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

인간 뇌의 미세한 전기적 속삭임을 들으면서 동시에 그 내부의 작동 원리를 상세하게 촬영하는 것을 상상해 보십시오. 이것이 뇌파 검사(EEG)와 기능적 자기공명영상(fMRI)을 결합하는 목표입니다. EEG는 두피에 부착된 센서 캡을 통해 뇌의 전기적 활동을 기록하고, fMRI는 강력한 자석을 사용하여 혈류를 영상화함으로써 뇌의 어느 부분이 활성화되었는지 밝혀냅니다. 이 두 가지를 동시에 수행하기 위해서는 EEG 장비가 MRI 기계 안에 위치해야 합니다. 그러나 MRI 환경은 전자 기기에 매우 적대적입니다. 기계는 거대하고 변하지 않는 자기장과 함께, 빠르게 전환되는 자기장 및 고주파 라디오파를 생성합니다. 이러한 힘은 주변의 모든 금속에 유도 전류를 발생시켜 장비를 과열시킬 잠재적 위험이 있습니다. 만약 전선이나 센서가 너무 뜨거워지면 착용 중인 사람에게 화상을 입힐 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌 신호를 처리하는 부피가 큰 증폭기를 MRI실 밖에 두고, 머리 센서를 긴 케이블로 연결하는 방식으로 이를 관리해 왔습니다. 하지만 이 긴 케이블은 안테나처럼 작용하여 라디오파를 포착하고 피부와 닿는 지점에서 열을 발생시켜 또 다른 종류의 위험을 초래했습니다.

이 안테나 문제를 해결하기 위해, 제조업체들은 증폭기를 머리에 가깝게 배치하여 매우 짧은 케이블을 사용하도록 권장하기 시작했습니다. 이는 라디오파가 센서에서 위험한 열을 축적하는 것을 방지합니다. 그러나 이 해결책은 이해되지 않은 새로운 위험을 도입했습니다. 기계 내부에서 증폭기는 이제 영상을 만드는 데 사용되는 빠르게 전환되는 자기장에 노출됩니다. 과학자들은 이 자기 스위치들이 증폭기 자체를 가열하여 장비를 손상시키거나 참가자에게 안전상의 위험을 초래할 수 있는지 궁금해했습니다. 한 연구팀은 이 특정 위험을 테스트하기 위해 연구를 수행했습니다. 그들은 인간 자원봉사자를 사용하는 대신, 전도성 젤과 물로 만든 실제 인간 머리 모델을 사용하여 2가지 서로 다른 자기장 강도(표준 3-테슬라 기계와 훨씬 더 강력한 7-테슬라 기계) 내의 MRI 스캐너 안에 배치했습니다. 그들은 이 모델들에 EEG 캡을 부착하고 증폭기를 다양한 위치에 배치한 뒤, 장비가 얼마나 가열되는지 확인하기 위해 다양한 유형의 뇌 영상 스캔을 실행했습니다.

결과는 명확하고 심각한 위험을 드러냈습니다. 현재의 가이드라인처럼 증폭기를 기계 중심부에 가깝게 배치했을 때, 스캔 중에 증폭기가 급격히 가열되었습니다. 강력한 7-테슬라 현장에서 연구진은 표준 영상 시퀀스를 사용할 경우 단 5분 만에 증폭기의 온도가 섭씨 2도 이상 상승한다는 것을 발견했습니다. 만약 이 가열 속도가 일반적인 40분 세션 동안 지속된다면, 온도는 장치의 플라스틱 케이스를 녹이고 전자 부품을 파괴할 정도로 극단적으로 높아질 것입니다. 동일한 문제가 3-테슬라 현장에서도 발생했습니다. 짧은 케이블을 사용하여 증폭기를 머리 근처에 배치했을 때, 장비의 온도는 짧은 스캔 중에 거의 3도 가까이 상승했습니다. 연구진은 40분 세션 동안 온도가 섭씨 60도 이상 상승할 수 있다고 계산했는데, 이는 하드웨어를 확실히 손상시킬 수준입니다. 연구는 이 가열이 라디오파 때문이 아니라, 특히 영상을 만들기 위해 자기 경사(magnetic gradients)가 켜지고 꺼지는 속도 때문에 발생했다는 것을 보여주었습니다. 스위치가 더 빠를수록 더 많은 열이 발생했습니다.

연구진은 장비를 이동시키는 것이 문제를 해결할 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 가열이 기계 전체에서 균일하게 일어나지 않으며, 중심부 근처의 특정 구역에서 가장 강하다는 것을 발견했습니다. 케이블을 팽팽하게 당겨 증폭기를 기계 중심에서 더 멀리 떨어뜨리자 가열이 크게 줄어들었습니다. 거리를 15cm 늘렸을 때 온도 상승은 절반 이상 감소했습니다. 더 긴 케이블을 사용하여 증폭기를 약 37cm 더 멀리 이동시키자 가열은 거의 무시할 수 있는 수준이 되었습니다. 이 테스트에서 고해 resolution 스캔을 20분 동안 실행한 후에도 장비는 2도 미만으로 따뜻해졌으며, 머리의 센서는 차가운 상태를 유지했습니다. 연구는 또한 자기 스위치의 속도를 늦추는 것이 가열을 줄인다는 것을 보여주었으나, 이는 영상 설정을 변경해야 하는 작업이었습니다.

이 결과는 라디오 주파수 화상을 피하기 위해 증폭기를 머리 근처에 두는 현재의 관행이 의도치 않게 장비를 자기 경사로부터 발생하는 위험한 수준의 열에 노출시킬 수 있음을 시사합니다. 연구진은 안전은 균형을 찾는 데 달려 있다고 강조합니다. 증폭기를 너무 멀리 옮기면 원래의 문제인 센서에서의 라디오 주파수 가열 위험이 있고, 너무 가깝게 두면 증폭기 자체가 녹을 위험이 있습니다. 연구는 현대의 매우 빠른 영상 촬영이 가능한 스캐너를 위한 가장 안전한 접근 방식은 케이블 길이에 허용되는 한 증폭기를 기계 중심에서 최대한 멀리 배치하여, 가장 강렬한 자기 전환 구역 밖에 두는 것이라고 결론지었습니다. 이 간단한 조정과 각 설정에 대한 세심한 테스트를 결합하면, 도구를 태우거나 피험자에게 해를 끼칠 위험 없이 과학자들이 계속해서 인간의 뇌를 탐구할 수 있도록 보장할 수 있습니다.