美国国立卫生研究院公共手稿外文翻译资料

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美国国立卫生研究院公共手稿

作者手稿

最终发表于：神经学原理日报.2008年8月15日；173（1）：99-107.工业部：10.1016/神经学原理[J].2008.05.24

一种用碳电极进行同步EEG-fMRI（脑电-功能性磁共振成像）记录的脑电记录系统

耶鲁大学，医学院，磁共振研究中心、放射诊断学系：Michiro Negishi（米彩儿· 奈吉士）, Mark Abildgaard（马克· 阿比尔德盖德）, Ilan Laufer（宜兰· 劳费尔）, Terry Nixon（特里· 尼克松）, and Robert Todd Constable（罗伯特 ·托德· 康斯特布尔）。

摘要

在同一个的实验运行中，同步EEG-fMRI （脑功能磁共振成像） 记录系统为获取大脑的高时间分辨率电生理数据和高空间分辨率代谢的数据提供了方法。碳电极 （不是带有碳电极丝的金属电极） 适合同步EEG-fMRI，因为碳电极较金属电极产生更少的射频热量和磁敏感伪影。在高场磁共振成像扫描仪中记录脑电信号的这些特点是特别理想的。碳电极丝在长时间记录期间也是不易损耗的。然而，与广泛使用的银 / 氯化银 （银/氯化银） 电极相比，碳电极具有更高的电极-电解质电位，这可能会导致缓慢电压漂移。本文介绍了一种抑制缓慢电压漂移的碳电极丝和电路的脑电图记录系统原型。本系统用于测试电压漂移、射频热量、磁敏感伪影和阻抗，并同时用于在同步ERP （事件相关电位）-fMRI（功能磁共振） 评估。

1、介绍

在同一个的实验运行中，同步 EEG-fMRI（脑功能磁共振成像） 记录为获取大脑的高时间分辨率电生理数据和高空间分辨率代谢的数据提供了方法。脑电图-功能磁共振成像记录已被用于定位癫痫棘波（warach（瓦瑞） 等，1996；Seeck（泽克）及等，1998；Krakow（克拉科夫）等，1999；Goldman（戈德曼）等，2000；baudewig（保德威戈） 等，Lemieux（勒米厄）等，2001；Salek-Haddadi （塞莱克·哈达迪）等，2002；Sommer（萨默）等，2003），以及确定事件相关电位的来源 （bonmassar（伯恩马萨尔）等，1999；kruggel （克拉吉尔）等.，2000；Liebenthal（利本萨尔）等，2003；Sommer（萨默）等，2003，或相关脑节奏与血流动力学的活动（Goldman（高德曼）等，2002，laufs（乐福思）等，2003，moosmann（莫斯曼）等，2003，Feige （菲戈）等，2005，munck（莫恩克）等，2007）。

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联系作者：

Michiro Negishi（米彩儿· 奈吉士），邮政编码208043，塔西佗 n127，锡达300街道，放射诊断学系，耶鲁大学，纽黑文，CT（美国康奈提格州邮递区号） 06520-8043 785-5462，电话203 785-5462，传真203 785-6534，电子邮件：michiro.negishi@yale.edu。

合作作者的地址 ：

Mark Abildgaard（马克· 阿比尔德盖德），邮政编码208043，塔西佗 nl32，锡达300街道，放射诊断学系，耶鲁大学，纽黑文，CT 06520-8043；Ilan Laufer（宜兰· 劳费尔），邮政编码208043，塔西佗 n128，锡达300街道，放射诊断学系，耶鲁大学，纽黑文，CT 06520-8043 Terry Nixon（特里· 尼克松），邮政编码208043，塔西佗 nl32，锡达300街道，放射诊断学系，耶鲁大学，纽黑文，CT 06520-8043；Robert Todd Constable（罗伯特 ·托德· 康斯特布尔），邮政编码208043，塔西佗 n132，锡达300街道，放射诊断学系，耶鲁大学，纽黑文，CT 06520-8043 ；

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随着研究人员用高场磁共振成像机来实现高分辨率成像，用在脑电功能磁共振成像记录的传统的脑电图电极面临越来越多的安全性和成像质量问题。用于同步脑电与功能磁共振记录的广泛使用的脑电极材料是银/氯化银，金属涂层的固体碳和塑料，或固碳。在核磁共振成像环境造成RF（射频）热量（Angelone （安吉洛恩）等人，2004；bonmassar（伯恩马萨尔）， 2004）和磁敏感伪影（Krakow（克拉科夫）等人，2000）。此外，在长期的脑电功能磁共振成像会话中，固体材料制作的脑电电极可能使患者不舒服。

碳电极的使用减少了这些问题。请注意，此处指的是用碳制作的电极，并不是指在使用时被称作“”碳线“”的固体脑电电极。相比金属电极，碳电极产生更少的射频热量（bonmassar（伯恩马萨尔），2004）和更少的磁敏感伪影（Krakow（克拉科夫）等人，2000）。此外，由于碳电极是高度灵活的和相当平滑的，当患者躺在扫描仪上时不会感觉到电极抵触头部 。

另一方面，碳比银/氯化银有较高的电极电解质直流电位。然而电极电解质电位可能相互抵消，如果相同的电极成对使用，经常导致电极的电极和电解质失衡，电极极化（Geddes 1972）和脑电放大器的饱和。虽然碳电极已用于动物7T（特斯拉）扫描仪（audekerke 2000），但还没有被广泛地用于人类的脑电工作。本文介绍了一种电记录系统，包括碳电极和一个电路，降低了电极的极化问题。 碳电极丝和反极化电路代表了一种在高场磁共振成像时使用的“墨水帽”（见4.4讨论）（bonmassar（伯恩玛斯特） 2004，vasios（瓦萨尔斯），2006）。

2、原理

2.1 脑电记录系统

原型脑电系统是用碳丝电极来医用诊断的。原型系统包括一个四电极的脑电帽，一个安全电路，一个双极性反极化电路放大器，和一个脑电图记录仪，离线执行器。

2.1.1脑电帽

（1）两通道原型帽 ：原型碳钢丝脑电图帽有四个碳电极丝（FP2，FPz，CPz，Pz）和两对双极性输出碳铅片FP2-FPz和Pz-CPz（图1）。 从FP2-Fz对输出的信号用于检测眼球运动。每个电极是由一个碳丝露尖（临界聚氯乙烯CPVC4050，世界科技公司，萨拉索塔，佛罗里达州）封在一个透水袋（图2）中制成的。透水袋是由双层细涤纶网制成并且有15毫米（毫米）长（在碳尖端方向）和10毫米宽 。透水袋被缝在被剪开的氨纶纤维帽的帽檐下 。 将帽子放置在患者头部时，用棉签将导电胶（快客凝胶、神经医学用品，夏洛特，NC）涂抹在每个区域的头皮，然后封闭区域并用胶布固定。

除了碳丝电极，这种透水帽配备了三个碳环（直径2cm），作为磁敏感伪影探测器。回路几乎是相互正交的并位于三个不同的位置：额头，头顶 和患者的右颅颞区，分布在冠状位、轴位和矢状面上的循环的平面。虽然额头上的环围绕FPZ电极，但将周围任何磁敏感伪影的去除是不必要的。

因为循环检测在三个相互正交的方向的磁场的变化，其输出的线性组合应在任何电极匹配梯度伪影。回路循环检测动态磁场以及在静态磁场的运动（包括心冲击图），但其输出不包含神经电生理信号。

（2）32通道帽：一个32通道帽用以评估一个更大范围的系统 。它有33个电极：FP1, FPz, FP2, F7, F3, Fz, F4, F8, FT7, FC3, FCz, FC4, FT8, T7, C3, Cz, C4, T8, Ml, TP7, CP3, CPz, CP4, TP8, M2, P7, P3, Pz, P4, P8, Ol, Oz, and O2。这种拼接是由在相邻的行电极形成双极对的 FP1-F7-FT7-T7-TP7-P7, FPz-FPl-F3-FC3-C3-CP3-P3-01, FPz- Fz-FCz-Cz-CPz-Pz-Oz, FPz-FP2-F4-FC4-C4-CP4-P4-02, 和 FP2-F8-FT8-T8- TP8-P8这五个矢状线，用两对额外的TP7-M1和TP8-M2制成的。由大多数双极对共享的电极（不包括电极末端的矢状线

Ml, P7, O1, Oz, O2, P8, and M2）有多个输出线并且双相双绞线中的每一对导线形成了一个双绞线 。除碳线电极，该帽还配备了三个碳回路用于磁敏感伪影的检测。

2.1.2 主体安全回路

主体安全电路包括一个断路器，如果在任何脑电图引线处有一个微电流（gt; 10微安），它可以打开所有连接。

安全电路包括16kOmega;的限流电阻（Lemieux（勒米厄）等，1997），比较电阻及参考电压的电压差的电压比较器和机械继电器—如果通过某一个电阻的电压显示有过电流从而阻断与脑电帽的连接。因为以往的研究表明，即使是轻微的非线性的脑电测量电路也可能会引起射频伪影(Negishi（奈吉士）等. 2007)以及半导体的使用使固态继电器有轻微的非线性输入输出特性，所以机械继电器被选用作为固态继电器 。为了受试者安全，部分直接或间接连接到脑电信号的电路由电池供电，并从主交流电供电的继电器驱动电路用光耦合器隔离。在扫描仪室，患者安全电路靠近过滤面板放置 。

2.1.3 过滤面板

从安全电路导出的信号通过一个装有11兆赫（百万赫兹）低通射频滤波器的过滤板 导出到扫描室(BLP10.7, Mini-Circuits, Brooklyn, NY)。双射频滤波器被用于每个双极性脑电通道。射频滤波器具有两个功能：减少外部扫描仪室射频干扰对磁共振成像质量的影响，降低扫描仪室的射频噪声对脑电信号的影响。

2.1.4反极化电路的前置放大器

一个35通道（32个脑电通道与3个噪声检测器环路通道）双极性输入前置放大器是用来连接过滤板的双极性输出和单极脑电图记录仪的（ 1kHz 采样, 直流，250Hz低通滤波）。该前置放大器还配备了一个电路，用于减少电极极化。前置放大器的核心是一个提供10倍增益的双极性输入的仪表放大器(AD621, Analog Devices, Norwood, MA) 。反极化电路，通过给仪器放大器输入提供缓慢变化的负反馈工作（图3）。设计的反极化电路不仅滤除了放大器的直流输入电压，而且还防止双极电极对的差分电压（见附录一反极化电路的工作原理）。

2.1.5噪声消除

使用Matlab(MathWorks, Natick, MA)写的 (Widrow etal. 1975) 自适应噪声抵消算法进行了离线噪声抵消。在被污染的从噪声相关的输入（称为参考输入）与使用自适应滤波和减去预测噪声污染的信号（称为主输入）信号中，自适应噪声抵消通过预测噪声工作。原型脑电系统中，噪声消除算法于每一个双极性脑电通道（作为主输入）独立工作。噪声检测器环路中的信号 通过取一个加权和的参考信号的时间从- 200毫秒（毫秒）到200毫秒每1毫秒（见附录B详细说明）被用作参考输入和自适应滤波器计算的预测噪声 。从电极本身来的零输入被用作参考信号，以尽可能地防止生理信号的噪声消除扭曲。

2.2 实验

2.2.1电位漂移

对于这个实验和下一个（第2.2.2），导电板是用来做实验的，无需顾忌人体的活动和个体差异 。导电板是一块压克力板（1厘米times;5厘米）涂40%碳糊60%混合物

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