Reducing the Risk of Gradient Induced EEG Hardware Heating During Simultaneous EEG-fMRI

تخيل أنك تحاول الاستماع إلى الهمسات الكهربائية الخافتة للدماغ البشري بينما تلتقط في الوقت نفسه صورة تفصيلية لآليات عمله الداخلية. هذا هو الهدف من الجمع بين تخطيط كهربائية الدماغ (EEG)، أو تخطيط أمواج الدماغ، مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). يسجل جهاز تخطيط كهربائية الدماغ النشاط الكهربائي للدماغ من خلال غطاء من المستشعرات يوضع على فروة الرأس، بينما يستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي مغانط قوية لإنشاء صور لتدفق الدم، مما يكشف عن أجزاء الدماغ النشطة. وللقيام بكليهما في وقت واحد، يجب أن توضع معدات تخطيط كهربائية الدماغ داخل جهاز الرنين المغناطيسي. ومع ذلك، فإن بيئة الرنين المغناطيسي عدائية للإلكترونيات؛ إذ تولد الآلة مجالاً مغناطيسياً هائلاً وثابتاً، إلى جانب مجالات مغناطيسية سريعة التبدل وموجات راديوية عالية التردد. يمكن لهذه القوى أن تحفز تيارات كهربائية في أي معدن قريب، مما قد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المعدات. وإذا أصبحت الأسلاك أو المستشعرات ساخنة جداً، فقد تتسبب في حرق الشخص الذي يرتديها. لعقود من الزمن، تمكن العلماء من إدارة ذلك عبر إبقاء مضخمات الإشارات الإلكترونية الضخمة التي تعالج إشارات الدماغ خارج غرفة الرنين المغناطيسي، وربطها بمستشعرات الرأس عبر كابلات طويلة. لكن هذه الكابلات الطويلة تعمل مثل الهوائيات، حيث تلتقط الموجات الراديوية وتسخن عند النقطة التي تلامس فيها الجلد، مما يخلق نوعاً آخر من الخطر.

ولحل مشكلة الهوائي، بدأ المصنعون في التوصية بنقل المضخمات لتكون داخل الجهاز، بالقرب من الرأس، باستخدام كابلات قصيرة جداً. وهذا يمنع الموجات الراديوية من التراكم وتوليد حرارة خطيرة عند المستشعرات. ومع ذلك، قدم هذا الحل خطراً جديداً أقل فهماً؛ فداخل الجهاز، أصبحت المضخمات الآن معرضة للمجالات المغناطيسية سريعة التبدل المستخدمة لإنشاء الصور. تساءل العلماء عما إذا كانت هذه المفاتيح المغناطيسية قد تسخن المضخمات نفسها، مما قد يؤدي إلى تلف المعدات أو يشكل خطراً على سلامة المشارك. شرع فريق من الباحثين في اختبار هذا الخطر تحديداً. لم يستخدموا متطوعين بشريين في هذه الاختبارات، بل استخدموا نماذج واقعية لرأس بشري مصنوعة من هلام موصل وماء، ووضعت داخل أجهزة رنين مغناطيسي بقوتين مختلفتين: جهاز قياسي بقوة 3 تسلا، وجهاز أكثر قوة بقوة 7 تسلا. قاموا بتثبيت أغطية تخطيط كهربائية الدماغ على هذه النماذج ووضعوا المضخمات في أوضاع مختلفة، مع تشغيل أنواع مختلفة من فحوصات تصوير الدماغ لمعرفة مدى ارتفاع درجة حرارة المعدات.

كشفت النتائج عن خطر واضح وكبير. فعندما وضعت المضخمات بالقرب من مركز الجهاز، كما تقترح الإرشادات الحالية، ارتفعت درجة حرارتها بسرعة أثناء الفحوصات. وفي موقع الـ 7 تسلا الأكثر قوة، وجد الباحثون أن استخدام تسلسل تصوير قياسي تسبب في ارتفاع درجة حرارة المضخمات بأكثر من درجتين مئويتين في خمس دقائق فقط. وإذا استمر معدل التسخين هذا خلال جلسة نموذجية مدتها أربعون دقيقة، فإن الارتفاع في درجة الحرارة سيكون كبيراً بما يكفي لصهر الغلاف البلاستيكي للجهاز وتدمير الإلكترونيات على الأرجح. وحدثت المشكلة ذاتها في موقع الـ 3 تسلا؛ فعندما وضعت المضخمات بالقرب من الرأس باستخدام الكابلات القصيرة الموصى بها، ارتفعت درجة حرارة المعدات بنحو ثلاث درجات في فحص قصير. وحسب الباحثون أنه خلال جلسة مدتها أربعون دقيقة، يمكن أن ترتفع درجة الحرارة بأكثر من ستين درجة مئوية، وهو مستوى من شأنه بالتأكيد أن يتلف الأجهزة. وأظهرت الدراسة أن هذا التسخين لم يكن ناتجاً عن الموجات الراديوية، بل تحديداً بسبب سرعة تبدل التدرجات المغناطيسية (magnetic gradients) التي تعمل وتتوقف لإنشاء الصور. فكلما زادت سرعة التبديل، زادت الحرارة المتولدة.

اختبر الباحثون بعد ذلك ما إذا كان نقل المعدات سيحل المشكلة. ووجدوا أن التسخين لم يكن موحداً في جميع أنحاء الجهاز، بل كان في أقوى حالاته في منطقة محددة بالقرب من المركز. ومن خلال شد الكابلات لتحريك المضخمات بعيداً عن مركز الجهاز، انخفض التسخين بشكل كبير. فعندما زادوا المسافة بمقدار خمسة عشر سنتيمتراً، انخفض ارتفاع درجة الحرارة بأكثر من النصف. وعندما استخدموا كابلات أطول لنقل المضخمات إلى مسافة أبعد، حوالي سبعة وثلاثين سنتيمتراً، أصبح التسخين ضئيلاً للغاية. في هذه الاختبارات، وحتى بعد تشغيل فحص عالي الدقة لمدة عشرين دقيقة، ارتففت درجة حرارة المعدات بأقل من درجتين، وظلت المستشعرات على الرأس باردة. كما أظهرت الدراسة أن إبطاء سرعة المفاتيح المغناطيسية قلل من التسخين، رغم أن هذا يتطلب تغيير إعدادات التصوير.

تشير النتائج إلى أن الممارسة الحالية بوضع المضخمات بالقرب من الرأس لتجنب حروق الترددات الراديوية قد تعرض المعدات دون قصد لمستويات خطيرة من الحرارة الناتجة عن التدرجات المغناطيسية. ويؤكد الباحثون أن السلامة تعتمد على إيجاد توازن؛ فنقل المضخمات بعيداً جداً يهدد بالمشكلة الأصلية المتمثلة في تسخين الترددات الراديوية عند المستشعرات، ووضعها قريباً جداً يهدد بصهر المضخمات نفسها. وتخلص الدراسة إلى أنه بالنسبة لأجهزة المسح الحديثة القادرة على التصوير السريع جداً، فإن النهج الأكثر أماناً هو وضع المضخمات بعيداً عن مركز الجهاز قدر طول الكابل المتاح، لضمان بقائها خارج منطقة التبدل المغناطيسي الأكثر كثافة. إن هذا التعديل البسيط، مقترناً بالاختبار الدقيق لكل إعداد محدد، يضمن بقاء المعدات آمنة وفعالة، مما يسمح للعلماء بمواصلة استكشاف الدماغ البشري دون المخاطرة بحرق أدواتهم أو خاضعي الاختبار.