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

Immaginate di cercare di ascoltare i deboli sussurri elettrici del cervello umano e, contemporaneamente, di scattare una fotografia dettagliata del suo funzionamento interno. Questo è l'obiettivo di combinare l'elettroencefalografia, o EEG, con la risonanza magnetica funzionale, o fMRI. L'EEG registra l'attività elettrica del cervello attraverso un cappuccio di sensori posizionati sul cuoio capelluto, mentre la fMRI utilizza potenti magneti per creare immagini del flusso sanguigno, rivelando quali parti del cervello sono attive. Per fare entrambe le cose contemporaneamente, l'attrezzatura EEG deve trovarsi all'interno della macchina MRI. Tuttavia, l'ambiente MRI è ostile all'elettronica. La macchina genera un campo magnetico massiccio e immutabile, insieme a campi magnetici che cambiano rapidamente e onde radio ad alta frequenza. Queste forze possono indurre correnti elettriche in qualsiasi metallo nelle vicinanze, causando potenzialmente il surriscaldamento dell'attrezzatura. Se i cavi o i sensori dovessero scaldarsi troppo, potrebbero bruciare la persona che li indossa. Per decenni, gli scienziati hanno gestito questa situazione mantenendo gli ingombranti amplificatori elettronici che elaborano i segnali cerebrali all'esterno della stanza MRI, collegandoli ai sensori della testa tramite lunghi cavi. Ma questi lunghi cavi agiscono come antenne, catturando le onde radio e scaldandosi nel punto in cui toccano la pelle, creando un diverso tipo di pericolo.

Per risolvere il problema dell'antenna, i produttori hanno iniziato a raccomandare che gli amplificatori venissero spostati all'interno della macchina, vicino alla testa, utilizzando cavi molto corti. Questo evita che le onde radio accumulino un calore pericoloso nei sensori. Eppure, questa soluzione ha introdotto un nuovo rischio, meno compreso. All'interno della macchina, gli amplificano sono ora esposti ai campi magnetici che cambiano rapidamente utilizzati per creare le immagini. Gli scienziati si chiedevano se questi interruttori magnetici potessero riscaldare gli amplificatori stessi, danneggiando potenzialmente l'attrezzatura o ponendo un rischio per la sicurezza del partecipante. Un team di ricercatori si è messo alla prova per testare questo specifico pericolo. Non hanno utilizzato volontari umani per questi test; hanno invece utilizzato modelli realistici di una testa umana fatti di gel conduttivo e acqua, posizionati all'interno di scanner MRI a due diverse intensità di campo: una macchina standard da 3 Tesla e una molto più potente da 7 Tesla. Hanno applicato cappucci EEG a questi modelli e hanno posizionato gli amplificatori in varie posizioni, eseguendo diversi tipi di scansioni di imaging cerebrale per vedere quanto si scaldasse l'attrezzatura.

I risultati hanno rivelato un pericolo chiaro e significativo. Quando gli amplificatori venivano posizionati vicino al centro della macchina, come suggeriscono le attuali linee guida, si riscaldavano rapidamente durante le scansioni. Al sito da 7 Tesla, più potente, i ricercatori hanno scoperto che l'uso di una sequenza di imaging standard causava un riscaldamento degli amplificatori di oltre due gradi Celsius in soli cinque minuti. Se questo tasso di riscaldamento fosse continuato per una tipica sessione di quaranta minuti, l'aumento della temperatura sarebbe stato tale da fondere l'involucro in plastica del dispositivo e probabilmente distruggere l'elettronica. Lo stesso problema si è verificato al sito da 3 Tesla. Quando gli amplificatori erano posizionati vicino alla testa usando i cavi corti raccomandati, la temperatura dell'attrezzatura aumentava di quasi tre gradi in una breve scansione. I ricercatori hanno calcolato che, in una sessione di quaranta minuti, la temperatura potrebbe aumentare di oltre sessanta gradi Celsius, un livello che certamente danneggerebbe l'hardware. Lo studio ha dimostrato che questo riscaldamento non era causato dalle onde radio, ma specificamente dalla velocità con cui i gradienti magnetici si accendevano e si spegnevano per creare le immagini. Più veloce era lo switch, maggiore era il calore generato.

I ricercatori hanno poi testato se spostare l'attrezzatura potesse risolvere il problema. Hanno scoperto che il riscaldamento non era uniforme in tutta la macchina; era più forte in una zona specifica vicino al centro. Tirando i cavi in tensione per spostare gli amplificatori più lontano dal centro della macchina, il riscaldamento è diminuito significamente. Quando hanno aumentato la distanza di quindici centimetri, l'aumento della temperatura è stato tagliato di oltre la metà. Quando hanno usato cavi più lunghi per spostare gli amplificatori ancora più lontano, circa trentasette centimetri, il riscaldamento è diventato quasi trascurabile. In questi test, anche dopo aver eseguito una scansione ad alta risoluzione per venti minuti, l'attrezzatura si è scaldata di meno di due gradi e i sensori sulla testa sono rimasti freschi. Lo studio ha anche mostrato che rallentare la velocità degli interruttori magnetici riduceva il riscaldamento, sebbene ciò richiedesse la modifica delle impostazioni di imaging.

Le scoperte suggeriscono che l'attuale pratica di posizionare gli amplificatori vicino alla testa per evitare ustioni da radiofrequenza possa involontariamente esporre l'attrezzatura a livelli pericolosi di calore derivanti dai gradienti magnetici. I ricercatori sottolineano che la sicurezza dipende dal trovare un equilibrio. Spostare gli amplificatori troppo lontano rischia il problema originale del riscaldamento da radiofrequenza ai sensori, ma posizionarli troppo vicino rischia di fondere gli amplificatori stessi. Lo studio conclude che, per i moderni scanner capaci di imaging molto veloce, l'approccio più sicuro è posizionare gli amplificatori il più lontano possibile dal centro della macchina consentito dalla lunghezza del cavo, assicurando che siano al di fuori della zona di interruttore magnetico più intenso. Questo semplice aggiustamento, combinato con test accurati per ogni specifica configurazione, assicura che l'attrezzatura rimanga sicura e funzionale, permettendo agli scienziati di continuare a esplorare il cervello umano senza il rischio di bruciare i propri strumenti o i propri soggetti.