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

Imaginez essayer d'écouter les faibles murmures électriques du cerveau humain tout en prenant simultanément une photographie détaillée de son fonctionnement interne. Tel est l'objectif de la combinaison de l'électroencéphalographie, ou EEG, avec l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf. L'EEG enregistre l'activité électrique du cerveau grâce à un bonnet de capteurs placés sur le cuir chevelu, tandis que l'IRMf utilise des aimants puissants pour créer des images du flux sanguin, révélant quelles parties du cerveau sont actives. Pour faire les deux en même temps, l'équipement d'EEG doit se trouver à l'intérieur de la machine d'IRM. Cependant, l'environnement de l'IRM est hostile à l'électronique. La machine génère un champ magnétique massif et immuable, ainsi que des champs magnétiques à commutation rapide et des ondes radio à haute fréquence. Ces forces peuvent induire des courants électriques dans tout métal à proximité, risquant de provoquer une surchauffe de l'équipement. Si les fils ou les capteurs deviennent trop chauds, ils pourraient brûler la personne qui les porte. Pendant des décées, les scientifiques géraient cela en gardant les amplificateurs électroniques encombrants qui traitent les signaux cérébraux à l'extérieur de la salle d'IRM, reliés aux capteurs de tête par de longs câbles. Mais ces longs câbles agissent comme des antennes, captant les ondes radio et chauffant au point de contact avec la peau, créant un autre type de danger.

Pour résoudre le problème de l'antenne, les fabricants ont commencé à recommander que les amplificateurs soient déplacés à l'intérieur de la machine, près de la tête, en utilisant des câbles très courts. Cela empêche les ondes radio de créer une chaleur dangereuse au niveau des capteurs. Pourtant, cette solution a introduit un nouveau risque, moins bien compris. À l'intérieur de la machine, les amplificateurs sont désormais exposés aux champs magnétiques à commutation rapide utilisés pour créer les images. Les scientifiques se demandaient si ces commutations magnétiques pouvaient chauffer les amplificateurs eux-mêmes, posant un risque potentiel de dommage pour l'équipement ou de sécurité pour le participant. Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de tester ce danger spécifique. Ils n'ont pas utilisé de volontaires humains pour ces tests ; ils ont plutôt utilisé des modèles réalistes de tête humaine faits de gel conducteur et d'eau, placés à l'intérieur de scanners IRM à deux intensités de champ différentes : une machine standard de 3 teslas et une machine beaucoup plus puissante de 7 teslas. Ils ont fixé des bonnets EEG à ces modèles et placé les amplificateurs dans diverses positions, en lançant différents types de séquences d'imagerie cérébrale pour voir à quel point l'équipement chauffait.

Les résultats ont révélé un danger clair et significatif. Lorsque les amplificateurs étaient placés près du centre de la machine, comme le suggèrent les directives actuelles, ils chauffaient rapidement pendant les examens. Sur le site de 7 teslas, plus puissant, les chercheurs ont constaté que l'utilisation d'une séquence d'imagerie standard provoquait une augmentation de la température des amplificateurs de plus de deux degrés Celsius en seulement cinq minutes. Si ce taux de chauffage se poursuivait pendant une session typique de quarante minutes, l'élévation de température serait suffisante pour faire fondre le boîtier en plastique du dispositif et probablement détruire l'électronique. Le même problème est survenu sur le site de 3 teslas. Lorsque les amplificateurs étaient positionnés près de la tête à l'aide des câbles courts recommandés, la température de l'équipement augmentait de près de trois degrés lors d'un court examen. Les chercheurs ont calculé qu'au cours d'une session de quarante minutes, la température pourrait augmenter de plus de soixante degrés Celsius, un niveau qui endommagerait certainement le matériel. L'étude a montré que ce chauffage n'était pas causé par les ondes radio, mais spécifiquement par la vitesse à laquelle les gradients magnétiques basculaient (s'allumaient et s'éteignaient) pour créer les images. Plus la commutation était rapide, plus la chaleur générée était importante.

Les chercheurs ont ensuite testé si le déplacement de l'équipement pouvait résoudre le problème. Ils ont découvert que le chauffage n'était pas uniforme dans toute la machine ; il était plus fort dans une zone spécifique proche du centre. En tendant les câbles pour éloigner les amplificateurs du centre de la machine, le chauffage a chuté de manière significative. En augmentant la distance de quinze centimètres, l'augmentation de la température a été réduite de plus de moitié. Lorsqu'ils ont utilisé des câbles plus longs pour éloigner encore plus les amplificateurs, d'environ trente-sept centimètres, le chauffage est devenu presque négligeable. Lors de ces tests, même après avoir effectué une séquence de haute résolution pendant vingt minutes, l'équipement s'est réchauffé de moins de deux degrés, et les capteurs sur la tête sont restés frais. L'étude a également montré que ralentir la vitesse des commutations magnétiques réduisait le chauffage, bien que cela nécessite de modifier les paramètres d'imagerie.

Les conclusions suggèrent que la pratique actuelle consistant à placer les amplificateurs près de la tête pour éviter les brûlures par radiofréquence peut involontairement exposer l'équipement à des niveaux dangereux de chaleur provenant des gradients magnétiques. Les chercheurs soulignent que la sécurité dépend de la recherche d'un équilibre. Éloigner trop les amplificateurs risque de recréer le problème initial de chauffage par radiofréquence au niveau des capteurs, mais les placer trop près risque de faire fondre les amplificateurs eux-mêmes. L'étude conclut que pour les scanners modernes capables d'imagerie très rapide, l'approche la plus sûre consiste à positionner les amplificateurs aussi loin du centre de la machine que la longueur des câbles le permet, garantissant qu'ils se trouvent en dehors de la zone de commutation magnétique la plus intense. Cet ajustement simple, combiné à des tests rigoureux pour chaque configuration spécifique, garantit que l'équipement reste sûr et fonctionnel, permettant aux scientifiques de continuer à explorer le cerveau humain sans risquer de brûler leurs outils ou leurs sujets.