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

Stel je voor dat je probeert te luisteren naar de zwakke elektrische fluisteringen van het menselijk brein terwijl je tegelijkertijd een gedetailleerde foto maakt van de binnenwerken ervan. Dit is het doel van het combineren van elektro-encefalografie, of EEG, met functionele magnetische resonantie beeldvorming, of fMRI. De EEG registreert de elektrische activiteit van de hersenen via een kap met sensoren die op de hoofdhuid zijn geplaatst, terwijl de fMRI krachtige magneten gebruikt om beelden van de bloeddoorstroming te maken, waardoor zichtbaar wordt welke delen van de hersenen actief zijn. Om beide tegelijkertijd te doen, moet de EEG-apparatuur in de MRI-machine geplaatst worden. De MRI-omgeving is echter vijandig voor elektronica. De machine genereert een massief, onveranderlijk magnetisch veld, samen met snel schakelende magnetische velden en hoogfrequente radiogolven. Deze krachten kunnen elektrische stromen induceren in elk metaal in de buurt, wat potentieel kan leiden tot oververhitting van de apparatuur. Als de draden of sensoren te warm worden, zouden ze de persoon die ze draagt kunnen verbranden. Decennialang beheerden wetenschappers dit door de omvangrijke elektronische versterkers die de hersensignalen verwerken buiten de MRI-ruimte te houden, verbonden met de hoofdsensoren via lange kabels. Maar deze lange kabels werken echter als antennes, die de radiogolven opvangen en opwarmen op het punt waar ze de huid raken, wat een ander soort gevaar creëert.

Om het antenneprobleem op te lossen, begonnen fabrikanten aan te raden de versterkers binnen de machine te plaatsen, dicht bij het hoofd, met behulp van zeer korte kabels. Dit voorkomt dat de radiogolven zich ophopen en gevaarlijke hitte veroorzaken bij de sensoren. Toch introduceerde deze oplossing een nieuw, minder begrepen risico. Binnen de machine worden de versterkers nu blootgesteld aan de snel schakelende magnetische velden die worden gebruikt om de beelden te creëren. Wetenschappers vroegen zich af of deze magnetische schakelaars de versterkers zelf konden verhitten, wat potentieel de apparatuur zou kunnen beschadigen of een veiligheidsrisico voor de deelnemer zou vormen. Een team van onderzoekers zette zich af om dit specifieke gevaar te testen. Ze gebruikten geen menselijke vrijwilligers voor deze tests; in plaats daarvan gebruikten ze realistische modellen van een menselijk hoofd gemaakt van geleidende gel en water, geplaatst in MRI-scanners met twee verschillende veldsterktes: een standaard 3-tesla machine en een veel krachtigere 7-tesla machine. Ze bevestigden EEG-kappen aan deze modellen en plaatsten de versterkers in verschillende posities, terwijl ze verschillende soorten hersenbeeldvormingsscans uitvoerden om te zien hoeveel de apparatuur opwarmde.

De resultaten onthulden een duidelijk en aanzienlijk gevaar. Wanneer de versterkers dicht bij het centrum van de machine werden geplaatst, zoals de huidige richtlijnen suggereren, werden ze tijdens de scans snel warm. Bij de krachtigere 7-tesla locatie ontdekten de onderzoekers dat het gebruik van een standaard beeldvormingssequentie ervoor zorgde dat de versterkers in slechts vijf minuten met meer dan twee graden Celsius opwarmden. Als dit tempo van opwarming zou aanhouden tijdens een typische sessie van veertig minuten, zou de temperatuurstijging extreem genoeg zijn om de plastic behuizing van het apparaat te doen smelten en waarschijnlijk de elektronica te vernietigen. Hetzelfde probleem trad op bij de 3-tesla locatie. Wanneer de versterkers dicht bij het hoofd werden geplaatst met behulp van de aanbevolen korte kabels, steeg de temperatuur van de apparatuur met bijna drie graden tijdens een korte scan. De onderzoekers berekenden dat de temperatuur van de apparatuur over een sessie van veertig minuten met meer dan zestig graden Celsius zou kunnen stijgen, een niveau dat de hardware zeker zou beschadigen. De studie toonde aan dat deze verhitting niet werd veroorzaakt door de radiogolven, maar specifiek door de snelheid waarmee de magnetische gradiënten aan- en uitschakelden om de beelden te creëren. Hoe sneller de schakeling, hoe meer hitte er werd gegenereerd.

De onderzoekers testten vervolgens of het verplaatsen van de apparatuur het probleem zou oplossen. Ze ontdekten dat de verhitting niet uniform was door de machine; het was het sterkst in een specifieke zone nabij het centrum. Door de kabels strak te trekken om de versterkers verder van het centrum van de machine weg te bewegen, nam de verhitting aanzienlijk af. Wanneer ze de afstand met vijftien centimeter vergrootten, werd de temperatuurstijging met meer dan de helft verminderd. Toen ze langere kabels gebruikten om de versterkers nog verder weg te bewegen, met ongeveer zevenendertig centimeter, werd de verhitting bijna verwaarloosbaar. In deze tests, zelfs na het draaien van een hoge-resolutie scan voor twintig minuten, werd de apparatuur minder dan twee graden warmer, en bleven de sensoren op het hoofd koel. De studie toonde ook aan dat het vertragen van de snelheid van de magnetische schakelaars de verhitting verminderde, hoewel dit het wijzigen van de beeldinstellingen vereiste.

De bevindingen suggereren dat de huidige praktijk om de versterkers dicht bij het hoofd te plaatsen om radiofrequentie-verbranding te voorkomen, de apparatuur onbedoeld kan blootstellen aan gevaarlijke niveaus van hitte door de magnetische gradiënten. De onderzoekers benadrukken dat veiligheid afhangt van het vinden van een balans. Het te ver weg plaatsen van de versterkers brengt het oorspronkelijke probleem van radiofrequentie-verhitting bij de sensoren met zich mee, maar het te dicht bij het hoofd plaatsen brengt het risico met zich mee dat de versterkers zelf smelten. De studie concludeert dat voor moderne scanners die in staat zijn tot zeer snelle beeldvorming, de veiligste aanpak is om de versterkers zo ver mogelijk van het centrum van de machine te plaatsen als de kabellengte toelaat, zodat ze buiten de zone van de meest intense magnetische schakeling blijven. Deze eenvoudige aanpassing, gecombineerd met zorgvuldige tests voor elke specifieke opstelling, zorgt ervoor dat de apparatuur veilig en functioneel blijft, waardoor wetenschappers het menselijk brein kunnen blijven verkennen zonder het risico te lopen hun instrumenten of hun proefpersonen te verbranden.