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

想象一下，试图在捕捉人类大脑内部运作细节的高清照片的同时，聆听其微弱的电信号低语。这就是将脑电图（EEG）与功能性磁共振成像（fMRI）相结合的目标。EEG 通过放置在头皮上的传感器帽记录大脑的电活动，而 fMRI 则利用强大的磁场创建血流图像，从而揭示大脑哪些部分处于活跃状态。为了同时进行这两项操作，EEG 设备必须置于 MRI 机器内部。然而，MRI 环境对电子设备而言是极其恶劣的。该机器会产生一个巨大的、恒定的磁场，以及快速切换的磁场和高频无线电波。这些力量会在任何附近的金属中感应出电流，可能导致设备过热。如果电线或传感器变得过热，可能会灼伤佩戴者。几十年来，科学家通过将处理大脑信号的笨重电子放大器留在 MRI 室外，并通过长电缆连接到头部传感器来应对这一问题。但这些长电缆就像天线一样，会捕捉无线电波，并在接触皮肤的点处产生热量，从而造成另一种危险。

为了解决天线问题，制造商开始建议将放大器移入机器内部，靠近头部，并使用极短的电缆。这可以防止无线电波在传感器处积聚产生危险热量。然而，这个解决方案引入了一个新的、较少被理解的风险。在机器内部，放大器现在暴露在用于创建图像的快速切换磁场之下。科学家们想知道，这些磁开关是否会使放大器本身发热，从而可能损坏设备或对参与者构成安全风险。一组研究人员着手测试这一特定危险。他们没有在这些测试中使用人类志愿者；相反，他们使用了由导电凝胶和水制成的逼真人体头部模型，并将其放置在两种不同场强的 MRI 扫描仪中：一台标准的 3 特斯拉机器和一台更强大的 7 特斯拉机器。他们将 EEG 帽安装在这些模型上，并将放大器放置在不同位置，运行不同类型的脑成像扫描，以观察设备升温的情况。

结果显示了一个清晰且显著的危险。当放大器被放置在靠近机器中心的位置时（正如目前的指南所建议的那样），它们在扫描期间会迅速升温。在强大的 7 特斯拉设备中，研究人员发现，使用标准成像序列会导致放大器在短短五分钟内升温超过两摄氏度。如果按照这种升温速率持续进行典型的四十分钟扫描，温度升高将足以熔化设备的塑料外壳并很可能损坏电子元件。同样的问题也发生在 3 特斯拉设备上。当放大器通过短电缆靠近头部放置时，设备的温度在短时间内上升了近三度。研究人员计算出，在四十分钟的扫描过程中，温度可能会上升超过六十摄氏度，这一水平肯定会损坏硬件。研究表明，这种加热并非由无线电波引起，而是专门由用于创建图像的磁梯度切换速度引起的。开关切换得越快，产生的热量就越多。

研究人员随后测试了移动设备是否能解决这个问题。他们发现，机器内部的加热并不均匀；在靠近中心的特定区域最为强烈。通过拉紧电缆将放大器移至远离机器中心的位置，加热情况显著下降。当他们将距离增加 15 厘米时，升温幅度减少了一半以上。当他们使用更长的电缆将放大器进一步移开约 37 厘米时，加热几乎可以忽略不计。在这些测试中，即使在进行 20 分钟的高分辨率扫描后，设备升温也低于两度，且头部的传感器保持凉爽。研究还表明，降低磁开关的切换速度可以减少加热，但这需要更改成像设置。

研究结果表明，目前将放大器靠近头部放置以避免射频灼伤的做法，可能会无意中使设备暴露在来自磁梯度的危险热量水平之下。研究人员强调，安全性取决于寻找一种平衡。将放大器移得太远会面临最初的射频传感器热量问题，而放得太近则面临放大器本身熔化的风险。研究结论指出，对于能够进行极快成像的现代扫描仪，最安全的方法是将放大器尽可能远离机器中心，即放在电缆长度允许的最远端，确保它们位于最剧烈的磁切换区域之外。这种简单的调整，结合针对特定设置的仔细测试，可以确保设备既安全又功能完好，让科学家能够继续探索人类大脑，而不必担心损坏工具或伤害受试者。