Epilepside Klinik İnceleme için Eşzamanlı Elektroensefalogram ve Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme için Ekipman Kurulumu ve Artefakt Giderimi
Summary
Bu makalede, hem klinik hem de araştırma ortamlarında kullanılabilecek eşzamanlı elektroensefalogram ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (EEG-fMRI) kayıt prosedürleri detaylandırılmıştır. Klinik inceleme için görüntüleme artefaktlarını gidermek için EEG işleme prosedürleri de dahil edilmiştir. Bu çalışmada interiktal dönemde epilepsi örneği üzerinde durulmuştur.
Abstract
Eşzamanlı elektroensefalogram ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (EEG-fMRG), epilepside nöbet başlangıcının anlaşılmasında ve lokalizasyonunda sinerji sağlayan eşsiz bir kombine tekniktir. Bununla birlikte, EEG-fMRI kayıtları için bildirilen deneysel protokoller, epilepsi hastalarında bu tür prosedürlerin uygulanmasıyla ilgili ayrıntıları ele almamaktadır. Ek olarak, bu protokoller yalnızca araştırma ortamlarıyla sınırlıdır. Bir epilepsi izleme ünitesinde (DAÜ) hasta izlemesi ile bir epilepsi hastası ile araştırma yapmak arasındaki boşluğu doldurmak için, interiktal dönemde epilepsinin benzersiz bir EEG-fMRI kayıt protokolünü sunuyoruz. EMU’da eş zamanlı kafa derisi EEG ve video kaydı için de kullanılabilen MR koşullu elektrot setinin kullanılması, EEG kayıtlarının eşzamanlı EEG-fMRI kayıtları için EMU’dan tarama odasına kolayca geçişini sağlar. Bu özel MR koşullu elektrot setini kullanarak kayıt prosedürleri hakkında ayrıntılı bilgi verilmiştir. Ek olarak, çalışma, daha sonra klinik inceleme için kullanılabilecek görüntüleme artefaktlarını çıkarmak için adım adım EEG işleme prosedürlerini açıklamaktadır. Bu deneysel protokol, hem klinik (yani EMU) hem de araştırma ortamlarında daha fazla uygulanabilirlik için geleneksel EEG-fMRI kaydında bir değişiklik yapılmasını teşvik etmektedir. Ayrıca, bu protokol bu modaliteyi klinik ortamda postiktal EEG-fMRI kayıtlarına genişletme potansiyeli sağlamaktadır.
Introduction
Epilepsi dünya çapında yaklaşık 70 milyon insanı etkilemektedir1. Kötü kontrol edilen epilepsisi olan her 150 kişiden biri, her yıl epilepside (SUDEP) ani beklenmedik bir ölüme yenik düşmektedir. Ayrıca, epilepsi olgularının kabaca %30-40’ı tıbbi tedaviye dirençlidir2. Rezeksiyon, bağlantı kesilmesi veya nöromodülasyon şeklinde nöroşirürji tedavisi, refrakter epilepsili hastalar için hayat değiştiren ve hayat kurtarıcı bir önlem olabilir.
Eşzamanlı elektroensefalogram ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (EEG-fMRI), beyin aktivitelerini noninvaziv olarak ölçen benzersiz bir kombine tekniktir ve epilepside nöbet başlangıcını anlamak ve lokalize etmek için faydalar sağlamıştır 3,4,5,6. Kafa derisi EEG’leri nöbet başlangıç bölgelerini lateralize etmek ve lokalize etmek için kullanılabilir, ancak derin epileptojenik kaynakların değerlendirilmesinde sınırlı yetenekler nedeniyle nispeten zayıf uzamsal çözünürlüğe sahiptirler. fMRI, derin bölgeler de dahil olmak üzere beyin boyunca iyi uzamsal çözünürlüğe sahipken, fMRI tek başına nöbetlere özgü değildir. Bununla birlikte, kafa derisi EEG’leri, fMRI’daki kan oksijen seviyesine bağımlı (BOLD) aktivasyon veya deaktivasyon alanlarının yorumlanmasını bilgilendirebilir, böylece epilepsiye özgü bir fMRI tekniği üretebilir. Bu nedenle, eşzamanlı EEG-fMRI’nın uygulanması, epileptik olayların hem ‘nerede’ hem de ‘ne zaman’ lokalizasyonu ile ilgili mekansal zamansal süreçleri haritalamak için kullanılabilir.
Eşzamanlı EEG-fMRG’nin nasıl yapılacağına dair açıklamalar önceki çalışmalarda verilmiştir 7,8,9,10. Bununla birlikte, EEG-fMRG epilepside, özellikle klinik ortamlarda yeterince kullanılmamıştır. EEG-fMRI kayıtları, arka plan ve olası EEG analizi örnekleri için genel bir prosedür sağlayan bir çalışma bulunmaktadır7. Ayrıca, eşzamanlı EEG-fMRI kayıtlarında sıcaklık ölçümleri ile birlikte hipnotik indüksiyonu vurgulayan bir çalışma yapılmıştır8. Ayrıca, mekansal zamansal ve fMRI kısıtlı EEG kaynaklı görüntüleme yöntemini tanıtmak için genişletilmiş bir EEG-fMRI çalışması önerilmiştir 9,10. Ek olarak, EEG-fMRI’dan artefaktları etkili bir şekilde çıkarmak için bir karbon tel döngüsünün kullanılması10 olarak kabul edilmiştir. Bununla birlikte, tüm bu çalışmalar EEG-fMRI çalışmalarının klinik araştırma ortamında yürütülmesindeki zorlukları ele almamaktadır. Özellikle, EEG kapağının kullanımı, bu protokollerin klinik ortamlarda fizibilitesini kısıtlamaktadır ve hasta yönetimi ile ilgili detaylar da eksiktir. Bu çalışmada, epilepsili hastalar için hem klinik hem de araştırma ortamlarında kullanılabilecek bir EEG-fMRI kayıt protokolü sunuyoruz. Bu benzersiz protokol, hastanın epilepsi izleme ünitesinden (EMU) tarama odasına kolay geçişini sağlar. Ek olarak, protokol epilepsi hastalarıyla postiktal dönem kayıtlarına uygulanmasını genişletme potansiyeli sunmaktadır. EEG-fMRI için, işlem sonrası, MRG gradyanlarının ve kalp atışıyla ilgili olanlar gibi fizyolojik eserlerin neden olduğu artefaktların giderilmesinde çok önemli bir adımdır. Bu nedenle, klinik inceleme için standart bir şablon kaldırma yöntemi11 kullanarak EEG artefaktlarını gidermek için adım adım prosedürler de sağlıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu deneysel protokol, epilepsili hastaların DAÜ’den tarama odasına sorunsuz bir şekilde geçişini sağlamada benzersizdir ve klinik ve araştırma ortamlarında kullanılmasına izin verir. FDA onaylı MR koşullu elektrotların kullanımı, hem DAÜ’de geçirilen süre boyunca klinik kayıtlar hem de kafa derisi elektrotlarını hastadan çıkarmak veya değiştirmek zorunda kalmadan MRG’ye güvenli transfer için önemli bir bileşendir. EMU’da, MR koşullu elektrotlar eşzamanlı video ve EEG izleme için bir amplifikatöre bağlanır. EEG-fMRI kayıtları için, bir MR koşullu EEG amplifikatörü ve bir MRI tarayıcısı, elektrot setinin ve bağlantı tellerinin boyutunu barındıran 20 kanallı bir kafa bobini ile kullanılabilir. Epilepsili hastalarda eşzamanlı EEG-fMRI kayıtlarını yapmadan önce, tüm ekipmanların düzgün çalışmasını doğrulamak ve gerekli her adıma aşina olmak için sağlıklı bir denekle yapılan bir test çalışmasının şiddetle tavsiye edildiği belirtilmelidir.
Ayrıca ekibin somut organizasyonu ve hastaların dikkatli seçimi de bu protokolde önemli rol oynamaktadır. Hem klinik hem de araştırma ortamları için uygun olabilmek için, epileptologlar, hemşirelik personeli, EEG teknoloji uzmanları ve mühendislerden oluşan yapılandırılmış bir ekibe sahip olmak gerekir. Hasta seçimi için, yukarıda listelenen dahil etme ve dışlama kriterleri kesinlikle dikkate alınmalıdır.
Ayrıca, EEG bilgilendirilmiş fMRI analizi yapıldığında, fMRI’daki karşılık gelen BOLD değişikliklerine rehberlik etmek için EEG’lerin temel özelliklerinin açık varlığının mevcut olması gerektiğini belirtmek önemlidir. Bu nedenle, EEG-fMRI kaydı yapılırken, daha önce hedef EEG özellikleri göstermiş olan hastaları göz önünde bulundurmak önemlidir. Epilepsili hastalarda interiktal dönemde, anormal olan ve epileptojenik potansiyele işaret eden IED’ler, buradaki örnek bu vakayı içermese de, BOLD değişiklikleri16’ya atıfta bulunmak için iyi bilinen bir EEG özelliğidir. İnteriktal EEG-fMRI kayıtlarında IED’ler elde etmeyi hedeflerken, deneyciler bir tarama seansı sırasında yeterli epileptiform deşarjı sağlamak için kafa derisi EEG’si tarafından gözlemlenen sık IED’li (en az üç IED / saat) hastaları göz önünde bulundurmalıdır. IED’lerin sayısı, EMU’daki EEG izlemesinden veya varsa deneklerin önceki EEG kayıtlarında görülen IED frekansına atıfta bulunularak belirlenebilir. İnteriktal EEG-fMRI verilerinin elde edilen kayıtları, nöbet başlangıç bölgesi17’nin anlaşılması ve potansiyel olarak lokalize edilmesi için faydalar sağlayabilir.
Artefakt giderme adımları işlendikten sonra temiz bir EEG elde edildikten sonra, daha fazla EEG analizi uygulanabilir. Örneğin, EEG kaynak görüntüleme (ESI), beynin kortikal yüzeydeki karşılık gelen elektriksel aktivitesini tahmin etmek için standartlaştırılmış düşük çözünürlüklü beyin elektromanyetik tomografisi (sLORETA)18 uygulanarak elde edilebilir. Tahmini kaynaklar, sınır elemanları yöntemi19 kullanılarak hastanın MRG’sinden oluşturulan kafa, dış kafatası, iç kafatası ve korteks katmanlarına dayalı olarak hesaplanan kurşun alan matrisinin ters çevrilmesiyle elde edilebilir. EEG kaynak görüntülemesini elde etmek için halka açık çok sayıda araç kutusu vardır ve Brainstorm, popüler olarak kullanılan MATLAB tabanlı araç kutusu20’dir.
ESI, işlenmiş EEG kullanılarak düşünüldüğünde, toplam elektrot sayısı ve dağılımları, kafanın tamamını makul bir şekilde kaplayabilmeleri için dikkatlice dikkate alınmalıdır. ESI’yi uygulamak için gereken minimum elektrot sayısı 32 kanal21,22’dir, bu da klinik ortamlarda kullanılan standart elektrot sayısından daha fazladır. Bu nedenle, tüm kafayı makul aralıklarla örtmek için ekstra kanallar eklemeniz önerilir. Bu çalışmadaki kanal seçimi, geleneksel olarak klinikte EEG monitörizasyonu için kullanılan 21 kanalı ve başı tamamen örtmek için 11 ek kanalı içermektedir (Şekil 1).
Burada, fMRI analizinin ayrıntılarına yer vermiyoruz, çünkü bu çalışmamızın kapsamı dışındadır. Bununla birlikte, olası bir yön EEG bilgilendirilmiş fMRI analizidir23. Örneğin, IED’lerin oluşum zamanı, fMRI ile ilişkilendirilmek üzere olay tetikleyicileri olarak kaydedilebilir ve bu da olayla ilgili rutin bir fMRI analizine yol açabilir. Bu durumda, IED’ler sırasında fMRI sinyalindeki değişiklikleri gösteren beyin bölgelerini bulmak için genelleştirilmiş bir doğrusal model analizi kullanılabilir.
Yakın zamanda yayınlanan bir çalışma10’un , daha sağlam bir artefakt kaldırma tekniği gerektiğinde bir karbon tel döngü sistemi kullanmanın mümkün olduğunu gösterdiğine dikkat çekiyoruz16. Bununla birlikte, deneysel ortamımızdaki karbon tel döngü sisteminin MR koşullu elektrot ile entegrasyonunun henüz araştırılmadığını belirtmek istiyoruz.
Bu çalışma özellikle epilepsinin interiktal dönemine odaklansa da, eşzamanlı EEG-fMRG için tanıtılan protokol iktal veya postiktal döneme daha da genişletilebilir. Ancak, özelleştirilmiş ayarlar dikkate alındığında belirli hususların izlenmesi gerekir. Postiktal faz için, farkında olduğumuz önemli bir endişe, hastaya MRG’ye nakledilmeden önce bir benzodiazepin verilmesidir. EEG’lerin frekans analizine gelince, benzodiazepinlerin spesifik frekans bantlarını24,25 mutlaka değiştirmediği ve mütevazı değişiklikler durumunda, bunların somatosensoriyel-motor bölge 26 veya frontal loblar 27 ile sınırlı olduğu bildirilmiştir. Ayrıca, eşzamanlı EEG-fMRI ile ilgili olarak, delta EEG-BOLD korelasyonları, benzodiazepin enjeksiyonundan sonra, salin enjeksiyonu27 ile yapılan bir kontrole kıyasla hiçbir değişiklik göstermedi. BOLD sinyali, Heschel’in girusunun sadece küçük alanlarında ve tamamlayıcı motor alanında azaldı.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen Tıp Fakültesi, Araştırma Başkan Yardımcısı, İngiltere Sağlık Hizmetleri ve Tıp Fakültesi İttifak Girişimi’nin bir parçası olarak Kentucky Üniversitesi’ndeki Araştırma Önceliği Alanı ve Dr. Jihye Bae’nin Kentucky Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü tarafından sağlanan Başlangıç fonları tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, kayıt için gönüllü katılımcılara ve Epilepsi-Nörogörüntüleme Araştırma İttifakı ekip üyelerine, özellikle ittifak ekibine liderlik ettiği için Dr. Brian Gold’a, araştırma mentorluğu için Dr. Sridhar Sunderam’a ve hasta bakımı ve yönetimi için Susan V. Hollar ve Emily Ashcraft’a teşekkür eder.
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).
