Model-based source imaging with realistic and spherical head models

Abstract

Electroencephalography is rather simple, non-invasive method to study brain function based on potentials measured at the scalp. EEG records electrical activity of neuron groups. It is widely used to study the spontaneous brain activity and evoked potentials representing the response to stimulus. One of the essential questions in brain research is to localize the group or groups of neurons, in other words the sources, that generate the measured EEG-signal. The problem of finding the sources generating the measured field in a known volume conductor is called the inverse problem. The purpose of the thesis was to study the inverse problem of EEG with a so-called model-based source imaging. The aim of source imaging methods is to produce topographic maps of the scalp or the cortex where the distortion due to volume conduction is minimized. In model-based source imaging, the head is modelled as volume conductor where the sources are described as potential distribution on closed surface of the brain. Since the surface is closed, the model can be simplified. There is no need to model the volume conductor inside this closed surface. The study made in the thesis could be divided into three phases. In the thesis, methods for creating realistic and spherical FDM (finite difference method) head models suitable for source imaging were successfully developed. In addition, it was shown how to compute the forward transfer matrices for realistic and spherical FDM models.

AB3:Elektroenkefalografia (EEG) on verrattain yksinkertainen, noninvasiivinen aivotoimintojen tutkimusmenetelmä. EEG:ssä rekisteröidään hermosolujoukkojen sähköistä toimintaa yleensä pään pinnalle asetettujen elektrodien välisenä jännite-erona. Yksi aivotutkimuksen keskeisimmistä ongelmista on paikantaa hermosolujoukko tai -joukot eli ne lähteet, joiden aktiivisuus synnyttää pään pinnalta rekisteröidyn EEG-signaalin. Tätä ongelmaa kutsutaan käänteisongelmaksi. Diplomityön tarkoituksena oli tutkia EEG:n käänteisongelmaa malliin perustuvalla lähteiden kuvantamisella. Työssä kehitettiin onnistuneesti menetelmät, joilla voidaan luoda realistisia ja pallon muotoisia lähteiden kuvantamiseen sopivia FDM (finite fifference method) -malleja. Lisäksi työssä osoitettiin, miten suorat siirtomatriisit lasketaan realistiselle ja pallon muotoiselle FDM-malleille. Näitä menetelmiä voidaan vastaisuudessa käyttää EEG:n käänteisongelman tutkimisessa.