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Bioengineering

Installation de l’équipement et retrait d’artefacts pour électroencéphalogramme simultané et imagerie par résonance magnétique fonctionnelle pour examen clinique dans l’épilepsie

Published: June 23, 2023
doi:
10.3791/64919
, , , , , , , , , ,
1Department of Electrical and Computer Engineering,University of Kentucky, 2Department of Neurology,University of Kentucky, 3Department of Neuroscience,University of Kentucky, 4Cleveland Clinic, 5Cyprus Institute of Neurology and Genetics, 6Department of Radiology,University of Kentucky, 7Department of Neurosurgery,University of Kentucky

Summary

Cet article détaille les procédures d’enregistrement simultanées d’électroencéphalogramme et d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (EEG-IRMf) qui peuvent être utilisées dans des contextes cliniques et de recherche. Les procédures de traitement EEG pour retirer les artefacts d’imagerie pour examen clinique sont également incluses. Cette étude se concentre sur l’exemple de l’épilepsie pendant la période interictale.

Abstract

L’électroencéphalogramme simultané et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (EEG-IRMf) sont une technique combinée unique qui fournit une synergie dans la compréhension et la localisation de l’apparition des crises dans l’épilepsie. Cependant, les protocoles expérimentaux rapportés pour les enregistrements EEG-IRMf ne traitent pas des détails sur la réalisation de telles procédures sur les patients épileptiques. De plus, ces protocoles sont limités uniquement aux milieux de recherche. Pour combler le fossé entre la surveillance des patients dans une unité de surveillance de l’épilepsie (UEM) et la recherche avec un patient épileptique, nous introduisons un protocole unique d’enregistrement EEG-IRMf de l’épilepsie pendant la période interictale. L’utilisation d’un jeu d’électrodes conditionnelles RM, qui peut également être utilisé dans l’UEM pour un EEG du cuir chevelu et un enregistrement vidéo simultanés, permet une transition facile des enregistrements EEG de l’UEM à la salle de numérisation pour les enregistrements EEG-IRMf simultanés. Des détails sur les procédures d’enregistrement à l’aide de cet ensemble d’électrodes conditionnelles MR spécifique sont fournis. En outre, l’étude explique étape par étape les procédures de traitement EEG pour supprimer les artefacts d’imagerie, qui peuvent ensuite être utilisés pour l’examen clinique. Ce protocole expérimental favorise une modification de l’enregistrement EEG-IRMf conventionnel pour une applicabilité accrue dans les contextes cliniques (c.-à-d. UEM) et de recherche. De plus, ce protocole offre la possibilité d’étendre cette modalité aux enregistrements EEG-IRMf postictaux en milieu clinique.

Introduction

L’épilepsie touche près de 70 millions de personnes dans le monde1. Jusqu’à une personne sur 150 atteinte d’épilepsie mal contrôlée succombe à une mort subite et inattendue de l’épilepsie (SUDEP) chaque année. De plus, environ 30 à 40 % des cas d’épilepsie sont réfractaires à la prise en charge médicale2. Le traitement neurochirurgical sous forme de résection, de déconnexion ou de neuromodulation peut être une mesure qui change et sauve la vie des patients atteints d’épilepsie réfractaire.

L’électroencéphalogramme simultané et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (EEG-IRMf) est une technique combinée unique qui mesure les activités cérébrales de manière non invasive et a fourni des avantages pour comprendre et localiser l’apparition des crises dans l’épilepsie 3,4,5,6. Les EEG du cuir chevelu peuvent être utilisés pour latéraliser et localiser les zones d’apparition des crises, mais ils ont une résolution spatiale relativement faible en raison de capacités limitées en ce qui concerne l’évaluation des sources épileptogènes profondes. Alors que l’IRMf a une bonne résolution spatiale dans tout le cerveau, y compris les régions profondes, l’IRMf seule n’est pas spécifique aux crises. Cependant, les EEG du cuir chevelu peuvent éclairer l’interprétation des zones d’activation ou de désactivation dépendantes du niveau d’oxygène dans le sang (BOLD) dans l’IRMf, produisant ainsi une technique IRMf spécifique à l’épilepsie. Ainsi, la mise en œuvre de l’EEG-IRMf simultanée peut être utilisée pour cartographier les processus spatio-temporels pertinents pour localiser à la fois le « où » et le « quand » des événements épileptiques.

Des explications sur la façon de mener simultanément l’EEG-IRMf sont fournies dans les études précédentes 7,8,9,10. Cependant, l’EEG-IRMf a été sous-utilisée dans l’épilepsie, en particulier dans les milieux cliniques. Il existe une étude qui fournit une procédure générale pour les enregistrements EEG-IRMf, le contexte et des exemples d’analyse EEG possible7. En outre, une étude mettant l’accent sur l’induction hypnotique ainsi que sur les mesures de température dans les enregistrements simultanés EEG-IRMf a été menée8. En outre, une étude EEG-IRMf élargie visant à introduire une méthode d’imagerie de source EEG spatio-temporelle et contrainte par IRMf a été proposée 9,10. De plus, l’utilisation d’une boucle de fil de carbone pour éliminer efficacement les artefacts de l’EEG-IRMf a été envisagée10. Cependant, toutes ces études ne répondent pas aux défis liés à la réalisation d’études EEG-IRMf dans un contexte de recherche clinique. En particulier, l’utilisation du capuchon EEG limite la faisabilité de ces protocoles en milieu clinique, et les détails sur la prise en charge des patients manquent également. Dans cette étude, nous fournissons un protocole d’enregistrement EEG-IRMf qui peut être utilisé dans des contextes cliniques et de recherche pour les patients atteints d’épilepsie. Ce protocole unique permet une transition facile du patient d’une unité de surveillance de l’épilepsie (UEM) à la salle de numérisation. En outre, le protocole offre la possibilité d’étendre son application aux enregistrements postictaux des périodes postictales avec des patients épileptiques. Pour l’EEG-IRMf, le post-traitement est une étape cruciale dans l’élimination des artefacts causés par les gradients IRM et les artefacts physiologiques, tels que ceux liés au rythme cardiaque. Ainsi, nous fournissons également des procédures étape par étape pour supprimer les artefacts EEG à l’aide d’une méthode de suppression de modèle standard11 pour examen clinique.

Protocol

Cette étude a été réalisée conformément au protocole #62050, approuvé par l’Institutional Review Board de l’Université du Kentucky (Royaume-Uni). 1. Recrutement des sujets Critères d’inclusionREMARQUE : Tous les critères suivants doivent être respectés.Inclure les sujets diagnostiqués avec l’épilepsie focale réfractaire et admissibles à une évaluation chirurgicale de l’épilepsie. Inclure les sujets âgés de 18 à 60 ans. Inclure les sujets féminins ayant un potentiel de procréation s’ils utilisent une méthode contraceptive. Inclure les sujets féminins sans potentiel de procréation (post-ménopause depuis au moins 2 ans, ovariectomie bilatérale ou ligature des trompes, hystérectomie complète).NOTE: Conformément à la norme de soins, un test de grossesse est effectué pour les femmes en âge de procréer une fois admises à l’UEM. Inclure les sujets dont l’admission à l’UEM est prévue avec un diagnostic d’épilepsie focale réfractaire ou pour la caractérisation des crises. Critères d’exclusionExclure les sujets qui ont une claustrophobie sévère. Exclure les sujets ayant des dispositifs médicaux implantés ou du métal incorporé qui les disqualifierait normalement de passer une IRM, qui est régulièrement vérifiée par le technologue en RM avant tout examen. Exclure les sujets qui sont enceintes ou qui allaitent. Exclure les sujets atteints de toute affection médicale ou psychiatrique connue qui, de l’avis du chercheur, pourrait compromettre ou compromettre la capacité du sujet à participer à cette étude, ou nuirait à une participation fiable à l’étude. REMARQUE : Une fois que le patient est admis à l’UEM, après avoir accepté le formulaire de consentement à participer à cette étude, les étapes suivantes seront suivies. 2. Placement des électrodes Marquez les positions des électrodes sur le cuir chevelu du patient, en fonction du système 10-20.NOTE: Graphique 1 Affiche une sélection de 32 électrodes.Mesurer et noter la ligne centrale de la tête du patient du cuir chevelu en plaçant un ruban à mesurer de la nasion à l’inion en passant par le centre supérieur de la tête (Mesure A: plan sagittal). Marquez 50% de la mesure A de la nasion à l’intérieur. Cette marque indique l’emplacement Cz de l’électrode. Marquer 10% de la mesure A de la nasion au Cz indiqué. Cette marque indique l’emplacement Fpz de l’électrode. Marquer 10% de la mesure A de l’inion au Cz indiqué. Cette marque indique l’emplacement Oz de l’électrode. Marquez 20% de la mesure A du Cz indiqué à Fpz. Cette marque indique l’emplacement Fz de l’électrode. Marquez 20% de la mesure A du Cz indiqué à Oz. Cette marque indique l’emplacement Pz de l’électrode. Mesurer et noter la tête du patient du point préauriculaire gauche au point préauriculaire droit en passant par le centre supérieur de la tête (Mesure B : plan coronal). Marquez 50 % de la mesure B et assurez-vous que cet emplacement chevauche l’emplacement Cz indiqué. Marquer 10% de la mesure B du point préauriculaire gauche à Cz. Cette marque indique l’emplacement T3 de l’électrode. Marquer 10% de la mesure B du point préauriculaire droit à Cz. Cette marque indique l’emplacement T4 de l’électrode. Marquez 20 % de la mesure B du Cz indiqué à T3. Cette marque indique l’emplacement C3 de l’électrode. Marquez 20 % de la mesure B du Cz indiqué à T4. Cette marque indique l’emplacement C4 de l’électrode. Mesurez et notez la circonférence de la tête du patient en passant par le Fpz et l’Oz marqués (Mesure C : plan transversal). Marquez 10% de la mesure C à gauche et à droite de Fpz. Ces marques indiquent respectivement les emplacements Fp1 et Fp2 de l’électrode. Marquez 10% de la mesure C à gauche et à droite d’Oz. Ces marques indiquent respectivement les emplacements O1 et O2 de l’électrode. Marquez 20% de la mesure C à gauche du Fp1 et à droite du Fp2. Ces marques indiquent respectivement les emplacements F7 et F8 de l’électrode. Mesurer et noter la distance de F7 et F8 dans le plan coronal (Mesure D : plan coronal). Marquez 50% de la mesure D et assurez-vous que le Fz indiqué précédemment est chevauché. Marquez 25% de la mesure D de F7 vers Fz et de F8 vers Fz. Ces marques indiquent respectivement les emplacements F3 et F4 de l’électrode. Mesurer la distance entre la nasion et l’inion passant par Fp1 et O1. S’assurer que 50 % de la mesure chevauche le C3 indiqué précédemment. Mesurer la distance entre la nasion et l’inion passant par Fp2 et O2. S’assurer que 50 % de la mesure chevauche le C4 indiqué précédemment.REMARQUE: De la même manière, les positions des électrodes sur les lobes temporaux et pariétaux peuvent être marquées, y compris T5, P3, P4 et T6. En outre, tout emplacement d’électrode supplémentaire, tel que TP9, TP10, FT9 et FT10, peut être marqué en fonction de la distance relative par rapport aux distributions d’électrodes du système 10-20. Le nombre d’électrodes et leurs distributions peuvent être déterminés en fonction de l’analyse prospective et de l’orientation de la recherche. Nettoyez le cuir chevelu du patient à l’aide d’un gel de préparation de la peau sur de la gaze. Placer la pâte conductrice sur une coupelle d’électrode. Placez l’électrode sur le cuir chevelu du patient en suivant le nom du canal sur le câble de l’électrode.REMARQUE: Pour l’enregistrement simultané EEG-IRMf, il est nécessaire d’utiliser des électrodes conditionnelles MR, et des électrodes approuvées par la Food and Drug Administration (FDA) sont suggérées à l’UEM. Répétez la pose du gel et des électrodes sur le cuir chevelu du patient (étape 2.3) pour toutes les électrodes (Figure 2A).REMARQUE: Les câbles connectés aux électrodes conditionnelles MR sont relativement courts à la jonction de connexion pour minimiser les artefacts MR. Par conséquent, lors du placement des électrodes, considérez les positions des électrodes et placez-les soigneusement afin que les câbles puissent être bien organisés. De plus, assurez-vous qu’il n’y a pas de boucles sur les fils, car ils peuvent potentiellement produire de la chaleur et des brûlures à l’intérieur du scanner. Collez toutes les électrodes sur le cuir chevelu du patient en utilisant de la colle sur de la gaze. Disposez tous les câbles d’électrodes et placez la jonction du câble loin du cuir chevelu en plaçant des tampons de gaze au centre de la tête du sujet (Figure 2B, flèches rouges).REMARQUE : il s’agit d’une étape essentielle pour éviter les artefacts d’imagerie. Enveloppez tous les jonctions de câbles avec un bandage autocollant (ovales bleus sur la figure 2B).REMARQUE: Cette étape est suggérée pour sécuriser les connexions pendant l’enregistrement. Placez un couvre-tête élastique pour fixer toutes les électrodes. Connectez le faisceau, qui est connecté aux électrodes, à l’amplificateur. Commencez à surveiller leur EEG de manière synchrone avec des enregistrements vidéo. 3. Enregistrement EEG-IRMf REMARQUE: Pour l’enregistrement EEG-IRMf, le système d’enregistrement EEG conditionnel RM est utilisé avec les électrodes conditionnelles RM placées au début de l’admission à l’UEM. Dans la salle de surveillance, connectez l’adaptateur USB 2 au kit Triggerbox à l’aide d’un câble (câble blanc épais sur la Figure 3A).REMARQUE: L’adaptateur USB 2 permet d’interfacer d’autres matériels avec un ordinateur, et le kit Triggerbox est utilisé pour manipuler le signal de déclenchement généré par le scanner à détecter dans le logiciel d’enregistrement EEG. Connectez la Syncbox à l’adaptateur USB 2 à l’aide d’un câble (câble noir épais sur la Figure 3B).REMARQUE: Le rôle de la Syncbox est de synchroniser les signaux d’horloge de l’amplificateur et du système de commutation de gradient du scanner. Dans la salle de surveillance, connectez une extrémité du câble à fibre optique à la boîte de synchronisation (Figure 3C à gauche) et passez une autre extrémité à travers un tunnel connecté à la salle de numérisation. Connectez un câble de port USB de l’adaptateur USB 2 à l’ordinateur d’enregistrement (marque en étoile sur la Figure 3B). Connectez un câble de port USB de la Syncbox à l’ordinateur d’enregistrement (marque en étoile sur la figure 3C). Connectez un câble de port USB de la Triggerbox à l’ordinateur d’enregistrement (marque en étoile sur la Figure 3D). Connectez le dongle de licence logicielle à l’ordinateur d’enregistrement.REMARQUE: Il y a au total quatre ports USB qui seront utilisés. Avoir un port multi-USB peut être utile pour les gérer tous. Installez l’amplificateur d’enregistrement EEG avec le kit MR-sled à l’intérieur du scanner.ATTENTION : Tout composant métallique ou sensible à l’IRM doit être retiré des expérimentateurs. Il est nécessaire que les expérimentateurs suivent une formation appropriée pour effectuer des enregistrements dans la salle de balayage IRM.REMARQUE: Il est recommandé de charger complètement la batterie de l’amplificateur avant de procéder à l’enregistrement. Branchez l’extrémité du câble à fibre optique de la salle de numérisation à l’arrière de l’amplificateur (Figure 4D) et mettez l’amplificateur sous tension.REMARQUE: L’autre extrémité du câble à fibre optique est connectée à la Syncbox dans la salle de surveillance. Une fois la configuration de l’équipement terminée, ouvrez le logiciel d’enregistrement EEG en cliquant sur l’icône du logiciel sur l’écran de l’ordinateur. Créez un espace de travail dans le logiciel d’enregistrement en cliquant sur le menu Nouvel espace de travail sous l’onglet Fichier en haut à gauche de la fenêtre. Définissez un chemin de dossier où les nouvelles données seront stockées en cliquant sur le bouton Parcourir . Insérez le nom des données dans une zone vide pour Préfixe et spécifiez l’index de numérotation en insérant un chiffre dans les cases noires pour Min. Taille du compteur [chiffres] et Numéro actuel. Après avoir confirmé que le nom de fichier est correctement affiché sous Nom de fichier résultant suivant, cliquez sur Suivant. Scannez l’amplificateur en cliquant sur le bouton Rechercher l’amplificateur en haut à gauche de la fenêtre créée. Configurez les paramètres appropriés, y compris les taux d’échantillonnage et les fréquences de coupure basse et haute pour l’enregistrement en sélectionnant les options appropriées répertoriées pour Taux d’échantillonnage, Coupure basse et Coupure élevée (voir la figure 5).REMARQUE : La fréquence d’échantillonnage est définie sur 5 000 Hz pour échantillonner suffisamment les artefacts de gradient du scanner. Une coupure basse de 10 s est insérée pour empêcher la saturation en courant continu (CC) (l’unité de temps est utilisée dans le logiciel de l’enregistreur), et une coupure haute de 250 Hz est réglée pour limiter l’amplitude de l’artefact de gradient avant d’entrer dans le convertisseur analogique-numérique. Définissez les paramètres du scanner pour l’IRMf.REMARQUE: Un paramètre d’acquisition IRMf BOLD possible est une séquence écho-plane (TR/TE = 1360/29 ms, angle de retournement = 65, 54 tranches couvrant tout le cerveau, champ de vision = 260 mm x 260 mm, résolution = 2,5 mm voxels isotropes). Les détails des réglages IRMf peuvent varier en fonction de l’objectif de l’enregistrement. Éteignez la pompe à hélium du scanner pour réduire davantage l’introduction d’artefacts dans le signal EEG.REMARQUE: La mise hors tension de la pompe à hélium peut entraîner une perte d’hélium liquide ou une augmentation de la température du blindage. Ainsi, il est fortement recommandé de vérifier auprès du fournisseur du scanner si l’arrêt du compresseur d’hélium n’est pas trop préjudiciable à leur système d’IRM. Transférez le patient dans la salle d’attente de numérisation. Expliquez la procédure d’enregistrement au patient.NOTE: Il est recommandé que toute la configuration de l’équipement d’enregistrement soit terminée avant l’arrivée du patient. Nettoyez le dos du patient, juste en dessous de l’épaule gauche du patient, où la sonde d’électrocardiogramme (ECG) sera placée. Appliquez un gel électrolytique abrasif sur la sonde ECG et placez-le sur le côté arrière gauche du patient.REMARQUE: La longueur de ce câble est courte, donc lorsque vous placez le câble ECG, ne tirez pas fortement ou ne le mettez pas trop bas à l’arrière; environ 5 cm sous l’épaule est acceptable. Le fil ECG est placé à l’arrière pour minimiser les artefacts en mouvement. Appliquez du ruban adhésif autour du câble et du câble ECG pour minimiser les artefacts de numérisation pendant l’enregistrement. Déconnectez le faisceau EEG et connectez les jonctions de câbles EEG au boîtier d’interface (Figure 4B). Transporter le patient à la salle de scanner. Allongez le patient sur la table de balayage avec la tête dans la moitié inférieure ouverte de la bobine de tête.ATTENTION : Tout composant métallique ou sensible à la RM doit être retiré du sujet.REMARQUE: Soutenez le dos du patient lorsqu’il est couché. Appliquez des bouchons d’oreille pour aider à réduire le bruit du scanner. Appliquez un coussin autour de la tête du patient pour minimiser les artefacts de mouvement de la tête. Connectez la moitié supérieure de la bobine de tête pour fermer la bobine de « cage à oiseaux » autour de la tête du patient. Ajustez la hauteur du lit. Connectez le boîtier d’interface à l’amplificateur (Figure 4C).REMARQUE : du ruban adhésif est également appliqué sur les câbles à partir du boîtier d’interface pour minimiser les artefacts de numérisation (enveloppe blanche sur la Figure 4B). Placez les sacs de sable MR autour des câbles pour minimiser les artefacts MR pendant l’enregistrement (Figure 4C). Une fois que tous les paramètres de la salle de numérisation sont terminés, passez à la salle de surveillance. Communiquez avec le patient via un microphone dans la salle de surveillance, en expliquant que des étapes supplémentaires pour définir les paramètres du logiciel sont en cours.REMARQUE: Les expérimentateurs peuvent communiquer via des haut-parleurs intégrés dans la salle de numérisation et un microphone dans la salle de surveillance. Vérifiez l’impédance des électrodes EEG en cliquant sur le bouton Vérification de l’impédance en haut à gauche de la fenêtre du logiciel d’enregistrement ouverte sur l’ordinateur. Confirmez avec le patient qu’il est prêt pour l’enregistrement.REMARQUE: Pendant l’enregistrement, les expérimentateurs surveillent l’état du patient à l’aide d’une caméra vidéo dans la salle de numérisation et communiquent via le microphone dans la salle de surveillance. Démarrez l’enregistrement EEG en cliquant sur le bouton Lecture en haut à gauche du logiciel d’enregistrement. Exécutez l’analyse d’acquisition IRMf.ATTENTION: Dans tous les cas, lorsque le patient signale une gêne due à l’environnement d’enregistrement, y compris le bruit, l’expérimentateur doit arrêter la procédure d’enregistrement. 4. Suppression des artefacts EEG REMARQUE: Les descriptions suivantes fournissent des étapes détaillées sur la façon de supprimer les artefacts du scanner sur les données EEG obtenues à partir des enregistrements EEG-IRMf simultanés. La figure 6 affiche le pipeline de traitement avec des exemples représentatifs. Ouvrez le logiciel d’analyse EEG. Appliquer la correction d’artefact MR.Cliquez sur l’onglet Transformations > Traitement spécial du signal > Correction MR . Lorsqu’une petite fenêtre est générée, sélectionnez Utiliser des marqueurs, choisissez un signal de déclenchement dans le scanner, puis cliquez sur Suivant.Remarque : Cette étape indique un signal de déclenchement du scanner et l’utilise comme référence pour supprimer les artefacts MR. Sélectionnez les options Entrelacé et Basé sur l’heure , insérez les informations temporelles du signal de déclenchement et cliquez sur Suivant.REMARQUE: Dans les données acquises, V1 est le signal de déclenchement, et les valeurs suivantes peuvent être insérées en fonction des intervalles de déclenchement V1: start [ms]: -2; fin [ms] : 1 358; et durée [ms]: 1 360. L’étiquette du signal de déclenchement et son réglage détaillé peuvent varier en fonction de la configuration du scanner. Dans la fenêtre suivante, cochez Activer la correction de ligne de base pour la moyenne et décochez Calculer la ligne de base sur l’ensemble de l’artefact. Insérez les valeurs Start [ms] et End [ms]. Sélectionnez Utiliser le calcul de la moyenne mobile.REMARQUE: Cela permet de corriger la ligne de base en fonction d’une fenêtre coulissante. Insérez le nombre total d’intervalles pour la moyenne mobile, vérifiez l’utilisation courante de tous les canaux pour les intervalles défectueux et la correction, puis cliquez sur Suivant.REMARQUE: Le nombre total d’intervalles pour la moyenne mobile peut être de 21. Sélectionnez Utiliser tous les canaux pour la correction et cliquez sur Suivant. Cochez Do Downsampling (Faire un sous-échantillonnage ) et choisissez 500 pour New Frequency [Hz] (Nouvelle fréquence [Hz]). Cochez Appliquer le filtre passe-bas et sélectionnez Utiliser le filtre FIR, insérez 70 pour Fréquence de coupure [Hz], puis cliquez sur Suivant. Une fois tous les paramètres terminés, sélectionnez une option Stocker les données corrigées , puis cliquez sur Terminer.REMARQUE: Stocker les données non compressées dans le fichier d’historique peut être sélectionné comme une option Stocker les données corrigées . Différentes options peuvent être envisagées, selon l’objectif. Après avoir cliqué sur Terminer, une petite fenêtre de correction d’artefacts du scanner apparaîtra au milieu, indiquant l’état du traitement. Ce processus de correction MR peut prendre un certain temps, en fonction de la taille des données EEG. Appliquez la suppression DC à l’aide d’un filtre passe-haut. Cliquez sur l’onglet Transformation > Filtrage des données > Filtres IIR. Dans une fenêtre nouvellement générée, cochez Activé sous Seuil bas. Insérez une fréquence de coupure [Hz] de 0,5, choisissez l’ordre du filtre comme 2, puis cliquez sur OK. Retirez les artefacts cardiobalistiques.Cliquez sur l’onglet Transformations > Traitement spécial du signal > Correction CB . Dans la fenêtre qui s’ouvre par la suite, sélectionnez Utiliser la détection de pic et cochez Mode semi-automatique. Dans la section Modèle d’impulsion de recherche, insérez Start[s] comme 60 et Length[s] comme 20. Cochez Marquer le modèle trouvé et assurez-vous que le canal ECG approprié est choisi. Insérez les paramètres appropriés pour Pulse Rate and Correlation et Amplitude, insérez R pour Mark Pulses avec R-Peak Markers, puis cliquez sur Next.REMARQUE: La valeur suggérée pour la fréquence du pouls [ms] est de 1000 ± 400 et la fréquence du pouls [bpm] est un minimum de 43 et un maximum de 100. Les valeurs spécifiques de la fréquence du pouls dépendent des plages ECG du sujet. En outre, le niveau de déclenchement de corrélation peut être défini sur 0,6 et le niveau de déclenchement d’amplitude sur un minimum de 0,3 et un maximum de 1,4. Cochez Utiliser des données entières pour calculer le délai. Insérer le nombre total d’intervalles d’impulsions utilisés pour la moyenne.REMARQUE: Le nombre total d’intervalles d’impulsion utilisés pour la moyenne peut être défini sur 21. Sous Corriger les canaux suivants, déplacez tous les canaux EEG vers la colonne de droite, à l’exception du canal ECG, puis cliquez sur Suivant. Sur la page suivante, sélectionnez une option Stocker les données corrigées comme préféré. Cliquez sur Terminer.REMARQUE: Une fois que vous avez cliqué sur Terminer, une fenêtre CB Correction-Interactive Mode apparaîtra sur le côté droit du logiciel. Faites glisser le curseur sur l’axe temporel au bas de la barre de navigation et vérifiez où le modèle de base ECG est mis en surbrillance avec une case ombrée bleue. Vérifiez que le modèle de base de l’ECG est correctement marqué.REMARQUE: En double-cliquant sur le nom du canal ECG, seul le canal ECG sera affiché pour révision. Envisagez un réglage manuel du pic ou de l’intervalle au besoin. Dans la fenêtre CB Correction-Interactive Mode sur le côté droit du logiciel, les ECG présentant des schémas anormaux sont répertoriés dans l’ordre séquentiel sous forme de tableau. Ceux-ci sont indiqués dans la trace ECG par des lignes verticales rouges. Dans la fenêtre CB Correction-Interactive Mode , vérifiez chaque ECG marqué en double-cliquant sur la ligne correspondante du tableau. Ajustez les emplacements des pics détectés, si nécessaire, en déplaçant les lignes verticales rouges. Une fois que tous les ECG détectés sont examinés, cliquez sur Terminer.REMARQUE: Le canal contient initialement uniquement des marqueurs rouges et verts. Les marqueurs verts indiquent de bonnes détections, tandis que les marqueurs rouges indiquent des pics de pouls potentiels qui ne répondent pas à toutes les conditions requises. Les marqueurs rouges passent au jaune après les avoir modifiés manuellement. Lors de la correction des ECG anormaux, il est important de considérer que chaque emplacement de pic et l’intervalle de temps de chaque ECG doivent être cohérents. Appliquez l’élimination du bruit CPL et courant alternatif (AC) à l’aide d’un filtre à encoche. Cliquez sur l’onglet Transformation > Filtrage des données > Filtres IIR. Dans la fenêtre qui s’ouvre, cochez Notch Enabled, sélectionnez Frequency [Hz], puis cliquez sur OK.REMARQUE: Pour la sélection de fréquence, 50 ou 60 Hz peuvent être sélectionnés en fonction du pays où l’enregistrement est effectué. Le filtre à encoche est appliqué à la dernière étape pour être bénéfique pour les détections ECG, et cette application de filtre offre la commodité de l’examen EEG clinique.

Representative Results

Lorsqu’un patient est admis à l’UEM, un EEG du cuir chevelu et une vidéo simultanés sont enregistrés. L’un des objectifs de la surveillance EEG par un neurologue est d’évaluer les décharges épileptiformes, ce qui peut potentiellement informer la localisation de l’apparition de la crise. Lorsque la dynamique extraordinaire de canaux EEG spécifiques est distinguée, les emplacements des électrodes peuvent être associés à la localisation des crises. Pendant la période interictale, les décharges épileptiformes interictales (EEI), y compris les pointes et les vagues aiguës, sont traditionnellement considérées comme des marqueurs des zones d’épileptogénicité. De plus, les enregistrements obtenus des données EEG-IRMf interictales peuvent être avantageux pour comprendre et localiser les crises. Pour valider ce protocole d’enregistrement EEG-IRMf et de traitement EEG, nous évaluons la qualité de l’EEG en comparant l’EEG post-traité à celui de l’UEM, et nous confirmons que la même caractéristique EEG distincte est observée dans les deux cas. L’activité lente delta focale est généralement évocatrice d’une lésion structurelle cérébrale sous-jacente ou d’une zone où les neurones ne fonctionnent pas comme prévu, ce qui est souvent observé après un accident vasculaire cérébral, un traumatisme crânien, une infection cérébrale ou une démence. Cependant, il n’est pas rare que les patients atteints d’épilepsie focale démontrent une activité delta focale à proximité ou sur le site de leur zone épileptogénique. De plus, bien que l’activité delta focale soit moins spécifique que les EEI, elle peut spécifier une pathologie structurelle localisée correspondant à l’apparition des crises dans l’épilepsie12. De plus, les ondes lentes interictales focales dans les EEG correspondent à l’activation focale BOLD sur IRMf qui correspond à la zone épileptogène chez les patients atteints d’épilepsie partielle13. Il est à noter que, dans l’épilepsie du lobe temporal, un type d’activité delta appelée delta rythmique intermittent temporel (TIRDA) est parfois présent, et il est considéré comme un équivalentIED 14. Au contraire, le delta polymorphe intermittent temporel (TIPDA) n’est pas considéré comme un équivalentIED 15. Dans les données EEG traitées, des ondes lentes temporelles focales gauches (TIPDA) sont présentes, ce qui est observé à partir de l’EEG enregistré à l’UEM (Figure 7). Bien que cette activité delta ne soit pas équivalente à l’EEI, elle suggère un dysfonctionnement neuronal temporal gauche. Figure 1 : Exemple de 32 sélections d’électrodes pour l’enregistrement simultané EEG-IRMf. En clinique, 21 canaux sont couramment envisagés pour la surveillance EEG. Pour remplir un nombre minimum d’électrodes pour effectuer l’imagerie de source EEG (ESI), 11 canaux supplémentaires sont inclus pour couvrir entièrement la tête. Toutes les électrodes sont des tasses en or pour éviter les effets IRM. Dans la figure, différentes couleurs sont utilisées pour distinguer différentes électrodes, et les couleurs correspondent aux couleurs physiques du câble. Chaque boîte rectangulaire dans le bas indique une jonction à connecter à un harnais, qui sera connecté à un amplificateur pour l’enregistrement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 2 : Placement des électrodes. (A) Placement des électrodes sur le cuir chevelu du patient et (B) disposition des jonctions de câbles. Les images de gauche en (A) et (B) fournissent une vue de face de dessus, et les images de droite fournissent une vue de gauche du patient. Les flèches rouges en (B) indiquent l’emplacement des compresses de gaze. Cela permet d’éviter les artefacts d’imagerie. Les zones encerclées en bleu en (B) montrent comment les jonctions de câbles sont disposées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 3 : Connexion de l’équipement dans la salle de surveillance. (A) Vue d’ensemble de l’adaptateur USB 2, de la boîte de synchronisation et de la connexion Triggerbox. Image détaillée de (B) les connexions de l’adaptateur USB 2 et du câble Syncbox, (C) la connexion de la Syncbox et du câble à fibre optique, et (D) les connexions de câble dans la Triggerbox. Les étoiles sur (B), (C) et (D) indiquent l’emplacement des câbles USB à connecter au PC d’enregistrement. Un diagramme schématique du système d’enregistrement EEG et des connexions requises entre le matériel est fourni à la figure 1 dans Mullinger et al.7. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 4 : Connexion de l’équipement dans la salle de numérisation. (A) Vue d’ensemble de la connexion de l’amplificateur EEG dans le scanner. (B) Câbles enroulés du boîtier d’interface pour connecter les électrodes EEG (le câble rouge est pour la mesure ECG). (C) Connexion du boîtier d’interface et de l’amplificateur EEG et des sacs de sable sûrs pour l’IRM placés pour réduire les artefacts IRM. (D) Connexion de l’amplificateur (en haut) et de la batterie (en bas) et connexion du câble à fibre optique de la Syncbox dans la salle de surveillance à l’amplificateur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 5: Capture d’écran des paramètres de l’espace de travail sur le logiciel d’enregistrement EEG. Le nombre de canaux et la fréquence d’échantillonnage peuvent être réglés sous les réglages de l’amplificateur. De plus, la spécification de chaque canal peut être modifiée, si nécessaire, en cliquant sur le tableau en bas. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 6 : Pipeline de suppression d’artefacts EEG avec des exemples représentatifs. Les traces EEG brutes sont affichées en bas à gauche. Le graphique du milieu inférieur montre les traces EEG après l’application de la correction d’artefacts MR et d’un filtre passe-haut de 0,5 Hz sur l’EEG brut. Le graphique en bas à droite affiche les traces EEG après application de la correction des artefacts CB et un filtre à encoche de 60 Hz sur l’EEG traité. Les traces EEG sont affichées en mode de mise à la terre commune pour visualiser efficacement comment chaque processus influence chaque canal enregistré. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 7: Comparaison de l’EEG traité à partir d’un enregistrement EEG-IRMf simultané (à gauche) et d’un EEG enregistré à l’UEM (à droite). Le cercle rouge indique les ondes lentes temporelles focales gauches aux mêmes canaux. Les traces EEG sont affichées dans un format double banane, qui est traditionnellement considéré en clinique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Ce protocole expérimental est unique en ce sens qu’il permet une transition en douceur des patients atteints d’épilepsie de l’UEM à la salle de numérisation, ce qui lui permet d’être utilisé dans des contextes cliniques et de recherche. L’utilisation d’électrodes conditionnelles MR approuvées par la FDA est un élément essentiel à la fois pour les enregistrements cliniques pendant le temps passé dans l’UEM et pour un transfert sûr à l’IRM sans avoir à retirer ou à échanger les électrodes du cuir chevelu du patient. Dans l’UEM, les électrodes conditionnelles RM sont connectées à un amplificateur pour une surveillance vidéo et EEG simultanée. Pour les enregistrements EEG-IRMf, un amplificateur EEG conditionnel MR et un scanner IRM peuvent être utilisés avec une bobine de tête à 20 canaux, qui s’adapte à la taille du jeu d’électrodes et des fils de connexion. Il convient de noter qu’avant d’effectuer les enregistrements simultanés EEG-IRMf chez les patients atteints d’épilepsie, un test avec un sujet sain est fortement recommandé pour confirmer le bon fonctionnement de tous les équipements et se familiariser avec chaque étape requise.

De plus, l’organisation concrète de l’équipe et la sélection rigoureuse des patients jouent également un rôle important dans ce protocole. Pour être viable dans les milieux cliniques et de recherche, il est nécessaire d’avoir une équipe structurée d’épileptologues, de personnel infirmier, de technologues en EEG et d’ingénieurs. Pour la sélection des patients, les critères d’inclusion et d’exclusion énumérés ci-dessus doivent être fermement pris en compte.

En outre, il est important de préciser que lorsque l’analyse IRMf fondée sur l’EEG est effectuée, les principales caractéristiques des EEG doivent être clairement présentes pour guider les changements BOLD correspondants dans l’IRMf. Par conséquent, lors de la réalisation de l’enregistrement EEG-IRMf, il est important de prendre en compte les patients qui ont déjà démontré des caractéristiques EEG cibles. Au cours de la période interictale chez les patients atteints d’épilepsie, les EEI, qui sont anormaux et suggèrent un potentiel épileptogénique, sont une caractéristique EEG bien connue pour faire référence aux changements BOLD16, même si l’exemple ici n’inclut pas ce cas. Lorsqu’ils ciblent l’obtention d’EEG interictal dans les enregistrements EEG-IRMf interictal, les expérimentateurs doivent prendre en compte les patients présentant des EEI fréquents (au moins trois EEI/heure) observés par un EEG du cuir chevelu, afin de garantir des décharges épileptiformes suffisantes lors d’une séance de balayage. Le nombre d’EEG peut être déterminé à partir de la surveillance EEG dans l’UEM ou en faisant référence à la fréquence des EEI observée dans les enregistrements EEG antérieurs des sujets, le cas échéant. Les enregistrements obtenus des données EEG-IRMf interictales peuvent apporter des avantages pour la compréhension et potentiellement la localisation de la zone d’apparition de la crise17.

Une fois qu’un EEG propre est obtenu après le traitement des étapes de retrait des artefacts, une analyse EEG supplémentaire peut être appliquée. Par exemple, l’imagerie de source EEG (ESI) peut être obtenue en appliquant une tomographie électromagnétique cérébrale standardisée à basse résolution (sLORETA)18 pour estimer l’activité électrique correspondante du cerveau sur la surface corticale. Les sources estimées peuvent être obtenues en inversant la matrice de champ de plomb calculée en fonction des couches de la tête, du crâne externe, du crâne interne et du cortex créées à partir de l’IRM du patient en utilisant la méthode de l’élément limite19. Il existe de nombreuses boîtes à outils accessibles au public pour obtenir l’imagerie de source EEG, et Brainstorm est une boîte à outils MATLAB20 couramment utilisée.

Lorsque l’ESI est envisagé à l’aide de l’EEG traité, le nombre total d’électrodes et leurs distributions doivent être soigneusement pris en compte afin qu’elles puissent raisonnablement couvrir toute la tête. Le nombre minimum d’électrodes nécessaires pour mettre en œuvre ESI est de 32 canaux21,22, ce qui est supérieur au nombre standard d’électrodes utilisées en milieu clinique. Ainsi, il est recommandé d’inclure des canaux supplémentaires pour couvrir toute la tête avec un espacement raisonnable. La sélection des canaux dans cette étude comprend 21 canaux, qui sont traditionnellement utilisés en clinique pour la surveillance de l’EEG, et 11 canaux supplémentaires pour couvrir entièrement la tête (Figure 1).

Ici, nous n’incluons pas les détails de l’analyse IRMf, car cela sort du cadre de notre étude. Cependant, une direction possible est l’analyse IRMf fondée sur l’EEG23. Par exemple, le temps d’occurrence des EEI peut être enregistré en tant que déclencheurs d’événement pour être corrélé avec l’IRMf, ce qui peut conduire à une analyse IRMf de routine liée à l’événement. Dans ce cas, une analyse de modèle linéaire généralisée peut être utilisée pour trouver les régions du cerveau montrant des changements dans le signal IRMf au moment des EEI.

Nous soulignons qu’une étude récemment publiée10 a montré qu’il est possible d’utiliser un système de boucle de fil de carbone lorsqu’une technique d’élimination d’artefacts plus robuste est requise16. Cependant, nous tenons à informer que l’intégration du système de boucle de fil de carbone dans notre cadre expérimental avec l’électrode conditionnelle MR n’a pas encore été étudiée.

Même si cette étude se concentre spécifiquement sur la période interictale de l’épilepsie, le protocole introduit pour l’EEG-IRMf simultanée peut être étendu à la période ictale ou postictale. Cependant, des considérations spécifiques doivent être prises en compte lorsque des paramètres personnalisés sont pris en compte. Pour la phase postictale, une préoccupation importante dont nous sommes conscients est que le patient reçoit une benzodiazépine avant le transport à l’IRM. En ce qui concerne l’analyse de fréquence des EEG, il a été rapporté que les benzodiazépines ne modifient pas nécessairement les bandes de fréquences spécifiques 24,25, et dans le cas de modifications modestes, celles-ci sont limitées à la région somatosensorielle-motrice26 ou aux lobes frontaux27. De plus, en ce qui concerne l’EEG-IRMf simultanée, les corrélations delta EEG-BOLD n’ont montré aucun changement après l’injection de benzodiazépines par rapport à un témoin avec injection de solution saline27. Le signal BOLD n’a été diminué que dans les petites zones du gyrus de Heschel et de la zone motrice supplémentaire.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été partiellement soutenu par le College of Medicine, le vice-président de la recherche, UK HealthCare, et le domaine prioritaire de recherche de l’Université du Kentucky dans le cadre de l’initiative College of Medicine Alliance et les fonds de démarrage du Dr Jihye Bae fournis par le Département de génie électrique et informatique de l’Université du Kentucky. Les auteurs remercient les participants bénévoles pour l’enregistrement et les membres de l’équipe de l’Alliance de recherche sur l’épilepsie et la neuroimagerie, en particulier le Dr Brian Gold pour avoir dirigé l’équipe de l’alliance, le Dr Sridhar Sunderam pour le mentorat en recherche, et Susan V. Hollar et Emily Ashcraft pour les soins et la gestion des patients.

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).
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References

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Bae, J., Clay, J. L., Thapa, B. R., Powell, D., Turpin, H., Tasori Partovi, S., Ward-Mitchell, R., Krishnan, B., Koupparis, A., Bensalem Owen, M., Raslau, F. D. Equipment Setup and Artifact Removal for Simultaneous Electroencephalogram and Functional Magnetic Resonance Imaging for Clinical Review in Epilepsy. J. Vis. Exp. (196), e64919, doi:10.3791/64919 (2023).
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