Dit artikel beschrijft gelijktijdige elektro-encefalogram en functionele magnetische resonantie beeldvorming (EEG-fMRI) opnameprocedures die kunnen worden gebruikt in zowel klinische als onderzoeksomgevingen. EEG-verwerkingsprocedures om beeldvormingsartefacten te verwijderen voor klinische beoordeling zijn ook inbegrepen. Deze studie richt zich op het voorbeeld van epilepsie tijdens de interictale periode.
Gelijktijdige elektro-encefalogram en functionele magnetische resonantie beeldvorming (EEG-fMRI) is een unieke gecombineerde techniek die synergie biedt in het begrijpen en lokaliseren van het begin van aanvallen bij epilepsie. Gerapporteerde experimentele protocollen voor EEG-fMRI-opnames gaan echter niet in op details over het uitvoeren van dergelijke procedures bij epilepsiepatiënten. Bovendien zijn deze protocollen uitsluitend beperkt tot onderzoeksinstellingen. Om de kloof te dichten tussen patiëntmonitoring in een epilepsiebewakingseenheid (EMU) en het uitvoeren van onderzoek met een epilepsiepatiënt, introduceren we een uniek EEG-fMRI-opnameprotocol van epilepsie tijdens de interictale periode. Het gebruik van een MR voorwaardelijke elektrodeset, die ook in de EMU kan worden gebruikt voor een gelijktijdige hoofdhuid-EEG- en video-opname, maakt een eenvoudige overgang van EEG-opnames van de EMU naar de scanruimte voor gelijktijdige EEG-fMRI-opnames mogelijk. Details over de registratieprocedures met behulp van deze specifieke MR-voorwaardelijke elektrodeset worden verstrekt. Bovendien legt de studie stapsgewijze EEG-verwerkingsprocedures uit om de beeldvormingsartefacten te verwijderen, die vervolgens kunnen worden gebruikt voor klinische beoordeling. Dit experimentele protocol bevordert een wijziging van de conventionele EEG-fMRI-registratie voor verbeterde toepasbaarheid in zowel klinische (d.w.z. EMU) als onderzoeksomgevingen. Bovendien biedt dit protocol de mogelijkheid om deze modaliteit uit te breiden naar postictale EEG-fMRI-opnames in de klinische setting.
Epilepsie treft wereldwijd bijna 70 miljoen mensen1. Maar liefst één op de 150 mensen met slecht gecontroleerde epilepsie bezwijkt elk jaar aan een plotselinge onverwachte dood bij epilepsie (SUDEP). Bovendien is ongeveer 30% -40% van de epilepsiegevallen ongevoelig voor medisch management2. Neurochirurgische behandeling in de vorm van resectie, ontkoppeling of neuromodulatie kan een levensveranderende en levensreddende maatregel zijn voor patiënten met refractaire epilepsie.
Gelijktijdige elektro-encefalogram en functionele magnetische resonantie beeldvorming (EEG-fMRI) is een unieke gecombineerde techniek die hersenactiviteiten niet-invasief meet en voordelen heeft opgeleverd voor het begrijpen en lokaliseren van het begin van aanvallen bij epilepsie 3,4,5,6. Hoofdhuid-EEG’s kunnen worden gebruikt om zones met het begin van aanvallen lateraal te maken en te lokaliseren, maar ze hebben een relatief slechte ruimtelijke resolutie vanwege beperkte mogelijkheden met betrekking tot het beoordelen van diepe epileptogene bronnen. Hoewel fMRI een goede ruimtelijke resolutie heeft in de hersenen, inclusief diepe gebieden, is fMRI alleen niet specifiek voor aanvallen. Hoofdhuid-EEG’s kunnen echter de interpretatie van bloedzuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) activerings- of deactiveringsgebieden in fMRI informeren, waardoor een fMRI-techniek wordt geproduceerd die specifiek is voor epilepsie. Zo kan de implementatie van gelijktijdige EEG-fMRI worden gebruikt om spatiotemporale processen in kaart te brengen die relevant zijn voor het lokaliseren van zowel het ‘waar’ als het ‘wanneer’ van epileptische gebeurtenissen.
Uitleg over het gelijktijdig uitvoeren van EEG-fMRI wordt gegeven in de eerdere studies 7,8,9,10. EEG-fMRI is echter onderbenut bij epilepsie, vooral in klinische omgevingen. Er bestaat een studie die een algemene procedure biedt voor EEG-fMRI-opnames, achtergrond en voorbeelden van mogelijke EEG-analyse7. Ook is een studie uitgevoerd die de nadruk legt op hypnotische inductie samen met temperatuurmetingen in gelijktijdige EEG-fMRI-opnames8. Verder is een uitgebreide EEG-fMRI-studie voorgesteld om een spatiotemporale en fMRI-beperkte EEG-bronbeeldvormingsmethode te introduceren 9,10. Bovendien is het gebruik van een koolstofdraadlus om artefacten effectief uit EEG-fMRI te verwijderen overwogen10. Al deze studies slagen er echter niet in om uitdagingen aan te pakken bij het uitvoeren van EEG-fMRI-studies in een klinische onderzoeksomgeving. Met name het gebruik van de EEG-cap beperkt de haalbaarheid van deze protocollen in klinische omgevingen en details over patiëntbeheer ontbreken ook. In deze studie bieden we een EEG-fMRI-opnameprotocol dat kan worden gebruikt in zowel klinische als onderzoeksomgevingen voor patiënten met epilepsie. Dit unieke protocol maakt een eenvoudige overgang van de patiënt van een epilepsiebewakingseenheid (EMU) naar de scankamer mogelijk. Bovendien biedt het protocol de mogelijkheid om de toepassing ervan uit te breiden naar postictale menstruatieregistraties bij epilepsiepatiënten. Voor EEG-fMRI is nabewerking een cruciale stap in het verwijderen van artefacten veroorzaakt door MRI-gradiënten en fysiologische artefacten, zoals die met betrekking tot de hartslag. Daarom bieden we ook stapsgewijze procedures om EEG-artefacten te verwijderen met behulp van een standaard sjabloonverwijderingsmethode11 voor klinische beoordeling.
Dit experimentele protocol is uniek in het bieden van een soepele overgang van patiënten met epilepsie van de EMU naar de scankamer, waardoor het kan worden gebruikt in klinische en onderzoeksomgevingen. Het gebruik van door de FDA goedgekeurde MR-voorwaardelijke elektroden is een essentieel onderdeel voor zowel klinische opnames tijdens de tijd die in de EMU wordt doorgebracht als voor veilige overdracht naar MRI zonder de hoofdhuidelektroden van de patiënt te hoeven verwijderen of vervangen. In de EMU worden de MR-voorwaardelijke elektroden aangesloten op een versterker voor gelijktijdige video- en EEG-monitoring. Voor EEG-fMRI-opnames kunnen een MR voorwaardelijke EEG-versterker en een MRI-scanner worden gebruikt met een 20-kanaals kopspoel, die geschikt is voor de grootte van de elektrodeset en verbindingsdraden. Opgemerkt moet worden dat voordat de gelijktijdige EEG-fMRI-opnames bij patiënten met epilepsie worden uitgevoerd, een testrun met een gezond onderwerp ten zeerste wordt aanbevolen om de juiste werking van alle apparatuur te bevestigen en vertrouwd te raken met elke vereiste stap.
Daarnaast spelen ook de concrete organisatie van het team en een zorgvuldige selectie van patiënten een belangrijke rol in dit protocol. Om levensvatbaar te zijn voor zowel klinische als onderzoeksomgevingen, is het vereist om een gestructureerd team van epilepletologen, verplegend personeel, EEG-technologen en ingenieurs te hebben. Voor de selectie van patiënten moeten de hierboven genoemde inclusie- en exclusiecriteria zorgvuldig worden overwogen.
Verder is het belangrijk om aan te pakken dat wanneer EEG-geïnformeerde fMRI-analyse wordt uitgevoerd, er een duidelijke aanwezigheid van de belangrijkste kenmerken van EEG’s moet bestaan om de overeenkomstige BOLD-veranderingen in fMRI te begeleiden. Daarom is het bij het uitvoeren van de EEG-fMRI-opname belangrijk om rekening te houden met patiënten die eerder doel-EEG-kenmerken hebben aangetoond. Tijdens de interictale periode bij patiënten met epilepsie zijn IED’s, die abnormaal zijn en epileptogene potentiaal suggereren, een bekend EEG-kenmerk om te verwijzen naar de BOLD-veranderingen16, hoewel het voorbeeld hier dit geval niet omvat. Bij het richten op het verkrijgen van IED’s in de interictale EEG-fMRI-opnames, moeten experimentatoren rekening houden met patiënten met frequente IED’s (ten minste drie IED’s / uur) waargenomen door een hoofdhuid-EEG, om voldoende epileptiforme ontladingen tijdens een scansessie te garanderen. Het aantal IED’s kan worden bepaald aan de hand van de EEG-monitoring in de EMU, of aan de hand van de IED-frequentie die wordt gezien in de eerdere EEG-opnames van de proefpersonen, indien aanwezig. De verkregen registraties van interictale EEG-fMRI-gegevens kunnen voordelen opleveren voor het begrijpen en mogelijk lokaliseren van de aanvalszone17.
Zodra een schoon EEG is verkregen na het verwerken van de artefactverwijderingsstappen, kan verdere EEG-analyse worden toegepast. EEG-bronbeeldvorming (ESI) kan bijvoorbeeld worden verkregen door gestandaardiseerde hersenelektromagnetische tomografie met lage resolutie (sLORETA)18 toe te passen om de overeenkomstige elektrische activiteit van de hersenen op het corticale oppervlak te schatten. De geschatte bronnen kunnen worden verkregen door de berekende loodveldmatrix om te keren op basis van de kop-, buitenste schedel-, binnenste schedel- en cortexlagen die zijn gemaakt van de MRI van de patiënt met behulp van de grenselementmethode19. Er zijn tal van openbaar beschikbare toolboxen om EEG-bronbeeldvorming te verkrijgen, en Brainstorm is een veelgebruikte MATLAB-gebaseerde toolbox20.
Wanneer ESI wordt overwogen om het verwerkte EEG te gebruiken, moet zorgvuldig rekening worden gehouden met het totale aantal elektroden en hun verdelingen, zodat ze redelijkerwijs het hele hoofd kunnen bedekken. Het minimum aantal elektroden dat nodig is om ESI te implementeren is 32 kanalen21,22, wat meer is dan het standaard aantal elektroden dat in klinische omgevingen wordt gebruikt. Het wordt dus aanbevolen om extra kanalen op te nemen om het hele hoofd met redelijke afstand te bedekken. De kanaalselectie in deze studie omvat 21 kanalen, die conventioneel worden gebruikt in de kliniek voor EEG-monitoring, en 11 extra kanalen om het hoofd volledig te bedekken (figuur 1).
Hier nemen we geen details van fMRI-analyse op, omdat dit buiten het bereik van onze studie valt. Een mogelijke richting is echter EEG-geïnformeerde fMRI-analyse23. De vóórtijding van IED’s kan bijvoorbeeld worden opgeslagen als gebeurtenistriggers om te correleren met de fMRI, wat kan leiden tot een routinematige gebeurtenisgerelateerde fMRI-analyse. In dit geval kan een gegeneraliseerde lineaire modelanalyse worden gebruikt om de hersengebieden te vinden die veranderingen in het fMRI-signaal vertonen op het moment van IED’s.
We wijzen erop dat een onlangs gepubliceerde studie10 heeft aangetoond dat het mogelijk is om een koolstofdraadlussysteem te gebruiken wanneer een robuustere artefactverwijderingstechniek vereist is16. We willen echter vaststellen dat de integratie van het koolstofdraadlussysteem in onze experimentele setting met de MR-voorwaardelijke elektrode nog niet is onderzocht.
Hoewel deze studie zich specifiek richt op de interictale periode van epilepsie, kan het geïntroduceerde protocol voor gelijktijdige EEG-fMRI verder worden uitgebreid naar de ictale of postictale periode. Er moeten echter specifieke overwegingen worden gevolgd wanneer aangepaste instellingen worden overwogen. Voor de postictale fase is een belangrijke zorg waarvan we op de hoogte zijn, dat de patiënt een benzodiazepine krijgt voorafgaand aan het transport naar de MRI. Wat de frequentieanalyse van EEG’s betreft, is gemeld dat benzodiazepinen niet noodzakelijkerwijs de specifieke frequentiebanden 24,25 veranderen, en in het geval van bescheiden veranderingen zijn deze beperkt tot het somatosensorisch-motorische gebied26 of frontale kwabben27. Bovendien vertoonden delta EEG-BOLD-correlaties met betrekking tot gelijktijdige EEG-fMRI geen veranderingen na benzodiazepine-injectie in vergelijking met een controle met zoutoplossinginjectie27. Het BOLD-signaal was alleen in de kleine gebieden van de gyrus van Heschel en het aanvullende motorische gebied afgenomen.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het College of Medicine, de Vice President for Research, UK HealthCare en het Research Priority Area aan de Universiteit van Kentucky als onderdeel van het College of Medicine Alliance Initiative en dr. Jihye Bae’s start-upfondsen verstrekt door het Department of Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Kentucky. De auteurs bedanken de vrijwillige deelnemers voor de opname en de teamleden van de Epilepsy-Neuroimaging Research Alliance, met name Dr. Brian Gold voor het leiden van het alliantieteam, Dr. Sridhar Sunderam voor onderzoeksmentorschap en Susan V. Hollar en Emily Ashcraft voor patiëntenzorg en -beheer.
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). |