Localisation of electrical activity sources in human brain during epileptic seizures with EEG analysis

Abstract

Eine der wichtigsten Eigenschaften neuronaler Zellen ist, dass sie elektrische Signale produzieren können. Dadurch machen sie das Messen von elektrischer Aktivität des Gehirns zu einer Möglichkeit das Gehirn zu erforschen.<br />Das Messen von Potentialen an der Kopfhaut ist eine der ältesten nicht invasiven Methoden zur Analyse der Gehirnaktivität.<br />Diese Methode wird Elektroenzephalografie genannt.<br />Die auf der Kopfhaut gemessenen Potentiale geben Aufschluss über Gehirnaktivitäten und durch Analysieren der Zeitreihen kann diese Information aus den gemessenen Potentialen gewonnen werden.<br />Informationen dieser Art werden verwendet um bestimmte klinische Umstände zu beobachten und zu diagnostizieren, wie zum Beispiel Epilepsie.<br />Um Epilepsie zu behandeln kann es wichtig sein den Ursprung der elektrischen Aktivitäten zu kennen.<br />Für die vorliegende Studie wurde ein einfaches System von vier ineinander liegenden Würfeln, als Approximation der menschlichen Kopfes, entwickelt. Das Lösen solcher Systeme kann hilfreich sein, um die auftreten Probleme besser zu verstehen.<br />In diesem Modell wurde die Methode der finiten Differenzen verwendet, um eine Poisson-Gleichung zu lösen. Die Lösungen von Poisson-Gleichungen beschreiben das Verhalten von elektrischen Potentialen. Zur direkten Lösung des Problems wurde ein Dipol im innersten Würfel angenommen, der Strom erzeugt.<br />Das Potential an der Oberfläche des äußersten Würfels wurde für verschiedene Orientierungen des Dipols berechnet.<br />Weiters wurde die Software BrainStorm verwendet, um Dipol Ursprünge im menschlichen Gehirn zu lokalisieren. Für diese Studie wurden die EEG Daten von drei Patienten während epileptischer Anfälle verwendet. Um diese Daten zu messen wurden 32 Elektroden und das 10-20 ``System of Electrode Placement'' verwendet. BrainStorm bietet Möglichkeiten zur direkten und inversen Modellierung von EEG und MEG Ursprungs-Lokalisierung.<br />Die verschiedenen zu Grunde liegenden mathematischen Modelle werden hier beschrieben. Die direkte Modellierung wurde mit der Randelementmethode verwirklicht, um die Green'schen Identitäten für das Oberflächenpotential zu lösen.<br />Für die inverse Modellierung wurde das RAP-music Verfahren verwendet.<br />Obwohl nur 32 Elektroden verwendet wurden und keine MRI-Daten der Patienten verfügbar waren, liefert das Modell sehr realistische Ergebnisse. Meistens berechnet das Programm mehr als einen möglichen Ursprung, dann kann allerdings nur ein Spezialist entscheiden welcher Ursprung der wahrscheinlichere ist.<br />BrainStorm ist ein schnelles Programm zur Identifikation von Ursprüngen und läuft unter Matlab.<br />

The most important characteristic of neural cells is that they can produce electrical signals, therefore, measurements of electrical activity of brain is one possibility for brain exploration. Measuring scalp potentials is one of the most often used and the oldest non-invasive methods for studying brain activity. The method is known as Electroencephalography (EEG). Potentials on scalp carry the information on certain brain activity and by analysing the time-series the information can be extracted from the recorded potentials. This information can be used for monitoring and diagnosing certain clinical situations, such as epilepsy. The knowledge of the location of electrical activity sources in the human brain, can be very important to treat epilepsy.<br />For this study a simple systems of concentrically placed cubes as approximation for the head, was built first, to understand the basic problems that can be encountered when solving such problems.<br />In this model the finite difference method was used to solve a Possion's equation with boundary conditions. The solutions of the Poisson's equation describe the behavior of electric potentials.<br />For the forward modelling a dipole was situarted in the inner-most cube, producing a current. The potential on the surface of the outer-most cube for different dipole orientations was calculated.<br />Furthermore Brainstorm software was used to localise dipole sources in the brain, for EEG data from three persons during epileptic seisure. To measure this data $32$ electrodes, placed in the standard 10-20 system of electrode placement were used.<br />BrainStorm provides forward and inverse modeling tools for EEG and MEG source localization.<br />The different underlying mathematical models for dipole source locations in human brain, are explained. The forward modeling was realized with boundary element method to solve Green's theorem for the surface potential. For inverse modeling RAP-music approach was used.<br />In spite the fact that only 32 electrodes where used and BrainStorm anatomy templates where used instead of subjects anatomy information, the system provided very realistic results. Nevertheless, it can occur that real source location is not the most probable-one suggested by the program, therefore, only the specialist can decide at the end what is most probable location of the source. Brainstorm provides a relatively fast tool for identification of sources under Matlab environment.<br />