The Influence of Conductivity Changes in Boundary Element Compartments on the Forward and Inverse Problem in Electroencephalography and Magnetoencephalography

Haueisen, Jens GND; Böttner, Annegret; Nowak, Hannes GND; Brauer, Hartmut GND; Weiller, Cornelius GND

Source localization based on magnetoencephalographic and electroencephalographic data requires knowledge of the conductivitiy values of the head. The aim of this paper is to examine the influence of compartment conductivity changes on the neuromagnetic field and the electric scalp Potential for the widely used three compartment boundary element models. Both the analysis of measurement data and the simulations with dipoles distributed in the brain produced two significant results. First, we found the electric potentials to be approximately one order of magnitude more sensitive to conductivity changes than the magnetic fields. This was valid for the field and Potential topology (and hence dipole localization), and for the amplitude (and hence dipole strength). Second, changes in brain compartment conductivity yield the lowest change in the electric potentials topology (and hence dipole localization), but a very strong change in the amplitude (and hence in the dipole strength). We conclude that for the magnetic field the influence of compartment conductivity changes is not important in terms of dipole localization and strength estimation. For the electric potentials however, both dipole localization and strength estimation are significantly influenced by the compartment conductivity.

Die Gewebeleitfähigkeitswerte des Kopfes sind für Quellerdokalisationen, basierend auf magnetoenzephalographischen und elektroenzephalographischen Daten, erforderlich. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, den Einfluß von Leitfähigkeitsänderungen auf das neuromagnetische Feld und die elektrische Potentialverteilung auf der Kopfoberfläche für die weitverbreiteten 3-Schalen-Randelementemodelle zu untersuchen. Sowohl die Analyse von Meßdaten als auch die Simulationen mit im Gehirn verteilten Einzeldipolen führten zu zwei wesentlichen Ergebnissen. Erstens war die Empfindlichkeit gegenüber Leitfähigkeitsänderungen beim elektrischen Potential ungefähr eine Größenordnung höher als beim magnetischen Feld. Dies galt sowohl für die Topologie (und damit für die Dipollokalisation) als auch für die Amplitude (und damit für die Dipolstärke). Zweitens zeigten Leitfähigkeitsänderungen der innersten Schale (Gehirn) die geringsten Änderungen in der Topologie des elektrischen Potentials (und damit in der Dipollokalisation), aber dabei eine sehr starke Änderung in der Amplitude (und damit in der Dipolstärke). Es kann geschlußfolgert werden, daß der Einfluß der Leitfähigkeitsänderung auf die Dipollokalisation und die Bestimmung der Dipolstärke aus dem magnetischen Feld vernachlässigt werden kann. Die Berechnung von Dipolort und -stärke aus dem elektrischen Potential ist jedoch signifikant von der Leitfähigkeit der Schalen abhängig.

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Haueisen, Jens / Böttner, Annegret / Nowak, Hannes / et al: The Influence of Conductivity Changes in Boundary Element Compartments on the Forward and Inverse Problem in Electroencephalography and Magnetoencephalography. 1999.

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