同時脳波(EEG)と機能的磁気共鳴画像(fMRI)は、強力な神経画像ツールです。しかし、MRIスキャナの内部には、スキャナ内部のEEG機器を操作するたびに、EEGデータ記録と安全性を考慮しなければならないため困難な環境を形成している。ここでは、最適化されたEEG-fMRIのデータ収集プロトコルを提示します。
同時は、EEG-fMRIのEEGの優れた時間分解能がfMRIの高空間精度と組み合わせることができるようになります。これら二つのモダリティからのデータは、多くの方法で組み合わせが、すべて高品質EEGとfMRIのデータの取得に依存することができる。同時fMRIの中に取得した脳波データは、強力な磁場の変動に起因する勾配アーチファクト(fMRIのために必要な変化磁場勾配に起因する)、パルスアーチファクト(心周期にリンク)と動きのアーチファクト(含むいくつかのアーティファクトの影響を受けているスキャナ、筋活動)の分野。正常勾配パルスアーチファクトを補正するための後処理方法は、データ取得時に満たすべき基準の数を必要とする。 EEG-fMRIの中に頭部の動きを最小限に抑えることも、アーティファクトの生成を制限するために不可欠です。
MRIと目に必要な無線周波数(RF)パルス間の相互作用電子EEGハードウェアが発生し、発熱を引き起こす可能性があります。安全上の注意事項が満たされていない場合はこれが唯一の重要なリスクである。 MRシーケンスは、本EEGハードウェアで実行されるハードウェアの設計とセットアップだけでなく、慎重に選択することは、したがって、考慮する必要があります。
上記の問題は、同時EEG-fMRIの実験を行う際に使用される実験的なプロトコルの選択の重要性を強調する。以前の研究に基づいて、私たちは、最適な実験のセットアップについて説明します。これは最小限に被写体までの安全上のリスクと、商業EEGとfMRIのシステムを使用して同時fMRIの中に高品質脳波データを提供します。我々は、単純な視覚刺激を用いたEEG-fMRIの実験でこのセットアップを示しています。しかし、はるかに複雑な刺激を使用することができる。ここではあるが、フィリップスAchievaで(ベスト、オランダ)3T MRスキャナと一緒に脳製品GmbH(以下Gilchingの、ドイツ)MRplus、32チャネルEEGシステムを使用して、EEG-fMRIのセットアップを示して技術の多くは、他のシステムに転送されています。
同時脳波(EEG)と機能的磁気共鳴画像(fMRI)は、EEGの優れた時間分解能は、fMRIの高空間精度と組み合わせることができるようになります。そこにこれら二つのモダリティからのデータを組み合わせることができる方法1の数がありますが、すべてが高品質EEGとfMRIのデータの取得に依存しています。現在までに、EEG-fMRIの同時は振動リズム(脳波で測定)と血液酸素応答との間の相関(血液酸素化レベル依存(BOLD)fMRIのを使用して) 例えば 2,3を研究するために使用されています。また、誘発された信号の特性が4,5トライアル·バイ·試験的にBOLD信号の差異を説明することができるかどうかを研究するために使用されている。臨床試験で技術の主な用途は、手術計画に役立ちます発作てんかん放電の巣を調査するためにされて、現在は非侵襲的に局在することが困難であるた6,7。所望されるEEGとfMRIのデータの融合を達成するためには、両方のモダリティからの高品質なデータを有することが不可欠である。しかし、同時fMRIの中に取得した脳波データが強いの動きに起因する勾配アーチファクト(fMRIのために必要な変化磁場に起因する)、パルスアーチファクト(心周期にリンク)と動きのアーチファクト(含む、いくつかのアーティファクトの影響を受けている磁気スキャナの分野だけでなく、筋活動など)。これらの成果物は、関心のあるニューロンの活動よりもかなり大きいので、縮小(ソースで)とアーチファクトの補正(後処理経由)の両方EEG-fMRIの同時の実装を成功を可能にするために必要とされる。
勾配パルスアーチファクトを補正するための現在利用可能な後処理方法は、高品質EEGデータを生成するために、データ収集中に満たすべき基準の数を必要とする。以前の十年間OPTimal高品質なデータを記録するためのセットアップの実験は8-10が改善されているアーティファクトの原因の我々の理解として発展してきたと我々はソース11,12でアーチファクトを低減するように実験方法を変更する方法を学びましたし、改善するために後処理補正アルゴリズムの性能。これらの開発は、スキャナクロック13,14と伝統的なECGよりクリーン心臓トレースを提供するvectocardiogram 15,16の使用の同期を通じて勾配波形のサンプリングを改善しています。 vectocardiogramトレースは14-16を採用厳しいローパスフィルタと胸に置か四つの電極から導出されます。その結果、トレースは勾配のアーティファクトによって相対的に影響を受けず、Rピークの検出が容易に血流アーチファクトに鈍感である。しかし、vectocardiogramを記録する機能は、すべてのMRIスキャナでは利用できませんので、これだけSで簡単に言及されますtudy。アーティファクトとデータの厳しいクリーニングの最小化の重要性は、細心の注意が全体にとられていない場合は偽の成果を、EEGデータに記録されているモーションアーチファクトが目的のタスクに無関係BOLD活性と相関させることができるという最近のデモで強調されている実験のプロセス17。
ここに示された方法は、商業的に供給されたEEG機器とともに、広く入手可能であるMRハードウェアおよびパルスシーケンスを使用して、同時に高品質EEGとfMRIのデータを得るための現在の最適なアプローチを表す。示唆取得方法の実装では、適切な後処理方法の使用に関連して、重要な神経の質問の数に答えるために使用することができるEEGとfMRIのデータが得られます。
すべてのスキャナ室の物理的なレイアウト以来、 一般的なアドバイスは、我々 はあなたが磁石のボア外にあなたの脳波アンプを配置することができない場合があることを認識とは異なります。この場合、適切な妥協点は、できるだけスキャナ振動からそれらを分離するように厚いゴム製のパッドの上にアンプを配置することです。あなたは勾配アーチファクト補正がうまく機能していないことが判明した場合、それはMRコンソールに入力されたTRが正確に生成されているTRではないことを、この場合に可能性があるように、ボリュームまたはスライスマーカー間の時間を確認。このケースでは、それ以上の援助のために、関連するMRスキャナの製造元に連絡する必要があります。
同時fMRIの中のEEGデータ収集の過程で最も重要なステップは、すべての外部ノイズ源が(cyrocoolerポンプおよびEEG機器の振動など )が最小化されていることを確認するために取られたものである。アロへそれはEEGとMRスキャナクロックが同期していることを確認することが重要であるwの最適な勾配アーチファクト補正、スライスTRは、スキャナクロック周期の倍数であり、被写体が最適に位置決めされる。それは十分に位置するECGリード線でも可能であることを確認するために、最適なパルスアーチファクト補正多くの技術がクリーン心臓のトレースを必要とするR-ピークを検出することができるから、我々は、これが最良VCGを用いて達成され得ることを示唆している。 ECGを使用している場合、それは、これが心臓23に近い位置よりもアクセスしやすく、サイトであることの利点を持つR-ピークの信号対雑音比を最大化するためにバックのベースにこれを配置することを推奨します。このリードからのトレースと同様、勾配アーティファクトが経時的に変化させるに追加されている呼吸によるモーションアーチファクトで胸の結果についてのECGリードを配置。これが原因でテンプレート変動に動作していないトレース飽和および/または勾配アーチファクト補正をもたらすことができしたがって、推奨されません。
EEGの高い時間分解能がfMRIの高空間分解能と組み合わせることができますようにEEG-fMRIの総合討論では 、脳機能を研究するための強力なツールです。今日まで、多くの研究は、脳機能の理解を深めるために、このマルチモーダルアプローチを使用している。 EEG-fMRIの振動リズム(EEGを用いて測定)、および血液酸素応答(fMRIのBOLDを使用して)、例えば 2,3間の相関関係を調査するために、健常ボランティアに適用されている。また、誘発された信号の特性が4,5トライアル·バイ·試験的にBOLD信号の差異を説明することができるかどうかを研究するために使用されている。臨床試験で技術の主な用途は、非侵襲的に6,7をローカライズするために本質的に困難である発作てんかん放電の巣を調査してきました。これらの例では、このマルチモーダルIMAGの力を発揮るツールです。しかしながら、このような現象の研究を可能にするためには、EEGとMRIデータの最良の品質へのアクセスを有することが重要である。 MRスキャナの内部にこれを達成するには、最高の実験的なセットアップし、また最も適切な分析方法を選択することが重要である。補正方法は、アーチファクトの除去に使用するように最適な分析方法は、ある程度、関心のある研究課題に依存するであろう。例えば、記録時に発生した動きの大きさと数は、グラデーションのアーチファクトを除去するためのアルゴリズムの最も効果的な組み合わせを決定する。しかし、EEGとfMRIのハードウェアのセットアップに最適な実験は、特定の研究課題は比較的独立しています。ここで説明するガイドラインは、一般的な価値のゆえであり、我々が使用するものとは異なる脳波とMRスキャナのハードウェアを用いた実験で追跡することができる。
ここでは、shoul取得方法を実証している高品質EEGとfMRIのデータを取得するために従うべきと思います。我々は以前に採用刺激パラダイム24に基づいて視覚刺激を使用していました。しかし、データ取得のための同じ技術は、関心のある脳活動を刺激するために使用パラダイムに関わらず適用することができる。あなたのパラダイムを選択する際には、MR環境内で記録するときに、ユーザー(とここで説明)に、現在利用可能な技術で達成できるEEGデータの品質は、まだ勉強することが脳の活動に、いくつかの制約を置いていることに注意すべきである:ローに脳波を記録中の特定の難しさ(<5 Hz)で、高周波(> 80 Hz)の残留パルスと勾配のアーティファクトが存在する可能性があるバンドがあります。パラダイムを選択する際にタスクに関連する被写体の動きの可能性が最小化されるように、また、注意が必要である。 EEGデータにおけるモーションアーチファクトが頻繁に補正することが困難であり、小さなアーティファクトができるため、これは問題である彼らはまだ神経シグナルを支配するかもしれないが、明確に特定することは困難。これらのモーションアーチファクトは、fMRIのデータ17とスプリアスが、もっともらしい相関を引き起こす可能性があります。
同時EEG-fMRIのための後処理方法は数多くあり、そのような彼らの議論として、この仕事の範囲を超えています。前述のように勾配パルスアーティファクトが平均アーチファクト減算18,19、独立成分分析20,21を含む多数の技法を用いて除去することができ、最適な基礎は、ビームフォーマ22および25を設定する。しばしば、これらの方法の組み合わせが23を採用し及び方法の性能は、このような磁場の強さおよび使用さパラダイムなどの要因に依存することができる。特定の研究のための最適な後処理方法はまた、経口に影響を与える可能性があり、これらは振動リズム又は誘発電位であるかどうか、データから抽出する信号に依存する採用ST-処理方法。
同時EEG-fMRIのための改善されたデータ収集と分析方法をターゲット相当に進行中の研究がある一方で、それはfMRIのと、高空間分解能の組み合わせを必要とする重要な神経科学の質問に答えるために、ここで説明した技術を使用して、すでに可能です。 EEGの優れた時間分解能。
The authors have nothing to disclose.
我々はこの仕事の生産に自社の機器、専門知識と援助を提供するために脳の製品GmbH社に感謝したいと思います。また、ビデオの制作を支援にグリンスペンサー、ノッティンガム大学、感謝したいと思います。また、この研究に資金を供給するための工学物理科学研究評議会(EPSRC)、EP/J006823/1とノッティンガム大学に感謝します。
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 |