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

Imagina intentar escuchar los tenues susurros eléctricos del cerebro humano mientras simultáneamente tomas una fotografía detallada de su funcionamiento interno. Este es el objetivo de combinar la electroencefalografía, o EEG, con la resonancia magnética funcional, o fMRI. El EEG registra la actividad eléctrica del cerebro a través de un casco de sensores colocados en el cuero cabelludo, mientras que la fMRI utiliza potentes imanes para crear imágenes del flujo sanguíneo, revelando qué partes del cerebro están activas. Para hacer ambas cosas al mismo tiempo, el equipo de EEG debe situarse dentro de la máquina de RM. Sin embargo, el entorno de la RM es hostil para la electrónica. La máquina genera un campo magnético masivo e invariable, junto con campos magnéticos que cambian rápidamente y ondas de radio de alta frecuencia. Estas fuerzas pueden inducir corrientes eléctricas en cualquier metal cercano, lo que podría provocar que el equipo se sobrecaliente. Si los cables o los sensores se calientan demasiado, podrían quemar a la persona que los lleva puestos. Durante décadas, los científicos gestionaron esto manteniendo los voluminosos amplificadores electrónicos que procesan las señales cerebrales fuera de la sala de RM, conectados a los sensores de la cabeza mediante cables largos. Pero estos cables largos actúan como antenas, captando las ondas de radio y calentándose en el punto donde tocan la piel, creando un tipo de peligro diferente.

Para resolver el problema de la antena, los fabricantes comenzaron a recomendar que los amplificadores se movieran dentro de la máquina, cerca de la cabeza, utilizando cables muy cortos. Esto evita que las ondas de radio acumulen un calor peligroso en los sensores. Sin embargo, esta solución introdujo un riesgo nuevo y menos comprendido. Dentro de la máquina, los amplificadores ahora están expuestos a los campos magnéticos que cambian rápidamente utilizados para crear las imágenes. Los científicos se preguntaban si estos interruptores magnéticos podrían calentar los amplificadores mismos, dañando potencialmente el equipo o representando un riesgo de seguridad para el participante. Un equipo de investigadores se propuso probar este peligro específico. No utilizaron voluntarios humanos para estas pruebas; en su lugar, utilizaron modelos realistas de una cabeza humana hechos de gel conductor y agua, colocados dentro de escáneres de RM en dos intensidades de campo diferentes: una máquina estándar de 3 teslas y una mucho más potente de 7 teslas. Colocaron cascos de EEG en estos modelos y situaron los amplificadores en diversas posiciones, ejecutando diferentes tipos de exploraciones de imagen cerebral para ver cuánto se calentaba el equipo.

Los resultados revelaron un peligro claro y significativo. Cuando los amplificadores se colocaban cerca del centro de la máquina, como sugieren las directrices actuales, se calentaban rápidamente durante las exploraciones. En el sitio de 7 teslas, mucho más potente, los investigadores descubrieron que el uso de una secuencia de imagen estándar causaba que los amplificadores se calentaran más de dos grados Celsius en solo cinco minutos. Si este ritmo de calentamiento continuaba durante una sesión típica de cuarenta minutos, el aumento de temperatura sería lo suficientemente extremo como para derretir la carcasa de plástico del dispositivo y probablemente destruir la electrónica. El mismo problema ocurrió en el sitio de 3 teslas. Cuando los amplificadores se posicionaban cerca de la cabeza utilizando los cables cortos recomendados, la temperatura del equipo subía casi tres grados en una exploración corta. Los investigadores calcularon que, en una sesión de cuarenta minutos, la temperatura podría aumentar más de sesenta grados Celsius, un nivel que ciertamente dañaría el hardware. El estudio mostró que este calentamiento no fue causado por las ondas de radio, sino específicamente por la velocidad a la que los gradientes magnéticos se encendían y apagaban para crear las imágenes. Cuanto más rápido era el cambio, más calor se generaba.

Los investigadores probaron entonces si mover el equipo podía resolver el problema. Descubrieron que el calentamiento no era uniforme en toda la máquina; era más fuerte en una zona específica cerca del centro. Al tensar los cables para alejar los amplificadores del centro de la máquina, el calentamiento disminuyó significamente. Cuando aumentaron la distancia quince centímetros, el aumento de temperatura se redujo a más de la mitad. Cuando utilizaron cables más largos para alejar los amplificadores aún más, unos treinta y siete centímetros, el calentamiento se volvió casi insignificante. En estas pruebas, incluso después de ejecutar una exploración de alta resolución durante veinte minutos, el equipo se calentó menos de dos grados y los sensores en la cabeza permanecieron frescos. El estudio también mostró que ralentizar la velocidad de los interruptores magnéticos reducía el calentamiento, aunque esto requería cambiar la configuración de la imagen.

Los hallazgos sugieren que la práctica actual de colocar los amplificadores cerca de la cabeza para evitar quemaduras por radiofrecuencia puede exponer inadvertidamente al equipo a niveles peligrosos de calor provenientes de los gradientes magnéticos. Los investigadores enfatizan que la seguridad depende de encontrar un equilibrio. Mover los amplificadores demasiado lejos conlleva el riesgo del problema original de calentamiento por radiofrecuencia en los sensores, pero colocarlos demasiado cerca pone en riesgo de derretir los propios amplificadores. El estudio concluye que, para los escáneres modernos capaces de realizar imágenes muy rápidas, el enfoque más seguro es posicionar los amplificadores lo más lejos posible del centro de la máquina que permita la longitud del cable, asegurando que queden fuera de la zona de cambio magnético más intenso. Este sencillo ajuste, combinado con pruebas cuidadosas para cada configuración específica, garantiza que el equipo permanezca seguro y funcional, permitiendo a los científicos continuar explorando el cerebro humano sin el riesgo de quemar sus herramientas o a sus sujetos.