Review on solving the inverse problem in EEG source analysis

In this primer, we give a review of the inverse problem for EEG source localization. This is intended for the researchers new in the field to get insight in the state-of-the-art techniques used to find approximate solutions of the brain sources giving rise to a scalp potential recording. Furthermore, a review of the performance results of the different techniques is provided to compare these different inverse solutions. The authors also include the results of a Monte-Carlo analysis which they performed to compare four non parametric algorithms and hence contribute to what is presently recorded in the literature. An extensive list of references to the work of other researchers is also provided

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

Incorporation of anisotropic conductivities in EEG source analysis

The electroencephalogram (EEG) is a measurement of brain activity over a period of time by placing electrodes at the scalp (surface EEG) or in the brain (depth EEG) and is used extensively in the clinical practice. In the past 20 years, EEG source analysis has been increasingly used as a tool in the diagnosis of neurological disorders (like epilepsy) and in the research of brain functionality. EEG source analysis estimates the origin of brain activity given the electrode potentials measured at the scalp. This involves solving an inverse problem where a forward solution, which depends on the source parameters, is fitted to the given set of electrode potentials. The forward solution are the electrode potentials caused by a source in a given head model. The head model is dependent on the geometry and the conductivity. Often an isotropic conductivity (i.e. the conductivity is equal in all directions) is used, although the skull and white matter have an anisotropic conductivity (i.e. the conductivity can differ depending on the direction the current flows). In this dissertation a way to incorporate the anisotropic conductivities is presented and the effect of not incorporating these anisotropic conductivities is investigated. Spherical head models are simple head models where an analytical solution to the forward problem exists. A small simulation study in a 5 shell spherical head model was performed to investigate the estimation error due to neglecting the anisotropic properties of skull and white matter. The results show that the errors in the dipole location can be larger than 15 mm, which is unacceptable for an accurate dipole estimation in the clinical practice. Therefore, anisotropic conductivities have to be included in the head model. However, these spherical head models are not representative for the human head. Realistic head models are usually made from magnetic resonance scans through segmentation and are a better approximation to the geometry of the human head. To solve the forward problem in these head models numerical methods are needed. In this dissertation we proposed a finite difference technique that can incorporate anisotropic conductivities. Moreover, by using the reciprocity theorem the forward calculation time during an dipole source estimation procedure can be significantly reduced. By comparing the analytical solution for the dipole estimation problem with the one using the numerical method, the anisotropic finite difference with reciprocity method (AFDRM) is validated. Therefore, a cubic grid is made on the 5 shell spherical head model. The electrode potentials are obtained in the spherical head model with anisotropic conductivities by solving the forward problem using the analytical solution. Using these electrode potentials the inverse problem was solved in the spherical head model using the AFDRM. In this way we can determine the location error due to using the numerical technique. We found that the incorporation of anisotropic conductivities results in a larger location error when the head models are fully isotropical conducting. Furthermore, the location error due to the numerical technique is smaller if the cubic grid is made finer. To minimize the errors due to the numerical technique, the cubic grid should be smaller than or equal to 1 mm. Once the numerical technique is validated, a realistic head model can now be constructed. As a cubic grid should be used of at most 1 mm, the use of segmented T1 magnetic resonance images is best suited the construction. The anisotropic conductivities of skull and white matter are added as follows: The anisotropic conductivity of the skull is derived by calculating the normal and tangential direction to the skull at each voxel. The conductivity in the tangential direction was set 10 times larger than the normal direction. The conductivity of the white matter was derived using diffusion weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI), a technique that measures the diffusion of water in several directions. As diffusion is larger along the nerve fibers, it is assumed that the conductivity along the nerve fibers is larger than the perpendicular directions to the nerve bundle. From the diffusion along each direction, the conductivity can be derived using two approaches. A simplified approach takes the direction with the largest diffusion and sets the conductivity along that direction 9 times larger than the orthogonal direction. However, by calculating the fractional anisotropy, a well-known measure indicating the degree of anisotropy, we can appreciate that a fractional anisotropy of 0.8715 is an overestimation. In reality, the fractional anisotorpy is mostly smaller and variable throughout the white matter. A realistic approach was therefore presented, which states that the conductivity tensor is a scaling of the diffusion tensor. The volume constraint is used to determine the scaling factor. A comparison between the realistic approach and the simplified approach was made. The results showed that the location error was on average 4.0 mm with a maximum of 10 mm. The orientation error was found that the orientation could range up to 60 degrees. The large orientation error was located at regions where the anisotropic ratio was low using the realistic approach but was 9 using the simplified approach. Furthermore, as the DW-MRI can also be used to measure the anisotropic diffusion in a gray matter voxel, we can derive a conductivity tensor. After investigating the errors due to neglecting these anisotropic conductivities of the gray matter, we found that the location error was very small (average dipole location error: 2.8 mm). The orientation error was ranged up to 40 degrees, although the mean was 5.0 degrees. The large errors were mostly found at the regions that had a high anisotropic ratio in the anisotropic conducting gray matter. Mostly these effects were due to missegmentation or to partial volume effects near the boundary interfaces of the gray and white matter compartment. After the incorporation of the anisotropic conductivities in the realistic head model, simulation studies can be performed to investigate the dipole estimation errors when these anisotropic conductivities of the skull and brain tissues are not taken into account. This can be done by comparing the solution to the dipole estimation problem in a head model with anisotropic conductivities with the one in a head model, where all compartments are isotropic conducting. This way we determine the error when a simplified head model is used instead of a more realistic one. When the anisotropic conductivity of both the skull and white matter or the skull only was neglected, it was found that the location error between the original and the estimated dipole was on average, 10 mm (maximum: 25 mm). When the anisotropic conductivity of the brain tissue was neglected, the location error was much smaller (an average location error of 1.1 mm). It was found that the anisotropy of the skull acts as an extra shielding of the electrical activity as opposed to an isotropic skull. Moreover, we saw that if the dipole is close to a highly anisotropic region, the potential field is changed reasonable in the near vicinity of the location of the dipole. In reality EEG contains noise contributions. These noise contribution will interact with the systematical error by neglecting anisotropic conductivities. The question we wanted to solve was “Is it worthwhile to incorporate anisotropic conductivities, even if the EEG contains noise?” and “How much noise should the EEG contain so that incorporating anisotropic conductivities improves the accuracy of EEG source analysis?”. When considering the anisotropic conductivities of the skull and brain tissues and the skull only, the location error due to the noise and neglecting the anisotropic conductivities is larger then the location error due to noise only. When only neglecting the anisotropic conductivities of the brain tissues only, the location error due to noise is similar to the location error due to noise and neglecting the anisotropic conductivities. When more advanced MR techniques can be used a better model to construct the anisotropic conductivities of the soft brain tissues can be used, which could result in larger errors even in the presence of noise. However, this is subject to further investigation. This suggests that the anisotropic conductivities of the skull should be incorporated. The technique presented in the dissertation can be used to epileptic patients in the presurgical evaluation. In this procedure patients are evaluated by means of medical investigations to determine the cause of the epileptic seizures. Afterwards, a surgical procedure can be performed to render the patient seizure free. A data set from a patiënt was obtained from a database of the Reference Center of Refractory Epilepsy of the Department of Neurology and the Department of Radiology of the Ghent University Hospital (Ghent, Belgium). The patient was monitored with a video/EEG monitoring with scalp and with implanted depth electrodes. An MR image was taken from the patient with the implanted depth electrodes, therefore, we could pinpoint the hippocampus as the onset zone of the epileptic seizures. The patient underwent a resective surgery removing the hippocampus, which rendered the patient seizure free. As DW-MRI images were not available, the head model constructed in chapter 4 and 5 was used. A neuroradiologist aligned the hippocampus in the MR image from which the head model was constructed. A spike was picked from a dataset and was used to estimate the source in a head model where all compartments were isotropic conducting, on one hand, and where the skull and brain tissues were anisotropic conducting, on the other. It was found that using the anisotropic head model, the source was estimated closer to the segmented hippocampus than the isotropic head model. This example shows the possibilities of this technique and allows us to apply it in the clinical practice. Moreover, a thorough validation of the technique has yet to be performed. There is a lot of discussion in the clinical community whether the spikes and epileptical seizures originate from the same origin in the brain. This question can be solved by applying our technique in patient studies

Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.The inverse problem of electroencephalography (EEG) is the localization of current sources within the brain using surface potentials on the scalp generated by these sources. An inverse solution typically involves multiple calculations of scalp surface potentials, i.e., the EEG forward problem. To solve the forward problem, models are needed for both the underlying source configuration, the source model, and the surrounding tissues, the head model. This thesis treats two distinct approaches for the resolution of the EEG forward and inverse problems using the boundary-element method (BEM): the conventional approach and the reciprocal approach. The conventional approach to the forward problem entails calculating the surface potentials starting from source current dipoles. The reciprocal approach, on the other hand, first solves for the electric field at the source dipole locations when the surface electrodes are reciprocally energized with a unit current. A scalar product of this electric field with the source dipoles then yields the surface potentials. The reciprocal approach promises a number of advantages over the conventional approach, including the possibility of increased surface potential accuracy and decreased computational requirements for inverse solutions. In this thesis, the BEM equations for the conventional and reciprocal approaches are developed using a common weighted-residual formulation. The numerical implementation of both approaches to the forward problem is described for a single-dipole source model. A three-concentric-spheres head model is used for which analytic solutions are available. Scalp potentials are calculated at either the centroids or the vertices of the BEM discretization elements used. The performance of the conventional and reciprocal approaches to the forward problem is evaluated for radial and tangential dipoles of varying eccentricities and two widely different skull conductivities. We then determine whether the potential advantages of the reciprocal approach suggested by forward problem simulations can be exploited to yield more accurate inverse solutions. Single-dipole inverse solutions are obtained using simplex minimization for both the conventional and reciprocal approaches, each with centroid and vertex options. Again, numerical simulations are performed on a three-concentric-spheres model for radial and tangential dipoles of varying eccentricities. The inverse solution accuracy of both approaches is compared for the two different skull conductivities and their relative sensitivity to skull conductivity errors and noise is assessed. While the conventional vertex approach yields the most accurate forward solutions for a presumably more realistic skull conductivity value, both conventional and reciprocal approaches exhibit large errors in scalp potentials for highly eccentric dipoles. The reciprocal approaches produce the least variation in forward solution accuracy for different skull conductivity values. In terms of single-dipole inverse solutions, conventional and reciprocal approaches demonstrate comparable accuracy. Localization errors are low even for highly eccentric dipoles that produce large errors in scalp potentials on account of the nonlinear nature of the single-dipole inverse solution. Both approaches are also found to be equally robust to skull conductivity errors in the presence of noise. Finally, a more realistic head model is obtained using magnetic resonance imaging (MRI) from which the scalp, skull, and brain/cerebrospinal fluid (CSF) surfaces are extracted. The two approaches are validated on this type of model using actual somatosensory evoked potentials (SEPs) recorded following median nerve stimulation in healthy subjects. The inverse solution accuracy of the conventional and reciprocal approaches and their variants, when compared to known anatomical landmarks on MRI, is again evaluated for the two different skull conductivities. Their respective advantages and disadvantages including computational requirements are also assessed. Once again, conventional and reciprocal approaches produce similarly small dipole position errors. Indeed, position errors for single-dipole inverse solutions are inherently robust to inaccuracies in forward solutions, but dependent on the overlapping activity of other neural sources. Against expectations, the reciprocal approaches do not improve dipole position accuracy when compared to the conventional approaches. However, significantly smaller time and storage requirements are the principal advantages of the reciprocal approaches. This type of localization is potentially useful in the planning of neurosurgical interventions, for example, in patients with refractory focal epilepsy in whom EEG and MRI are often already performed

ERP source tracking and localization from single trial EEG MEG signals

Electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG), which are two of a number of neuroimaging techniques, are scalp recordings of the electrical activity of the brain. EEG and MEG (E/MEG) have excellent temporal resolution, they are easy to acquire, and have a wide range of applications in science, medicine and engineering. These valuable signals, however, suffer from poor spatial resolution and in many cases from very low signal to noise ratios. In this study, new computational methods for analyzing and improving the quality of E/MEG signals are presented. We mainly focus on single trial event-related potential (ERP) estimation and E/MEG dipole source localization. Several methods basically based on particle filtering (PF) are proposed. First, a method using PF for single trial estimation of ERP signals is considered. In this method, the wavelet coefficients of each ERP are assumed to be a Markovian process and do not change extensively across trials. The wavelet coefficients are then estimated recursively using PF. The results both for simulations and real data are compared with those of the well known Kalman Filtering (KF) approach. In the next method we move from single trial estimation to source localization of E/MEG signals. The beamforming (BF) approach for dipole source localization is generalized based on prior information about the noise. BF is in fact a spatial filter that minimizes the power of all the signals at the output of the filter except those that come from the locations of interest. In the proposed method, using two more constraints than in the classical BF formulation, the output noise powers are minimized and the interference activities are stopped.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

ERP source tracking and localization from single trial EEG MEG signals

Electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG), which are two of a number of neuroimaging techniques, are scalp recordings of the electrical activity of the brain. EEG and MEG (E/MEG) have excellent temporal resolution, they are easy to acquire, and have a wide range of applications in science, medicine and engineering. These valuable signals, however, suffer from poor spatial resolution and in many cases from very low signal to noise ratios. In this study, new computational methods for analyzing and improving the quality of E/MEG signals are presented. We mainly focus on single trial event-related potential (ERP) estimation and E/MEG dipole source localization. Several methods basically based on particle filtering (PF) are proposed. First, a method using PF for single trial estimation of ERP signals is considered. In this method, the wavelet coefficients of each ERP are assumed to be a Markovian process and do not change extensively across trials. The wavelet coefficients are then estimated recursively using PF. The results both for simulations and real data are compared with those of the well known Kalman Filtering (KF) approach. In the next method we move from single trial estimation to source localization of E/MEG signals. The beamforming (BF) approach for dipole source localization is generalized based on prior information about the noise. BF is in fact a spatial filter that minimizes the power of all the signals at the output of the filter except those that come from the locations of interest. In the proposed method, using two more constraints than in the classical BF formulation, the output noise powers are minimized and the interference activities are stopped

Contributions en optimisation topologique : extension de la méthode adjointe et applications au traitement d'images

De nos jours, l'optimisation topologique a été largement étudiée en optimisation de structure, problème majeur en conception de systèmes mécaniques pour l'industrie et dans les problèmes inverses avec la détection de défauts et d'inclusions. Ce travail se concentre sur les approches de dérivées topologiques et propose une généralisation plus flexible de cette méthode rendant possible l'investigation de nouvelles applications. Dans une première partie, nous étudions des problèmes classiques en traitement d'images (restauration, inpainting), et exposons une formulation commune à ces problèmes. Nous nous concentrons sur la diffusion anisotrope et considérons un nouveau problème : la super-résolution. Notre approche semble meilleure comparée aux autres méthodes. L'utilisation des dérivées topologiques souffre d'inconvénients : elle est limitée à des problèmes simples, nous ne savons pas comment remplir des trous ... Dans une seconde partie, une nouvelle méthode visant à surmonter ces difficultés est présentée. Cette approche, nommée voûte numérique, est une extension de la méthode adjointe. Ce nouvel outil nous permet de considérer de nouveaux champs d'application et de réaliser de nouvelles investigations théoriques dans le domaine des dérivées topologiques.Nowadays, topology optimization has been extensively studied in structural optimization which is a major interest in the design of mechanical systems in the industry and in inverse problems with the detection of defects or inclusions. This work focuses on the topological derivative approach and proposes a more flexible generalization of this method making it possible to address new applications. In a first part, we study classical image processing problems (restoration, inpainting), and give a common framework to theses problems. We focus on anisotropic diffusion and consider a new problem: super-resolution. Our approach seems to be powerful in comparison with other methods. Topological derivative method has some drawbacks: it is limited to simple problems, we do not know how to fill holes, ... In a second part, to overcome these difficulties, an extension of the adjoint method is presented. Named the numerical vault, it allows us to consider new fields of applications and to explore new theoretical investigations in the area of topological derivative