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

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, dem schwachen elektrischen Flüstern des menschlichen Gehirns zuzuhören und gleichzeitig eine detaillierte Fotografie seines inneren Wirkens zu machen. Dies ist das Ziel der Kombination von Elektroenzephalografie, oder EEG, mit der funktionellen Magnetresonanztomografie, oder fMRT. Das EEG zeichnet die elektrische Aktivität des Gehirns durch eine Kappe mit Sensoren auf, die auf der Kopfhaut platziert werden, während die fMRT starke Magnete verwendet, um Bilder des Blutflusses zu erstellen, die offenbaren, welche Teile des Gehirns aktiv sind. Um beides gleichzeitig zu tun, muss die EEG-Ausrüstung innerhalb der MRT-Maschine platziert werden. Die MRT-Umgebung ist jedoch feindselig gegenüber Elektronik. Die Maschine erzeugt ein massives, unveränderliches Magnetfeld sowie schnell wechselnde Magnetfelder und hochfrequente Radiowellen. Diese Kräfte können elektrische Ströme in jedem Metall in der Nähe induzieren, was potenziell dazu führen kann, dass die Ausrüstung überhitzt. Wenn die Drähte oder Sensoren zu heiß werden, könnten sie die Person, die sie trägt, verbrennen. Jahrzehntelang bewältigten Wissenschaftler dies, indem sie die sperrigen elektronischen Verstärker, die die Gehirnsignale verarbeiten, außerhalb des MRT-Raums aufstellten und sie über lange Kabel mit den Kopfsensoren verbanden. Doch diese langen Kabel wirken wie Antennen, die die Radiowellen einfangen und an der Stelle, an der sie die Haut berühren, Hitze erzeugen, was eine andere Art von Gefahr darstellt.

Um das Antennenproblem zu lösen, begannen Hersteller zu empfehlen, die Verstärker innerhalb der Maschine, also nah am Kopf, unter Verwendung sehr kurzer Kabel zu platzieren. Dies verhindert, dass sich die Radiowellen an den Sensoren zu gefährlicher Hitze aufbauen. Dennoch führte diese Lösung ein neues, weniger verstandenes Risiko ein. Innerhalb der Maschine sind die Verstärker nun den schnell wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt, die zur Erzeugung der Bilder verwendet werden. Wissenschaftler fragten sich, ob diese magnetischen Wechsel diese Verstärker selbst erhitzen könnten, was potenziell die Ausrüstung beschädigen oder ein Sicherheitsrisiko für den Teilnehmer darstellen könnte. Ein Forscherteam setzte sich zum Ziel, diese spezifische Gefahr zu testen. Sie verwendeten für diese Tests keine menschlichen Probanden; statstattdessen nutzten sie realistische Modelle eines menschlichen Kopfes aus leitfähigem Gel und Wasser, die in MRT-Scannern bei zwei verschiedenen Feldstärken platziert wurden: einer Standard-3-Tesla-Maschine und einer viel stärkeren 7-Tesla-Maschine. Sie befestigten EEG-Kappen an diesen Modellen und platzierten die Verstärker in verschiedenen Positionen, während sie verschiedene Arten von Gehirn-Bildgebungsverfahren durchführten, um zu sehen, wie stark sich die Ausrüstung erwärmte.

Die Ergebnisse zeigten eine klare und signifikante Gefahr. Wenn die Verstärker nahe dem Zentrum der Maschine platziert wurden, wie es aktuelle Richtlinien nahelegen, erhitzten sie sich während der Scans schnell. An der leistungsstärkeren 7-Tesla-Stelle fanden die Forscher heraus, dass die Verwendung einer Standard-Bildsequenz dazu führte, dass sich die Verstärker in nur fünf Minuten um mehr als zwei Grad Celsius erhitzten. Wenn sich diese Erwärmungsrate über eine typische vierzigminütige Sitzung fortgesetzt hätte, wäre der Temperaturanstieg extrem genug gewesen, um das Kunststoffgehäuse des Geräts zu schmelzen und die Elektronik höchstwahrscheinlich zu zerstachen. Dasselbe Problem trat an der 3-Tesla-Stelle auf. Wenn die Verstärker unter Verwendung kurzer Kabel nah am Kopf positioniert wurden, stieg die Temperatur der Ausrüstung während eines kurzen Scans um fast drei Grad. Die Forscher berechneten, dass die Temperatur der Ausrüstung über eine vierzigminütige Sitzung um mehr als sechzig Grad Celsius steigen könnte, ein Niveau, das die Hardware sicherlich beschädigen würde. Die Studie zeigte, dass diese Erwärmung nicht durch die Radiowellen verursacht wurde, sondern spezifisch durch die Geschwindigkeit, mit der die magnetischen Gradienten auf- und abgeschaltet wurden, um die Bilder zu erzeugen. Je schneller der Wechsel, desto mehr Hitze wurde erzeugt.

Die Forscher testeten dann, ob das Verschieben der Ausrüstung das Problem lösen könnte. Sie fanden heraus, dass die Erwärmung nicht gleichmäßig in der Maschine war; sie war in einer spezifischen Zone nahe dem Zentrum am stärksten. Indem sie die Kabel straff zogen, um die Verstärker weiter vom Zentrum der Maschine weg zu bewegen, sank die Erwärmung signifikant. Als sie den Abstand um fünfzehn Zentimeter vergrößerten, wurde der Temperaturanstieg um mehr als die Hälfte reduziert. Als sie längere Kabel verwendeten, um die Verstärker noch weiter, etwa um siebenunddreißig Zentimeter, zu entfernen, wurde die Erwärmung fast vernachlässigbar. In diesen Tests erwärmte sich die Ausrüstung selbst nach einem hochauflösenden Scan von zwanzig Minuten um weniger als zwei Grad, und die Sensoren auf dem Kopf blieben kühl. Die Studie zeigte auch, dass das Verlangsamen der Geschwindigkeit der magnetischen Schalter die Erwärmung reduzierte, obwohl dies eine Änderung der Bildeinstellungen erforderte.

Die Ergebnisse legen nahe, dass die aktuelle Praxis, die Verstärker nah am Kopf zu platzieren, um Radiofrequenz-Verbrennungen zu vermeiden, die Ausrüstung unbeabsichtigt hohen Hitzestufen durch die magnetischen Gradienten aussetzen kann. Die Forscher betonen, dass Sicherheit davon abhängt, ein Gleichgewicht zu finden. Die Verstärker zu weit weg zu bewegen, birgt das ursprüngliche Risiko der Radiofrequenz-Erwärmung an den Sensoren, aber sie zu nah zu platzieren, gefährdet das Schmelzen der Verstärkungen selbst. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass für moderne Scanner, die sehr schnelle Bildgebung ermöglichen, der sicherste Ansatz darin besteht, die Verstärker so weit wie möglich vom Zentrum der Maschine entfernt zu positionieren, also so weit, wie es die Kabellänge erlaubt, um sicherzustellen, dass sie außerhalb der Zone der intensivsten magnetischen Wechsel liegen. Diese einfache Anpassung, kombiniert mit sorgfältiger Prüfung für jedes spezifische Setup, stellt sicher, dass die Ausrüstung sicher und funktionsfähig bleibt, sodass Wissenschaftler das menschliche Gehirn weiterhin erforschen können, ohne das Risiko einzugehen, ihre Werkzeuge oder ihre Probanden zu verbrennen.