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

기술 요약: 0.55 T에서의 동시 EEG-fMRI 가능성

문제 제기
동시 뇌파(EEG) 및 기능적 자기공명영상(fMRI) 기록은 높은 시간적 및 공간적 해상도를 결합하여 뇌 기능에 대한 포괄적인 관점을 제공한다. 그러나 전통적인 고자기장 시스템(≥3T)은 자기장에 의해 유도된 EEG 신호의 아티팩트, 특히 정적 자기장 내에서의 심장 운동으로 인한 심장 박동 아티팩트(BCG)로 인해 다중 모달 통합에 상당한 어려움을 겪는다. 저자기장 스캐너(≤1T)는 전자기 간섭 감소 및 임플란트가 있는 피험자 호환성 등의 장점을 제공하지만, 0.55 T에서 동시 EEG-fMRI의 구체적인 타당성은 이전에 조사된 바 없다. 본 연구는 현대적인 0.55 T 시스템과 EEG를 통합하는 기술적 과제를 해결하며, 특히 고유한 아티팩트 프로파일을 규명하고 이 환경에서의 신호 회복 및 신경혈관 결합을 평가한다.

연구 방법론
본 연구는 두 명의 건강한 성인 피험자를 대상으로 세 가지 조건 하에서 시각 과제(깜빡이는 체커보드)를 수행하는 파일럿 타당성 설계를 채택하였다: (1) MRI 외부, (2) 스캐너가 꺼진 상태의 MRI 내부(BCG 격리를 위함), (3) 스캐너가 켜진 상태의 MRI 내부(동시 EEG-fMRI).

• 하드웨어: 영상 촬영은 고성능 경사자 코일과 16채널 헤드-넥 어레이를 갖춘 0.55 T 프로토타입 스캐너(Siemens Healthineers)에서 수행되었다. 기능적 데이터는 단일 샷 EPI BOLD 시퀀스(TR: 3000 ms, TE: 85 ms)를 사용하여 획득되었다. EEG는 그레이디언트 지터(gradient jitter)를 최소화하기 위해 MRI 클록에 위상이 고정된 32채널 MR 호환 시스템을 사용하여 기록되었다.
• 획득 프로토콜: 0.55 T 시스템의 낮은 고유 신호 대 잡음비(SNR)를 보완하기 위해, 본 연구는 두 개의 5분간의 런(run)을 결합하여 10분간의 데이터셋을 형성하는 확장된 획득 기간을 활용하였다.
• 데이터 처리 파이프라인:
  • fMRI: 데이터는 슬라이스 타이밍 교정, 움직임 교정, 공간 평활화, 고역 통과 필터링을 포함하는 BrainSuite fMRI 파이프라인 및 SPM12를 사용하여 전처리되었다.
  • EEG 디노이징: 다단계 파이프라인이 적용되었다. 그레이디언트 아티팩트(GA)는 평균 아티팩트 차감법(AAS)을 사용하여 교정되었다. BCG 아티팩트는 동시 측정된 ECG 채널을 기반으로 한 펄스 아티팩트 차감법을 통해 제거되었다. 이후 잔여 안구 및 스캐너 관련 아티팩트를 분리하고 제거하기 위해 독립 성분 분석(ICA)이 사용되었다.
• 다중 모달 통합: 신경혈관 결합을 조사하기 위해 복셀 단위 상관 분석이 수행되었다. 본 연구는 관찰된 BOLD 신호를 두 가지 예측 변수와 비교하였다: 표준 블록 설계 모델과 데이터 기반 EEG 예측 변수. EEG 예측 변수는 Oz 전극으로부터 정상 상태 시각 유발 전위(SSVEP)를 분리하고, 힐베르트 변환(Hilbert transform)을 통해 순시 전력 엔벨로프를 추출한 후, 이를 표준 혈역학 반응 함수(HRF)와 컨볼루션하여 구축되었다.

주요 기여

1. 최초의 입증: 본 연구는 0.55 T에서 동시 EEG-fMRI 기록을 보고한 첫 번째 연구이다.
2. 아티팩트 특성화: 본 연구는 0.55 T에서의 그레이디언트 및 BCG 아티팩트에 대한 정량적 특성화를 제공한다. 이는 0.55 T에서의 BCG 진폭(5.8 ± 2.2 µV)이 고자기장 강도(1.5T, 3T, 7T)보다 유의하게 낮음을 입증하며, 알려진 자기장 강도에 따른 스케일링 법칙을 미드 필드(mid-field) MRI로 확장한다.
3. 디노이징 파이프라인: 저자들은 신호 무결성을 해칠 수 있는 공격적인 필터링 없이도 스캐너 환경에서 자발적 알파 리듬(8–13 Hz)과 SSVEP 조화파(12 Hz, 24 Hz, 36 Hz)를 회복할 수 있는 파이프라인을 입증하였다.
4. 신경혈관 결합 검증: 본 연구는 표준 블록 설계 분석과 일치하는 복셀 단위 활성화 맵을 생성하는 EEG 정보 기반 BOLD 회귀 모델을 제시하여, 이 자기장 강도에서 EEG 전력 엔벨로프가 혈역학적 반응을 예측할 수 있음을 검증하였다.

결과

• fMRI 활성화: 유의미한 BOLD 활성화(p < 0.05, FDR 교정)가 일차 시각 피질(V1) 및 주변 후두부 영역에서 일관되게 관찰되었다. 평균 t-값 9.0은 확장된 스캔 기간이 표준 고자기장 획득과 유사한 활성화 강도를 얻을 수 있음을 나타낸다.
• EEG 신호 품질: 디노이징 후 분석 결과, 휴식 중 자발적 알파 리듬과 과제 수행 중 12 Hz SSVEP 및 그 조화파의 견고한 회복이 확인되었다. 지형적 분석은 후두부 전극에서 국소적 활성화를 보여, 아티팩트 제거 후에도 공간 정보가 보존되었음을 확인하였다.
• 다중 모달 상관관계: EEG 정보 기반 예측 변수(12 Hz 전력 엔벨로프)로부터 도출된 활성화의 공간적 분포는 표준 블록 설계 활성화 맵과 높은 일치도를 보였다. 이는 시각 피질의 전기생리학적 전력이 0.55 T에서 BOLD 신호와 밀접하게 결합되어 있음을 시사한다.

의의 및 주장
본 논문은 0.55 T에서의 동시 EEG-fMRI가 실현 가능하며, 다중 모달 신경 영상 분야의 유망한 환경임을 결론짓는다. 이 자기장 강도에서 감소된 BCG 아티팩트 크기는 신호 무결성을 유지하면서도 효과적인 디노이징을 용이하게 하여, 뉴로피드백과 같은 실시간 응용 분야에 적합한 더 단순하고 계산 집약적이지 않은 파이프라인을 가능하게 할 잠재력을 가진다.

저자들은 본 연구가 소규모 코호트(N=2)에 기반한 파일럿 개념 증명임을 강조한다. 저자들은 고성능 영상 획득 능력, 감소된 전자기 간섭, 그리고 임플란트가 있는 피험자를 수용할 수 있는 능력이 결 combination된 0.55 T 시스템이, 고자기장 스캐너를 사용할 수 없거나 불가능한 경우를 포함하여 향-임상 및 연구 응용 분야에서 잠재적으로 유리한 플랫폼이 될 것이라고 주장한다. 본 연구는 모든 과제를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 0.55 T 환경이 신뢰할 수 있는 다중 모달 통합을 지원한다는 기초적인 근거를 제공한다.