Combined EEG and MEG source analysis of epileptiform activity using calibrated realistic finite element head models

Aydin, Ümit GND

In dieser Arbeit wird eine neue Pipeline, welche die komplementären Informationen der Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetoenzephalographie (MEG) berücksichtigen kann, vorgestellt und experimentell sowie methodisch analysiert. Um das Vorwärtsproblem zu lösen, wird ein hochrealistisches Finite-Elemente-Kopfmodell aus individuell gemessenen T1-gewichteten, T2-gewichteten und Diffusion-Tensor (DT)-MRIs generiert. Dafür werden die Kompartments Kopfhaut, spongioser Schädel, kompakter Schädel, Liquor Cerebrospinalis (CSF), graue Substanz und weiße Substanz segmentiert und ein individuelles Kopfmodell erstellt. Um eine sehr akkurate Quellenanalyse zu garantieren werden die individuelle Kopfform, die Anisotropie der weißen Substanz und die individuell kalibrierte Schädelleitfähigkeiten berücksichtigt. Die Anisotropie der weißen Substanz wird anhand der gemessenen DT-MRI Daten berechnet und in das segmentierte Kopfmodell integriert. Da sich die Leitfähigkeit des schwach-leitenden Schädels für verschiedene Probanden sehr stark unterscheidet und diese die Ergebnisse der EEG Quellenanalyse stark beeinflusst, wird ein Fokus auf die Untersuchung der Schädelleitfähigkeit gelegt. Um die individuelle Schädelleitfähigkeit möglichst genau zu bestimmen werden simultan gemessene somatosensorische Potentiale und Felder der Probanden verwendet und ein Verfahren zur Kalibrierung der Schädelleitfähigkeit durchgeführt. Wie in dieser Studie gezeigt, können individuell generierte Kopfmodelle dazu verwendet werden um, in einem nicht-invasivem Verfahren, interiktale Aktivität für Patienten, welche an medikamentenresistenter Epilepsie leiden, mit einer sehr hohen Genauigkeit zu detektieren. Außerdem werden diese akkuraten Kopfmodelle dazu verwendet um die unterschiedlichen Sensitivitäten von EEG, MEG und einer kombinierten EEG und MEG (EMEG) Quellenanalyse in Bezug auf verschiedene Gewebeleitfähigkeiten zu untersuchen. Wie in dieser Studie gezeigt wird liefert eine kombinierte EMEG Quellenanalyse zuverlässigere und robustere Ergebnisse für die Lokalisierung epileptischer Aktivität als eine einfache EEG oder MEG Quellenanalyse. Zuletzt werden die Auswirkungen einer Spikemittelung sowie die Effekte verschiedener Signal-Rausch-Verhältnisse (SNRs) anhand verschiedener Teilmittelungen untersucht. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird sind realistische Kopfmodelle mit anisotroper weißer Substanz und kalibrierter Schädelleitfähigkeit nicht nur für die EEG Quellenanalyse, sondern auch für die MEG und EMEG Quellenanalyse vorteilhaft. Durch die Anwendung dieser akkuraten Kopfmodelle konnte gezeigt werden, dass EMEG Quellenanalyse sehr gute Quellenrekonstruktionen auch schon zu Beginn des epileptischen Spikes liefert, wo nur eine sehr geringe SNR vorhanden ist. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Ausbreitung der epileptischen Aktivität eingesetzt hat ist die Lokalisation von frühen Quellen von besonderer Bedeutung. Während die EMEG Quellenanalyse auch Ausbreitungseffekte für spätere Zeitpunkte genau darstellen kann, können einfache EEG oder MEG Quellenanalysen diese nicht oder nur teilweise darstellen. Die Validierung der Ausbreitung wird anhand eines invasiv gemessenen Stereo-EEG durchgeführt. Durch die durchgeführten Spikemittelungen und die SNR Analyse wird verdeutlicht, dass durch eine Teilmittelung wichtige und exakte Informationen über den Mittelpunkt sowie die Größe des epileptischen Gewebes gewonnen werden können, welche weder durch eine einfachen noch einer "Grand-average" Lokalisation des Spikes erreichbar sind. Eine weitere Anwendung einer genauen EMEG Quellenanalyse ist die Bestimmung einer "region of interest" anhand von standardisierten MRT Messungen. Diese kleinen Gebiete werden dann später mit einer optimalen und höher aufgelösten MRT-Sequenz gemessen. Dank dieses optimierte Verfahren können auch sehr kleine FCDs entdeckt werden, welche auf dem standardisierten gemessenen MRT-Sequenzen nicht erkennbar sind. Die Pipeline, welche in dieser Arbeit entwickelt wird, kann auch für gesunde Probanden angewendet werden. In einer ersten Studie wird eine Quellenanalyse der somatosensorischen und auditorisch-induzierten Reize durchgeführt. Die gewonnen Daten werden mit anderen Studien vergleichen und mögliche Gemeinsamkeiten diskutiert. Eine weitere Anwendung der realistischen Kopfmodelle ist die Untersuchung von Volumenleitungseffekten in nicht-invasiven Hirnstimulationsmethoden wie transkranielle Gleichstromstimulation und transkranielle Magnetstromstimulation.

In this thesis, a new experimental and methodological analysis pipeline for combining the complementary information contained in electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG) is introduced. The forward problem is solved using high resolution finite element head models that are constructed from individual T1 weighted, T2 weighted and diffusion tensor (DT-) MRIs. For this purpose, scalp, skull spongiosa, skull compacta, cerebrospinal fluid, white matter (WM) and gray matter (GM) are segmented and included into the head models. In order to obtain highly accurate source reconstructions, the realistic geometry, tissue conductivity anisotropy (i.e., WM tracts) and individually estimated conductivity values are taken into account. To achieve this goal, the brain anisotropy is modeled using the information obtained from DT-MRI. A main focus is placed on the skull conductivity due to its high inter-individual variance and different sensitivities of EEG and MEG source reconstructions to it. In order to estimate individual skull conductivity values that fit best to the constructed head models, simultaneously acquired somatosensory evoked potential and field data measured for the same individuals are analyzed. As shown in this work, the constructed head models could be used to non-invasively localize interictal spike activity in patients suffering from pharmaco-resistant focal epilepsy with higher reliability. In addition, by using these advanced head models, tissue sensitivities of EEG, MEG and combined EEG/MEG (EMEG) are compared by means of altering the distinguished tissue types and their conductivities. Finally, the effects of spike averaging and signal-to-noise-ratios (SNRs) on source analysis are evaluated by localizing subaverages. The results obtained in this thesis demonstrate the importance of using anisotropic and skull conductivity calibrated realistic finite element models not only for EEG but also for MEG and EMEG source analysis. By employing such advanced finite element models, it is possible to demonstrate that EMEG achieves accurate source reconstructions at early instants in time (epileptic spike onset), i.e., time points with low SNR, which are not yet subject to propagation and thus supposed to be closer to the origin of the epileptic activity. It is also shown that EMEG is able to reveal the propagation pathway at later time points in agreement with invasive stereo-EEG, while EEG or MEG alone reconstruct only parts of it. Spike averaging and SNR analysis reveal that subaveraging provides important and accurate information about both the center of gravity and the extent of the epileptogenic tissue that neither single nor grand-averaged spike localizations could supply. Moreover, it is shown that accurate source reconstructions obtained with EMEG can be used to determine a region of interest, and new MRI sequences that acquire high resolution images in this restricted area can detect FCDs that were not detectable with other MRI sequences. The pipelines proposed in this work are also tested for source analysis of somatosensory and auditory evoked responses measured from healthy subjects and the results are compared with the literature. In addition, the finite element head models are also used to assess the volume conductor effects on simulations of non-invasive brain stimulation techniques such as transcranial direct current and transcranial magnetic stimulation.

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Aydin, Ümit: Combined EEG and MEG source analysis of epileptiform activity using calibrated realistic finite element head models. 2015.

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