Combined EEG and MEG source analysis of epileptiform activity using calibrated realistic finite element head models

﻿In dieser Arbeit wird eine neue Pipeline, welche die komplementaren Informationen der Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetoenzephalographie (MEG) berucksichtigen kann, vorgestellt und experimentell sowie methodisch analysiert. Um das Vorwartsproblem zu losen, wird ein hochrealistisches Finite-Elemente-Kopfmodell aus individuell gemessenen T1-gewichteten, T2-gewichteten und Diffusion-Tensor (DT)-MRIs generiert. Dafur werden die Kompartments Kopfhaut, spongioser Schadel, kompakter Schadel, Liquor Cerebrospinalis (CSF), graue Substanz und weise Substanz segmentiert und ein individuelles Kopfmodell erstellt. Um eine sehr akkurate Quellenanalyse zu garantieren werden die individuelle Kopfform, die Anisotropie der weisen Substanz und die individuell kalibrierte Schadelleitfahigkeiten berucksichtigt. Die Anisotropie der weisen Substanz wird anhand der gemessenen DT-MRI Daten berechnet und in das segmentierte Kopfmodell integriert. Da sich die Leitfahigkeit des schwach-leitenden Schadels fur verschiedene Probanden sehr stark unterscheidet und diese die Ergebnisse der EEG Quellenanalyse stark beeinflusst, wird ein Fokus auf die Untersuchung der Schadelleitfahigkeit gelegt. Um die individuelle Schadelleitfahigkeit moglichst genau zu bestimmen werden simultan gemessene somatosensorische Potentiale und Felder der Probanden verwendet und ein Verfahren zur Kalibrierung der Schadelleitfahigkeit durchgefuhrt. Wie in dieser Studie gezeigt, konnen individuell generierte Kopfmodelle dazu verwendet werden um, in einem nicht-invasivem Verfahren, interiktale Aktivitat fur Patienten, welche an medikamentenresistenter Epilepsie leiden, mit einer sehr hohen Genauigkeit zu detektieren. Auserdem werden diese akkuraten Kopfmodelle dazu verwendet um die unterschiedlichen Sensitivitaten von EEG, MEG und einer kombinierten EEG und MEG (EMEG) Quellenanalyse in Bezug auf verschiedene Gewebeleitfahigkeiten zu untersuchen. Wie in dieser Studie gezeigt wird liefert eine kombinierte EMEG Quellenanalyse zuverlassigere und robustere Ergebnisse fur die Lokalisierung epileptischer Aktivitat als eine einfache EEG oder MEG Quellenanalyse. Zuletzt werden die Auswirkungen einer Spikemittelung sowie die Effekte verschiedener Signal-Rausch-Verhaltnisse (SNRs) anhand verschiedener Teilmittelungen untersucht. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird sind realistische Kopfmodelle mit anisotroper weiser Substanz und kalibrierter Schadelleitfahigkeit nicht nur fur die EEG Quellenanalyse, sondern auch fur die MEG und EMEG Quellenanalyse vorteilhaft. Durch die Anwendung dieser akkuraten Kopfmodelle konnte gezeigt werden, dass EMEG Quellenanalyse sehr gute Quellenrekonstruktionen auch schon zu Beginn des epileptischen Spikes liefert, wo nur eine sehr geringe SNR vorhanden ist. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine Ausbreitung der epileptischen Aktivitat eingesetzt hat ist die Lokalisation von fruhen Quellen von besonderer Bedeutung. Wahrend die EMEG Quellenanalyse auch Ausbreitungseffekte fur spatere Zeitpunkte genau darstellen kann, konnen einfache EEG oder MEG Quellenanalysen diese nicht oder nur teilweise darstellen. Die Validierung der Ausbreitung wird anhand eines invasiv gemessenen Stereo-EEG durchgefuhrt. Durch die durchgefuhrten Spikemittelungen und die SNR Analyse wird verdeutlicht, dass durch eine Teilmittelung wichtige und exakte Informationen uber den Mittelpunkt sowie die Grose des epileptischen Gewebes gewonnen werden konnen, welche weder durch eine einfachen noch einer "Grand-average" Lokalisation des Spikes erreichbar sind. Eine weitere Anwendung einer genauen EMEG Quellenanalyse ist die Bestimmung einer "region of interest" anhand von standardisierten MRT Messungen. Diese kleinen Gebiete werden dann spater mit einer optimalen und hoher aufgelosten MRT-Sequenz gemessen. Dank dieses optimierte Verfahren konnen auch sehr kleine FCDs entdeckt werden, welche auf dem standardisierten gemessenen MRT-Sequenzen nicht erkennbar sind. Die Pipeline, welche in dieser Arbeit entwickelt wird, kann auch fur gesunde Probanden angewendet werden. In einer ersten Studie wird eine Quellenanalyse der somatosensorischen und auditorisch-induzierten Reize durchgefuhrt. Die gewonnen Daten werden mit anderen Studien vergleichen und mogliche Gemeinsamkeiten diskutiert. Eine weitere Anwendung der realistischen Kopfmodelle ist die Untersuchung von Volumenleitungseffekten in nicht-invasiven Hirnstimulationsmethoden wie transkranielle Gleichstromstimulation und transkranielle Magnetstromstimulation.