Rezumat al lucrării de cercetare privind ingineria medicală, autor al articolului științific - Jasmine Song, Colin Davey, Catherine Poulsen, Phan Luu, Sergei Turovets și colab.

Subiecte similare ale lucrării științifice în Ingineria medicală, autor al unui articol științific - Jasmine Song, Colin Davey, Catherine Poulsen, Phan Luu, Sergei Turovets și colab.

Lucrare de cercetare academică pe tema „Localizarea sursei EEG: densitatea senzorului și acoperirea suprafeței capului”

Liste de conținut disponibile la ScienceDirect

senzorului

Journal of Neuroscience Methods

pagina de start a jurnalului www.elsevier.com/locate/jneumeth

Localizarea sursei EEG: densitatea senzorului și acoperirea suprafeței capului

Jasmine Song3 * 1, Colin Daveya1, Catherine Poulsena1, Phan Luua b1, Sergei Turovetsa c1, Erik Andersona1, Kai Lia1, Don Tuckerab1

a Electrical Geodesics, Inc., Eugene, OR, SUA b Departamentul de Psihologie, Universitatea din Oregon, Eugene, OR, SUA c Centrul de Neuroinformatică, Universitatea din Oregon, Eugene, OR, SUA

• Senzorii de pe suprafața inferioară îmbunătățesc precizia localizării surselor profunde.

• Senzorii de pe suprafața inferioară reduc variabilitatea erorilor surselor la toate adâncimile.

• Senzorii de pe suprafața inferioară îmbunătățesc precizia localizării chiar și cu tablouri rare.

• Localizarea sursei cea mai precisă este obținută prin eșantionare cu cap întreg, cu matrice densă.

Primit pe 6 iulie 2015

Primit în formă revizuită la 10 august 2015

Acceptat la 12 august 2015

Disponibil online 20 august 2015

EEG cu matrice densă

Context: Precizia localizării sursei EEG depinde de o eșantionare suficientă a câmpului potențial de suprafață, de o estimare precisă a volumului de conducere (modelul capului) și de o tehnică inversă adecvată și bine înțeleasă. Scopul prezentului studiu este de a examina efectul densității eșantionării și acoperirii asupra capacității de a localiza cu precizie sursele, utilizând tehnici comune de greutate inversă liniară, la diferite adâncimi. Sunt examinate mai multe metode inverse, folosind conductivitatea populară a capului. Metodă nouă: Studiile de simulare au fost folosite pentru a examina efectul eșantionării spațiale a câmpului potențial la suprafața capului, în ceea ce privește densitatea senzorului și acoperirea regiunilor capului inferior și superior. În plus, efectele densității senzorului și ale acoperirii sunt investigate în localizarea sursei EEG epileptiform.

Rezultate: o densitate mai mare a senzorului îmbunătățește precizia localizării sursei. Mai mult, la toate densitățile de eșantionare și la metodele inverse, adăugarea de probe pe suprafața inferioară îmbunătățește precizia estimărilor sursei la toate adâncimile.

Comparație cu metodele existente: o localizare mai precisă a sursei datelor EEG poate fi realizată prin eșantionarea spațială ridicată a electrozilor de la suprafața capului.

Concluzii: Cea mai precisă localizare a sursei se obține atunci când suprafața de tensiune este eșantionată dens atât pe suprafața superioară, cât și pe cea inferioară.

Electroencefalograma (EEG) înregistrată la suprafața capului oferă informații importante despre activitatea creierului în ambele aplicații clinice (Michel și colab., 2004; Lantz și colab., 2003; Holmes, 2008; Brodbeck și colab., 2011) și cercetarea în neuroștiințe Brunet și colab., 2011; Dale și Sereno, 1993; Delorme și colab., 2007; Hassan

* Autor corespondent la: 500 East 4th Avenue, Ste 200, Eugene, OR 97401, SUA. Telefon: +1 541 687 7962; fax: +1 541 687 7963. Adresa de e-mail: [email protected] (J. Song).

1 Autorii sunt angajați ai EGI, un producător de sisteme EEG cu matrice densă.

și colab., 2014). În mod tradițional, EEG a fost înregistrat numai în câteva locații ale scalpului măsurate prin procentele dintre reperele craniului cu sistemul internațional Ten-Twenty (Jasper, 1958). EEG reflectă nu numai activitatea neuronală a cortexului, ci și diverse surse de zgomot (inclusiv biologic non-cefalic, ecologic și zgomot instrumental).

Deși potențialele suprafeței capului sunt măsurate, cercetătorii și clinicienii doresc în cele din urmă să discearnă sursele corticale ale caracteristicilor relevante ale EEG. Câmpurile dipolare din fiecare regiune a creierului se propagă în trei dimensiuni, într-un model dipolar în funcție de orientarea surselor corticale. Activitatea înregistrată la orice senzor de suprafață al capului reflectă o însumare a tuturor surselor active din creier, suprapuse în funcție de distanța, orientarea lor,

și rezistența țesuturilor subiacente. Prin urmare, analiza realistă a surselor potențialelor EEG necesită modele biofizice obiective care încorporează pozițiile exacte ale senzorilor, precum și proprietățile anatomiei capului și creierului, astfel încât să poată fi aplicate tehnici inverse adecvate pentru maparea potențialelor de suprafață la sursele corticale (Michel et al. ., 2004).

În modelele biofizice, sursele actuale din creier sunt de obicei modelate folosind dipoli despre care se presupune că sunt echivalenți cu potențialele sumapost post-sinaptice ale tuturor celulelor piramidale aliniate într-un petic de cortex cerebral. Cortexul poate fi împărțit în patch-uri de sursă discrete, astfel încât activitatea întregului cortex să poată fi modelată de un set finit de dipoli, de obicei câteva mii. Se presupune că relația dintre curentul generat de un singur dipol (curentul net generat de toate potențialele sincronice post-sinaptice din patch-ul corespunzător) și o singură măsurare a potențialului scalpului este liniară. Cu alte cuvinte, pentru un dipol sursă dat și o anumită locație măsurată pe scalp, există o valoare scalară a câmpului de plumb. Tensiunea este măsurată la un senzor al scalpului (electrod), de obicei în microvolți, iar curentul este generat de dipol, cu un moment dipolar exprimat de obicei în nano-ampere x metru. Pentru fiecare pereche de dipoli și senzori, există o valoare separată a câmpului de plumb, care este determinată de geometria și conductivitățile țesuturilor capului, locația dipolului și locația senzorilor. Împreună, acești câțiva factori determinanți sunt denumiți în mod colectiv modelul capului electric.

1.1. Eșantionarea spațială a câmpului potențial al suprafeței capului

Înregistrarea de pe suprafața capului adultului cu o gamă de senzori strâns distanțiți (3 mm) a arătat un conținut de frecvență spațială considerabil ridicat, indicând necesitatea unei distanțe între senzori de 1 cm sau mai puțin (Freeman și colab., 2003). La nou-născuți și sugari, care au cranii mai puțin rezistive și deschideri mari (cum ar fi fontanelele), sunt necesare distanțe intersensoriale mai mici (între 0,6 și 1 cm) (Odabaee și colab., 2013).

Cu o acoperire a întregului cap într-un model geodezic optim, oferă o matrice densă de 256 de canale

Distanța senzorului de 2 cm pentru un cap de adult de dimensiuni medii. Pentru a realiza

Distanțe intersensor de 1 cm, ar fi necesare aproximativ 500 de canale. Dovezi convergente au provenit din analiza volumului de semisensibilitate, regiunea spațiului intracranian pentru care sensibilitatea la propagarea sursei este asigurată de spațiul senzorilor de suprafață (Malmivuo și colab., 1997). Cu estimări ale raportului de conductivitate craniu: creier de 15: 1,

estimările volumului semisensibilității sugerează că sunt necesare aproximativ 500 de canale pentru eșantionarea spațială adecvată a EEG uman (Malmivuo și Suihko, 2004; Ryynanen și colab., 2004, 2006). Dovezi provenite din studii la om (Luu și colab., 2001; Odabaee și colab., 2013) confirmă aceste studii de simulare, sugerând că eșantionarea spațială poate fi sub optimă cu înregistrările EEG cu montaje convenționale ale electrodului (mai puțin de 128 de canale).

În timp ce densitatea eșantionării spațiale este importantă, acoperirea este, de asemenea, crucială. Deseori datele EEG sunt obținute numai din jumătatea superioară a capului, datorită presupunerii greșite că sunt necesari doar electrozi adiacenți creierului. Această tendință de acoperire poate duce la estimări foarte slabe ale activității din surse cerebrale inferioare (Lantz și colab., 2003; Sperli și colab., 2006). Recent, Delorme și colab. (2007) au demonstrat importanța includerii electrozilor faciali pentru localizarea sursei pozitivității pre-motor P3f. Deși electrozii de pe față sunt mai susceptibili la EMG și artefacte de mișcare și, prin urmare, necesită o manipulare atentă pentru a fi inclusă în estimarea sursei, se fac progrese considerabile în metodele de eliminare a acestei contaminări (Fitzgibbon și colab., 2013; Moretti și colab., 2003; Gao și colab., 2010; Shackman și colab., 2009; McMenamin și colab., 2011; Olbrich și colab., 2011; Gross și colab., 2013).

2. Material și metode

Datele dezidentificate de la pacienții cu epileptie au fost obținute cu aprobarea Comitetului de revizuire instituțională a Universității din Washington.

2.1. Înainte problema

Problema directă, sau modelul capului electric de conducere a volumului, include un set de condiții care specifică modul în care curenții se propagă de la locul lor de generație la cortex la locul de măsurare la nivelul scalpului. Problema electrică înainte calculează distribuția potențialului electric pe suprafața capului, având în vedere pozițiile, orientările și mărimile surselor de curent, precum și geometria și conductivitatea electrică a volumului capului (Mosher și colab., 1999; Berg și Scherg, 1994;

Zhang, 1995; Hallez și colab., 2007; El și colab., 2002; Ary și colab., 1981; Fuchs și colab., 1998).

2.1.1. Construcția modelului capului

Modelul capului electric este creat pentru a captura geometriile țesuturilor capului (scalpul sau carnea, osul, lichidul spinal cerebral (LCR), substanța albă, substanța cenușie, compartimentele de aer și globii oculari).

Pentru modelul de atlas utilizat în prezentele simulări, s-au construit compartimente de țesut din întregul RMN cap al unui singur subiect Colin27 (http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesAtlases/ Colin27), a cărui formă a capului se potrivește îndeaproape cu Atlas MNI305, RMN mediu de 305 subiecte al Institutului Neurologic din Montreal (http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/MniTalairach). Pentru o caracterizare exactă a osului craniului, am obținut o scanare CT a acestui individ. Imaginile RMN și CT au fost co-înregistrate înainte de segmentarea creierului și a lichidului spinal cerebral (identificate din datele RMN), precum și a craniului și scalpului (identificate din imaginile CT). Imaginile RMN și CT ale individului au fost apoi aliniate cu volumul creierului din atlasul MNI305 cu înregistrare Talairach. Localizările dipolilor au fost derivate urmând metoda lui Pascual-Marqui și colab. (1994) prin discretizarea volumului de substanță gri a atlasului MNI305. Acest lucru a dus la 2447 de locații dipolice, fiecare cu trei tripluri sau orientări ortogonale xyz (7341 dipoli), fiecare sursă reprezentând 7 mm3 în volum.

Pentru modelul individual de cap electric al pacientului, scanarea ponderată T1 a fost achiziționată folosind o secvență Siemens MPRAGE (timp de repetare (TR) = 2,5s; timp de ecou (TE) = 3,4 ms; unghi de rotație (FA) = 8 °) cu o rezoluție de 1x1 x 1 mm care acoperă 256 de voxeli în fiecare direcție spațială. Software-ul BrainK al EGI (Song și colab., 2013) a efectuat segmentarea țesuturilor, înregistrarea atlasului craniului (derivată dintr-o imagine CT de înaltă rezoluție a omului atlasului MNI: Colin27) la RMN-ul individului și înregistrarea pozițiilor senzorului EEG, derivate de la sistemul de fotogrametrie geodezică (Russell și colab., 2005) la suprafața RMN a scalpului. Utilizarea unui atlas CT cu valori de atenuare a razelor X pentru fiecare voxel al craniului este o metodă de proprietate EGI (Tucker și Tucker, 2003). Segmentarea țesuturilor a fost efectuată pentru a identifica următoarele țesuturi: glob ocular, scalp/proaspăt, craniu, aer, lichid cerebro-spinal (LCR), substanță cenușie (GM) și substanță albă (WM).

Pentru a crea poziții dipol orientate pentru modelul individual de cap, suprafața corticală a fost caracterizată mai întâi printr-un algoritm relativ de prag (Li și colab., 2006, 2011), sub formă de ochiuri triunghiulare, care au fost învelite în patch-uri de dimensiuni aproximativ egale. Toate modelele utilizate în prezentul studiu conțineau

1000 dipoli (adică plasturi) pe emisferă. Fiecare plasture avea aproximativ 1 cm2. Pentru fiecare patch, vectorii de orientare perpendiculari pe fiecare vârf din patch-uri au fost calculați pentru a obține orientarea medie a dipolului (suma vectorială) pentru acel patch cortical.

Matematic, problema electrică directă rezolvă aproximarea cvasi-statică a ecuațiilor lui Maxwell, ecuația Poisson (Smith și colab., 2012):

v- (avit0) = S, în Q cu condiții limită Neumann fără flux pe scalp:

a (vit0) -n = 0, ondQ (2)

Aici ^ este volumul capului, dQ este suprafața capului (scalpului), o =