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

Resumo Técnico: Viabilidade de EEG-fMRI Simultâneo a 0,55 T

Definição do Problema
A gravação simultânea de eletroencefalografia (EEG) e fMRI funcional (fMRI) oferece uma visão abrangente da função cerebral ao combinar alta resolução temporal e espacial. No entanto, sistemas tradicionais de alto campo (≥3T) apresentam desafios significativos para a integração multimodal devido aos artefatos induzidos pelo campo magnético no sinal de EEG, particularmente o artefato de balistocardiograma (BCG) causado pelo movimento cardíaco dentro do campo magnético estático. Embora scanners de campo mais baixo (≤1T) ofereçam vantagens, como redução da interferência eletromagnética e compatibilidade com sujeitos que possuem implantes, a viabilidade específica de EEG-fMRI simultâneo a 0,55 T não havia sido investigada anteriormente. Este estudo aborda os desafios técnicos da integração de EEG com um sistema moderno de 0,55 T, especificamente caracterizando o perfil único de artefatos e avaliando a recuperação de sinal e o acoplamento neurovascular neste ambiente.

Metodologia
O estudo empregou um design de viabilidade piloto com dois adultos saudáveis realizando uma tarefa visual (tabuleiro quadriculado intermitente) sob três condições: (1) Fora do MRI, (2) Dentro do MRI com o scanner desligado (para isolar o BCG), e (3) Dentro do MRI com o scanner ligado (EEG-fMRI simultâneo).

• Hardware: A imagem foi realizada em um protótipo de scanner de 0,55 T (Siemens Healthineers) equipado com gradientes de alto desempenho e uma matriz cabeça-pescoço de 16 canais. Os dados funcionais foram adquiridos usando uma sequência EPI BOLD de disparo único (TR: 3000 ms, TE: 85 ms). O EEG foi registrado usando um sistema compatível com RM de 32 canais, sincronizado com o clock do MRI para minimizar o jitter de gradiente.
• Protocolo de Aquisição: Para compensar a reduzida Relação Sinal-Ruído (SNR) intrínseca do sistema de 0,55 T, o estudo utilizou períodos de aquisição estendidos, concatenando duas corridas de 5 minutos para formar um conjunto de dados de 10 minutos.
• Pipelines de Processamento:
  • fMRI: Os dados foram pré-processados usando o BrainSuite fMRI Pipeline e SPM12, incluindo correção de tempo de corte (slice-timing), correção de movimento, suavização espacial e filtragem passa-alta.
  • Denoising de EEG: Um pipeline de múltiplas etapas foi aplicado. Os artefatos de gradiente (GA) foram corrigidos usando Subtração de Artefato Médio (AAS). Os artefatos de BCG foram removidos por meio de um método de subtração de artefato de pulso baseado em canais ECG concorrentes. A Análise de Componentes Independentes (ICA) foi subsequentemente utilizada para isolar e remover artefatos oculares residuais e relacionados ao scanner.
• Integração Multimodal: Para investigar o acoplamento neurovascular, uma análise de correlação voxel-a-voxel foi realizada. O estudo comparou o sinal BOLD observado contra dois preditores: um modelo padrão de design em blocos e um preditor de EEG orientado por dados. O preditor de EEG foi construído isolando o Potencial Evocado Visual de Estado Estacionário (SSVEP) do eletrodo Oz, extraindo o envelope de potência instantânea via transformada de Hilbert e convolvendo-o com uma Função de Resposta Hemodinâmica (HRF) canônica.

Principais Contribuições

1. Primeira Demonstração: Este é o primeiro estudo a relatar a gravação simultânea de EEG-fMRI a 0,55 T.
2. Caracterização de Artefatos: O estudo fornece uma caracterização quantitativa dos artefatos de gradiente e BCG a 0,55 T. Estabelece que a amplitude do BCG a 0,55 T (5,8 ± 2,2 µV) é significativamente menor do que em forças de campo elevadas (1,5T, 3T, 7T), estendendo a lei de escala de força de campo conhecida para o MRI de campo médio.
3. Pipeline de Denoising: Os autores demonstram um pipeline capaz de recuperar ritmos alfa espontâneos (8–13 Hz) e harmônicos de SSVEP (12 Hz, 24 Hz, 36 Hz) no ambiente do scanner sem filtragem agressiva que possa comprometer a integridade do sinal.
4. Validação do Acoplamento Neurovascular: O estudo apresenta um regressor BOLD informado pelo EEG que gera mapas de ativação voxel-a-voxel consistentes com a análise padrão de design em blocos, validando o uso de envelopes de potência de EEG para prever respostas hemodinâmicas nesta força de campo.

Resultos

• Ativação de fMRI: Ativação BOLD significativa (p < 0,05, corrigida por FDR) foi observada consistentemente no córtex visual primário (V1) e regiões occipitais adjacentes. O t-score médio de 9,0 indica que durações de varredura estendidas podem gerar forças de ativação comparáveis às aquisições padrão de alto campo.
• Qualidade do Sinal de EEG: A análise pós-denoising confirmou a preservação do ritmo alfa espontâneo durante o repouso e a recuperação robusta do SSVEP de 12 Hz e seus harmônicos durante a tarefa. A análise topográfica mostrou ativação focal sobre os eletrodos occipitais, confirmando que a informação espacial foi preservada após a remoção de artefatos.
• Correlação Multimodal: A distribuição espacial da ativação derivada do preditor informado pelo EEG (envelope de potência de 12 Hz) mostrou alta correspondência com o mapa de ativação padrão de design em blocos. Isso sugere que a potência eletrofisiológica no córtex visual está estritamente acoplada ao sinal BOLD a 0,55 T.

Significância e Alegações
O artigo conclui que o EEG-fMRI simultâneo a 0,55 T é viável e representa um ambiente promissor para neuroimagem multimodal. A magnitude reduzida do artefato de BCG nesta força de campo facilita o denoising eficaz enquanto preserva a integridade do sinal, permitindo potencialmente pipelines menos complexos e menos intensivos computacionalmente, adequados para aplicações em tempo real, como neurofeedback.

Os autores enfatizam que estas descobertas servem como uma prova de conceito baseada em uma coorte piloto (N=2). Eles postulam que a combinação de capacidades de imagem de alto desempenho, redução da interferência eletromagnética e a capacidade de acomodar sujeitos com implantes posiciona o sistema de 0,55 T como uma plataforma potencialmente vantajosa para futuras aplicações clínicas e de pesquisa, particularmente onde scanners de alto campo são inadequados ou indisponíveis. O estudo não afirma ter resolvido todos os desafios, mas fornece evidências fundamentais de que o ambiente de 0,55 T suporta a integração multimodal confiável.