Zuverlässige Erfassung von Elektroenzephalographiedaten während der simultanen Elektroenzephalographie und funktionellen MRT

Die Forschungsethikkommission des Osaka University Hospital und die Sicherheitskommission des Center for Information and Neural Networks (CiNET) genehmigten das Protokoll (Osaka University Hospital Approval Nos. 18265 and 19259; CiNET-Zulassungs-Nr. 2002210020 und 2002120020). Alle Probanden gaben eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung für ihre Teilnahme. 1. Vorbereitung des Versuchsaufbaus Schließen Sie die MRT-kompatiblen EEG- und bipolaren Verstärker an die Akkupacks (stellen Sie sicher, dass sie vollständig geladen sind) und an den Aufnahmecomputer an. Stellen Sie sicher, dass der Arbeitsbereich der Aufnahmesoftware korrekt eingerichtet ist. Stellen Sie die Amplitudenauflösung auf 0,5 μV ein, um eine Sättigung des Verstärkers zu vermeiden. Stellen Sie die Frequenzfilter entsprechend dem interessierenden Frequenzband ein. Stellen Sie die Abtastrate auf 5.000 Hz ein (maximal möglich für die in diesem Protokoll verwendeten Verstärker), unabhängig vom interessierenden Frequenzband.HINWEIS: Die Amplitudenauflösung bei 0,5 μV entspricht einem Maximalwert von 16,38 mV, was ausreicht, um das Gradientenartefakt aufzuzeichnen, wenn man bedenkt, dass Gradientenartefaktspitzen bei hohen Geschwindigkeiten (>1.000-fach schneller als die Änderungsrate des laufenden EEG) Mehr als die des spontanen Kopfhaut-EEG (ca. 10-100 μV) erreichen können. Theoretisch sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein (Nyquist-Theorem) wie die höchste Frequenz im Gradientenschaltspektrum, um die hochfrequenten Gradientenschaltartefakte genau abzutasten und den tatsächlichen Beginn der Gradientenaktivität jedes Volumes für die anschließende Entfernung zu erkennen12,18. Die Erhöhung der Abtastrate führt jedoch zu großen Dateigrößen, die erhebliche Investitionen in die Datenspeicherung erfordern und auch die nachfolgende Nachbearbeitung behindern können. Durch die Verwendung des Synchronisierungsgeräts ist es nicht erforderlich, die Abtastrate zu erhöhen, um die Synchronisation zwischen EEG- und MR-Takten zu verbessern (siehe Schritt 1.4). Eine Abtastrate von 5.000 Hz ist für übliche EEG/ereignisbezogene Potenzialaufzeichnungen (ERP) ausreichend, und höhere Abtastraten verbessern die Datenqualität nicht, da der anschließende Artefaktkorrekturprozess, der eine Abtastung der Daten auf eine Frequenz unter 500 Hz und eine zusätzliche Tiefpassfilterung beinhaltet, alle hochfrequenten Gradientenkorrekturrückstände eliminiert, die möglicherweise vorhanden sind18. Einzelheiten zu den richtigen Einstellungen der für die EEG-Erfassung im MRT erforderlichen Aufzeichnungssoftware finden Sie im Handbuch, das sich von dem außerhalb des MRT unterscheidet. Prüfen Sie, ob Marker des Scanners, also die Marker für die Taktsynchronisation (sync on by default) und den Lautstärkeauslöser (standardmäßig R128), periodisch in der Online-EEG-Aufzeichnung angezeigt werden. Die angezeigte Synchronisierung zeigt an, dass mrt-Scanner und EEG-Uhren synchronisiert sind, und R128 zeigt an, dass die Lautstärkeauslöser für die nachfolgende Nachbearbeitung aufgezeichnet werden. Der MRT-Scanner und die EEG-Uhren werden mit dem SyncBox-Gerät synchronisiert, das den Scanner-Taktausgang (normalerweise 10 MHz und höher) erkennt, Heruntersamples und das Taktsignal (und die Synchronisationsmarker) an die USB2-Schnittstelle ausgibt.HINWEIS: Die USB2-Schnittstelle sendet die EEG-Daten von allen Verstärkern, die phasengebunden an das Scannertaktsignal sind, an den Aufnahmecomputer18. Periodische Synchronisierung auf Markern sind Auslöser, die vom elektrischen Impuls des Scanners generiert werden, um die EEG-Signalabtastung durch die MR-Scannerrate zu synchronisieren, eine Voraussetzung für die Korrektur von Scannerartefakten. Volume-Trigger werden verwendet, um die Beginnzeit des MR-Volume-Scans für die Korrektur von Scannerartefakten während der Offline-EEG-Verarbeitung zu identifizieren19. Richten Sie den MRT-Scanner entsprechend dem Bedarf und der Verfügbarkeit ein. Es ist am besten, eine Sende- und Empfangskopf-Hochfrequenzspule (RF) zu verwenden, um das Risiko einer HF-Erwärmung zu minimieren. Allerdings wurden hier eine Ganzkörper-Sende-HF-Spule und eine 20-Kanal-Head-Nur-RF-Spule verwendet, da für den verwendeten Scanner keine Sende- und Empfangskopfspule zur Verfügung stand (typischerweise der Fall bei den meisten modernen Scannern). Laden Sie eine 10-ml-Spritze (oder je nach Bedarf mehrere) mit dem abrasiven leitfähigen Gel zum Auftragen der EEG-Kappe. Man könnte das abrasive Gel in einer 50-ml-Kunststoffspritze mit großer Kapazität für die Flüssigkeitsabgabe vorladen und die 10-ml-Spritze vor der Ankunft des Probanden mit dem Gel füllen.HINWEIS: Die Anwendung einer 32-Kanal-EEG-Kappe verbraucht typischerweise etwa 20-25 ml Gel. 2. Anbringen der EEG-Kappe und der EKG-Elektrode Bitten Sie das Subjekt bei der Rekrutierung, eine Checkliste mit möglichen Kontraindikationen für die MRT auszufüllen. Bestätigen Sie, dass das Subjekt keine Kontraindikationen für MRT vor der Ankunft hat.HINWEIS: Im Allgemeinen kann jedes Subjekt, das sich für die MRT qualifiziert, an einer EEG-fMRT-Studie teilnehmen. Die Ausschlusskriterien sind: nicht kooperative oder nicht konforme Subjekte; solche mit Grunderkrankungen (z. B. chronische Rückenschmerzen), die sie daran hindern, für einen bestimmten Zeitraum (typischerweise mindestens 1 h) in Rückenlage zu liegen; oder Probanden, die während des Scans möglicherweise nicht still auf dem MRT-Tisch liegen können. Bewegung beeinträchtigt nicht nur die Qualität von EEG- und fMRT-Daten, sondern stellt auch eine potenzielle Gefahr für die Probanden selbst dar (z. B. induziert Strom in den Drähten und Kabeln, der Stimulation verursachen kann). Beim aufgabenbasierten Erwerb sollte auch die Sprachverständnisfähigkeit des Subjekts berücksichtigt werden (vermeiden Sie Probanden, die die Anweisungen nicht verstehen können). In dieser Studie wurden 32 gesunde Freiwillige (Mittleres Alter, 40 Jahre; 17 Frauen) und 25 Patienten mit Epilepsie (Mittleres Alter, 31 Jahre; 13 Frauen) rekrutiert. Bitten Sie die Probanden, ihre Haare vor der Ankunft mit Shampoo ohne Conditioner oder Wachs zu waschen. Erklären Sie dem Probanden den Zweck des Experiments und die nächsten Schritte. Messen Sie den Kopfumfang (d. h. den okzipitalen Frontalumfang), indem Sie ein flexibles, nicht dehnbares Maßband um den Kopf über die supraorbitalen Grate und den Hinterhaupt wickeln und eine entsprechend große Kappe auswählen. Verwenden Sie eine Kappe, die 1 cm größer als der Kopfumfang ist, und fragen Sie das Subjekt immer, ob die Kappe nach dem Einsetzen bequem ist (dh nicht zu eng). Nachdem Sie die Kappe an der ungefähren Position über dem Kopf des Probanden mit demselben Maßband platziert haben, messen Sie die Längen des Inion-Nasion-Bogens, definiert als der Bogen über die Mittellinie des Kopfes, der sich vom Hinterhaupt bis zum Nasenrücken erstreckt, und den periaurikulären Bogen, definiert als der Bogen, der sich zwischen den Ohren erstreckt und den Mittelpunkt des Inion-Nasion-Bogens kreuzt. über der Kappe. Markieren Sie den Schnittpunkt des Inion-Nasion-Bogens und des periaurikulären Bogens (der Punkt, an dem sich die Mittelpunkte beider Bögen treffen, AKA Cz), und schieben Sie die Kappe über den Kopf, so dass die Position der Elektrode Cz an diesen Schnittpunkt angepasst wird. Stellen Sie sicher, dass die Kappe nicht horizontal gedreht wird, indem Sie manuell überprüfen, ob die Elektroden Fz, Pz, Oz, Referenz und Masse über dem Ionen-Nasion-Bogen positioniert sind. Legen Sie die Haut unter jeder Elektrode frei, indem Sie das Haar mit der Rückseite eines Wattestäbchens zur Seite der Elektrode verschieben. Reiben Sie die Haut unter jeder Elektrode, indem Sie schnell einen Wattestäbchen mit 70% igen Alkohollösung durch die Öffnung der Elektrode drehen. Tragen Sie eine kleine Menge des abrasiven leitfähigen Gels (~ 0,2 ml) in die Öffnung auf und schleifen Sie die Haut ab, indem Sie einen Wattestäbchen auf ähnliche Weise schnell drehen. Überwachen Sie die Impedanz der Elektrode (angezeigt von der Aufzeichnungssoftware) und wiederholen Sie den Abrieb wie in Schritt 2.8 angegeben, bis die Impedanz mindestens unter 20 kΩ20fällt, vorzugsweise so niedrig wie möglich (unter 5 kΩ)21. Füllen Sie die Öffnung mit dem gleichen Gel (normalerweise ~ 0,5 ml), sobald die Impedanz zufriedenstellend ist. Tragen Sie kein übermäßiges Gel in die Öffnung auf, um eine Überbrückung zwischen den Elektroden zu vermeiden. Wechseln Sie zur nächsten Elektrode, wenn die Impedanz trotz wiederholtem Abrieb unbefriedigend ist, und kommen Sie später zurück, da die Impedanz manchmal nach dem Auftragen des Gels mit der Zeit weiter abfällt. Wiederholen Sie die Schritte 2.6-2.9 für alle EEG-Elektroden der Kopfhaut. Bevor Sie die EKG-Elektrode auf der Rückseite platzieren, bitten Sie das Subjekt, aufrecht zu sitzen, ohne den Hals zu beugen. Stellen Sie sicher, dass der EKG-Elektrodendraht gerade ist, wenn Sie die EKG-Elektrode auf der Rückseite platzieren, aber halten Sie etwas Für das Verlegen des EKG-Elektrodendrahts entlang der Halskurve, um eine Verschiebung der Elektrode zu vermeiden, wenn das Subjekt auf dem MRT-Tisch liegt. Platzieren Sie die EKG-Elektrode 2-3 cm links von der mittleren Furche, die als vertikale Vertiefung entlang der Mittellinie des Rückens identifiziert werden kann. Die vertikale Position variiert je nach Höhe des Motivs; Es ist typischerweise auf dem unteren Rücken ungefähr auf der Linie positioniert, die sich zwischen den Spitzen des Schulterblattes in einem Subjekt von etwa 160 cm erstreckt. Reiben Sie die Haut unter der EKG-Elektrode mit einem Alkoholtupfer ein. Befestigen Sie die EKG-Elektrode mit einem doppelseitigen Klebering an der Haut und wiederholen Sie die Schritte 2.8-2.9. Der Klebering dient auch als Polsterung, um einen direkten Kontakt der Elektrode mit der Haut zu vermeiden. Falten Sie den trockenen Alkohol-Wattestäbchen in vier und legen Sie ihn auf die EKG-Elektrode. Kleben Sie es mit einem chirurgischen Klebeband (medizinisches Klebeband) auf die Haut. Kleben Sie den EKG-Elektrodendraht auf die Haut bis zur Schulter. 3. Wenden Sie die Kohlenstoffdrahtschleife an (wenn ein bipolarer Verstärker verfügbar ist) Legen Sie einen Satz vorgeflochtenen Kohledraht (Durchmesser 1 mm)9, bestehend aus sechs Schlaufen (Durchmesser 10 cm), über die Kappe in einer Position, in der das Bündel der Drähte parallel zum Bündel der Elektroden auf der Oberseite des Kopfes verläuft. Verwenden Sie chirurgisches Klebeband (1 x 2 cm), um die Schleifen um die Elektroden zu sichern, so dass die Schleifen den Kopf bedecken, wobei jede Schlaufe gleichmäßig fast einen gleichen Bereich bedeckt (dh sowohl die fronto-temporale, sowohl die temporo-okzipitale, die okzipitale als auch die Vertex). Alternativ könnte man die Schleifen auch ggf. an die EEG-Kappe nähen.HINWEIS: Die Carbon-Drahtschlaufen auf dem Kopf dienen dazu, Bewegungen zu erfassen, einschließlich Ballistokardiogramm (BCG). Diese Signale werden für die Entfernung von BCG-Artefakten aus dem EEG während der Offline-EEG-Verarbeitungverwendet 9. 4. Sicherung der Kappe und der Carbon-Draht-Schleifen Achten Sie darauf, dass die EEG-Elektroden keine Schleifen bilden. Wickeln Sie den Kopf des Probanden mit einer elastischen Bandage über die EEG-Kappe und die Kohlenstoffschleifen. Der Verband dient dazu, die EEG-Elektrode fest auf die Haut zu drücken, die durch MRT-Maschinen induzierte Vibration der Elektroden zu reduzieren und zu verhindern, dass das Gel beim Einlegen des Motivs in den MR-Scanner auf das Kissen verschüttet wird (siehe Schritt 5). Stellen Sie sicher, dass der Verband alle Elektroden bedeckt und nicht zu fest ist, indem Sie fragen, ob das Subjekt beim Anlegen des Verbandes einen unangenehmen Druck auf den Kopf verspürt. 5. Platzieren des Motivs in den MR-Scanner Im Falle einer Ruhezustandserwerbung weisen Sie das Subjekt an, MRT-kompatible Ohrhörer in den Ohren anzuwenden. Im Falle einer aufgabenbasierten Erfassung weisen Sie den Probanden an, das MRT-kompatible Headset oder die Kopfhörer gemäß den Anforderungen des Experiments anzuwenden. Stellen Sie sicher, dass das Motiv durch beide Seiten des Headsets oder kopfhörers hören kann. Legen Sie ein MRT-kompatibles flaches Memory-Foam-Kissen in die untere Hälfte der Kopfspule, bevor Sie das Subjekt bitten, sich hinzulegen und den Kopf in die Spule zu legen. Nachdem Sie den Kopf entsprechend positioniert haben (Oberseite des Kopfes so nah wie möglich an der Oberseite der Kopfspule platziert), legen Sie die Elektrode und die Kohledrahtbündel gerade durch die obere Öffnung der Kopfspule. Fügen Sie Memory-Foam-Kissen an der Oberseite des Kopfes, der Stirn und des Schläfenbereichs hinzu. Die Kissen sollten alle verbleibenden Räume innerhalb der Kopfspule angemessen ausfüllen und den Kopf des Probanden nicht zu fest komprimieren. Stellen Sie sicher, dass die Kissen den Kopf nicht zusammendrücken, während Sie die obere Hälfte der Kopfspule platzieren und die Spule schließen. Stellen Sie die Kissen ein oder wechseln Sie zu kleineren Kissen, wenn Sie zu eng sind. Auf diese Weise dienen die Kissen dazu, die Elektrodendrähte zu halten, um die durch MRT-Maschinen induzierten Vibrationen an den Elektrodendrähten zu reduzieren und kopfbewegungen zu zügeln, während der Komfort des Probanden während des Scans erhalten bleibt. Legen Sie ein halb zylinderförmiges Memory-Foam-Kissen in den Nacken, so dass der EKG-Elektrodendraht gut zwischen dem Kissen und dem Nacken eingeklemmt ist. Der Teil des EKG-Elektrodendrahtes, der hinten unterhalb der Schulter verläuft, ist tatsächlich zwischen der Rückseite des Probanden und dem MRT-Tisch eingeklemmt und wird somit durch das Eigengewicht des Probanden immobilisiert. Stellen Sie bei einer aufgabenbasierten Erfassung nach dem Platzieren aller Memory-Foam-Kissen sicher, dass das Headset oder die Ohrhörer nicht verschoben werden, indem Sie erneut testen, ob das Subjekt noch durch beide Seiten des Headsets oder der Ohrhörer hören kann. Nachdem Sie die Kopfspule geschlossen haben, platzieren Sie den Spiegel und weisen Sie das Motiv an, den Spiegel einzustellen (im Falle der Aufgabe, die visuelle Reize erfordert). Weisen Sie das Subjekt an, den Spiegel bei Bedarf einzustellen, nachdem Sie den Tisch bewegt haben, um den Kopf des Probanden im Isozentrum der MRT-Bohrung zu platzieren. Schließen Sie die Verstärker auf der Rückseite der MRT-Bohrung mit den mitgelieferten optischen Fasern an den im Konsolenraum platzierten Aufnahmecomputer an. Nachdem Sie die EEG/EKG-Elektroden und die Carbon-Wire-Schleifen an das EEG und die bipolaren Verstärker an der Rückseite der MRT-Bohrung angeschlossen haben, schalten Sie die Verstärker ein. Überprüfen Sie erneut die Impedanz aller Elektroden, um sicherzustellen, dass sie noch niedrig sind (mindestens unter 20 kΩ). Entfernen Sie das Motiv aus dem MR-Scanner zur Einstellung, wenn eine Elektrode mit hoher Impedanz vorhanden ist. 6. Konfiguration der Drähte und Verstärker Ordnen Sie alle Drähte zwischen dem Auslass der oberen Öffnung der Kopfspule und den Verstärkern (einschließlich der Elektroden und Kohledrahtbündel, der Anschlussbox und der Banddrähte) so an, dass sie gerade und in der Mitte der MRT-Bohrung platziert werden. Dies ist wichtig, um MRT-induzierten Strom zu minimieren. Legen Sie eine Kohlenstoffdrahtschleife um das Flachbandkabel, das von der EEG/EKG-Elektroden-Anschlussbox zum Verstärker führt, und verbinden Sie alle Kohledrahtschleifen (siehe Schritt 5.7) mit der Eingangsbox des bipolaren Verstärkers (EXG MR). Diese Schleife dient hauptsächlich dazu, die durch die Heliumpumpe9verursachten Vibrationen einzufangen. Um die durch MRT-Maschinen induzierten Vibrationen zu minimieren, immobilisieren Sie die Drähte, indem Sie sie alle mit MR-sicheren und nicht ferromagnetischen Sandsäcken auf dem ganzen Weg zwischen dem Auslass der oberen Öffnung der Kopfspule und den Verstärkern unterbringen. Legen Sie auch Sandsäcke auf die Verstärker. Diese Sandsäcke, gemessen 330 mm x 240 mm x 50 mm und 4 kg schwer, werden vom EEG-Hersteller geliefert. Positionieren Sie die Verstärker außerhalb der Bohrung des Magneten, was durch die länge der kabel, wie vom Hersteller angegeben, erlaubt ist. 7. EEG-fMRT-Datenerfassung Stellen Sie sicher, dass das Motiv mit der Positionierung vertraut ist, bevor Sie den Scannerraum verlassen, um unnötige Motivbewegungen während der Aufnahme zu vermeiden. Weisen Sie das Subjekt an, bei Bedarf den Alarmknopf zu drücken (z. B. im Notfall oder wenn das Subjekt ein unangenehmes Gefühl verspürt). Kommunizieren Sie mit dem Betreff aus dem Konsolenraum, um zu bestätigen, dass der Betreff den Bediener hören kann. Teilen Sie dem Probanden mit, dass während der Datenerfassung laute Geräusche zu erwarten sind. Weisen Sie das Subjekt an, wie es für das Experiment erforderlich ist, und weisen Sie das Subjekt an, sich während der Datenerfassung nicht zu bewegen. Starten Sie die EEG-Aufzeichnung, bevor Sie mit der fMRT-Erfassung beginnen. Typischerweise werden die folgenden Bilder nacheinander aufgenommen: Scout-Bilder (zweidimensional) zur Positionierung des fMRT-Sichtfeldes, fMRT und Strukturbilder zur Mitregistrierung der fMRT-Bilder während der Nachbearbeitung. Shim-Sequenzen wurden vor der Erfassung jedes Bildtyps zur Kalibrierung geeigneter Parameter ausgeführt.HINWEIS: Es ist wichtig, MRT-Sequenzen zu verwenden, die sich bei Verstärkern als sicher erwiesen haben, um die Sicherheit zu gewährleisten und Schäden an den Verstärkern zu vermeiden18. Details zu den als sicher erachteten Sequenzen werden nicht im Detail besprochen. Leser werden gebeten, das Benutzerhandbuch oder das Support-Team zu konsultieren. Im Allgemeinen werden Gradientenechosequenzen empfohlen und Spinechosequenzen oder jede Sequenz mit äquivalenten HF-Emissionsparametern, die eine übermäßige HF-induzierte Erwärmung verursachen können, sollten vermieden werden. Die Erwärmung kann indirekt mit Metriken quantifiziert werden, die die Höhe der HF-Exposition messen, wie z. B. die spezifische Energieabsorptionsrate (SAR) und den mittleren Quadratwert von B1+ gemittelt über 10 s (B1+ rms). In jüngster Zeit wird B1+rms, abhängig von den Bildparametern, aber unabhängig von der Körpermasse der Probanden22,zum neuen Standard, um den Grenzwert festzulegen. Zum Beispiel sind die B1+rms Schwellenwerte für die Erfassung bei 3 T mit der Brain Products EEG-Kappe 1 μT für die aktuelle Standardkappe und 1,5 μT für die neue Standard-EEG-Kappe mit einem kürzeren (10 cm) gebündelten Kabel23. Flip-Winkel, Anzahl der Slices und Wiederholungszeit (TR) sind Parameter, die berücksichtigt werden müssen, um SAR und B1+rms niedrig zu halten. Ein kleiner Flip-Winkel (<90°) wird empfohlen. Die Anzahl der Slices und TR kann angepasst werden, solange die resultierende Sequenz unter dem Schwellenwert von B1+rms23 liegt. Stellen Sie beim Start der Erfassung sicher, dass in der Online-EEG-Aufzeichnung regelmäßig Marker des Scanners (siehe 1.4) angezeigt werden.