Acquisizione affidabile dei dati di elettroencefalografia durante l'elettroencefalografia simultanea e la risonanza magnetica funzionale

Il comitato etico di ricerca dell’ospedale universitario di Osaka e il comitato di sicurezza del Center for Information and Neural Networks (CiNET) approvano il protocollo (Osaka University Hospital Approval n. 18265 e 19259; nr. di approvazione CiNET 2002210020 e 2002120020). Tutti i soggetti hanno fornito un consenso informato scritto per la loro partecipazione. 1. Preparazione dell’allestimento sperimentale Collegare gli amplificatori EEG e bipolari compatibili con la risonanza prima e la risonanzametria ai pacchi batteria (assicurarsi che siano completamente caricati) e al computer di registrazione. Verificare che l’area di lavoro del software di registrazione sia configurata correttamente. Impostare la risoluzione di ampiezza su 0,5 μV per evitare la saturazione dell’amplificatore; impostare i filtri di frequenza in base alla banda di frequenza di interesse. Impostare la frequenza di campionamento a 5.000 Hz (massimo possibile per gli amplificatori utilizzati in questo protocollo), indipendentemente dalla banda di frequenza di interesse.NOTA: La risoluzione di ampiezza a 0,5 μV corrisponde a un valore massimo di 16,38 mV, che è sufficiente per registrare l’artefatto gradiente, considerando che i picchi di artefatto gradiente possono raggiungere ampiezze superiori di 100 volte superiori a quelle dell’EEG spontaneo del cuoio capelluto (circa 10-100 μV) ad alte velocità (>1.000 volte più velocemente della velocità di cambiamento dell’EEG in corso). Teoricamente, la frequenza di campionamento dovrebbe essere almeno il doppio (teorema di Nyquist) della frequenza più alta nello spettro di commutazione del gradiente, al fine di campionare accuratamente gli artefatti di commutazione del gradiente ad alta frequenza e rilevare il vero inizio dell’attività gradiente di ogni volume per la successivarimozione 12,18. Tuttavia, l’aumento della frequenza di campionamento si traduce in file di grandi dimensioni, che richiedono investimenti significativi per l’archiviazione dei dati e possono anche ostacolare la successiva post-elaborazione. L’utilizzo del dispositivo di sincronizzazione rende superfluo aumentare la frequenza di campionamento per migliorare la sincronizzazione tra gli orologi EEG e MR (vedere il passaggio 1.4). Una frequenza di campionamento di 5.000 Hz è adeguata per le registrazioni EEG/ERP (ERP) abituali e frequenze di campionamento più elevate non migliorano la qualità dei dati perché il successivo processo di correzione dell’artefatto, che prevede il campionamento dei dati a una frequenza inferiore a 500 Hz e un filtro passa basso aggiuntivo, elimina tutti i residui di correzione del gradiente ad alta frequenzache possono esistere 18. Fare riferimento al manuale per i dettagli relativi alle impostazioni corrette del software di registrazione necessario per l’acquisizione EEG nella risonanza prima, che differisce da quella al di fuori della risonanza prima. Verificare se i marcatori dello scanner, o cioè i marcatori per la sincronizzazione dell’orologio (sincronizzati per impostazione predefinita) e il trigger di volume (R128 per impostazione predefinita), vengono periodicamente visualizzati nella registrazione EEG online. La sincronizzazione sul display indica che lo scanner MRI e gli orologi EEG sono sincronizzati e R128 indica che i trigger del volume vengono registrati per la successiva post-elaborazione. Lo scanner MRI e gli orologi EEG vengono sincronizzati utilizzando il dispositivo SyncBox, che rileva l’uscita dell’orologio dello scanner (di solito 10 MHz e oltre), i downsample e emette il segnale di clock (e i marcatori di sincronizzazione) sull’interfaccia USB2.NOTA: l’interfaccia USB2 invia i dati EEG da tutti gli amplificatori, che sono bloccati in fase al segnale di clock dello scanner, al computer di registrazione18. La sincronizzazione periodica sui marcatori sono trigger generati dall’impulso elettrico dello scanner per sincronizzare il campionamento del segnale EEG dalla frequenza dello scanner MR, un requisito per la correzione degli artefatti dello scanner. I trigger di volume vengono utilizzati per identificare il tempo di insorgenza dell’analisi del volume MR per la correzione degli artefatti dello scanner durante l’elaborazione EEGoffline 19. Impostare lo scanner MRI in base alle esigenze e alla disponibilità. È meglio utilizzare una bobina a radiofrequenza della testa di trasmissione e ricezione (RF) per ridurre al minimo il rischio di riscaldamento RF. Tuttavia, un intero corpo trasmette rf-coil e una testa a 20 canali ricevono solo RF-coil sono stati utilizzati qui perché una bobina di testa di trasmissione e ricezione non era disponibile per lo scanner utilizzato (in genere il caso per la maggior parte degli scanner moderni). Caricare una siringa da 10 ml (o più se necessario) con il gel conduttivo abrasivo per l’applicazione del tappo EEG. Si potrebbe precaricare il gel abrasivo in una siringa di plastica di grande capacità da 50 ml per l’erogazione del fluido e riempire la siringa da 10 ml con il gel prima dell’arrivo del soggetto.NOTA: L’applicazione di un tappo EEG a 32 canali consuma in genere circa 20-25 mL di gel. 2. Applicazione del tappo EEG e dell’elettrodo ECG Al momento dell’assunzione, chiedere al soggetto di compilare una lista di controllo delle potenziali controindicazioni per la risonanza da mento. Verificare che il soggetto non abbia controindicazioni per la risonanza prima dell’arrivo.NOTA: In generale, qualsiasi soggetto che si qualifica per la risonanza prima della mento può partecipare a uno studio EEG-fMRI. I criteri di esclusione sono: soggetti non cooperativi o non conformi; quelli con condizioni sottostanti (ad esempio, mal di schiena cronico), che impediscono loro di mentire supina per un certo periodo di tempo (in genere almeno 1 h); o soggetti che potrebbero non essere in grado di sdraiarsi ancora sul tavolo della risonanza magnetica durante la scansione. Il movimento non solo ostacola la qualità dei dati EEG e fMRI, ma impone anche un potenziale pericolo per i soggetti stessi (ad esempio, induce corrente nei fili e nei cavi che può causare stimolazione). In caso di acquisizione basata su attività, dovrebbe essere presa in considerazione anche la capacità di comprensione linguistica del soggetto (evitare soggetti che non sono in grado di comprendere le istruzioni). In questo studio sono stati reclutati 32 volontari sani (età media, 40 anni; 17 donne) e 25 pazienti con epilessia (età media, 31 anni; 13 donne). Chiedi ai soggetti di lavarsi i capelli con shampoo senza balsamo o cera prima dell’arrivo. Spiegare lo scopo dell’esperimento e i passaggi successivi al soggetto. Misurare la circonferenza della testa (cioè la circonferenza frontale occipitale) avvolgendo un nastro di misura flessibile non allungabile attorno alla testa sopra le creste sopraorbitali e l’occipite e selezionare un cappuccio di dimensioni appropriato. Utilizzare un cappuccio più grande di 1 cm rispetto alla circonferenza della testa e chiedere sempre al soggetto se il cappuccio è comodo una volta posizionato (cioè non troppo stretto). Dopo aver posizionato il cappuccio nella posizione approssimativa sopra la testa del soggetto, usando lo stesso metro, misurare le lunghezze dell’arco di inione-nasione, definito come l’arco sopra la linea mediana della testa che si estende dall’occipite al ponte del naso, e l’arco peri-auricolare, definito come l’arco che si estende tra le orecchie che attraversa il punto medio dell’arco di inione-nasione, sopra il tappo. Contrassegnare l’intersezione tra l’arco di inione-nasione e l’arco peri-auricolare (il punto in cui i punti intermedi di entrambi gli archi si incontrano, AKA Cz), e far scorrere il cappuccio sopra la testa in modo che la posizione dell’elettrodo Cz sia regolata a questa intersezione. Assicurarsi che il cappuccio non sia ruotato orizzontalmente controllando manualmente se gli elettrodi Fz, Pz, Oz, Reference e Ground sono posizionati sopra l’arco di inione-nasione. Esporre la pelle sotto ogni elettrodo spostando i capelli sul lato dell’elettrodo utilizzando la parte posteriore di un batuffolo di cotone. Strofinare la pelle sotto ogni elettrodo ruotando rapidamente un batuffolo di cotone contenente il 70% di soluzione alcolica posta attraverso l’apertura dell’elettrodo. Applicare una piccola quantità del gel conduttivo abrasivo (~0,2 mL) nell’apertura e abrasare la pelle ruotando rapidamente un batuffolo di cotone in modo simile. Monitorare l’impedenza dell’elettrodo (visualizzata dal software di registrazione) e ripetere l’abrasione come indicato al passaggio 2.8 fino a quando l’impedenza scende almeno al di sotto di20kΩ 20 , preferibilmente il più bassa possibile (inferiore a 5 kΩ)21. Riempire l’apertura con lo stesso gel (di solito ~0,5 mL) una volta che l’impedenza è soddisfacente. Non applicare gel eccessivo nell’apertura per evitare il ponte tra gli elettrodi. Passare all’elettrodo successivo se l’impedenza è insoddisfacente nonostante l’abrasione ripetuta e tornare più tardi perché a volte l’impedenza continua a cadere con il tempo dopo l’applicazione del gel. Ripetere i passaggi 2.6-2.9 per tutti gli elettrodi EEG del cuoio capelluto. Prima di posizionare l’elettrodo ECG sul retro, chiedere al soggetto di sedersi in posizione verticale senza flettere il collo. Assicurarsi che il filo dell’elettrodo ECG sia dritto quando si posiziona l’elettrodo ECG sul retro, ma tenere un po ‘di tolleranza per la posa del filo dell’elettrodo ECG lungo la curva del collo, per evitare lo spostamento dell’elettrodo quando il soggetto si sdraia sul tavolo della risonanza prima. Posizionare l’elettrodo ECG a 2-3 cm a sinistra dal solco mediano, che può essere identificato come rientranza verticale lungo la linea mediana della parte posteriore. La posizione verticale varia a seconda dell’altezza del soggetto; è tipicamente posizionato nella parte bassa della schiena approssimativamente sulla linea che si estende tra le punte della scapola in un soggetto di circa 160 cm. Strofinare la pelle sotto l’elettrodo ECG con un tampone alcolico. Attaccare l’elettrodo ECG alla pelle utilizzando un anello adesivo a doppia aspetto e ripetere i passaggi 2.8-2.9. L’anello adesivo funge anche da imbottitura per evitare il contatto diretto dell’elettrodo con la pelle. Piegare il batuffolo di cotone alcolico secco in quattro e posizionarlo sull’elettrodo ECG. Nastro adesivo sulla pelle utilizzando un nastro chirurgico (nastro adesivo medico). Collegare il filo dell’elettrodo ECG alla pelle fino alla spalla. 3. Applicare il circuito del filo di carbonio (se è disponibile un amplificatore bipolare) Posizionare un insieme di filo di carbonio pre-treccia (diametro 1 mm)9 costituito da sei anelli (diametro 10 cm) sopra il cappuccio in una posizione tale che il fascio dei fili sia parallelo al fascio di elettrodi sulla parte superiore della testa. Utilizzare nastro chirurgico (1 x 2 cm) per fissare gli anelli intorno agli elettrodi, in modo che i loop coprano la testa con ogni anello che copre uniformemente quasi un’area uguale (cioè sia il fronto-temporale, sia il temporo-occipitale, l’occipitale, sia il vertice). In alternativa, si potrebbero anche cucire i loop all’EEG-cap, se applicabile.NOTA: I passanti in filo di carbonio sulla testa servono a catturare il movimento, incluso il ballistocardiogramma (BCG). Questi segnali vengono utilizzati per la rimozione di artefatti BCG dall’EEG durante l’elaborazione EEGoffline 9. 4. Fissaggio del tappo e dei passanti in filo di carbonio Assicurarsi che gli elettrodi EEG non formino anelli. Avvolgere la testa del soggetto con una benda elastica sopra il cappuccio EEG e gli anelli in carbonio. La benda serve a premere l’elettrodo EEG saldamente sulla pelle, a ridurre le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica degli elettrodi e a evitare che il gel si riversi sul cuscino quando si posiziona il soggetto all’interno dello scanner MR (vedere il passaggio 5). Assicurarsi che la benda copra tutti gli elettrodi e non sia troppo stretta chiedendo se il soggetto sente una pressione scomoda sulla testa durante l’applicazione della benda. 5. Inserimento del soggetto nello scanner MR In caso di acquisizione dello stato di riposo, istruire il soggetto ad applicare auricolari compatibili con la risonanza prima ostruzione nelle orecchie. In caso di acquisizione basata su attività, incaricare il soggetto di applicare le cuffie o gli auricolari compatibili con la risonanza da ta risonanza come richiesto dall’esperimento. Assicurarsi che il soggetto possa sentire attraverso entrambi i lati delle cuffie o degli auricolari. Posizionare un cuscino in schiuma di memoria piatta compatibile con la risonanza magnetica nella metà inferiore della bobina della testa prima di chiedere al soggetto di sdraiarsi e posizionare la testa nella bobina. Dopo aver posizionato la testa in modo appropriato (parte superiore della testa posizionata il più vicino possibile alla parte superiore della bobina della testa), posizionare l’elettrodo e i fasci di filo di carbonio direttamente attraverso l’apertura superiore della bobina della testa. Aggiungere cuscini in schiuma di memoria sulla parte superiore della testa, sulla fronte e sull’area temporale. I cuscini dovrebbero riempire in modo appropriato tutti gli spazi lasciati all’interno della bobina della testa senza comprimere troppo strettamente la testa del soggetto. Assicurarsi che i cuscini non spremino la testa mentre si posiziona la metà superiore della bobina della testa e mentre si chiude la bobina. Regolare i cuscini o passare a cuscini di dimensioni più piccole se troppo stretti. In questo modo, i cuscini servono a tenere i fili degli elettrodi per ridurre le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica sui fili dell’elettrodo e per frenare i movimenti della testa mantenendo il comfort del soggetto durante la scansione. Posizionare un cuscino in schiuma di memoria a forma di mezzo cilindro sul retro del collo in modo che il filo dell’elettrodo ECG sia inserito bene tra il cuscino e il collo. La porzione di filo elettrodo ECG che passa nella parte posteriore sotto la spalla è infatti inserita tra la parte posteriore del soggetto e la tabella della risonanza prima e viene quindi immobilizzata dal peso del soggetto stesso. Nel caso di un’acquisizione basata su attività, dopo aver posizionato tutti i cuscini in schiuma di memoria, assicurarsi che le cuffie o gli auricolari non siano spostati testando di nuovo se il soggetto può ancora sentire attraverso entrambi i lati delle cuffie o degli auricolari. Dopo aver chiuso la bobina della testa, posizionare lo specchio e istruire il soggetto a regolare lo specchio (nel caso del compito che richiede stimoli visivi). Istruire il soggetto a regolare lo specchio se necessario, dopo aver spostare il tavolo per posizionare la testa del soggetto all’isocentro del foro mri. Collegare gli amplificatori posizionati sul retro del foro mri al computer di registrazione posto nella sala console utilizzando le fibre ottiche fornite. Dopo aver collegato gli elettrodi EEG/ECG e i loop del filo di carbonio all’EEG e agli amplificatori bipolari sul retro del foro MRI, accendere gli amplificatori. Ancora una volta, controllare l’impedenza di tutti gli elettrodi per assicurarsi che siano ancora bassi (almeno al di sotto di 20 kΩ). Rimuovere il soggetto dallo scanner MR per la regolazione se è disponibile un elettrodo ad alta impedenza. 6. Configurazione dei fili e degli amplificatori Disporre tutti i fili tra l’uscita dell’apertura superiore della bobina della testa e gli amplificatori (compresi gli elettrodi e i fasci di filo di carbonio, la scatola del connettore e i fili del nastro) in modo che siano posizionati dritti e al centro del foro MRI. Questo è importante per ridurre al minimo la corrente indotta dalla risonanza magnetica. Posizionare un anello di filo di carbonio attorno al cavo a nastro che va dalla scatola del connettore degli elettrodi EEG/ECG all’amplificatore e collegare tutti i loop del filo di carbonio (vedere il passaggio 5.7) alla scatola di ingresso dell’amplificatore bipolare (EXG MR). Questo anello serve principalmente a catturare le vibrazioni causate dalla pompa di elio9. Per ridurre al minimo le vibrazioni indotte dalla risonanza magnetica, immobilizzare i fili infilandoli tutti con sacchi di sabbia MR-safe e non ferromagnetici lungo tutto il percorso tra l’uscita dell’apertura superiore della bobina della testa e gli amplificatori. Inoltre, posiziona sacchi di sabbia sugli amplificatori. Questi sacchi di sabbia, misurati 330 mm x 240 mm x 50 mm e del peso di 4 kg, sono forniti dal produttore EEG. Posizionare gli amplificatori all’esterno del foro del magnete, che è consentito dalla lunghezza dei cavi fornita dal produttore. 7. Acquisizione dati EEG-fMRI Assicurarsi che il soggetto sia a proprio agio con il posizionamento prima di uscire dalla stanza dello scanner, per evitare inutili movimenti del soggetto durante l’acquisizione. Istruire il soggetto a premere il pulsante di allarme se necessario (cioè, in caso di emergenza o se il soggetto sente una sensazione scomoda). Comunicare con il soggetto dalla sala console per confermare che il soggetto può sentire l’operatore. Inseni all’oggetto che sono previsti rumori forti durante l’acquisizione dei dati. Istruisi il soggetto come richiesto per l’esperimento e istruisi il soggetto a non muoversi durante l’acquisizione dei dati. Avviare la registrazione EEG prima di avviare l’acquisizione di fMRI. In genere, le seguenti immagini vengono acquisite in sequenza: immagini scout (bidimensionali) per il posizionamento del campo visivo fMRI, fMRI e immagini strutturali per la co-registrazione delle immagini fMRI durante la post-elaborazione. Le sequenze di Shim sono state eseguite prima di acquisire ogni tipo di immagine per la calibrazione dei parametri appropriati.NOTA: È importante utilizzare sequenze mri che si sono dimostrate sicure con gli amplificatori per mantenere la sicurezza ed evitare qualsiasi danno agli amplificatori18. I dettagli relativi alle sequenze considerate sicure non saranno discussi in dettaglio. I lettori sono invitati a consultare il manuale d’uso o il team di supporto. In generale, si raccomandano sequenze di eco gradiente e si dovrebbero evitare sequenze di eco di rotazione o qualsiasi sequenza con parametri di emissione RF equivalenti, che possono causare un eccessivo riscaldamento indotto da RF. Il riscaldamento può essere quantificato indirettamente utilizzando metriche che misurano la quantità di esposizione RF, come il tasso specifico di assorbimento di energia (SAR) e il valore quadratico medio della radice di B1+ mediamente superiore a 10 s (B1+rms). Recentemente, B1+rms, dipendente dai parametri di imaging ma indipendente dalla massa corporea dei soggetti22, sta diventando il nuovo standard per specificare il limite. Ad esempio, le soglie B1+rms per l’acquisizione a 3 T utilizzando il tappo EEG Brain Products sono 1 μT per l’attuale tappo standard e 1,5 μT per il nuovo tappo EEG standard con un cavo in bundle più corto (10 cm)23. L’angolo di capovolgimento, il numero di fette e il tempo di ripetizione (TR) sono parametri che devono essere considerati per mantenere bassi SAR e B1+rms. Si consiglia un piccolo angolo di capovolgimento (<90°). Il numero di sezioni e TR può essere regolato purché la sequenza risultante sia al di sotto della soglia di B1+rms23. All’avvio dell’acquisizione, assicurarsi che nuovamente i marcatori dallo scanner (vedere 1.4) siano periodicamente visualizzati nella registrazione EEG online.