Simultaneous EEG-fMRI using pulse sequences with EPI and Spiral K-Space trajectories: Clinical application in Fixation-off epilepsy

Abstract

La adquisición de electroencefalografía (EEG) durante la adquisición de imágenes de Resonancia Magnética funcional (RMf) proporciona, de forma no invasiva, la captura simultánea de la respuesta hemodinámica cerebral al mismo tiempo que la actividad eléctrica cerebral. Esta técnica multimodal proporciona una combinación ideal de la excelente resolución espacial de RMf con la resolución temporal del orden del milisegundo del EEG. Sin embargo, esta técnica multimodal se enfrenta a cuatro principales retos tecnológicos que han de ser solventados para mejorar la combinación simultánea de estas dos técnicas de neuroimagen: o Instrumentación EEG y seguridad del paciente. o Calidad de la señal EEG en presencia de los campos magnéticos variables del escáner de Resonancia Magnética. o SNR y CNR de las imágenes de Resonancia Magnética en función de la secuencia de pulsos de RMf utilizada. o La interrelación de ambas señales constituye un reto ya que las señales medidas por cada modalidad provienen de un fenómeno fisiológico distinto cuyo acoplamiento no se conoce totalmente en la actualidad. Desde el punto de vista de las aplicaciones clínicas de esta técnica multimodal, una de las más interesantes es el estudio de la actividad eléctrica anormal en pacientes con epilepsia. Este tipo de adquisición difiere de la mayoría de las aplicaciones de RMf puesto que el estímulo se genera internamente, de forma, a menudo, aleatoria e infrecuente. El estudio de la respuesta hemodinámica de esta actividad es, por tanto, sólo posible si se captura esta actividad con EEG de forma simultánea. En este proyecto de tesis, se tiene como primer objetivo el desarrollo de un setup experimental optimizado para registro simultáneo de EEG-RMf y la evaluación cuantitativa de la influencia en la modificación de las distintas características del setup bajo estudio: utilización de distintas secuencias de pulsos de adquisición con distintos esquemas de relleno del espacio k y el impacto de sincronización, principalmente. El primer paso para la consecución de ese primer objetivo fue el desarrollo de una secuencia de pulsos para RMf de relleno en espiral del espacio k. Por otro lado, este proyecto de tesis doctoral incluye un estudio clínico en pacientes epilépticos haciendo uso de un setup mejorado y un proceso de análisis optimizado. De esta forma, se estudia un tipo raro de síndrome epiléptico llamado epilepsia criptogénica generalizada por sensibilidad a la pérdida de fijación. Este síndrome no ha sido investigado intensamente debido al escaso número de pacientes de este tipo en el mundo y por las limitaciones de otras técnicas de imagen. Sólo existen tres trabajos previos usando la técnica de registro simultáneo EEG-RMf en pacientes con sensibilidad a la fijación. El último objetivo de esta tesis es proporcionar evidencia sobre el beneficio del uso de la técnica de registro simultáneo para mejora en el diagnóstico de estos pacientes y el conocimiento sobre el síndrome. ABSTRACT Acquisition of electroencephalogram (EEG) during functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) provides, non-invasively, the simultaneous capture of cerebral hemodynamic response as well as the registered electric cerebral activity on the scalp. This new multimodal technique provides an ideal combination of the excellent spatial resolution of fMRI with the millisecond temporal resolution of EEG. However, there are four major challenges related to this multimodal technique, which must be addressed to improve the simultaneous combination of these two neuroimaging techniques: o EEG instrumentation and patient safety. o EEG signal quality preservation because the simultaneous acquisition inside the MR scanner introduces several different and specific types of EEG artifacts, among them, the gradient artifact and the cardiac pulse-related artifact. o MR images SNR and CNR that will be dependent on the used fMRI pulse sequence. o Interrelation of both signals is challenging because the electrical signals measured by the EEG system and hemodynamic signals measured by the MR scanner come from different physiological events whose coupling is still not fully understood. From the point of view of the clinical applications of this multimodal technique, one of the most interesting ones is the study of the abnormal electrical activity in patients with epilepsy. This work differs from most applications of fMRI because the stimulus is internally generated, in a random and infrequent way in most of the cases. In this thesis project, it is aimed to develop an improved experimental setup for simultaneous EEG-fMRI and test the influence of different key acquisition strategies: the influence of using different k-space trajectories fMRI pulse sequences and the impact of synchronization. The first necessary step for these aims consisted of the development of a modified spiral EPI pulse sequence from its basic form in order to improve the quality of both signals: EEG and fMRI. On the other hand, and in a more practical part of this PhD thesis, the use of an improved simultaneous EEG-fMRI experimental setup and a proper preprocessing and analysis of both kinds of data was applied in a clinical study. A rare epileptic syndrome known as Fixation-off Sensitivity (FoS) Cryptogenic Generalized Epilepsy (CGE) was examined. This syndrome has not been intensively studied due to scarce number of cases and limitations of other techniques; in fact, there are only three previous works in the literature where FoS discharges were examined with simultaneous EEG-fMRI. This thesis project aims to obtain novel results in the study of Fixation-Off CGE patients using simultaneous EEG-fMRI.