Applications of dipole source analysis in Epilepsy

Abstract

İnsan beynini görüntülemek için birçok önemli teknoloji mevcuttur. Beyindeki nöronal aktiviteler kafa yüzeyinde elektriksel potansiyeller oluşturur fakat bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) gibi teknolojiler, anormallikleri epilepsi gibi bazı beyin hastalıkları için önemli olan bu elektriksel aktivite hakkında bilgi vermezler. EEG özellikle epilepsi çalışmalarında çok önemli bir klinik araçtır. Beyindeki dipolar aktivitenin yerini ve yönünü belirleme yöntemine elektromanyetik kaynak görüntüleme denilmektedir. EEG'de yapılan çalışmaların çoğunda kafa yüzeyinden yapılan ölçümler ile kafa içindeki kaynakların özellikleri tahmin edilmeye çalışılır. Bu tez çalışmasında küresel kafa modeli için elektroensefalografide (EEG) kaynak yerelleştirilmesi üzerinde durulmuştur. Bu çalışmada, dipol modeli için daha önceden geliştirilmiş olan matematiksel formülasyonlar, dipol modeli parametrelerini belirlemek için gerekli olan global ve yerel optimizasyon teknikleriyle detaylı olarak incelenmiştir. Elektriksel aktivite kaynağını tahmin etmek için bilgisayar programları geliştirilmiştir ve 5 epilepsi hastasının, interiktal epileptik dikenlerinin dipol parametreleri 4-katmanlı küresel kafa modelinden yararlanılarak belirlenmiştir. Araştırılan bütün dikenler için klinik yorumlar ile hesaplamalar sonucunda elde edilen kaynak lokalizasyonu sonuçlarının uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca bu çalışma kapsamında geliştirilen yazılım için yapılabilecek iyileştirmeler de tartışılmıştır.

Many new and important technologies are available to image the human brain. The neuronal activities in the brain generate electrical potentials on the scalp surface but new technologies like computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) do not give information about this electrical activity, abnormalities of which is very important for some brain diseases like epilepsy. Electroencephalography (EEG) is a very successful clinical tool, especially in the study of epilepsy. Electromagnetic source imaging based on EEG is a method for the detection of the location and orientation of dipolar electrical activity in the brain. Much of the work on EEG has focused on estimating the properties of the internal sources of the fields from the external measurements. This thesis focused on the problem of source localization in EEG for spherical head model. In this study, some mathematical formulations previously proposed for the dipole model has been thoroughly investigated along with the global and local optimization techniques necessary to determine the parameters of the dipole model. Computer programs have been developed and dipole parameters of interictal epileptic spikes of five patients have been determined using a 4-layer spherical head model. For all of the spikes investigated, clinical interpretation of the raw EEG and computational source localization results were in close agreement. Further possible improvements for the software developed in this study have been discussed.