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

Parsa Razmara, Takfarinas Medani외 7명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 13.

Functional Brain Connectivity Studies인용 수 0

한 줄 요약

이 연구는 0.55T에서 EEG-fMRI를 동시 측정하는 것이 가능함을 보여주며, BCG 잡음을 줄이고 EEG 노이즈 제거를 가능하게 하고, 시각 BOLD 활성화와 EEG-fMRI 결합이 검출됨을 시사합니다.

ABSTRACT

Simultaneous recording of electroencephalography (EEG) and functional MRI (fMRI) can provide a more complete view of brain function by merging high temporal and spatial resolutions. High-field ($\geq$3T) systems are standard, and require technical trade-offs, including artifacts in the EEG signal, reduced compatibility with metallic implants, high acoustic noise, and artifacts around high-susceptibility areas such as the optic nerve and nasal sinus. This proof-of-concept study demonstrates the feasibility of simultaneous EEG-fMRI at 0.55T in a visual task. We characterize the gradient and ballistocardiogram (BCG) artifacts inherent to this environment and observe reduced BCG magnitude consistent with the expected scaling of pulse-related artifacts with static magnetic field strength. This reduction shows promise for facilitating effective denoising while preserving the alpha rhythm and signal integrity. Furthermore, we tested a multimodal integration pipeline and demonstrated that the EEG power envelope corresponds with the hemodynamic BOLD response, supporting the potential to measure neurovascular coupling in this environment. We demonstrate that combined EEG-fMRI at 0.55T is feasible and represents a promising environment for multimodal neuroimaging.

연구 동기 및 목표

• 0.55T에서 동시 EEG-fMRI 중 EEG 데이터 품질 및 잡음 프로필을 평가한다.
• 0.55T에서 시각 피질의 작업 기반 BOLD 활성화를 탐지하는 능력을 평가한다.
• 0.55T를 위한 EEG-정보화 다중 모달 통합 파이프라인을 개발하고 테스트한다.
• EEG 유도 예측 변수와 BOLD 신호 간의 대응을 보여주어 0.55T에서 신경혈관 결합을 검증한다.

제안 방법

• 두 명의 건강한 성인을 대상으로 시각 체크보드 과제를 수행하면서 0.55T에서 동시 EEG-fMRI를 수행한다.
• 3.0 s TR 및 3.3x3.3x4 mm3 보셀을 가진 32채널 MR-호환 EEG와 0.55T fMRI를 기록한다.
• Outside, Scanner OFF, Scanner ON 조건에서 그래디언트 유도 및 BCG 잡음을 특성화한다.
• GA 교정을 위한 AAS, BCG를 위한 맥박 아티팩트 보정, 잔여 아티팩트 제거를 위한 ICA를 적용한다.
• fMRI는 BrainSuite와 SPM12로 처리하고, 두 개의 5분 런을 연결하여 10분 분석을 수행한다.
• Oz에서 12 Hz SSVEP 파워를 사용해 EEG-정보화 예측 변수를 구성하고 HRF와 합성한 뒤, voxelwise BOLD와 상관관계를 계산한다.
• EEG-정보화 맵을 표준 상자 박스 HRF 모델과 비교하여 다중 모달 커플링을 평가한다.]
• research_questions: ["0.55T MRI 환경에서 EEG 데이터의 노이즈 제거 및 분석용 보존이 신뢰할 수 있는가?","확장된(10분) 런에서 시각 피질의 0.55T fMRI 작업 중 상당한 BOLD 활성화가 있는가?","EEG 유래 12 Hz 파워 엔벨로프가 0.55T에서 시각 피질의 BOLD 신호를 신뢰성 있게 예측하는가?","0.55T 설정에서 EEG-정보화 예측 변수와 표준 GLM 기반 모델이 공간적으로 일치하는가?"]
• key_findings: ["BCG 아티팩트의 크기가 0.55T에서 더 낮아 denoising에 도움이 된다.","10분 연결 런은 V1 및 주변 영역에 국한된 시각 피질 활성화를 유의하게 나타낸다(평균 t ~ 9.0, p<0.05 FDR).","아티팩트 제거 후 EEG 스펙트럼 분석에서 알파 리듬(8–13 Hz)의 보존과 명확한 12 Hz 작업 관련 반응(24 Hz 및 36 Hz 조화파 포함)" ,"12 Hz 파워를 기반으로 하는 EEG-정보화 예측 변수가 표준 boxcar 모델과 유사하게 BOLD 맵과 상관관계를 보여 다중 모달 신경혈관 결합을 시사한다.","노출된 두정 전극(Oz, O1, O2) 위에 국소화된 Topographical SSVEP 활성화가 제거 후 공간 특이성을 유지한다.","본 연구는 0.55T에서 동시 EEG-fMRI가 가능하며 다중 모달 기능 맵핑 및 신경혈관 결합을 뒷받침하는 개념 증명을 제공한다."]
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Figure 1: (A) Schematic of the simultaneous EEG-fMRI setup showing synchronization between the MRI trigger and the BrainVision recorder. (B) Protocol overview for Outside, Scanner OFF, and Scanner ON conditions.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.55T MRI 환경에서 EEG 데이터의 노이즈 제거 및 분석용 보존이 신뢰할 수 있는가?
• RQ2 확장된(10분) 런에서 시각 피질의 0.55T fMRI 작업 중 상당한 BOLD 활성화가 있는가?
• RQ3 EEG 유래 12 Hz 파워 엔벨로프가 0.55T에서 시각 피질의 BOLD 신호를 신뢰성 있게 예측하는가?
• RQ4 0.55T 설정에서 EEG-정보화 예측 변수와 표준 GLM 기반 모델이 공간적으로 일치하는가?

주요 결과

• BCG 아티팩트의 크기가 0.55T에서 더 낮아 denoising에 도움이 된다.
• 10분 연결 런은 V1 및 주변 영역에 국한된 시각 피질 활성화를 유의하게 나타낸다(평균 t ~ 9.0, p<0.05 FDR).
• 아티팩트 제거 후 EEG 스펙트럼 분석에서 알파 리듬(8–13 Hz)의 보존과 명확한 12 Hz 작업 관련 반응(24 Hz 및 36 Hz 조화파 포함)
• 12 Hz 파워를 기반으로 하는 EEG-정보화 예측 변수가 표준 boxcar 모델과 유사하게 BOLD 맵과 상관관계를 보여 다중 모달 신경혈관 결합을 시사한다.
• 노출된 두정 전극(Oz, O1, O2) 위에 국소화된 Topographical SSVEP 활성화가 제거 후 공간 특이성을 유지한다.
• 본 연구는 0.55T에서 동시 EEG-fMRI가 가능하며 다중 모달 기능 맵핑 및 신경혈관 결합을 뒷받침하는 개념 증명을 제공한다.

Figure 2: Representative example of EEG signal showing the raw signal across conditions: (A) Outside scanner, (B) Scanner OFF, (C) Scanner ON, and (D) Final cleaned data after artifact subtraction.