Adquisición confiable de datos de electroencefalografía durante la electroencefalografía simultánea y la RMN funcional

Resumen

Este artículo proporciona un protocolo directo para adquirir datos de la electroencefalografía de buena calidad (EEG) durante EEG simultáneo y proyección de imagen de resonancia magnética funcional utilizando productos médicos fácilmente disponibles.

Resumen

La electroencefalografía simultánea (EEG) y la resonancia magnética funcional (fMRI), EEG-fMRI, combinan las propiedades complementarias de EEG del cuero cabelludo (buena resolución temporal) y fMRI (buena resolución espacial) para medir la actividad neuronal durante un evento electrográfico, a través de respuestas hemodinámicas conocidas como cambios sangre-oxígeno-nivel-dependientes (BOLD). Es una herramienta de investigación no invasiva que se utiliza en la investigación en neurociencia y es altamente beneficiosa para la comunidad clínica, especialmente para el manejo de enfermedades neurológicas, siempre que se administren equipos y protocolos adecuados durante la adquisición de datos. Aunque el registro de EEG-fMRI es aparentemente sencillo, la preparación correcta, especialmente en la colocación y fijación de los electrodos, no solo es importante para la seguridad, sino que también es crítica para garantizar la fiabilidad y la analizabilidad de los datos de EEG obtenidos. Esta es también la parte más exigente de la experiencia de la preparación. Para abordar estos problemas, se desarrolló un protocolo sencillo que garantiza la calidad de los datos. Este artículo proporciona una guía paso a paso para adquirir datos confiables de EEG durante EEG-fMRI usando este protocolo que utiliza productos médicos fácilmente disponibles. El actual protocolo se puede adaptar a diversos usos de EEG-fMRI en la investigación y los ajustes clínicos, y puede ser beneficioso a los operadores inexpertos y expertos.

Introducción

La proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI) proporciona una medida de actividad neuronal con respuestas hemodinámicas midiendo cambios sangre-oxígeno-nivel-dependientes (NEGRILLA) durante un acontecimiento electrográfico. La electroencefalografía simultánea (EEG) y fMRI (EEG-fMRI) es una herramienta de investigación no invasiva que combina las propiedades sinérgicas del EEG del cuero cabelludo (buena resolución temporal) y fMRI (buena resolución espacial), permitiendo una mejor localización del sitio responsable de la generación de eventos electrográficos detectables en EEG. Fue desarrollado por primera vez en la década de 1990 para el uso en el campo de la epilepsia^1,2 y posteriormente se ha utilizado en la investigación de la neurociencia desde la década de 2000^3,4. Con el aumento del conocimiento sobre la seguridad⁵ y el desarrollo continuo de técnicas para la eliminación de artefactos inducidos por RMN en EEG^{3,6,7,8,9,10,}es actualmente una herramienta ampliamente utilizada tanto en neurociencia como en investigación clínica^11.

EEG-fMRI se adquiere en reposo o durante una tarea, dependiendo de la pregunta de investigación. En general, la adquisición del estado de reposo permite la identificación de estructuras involucradas en la generación de una característica particular de EEG (por ejemplo, forma de onda, ritmo, frecuencias, potencia) y ayuda a comprender las actividades cerebrales espontáneas variables^11. Una serie de estudios de neurociencia y la mayoría de los estudios clínicos, especialmente aquellos sobre epilepsia^12,adquieren EEG-fMRI en reposo^11. La adquisición basada en tareas permite la identificación de las áreas cerebrales y las actividades eléctricas cerebrales asignadas o relacionadas con una tarea específica y ayuda a establecer el vínculo entre las actividades eléctricas y las áreas cerebrales asociadas con la tarea. La adquisición basada en tareas se utiliza principalmente en estudios de neurociencia¹¹ y algunos estudios clínicos^13. La mayoría de las adquisiciones de EEG-fMRI basadas en tareas utilizan un diseño relacionado con eventos. El tipo de modelado utilizado para integrar los datos de EEG y fMRI determina si la eficiencia o la potencia de detección deben maximizarse en el diseño de la tarea^14. Consulte los estudios de Menon et al.¹⁴ y Liu et al.^15,16 para obtener detalles sobre el diseño de la tarea.

Aunque la adquisición de datos durante EEG-fMRI puede parecer sencilla, la preparación exige experiencia. Un protocolo para guiar la preparación adecuada para la adquisición de datos es importante para garantizar tanto la seguridad como el rendimiento (es decir, datos analizables y confiables). A pesar de la existencia de varias técnicas para quitar los artefactos MRI-inducidos de EEG, los artefactos contrarios en el EEG registrados, especialmente ésos relacionados con la vibración maquinaria-inducida de los alambres y de los movimientos gruesos de los temas, siguen siendo difíciles de quitar totalmente; por lo tanto, estos artefactos deben minimizarse durante la adquisición de datos.

Este artículo presenta un protocolo directo que utilice los productos médicos MRI-compatibles fácilmente disponibles. El protocolo proporciona pasos importantes que aseguran la calidad de los datos, particularmente la calidad de los datos de EEG, que es clave para el éxito de un estudio de EEG-fMRI. Este protocolo se desarrolló sobre la base de la experiencia de 20 años del equipo de investigación de EEG-fMRI en el Instituto Neurológico de Montreal^12,17 y se modificó aún más para su uso en la Universidad de Osaka, lo que beneficia tanto a los operadores inexpertos como a los expertos.

Protocolo

El comité de ética en investigación del Hospital Universitario de Osaka y el comité de seguridad del Centro de Información y Redes Neuronales (CiNET) aprobaron el protocolo (Aprobación del Hospital Universitario de Osaka Nos. 18265 y 19259; Aprobación CiNET Nº 2002210020 y 2002120020). Todos los sujetos proporcionaron su consentimiento informado por escrito para su participación.

1. Preparación de la configuración experimental

1. Conecte el EEG compatible con MRI y los amplificadores bipolares a los paquetes de baterías (asegúrese de que estén completamente cargados) y al ordenador de grabación.
2. Asegúrese de que el espacio de trabajo del software de grabación esté configurado correctamente. Ajuste la resolución de amplitud a 0,5 μV para evitar la saturación del amplificador; establecer los filtros de frecuencia de acuerdo con la banda de frecuencias de interés. Establezca la velocidad de muestreo en 5.000 Hz (máximo posible para los amplificadores utilizados en este protocolo), independientemente de la banda de frecuencias de interés.
   NOTA: La resolución de amplitud a 0,5 μV corresponde a un valor máximo de 16,38 mV, que es suficiente para registrar el artefacto de gradiente, teniendo en cuenta que los picos de artefactos de gradiente pueden alcanzar amplitudes superiores a 100 veces más que las del EEG espontáneo del cuero cabelludo (aproximadamente 10-100 μV) a altas velocidades (>1.000 veces más rápido que la tasa de cambio del EEG en curso). Teóricamente, la velocidad de muestreo debe ser al menos dos veces más alta (teorema de Nyquist) que la frecuencia más alta en el espectro de conmutación de gradiente, con el fin de muestrear con precisión los artefactos de conmutación de gradiente de alta frecuencia y detectar el verdadero inicio de la actividad de gradiente de cada volumen para su posterior eliminación^12,18. Sin embargo, el aumento de la frecuencia de muestreo da como resultado grandes tamaños de archivo, que requieren una inversión significativa para el almacenamiento de datos y también pueden impedir el posterior procesamiento. El uso del dispositivo de sincronización hace que no sea necesario aumentar la frecuencia de muestreo para mejorar la sincronización entre el EEG y los relojes de RMN (consulte el paso 1.4). Una velocidad de muestreo de 5.000 Hz es adecuada para las grabaciones habituales de EEG/potencial relacionado con eventos (ERP), y las frecuencias de muestreo más altas no mejoran la calidad de los datos porque el proceso posterior de corrección de artefactos, que implica el muestreo descendente de los datos a una frecuencia inferior a 500 Hz y el filtrado adicional de paso bajo, elimina todos los residuos de corrección de gradiente de alta frecuencia que pueden existir¹⁸.
3. Consulte el manual para obtener detalles sobre la configuración adecuada del software de grabación necesario para la adquisición de EEG en la RMN, que difiere de la que se obtiene fuera de la RMN.
4. Compruebe si los marcadores del escáner, es decir, los marcadores para la sincronización del reloj (sincronización activada de forma predeterminada) y el disparador de volumen (R128 de forma predeterminada), se muestran periódicamente en la grabación EEG en línea. La sincronización en la pantalla indica que el escáner de MRI y los relojes EEG están sincronizados, y R128 indica que los disparadores de volumen se registran para el posterior procesamiento. El escáner de RMN y los relojes EEG se sincronizan mediante el dispositivo SyncBox, que detecta la salida del reloj del escáner (normalmente de 10 MHz o más), reduce la muestra y envía la señal del reloj (y los marcadores de sincronización) a la interfaz USB2.
   NOTA: La interfaz USB2 envía los datos EEG de todos los amplificadores, que están bloqueados en fase a la señal del reloj del escáner, al ordenador de grabación¹⁸. La sincronización periódica en los marcadores son disparadores generados a partir del pulso eléctrico del escáner para sincronizar el muestreo de la señal EEG por la velocidad del escáner MR, un requisito para la corrección de artefactos del escáner. Los disparadores de volumen se utilizan para identificar el tiempo de inicio del escaneo de volumen MR para la corrección de artefactos del escáner durante el procesamiento de EEG fuera de línea¹⁹.
5. Configure el escáner de RMN de acuerdo con la necesidad y la disponibilidad. Lo mejor es utilizar una bobina de radiofrecuencia (RF) del cabezal de transmisión y recepción para minimizar el riesgo de calentamiento de RF. Sin embargo, aquí se utilizó una bobina de RF de transmisión de cuerpo entero y una bobina de RF de recepción de cabezal de 20 canales porque una bobina de cabeza de transmisión y recepción no estaba disponible para el escáner utilizado (típicamente el caso de la mayoría de los escáneres modernos).
6. Cargue una jeringa de 10 ml (o varias según sea necesario) con el gel conductor abrasivo para la aplicación de la tapa de EEG. Uno podría precargar el gel abrasivo en una jeringa de plástico de gran capacidad de 50 ml para la dispensación de líquidos y llenar la jeringa de 10 ml con el gel antes de la llegada del sujeto.
   NOTA: La aplicación de una tapa de EEG de 32 canales normalmente consume alrededor de 20-25 mL de gel.

2. Aplicación de la tapa de EEG y el electrodo de ECG

1. En el reclutamiento, pídale al sujeto que complete una lista de verificación de posibles contraindicaciones para la RMN. Confirme que el sujeto no tiene contraindicaciones para la RMN antes de la llegada.
   NOTA: En general, cualquier sujeto que califique para mri puede participar en un estudio de EEG-fMRI. Los criterios de exclusión son: sujetos no cooperativos o no conformes; aquellos con afecciones subyacentes (por ejemplo, dolor de espalda crónico), que les impiden estar en decúbito supino durante un cierto período de tiempo (por lo general, al menos 1 h); o sujetos que pueden ser incapaces de permanecer quietos en la mesa de resonancia magnética durante la exploración. El movimiento no solo obstaculiza la calidad de los datos de EEG y fMRI, sino que también impone un peligro potencial para los propios sujetos (por ejemplo, induce corriente en los cables y cables que pueden causar estimulación). En el caso de la adquisición basada en tareas, también se debe considerar la capacidad de comprensión lingüística del sujeto (evitar a los sujetos que no pueden entender las instrucciones). En este estudio, reclutaron a 32 voluntarios sanos (edad media, 40 años; 17 mujeres) y a 25 pacientes con la epilepsia (edad media, 31 años; 13 mujeres).
2. Pida a los sujetos que se laven el cabello con champú sin acondicionador ni cera antes de su llegada.
3. Explique el propósito del experimento y los próximos pasos al tema.
4. Mida la circunferencia de la cabeza (es decir, la circunferencia frontal occipital) envolviendo una cinta métrica flexible no estirable alrededor de la cabeza sobre las crestas supraorbitales y el occipucio y seleccione una tapa de tamaño adecuado. Use una tapa que sea 1 cm más grande que la circunferencia de la cabeza, y siempre pregunte al sujeto si la tapa es cómoda una vez colocada (es decir, no demasiado apretada).
5. Después de colocar la tapa en la posición aproximada sobre la cabeza del sujeto, utilizando la misma cinta métrica, mida las longitudes del arco inion-nasion, definido como el arco sobre la línea media de la cabeza que se extiende desde el occipucio hasta el puente de la nariz, y el arco peri-auricular, definido como el arco que se extiende entre las orejas que cruza el punto medio del arco inion-nasion, sobre la tapa. Marque la intersección del arco inion-nasion y el arco peri-auricular (el punto donde se encuentran los puntos medios de ambos arcos, también conocido como Cz), y deslice la tapa sobre la cabeza para que la posición del electrodo Cz se ajuste a esta intersección. Asegúrese de que la tapa no se gire horizontalmente comprobando manualmente si los electrodos Fz, Pz, Oz, Referencia y Tierra están colocados sobre el arco de inion-nasion.
6. Exponga la piel debajo de cada electrodo desplazando el cabello hacia el lado del electrodo usando la parte posterior de un hisopo de algodón.
7. Frote la piel debajo de cada electrodo girando rápidamente un hisopo de algodón que contiene una solución de alcohol al 70% colocada a través de la abertura del electrodo.
8. Aplique una pequeña cantidad del gel conductor abrasivo (~ 0.2 mL) en la abertura y desgañe la piel girando rápidamente un hisopo de algodón de una manera similar.
9. Controle la impedancia del electrodo (mostrada por el programa informático de grabación) y repita la abrasión como se indica en el paso 2.8 hasta que la impedancia caiga al menos por debajo de 20 kΩ²⁰, preferiblemente lo más baja posible (por debajo de 5 kΩ)²¹.
10. Llene la abertura con el mismo gel (generalmente ~ 0.5 mL) una vez que la impedancia sea satisfactoria. No aplique gel excesivo en la abertura para evitar el puente entre electrodos. Pasar al siguiente electrodo si la impedancia es insatisfactoria a pesar de la abrasión repetida y volver más tarde porque a veces la impedancia continúa disminuyendo con el tiempo después de aplicar el gel.
11. Repita los pasos 2.6-2.9 para todos los electrodos de EEG del cuero cabelludo.
12. Antes de colocar el electrodo de ECG en la parte posterior, pídale al sujeto que se siente en posición vertical sin flexionar el cuello.
13. Asegúrese de que el cable del electrodo de ECG esté recto al colocar el electrodo de ECG en la parte posterior, pero mantenga cierta tolerancia para colocar el cable del electrodo de ECG a lo largo de la curva del cuello, para evitar el desplazamiento del electrodo cuando el sujeto se acuesta en la mesa de MRI. Coloque el electrodo de ECG a 2-3 cm a la izquierda del surco mediano, que se puede identificar como la muesca vertical a lo largo de la línea media de la espalda. La posición vertical varía dependiendo de la altura del sujeto; se coloca típicamente en la parte baja de la espalda aproximadamente en la línea que se extiende entre las puntas de la escápula en un sujeto de unos 160 cm.
14. Frote la piel debajo del electrodo de ECG con un hisopo de alcohol.
15. Coloque el electrodo de ECG a la piel con un anillo adhesivo de doble cara y repita los pasos 2.8-2.9. El anillo adhesivo también sirve como acolchado para evitar el contacto directo del electrodo con la piel.
16. Doble el hisopo de algodón de alcohol seco en cuatro y colóquelo en el electrodo de ECG. Cójelo en la piel usando una cinta quirúrgica (cinta adhesiva médica). Pegue el cable del electrodo de ECG a la piel hasta el hombro.

3. Aplique el bucle de alambre de carbono (si hay un amplificador bipolar disponible)

1. Coloque un conjunto de alambre de carbono pre-trenzado (diámetro 1 mm)⁹ que consta de seis bucles (diámetro 10 cm) sobre la tapa en una posición tal que el haz de los cables venga en paralelo con el haz de los electrodos en la parte superior de la cabeza.
2. Use cinta quirúrgica (1 x 2 cm) para asegurar los bucles alrededor de los electrodos, de modo que los bucles cubran la cabeza con cada bucle cubriendo uniformemente casi un área igual (es decir, tanto el frontotemporal, tanto el temporo-occipital, el occipital y el vértice). Alternativamente, uno podría también coser los lazos al EEG-casquillo, si procede.
   NOTA: Los bucles de alambre de carbono en la cabeza sirven para capturar el movimiento, incluido el ballistocardiograma (BCG). Estas señales se utilizan para la eliminación de artefactos BCG del EEG durante el procesamiento de EEG fuera de línea⁹.

4. Asegurar la tapa y los bucles de alambre de carbono

1. Asegúrese de que los electrodos EEG no están formando bucles.
2. Envuelva la cabeza del sujeto con un vendaje elástico sobre la tapa de EEG y los bucles de carbono. El vendaje sirve para presionar el electrodo EEG firmemente sobre la piel, para reducir la vibración inducida por la maquinaria de RMN de los electrodos y evitar que el gel se derrame sobre la almohada al colocar al sujeto dentro del escáner de RMN (consulte el paso 5).
3. Asegúrese de que el vendaje cubra todos los electrodos y no esté demasiado apretado preguntando si el sujeto siente una presión incómoda en la cabeza mientras aplica el vendaje.

5. Colocación del sujeto en el escáner MR

1. En el caso de adquisición en estado de reposo, instruya al sujeto para que aplique auriculares compatibles con MRI en los oídos. En el caso de la adquisición basada en tareas, instruya al sujeto para que aplique los auriculares o auriculares compatibles con MRI según el requisito del experimento. Asegúrese de que el sujeto pueda oír a través de ambos lados de los auriculares o auriculares.
2. Coloque una almohada de espuma de memoria plana compatible con MRI en la mitad inferior de la bobina de la cabeza antes de pedirle al sujeto que se acueste y coloque la cabeza en la bobina.
3. Después de colocar la cabeza apropiadamente (la parte superior de la cabeza se coloca lo más cerca posible de la parte superior de la bobina de la cabeza), coloque el electrodo y los haces de alambre de carbono directamente a través de la abertura superior de la bobina de la cabeza.
4. Agregue almohadas de espuma de memoria en la parte superior de la cabeza, la frente y el área temporal. Las almohadas deben llenar apropiadamente todos los espacios que quedan dentro de la bobina de la cabeza sin comprimir la cabeza del sujeto demasiado apretadamente.
   1. Asegúrese de que las almohadas no estén apretando la cabeza mientras coloca la mitad superior de la bobina de la cabeza y mientras cierra la bobina. Ajuste las almohadas o cambie a almohadas de tamaño más pequeño si está demasiado apretado. De esta manera, las almohadas sirven para sujetar los cables del electrodo para reducir la vibración inducida por la maquinaria de MRI en los cables del electrodo y para restringir los movimientos de la cabeza mientras se mantiene la comodidad del sujeto durante la exploración.
   2. Coloque una almohada de espuma de memoria en forma de medio cilindro en la parte posterior del cuello para que el cable del electrodo de ECG esté bien intercalado entre la almohada y el cuello. La porción de alambre del electrodo de ECG que pasa en la parte posterior debajo del hombro se empareda de hecho entre la parte posterior del tema y la tabla de MRI y es inmovilizada así por el propio peso del tema.
5. En el caso de una adquisición basada en tareas, después de colocar todas las almohadas de espuma de memoria, asegúrese de que los auriculares o auriculares no se desplacen probando de nuevo si el sujeto todavía puede oír a través de ambos lados de los auriculares o auriculares. Después de cerrar la bobina de la cabeza, coloque el espejo e indique al sujeto que ajuste el espejo (en el caso de la tarea que requiere estímulos visuales). Indique al sujeto que ajuste el espejo si es necesario, después de mover la mesa para colocar la cabeza del sujeto en el isocentro del orificio de la RESONANCIA MAGNÉTICA.
6. Conecte los amplificadores colocados en la parte posterior del orificio de resonancia magnética a la computadora de grabación colocada en la sala de consola utilizando las fibras ópticas proporcionadas.
7. Después de conectar los electrodos EEG/ECG y los bucles de cable de carbono al EEG y a los amplificadores bipolares en la parte posterior del orificio de resonancia magnética, encienda los amplificadores. Una vez más, compruebe la impedancia de todos los electrodos para asegurarse de que todavía están bajos (al menos por debajo de 20 kΩ). Retire el sujeto del escáner MR para ajustarlo si hay algún electrodo con alta impedancia.

6. Configuración de los cables y amplificadores

1. Coloque todos los cables entre la salida de la abertura superior de la bobina de la cabeza y los amplificadores (incluidos los electrodos y los haces de alambre de carbono, la caja del conector y los cables de cinta) para que se coloquen rectos y en el centro del orificio de la RESONANCIA MAGNÉTICA. Esto es importante para minimizar la corriente inducida por RMN.
2. Coloque un bucle de alambre de carbono alrededor del cable de cinta que va desde la caja del conector de electrodos EEG/ECG al amplificador y conecte todos los bucles de alambre de carbono (consulte el paso 5.7) a la caja de entrada del amplificador bipolar (EXG MR). Este bucle sirve principalmente para capturar las vibraciones causadas por la bomba de helio^9.
3. Para minimizar la vibración inducida por la maquinaria de RMN, inmovilice los cables intercalando todos ellos con sacos de arena seguros para MR y no ferromagnéticos a lo largo del camino entre la salida de la abertura superior de la bobina de la cabeza y los amplificadores. Además, coloque sacos de arena en los amplificadores. Estos sacos de arena, miden 330 mm x 240 mm x 50 mm y pesan 4 kg, son suministrados por el fabricante de EEG.
4. Coloque los amplificadores fuera del orificio del imán, lo que está permitido por la longitud de los cables suministrados por el fabricante.

7. Adquisición de datos EEG-fMRI

1. Asegúrese de que el sujeto se sienta cómodo con el posicionamiento antes de salir de la sala del escáner, para evitar movimientos innecesarios del sujeto durante la adquisición. Indique al sujeto que presione el botón de alarma si es necesario (es decir, en caso de emergencia o si el sujeto siente una sensación incómoda). Comuníquese con el sujeto desde la sala de la consola para confirmar que el sujeto puede escuchar al operador. Indique al sujeto que se esperan ruidos fuertes durante la adquisición de datos. Instruya al sujeto según sea necesario para el experimento e instruya al sujeto a no moverse durante la adquisición de datos.
2. Inicie la grabación de EEG antes de iniciar la adquisición de fMRI. Por lo general, las siguientes imágenes se adquieren secuencialmente: imágenes de exploración (bidimensionales) para posicionar el campo de visión fMRI, fMRI e imágenes estructurales para co-registrar las imágenes fMRI durante el postprocesamiento. Las secuencias de correcciones de compatibilidad se ejecutaron antes de adquirir cada tipo de imagen para la calibración de los parámetros apropiados.
   NOTA: Es importante utilizar secuencias de RMN que se demuestren seguras con amplificadores para mantener la seguridad y evitar cualquier daño a los amplificadores¹⁸. Los detalles sobre las secuencias consideradas seguras no se discutirán en detalle. Se anima a los lectores a consultar el manual del usuario o el equipo de soporte. En general, se recomiendan las secuencias de eco de gradiente y deben evitarse las secuencias de eco de espín o cualquier secuencia con parámetros de emisión de RF equivalentes, que pueden causar un calentamiento excesivo inducido por RF. El calentamiento se puede cuantificar indirectamente utilizando métricas que miden la cantidad de exposición a RF, como la tasa de absorción de energía específica (SAR) y el valor cuadrático medio de B₁+ promediado sobre 10 s (B₁+ rms). Recientemente, B₁+rms, dependiente de los parámetros de imagen pero independiente de la masa corporal de los sujetos^22,se está convirtiendo en el nuevo estándar para especificar el límite. Por ejemplo, los umbrales B₁+rms para la adquisición a 3 T utilizando la tapa EEG de Brain Products son 1 μT para la tapa estándar actual y 1,5 μT para la nueva tapa EEG estándar con un cable incluido más corto (10 cm)^23. El ángulo de volteo, el número de rebanadas y el tiempo de repetición (TR) son parámetros que deben tenerse en cuenta para mantener el SAR y B₁+ rms bajos. Se recomienda un pequeño ángulo de volteo (<90°). El número de rebanadas y TR se puede ajustar siempre que la secuencia resultante esté por debajo del umbral de B₁+ rms^23.
3. Al iniciar la adquisición, asegúrese de que los marcadores del escáner (véase 1.4) se muestren periódicamente en la grabación de EEG en línea.

Resultados

Al colocar la tapa de EEG utilizando este protocolo, la impedancia de cada electrodo generalmente cae por debajo de 20 kΩ (Figura 1). Las señales representativas de EEG obtenidas de un sujeto (hombre de 20 años) que participó en un estudio neurocognitivo, y de un sujeto diferente (mujer de 19 años) que participó en un estudio de epilepsia utilizando este protocolo en el mismo escáner de RM se muestran en la Figura 2 y la Figura 3,respectivamente. El tema que experimentó la prueba neurocognitive fue mandado para mantener los ojos abiertos pero permanezca quieto mientras que realiza una tarea visual según lo mandado. El sujeto para el estudio de la epilepsia fue mandado para cerrar los ojos y dormir, pues las actividades epilépticas son típicamente más frecuentes durante sueño. Las señales de EEG adquiridas de ambos estudios fueron similares antes del procesamiento(Figura 2); el artefacto del gradiente de MRI oscureció las señales verdaderas de EEG. Las señales de EEG de ambos estudios se procesaron fuera de línea de la siguiente manera: Los artefactos de RMN se eliminaron utilizando el método de resta^24; y BCG, movimientos, y artefactos de la bomba de helio se eliminaron utilizando la regresión de las señales registradas de los bucles de alambre de carbono^7,9. Las señales de EEG resultantes(Figura 3B)de ambos estudios fueron de calidad analizable sin contaminación visible de los artefactos de BCG(Figura 3A). Las actividades epilépticas fueron claramente observadas en el EEG durante el estudio de la epilepsia (Figura 3B). En el EEG adquirido durante el estudio neurocognitivo, se observaron temblores, movimiento ocular y artefactos musculares, especialmente en los cables frontales (Fp1 y Fp2) después de la eliminación del artefacto(Figura 3B)debido a la naturaleza del estudio, y pueden eliminarse aún más utilizando otros métodos dependiendo de la necesidad. No se observó ningún artefacto procedente de vibraciones de la maquinaria en las señales de EEG postprocesadas adquiridas durante ambos estudios(Figura 3B comparable a las señales de EEG adquiridas fuera de la RMN, como se muestra en la Figura 3C). No se observó ningún artefacto procedente de los electrodos EEG en las imágenes de RM adquiridas simultáneamente (Figura 4).

Figura 1:Impedancia representativa de electrodos de EEG que cayeron por debajo de 5 kΩ tras la aplicación de una tapa de EEG de 32 canales en un sujeto que participó en un estudio neurocognitivo. Cada círculo de color redondo representa un electrodo EEG, con el nombre del electrodo escrito dentro del círculo; la posición de cada círculo representa la posición de cada electrodo en la tapa de EEG. La barra de color y los números de la derecha representan el rango de la impedancia que se está midiendo (0-5 kΩ en este caso); el color verde indica que el valor de impedancia es menor que el valor de Nivel bueno y el color rojo indica Nivel incorrecto. En este ejemplo, los electrodos CP1, O1, Oz, O2 y ECG se indican en verde claro, lo que significa que las impedancias de estos electrodos eran de 2 kΩ; el resto de los electrodos están indicados en verde oscuro, lo que significa que las impedancias de estos electrodos eran de 0 kΩ. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 2:Señal EEG antes del procesamiento. Tenga en cuenta que el artefacto de gradiente de MRI oscureció las señales reales de EEG. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 3: Señales representativas de EEG de sujetos que participaron en estudios neurocognitivos y de epilepsia. Las señales de EEG en la fila superior eran de un estudio neurocognitive y ésas en la fila inferior eran de un estudio de la epilepsia. Las señales EEG se procesaron fuera de línea. (A)Señales de EEG después de la eliminación de artefactos de gradiente de RMN. Las cajas en azul claro indican artefactos BCG. (B) Señales de EEG después de la eliminación del artefacto utilizando la regresión de las señales registradas de los bucles de alambre de carbono. (C) Señales de EEG grabadas fuera de MRI usando el mismo equipo de EEG. Las señales EEG se mostraron en montaje referencial (referencia en FCz); EEG en el montaje bipolar (cada canal representa la diferencia de voltaje entre un par de electrodos adyacentes) del mismo segmento también se muestra para EEG adquirido durante un estudio de epilepsia para facilitar la visualización de actividades epilépticas. Las puntas de flecha azules (B y C, fila superior) indican parpadeo (deflexiones descendentes lentas de alta amplitud/potenciales difásicos en Fp1 y Fp2), la punta de flecha negra (B, fila superior) indica el movimiento ocular resultante de un saccade o un cambio espontáneo de mirada (pequeñas y rápidas deflexiones en Fp1 y Fp2), y los rectángulos verdes (B, fila superior) indican el ritmo alfa visto en el EEG adquirido durante un estudio neurocognitivo. Las actividades de baja amplitud y de alta frecuencia predominantemente en Fp1 y Fp2 son artefactos musculares (engrosamiento del trazado de EEG, fila superior). Las puntas de flecha rojas (B y C, fila inferior) indican los puntos de tiempo en los cuales las actividades epilépticas fueron identificadas en EEG adquirido durante un estudio de la epilepsia (deflexiones agudas hacia abajo o hacia arriba que son seguidas a veces por una onda lenta). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 4:Datos representativos de RMN adquiridos de un sujeto utilizando este protocolo. Observe que los electrodos de EEG no causaron artefactos visibles en SR. imágenes adquiridas simultáneamente. (A)la magnetización preparó la adquisición rápida con la imagen del eco del gradiente; (B)eco de imagen plana. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Discusión

Este protocolo destacó los puntos importantes para la adquisición simultánea segura de EEG-fMRI de datos de buena calidad.

Algunos errores comunes que resultan en artefactos difíciles de quitar en EEG, así como técnicas de solución de problemas son los siguientes. En primer lugar, elegir sujetos que cumplan con las normas y sean cooperativos y garantizar su comodidad durante la adquisición de datos puede evitar la terminación prematura debido a los movimientos del sujeto (pasos 2.1 y 5.4). En segundo lugar, la impedancia que no cae por debajo de 20 kΩ después de la abrasión repetida del cuero cabelludo (paso 2.9) es más probable que se deba a un cepillado inadecuado después de su uso. Cepillar a fondo cada abertura de los electrodos EEG al lavar la tapa previene este problema. En tercer lugar, la configuración inadecuada del hardware y el software puede resultar en la saturación de las señales de EEG que posteriormente dificultan la eliminación de artefactos durante el procesamiento de EEG fuera de línea. Por último, para evitar el registro de señales de EEG saturadas, mantener la impedancia de cada electrodo por debajo de 20 kΩ después de colocar al sujeto en el escáner de RM antes de la adquisición de datos; disminuir adecuadamente las vibraciones mecánicas mediante la inmovilización de la tapa de EEG (que también significa la cabeza del sujeto), cables y alambres; supervise la señal EEG en bruto en línea con el software de grabación y asegúrese de que la velocidad de muestreo y la resolución de amplitud estén configuradas correctamente.

La adquisición simultánea de EEG y fMRI plantea importantes problemas de seguridad relacionados con el calentamiento inducido por RF y las corrientes inducidas por gradiente de conmutación debido a la presencia de cables eléctricos conectados al sujeto en el campo magnético que cambia rápidamente^5. Estos problemas de seguridad se han minimizado en gran medida a lo largo de los años después de los hallazgos de la investigación que han mejorado el conocimiento de este aspecto y llevado a grandes mejoras en la tecnología de equipos de EEG compatibles con MRI. Sin embargo, la preparación descuidada sin el conocimiento adecuado o sin tomar las precauciones de seguridad pone a los sujetos en peligro. Por ejemplo, los bucles que se forman en cualquier lugar dentro del circuito inducen corriente y posible lesión por calor. La adquisición con los electrodos a alta impedancia no solo obstaculiza la calidad de los datos de EEG, sino que también representa un peligro potencial para el sujeto (lesión térmica debido a la alta densidad de corriente). El mismo peligro se aplica a los electrodos rotos. Los cables colocados muy cerca de la pared del orificio de RM, es decir, lejos del centro, también suponen un peligro potencial de calentamiento para el sujeto (calentamiento debido al efecto de antena)²⁵. Este protocolo enfatiza los siguientes aspectos de seguridad: no se forman bucles dentro del circuito entre el sujeto y el amplificador, todos los electrodos tienen baja impedancia durante la resonancia magnética y todos los cables se colocan en el centro del orificio. Se recomienda a los operadores principiantes que se sometan a capacitación y sigan las pautas del fabricante que se encuentran en el manual de usuario y los videos de demostración²⁰ para evitar cualquier problema de seguridad.

Las causas principales de los artefactos encontrados en EEG-fMRI son gradiente de la conmutación del MRI, bcg, o los movimientos gruesos o sutiles del tema (movimientos de la cara, apretar, tragar el etc.). En algunas configuraciones de MRI, los artefactos causados por la bomba de helio y los ventiladores también comprometen significativamente las señales de EEG. Los artefactos de gradiente MR son bastante consistentes en las formas de onda y pueden corregirse suficientemente utilizando una técnica de resta basada en plantillas si se graban completamente sin distorsión utilizando amplificadores con un rango dinámico suficiente²⁴. Los artefactos bcg se corrigen generalmente utilizando la técnica de resta^26,el análisis de componentes independiente^6,el conjunto de bases^{óptimas 8,}o una combinación de estas técnicas^10. Recientemente, se ha desarrollado la eliminación de artefactos mediante regresión simple basada en señales adquiridas simultáneamente con bucles de alambre de carbono^7,9. El protocolo aquí presentado ilustra el aspecto técnico, con el objetivo de proporcionar una guía introductoria para aquellos que estén interesados en utilizar este método. Este método elimina bcg, movimientos sutiles sujetos, y artefactos de la bomba de helio y las señales de EEG resultantes son, según se informa, superiores a los corregidos utilizando otros métodos^7,9. Sin embargo, los artefactos de movimiento más grandes, especialmente aquellos que contienen movimientos de balanceo, no son removibles incluso utilizando este método⁷. A pesar de la mejora de estas metodologías de eliminación de artefactos a lo largo de los años, los artefactos inconsistentes, incluidos los causados por la vibración inducida por maquinaria de RMN, siguen siendo difíciles de eliminar. Por otra parte, cuanto más extenso sea el procedimiento de eliminación de artefactos, mayor será el riesgo de perder algunas señales de EEG reales. Por lo tanto, una buena preparación que puede minimizar los artefactos inconsistentes sigue siendo más importante en la adquisición de EEG-fMRI. En este protocolo, estos artefactos se minimizan mediante el uso de: (1) un vendaje elástico para envolver la cabeza y almohadas de espuma de memoria para inmovilizar la cabeza en la bobina de la cabeza, para reducir la posible vibración de los cables manteniendo la comodidad del sujeto; (2) algodón y cinta adhesiva médica para reducir la vibración del alambre del electrodo de ECG que puede no ser completamente inmovilizado por el propio peso del sujeto (parcialmente flotando entre el sujeto y la mesa, especialmente en un sujeto delgado); y (3) sacos de arena para inmovilizar los cables colocados en el agujero de MRI. Estas son técnicas importantes para minimizar los artefactos de vibración inducida por maquinaria de RMN difíciles de eliminar, que no han sido descritos en el protocolo EEG-fMRI previamente publicado^20. En ese protocolo, colocaron a los temas en el escáner sin envolver adicional sobre el casquillo y el acolchado de EEG alrededor de la cabeza, y los cables fueron grabados solamente en algunos puntos sin la inmovilización usando las bolsas de arena. Basándonos en 20 años de experiencia en el Instituto Neurológico de Montreal, nos dimos cuenta de que esas medidas pueden contribuir a la susceptibilidad de los cables y cables de los electrodos a la vibración inducida por la maquinaria de RMN, aunque rara vez se enfatizan en la mayoría de los estudios de EEG-fMRI^6. La minimización de la vibración inducida por la maquinaria de RM conduce posteriormente a una mejor calidad y legibilidad del EEG, que es particularmente útil para identificar cambios o eventos sutiles en el EEG^6,como pequeñas descargas epilépticas en estudios de epilepsia y ERP de un solo ensayo en estudios neurocognitivos.

La detección de ERPs en señales de EEG es un requisito previo para los estudios cognitivos de neurociencia. En contraste con la respuesta clásica del promedio general en todos los ensayos, la detección de un solo ensayo ERP, que proporciona información sobre la dinámica cerebral en respuesta a un estímulo particular, se está convirtiendo en un nuevo objetivo en los estudios modernos de neurociencia cognitiva y la investigación no invasiva de la interfaz cerebro-computadora²⁷. La aplicación del presente protocolo puede contribuir a aumentar la eficacia en estos campos de investigación.

El protocolo es el más adecuado para el sistema EEG compatible con MRI utilizado en este estudio. Sin embargo, creemos que los puntos importantes pueden también ser aplicables a otros sistemas MRI-compatibles de EEG.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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