Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

Hui  Ming Khoo; Yuya Fujita; Naoki Tani; Tetsuya Shimokawa; Natalja Zazubovits; Satoru Oshino; Jean Gotman; Haruhiko Kishima

doi:10.3791/62247

JoVE Journal > Neuroscience

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Nörobilim

Достоверная получение данных электроэнцефалографии при одновременной электроэнцефалографии и функциональной МРТ

Published: March 19, 2021

doi:

10.3791/62247

Hui Ming Khoo¹, Yuya Fujita¹, Naoki Tani¹, Tetsuya Shimokawa², Natalja Zazubovits³, Satoru Oshino¹, Jean Gotman³, Haruhiko Kishima¹

¹Department of Neurosurgery,Osaka University Graduate School of Medicine, ²Center for Information and Neural Networks,National Institute of Information and Communications Technology, ³Montreal Neurological Institute and Hospital,McGill University

Özet

В этой статье представлен простой протокол для получения данных электроэнцефалографии (ЭЭГ) хорошего качества во время одновременной ЭЭГ и функциональной магнитно-резонансной томографии с использованием легкодоступных медицинских продуктов.

Abstract

Одновременная электроэнцефалография (ЭЭГ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), ЭЭГ-фМРТ, сочетают в себе комплементарные свойства ЭЭГ кожи головы (хорошее временное разрешение) и фМРТ (хорошее пространственное разрешение) для измерения активности нейронов во время электрографического события через гемодинамические реакции, известные как изменения, зависящие от уровня кислорода в крови (BOLD). Это неинвазивный исследовательский инструмент, который используется в исследованиях в области неврологии и очень полезен для клинического сообщества, особенно для лечения неврологических заболеваний, при условии, что во время сбора данных используется надлежащее оборудование и протоколы. Хотя регистрация ЭЭГ-фМРТ, по-видимому, проста, правильная подготовка, особенно при размещении и закреплении электродов, важна не только для безопасности, но и имеет решающее значение для обеспечения надежности и анализируемости полученных данных ЭЭГ. Это также самая требовательная к опыту часть подготовки. Для решения этих проблем был разработан простой протокол, обеспечивающий качество данных. Эта статья содержит пошаговое руководство по получению надежных данных ЭЭГ во время ЭЭГ-фМРТ с использованием этого протокола, который использует легкодоступные медицинские продукты. Представленный протокол может быть адаптирован к различным применениям ЭЭГ-фМРТ в исследовательских и клинических условиях и может быть полезен как для неопытных, так и для опытных операторов.

Introduction

Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) обеспечивает измерение активности нейронов через гемодинамические реакции путем измерения изменений, зависящих от уровня кислорода в крови (BOLD) во время электрографического события. Одновременная электроэнцефалография (ЭЭГ) и фМРТ (ЭЭГ-фМРТ) является неинвазивным исследовательским инструментом, который сочетает в себе синергетические свойства ЭЭГ кожи головы (хорошее временное разрешение) и фМРТ (хорошее пространственное разрешение), что позволяет лучше локализовать участок, ответственный за генерацию электрографических событий, обнаруживаемых на ЭЭГ. Он был впервые разработан в 1990-х годах для использования в области эпилепсии^1,² и впоследствии использовался в исследованиях в области неврологии с 2000-х годов^3,^4. С увеличением знаний о безопасности⁵ и непрерывным развитием методов удаления артефактов, вызванных МРТ, на ЭЭГ^3,^6,^7,^8,^9,^10,в настоящее время это инструмент, который широко используется как в неврологии, так и в клинических исследованиях^11.

ЭЭГ-фМРТ приобретается либо в состоянии покоя, либо во время выполнения задания, в зависимости от исследовательского вопроса. В целом, приобретение состояния покоя позволяет идентифицировать структуры, участвующие в генерации определенного признака ЭЭГ (например, форма сигнала, ритм, частоты, мощность) и помогает в понимании переменной спонтанной деятельности мозга^11. Ряд нейробиологических исследований и большинство клинических исследований, особенно тех, которые посвящены эпилепсии^12,приобретают ЭЭГ-фМРТ в состоянии покоя^11. Приобретение на основе задач позволяет идентифицировать области мозга и электрическую активность мозга, назначенную или связанную с конкретной задачей, и помогает установить связь между электрической активностью и областями мозга, связанными с задачей. Приобретение на основе задач в основном используется в исследованиях нейробиологии¹¹ и некоторых клинических исследованиях^13. Большинство приобретений ЭЭГ-фМРТ на основе задач используют дизайн, связанный с событиями. Тип моделирования, используемый для интеграции данных ЭЭГ и фМРТ, определяет, следует ли максимизировать эффективность или мощность обнаружения при проектировании задачи^14. Пожалуйста, ознакомьтесь с исследованиями Menon et al.¹⁴ и Liu et al.¹⁵^,¹⁶ для получения подробной информации о дизайне задачи.

Хотя сбор данных во время ЭЭГ-фМРТ может показаться простым, подготовка требует опыта. Протокол, руководящий надлежащей подготовкой к сбору данных, важен для обеспечения как безопасности, так и выхода (т.е. анализируемых и надежных данных). Несмотря на существование различных методов удаления ИНДУЦированных МРТ артефактов ЭЭГ, непоследовательные артефакты в регистрируемой ЭЭГ, особенно те, которые связаны с машинно-индуцированной вибрацией проводов и грубыми движениями субъектов, все еще трудно полностью удалить; поэтому эти артефакты необходимо свести к минимуму во время сбора данных.

В этой статье представлен простой протокол, который использует легкодоступные медицинские продукты, совместимые с МРТ. Протокол предусматривает важные шаги, которые обеспечивают качество данных, особенно качество данных ЭЭГ, что является ключом к успеху исследования ЭЭГ-фМРТ. Этот протокол был разработан на основе 20-летнего опыта исследовательской группы ЭЭГ-фМРТ в Монреальском неврологическом институте^{12, 17} и был дополнительно модифицирован для использования в Университете Осаки, что приносит пользу как неопытным, так и опытным операторам.

Protocol

Комитет по этике исследований Университетской больницы Осаки и комитет по безопасности Центра информации и нейронных сетей (CiNET) одобрили протокол (одобрение университетской больницы Осаки No 18265 и 19259; No одобрения CiNET 2002210020 и 2002120020). Все субъекты предоставили письменное информированное согласие на свое участие. 1. Подготовка экспериментальной установки Подключите МРТ-совместимые ЭЭГ и биполярные усилители к аккумуляторным батареям (убедитесь, что они полностью заряжены) и к записывающем компьютеру. Убедитесь, что рабочая область программного обеспечения для записи настроена правильно. Установите амплитудное разрешение на 0,5 мкВ, чтобы избежать насыщения усилителя; установить частотные фильтры в соответствии с интересуемой полосой частот. Установите частоту дискретизации на уровне 5000 Гц (максимально возможная для усилителей, используемых в этом протоколе), независимо от интересуемой полосы частот.ПРИМЕЧАНИЕ: Разрешение амплитуды при 0,5 мкВ соответствует максимальному значению 16,38 мВ, что достаточно для регистрации артефакта градиента, учитывая, что пики градиентных артефактов могут достигать амплитуд более чем в 100 раз больше, чем у спонтанной ЭЭГ кожи головы (примерно 10-100 мкВ) на высоких скоростях (>1000 раз быстрее, чем скорость изменения текущей ЭЭГ). Теоретически частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше (теорема Найквиста), чем самая высокая частота в спектре переключения градиентов, чтобы точно отобрать высокочастотные артефакты переключения градиентов и обнаружить истинное начало градиентной активности каждого тома для последующего удаления12,18. Однако увеличение частоты дискретизации приводит к большим размерам файлов, которые требуют значительных инвестиций в хранение данных, а также могут препятствовать последующей постобработке. Использование синхронизировочного устройства делает ненужным повышение частоты дискретизации для улучшения синхронизации между тактами ЭЭГ и МРТ (см. шаг 1.4). Частота дискретизации 5000 Гц достаточна для обычных записей ЭЭГ/потенциала, связанного с событиями (ERP), а более высокие частоты дискретизации не улучшают качество данных, поскольку последующий процесс коррекции артефактов, который включает в себя понижение выборки данных до частоты ниже 500 Гц и дополнительную фильтрацию нижних частот, устраняет все остатки коррекции высокочастотного градиента, которые могут существовать18. Обратитесь к руководству для получения подробной информации о надлежащих настройках программного обеспечения для записи, необходимого для получения ЭЭГ в МРТ, которое отличается от такового за пределами МРТ. Проверьте, периодически ли отображаются маркеры сканера, т.е. маркеры синхронизации часов (синхронизация включена по умолчанию) и триггер громкости (R128 по умолчанию), в онлайн-записи ЭЭГ. Синхронизация на дисплее указывает на то, что МРТ-сканер и часы ЭЭГ синхронизированы, а R128 указывает, что триггеры громкости записываются для последующей постобработки. МРТ-сканер и ЭЭГ-часы синхронизируются с помощью устройства SyncBox, которое обнаруживает выход тактовой частоты сканера (обычно 10 МГц и выше), понижает и выводит тактовый сигнал (и маркеры синхронизации) на интерфейс USB2.ПРИМЕЧАНИЕ: Интерфейс USB2 отправляет данные ЭЭГ со всех усилителей, которые имеют фазовую блокировку к тактовому сигналу сканера, на записывающий компьютер18. Периодическая синхронизация на маркерах – это триггеры, генерируемые электрическим импульсом сканера для синхронизации выборки сигнала ЭЭГ по скорости МРТ-сканера, необходимой для коррекции артефактов сканера. Триггеры громкости используются для определения времени начала сканирования тома МРТ для коррекции артефактов сканера во время автономной обработки ЭЭГ19. Настройте МРТ-сканер в соответствии с потребностями и доступностью. Лучше всего использовать радиочастотную (РЧ)-катушку передающих и приемных головок для минимизации риска радиочастотного нагрева. Однако здесь использовались ВЧ-катушка передачи всего тела и 20-канальная головка, принимая только РЧ-катушку, потому что катушка головки передачи и приема была недоступна для используемого сканера (как правило, в случае большинства современных сканеров). Загрузите шприц 10 мл (или несколько по мере необходимости) абразивным проводящим гелем для нанесения колпачка ЭЭГ. Можно предварительно загрузить абразивный гель в пластиковый шприц большой емкости объемом 50 мл для дозирования жидкости и заполнить шприц объемом 10 мл гелем до прибытия субъекта.ПРИМЕЧАНИЕ: Применение 32-канальной крышки ЭЭГ обычно потребляет около 20-25 мл геля. 2. Применение колпачка ЭЭГ и электрода ЭКГ При приеме на работу попросите испытуемого заполнить контрольный список потенциальных противопоказаний для МРТ. Подтвердите, что у субъекта нет противопоказаний для проведения МРТ до приезда.ПРИМЕЧАНИЕ: В целом, любой субъект, который имеет право на МРТ, может участвовать в исследовании ЭЭГ-фМРТ. Критериями исключения являются: субъекты, не сотрудничающие или не соблюдающие правила; с сопутствующими заболеваниями (например, хроническими болями в спине), которые не позволяют им лежать на спине в течение определенного периода времени (обычно не менее 1 ч); или субъекты, которые могут быть не в состоянии лежать неподвижно на столе МРТ во время сканирования. Движение не только препятствует качеству данных ЭЭГ и фМРТ, но и создает потенциальную опасность для самих субъектов (например, индуцирует ток в проводах и кабелях, который может вызвать стимуляцию). В случае овладения на основе задач следует также учитывать способность субъекта к пониманию языка (избегайте субъектов, которые не могут понять инструкции). В этом исследовании были набраны 32 здоровых добровольца (средний возраст, 40 лет; 17 женщин) и 25 пациентов с эпилепсией (средний возраст, 31 год; 13 женщин). Попросите испытуемых вымыть волосы шампунем без кондиционера или воска до прибытия. Объясните испытуемому цель эксперимента и последующие шаги. Измерьте окружность головы (т.е. затылочную фронтальную окружность), обернув гибкую нерастягиваемую измерительную ленту вокруг головы над надглазальными гребнями и затылком и выберите колпачок соответствующего размера. Используйте колпачок, который на 1 см больше окружности головы, и всегда спрашивайте испытуемого, удобна ли крышка после размещения (то есть не слишком тугая). Поместив колпачок в приблизительное положение над головой субъекта, используя ту же измерительную ленту, измерьте длину дуги ионно-носовой дуги, определяемой как дуга над средней линией головы, простирающейся от затылки до переносицы, и пери-аурикулярная дуга, определяемая как дуга, простирающаяся между ушами, которая пересекает среднюю точку дуги ион-назиона, над колпачком. Отметьте пересечение ионно-насионной дуги и пери-аурикулярной дуги (точка, где встречаются средние точки обеих дуг, AKA Cz) и сдвиньте колпачок над головой так, чтобы положение электрода Cz было скорректировано к этому пересечению. Убедитесь, что колпачок не поворачивается горизонтально, вручную проверив, расположены ли электроды Fz, Pz, Oz, Reference и Ground над дугой иона-назиона. Обнажите кожу под каждым электродом, смещая волосы в сторону электрода с помощью задней части ватного тампона. Втирайте кожу под каждый электрод, быстро прядя ватный тампон, содержащий 70% раствор спирта, помещенный через отверстие электрода. Нанесите небольшое количество абразивно-проводящего геля (~ 0,2 мл) в отверстие и истирайте кожу, быстро вращая ватный тампон аналогичным образом. Контролируйте импеданс электрода (отображаемый регистрирующей программой) и повторяйте истирание, как указано на этапе 2.8, до тех пор, пока импеданс не упадет по меньшей мере ниже 20 кОм20,предпочтительно как можно ниже (ниже 5 кОм)21. Заполните отверстие тем же гелем (обычно ~ 0,5 мл), как только импеданс будет удовлетворительным. Не наносите чрезмерное количество геля в отверстие, чтобы избежать связывания между электродами. Перейдите к следующему электроду, если импеданс неудовлетворительный, несмотря на повторное истирание, и вернитесь позже, потому что иногда импэданс продолжает падать со временем после нанесения геля. Повторите шаги 2.6-2.9 для всех электродов ЭЭГ кожи головы. Прежде чем поместить электрод ЭКГ сзади, попросите субъекта сидеть вертикально, не сгибая шею. Убедитесь, что электродный провод ЭКГ является прямым при размещении электрода ЭКГ сзади, но сохраните некоторую скидку на прокладку электродного провода ЭКГ вдоль кривой шеи, чтобы избежать смещения электрода, когда субъект ложится на стол МРТ. Поместите электрод ЭКГ на 2-3 см влево от срединной борозды, которую можно идентифицировать как вертикальный отступ вдоль средней линии спины. Вертикальное положение варьируется в зависимости от высоты объекта; он обычно расположен на нижней части спины примерно на линии, которая простирается между кончиками лопатки в предмете около 160 см. Потрите кожу под электродом ЭКГ спиртовой тампон. Прикрепите электрод ЭКГ к коже с помощью двустороннего адгезивного кольца и повторите шаги 2,8-2,9. Клейкое кольцо также служит набивкой, чтобы избежать прямого контакта электрода с кожей. Сложите сухой спиртовой ватный тампон в четыре и поместите его на электрод ЭКГ. Прикрепите его к коже с помощью хирургической ленты (медицинской клейкой ленты). Прикрепите электрод экг-провод к коже до плеча. 3. Примените петлю из углеродного провода (если имеется биполярный усилитель) Поместите набор предварительно оплетенной углеродной проволоки (диаметр 1 мм)9, состоящий из шести петель (диаметр 10 см) над колпачком в таком положении, чтобы пучок проводов подавался параллельно пучку электродов на верхней части головки. Используйте хирургическую ленту (1 х 2 см) для закрепления петель вокруг электродов, так что петли покрывают голову, причем каждая петля равномерно покрывает почти равную площадь (т. Е. Как передне-временную, так и височно-затылочную, затылочную и вершинную). В качестве альтернативы можно также пришить петли к ЭЭГ-колпачку, если это применимо.ПРИМЕЧАНИЕ: Петли из углеродной проволоки на голове служат для захвата движения, включая баллистокардиограмму (БЦЖ). Эти сигналы используются для удаления артефактов БЦЖ из ЭЭГ при автономной обработке ЭЭГ9. 4. Крепление колпачка и петли из углеродной проволоки Убедитесь, что электроды ЭЭГ не образуют петли. Оберните голову субъекта эластичным бинтом поверх колпачка ЭЭГ и углеродных петель. Повязка служит для плотного прижимания электрода ЭЭГ к коже, чтобы уменьшить вибрацию электродов, вызванную аппаратом МРТ, и предотвратить попадание геля на подушку при помещении объекта внутрь МРТ-сканера (см. шаг 5). Убедитесь, что повязка покрывает все электроды и не слишком тугая, спросив, чувствует ли субъект неудобное давление на голову во время нанесения повязки. 5. Размещение объекта в МРТ-сканере В случае приобретения состояния покоя проинструктируйте испытуемого о применении МРТ-совместимых наушников в ушах. В случае приобретения на основе задач попросите испытуемого применить МРТ-совместимую гарнитуру или наушники в соответствии с требованиями эксперимента. Убедитесь, что объект может слышать через обе стороны гарнитуры или наушников. Поместите совместимую с МРТ плоскую подушку с эффектом памяти в нижнюю половину головной катушки, прежде чем просить субъекта лечь и поместить голову в катушку. После соответствующего позиционирования головки (верхняя часть головки расположена как можно ближе к верхней части катушки головки), поместите электрод и пучки углеродной проволоки прямо через верхнее отверстие катушки головки. Добавьте подушки из пены с эффектом памяти к верхней части головы, лбу и височной области. Подушки должны соответствующим образом заполнять все пространства, оставшиеся в головной катушке, не сжимая при этом голову субъекта слишком плотно. Убедитесь, что подушки не сжимают голову при размещении верхней половины головной катушки и при закрытии катушки. Отрегулируйте подушки или измените подушки меньшего размера, если они слишком плотные. Таким образом, подушки служат для удержания электродных проводов, чтобы уменьшить вибрацию, вызванную аппаратом МРТ на проводах электродов, и сдерживать движения головы, сохраняя при этом комфорт субъекта во время сканирования. Поместите подушку из пены с эффектом памяти в половину цилиндрической формы в задней части шеи так, чтобы электродная проволока ЭКГ была хорошо зажата между подушкой и шеей. Часть электродной проволоки ЭКГ, которая проходит сзади ниже плеча, действительно зажата между спиной субъекта и столом МРТ и, таким образом, обездвижена собственным весом субъекта. В случае приобретения на основе задачи, после размещения всех подушек из пены с эффектом памяти убедитесь, что гарнитура или наушники не смещены путем повторного тестирования, может ли субъект по-прежнему слышать через обе стороны гарнитуры или наушников. Закрыв головную катушку, поместите зеркало и проинструктируйте субъекта отрегулировать зеркало (в случае задачи, требующей визуальных стимулов). Попросите испытуемого отрегулировать зеркало, если это необходимо, после перемещения стола, чтобы поместить голову субъекта в изоцентр отверстия МРТ. Подключите усилители, расположенные в задней части отверстия МРТ, к записывающем компьютеру, размещенному в консольной комнате, используя предоставленные оптические волокна. После подключения электродов ЭЭГ/ЭКГ и контуров углеродного провода к ЭЭГ и биполярным усилителям в задней части отверстия МРТ включите усилители. Опять же, проверьте импеданс всех электродов, чтобы убедиться, что они все еще низкие (по крайней мере, ниже 20 кОм). Извлеките объект из МРТ-сканера для регулировки, если есть электрод с высоким импедансом. 6. Конфигурация проводов и усилителей Расположите все провода между выходом верхнего отверстия головной катушки и усилителями (включая электроды и пучки углеродных проводов, соединительную коробку и ленточные провода) так, чтобы они были размещены прямо и в центре отверстия МРТ. Это важно для минимизации тока, вызванного МРТ. Поместите одну петлю углеродного провода вокруг ленточного кабеля, идущей от разъема электродов ЭЭГ/ЭКГ к усилителю, и подключите все петли углеродного провода (см. шаг 5.7) к входной коробке биполярного усилителя (EXG MR). Эта петля служит в основном для улавливания вибраций, вызванных гелиевым насосом9. Чтобы свести к минимуму вибрацию, вызванную аппаратом МРТ, обездвиживайте провода, сэндвичив их все с МР-безопасными и неферромагнитными мешками с песком на всем пути между выходом верхнего отверстия головной катушки и усилителями. Кроме того, поместите мешки с песком на усилители. Эти мешки с песком размером 330 мм х 240 мм х 50 мм и весом 4 кг поставляются производителем ЭЭГ. Расположите усилители вне отверстия магнита, что допускается длиной кабелей, поставляемой производителем. 7. Сбор данных ЭЭГ-фМРТ Убедитесь, что объекту удобно позиционирование, прежде чем покинуть комнату сканера, чтобы избежать ненужного перемещения объекта во время захвата. Попросите испытуемого нажать тревожную кнопку, если это необходимо (т. Е. В случае чрезвычайной ситуации или если субъект чувствует дискомфортное ощущение). Общайтесь с субъектом из консольной комнаты, чтобы убедиться, что субъект слышит оператора. Скажите субъекту, что во время сбора данных ожидаются громкие звуки. Проинструктируйте испытуемого, как это требуется для эксперимента, и проинструктируйте субъекта не двигаться во время сбора данных. Начните запись ЭЭГ до начала получения фМРТ. Как правило, последовательно получаются следующие изображения: скаутские изображения (двумерные) для позиционирования поля зрения фМРТ, фМРТ и структурные изображения для совместной регистрации изображений фМРТ во время постобработки. Последовательности проволочных проволок запускались перед получением каждого типа изображения для калибровки соответствующих параметров.ПРИМЕЧАНИЕ: Важно использовать последовательности МРТ, которые доказали свою безопасность с усилителями для поддержания безопасности и предотвращения любого повреждения усилителей18. Подробности, касающиеся последовательностей, считающиеся безопасными, подробно обсуждаться не будут. Читателям рекомендуется ознакомиться с руководством пользователя или службой поддержки. В общем, рекомендуются градиентные эхо-последовательности, и следует избегать спиновых эхо-последовательностей или любой последовательности с эквивалентными параметрами радиочастотного излучения, которые могут вызвать чрезмерный ВЧ-индуцированный нагрев. Нагрев может быть косвенно количественно определен с использованием метрик, которые измеряют величину радиочастотного воздействия, такие как удельная скорость поглощения энергии (SAR) и среднеквадратичное значение B1+ усредненное за 10 с (B1+ RMS). В последнее время B1+ rms, зависящий от параметров визуализации, но независимый от массы тела субъекта22,становится новым стандартом для определения предела. Например, пороговые значения B1+ RMS для приобретения при 3 Т с использованием колпачка ЭЭГ Brain Products составляют 1 мкТл для текущего стандартного колпачка и 1,5 мкТл для нового стандартного колпачка ЭЭГ с более коротким (10 см) комплектным кабелем23. Угол наклона, количество срезов и время повторения (TR) — это параметры, которые необходимо учитывать, чтобы сохранить SAR и B1+ RMS на низком уровне. Рекомендуется небольшой угол наклона (<90°). Количество срезов и TR можно регулировать, если результирующая последовательность ниже порога B1+rms23. После начала сбора убедитесь, что маркеры сканера (см. 1.4) периодически отображаются в онлайн-записи ЭЭГ.

Representative Results

При установке колпачка ЭЭГ с использованием этого протокола импеданс каждого электрода обычно опускается ниже 20 кОм(рисунок 1). Репрезентативные сигналы ЭЭГ, полученные от субъекта (20-летнего мужчины), участвовавшего в нейрокогнитивном исследовании, и другого субъекта (19-летняя женщина), участвовавшего в исследовании эпилепсии с использованием этого протокола в том же МР-сканере, показаны на рисунке 2 и рисунке 3соответственно. Испытуемому, который прошел нейрокогнитивное тестирование, было поручено держать глаза открытыми, но оставаться неподвижным при выполнении визуальной задачи в соответствии с инструкциями. Субъекту исследования эпилепсии было поручено закрыть глаза и спать, так как эпилептическая активность обычно более часта во время сна. Сигналы ЭЭГ, полученные в обоих исследованиях, были сходными до обработки(рисунок 2); артефакт градиента МРТ скрывал реальные сигналы ЭЭГ. Сигналы ЭЭГ из обоих исследований обрабатывались в автономном режиме следующим образом: артефакты МРТ удаляли с помощью метода вычитания24; и артефакты BCG, движений и гелиевого насоса были удалены с помощью регрессии сигналов, записанных из петель углеродной проволоки7,9. Результирующие сигналы ЭЭГ(рисунок 3В)из обоих исследований были анализируемого качества без видимого загрязнения артефактов БЦЖ(рисунок 3А). Эпилептическая активность была четко видна на ЭЭГ во время исследования эпилепсии(рисунок 3B). На ЭЭГ, приобретенной во время нейрокогнитивного исследования, наблюдалось моргание, движение глаз и мышечные артефакты, особенно в лобных отведениях (Fp1 и Fp2) после удаления артефакта(рисунок 3B)из-за характера исследования, и могут быть дополнительно удалены с использованием других методов в зависимости от необходимости. На обработанных сигналах ЭЭГ, полученных во время обоих исследований, не было замечено никаких артефактов, происходящих из вибраций машин(Рисунок 3В сопоставим с сигналами ЭЭГ, полученными вне МРТ, как показано на рисунке 3C). На одновременно полученных МР-изображениях не было замечено ни одного артефакта, происходящего из электродов ЭЭГ(рисунок 4). Рисунок 1:Репрезентативное сопротивление электродов ЭЭГ, которое упало ниже 5 кОм при применении 32-канального колпачка ЭЭГ на субъекте, который участвовал в нейрокогнитивном исследовании. Каждый круглый цветной круг представляет собой электрод ЭЭГ, название электрода которого написано внутри круга; положение каждого круга представляет собой положение каждого электрода на колпачке ЭЭГ. Цветовая полоса и цифры справа представляют диапазон измеряемого импеданса (в данном случае 0-5 кОм); зеленый цвет указывает, что значение импеданса ниже значения уровня Good, а красный цвет указывает на уровень Bad. В этом примере электроды CP1, O1, Oz, O2 и ЭКГ обозначены светло-зеленым цветом, что означает, что импедансы этих электродов составляли 2 кОм; остальные электроды обозначены темно-зеленым цветом, что означает, что импедансы этих электродов составляли 0 кОм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 2:Сигнал ЭЭГ перед обработкой. Обратите внимание, что артефакт градиента МРТ скрывал реальные сигналы ЭЭГ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 3:Репрезентативные сигналы ЭЭГ от субъектов, участвовавших в нейрокогнитивных и эпилептических исследованиях. Сигналы ЭЭГ в верхнем ряду были из нейрокогнитивного исследования, а те, что в нижнем ряду, были из исследования эпилепсии. Сигналы ЭЭГ обрабатывались в автономном режиме. (A) Сигналы ЭЭГ после удаления артефакта градиента МРТ. На полях светло-синего цвета обозначены артефакты BCG. (B)Сигналы ЭЭГ после удаления артефакта с использованием регрессии сигналов, записанных из петель углеродной проволоки. (C)Сигналы ЭЭГ регистрируются вне МРТ с использованием того же оборудования ЭЭГ. Сигналы ЭЭГ были показаны в референтном монтаже (ссылка на FCz); ЭЭГ в биполярном монтаже (каждый канал представляет собой разность напряжений между парой соседних электродов) одного и того же сегмента также показана для ЭЭГ, полученной во время исследования эпилепсии, чтобы облегчить визуализацию эпилептической активности. Синие наконечники стрел (B и C, верхний ряд) указывают на моргание (высокоамплитудные медленные отклонения вниз / дифазные потенциалы при Fp1 и Fp2), черный наконечник стрелы (B, верхний ряд) указывает на движение глаз в результате саккады или спонтанного изменения взгляда (небольшие, быстрые отклонения при Fp1 и Fp2), а зеленые прямоугольники (B, верхний ряд) указывают на альфа-ритм, наблюдаемый на ЭЭГ, приобретенной во время нейрокогнитивного исследования. Низкоамплитудная и высокочастотная активность преимущественно при Fp1 и Fp2 являются мышечными артефактами (утолщение трассировки ЭЭГ, верхний ряд). Красные наконечники стрелок (B и C, нижний ряд) указывают на временные точки, в которые эпилептическая активность была идентифицирована на ЭЭГ, приобретенной во время исследования эпилепсии (резкие отклонения вниз или вверх, за которыми иногда следует медленная волна). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 4:Репрезентативные данные МРТ, полученные от субъекта с использованием этого протокола. Обратите внимание, что электроды ЭЭГ не вызывали видимых артефактов на изображениях МРТ, полученных одновременно. (А)намагниченностью подготовлена быстрая семека с градиентным эхо-изображением; (B) эхо-планарная визуализация. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

Этот протокол выделил важные моменты для безопасного одновременного сбора ЭЭГ-фМРТ данных хорошего качества.

Некоторые распространенные ошибки, приводящие к трудноустранимым артефактам на ЭЭГ, а также методы устранения неполадок заключаются в следующем. Во-первых, выбор субъектов, которые соответствуют требованиям и сотрудничают, и обеспечение их комфорта во время сбора данных может предотвратить преждевременное прекращение из-за движений субъекта (шаги 2.1 и 5.4). Во-вторых, импеданс, не опускающийся ниже 20 кОм после повторного истирания кожи головы (шаг 2.9), скорее всего, связан с недостаточной чисткой зубов после использования. Тщательная чистка каждого отверстия электродов ЭЭГ при стирке колпачка предотвращает эту проблему. В-третьих, неправильные настройки аппаратного и программного обеспечения могут привести к насыщению сигналов ЭЭГ, что впоследствии затруднит удаление артефактов во время автономной обработки ЭЭГ. Наконец, для предотвращения регистрации насыщенных сигналов ЭЭГ поддерживать импеданс каждого электрода ниже 20 кОм после помещения субъекта в МР-сканер до сбора данных; адекватно уменьшать механические вибрации путем иммобилизации колпачка ЭЭГ (что также означает голову субъекта), кабелей и проводов; контролируйте необработанный сигнал ЭЭГ в режиме онлайн с помощью записывающего программного обеспечения и убедитесь, что частота дискретизации и разрешение амплитуды настроены правильно.

Одновременное получение ЭЭГ и фМРТ поднимает важные вопросы безопасности, связанные с радиочастотным нагревом и переключением градиент-индуцированных токов из-за наличия электрических проводов, подключенных к объекту в быстро меняющемся магнитном поле^5. Эти проблемы безопасности были в значительной степени сведены к минимуму на протяжении многих лет после результатов исследований, которые расширили знания об этом аспекте и привели к значительному улучшению технологии оборудования ЭЭГ, совместимого с МРТ. Тем не менее, небрежная подготовка без достаточных знаний или без принятия мер предосторожности подвергает испытуемых опасности. Например, петли, которые образуются в любом месте цепи, вызывают ток и возможное тепловое повреждение. Захват с помощью электродов с высоким импедансом не только затрудняет качество данных ЭЭГ, но и представляет потенциальную опасность для субъекта (термическая травма из-за высокой плотности тока). Та же опасность относится и к сломанным электродам. Кабели, размещенные в непосредственной близости от стенки отверстия MR, другими словами, далеко от центра, также представляют потенциальную опасность нагрева для объекта (нагрев из-за эффекта антенны)^25. Этот протокол подчеркивает следующие аспекты безопасности: в цепи между объектом и усилителем не образуются петли, все электроды имеют низкое сопротивление во время МРТ-сканирования, а все кабели размещены в центре отверстия. Начинающим операторам рекомендуется пройти обучение и следовать рекомендациям производителя, приведенным в руководстве пользователя и демонстрационных видеороликах^20, чтобы избежать каких-либо проблем с безопасностью.

Основными причинами артефактов, обнаруженных на ЭЭГ-фМРТ, являются переключение градиента МРТ, БЦЖ или грубых или тонких движений субъекта (движения лица, сжимание, глотание и т. Д.). В некоторых установках МРТ артефакты, вызванные гелиевым насосом и вентиляторами, также значительно компрометируют сигналы ЭЭГ. Артефакты градиента МР довольно последовательны в формах сигналов и могут быть достаточно скорректированы с помощью метода вычитания на основе шаблона, если они полностью записаны без искажений с использованием усилителей с достаточным динамическим диапазоном^24. Артефакты BCG обычно корректируются с использованием либо метода вычитания^26,независимого компонентного анализа^6,оптимального базисного набора^8,либо комбинации этих методов^10. В последнее время было разработано удаление артефактов с помощью простой регрессии на основе сигналов, полученных одновременно с петлями углеродной проволоки^7,^9. Протокол, представленный здесь, иллюстрирует технический аспект с целью предоставления вводного руководства для тех, кто заинтересован в использовании этого метода. Этот метод удаляет БЦЖ, тонкие движения субъекта и артефакты гелиевого насоса, и полученные сигналы ЭЭГ, как сообщается, превосходят те, которые корректируются с использованием других методов^7,^9. Однако более крупные артефакты движения, особенно те, которые содержат покачивающиеся движения, не удаляются даже с помощью этого метода^7. Несмотря на совершенствование этих методологий удаления артефактов на протяжении многих лет, непоследовательные артефакты, в том числе вызванные вибрацией, вызванной аппаратом МРТ, все еще трудно удалить. Более того, чем обширнее процедура удаления артефактов, тем выше риск потери некоторых реальных сигналов ЭЭГ. Поэтому хорошая подготовка, которая может свести к минимуму непоследовательные артефакты, остается наиболее важной при получении ЭЭГ-фМРТ. В этом протоколе эти артефакты минимизируются с помощью: (1) эластичного бинта для обертывания головы и подушек из пены с эффектом памяти, чтобы обездвижить голову в катушке головы, чтобы уменьшить возможную вибрацию проводов при сохранении комфорта субъекта; (2) хлопчатобумажная и медицинская клейкая лента для уменьшения вибрации электродной проволоки ЭКГ, которая не может быть полностью обездвижена собственным весом субъекта (частично плавает между субъектом и столом, особенно у тонкого субъекта); и 3) мешки с песком для обездвиживаний кабелей, помещенных в отверстие МРТ. Это важные методы минимизации трудно удаляемых вибрационных артефактов МРТ, которые не были описаны в ранее опубликованном протоколе ЭЭГ-фМРТ^20. В этом протоколе испытуемые помещались в сканер без дополнительного обертывания над колпачком ЭЭГ и набивкой вокруг головы, а кабели были заклеены только в нескольких точках без иммобилизации с использованием мешков с песком. Основываясь на 20-летнем опыте работы в Монреальском неврологическом институте, мы поняли, что эти меры могут способствовать восприимчивости электродных проводов и кабелей к вибрации, вызванной аппаратом МРТ, хотя они редко подчеркиваются в большинстве исследований ЭЭГ-фМРТ^6. Минимизация вибрации, вызванной аппаратом МРТ, впоследствии приводит к улучшению качества и читаемости ЭЭГ, что особенно полезно для выявления тонких изменений или событий в ЭЭГ^6,таких как небольшие эпилептические выделения в исследованиях эпилепсии и однопроигрышные ЭРП в нейрокогнитивных исследованиях.

Обнаружение ЭРП в сигналах ЭЭГ является необходимым условием для когнитивных нейробиологических исследований. В отличие от классического большого среднего ответа в испытаниях, обнаружение ERP в одном испытании, которое дает представление о динамике мозга в ответ на конкретный стимул, становится новой целью в современных исследованиях когнитивной нейробиологии и неинвазивных исследованиях интерфейса мозг-компьютер^27. Применение настоящего протокола может способствовать повышению эффективности в этих областях исследований.

Протокол лучше всего подходит для МРТ-совместимой системы ЭЭГ, используемой в этом исследовании. Тем не менее, мы считаем, что важные моменты могут быть применимы и к другим МРТ-совместимым системам ЭЭГ.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было спонсировано Национальным институтом информационно-коммуникационных технологий Японии (NICT).

Авторы благодарят физиков и технологов МРТ в Центре информации и нейронных сетей за их преданность делу получения данных МРТ хорошего качества.

Доктор Ху финансируется Грантом на научные исследования (No 18H06261, 19K21353, 20K09368) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники Японии и грантом Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), а также был поддержан стипендией Марка Рэйпорта и Ширли Фергюсон Рэйпорт в хирургии эпилепсии и стипендией Престона Робба Монреальского неврологического института (Канада), исследовательская стипендия Мемориального фонда Уэхара (Япония). Она получила спонсируемую награду от Японского общества эпилепсии, поддержку от программы стипендиатов Американского общества эпилепсии (AES) и стипендию на поездки от Международной лиги против эпилепсии (ILAE).

Д-р Тани финансируется Грантом на научные исследования (No 17K10895) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники Японии и получил исследовательскую поддержку от Фонда Мицуи-Коусей, финансирование поездки от Medtronic, роялти от публикации статей (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin) и гонорары от работы в качестве докладчика (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).

Доктор Осино финансируется Грантом на научные исследования (No 17K10894) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники Японии. Он получал гонорары от публикации статей (Medicalview, Igaku-shoin) и гонорары от работы в качестве докладчика (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).

Д-р Фудзита финансируется Грантом на научные исследования (No 19K18388) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники Японии.

Д-р Готман финансируется Канадским институтом исследований в области здравоохранения (No. FDN 143208).

Д-р Кисима финансируется грантом на научные исследования (No 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) от Министерства образования, культуры, спорта, науки и техники Японии, Межведомственная программа содействия стратегическим инновациям (No. SIPAIH18E01), Японское агентство медицинских исследований и разработок и Японский фонд исследований эпилепсии.

Materials

BrainAmp EXG MR	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible bipolar amplifier
BrainAmp MR Plus	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible EEG amplifier
BrainCap MR	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible EEG cap
ESPA elastic bandage	Toyobo co., Ltd.	elastic bandage for for wrapping the subject's head
One Shot Plus P EL-II alcohol swab	Shiro Jyuji, Inc.	Alcohol swab for preparing the skin
Power Pack	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible battery pack for electric supply of the amplifiers
SyncBox	Brain Products, GmBH, Germany	Phase synchronization between the EEG equipment and the MRI scanner
USB 2 Adapter (BUA)	Brain Products, GmBH, Germany	USB Adaptor to connect the amplifiers to the recording computer
V19 abrasive conductive gel	Brain Products, GmBH, Germany	Abrasive gel for the application of the EEG-cap
Yu-ki Ban GS Medical adhesive tape	Nitoms, Inc.	medical adhesive tape to secure the ECG electrode and carbon wire loops

Referanslar

Krakow, K., et al. EEG-triggered functional MRI of interictal epileptiform activity in patients with partial seizures. Brain. 122, 1679-1688 (1999).
Ives, J. R., Warach, S., Schmitt, F., Edelman, R. R., Schomer, D. L. Monitoring the patient’s EEG during echo planar MRI. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 87 (6), 417-420 (1993).
Nunez, P. L., Silberstein, R. B. On the relationship of synaptic activity to macroscopic measurements: does co-registration of EEG with fMRI make sense. Brain Topography. 13 (2), 79-96 (2000).
Kruggel, F., Wiggins, C. J., Herrmann, C. S., von Cramon, D. Y. Recording of the event-related potentials during functional MRI at 3.0 Tesla field strength. Magnetic Resonance in Medicine. 44 (2), 277-282 (2000).
Lemieux, L., Allen, P. J., Franconi, F., Symms, M. R., Fish, D. R. Recording of EEG during fMRI experiments: patient safety. Magnetic Resonance in Medicine. 38 (6), 943-952 (1997).
Benar, C., et al. Quality of EEG in simultaneous EEG-fMRI for epilepsy. Clinical Neurophysiology. 114 (3), 569-580 (2003).
Masterton, R. A., Abbott, D. F., Fleming, S. W., Jackson, G. D. Measurement and reduction of motion and ballistocardiogram artefacts from simultaneous EEG and fMRI recordings. Neuroimage. 37 (1), 202-211 (2007).
Niazy, R. K., Beckmann, C. F., Iannetti, G. D., Brady, J. M., Smith, S. M. Removal of FMRI environment artifacts from EEG data using optimal basis sets. Neuroimage. 28 (3), 720-737 (2005).
vander Meer, J. N., et al. Carbon-wire loop based artifact correction outperforms post-processing EEG/fMRI corrections–A validation of a real-time simultaneous EEG/fMRI correction method. Neuroimage. 125, 880-894 (2016).
Debener, S., et al. Improved quality of auditory event-related potentials recorded simultaneously with 3-T fMRI: removal of the ballistocardiogram artefact. Neuroimage. 34 (2), 587-597 (2007).
Mele, G., et al. Simultaneous EEG-fMRI for functional neurological assessment. Frontiers in Neurology. 10, 848 (2019).
Gotman, J., Kobayashi, E., Bagshaw, A. P., Benar, C. G., Dubeau, F. Combining EEG and fMRI: a multimodal tool for epilepsy research. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (6), 906-920 (2006).
Ford, J. M., Roach, B. J., Palzes, V. A., Mathalon, D. H. Using concurrent EEG and fMRI to probe the state of the brain in schizophrenia. NeuroImage: Clinical. 12, 429-441 (2016).
Menon, V., Crottaz-Herbette, S. . International Review of Neurobiology. , 291-321 (2005).
Liu, T. T. Efficiency, power, and entropy in event-related fMRI with multiple trial types. Part II: design of experiments. Neuroimage. 21 (1), 401-413 (2004).
Liu, T. T., Frank, L. R. Efficiency, power, and entropy in event-related FMRI with multiple trial types. Part I: theory. Neuroimage. 21 (1), 387-400 (2004).
Gotman, J., Benar, C. G., Dubeau, F. Combining EEG and FMRI in epilepsy: methodological challenges and clinical results. Journal of Clinical Neurophysiology. 21 (4), 229-240 (2004).
Gutberlet, I., Ullsperger, M., Debener, S. . Simultaneous EFG and fMRI. , 69-84 (2010).
Brain Products GmbH. Operating and Reference Manual for use in a laboratory and MR environment. BrainAmp series & BrainAmp MR series. , (2020).
Mullinger, K. J., Castellone, P., Bowtell, R. Best current practice for obtaining high quality EEG data during simultaneous FMRI. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (76), e50283 (2013).
Ragazzoni, A., et al. “Hit the missing stimulus”. A simultaneous EEG-fMRI study to localize the generators of endogenous ERPs in an omitted target paradigm. Scientific Reports. 9 (1), 3684 (2019).
. New MRI Safety Labels & Devices Available from: https://www.ismrm.org/smrt/E-Signals/2016FEBRUART/eSig_5_1_hot_2.htm (2016)
Brain Products GmbH. Conditions for safe use of BrainAmp MR amplifiers and accessories in the MR environment. Performing simultaneous EEG-fMRI measurements. , 26-32 (2020).
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).
Dempsey, M. F., Condon, B. Thermal injuries associated with MRI. Clinical Radiology. 56 (6), 457-465 (2001).
Allen, P. J., Polizzi, G., Krakow, K., Fish, D. R., Lemieux, L. Identification of EEG events in the MR scanner: the problem of pulse artifact and a method for its subtraction. Neuroimage. 8 (3), 229-239 (1998).
Cecotti, H., Ries, A. J. Best practice for single-trial detection of event-related potentials: Application to brain-computer interfaces. International Journal of Psychophysiology. 111, 156-169 (2017).

Etiketler

EEG FMRI Simultaneous EEG-fMRI Data Quality Electrode Impedance EEG Cap Conductive Gel Skin Preparation ECG Neurocognitive Studies Epilepsy Studies

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Bu Makaleden Alıntı Yapın

Khoo, H. M., Fujita, Y., Tani, N., Shimokawa, T., Zazubovits, N., Oshino, S., Gotman, J., Kishima, H. Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI. J. Vis. Exp. (169), e62247, doi:10.3791/62247 (2021).