fMRI兼容脑电电极帽

2023-03-13

 　　过去几十年来，神经退行性疾病和精神疾病的发病率有所增加，需要更精细、更先进的工具，从电生理学到神经影像学，以获得可靠的诊断准确性。 电生理学，特别是脑电图 (EEG)，是支持神经系统疾病诊断的综合且广泛的工具。 与成像技术不同，脑电图具有出色的时间分辨率，通过放置在头皮上的电极以毫秒为单位记录大脑电活动。通过脑电图信号处理技术和专用实验装置，可以获得频率、幅度和相干性频谱的定量参数。

  

 　　相反，计算机断层扫描 (CT)，特别是 MRI可提供大脑的形态学视图 具有出色的空间分辨率，可以对脑组织特性（包括结构和功能信息）进行多参数评估。 在这种情况下，与脑电图类似，但在不同的时间尺度（毫秒与秒）下，功能性 MRI (fMRI) 允许对静息状态和任务执行期间的大脑功能激活进行非侵入性研究，丰富了 MRI 可实现的参数组 （例如，通过扩散张量成像揭示的结构连通性、通过磁共振波谱揭示的代谢物浓度以及通过动脉自旋标记揭示的灌注）。 这种信息的互补性被多模态采集系统深入利用，这些系统的开发是为了克服单一模态的缺点并提高患者的依从性。在神经病学研究中，已有同步 PET/MRI 为更全面地研究大脑组织和生理学铺平了道路，允许在一次综合检查中研究结构、功能和代谢连接组方面的大脑连接性。为全面研究健康和病理的大脑功能，同时获取脑电图和功能磁共振成像信号，整合两种技术的最佳时间和空间分辨率具有重要的应用前景及研究价值。

  

EEG

 　　脑电图EEG是研究脑电活动最常用的技术之一。脑电图的发现以及脑电活动的发现无疑改变了研究大脑结构和功能的方式，并随着时间的推移成为临床和研究领域的基本工具 。 脑电活动源自皮质神经元，特别是锥体细胞的同步放电。 这些细胞沿着神经元呈现不同的电荷，导致树突上呈负电荷，而细胞其余部分呈正电荷。 这种差异决定了脑电图电极可以获取的电偶极子，并表示为一系列正波和负波。 然而，单个锥体细胞产生的电场不足以获得可检测的脑电图信号。 因此，电极记录了一组彼此平行排列的细胞，并产生径向和切向偶极子。 EEG 是根据国际 10-20 系统通过在头皮上放置电极来获取的，该系统考虑了四个主要参考点：鼻根、枕骨和两个耳前点 (A1、A2)。 电极通过导电膏固定在头皮上，记录大量大脑振荡，包括δ节律（0.5-4 Hz）、θ节律（4-8 Hz）、α节律（8-13 Hz）、β节律 （13-30 Hz）和伽马节律（30 Hz 以上）。此外，在任务执行过程中，可以记录诱发电位，从而研究不同的神经元过程 (16)。 诱发电位可以根据潜伏期来划分。 事实上，刺激后100毫秒内发生的电位通常是由于刺激本身的性质造成的，而随后的成分则反映了与刺激感知相关的认知过程。 随着技术的创新，目前也发展了具有多通道/电极的高密度脑电图系统，用于定量脑电图和大脑连接研究。目前，在临床环境中（典型的20导电极的配置），脑电图用于表征多种疾病，包括代谢或药物改变、睡眠障碍、癫痫综合征、神经退行性疾病、创伤性脑损伤和肿瘤病变，以及昏迷的表征患者和脑死亡。

  

fMRI

 　　功能磁共振成像是测量大脑功能的主要非侵入性技术之一。 影响 fMRI 信号的机制称为血氧水平依赖性 (BOLD) 效应，它描述了与血红蛋白氧合相关的红细胞磁性状态的变化。事实上，没有氧的血红蛋白的形式是脱氧血红蛋白，具有顺磁性，而氧合血红蛋白具有抗磁性。 在休息条件下，血管脑系统中这两种元素浓度之间的平衡提供了与周围实质无法区分的信号。当施加刺激时，特定大脑区域的血红蛋白平衡发生变化，最初有利于脱氧血红蛋白浓度，因此确定信号减少，随后切换为有利于氧合血红蛋白浓度和信号增加。 对这些信号变化的检测会转化为一系列图像，可以对这些图像进行分析，以显示执行特定任务后特定大脑区域的激活情况。重要的是要理解 BOLD 效应是神经元激活的间接测量，取决于神经血管耦合以及不同的相互作用，例如血流和容量的改变以及激活的神经回路与星形细胞和血管靶标之间的复杂相互作用。简而言之，刺激诱导的神经元激活决定了突触间隙中神经递质的释放及其被星形胶质细胞过程的吸收。 继发性星形胶质细胞激活触发星形胶质细胞末端足部的细胞内Ca2+ 波动，从而通过释放血管活性肽引发细胞分子和血流动力学变化（由 fMRI 记录）。 这种涉及神经血管耦合和 BOLD 效应的复杂事件级联也是神经元激活和 BOLD 信号波动之间的时间延迟的原因，这将 fMRI 与直接电生理测量区分开来。

  

 　　自发展以来，功能磁共振成像技术已被应用于表征多种生理条件下的大脑功能连接和许多疾病，包括脑肿瘤 、多发性硬化症、阿尔茨海默病 、癫痫 ，还有精神疾病。

  

fMRI-EEG联用

 　　同时采集脑电图-功能磁共振成像用于评估脑电活动与血流动力学突变之间的相关性。 具有高空间分辨率的功能磁共振成像由于缓慢的 BOLD 响应（以秒为单位）而无法提供足够的时间采样，而脑电图则提供了高时间分辨率（以毫秒为单位），但信号源的定位较差。 这两种工具在混合同步采集中的集成可以克服这两种技术的固有局限性，并增加可以执行的大量分析，进而增加可以获得的信息。 同时采集还保证了受试者的精神状态、任务的执行和记录环境的相同记录。 单独记录这两种方法不会发生这种情况，特别是如果记录发生在不同的环境和认知不稳定的患者中。

  

  

 　　从技术上考虑，同步脑电图/功能磁共振成像的采集涉及使用安全且与MR 环境兼容且参与者感到舒适的专用脑电图硬件。设备使用不当可能会导致相当大的风险。在安全方面，受试者的潜在风险来自于MR射频传输过程中电极和导电引线的发热，导致受试者不适甚至烧伤。 为了降低受试者不适或受伤的风险，有一些预防措施，例如功能磁共振成像序列应基于梯度回波-回波平面成像（GE-EPI）； 对于解剖参考扫描，应使用低比吸收率 (SAR) 序列，特别是 GE-T1 加权序列； 对于EEG-fMRI协议中的所有序列，应确定其SAR不超过GE-EPI序列的SAR。 否则，需要使用温度传感器进行广泛的安全测试。 进行 EEG-MRI 研究的工作人员必须接受过适当的培训，因为如果意外地超出规格使用设备，则不能排除 MR 兼容 EEG 设备造成的伤害，特别是在身体线圈传输的情况下。 采用这些指南对于警惕性降低的受试者（睡眠或镇静的受试者）或通常无法可靠地通知任何不适的受试者（儿童）尤其重要。

  

  

格林泰克EEG-fMRI兼容电极帽的优势：

 　　1、C型开口电极避免感应电流形成电场，可最大限度地减少感应型伪影。

 　　2、采用非铁磁性电极和导线，并配合使用电阻，避免形成电流环路，保证安全。

 　　3、可提供多种、可自由配置的、多通道fMRI-EEG兼容电极帽。

 　　4、可提供不同的尺寸，适用对不同年龄段的人员的研究。

 　　5、可连接到任何EEG系统。

 　　6、1年保修。