إعداد المعدات وإزالة القطع الأثرية لمخطط كهربية الدماغ المتزامن والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للمراجعة السريرية في الصرع
Summary
توضح هذه المقالة تفاصيل إجراءات تسجيل مخطط كهربية الدماغ والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (EEG-fMRI) في وقت واحد والتي يمكن استخدامها في كل من الإعدادات السريرية والبحثية. كما يتم تضمين إجراءات معالجة EEG لإزالة القطع الأثرية التصويرية للمراجعة السريرية. تركز هذه الدراسة على مثال الصرع خلال الفترة الفاصلة.
Abstract
يعد مخطط كهربية الدماغ المتزامن والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (EEG-fMRI) تقنية مشتركة فريدة توفر التآزر في فهم وتوطين بداية النوبة في الصرع. ومع ذلك ، فإن البروتوكولات التجريبية المبلغ عنها لتسجيلات EEG-fMRI تفشل في معالجة التفاصيل حول إجراء مثل هذه الإجراءات على مرضى الصرع. بالإضافة إلى ذلك ، تقتصر هذه البروتوكولات فقط على إعدادات البحث. لسد الفجوة بين مراقبة المريض في وحدة مراقبة الصرع (EMU) وإجراء البحوث مع مريض الصرع ، نقدم بروتوكول تسجيل EEG-fMRI فريد من نوعه للصرع خلال الفترة الفاصلة. يتيح استخدام مجموعة الأقطاب الكهربائية الشرطية MR ، والتي يمكن استخدامها أيضا في EMU لتخطيط كهربية الدماغ وتسجيل الفيديو في وقت واحد ، انتقالا سهلا لتسجيلات EEG من EMU إلى غرفة المسح لتسجيلات EEG-fMRI المتزامنة. يتم توفير تفاصيل حول إجراءات التسجيل باستخدام مجموعة الأقطاب الكهربائية الشرطية MR المحددة. بالإضافة إلى ذلك ، تشرح الدراسة إجراءات معالجة EEG خطوة بخطوة لإزالة القطع الأثرية التصويرية ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك للمراجعة السريرية. يشجع هذا البروتوكول التجريبي على تعديل تسجيل EEG-fMRI التقليدي لتعزيز التطبيق في كل من الإعدادات السريرية (أي EMU) وإعدادات البحث. علاوة على ذلك ، يوفر هذا البروتوكول إمكانية توسيع هذه الطريقة لتشمل تسجيلات EEG-fMRI اللاحقة في الإعداد السريري.
Introduction
يصيب الصرع ما يقرب من 70 مليون شخص في جميع أنحاء العالم1. يستسلم ما يصل إلى واحد من كل 150 شخصا يعانون من الصرع الذي يتم التحكم فيه بشكل سيئ لموت مفاجئ غير متوقع في الصرع (SUDEP) كل عام. علاوة على ذلك ، فإن ما يقرب من 30٪ -40٪ من حالات الصرع مقاومة للإدارة الطبية2. يمكن أن يكون العلاج الجراحي العصبي في شكل استئصال أو فصل أو تعديل عصبي إجراء يغير الحياة وينقذ حياة المرضى الذين يعانون من الصرع المقاوم للحرارة.
يعد مخطط كهربية الدماغ المتزامن والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (EEG-fMRI) تقنية مشتركة فريدة تقيس أنشطة الدماغ بشكل غير جراحي ، وقد قدمت فوائد لفهم وتحديد مكان بداية النوبة في الصرع3،4،5،6. يمكن استخدام تخطيط كهربية الدماغ لفروة الرأس لتحديد مناطق بداية النوبات وتوطينها ، ولكن لديها دقة مكانية ضعيفة نسبيا بسبب القدرات المحدودة فيما يتعلق بتقييم مصادر الصرع العميقة. في حين أن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لديه دقة مكانية جيدة في جميع أنحاء الدماغ ، بما في ذلك المناطق العميقة ، فإن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وحده ليس خاصا بالنوبات. ومع ذلك ، يمكن أن تفيد EEGs لفروة الرأس في تفسير مناطق التنشيط أو التعطيل المعتمدة على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، وبالتالي إنتاج تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الخاصة بالصرع. وبالتالي ، يمكن استخدام تنفيذ EEG-fMRI المتزامن لرسم خريطة للعمليات الزمانية المكانية ذات الصلة بتوطين كل من “أين” و “متى” أحداث الصرع.
يتم توفير تفسيرات لكيفية إجراء EEG-fMRI في وقت واحد في الدراسات السابقة7،8،9،10. ومع ذلك ، لم يتم استخدام EEG-fMRI بشكل كاف في الصرع ، خاصة في البيئات السريرية. توجد دراسة توفر إجراء عاما لتسجيلات EEG-fMRI والخلفية وأمثلة على تحليل EEGالمحتمل 7. أيضا ، تم إجراء دراسة تؤكد على الحث المنوم جنبا إلى جنب مع مقاييس درجة الحرارة في تسجيلات EEG-fMRI المتزامنة8. علاوة على ذلك ، تم اقتراح دراسة موسعة ل EEG-fMRI لإدخال طريقة تصوير مصدر EEG المكانية والرنين المغناطيسي الوظيفيالمقيدة 9,10. بالإضافة إلى ذلك ، تم اعتبار استخدام حلقة سلك الكربون لإزالة القطع الأثرية بشكل فعال من EEG-fMRI10. ومع ذلك ، فشلت جميع هذه الدراسات في معالجة التحديات في إجراء دراسات EEG-fMRI في بيئة البحث السريري. على وجه الخصوص ، يقيد استخدام غطاء EEG جدوى هذه البروتوكولات في الإعدادات السريرية ، كما أن التفاصيل حول إدارة المرضى مفقودة أيضا. في هذه الدراسة ، نقدم بروتوكول تسجيل EEG-fMRI الذي يمكن استخدامه في كل من الإعدادات السريرية والبحثية لمرضى الصرع. يسمح هذا البروتوكول الفريد بانتقال المريض بسهولة من وحدة مراقبة الصرع (EMU) إلى غرفة المسح. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر البروتوكول إمكانية توسيع نطاق تطبيقه ليشمل تسجيلات فترة ما بعد الصرع مع مرضى الصرع. بالنسبة إلى EEG-fMRI ، تعد المعالجة اللاحقة خطوة حاسمة في إزالة القطع الأثرية الناتجة عن تدرجات التصوير بالرنين المغناطيسي والتحف الفسيولوجية ، مثل تلك المتعلقة بنبضات القلب. وبالتالي ، فإننا نقدم أيضا إجراءات خطوة بخطوة لإزالة القطع الأثرية EEG باستخدام طريقة إزالة القالبالقياسية 11 للمراجعة السريرية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا البروتوكول التجريبي فريد من نوعه في توفير انتقال سلس لمرضى الصرع من الاتحاد النقدي الأوروبي إلى غرفة المسح ، مما يسمح باستخدامه في الإعدادات السريرية والبحثية. يعد استخدام الأقطاب الكهربائية الشرطية للتصوير بالرنين المغناطيسي المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء مكونا أساسيا لكل من التسجيلات السريرية خلال الوقت الذي يقضيه في EMU وللنقل الآمن إلى التصوير بالرنين المغناطيسي دون الحاجة إلى إزالة أو استبدال أقطاب فروة الرأس من المريض. في EMU ، يتم توصيل الأقطاب الكهربائية الشرطية MR بمكبر للصوت لمراقبة الفيديو وتخطيط كهربية الدماغ في وقت واحد. بالنسبة لتسجيلات EEG-fMRI ، يمكن استخدام مضخم EEG الشرطي MR وماسح التصوير بالرنين المغناطيسي مع ملف رأس مكون من 20 قناة ، والذي يستوعب حجم مجموعة الأقطاب الكهربائية وأسلاك التوصيل. تجدر الإشارة إلى أنه قبل إجراء تسجيلات EEG-fMRI المتزامنة في مرضى الصرع ، يوصى بشدة بإجراء اختبار مع موضوع صحي لتأكيد التشغيل السليم لجميع المعدات والتعرف على كل خطوة مطلوبة.
بالإضافة إلى ذلك ، يلعب التنظيم الملموس للفريق والاختيار الدقيق للمرضى دورا مهما في هذا البروتوكول. لكي تكون قابلة للتطبيق لكل من الإعدادات السريرية والبحثية ، يجب أن يكون لديك فريق منظم من أخصائيي الصرع وطاقم التمريض وتقنيي تخطيط كهربية الدماغ والمهندسين. لاختيار المريض ، يجب مراعاة معايير التضمين والاستبعاد المذكورة أعلاه بحزم.
علاوة على ذلك ، من المهم معالجة أنه عند إجراء تحليل الرنين المغناطيسي الوظيفي المستنير لتخطيط كهربية الدماغ ، يجب أن يكون هناك وجود واضح للسمات الرئيسية لتخطيط كهربية الدماغ لتوجيه التغييرات الجريئة المقابلة في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. لذلك ، عند إجراء تسجيل EEG-fMRI ، من المهم مراعاة المرضى الذين أظهروا سابقا ميزات EEG المستهدفة. خلال الفترة الفاصلة في المرضى الذين يعانون من الصرع ، تعد العبوات الناسفة ، غير الطبيعية والتي تشير إلى إمكانات الصرع ، ميزة معروفة لتخطيط كهربية الدماغ للإشارة إلى تغييرات BOLD16 ، على الرغم من أن المثال هنا لا يشمل هذه الحالة. عند الاستهداف للحصول على العبوات الناسفة في تسجيلات EEG-fMRI بين الحلقات ، يجب على المجربين التفكير في المرضى الذين يعانون من العبوات الناسفة المتكررة (على الأقل ثلاث عبوات ناسفة / ساعة) التي يلاحظها مخطط كهربية الدماغ لفروة الرأس ، من أجل ضمان إفرازات الصرع الكافية أثناء جلسة المسح. يمكن تحديد عدد العبوات الناسفة المرتجلة من مراقبة EEG في EMU ، أو من الإشارة إلى تردد العبوات الناسفة التي شوهدت في تسجيلات EEG السابقة للأشخاص إن وجدت. يمكن أن تحقق التسجيلات التي تم الحصول عليها لبيانات EEG-fMRI بين فترات الفائدة لفهم منطقة بداية النوبة17 وربما تحديد موقعها.
بمجرد الحصول على مخطط كهربية الدماغ النظيف بعد معالجة خطوات إزالة القطع الأثرية ، يمكن تطبيق المزيد من تحليل EEG. على سبيل المثال، يمكن الحصول على تصوير مصدر تخطيط كهربية الدماغ (ESI) من خلال تطبيق التصوير المقطعي الكهرومغناطيسي القياسي منخفض الدقة للدماغ (sLORETA)18 لتقدير النشاط الكهربائي المقابل للدماغ على السطح القشري. يمكن الحصول على المصادر المقدرة عن طريق عكس مصفوفة حقل الرصاص المحسوبة بناء على الرأس والجمجمة الخارجية والجمجمة الداخلية وطبقات القشرة التي تم إنشاؤها من التصوير بالرنين المغناطيسي للمريض باستخدام طريقة عنصر الحدود19. هناك العديد من صناديق الأدوات المتاحة للجمهور للحصول على تصوير مصدر EEG ، و Brainstorm هو أحد الأدوات المستندة إلى MATLAB20 المستخدمة بشكل شائع.
عندما يتم النظر في ESI باستخدام EEG المعالج ، يجب مراعاة العدد الإجمالي للأقطاب الكهربائية وتوزيعاتها بعناية حتى تتمكن من تغطية الرأس بالكامل بشكل معقول. الحد الأدنى لعدد الأقطاب الكهربائية اللازمة لتنفيذ ESI هو 32 قناة21,22 ، وهو أكثر من العدد القياسي للأقطاب الكهربائية المستخدمة في الإعدادات السريرية. وبالتالي ، يوصى بتضمين قنوات إضافية لتغطية الرأس بالكامل بتباعد معقول. يتضمن اختيار القناة في هذه الدراسة 21 قناة ، والتي تستخدم تقليديا في العيادة لمراقبة EEG ، و 11 قناة إضافية لتغطية الرأس بالكامل (الشكل 1).
هنا ، لا نقوم بتضمين تفاصيل تحليل الرنين المغناطيسي الوظيفي ، لأن هذا خارج نطاق دراستنا. ومع ذلك ، فإن الاتجاه المحتمل هو تحليل الرنين المغناطيسي الوظيفي المستنيرEEG 23. على سبيل المثال ، يمكن حفظ وقت حدوث العبوات الناسفة كمحفزات للحدث للارتباط بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، مما قد يؤدي إلى تحليل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي الروتيني المرتبط بالحدث. في هذه الحالة ، يمكن استخدام تحليل نموذج خطي معمم للعثور على مناطق الدماغ التي تظهر تغيرات في إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي في وقت العبوات الناسفة.
نشير إلى أن دراسة نشرت مؤخرا10 أظهرت أنه من الممكن استخدام نظام حلقة سلك الكربون عندما تكون هناك حاجة إلى تقنية إزالة القطع الأثرية الأكثر قوة16. ومع ذلك ، نريد أن ندرك أن تكامل نظام حلقة سلك الكربون في إعدادنا التجريبي مع القطب الشرطي MR لم يتم التحقيق فيه بعد.
على الرغم من أن هذه الدراسة تركز بشكل خاص على الفترة الفاصلة للصرع ، إلا أن البروتوكول الذي تم إدخاله ل EEG-fMRI المتزامن يمكن تمديده إلى فترة ictal أو فترة ما بعد الصرع. ومع ذلك ، يجب اتباع اعتبارات محددة عند النظر في أي إعدادات مخصصة. بالنسبة لمرحلة ما بعد الولادة ، فإن أحد المخاوف المهمة التي ندركها هو إعطاء المريض البنزوديازيبين قبل نقله إلى التصوير بالرنين المغناطيسي. أما بالنسبة لتحليل تردد EEGs ، فقد تم الإبلاغ عن أن البنزوديازيبينات لا تغير بالضرورة نطاقات التردد المحددة 24,25 ، وفي حالة التغييرات المتواضعة ، تقتصر هذه على المنطقة الحسية الحركية الجسدية26 أو الفص الجبهي27. علاوة على ذلك ، فيما يتعلق ب EEG-fMRI المتزامن ، لم تظهر ارتباطات دلتا EEG-BOLD أي تغييرات بعد حقن البنزوديازيبين مقارنة بالتحكم في الحقن الملحي27. تم تقليل إشارة BOLD في المناطق الصغيرة فقط من التلفيف Heschel ومنطقة المحرك التكميلية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل كلية الطب ، ونائب الرئيس للأبحاث ، والرعاية الصحية في المملكة المتحدة ، ومنطقة أولوية البحث في جامعة كنتاكي كجزء من مبادرة تحالف كلية الطب وأموال بدء تشغيل الدكتور جيهي باي المقدمة من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة كنتاكي. يشكر المؤلفون المشاركين المتطوعين على التسجيل وأعضاء فريق تحالف أبحاث الصرع والتصوير العصبي ، وخاصة الدكتور بريان جولد لقيادة فريق التحالف ، والدكتور سريدهار سونديرام للإرشاد البحثي ، وسوزان في هولار وإميلي أشكرافت لرعاية المرضى وإدارتهم.
Materials
| 3T Magnetom Prisma fit MRI scanner | Siemens Healthineers | ||
| Abralyt HiCl, 10 g. | EASYCAP GmbH | Conductive gel for ECG electrode. | |
| BrainAmp MR plus 32-channel | Brain Products GmbH | S-BP-01300 | |
| BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383 | Brain Products GmbH | EEG analysis software. | |
| BrainVision Interface Box 32 inputs | Ives EEG Solutions, LLC | BVI-32 | |
| BrainVision Recorder License with dongle | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
| BrainVision Recorder Version 1.23.0003 | Brain Products GmbH | EEG recording software. | |
| Collodion (non-flexible) | Mavidon | Glue to secure EEG electrodes. | |
| Fiber Optic cable (30m one line) | Brain Products GmbH | S-BP-345-3020 | |
| Gold Cup Electrode set, 32 channel | Ives EEG Solutions, LLC | GCE-32 | 2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay. |
| Gold Cup Electrodes | Ives EEG Solutions, LLC | GCE-EKG | |
| Harness, 32 lead, reusable | Ives EEG Solutions, LLC | HAR-32 | 2+ items are recommended when managing multiple subjects with overlapped/close period of Epilepsy Monitoring Unit (EMU) stay. |
| MR-sled kit including 100% and 75% length base plates, low profile (3 cm) block legs for each base plate, ramp, and strap systems as hand configured | Brain Products GmbH | BV-79123-PRISMA SKYRA | |
| Natus NeuroWorks EEG | Natus | Software used for EEG monitoring at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU). | |
| Nuprep Skin Prep Gel | Weaver and Co. | ||
| Passive starter set, including consumables (gel, syringes, dispensing tips, adhesive washers, etc.) to facilitate out of the box data acquisition | Brain Products GmbH | S-C-5303 | |
| SyncBox compl. Extension box for phase sync recordings | Brain Products GmbH | S-BP-02675 | Syncbox |
| syngo MR XA30 | Siemens Healthineers | Software used for the MRI scanner. | |
| Ten 20 Conductive Neurodiagnostic Electrode Paste | Weaver and Co. | Conductive gel for EEG electrodes. | |
| TriggerBox Kit for BrainAmp | Brain Products GmbH | S-BP-110-9010 | Triggerbox; This Kit allows to expand the trigger width from the scanner so that the trigger signal can be detected on the BrainVision Recorder properly. This kit may not be required depending on the characteristics of the trigger signal provided by the scanner. |
| Xltek EMU40EX amplifier | Natus | An amplifier used at the Epilepsy Monitoring Unit (EMU). |
References
- Ngugi, A. K., Bottomley, C., Kleinschmidt, I., Sander, J. W., Newton, C. R. Estimation of the burden of active and life-time epilepsy: a meta-analytic approach. Epilepsia. 51 (5), 883-890 (2010).
- Kwan, P., Brodie, M. J. Early Identification of refractory epilepsy. The New England Journal of Medicine. 342 (5), 314-319 (2000).
- Menon, V., Crottaz-Herbette, S. Combined EEG and fMRI studies of human brain function. International Review of Neurobiology. 66, 291-321 (2005).
- Gotman, J., Pittau, F. Combining EEG and fMRI in the study of epileptic discharges. Epilepsia. 52, 38-42 (2011).
- Pittau, F., Dubeau, F., Gotman, J. Contribution of EEG/fMRI to the definition of the epileptic focus. Neurology. 78 (19), 1479-1487 (2012).
- Ikemoto, S., von Ellenrieder, N., Gotman, J. Electroencephalography-functional magnetic resonance imaging of epileptiform discharges: Noninvasive investigation of the whole brain. Epilepsia. 63 (11), 2725-2744 (2022).
- Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. Best current practice for obtaining high quality EEG data during simultaneous fMRI. Journal of Visualized Experiments. (76), e50283 (2013).
- Douglas, P. K., et al. Method for simultaneous fMRI/EEG data collection during a focused attention suggestion for differential thermal sensation. Journal of Visualized Experiments. (83), e3298 (2014).
- Nguyen, T., Potter, T., Karmonik, C., Grossman, R., Zhang, Y. Concurrent EEG and functional MRI recording and integration analysis for dynamic cortical activity imaging. Journal of Visualized Experiments. (136), e56417 (2018).
- Khoo, H. M., et al. Reliable acquisition of electroencephalography data during simultaneous electroencephalography and functional MRI. Journal of Visualized Experiments. (169), e62247 (2021).
- Allen, P. J., Josephs, O., Turner, R. A method for removing imaging artifact from continuous EEG recorded during functional MRI. Neuroimage. 12 (2), 230-239 (2000).
- Smith, S. J. M. EEG in the diagnosis, classification, and management of patients with epilepsy. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 76, 2-7 (2005).
- Manganotti, P., et al. Continuous EEG-fMRI in patients with partial epilepsy and focal interictal slow-wave discharges on EEG. Magnetic Resonance Imaging. 26 (8), 1089-1100 (2008).
- Reiher, J., Beaudry, M., Leduc, C. P. Temporal intermittent rhythmic delta activity (TIRDA) in the diagnosis of complex partial epilepsy: sensitivity, specificity and predictive value. The Canadian Journal of Neurological Sciences. 16 (4), 398-401 (1989).
- Geyer, J. D., Bilir, E., Faught, R. E., Kuzniecky, R., Gilliam, F. Significance of interictal temporal lobe delta activity for localization of the primary epileptogenic region. Neurology. 52 (1), 202-205 (1999).
- Koupparis, A., et al. Association of EEG-fMRI responses and outcome after epilepsy surgery. Neurology. 97 (15), e1523-1536 (2021).
- Gotman, J. Has recording of seizures become obsolete. Revue Neurologique. , 00865 (2023).
- Pascual-Marqui, R. D. Standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA): technical details. Methods and Findings in Experimental and Clinical Pharmacology. 24, 5-12 (2002).
- Hallez, H., et al. Review on solving the forward problem in EEG source analysis. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation. 4, 46 (2007).
- Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011, 879716 (2011).
- Srinivasan, R., Tucker, D. M., Murias, M. Estimating the spatial Nyquist of the human EEG. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers. 30, 8-19 (1998).
- Michel, C. M., et al. EEG source imaging. Clinical Neurophysiology. 115 (10), 2195-2222 (2004).
- Abreu, R., Leal, A., Figueiredo, P. EEG-informed fMRI: A review of data analysis methods. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 29 (2018).
- Saletu, B., Anderer, P., Saletu-Zyhlarz, G. M. EEG topography and tomography (LORETA) in the classification and evaluation of the pharmacodynamics of psychotropic drugs. Clinical EEG Neuroscience. 37 (2), 66-80 (2006).
- Windmann, V., et al. Influence of midazolam premedication on intraoperative EEG signatures in elderly patients. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1673-1681 (2019).
- Nishida, M., Zestos, M. M., Asano, E. Spatial-temporal patterns of electrocorticographic spectral changes during midazolam sedation. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1223-1232 (2016).
- Forsyth, A., et al. Comparison of local spectral modulation, and temporal correlation, of simultaneously recorded EEG/fMRI signals during ketamine and midazolam sedation. Psychopharmacology. 235 (12), 3479-3493 (2018).
