Feasibility of simultaneous EEG-fMRI at 0.55 T: Recording, Denoising, and Functional Mapping

技術要約：0.55 Tにおける同時EEG-fMRIの実現可能性

問題提起
同時脳波（EEG）および機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の記録は、高い時間分解能と空間分解能を組み合わせることで、脳機能の包括的な視点を提供する。しかし、従来の高磁場システム（≥3T）では、特に静磁場内での心拍運動に起因する弾道心臓図（BCG）アーチファクトなどの磁場誘起アーチファクトにより、マルチモーダルな統合において重大な課題が生じる。低磁場スキャナー（≤1T）は、電磁干渉の低減やインプラントを持つ被験者への適合性といった利点があるが、0.55 Tにおける同時EEG-fMRIの具体的な実現可能性については、これまで調査されていなかった。本研究は、現代的な0.55 TシステムにおけるEEGとの統合に関する技術的課題に対処し、特有のアーチファクト特性を明らかにするとともに、信号の回復および神経血管結合を評価することを目的としている。

方法論
本研究は、2名の健康な成人被験者を対象としたパイロット実現可能性設計を用い、3つの条件下で視覚タスク（フリッカーチェッカーボード）を実施した：(1) MRI外部、(2) スキャナー停止状態でのMRI内部（BCGを分離するため）、(3) スキャナー稼働状態でのMRI内部（同時EEG-fMRI）。

• ハードウェア： 高性能グラジエントおよび16チャンネルのヘッドネックアレイを備えた0.55 Tプロトタイプスキャナー（Siemens Healthineers社製）を用いて撮像を行った。機能データは、単発ショットEPI BOLDシーケンス（TR: 3000 ms, TE: 85 ms）を用いて取得された。EEGは、グラジエントジッターを最小限に抑えるため、MRIクロックに同期させた32チャンネルのMR適合システムを使用して記録された。
• 取得プロトコル： 0.55 Tシステムの固有の信号対雑音比（SNR）の低下を補うため、本研究では2つの5分間のランを連結して10分間のデータセットを形成する、拡張取得期間を用いた。
• 処理パイプライン：
  • fMRI： データは、スライス・タイミング補正、動き補正、空間スムージング、およびハイパスフィルタリングを含むBrainSuite fMRIパイプラインおよびSPM12を用いて前処理された。
  • EEGデノイジング： 多段階のパイプラインを適用した。グラジエントアーチファクト（GA）は、平均アーチファクト除去法（AAS）を用いて補正された。BCGアーチファクトは、同時記録されたECGチャネルに基づくパルスアーチファクト除去法を用いて除去された。その後、残留する眼球運動およびスキャナー関連のアーチファクトを分離・除去するために、独立成分分析（ICA）が用いられた。
• マルチモーダル統合： 神経血管結合を調査するため、ボクセル単位の相関分析を行った。本研究では、観測されたBOLD信号を、標準的なブロックデザインモデルとデータ駆動型のEEG予測因子の2つと比較した。EEG予測因子は、Oz電極から定常状態視覚誘発電位（SSVEP）を分離し、ヒルベルト変換によって瞬時パワーエンベロープを抽出し、それを標準的な血行動態反応関数（HRF）と畳み込みを行うことで構築された。

主な貢献

1. 初の実証： 本研究は、0.55 Tにおける同時EEG-fMRI記録を報告する初めての研究である。
2. アーチファクト特性の解明： 本研究は、0.55 TにおけるグラジエントおよびBCGアーチファクトの定量的特性を明らかにした。これにより、0.55 TにおけるBCG振幅（5.8 ± 2.2 µV）は高磁場強度（1.5T, 3T, 7T）よりも有意に低いことが示され、既知の磁場強度スケーリング則を中間磁場MRIへと拡張した。
3. デノイジング・パイプライン： 信号の完全性を損なう可能性のある過度なフィルタリングを行うことなく、スキャナー環境下で自発的なアルファ波リズム（8–13 Hz）およびSSVEP高調波（12 Hz, 24 Hz, 36 Hz）を回復できるパイプラインを実証した。
4. 神経血管結合の検証： EEG情報に基づいたBOLDレグレッサーを提示し、それが標準的なブロックデザイン分析と一致するボクセル単位の活性化マップを生成することを示した。これは、この磁場強度において、EEGのパワーエンベロープを用いて血行動態反応を予測できることを検証している。

結果

• fMRI活性化： 有意なBOLD活性化（p < 0.05, FDR補正）が、一次視覚野（V1）および周囲の後頭部領域において一貫して観察された。平均tスコアが9.0であることは、拡張されたスキャン時間が、標準的な高磁場取得と同等の活性化強度をもたらし得ることを示している。
• EEG信号品質： デノイジング後の解析により、安静時の自発的アルファリズムおよびタスク中の堅牢な12 Hz SSVEPとその高調波の保持が確認された。地形学的解析は、後頭部電極における局所的な活性化を示しており、アーチファクト除去後も空間情報が保持されていることを裏付けている。
• マルチモーダル相関： EEG情報に基づいた予測因子（12 Hzパワーエンベロープ）から導出された活性化の空間分布は、標準的なブロックデザインの活性化マップと高い一致を示した。これは、視覚野における電気生理学的なパワーが、0.55 TにおいてBOLD信号と密接に結合していることを示唆している。

意義および主張
本論文は、0.55 Tにおける同時EEG-fMRIは実現可能であり、マルチモーダル神経画像における有望な環境であることを結論付けている。この磁場強度におけるBCGアーチファクトの低減は、信号の完全性を維持しながら効果的なデノイジングを容易にし、リアルタイムアプリケーション（ニューロフィードバックなど）に適した、より単純で計算負荷の低いパイプラインを可能にする可能性がある。

著者らは、これらの知見がパイロットコホート（N=2）に基づく概念実証であることを強調している。彼らは、高性能な撮像能力、低減された電磁干渉、およびインプラントを持つ被験者を収容できる能力の組み合わせが、0.55 Tシステムを高磁場スキャナーが不適切または利用できない場合の将来的な臨床および研究用途において、有利なプラットフォームとして位置づけるものであると主張している。本研究は、すべての課題を解決したと主張するものではなく、0.55 T環境が信頼性の高いマルチモーダル統合をサポートするという基礎的な証拠を提供するものである。