ES2549393B2 - Procedimiento y dispositivo para la adquisición, procesado y visualización de datos obtenidos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas - Google Patents

Abstract

La adquisición simultánea de señales electrofisiológicas junto con imágenes de resonancia magnética (RM) ofrece una combinación ideal para el análisis de determinadas enfermedades. Estas técnicas están muy limitadas por las interferencias que causan los potentes campos electromagnéticos de los sistemas de RM en los sistemas que adquieren señales electrofisiológicas de los pacientes. Esta patente, propone un procedimiento y un dispositivo para reducir esta interferencia adquiriendo las imágenes de resonancia magnética utilizando una trayectoria en espiral en el espacio K, definida con una limitación en la tasa de cambio y en la amplitud máxima del gradiente, y con crushers triangulares, sincronizando la adquisición de señales electrofisiológicas y de RM con el mismo reloj. Además facilita la corrección de efectos off-resonance en las imágenes y permite el almacenamiento y procesado en tiempo real de los datos adquiridos.

Description

Campo de la Invención

La presente invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para la adquisición de forma simultánea de señales médicas.

Estado de la técnica

La imagen de resonancia magnética permite obtener diferentes tipos de contraste en imagen médica de forma no invasiva. Esta imagen se forma a partir de la señal electromagnética emitida por los protones de hidrógeno del agua, cuando están 15 sometidos a un campo magnético estático de alta intensidad y pasan de un estado de alta energía, al que se ha llegado mediante la aplicación de un pulso de radiofrecuencia (RF) a la frecuencia de resonancia de Larmor de dichos protones, a otro de baja energía. La localización en el espacio de la señal obtenida se realiza aplicando gradientes de campo magnético en los tres ejes del espacio, que se 20 superponen al campo magnético estático (B0). La interacción entre los propios protones del agua, y de éstos con otras moléculas que los rodean, la densidad de protones en cada tejido y la secuencia de pulsos de RF y de gradientes aplicados, determinan el contraste obtenido en cada imagen. Esta adquisición se realiza en el dominio de las frecuencias espaciales o espacio k. La transformada de Fourier inversa

25 de la adquisición en este espacio da lugar a la imagen de RM.

La imagen de resonancia magnética funcional (RMf) es un tipo de imagen de RM que permite estudiar qué áreas del cerebro se activan durante una determinada tarea o, incluso, en ausencia de ella (conocido como estudio en reposo o resting state). El

30 contraste obtenido en este tipo de imagen de RM se basa en los cambios en la señal BOLD (Blood Oxygen Level Dependent), producidos porque la tasa de concentración oxihemoglobina / desoxihemoglobina varía por la activación neuronal. Como las propiedades magnéticas de estas dos moléculas son diferentes los cambios de concentración generan variaciones en la señal electromagnética obtenida.

También resulta interesante poder adquirir señales electrofisiológicas o bioeléctricas junto con la imagen de resonancia magnética (RM). Esto ofrecería la combinación ideal de la excelente resolución espacial de las imágenes de RM con la gran resolución temporal de las señales electrofisiológicas como el electrocardiograma

5 (ECG) o el electroencefalograma (EEG). A modo de ejemplo, el EEG permite detectar en el tiempo cuando se produce una crisis epiléptica y gracias a la imagen de RMf se pueden localizar las áreas cerebrales activas en esos periodos de tiempo.

Uno de los objetivos del registro simultáneo de señales bioeléctricas e imágenes de

10 RM es la monitorización de señales vitales del sujeto y utilizarlas para indicar cuándo se deben adquirir las imágenes de RM, por ejemplo, se suele emplear la electrocardiografía (ECG) para iniciar la adquisición RM en la misma fase del latido cardiaco. Sin embargo, para algunas aplicaciones, como EEG/RMf, el principal objetivo de la adquisición simultánea es la interrelación funcional de ambas señales.

15 Desde el punto de vista de las aplicaciones clínicas de EEG/RMf, el estudio de la actividad interictal en pacientes con epilepsia es una de las aplicaciones más interesantes (Ritter et al. 2006). Esta aplicación clínica es diferente a la mayoría de las aplicaciones de RMf porque los estímulos se generan internamente, de forma aleatoria y no frecuente, y es necesario que el EEG lo registre. En la mayoría de los casos sería

20 apropiado realizar un análisis en tiempo real para, por ejemplo, evitar la pérdida de datos o monitorizar la correcta ejecución del experimento.

Sin embargo, hay tres cuestiones principales que dificultan mucho esta técnica y que deben ser resueltas para mejorar la combinación simultánea de las imágenes RM y los

25 datos electrofisiológicos:

1.-Requerimientos específicos de la instrumentación utilizada y de la seguridad del paciente para poder adquirir señales bioeléctricas dentro del imán. En este aspecto, ya se han propuesto algunas soluciones (US2013204122).

30 2.-Mantenimiento de la calidad de la señal electrofisiológica. La adquisición simultánea dentro del escáner de RM produce varios tipos de artefactos o ruidos específicos en la señal bioeléctrica, como el artefacto de gradiente y el artefacto relacionado con el pulso cardiaco.

El artefacto de gradiente aparece en la señal bioeléctrica durante el proceso de adquisición de las imágenes de RM. Este artefacto está originado por la fuerza electromotriz generada por la inducción electromagnética (según la ley de Faraday) en los circuitos en lazo formados por la piel del ser vivo, los electrodos, los cables y el amplificador (Allen et al. 2000, Lemieux et al. 1997), al estar expuestos a los campos magnéticos variables en el tiempo de los pulsos de radiofrecuencia (RF) y el cambio de los gradientes.

Se han propuesto varios métodos para eliminar este artefacto aplicando un algoritmo de software de postproceso. El más utilizado en general está basado en una plantilla promedio del artefacto, que asume un patrón repetitivo del artefacto de gradiente. Este patrón repetitivo dependerá del tipo de adquisición RM. En la mayoría de los casos, la adquisición de imágenes de RM se especifica para un volumen en tres dimensiones determinado del cuerpo del sujeto a escanear. En adquisiciones 2D dicho volumen se subdivide en rodajas de un espesor también especificado, de forma que cada rodaja forma una imagen en dos dimensiones que cubre una parte del volumen total a escanear. En RMf se repite luego esa adquisición de volumen en el tiempo. Por lo que el artefacto de gradiente tendrá una frecuencia de repetición por cada rodaja y por cada volumen. Se ha demostrado que la eficacia de la eliminación del artefacto es proporcional a la amplitud del artefacto de gradiente (Mullinger et al. 2011).

Además existe otro tipo de artefacto relacionado con el pulso cardiaco, el de balistocardiograma, el cual aparece en el registro simultáneo EEG-RMN incluso en ausencia de secuencia de pulsos por el efecto del campo estático B0. Ya se han propuesto soluciones para resolver este problema (KR100689987). En esta invención nos centramos en el artefacto de gradiente que es el que se induce en el EEG (u otra señal electrofisiológica como el EOG…) por el efecto de la secuencia de pulsos.

3.-Formas de adquisición de las imágenes de RM. El relleno del espacio k se puede realizar utilizando distintas trayectorias espaciales. Las más comunes son las cartesianas, donde se rellena el espacio k de forma secuencial en líneas; las radiales, usando líneas verticales, horizontales y diagonales desde el centro del espacio k hacia los bordes; y las espirales, donde se rellena el espacio k siguiendo una trayectoria

espiral desde el centro del espacio k hacia el exterior. Estos tipos de trayectorias pueden usarse para rellenar diferentes partes del espacio k por cada pulso RF. Por ejemplo, rellenar una línea del espacio k por cada pulso de RF usando trayectorias cartesianas. Por otro lado, las trayectorias rápidas rellenan todo el espacio k correspondiente a una rodaja o un volumen en un solo pulso de RF.

El problema de las técnicas rápidas es que están afectadas por los denominados efectos off-resonance, que generan distorsión de la imagen y pérdida de señal por la variación de la susceptibilidad magnética especialmente en las áreas en las que hay un interfaz entre aire y tejido.

Esta invención propone una nueva secuencia de pulsos RF y gradientes para la adquisición simultánea de imágenes de RM y señales electrofisiológicas, que reduce la amplitud del artefacto de gradiente (descrito en la cuestión 2) y mejora la calidad de la señal electrofisiológica. Esta secuencia de pulsos puede ser utilizada en diferentes configuraciones de los sistemas ya existentes de adquisición y procesado de imágenes de RM y de señales electrofisiológicas que den solución a la cuestión 1 (las configuraciones posibles se detallan en el apartado de explicación de la invención).

El procedimiento y el dispositivo propuesto ofrece una solución también a la cuestión 3, ya que la adquisición del denominado mapa de B0 o mapa de inhomogeneidad de campo para corregir los efectos off-resonance está integrada en la propia secuencia y no es necesario realizar otra adquisición aparte para estos fines.

Además, es la primera secuencia con trayectoria espiral que permite que los datos de la imagen de RM se puedan almacenar bajo demanda, sin tener que esperar a que termine el escáner de forma automática, y sin necesidad de interacción del usuario. Esto evita posible pérdidas de datos y facilita que la secuencia propuesta en esta invención pueda utilizarse en aplicaciones que requieran un procesamiento y análisis en tiempo real de las imágenes de RM.

El problema técnico que resuelve esta invención es la reducción del artefacto de gradiente (ruido introducido por los campos electromagnéticos) generado en la adquisición simultánea de señales electrofisiológicas e imágenes de RM, además

facilita la corrección de efectos off-resonance en las imágenes y permite el almacenamiento y procesado en tiempo real de los datos adquiridos.

Existen dos patentes previas relacionadas con la adquisición simultánea de imagen de 5 resonancia magnética y señales bioeléctricas, que sin embargo difieren de la presente invención en lo siguiente:

(US20130267827) -En esta patente sólo se habla de adquisición simultánea de RM con EEG y no de la adquisición de otras señales electrofisiológicas como el EOG, el

10 EMG, etc. Además no se menciona ningún método de adquisición específico que mejore la calidad de las señales ni se mencionan siquiera los artefactos en el EEG. Además, en la patente US20130267827 no se menciona la posibilidad de utilizar ese análisis para Neurofeedback.

15 (WO2003100450) – Esta patente describe un esquema de la secuencia de pulsos de resonancia muy específico y nada flexible y es una extensión de la técnica EPI en la cual se restringe la adquisición de señales electrofisiológicas a los instantes centrales de los plateaus de los gradientes –las partes constantes de los gradientes-. Esto impone una restricción total y limitada para la secuencia de pulsos y un esquema de

20 muestreo específico para la adquisición de señales electrofisiológicas como el EEG. Además en la patente WO2003100450 no se menciona nada sobre el uso y análisis de las señales. Por todo esto, aunque esta patente sea la más cercana a la presente invención, sin embargo, los autores opinan que la presente invención es más amplia que la patente WO2003100450 y que no cualquier experto podría llegar a los mismos

25 resultados.

Descripción de la invención

En un primer aspecto, la presente invención describe un procedimiento y un dispositivo formado por un escáner de resonancia magnética y un sistema de registro 30 de señal bioeléctrica capaz de adquirir simultáneamente señales electrofisiológicas e imágenes de resonancia magnética, usando una trayectoria espiral en el espacio k. La señal electrofisiológica podría ser cualquier señal eléctrica generada espontáneamente por un sujeto vivo (podría ser un animal, o específicamente, un humano). Podría ser un electrocardiograma (ECG), electromiograma (EMG), 35 electrooculograma (EOG), señales de respuesta galvánica de la piel,

electroencefalografía (EEG) o una combinación de ellas. El sistema ofrece también un reloj de referencia y unidades de computación y almacenamiento como parte del sistema combinado o integrado, donde todos los datos electrofisiológicos y los datos crudos de la imagen de resonancia magnética pueden ser almacenados en tiempo real

5 dentro del mismo sistema de adquisición. La reconstrucción de los datos de RM puede ejecutarse en tiempo real o después de la adquisición.

En esta invención las imágenes de resonancia magnética se adquieren aplicando pulsos de gradiente sobre un eje de selección de rodaja, un eje de codificación de 10 frecuencia y un eje de codificación de fase. Los dos últimos siguen una oscilación sinusoidal variable que difiere en fase entre los dos ejes, generando un trayectoria espiral en el espacio k. En esta invención, esos gradientes oscilantes se generan con una velocidad de cambio reducida (tasa de cambio) y con una amplitud máxima de los gradientes limitada con respecto a las máximas permitidas por ese sistema. Después 15 de los gradientes oscilantes de codificación, la magnetización se refasa utilizando gradientes ‘crusher’ (esto elimina la magnetización residual en los protones del tejido excitado antes del siguiente impulso). En la presente invención, se consideran también la tasa de cambio y la amplitud reducidas para la definición de esos gradientes ‘crusher’, y se diseñan como formas de onda triangulares en lugar de trapezoidales La 20 adquisición RMf repite después la misma secuencia de gradientes y pulsos RF para la adquisición de cada rodaja y de cada volumen. Además, previo a esa repetición, dos volúmenes con diferente TE y con la misma prescripción que los volúmenes de RMf se adquieren de forma independiente, para calcular un mapa de B0 o mapa de inhomogeneidad de campo y corregir las imágenes de RMf de los efectos de off

25 resonance que aumentan el distorsión de la imagen espiral adquirida. Esto es, se calcula el mapa de B0, utilizando una adquisición en dos volúmenes completos, con tiempos de eco (TE) diferentes.

El sistema combinado o integrado está configurado para adquirir las señales

30 bioeléctricas utilizando el mismo reloj de referencia. De esta forma, para cada rodaja o volumen RM adquiridos, la misma señal de artefacto de gradiente se sumará a la señal bioeléctrica que está siendo registrada. Teniendo en cuenta que el artefacto de gradiente es proporcional al cambio de amplitud del gradiente por unidad de tiempo y que en esta invención se reducen la amplitud y el cambio de los gradientes, se postula

35 que la amplitud del artefacto de gradiente también se reducirá.

En un segundo aspecto, la presente invención describe un método ejecutado en un dispositivo capaz de adquirir imágenes de resonancia magnética y registrar señales bioeléctricas, donde las imágenes de resonancia magnética están adquiridas 5 aplicando pulsos de gradiente sobre un eje de selección de rodaja, un eje de codificación de frecuencia y un eje de codificación de fase. Los dos últimos siguen una oscilación sinusoidal variable que difiere en fase entre los dos ejes, generando un trayectoria espiral en el espacio k. En esta invención, esos gradientes oscilantes se generan con una velocidad de cambio reducida y con una amplitud máxima de los 10 gradientes limitada con respecto a sus máximos valores para cada sistema. Después de los gradientes oscilantes de codificación, la magnetización se refasa utilizando gradientes llamados crusher. En la presente invención, se utiliza también una tasa de cambio y una amplitud máxima reducidas para la definición de esos gradientes crusher, y se diseñan como formas de onda triangulares en lugar de trapezoidales. La 15 adquisición RMf repite después la misma secuencia de gradientes y pulsos RF para la adquisición de cada rodaja y de cada volumen. Además, previamente a esa repetición, dos volúmenes con diferente TE y con la misma prescripción de los volúmenes RMf se adquieren de forma independiente, para calcular un mapa de B0 o mapa de inhomogeneidad de campo y corregir las imágenes de RMf de los efectos de off

20 resonance que aumentan la distorsión de la imagen espiral adquirida.

En este método, las señales bioeléctricas se registran utilizando el mismo reloj de referencia que el conversor digital analógico de la resonancia magnética. De esta forma, para cada rodaja o volumen de RM adquiridos, la misma señal de artefacto de

25 gradiente se sumará a la señal bioeléctrica que está siendo registrada. Teniendo en cuenta que el artefacto de gradiente es proporcional al cambio de amplitud del gradiente por unidad de tiempo y que en esta invención se reducen la amplitud máxima y el cambio de los gradientes, se postula que la amplitud del artefacto de gradiente también se reducirá.

Descripción breve de las figuras

Fig. 1 muestra un esquema de bloques sobre el proceso de adquisición de señales electrofisiológicas e imágenes de RM incluyendo las características principales de la invención.

5 Fig. 2 muestra los dos principales artefactos en registro simultáneo EEG/RMf. El artefacto de pulso en gris claro (101) y el artefacto de gradiente o imagen en gris oscuro (102). Fig. 3 muestra el artefacto de gradiente en dos situaciones diferentes: tres volúmenes consecutivos (201) y doce rodajas consecutivas (202).

10 Fig. 4 incluye el perfil de la nueva secuencia de pulsos espiral de esta invención, incluyendo el pulso RF (301a), el gradiente X (302a), el gradiente Y (302b) y el gradiente Z (301b, 302c) de la adquisición de una rodaja. También se muestra el correspondiente artefacto de gradiente del EEG promediado (310, 320) en el electrodo que representa el caso peor, para la adquisición de una rodaja.

15 Fig. 4b incluye una ampliación del perfil de la secuencia durante la fase de lectura de la secuencia de pulsos. Las figuras Fig. 5, Fig. 6 y Fig. 7 muestran diferentes alternativas de configuración del dispositivo de la presente invención. Fig. 8 muestra el artefacto de gradiente del EEG correspondiente a la adquisición de

20 una rodaja, promediado sobre 120 repeticiones de volúmenes RMf, para la espiraltipo1, y la nueva espiral (evolución en el tiempo). Fig. 9 presenta los resultados de los análisis del espectro de frecuencias de la densidad espectral de voltaje (DEV) para las secuencias: A) espiral -tipo1 y (B) nueva espiral (evolución en frecuencia).

25 Fig. 10 presenta los resultados cuantitativos de ganancia en amplitud de señal (20log10[corregido/fondo]) después de la eliminación del artefacto de gradiente, para las secuencias espiral – tipo1 y nueva espiral, en la frecuencia de rodaja (12.5 Hz) y sus armónicos (ancho de banda de 1 Hz), en el electrodo que representa el caso peor. Fig. 11 presenta el Potencial Visual Evocado (PVE) de dos sujetos durante dos

30 condiciones: fuera del escáner y durante la nueva espiral. Fig. 12 presenta los resultados RMf de una tarea motora. El mapa espacial y la respuesta BOLD utilizando la nueva espiral. Fig. 13 muestra los resultados RMf de una tarea visual. El mapa espacial y la respuesta BOLD utilizando la nueva espiral.

Descripción de una realización preferente

La explicación detallada de la invención se expone para el caso en el que la señal bioeléctrica es un EEG, así que de ahora en adelante, cuando se haga referencia al EEG, será aplicable de forma general a cualquier señal bioeléctrica. El principal

5 objetivo de esta invención es la minimización de los artefactos de gradiente en las señales bioeléctricas cuando se registran simultáneamente durante la adquisición de RM utilizando una trayectoria espiral en el espacio k.

En la Fig. 1 se muestra con un esquema de bloques los pasos que de forma secuencial

10 se han de seguir para realizar un registro simultáneo EEG y RMf con el procedimiento propuesto en esta invención indicando las principales características del mismo. En primer lugar, se coloca un casco de electroencefalografía compatible con RM en la cabeza de un sujeto (o animal). A continuación, se sitúa al sujeto en el interior de un equipo de RM. Tras ello se adquieren las imágenes RMf mientras que se graban las

15 señales EEG de forma simultánea. Las imágenes de RMf se adquieren utilizando la secuencia de pulsos propuesta en esta invención cuyas características principales incluyen: la adquisición de un mapa de inhomogeneidad de campo (o mapa B0) y la utilización de una trayectoria espiral con limitación de cambio de velocidad y amplitud de los gradientes de codificación de imagen. Por último se eliminan los artefactos de la

20 señal EEG (que tendrán un artefacto de gradiente reducido debido al uso del setup propuesto en la invención) y se procesan las señales corregidas. Del mismo modo, en tiempo real o tras la adquisición se reconstruyen y procesan las imágenes RMf.

En la Fig. 2, se muestran los dos principales artefactos en la señal EEG debidos al

25 escáner de RM , el artefacto de gradiente o imagen es el artefacto más grande (102) y está relacionado con la secuencia de pulsos de RM. El segundo artefacto está relacionado con el ciclo cardiaco y se denomina artefacto relacionado con el pulso o artefacto de pulso (101). Esta invención tiene como objetivo minimizar el artefacto de gradiente (102).

30 El artefacto de gradiente aparece en el EEG durante el proceso de adquisición RMf. Este artefacto está originado por la fuerza electromotriz generada por la inducción electromagnética (ley de Faraday) en los circuitos en lazo formados por la piel del paciente, los electrodos, los cables y el amplificador, al estar expuestos a los campos

35 magnéticos variables en el tiempo de los pulsos de RF y el cambio de los gradientes.

El artefacto se caracteriza por su amplitud, cuya magnitud puede ser superior a 10 mV después del filtrado del amplificador del EEG (lo que significa 2 o 3 órdenes de magnitud mayor que la señal típica de EEG, 10-100 µV), y por su espectro en frecuencia, que es máximo en la frecuencia de adquisición de rodaja y sus armónicos, haciendo que la señal del EEG sea irreconocible. En la Fig. 3 se muestra el patrón repetitivo para cada adquisición de volumen (201), y para la típica BOLD-RMf, y también para cada tiempo de adquisición de una rodaja (202). En la Fig.3 se muestra el patrón repetitivo para 6 canales diferentes durante tres volúmenes (201), el comienzo de cada volumen está indicado por los marcadores R128 (en la parte superior de la gráfica), y durante 12 rodajas consecutivas (202). Se puede observar que la amplitud del artefacto varía para los distintos canales, pero las oscilaciones coinciden temporalmente. Todas las comparaciones de ahora en adelante se harán para el electrodo que representa el peor caso, que se define como el electrodo con la mayor amplitud de artefacto de gradiente.

En la Fig. 4 se describen las principales características en tiempo y amplitud relativa para la nueva secuencia de pulsos, programada específicamente para adquisición simultánea de electroencefalografía y RMf.

La idea fundamental sobre la que se soporta la secuencia espiral propuesta radica en que el artefacto de gradiente es proporcional a la velocidad y a la amplitud del cambio de los gradientes. La utilización de los valores máximos de amplitud del gradiente y velocidad de cambio en la definición de la trayectoria espiral da lugar al uso más eficiente de los gradientes y a un menor tiempo de adquisición, pero también produce un mayor artefacto de gradiente en la señal EEG, calentamiento de los gradientes y estimulación nerviosa periférica. De esta forma, para un sistema caracterizado por una velocidad de cambio máxima del gradiente de 150 T/m/s y una amplitud máxima de gradiente de 50mT/m, establecemos que el uso de un máximo del 70% de esos valores para el diseño de la trayectoria. Además, esa limitación también será utilizada en el diseño de los gradientes de eliminación de fase residual (crushers), dando lugar a secciones triangulares en lugar de trapezoidales. El porcentaje de reducción de los valores máximos del escáner se limitará a que la duración de la lectura del espacio k no aumente más de un 20% con respecto a la utilización de los valores máximos del sistema para evitar efectos de off-resonance y otros artefactos en la imagen.

De forma más específica, las oscilaciones en la señal de EEG (310) debidas a la secuencia de pulsos comienzan con la aplicación del gradiente de selección de rodaja

(Z) (301b), que es simultáneo al pulso RF (301a) en el instante de tiempo= 0.2 ms. Estas oscilaciones se corresponden a la suma total de las derivadas temporales del 5 cambio de los gradientes, de forma que las amplitudes máximas tienen lugar con cambios simultáneos y abruptos en ellos. Los gradientes crusher inducen al final de la secuencia la mayor oscilación de la amplitud del voltaje de la señal de EEG, como puede verse en las Fig. 4 y Fig. 8. Sin embargo, la secuencia espiral propuesta utiliza crushers triangulares en el gradiente X (302a), gradiente Y (302b) y quasi-triangulares

10 en el gradiente Z (302c), usando una tasa de crecimiento de los gradientes reducida al 70% con respecto a la máxima del sistema, por ejemplo usando 103 T/m/s en vez de 150 T/m/s, reduciendo la amplitud del artefacto de gradiente relativa a estos ‘crushers’ entre un 60%-90% (320).

15 En la Fig. 4b, se encuentra una ampliación del periodo de lectura de la secuencia y del artefacto de gradiente del EEG. Las oscilaciones sinusoidales en el gradiente X (303a) y el gradiente Y (303b) que definen la trayectoria espiral del espacio k, tienen una frecuencia variable de 3KHz a 1KHz. Como los gradientes están cambiando continuamente durante la lectura, las oscilaciones del artefacto de gradiente en el EEG

20 durante la fase de lectura tienen la misma frecuencia. Sin embargo, la tasa del cambio del gradiente se define con un valor un 70% menor del máximo (por ejemplo 103 T/m/s) y el sistema de adquisición de electroencefalografía tiene un filtro paso banda hardware que atenúa las altas frecuencias (Fig. 5-51, Fig. 6-51 y Fig. 7-51), por lo que se reducen las oscilaciones del artefacto de gradiente en el EEG durante la lectura

25 (330) a menos de 100 µV. Así que el diseño de la amplitud y tasa de cambio del perfil de la secuencia de pulsos limita las oscilaciones inducidas en el EEG por el cambio de los gradientes. El uso de una tasa de cambio del gradiente de 103 T/m/s en lugar del máximo de 150 mT/m/s aumenta en 4 ms la longitud de la trayectoria espiral, de 20 ms a24ms.

30 Después, la secuencia de pulsos contiene un bucle que repite la misma adquisición descrita en la Fig. 4 con las mismas características temporales para cada adquisición de rodaja, hasta cubrir todo el volumen de adquisición deseado. Esto genera las repeticiones en el artefacto de gradiente de la Fig. 3, 202. Después, la secuencia de

35 pulsos contiene otro bucle que repite la misma adquisición de volumen, cualquier

número de veces, para muestrear los cambios en la señal de cada vóxel de la imagen a lo largo del tiempo. Esto crea las repeticiones temporales en el artefacto de gradiente de la Fig. 3-202.

5 Además, la adquisición de la señal de RMf que se propone en esta invención para lograr un setup óptimo para el registro simultáneo de electroencefalografía y RMf, define también otras dos características. Dentro del mismo proceso de adquisición en el escáner de RM, previo al comienzo de la propia adquisición RMf, donde los gradientes que se generan son los que se muestran en la Fig. 4, se adquieren dos

10 volúmenes del cerebro con dos tiempos de eco diferentes (TE) para calcular el mapa de B0 o mapa de inhomogeneidad de campo. Los TEs seleccionados para estas dos adquisiciones son más pequeños que el utilizado para RMf, para evitar la pérdida de señal en áreas cerebrales que estén afectadas por artefactos de susceptibilidad (offresonance). Este mapa de inhomogeneidad se utilizará en la reconstrucción de los

15 volúmenes de RMf para atenuar las distorsiones alrededor de las zonas de susceptibilidad (interfaces aire-tejido-hueso, por ejemplo, en el lóbulo temporal medial).

Otra característica importante de una adquisición RMf con el registro simultáneo con

20 EEG, es el almacenamiento de los datos en tiempo real, especialmente en pacientes con epilepsia. La razón es que la adquisición podría ser interrumpida debido a un ataque epiléptico del paciente, y los datos se perderían. En cualquier caso, esta característica es siempre importante para evitar la pérdida de datos en caso de que el escáner RM falle.

1.-Configuraciones del sistema

Hay diferentes configuraciones posibles para realizar una adquisición simultánea de señales electrofisiológicas y RM, como se describe en las realizaciones de esta

30 invención. Tres diagramas esquemáticos diferentes se muestran en las Fig. 5 a Fig. 7 como ejemplo de ello.

La Fig. 5 muestra un diagrama de bloques esquemático de la configuración del sistema, formado por una combinación de un escáner RM y un sistema de adquisición

35 electrofisiológica. El sistema 1000 contiene todos los elementos para adquirir

imágenes RM y capturar una o varias señales electrofisiológicas, filtrar, postprocesar los datos y mostrar los resultados. Por una parte, los principales componentes de excitación y codificación del escáner de RM están definidos en el bloque 3. Un generador de RF para la excitación 31, tres bobinas de gradiente en tres ejes para la 5 codificación (gradiente X 32, gradiente Y 33 y gradiente Z 34) y una bobina de recepción 35 para capturar la señal, son los principales componentes que hay en el sistema 3. Este sistema está unido a la unidad de control 2, que define la generación de las formas de onda para los sistemas 31, 32, 33, 34, el esquema de adquisición de datos y la conversión A/D asociada a 35. Esta unidad de control 2 también está unida 10 a otro sistema con capacidad de procesado 1, Unidad de Control de Procesamiento UCP 11, memoria (no se muestra) y otra parte importante, que es el reloj de referencia 10, que es el que se utiliza todo el sistema 3, y también como reloj de muestreo del sistema de adquisición bioeléctrica compuesto por los módulos 4 y 5. La señal bioeléctrica es capturada y muestreada por el módulo 4, que puede representar un 15 casco de EEG, o electrodos de EMG o de ECG, por ejemplo. El sistema de captura de la señal 4 está unido a un sistema de acondicionamiento 51, amplificación 52 y conversión digital 53 (5). Este sistema está compuesto de un filtro paso banda o paso bajo, también denominado filtro anti-aliasing, 51 que limita el rango de frecuencias de las señales que entran en el amplificador. Esto es especialmente importante en el

20 sistema combinado con el escáner de RM, para eliminar de la señal las componentes de alta frecuencia que son de alta amplitud y que no pertenecen al rango de la señal electrofisiológica (0,5-30 Hz es el rango típico para el análisis de la señal EEG, aunque puede analizarse hasta la banda gamma ultra alta de 500Hz).

25 Por último, las imágenes digitales de RM y las señales digitales son postprocesadas, analizadas y mostradas en una unidad adicional 6. Esta unidad es capaz de almacenar o de almacenar y reconstruir los datos en tiempo real, para asegurar que los datos no se pierdan debido a problemas en el sistema en cualquiera de las otras unidades. Esta capacidad también permite monitorizar la consecución de la

30 adquisición en tiempo real o usar el sistema completo para Neurofeedback en Tiempo Real utilizando una combinación de señales electrofisiológicas e imágenes RM.

La configuración del sistema mostrada en la Fig. 6 está compuesta por el sistema del escáner de RM 1101 y el sistema de adquisición electrofisiológica 1102 como dos 35 sistemas independientes. El reloj de referencia 10 se conecta a ambos sistemas para

adquirir los datos de forma síncrona. Además, hay una unidad de postproceso, almacenado y visualización 6 compartida por ambos sistemas.

El último ejemplo de configuración del sistema como parte de las realizaciones de esta

5 invención, se muestra en la Fig. 7. Un sistema combinado compuesto por un sistema de RM separado 1101 que está unido a una unidad de postproceso, almacenado y visualización 6A, y un sistema de adquisición electrofisiológica 1102 unido a una unidad independiente de postproceso, almacenaje y visualización 6B, mostrado en la Fig. 6. Esas dos unidades de postproceso, 6A y 6B, pueden o no comunicarse entre

10 ellas, y los datos de cada modalidad se pueden extraer y combinar de forma separada. Esta configuración del sistema no es la ideal para proporcionar un Neurofeedback combinado, pero es válida para almacenar y reconstruir en tiempo real las señales electrofisiológicas y las imágenes de RM.

15 Se llevaron a cabo varios estudios piloto, utilizando una configuración similar a la mostrada en la Fig. 7, utilizando para la adquisición electrofisiológica un sistema de EEG compatible con RM y un escáner de RM de 3T.

Todos los resultados y comparaciones que se presentan están encaminados a mejorar

20 la comprensión del impacto de las características de la realización preferida de la presente invención. Las comparaciones pretenden explicar la diferencia en las características del perfil de la secuencia de pulsos de RMf, los diferentes artefactos de gradiente inducidos y la validación del contraste BOLD de la nueva secuencia de pulsos espiral propuesta.

2.-Reducción del artefacto de gradiente

Las figuras Fig. 8-13 muestran resultados de test con el procedimiento propuesto en esta invención y una comparación de la utilización de la nueva secuencia con respecto 30 a una secuencia espiral estándar. Primero se muestra la comparación en la Fig. 8 del artefacto de gradiente para la nueva secuencia y una secuencia espiral estándar. Las pruebas se hicieron en un “fantoma” para analizar únicamente el artefacto de gradiente, sin la influencia del artefacto relacionado con el pulso que presentan los sujetos vivos. Las principales diferencias entre las dos secuencias es el uso de 35 crushers triangulares al final de la lectura, y la definición limitada de la tasa de cambio

y la amplitud en la lectura en la nueva secuencia. Este último punto implica un tiempo de lectura mayor (el tiempo de lectura de la espiral tipo 1 es 20 ms y el tiempo de lectura de la espiral propuesta es 24 ms), pero una menor amplitud del artefacto de gradiente en el EEG (Fig. 8). Las características en frecuencia del artefacto de 5 gradiente se muestran en la Fig. 9, de nuevo, para la comparación directa de las dos secuencias de pulsos. Se hizo una estimación espectral de Welch en un EEG durante la adquisición del “fantoma” durante 6 minutos para cada tipo de secuencia de pulsos de RMf, obteniendo la densidad espectral de voltaje (DEV) entre 1-125 Hz. Para todas las secuencias de pulsos, la DEV máxima sin la eliminación del artefacto de gradiente

10 se concentra en la frecuencia de adquisición de rodaja (12.5 Hz en estas pruebas) y sus armónicos. 501a y 501b muestran el pico de la frecuencia de adquisición de rodaja (12.5Hz) y 502a y 502b muestran el primer armónico en cada uno de los gráficos. El valor más pequeño del voltaje medio en la frecuencia de adquisición de rodaja y sus armónicos se obtiene con la nueva secuencia propuesta (Fig. 9).

15 Sin embargo, la importancia de reducir la amplitud del artefacto inducido por el gradiente está relacionada con la eliminación del artefacto de forma sencilla y más precisa. De esta forma, se ha utilizado un algoritmo para eliminar el artefacto de gradiente, el Average Artifact Subtraction (AAS) propuesto por Allen et al. (2000). En

20 este algoritmo, primero se calcula el promedio del artefacto de gradiente a lo largo de un número fijo de periodos por canal, y después ese promedio se elimina del EEG periodo a periodo. La segunda fase de este algoritmo consiste en aplicar una cancelación de ruido adaptativa (ANC) para atenuar la señal residual que queda después de la primera etapa. Para cuantificar la calidad de la señal EEG durante la

25 adquisición simultáneo se compararon los espectros corregidos con el espectro de ruido de fondo en ausencia de secuencia, es decir, el espectro de la señal capturada por el EEG dentro de la RM pero sin aplicar pulsos RF o de gradiente. Para cuantificar la distancia entre el espectro de la señal electrofisiológica después de la eliminación del artefacto de gradiente utilizando AAS y el espectro del ruido de fondo, se han

30 calculado dos medidas cuantitativas basadas en distancias: por una parte la distancia euclídea del espectro de cada secuencia de pulsos al espectro del ruido de fondo se muestra en la Tabla 1; por otra parte, la ganancia en amplitud de los mismos espectros en frecuencias específicas, la frecuencia de adquisición de rodaja y sus armónicos, se muestran en la Fig. 10. La distancia euclídea se calcula como una

35 medida global de la semejanza entre el espectro de fondo y el espectro corregido de

cada secuencia de pulsos. Por otro lado, la ganancia en amplitud de la señal (20log10[fondo/corregido]) con respecto al espectro de fondo es una medida local de la distancia al espectro de fondo en la frecuencia de rodaja y sus armónicos, con un ancho de banda de 1Hz, para cada valor de la densidad espectral de voltaje (Fig. 10)

TABLA 1

ESPIRAL

NUEVA ESPIRAL

TIPO-1

1,30

0,7

Cuanto más próxima a cero sea la ganancia en amplitud para cada frecuencia en la Fig. 10 menor será el artefacto. Cuanto más próxima a cero sea la distancia euclídea,

10 menor es el residuo de contaminación del artefacto de gradiente teniendo en cuenta el espectro global. El mejor rendimiento, considerando ambas métricas cuantitativas, se obtiene con la nueva secuencia de pulsos espiral propuesta.

3.-Aplicaciones reales de la invención

15 También se realizaron pruebas de la validación clínica de la secuencia en voluntarios. Por un lado, en cuatro sujetos humanos utilizando un sistema combinado para la adquisición simultánea de EEG/RMf de acuerdo a las realizaciones de esta invención. Se midió un “potencial evocado” con un “paradigma de una tarea visual”. Se trataba de

20 un paradigma combinado de bloques – eventos con una presentación aleatoria de imágenes de objetos neutrales alternadas con cruces de fijación durante 42 segundos y 20 segundos de reposo, repetido 5 veces. A los sujetos se les indicó que memorizasen las imágenes. La Fig. 11 muestra los ejemplos de potenciales evocados visuales de dos sujetos en el electrodo Oz (occipital central). El objetivo era obtener

25 una señal EEG es de buena calidad tras la eliminación de artefactos dentro de la máquina RM y se obtuvo la típica forma de onda, incluyendo el P300 (pico a partir de 300 ms), mostrado en la Fig. 11, fuera y dentro del escáner utilizando la nueva secuencia espiral propuesta (después de la eliminación del artefacto del EEG con AAS).

30 También, se realizaron dos tareas de RMf en dos sujetos para verificar que la nueva secuencia espiral era suficientemente sensible al contraste BOLD. Se utilizó una tarea

motora y una tarea visual. La tarea motora consistía en mover la mano derecha con la acción de agarrar durante 20 segundos y otros 20 segundos de descanso, repetido 5 veces. Por otro lado, se utilizó la misma tarea visual que se usó para obtener los potenciales evocados visuales. Los resultados de las tareas motoras y visuales se 5 muestran en la Fig. 12 y en la Fig. 13 respectivamente. Las cuatro vistas del cerebro muestran la activación del sujeto con la nueva secuencia de pulsos espiral. En la Fig. 12 se muestra la activación en la corteza motora primaria izquierda y en el cerebelo, como se esperaba ya que el sujeto movió la mano derecha. En la Fig. 13 se muestra la activación en el lóbulo occipital, la corteza visual, también tal y como se esperaba.

10 La señal BOLD en el tiempo, que se encuentra a la derecha de los mapas espaciales, representa la señal de RM en el vóxel más significativo, mostrando cómo la nueva secuencia de pulsos espiral es sensible al movimiento de la mano y a los estímulos visuales.

15 Como se demuestra de lo anterior, la presente invención hace posible obtener señales bioeléctricas de buena calidad, adquiridas simultáneamente con la imágenes RM. También parece que cuando se usa en RMf la nueva secuencia de pulsos con trayectoria espiral en el espacio k, se obtiene un contraste BOLD apropiado. De esta forma, las realizaciones descritas aquí optimizan la combinación de EEG/RMf

20 simultáneo en un sistema completo o combinado. Las realizaciones descritas aquí y las figuras son sólo una referencia, ya que la presente invención no está limitada sólo por estas realizaciones.

Referencias

25 Allen, P. J., Josephs O & Turner R. “A method for removing imaging artifact from continuous EEG recorded during functional MRI.” (2000). Neuroimage;12:230-239. Lemieux L, Allen PJ, Franconi F, Symms MR & Fish DR. “Recording of EEG during fMRI experiments: patient safety.” (1997). Magn Reson Med;38:943-952.

30 Mullinger KJ, Yan WX & Bowtell R. “Reducing the gradient artefact in simultaneous EEG-fMRI by adjusting the subject's axial position.” (2011). Neuroimage;54:1942-1950. Ritter P., Villringer A. “Simultaneous EEG-fMRI.” (2006). Neuroscience ; 30, 823-838

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1) Procedimiento para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, 5 caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

   a) se carga la secuencia de pulsos para cada una de las bobinas de la unidad de

   resonancia magnética (pulsos RF y gradientes de codificación), b) se inicia la secuencia de pulsos de la unidad de resonancia magnética, c) se inicia la adquisición de imágenes del equipo de la unidad de resonancia

   10 magnética,

   d) la adquisición de imágenes de resonancia magnética utilizando una trayectoria en espiral en el espacio K, definida con una limitación en la tasa de cambio y en la amplitud máxima del gradiente, y con crushers triangulares.

   e) La misma secuencia de pulsos se repite en bucles para la adquisición de 15 múltiples adquisiciones 2D o 3D f) se inicia la adquisición de señales electrofisiológicas muestreadas con el

   mismo reloj que la unidad de resonancia magnética, g) se reduce el artefacto de gradiente en la señal electrofisiológica adquirida, h) se procesan las imágenes y señales adquiridas y se muestran por el sistema

   20 de visualización.

   2) Procedimiento para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 1, caracterizado porque las imágenes de resonancia son

   25 imágenes de resonancia magnética funcional.

   3) Procedimiento para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 2, caracterizado porque antes de la adquisición de imagen de

   30 resonancia magnética se calcula un mapa B0, utilizando una adquisición en dos volúmenes completos con un tiempo de eco (TE) diferente.

   4) Procedimiento para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 1, 2 y 3, caracterizado porque las señales electrofisiológicas pueden ser electroencefalografías, electrocardiografías, electromiografías, electrooculografías, señales de respuesta galvánica de la piel o una combinación de ellas.

   5) Procedimiento para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las imágenes y las señales se almacenan en tiempo real.

   6) Procedimiento para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 5, caracterizado porque las imágenes se analizan en tiempo real.

   7) Dispositivo para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, que comprende:

   •

   una unidad de resonancia magnética,

   •

   un sistema de adquisición de datos electrofisiológicos,

   •

   una unidad de visualización de datos y

   •

   medios de procesamiento de datos caracterizados porque realizan las operaciones comprendidas en la siguiente relación: a) se carga la secuencia de pulsos para cada una de las bobinas de la unidad de

   resonancia magnética (pulsos RF y gradientes de codificación),

   b) se inicia la secuencia de pulsos de la unidad de resonancia magnética,

   c) se inicia la adquisición de imágenes del equipo de la unidad de resonancia

   magnética,

   d) la adquisición de imágenes de resonancia magnética utilizando una trayectoria en espiral en el espacio K, definida con una limitación en la tasa de cambio y en la amplitud máxima del gradiente, y con crushers triangulares.

   e) La misma secuencia de pulsos se repite en bucles para la adquisición de

   múltiples adquisiciones 2D o 3D

   f) se inicia la adquisición de señales electrofísiológicas muestreadas con el

   mismo reloj que la unidad de resonancia magnética,

   g) se reduce el artefacto de gradiente en la señal electrofisiológica adquirida,

   h) se procesan las imágenes y señales adquiridas y se muestran por el sistema

   de visualización.

   8) Dispositivo para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 7, caracterizado porque las imágenes de resonancia son imágenes de resonancia magnética funcional.

   9) Dispositivo para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 8, caracterizado porque antes de la adquisición de imagen de resonancia magnética se calcula un mapa B0, utilizando una adquisición en dos volúmenes completos con un tiempo de eco (TE) diferente.

   10) Dispositivo para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según la reivindicación 7, 8 y 9 caracterizado porque las señales electrofísiológicas pueden ser electroencefalografías, electrocardiografías, electromiografías, electrooculografías, señales de respuesta galvánica de la piel o una combinación de ellas.

   11) Dispositivo para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las imágenes y las señales se almacenan en tiempo real.

   12) Dispositivo para adquisición, procesado y visualización de datos adquiridos simultáneamente de imágenes de resonancia magnética y señales electrofisiológicas,

   según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque las imágenes se analizan en tiempo real.

   13) Procedimiento para la realización de pruebas de neurofeedback en tiempo real caracterizado porque utiliza el procedimiento descrito anteriormente.

   FIG. 1

   FIG. 2

   FIG. 3

   FIG. 4

   Fig. 4b

   FIG. 5

   FIG. 6

   FIG. 7

   FIG. 8

   FIG. 9

   FIG. 10

   FIG. 11

   FIG. 12

   FIG. 13