken vereisen een schone hart traceren waar R-pieken worden gedetecteerd, suggereren wij dat dit het best kan worden bereikt door een VCG, hoewel het ook mogelijk is met een goed gepositioneerd ECG. Als u het ECG dan wordt aanbevolen om deze plaats aan de basis van de naar de signaal-ruisverhouding te maximaliseren van de R-piek met het extra voordeel hiervan is een eenvoudiger plaats toegankelijk dan een locatie nabij het ​​hart 23. Positionering van de ECG-lead op de borst resulteert in beweging artefacten als gevolg van ademhaling worden toegevoegd aan het trace van deze voorsprong, maar waardoor ook de gradiënt artefact te keer over variëren. Dit kan resulteren in het spoor verzadigen en / of helling artefact correctie niet werken als gevolg template variabiliteiten wordt daarom niet aanbevolen.

Algemene discussie EEG-fMRI is een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van de hersenfunctie, zoals de hoge temporele resolutie van EEG kan worden gecombineerd met de hoge ruimtelijke resolutie van fMRI. Tot op heden zijn een aantal studies deze multimodale benadering gebruikt voor een beter begrip van de hersenfunctie krijgen. EEG-fMRI is toegepast op gezonde vrijwilligers, om de correlatie tussen oscillerende ritmes (gemeten met EEG) en bloedoxygenatie reacties (met BOLD fMRI) bijv. 2,3 onderzoeken. Het is ook bestudeerd worden of kenmerken van de opgewekte signaal kan de variantie in het BOLD signaal leggen op een trial-by-proef 4,5. In klinische studies het voornaamste gebruik van de techniek is de brandpunten van interictale epileptische lozingen die inherent moeilijk te lokaliseren niet-invasief 6,7 onderzoeken. Deze voorbeelden tonen de kracht van deze multimodale imaging tool. Echter, de studie van dergelijke fenomenen kunnen, is het belangrijk om toegang tot de best mogelijke kwaliteit van EEG en MRI gegevens. Hiervoor in de MR scanner is belangrijk om de beste experimentele opstelling en tevens de meest geschikte analysemethoden te kiezen. De optimale analysemethoden zal tot op zekere hoogte afhangen van de betrokken plaats onderzoek, zal de correctie methoden voor het verwijderen van artefacten. Bijvoorbeeld de grootte en het aantal bewegingen die hebben plaatsgevonden tijdens de opname de meest effectieve combinatie van algoritmes voor het verwijderen van het verloop artefact bepalen. Echter, de optimale experimentele set-up van de EEG en fMRI hardware is relatief onafhankelijk van specifieke onderzoeksvragen. De hier geschetste richtlijnen zijn daarom van algemene waarde en kan gevolgd worden in experimenten met verschillende EEG-en MR-scanner hardware dan vroeger.

Hier hebben we de overname methoden die Shoul aangetoondd worden gevolgd om hoge kwaliteit EEG en fMRI data te verwerven. We gebruikten een visuele stimulus op basis van een eerder werkzaam stimulus paradigma 24. Echter, dezelfde technieken voor data-acquisitie worden toegepast ongeacht het paradigma gebruikt om hersenactiviteit plaats te stimuleren. Bij het kiezen paradigma moet worden opgemerkt dat de kwaliteit van de EEG data die kunnen worden verkregen bij het opnemen in een MRI-omgeving met de technieken die momenteel beschikbaar zijn voor de gebruikers (en hier beschreven) nog plaats enkele beperkingen hersenactiviteit die kunnen worden onderzocht: zijn er bijzondere moeilijkheden bij het opnemen van EEG-activiteit in lage (<5 Hz) en hoge frequentie (> 80 Hz) bands waar residuele puls en gradiënt artefacten mogen verblijven. Bovendien moet erop worden genomen bij het kiezen van de paradigma zodat de mogelijkheid van beweging onder betrekking tot de te geminimaliseerd. Dit is een probleem omdat bewegingsartefacten in de EEG data vaak moeilijk om een ​​correcte en kleine voorwerpen kunnenmoeilijk om duidelijk te identificeren, hoewel ze nog steeds neuronale signalen kunnen domineren. Deze beweging artefacten kunnen leiden onechte maar plausibele correlaties met de fMRI gegevens 17.

Post-verwerkingsmethoden voor gelijktijdige EEG-fMRI zijn talrijk en als zodanig zijn de bespreking buiten de omvang van dit werk. Zoals eerder vermeld de gradiënt en pols artefact kan worden verwijderd met behulp van een aantal technieken die gemiddeld artefact aftrekken 18,19, onafhankelijke componenten analyse 20,21 omvatten, optimale basis sets 22 en bundelvormers 25. Vaak wordt een combinatie van deze werkwijzen kunnen worden toegepast 23 en dat van de werkwijzen is afhankelijk van factoren zoals de magnetische veldsterkte en de paradigma gebruikt. De optimale post-verwerkingsmethoden voor specifieke studie zal ook afhangen van de signalen om uit de data, of deze oscillerende ritmes cochlea kan invloed hebben op de potewerkgesteld st-verwerkingsmethoden.

Hoewel er aanzienlijke lopend onderzoek gericht verbeterde data-acquisitie en-analyse methoden voor gelijktijdige EEG-fMRI, is het al mogelijk, met behulp van de hier beschreven technieken, om belangrijke neurowetenschappen vragen die de combinatie van de hoge ruimtelijke resolutie van fMRI en de eisen beantwoorden uitstekende temporele resolutie van de EEG.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij willen graag Brain Products GmbH bedanken voor het verstrekken van hun apparatuur, expertise en hulp bij het opstellen van dit werk. We zouden ook graag Glyn Spencer, Universiteit van Nottingham, dank in het bijstaan ​​met de productie van de video. We hebben ook Techniek en Physical Science Research Council (EPSRC), EP/J006823/1 en Universiteit van Nottingham bedanken voor de financiering van dit onderzoek.

Materials

Name of Reagent/Material Company Catalog Number Comments
3T MR scanner     Here we use a Philips Achieva but any MR scanner should work.
BrainVision Recorder Brain Products GmbH BP-00010 1st License item
BrainVision RecView Brain Products GmbH BP-00051 basis module
BrainAmp MR plus Brain Products GmbH BP-01840 single amplifier
BrainAmp USB Adapter Brain Products GmbH BP-02041 BUA64
SyncBox Brain Products GmbH BP-02675 SyncBox complete
Fibre Optic cables and USB connectors Brain Products GmbH BP-02300 (FOC5) BP-02310 (FOC20) BP-02042 USB2 Cable) These come with the above listed equipment.
BrainCap MR EASYCAP GmbH BP-03000-MR 32 channel EEG cap for use in MR
Abralyte 2000 conductive Gel Brain Products GmbH FMS-060219 Conductive and abrasive gel to connect electrodes to scalp
Isopropyl Alcohol BP Brain Products GmbH FMS-060224 To be applied before Abralyte Gel. Isopropylalcohol 70% (60 ml)-for degreasing the skin
Cotton tipped swab Brain Products GmbH FMS-060234 For application of Abralyte and Isopropyl Alcohol. Cotton Swabs Non-sterile, 100 pieces
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kilner, J. M., Mattout, J., Henson, R., Friston, K. J. Hemodynamic correlates of EEG: A heuristic. Neuroimage. 28, 280-286 (2005).
  2. Goldman, R. I., Stern, J. M., Engel, J., Cohen, M. S. Simultaneous EEG and fMRI of the alpha rhythm. Neuroreport. 13, 2487-2492 (2002).
  3. Laufs, H. Endogenous Brain Oscillations and Related Networks Detected by Surface EEG-Combined fMRI. Human Brain Mapping. 29, 762-769 (2008).
  4. Debener, S., Ullsperger, M., Siegel, M., Engel, A. K. Single-trial EEG-fMRI reveals the dynamics of cognitive function. Trends in Cog. Sci. 10, 558-563 (2006).
  5. Eichele, T., et al. Assessing the spatiotemporal evolution of neuronal activation with single-trial event-related potential and functional MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 17789-17803 (2005).
  6. Lemieux, L. Electroencephalography-correlated functional MR imaging studies of epileptic activity. Neuroimaging Clinics of North America. 14, 487 (2004).
  7. Grouiller, F., et al. With or without spikes: localization of focal epileptic activity by simultaneous electroencephalography and functional magnetic resonance imaging. Brain. 134, 2867-2886 (2011).
  8. Debener, S., Mullinger, K. J., Niazy, R. K., Bowtell, R. W. Properties of the ballistocardiogram artefact as revealed by EEG recordings at 1.5, 3 and 7 Tesla static magnetic field strength. Int. J. of Psychophys. 67, 189-199 (2008).
  9. Yan, W. X., Mullinger, K. J., Brookes, M. J., Bowtell, R. W. Understanding Gradient Artefacts in Simultaneous EEG/fMRI. Neuroimage. 46, 459-471 (2008).
  10. Yan, W. X., Mullinger, K. J., Geirsdottir, G. B., Bowtell, R. W. Physical modelling of pulse artefact sources in simultaneous EEG/fMRI. Human Brain Mapping. 31, 604-620 (2010).
  11. Mullinger, K. J., Brookes, M. J., Stevenson, C. M., Morgan, P. S., Bowtell, R. W. Exploring the feasibility of simultaneous EEG/fMRI at 7 T. Magnetic Resonance Imaging. 26, 607-616 (2008).
  12. Mullinger, K. J., Yan, W. X., Bowtell, R. W. Reducing the Gradient Artefact in Simultaneous EEG-fMRI by Adjusting the Subject’s Axial Position. NeuroImage. 54, 1942-1950 (2011).
  13. Mandelkow, H., Halder, P., Boesiger, P., Brandeis, D. Synchronization facilitates removal of MRI artefacts from concurrent EEG recordings and increases usable bandwidth. Neuroimage. 32, 1120-1126 (2006).
  14. Mullinger, K. J., Morgan, P. S., Bowtell, R. W. Improved Artefact Correction for Combined Electroencephalography/Functional MRI by means of Synchronization and use of VCG Recordings. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 27, 607-616 (2008).
  15. Chia, J. M., Fischer, S. E., Wickline, S. A., Lorenz, C. H. Performance of QRS detection for cardiac magnetic resonance imaging with a novel vectorcardiographic triggering method. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 12, 678-688 (2000).
  16. Fischer, S. E., Wickline, S. A., Lorenz, C. H. Novel Real-Time R-Wave Detection Algorithm Based on the Vectorcardiogram for Accurate Gated Magnetic Resonance Acquisitions. Magnetic Resonance In Medicine. 42, 361-370 (1999).
  17. Jansen, M., et al. Motion-related artefacts in EEG predict neuronally plausible patterns of activation in fMRI data. Neuroimage. 59, 261-270 (2012).
  18. Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. A Method for removing Imaging Artifact from Continuous EEG Recorded during Functional MRI. Neuroimage. 12, 230-239 (2000).
  19. Allen, P. J., Poizzi, G., Krakow, K., Fish, D. R., Lemieux, L. Identification of EEG Events in the MR Scanner: The Problem of Pulse Artifact and a Method for Its Subtraction. Neuroimage. 8, 229-239 (1998).
  20. Briselli, E., et al. An independent component ballistocardiogram analysis-based approach on artifact removing. Magnetic Resoance Imaging. 24, 393-400 (2006).
  21. Mantini, D., et al. Complete artifact removal for EEG recorded during continuous fMRI using independent component analysis. Neuroimage. 34, 598-607 (2007).
  22. Naizy, R. K., Bechmann, C. F., Iannetti, G. D., Brady, J. M., Smith, S. M. Removal of fMRI environment artifacts from EEG data using optimal basis sets. Neuroimage. 28, 720-737 (2005).
  23. Eichele, T., Moosmann, M., Wu, L., Gutberlet, I., Debener, S., Ullsperger, M., Debener, S. . Simultaneous EEG and fMRI: recording, analysis and application. 1, (2010).
  24. Sandmann, P., et al. Visual activation of auditory cortex reflects maladaptive plasticity in cochlear implant users. Brain. 135, 555-568 (2012).
  25. Brookes, M. J., Mullinger, K. J., Stevenson, C. M., Morris, P. G., Bowtell, R. W. Simultaneous EEG source localisation and artifact rejection during concurrent fMRI by means of spatial filtering. NeuroImage. 40, 1090-1104 (2008).

Tags

Simultaneous EEG-fMRIGradient ArtifactPulse ArtifactMovement ArtifactRF HeatingExperimental ProtocolMR ScannerEEG SystemData AcquisitionArtifact CorrectionHigh Quality Data

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. Best Current Practice for Obtaining High Quality EEG Data During Simultaneous fMRI. J. Vis. Exp. (76), e50283, doi:10.3791/50283 (2013).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image